巴西桑托斯盆地湖相微生物碳酸鹽巖層序沉積特征及控制因素

何賽，李國(guó)蓉，吳昌榮，劉樹(shù)根，張忠民，蘇玉山，朱奕璇，何釗，任杰，王雨辰，周偉，王亞捷

（1. 成都理工大學(xué)能源學(xué)院，成都 610059；2. 成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；3. 四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610072；4. 中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

桑托斯盆地是南大西洋兩岸被動(dòng)大陸邊緣型超級(jí)油氣盆地的典型代表[1]。21世紀(jì)以來(lái)，該盆地鹽下碳酸鹽巖的油氣勘探持續(xù)取得重大突破。隨著多個(gè)可采儲(chǔ)量超過(guò) 1.59×108m3（10×108bbl）的深水大型整裝油氣田被相繼發(fā)現(xiàn)[2-4]，桑托斯盆地迅速成為南半球油氣勘探的熱點(diǎn)地區(qū)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的諸多學(xué)者針對(duì)盆地油氣資源分布規(guī)律[5-7]、構(gòu)造演化特征[8-10]、下白堊統(tǒng)Barra Velha組微生物巖成因[11-13]、層序地層劃分[14]、沉積特征及模式[15-18]、儲(chǔ)集層特征[19]、鹽下油氣成藏[20-21]、有利區(qū)帶預(yù)測(cè)[22]等領(lǐng)域開(kāi)展了一系列研究工作并取得了一定的認(rèn)識(shí)。然而，目前對(duì)沉積相的研究多數(shù)是圍繞盆地內(nèi)一級(jí)構(gòu)造單元展開(kāi)，針對(duì)盆地內(nèi)二級(jí)構(gòu)造單元特定的沉積格局進(jìn)行的沉積特征研究尚顯不足；同時(shí)，高頻層序格架內(nèi)沉積相發(fā)育展布研究較少，尚不能等時(shí)、有效地揭示沉積過(guò)程及礁灘體發(fā)育展布規(guī)律；另外，關(guān)于層序沉積充填的控制因素、模式尚未明確，有待進(jìn)一步探討。

本文以桑托斯盆地H油田Barra Velha組為研究對(duì)象，基于研究區(qū)及周緣3 445 km2三維地震資料和9口鉆井的測(cè)井、錄井、巖心、同位素組成等資料綜合分析，在建立層序格架的基礎(chǔ)上，分析裂谷—拗陷期湖相碳酸鹽巖沉積充填過(guò)程，揭示沉積充填規(guī)律，從氣候變化、斷裂活動(dòng)和湖平面周期性升降等方面對(duì)裂谷—拗陷期層序沉積充填的控制因素進(jìn)行深入探討，建立沉積模式，旨在為后續(xù)油氣勘探開(kāi)發(fā)工作提供一定的借鑒和參考。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

H油田構(gòu)造上位于桑托斯盆地東部隆起帶的東北部（見(jiàn)圖1a）。油田構(gòu)造-沉積演化與桑托斯盆地具有高度的一致性，自白堊紀(jì)至今，共經(jīng)歷裂谷期、拗陷期、過(guò)渡期和漂移期4個(gè)階段[23]（見(jiàn)圖1b）。

圖1 桑托斯盆地綜合地質(zhì)圖（據(jù)文獻(xiàn)[20]、[32]修改）

中晚貝里阿斯期—早瓦蘭今期，岡瓦納古陸南美—非洲板塊開(kāi)始逐漸裂解分離[24-27]。裂谷期演化開(kāi)始于中晚歐特里夫期，在大規(guī)?；鹕交顒?dòng)的影響下[28-29]，研究區(qū)發(fā)育1套Camboriu組深灰色—灰黑色玄武巖[30]；中晚巴雷姆期，湖水侵入盆地[31]，研究區(qū)沉積 1套Picarras組深湖黑色頁(yè)巖[32]，與此同時(shí)，一系列拉張斷層開(kāi)始大規(guī)模發(fā)育，形成了多個(gè)不同規(guī)模的地壘-地塹構(gòu)造（見(jiàn)圖2），早阿普特期，湖水深度開(kāi)始變淺，發(fā)育1套Itapema組泥質(zhì)灰?guī)r和介殼灰?guī)r[31,33-34]；隨后經(jīng)歷大規(guī)模的構(gòu)造抬升活動(dòng)，發(fā)育 Pre-Alagos不整合面（DPA）[35]；裂谷期末，發(fā)育1套Barra Velha組300段微生物碳酸鹽巖。在裂谷期和拗陷期之間，再次經(jīng)歷了小規(guī)模構(gòu)造抬升活動(dòng)，發(fā)育Intra-Alagos區(qū)域不整合面（DIA）[35]。拗陷期內(nèi)，發(fā)育1套Barra Velha組200、100段微生物碳酸鹽巖。拗陷期結(jié)束，又一次發(fā)生構(gòu)造抬升，BVE組頂部發(fā)育鹽下（Pre-Salt）不整合面（DPS）。阿普特期末，構(gòu)造-沉積演化進(jìn)入過(guò)渡期，發(fā)育海陸過(guò)渡相Aririr組蒸發(fā)巖層系[36-37]，厚度普遍超過(guò)1 km[38]，是研究區(qū)油藏的重要蓋層[39-41]。阿爾布期開(kāi)始，構(gòu)造-沉積演化進(jìn)入漂移期，沉積環(huán)境由海陸過(guò)渡相轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｏ?，鹽上發(fā)育大套碎屑巖-碳酸鹽巖沉積。

圖2 桑托斯盆地Lula油田—H油田地質(zhì)剖面圖

2 層序格架內(nèi)沉積充填特征

2.1 三級(jí)層序地層劃分及特征

研究區(qū)內(nèi)Barra Velha組地層自下而上發(fā)育DPA、DIA、DPS等3個(gè)不整合面，這3個(gè)不整合面構(gòu)成Barra Velha組上部地層 BVE100、BVE200段和下部地層BVE300段的頂?shù)捉缑?，自下而上Barra Velha組發(fā)育SQ1和SQ2兩個(gè)三級(jí)層序（見(jiàn)圖3）。

圖3 H油田H4井Barra Velha組綜合柱狀圖

DPA不整合面為SQ1的底界面SB1，是一個(gè)典型的巖性轉(zhuǎn)換界面，SB1之下為1套Itapema組湖相介殼灰?guī)r或角礫狀灰?guī)r，之上發(fā)育Barra Velha組湖相微生物碳酸鹽巖。SQ1的頂界面及SQ2的底界面為一個(gè)Ⅱ型層序界面SB2，此層序界面形成時(shí)期，湖平面只下降至臺(tái)地邊緣以下稍低位置，暴露面只在臺(tái)地邊緣和臺(tái)內(nèi)高地位置發(fā)育。因此，該層序界面由DIA區(qū)域不整合面和臺(tái)地內(nèi)較低位置發(fā)育的整合面共同構(gòu)成。SB2上下釷含量曲線及電阻率曲線均表現(xiàn)出一定程度的震蕩起伏。δ18O曲線在SB2之下表現(xiàn)出低→高的變化特征，在SB2附近有一個(gè)小范圍的波動(dòng)，而SB2之上的δ18O基本保持在高值；δ13C在SB2之下表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，在SB2之上穩(wěn)定在低值。DPS不整合面為SQ2的頂界面 SB3，同樣為一個(gè)特征明顯的巖性轉(zhuǎn)換界面，之下為BVE100段微生物碳酸鹽巖，之上為Ariri組蒸發(fā)巖類。

H油田南西北東向過(guò)H2—H4—H6—H7井地震測(cè)線剖面顯示（見(jiàn)圖4），3個(gè)層序界面在地震反射上總體表現(xiàn)底部上超或下超，內(nèi)部相對(duì)整一，頂部少見(jiàn)削截。由于研究區(qū)主要處于臺(tái)地內(nèi)部，地震反射終止不太明顯。SB1為1套連續(xù)強(qiáng)反射的底界面波峰相位，SB2為 1套弱—較強(qiáng)反射的頂界面波谷相位，SB3為 DPS不整合面的波峰相位。受到斷層和局部沉積差異的影響，地震剖面上存在明顯的地形起伏，同一套地層的高差可達(dá)300 m左右。早期或同期斷層的升降運(yùn)動(dòng)以及微生物礁的生長(zhǎng)造成地層厚度橫向變化較大。

圖4 H油田Barra Velha組典型過(guò)井地震剖面

2.2 高頻層序地層劃分及沉積相組合特征

碳酸鹽巖高頻層序內(nèi)部均表現(xiàn)為向上變淺的旋回，這種向上變淺旋回被較淺水沉積到較深水沉積的突變面分開(kāi)，故高頻層序內(nèi)具有兩個(gè)特征，即一個(gè)水體向上突然變深的界面和一個(gè)水體向上變淺的旋回。依據(jù)測(cè)井曲線旋回式變化、沉積相類型及組合特征，在臺(tái)地邊緣及臺(tái)內(nèi)高地等沉積古地貌較高位置，識(shí)別出11個(gè)四級(jí)層序，在臺(tái)內(nèi)洼地和斜坡等沉積古地貌較低位置，識(shí)別出12個(gè)四級(jí)層序（見(jiàn)圖3）。層序界面由下至上，沉積相類型表現(xiàn)為高能向低能的突變；Th含量曲線由低值向鋸齒狀高值突變。在不同沉積相帶，各高頻層序內(nèi)部，發(fā)育多種反映水體向上變淺的沉積微相—亞相組合類型。

2.2.1 淺水臺(tái)地邊緣

該類高頻層序常見(jiàn)于BVE100段（見(jiàn)圖5a）。層序底部發(fā)育礁灘間微相球狀微生物灰?guī)r（見(jiàn)圖6a、圖6b）、微晶灰?guī)r（見(jiàn)圖6c）、顆粒微晶灰?guī)r（見(jiàn)圖6d）和微齒狀層紋石灰?guī)r（見(jiàn)圖6e），微生物結(jié)構(gòu)及顆粒間泥質(zhì)含量較重，巖心顏色較深，呈深褐色—深灰色；中部發(fā)育內(nèi)碎屑灘微相砂礫屑灰?guī)r（圖6f—圖6i），巖心呈淺棕色，內(nèi)碎屑顆粒主要由微生物灰?guī)r的碎片組成，指示在較強(qiáng)的湖浪和湖流作用下水體攪動(dòng)強(qiáng)烈、能量較高的沉積環(huán)境或風(fēng)暴沉積事件；上部發(fā)育微生物礁微相灌木形枝狀石（見(jiàn)圖6j、圖6k）或喬木形枝狀石（見(jiàn)圖6l、圖6m），巖心上顏色較淺，多為淡奶油色。該組合自下而上，巖心顏色逐漸變淺，測(cè)井Th含量曲線呈反漏斗狀特征，反映出一個(gè)水體向上變淺、泥質(zhì)含量逐漸減少、水體能量逐漸增強(qiáng)的沉積旋回。

圖5 H油田Barra Velha組高頻層序內(nèi)部沉積微相—亞相組合

圖6 Barra Velha組湖相碳酸鹽巖沉積亞相、微相各類巖石特征

2.2.2 開(kāi)闊臺(tái)地

同臺(tái)地邊緣亞相高頻層序相似，該類高頻層序亦常見(jiàn)于BVE100段（見(jiàn)圖5b），但其內(nèi)部發(fā)育的巖相類型有所差別。層序底部發(fā)育礁灘間微相平滑狀層紋石（見(jiàn)圖6n），向上過(guò)渡為微齒狀層紋石，中部發(fā)育球狀微生物灰?guī)r，上部發(fā)育內(nèi)碎屑灘微相砂屑灰?guī)r，頂部發(fā)育微生物礁微相疊層石（見(jiàn)圖6o、圖6p）。該組合自下而上巖心顏色逐漸變淺，Th含量曲線值逐漸降低，反映為一個(gè)水體向上變淺、泥質(zhì)含量逐漸減少、水體能量逐漸增強(qiáng)的沉積旋回。

2.2.3 淹沒(méi)臺(tái)地臺(tái)內(nèi)洼地

該類高頻層序常見(jiàn)于BVE300段（見(jiàn)圖5c），高頻層序底部發(fā)育深灰色或深褐色泥質(zhì)灰?guī)r（見(jiàn)圖6q）、微晶灰?guī)r，中部發(fā)育平滑狀或微齒狀層紋石，上部發(fā)育球狀微生物灰?guī)r。自下而上巖心顏色有一定程度的變淺，Th含量曲線多呈箱型，雖然反映出水體向上相對(duì)變淺的沉積旋回，但總體指示湖水深度較大、水體循環(huán)有限、中—低能的沉積環(huán)境。

2.3 層序格架內(nèi)沉積演化及礁灘體展布規(guī)律

SQ1早期全區(qū)經(jīng)歷了一次短暫而快速的湖侵，形成湖侵體系域 SQ1-LTST（見(jiàn)圖7），之后湖平面開(kāi)始長(zhǎng)時(shí)間的小幅下降，發(fā)育高位體系域SQ1-LHST。SQ1時(shí)期研究區(qū)整體處于淹沒(méi)臺(tái)地的沉積背景下，各高頻層序地層單元內(nèi)橫向及垂向沉積充填物類型差異較小，臺(tái)內(nèi)—臺(tái)緣—斜坡相帶的沉積分異特征不明顯，均發(fā)育1套以層紋石灰?guī)r、微晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為代表的指示半深水—深水低能沉積環(huán)境的巖石類型。受沉積古地貌的控制，臺(tái)內(nèi)洼地和臺(tái)內(nèi)高地相帶在臺(tái)地內(nèi)部交替發(fā)育。礁灘體在這一時(shí)期內(nèi)普遍欠發(fā)育。

圖7 H油田Barra Velha組四級(jí)層序地層格架與沉積相展布

SQ2早期湖平面繼續(xù)下降，該階段湖退的規(guī)模有限，僅臺(tái)地邊緣及臺(tái)內(nèi)高地等沉積古地貌較高位置暴露，發(fā)育原地低水位期碳酸鹽巖楔狀體（LSW），內(nèi)部沉積充填物類型主要為球狀微生物灰?guī)r，夾少量平滑狀層紋石。短暫的湖退之后，湖平面再一次快速上升，湖侵體系域SQ2-LTST內(nèi)部臺(tái)內(nèi)—臺(tái)緣—斜坡相區(qū)依舊缺乏沉積分異特征，沉積物類型主要為平滑狀層紋石灰?guī)r和球狀微生物灰?guī)r，橫向上沉積充填物厚度穩(wěn)定。隨后，湖平面開(kāi)始長(zhǎng)時(shí)間、大規(guī)模地下降，孤立淹沒(méi)臺(tái)地逐漸演化為孤立淺水開(kāi)闊臺(tái)地，高位體系域 SQ2-LHST縱向上發(fā)育多個(gè)礁灘間→內(nèi)碎屑灘→微生物礁的沉積微相旋回，礁灘體集中優(yōu)勢(shì)發(fā)育突顯，特別是在臺(tái)地邊緣和臺(tái)內(nèi)高地相帶，表現(xiàn)出生長(zhǎng)迅速、厚度較大的特點(diǎn)。

3 層序沉積充填控制因素

3.1 古氣候變化對(duì)不同時(shí)期沉積充填物類型的影響

通過(guò)對(duì) 146個(gè)巖屑樣品的地球化學(xué)碳氧穩(wěn)定同位素組成分析發(fā)現(xiàn)，BVE300下部5 697～5 803 m段、BVE300段上部 5 559～5 697 m 段、BVE100段—BVE200段δ18O 平均值分別為-0.02‰，1.29‰，1.38‰，表現(xiàn)為負(fù)偏移到正偏移的變化（見(jiàn)圖3），指示氣候逐漸炎熱導(dǎo)致的湖水蒸發(fā)作用增強(qiáng)，湖水中重質(zhì)的18O富集的過(guò)程；而δ13C由高到低的變化趨勢(shì)則指示盆內(nèi)微生物的數(shù)量和規(guī)模逐漸龐大，這些微生物在光合作用時(shí)優(yōu)先與12C反應(yīng)，微生物巖中12C富集，導(dǎo)致δ13C降低。

碳氧同位素組成特征在一定程度上揭示出：①裂谷期研究區(qū)處于溫暖潮濕的的古氣候環(huán)境，河水的匯入和充沛的降水，加之盆地基底的持續(xù)沉降，致使湖水深度較大，區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育 1套半深水—深水低能沉積物；②拗陷期，盆地基底沉降減緩，同時(shí)古氣候環(huán)境逐漸變?yōu)檠谉岣珊?，河流作用減弱、降水量減少，湖泊水文系統(tǒng)的蒸發(fā)—補(bǔ)給平衡被打破，湖水蒸發(fā)量增大，湖平面降低，水體鹽度增高。在臺(tái)地相區(qū)，沉積物類型過(guò)渡為代表淺水高能環(huán)境的碳酸鹽巖，同時(shí)更能適應(yīng)“鹽堿化”水介質(zhì)條件的微生物活動(dòng)在湖盆內(nèi)愈加活躍，微生物結(jié)構(gòu)類型較裂谷期更為豐富，展現(xiàn)出層紋狀、球狀、疊層狀、樹(shù)枝狀等多種結(jié)構(gòu)樣式。

3.2 湖平面周期性震蕩對(duì)礁灘體垂向分布的約束

BVE100段沉積時(shí)期，微生物礁灘體在縱向上的發(fā)育分布與高頻層序具有良好的相關(guān)性，受米蘭科維奇天文周期引起的氣候波動(dòng)的影響，湖平面在SQ2-LHST的各高頻層序內(nèi)表現(xiàn)出階段性、旋回式下降，在各高頻層序的頂部，湖平面處在較低的位置，沉積水體能量增強(qiáng)，為礁灘體的發(fā)育提供了必要條件。湖平面的周期性震蕩控制了礁灘體在垂向上的具體發(fā)育分布，在各高頻旋回內(nèi)部，每個(gè)獨(dú)立發(fā)育的礁灘體規(guī)模在縱向上逐漸變大，各高頻層序地層單元頂部往往可見(jiàn)礁灘體連片發(fā)育的特點(diǎn)（見(jiàn)圖7）。盡管在不同區(qū)域每一個(gè)高頻層序地層單元內(nèi)部礁灘體發(fā)育狀況存在差異，但每一套礁灘體往往和單獨(dú)的高頻層序相聯(lián)系。

3.3 多類型斷裂活動(dòng)對(duì)礁灘體平面展布的控制

裂谷—拗陷背景下，多類型的斷裂活動(dòng)通過(guò)改變沉積古地貌，影響層序沉積充填樣式及礁灘體的平面展布。在盆地裂谷期構(gòu)造演化過(guò)程中，發(fā)育了多條基底斷裂，這些斷裂主要分為兩種類型，一種為平行于盆地走向的拉張斷裂，另一種為垂直于盆地走向的走滑斷裂（見(jiàn)圖5），這些斷裂形成時(shí)間早、作用時(shí)間長(zhǎng)，具有繼承性發(fā)育的特征。

在裂谷中期發(fā)育的較大規(guī)模拉張斷裂形成的地壘奠定了研究區(qū)層序沉積基本樣式，這些地壘構(gòu)造形成的孤立臺(tái)地為碳酸鹽巖的沉積提供了場(chǎng)所，裂谷—拗陷期的層序沉積演化全部圍繞孤立臺(tái)地展開(kāi)（見(jiàn)圖8a）。

從 BVE300段沉積時(shí)期開(kāi)始，受走滑斷裂升降運(yùn)動(dòng)的影響，臺(tái)地形態(tài)發(fā)生較大改變，具體表現(xiàn)為在孤立臺(tái)地之上正花狀構(gòu)造通常形成次一級(jí)沉積古地貌的局部高點(diǎn)，如臺(tái)地邊緣、臺(tái)內(nèi)高地，而負(fù)花狀構(gòu)造通常形成次一級(jí)沉積古地貌的局部低點(diǎn)，如臺(tái)內(nèi)洼地（見(jiàn)圖5）。沉積古地貌的顯著變化導(dǎo)致了BVE300段臺(tái)地相區(qū)層序沉積充填樣式在橫向上展現(xiàn)出“三脊兩洼”的形態(tài)特征（見(jiàn)圖8b）。這些走滑斷裂具有同沉積發(fā)育的特征，在負(fù)花狀構(gòu)造形成的臺(tái)內(nèi)洼地相帶，沉積物有效可容納空間持續(xù)增大或較為穩(wěn)定，沉積厚度要大于正花狀構(gòu)造形成的臺(tái)內(nèi)高地及臺(tái)地邊緣相帶，地層“脊薄洼厚”特征明顯。

BVE200段沉積時(shí)期，低位楔（LSW）和湖侵體系域（LTST），對(duì)臺(tái)地起到了一定的填平補(bǔ)齊作用（見(jiàn)圖8c），臺(tái)地的形態(tài)變得較為寬緩。BVE100段沉積時(shí)期，在不同古地貌位置沉積分異作用的影響下，臺(tái)地相區(qū)古地貌延續(xù)了裂谷期“三脊兩洼”的形態(tài)特征，發(fā)育正花狀構(gòu)造的臺(tái)地邊緣及臺(tái)內(nèi)高地等沉積古地貌較高位置長(zhǎng)期處于碳酸鹽巖高能帶，為微生物礁灘體的發(fā)育提供了良好條件，碳酸鹽巖沉積速率明顯大于負(fù)花狀構(gòu)造發(fā)育的臺(tái)地內(nèi)部沉積古地貌較低洼位置，最終造成該時(shí)期橫向上層序沉積厚度的顯著差異，表現(xiàn)出“脊厚洼薄”的特點(diǎn)（見(jiàn)圖8d）。

臺(tái)地邊緣及臺(tái)地內(nèi)部發(fā)育走滑斷層正花狀構(gòu)造帶的區(qū)域（見(jiàn)圖9），4，7，8，11，12號(hào)走滑斷層正花狀構(gòu)造帶內(nèi)部形成的沉積古地貌局部高點(diǎn)是有利于礁灘體發(fā)育的高能帶，大量的微生物礁灘體在這些位置形成沉積建隆。

圖9 研究區(qū)走滑斷層平面展布與油氣勘探有利區(qū)

4 結(jié)論

桑托斯盆地 H油田的構(gòu)造-沉積演化共經(jīng)歷裂谷期、拗陷期、過(guò)渡期和漂移期4個(gè)階段，Barra Velha組湖相微生物碳酸鹽巖層系發(fā)育在裂谷晚期和拗陷期，可劃分為兩個(gè)三級(jí)層序，11—12個(gè)四級(jí)層序。從SQ1到 SQ2，氣候的變化致使研究區(qū)沉積環(huán)境由孤立淹沒(méi)臺(tái)地逐漸演化為孤立淺水臺(tái)地，從而決定了兩個(gè)三級(jí)層序中沉積充填物類型的顯著差異。礁灘體多發(fā)育在SQ2-LHST時(shí)期，其在垂向上的發(fā)育位置受到湖平面周期性震蕩的約束，大規(guī)模的礁灘體在在高頻層序界面之下連片發(fā)育。走滑斷裂活動(dòng)則控制著礁灘體在平面上的展布，礁灘體在發(fā)育正花狀構(gòu)造的臺(tái)地邊緣和臺(tái)內(nèi)高地等古地貌較高位置顯示出優(yōu)勢(shì)發(fā)育。氣候變化、湖平面周期性震蕩、斷裂誘導(dǎo)，3種因素共同控制著層序地層單元內(nèi)沉積充填過(guò)程和礁灘體在時(shí)空上的發(fā)育分布。