塔里木北部早寒武世同沉积构造——兼论寒武系盐下和深层勘探

管树巍，张春宇，任荣，张水昌，吴林，王雷，马培领，韩长伟

（1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石油东方地球物理公司研究院库尔勒分院，新疆库尔勒 841000）

0 引言

埃迪卡拉纪与寒武纪之交发生了一系列重大的构造、生物与环境演变事件，如冈瓦纳超大陆聚合、埃迪卡拉动物群灭绝与小壳动物群的出现、海平面上升及浅海陆架地区的缺氧事件等[1-11]。在此背景下，全球范围内如安曼、摩洛哥、西伯利亚、加拿大和华南等地区下寒武统底部广泛沉积了一套富含有机质的黑色岩系[8-11]，这套黑色岩系在塔里木北部即是下寒武统玉尔吐斯组烃源岩。近年来，随着油气勘探向深层拓展，玉尔吐斯组烃源岩的生烃潜力受到关注[12-21]，如 Zhu等认为阿克苏—柯坪地区玉尔吐斯组黑色页岩为中国迄今发现的有机碳含量最高（18%）的海相烃源岩[18]，新的油源对比指标也证实塔北隆起与塔中隆起西部地区下古生界油气主要来自玉尔吐斯组[14]。

目前塔里木盆地只有 1口井钻揭玉尔吐斯组，厚度为33 m，另塔东地区有6口井钻遇可能与其同期的西山布拉克组，厚度小于100 m。由于玉尔吐斯组厚度薄、埋深大，地震资料难以识别并追踪，因此一直用中寒武世“东盆西台”的古地理格局推断其分布，即以中寒武世近南北向台缘带为界，东侧的玉尔吐斯组属盆地相，厚度为10～20 m；西侧是台地相，最大厚度约50 m[17-22]。四川盆地下—中寒武统岩性组合和塔里木盆地非常相似[21-24]，自下而上均为碎屑岩-碳酸盐岩-蒸发岩组合，反映二者经历了相似的演化和充填过程。然而，四川盆地早寒武世早期（筇竹寺组沉积期）和中寒武世的古地理格局却迥然不同[23-24]，标志是早寒武世南北向裂陷槽的消亡和中寒武世川中古隆起的形成，即以蒸发岩的出现为标志，中寒武世的古地理格局发生了重大变化。因此，用中寒武世的古地理格局去推断下寒武统玉尔吐斯组的分布可能是不可靠的。

塔里木北部玉尔吐斯组烃源岩之上发育多套储盖组合[13]。自和 4井发现下寒武统肖尔布拉克组白云岩和中寒武统沙依里克组蒸发岩组成的优质储盖组合以来，20余年时间里相继钻探了10余口探井，但只有位于塔中隆起的中深 1井和中深 1C井在中寒武统盐间（中深1井6 426～6 487 m）和盐下（中深1井6 597～6 785 m，中深1C井6 861～6 944 m）获得工业油气流。由于中寒武统膏盐岩盖层分布已得到地震和钻井的证实[13,20-22]，因此玉尔吐斯组烃源岩的分布、规模及其与储集层的空间配置是目前盐下和深层油气地质研究要解决的主要问题。本文从前寒武纪构造演化背景出发，利用野外地质、钻井和地震资料讨论早寒武世同沉积构造及其控制的古地理格局，尝试建立寒武系盐下源-储配置与成藏模式，为塔里木深层油气地质研究和勘探提供新的思路。

1 区域地质背景

塔里木克拉通由新太古界—新元古界变质基底及上覆南华系—新生界海-陆相沉积盖层组成[25-26]（见图1）。在新元古代早期，南、北塔里木陆块及周缘多个地块碰撞拼贴形成统一的克拉通基底，成为罗迪尼亚超大陆的组成部分[1,25]。在南华纪，随着罗迪尼亚超大陆的裂解，塔里木内部和边缘发生强烈的裂陷作用。近年来研究表明，塔里木北部和南部裂陷可能具有不同的成因，表现出南北分异的展布和演化特征[27-31]。南部裂陷很可能开启于南华纪早期（距今约780 Ma），与同期全球超级地幔柱活动密切相关，而北部裂陷很可能开启于距今740 Ma，受控于泛罗迪尼亚大洋板块向超大陆边缘俯冲产生的弧后伸展作用[32-35]，呈近东西走向狭长带状展布[27-31]。至震旦纪中晚期，塔里木北缘南天山洋、南缘西昆仑—阿尔金—祁连洋已经打开，塔里木周缘演化成被动大陆边缘，并在早寒武世持续发育[28,35-38]。因此，塔里木北部在早寒武世具有被动大陆边缘盆地的特征。

塔里木北部下寒武统发育玉尔吐斯组、肖尔布拉克组和吾松格尔组（塔西北地区）及西山布拉克组和西大山组（塔东北地区）。根据近年来古生物、地层及碳同位素组成资料对比研究成果[39-42]，玉尔吐斯组和西山布拉克组为等时沉积，对应纽芬兰统第二阶与幸运阶，肖尔布拉克组和吾松格尔组与西大山组为等时沉积，相当于第二统第三阶和第四阶（见图2）。

2 早寒武世同沉积构造特征

同沉积构造是指在盆地沉积期形成的、对沉积充填具有控制作用的构造[43]。塔里木北部早寒武世同沉积构造主要表现为玉尔吐斯组沉积期同沉积断裂及与其相关的硅质热液活动，二者控制了玉尔吐斯组底部层状硅质岩和黑色页岩及上覆肖尔布拉克组台缘礁滩体的分布。

2.1 硅质热液活动

塔里木北部下寒武统底部普遍发育层状硅质岩和黑色页岩组合，向上硅质含量显著减少，并发育两套黑色页岩[44-46]（见图3）。主量、微量和稀土元素研究表明层状硅质岩主要为热液成因[44-48]。在阿克苏露头区库勒剖面（位置见图1），可见震旦系奇格布拉克组顶部存在大量缝洞，其中充填了硅质脉体（见图3a）。库勒剖面的层状硅质岩厚度最大（9.8 m），且发育与热液喷涌相关的流动构造（见图3b），而在其西南方向的什艾日克（层状硅质岩厚6.7 m）、磷矿沟（层状硅质岩厚2 m）和昆盖阔坦（层状硅质岩厚0.8 m）等剖面，层状硅质岩厚度显著减小[45]。这些现象表明，库勒剖面离热液喷口较近，因而层状硅质岩厚度较大，且发育与热液喷涌相关的流动构造；而什艾日克剖面、磷矿沟剖面和昆盖阔坦剖面离热液喷口较远，因而层状硅质岩厚度逐渐减小。在早寒武世水体深度较大的库鲁克塔格地区，乌里格孜塔格和恰克马克铁什剖面层状硅质岩厚度大于50 m，雅尔当山剖面厚度仅约10 m，且泥质成分显著增加；而同样是水体深度较大的尉犁1井（钻遇含黄铁矿泥岩）却不含层状硅质岩[45]，塔东隆起上也没有一口井钻遇层状硅质岩。因此，层状硅质岩的分布与水体深度甚至沉积相带没有关系，而可能与热液喷口的距离有关，距离热液喷口越近，硅质岩厚度越大；距离热液喷口越远，硅质岩厚度则越小。

图1 塔里木盆地埋深9 000 m地层分布与钻遇下寒武统探井分布图

下寒武统底部层状硅质岩的热液成因反映塔里木北部在早寒武世存在强烈的伸展构造活动[44-45,48]，热液喷涌的通道即是在此伸展环境下发生再活动的南华纪断裂。由此推断，塔里木北部早寒武世早期的盆地沉积中心沿南华纪断裂分布，即南华纪裂陷在早寒武世具有同沉积构造的特征。

2.2 同沉积断裂

塔里木盆地北部钻揭的玉尔吐斯组及与其同期的西山布拉克组厚度均在百米以下，而现今满加尔凹陷的沉降幅度却在数千米至万米，这使得数十米乃至百米幅度的早寒武世同沉积构造在地震解释中易被忽略（见图4）。但通过局部地震剖面的放大及层拉平处理（见图5a、图5b），是可以发现它的。

在塔北隆起轮古地区拉平下寒武统肖尔布拉克组底界的三维地震剖面上（见图5a），可明显识别出肖尔布拉克组台缘礁滩体，其内部具有典型的前积反射结构（见图5c中绿色箭头）。而在肖尔布拉克组底界之下，为一系列强振幅高连续的地震反射轴，可能为玉尔吐斯组、震旦系和南华系的反射。根据剖面西侧约100 km星火1井标定及引层，玉尔吐斯组底界位于时间零线之下的波谷位置，该反射在上覆肖尔布拉克组台缘斜坡脚处下方发生明显中断（见图5a中红色箭头），推测为断裂截切所致。而在该断裂东侧，地震反射轴数量明显增多，由此推断该断裂为倾向南东的正断裂（F1），切割了南华系、震旦系和玉尔吐斯组。从地震反射特征判断，断裂下降盘玉尔吐斯组底界可能位于时间零线之下100 ms强振幅高连续波谷位置，而在玉尔吐斯组内部，可识别出向断裂上盘方向超覆现象（见图5c中蓝色箭头）。

图2 塔里木盆地北部下寒武统地层分区与岩性柱状图

在塔中隆起北斜坡拉平肖尔布拉克组底界的二维地震剖面上（见图5b），则具有更明显的南华纪裂陷结构。在裂陷北侧，可识别出边界断裂（F2，见图5b中红色箭头），上升盘发育肖尔布拉克组台缘礁滩体及前积反射结构（见图5d中绿色箭头），而下降盘发育一套向裂陷边缘超覆的层序（见图5d中蓝色箭头），最大时间厚度约为100 ms。这一特征与塔北隆起南斜坡南华纪断裂（F1）上下盘下寒武统的沉积结构非常相似。由此推测，边界断裂（F2）下降盘向裂陷边缘超覆的层序为南华纪裂陷在早寒武世发生沉降时沉积的玉尔吐斯组。

上述特征表明，南华纪裂陷在早寒武世发生了同构造沉积作用，边界断裂下降盘的沉降与玉尔吐斯组沉积同步发生，随着沉降幅度加大，玉尔吐斯组沉积加厚，并向南华纪裂陷边缘逐层超覆，而断裂上升盘则控制了肖尔布拉克组台缘礁滩体的发育位置。此外，区域地震剖面显示，塔北隆起和塔中隆起之间存在一个基底隆起带（见图4），分割了南北两个南华纪裂陷和玉尔吐斯组沉积中心，按5 000 m/s地震波速度计算，玉尔吐斯组最大厚度可达250 m。这两个玉尔吐斯组沉积中心可能与四川盆地早寒武世筇竹寺组沉积期的安岳裂陷槽相似，都发育在上震旦统碳酸盐台地内部，在早寒武世的海侵中充填了一套厚度较大且富含有机质的斜坡-盆地相黑色岩系（见图2）[21-24]。

3 早寒武世同沉积构造分布

本文利用拼接处理的76条37 006 km二维地震资料（见图6），按照同沉积构造解释模式，对塔里木盆地北部南华纪裂陷和早寒武世同沉积断裂进行了系统的解释和追踪，初步识别出较可靠的同沉积断裂有 4条（F1、F1-1、F2、F2-1），分别位于塔北隆起南斜坡和塔中隆起北斜坡西段，呈北东东—东西向延伸，控制了两个玉尔吐斯组沉积中心。南侧沉积中心近东西向延伸，按厚度120 m，长250 km，宽50～80 km计算，沉积中心面积约为15 000 km2；北侧沉积中心北东东向延伸，按厚度120 m，长度300 km，宽度50～100 km计算，面积约17 000 km2（见图6）。

早寒武世同沉积断裂活动可能主要发生在南华纪裂陷得以保存的地区，如穿过塔北隆起和塔东隆起的北西—南东向区域地震剖面显示，这两个地区下寒武统的构造和沉积特征完全不同（见图7），塔东地区的西山布拉克组和西大山组既没有出现同沉积断裂活动造成的加厚现象，也没有出现明显的台缘礁滩体特征。此外，塔东隆起所有钻穿下寒武统的钻井中没有 1口井钻遇层状硅质岩，这说明作为沟通深部硅质热液上升通道的同沉积断裂活动在塔东地区是缺乏的。据Wu等统计[31]，塔北隆起和塔中隆起西段的寒武系与南华系—震旦系之间主要为平行不整合，而塔东隆起、巴楚隆起和塔中隆起东段的寒武系与南华系—震旦系之间为削截/角度不整合。在平行不整合地区，震旦纪末期构造活动较弱，南华纪裂陷得到了保存，因而在玉尔吐斯组沉积期发生了同沉积断裂活动；而在削截/角度不整合地区，震旦纪末期构造活动强烈，南华纪裂陷遭受了抬升、破坏和剥蚀，因而在玉尔吐斯组沉积期没有发生同沉积断裂活动，而是表现为向盆地沉降中心倾斜的斜坡或缓坡（见图8）。因此，震旦纪末—早寒武世的构造变动在塔里木盆地北部不同地区表现不同，这种差异不仅控制了玉尔吐斯组沉积期同沉积断裂活动的分布，也控制了肖尔布拉克组沉积期的古地理格局，并导致不同台地类型的形成。

图3 塔里木西北部阿克苏地区库勒剖面玉尔吐斯组岩性与层状硅质岩特征

图4 过塔北隆起和塔东隆起区域地震剖面（a）、肖尔布拉克组底界层拉平剖面（b）及解释剖面（c）（剖面位置见图1）

图5 塔北隆起南斜坡和塔中隆起北斜坡的早寒武世同沉积构造（剖面位置见图1）

图6 塔里木盆地北部同沉积断裂分布与下寒武统玉尔吐斯组/西山布拉克组厚度分布图

4 早寒武世同沉积构造古地理

从塔里木盆地北部不同地区震旦纪末期—早寒武世构造和沉积演化差异（见图7）及两个北东东—东西向延伸的玉尔吐斯组沉积中心分布判断（见图8），早寒武世早期盆地表现为中部发生同沉积断裂活动，塔北隆起南斜坡和塔中隆起北斜坡之间沉积了较厚的玉尔吐斯组，而塔东隆起区和满西地区则表现为向中部缓倾的斜坡，玉尔吐斯组/西山布拉克组沉积较薄。地震资料揭示，现今满加尔凹陷内的下寒武统向塔东隆起存在着逐层超覆和减薄特征[27,29]，这也说明塔东地区在早寒武世位置较高，接近物源区（见图8）。至肖尔布拉克组/西大山组沉积期，塔北隆起南斜坡和塔中隆起北斜坡的同沉积断裂上升盘发育台缘滩礁体，形成北东东—东西向延伸的镶边型台地（见图9）。而塔东地区钻遇的下寒武统西山布拉克组和西大山组，底部为硅质泥岩，向上主要为泥岩、灰质泥岩和云质泥岩组合（见图2），显示出混积型台地沉积特征（见图9、图10）。阿克苏地区和满西地区肖尔布拉克组则发育颗粒白云岩、藻白云岩和泥—粉晶白云岩，显示出包括台缘礁滩、台内丘滩和滩间凹地在内的镶边型台地特征[21-22,49]。最近也有学者认为这两个地区的肖尔布拉克组属缓坡背景下的丘滩沉积体系，将其划归为缓坡型台地[50]。但阿克苏北部的温宿凸起与塔北隆起都为早古生代古隆起[51]，两者对早寒武世古地理格局的控制作用可能相似，因此本文采用塔北隆起周缘的沉积模式，将温宿凸起周缘也划归为镶边型台地，而将满西地区划归为缓坡型台地（见图9、图10）。

图7 过塔北隆起和塔东隆起北西—南东向肖尔布拉克组底界层拉平剖面（a）与解释剖面（b）（位置见图6）

图8 塔里木盆地北部震旦纪末期至早寒武世构造和构造演化特征（剖面位置见图6）

早寒武世同沉积断裂的活动强度（断距）不仅控制了下降盘玉尔吐斯组的厚度，也可能控制了肖尔布拉克组台缘滩礁体的规模（见图10），如塔中隆起北斜坡中段的同沉积断裂F2活动强度最大，形成的陡坎高差也大，其上发育较大规模的台缘滩礁体；而向西随着断距的减小，陡坎高差也随之减小，其上的台缘滩礁体规模也逐渐变小（见图11a—图11c）；当断距消失时，陡坎变为缓坡，台缘礁滩体消失（见图11d），台地类型也由镶边型转变为缓坡型（见图9）。塔北隆起南斜坡也有相似特征，随着同沉积断裂F1的断距向西减小，其上盘的肖尔布拉克组台缘礁体的规模也逐渐变小，直至消失（见图11e—图11f）。此外，同沉积断裂F1-1和F2-1夹持的垒块分割了玉尔吐斯组沉积期南北两个沉降中心（见图9），肖尔布拉克组沉积期海侵后，处于外缓坡环境，但位置较高，其上可能发育高能丘滩沉积（见图11f）。

图9 塔里木盆地北部早寒武世肖尔布拉克组沉积期古地理（本文未涉及地区的古地理参考文献[21,49-50]，中寒武世台缘带参考文献[21-22]）

图10 塔中隆起北斜坡同沉积断裂（F2）断距沿走向变化对台地类型的控制（位置见图9）

至中寒武世，塔里木西南缘由被动陆缘转变为活动陆缘[53]，来自西南缘的挤压导致盆地西南部抬升，中寒武统台缘带开始向东迁移（见图11a、11b），台缘带西侧由缓坡型台地演变为局限蒸发台地[21-22]，大范围出现盐湖相、膏云坪相和泥云坪相沉积。至中奥陶世，塔北隆起南斜坡的台缘带向东南方向迁移距离达到77 km（见图7），逐渐形成“东盆西台”格局。这与塔里木东部典型的浊积岩、黑色泥岩等深水欠补偿盆地相出现在早寒武世之后，并被中晚寒武世至奥陶纪碳酸盐台地的台地边缘带和台缘斜坡带严格围限的事实一致[21-22]。

5 寒武系盐下和深层勘探潜力与方向

塔里木北部的两个北东东—东西向延伸的玉尔吐斯组沉积中心位于塔里木陆块内部（见图6），是早寒武世浅水陆棚内部的深水沉积区，与外海隔断。虽然目前无直接数据证明其是否发育优质烃源岩，但从以下3个方面判断，这两个沉积中心的生烃潜力巨大。

图11 塔中北斜坡和塔北南斜坡肖尔布拉克组沉积结构沿同沉积断裂的变化（所有剖面均拉平肖尔布拉克组底界，剖面位置见图9）

表1 阿克苏露头区玉尔吐斯组黑色页岩Mo/TOC均值与其他地区对比

①南天山洋的打开促进了早寒武世上升洋流的形成。阿克苏露头区玉尔吐斯组内部发育富含有机质页岩、硅质岩、磷块岩和海绿石组合（即C-Si-P-G组合）（见图2），这是现代上升洋流作用区典型的岩石组合，如纳米比亚陆架、秘鲁西部和巴西东部陆架[53-54]。此外，玉尔吐斯组微量元素和同位素组成特征与地质时期上升洋流作用区也类似，如阿拉斯加三叠系Shubilk组和落基山二叠系Phosphoria组[45,53-54]。震旦纪晚期，塔里木盆地北部的南天山洋打开，至早寒武世，南天山洋已演变为成熟的大洋[35-38]。这一过程改变了洋流体系，促进了上升洋流向塔里木陆棚内部的延伸，并将深部富营养水体带至浅部陆架，促进藻类的勃发，从而形成富有机质的沉积。

②局限水体有利于有机质的保存和优质烃源岩的形成。黑色页岩的Mo/TOC（钼元素含量与总有机碳含量的比值）均值可用于表征沉积水体受局限的程度，Mo/TOC均值越小表明沉积水体与外海交换能力越差[53]。阿克苏露头区玉尔吐斯组两套富含有机质黑色页岩的Mo/TOC均值分别为8.11和4.97[45]，与现代黑海（4.5±1）和挪威Framvaren峡湾（9±2）值相近（见表1），这一特征表明塔里木西北部早寒武世的沉积水体可能与外海水体交换不畅。黑海和Framvaren峡湾是与外海隔断、沉积物中有机质却高度富集的典型实例。塔里木盆地北部的这两个玉尔吐斯组沉积中心位于陆棚内部，深部水体补给不足，形成利于有机质保存的缺氧环境，因而可能发育优质烃源岩。

③硅质热液作用提供了促进成烃藻类生长繁盛的营养物质。塔里木盆地北部的两个玉尔吐斯组沉积中心受同沉积断裂活动控制，并可能伴随硅质热液作用。前已论述，塔里木盆地北部下寒武统底部普遍发育层状硅质岩和黑色页岩组合，且下段黑色页岩的TOC值要显著高于上段黑色页岩[18,46]，反映了硅质热液对有机质富集的积极作用[45-46]。热液作用提供的营养物质（硅、磷、氮、钾等）促进了微生物（特别是成烃藻类）的大量繁盛，使得古生产力得以大幅提高[45-46]，因而越靠近热液喷口——同沉积断裂，玉尔吐斯组烃源岩的有机质丰度可能越高。

早寒武世同沉积断裂下降盘的玉尔吐斯组烃源岩与上升盘的肖尔布拉克组台缘滩礁体构成了可预测的源-储组合模式，近年来一系列重大油气发现[55-57]已证实这种近源的源-储配置具有高效的规模成藏效应。但早寒武世同沉积断裂上下盘的源-储组合普遍在 8 000 m以深（见图9），除塔北隆起南斜坡的塔深1井区外，断裂中段和东段的源-储组合几乎都在10 000 m以深，而断裂西段的源-储组合也在8 000～11 000 m。Zhu等通过对塔里木海相正常原油热模拟实验和原油裂解生气的动力学参数计算[58]，认为塔北地区原油开始裂解的深度为 7 500～8 000 m，大规模裂解的深度为8 800～9 500 m，目前中国石油化工集团公司已在该地区7 750 m奥陶系发现了全球埋藏最深的古生界海相油藏[20]。此外，利用数值模型计算深部断层伴生裂缝发育能力和碳酸盐岩孔洞坍塌深度的结果表明，优质储集层的下限可至8 500 m，距离断层越近，储集层越发育；在11 000 m以深，大型孔洞才逐渐消亡[20]。

综上所述，塔里木北部的寒武系盐下和深层具有巨大的油气勘探潜力。但目前深层地震资料品质尚不能满足早寒武世同沉积构造精细解释和成图的需要。近年来，高精度地震勘探已在塔里木库车和塔北地区取得良好成效[59]。采用这种技术首先部署一条穿过星火 1井（盆地内部唯一钻揭玉尔吐斯组优质烃源岩的钻井）和中深1构造（盆地内部唯一在寒武系盐下发现规模油气的构造）的近南北方向测线，通过地震处理解释一体化攻关，建立更符合实际的地质模型，为后续高精度地震部署提供可靠的地质与地球物理参数，以精细落实早寒武世同沉积构造及其控制的源-储配置关系。在此基础上，再沿着同沉积断裂向西搜索肖尔布拉克组台缘礁滩体和缓坡丘滩体，在埋深相对较浅位置实施风险钻探。

6 结论

塔里木北部震旦纪末期的构造变动在不同地区表现为不同方式，并控制了早寒武世盆地的沉积格局。其中，位于塔北隆起南斜坡和塔中隆起北斜坡的南华纪裂陷在早寒武世发生同沉积断裂活动，形成南北两个北东东—东西向延伸的沉降和沉积中心，玉尔吐斯组最大预测厚度可达250 m。至肖尔布拉克组沉积期，同沉积断裂的上升盘形成镶边型台地。这两个玉尔吐斯组沉积中心是早寒武世浅水陆棚内部的深水沉积区，震旦纪晚期南天山洋的打开与早寒武世上升洋流的形成、早寒武世早期的硅质热液作用及其提供的营养元素，以及沉积中心深部水体与外海隔断形成的利于有机质保存的缺氧环境，都为其成为生烃中心提供了有利条件。

早寒武世同沉积断裂下降盘玉尔吐斯组黑色页岩与上升盘肖尔布拉克组礁滩储集层构成可预测的源-储配置模式，断裂活动强度不仅控制了玉尔吐斯组黑色页岩的厚度，也控制了肖尔布拉克组台缘礁滩体的规模。塔北隆起南斜坡和塔中隆起北斜坡的西段及满西地区邻近两个玉尔吐斯组生烃中心，肖尔布拉克组台缘礁滩体、缓坡丘滩体和中寒武统膏盐岩类盖层均较发育，是寒武系盐下和深层勘探的有利地区。建议针对初步落实的北东东—东西向早寒武世同沉积断裂，部署高精度地震勘探，以精确落实同沉积断裂位置，并沿着断裂向西搜索礁滩体和丘滩体，在埋深较浅的有利圈闭位置实施风险钻探。