北京西山淹没不整合型高频旋回层序地层研究

2015-02-17章轩玮

特种油气藏 2015年6期

关键词：台地沉积环境层序

章轩玮

(中国地质大学(北京)，北京 100083)

北京西山淹没不整合型高频旋回层序地层研究

章轩玮

(中国地质大学(北京)，北京 100083)

以北京西山寒武系张夏组地层为例，运用米兰柯维奇高频旋回层序地层分析方法与地球化学结合研究的手段，对三级快速海侵背景下的寒武系张夏组高频旋回层序地层格架进行划分。研究认为，该区张夏组灰岩地层并非传统的I、II型碳酸盐岩层序模式，应为典型淹没不整合型层序。建立了从三级层序到六级米级旋回的张夏组淹没不整合型高频旋回层序地层格架。淹没不整合型层序格架内有利储层主要发育于三级、四级层序的高水位体系域中。快速海侵事件标志着碳酸盐岩台地的沉积间断。通过对淹没不整合型碳酸盐岩层序地层的研究来指导未来的石油勘探生产，具有现实的研究意义。

碳酸盐岩层序地层；淹没不整合型层序；米级旋回；北京西山；张夏组

0 引言

近年来，碳酸盐岩层序地层学研究在中国取得了长足的发展[1-3]。如樊太亮等对塔里木地区寒武系层序地层格架的研究[2]，于炳松等对塔里木奥陶系有利烃源岩在层序地层格架中发育位置的研究[2]。中国海相碳酸盐岩层序地层学在取得长足进展的同时也存在些许薄弱之处，如对于碳酸盐岩层序地层的识别多是传统的Ⅰ、Ⅱ型层序，但在碳酸盐岩台地中更普遍地发育另外一种III型淹没不整合型旋回层序。以往的研究多局限于三级层序的划分，而更高精度旋回层序地层格架的建立才能满足未来科研生产的需要。以北京西山寒武系张夏组为例，通过对张夏组淹没不整合型高频旋回层序地层的研究，对上述问题进行探讨。

1 张夏组淹没不整合型高频旋回层序地层研究

1.1 张夏组潮下型碳酸盐岩米级旋回及淹没不整合层序界面识别

北京西山寒武系张夏组地层年龄约为506.5～503.0 Ma。张夏组地层共发育有60余个潮下型碳酸盐岩米级旋回，这些旋回有序叠加共同组成了一个以“陆棚相—鲕粒滩相”沉积相序列为特征的淹没不整合型三级层序。

研究区域内的张夏组地层由以下岩相单元构成(图1a)：①陆棚相钙质泥岩，发育水平纹层，偶夹深水竹叶状粒屑灰岩透镜体(异地风暴岩)，深水沉积环境产物；②陆棚相薄层含泥质条带泥晶灰岩，局部发育厚为1～2 mm的风暴韵律层沉积(碳酸盐岩砂屑)，沉积环境介于风暴浪基面至深缓坡之间；③深缓坡相泥晶灰岩，偶夹泥质条带，发育水平纹层，为深缓坡沉积环境的产物；④中缓坡相中厚层含鲕粒粒泥灰岩；⑤浅缓坡相泥亮晶鲕粒灰岩；⑥浅缓坡相块状亮晶鲕粒灰岩，发育波浪冲刷交错层理及冲刷面；⑦浅缓坡相块状或柱状微生物叠层石石灰岩，与大量滩相鲕粒灰岩共生。

上述成因岩相单元依次叠加在一起，由深水陆棚相沉积产物过渡为浅水颗粒滩相沉积产物，组成了一个理想的潮下型碳酸盐岩米级旋回(图1b)。实际野外划分中，这种理想化潮下型米级旋回基本少见。更加普遍的是由2个岩相单元或3个组合所构成的潮下型碳酸盐岩米级旋回(图1c)。虽然同属于一个碳酸盐岩台地古地理背景，但在古水深不同的区域，米级旋回上下岩相组构单元也不尽相同。随着深水沉积环境横向演变至浅水沉积环境，同一沉积时段内，不同米级旋回构成一个台地相米级旋回变化谱系(图1b)。

图1 露头岩性及层序界面和米级旋回变化谱系

在野外实际观测中，三级淹没不整合型层序界面特征明显。具有凝缩性质的张夏组底部钙质泥岩越过三级层序的底界面，覆盖在徐庄组顶部灰岩之上，形成淹没不整合型层序界面(图1c)。三级层序和四级亚层序的层序界面均类似于每一个潮下型米级旋回的旋回界面，具有相似的地层界面特征属性。米级旋回的瞬时加深淹没间断面和三级层序的层序界面是同一事物不同级别尺度的表现。地层记录中层序界面存在不同的级别，旋回沉积记录便具有了“大级别旋回层序包含若干小级别米级旋回”的特点。在张夏组整合地层序列中进行层序地层划分，层序界面已不是地层明显间断的不整合面(Ⅰ、Ⅱ型层序界面)，而是以地层间断时限难以确定的整合面(即沉积间断面)来作为层序界面。从沉积学范畴来理解层序地层，旋回层序的界面是下部水深变浅、上部水深加深的物理表现形式，当下伏地层向上变浅的强度大时即形成不整合型层序界面(Ⅰ、Ⅱ型暴露层序界面)，当上覆地层向上加深的强度大时(快速淹没)即形成淹没不整合型层序界面(型层序界面)。

1.2 高频旋回层序地层格架的建立

浅缓坡相鲕粒灰岩、陆棚相钙质泥岩及中深缓坡相泥质条带泥晶灰岩等特征迥异的岩相单元，共同组成了一个非对称型向上变浅的淹没不整合型三级层序。在划分北京西山寒武系张夏组海相碳酸盐岩层序地层时，采用从低级别六级米级旋回到高级别三级层序的划分方法，即由岩相序列构成短周期米级旋回，由米级旋回构成更高级别的长周期沉积相序列，最终以沉积相序列所表现出的沉积趋势的变化(深水—浅水)来作为反演基准面变化和划分三级层序的基础。旋回层序，首先是一个在年代地层框架内沉积相的有序叠加，该相序能够反映海平面相对升降的变化。由于海平面变化存在不同的周期与级次，最终形成了不同级别的旋回层序，由低级别、短周期的米级旋回有规律的垂直叠加构成了长周期、高级别的三级层序。

北京西山寒武系张夏组地层中发育的米级旋回，遵循特定基准面变化阶段沉积特定岩相组合类型的形式，形成有规律的叠加：60个米级旋回通常4个一组呈1∶4的组合关系，构成15个五级准层序级别旋回层序；五级旋回层序又通过5个一组呈1∶5的组合关系构成3个四级准层序组级别亚层序；四级亚层序遵循长周期基准面由深到浅变化的规律最终构成一个完整的淹没不整合型三级层序(图2)。在四级亚层序格架中来观察米级旋回种类的发育。在四级亚层序下部凝缩段(CS)单元中，四级相对海平面处于上升阶段，故组成四级亚层序下部凝缩段的米级旋回主要发育由陆棚相钙质泥岩及深缓坡泥晶灰岩组成的A、B、C型米级旋回。对等的，在四级亚层序上部的HST单元中，由于同沉积时期正处于四级相对海平面变化的下降阶段，故组成四级亚层序上部HST的米级旋回主要发育由缓坡滩相鲕粒灰岩作为上部岩相单元的D、E、F、G、H、I型米级旋回(图2)。

在三级层序格架中，底部2个四级亚层序的HST单元中主要发育中缓坡—浅缓坡型C、D、E型米级旋回，只有顶部的四级亚层序的HST单元中才发育代表浅缓坡—鲕粒滩相沉积的F、G、H、I型米级旋回。3个四级亚层序构成的沉积相序列具有如下相序特征(图2)：(陆棚相—深缓坡相—中缓坡相)—(陆棚相—深缓坡相—中缓坡相—浅缓坡相)—(深缓坡相—中缓坡相—浅缓坡相—鲕粒滩相)。完全符合三级层序由深变浅的相序特征。此三级层序可以作为碳酸盐岩淹没不整合型三级层序高频旋回层序研究的典型实例。

1.3 旋回层序格架中的碳酸盐岩化学组分特征

按照所建立的高频旋回层序地层格架，系统采集凝缩段单元与HST单元对应岩石样品进行化学组分检测[4]。结果表明，在四级相对海平面变化的最大海泛期，即沉积以钙质泥岩和泥晶灰岩为主的凝缩段时期，CaO和MgO的含量为四级旋回内最低，而SiO2和K2O的含量为四级旋回内最高。这表明在四级相对海平面上升到最大时，沉积环境以远洋—半远洋环境为主，碳酸盐岩生产受限。K2O含量的高值代表着深水缓慢沉积，SiO2含量高说明有机械混入物。在四级相对海平面下降期，即高水位体系域阶段，岩性主要为质纯鲕粒灰岩，相应的CaO含量出现四级旋回内最大值，说明伴随着四级相对海平面的下降，台地碳酸盐岩生产恢复。且越接近四级旋回层序顶界面，样品MgO含量越高，这与四级层序界面暴露有关。在高水位体系域中SiO2和K2O的含量相较于凝缩段单元都有所下降(表1)。观察三级层序与化学组分的关系发现，在三级层序顶部，鲕粒灰岩中CaO和MgO的含量出现极大值，在三级层序底部出现极小值，表明长周期三级相对海平面变化在三级层序顶部海平面下降强度最大；对应的SiO2和K2O的含量在三级层序凝缩段部分出现极大值，表明此时为三级最大海泛期(表1)。

2 快速海侵对于层序地层格架的影响及对未来工作的意义

2.1 快速海侵对碳酸盐岩层序格架发育的影响

碳酸盐岩台地沉积环境普遍对于水体深度和沉积环境十分敏感。台地的发育在高位正常海退期最为有利，台地顶部的碳酸盐岩工厂被大范围的浅水透光带所覆盖，形成大范围碳酸盐岩生产区域(图3阶段1)。在高位正常海退之后，三级海平面变化进入下降期及低水位期。台地顶面大范围暴露侵蚀从而形成暴露不整合面(Ⅰ、Ⅱ型层序界面)(图3阶段2)。

海侵期对于碳酸盐岩层序格架发育的影响，会出现2种不同的结果，因此分为慢速海侵与快速海侵来分别讨论：①如果是慢速海侵，台地水深依然处于光线所及的深度内，碳酸盐岩工厂仍能继续生产沉积物，继续维持碳酸盐岩台地的生长发育(图3阶段3)；②如果是快速海侵，水体加深过快，台地随即淹没，碳酸盐岩工厂关闭，由浅水沉积环境突变为远洋—半远洋灰泥质沉积环境，这就导致了覆盖于整个碳酸盐岩台地范围内的无暴露沉积间断面(Ⅲ型层序界面)和其上的凝缩段沉积层的形成(图3阶段4)，快速海侵所代表的台地淹没事件标志着碳酸盐岩层序格架中的间歇性台地沉积停滞。

图2 北京西山寒武系张夏组高频旋回层序地层格架

图3 慢速海侵与快速海侵碳酸盐岩层序模式及有利储层发育位置

2.2 淹没不整合型层序研究对未来工作的指导意义

通过上述研究明确了淹没不整合型碳酸盐岩层序地层格架的发育特征，并以此指导未来的石油勘探生产，具有极大的现实研究意义[5-9]。通过前述的地球化学与高频层序地层格架的研究，明确在三级、四级淹没不整合型层序格架的高水位体系域中CaO和MgO的含量均为层序格架内最高，并且对应岩性均为储层性质优良的高孔渗颗粒灰岩及鲕粒灰岩等，越朝向层序顶界面位置MgO含量所控制的白云石化作用越明显，这与层序界面暴露有关，有利于沉积物性优良的颗粒溶蚀灰岩或白云石化储层。

表1 露头剖面碳酸盐岩样品化学组分检测结果

在快速海侵台地淹没的背景下，前期快速海侵期不形成有利的台缘礁滩储层。但在后期的高水位体系域期，恢复沉积有利的生物礁滩相储层。底部凝缩段沉积在同沉积期就具有很高的生物质有机质含量，这些与泥岩一起沉积的有机质在有利的地层温压埋藏条件下易形成生烃潜力巨大的烃源岩地层。综上所述，凝缩段在下部生油，高水位体系域沉积储层地层，易形成有利的下生上储式成藏组合。在合适的圈闭封盖条件下，此类成藏组合会成为油气甜点勘探的潜力区。如珠江口盆地中新世流花台地生物礁储层就具有此种特征。因此，在淹没不整合型层序地层格架中有利的碳酸盐岩储层主要分布于高水位体系域，有利的烃源岩沉积主要分布于凝缩段中(图3阶段4)。