塔里木盆地西北部中下寒武统混积岩沉积特征

2019-04-09徐安娜赵振宇

天然气工业 2019年12期

白莹徐安娜刘伟赵振宇罗平

中国石油勘探开发研究院

0 引言

混积岩为混合沉积的狭义概念，指陆源碎屑与碳酸盐组分在同一岩层内相互混杂的产物[1-4]，沉积环境涵盖淡水、咸水湖泊以及陆棚、斜坡、台地等[1-7]，包括4类混合沉积，即含陆源碎屑—碳酸盐岩、陆源碎屑质—碳酸盐岩、含碳酸盐—陆源碎屑岩和碳酸盐质—陆源碎屑岩[5]。混积岩在美国Williston盆地Bakken组、Maverick盆地Eagle Ford组以及非洲Lower Congo盆地Albian阶中均有重大油气发现[8-10]。我国混积岩分布广泛，但因长期勘探没有重要油气发现，故一直未能引起足够重视[11-15]。2000年以来塔里木盆地寒武系的油气勘探主要集中在下寒武统盐下肖尔布拉克组大套白云岩储层，塔中地区2012年中深1井在肖尔布拉克组获得突破[16]，折合日产天然气3×104m3，而对中下寒武统发育的大套碳酸盐岩—碎屑岩—膏盐岩的混积岩关注和研究不够。2019年9月，塔里木西北部柯坪地区柯探1井在中寒武统吾松格尔组碳酸盐岩与碎屑岩的混积岩中获得工业性天然气流，折合日产天然气10×104m3，突破了混积岩勘探的“禁区”，但目前亟待解决的关键问题是混积岩沉积特征和勘探潜力[17]。笔者以柯坪邻区阿克苏中下寒武统露头区的沙依里克组—吾松格尔组大套混积岩为解剖点，聚焦上述问题深入研究，预测评价混积岩的勘探潜力，旨在以点带面，推动全盆地中下寒武统混积岩的深化研究和勘探潜力评价，为油气勘探部署提供科学依据。

1 地质背景

早中寒武世，塔里木盆地受加里东运动的影响，整体处于拉张状态，南北缘发育被动大陆边缘，盆内构造—沉积格局呈“西台东盆”特点，以轮南—古城台缘带为界，东西沉积特征差异明显（图1）。以西为塔西台地相地层小区，发育克拉通碳酸盐台地沉积；以东属于塔东盆地相地层小区，盆地相沉积为主。本文研究的阿克苏露头区（图1中的红框，包括肖尔布拉克和苏盖特布拉克两个露头点）位于塔里木盆地西北部，属于塔西台地地层小区，隶属柯坪断隆东段，下寒武统包括玉尔吐斯组、肖尔布拉克组和吾松格尔组，以局限—半局限台地相为主，中寒武统由沙依里克组和阿瓦塔格组构成，以蒸发台地相为主，其中混积岩主要发育在吾松格尔组至沙依里克组（图2），属于一套碳酸盐岩和碎屑岩混合沉积体系[8]。

图1 塔里木盆地早中寒武世岩相古地理图与综合地层柱状图

图2 塔里木盆地西北部典型露头中下寒武统与盆内钻井剖面地层及层序特征分析图

2 层序格架与岩石学特征

2.1 地层沉积层序格架

利用前人区域地层研究成果[9-10]，结合塔北、塔中和巴楚钻井资料以及西北部肖尔布拉克露头剖面，开展中下寒武统沉积充填与层序特征研究。宏观地层对比和沉积层序研究显示（图2），盆地内中下寒武统残余地层厚度介于400～900 m，沉积充填特征总体反映由碳酸盐岩台地向蒸发岩台地逐渐形成并成熟的过程，发育开阔台地相、浅海混积陆棚相、半局限台地相、蒸发台地和蒸发局限台地相、台地边缘相和混积台地相等，纵向上总体发育6个向上变浅的海退型三级层序旋回，局部地区包含2～3期含盐地层沉积，可见膏盐岩沉积厚度从盆地西北部向西南方向有逐渐增大趋势，而碎屑岩与碳酸盐岩混合沉积中的泥/粉砂/砂岩所占比重又减少趋势，推断盆地西北部古陆区是盆内混积岩中碎屑物质的主要供给区，蒸发潟湖沉积中心位于西南部巴楚地区和4井—巴探5井附近。

2.2 地层岩石学特征

基于露头区吾松格尔—沙依克里组混积岩沉积典型剖面，开展四级层序、岩石学特征以及沉积微构造和沉积微相综合研究（图3）。结果显示，吾松格尔组—沙依里克组可识别出4个岩性转换面和5个向上变浅的四级层序，混积岩多发育在四级层序旋回的高位域，包括粉砂/砂岩、粉砂屑/砂屑/砾屑白云岩以及含膏盐含云泥岩/粉砂岩/砾岩的混合沉积。利用薄片鉴定和X射线衍射分析结果（表1），参考GB/T 17412.2—1998[9]，结合董桂玉的混积岩命名方案[2]，将工区岩石类型划分为碳酸盐岩、混积岩与陆源碎屑岩三大类，并将混积岩细分为含陆源碎屑—碳酸盐岩、陆源碎屑质—碳酸盐岩、含碳酸盐—陆源碎屑岩以及碳酸盐质—陆源碎屑岩。之后，在沉积微相精细研究和划分基础上，进一步识别出了19种混积岩相、3种碳酸盐岩相以及2种碎屑岩相（表2）。

3 沉积类型与沉积模式

3.1 沉积相类型

3.1.1 蒸发台地相

蒸发台地相在露头研究区吾松格尔—沙依克里组中可识别的微相主要是萨布哈泥和蒸发潟湖相。

3.1.1.1 萨布哈泥

图3 塔里木盆地阿克苏露头区中下寒武统吾松格尔—沙依克里组沉积与层序特征分析图

该微相主要发育在沙依里克组三段上部SQ32下降沉积半旋回末期（图3），由多个“灰褐色块状含膏盐—含云砾岩相（E2）→红褐色厚层状含膏盐—含云泥岩相（E1）”旋回组成（图4-a），为萨布哈环境下的事件性产物[10]，宏观岩层厚度和延伸长度不稳定，介于厘米至米级，其中E2镜下可见两种颗粒分布在泥晶基质中（图4-b）。浅色砾级颗粒Ⅰ呈漂浮状，磨圆较差，边缘见岩溶崩塌裂缝，指示间歇、瞬时的岩溶崩塌作用；深色砂级颗粒Ⅱ多沿颗粒Ⅰ间隙分布，可与少量石膏/膏盐晶体和石英颗粒伴生，指示短期流水沉积产物；E1则主要由颗粒Ⅱ组成，多呈正粒序状。综上所述，该段混合沉积的主要营力来自岩溶崩塌和短期流水的交替作用，隶属岩溶穿插再沉积混合[3]。

表1 碳酸盐岩、碎屑岩和混积岩X射线衍射（XRD）鉴定结果表

3.1.1.2 蒸发潟湖该微相主要发育在沙三段下部，SQ32下降半旋回的顶部（图3），由多个“灰黄色中层状含膏盐含云粉砂岩相（E4）→灰黄色厚层状含膏盐含云泥岩相（E3）”旋回组成（图4-a），形成于蒸发—半蒸发交替出现的潟湖环境，属于相缘渐变沉积混合[3]，其特征是沉积厚度多介于10～20 cm，延伸长度大致介于2～3 m，镜下E4见大量白云石、砂屑，可与少量石膏/膏盐晶体和石英共生（图4-c），指示海水间歇性注入；而E3含大量黏土，多组成泥质条带，可与石膏/膏盐伴生（图4-d）。

图4 阿克苏露头区吾松格尔—沙依克里组地层内蒸发台地相沉积特征图

3.1.2 局限台地相

3.1.2.1 潮间带

露头研究区吾松格尔—沙依克里组潮间带微相主要发育高潮泥坪和砂泥混合坪沉积。高潮泥坪沉积主要发育在吾松格尔组一段下部SQ31和沙依克里组二段SQ32（图3），均位于上升半旋回末端，整体处于暴露—沉积交替的潮间环境，混积岩多属相缘渐变沉积混合。吾一段下部由“深灰色薄层状泥页岩相（CL1）”与“浅灰色中层状叠层石白云岩相（CA2）”互层而成（图5-a），其中CL1单层厚为2～5 cm，具平行层理，延伸可达几米至数十米，缺乏黄铁矿且含膏含盐，代表高潮线附近潮水颠选作用的产物；CA2多以一冲刷面/沟槽与CL1相隔，附近见大量泥屑/砂屑（图5-b、c），指示潮流的间歇性侵蚀冲刷/沉积作用[12]。沙依克里组二段也由多个 “深灰色薄层状泥页岩相（CL1）→深灰色薄层状含膏盐含云泥岩相（E5）→浅红色中层状含膏盐叠层石白云岩（CA1）”旋回组成（图5-d），其中CL1整体与吾一段下部类似；E5宏观上比CA1厚度大，可见石英颗粒和膏盐假晶平行页理分布（图5-e），指示局限、干旱沉积环境下的静水沉积作用；CL1和E5以冲刷面直接接触，向上可见泥质富集带（图5-f），指示潮间带间歇性侵蚀冲刷作用，而上覆CA1的浅红色泽指示潮间带间歇性暴露现象，镜下可见显微叠层结构（图5-g），石膏含量有所增多，说明沙二段整体沉积环境更为干旱。

图5 阿克苏露头区吾松格尔—沙依克里组地层内潮间带沉积特征图

砂泥混合坪主要发育在吾二段上部SQ12和吾四段SQ21（图3），均位于下降半旋回末端，包括黄绿色薄层状含云泥岩相（E6）、黄绿色薄层状含泥云岩相（E7）和黄绿色薄层状含砂—粉砂云岩相（E8），其中吾二段上部主要由E6夹多套E8组成（图5-h），岩层厚度介于3～7 cm，横向延伸宽度在10 m以上，镜下可见大量微剥蚀面、球状砂屑以及韵律性波状层理（图5-i、j），指示流水冲刷作用，以及涨落潮期和平潮期交替出现的典型产物[11]；吾四段由E6夹多套E7组成（图5-k），其岩层厚度介于5～20 cm，横向延伸宽度超过数十米，露头见大量压扁层理，镜下见起伏脉状泥质条带（图5-l），指示较强的水流、潮汐作用。整体来说，这两段混积岩多为相缘渐变沉积混合的产物。

3.1.2.2 潮下带

露头区吾松格尔—沙依克里组地层中属于潮下带的微相环境是潮汐砂坝、潮汐水道和潮汐风暴沉积（图6）。

潮汐砂坝微相主要发育在吾一段上部SQ11上升半旋回中（图3），由多个“灰黑色薄层状泥页岩相（CL2）→中灰色中层状泥质粉砂岩相（E9）→中褐色薄层状粉屑白云岩相（CA3）”旋回构成（图6-a），发育多个冲刷面，其中CL2单层厚介于20～50 m，延伸可至数米；E9厚度介于10 cm～1 m，宽度与长度可至数十米以上，发育育低角度交错层理（图6-b），泥砾碎片顺层分，具有反粒序结构，未见典型的“鱼骨状交错层理”，这可能和潮下高能带急流环境有关[11]； E9与CA3可存在3种接触关系（图6-a），即侧向尖灭式、上下整合接触和渐变接触（图6-c），以后者多见，指示相缘渐变沉积混合[3]，砂坝沉积规模逐渐变大。

潮汐水道沉积主要发育在吾三段SQ21上升半旋回中部（图3），主要由灰色薄层状含云泥岩相（E12）和灰色薄层状含砂云岩相（E11）互层而成（图5-k），侧面夹由浅灰色中层状云质砂岩相（E10）组成的透镜状潮汐水道沉积（图6-d、e），属于潮流通过潮汐水道将陆源碎屑带入陆棚碳酸盐岩沉积区的产物，延伸长度可在10 m以上，发育各种交错层理，可归为相缘渐变沉积混合。E12、E11单层厚介于5～20 cm，宽度多为米级。其中E11包括大量石英颗粒、砂屑、生物碎屑以及部分黏土，前三者主要发育在水道附近（图6-e），属于潮流间歇期的产物；E10和E11具有类似组成成分；E12主要由大量黏土和白云石组成，是悬浮物质在静水中垂直沉降的产物。

图6 阿克苏露头区吾松格尔—沙依克里组地层内潮下带和滨外沉积特征图

潮汐风暴沉积主要发育在吾二段下部SQ12上升半旋回（图3），其岩相为深灰色薄层状含粉砂泥岩相（E13）（图5-h），属于事件突变沉积混合[13]，自下而上由可包括浅灰色厚层状含云砾岩相（E16）（图6-f）、浅灰色中层状含云粉砂岩相（E15）、深灰色薄层状生屑质泥岩相（E14）、深灰色薄层状含粉砂泥岩相（E13），整体成分和潮汐水道以及下伏泥质砂屑白云岩的类似，说明该套混积岩源自风暴对潮下高能带沉积物的改造。

3.1.3 浅海混积陆棚相

研究露头区浅海陆棚相主要发育陆棚砂坝与陆棚风暴沉积微相，分别对应沙一段SQ31下降半旋回和上升半旋回（图3），主要由灰黑色薄层状含灰泥岩相（E19）夹浅灰色薄层状含云砂岩相（E18）组成（图6-h）。E19与E18单层厚介于5～50 cm，横向延伸可至数十米，发育大量波痕及水平层理，其中E19镜下可见大量黏土成分和发育页理，可看做是浅海陆棚沉积物；E18包含大量钙质砂屑、生屑以及石英颗粒（图6-h），较高磨圆度指示其陆棚砂坝成因，属“相缘渐变沉积混合”。另外，露头剖面中可夹杂的一些主要由浅灰色薄层状砂质云岩相（E17）组成的凸起状风暴岩层（图6-g），属于典型风暴浅海陆棚沉积产物[13]，镜下可见E17含大量分选差、棱角明显的粗砂级石英颗粒以及分选一般、磨圆度较高的粗砂级钙质砂屑和生物碎屑（图6-i），指示陆源碎屑的间歇性近源注入以及水体的持续动荡性，其成分与潮下高能带潮汐水道及其下伏岩性类似，指示风暴与潮道的再改造作用相关，可归为事件突变沉积混合。

3.2 微相组合样式

根据研究区吾松格尔—沙依克里组典型露头剖面在岩石学、层序地层以及沉积相和微相方面的研究成果，从沉积背景、岩石类型、混积岩成因机制出发，总结出5种常见微相组合类型，即 “潟湖泥—萨布哈泥”（A）、“高潮泥坪”（B1）、“砂泥混合坪—潮汐水道—砂泥混合坪”（B2）、“高潮泥坪—潮汐砂坝—潮汐风暴”（B3）以及“陆棚砂坝—陆棚风暴”（C）。不同微相组合类型，生储盖空间匹配程度差异较大。A型组合主要发育于沙依克里组三段（图3），形成于蒸发台地或蒸发局限台地的蒸发潟湖—萨布哈环境，岩性由泥质砂屑白云岩和白云质泥岩互层，夹杂含膏盐含云粉砂岩/泥岩，渐变为泥质砂屑白云岩和白云质泥岩互层，夹杂含膏盐含云砾岩/泥岩，总体反映沉积水体逐渐变浅和咸化过程，指示潟湖向蒸发潮坪演化。B型组合可分3种类型（B1、B2和B3），都形成于局限/半局限台地的潮间带—潮下带沉积环境，主要位于吾松格尔组中下部和顶部以及沙依克里二段（图3），其中B1型发育粉砂质泥页岩，见少量粉砂质白云岩、叠层石，指示高潮泥坪的低能浅水环境；B2型主要包括白云质泥岩、泥质白云岩、泥质砂屑白云岩，可夹杂透镜状砂屑白云岩/云质砂岩，反映出砂泥混合坪的中等能量沉积；B3型底部见叠层石白云岩夹泥页岩，中部见透镜—层状泥质粉砂岩/粉屑白云岩，上部见风暴层，指示水体逐步加深。C型多数位于沙一段（图3），指示浅海陆棚环境，主要包括含灰泥岩和含云砂岩，反应了频繁的波浪潮汐和风暴作用。

3.3 沉积模式及演化

基于以往前人对塔里木盆地寒武系区域构造—沉积背景研究成果[7,14]，利用研究露头区中下寒武统典型剖面沉积相精细描述与解剖以及与盆内钻井资料横向对比（图2），按照相序定律和优势相原则，建立塔里木盆地西北部阿克苏—巴楚地区中下寒武统混积岩沉积模式（图7）。早中寒武世，塔里木盆地主体呈现“西台东盆”宏观格局下，西北部盆缘古陆是盆地沉积的主要物源区，围绕塔西南坳陷和塔北古隆起，自下而上经历了早寒武世缓坡—局限台地沉积阶段到中寒武世蒸发台地沉积阶段的演化，受物源、古地貌、气候变化和海平面升降影响，沉积环境由相对开阔转变为半局限和蒸局限发环境，蒸发潮坪和蒸发潟湖的发育规模逐渐增大。特别是早寒武世末到中寒武世受全球高温事件影响[14]，在巴楚、满西及塔中地区的吾松格尔组中上部以及中寒武统阿瓦塔格组发育台内巨型盐湖和膏盐湖沉积，蒸发潟湖—萨布哈相沿其外围呈环带状分布。沿西北部露头区向巴楚地区延伸，中寒武统依次发育“潮坪→蒸发潟湖—萨布哈→膏盐湖→蒸发潟湖—萨布哈”沉积序列，海侵期（沙依克里组）可有陆棚相沉积物充填，发育砾级和砂级混积岩，以风暴驱动力以及波浪驱动力为主。综上所述，塔里木盆地西北部阿克苏地区中下寒武统混积岩主要发育于在半局限—蒸发局限台地的潮坪和蒸发潟湖—萨布哈环境以及潮间带和潮下带，纵向上富集于三级层序旋回海平面下降期向上升期过渡的间歇期，混积岩的岩石类型和沉积特征主要受物源区性质及位置、古构造—沉积背景变化速度、气候条件及变化速率、蒸发膏盐湖水体深度及温度、不同级次层序界面变化速率等控制，其中干热咸化水体、充足古陆物源供给和事件性沉积是该区混合沉积形成的基本条件。

图7 塔里木盆地西北部阿克苏地区早—中寒武世沉积模式图

4 地质意义与启示

4.1 地质意义

开展阿克苏地区露头区混积岩沉积特征精细研究和沉积模式研究，可以为混积岩生烃潜力、储层特征和勘探潜力评价奠定基础，为塔里木盆地寻找勘探新领域和投资提供科学依据，其石油地质意义重大。研究露头区不同沉积微相样品（80块）有机碳（TOC）和镜质体反射率（Ro）地化指标分析表明（图8），吾松格尔组—沙依克里组混积岩地层中存在3种具有一定生烃能力的潜在烃源岩，岩石类型分别为含盐膏泥质白云岩、白云质泥岩和膏质泥岩，都属于台内洼地蒸发潟湖相沉积，发育于三级层序的水侵期或者高位域早期，呈多旋回细纹层分布，其中蒸发台地相含云泥岩的TOC均值为1.98%，Ro均值为1.64%，属于较好烃源岩，主要来自A型微相组合中上部；潮下带潮汐砂坝和潮汐水道内发育的泥页岩，TOC均值为1.74%，Ro均值为1.42%，具有一定生烃潜力，多分布于B2型和B3型微相组合；而来自浅海陆棚相含灰泥岩的生烃潜力相对较小。研究区露头样品薄片鉴定和扫描电镜等微观储层研究显示（图8），吾松格尔组—沙依克里组混积岩地层中可存在4类低孔低渗—特低孔特低渗储层，岩石类型分别为含云砾岩/粉砂岩、叠层石白云岩、云质砂岩/云质粉砂岩和含云砂岩，其中含云砾岩/粉砂岩分布不稳定且非均质性较强，以粒间和晶间孔为主；叠层石白云岩以格架孔和裂缝为主，分选性和连通性都较差；云质砂岩/云质粉砂岩主要形成于潮汐水道中，以粒间和晶间溶孔为主，物性好坏与潮流改造作用密切相关；含云砂岩以粒间和晶间溶孔为主，孔渗特征受潮流和陆棚风暴混杂堆积的影响较大。综上，分析认为研究区内中下寒武大套混积岩中存在多套空间匹配较好的生储盖组合，其中吾松格尔组一段和三段的B2和B3型微相组合以及沙依克里组三段的A型微相组合的生、储、盖组合空间匹配关系较好，是未来塔里木盆地寒武系重点深化研究和勘探关注的新领域，勘探潜力不容忽视。

4.2 启示

碎屑岩—膏盐岩—碳酸盐岩混积岩在我国分布广泛，除了塔里木盆地寒武系，还有四川盆地川东—蜀南地区的寒武系和奥陶系、鄂尔多斯盆地奥陶系以及柴达木木盆地陆相混积岩等，以往对混积岩的大量研究仅限于岩石沉积学方面。本次研究基于露头点沉积相精细描述和沉积模式建立，探讨了混积岩的生烃能力和储盖组合关系，为下步深化混积岩研究和勘探带来3点启示：①混积岩沉积模式复杂，受构造背景、沉积环境、海（湖）平面变化、构造升降、水动力与气候变化等多种因素控制，不同沉积环境混积岩的岩性组合与微相组合差异较大，后续应深化不同构造—沉积背景、物源条件和水体环境下混积岩的沉积特征与沉积模式研究；②混积岩内存在发育多套优质烃源岩，蒸发台地台内洼地潟湖区发育的含云泥岩属于优质烃源岩，应强化该类咸化环境下烃源岩形成条件、生烃机理及潜力评价研究；③混积岩内发育多种低孔低渗透—特低孔隙、特低渗透储层，总体具有厚度薄、分布不稳定和非均质性强特征，预测和寻找规模储层是今后混积岩研究的重点和方向。