湖相微生物碳酸盐岩沉积相模式研究——以桑托斯盆地A油田为例

张德民，段太忠，张忠民，郝 雁，姚 威

(1.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083;2.中国石化集团国际石油勘探开发有限公司，北京 100029)

微生物碳酸盐岩的相关研究历史悠久,最早可追溯到1825年Steel对纽约萨拉托加斯普林斯(saratoga springs)附近上寒武统纹层状钙质体(即叠层石)露头的研究[1]。近年来,伴随巴西东部海域桑托斯盆地、坎波斯盆地一系列大型、特大型微生物碳酸盐岩油气田的发现,微生物碳酸盐岩相关问题在全球范围内再次掀起研究热潮。资料显示, 2000—2008年,桑托斯盆地共发现14个油气可采储量超0.7×108t(约5×108桶)的油气田,其中3个油气田可采储量超过1.4×108t(约10×108桶)[2-3],显示了巨大的勘探潜力。针对桑托斯盆地的勘探前景[3-4],构造演化[5-6],微生物碳酸盐岩成因类型、结构组分特征[7-9],成藏特征及富集规律[10-13]等领域,国内外学者开展了大量工作,取得了多项成果。但是，限于资料等多方面因素的制约,在微生物碳酸盐岩沉积相类型、沉积相模式等方面公开报道成果较少,严重影响了该地区的勘探开发进程。

本研究以桑托斯盆地A油田为例,在前人工作的基础上,基于6口取心井的资料(常规岩心、井壁取心)、917片薄片观察鉴定、11口井测井及三维地震等资料,分析了研究区湖相微生物碳酸盐岩的微相类型和微相组合,建立了相模式。

1 地质背景

桑托斯盆地的形成演化与冈瓦那大陆裂解密切相关。早白垩纪(130 Ma),冈瓦那大陆从南向北开始裂解。经过20～30 Ma,阿普特—阿尔比阶时,逐渐延伸到冈瓦那大陆北部[14]。由于板块中部温度较高,塑性大,所以中部裂开较晚,在特里斯坦—达库尼亚群岛(Tristan da Cunha)—琼海岭(Walvis Ridge)热点遮挡下[15],于巴西东岸—非洲西岸形成桑托斯、坎波斯、宽扎、下刚果等一系列盆地。

A油田位于桑托斯盆地中部(见图1A,B),离岸290 km,水深2 060～2 600 m[16],属远岸超深水油田。油田构造演化与桑托斯盆地类似,经历了裂陷前期、裂陷早期、裂陷期、凹陷期、漂移期。其中，裂陷前期对应于前寒武系结晶基底。裂陷早期系指距今130 Ma之前的地层,对应于纽康姆期岩浆活动形成的火成岩。裂陷期包括早巴列姆—早阿普特阶,距今130～127 Ma,对应于研究区PIC段和ITP段,岩性分别为湖相烃源岩,介壳灰岩(其他地区储层)和泥岩。凹陷期位于中下阿普特阶,对应于研究区BVE300-100段,是A油田主要储层发育段,岩性主要为微生物灰岩。漂移期位于中上阿普特阶,沉积厚度2 500m蒸发岩,为研究区主要盖层(见图2)。

图1 图1 桑托斯盆地A油田位置图(据文献[8]修改)Fig.1 Location of A oilfield in Santos Basin

图2 桑托斯盆地A油田下白垩统地层柱状图(据文献[11]修改)Fig.2 Lower Cretaceous stratum of A oilfield, Santos Basin

2 微相及其岩类

研究区盐下湖相碳酸盐岩微相类型多样,可大致分为3类:湖相微生物碳酸盐岩类、湖相颗粒碳酸盐岩类、湖相结晶碳酸盐岩类。具体各类微相特征分述如下。

2.1 湖相微生物碳酸盐岩类

微生物碳酸盐岩微相划分参考前人[7,17]的分类方案,分为叠层石(树状叠层石/Arborescent stromatolite、灌木状叠层石/Shrubby stromatolite)、球状微生物岩(spherulite)和层纹岩(微齿状层纹岩/Slightly dentate laminate、平滑状层纹岩/Smooth laminate)3类。

1)叠层石(MF1):叠层石主要分布于BVE100段。按照形态的不同,可进一步划分为树状叠层石(MF1a)和灌木状叠层石(MF1b)。树状叠层石镜下显树枝状,高度远大于宽度,正交偏光下可见波状消光现象(见图3A，B),格架间被亮晶方解石充填,泥晶基质较少。灌木状叠层石镜下显灌木状,高宽比小,与球状微生物岩相伴生,正交偏光下亦可见波状消光现象。

2)球状微生物岩(MF2):球状微生物岩主要分布于BVE200及其以上层位。大小不一,最大直径接近2 mm(见图3E)，圆度高,正交偏光镜下十字消光现象典型(见图3G),球状结构间充填泥晶基质。通过对大量薄片的细致鉴定发现,球状微生物岩成分以方解石为主,即使在基质已经发生白云化时,球状微生物岩颗粒仍为原始灰质成分(见图3F)。另一方面,当球状微生物岩发生溶蚀时,球状结构内部可见溶蚀孔洞(见图3G),间接反映了球状结构部分稳定性差,易于发生溶蚀作用。此外,球状微生物岩的样品阴极发光下呈橘红色,基质部分发光较暗，反映出球状结构与基质成分存在显著差异(见图3H);扫描电镜下可见灰质微生物球状结构被基质白云石包裹,也反映了二者在成分上的不同。

3)层纹岩(MF3):层纹岩呈明暗相间纹层结构,是研究区盐下湖相微生物碳酸盐岩的主要类型之一,主要分布于BVE200及其以下层位。根据纹层结构、形态、起伏幅度等因素,将层纹岩分为微齿状层纹岩(MF3a)和平滑状层纹岩。微齿状层纹岩纹层具有一定的起伏,剖面上呈微小齿状,侧向与半球状微生物结构相连(见图3J)。平滑状层纹岩起伏幅度较小,纹层呈近水平状。按照颜色和伴生沉积构造的不同,将平滑状层纹岩进一步分为灰褐色平滑状层纹岩(MF3b)(见图3K)和黄褐色平滑状层纹岩(MF3c)(见图3L,M,N)。灰褐色平滑状层纹岩颜色较深,伴生沉积构造较少。

研究发现，各类微生物岩微相形态的差异可能与造岩微生物的生长习性有关。在浅水高能相区,光照充足,自养型微生物(如蓝细菌等)光合作用效率高;此外,高能循环水体为异养型微生物的生长提供必需的养分,所以微生物岩生长效率高,使其呈现直立树状外形。另一方面,树状叠层石格架间，泥晶基质较少,反映沉积期水动力较强,这一结论与上述树状微生物岩形成于浅水高能环境相吻合。而灌木状微生物岩可能形成于水体稍深的环境下。随着水体深度的增加,自养型微生物光合作用所需的阳光不足,异养型微生物所得养分也不足以满足微生物的生长需求。为最大程度地获取阳光及养分,在多种微生物的作用下,微生物岩表现为侧向生长,高宽比变小,形成灌木状形态。球状微生物岩的形成水体深度介于叠层石和层纹岩之间。水体具有一定的深度,垂向光照和养分供给不足时,自养型微生物和异养型微生物横向生长,在湖浪等水流作用下,最终形成现今圆球状微生物结构。层纹岩形成的水体深度最大[19-20],在较深水环境,光照和水流强度减弱,为获得足够的养料以及光合作用,微生物持续侧向生长并达到最大表面积。此时,微生物侧向生长的速率大于纵向生长的速率,形成现今微齿状纹层横向连接半球状微生物的结构。灰褐色平滑状层纹岩形成的水体可能较微齿状层纹岩更深,依据有两点:首先,灰褐色平滑状层纹岩颜色更深,可能指示了其形成水体更深;其次,平滑状层纹岩起伏幅度小,横向无半球状微生物结构相连,可能指示了在更深水环境,阳光和水流强度进一步降低,微生物侧向生长达到最大程度时,由于养料稀少,光合作用速率极低,尚不足以形成球状微生物结构。黄褐色平滑状层纹岩颜色较浅,局部可见窗状孔构造(见图3N),窗状孔为典型浅水暴露沉积(如潮坪)的指相构造,结合沉积物颜色,黄褐色平滑状层纹岩可能形成于水体较浅的滨湖环境。

2.2 湖相颗粒碳酸盐岩类

颗粒碳酸盐岩参考前人的分类方案[21],分为泥晶灰岩(mudstone)、粒泥灰岩(wackstone)、泥粒灰岩(packstone)、颗粒灰岩(grainstone)和砾屑灰岩(rudstone)5类。各类微相具体沉积学特征分述如下。

1)泥晶灰岩(MF4):该微相主要分布于BVE300及其以下层位。岩心上多显灰褐色、灰黑色等还原色;单层厚度薄,一般为厘米级纹层。方解石晶体细小,泥—微晶级,偏光显微镜下，晶体形态和结构不可辨(见图4A)。古生物化石稀少,缺乏典型沉积结构、构造特征。综合沉积物的颜色、岩性、晶体大小等特征,综合分析该微相主要指示了半深湖—深湖等深水还原环境。

A 树状微生物岩，BVE100段，薄片照片，单偏光；B 树状微生物岩，BVE100段，薄片照片，正交偏光；C 灌木状微生物岩，BVE100段，薄片照片，单偏光；D 灌木状微生物岩，BVE100段，薄片照片，正交偏光；E 球状微生物岩，BVE200，薄片照片，单偏光；F 球状微生物岩， BVE200，薄片照片，单偏光；G 球状微生物岩， BVE100，薄片照片，正交偏光；H 巴西下白垩统球状微生物岩阴极发光照片，据文献[18]；I 巴西下白垩统球状微生物岩扫描电镜照片，据文献[18]；J 微齿状层纹岩，BVE300U，岩心照片；K 平滑状层纹岩， BVE300U，薄片照片；L 平滑状层纹岩，BVE200，岩心照片；M 平滑状层纹岩，BVE200，岩心照片；N 平滑状层纹岩，BVE200，薄片照片 图3 研究区下白垩统微生物岩沉积微相类型Fig.3 Microfacies types of microbial carbonate in study area

A 泥晶灰岩，BVE300U段，薄片照片，单偏光；B 粒泥灰岩，BVE200段，薄片照片，正交偏光；C 泥粒灰岩，ITP段，薄片照片，单偏光；D 颗粒灰岩，BVE300U段，薄片照片，正交偏光；E 颗粒灰岩，ITP段，薄片照片；F 颗粒灰岩，双壳类，ITP段，茜素红染色薄片；G 砾屑灰岩，硅化严重，ITP段，铸体薄片；H 砾屑灰岩，BVE100，岩心照片；I 砾屑灰岩，BVE100，岩心照片 图4 研究区下白垩统颗粒碳酸盐岩沉积微相类型Fig.4 Microfacies types of granular carbonate in study area

2)粒泥灰岩(MF5):该微相主要分布于BVE300及其以下层位,部分井BVE200也偶见。岩心上多呈灰褐色等还原色,单层厚度整体较薄,但较泥晶灰岩层变厚。岩性及颗粒成分均以灰岩为主,颗粒含量低，直径较小(约0.05 mm);方解石基质晶体细小,泥—微晶级(见图4B)。古生物化石稀少,偶见介形虫等小型广盐度生物化石,缺乏典型的指相构造。综合地层分布、颜色、岩性、古生物、岩性组合等特征,综合分析该微相主要指示了半深湖等较深水环境。

3)泥粒灰岩(MF6):该微相主要分布于BVE300U及其以下层位。岩心上多呈灰色、深灰色等浅还原色,单层厚度开始变厚,部分层段达到中层级别。岩性及颗粒成分均以灰岩为主,颗粒类型以介形虫、双壳类等广盐度生物碎屑为主;方解石基质晶体较小,泥—粉晶级(见图4C)。综合地层分布、颜色、岩性、古生物、岩性组合等特征分析，该微相主要指示了半深湖—浅湖等环境。

4)颗粒灰岩(MF7):该微相主要分布于BVE300U，ITP等层段。按照生物碎屑成分的不同可细分为内碎屑灰岩、鲕粒灰岩、生物碎屑灰岩。内碎屑灰岩主要分布于BVE300U段,颗粒类型主要为半固结内碎屑再沉积形成。由于未成岩阶段的搬运作用,内碎屑大小不一、形态不规则,内碎屑间主要为亮晶方解石胶结物(见图4D)。鲕粒灰岩主要分布于ITP段,平面分布整体较局限,在研究区仅见于RJS-682，RJS-711等井区。鲕粒核心为疑似介形虫碎屑,圈层结构明显,鲕粒间为亮晶胶结物(见图4E)。由于后期热液等成岩改造,原始亮晶方解石转变为硅质。生物碎屑灰岩主要分布于ITP段，具有层厚大、平面分布广、物性较好等特征。生物碎屑类型主要为双壳类,成分为方解石。颗粒间被亮晶方解石胶结,部分胶结物存在白云化现象(见图4F)。颗粒和胶结物类型指示该微相代表了浅水高能沉积。

5)砾屑灰岩(MF8):该微相主要分布于ITP段,另在部分井BVE100段偶见。ITP段砾屑灰岩(MF8a)颗粒类型以广盐度双壳类为主,颗粒间被亮晶方解石胶结(见图4G),代表了浅水高能环境。BVE段砾屑灰岩的砾屑(MF8b)成分主要为各类微生物岩,尤以叠层石等为主。颗粒间泥晶胶结物为主,反映可能为风暴等事件沉积。

2.3 湖相结晶碳酸盐岩类

按照岩性不同,将研究区湖相结晶碳酸盐岩分为结晶灰岩(MF9)、白云岩(MF10)和硅化岩(MF11)3类。整体而言,各类结晶碳酸盐岩所占地层比例低，平面及纵向分布规律差。由于研究区湖相结晶碳酸盐岩主要是成岩作用的产物,对原始沉积环境指相意义较差,其具体特征在本文中将不再赘述。

3 微相组合

在对612口取心井微相类型分析的基础上,将沉积微相与古季风研究相结合,总结其纵向微相组合,将其归纳为微生物丘微相组合、背风坡丘后微相组合、迎风坡丘前微相组合以及颗粒滩微相组合等4种典型的微相组合类型。各微相组合特征分述如下。

3.1 微生物丘微相组合

该微相组合主要发育于高位体系BVE100段,BVE200段偶见。由微生物岩相关的几种微相组成。底部为平滑状层纹岩(MF3b),向上过渡为微齿状层纹岩(MF3a),中部为球状微生物岩(MF2), 上部为灌木状叠层石(MF1b), 顶部为树状叠层石(MF1a)。 部分井灌木状叠层石不发育, 可由球状微生物岩直接过渡为树状叠层石(见图5)。 微生物丘微相组合单旋回厚度不大, 一般4～8 m,但多个旋回纵向叠加,可形成厚层碳酸盐岩建隆。无铀伽马测井显示,自下而上,泥质含量减少,这一结论与地层胶结物组成相吻合。所以，该微相组合指示了一个向上变浅的过程。

3.2 背风坡丘后微相组合

与微生物丘微相组合类似,该微相组合同样主要发育于高位体系BVE100段,BVE200段偶见。由微生物岩相关的几种微相组成，但微相组成较上一微相组合简单。底部为平滑状层纹岩(MF3b)或微齿状层纹岩(MF3a),中部为球状微生物岩(MF2),上部为灌木状叠层石(MF1b),顶部树状叠层石(MF1a)少见(见图5)。微生物丘微相组合单旋回厚度一般较小,小于5 m。横向微相变化快且以层纹岩较发育为典型特征。自下而上，无铀伽马测井值逐渐变小，其同样指示了一个向上变浅的过程。

3.3 迎风坡丘前微相组合

该微相组合主要发育于高位体系BVE100段，由微生物岩和颗粒碳酸盐岩相关的几种微相组成。底部为粒泥灰岩(MF5),向上过渡为泥粒灰岩(MF6),中部为颗粒灰岩(MF7),上部为砾屑灰岩(MF8b),顶部为灌木状叠层石(MF1b)(见图5)。研究区东部RJS-722井区以东,地形坡度大,可由砾屑灰岩直接过渡为粒泥灰岩或泥粒灰岩;或由砾屑灰岩直接过渡为深水相泥灰岩微相。迎风坡丘前微相组合地层厚度稍大,一般为10～15 m。自然伽马曲线显示为中—低幅度的漏斗形。自下而上,伽马曲线值逐渐变小,反映水动力增强,泥质含量降低，指示了一个水体向上变浅的过程。

3.4 颗粒滩微相组合

该微相组合主要发育于高位体系ITP段，由颗粒碳酸盐岩相关的几种微相组成。底部为微齿状层纹岩(MF3a),中部为颗粒灰岩(MF7),上部为砾屑灰岩(MF8a)(见图5)。底部层纹岩段内可见介形虫等广盐度生物。该颗粒滩微相组合地层厚度最大,达20～30 m。自然伽马曲线显示为中—低幅度的叠置箱形。底部层纹岩段泥质含量高,中上部颗粒碳酸盐岩段泥质含量逐渐降低,同样指示了一个水体向上变浅的过程。研究区大多数井ITP段均钻遇该微相组合。

4 沉积相模式

在沉积微相识别和微相类型总结的基础上,将岩心与测井资料相结合,完成了研究区单井相解剖(见图6)。从典型井相解剖可以发现:纵向上,自下而上，水体逐渐变浅,沉积相从PIC段的半深湖过渡到BVE100段微生物丘和丘间洼地沉积的格局。颗粒滩主要发育于ITP段,BVE300以层纹岩沉积为主,结合其内伴生薄层叠层石,将其解释为台内凹陷沉积。叠层石主要发育在BVE100段,按照岩性叠置关系,识别出微生物丘、迎风坡丘前、背风坡丘后、丘间洼地等微相组合类型。

图5 研究区下白垩统湖相碳酸盐岩沉积微相组合Fig.5 Microfacies association of lower Cretaceous microbial carbonate in study area

结合三维地震、古季风研究成果等资料,本研究仅建立了BVE段沉积模式,具体如图7所示。从该沉积模式可以看出,研究区平面上呈“三隆夹两凹”的沉积格局。隆起高部位为微生物丘微相组合,丘间被低能丘间洼地分割,各隆起东侧为迎风坡丘前,西侧为背风坡丘后沉积微相组合。

图6 研究区下白垩统湖相微生物碳酸盐岩单井相模式Fig.6 Single well facies analysis of lower Cretaceous microbial carbonate in study area

图7 研究区下白垩统湖相碳酸盐岩沉积相模式Fig.7 Sedimentary model of lower Cretaceous lacustrine carbonate in study area

5 结 论

1)根据碳酸盐岩中微生物、颗粒和晶粒的含量,将研究区湖相碳酸盐岩分为湖相微生物碳酸盐岩、湖相颗粒碳酸盐岩和湖相结晶碳酸盐岩3大类。在此基础上,根据微生物形态、颗粒灰泥含量、结晶碳酸盐岩矿物成分等特征,将上述3大类湖相碳酸盐岩分为叠层石、球状微生物岩、层纹岩、泥晶灰岩、粒泥灰岩、泥粒灰岩、颗粒灰岩、砾屑灰岩、结晶灰岩、白云岩、硅质岩等11种微相类型。

2)在各类微相叠置关系分析的基础上,结合其平面分布、古季风等研究成果,将研究区11种微相归纳为微生物丘微相组合、迎风坡丘前微相组合、背风坡丘后微相组合以及颗粒滩微相组合4种微相组合。

3)建立了研究区湖相微生物碳酸盐岩沉积相模式:在拗陷期,研究区呈三隆夹两凹的沉积格局,东部隆起地层厚度最大,微生物丘发育程度最高,中西部隆起相对较差。

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