塔里木盆地北部下寒武统肖尔布拉克组海进-海退转换背景下的微生物礁滩发育模式

陈格格，高志前，焦存礼，胡宗全，袁钰轩，卫 端，翟昕箐，畅 哲

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083 ；2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京 100089)

0 引 言

微生物礁是生物礁的一种，是指以蓝细菌为主的微生物通过捕获和黏结灰泥或碎屑物，并通过生物矿化作用所形成的具有黏结或微骨架结构的碳酸盐建造[1-4]。微生物礁因波浪破碎作用形成的碎屑颗粒在微生物礁周围沉积，共同形成微生物礁滩复合体[5]。微生物礁滩一般沉积在水体较浅、水动力较强的台地边缘或台内古地貌高地[6]。随着中深1井和中深5井在塔里木盆地下寒武统肖尔布拉克组台盆区微生物碳酸盐岩中取得重大油气突破，塔里木盆地下寒武统肖尔布拉克组微生物岩成为重点研究对象，但前人的研究多集中于单一微生物礁或微生物层的建造演化特征和储集物性特征[7-12]，并未对微生物礁滩的发育模式做详细研究。礁滩体的发育多与层序界面密切相关[13]，因此在研究区内开展高精度层序地层的研究有助于明确微生物礁滩的发育模式。目前，学者们对肖尔布拉克组的二级层序划分方案比较统一，认为塔里木盆地下寒武统构成了一个完整的Ⅱ级层序，其中肖尔布拉克组处于该Ⅱ级层序的早期高位体系域[14-15]。大多数学者集中于三级层序的厘定，部分学者在资料丰富的情况下进行了四级层序的划分。在柯坪地区的研究中，李保华等[16]依据野外露头的岩性特征将柯坪地区肖尔布拉克组划分为2个三级层序和4个四级层序。白莹等[17]在阿克苏露头区肖尔布拉克组中识别出2个三级层序和8个四级层序。此外，由于层序划分方案的不同，前人对于肖尔布拉克组沉积相模式的认识也存在差异。多数学者认为塔里木盆地肖尔布拉克组沉积期受古地貌格局的控制，为缓坡型碳酸盐岩台地[18-19]；也有学者认为肖尔布拉克组沉积期整体为弱镶边-镶边型台地[17，20-22]。

本文以层序地层学理论及沉积学相关理论为指导，采用层序界面识别方法，对塔里木盆地北部地区肖尔布拉克组三级层序和四级层序进行划分，建立四级高精度层序地层格架，并总结研究区内的微生物礁滩及碳酸盐岩台地发育模式。

1 区域地质概况

本次研究的主要区域为整个塔北隆起区以及柯坪断隆东部的阿克苏露头区。塔里木盆地塔北隆起区西部以阿瓦提坳陷为界，东部到库尔勒鼻凸，向南至满加尔坳陷、顺托果勒隆起(图1(c))。阿克苏露头区位于塔里木盆地西北部，隶属柯坪断隆东段(图1(b))，露头区下寒武统出露齐全。研究层位肖尔布拉克组下伏玉尔吐斯组，上覆吾松格尔组[15]。在寒武纪时期，塔北地区是在前震旦系变质岩基底上发育起来的一个古隆起，在海西早期受区域性挤压抬升形成北东向展布的大型鼻状凸起[23]，地形西高东低，呈现西部为浅水碳酸盐岩台地、东部为深水盆地的沉积格局[24]。

图1 研究区地质简图

2 肖尔布拉克组高精度层序地层格架

2.1 三级层序界面特征

肖尔布拉克组在露头区的白云岩具有明显的“下黑上白”的沉积分异特征(图2(a))，据此将肖尔布拉克组划分为两个三级层序，以金磷矿为例：野外露头观察时，可明显识别出肖尔布拉克组与玉尔吐斯组的层序界面SB1(图2(b))，玉尔吐斯组上部为外-中缓坡相沉积物，以薄-中层状白云岩与泥岩的互层为主。上覆肖尔布拉克组与下伏地层明显不同，其底部为较深水的含硅白云岩，向上以近平行的微生物纹层为主要特征，具明显的平行、波状纹层结构，为中-内缓坡相沉积物。该界面为岩性-岩相转换面。层序界面SB2是肖下段与肖上段的分界面(图2(c)和(d))，界面之下为中-内缓坡相层状凝块石，界面之上为黑色块状凝块石白云岩，水体环境较深，对应海侵体系域。层序界面SB3是肖尔布拉克组与吾松格尔组的层序界面，岩性由肖上三段灰白色颗粒云岩转变为吾松格尔组潮坪相浅灰色中层状叠层石云岩，为一定水深下、弱局限环境的产物，该界面属于典型的岩性-岩相转换面。

图2 塔里木盆地西北部金磷矿剖面肖尔布拉克组层序界面野外识别图版

依据地震剖面识别标志，在研究区亦可识别出肖尔布拉克组从底界SB1到顶界SB3共3个三级层序界面(图3)。层序界面SB1对应地震剖面的T85，界面之下为平行、连续的强振幅地震相，界面之上为连续的强-弱振幅地震相。层序界面SB2之上发育下超，可见不连续、杂乱丘状、弱振幅的反射特征，证明肖上段发育微生物礁滩。层序界面SB3为岩性-岩相转换面，对应地震剖面的T84，界面之下发育顶超，界面之上为连续的强振幅地震相。

图3 塔深5井—塔深1井层序界面地震响应特征

2.2 四级层序界面特征

四级层序地层单元是建立高精度层序地层单元的基本地层单位，其受海平面快速变化的控制，可以反映高频的沉积周期。依据露头、测井、岩心薄片等识别标志，在研究区肖尔布拉克组的三级层序内部进一步识别出了4个四级层序界面(sbx1、sbx2、sbx3、sbx4)(以下露头以金磷矿为例，单井以塔深5为例)。

sbx1为肖下一段和肖下二段分界面(图2(b)和(c))。野外露头观察时，该界面之下为水平层状层纹石，界面之上为近层状凝块石。单井上，据薄片观察(图4(a))，该界面之下发育鲕粒亮晶灰岩，界面之上发育白云质泥晶灰岩，该界面为岩性-岩相转换面。

图4 塔深5井肖尔布拉克组综合柱状图

sbx2为肖下二段和肖上一段分界面，该界面与三级层序界面SB2为同一界面。露头观察时，sbx2界面以下为灰色疙瘩状凝块石建造，界面之上为黑色块状凝块石(图2(c)和(d))。单井上，界面处声波时差(AC)曲线和密度(DEN)曲线均呈指状(图4)；薄片观测时界面之下为藻粒亮晶灰岩(图4(c))，界面之上为泥晶灰岩。

sbx3为肖上一段和肖上二段分界面。露头上观察到该界面之下为灰白色薄层状凝块石，界面之上为黄白色泥-粉晶云岩(图2(d))。单井上，声波时差(AC)曲线和密度(DEN)曲线均呈指状，深、浅侧向电阻率(RD、RS)曲线在界面之下出现正幅度差，在界面之上基本重合(图4)。薄片观测时界面之下为叠层石灰岩(图4(e))，界面之上为泥-粉晶灰岩。

sbx4为肖上二段和肖上三段分界面。露头观察时，该界面之下为薄层藻黏结砂屑云岩，界面之上为团块状白云岩(图2(e))。单井上，自然伽马(GR)曲线呈锯齿状振荡，界面之下GR为中高值，界面之上GR为低值，呈微齿化箱形。RD、RS曲线在界面之上出现微弱正幅度差，在界面之下基本重合(图4)。薄片观测时界面之下为鲕粒泥晶灰岩(图4(f))，界面之上出现砾屑亮晶灰岩(图4(g))。

2.3 单井/剖面层序地层划分

本文将野外露头、典型探井的测井数据，岩心薄片以及地震剖面等资料相结合，在研究区共识别出3个三级层序界面，2个三级层序，自下而上依次为SQ1、SQ2。三级层序内部可进一步识别出4个四级层序界面，5个四级层序。SQ1可分成2个四级层序，分别为sq1、sq2，SQ2可分为3个四级层序，分别为sq3、sq4、sq5，从而形成了一套较高精度层序地层划分方案(图5)。

图5 塔里木盆地北部地区肖尔布拉克组高精度层序地层划分方案

由于阿克苏露头区和塔北重点探井区具有明显的古地貌差别和沉积差异[24]，导致典型露头和重点探井的四级层序中微生物礁滩体具有不同的沉积演化模式。本文选取了1条露头区剖面(金磷矿剖面)和1条探井区剖面(塔深5井剖面)，其微生物礁滩演化特征如下。

2.3.1 金磷矿剖面

金磷矿剖面位于阿克苏露头区西北部(图1(b))，所处位置古地貌较高[25]。肖下一段(sq1)沉积早期，相对海平面快速上升，此时沉积水体环境较深，微生物发育较少。金磷矿剖面下部发育近平行层状的黑色硅质岩和黄褐色层纹石微生物席互层沉积(图6(a2))，随着相对海平面由上升逐渐转变下降，黑色硅质岩层减薄而黄褐色层纹石微生物席增厚。sq1沉积时期金磷矿剖面为中-内缓坡沉积。肖下二段(sq2)沉积时期，随着相对海平面的进一步下降，微生物活动开始增多。金磷矿剖面底部发育近层状凝块石微生物席(图6(b2))，而上部发育灰黑色疙瘩状凝块石微生物席(图6(b1))。肖上一段(sq3)沉积时期，相对海平面先快速上升而后缓慢下降。相对海平面快速上升时，沉积物可容纳空间增大，而此时微生物活动繁盛，微生物开始建造黑色块状的凝块石微生物礁(图6(c2))。随着相对海平面缓慢下降，可容纳空间的增长速率与微生物的建礁速率相当，块状凝块石微生物礁逐渐演变为薄层状的凝块石微生物礁(图6(c1))。肖上二段(sq4)沉积早期，相对海平面持续下降，金磷矿剖面底部发育薄层-中厚层的黄白色泥-粉晶云岩(图6(d3))。sq4沉积中-后期，海平面频繁振荡，沉积水体能量较大，金磷矿剖面中部发育由中-薄层的黄白色藻黏结砂屑云岩和黄白色泥粉晶云岩互层组成的藻粒滩沉积(图6(d2))，顶部发育薄层鲕粒滩，剖面上常见风化的孔洞(图6(d1))。肖上三段(sq5)沉积时期，相对海平面进一步下降，金磷矿剖面发育薄层砂屑云岩、鲕粒云岩和叠层石云岩互层的砂屑滩-鲕粒滩-微生物礁互层沉积(图6(e))。剖面上常见小型溶孔，表明沉积水体环境整体较浅。

图6 塔里木盆地西北部金磷矿剖面肖尔布拉克组四级层序特征

2.3.2 塔深5井

塔深5井位于塔北地区塔河油田主体老区(图1(c))。肖下一段(sq1)海侵期海水相对较深，微生物活动十分微弱，发育大套中-外缓坡云质泥晶灰岩沉积。高位体系域晚期，水体能量加大，发育由鲕粒亮晶灰岩组成的鲕粒滩沉积(图4(a))。肖下二段(sq2)海平面缓慢下降，此时微生物活动增加，发育层纹石微生物席。高位体系域海平面整体仍处于较高的水平，但缓坡内地势较高的地方相对水体深度较浅，水体能量较强，发育藻粒滩沉积(图4(c))。肖上一段(sq3)沉积时期，相对海平面先快速上升而后缓慢下降，发育泥晶灰岩和藻粒亮晶灰岩互层的开阔台地滩间海-藻粒滩沉积。肖上二段(sq4)相对海平面振荡下降，发育由藻粒亮晶灰岩-砂屑泥晶灰岩-泥晶灰岩互层组成的开阔台地藻粒滩-砂屑滩-滩间海沉积。肖上三段(sq5)沉积时期，相对海平面进一步下降，微生物活动加剧，在前期台内滩的基础上，古地貌相对较高，微生物开始建礁，发育砾屑灰岩和叠层石灰岩互层的开阔台地相砾屑滩-微生物点礁沉积。

2.4 高精度层序地层对比特征

在对塔北地区重点探井层序、露头层序剖析的基础上，将剖面自西向东进行对比，揭示层序地层内部微生物礁滩的演化过程，建立研究区碳酸盐岩台地的沉积演化模式。

研究区东西向层序剖面平行于沉积展布方向，其层序发育受沉积相和海平面变化影响明显。该剖面自西向东依次连通阿克苏露头区的金磷矿剖面和肖西沟剖面，以及塔北地区的新和1井、旗探1井、塔深5井、于深1井、尉犁1井(图7)。

剖面对比结果显示：横向上，肖尔布拉克组沉积时期5个四级层序地层厚度沉积稳定，整体上从塔西台地向塔东盆地的沉积呈现“西厚东薄”的特征。肖下一段(sq1)和肖下二段(sq2)沉积时期，盆地西部为中-内缓坡相沉积，盆地东部为外缓坡和盆地相沉积。肖上一段(sq3)、肖上二段(sq4)和肖上三段(sq5)沉积时期，在西北缘阿克苏露头区，金磷矿多发育藻黏结砂屑云岩和鲕粒云岩，为台地边缘颗粒滩沉积，肖西沟发育砂屑云岩和叠层石，为台地边缘微生物礁滩相沉积。在旗探1井—塔深5井附近沉积厚度明显变厚，厚度可达400 m左右，多发育开阔台地相颗粒滩或台内微生物点礁，表明其位于弱镶边台地的台缘带附近(图7)。盆地东部由于远离陆地，水体较深，多发育泥质灰岩、泥岩及页岩，为斜坡相和盆地相沉积，沉积厚度急剧减小到100多米。

纵向上，海平面变化对微生物礁滩演化的影响十分明显，因为研究区肖尔布拉克组位于碳酸盐岩台地之上，所以层序内部不发育低位体系域，均由海侵体系域和高位体系域的沉积序列组合构成。其层序特征如下：肖下一段(sq1)基本继承玉尔吐斯组的沉积格局，发育中-内缓坡沉积。sq1是肖尔布拉克组碳酸盐岩发育的初始时期，伴随小范围的海侵。这一阶段海平面快速上升，金磷矿和肖西沟发育一套近层状微生物席。肖下二段(sq2)处于三级层序下降半旋回上部，海平面持续下降，此时已由潮下深水过渡到潮间潮下浅水带，多发育凝块石微生物席和藻粒滩沉积。

肖上一段(sq3)海侵期海平面快速上升，微生物在局部古地貌高地开始造礁，金磷矿剖面和肖西沟剖面发育凝块石微生物礁。高位体系域晚期，位于古地貌高地处的肖西沟剖面可容纳空间的增长速率小于微生物礁的建礁速率，礁体向海方向进积，缓坡上的进积型微生物礁滩体组成了镶边台缘。地层由此从缓坡台地的潮间-潮上浅水相沉积转变为弱镶边台地的台地边缘相和开阔台地相沉积。肖上二段(sq4)处于三级层序下降半旋回中部，相对海平面振荡上升，此段沉积期水体动能较高，处于弱镶边台缘带的肖西沟剖面和金磷矿剖面多发育砂屑滩、藻粒滩和微生物礁互层的微生物礁滩体，盆地西部多发育藻粒滩和砂屑滩。肖上三段(sq5)处于三级层序下降半旋回上部，此时沉积水体进一步下降，水体能量加强，金磷矿剖面发育藻粒滩和鲕粒滩，肖西沟发育向海进积的微生物礁滩，盆地西部多育砂屑滩、砾屑滩和台内点礁。

3 主控因素分析

通过肖尔布拉克组东西向高精度层序连井格架展布(图7)可以看出：海平面变化、古地貌、层序格架及沉积相共同控制了研究区的微生物礁滩体的发育及展布。其中海平面变化表现在对层序发育的控制上，进而在纵向上控制了微生物礁滩的演化，而古地貌主要在平面上控制沉积相的展布，进而控制微生物礁滩的平面分布。

3.1 海平面的变化

海水的深度可以影响微生物的繁盛和碳酸盐岩的生产速率，不同类型的微生物岩的发育受海平面变化的影响较大[28]。海平面的升降变化会引起海水的深度、水动力的强度和水体动荡程度的变化，它们综合控制着微生物礁滩体的发育特征[29]。肖下一段(sq1)沉积时，海水相对较深，在晴天浪基面之下，快速海侵使沉积能量相对变低，有利于层状层纹石微生物席的发育；随后海平面开始缓慢降低，在肖下二段(sq2)沉积时期海平面缓慢下降，微生物活动开始增多，但此时沉积水体依然较深，水体能量依然不强，有利于凝块石微生物席的发育。肖上一段(sq3)海侵期海平面快速上升，此时缺氧、温暖的沉积环境最适宜微生物的发育，微生物活动开始繁盛，发育块状凝块石组成的微生物礁，高位体系域时期海平面缓慢下降，沉积界面处水体能量加强，在高位体系域顶部发育藻粒滩和凝块石微生物礁。肖上二段(sq4)海平面持续下降，沉积水体能量加强，发育藻粒滩、砂屑滩与滩间海互层沉积，颗粒滩与低能滩间海的交替出现也反映水体的高频波动。肖上三段(sq5)海平面进一步下降，此时沉积水体较浅，处于浪基面以上，水体能量较高，发育微生物礁滩、鲕粒滩和砂屑滩沉积(图8)，露头上常见小型溶蚀孔洞，反映海平面很浅，受暴露影响。

图8 塔里木盆地北部地区肖尔布拉克组微生物礁滩演化图

3.2 古地貌

碳酸盐岩一般在台地边缘等水体较浅、能量较强的相带发育较好，沉积厚度也较大；而在斜坡、陆棚等水体较深、能量较弱的相带沉积厚度较薄。古地貌控制沉积相的平面展布，古地貌高地为浅水高能环境，多为台地边缘或开阔台地和局限台地台内礁滩体沉积环境，是微生物礁滩体发育的主要区域。古地貌低洼地带为深水低能沉积环境，沉积水动力较弱，多为局限台地或开阔台地深水环境。综合分析研究区的重点探井和露头的古地貌和沉积相分布(图8)可知，研究区肖尔布拉克组微生物礁滩展布规律与古地貌关系密切，微生物礁滩体最发育区域位于古地貌较高的西北缘露头区和塔深5井东部区域。肖下一段(sq1)和肖下二段(sq2)沉积时期，水体较深，在水下古地貌高地发育微生物席，而在古地貌低洼地带则以泥晶灰岩沉积为主，微生物礁滩不发育。肖上一段(sq3)水体逐渐变浅，在古地貌较高处微生物活动加剧，微生物礁开始发育。在古地貌稍低位置处(塔深5井区)，受波浪搅动的影响，古地貌高处的微生物礁体被波浪打碎，搬运到古地貌稍低位置堆积形成藻粒滩，并对内侧古地貌低处形成一定程度的遮挡和封隔作用，因而内侧区域的滩间海沉积较发育。肖上二段(sq4)和肖上三段(sq5)沉积时期，古地貌高处微生物礁滩持续垂向加积到海平面附近时，受可容纳空间的限制而停止生长，而周缘相对低地却拥有足够的可容空间，造成微生物礁滩体向相对低地侧向迁移，从而使得微生物礁滩体向海进积，形成弱镶边台缘。台地内位于台缘带附近的古地貌高地水体变浅到浪基面之上，较强的水动力和较大的可容纳空间使得此处沉积厚层砂屑滩河和藻粒滩。

4 沉积相发育模式

综合高精度层序地层格架以及上文对钻测井、岩心薄片等资料的研究，可以看到塔里木盆地塔北地区下寒武统肖尔布拉克组经历了两种不同的碳酸盐岩台地模式的演变，即碳酸盐岩缓坡型台地模式和碳酸盐岩弱镶边台地模式。

4.1 缓坡型台地发育模式

受前寒武纪裂陷槽构造古地貌和玉尔吐斯组沉积补偿的双重控制，肖尔布拉克组古地貌呈“南高北低、西高东低”的沉积格局[30]，研究区内地层也呈明显的西厚东薄的趋势，是一个盆地填平阶段。肖下一段(sq1)和肖下二段(sq2)是碳酸盐岩缓坡型台地发育时期，为中-内缓坡沉积环境。结合层序连井格架(图7)可以看到，sq1和sq2沉积时期地层自东向西呈逐渐加厚的趋势，为一个区域性的宽缓斜坡，缓坡型台地的台缘坡折带不发育，坡度较缓，沉积速率差别不大，整体厚度相近，古地貌高地和古斜坡具有相似的层序地层特征，从而形成了西高东低的碳酸盐岩缓坡台地模式(图9(a))。在缓坡型碳酸盐岩台地发育模式下，海平面的升降变化是地层发育和微生物礁滩的主要控制因素。sq1时期海平面先快速上升后缓慢下降，在高位体系域晚期，古地貌高地处发育厚层的层纹石微生物席。sq2时期海平面缓慢下降，在古地貌高地发育凝块石微生物席。

图9 塔里木盆地北部地区肖尔布拉克组沉积相发育模式

4.2 弱镶边台地发育模式

肖上段是研究区内沉积演化的新阶段，随着海平面升降及构造环境的变化，盆地西部古地貌高地沉积速率远大于盆地东部古地貌低地，碳酸盐岩台地逐渐演化成弱镶边台地模式(图9(b))，地层沉积厚度整体也呈西厚东薄的趋势。肖上一段(sq3)为缓坡型台地向弱镶边台地的转变期，该时期相对海平面由上升转变为下降，沉积水体环境整体较深，微生物活动繁盛，碳酸盐岩生产速率加快。古地貌高地微生物开始建礁，初步形成弱镶边台缘带，微生物礁被波浪打碎并沉积在弱镶边台缘附近古地貌稍低位置堆积成藻粒滩，而古地貌低位置微生物岩基本不发育，仍具有缓坡型台地的沉积特征。肖上二段(sq4)和肖上三段(sq5)相对海平面进一步下降，随着持续缓慢海退和沉积物的不断堆积，弱镶边台缘带周围的相对低地也出露到浪基面之上而开始发育砂屑滩、砾屑滩和藻粒滩。古地貌高地发育微生物礁滩复合体，当微生物礁滩体垂向生长到海平面附近时，受可容纳空间的限制微生物礁滩停止生长，而台缘带周缘向海一侧却拥有足够的可容空间，这就造成微生物礁滩体向海一侧进积生长，缓坡上的进积型礁滩体组成新台缘，标志着碳酸盐岩缓坡演变为弱镶边碳酸盐台地(图9(b))。

5 结论

(1)根据典型露头和重点探井资料，在塔里木盆地北部地区下寒武统肖尔布拉克组中识别出2个三级层序(SQ1、SQ2)和5个四级层序(sq1、sq2、sq3、sq4、sq5)。

(2)研究区海平面变化控制着微生物礁滩的发育，古地貌控制着微生物礁滩的演化。海平面对微生物礁滩发育的控制作用主要体现在纵向上，海平面较深时微生物席较发育，海平面由上升变为下降时微生物礁和藻粒滩较为发育，海平面持续下降时易发育砂屑滩、鲕粒滩和微生物礁。古地貌控制碳酸盐岩沉积相和微生物礁滩的分布，古地貌高地沉积厚度较厚，微生物礁滩较发育，易形成弱镶边台缘；在距离台缘较近的古地貌稍低位置，砂屑滩和藻粒滩较发育。

(3)研究区肖尔布拉克组有两种碳酸盐岩台地发育模式，其中肖下一段(sq1)和肖下一段(sq2)多发育层纹石微生物席和泥晶灰岩沉积，为缓坡型台地发育模式；肖上一段(sq3)为缓坡型台地向弱镶边台地的转变期，古地貌高地微生物开始建礁，低古地貌斜坡区微生物岩几乎不发育，仍为缓坡型台地的沉积特征；肖上二段(sq4)和肖上三段(sq5)为弱镶边台地沉积，由于相对海平面的下降导致大型礁滩体进积生长，缓坡上的进积型礁滩体组成新台缘。