塔里木盆地寒武系中统—上统不整合面识别特征及地质意义——以肖尔布拉克剖面为例

张宸嘉， 樊太亮， 高志前， 卫 端， 吴 俊

( 1. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083； 2. 中国地质大学(北京) 海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083 )

0 引言

地层之间的不整合面不仅记录区域构造事件及海平面变化过程，还反映后期地质作用对地层的改造。20世纪70年代，Vail P R[1-3]将不同级别的层序单元与相应的全球海平面升降变化一一对应，揭示层序格架建立的基础是识别不同级次的层序界面并研究其地质意义。刘忠宝等[4]研究碳酸盐岩层序地层特征，认为岩溶储层的发育受不同级别的层序界面控制。AI-Gailani M B[5]通过半定量X线荧光分析，认为SiO2、Al2O3等化学指标可反映不整合面附近的矿物学变化。杜小弟等[6]、白斌等[7]认为，Sr、Ba、V、Ni、B等微量元素可反映湖平面升降及沉积环境的变化。陈钢花等[8-9]识别测井曲线垂向上异常值，采用最优分割法进行处理，准确厘定不整合面(风化淋滤带)的深度。Kai Sørensen[10]在地震剖面上识别向底辟方向发生倾斜的不整合面，论证挪威Danish盆地发育大型削截不整合，是挤入式底辟作用的重要体现。识别不整合面、分析其附近沉积环境变化对有利储层预测有重大意义。

肖尔布拉克剖面位于塔里木盆地西北缘阿克苏地区，出露晚震旦系至寒武系较完整的海相地层，与塔里木盆地内部具有很好的可比性[11]，是研究塔里木盆地寒武系地层的典型剖面。柯坪地区是地层、沉积、储层、烃源岩等油气成藏条件的天然实验室[12]。在震旦—寒武系界线、寒武—奥陶系界线、奥陶系内部的不整合面处，有关该地区地层学、元素地球化学方面的研究较多，且奥陶系层序地层资料较齐全[13-14]。有关寒武系内部层序界面的研究甚少，影响该地区寒武系储层的预测及勘探。以肖尔布拉克剖面为例，笔者利用主、微量元素及碳氧同位素变化特征，结合露头与岩石薄片、钻井、测井(玛北1井)、古城及塔北地区地震资料等，分析界面的识别特征并讨论地质意义，探讨不整合面在盆地范围内的分布特点，为寒武系层序地层划分、岩溶储层预测及储盖层发育模式研究提供依据。

1 区域地质背景

塔里木盆地周缘由天山、昆仑山和阿尔金山围限，是一个由古生代克拉通盆地和中、新生代前陆盆地叠加而成的大型复合盆地。盆地基底之上充填自古生界至第四纪的沉积序列。按照构造性质及基底起伏特征，塔里木盆地可划分为“三隆四坳”7个一级构造单元[15]，分别为西南坳陷、东南坳陷、库车坳陷、北部坳陷、塔中低凸起、塔南断隆和塔北隆起(见图1)。震旦纪—早奥陶世，塔里木盆地处于伸展盆地发育阶段，随早寒武世全球海平面上升，海进晚期形成富含有机质的凝缩层层段，即玉尔吐斯组烃源岩。直到晚寒武世，塔里木盆地发育巨厚的碳酸盐岩沉积。寒武系地层从下至上分为下统(玉尔吐斯组(C-1y)、肖尔布拉克组(C-1x)、吾松格尔组(C-1w))、中统(沙依里克组(C-2s)、阿瓦塔格组(C-2a))与上统(下丘里塔格群(C-3xq))。

图1 塔里木盆地构造位置Fig.1 Location map of the Tarim basin

2 不整合面识别特征

2.1 露头识别与薄片观察

肖尔布拉克剖面位于塔里木盆地柯坪地区(40°54′493″N，79°4′493″E)，是盆地西北缘台地区的寒武系标准剖面。肖尔布拉克剖面寒武系出露齐全，T81界面将寒武系中统的阿瓦塔格组与上统的下丘里塔格群分隔(见图2)，界面上、下岩层有明显的颜色变化，界面下可观察到溶塌角砾，指示海平面的短期暴露(见图3(a))。

根据宏观露头尺度，下丘里塔格群典型特征是藻类含量较多，以藻凝块、藻纹层或藻屑形态存在(见图3(b-c))；为灰色中厚层状亮晶藻灰岩、中厚层状白云岩夹硅质团块沉积，还发育亮晶砂屑云岩、泥晶云岩；发育水平及微波状层理；反映以藻云坪为主、澙湖环境为次的局限台地相沉积环境。

界面下的阿瓦塔格组整体旋回性明显(见图2)，表现为泥晶灰岩—中厚层白云岩—含叠层石藻白云岩的有序叠加。下部的泥晶灰岩与紫色、褐灰色中薄层状白云质泥岩、泥粉晶白云岩互层。上部发育中厚层夹砂砾屑白云岩及灰质白云岩，部分含硅质条带或团块，局部发育水平层理。阿瓦塔格组属于水体较安静的澙湖沉积环境，底部发育肉红色藻纹层白云岩(见图3(d))，整体上属于蒸发台地澙湖—膏岩坪与泥云坪沉积序列。

图2 塔里木盆地肖尔布拉克剖面T81界面特征

图3 塔里木盆地肖尔布拉克剖面T81界面及中、上寒武统特征

根据微观薄片尺度，T81不整合面上、下的岩性及沉积环境有较大差别(见图4)。下丘里塔格群(C-3xq)：粉细晶残余鲕粒白云岩残存鲕粒圈层结构，白云石呈半自形结构，较脏，残余少量粒间溶孔，见沥青充填(见图4(a))；亮晶砂屑白云岩的粒间溶孔发育，砂屑大小呈层状变化，指示水动力由强变弱再变强(见图4(b))；泥晶白云岩—泥晶含砂屑鲕粒白云岩有明显的突变面(冲刷面)，砂屑颗粒外侧为Ⅰ世代亮晶环边方解石，Ⅱ世代方解石胶结物部分发生白云石化(见图4(c))；在泥粉晶藻砂屑白云岩中，方解石脉(层)状充填，藻、砂屑、泥晶有明显分层(见图4(d))；藻团粒白云岩受生物扰动作用影响强烈，且发育明显的粒间孔(见图4(e))。阿瓦塔格组(C-2a)：泥—粉晶膏质白云岩含微裂隙，粒间孔发育(见图4(f))；藻泥晶砂屑灰岩窗格孔发育，并为方解石亮晶充填(见图4(g))；大部分泥晶白云岩发育少量裂缝，且被方解石充填，可见膏质层带状分布，含粒间孔、溶蚀孔洞，部分被方解石充填(见图4(h、l))；有些泥晶白云岩中发育由构造抬升造成的张性裂缝，且被灰泥及有机质充填，晶间溶孔发生硅质交代，但充填不明显(见图4(i))；在泥晶藻团块白云岩中，藻团块有明显的界面(见图4(j))，且藻团块内部大多见藻粘结现象，粒间溶孔较发育，可知埋藏期孔隙经扩溶形成超大溶孔，之后局部被方解石充填，是渗透回流白云石化作用的产物(见图4(j-k))。

图4 塔里木盆地肖尔布拉克剖面中、上寒武统镜下薄片特征

界面下的阿瓦塔格组岩性膏质含量较多，且白云岩粒度很细，多为泥晶白云岩。界面上的下丘里塔格群藻类含量较多，并含有大量砂屑。两个层位之间发生水体动荡变化，沉积环境发生改变，界面的暴露使下丘里塔格群的陆源碎屑物质增多，与宏观露头特征一致。中寒武世晚期，海平面下降，气候炎热干燥，阿瓦塔格组肉红色含叠层石藻纹层发育(见图3(d))，且沉积一套白云岩夹膏岩。阿瓦塔格组顶部遭受短暂的暴露剥蚀。直到晚寒武世，海平面上升，由于沉积速率与海平面升降速率基本相同，不整合面上的下丘里塔格群沉积一套巨厚白云岩，沉积环境由蒸发台地演变为局限台地。

2.2 地球化学测试

2.2.1 主、微量元素

地层中微量元素的富集程度受控于沉积环境及相对海平面的变化，且对海平面升降表现敏感，因此 可以利用特征微量元素平均质量分数的变化识别不整合面[16]。野外剖面测试运用美国Niton公司生产的XL3t 950手持式矿石分析仪(Thermo Scientific Niton Handheld XRF Mining Analyzers)。分析仪激发源为高性能微型X线管，激发银靶，激发能量为50 kV/200 μA(最大值)，分辨率为145 eV，检测时间为45 s。分析S、K、Ca、Ti、V、Cr等元素的质量分数，进行连续测量。

按指示的意义不同，元素主要分为3类。反映陆源物质多少的主要为Ce、La、Al、Fe、Si等稀土元素，且Al、Fe元素在风化淋滤面也可以富集[17]；反映盐度的为Cl、K元素；反映海平面变化的为Sr、Ba、Sr/Ba、Mg/Ca等[18]。测试点选取岩石新鲜面，可获取Si、Al、Ca、K、Mg、Fe等元素的质量分数。选取T81界面上、下33个测试点，平均间隔为0.98 m。界面附近元素质量分数发生明显变化(见图5、表1)。

图5 塔里木盆地肖尔布拉克剖面T81界面上、下元素质量分数特征

阿瓦塔格组整体元素质量分数波动幅度大，主要是由岩性变化频繁、岩石内部成分变化类型多导致的。Ce、La、Al、Fe、Si等元素质量分数在阿瓦塔格组顶部界面附近明显增大(见图5)，表明不整合面惰性元素相对富集，活动元素流失。以Al为例，界面上7个测试点平均质量分数为0.240%，界面下7个测试点平均质量分数为0.235%，界面平均质量分数为0.275%(见表1)。稀土元素Ce、La的富集指示沉积物的亲陆源性。界面附近Cl的质量分数增加，且阿瓦塔格组Cl的平均质量分数大于下丘里塔格群的，说明界面下盐度较大，符合蒸发台地相膏岩坪沉积的特点。K的质量分数在界面附近有增大趋势，由于活动性强，在界面处流失，反映界面有一定暴露特征。

在古水深指标中，主要参考Sr/Ba和Mg/Ca。在近海海岸沉积物中，Ba的质量分数为0.750×10-3，在深海沉积物中，Ba的质量分数增加到2.240×10-3[17]；生物途径的再沉积作用在从海岸到深海的过程中减弱，Sr的质量分数变化不大或略有减小，在海岸沉积物中，Sr/Ba较大，至深海逐渐减小。T81界面Sr/Ba、Mg/Ca变小，界面上缓慢增大，表明水体在界面达到最深、向上变浅(见图5、表1)。在各种岩类中，Fe有一定的丰度。在暴露过程中，Fe发生氧化作用，低价铁(Fe2+)被氧化成高价铁(Fe3+)。因此，Fe在层序界面表现为高价铁的氧化物形式，界面上Fe2O3的质量分数逐渐减小。主、微量元素特征表明，T81界面在肖尔布拉克剖面存在暴露现象。

表1塔里木盆地肖尔布拉克剖面T81界面上、下的主、微量元素质量分数及碳氧同位素数据

Table1Traceandmajorelementconcentrationsandcarbonandoxygenstableisotopesdataofthemiddle-upperCambrianattheXiaoerbulakeoutcropintheTarimbasin

样品编号w(Ce)/%w(La)/%w(Al)/%w(Fe)/%w(Si)/%w(Cl)/%w(K)/%w(Fe2O3)/%w(Sr)/%w(Ba)/%Sr/BaMg/Caδ13CPDB/‰δ18OPDB/‰C3xq10.0320.03000.2280.6480.08400.3260.0040.0180.2220.210-0.3-7.5C3xq20.0240.0250.5200.1791.9890.0890.0770.2550.0050.0180.2780.248-0.8-7.0C3xq30.0280.0220.3670.3255.0540.1410.0820.4650.0090.0210.4290.158-1.2-6.1C3xq40.0230.0200.1990.1440.9070.12000.2050.0060.0120.5000.239-0.5-6.7C3xq50.0300.02600.0931.4790.18800.1330.0050.0180.2780.188-0.7-6.5C3xq60.0180.0190.2710.1180.9920.0760.0480.1680.0050.0160.3130.171-0.7-6.6C3xq70.0200.01800.0811.2390.0900.0730.1160.0050.0170.2940.121-0.5-6.6C3xq80.0240.02600.1761.2050.0840.0630.2520.0050.0180.2780.2800.1-6.7C3xq90.0220.02800.0850.8060.1010.0570.1220.0050.0150.3330.2400.1-6.1C3xq100.0220.02300.1162.5680.1380.1470.1670.0060.0180.3330.248-0.2-5.8C2a10.0310.0270.2750.1902.8911.9230.0580.2710.0060.0200.3000.1990.5-6.1C2a20.0220.01400.3732.1642.52000.5340.0050.0170.2940.2260.2-6.3C2a30.0280.0220.1960.1732.3440.06700.2470.0050.0100.5000.1990.3-6.3C2a40.0280.02300.2542.5621.4920.1000.3630.0050.0170.2940.2340.1-6.6C2a50.0260.02100.1621.6360.1150.0570.2320.0050.0150.3330.2110.3-6.8C2a60.0250.0210.2840.1372.5820.07600.1950.0040.0140.2860.2410.3-6.7C2a70.0230.02200.1292.3710.0850.0520.1850.0050.0140.3570.1770.1-6.6C2a80.0280.02300.8363.0770.0980.1421.1950.0060.0180.3330.217-0.9-5.9C2a90.0270.0180.8940.3197.8900.1690.4120.4560.0130.0121.0800.211-0.1-5.5C2a100.0280.0291.2191.1567.2550.1080.5941.6530.0140.0250.5600.088-0.1-5.4C2a110.0280.0250.8080.4886.7060.1480.1090.6970.0060.0300.2000.1860.1-6.1C2a120.0190.0260.4480.2476.1740.0990.2640.3530.0090.0160.5630.102-0.1-6.0C2a130.0210.0160.3970.2264.5280.0840.1170.3240.0060.0180.3330.205C2a140.0170.0210.2270.2061.9960.0900.0640.2950.0060.0140.4290.270C2a150.0220.0190.3220.2292.6880.1040.0850.3270.00602.0000.231C2a160.0180.0210.8790.3669.3340.0920.1070.5230.0070.0170.4120.164C2a170.0390.0240.6200.6298.0000.0800.0900.4620.0140.0210.6670.177C2a180.0250.0170.3900.3327.4660.07500.4740.0040.0400.1000.187C2a190.0220.0210.4270.6065.0000.0820.0600.3000.0160.0260.6150.176C2a200.0140.0130.5380.1994.3000.0930.0710.2850.0070.0100.7000.205C2a210.0320.0240.0000.0772.0320.07900.1100.0090.0170.5290.188C2a220.0180.0140.8770.6287.0780.4360.2220.8980.0160.0170.9410.214C2a230.0200.0150.3980.3355.4471.7480.1030.4790.0200.1600.1250.111

2.2.2 碳氧同位素测试

碳酸盐岩在地表暴露环境的成岩作用中碳氧同位素组成经历明显的变化[19-20]。海平面变化、海水温度、盐度、有机质含量、陆源淡水注入、大气降水及埋藏速率等为碳酸盐岩同位素组成的控制因素，可为古风化壳、层序界面的识别提供有意义的地球化学信息。从T81不整合面上、下选取22个样品进行碳氧同位素测试(见表1)。实验样品磨细至200目以内，与正磷酸(100%的H3PO4)在真空、恒温条件下进行反应，释放CO2后进行纯化收集，用MAT-253气体同位素质谱仪分析组成。若样品明显为灰岩，则反应条件为温度25 ℃、24 h；若样品含大量白云石，则反应条件为温度25 ℃、72 h。

下丘里塔格群δ13CPDB平均为-0.5‰，阿瓦塔格组δ13CPDB平均为0.1‰，反映不整合面上、下的地层经历不同的成岩作用环境(见表1、图6)。δ13CPDB较低与局限台地的台内滩亚相沉积环境中较低生物生产率相关。广海生物不适合发育在持续低能的水动力环境中，因此生物的丰度和种类极低，δ13CPDB较低。在开阔台地、台内滩亚相、膏盐坪沉积环境中，盐度较高，海平面上升时生物数量和种类增多，δ13CPDB较高。阿瓦塔格组沉积水介质盐度较高，且还原条件下富δ12CPDB的有机质快速埋藏，碳酸盐岩的δ13CPDB较高。T81不整合面附近，δ13CPDB由0.1‰降至-0.2‰，表明海平面下降，地层暴露。

图6 塔里木盆地肖尔布拉克剖面T81界面上、下碳氧同位素特征Fig.6 Characteristics of carbon and oxygen stable isotopes of the middle-upper Cambrian at Xiaoerbulake outcrop in the Tarim basin

氧同位素分馏主要受海水的蒸发作用影响。地层暴露面上的碳酸盐(常呈钙结核形式)受到土壤表层水蒸发作用影响，δ18OPDB增大，在暴露面下的碳酸盐的δ18OPDB降低。海平面下降伴随强烈的蒸发作用，海平面上升伴随淡水的注入。在垂向上，氧同位素变小反映海平面的下降。δ18OPDB受后期胶结作用影响，指示意义相对较差。碳氧同位素变化曲线表明T81不整合面上、下沉积环境的差异。

2.3 钻、测井标志

自然伽马测井、自然伽马能谱测井对岩性变化反映敏感，可用来观测垂向不整合面上、下的沉积环境变化[21-23]。U、Th、K为不整合面附近不溶残余物中黏土成分的反映，与GR曲线可以共同识别测井中的不整合面。

玛北1井位于巴楚凸起区(见图1)，埋深为6 476.89 m(钻遇震旦系地层为158.89 m)。T界面上为下丘里塔格群灰色泥晶白云岩与灰色粉晶白云岩互层，界面下为阿瓦塔格组深灰色砂屑白云岩，整体以盐岩、灰褐色泥岩为主(见图7)。T81不整合面下U、Th、K的质量分数增大，GR曲线值较大，说明界面下泥质含量较大，界面处存在陆上暴露，界面上沉积环境发生变化。三孔隙度测井曲线(CNL、DEN、AC)整体在界面上、下表现为不同特征，CNL和DEN曲线在阿瓦塔格组平均值较高，AC曲线在界面上显著增大，且波动幅度较小，反映界面上的下丘里塔格群岩层孔隙度较大，结合GR曲线可知泥质含量较小，阿瓦塔格组岩层较为致密。U、Th、K曲线在界面有极小值，表明沉积水体变浅，在界面处海平面下降到最低。不同测井曲线之间有良好相关关系，指示玛北1井T81界面的存在特征。81

图7 塔里木盆地玛北1井T81界面上、下测井综合柱状图Fig.7 Well logs through the middle-upper Cambrian of well MB1 in the Tarim basin

2.4 地震识别标志

地震剖面上的削截、上超、顶超指示不整合面的存在。在塔北隆起地区地震反射剖面E59上，T81界面下可见顶超、前积现象，表明沉积间断面的发育(见图8)。整体上，T81界面地震反射轴为中强轴反射，大部分地方可以追踪。界面上、下地震反射轴连续性较好，振幅发生较大变化：界面下振幅较强，界面上振幅相对较弱。古城地区位于塔东低凸起最西段，中寒武统在地震剖面上表现为强振幅、连续的反射特征，上寒武统表现为杂乱、空白的反射特征(见图9)。受塔中地区和巴楚地区的构造挤压影响，寒武统的膏岩和泥岩夹层形成典型的盐丘[28]。

图8 塔里木盆地E59地震测线中—上寒武统地震反射特征Fig.8 Characteristics of seismic reflection profiles of E59 of the middle-upper Cambrian in the Tarim basin

图9 塔里木盆地古城地区中—上寒武统地震反射特征Fig.9 Characteristics of seismic reflection profiles of the middle-upper Cambrian of Gucheng district in the Tarim basin

3 不整合面分布特征

塔里木盆地T81界面属于Ⅱ级不整合面。Ⅱ级不整合面由海平面下降或局部的构造运动形成，在盆地不同区域表现为不同形式，暴露剥蚀时间为1～10 Ma[24-27]。

根据平面分布，T81界面在塔里木盆地有4种表现形式：台地边缘的同沉积暴露不整合、台地内部的平行不整合、中央隆起区的构造—侵蚀不整合及盆地边缘的多期叠加不整合(见图10)。暴露不整合面主要沿盆地边缘分布，包括3部分：在盆地西北部乌什地区附近的NE到SW的狭长地带、沿Kn1—Mc1—Tz1—Tz29—Yb1—Zc1井呈“L”型向西北方向展布的中部暴露不整合带，以及沿Sh1—Tn1井长条状分布的南部暴露不整合带[28-30]。大部分有微弱剥蚀特征的构造—侵蚀不整合分布于中央隆起区，包括塔中地区和巴楚地区。平行不整合在盆地中西部地区的台地内部广泛分布，尤其是英买力地区和喀什地区。多期叠加的不整合主要分布于3个地区：盆地北部边缘的拜城、草湖地区，盆地南部边缘的唐南地区和盆地东南边缘的若羌地区。

T81不整合面上、下的地层有不同的构造特征，沉积环境具有明显变化。康2与方1井位于巴楚地区(见图10)：界面下，由于早古生代构造作用形成张性的正断层，仅受到轻微的构造变形；界面上，由于晚古生代作用挤压形成正断层，地层发生巨大错位变形(见图11)。界面上、下发育两套性质不同的断裂体系。根据沉积环境，界面下的中—下寒武系地层主要为灰色中—粗粒白云岩、灰色膏岩夹泥岩、白云岩夹膏岩，代表蒸发台地相沉积，水深自下而上逐渐变浅[31-34]。界面上，发育大量的厚层浅灰色、深灰色、棕灰色上寒武统白云岩，为碳酸盐岩台地内部控制的沉积物。随海平面上升，沉积水深由浅变深。T81界面上、下的台地结构发生一定变化[35-36]，由缓坡台地演变为镶边碳酸盐岩台地(见图9)，且部分台地及台地边缘具有明显暴露性。

图10 塔里木盆地T81不整合面平面分布特征及不整合类型Fig.10 Types and distribution characteristics of unconformity T81 in the Tarim basin

图11 康2、方1井地震反射剖面Fig.11 Seismic reflection profile through the wells Kang2 and well Fang1 in the Tarim basin

4 结论

(1)塔里木盆地寒武系中统—上统在肖尔布拉克剖面T81界面整体上表现为平行不整合接触关系，局部表现为波状起伏接触，具有微角度不整合的特征，存在暴露现象。T81界面下为缓坡蒸发台地相沉积环境；T81界面上为局限镶边台地相沉积环境。

(2)玛北1井位于巴楚隆起区，T81界面下泥质含量较大，地层岩性致密。代表黏土物质中不溶残余物的U、Th、K曲线在T81界面处有极小值，海平面下降到最低，地层暴露于地表，沉积环境发生改变。在塔北地区的地震剖面上，T81不整合面表现出中、强振幅，有明显的削截特征，界面上、下反射特征有一定差异。

(3)中寒武世晚期, 塔里木盆地海平面下降，气候炎热干燥，阿瓦塔格组沉积一套白云岩夹膏岩，顶部遭受短暂的暴露剥蚀。晚寒武世，海平面上升，下丘里塔格群沉积一套巨厚白云岩，沉积环境演变为局限台地。T81界面是Ⅱ级不整合面，有4种形式：同沉积暴露不整合、平行不整合、构造—侵蚀不整合和多期叠加不整合。其中，在构造—侵蚀不整合分布区域，地震剖面显示T81不整合面上、下地层构造特征的差异性。