塔里木盆地柯坪地区肖尔布拉克组优质微生物碳酸盐岩储层成因

邓世彪，关平,2，庞磊，刘沛显，金亦秋，张艳秋

1.造山带与地壳演化教育部重点实验室 北京大学地球与空间科学学院，北京 100871 2.北京大学石油与天然气研究中心，北京 100871 3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083 4.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院，新疆库尔勒 841000

0 引言

微生物岩是指由底栖微生物群落通过捕获与黏结作用，或通过与微生物活动有关的诱导矿化作用在原地形成的沉积物，经历成岩作用形成的一类沉积岩，多具有特殊的微生物沉积结构和构造特征[1-6]。微生物碳酸盐岩，即由碳酸盐组成的微生物岩，是一个既古老又新颖的研究课题，由Twenhofel[7]在20世纪50年代提出碳酸盐岩微生物建造作用，强调微生物活动对碳酸盐岩建造形成和发育的控制作用[7-8]；目前研究较多的，同时分布最为广泛的一类微生物岩即是微生物碳酸盐岩。微生物碳酸盐岩是一类重要的油气储集岩，全球中新元古界至中生界都发现了以微生物碳酸盐岩为储层的油气田，资源潜力巨大[4]；在中国古老深埋的中新元古界至寒武系碳酸盐岩地层中，微生物碳酸盐岩是最主要的岩石类型。目前正值深层碳酸盐岩油气资源勘探开发不断深入推进的阶段，埋藏深、时代老的微生物碳酸盐岩储层已成为深部古老碳酸盐岩地层的重要目的层[4]。因此，微生物碳酸盐岩储层是油气储层的重要研究领域。

塔里木盆地古老的震旦系—寒武系海相碳酸盐岩地层在地下埋藏深，勘探程度相对较低，具有油气大发现的巨大潜力[4]；其中，下寒武统肖尔布拉克组是塔里木盆地寒武系盐下储层发育的潜在有利目的层，且具有良好的生储盖组合，勘探前景广阔。目前，已有一批学者从柯坪野外露头区取材对肖尔布拉克组碳酸盐岩开展研究。陈文玲等[9]最早作出肖尔布拉克组发育储层的报道，并对其岩石学特征、储集空间特征、物性特征以及影响储层发育的主控因素进行了分析；李庆等[10]随后对肖尔布拉克组储层的溶蚀作用进行了研究；但是，由于其尚未认识到微生物碳酸盐岩的发育，上述研究多具有局限性。之后，罗平等[4]和宋金民等[5,8,11]先后开展了碳酸盐岩微生物建造的研究，从巨观构造上将肖尔布拉克组的微生物碳酸盐岩划分为层纹石建造、微生物礁建造、层状凝块石建造和叠层石建造四种类型。多位学者进一步对肖尔布拉克组微生物碳酸盐岩的储集空间进行了研究，认为由于各类微生物碳酸盐岩内部岩石结构的不同，其储集空间类型存在较大差异[4-6,12-13]，但对优质储层类型的认识仍有争议：罗平等[4]和李朋威等[6]认为微生物礁是最好的储层，但王凯等[12]认为微生物礁的储集性较差；宋金民等[5]认为叠层石储层最好；而李保华等[13]认为层状凝块石才是优质储层；熊益学等[14]则认为优质储层包括微生物礁和层状凝块石两类。此外，已有的文献报道仅对肖尔布拉克组各类微生物碳酸盐岩储层发育的潜在控制因素进行了宏观罗列和粗略分析[5-6,13,15]，但对优质微生物碳酸盐岩储层的成因问题尚无系统和深入的针对性研究。上述问题不仅制约了理论研究中对肖尔布拉克组优质微生物碳酸盐岩储层类型和成因的深入认识，而且限制了勘探实践中对有利目标的有效选取。

针对上述问题，本文在塔里木盆地柯坪野外露头区内的8条野外剖面上针对肖尔布拉克组微生物碳酸盐岩开展研究，通过野外观察、剖面测量、密集取样、物性测试、薄片分析和CT扫描等手段，厘定了优质微生物碳酸盐岩储层的建造类型和储集空间类型，进而针对性地阐释了优质微生物碳酸盐岩储层的成因。本研究既能深化对肖尔布拉克组优质微生物碳酸盐岩储层类型和成因的认识，又能为勘探实践中有利目标的有效选取提供沉积学依据。

1 区域地质背景

柯坪地区是塔里木盆地西北缘的野外露头分布区，其在地理位置上处于阿克苏地区的乌什县境内，构造分区上属于塔里木盆地柯坪隆起构造单元的东段[16]。柯坪野外露头区以苏盖特布拉克村为中心，向北为乌什县县城和306省道，向南为314国道，向东距离阿克苏市区约为100 km；区内主要出露震旦系—奥陶系地层，西部、北部和南部地区还出露志留系—石炭系地层(图1)，地表基本没有植被，出露情况良好[13]。

图1 塔里木盆地柯坪地区地质简图与下寒武统剖面位置(据文献[6]修改)Fig.1 The brief geological map and Lower Cambrian section position of Kalpin area, Tarim Basin (modified from reference[6])

受到新生代晚期南天山挤压造山作用的影响，柯坪野外露头区内的下寒武统地层主要分布在出露于地表的由震旦系—奥陶系沉积地层组成的六排逆冲推覆体上[17]，除其中一排逆冲推覆体位于柯坪野外露头区东部以外，其余五排逆冲推覆体集中分布在柯坪野外露头区西部(图1)。为系统而深入地研究下寒武统肖尔布拉克组优质微生物碳酸盐岩储层的类型和成因，本研究设计了8条野外剖面用以覆盖整个野外露头区，其中，在东部的逆冲推覆体上设计了蓬莱坝剖面，在西部的逆冲推覆体上从南向北依次设计了昆盖阔坦剖面、英尔苏剖面、苏盖特布拉克剖面、喀克巴什剖面、金磷矿剖面、库鲁南剖面和奥依皮克剖面(图1)。

柯坪野外露头区内的下寒武统—中寒武统地层总体表现为一套水体从下至上逐渐变浅的沉积演化序列(图2)：下寒武统的玉尔吐斯组为盆地—陆棚相的含磷硅质岩、黑色页岩、泥晶灰岩和白云岩，肖尔布拉克组主要为台地边缘相的微生物碳酸盐岩建造，吾松格尔组为局限台地相的泥晶白云岩、泥质白云岩和灰质白云岩；中寒武统的沙依里克组和阿瓦塔格组则为蒸发台地相的膏岩和膏质白云岩夹泥质白云岩和灰岩[5,18]。下伏的玉尔吐斯组黑色页岩和上覆的中寒武统膏质岩与肖尔布拉克组台地边缘相微生物碳酸盐岩建造构成了得天独厚的生储盖组合(图2)，勘探前景广阔[4,14]。

2 优质储层的建造类型

2.1 野外特征

通过对柯坪野外露头区内8条下寒武统剖面的野外观察表明，肖尔布拉克组的微生物碳酸盐岩从巨观构造上由微生物礁建造、层纹石建造、层状凝块石建造和叠层石建造4种建造类型组成[4-5,8,11](图3)。

微生物礁建造[4-6,8,11-15]是肖尔布拉克组中发育的一种在宏观上呈灰白色—黄白色的原地生长的高大起伏的大型穹窿状的微生物碳酸盐岩沉积体，集中分布于昆盖阔坦、英尔苏和苏盖特布拉克3条剖面上。其与周围的层状沉积地层在沉积构造上存在显著差异，且其具有蜂窝状的差异风化特征，因而在野外露头上可以很好地识别微生物礁建造并确定其与周围沉积地层的接触边界(图3A1,A2)。从近距离观察和手标本特征来看，微生物礁建造的非均质性较强，虽然其岩石表面致密少孔的区域(图3A3)所占比例较高，但是仍然有相当一部分岩石表面发育针状溶孔和小型溶洞[12]，部分被后期的巨晶方解石充填。总体而言，野外观察表明肖尔布拉克组的微生物礁建造具有可观的储层发育比例。

层纹石建造[4,19-20]是肖尔布拉克组中发育的一种在宏观上具有水平层状纹层的微生物碳酸盐岩沉积体，广泛分布于蓬莱坝、昆盖阔坦、英尔苏、苏盖特布拉克、喀克巴什和金磷矿6条剖面上，按照形态学特征来划分，其应属于广义叠层石范畴[19]。其在宏观上表现为浅灰色，纹层呈平直的水平层状(图3B1,B2,B3)，在横向上基本不被切断，且在纵向上的连续发育厚度可达20 m以上。从近距离观察来看，层纹石建造的岩石表面都致密少孔(图3B1,B2,B3)，野外观察表明其基本不发育储层。

图2 塔里木盆地柯坪地区寒武系地层综合柱状图Fig.2 The Cambrian compositive stratigraphic column of Kalpin area, Tarim Basin

层状凝块石建造[5]是肖尔布拉克组中发育的一种具有凝块结构和块状构造且在宏观上呈中至厚层状产出的微生物碳酸盐岩沉积体，广泛分布于蓬莱坝、昆盖阔坦、英尔苏、苏盖特布拉克、喀克巴什、金磷矿和库鲁南7条剖面上。其在野外露头上并无典型且易于识别的纹层状或穹窿状构造特征，仅表现为普通沉积地层的层状特征，一般呈中至厚层产出(图3C1,C2)，但在岩石新鲜面上多表现为灰白色且呈斑块状(图3C3)。从近距离观察来看，多数层状凝块石建造的岩石表面都发育丰富的孔洞(图3C2)，且岩石新鲜面上发育溶孔和小型溶洞并充填黑色沥青的现象较为普遍(图3C3)。总体而言，野外观察表明肖尔布拉克组层状凝块石建造的储层发育比例较高。

叠层石建造[4-6,8,13]是肖尔布拉克组中发育的一种在宏观上具有波状和近水平层状纹层的微生物碳酸盐岩沉积体，广泛分布于蓬莱坝、昆盖阔坦、英尔苏、苏盖特布拉克、喀克巴什、金磷矿和库鲁南7条剖面上，在形态学上与前文所述的层纹石建造同属于广义叠层石范畴[19]。其在野外露头上大多具有黄白色的颜色特征，形态以层状为主，纹层并非完全水平而是呈波状或略微起伏的水平状，且横向连续性较差，常被切断，单个纹层的发育厚度较大(图3D1,D2)。从近距离观察来看，大部分叠层石建造的岩石表面致密少孔，但也有相当一部分叠层石建造的岩石表面发育较多孔洞(图3D2)，且其岩石新鲜面上发育丰富的溶孔和小型溶洞，并充填有黑色沥青(图3D3)。总体而言，野外观察表明叠层石建造也具有可观的储层发育比例。

除了上述4种微生物建造类型以外，肖尔布拉克组还发育一类泥晶沉积[13]，其不属于微生物碳酸盐岩的范畴，而是一种在宏观上表现为薄至中层块状构造(图3E1,E2)且在微观上主要由泥晶碳酸盐组成的碳酸盐岩沉积体，广泛分布于蓬莱坝、昆盖阔坦、英尔苏、苏盖特布拉克、喀克巴什、金磷矿、库鲁南和奥依皮克8条剖面上。从近距离观察来看，几乎所有泥晶沉积的岩石表面都致密少孔(图3E3)，野外观察表明泥晶沉积基本不具有发育储层的潜力。

综上所述，根据野外观察可以大致确定肖尔布拉克组中不同微生物建造类型的储层发育情况，其中，绝大多数的层状凝块石建造都发育储层，微生物礁建造和叠层石建造则均具有可观的储层发育比例，而层纹石建造基本不发育储层。

2.2 物性特征

为了确定肖尔布拉克组优质微生物碳酸盐岩储层的建造类型，在野外观察的基础上，本研究进一步对在剖面测量过程中逐层密集采集的样品进行了大量物性测试，以通过物性数据的对比分析对不同微生物建造类型的储层发育情况进行定量判断。本研究总计对来自8条剖面的217块样品进行了孔隙度测定(图4)，并对其中的116块样品进行了平行渗透率测定(图5)。样品所属的微生物建造类型通过野外观察辅以薄片鉴定共同确定。获得的不同微生物建造类型的孔隙度和平行渗透率统计数据如下。

微生物礁建造的孔隙度数据为73组，孔隙度最小值为0.52%，最大值为6.48%，平均值为1.81%(图4)；平行渗透率数据为54组，平行渗透率最小值为1.36×10-5μm2，最大值为1.26×10-2μm2(图5)。

层纹石建造的孔隙度数据为21组，孔隙度最小值为0.55%，最大值为2.82%，平均值为1.64%(图4)；平行渗透率数据为4组，平行渗透率最小值为2.32×10-5μm2，最大值为2.44×10-4μm2(图5)。

图4 塔里木盆地柯坪地区肖尔布拉克组微生物建造的孔隙度分布Fig.4 The porosity of Xiaoerbulak microbial constructions in the Kalpin area of Tarim Basin

层状凝块石建造的孔隙度数据为64组，孔隙度最小值为0.60%，最大值为9.35%，平均值为4.09%(图4)；平行渗透率数据为37组，平行渗透率最小值为1.45×10-5μm2，最大值为2.32×10-2μm2(图5)。由于多数层状凝块石建造内部充填有黑色沥青，因此，其真实的孔隙度平均值应该比现今统计的孔隙度平均值更高。

叠层石建造的孔隙度数据为13组，孔隙度最小值为0.59%，最大值为4.01%，平均值为1.84%(图4)；平行渗透率数据为10组，平行渗透率最小值为1.34×10-5μm2，最大值为1.31×10-3μm2(图5)。由于部分叠层石建造内部充填有黑色沥青，因此，其真实的孔隙度平均值应该高于现今统计的孔隙度平均值。

除了上述4种微生物建造类型以外，作为参考数据，本研究还测量了泥晶沉积的孔隙度和平行渗透率。泥晶沉积的孔隙度数据为46组，孔隙度最小值为0.36%，最大值为2.69%，平均值为1.41%(图4)；平行渗透率数据为11组，平行渗透率最小值为1.91×10-5μm2，最大值为9.19×10-3μm2(图5)。

根据野外观察结果和极低的孔隙度值可知，泥晶沉积是肖尔布拉克组中最为致密，储层孔隙最不发育的一类碳酸盐岩。因此，本研究将泥晶沉积孔隙度数据的最大值2.69%作为基准，对不同微生物建造类型的孔隙度分布进行对比研究。结果表明，微生物礁建造中孔隙度值大于2.69%的占比达13.7%，且孔隙度最大值达到6.48%；层纹石建造中孔隙度值大于2.69%的比例为19.0%，但孔隙度最大值仅为2.82%；叠层石建造中孔隙度值大于2.69%的比例为23.1%，且孔隙度最大值为4.01%；相比之下，层状凝块石建造中孔隙度值大于2.69%的比例高达70.3%，孔隙度最大值达到9.35%，且所有层状凝块石建造样品的孔隙度平均值也达到5.07%。基于不同微生物建造类型的孔隙度分布(图4)、孔隙度最大值、孔隙度平均值和孔隙度值大于2.69%的比例(图4)可知，层状凝块石建造的孔隙度值在肖尔布拉克组不同微生物建造类型的微生物碳酸盐岩中占据绝对优势。

进一步结合所测样品的平行渗透率数据可知，所有层状凝块石建造的孔隙度数据和平行渗透率数据在孔隙度—平行渗透率交会图上表现出显著的线性正相关关系(图5)，层状凝块石建造样品的孔隙度值越高，则该样品的平行渗透率值也越高，表明肖尔布拉克组微生物碳酸盐岩中的层状凝块石建造是一类典型的孔洞型储层。

通过综合对比野外特征和物性特征可知，层状凝块石建造是肖尔布拉克组不同微生物建造类型中占据绝对优势的优质微生物碳酸盐岩储层。此外，微生物礁建造和叠层石建造是仅次于层状凝块石建造的微生物碳酸盐岩储层。

3 优质储层的储集空间特征

为了探讨层状凝块石建造作为肖尔布拉克组优质微生物碳酸盐岩储层的成因，通过观察分析大量的铸体薄片，首先对层状凝块石建造的储集空间特征进行了系统研究。

由于肖尔布拉克组的碳酸盐岩均是由先驱灰岩经历白云石化作用改造而成的白云岩，因此，现今保存在肖尔布拉克组储层中的所有储集空间类型都不是原生的，而是经历过或强或弱的次生改造作用。通过详细鉴定，在层状凝块石建造中共识别出粒间孔、晶间孔、粒间溶孔、晶间溶孔、扩溶孔和溶洞6种储集空间类型(图6)。

粒间孔是在白云石化作用之后保存在层状凝块石建造的不同藻类颗粒间的未被胶结物完全充填的一种储集空间类型，如图6A，6B和6F所示，其中，图6A和6F中的粒间孔内充填了黑色沥青，而图6B中的粒间孔未被充填。晶间孔是由于白云石化作用在层状凝块石建造的内部白云石矿物晶体间产生的一种储集空间类型，如图6B，6D，6E所示。

图6 塔里木盆地柯坪地区肖尔布拉克组优质微生物碳酸盐岩储层微观特征A.粒间孔，充填黑色沥青，层状凝块石建造，英尔苏剖面，铸体薄片，单偏光；B.粒间孔、粒间溶孔和晶间孔，层状凝块石建造，英尔苏剖面，铸体薄片，单偏光；C.粒间溶孔，层状凝块石建造，金磷矿剖面，铸体薄片，单偏光；D.晶间孔，层状凝块石建造，苏盖特布拉克剖面，铸体薄片，单偏光；E.晶间孔和晶间溶孔，强烈重结晶后的层状凝块石建造，喀克巴什剖面，铸体薄片，单偏光；F.粒间孔和粒间溶孔，层状凝块石建造，苏盖特布拉克剖面，铸体薄片，单偏光；G.粒间孔、晶间孔和扩溶孔，层状凝块石建造，英尔苏剖面，铸体薄片，单偏光；H.粒间孔和扩溶孔，层状凝块石建造，英尔苏剖面，铸体薄片，单偏光；I.扩溶孔，层状凝块石建造，苏盖特布拉克剖面，铸体薄片，单偏光Fig.6 The microscopic characteristics of excellent Xiaoerbulak microbial carbonate reservoirs in the Kalpin area of Tarim Basin

粒间溶孔和晶间溶孔属于组构选择性溶蚀孔隙，而扩溶孔和溶洞则表现出组构非选择性。组构选择性溶蚀孔隙是由层状凝块石建造内部单一组分发生溶蚀作用形成的，粒间溶孔是层状凝块石建造的不同藻类颗粒间由于胶结物发生溶蚀而产生的一种储集空间类型，如图6B和6C所示，不同颗粒间的胶结物发生溶蚀形成了粒间溶孔。晶间溶孔则是白云石矿物晶体发生溶蚀而在不同的白云石矿物晶体间产生的一种孔隙类型，其是在晶间孔的基础上改造而成的，如图6E。组构非选择性的扩溶孔和溶洞则是由层状凝块石建造内部的不同组分发生溶蚀作用形成的，其孔径显著大于各类单一组分和组构选择性溶蚀孔隙，其中，孔径小于2 mm的称为扩溶孔，孔径大于2 mm的称为溶洞。在扩溶孔和溶洞的边缘常结晶生长有一类粒度较大的自形白云石矿物晶体(图6F～I)。

4 优质储层成因

根据层状凝块石建造的储集空间特征(图6)可知，成岩作用对优质微生物碳酸盐岩储层的发育起到了极大地改造和改善作用。但是，一般而言，微生物碳酸盐岩储层的发育虽然受制于其沉积后的成岩作用，微生物沉积作用形成的原始结构和构造却是保障储层有效性的至关重要的先决条件；微生物碳酸盐岩储层的形成首先是与微生物沉积作用有关，其次才是准同生阶段或埋藏阶段的成岩作用[4]。因此，本研究通过对比分析不同类型微生物建造的微生物沉积作用和针对性分析层状凝块石建造的成岩作用的逻辑顺序，对层状凝块石建造成为优质微生物碳酸盐岩储层的成因进行了系统地研究和阐释。

4.1 微生物沉积作用

4.1.1 原始结构和构造

在肖尔布拉克组中，泥晶沉积是一类完全形成于纯粹的无机沉积过程而与微生物沉积作用无关的碳酸盐岩沉积体，在野外露头上具有薄至中层的层厚特征(图3E1,E2)，且沉积构造表现为致密的块状构造，岩石表面致密少孔(图3E3)，46组孔隙度测试数据的最大值仅为2.69%，平均值仅为1.41%(图4)，11组平行渗透率测试数据的分布范围为(1.91×10-5～9.19×10-3)μm2(图5)，孔隙度和平行渗透率都极低，属于典型的非储层岩石。镜下特征显示，泥晶沉积仅由大量泥晶碳酸盐聚集组成，结构组分单一，岩石结构为典型的微晶结构(图7A,B)。这种原始结构会导致泥晶沉积在成岩过程中受到强烈的压实作用而变得极为致密，不易保留原生孔隙，很难受到溶蚀流体的进一步改造，最终形成了孔隙度和平行渗透率都极低的致密少孔的非储层岩石。

层纹石建造是一类发育平直的水平层状纹层的微生物碳酸盐岩沉积体，在野外露头上具有薄层的层厚特征(图3B1)，且沉积构造表现为致密的纹层构造，岩石表面致密少孔(图3B2,B3)，21组孔隙度测试数据的最大值仅为2.82%，平均值仅为1.64%，大于2.69%的比例仅为19.0%(图4)，4组平行渗透率测试数据的分布范围为(2.32×10-5～2.44×10-4)μm2(图5)，孔隙度和平行渗透率都极低，属于储集性极差的一类微生物碳酸盐岩储层。镜下特征显示，层纹石建造由暗色的富有机质贫碳酸盐纹层和亮色的富碳酸盐贫有机质纹层两种基本层交互出现形成，具有暗层和亮层“明暗相间”的薄互层状微观特征(图7C,D)，岩石结构为典型的层状结构；此外，暗层的发育比例和单层厚度均明显小于亮层，且两种基本层都较为平直，纹层互不交汇(图7C,D)。这种原始结构使得层纹石建造在沉积过程中很难形成原生孔隙，且在成岩过程中容易受到强烈的压实作用而变得极为致密，不易受到溶蚀流体的进一步改造，最终形成了孔隙度和平行渗透率都极低的致密少孔的差储集性岩石。

微生物礁建造是一类原地生长的高大起伏的大型穹窿状的微生物碳酸盐岩沉积体，在野外露头上无明显的分层特征，且沉积构造表现为较为致密的穹窿状构造(图3A1,A2)，除少数岩石新鲜面上可观察到微裂缝、针状溶孔和小型溶洞以外，绝大多数岩石表面都致密少孔(图3A3)，73组孔隙度测试数据的最大值为6.48%，但平均值仅为1.81%，大于2.69%的比例仅为13.7%(图4)，54组平行渗透率测试数据的分布范围为(1.36×10-5～1.26×10-2)μm2(图4)，绝大部分样品的孔隙度和平行渗透率都极低，属于储集性不高的一类微生物碳酸盐岩储层。镜下特征显示，微生物礁建造由无机碳酸盐泥晶基质和有机藻类颗粒两种基本组分构成，具有有机藻类颗粒黏结无机碳酸盐泥晶基质的微观特征(图7E,F)，岩石结构为典型的泥晶凝块结构。这种原始结构使得微生物礁建造的有机藻类颗粒间难以在沉积过程中形成有效的原生孔隙，且在成岩过程中容易受到强烈的压实作用而变得极为致密，不易受到溶蚀流体的进一步改造；但部分微裂缝的发育会产生一些溶蚀孔隙和溶洞，在一定程度上改善了微生物礁建造的储集性[12,15]，最终形成了仅有小部分孔隙度和渗透率较高的非优质储层岩石。

层状凝块石建造是一类在野外露头上表现出中至厚层的层厚特征(图3C1)，沉积构造为多孔的块状构造(图3C2,C3)，但岩石内部具有亮晶凝块结构的微生物碳酸盐岩沉积体(图7G)，除少数岩石表面致密少孔以外，绝大多数岩石新鲜面上都可观察到丰富的溶孔和溶洞以及普遍充填有黑色沥青的现象(图3C3)，64组孔隙度测试数据的最大值达到9.35%，平均值达到4.09%，大于2.69%的比例达到70.3%(图4)，37组平行渗透率测试数据的分布范围为(1.45×10-5～2.32×10-2)μm2(图5)，绝大部分样品都有可观的孔隙度和平行渗透率，且孔隙度和平行渗透率具有显著的正相关关系(图5)，属于储集性较高的一类优质微生物碳酸盐岩储层。镜下特征显示，层状凝块石建造由无机碳酸盐亮晶胶结物和有机藻类颗粒两种基本组分构成，具有有机藻类颗粒被亮晶无机碳酸盐胶结的微观特征(图7G)，岩石结构为典型的亮晶凝块结构。这种原始结构使得层状凝块石建造的有机藻类颗粒间极易在沉积过程中形成大量的原生粒间孔，并通过不完全的胶结作用使得其中一部分孔隙得以保存，且在成岩过程中胶结作用的存在有效地减少了压实作用对这一部分孔隙的破坏，溶蚀流体得以进入岩石内部对储集空间进行改造和改善，最终形成了绝大部分孔隙度和平行渗透率都较高的优质储层岩石。

叠层石建造是一类发育波状和近水平层状纹层的微生物碳酸盐岩沉积体，在野外露头上具有薄层的层厚特征(图3D1,D2)，且沉积构造表现为部分有孔部分致密的纹层构造，部分岩石表面发育孔隙(图3D2)，岩石新鲜面上可观察到溶孔和溶洞以及黑色沥青充填的现象(图3D3)，部分岩石表面致密少孔，13组孔隙度测试数据的最大值为4.01%，平均值仅为1.84%，大于2.69%的比例仅为23.1%(图4)，10组平行渗透率测试数据的分布范围为(1.34×10-5～1.31×10-3)μm2(图5)，绝大部分样品的孔隙度和平行渗透率都极低，属于储集性不高的一类微生物碳酸盐岩储层。镜下特征显示，叠层石建造由暗色的富有机质贫碳酸盐纹层和亮色的富碳酸盐贫有机质纹层两种基本层交互出现形成，具有暗层和亮层“明暗相间”的薄互层状微观特征(图7H,I)，岩石结构为典型的层状结构；此外，暗层的发育比例和单层厚度均明显大于亮层，且两种基本层都不平直，纹层常相互交汇(图7H,I)。这种原始结构使得叠层石建造在沉积过程中可以保存少量的格架孔，且在成岩过程中可以部分缓解压实作用对孔隙的破坏，溶蚀流体得以进入岩石内部对储集空间进行改造和改善，最终形成了仅有小部分孔隙度和平行渗透率较高的非优质储层岩石。

通过对比泥晶沉积、层纹石建造、微生物礁建造、层状凝块石建造和叠层石建造的原始结构和构造特征可知，层状凝块石建造在沉积过程中最易形成以粒间孔为主的大量原生孔隙，且最能抵抗成岩过程中压实作用对原生孔隙的巨大破坏，不完全的胶结作用使得数量可观的原生孔隙得以保存，进而保证成岩过程中溶蚀流体能够对其储集空间进行改造和改善，最终形成绝大部分孔隙度和平行渗透率都较高的优质储层岩石。因此，层状凝块石建造的原始结构和构造为其成为肖尔布拉克组的优质微生物碳酸盐岩储层提供了极为重要的物质基础。

4.1.2 原始沉积环境

泥晶沉积深灰色的颜色特征和岩石内部十分均匀的微晶结构表明其形成于静水低能的沉积环境中。层纹石建造岩石内部纹层极为平直的层状结构，以及野外露头上平直的水平层状纹层具有极好的横向延展性表明其形成于水体相对稳定和低能的沉积环境中，但浅灰色的颜色特征和富藻纹层的发育指示其沉积环境的水体深度浅于泥晶沉积。微生物礁建造岩石内部不具有抗浪性的泥晶凝块结构，以及在野外露头上表现出的原地生长的高大起伏的大型穹窿状构造特征表明其形成的水体环境也应相对稳定和低能，但灰白色至黄白色的颜色特征和体积较大的藻类颗粒的发育指示其沉积环境的水体深度浅于层纹石。层状凝块石建造岩石内部由亮晶无机碳酸盐胶结藻类颗粒的亮晶凝块结构表明其形成于高能的水体环境中，但藻类颗粒形态极不规则且不具有同心层，指示其沉积环境的水动力条件弱于鲕粒形成的水动力条件。叠层石建造岩石内部纹层呈波状且相互交汇的层状结构，以及野外露头上纹层呈波状或略微起伏的水平状且纹层横向延展性差的特征，表明其形成于水动力较强的沉积环境中。

微生物碳酸盐岩的相序结构应是沉积环境有序变化的结果[4]。通过8条剖面的观察测量，进一步研究了柯坪野外露头区肖尔布拉克组微生物碳酸盐岩建造的相序结构发育特征(图8)。微生物建造集中发育在蓬莱坝、昆盖阔坦、英尔苏、苏盖特布拉克、喀克巴什和金磷矿6条剖面上，而库鲁南和奥依皮克2条剖面则以泥晶沉积为主，仅在库鲁南剖面的顶部发育少量层状凝块石建造和叠层石建造。在昆盖阔坦、英尔苏和苏盖特布拉克3条剖面上，层纹石建造、微生物礁建造、层状凝块石建造和叠层石建造均有发育，且具有基本一致的相序结构特征：泥晶沉积最先发育，其位于肖尔布拉克组的最下部；层纹石建造紧接着发育于泥晶沉积之上，处于肖尔布拉克组的中下部；微生物礁建造则紧接着发育于层纹石建造之上，处于肖尔布拉克组的中上部；层状凝块石建造除少量夹杂于层纹石建造以外，绝大多数紧接着微生物礁建造发育，集中分布在肖尔布拉克组的上部；叠层石建造则最后发育，其位于大套层状凝块石建造之上，与少量层状凝块石建造间或发育于肖尔布拉克组的顶部(图8)。而在蓬莱坝、喀克巴什和金磷矿3条剖面上，微生物礁建造不发育，但层纹石建造、层状凝块石建造和叠层石建造均有发育，且具有基本一致的相序结构特征：泥晶沉积最先发育，其位于肖尔布拉克组的最下部；层纹石建造紧接着发育于泥晶沉积之上，处于肖尔布拉克组的中下部；层状凝块石建造紧接着发育于层纹石建造之上，处于肖尔布拉克组的上部；叠层石建造则最后发育，其位于大套层状凝块石建造之上，与少量层状凝块石建造间或发育于肖尔布拉克组的顶部(图8)。

从下寒武统玉尔吐斯组的盆地—陆棚相含磷硅质岩和黑色页岩，到中寒武统阿瓦塔格组的蒸发台地相膏质岩，柯坪野外露头区的中下寒武统地层总体表现为一套水体从下至上逐渐变浅的沉积演化序列，其中，位于肖尔布拉克组之上的吾松格尔组为局限台地相的泥晶白云岩、泥质白云岩和灰质白云岩[5,18]。在此背景下，依据泥晶沉积和不同类型微生物碳酸盐岩建造反映的沉积水动力条件，结合肖尔布拉克组的相序结构特征，可以推断肖尔布拉克组发育从较深水区向潮间带过渡的水体向上逐渐变浅的沉积演化序列(图8)，其中，泥晶沉积形成于潮下带下部以下的较深水区，层纹石建造形成于潮下带下部，微生物礁建造形成于潮下带中部，层状凝块石建造主要形成于潮下带上部，叠层石建造主要形成于潮间带。由此可知，潮下带上部的高能沉积水体环境为作为优质微生物碳酸盐岩储层的层状凝块石建造的发育提供了极为有利的原始沉积环境条件。

4.2 成岩作用

4.2.1 压实和胶结作用

极为有利的原始沉积环境条件为层状凝块石建造成为肖尔布拉克组的优质微生物碳酸盐岩储层提供了关键性的原始结构和构造，其保障了层状凝块石建造在胶结作用发生之前仍能经受住压实作用的强烈减孔作用并在藻类颗粒之间保存数量可观的原生孔隙，这为胶结作用的发生提供了空间基础，如图6C、6D和7G所示，藻类颗粒之间先存的丰富原生孔隙被胶结作用产生的大量胶结物所充填。胶结作用仅导致小部分层状凝块石建造被胶结物完全充填(图7G)，而大部分层状凝块石建造在胶结作用发生之后仍保存了数量可观的原生孔隙，同时，胶结物的形成保障了这些孔隙并不遭受持续存在的压实作用的强烈破坏，其在随后的白云石化作用过程中形成了现今保存的粒间孔(图6A,B,F,G,H)。

4.2.2 白云石化作用

理论上，由于Mg2+的离子半径小于Ca2+的离子半径，方解石转变为白云石的过程中矿物晶体体积会缩小，因此，灰岩向白云岩转变会导致孔隙度增加。但是，这种孔隙度增加的效果在层状凝块石建造中表现得并不明显，因为在现今看到的被强烈胶结的这类微生物碳酸盐岩中，完全的白云石化作用之后并未产生镜下直观可见的孔隙(图9A,B)，强烈重结晶的区域仍然十分致密(图9C,D)。

虽然白云石化作用对肖尔布拉克组优质微生物碳酸盐岩储层孔隙度的改善效果并不明显，但是其通过改造层状凝块石建造中先存的粒间孔，形成了大量镜下可观察到的晶间孔(图6B,D,E,G、图7D,E,F)，丰富了优质微生物碳酸盐岩储层的储集空间类型。

4.2.3 热液溶蚀作用

除了由不完全的胶结作用形成的粒间孔和由白云石化作用改造而成的晶间孔，层状凝块石建造中还发育由溶蚀作用产生的粒间溶孔、晶间溶孔、扩溶孔和溶洞。

粒间溶孔是在粒间孔的基础上由藻类颗粒间的胶结物遭受溶蚀作用而形成的(图6B,C,F)，晶间溶孔是在晶间孔的基础上由结晶的白云石矿物遭受溶蚀作用而形成的(图6E)，二者都是具有组构选择性的溶蚀孔隙，溶蚀作用的发生可以通过胶结物和结晶的白云石矿物晶体边缘发育的港湾状溶蚀轮廓加以确定(图6C,E)。

扩溶孔和溶洞则是在已有的粒间孔、粒间溶孔、晶间孔和晶间溶孔的基础上发生更为强烈的溶蚀作用而产生的，二者均具有组构非选择性，在形成过程中都溶蚀了不同的组分。因此，扩溶孔和溶洞的单个面积比储层岩石内部任何单一组分的面积都要大得多，它们的边界表现出向外凸的形态特征和规则光滑的外观轮廓，并且它们的边界切穿了不同的组分(图6G,H,I、图10)。

值得注意的是，在少数的粒间溶孔以及几乎所有的扩溶孔和溶洞的内壁上生长有一类自形程度极高的细至中晶白云石，其矿物晶体边界十分平直，且仅占据一小部分储集空间。李庆等[10]、Lietal.[21]先后对这类白云石进行地球化学研究指出，其表现出低氧同位素值、高稀土总量和高Fe、Mn、Zn、Ba、Na含量等特征，与热液流体具有密切联系[10,21]。Zhangetal.[18]和Zhuetal.[22]对塔里木盆地下古生界白云岩储层的研究表明热液流体对储层改善具有重要的建设性作用[18,22]。据此推测，层状凝块石建造中的粒间溶孔、晶间溶孔、扩溶孔和溶洞应是通过热液溶蚀作用形成的，而这类白云石应是热液溶蚀流体在溶蚀作用后期阶段由于流体饱和而沉淀结晶形成的。

图10 塔里木盆地柯坪地区肖尔布拉克组微生物碳酸盐岩CT扫描样品Fig.10 The CT samples of Xiaoerbulak microbial carbonate rocks in the Kalpin area of Tarim Basin

为了对热液溶蚀作用在层状凝块石建造成为优质微生物碳酸盐岩储层过程中做出的贡献进行量化评价，选取了2块孔隙度较高的层状凝块石建造样品和1块孔隙度较高的叠层石建造对比样品，通过CT扫描分析对其孔隙结构进行解剖。图10A1,A2,A3分别为孔隙度值为8.58%的层状凝块石建造样品的实验样品图、CT扫描单切片图和储集空间复原图；图10B1,B2,B3分别为孔隙度值为6.32%的层状凝块石建造样品的实验样品图、CT扫描单切片图和储集空间复原图；图10C1,C2,C3分别为孔隙度为4.01%的叠层石建造对比样品的实验样品图、CT扫描单切片图和储集空间复原图。

图11 塔里木盆地柯坪地区肖尔布拉克组微生物碳酸盐岩孔隙结构Fig.11 The porosity composition of Xiaoerbulak microbial carbonate rocks in the Kalpin area of Tarim Basin

CT扫描分析结果显示(图11)，孔隙度值为8.58%的层状凝块石建造样品的孔径范围为0～6.0 mm，分布范围较广，且孔径大小介于0～0.5 mm的比例为35.8%，介于0.5～1.0 mm的比例为18.9%，介于1.0～6.0 mm的比例为45.3%(图11A)。与之类似，孔隙度值为6.32%的层状凝块石建造样品的孔径范围为0～7.0 mm，分布范围较广，且孔径大小介于0～0.5 mm的比例为43.5%，介于0.5～1.0 mm的比例为14.2%，介于1.0～7.0 mm的比例为42.3%(图11B)。但是，与层状凝块石建造样品不同的是，孔隙度值为4.01%的叠层石建造对比样品的孔径范围仅为0～2.0 mm，且孔径大小介于0～0.5 mm的比例达到55.8%，介于0.5～1.0 mm的比例达到37.1%，而介于1.0～2.0 mm的比例仅为7.1%(图11C)。由此可知，与叠层石建造相比，层状凝块石建造之所以能成为孔隙度较高的优质微生物碳酸盐岩储层，原因在于热液溶蚀作用在其中产生了比例较高的大孔径扩溶孔和溶洞，从而极大地提高了储层的孔隙度。因此，热液溶蚀作用在层状凝块石建造成为优质微生物碳酸盐岩储层的过程中发挥着不可或缺的重要作用，其极大地改善和提高了层状凝块石建造的孔隙度，使之最终成为优质微生物碳酸盐岩储层。

5 结论

(1) 塔里木盆地柯坪地区下寒武统肖尔布拉克组微生物碳酸盐岩由微生物礁建造、层纹石建造、层状凝块石建造和叠层石建造4种微生物建造类型组成，其中，层状凝块石建造的孔隙度值显著高于其余3种微生物建造类型，且孔隙度和平行渗透率具有显著的线性正相关关系，属于肖尔布拉克组优质的孔洞型微生物碳酸盐岩储层。

(2) 作为肖尔布拉克组的优质微生物碳酸盐岩储层，层状凝块石建造的岩石内部发育粒间孔、晶间孔、粒间溶孔、晶间溶孔、扩溶孔和溶洞6种储集空间类型；其中，粒间溶孔和晶间溶孔属于组构选择性溶蚀孔隙，而扩溶孔和溶洞则表现出组构非选择性，且在扩溶孔和溶洞的边缘结晶生长有一类与热液流体密切相关的晶体较大的自形白云石。

(3) 形成于潮下带上部高能原始沉积环境中的亮晶凝块结构为层状凝块石建造成为优质微生物碳酸盐岩储层提供了微生物沉积作用上的先决条件；热液溶蚀作用形成大量大孔径的组构非选择性扩溶孔和溶洞则是优质储层形成过程中至关重要的成岩作用过程，极大地提高了层状凝块石建造的孔隙度。