四川盆地中二叠统茅口组地层缺失量计算及成因探讨

江青春 胡素云 姜 华 翟秀芬 任梦怡 陈晓月 李秋芬 张运波

1. 中国石油勘探开发研究院 2. 数岩科技股份有限公司

岩溶储层是全球含油气盆地最重要的碳酸盐岩油气储层之一。勘探实践表明，中国发现的大型海相油气田大都与古岩溶作用有关[1-6]。古岩溶储层的发育规模既受控于古岩溶地貌特征，又受控于地层缺失特征。目前，对于四川盆地中二叠统茅口组顶部存在地层缺失这一认识得到了大多数学者的认可[7-11]，但对其缺失特征仅进行了简单的描述[12-13]。少数学者对局部的地层缺失量进行了定量分析[14]，然而对于盆地内部地层缺失量均未开展过深入的分析，特别是对于地层缺失的成因研究更为薄弱，多数学者认为是由于东吴运动的抬升造成的地层整体隆升，形成地层缺失带，仅有李旭兵等少数学者认为是由于茅口晚期东吴运动Ⅰ幕发生大规模的海退导致茅口组顶部碳酸盐岩暴露，遭受广泛的淡水淋滤风化作用，形成地层缺失，但未给出足够的证据[15]。为了解决这些科学问题，本文在定性分析和描述茅口组地层缺失特征的基础上，利用米兰科维奇高频旋回分析方法定量计算了盆地内茅口组的顶部剥蚀量，并探讨了其成因，为精确预测四川盆地茅口组岩溶储层分布及下一步勘探选区奠定了基础。

1 茅口组顶部地层缺失定性识别

笔者在2012年发表的《四川盆地茅口组风化壳岩溶古地貌及勘探选区》[16]文章中提到：茅口组由川西南向川东北及川西北方向地层缺失程度逐渐增加；东吴运动的构造抬升作用致使茅口组顶部地层缺失；地层的风化及淋滤作用使大气淡水沿着断裂及裂缝形成差异性溶蚀，形成岩溶储层。随着后期研究工作的逐步深入，笔者利用四川盆地11条格架剖面对地层进行了精细对比，并利用盆地内二维地震测线对茅口组地层厚度变化进行了定量计算，然后通过钻井与地震结合将茅四段和茅三段的地层尖灭线进行了精细刻画，分析结果表明，茅口组残余厚度由雅安—宜宾地区向泸州—南充地区再到川北宣汉—旺苍地区逐渐减薄。茅四段仅在川西南部地区和川东北部发育，川西南部主要发育于宜宾—雅安—江油一带，川东北部仅石柱地区残存；茅三段在盆地内分布较广，仅在万州—宣汉—旺苍一带普遍缺失，但该区域内的渡口及旺苍大两乡有零星残余分布（图1）。川北地区缺失茅三段的区域，茅口组残余厚度很薄，笔者在文初提到的文章 中认为该地区在茅口组末期为岩溶高地，岩溶地貌较高，但该区在吴家坪期确为深水盆地相沉积。因此为了解决这一矛盾，笔者利用米兰科维奇旋回分析计算了该区地层剥蚀量，通过四个方面的论证分析，认为茅口末期受冰川海平面下降影响，具有由西南向东北逐渐降低的岩溶地貌格局，基于地层厚度的差异将其划分为侵蚀上斜坡和侵蚀下斜坡（图2），并在本文第4部分中对其成因进行了论述和分析。

图1 茅口组地层尖灭线分布及侵蚀岩溶地貌图

图2 四川盆地茅口组岩溶地貌发育模式图

2 地层剥蚀量定量计算方法

碎屑岩地层剥蚀量的恢复方法较多，也较为成熟，常用的方法包括趋势地层对比法、镜质组反射率法、声波时差法、沉积波动过程分析法等[17-19]。通过对这些方法的梳理发现，因其原理或基于砂泥岩地质模型或独特的适用条件，很难用于碳酸盐岩地层剥蚀量的恢复。为了解决这一难题，不断有学者探索碳酸盐岩地层缺失量的恢复方法。多名学者的研究证实，米兰科维奇旋回分析能够有效记录地层的沉积旋回特征，对于地层部分缺失的地区可以尝试利用地层沉积速率差异及剥蚀量差异的相互对比与验证，进行碳酸盐岩地层剥蚀量恢复[20-23]，为定量计算海相碳酸盐岩地层剥蚀量提供新的思路。

米兰科维奇旋回分析理论已经在旋回地层学研究中得到较为普遍的应用[24]，其表现形式为沉积地层具有一定程度的旋回性和韵律性。国内外学者一般运用钍钾比（Th/K）曲线分析碳酸盐岩沉积环境下的相对海平面的变化，但由于自然伽马能谱测井系列价格较高，很多钻井不对此类曲线开展测井工作。通过对比分析同一钻井钍钾比曲线和自然伽马曲线的米兰科维奇旋回特征，实践分析表明在钍钾比曲线缺乏的情况下，可以采用自然伽马曲线代替分析米兰科维奇旋回，其误差在可以接受的范围内。米兰科维奇旋回分析的主要工作是开展频谱分析，其本质就是认为测井曲线是由各种地质要素的综合作用在时间尺度（或深度尺度）上形成的一个地层规律性变化的综合叠加信号，运用傅里叶变换将这一叠加信号（测井曲线）从深度尺度（或时间尺度）转换到频率尺度而形成频谱曲线。其分析流程如下：①原始曲线分析，去除异常值；②利用小波变换对固定采样间隔的自然伽马能谱曲线或者自然伽马曲线进行分解，去除曲线的低频背景和高频噪音信号，然后对包含规律性低频成分的测井数据进行重构；③运用傅里叶变化方法将重构后的数据从时间域转换到频率域，形成一维的频谱曲线；④根据频谱曲线计算出来的旋回周期参数与米兰科维奇天文参数进行对比分析；⑤根据对比参数及沉积速率求取地层剥蚀量。张运波及Berger等学者对米兰科维奇旋回分析法的具体原理及详细过程在相关文献中进行了详细介绍和论述[25-27]。

基于许国明、江青春等人的研究成果认为，四川盆地茅口组沉积相为缓坡模式。总体而言，除盆地西部及北部茅口组相带发育深缓坡外，盆地主体范围内茅口组主要为浅缓坡与中缓坡沉积，即茅口组沉积时期，四川盆地整体水体较浅，盆地范围内的沉积水深变化不大，其结果是沉积物沉积速率变化很小，沉积地层厚度在全盆地范围内厚度变化相对较小，在区域地震剖面上也表现出横向稳定，厚度变化小。

3 茅口组顶部地层缺失量定量计算

在上述茅口组沉积背景及沉积速率分析的基础上，结合前期区域地层对比的认识，分别在地层保存完整区、弱缺失区、中等缺失区和较强缺失区选择了4口典型井——宫深1井、板东12井、高石1井和河坝1井。其中宫深1井茅口组地层发育完整，主要有3方面证据：①牙形石带发育较为完整；②发育时限与地层沉积时限接近（见后文）；③区域地层对比揭示其茅四段基本完整。因此可以作为参照标准井计算其他井茅口组顶部地层剥蚀量。通过对4口井茅口组的自然伽马能谱曲线和自然伽马曲线按照每米8个点的采样间隔，在数据前处理的基础上按照上述方法原理与步骤开展时频变换，得到4口井对应曲线的一维频谱图（图3），结合茅口组的地层沉积时限，开展旋回对比分析。结果表明，宫深1井频谱中点c和点i分别对应的平均旋回厚度比值为1∶0.28，分别对应于长偏心率旋回（125 ka）和斜度旋回（34.94 ka）；河坝1井频谱中点c和点d分别对应125 ka周期的长偏心率旋回和95 ka周期的短偏心率旋回；高石1井频谱中的点b和点d别对应125 ka周期的长偏心率旋回和95 ka周期的短偏心率旋回；板东12井频谱中的点b和c点分别对应125 ka周期的长偏心率旋回和95 ka周期的短偏心率旋回。

图3 典型井茅口组FFT频谱分析曲线图

宫深1井茅口组自然伽马能谱测井数据的频谱显示，四川盆地中二叠统沉积地层记录的米兰科维奇旋回信息较为明显，长偏心率旋回（125 ka）和短偏心率旋回（95 ka）为高频层序发育的主控因素。根据前期研究成果结合地质年代表分析茅口组沉积时间为6.29 Ma，结合宫深1井的频谱分析，四川盆地茅口组大约发育50.3 ka短偏心率旋回。宫深1井茅口组地层测井曲线的频谱图显示，125 ka对应的长偏心率旋回信号最强，最适用于计算其他相关的米氏旋回参数（表1）。与长偏心率旋回周期对应的平均旋回厚度在宫深1井、河坝1井、高石1井和板东12井均为6.65 m。河坝1井的测井综合解释及区域地层对比表明，河坝1井茅口组顶部缺失茅四段和茅三段，验证了频谱分析结果的可靠性。

茅口组顶部地层缺失现象的定性分析结果表明，宫深1井茅口组地层近似无剥蚀。据此，根据宫深1井茅口组测井曲线频谱中的长偏心率旋回周期，计算出四川盆地茅口组的沉积时限为（334.5 m÷6.65 m）×125 ka＝6.29 Ma。再根据宫深1井茅口组地层的发育时限和各井的平均旋回沉积厚度，计算各井茅口组顶部剥蚀量。河坝1井茅口组长偏心率旋回（125 ka）对应的平均沉积厚度为6.65 m，其顶面缺失量为（6.29 Ma/125 ka）×6.65 m－164.2 m＝170.43 m；高石1井茅口组长偏心率旋回（125 ka）对应的平均沉积厚度为6.65 m，其顶面剥蚀量为（6.29 Ma/125 ka）×6.65 m－192.6 m = 142.03 m；板东12井茅口组长偏心率旋回（125 ka）对应的平均沉积厚度为6.65 m，其顶面缺失量为（6.29 Ma/125 ka）×6.65 m－ 252.5 m＝82.13 m。

表1 中二叠世米兰科维奇旋回周期间关系分析表

研究发现，宫深1井位于火山岩覆盖区，顶部受火山岩沉积保护，茅口组无明显缺失；高石1井地层缺失较大，顶部缺失量达142.03 m；河坝1井缺失量最大，达170.43 m；板东12井地层顶部缺失量仅 82.13 m。位于中国石化矿权区内的河坝场构造的河坝1井顶部剥蚀现象明显，其茅口组大约发育40.43 ka短偏心率旋回，顶部剥蚀现象明显。综合录井报告也表明，中二叠世时期，河坝1井位于川北地区地层残余厚度较小区，区域地质背景揭示其为较深缓坡沉积，具有较低的沉积速率，中二叠世末期的冰期海平面下降导致河坝1井茅口组遭受剥蚀。根据河坝1井茅口组的平均沉积速率计算，其顶部剥蚀厚度大约为169.92 m。板东12井茅口组发育有37.98 ka短偏心率旋回，顶部缺失量达82.13 m。

采用同样的方法，逐一对全盆地108口井茅口组层段的自然伽马测井曲线或者自然伽马能谱曲线（Th/K）开展频谱分析，确定米兰科维奇旋回周期，计算沉积速率，并最终求取每口井茅口组顶部的地层缺失量。同时为了确保频谱分析在深度域的可靠性，研究过程中根据最新编制的四川盆地茅口组沉积相图，进行了分相带的旋回计算，对计算结果进行了沉积速率的相互对比验证。川西南部地区的周公1井、汉深1井、大深1井、老龙1井处于浅缓坡相，沉积速率高，计算的沉积速率也比较接近；川中地区处于开阔台地内，局部发育台内滩，沉积速率中等，高石2井的计算结果得到了证实；川东北地区张2井为较深水沉积，计算结果证实沉积速率相对较低，对比川西北地区的河坝1井（深水沉积），河坝1井沉积速率比张2井高。通过以上分析，利用以上原理对全盆地108井的一维傅里叶变换进行分析，最终编制茅口组地层缺失厚度图（图4）。四川盆地茅口组存在两个地层弱缺失区：①成都—宜宾一线向西南方向地层缺失相对较少，缺失厚度在0～80 m范围内，缺少茅四段的中上部；②重庆—万州一带，地层剥蚀厚度介于40～100 m，地层保存相对比较完整。蜀南、川西北部及川东北部地区地层缺失相对严重，缺失厚度介于140～210 m，其中川东北部和蜀南地区地层缺失要比川中地区的地层缺失程度高。

4 茅口组顶部地层缺失成因探讨

图4 四川盆地茅口组剥蚀厚度等值线图

对于四川盆地地层缺失的成因，多数学者认为是由于茅口期末的东吴运动的构造活动造成 。然而，对于其运动性质到底是水平挤压的造山运动还是垂直升降运动，目前存在争议。笔者的研究团队前期也曾提出由于东吴运动的挤压抬升作用导致四川盆地在中二叠世末期发育一个面积可超过8×104km2的东吴期古隆起，并命名为“泸州—通江古隆起”，古隆起斜坡带地层暴露剥蚀是风化壳岩溶储层发育的有利地区[30]。然而最新地貌学研究结合沉积背景分析认为茅口冰期海平面下降是导致地层缺失的主要原因，并明确了四川盆地由茅口早期到吴家坪期的构造演化与地层沉积充填过程，在茅口沉积期早—中期，四川盆地主体为碳酸盐岩缓坡沉积，由川中地区向川北地区逐渐由中缓坡演化为深斜坡相沉积。茅口组沉积后，由于全球冰期的影响，海平面急剧下降，侵蚀基准面可能下降到茅口组下部，其上覆地层均遭受侵蚀，但盆地内西南高、北东低的古构造格局没有发生改变。吴家坪期海平面逐渐上升，茅口组侵蚀后的古构造格局仍得以保存，沉积环境及相带的平面展布和茅口组相似。这一认识合理地解释了四川盆地北部地区茅口组地层缺失层位多与吴家坪组深水沉积两者之间的矛盾。总体看，由盆地西南地区向川北地区可能整体表现为一个大型古侵蚀斜坡，侵蚀高地主要分布在盆地西南地区及川东石柱地区，侵蚀上斜坡分布在南充—泸州一带，侵蚀下斜坡分布在川北地区（图1），其成因证据主要有以下三方面。

4.1 茅口末期为全球性的冰期事件

全球海平面变化曲线揭示[31]，晚古生代全球冰期始于泥盆纪末，鼎盛于石炭纪—早二叠世，可延续到中晚二叠世瓜德鲁普统末期（茅口末期），由于冰期活动导致全球海平面下降[32-35]，冰期海平面下降幅度为20～120 m[36]。二叠纪，扬子陆块呈“孤岛”立于古特提斯洋[37]，更易于受海平面升降变化影响，由于冰期的持续作用，海平面在茅口中后期开始下降，茅口末期快速下降到最低点，扬子大部分地区准平原化；吴家坪—长兴早期海平面缓慢上升，长兴中期升至高点，这在中—上扬子地区二叠纪海平面变化曲线上也有所印证[38]。

4.2 川北地区牙形石化石缺失严重，局部存在侵蚀残丘

受全球海平面下降影响，茅口组顶部地层缺失普遍。在野外剖面的牙形石化石带上体现非常明显，在这一时期欧美等全球大部分地区茅口组顶部缺失1～2个化石带[38]；华南地区茅口组顶部缺失2个以上牙形化石带。为了落实四川盆地北部地区茅口组顶部牙形石化石带的缺失情况，对川北地区的广元乌木沱、广元上寺、广元西北乡、宣汉渡口等6条剖面的牙形石化石带进行了分析，除宣汉渡口和旺苍大两剖面露头缺失两个牙形石化石带外，其他地区一般缺失4～6个牙形石化石带（图5）。表明川北地区地层缺失较其他地区缺失严重，但由于海平面下降的侵蚀不均一性，可能导致川北地区存在侵蚀残丘。

4.3 茅口组与吴家坪组碳同位素漂移特征明显

图5 四川盆地川北地区茅口组典型野外剖面牙形石化石带分布图

导致海相碳酸盐岩的δ13C值发生变化的因素较多，例如有机碳埋藏量、生物生产率、海洋与大气交换及陆地物质输入等等，其中最重要的两个因素是有机碳埋藏量和生物生产率。自然界中存在有机和无机两大碳库，当其中一个碳库同位素发生变化，就会间接导致另外一个碳库同位素的变化。海洋中碳同位素的分馏作用主要由生物活动造成，一般情况下，12C优先为活的有机体所吸收利用，当海洋生物生产率高且被埋藏时候，就会从海洋中带走轻的碳同位素，导致海洋中溶解的无机碳同位素变重，引起海洋沉积物碳酸盐岩的δ13C值增加。当有机质被暴露氧化，富集12C的碳析出，海洋库溶解的无机碳同位素组成变轻，引起海洋沉积的无机碳酸盐的δC值降低。在广元上寺、渡口等剖面，均可见茅口末期无机碳同位素出现快速下降、吴家坪时期逐渐快速升高，预示茅口末期发生冰封海洋作用，生物生产率迅速降低，而到了吴家坪期时期冰川逐渐开始消融，生物生产率开始逐渐增大，导致同位素从－3.8‰增加到4‰。从野外剖面的同位素曲线形态可以看出，受全球性冰期作用影响，茅口末期碳同位素曲线波动较大，吴家坪期碳同位素曲线相对稳定，反映茅口后期沉积环境不稳定及海平面快速下降、吴家坪期沉积环境逐渐趋于稳定[39]（图6）。

图6 四川盆地及其周缘茅口组与吴家坪组牙形石化石带及碳同位变化曲线图（据本文参考文献[40]修改）

5 结论

1）茅四段仅在宜宾—雅安—江油地区和石柱地区地层残存，其余地区地层普遍存在缺失，且表现为川南—川中—川北地层缺失强度逐加大。

2）茅口组地层缺失量介于0～200 m，其中川西南部和川东北部地区缺失厚度介于0～60 m，蜀南、川中和川北地区地层缺失厚度介于140～200 m。

3）冰期背景、牙形石化石带分布特征及同位素漂移特征揭示茅口末期的地层剥蚀是由于冰期海平面下降侵蚀所致，川北地区海平面下降幅度大，导致其缺失茅三段，但牙形石化石带分析揭示其存在局部残丘。

4）由于冰期海平面下降，导致下二叠统岩溶地貌继承了西南部东北低的沉积特征，岩溶地貌由西南到川中至川北地区逐渐由侵蚀高地逐渐过渡为岩溶上斜坡和岩溶下斜坡，与吴家坪期西南高、东北低的沉积特征具有较好的一致性。

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