塔中地区志留系柯坪塔格组上3亚段沉积体系类型及分布规律

曾庆鲁 王力宝 王朝锋 王俊鹏 王 平 张先龙 赵继龙

（ 1 中国石油杭州地质研究院；2 中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院 ）

0 引言

塔里木盆地志留系海相碎屑岩沉积广泛分布，残余面积达23.6×104km2。受多期海平面变化影响，发育多套优质储盖组合，井下油气显示众多，是塔里木盆地重要的勘探层系之一。早奥陶世末，塔里木盆地区域构造应力场由拉张变为挤压，中央隆起带（塔中稳定隆起）的雏形开始形成，后长期隆升直到泥盆纪末，是油气运聚的有利指向区，现已发现塔中11、塔中12、塔中16、塔中47等多个油气田[1]。目前，志留系的研究仍然存在一些制约勘探的难题，其中较为关键的是沉积体系的确定和有利砂体的评价预测。前人对塔中地区沉积相认识分歧较大，大多数学者认为塔中地区志留系为低缓地形下的潮坪沉积体系或潮坪—滨岸复合沉积体系[2-8]，也有学者认为柯坪塔格组上3亚段主体为无障壁滨岸—陆棚沉积体系，同时受到风暴作用的控制[9-10]；张金亮等还提出塔中地区志留系为水进型辫状河三角洲沉积体系的观点[11-12]。海相盆地沉积环境复杂多变，砂体类型及其构成和空间分布受多方面因素影响，古构造背景、古地貌、水动力条件及物源供给往往起决定性作用。其中，水动力条件尤为复杂，潮汐、波浪、沿岸流等对沉积物的搬运、改造极为强烈，往往是多种水动力条件混合作用的结果，给沉积物类型鉴别和砂体分布预测造成一定困难。鉴于此，在前人研究的基础上，本文通过恢复塔中地区志留系柯坪塔格组上3亚段沉积时古地貌和岩相古地理特征，综合利用钻井、测井、地震和实验分析资料对其沉积体系类型进行精细研究，进一步明确了有利砂体的分布规律。

1 研究区概况

塔中地区位于塔里木盆地中部的沙漠腹地，构造上属于中央隆起带的塔中低凸起，南邻中央主垒带，北至塔中Ⅰ号断裂带，是一个近北西—南东走向的狭长形古隆起，面积约3000km2（图1）。钻探结果表明，志留系自西北向东南呈超覆沉积，与上覆泥盆系和下伏奥陶系呈角度不整合接触，最大残余厚度约600m，自下而上可分为柯坪塔格组、塔塔埃尔塔格组和依木干他乌组。其中，柯坪塔格组是志留系主要含油气层系，在研究区西北部厚度最大，约250m，向东南方向剥蚀尖灭。柯坪塔格组岩性以灰色、灰褐色细砂岩夹薄层泥岩为主，具有向上变细的正韵律；依据岩性和电性特征进一步划分为上1亚段、上2亚段和上3亚段，其中，上3亚段砂岩厚度大，物性相对较好，发育多个垂向和平面叠置的层状岩性油气藏和断背斜油气藏，是此次研究的目的层系。

图1 研究区位置、含油气层位及油气田分布Fig.1 Location of the study area, hydrocarbon-bearing layers and oil and gas field distribution

2 沉积前古地貌及古地理环境

2.1 古地貌

通过高分辨率地震资料结合钻井地质分析对沉积砂体形成时的古地貌进行恢复已成为沉积体系研究新的热点，并取得了较好的应用效果[13-17]。志留系沉积前，塔中地区南部中央主垒带已经形成，古地貌整体表现为自北向南、自西向东逐步呈阶梯状升高，局部存在多个狭长低洼区和水下低隆（图2）。在海侵背景下，志留系超覆沉积在奥陶系不整合面之上，在塔中地区西北部可能发育局限或半局限海下的潮坪环境，沉积物主要受潮汐水动力作用控制。在塔中地区中央主垒带北缘和东南部发育多条志留纪同沉积走滑断裂，为河流的形成创造了条件，沉积砂体受河流和潮汐共同作用影响，在断层附近相对富集。在地震剖面上表现为高频同相轴，横向连续性好，分辨率和波阻抗值较高，具有明显的分段分布特点（图3a、b）。其中，中央主垒带北缘地形相对较陡，呈陡坡状，可能发育潮汐改造三角洲环境；东南部呈“峡谷”状高地，内部发育多个下切谷式洼地和局部古隆起，可能发育潮汐河口湾沉积环境。

图2 塔中地区志留系沉积前古地貌特征Fig.2 Pre-sedimentary Silurian paleogeomorphology in the Central Tarim Basin

图3 过塔中89井地震剖面（a）和波阻抗反演剖面（b）（剖面位置见图2）Fig.3 Seismic profile (a) and wave impedance inversion section (b) cross Well TZ 89(positions of the profile/section shown in Fig.2)

2.2 古盐度

古盐度是判断沉积盆地水体特征的重要指标，判别和测定方法众多，其中以利用硼元素和黏土矿物数据进行定量计算的结果较为可靠，在海水体系中硼的浓度表现为盐度的线性函数，而氧同位素受后期成岩作用影响与盐度的匹配性可能较差[18-19]。通过对塔中地区志留系柯坪塔格组上3亚段泥岩进行系统取样，分析其硼元素分布特征和黏土矿物组成，可以获得沉积时海水的古盐度分布特征。样品取自25口井岩心或岩屑，硼元素分析测试仪器采用Leeman Prodigy全谱直读光谱仪，黏土分析测试仪器采用X'Pert Pro X射线衍射仪，实验环境为常温常压，测试结果如表1所示。古盐度的计算选用Couch 公式[17]，淡水和海水区的划分参考了威尼斯盐度分类方案[20]，此方法在鄂尔多斯盆地长6组沉积环境恢复中取得了较好效果[21]。Couch[16]提出的多矿物泥岩计算公式为：

式中 SP——古盐度，%；

B′——校正硼元素含量，10-6；

B——样品实测硼含量，10-6；

Xi、Xm、Xk——分别为样品中实测伊利石、蒙脱石和高岭石质量百分含量，%。

研究表明，志留系柯坪塔格组上3亚段沉积时期，中央主垒带北缘和塔中地区东南部水体相对较浅，存在3个低海水盐度突进区，古盐度在0.5%以下，反映了陆上河流带来的淡水对沉积水介质的影响。塔中地区西北部则位于海水侵入的近端，东北方向也存在一支侵入海水，海水迅速淹没整个地区，形成了广泛分布的海侵环境，水体相对较深，古盐度多高于3%，处于高盐度海水沉积环境（图4）。

表1 塔中地区志留系柯坪塔格组上3亚段硼元素和黏土矿物分析及古盐度计算数据Table 1 Analysis of boron and clay minerals and calculation of paleo-salinity in the 3rd upper sub-member of Silurian Kepingtag Formation, Central Tarim Basin

图4 塔中地区志留系柯坪塔格组上3亚段古盐度平面分布等值线图Fig.4 Paleo-salinity contours of the 3rd upper sub-member of Silurian Kepingtag Formation, Central Tarim Basin

3 沉积体系特征

3.1 潮坪沉积体系

潮坪又称潮滩，发育在具有明显潮汐周期而无强烈风浪作用的海岸地区，是宽广缓斜而近水平的海岸坪地。依据平均高潮线和平均低潮线的位置，可将潮坪分为潮下、潮间和潮上3个带，发育自下向上变细的沉积层序和规律的岩相变化[22]。Tankard等人将潮坪进一步细分为浅的潮下带、低潮坪、中潮坪、高潮泥坪及潮上坪[23]，张国栋等人通过对苏北弶港现代潮坪沉积进行研究，深化了潮坪沉积内部不同微相特征的认识[24]。依据钻井、测井、地震和实验分析等资料，结合沉积前古地貌、古环境特征，认为塔中地区西北部发育潮坪沉积体系，并进一步划分为潮下带和潮间带，潮间带又可分为低潮坪、中潮坪和高潮坪（图5a）。

图5 潮坪沉积体系典型特征Fig.5 Typical characteristics of the tidal flat system

潮下带位于平均低潮线以下、波浪作用面之上的海岸带，沉积环境以潮汐水道为主。潮汐水道的垂向建造特征与陆相曲流河十分相似，具备3层结构：下部为水道滞流沉积，以灰色砂砾岩及含砾粗砂岩为主，底部发育不规则冲刷面；中部为灰色、褐灰色中粗砂岩到细砂岩，见大型槽状交错层理；上部以灰白色粉砂岩及灰绿色泥岩为主（图5b、c和图6a、b）。粒度概率曲线表现为三段式，即滚动组分、跳跃组分和悬浮组分，以跳跃组分为主，占80%以上，次为滚动组分（图5d）。测井曲线上有明显的响应特征，自然伽马（GR）和电阻率（Rd、Rm）曲线幅度表现为明显的向上减小的齿化钟形（图5b）。

图6 塔中地区志留系典型沉积特征及沉积构造照片Fig.6 Typical sedimentary characteristics and sedimentary structure photos of the Silurian in the Central Tarim Basin

潮间带低潮坪以潮汐水道沉积建造为主，具有二元结构，下部常见含泥砾的水道滞流沉积及不规则水道冲刷面，上部低角度冲刷层理发育。岩性主要是浅灰色细砂岩及粉砂岩，顶部多缺失灰绿色泥岩薄层。粒度概率曲线以两段式为主，即跳跃组分和悬浮组分，其中跳跃组分占80%～90%。潮间带中潮坪发育沙坪沉积，岩性以灰色粉砂岩、细砂岩为主，夹少量薄层泥岩，沉积构造以具有潮汐韵律的透镜状、波状和脉状层理较为常见（图6c）。潮间带高潮坪为沙泥混合坪沉积，仅在高潮时才被淹没在水下，岩性以粉砂岩、泥岩为主，常见水平纹理、波状水平纹理等。

研究表明，塔中地区西北部柯坪塔格组上3亚段岩性以细砂岩、粉砂岩为主，沉积环境主要是潮下带潮汐水道和潮间带沙坪，少量潮间带潮汐水道和沙泥混合坪。其中，潮汐水道砂体岩性相对均一，岩石成熟度高，储集性能最好，实测孔隙度为8%～15%，渗透率为1～100mD；单层厚度一般为0.5～1.0m，总厚度可达25m，平面上垂直海岸线呈近南北向分布。

3.2 河口湾沉积体系

河口湾总是让地质学家感到困惑，由一套变化明显的复杂的亚环境构成，沉积特征及岩相分布受河流、潮汐和波浪3种水动力控制[25]。现代河口湾研究学者重视其化学和生物过程及水动力特征，而地质学家更强调岩相分布[26-28]。由于海水可以自由地进入，使得河口湾的水体性质具有独特的分层或混合特征，这取决于河流与潮汐之间的平衡状况。结合古地貌、古环境、钻井和地震资料，认为塔中地区东南部发育潮控河口湾沉积体系，并进一步识别出水道和潮汐沙坝沉积环境。

研究发现，河口湾水道呈明显的正旋回，底部发育冲刷面和滞留沉积，岩性为杂色含砾粗砂岩，砾石成分为硅质砾和泥砾，分选中等，见双向定向排列（图6d、e）；中上部为灰色槽状交错层理、板状交错层理细砂岩，变形构造非常发育（图7）。潮汐沙坝主要由灰色中细砂岩组成，砂岩分选好，发育槽状交错层理、板状交错层理和双向交错层理，中间夹有多套泥岩；砂岩中可见生物垂直潜穴，是河口湾沉积的主要微相类型，测井曲线特征表现为低幅度齿化钟形或锯齿状（图6f、图7）。沙坝砂体储集性能较好，岩石成熟度变化大，实测孔隙度为5%～15%，渗透率为0.1～10mD；单层厚度一般为0.5～1.0m，总厚度最大为15m；砂体轴向与河口湾轴向平行且延伸较远，但横向延伸距离较短。

图7 河口湾沉积体系典型特征Fig.7 Typical characteristics of the estuary system

3.3 潮汐改造三角洲沉积体系

随着海平面的升降运动，潮汐水体常常对三角洲前缘砂体进行改造。这一沉积类型在中国分布较为局限，仅在鄂尔多斯盆地山西组、四川盆地须家河组、珠江口盆地珠江组、湘西北地区龙马溪组有所发现[29-35]，邢凤存等在塔里木盆地北部柯坪露头区下志留统中也识别出其存在的证据[36]。塔中地区中央主垒带北缘发育多条志留纪同沉积断裂，为河流的形成创造了条件，平面上存在多个三角洲朵叶体。随着海平面的变化，受到周期性潮汐作用的改造，形成了一套潮汐改造三角洲沉积建造，并进一步识别出三角洲前缘水下分流河道沉积环境。

塔中地区潮汐改造三角洲前缘水下分流河道整体呈下粗上细的正韵律，岩性以灰色、褐灰色细砂岩为主，发育槽状交错层理和平行层理，钙质斑块常见。底部为滞留沉积的含砾细砂岩或顺层砾石，成分以燧石和硅质为主，可见大型冲刷面，测井曲线特征表现为低幅度箱形（图6g—i、图8）。砂体单层厚度大，可达2.5m，但岩石成熟度低，泥质含量高，储集性能相对较差，实测孔隙度为3%～10%，渗透率在1mD以下；因钻井资料有限，砂体反演结果可靠性较差，依据古地貌特征和潮汐三角洲典型沉积样式，推测砂体自南向北呈鸟足状分布。

图8 潮控三角洲沉积体系典型特征Fig.8 Typical characteristics of the tide delta system

潮汐改造三角洲和河口湾在沉积特征上具有一定的相似性，均发育河流“上粗下细”正旋回岩相组合，水体环境中有淡水的注入，但也具有明显差异。一是河口湾相发育在河口位置，以喇叭口状为特征，而三角洲发育在南部隆起带边缘，地形相对平缓，物源充足，平面上分布有多个朵体；二是河口湾相潮汐作用能量大大超过河流能量，以双向水流为主，常发育沿潮流方向的线状沙坝，而三角洲以陆相河流作用为主，发育河道快速堆积和叠覆冲刷构造，砂体向海一侧延伸长度较大；三是河口湾相环境多变，泥岩比例高，多见生物扰动构造，而三角洲主河道区单砂体厚度大，连通性好，砂地比高。

4 沉积模式

在前人研究的基础上，综合分析重矿物、古地貌、古盐度、岩相分布和沉积体系特征，认为塔中地区西北部主要受潮汐作用控制，发育潮下带—潮间带沉积环境；而塔中地区中央主垒带北缘主要受河流作用，发育潮汐改造三角洲环境；塔中地区东南部受潮汐和河流共同作用，发育潮汐河口湾环境（图9）。

通过沉积微相精细对比，结合沉积相演化规律和砂体分布特征，建立了潮汐、河流混合水动力作用下的潮坪—河口湾—潮汐改造三角洲沉积模式（图10）。志留系柯坪塔格组上3亚段沉积时，在塔中地区中央主垒带北缘为河流作用为主的三角洲沉积环境，发育受潮汐作用改造的辫状水道，水道间广泛发育粉砂质的潮间带沉积。河流自南向北入海至塔中地区西北部，河流作用减弱，潮汐作用增强，逐渐过渡为潮汐作用为主的潮坪环境，大致位于潮间带到潮下带，发育潮汐水道、沙坪和混合坪等沉积微相。同一时期，塔中地区东南部有河流入海，但周围古地形相对较高，呈喇叭口状，河流作用较强，潮汐作用相对较弱，主要为河口湾沉积环境，顺河流方向发育分散状沙坝砂体。

图9 塔中地区志留系柯坪塔格组上3亚段沉积相平面分布Fig.9 Plane distribution of sedimentary facies in the 3rd upper sub-member of Silurian Kepingtag Formation,Central Tarim Basin

图10 塔中地区志留系柯坪塔格组上3亚段沉积模式Fig.10 Sedimentary model of the 3rd upper sub-member of Silurian Kepingtag Formation, Central Tarim Basin

5 结论

志留系柯坪塔格组上3亚段沉积前，塔中地区不同构造位置的古地貌和主作用水体特征差异明显。大范围海水侵入和缓坡地形造成潮坪环境广泛发育，而同沉积走滑断裂、陡坡地形和“峡谷状”高地为潮汐改造三角洲和河口湾的形成创造了有利条件，改变了以往塔中地区整体为潮坪或滨岸环境的研究认识。

潮坪沉积体系主要发育在塔中地区西北部，水体相对较深，古盐度较高，储集砂体类型主要是潮下带潮汐水道，岩性相对均一，垂直海岸线呈近南北向分布；河口湾主要发育在塔中地区东南部，为一个水下低隆，古盐度较低，砂体类型以潮汐沙坝为主，单层厚度较小，与河口湾轴向平行且延伸较远；潮汐改造三角洲发育在中央主垒带北缘，存在多个河流入海形成的三角洲朵叶体，砂体类型主要是三角洲前缘水下分流河道，自南向北呈鸟足状分布。

塔中地区志留系柯坪塔格组上3亚段沉积体系类型多样，有利砂体展布规律也不尽相同，进而形成不同的油气赋存特征和油气藏类型。结合现有勘探成果和沉积体系认识，在塔中地区西北部应以寻找构造油气藏为主，在塔中地区东南部探索岩性油气藏，在中央主垒带北缘加强地层超覆油气藏勘探力度。