王清龍,韓劍發(fā),李 浩,孫彥達,何海全,任世君

[1. 洲際油氣股份有限公司 勘探開發(fā)研究院,北京 100016； 2. 中國石油 塔里木油田分公司,新疆 庫爾勒 841000；3. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 海洋學(xué)院,北京 100083； 4. 中國石油 青海油田分公司 采油三廠，青海 816400]

層序地層學(xué)理論的發(fā)展提供了建立等時年代地層對比格架的重要分析技術(shù)和方法體系,并已廣泛運用于研究碳酸鹽巖沉積體系展布、儲層孔隙演化、海平面變化及預(yù)測有利油氣儲集體等相關(guān)領(lǐng)域,一直以來為國內(nèi)外研究的重點和熱點領(lǐng)域[1-3]。前人在塔里木盆地層序地層、沉積特征及演化、生物地層(牙形石帶或組合)、元素地球化學(xué)等方面做了大量的工作,并取得了一系列研究成果和認識[4-11],但在部分領(lǐng)域仍存在分歧或尚未開展精細研究工作,如層序劃分方案多,尺度不統(tǒng)一,對高頻層序的特征缺乏認識；露頭剖面沉積微相特征研究程度相對較低；資料的綜合運用來解剖海平面變化與沉積層序的過程響應(yīng)關(guān)系非常少見。筆者先后兩次對巴楚大阪塔格、柯坪水泥廠和西克爾等中、下奧陶統(tǒng)鷹山組-一間房組露頭剖面進行詳細實地考察和密集取樣分析,綜合運用露頭剖面沉積旋回結(jié)構(gòu)變化,大量巖石手標本和鏡下薄片觀察,盆內(nèi)塔中地區(qū)井-震資料對比,Fischer圖解,前人牙形石生物地層、碳氧同位素及微量元素數(shù)值比對分析等多種資料和手段,重點探討以下兩方面的科學(xué)問題:① 建立塔里木盆地西北緣中-下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖沉積微相、組合特征及沉積演化模式；② 研究高精度層序結(jié)構(gòu)特征,海平面變化與層序結(jié)構(gòu)和沉積演化的過程響應(yīng)關(guān)系。圍繞上述兩個問題,開展了層序地層格架建立與高頻層序結(jié)構(gòu)劃分,沉積微相及組合特征分析,海平面變化曲線重建及對沉積相序控制作用探討等相關(guān)方面的工作,并取得了系統(tǒng)性認識。

1 地質(zhì)背景

塔里木盆地經(jīng)過加里東期、海西期、印支期—燕山期和喜馬拉雅期等多期構(gòu)造旋回運動和漫長地質(zhì)演化,隆-坳格局及構(gòu)造古地理發(fā)生多次重大變革,并發(fā)育了多套區(qū)域性不整合面及塔中、塔北、柯坪、巴楚等多個古隆起帶,其中,加里東構(gòu)造運動對中-下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖古地理和沉積演化產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。加里東構(gòu)造旋回早期盆地整體處于大陸裂解拉伸的環(huán)境,發(fā)育被動大陸邊緣碳酸鹽巖臺地和斜坡沉積相帶,到中晚期(大致對應(yīng)于中、晚奧陶世)構(gòu)造背景發(fā)生重大轉(zhuǎn)變,由伸展向擠壓環(huán)境轉(zhuǎn)變,柯坪-巴楚隆起開始抬升,局部遭受強烈剝蝕,強烈的構(gòu)造運動也使得塔中隆起碳酸鹽巖臺地發(fā)生暴露剝蝕。奧陶紀末,盆地繼續(xù)隆升,進入濱淺海陸源碎屑巖沉積發(fā)育階段[12-16]。

研究區(qū)主要位于塔里木盆地西北緣柯坪斷隆和巴楚隆起區(qū),目的層為中-下奧陶統(tǒng)鷹山組至一間房組碳酸鹽巖地層,并與盆內(nèi)塔中隆起進行跨構(gòu)造單元對比(圖1)。鷹山組橫跨下奧陶統(tǒng)道保灣階和中奧陶統(tǒng)大灣階兩個時代,前人根據(jù)電性、巖性和古生物等特征,將鷹山組自上往下劃分為4個巖性段,其中鷹一段和鷹二段屬于中奧陶統(tǒng),以灰?guī)r沉積為主。鷹三段、鷹四段以白云巖沉積為主,隸屬于下奧陶統(tǒng)[17]。一間房組屬于中奧陶統(tǒng)達瑞威爾階沉積地層,其上接受晚奧陶世吐木休克組深水泥頁巖與薄層條帶灰?guī)r沉積。

2 層序單元劃分與層序結(jié)構(gòu)

2.1 牙形石生物地層對比與地層缺失量和沉積年限估算

以牙形石為代表的古生物化石確立了盆地地層年代歸屬及較完整的生物演化序列,為研究層序結(jié)構(gòu)、沉積特征及演化提供了重要的生物地層參考依據(jù)[18-19]。本文將柯坪露頭剖面牙形石分子與前人建立的塔里木盆地西部牙形石帶進行比對[18-19],結(jié)果表明新廠階蓬萊壩組自下往上發(fā)育3個牙形石帶或組合,頂部缺失2個牙形石帶(表1)。道保灣階鷹山組下部僅見Glyptoconustarimensis亞帶牙形石分子,缺失Glyptoconushemisphaericus亞帶。大灣階上部(259～285層)發(fā)現(xiàn)鷹山組Serratognathoideschuxianensis-Scolopoduseuspinus-Erraticodontarimensis帶牙形石分子(Scolopodustarimensis,Drepanodusantiletus,D.sp.等)。而286層見大灣溝組Amorphognathusvariablilis-Polonodus帶牙形石(Polonodussp.,Eoplacognathuscrassus等),可見該界面未見牙形石帶缺失,為整合接觸。之上見達瑞威爾階薩爾干組Eoplacognathussuecicus帶牙形石分子(Cornuoduslongibasis，Protopanderodusrobustus等)。

前人通過碳氧同位素測試和牙形石采樣等多種手段,初步確定剖面第24層為寒武與奧陶系界線,大致與Variabiloconusaff.bassleri帶底部對應(yīng)[20],據(jù)此可推斷新廠階蓬萊壩組共發(fā)育5個牙形石帶或組合。假設(shè)各階沉積期內(nèi)部牙形石帶演化速率相當,由于新廠階整體約持續(xù)9.4 Ma(與國際地層年代表中Tremadocian階相當),可推算蓬萊壩組頂部缺失約3.8 Ma的地層。同理道保灣階(與國際地層年代表中Floian階相當,約持續(xù)6.4 Ma)鷹山組底部缺失一個牙形石亞帶,推算地層缺失量約為2.1 Ma。因此,柯坪水泥廠剖面鷹山組和下伏蓬萊壩組間共缺失5.9 Ma地層,呈不整合接觸,鷹山組與一間房組共沉積14.4 Ma地層,兩者之間為整合接觸。

2.2 層序界面特征、旋回結(jié)構(gòu)與高頻層序

層序級別劃分的關(guān)鍵因素是對層序界面相對重要性的判別,不同級別層序界面和層序的形成受控于不同級別的基準面變化。綜合露頭剖面、巖相和沉積微相、生物地層、元素地球化學(xué)及盆內(nèi)塔中地區(qū)井震剖面等相關(guān)資料,研究區(qū)共劃分出6個主要的層序界面,包括Msb1(鷹山組底界面)、Msb3(鷹三段頂界面)和Msb6(一間房組頂界面)等3個較高級別的二級層序界面和sb2(鷹四段頂界面)、sb4(鷹二段頂界面)、sb5(鷹山組頂界面)等3個低一級的三級層序界面(圖2)。

Msb1界面在柯坪露頭剖面上下地層呈明顯的角度不整合接觸,見古土壤層及下伏巖溶角礫巖堆積,巖石顏色由淺灰向深灰色突變,另外,生物地層牙形石帶存在明顯的缺失,該界面大致對應(yīng)于塔中隆起Tg5-3不整合面。Msb3界面地層巖相突變,表現(xiàn)為白云石含量逐漸降低至消失,巖性由白云巖、云質(zhì)灰?guī)r向顆?；?guī)r過渡,指示沉積環(huán)境的重大轉(zhuǎn)變,塔中隆起斜坡區(qū)地震剖面廣泛存在明顯的上超現(xiàn)象,高隆部位見剝蝕和削截特征(圖3)。Msb6界面巖相由碳酸鹽巖向深水泥頁巖突變,碳氧同位素及釩鎳等微量元素均指示海平面上升而導(dǎo)致的大規(guī)模淹沒不整合,受該不整合面控制,在塔里木盆地塔中及西克爾地區(qū)下伏地層發(fā)育多套大型洞穴系統(tǒng)。Sb2三級層序界面在露頭區(qū)是局部小規(guī)模暴露-相對整合的界面。Sb4界面上下沉積微相特征有所不同,內(nèi)碎屑組分明顯減少,生物碎屑含量增多,由大套粒屑灘向生屑灘、灘間海沉積轉(zhuǎn)變?？缕核鄰S露頭剖面Sb5界面地層呈整合接觸,巴楚大阪塔格露頭則見薄層古土壤層,指示界面處存在小規(guī)模沉積間斷。

圖1 塔里木盆地構(gòu)造單元(據(jù)文獻[4],修改)Fig.1 Tectonic units of Tarim Basin(modified from reference[4])

圖2 塔里木盆地巴楚大阪塔格和柯坪水泥廠露頭剖面層序界面特征Fig.2 Characteristic of sequence boundaries of the Dabantage outcrop in Bachu area and the Shuinichang outcrop in Kalpin area,Tarim Basina.柯坪水泥廠露頭剖面Msb1不整合面,上下顏色突變；b,c.柯坪水泥廠露頭Msb1不整合面古土壤層與下伏巖溶角礫巖手標本；d.巴楚大阪塔格露頭剖面Sb5平行不整合面處薄層古土壤層(箭頭1)；e.柯坪水泥廠露頭剖面Sb5整合界面；f. Msb6淹沒不整合界面之上吐木休克組泥巖與條帶狀薄 層泥晶灰?guī)r沉積；g.柯坪水泥廠露頭剖面Sb4層序界面頂部礫屑灰?guī)r

圖3 塔里木盆地塔中隆起區(qū)層序界面地震反射響應(yīng)特征Fig.3 Seismic reflection characteristics of sequence boundaries in Tazhong uplift,Tarim Basin

圖4 塔里木盆地西北緣及塔中隆起區(qū)中、下奧陶統(tǒng)層序劃分及沉積序列Fig.4 Sequence division and depositional sequences of the Middle and Lower Ordovician in Tazhong uplift and at the northwestern margin of Tarim Basin

在對不同級別層序界面識別的基礎(chǔ)上,將研究區(qū)中下奧陶統(tǒng)鷹山組與一間房組碳酸鹽巖地層劃分出2套由區(qū)域性水進到水退沉積旋回組成的高級別復(fù)合層序(CS1和CS2),沉積時限約6～10Ma,可作為二級層序(圖4)。復(fù)合層序內(nèi)部根據(jù)次一級層序界面(局部暴露界面Sb2、巖相突變面Sb4)自下往上又可劃分出5套三級層序(Sq1-Sq5)。參考露頭剖面高分辨率旋回特征,可進一步對更低級別的四級甚至五級層序單元進行劃分?？偟膩碚f,Sq1-Sq3分別可劃分出4～5套四級層序單元,Sq4-Sq5各自包含2～4套四級層序單元(圖5)。盡管不同地區(qū)受所處沉積及構(gòu)造環(huán)境的影響,地層發(fā)育及剝蝕情況不盡相同,高頻層序數(shù)量和規(guī)模也有所差別,但在三級層序尺度上是可以進行對比的。

3 沉積微相與沉積演化

3.1 碳酸鹽巖沉積微相類型及組合

沉積微相分析是指運用光學(xué)顯微鏡對碳酸鹽巖巖石薄片的沉積學(xué)和古生物學(xué)特征進行研究,構(gòu)建微相組合序列,進而解釋沉積環(huán)境[3]?；诼额^剖面、手標本和120余張巖石薄片鏡下觀察描述,總結(jié)了研究區(qū)碳酸鹽巖發(fā)育的沉積微相類型。以鄧哈姆分類方案為基礎(chǔ),結(jié)合內(nèi)碎屑顆粒粒級及與生屑顆粒組分共生情況,將研究區(qū)灰?guī)r歸納出11種主要的沉積微相類型,分別為高能沉積水動力條件生物礁灰?guī)r、礫屑灰?guī)r、含生屑礫屑灰?guī)r；中高能沉積水動力條件砂屑顆?；?guī)r、含生屑砂屑顆粒灰?guī)r、粉屑顆粒灰?guī)r、粉-砂屑泥?；?guī)r；中低能沉積水動力條件生屑粒泥灰?guī)r及低能沉積水動力條件粉屑粒泥灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、藻粘結(jié)灰?guī)r等(圖6)。白云巖則從交代結(jié)構(gòu)成因與有無伴生交代現(xiàn)象角度出發(fā),共識別出具有殘余結(jié)構(gòu)的藻紋層云巖、殘余礫屑云巖、殘余砂屑云巖及原始結(jié)構(gòu)保存差或不具原始殘余結(jié)構(gòu)的粉晶云巖、細晶云巖和中晶云巖等6種沉積微相類型。

圖5 塔里木盆地西北緣露頭剖面高分辨率沉積旋回結(jié)構(gòu)及高頻層序劃分Fig.5 Structure of high-resolution sedimentary cycles and division of high-frequency sequences on outcrops at the northwestern margin of Tarim Basina.柯坪水泥廠露頭剖面整體層序結(jié)構(gòu)劃分;b.柯坪水泥廠露頭Sq3及Sq4時期高頻層序結(jié)構(gòu);c.柯坪水泥廠露頭Sq2時期高頻層序結(jié)構(gòu);d.巴楚大阪塔格露頭Sq4時期高頻層序結(jié)構(gòu);3rd、4th和5th分別為三級、四級和五級層序

上述微相類型能反映出沉積水動力條件的強弱或者能量的高低,但要精確確定沉積環(huán)境,還需在其基礎(chǔ)上對微相組合特征進行進一步研究。通過對柯坪水泥廠、巴楚大阪塔格等一間房組和鷹山組露頭剖面內(nèi)部不同層段共11個位置進行高頻取樣分析及精細解釋,歸納出發(fā)育7種微相組合,包括:MA1臺緣高能厚層淺水礁灘復(fù)合體、MA2潮坪序列高能厚層砂-礫屑灘(圖7)、MA3臺內(nèi)高能淺灘序列中厚層粒屑灘、MA4灘后中-低能砂屑灘-灘間海薄互層、MA5臺內(nèi)中-低能薄層生屑灘、MA6臺內(nèi)低能薄層灘間海、MA7干旱-半干旱局限臺地潮坪序列中厚層云坪組合等(圖8),分別形成于不同的古沉積環(huán)境和介質(zhì)水動力條件[21]。

綜合露頭剖面高頻旋回結(jié)構(gòu)和密集采樣分析成果,研究區(qū)單套層序厚度在0.4～2.4 m,參照對應(yīng)環(huán)境下現(xiàn)代碳酸鹽巖沉積速率(約0.1～0.5 m/ka),大致推算出這些旋回的沉積年限約4～48 ka,平均約10～30 ka,與米蘭科維奇歲差旋回周期(6級)相對應(yīng)。3～4套6級旋回在空間上疊置則構(gòu)成約60～120 ka的短偏心率旋回(5級),對應(yīng)于準層序。

3.2 沉積縱向演化與橫向?qū)Ρ?/h3>

3.2.1 CS1層序單元

早奧陶世Sq1—Sq2沉積期,盆地整體處于大陸裂解弱拉伸的克拉通內(nèi)臺地、大陸邊緣斜坡、拗拉槽構(gòu)造背景,海平面相對較低,構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定,研究區(qū)整體繼承了寒武紀及蓬萊壩組的構(gòu)造沉積格局,以干旱-半干旱的緩坡或局限臺地潟湖、云坪、灘間海沉積為主,白云巖大規(guī)模發(fā)育,蒸發(fā)作用強烈,未見生屑顆粒(圖9)。

圖6 塔里木盆地西北緣露頭剖面灰?guī)r和白云巖主要沉積微相類型Fig.6 A plot showing the main sedimentary microfacies types of limestones and dolomites on outcrops at the northwestern margin of Tarim Basina,b.內(nèi)碎屑灰?guī)r,顆粒支撐,礫屑、砂屑為主,粒間被亮晶方解石膠結(jié),不含灰泥;c.含生屑砂屑顆?；?guī)r,見生物碎屑鑲嵌于砂屑顆粒之間;d.粉-砂屑泥?；?guī)r,粒間被少量泥晶基質(zhì)充填;e.生屑粒泥灰?guī)r,泥晶基質(zhì),鈣藻微體化石、腹足類、雙殼類、棘屑等生物碎屑大量發(fā)育;f.藻粘結(jié)灰?guī)r,見粘結(jié)作用形成的具明暗相間的條紋結(jié)構(gòu)及葛萬藻絲質(zhì)碎片;g.殘余礫屑云巖;h.藻紋層云巖,暗色條帶狀藻席發(fā)育;i.殘余砂屑云巖,砂屑顆粒被白 云石選擇性交代,仍見輪廓殘留

3.2.2 CS2層序單元

Sq3時期,受加里東期構(gòu)造運動的影響,盆地構(gòu)造環(huán)境發(fā)生重大反轉(zhuǎn),由伸展向擠壓環(huán)境轉(zhuǎn)變,產(chǎn)生了多個微角度到局部高角度的不整合面。伴隨海平面整體快速上升,臺地也逐漸由局限臺地向開闊臺地轉(zhuǎn)化,白云石含量降低至消失,生屑組分開始出現(xiàn),但數(shù)量較少,以大套厚層顆粒灘(礫屑灘、粉-砂屑灘、生屑內(nèi)碎屑灘)沉積為主。

Sq4早期,海平面持續(xù)上升并達到最大海泛面,臺內(nèi)退積作用明顯,內(nèi)碎屑組分較Sq3時期有所減少,生物碎屑含量大大增加,并且在晚期高位域內(nèi)部發(fā)育了多套相對低能的中-薄層生屑灘組合。Sq5時期,相對海平面整體開始緩慢下降,構(gòu)造、古水深、碳酸鹽巖產(chǎn)率處于最佳匹配期,臺地垂向加積作用明顯,以礁灘復(fù)合體沉積為主的臺地邊緣高能沉積相帶開始形成。直到中奧陶世末期,伴隨著海平面快速上升,陸源碎屑物質(zhì)大量注入,碳酸鹽巖逐漸停止生長,臺地被淹沒,發(fā)育了一套由泥頁巖與泥晶灰?guī)r薄互層的混積陸棚相沉積。

跨不同構(gòu)造單元的連井結(jié)果表明露頭剖面沉積特征及演化與塔中隆起區(qū)可以進行很好的對比。中奧陶世塔中地區(qū)隆升強烈,鷹山組頂部至一間房組地層普遍缺失,斜坡部位僅見部分Sq4時期相對低能的灘間海沉積地層殘留,與露頭剖面Sq4海侵域沉積可對比。Sq3時期均為中高能厚層顆粒灘發(fā)育的最主要時期,且從盆地西北緣向盆內(nèi)有明顯逐漸增厚的趨勢。Sq1—Sq2時期,盆緣-盆內(nèi)均以云坪沉積為主,表明早奧陶世CS1時期兩地構(gòu)造運動相對穩(wěn)定,沉積環(huán)境大致相同,海水相對較淺(圖10)。

圖7 柯坪水泥廠露頭剖面潮坪序列高能厚層砂礫屑灘組合特征精細解釋Fig.7 Fine interpretation of the characteristics of thick-bedded intraclast shoal assemblages in the tidal-flat sequence of the Shuinichang outcrop,Kalpin area,Tarim Basina.柯坪水泥廠露頭剖面;b,f. KP47樣品手標本及鏡下照片;c,g. KP46樣品手標本及鏡下照片;d,e,h. KP45樣品手標本及鏡下照片

4 海平面變化與沉積層序的過程響應(yīng)

4.1 露頭剖面Fischer圖解的建立

Fischer圖解是前人在研究潮坪相碳酸鹽巖沉積旋回相對海平面變化時首次提出的,但并非任何環(huán)境下都可適用,它限定了淺水沉積環(huán)境,構(gòu)造沉降速率穩(wěn)定,以旋回為基本單位,同時要求旋回的級次和周期相同等一系列的假定條件[22]。本文僅將Fischer圖解應(yīng)用到巴楚大阪塔格露頭鷹山組碳酸鹽巖地層研究中,主要考慮到鷹山組整體處于臺地或緩坡沉積環(huán)境,古水深相對較淺,構(gòu)造相對穩(wěn)定,另外由于鷹山組內(nèi)部發(fā)育大量內(nèi)碎屑灘、灘間海沉積,宏觀層厚變化相對明顯,旋回數(shù)容易劃分并能保證旋回級別的一致性,基本滿足假設(shè)條件。而一間房組以礁-灘復(fù)合體沉積為主,旋回數(shù)不好劃分,即便劃出也難保證尺度統(tǒng)一,其海平面變化主要通過下述元素地球化學(xué)特征進行探討。

圖8 塔里木盆地西北緣露頭剖面微相組合特征精細解釋Fig.8 Fine interpretation of the sedimentary microfacies assemblage characteristics for outcrops at the northwestern margin of Tarim Basin

在筆者及前人對巴楚大阪塔格露頭剖面實測的基礎(chǔ)上,將鷹山組碳酸鹽巖劃分出217個超短周期的高頻旋回,平均旋回厚度約0.8～4 m(表2),據(jù)前文沉積年限推算,單套旋回形成時間約4.3×104年,對應(yīng)于米蘭科維奇6級歲差旋回。研究結(jié)果表明,鷹山組相對海平面整體呈“淺—深—淺”的變化趨勢,圖解明顯可劃分出2套長周期的旋回與二級層序CS1和CS2對應(yīng),最大海泛面分別位于第61旋回(Sq2)和第166旋回(Sq4)位置處,內(nèi)部可識別出4套次一級的中期旋回與Sq1—Sq4對應(yīng)。CS1沉積期海平面整體較低,呈緩慢上升的趨勢,CS2時期海平面經(jīng)歷兩次短暫快速上升后緩慢下降的過程,整個鷹山組最大海泛面位于Sq4時期(圖11)。

Fischer圖解所反映的露頭剖面海平面升降旋回與前文所述沉積微相所代表的古水深的演變有很強的一致性(圖12)。CS1沉積期,干旱-半干旱局限臺地、云坪沉積指示海水整體相對較淺的環(huán)境。從沉積縱向演化角度看,自Sq1—Sq2時期,白云石與方解石含量此消彼長,由白云巖向云質(zhì)灰?guī)r、含云灰?guī)r過渡表明該時期海平面呈逐漸上升的趨勢,另外兩期海平面緩慢上升—快速海退的結(jié)構(gòu)變化趨勢反應(yīng)了海侵域所占比例等于或超過高位域部分,粒序向上變細,與潮坪沉積垂向結(jié)構(gòu)變化相吻合。CS2沉積期,白云石消失,沉積相由局限臺地向開闊臺地及臺地邊緣轉(zhuǎn)變,表明海水較前期而言相對較深。另外與CS1時期海平面變化明顯不同的是臺地呈現(xiàn)快速海侵-緩慢海退的結(jié)構(gòu)。這也與內(nèi)部發(fā)育大套向上變淺,粒度變粗的臺內(nèi)淺灘沉積序列相吻合。在Sq4達到最大海泛之后,海平面整體下降,到Sq5形成淺水臺緣礁灘復(fù)合體沉積?？傮w來看,研究區(qū)海平面的升降變化對盆地沉積充填及層序形成演化起主導(dǎo)作用,可通過沉積相縱向演化體現(xiàn)出來。

圖9 塔里木盆地巴楚大阪塔格野外露頭剖面奧陶系鷹山組-一間房組沉積與層序地層特征[21]Fig.9 Sedimentology and sequence stratigraphy of Yingshan and Yijianfang Formations on Dabantage outcrop,Bachu area,Tarim Basin[21]

4.2 元素地球化學(xué)特征及海平面變化

研究表明古水深通過影響生物有機質(zhì)的保存進而對巖石中δ13C值產(chǎn)生明顯的控制作用,兩者存在一定的負相關(guān)關(guān)系[23]。釩、鎳等微量元素指標也可作為指示古水深的直接或間接判別手段,其含量與相對海平面升降呈正相關(guān)關(guān)系。

圖10 塔里木盆地西北緣露頭剖面與塔中地區(qū)鉆井沉積特征對比Fig.10 Comparison of sedimentary characteristics between Tazhong uplift and outcrops at the northwestern margin of Tarim Basin

表2 巴楚大阪塔格露頭剖面旋回數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 2 Statistics of sedimentary cycles on the Dabantage outcrop in Bachu area,Tarim Basin

前人在柯坪水泥廠剖面及巴楚剖面做了大量的碳氧同位素和微量元素分析[7]?？缕核鄰S剖面在層序Sq4時期δ13C經(jīng)歷明顯的負偏移,δ13C值達最小,約-3‰,指示最大古水深,與前文Fischer圖解分析的鷹山組最大海泛面位置相當。之后δ13C值大幅正偏,海平面相對下降,至Sq5頂部再次發(fā)生明顯的負偏移,該界面與Msb6淹沒不整合界面位置一致,另外,釩、鎳等微量元素指標在快速升高[24],兩者均指示中奧陶世末期古水深突然增加,相對海平面快速上升的過程(圖13)。巴楚大阪塔格剖面δ13C值變化呈明顯的5段式,與該剖面Fischer圖解及由巖相變化所反應(yīng)的古水深演變具有明顯的一致性(圖12)。

圖11 巴楚大阪塔格露頭剖面鷹山組Fishcer圖解Fig.11 Fischer plots of Yingshan Formation on Dabantage outcrop,Bachu area,Tarim Basin

兩條露頭剖面碳氧同位素數(shù)值垂向變化均可以精確到與四級層序?qū)?yīng)的海平面升降進行很好的對比,再加上微量元素指標的變化,更好的指示了中-下奧陶統(tǒng)鷹山組與一間房組碳酸鹽巖旋回結(jié)構(gòu)變化及最大海泛的位置,與前文層序劃分和沉積演化吻合度很高,使之均得到了很好的驗證。

圖12 巴楚大阪塔格剖面Fischer圖解、巖相及碳氧同位素組成變化對比(同位素數(shù)據(jù)據(jù)前人成果[6])Fig.12 Correlation of Fischer plots, lithofacies and carbon-oxygen isotope changes for Dabantage outcrop in Bachu area,Tarim Basin(the isotopes are cited from previous studies[6])

4.3 與全球海平面變化曲線對比

從沉積旋回、Fischer圖解和地化指標等不同角度所得出的相對海平面變化與Haq全球海平面變化曲線[25]對比似乎局部存在一定差異:Sq3高位域及Sq5一間房組相對海平面變化總體呈下降趨勢,但Haq曲線指示海平面是上升的(圖14)。這可能與加里東運動中期構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用導(dǎo)致盆地沉降速率改變相關(guān)。伸展向擠壓構(gòu)造背景的轉(zhuǎn)變,使研究區(qū)相對隆升速率加快,在全球海平面上升期間,研究區(qū)海平面因此表現(xiàn)為相對下降。但是總的來看,復(fù)合(二級)層序和層序(三級)所反映的水進-水退的沉積旋回結(jié)構(gòu)變化整體上與Haq全球海平面變化曲線的旋回結(jié)構(gòu)很相似,一些重要的水進-水退事件也可與之進行對比(如Sq4沉積期的大規(guī)模海侵與全球海平面上升相吻合)。顯然,研究區(qū)局部層序結(jié)構(gòu)和沉積充填演化受到全球海平面變化與區(qū)域構(gòu)造作用疊加的制約,但整體上海平面變化仍起主導(dǎo)作用。

4.4 高頻層序組合與有利儲集相帶預(yù)測

基于露頭剖面旋回結(jié)構(gòu)和高密度碳同位素數(shù)據(jù)對高頻海平面變化的響應(yīng)來識別的四級層序?qū)ο嘈蚪M合有明顯的控制作用,它們往往以相近的沉積序列成群成帶分布。如巴楚大阪塔格露頭剖面Sq3和Sq5內(nèi)部臺內(nèi)淺灘和臺緣礁灘復(fù)合體沉積序列,記錄了四級層序控制的由低能泥晶灰?guī)r、(生屑)粒泥灰?guī)r向高能內(nèi)碎屑灘和生物礁過渡的向上粒度變粗、水體變淺的沉積旋回。而柯坪水泥廠露頭剖面Sq2內(nèi)部的潮坪沉積序列則記錄了四級旋回控制的由底部粒度較粗的潮道高能礫屑灰?guī)r向頂部粒度較細的潮上泥晶灰?guī)r、藻粘結(jié)灰?guī)r演化的向上變淺的沉積過程(圖15)。

圖13 柯坪水泥廠剖面巖相、碳氧同位素及微量元素組成變化(同位素及微量元素據(jù)前人成果[6，24])Fig.13 Variation of lithofacies,carbon-oxygen isotopes and trace element compositions of Shuinichang outcrop in Kalpin area,Tarim Basin(isotopes and trace element compositions are cited from previous studies[6，24])

根據(jù)上述層序結(jié)構(gòu)、沉積演化與海平面變化的沉積學(xué)過程響應(yīng)關(guān)系,指出研究區(qū)存在3套主要的有利儲集相帶可優(yōu)先作為下一步油氣勘探的主攻方向:① Sq5一間房組臺緣礁灘復(fù)合體沉積,生物礁灰?guī)r與上覆的泥頁巖與薄層泥晶灰?guī)r可構(gòu)成良好的儲蓋組合。② Sq3臺內(nèi)顆粒灘沉積,受高頻旋回控制的高能灘相儲集體往往在水退末期出露水面,遭受溶解淋濾而成為有利的巖溶儲層,上覆Sq4底部相對深水的海侵域泥晶灰?guī)r、(生屑)粒泥灰?guī)r則具有良好的封蓋能力。③ CS1時期云坪沉積,普遍的白云巖化作用使得巖層的孔滲性大大提高,孔隙類型以溶蝕孔、晶間孔及晶間溶孔為主,露頭剖面可看到大量順層發(fā)育的溶蝕孔隙和裂縫帶。

5 結(jié)論

1) 柯坪水泥廠露頭鷹山組與下伏蓬萊壩組呈不整合接觸,利用牙形石生物地層資料估算地層缺失量約5.9 Ma,鷹山組與一間房組呈整合接觸,沉積年限約14.4 Ma。巴楚大阪塔格露頭鷹山組頂部存在小規(guī)模地層缺失。在此基礎(chǔ)上共對中下奧陶統(tǒng)鷹山組-一間房組碳酸鹽巖地層識別出6個主要層序界面,包括 3個較高級別的二級層序界面和3個次一級的三級層序界面,據(jù)此劃分出2套復(fù)合(二級)層序CS1和CS2,5套三級層序(Sq1—Sq5),內(nèi)部根據(jù)露頭剖面沉積旋回結(jié)構(gòu)進一步識別出13～15套更低級別的高頻旋回或四級層序。

圖14 巴楚大阪塔格露頭Fischer圖解、同位素及巖相旋回結(jié)構(gòu)反映的相對海平面變化趨勢與Haq曲線對比Fig.14 Comparison of the relative sea-level change tendency reflected by the Fischer plot,isotope and lithofacies cycle structure with the Haq eustatic curve of Dabantage outcrop in Bachu area,Tarim Basin

圖15 四級海平面變化控制的沉積相序特征Fig.15 Characteristics of sedimentary facies sequences controlled by the fourth-order eustatic variation

2) 研究區(qū)灰?guī)r和白云巖可分別歸納出11種和6種沉積微相類型,不同沉積微相以特定的相序組合成臺緣高能厚層礁灘復(fù)合體、潮坪序列高能厚層砂-礫屑灘、臺內(nèi)高能中厚層內(nèi)碎屑-生屑淺灘、灘后中-低能砂屑灘-灘間海薄互層、臺內(nèi)中-低能薄層生屑灘、臺內(nèi)低能薄層灘間海、干旱-半干旱局限臺地中厚層云坪等7種主要的微相組合,反映出特定的沉積環(huán)境和生物建造特征,指示了研究區(qū)沉積環(huán)境由潮坪、局限臺地向開闊臺地、臺地邊緣轉(zhuǎn)變。CS1沉積期,整體以干旱-半干旱局限臺地潟湖、云坪沉積為主,蒸發(fā)作用強烈,發(fā)育大套白云巖。Sq3早期,海平面整體快速上升,白云石消失,并發(fā)育大套厚層粒屑灘沉積。Sq4時期,內(nèi)碎屑含量減少,生屑含量增加,并在鷹山組頂部發(fā)育中薄層生屑灘組合。Sq5時期,以臺地邊緣相帶礁灘復(fù)合體沉積為主,中奧陶世末期,臺地被淹沒。

3) 利用巖相旋回結(jié)構(gòu)、Fischer圖解、元素地球化學(xué)指標等不同手段重建了研究區(qū)海平面變化曲線,三者之間具有高度一致性。研究區(qū)海平面整體呈“淺-深-淺”的變化趨勢,最大海泛面位于Sq4的海侵域部分,與Haq全球海平面變化曲線對比結(jié)果表明局部層序結(jié)構(gòu)和沉積演化受全球海平面變化及區(qū)域構(gòu)造作用疊加制約,但整體上海平面變化仍占主導(dǎo)地位。四級海平面變化對相序組合具有明顯的控制作用,臺緣高能礁灘復(fù)合體、臺內(nèi)顆粒灘及云坪沉積體應(yīng)為下步優(yōu)先勘探的有利儲集相帶。