川西北中二疊統(tǒng)棲霞組沉積特征及古地貌響應

劉文棟，鐘大康，孫海濤，曾鑫耀，梁雪祺，胡欣，李榮容，彭思橋，宋雨佳

1.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249

2.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

3.中石油西南油田分公司川西北氣礦，四川江油 621741

0 引言

四川盆地西北部中二疊統(tǒng)棲霞組發(fā)育厚層白云巖儲層，成為近年來油氣勘探開發(fā)的重點層系。早期，盆地內棲霞組勘探主要集中在蜀南地區(qū)，以尋找灰?guī)r縫洞型儲層為主[1]；20世紀70年代，川西北河灣場構造帶開展油氣勘探，未發(fā)現(xiàn)棲霞組白云巖，獲得地質儲量較少；21世紀初，川西北礦山梁構造帶礦2井，鉆遇棲霞組44 m厚白云巖，雖儲層產(chǎn)水，未在其中獲得油氣，但證實了該地區(qū)厚層白云巖的存在[2-3]。2012年，川西北雙魚石構造帶雙探1井，鉆遇棲霞組厚層孔隙型白云巖儲層，2014年完井測試獲氣87.6×104方/日，至此拉開了川西北棲霞組白云巖勘探的序幕。隨后在該地區(qū)又相繼部署了雙探3井、雙探8井、雙探12井以及雙魚001-1井等，均獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，顯示出該地區(qū)中二疊統(tǒng)棲霞組具有巨大的勘探潛力。前人研究多表明，川西北棲霞組白云巖發(fā)育與高能灘相沉積關系密切[4-6]，因此，對該地區(qū)棲霞組沉積特征和沉積格局進行研究，查明棲霞組灘相白云巖儲層發(fā)育和展布規(guī)律，對該地區(qū)棲霞組油氣勘探具有重要意義。

前人對川西北中二疊統(tǒng)棲霞組沉積相已做了大量研究工作，并提出了不同觀點。黃先平等[7]從全盆地出發(fā)，發(fā)現(xiàn)四川盆地中二疊統(tǒng)碳酸鹽巖主體為灘相沉積，有利儲集相主要分布在川西—川南一帶，沿盆地邊緣呈弧形展布；陳宗清[1]認為四川盆地棲霞組為碳酸鹽巖臺地沉積，川西北部屬于臺內淺緩坡高能相帶，具備發(fā)育有效儲層的條件；胡明毅等[6]結合層序地層學理論，認為盆地西部在棲霞晚期沉積水體較淺，發(fā)育高位體系域，于川西—川西北一線發(fā)育臺緣灘；魏國齊等[8-9]認為揚子板塊西緣棲霞組沉積早期主要由海侵體系域構成，晚期發(fā)育高位體系域，在川西一帶發(fā)育臺地邊緣相，并進一步指出臺緣高能灘為棲霞早期較低能開闊淺水沉積的基礎上發(fā)育而來，區(qū)域上分布于龍門山和米倉山山前帶；同時，亦有學者認為川西北棲霞組屬于碳酸鹽緩坡或兼具發(fā)育臺地邊緣的緩斜坡沉積[10-13]。經(jīng)過前期眾多研究，川西北地區(qū)棲霞組沉積演化以及沉積相展布大體輪廓已基本建立，但棲霞組灘相沉積范圍刻畫不夠清晰，灘體縱向和平面演化規(guī)律研究相對薄弱，導致對川西北地區(qū)棲霞組大規(guī)模灘相沉積發(fā)育時期和空間展布認識不足，缺乏預測性。同時前人多從沉積角度出發(fā)討論棲霞組灘體發(fā)育規(guī)律，對川西北地區(qū)棲霞組沉積期古地貌的研究不多，棲霞組白云巖儲層發(fā)育主控因素還未明朗，制約了該地區(qū)油氣勘探開發(fā)進展。針對以上問題，本文在前人研究基礎之上，利用野外露頭、巖心觀察、大量薄片分析鑒定、測井和地震資料，并結合區(qū)域構造沉積演化，分期次對棲霞組沉積特征和沉積格局展開研究，探討棲霞組大規(guī)模灘相沉積發(fā)育時期和空間展布范圍；同時，結合沉積特征和棲霞組白云巖發(fā)育規(guī)律，從四川盆地區(qū)域構造活動方面討論川西北棲霞期基本古地貌特征，分析古地貌對高能灘相沉積的影響及其與白云巖儲層發(fā)育之間的關系，明確棲霞組白云巖儲層發(fā)育主控因素，預測棲霞組有利沉積相帶分布，以期為該地區(qū)油氣勘探提供沉積儲層依據(jù)。

1 區(qū)域地質概況

研究區(qū)位于川西北部江油、劍閣、廣元和旺蒼一帶，在大地構造位置上屬于揚子板塊西北緣，處于龍門山造山帶和米倉山隆起帶與川北古中坳陷低緩帶的過渡區(qū)[14]（圖1）。由于印支期龍門山逆沖推覆作用影響，以及燕山和喜山期構造作用的疊加，除該區(qū)北部廣大露頭區(qū)外，二疊系普遍埋藏較深且斷塊發(fā)育，其中斷裂溝通下伏寒武系烴源巖，油氣地質條件十分優(yōu)越[3,14]。

圖1 川西北中二疊統(tǒng)棲霞組地質概況（a）研究區(qū)位置及地質構造綱要（據(jù)文獻[14]修改）；（b）研究區(qū)長江溝剖面棲霞組地層柱狀圖（據(jù)文獻[8]修改）；（c）川西北二疊系沉積前古地質圖Fig.1 Geological overview of the Middle Permian Qixia Formation in the northwestern Sichuan Basin

早二疊世，受石炭紀末期云南運動影響，四川盆地及其鄰區(qū)大范圍抬升遭受剝蝕，使得該區(qū)普遍缺失下二疊統(tǒng)，中二疊統(tǒng)下部梁山組直接假整合于石炭系之上[15]，個別剝蝕強烈地區(qū)，梁山組直接與下伏志留系甚至寒武系接觸[16]。云南運動后的揚子地臺經(jīng)長期剝蝕已基本準平原化，為中二疊世海侵創(chuàng)造了條件，中二疊統(tǒng)底部梁山組總體為一套海侵初期的濱岸、沼澤相含煤碎屑巖沉積，隨后海侵大范圍到來，開始了棲霞組清水碳酸鹽巖沉積[17]。研究區(qū)棲霞組厚約80～135 m，與下伏梁山組和上覆茅口組均為整合接觸，其下部主要為深灰色薄至中層狀生屑泥晶灰?guī)r、深灰色厚層狀泥晶生屑灰?guī)r，偶夾薄層泥巖或泥灰?guī)r，中上部主要為淺灰色、灰白色厚層至塊狀亮晶生屑灰?guī)r、白云巖以及灰質云巖等，頂部逐漸過渡為“豹斑狀”云質灰?guī)r或泥—亮晶生屑灰?guī)r。其中棲霞組中上部厚層至塊狀白云巖在川西北分布廣泛，溶蝕孔洞較為發(fā)育，為研究區(qū)主要的儲集巖類。

2 棲霞組沉積特征

梁山組沉積后，上揚子地區(qū)開始經(jīng)歷較大規(guī)模的海侵，該時期海域廣闊、構造穩(wěn)定、陽光充足，生物繁盛，盆地內廣泛發(fā)育了棲霞組海相碳酸鹽巖沉積。棲霞組沉積早期，水體相對較深，主要以開闊臺地沉積為主，至中晚期，海平面下降，開始大面積發(fā)育臺地邊緣沉積，根據(jù)野外露頭、鉆井巖性及電性特征，可將其劃分為棲（棲霞組）一段和棲二段。

2.1 棲一段沉積特征

棲一段以灰黑色、深灰色薄層至中層狀泥晶灰?guī)r，生屑泥晶灰?guī)r以及泥晶生屑灰?guī)r為主，偶夾薄層泥巖、泥灰?guī)r，總體含泥質較重（圖2a，b），在成像測井中表現(xiàn)為薄至中層狀灰?guī)r與薄層泥巖或泥灰?guī)r間互沉積（圖2g）。棲一段泥晶生屑灰?guī)r中生物種類豐富，以有孔蟲、腕足、腹足、苔蘚蟲以及藻類生物碎屑為主，含少量棘皮類（圖2c，d），所含藻類中具大量以翁格達藻（Ungdarellaceae）為代表的紅藻類生物碎屑（圖2e，f）。該特征指示研究區(qū)棲一段沉積期為水體相對較深、沉積速率緩慢、波浪作用弱的低能環(huán)境。

圖2 研究區(qū)棲一段宏觀及微觀沉積特征（a）深灰色薄至中層狀生屑灰?guī)r，棲一段，通口剖面；（b）深灰色中層狀生屑灰?guī)r，棲一段，金真村剖面；（c）泥晶生屑灰?guī)r，含有孔蟲、棘屑和少量介殼類生物碎片，粒間主要為灰泥充填，單偏光，棲一段，通口剖面；（d）泥晶生屑灰?guī)r，主要含有孔蟲、苔蘚和介殼類，并可見少量鈣球，粒間灰泥充填，單偏光，棲一段，金真村剖面；（e）生屑泥晶灰?guī)r，灰泥含量較多，含大量翁格達藻碎片（白色箭頭所示），單偏光，棲一段，貓兒塘剖面；（f）生屑泥晶灰?guī)r，含大量翁格達藻碎片（白色箭頭所示），單偏光，棲一段，貓兒塘剖面；（g）棲一段成像測井，表現(xiàn)為薄至中層狀灰?guī)r與薄層泥巖、泥灰?guī)r互層，灰?guī)r呈高阻亮黃色，泥灰?guī)r或泥巖電阻率較低，電成像呈暗黑色，雙探8井Fig.2 Macro and micro sedimentary characteristics for the first member of the Qixia Formation in the study area

2.2 棲二段沉積特征

棲二段沉積期水體變淺，波浪作用較強，粒間灰泥多被淘洗帶走，巖性以淺灰、灰白色厚層至塊狀白云巖（圖3a～d）、“豹斑狀”云質灰?guī)r（圖3e）、亮晶生屑灰?guī)r（圖3g）和泥—亮晶生屑灰?guī)r（圖3h）為主。其中，生屑灰?guī)r中生物種類豐富，以有孔蟲、腕足、棘皮類和藻類碎片為主。與棲一段不同的是，沉積物中紅藻減少，以粗枝藻（Dasycladaceae）為代表的綠藻類生物碎屑增多（圖3g，h）。該時期為棲霞組主要的成灘期，灘體后期發(fā)生白云石化及埋藏溶蝕作用，白云巖晶間孔和溶蝕孔洞發(fā)育，形成了該地區(qū)優(yōu)質白云巖儲層。

棲二段白云巖主要為高能生屑灘于埋藏期發(fā)生白云石化作用形成。其一，在薄片中可觀察到未被白云石交代的灰質殘余部分顯示出亮晶顆粒結構（圖3e）；其二，在巖心中可觀察到白云巖中具有生屑幻影，仍保留有珊瑚生物的外形輪廓（圖3f）；其三，對于在巖心或者薄片中普遍存在的、不具生屑幻影或殘余生屑結構的晶粒白云巖，無論是在巖心觀察還是普通薄片鑒定情況下，均難以識別其原始巖石面貌，對于此類因白云石化作用強烈而呈晶粒結構的白云巖，在陰極射線下，卻能夠顯示出較為清晰的原始顆粒結構。

圖3 研究區(qū)棲二段宏觀及微觀沉積特征（a）淺灰色塊狀白云巖，棲二段，葛底壩剖面；（b）灰白色厚層至塊狀白云巖，溶蝕孔洞發(fā)育，棲二段，車家壩剖面；（c）中—粗晶白云巖，單偏光，棲二段，葛底壩剖面；（d）中—粗晶白云巖，發(fā)育晶間孔，單偏光，棲二段，車家壩剖面；（e）云質灰?guī)r，未被白云石交代部分顯示殘余顆粒結構，單偏光，7 056.18 m，雙探12井；（f）生屑白云巖，具珊瑚生物幻影，7 088.55 m，雙探12井；（g）亮晶生屑灰?guī)r，含Mizzia（縱切面，白色箭頭所示），單偏光，貓兒塘剖面；（h）泥—亮晶生屑灰?guī)r，含Mizzia（橫切面，白色箭頭所示），單偏光，7 051.79 m，雙探12井；（i）棲二段白云巖段成像測井，塊狀沉積特征，溶蝕孔洞表現(xiàn)為低阻暗黑色，呈分散狀分布，雙探8井Fig.3 Macro and micro sedimentary characteristics from the second member of the Qixia Formation in the study area

碳酸鹽礦物的陰極發(fā)光性與其所含有Mn2+和Fe2+含量及其相對比值密切相關，Mn2+常作為激活劑，激活陰極發(fā)光，而Fe2+為猝滅劑，猝滅陰極發(fā)光[18-20]，一般來說，當Mn2+相對較低時，碳酸鹽礦物一般不發(fā)光或發(fā)光暗淡，而當Mn2+含量相對較高，同時由具有較高的Mn2+/Fe2+比值時，碳酸鹽礦物可具有較強的陰極發(fā)光[21]。從研究區(qū)白云巖的陰極發(fā)光特征來看，白云石的核心部位不發(fā)光或發(fā)光微弱，而外部邊緣發(fā)亮橙色光，具有較強的發(fā)光特性（圖4）。同時聯(lián)系到該地區(qū)白云巖廣泛發(fā)育的“霧心亮邊”結構，認為其與埋藏階段多期白云石化作用有關[22-23]，在埋藏早期階段，交代流體具較高的Mg/Ca比值，白云石化作用進行較快，阻礙了灰質的及時排出，因此在白云石的內部殘留有大量灰質殘余，導致核心部分呈霧狀，并且這些灰質殘余保留著原始海水低錳、鐵含量的特點，使得該核心部分不具陰極發(fā)光或僅具有非常弱的陰極發(fā)光[17]。隨著埋藏深度的增加，孔隙水Mg/Ca比值降低，交代作用相對緩慢，一方面灰質殘留少，另一方面，在埋藏相對較深條件下形成的白云巖往往具有較高的Mn、Fe含量，使得晚期形成白云石晶體的外部邊緣部分呈現(xiàn)出較強的陰極發(fā)光，并且隨著Mn、Fe含量的相對變化，出現(xiàn)亮暗相間的環(huán)帶狀陰極發(fā)光特征[24-26]。

圖4 研究區(qū)棲二段晶粒白云巖陰極發(fā)光特征上方為樣品單偏光照片，下方為對應樣品同一視域的陰極發(fā)光照片（a）中—粗晶白云巖，7 088.91 m，雙探12井；（b）中晶白云巖，7 731.82 m，雙探9井；（c）粗晶白云巖，7 590.12 m，雙魚132井；（d）中—粗晶白云巖（對應照片a，同一視域），顆粒核心部位發(fā)光較暗，粒間膠結物發(fā)橘黃色光，顯示出明顯的原始灰?guī)r顆粒結構，陰極發(fā)光；（e）中晶白云巖（對應照片b，同一視域），顯示原始顆粒結構；（f）粗晶白云巖（對應照片c，同一視域），顯示原始顆粒結構Fig.4 Cathode luminescence characteristics for the grain dolomites in the second member of the Qixia Formation in the study area

地球化學分析資料表明，研究區(qū)棲霞組白云巖具有與石灰?guī)r一致的稀土元素配分模式，δ13C為1.8‰～4.0‰，δ18O為-8.0‰～-6.0‰，87Sr/86Sr為0.707 4～0.707 9，均在同期海水相應同位素數(shù)值范圍之內[27]，且研究區(qū)白云巖具有較高的Fe、Mn含量[12]，結合白云石晶體邊緣較平直，晶體較為粗大的巖石學特征（多為半自形至自形中—粗晶結構），以及白云石明亮的陰極發(fā)光特征，表明研究區(qū)棲霞組白云巖形成于溫度和壓力較高的還原環(huán)境下，可能與高能灘體在埋藏期發(fā)生白云石化有關，其鎂離子主要來源于碳酸鹽顆粒所囚禁的同沉積期海水。

3 沉積相類型及其特征

根據(jù)野外剖面觀察、巖心描述以及大量薄片鑒定，并利用測井和地震資料，結合區(qū)域構造演化、沉積地層充填特征和相序配置關系，認為研究區(qū)棲霞組總體屬于碳酸鹽巖臺地沉積，并進一步劃分出開闊臺地、臺地邊緣以及斜坡—盆地等相類型，其特征如下。

3.1 斜坡—盆地相

該相帶位于碳酸鹽臺地面向廣海一側，水體相對較深，沉積地層厚度薄，顏色總體偏暗，主要分布在棲一段下部，發(fā)育灰黑色薄層狀泥巖、泥灰?guī)r，深灰色薄—中層狀泥晶灰?guī)r和生屑泥晶灰?guī)r等。如研究區(qū)北部朝天剖面棲霞組底部發(fā)育黑色泥巖、泥灰?guī)r，水平層理發(fā)育[8]，以及研究區(qū)東北方向王家溝剖面，棲霞組整體以深灰、灰黑色薄至中層狀泥晶灰?guī)r和泥晶生屑灰?guī)r沉積為主（圖5a），缺乏高能顆粒灘沉積，總體為一套相對低能環(huán)境下的產(chǎn)物。

3.2 臺地邊緣相

臺地邊緣相位于碳酸鹽巖臺地斜坡和開闊臺地之間，常表現(xiàn)為一狹長狀的地形凸起，面臨廣海，處于正常浪基面附近，水體能量高，碳酸鹽顆粒常受到波浪的反復沖刷淘洗，粒間灰泥較少，以亮晶為主；且該相帶地貌相對較高，水深較淺，蒸發(fā)作用快，導致水體鹽度升高，在埋藏期間隨著溫度、壓力的升高，容易發(fā)生白云石化作用，常形成臺緣相帶良好的白云巖儲層。研究區(qū)該相帶主要由淺灰色厚層至塊狀亮晶顆?；?guī)r，顆粒云巖以及云質灰?guī)r等組成，在地震剖面上具有地層增厚、寬緩波谷、斷續(xù)、內部雜亂反射特征（圖6）。研究區(qū)通口、劍閣、廣元一帶，棲霞組高能顆?；?guī)r灘以及白云巖較發(fā)育（圖5b～d），灘體展布范圍之大，非緩坡型灘體所能達到的規(guī)模，向東至旺蒼一帶的吳家1井，其鉆遇棲霞組中上部總厚約5 m白云巖地層（圖5e），同樣具有臺地邊緣灘相沉積特征，并與其前方低能斜坡相泥灰?guī)r直接接觸，該巖性和相帶的突變，非碳酸鹽巖緩坡所表現(xiàn)出的沉積特征[8]。

圖5 研究區(qū)中二疊統(tǒng)棲霞組各沉積相巖性特征（a）灰黑色薄至中層狀泥晶灰?guī)r，棲一段，王家溝剖面，斜坡相；（b）淺灰色中至厚層狀云質灰?guī)r，棲一段中上部，通口剖面，臺緣灘亞相；（c）淺灰色塊狀白云巖，巖石表面刀砍紋發(fā)育，棲二段，何家梁剖面，臺緣灘亞相；（d）淺灰色塊狀白云巖，棲二段，車家壩剖面，臺緣灘亞相；（e）白云巖，針孔發(fā)育，4 040.00～4 040.15 m，棲二段，吳家1井，臺緣灘亞相；（f）泥—亮晶砂屑生屑灰?guī)r，5 866.85 m（-），龍17井，臺內灘亞相Fig.5 Lithologic characteristics of each sedimentary facies in the Middle Permian Qixia Formation

圖6 研究區(qū)中二疊統(tǒng)棲霞組典型地震相和分布特征（據(jù)西南油氣田，剖面位置見圖1）Fig.6 Typical seismic facies and its distribution characteristics for the Middle Permian Qixia Formation

3.3 開闊臺地相

該亞相位于碳酸鹽巖臺地邊緣后方，向臺地內部一側。常位于正常浪基面以下，面積廣闊，水體通暢，向海一側由于受到凸起的臺地邊緣的障壁作用，波浪對其影響作用較小，水體能量相對較低，以沉積泥晶灰?guī)r、生屑泥晶灰?guī)r以及泥晶生屑灰?guī)r為主，總體灰泥含量較高。在臺地內部局部高部位，水體較淺，陽光充足，鹽度正常，適合生物生長，常形成以泥晶生屑灰?guī)r或泥—亮晶生屑灰?guī)r沉積為主的臺內灘體沉積（圖5f），并可伴隨微弱的白云石化作用，地震剖面上顯示地層減薄、內部發(fā)育波峰、連續(xù)、平行反射特征（圖6）。此類灘體相比臺緣灘規(guī)模小，厚度薄，平面上主要分布在研究區(qū)九龍山構造一帶。

4 沉積相展布及其演化

在地層沉積特征和沉積相分析基礎上，利用研究區(qū)野外露頭、鉆井巖心及地震資料，結合沉積地層顏色、厚度、沉積構造、巖性和生物化石等相標志，認為研究區(qū)棲霞組自西北向東南方向，依次發(fā)育斜坡—盆地相、臺地邊緣相和開闊臺地相，各時期沉積相具有如下展布特征。

4.1 棲一期沉積相展布特征

棲霞組沉積早期，廣泛的海侵作用使得研究區(qū)整體水體偏深，其主要發(fā)育開闊臺地相，分布在雙魚石和九龍山一帶，多由鉆井所揭示，以深灰色中至厚層狀含生屑泥晶灰?guī)r、泥晶生屑灰?guī)r為主，偶夾薄層狀泥巖、泥灰?guī)r。受二疊紀四川盆地沿川西海槽以及北部秦嶺海槽拉張斷裂活動影響，研究區(qū)西北方向青川等地，以及東北方向朝天和王家溝剖面一帶，在斷層下降盤影響下，水體較深，碳酸鹽沉積速率較慢，因而棲霞組整體地層厚度較薄，下部多沉積薄層狀泥巖、泥灰?guī)r和泥晶灰?guī)r，顏色較深，主要為水體深度較大的低能斜坡—盆地相。而在川西海槽東側，位于龍門山斷裂上升盤的通口—礦山梁—廣元一線，以及毗鄰秦嶺海槽南部的吳家1井和旺蒼一帶，受控于斷裂活動，尤其是斷塊下降時上升盤的掀斜作用，形成一沿深水斜坡—盆地相分布的、地貌相對較高的、呈弧形分布的臺地邊緣帶（圖7）。由于棲一段沉積時水體相對較深，僅在臺地邊緣地貌相對較高處，如西南方向通口（圖5b）和西北方向何家梁剖面等（圖5c），發(fā)育小規(guī)模的臺緣灘沉積，且普遍發(fā)生白云石化，灘體多由生屑灰（云）巖、云質灰?guī)r等組成。該時期由于水體相對較深，臺地邊緣多以低能灘沉積為主，且沉積厚度薄，展布范圍有限，可看作一弱鑲邊臺地邊緣帶。

圖7 川西北棲一段沉積相平面展布圖Fig.7 Map of sedimentary facies distribution showing the first member of the Qixia Formation in the northwestern Sichuan Basin

4.2 棲二期沉積相展布特征

該時期基本繼承了棲一期沉積古地貌格局，為棲霞組主要成灘期。于棲一期形成的弱鑲邊臺緣帶基礎上，相對海平面進一步下降，在這一相對古地貌高帶上，水體較淺，陽光充足，生物繁盛，大量生物死亡后就近堆積，沉積速率較快，進一步引起古地貌升高。這種高沉積速率，加之川西海槽和研究區(qū)東北部秦嶺海槽拉張斷裂活動所引起的斷裂上升盤的掀斜作用，勢必進一步加劇其與開闊臺地以及較深水斜坡之間的地貌差異，在研究區(qū)西北方向至旺蒼吳家1井一帶，臺緣灘沉積范圍進一步擴大，演化成為典型的鑲邊碳酸鹽巖臺地，自西北向東南方向，依次發(fā)育斜坡—盆地相、臺地邊緣相和開闊臺地相（圖8）。該時期臺緣灘沉積厚度大、展布范圍廣、且逐漸向較深水方向延伸，向南包括雙魚石構造帶，發(fā)育典型的碳酸鹽巖臺地邊緣沉積，巖性主要為亮晶或泥—亮晶生屑灰?guī)r、顆粒白云巖以及“豹斑狀”云質灰?guī)r。如雙魚石構造帶雙探9井—雙探12井—雙探8井—雙探7井—雙探3井—雙魚001-1井鉆井剖面，各井鉆遇白云巖累計厚度約為10～35 m，西北方向礦2井白云巖厚度可達44 m，何家梁以及松蓋壩剖面棲霞組白云巖累計厚度至90多米。在該海平面下降階段，于開闊臺地內部相對古地貌高處，發(fā)育臺內灘沉積，主要分布在九龍山一帶，由泥—亮晶砂屑生屑灰?guī)r和含云質生屑灰?guī)r等巖性組成。

圖8 川西北棲二段沉積相平面展布圖Fig.8 Map of sedimentary facies distribution showing the second member of the Qixia Formation in the northwestern Sichuan Basin

5 古地貌分析

在沉積特征、沉積相分析和沉積相展布規(guī)律研究基礎上，根據(jù)野外露頭、鉆井和地震資料對研究區(qū)古地貌進行了初步分析，認為在中二疊世棲霞組沉積期，川西北部具有西北高、東南低；西南高，東北低的古地貌特征，該古地貌特點不僅控制了棲霞組高能灘相沉積分布，而且為棲霞組白云巖儲層發(fā)育奠定了基礎。

5.1 西北高、東南低的地質背景及依據(jù)

四川盆地西南部晚二疊世大量玄武巖噴發(fā)事件，被眾多地質工作者所熟悉和關注，并論證了在此次事件影響范圍內，包括四川、云南、貴州和廣西四省古裂谷的存在，并以此提出了我國西南部海西—印支期地殼的伸展破裂作用，揭示了在晚古生代我國西南部廣大地區(qū)存在一次較強烈的地裂運動，該地裂運動在加里東期揚子板塊構造運動的基礎上，以康滇地軸為中心，在中泥盆世即開始發(fā)生張裂活動，至晚二疊世達到高潮，晚三疊世后結束，經(jīng)歷孕育、發(fā)展、高潮至衰退的過程，羅志立稱該時期為“峨眉地裂期”，此次地裂運動稱為“峨眉地裂運動”[28-29]。該構造活動在上揚子板塊西部邊緣，沿北東向龍門山斷裂最先發(fā)生地殼的伸展破裂作用，并在斷裂西側形成了松潘—甘孜邊緣海。在該海盆形成過程中，微陸塊的離散作用使得上揚子板塊東南緣發(fā)生弧后拉張，于滇、黔、桂一帶形成弧后拉張盆地，在形成拉張裂陷的斷裂兩側，其沉積相出現(xiàn)明顯分異，在斷裂上升盤，由于地貌較高，形成了典型的“象州型”淺水碳酸鹽巖臺地沉積，而在斷裂下降盤一側，水體較深，發(fā)育典型的“南丹型”深水泥巖或硅質巖沉積。而作為組成“三叉裂谷系”北東向一支的龍門山斷裂[30-31]，其東西兩側同樣存在與上述類似的沉積分異特征，在龍門山斷裂西側，即位于平武—青川一線及其以西地區(qū)，多為泥晶灰?guī)r、含硅質灰?guī)r以及硅質巖沉積，代表水體較深的斜坡—盆地相沉積；位于龍門山斷裂以東的江油—劍閣—廣元一線，發(fā)育淺水碳酸鹽巖沉積。而同時期廣元—旺蒼以北，秦嶺海槽南緣的伸展拉張活動，同樣對研究區(qū)東北一側沉積相帶展布產(chǎn)生了重要的控制作用。

受龍門山斷裂活動影響，其西側下降盤陷落過程中引起斷裂東側上升盤掀斜作用，斷塊翹傾抬升，在斷塊肩部，水體較淺，生物以及各種藻類在此繁盛，又因面臨廣海，波浪反復沖刷淘洗碳酸鹽沉積物，沿龍門山斷裂東側的江油—劍閣—廣元一帶表現(xiàn)為以亮晶生屑灰?guī)r為主臺地邊緣相沉積，并發(fā)生強烈白云石化作用，形成厚度較大，展布范圍較廣的顆粒白云巖。由西北向東南方向，地勢逐漸降低，水體加深，主要為較淺水開闊臺地沉積，白云石化作用微弱。一般地，由于臺地邊緣帶相對凸起的地貌條件，水體淺，蒸發(fā)作用較快，海水鹽度升高，這種濃縮海水被“囚禁”于碳酸鹽顆粒之間，在早期常溫常壓下還不足以發(fā)生白云石化作用，但隨著埋藏深度的增加，溫度壓力逐漸升高，在其突破白云石化作用發(fā)生的熱力學障礙后即可不斷交代周圍灰質顆粒，形成厚度較大，范圍較廣的白云巖地層[32-33]，加之高能臺緣帶本身的高孔滲條件，為后期白云石化流體進入的優(yōu)勢相帶，同樣有利于埋藏期白云石化作用的進行[34]；而其后的開闊臺地，水體相對較深，且與廣海水體溝通順暢，蒸發(fā)作用較慢，鹽度正常，僅在局部高地貌部位發(fā)生相對微弱的白云石作用[35]。如何家梁剖面—雙探10井—雙探12井—雙探3井—雙探1井—龍?zhí)?井—龍17井連井剖面（圖9），可見從臺地邊緣至開闊臺地白云石化作用的差異，西北方向露頭區(qū)白云石化作用最為強烈，向東南雙魚石一帶相對減弱，至九龍山一帶僅發(fā)生微弱的白云石化作用，白云巖零星分布，厚度較薄。且在西北向東南方向中二疊統(tǒng)底部拉平地震剖面中（圖10），同樣可見研究區(qū)西北方向中二疊統(tǒng)下伏地層較薄，而向東南方向其下伏地層逐漸增厚，反映了西北向東南方向剝蝕作用逐漸減弱的特點，即指示研究區(qū)具有西北高，東南低的古地貌特征，且該區(qū)古地貌特征與白云巖儲層西北厚、東南薄分布特點相一致，反映了其對白云石儲層發(fā)育的重要控制作用。

圖9 何家梁剖面—雙探10井—雙探12井—雙探3井—雙探1井—龍?zhí)?—龍17井棲霞組白云巖厚度對比剖面圖Fig.9 Comparison of the thicknesses of the dolomite in the Qixia Formation shown across Hejialiang Section?well Shuangtan10?well Shuangtan12?well Shuangtan3?well Shuangtan1?well Longtan1?well Long17

圖10 研究區(qū)過雙探1井—龍17井中二疊統(tǒng)底拉平地震剖面（據(jù)西南油氣田，剖面位置見圖1）Fig.10 Seismic profile flattened in the lower part of the Middle Permian across well Shuangtan1?well Long17

5.2 西南高、東北低的地質背景及依據(jù)

震旦紀至中三疊世是四川盆地海相碳酸鹽巖地層發(fā)育時期，經(jīng)歷了加里東、海西和印支3個重要的構造旋回階段[36-37]，二疊系沉積前，其主要經(jīng)歷了加里東和海西階段，其中加里東期構造特征以縱向隆升為主，在四川盆地西部、南部和北部形成了呈半環(huán)帶狀分布的古隆起[38]，川東地區(qū)為相對低洼地帶，盆內總體為大隆大坳的構造格局，已表現(xiàn)為西南高、東北低的特點[39]。海西期，四川盆地西部開始發(fā)生張裂活動，其與地幔物質上涌所引起地殼表層拉伸減薄有關[40]，朱傳慶等[41]在對東吳運動前后四川盆地古熱流值的平面分布研究中發(fā)現(xiàn)，距今290 Ma（早二疊世）左右，川西南部古熱流值存在異常，在距今259 Ma（中二疊世末）左右，古熱流值達到最高，此后古熱流值開始穩(wěn)定持續(xù)降低直至現(xiàn)今，值得注意的是，盆地內熱流值出現(xiàn)峰值時恰是東吳運動高峰期，即峨眉山玄武巖大量噴發(fā)時期，因此古熱流高值、盆地西部張裂活動、峨眉山玄武巖噴發(fā)和地幔柱活動引起的地幔物質上涌在成因上存在緊密的聯(lián)系。根據(jù)前文對峨眉山地裂運動的討論，四川盆地西緣自中泥盆世開始地幔柱活動，至中二疊末或晚二疊初達到高潮，那么在中二疊統(tǒng)棲霞組沉積前，地幔柱活動所造成了地殼抬升作用[42-43]，將對棲霞期沉積具有重要的影響。棲霞組沉積時，因為四川盆地西部峨眉山地幔柱活動，在水下形成穹隆狀隆起[44]，勢必使整個四川盆地形成西南高、東北低的地貌格局。且在四川盆地二疊系沉積前，由西南向東北方向，其下伏地層呈現(xiàn)出由老變新的分布特征，在西南方向由于地勢較高，剝蝕作用強烈，導致寒武系大面積出露（圖1c）。

這種西南高、東北低的地貌特點，在研究區(qū)內具有重要的沉積學響應特征。中二疊世初期，隨著海平面上升，在早期風化殼之上，形成了梁山組具海陸過渡特征的含煤碎屑巖沉積[45]。研究區(qū)內梁山組主要為灰黑色、黑色薄層泥巖、炭質泥巖夾煤線，薄至中層狀泥質粉砂巖以及淺灰色中至厚層狀石英砂巖等。從區(qū)域上看，在研究區(qū)西南方向江油通口一帶，梁山期主要為沼澤沉積環(huán)境，氣候溫暖潮濕，易于植物生長繁殖，形成一套以黑色泥巖、炭質泥巖夾煤線為主的薄層沉積（圖11a），向東北方向至金真村剖面，梁山組表現(xiàn)為褐灰色粉砂巖沉積（圖11b），而在廣元一線及其以北區(qū)域，梁山組沉積粒度相對變粗，相變?yōu)闉I岸相淺灰色中至厚層狀細粒石英砂巖沉積（圖11c），如東部旺蒼王家溝剖面，梁山組自下往上具有炭質泥巖→泥質粉砂巖→細粒石英砂巖的演化特征，反映該地區(qū)梁山組沉積期水體相對較深，并由沼澤相逐漸演變?yōu)闉I岸相沉積（圖11d）。棲霞組沉積期，基本繼承了研究區(qū)西南高、東北低的地貌特點，早期臺緣灘主要分布在西南方向，晚期隨著構造作用抬升和海平面下降，高能灘相逐漸向東北和東南相對深水方向遷移演化，該古地貌特征不僅影響了棲霞組沉積相分布，且對棲霞組白云巖儲層發(fā)育具有重要的控制作用，從西南向北東方向，白云石化強度減弱，如西南方向雙探9井白云巖厚度可達35 m，向東北方向白云石厚度變薄，龍崗70井白云巖厚約9 m，至雙探2井，白云巖基本不發(fā)育，僅存在白云石云化程度較低的云質灰?guī)r或灰質云巖（圖12）。且在過雙探2井與龍17井中二疊統(tǒng)底部拉平地震剖面中可見，中二疊統(tǒng)沉積前，東北方向雙探2井區(qū)域與龍17井所在九龍山地區(qū)具有相似的古地貌特征（圖13），同時，與過雙探1井和龍17井中二疊統(tǒng)底部拉平的地震剖面進行對比可發(fā)現(xiàn)（圖10），東北方向雙探2井區(qū)域與九龍山地區(qū)中二疊統(tǒng)下伏地層明顯厚于雙魚石區(qū)域，反映東北方向在中二疊統(tǒng)沉積前剝蝕作用相對較弱，相較雙魚石區(qū)域處于古地貌底部位。

圖11 研究區(qū)中二疊統(tǒng)梁山組野外沉積特征（a）灰黑色薄層狀炭質泥巖，梁山組，通口剖面；（b）褐灰色粉砂巖沉積特征，梁山組，金真村剖面；（c）灰白色色厚層狀石英砂巖沉積特征，梁山組，王家溝剖面；（d）研究區(qū)旺蒼王家溝剖面梁山組沉積特征（據(jù)文獻[10]修改）Fig.11 Field sedimentary characteristics of the Middle Permian Liangshan Formation in the study area

圖12 雙探9井—雙探8井—雙探7井—雙探3井—雙探1井—雙魚001—1井—龍崗70井—雙探2井棲霞組白云巖對比剖面圖Fig.12 Comparison of the thicknesses of the dolomite in Qixia Formation shown across well Shuangtan9?well Shuangtan8?well Shuangtan7?well Shuangtan3?well Shuangtan1?well Shuangyu001?1?well Longgang70?well Shuangtan2

圖13 研究區(qū)過雙探2井—龍17井中二疊統(tǒng)底拉平地震剖面（據(jù)西南油氣田，剖面位置見圖1）Fig.13 Seismic profile flattened in the lower part of the Middle Permian across well Shuangtan2?well Long17

6 沉積演化模式

二疊系沉積前，受石炭紀末期云南運動的影響，四川盆地區(qū)域內發(fā)生大規(guī)模隆升，隨后長期風化、剝蝕，形成了準平原化格局，且由西南至東北方向，地層依次出現(xiàn)由老到新的分布特征（圖1c），在此古地貌背景下，迎來了二疊紀大規(guī)模海侵，開始了棲霞組清水碳酸鹽巖沉積。在川西北地區(qū)，海水一方面經(jīng)川西海槽自西北向東南方向侵入，另一方面，由秦嶺海槽自東北向西南方向侵入。棲霞組沉積早期，由于水體相對較深，僅在西南方向及毗鄰海槽一側沉積了小規(guī)模低能型生屑灘，該類灘體厚度小，展布范圍有限，在臺地邊緣一側形成相對低幅度的地貌凸起，開始向鑲邊碳酸鹽巖臺地過渡（圖14a）。棲霞中晚期，基本繼承了沉積早期西南高、東北低的古地貌特征，加之二疊紀期間拉張斷裂活動，使得海槽一側斷塊翹傾抬升，在西北方向逐漸形成古地貌高地，在這一背景下，加之海平面下降，水體變淺，生物繁盛，碳酸鹽巖生長速率加快，又波浪作用較強，在靠近海槽一側沉積了大規(guī)模高能型生屑灘，此類灘體厚度大，展布范圍廣，并不斷向深水方向擴展，在靠近海槽一側形成障壁式凸起，川西北地區(qū)逐漸演變?yōu)榈湫偷蔫傔吿妓猁}巖臺地（圖14b）。

圖14 川西北中二疊統(tǒng)棲霞組沉積演化模式（a）棲一段沉積期弱鑲邊碳酸鹽巖臺地沉積模式；（b）棲二段沉積期鑲邊碳酸鹽巖臺地沉積模式Fig.14 Sedimentary evolution model of the Middle Permian Qixia Formation in the northwestern Sichuan Basin

7 有利儲集相帶預測

根據(jù)野外露頭、巖心觀察和薄片鑒定分析，研究區(qū)棲霞組內部各種晶粒（顆粒）白云巖儲層物性最好，發(fā)育晶間孔、晶間溶孔和溶蝕孔洞，“豹斑狀”云質灰?guī)r或灰質云巖儲層物性較差，而研究區(qū)灰?guī)r地層因埋藏較深，重結晶作用較強，整體較為致密，只有經(jīng)構造破裂作用改造方能形成有效儲層，該類灰?guī)r裂縫性儲層主要集中在研究區(qū)東部九龍山構造一帶。總體來看，川西北棲霞組儲集層主要為白云巖，灰質云巖、云質灰?guī)r以及灰?guī)r儲層次之，因此該區(qū)棲霞組勘探仍以尋找厚層白云巖為主，而臺緣邊緣灘因處于相對古地貌高地，水動力作用較強，后期白云石化作用強烈，為研究區(qū)有利儲集相帶。

根據(jù)前期沉積相以及古地貌分析結果，研究區(qū)古地貌對棲霞組沉積相分布和白云巖發(fā)育具有重要的控制作用。棲一段沉積期，研究區(qū)水體相對較深，白云石化作用相對微弱，臺地灘厚度較薄，展布范圍有限，有利儲集體范圍較?。欢鴹纬练e期，海平面整體下降，為棲霞組主要成灘期，臺地邊緣灘厚度大，展布范圍廣，有利儲集體面積較大。受棲霞組沉積期西北高、東南低的古地貌影響，在研究區(qū)西北方向廣大露頭區(qū)發(fā)育高能臺緣灘相，且后期白云石化作用強烈，白云巖儲層發(fā)育，在野外露頭中可見大量瀝青浸染現(xiàn)象。而廣大露頭區(qū)受川西北部印支期推覆造山影響，葛底壩、長江溝等剖面皆由更偏西北方向推覆而來，因此棲霞組沉積期，雙魚石構造帶以北至廣大露頭區(qū)之間，推測還應存在臺地邊緣高能沉積相帶，雙魚石構造以北應為勘探的有利相帶，但該區(qū)受龍門山逆沖推覆作用影響，油氣保存條件尚待研究，勘探風險較高。同時，棲霞組沉積期，川西北長期保持著西南高、東北低的古地貌特征，在研究區(qū)西南方向可能受控于較高的古地貌特點，具備臺緣高能顆粒灘發(fā)育條件，原生粒間孔隙發(fā)育，后期受海平面下降影響，水體變淺、蒸發(fā)作用強烈，孔隙海水鹽度不斷升高，有利于在埋藏期發(fā)生白云石化以及晚期溶蝕性流體活動發(fā)生深埋溶蝕作用，形成優(yōu)質白云巖儲層。因此，研究區(qū)西南方向雙魚石至通口一帶，為臺緣灘優(yōu)勢發(fā)育相帶，并且該區(qū)處于龍門山山前帶，油氣保存條件相對較好，為研究區(qū)有利的勘探區(qū)帶。

8 結論

（1）川西北中二疊統(tǒng)棲霞組發(fā)育碳酸鹽巖臺地沉積，棲一段沉積期，水體相對較深，為弱鑲邊碳酸鹽巖臺地形成期，臺緣灘厚度小，展布范圍有限，且多以低能灘沉積為主；棲二段沉積期，研究區(qū)水體變淺，波浪作用較強，為棲霞組主要成灘期，臺緣灘厚度大，展布范圍較廣，沿龍門山斷裂和秦嶺洋盆南緣呈弧形分布，具典型的鑲邊碳酸鹽巖臺地特征。

（2）棲霞組中上部廣泛發(fā)育的厚層至塊狀白云巖為灘相沉積，其與海平面下降期間，由于臺地邊緣部位水體較淺，蒸發(fā)作用強烈，碳酸鹽沉積物間“囚禁”高鹽度海水，后期隨著溫度壓力升高，于埋藏階段發(fā)生多期白云石化作用有關。

（3）受棲霞組沉積期峨眉地裂運動和川西海槽拉張斷裂活動影響，研究區(qū)總體表現(xiàn)為西南高、東北低，西北高、東南低的古地貌特征，該古地貌特征不僅控制了棲霞組高能灘相分布，同時也為后期白云石化作用奠定了基礎。

（4）雙魚石構造帶以北至廣大露頭區(qū)之間，在棲霞組沉積期具備發(fā)育高能灘的古地貌背景，但該區(qū)域受逆沖推覆作用影響，油氣保存條件尚待研究。研究區(qū)西南方向，即雙魚石至通口一帶，為臺緣灘優(yōu)勢發(fā)育相帶，其又位于龍門山山前帶，油氣保存條件相對較好，為研究區(qū)棲霞組有利儲集相帶。