塔里木盆地順北—順南地區鷹山組四級層序地層劃分及地質意義

趙永強

(1．中國石化石油勘探開發研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126；2．中國石化油氣成藏重點實驗室，江蘇 無錫 214126)

碳酸鹽巖儲層相較于碎屑巖儲層具有更高的非均質性[1-2]，其儲層質量取決于沉積相的空間分布、次生作用(如成巖過程)和沉積序列所經歷的沉積旋回[3]。在目前的油氣勘探領域，與不整合相關的油氣藏占全球已發現油氣藏的20%～30%[4]。地面暴露和相關風化作用會顯著影響碳酸鹽巖儲層的孔隙度和滲透率[5-7]。分析層序、沉積微相、沉積微相組合與儲層之間的關系是目前研究中最緊迫和最具挑戰性的課題，高頻層序識別顯得格外重要。四級層序由與海侵、正常海退或強迫海退的岸線軌跡相聯系的體系域組成，并以層序地層面為界[8]。

塔里木盆地經過幾十年的勘探開發已經發現近60個油氣藏，其中古生代地層是油氣勘探的重點，而古生界的勘探對象主要為奧陶系[9-12]。針對柯坪露頭區、塔北和塔中隆起的奧陶系，已開展了系統的三級、四級層序地層學研究。如劉迪等[13]將塔中地區奧陶系鷹山組劃分為4個三級層序；姜海健等[14]基于露頭識別出鷹山組與區域不整合和巖溶相關的三級層序界面，并劃分出2個三級層序；韓劍發等[15]針對塔西北露頭識別出鷹山組的17～19個高頻旋回；劉策等[16]通過鉆井和碳、氧同位素對古城地區鷹山組劃分了2個三級層序和14個高頻旋回；曲少東[17]利用三維地震和露頭資料將鷹山組劃分為5個三級層序。整體來看，鷹山組三級層序劃分數量存在2～5個的差異，露頭區劃分數量更多，塔中、塔北地區三級層序劃分以2個或4個為主流[14,18-19]，而鷹山組高精度的層序識別以露頭研究為主[15,20]。順北—順南地區鷹山組埋藏深度大，一直缺少系統的高精度層序地層學研究，制約了該區鷹山組有利儲層和有利相帶的深入研究。因此，本文以順北—順南地區鷹山組為研究對象，基于鉆井巖心、測井、二維和三維地震資料，在三級層序地層格架內，利用多資料、采用多方法，開展四級層序劃分及對比，最終探討四級層序界面的成因意義和四級層序研究的地質意義。

1 區域地質背景

塔里木盆地位于中國西北地區，介于南天山、北昆侖山和阿爾金山之間，面積約為56×104km2，是在前寒武系結晶基底之上發育起來的大型疊合、多旋回盆地[21-24]。塔里木盆地的演化經歷了多期構造活動(加里東期、海西期、印支—燕山期、喜馬拉雅期)，經過了多次變形疊加，總體變形較弱，邊界斷裂活動相對較強。塔里木盆地在震旦紀—早奧陶世整體為被動大陸邊緣，屬于拉張背景，為統一的海相沉積盆地，地層分布主要受早中奧陶世西臺東盆、晚奧陶世塔北—塔中臺地分異的影響。

順北—順南地區位于塔里木盆地中部，主要受塔中、塔北兩個構造單元影響，主體屬于順托果勒低隆起，位于沙雅隆起、卡塔克隆起兩個構造單元之間(圖1-A)。順北—順南地區整體為臺地沉積背景，臺地區中下奧陶統由下至上巖石地層為蓬萊壩組(O1p)、鷹山組(O1-2y)和一間房組(O2yj)(圖1-B)。鷹山組地層厚度為80～240 m，平面上西北和北東方向地層厚度最薄，普遍小于100 m；順托、順北和順南地區地層厚度穩定，為140～200 m。

2 鷹山組沉積演化特征

綜合前人認識及研究區實際，鷹山組包含2個三級層序。在三級層序地層格架內，根據順北2井等8口取心井觀察、描述，100余張巖石薄片系統觀察、鑒定，結合沉積微相識別標志綜合分析，認為順北—順南地區鷹山組以局限臺地和開闊臺地發育為特征。

圖1 順北—順南地區位置及奧陶系綜合柱狀圖Fig.1 The geographic location of Shunbei-Shunnan area and comprehensive histogram of Ordovician (A)順北—順南地區構造單元和研究區位置圖; (B)奧陶系綜合柱狀圖

2.1 局限臺地相特征

順北—順南地區鷹山組局限臺地沉積主要發育于鷹山組下部，巖性以泥晶、粉晶、細晶云巖和灰質云巖為主，夾微晶、微亮晶藻砂屑灰巖或粉晶云化不等粒砂屑灰巖。局限臺地相可劃分為局限臺坪和臺內灘亞相。局限臺坪按巖性進一步識別出云坪、灰云坪等微相。臺內灘根據顆粒類型可細分為砂屑灘和生屑灘。如中13井鷹山組第12次取心段(深度5 844.24～5 850.00 m，圖2)，下部為云灰坪微相，由下向上依次由灰色灰巖夾薄層灰色白云巖、灰色白云質泥晶灰巖和淺灰色粉-細晶白云巖組成；上部為砂屑灘微相，主要由淺灰色含云砂屑灰巖組成。云灰坪→砂屑灘的沉積演化，反映了向上變淺的沉積旋回。

2.2 開闊臺地相特征

順北—順南地區鷹山組開闊臺地沉積主要發育于鷹山組中上部，巖性為灰、淺灰、黃灰色泥晶灰巖、微晶灰巖和亮晶藻砂屑灰巖。開闊臺地進一步劃分為淺灘和灘間亞相。淺灘亞相主要由亮晶砂屑灰巖和微晶、亮晶砂屑灰巖的砂屑灘微相組成；灘間亞相由灰坪微相組成，巖性主要為灰、淺灰色泥晶灰巖。如順5井第5次取心段(深度 6 784.05～6 790.11 m,圖3)，自下而上由3個厚度不等的向上變淺旋回組成，每個旋回下部由灰色泥晶灰巖的灰坪微相組成，上部為灰褐色砂屑灰巖的砂屑灘微相。

圖2 中13井鷹山組局限臺地相的沉積微相特征Fig.2 Characteristics of sedimentary microfacies of restricted platform in Yingshan Formation in Well Zhong-13

圖3 順5井鷹山組開闊臺地相的沉積微相特征Fig.3 Characteristics of sedimentary microfacies of open platform in Yingshan Formation in Well Shun-5

3 鷹山組四級層序界面特征

層序界面的識別和層序的劃分是層序地層學研究的基礎。四級層序界面由短時期內相對海平面變化形成，該類層序界面在沉積體內出現頻率高、表現形式復雜多樣，但規模較小，地質意義明確，能有效指示優勢儲層相帶。四級層序界面上、下地層在巖性、測井曲線、地震反射特征等方面都存在一定差異，據此可進行四級層序界面識別。

3.1 鉆井上四級層序界面的物質表現形式

基于鉆井巖心、測井和巖石薄片資料綜合分析，順北—順南地區鷹山組四級層序界面的物質表現形式共7種，包括：短期暴露溶蝕作用面、弱沖刷侵蝕面、準同生期選擇性溶蝕孔隙、示頂(底)構造、淡水膠結物、暴露氧化作用及多種巖性、巖相轉換面。

3.1.1 短期暴露溶蝕作用面

短期暴露溶蝕作用面由相對海平面下降所造成，沉積產物為巖溶角礫巖和溶蝕孔洞層。溶蝕孔洞層與海平面頻繁升降有關。相對海平面下降后，前期未經歷強烈壓實的碳酸鹽沉積物暴露地表，受大氣降水影響發生部分溶蝕、垮塌，形成巖溶角礫，其規模不大(相較于表生巖溶形成的巖溶角礫巖)。如順南501井6 295.73 m深度見短期暴露不整合面，界面之下為巖溶角礫巖，界面之上為灰色泥晶灰巖(圖4-A)。

3.1.2 弱沖刷侵蝕面

弱沖刷侵蝕面在臺地區較為明顯，表現為不同類型顆?；規r對下伏泥晶灰巖的沖刷構造。沖刷侵蝕面上通常由礫屑灰巖、生屑灰巖、砂(礫)屑灰巖和鮞?；規r等粗粒沉積物組成，下伏多為泥晶灰巖。鷹山組臺地內砂屑灰巖和竹葉狀灰巖對下伏層系的沖刷侵蝕最為常見，如古隆3井鷹山組巖石薄片中可見砂屑灰巖對下伏泥晶灰巖的沖刷現象(圖4-B)。

3.1.3 準同生期選擇性溶蝕孔隙

準同生期，臺地區淺灘暴露后受大氣淡水的選擇性溶蝕，可形成粒內溶孔或鑄?？?。由于暴露時間較短，孔洞規模較小，受后期膠結作用的影響，孔隙常被方解石充填。順托1井和順南3井鷹山組亮晶砂屑灰巖中見淺灘受選擇性溶蝕形成的鑄?？?，后期被方解石充填(圖4-C、D)。

3.1.4 示頂(底)構造

示頂(底)構造多在微觀尺度下觀察到，可見孔隙內堆積兩種沉積物，下部為泥微晶方解石，顏色深，而上部則充填亮晶方解石。順南3井及順南2井鷹山組見準同生期大氣淡水選擇性溶蝕作用，后期孔隙被亮晶方解石充填(圖4-E、F)。在準同生期選擇性溶蝕形成的示頂(底)構造，代表一期短暫暴露，可作為四級層序界面劃分標志。

3.1.5 淡水膠結物

鷹山組為海相碳酸鹽巖臺地沉積產物，淡水膠結物的出現意味著海平面下降，并受到了大氣淡水的影響，可作為短期海平面下降、經歷暴露溶蝕的證據。未完全固結的沉積物出露地表，大氣降水導致部分碳酸鹽巖礦物溶解并重新沉淀、結晶形成亮晶方解石，其形態表現為馬牙狀、片狀、短柱狀以及粒狀。如順南2井可見明顯的淡水膠結物，表現為環邊方解石膠結(圖4-G)和等軸粒狀方解石膠結(圖4-H)。

圖4 順北—順南地區鷹山組四級層序界面特征Fig.4 Characteristics of the fourth-order sequence boundary of Yingshan Formation in Shunbei-Shunnan area(A)短期暴露不整合面，順南501井，深度6 295.73 m；(B)弱沖刷侵蝕面，古隆3井，深度6 148.48 m；(C)含生屑微亮晶砂屑灰巖，后期亮晶方解石充填生物體腔孔，順托1井，深度7 672.30 m； (D)亮晶砂屑灰巖，生屑孔被選擇性溶蝕，后被亮晶方解石充填，順南3井，深度7 312.10 m；(E)亮晶砂屑灰巖，孔隙內見示底構造，后期被亮晶方解石膠結充填，順南3井，深度7 559.60 m；(F)泥晶灰巖中的示頂(底)構造，滲流帶，順南2井，深度6 801.57 m；(G)亮晶砂屑灰巖，顆粒邊緣等軸粒狀環邊方解石膠結，顆粒間嵌晶膠結，順南2井，深度6 377.8 m；(H)亮晶砂屑灰巖，第一期為纖柱狀等厚環邊，第二期為粒狀方解石，順南2井，深度6 601.57 m；(I)褐鐵礦化亮晶砂屑灰巖，順6井，深度6 617.4 m

3.1.6 暴露氧化作用

碳酸鹽沉積物暴露地表，受到大氣降水作用的同時，氧化作用也極其發育，尤其是泥質含量高的灰巖更易發生氧化作用，褐鐵礦(表現為紅色)便是暴露氧化作用的典型產物。順6井見褐鐵礦化亮晶砂屑灰巖(圖4-I)，是典型的暴露氧化作用。

3.1.7 巖性、巖相轉換面

巖性和巖相的突變意味著沉積環境的改變，形成于進積與退積作用轉換階段[25]。巖性、巖相轉換面在露頭和巖心上較易識別，測井曲線上也有明顯變化，如表現為漏斗形曲線的頂部[26-27]。順北—順南地區鷹山組巖相轉換面包括多種類型，也最為發育，如順南1井泥晶灰巖與云質灰巖之間的巖性轉換面(圖5-A)，順南2井鷹山組中云質灰巖與泥晶灰巖轉換面等(圖5-B)。

3.2 地震剖面上四級層序界面的反射特征

圖5 順北—順南地區鷹山組巖性、巖相轉換面Fig.5 Lithology and lithofacies transition plane of Yingshan Formation in Shunbei-Shunnan area

圖6 493測線三維地震剖面上鷹山組四級層序界面特征Fig.6 Characteristics of the fourth-order sequence interface of Yingshan Formation in crossline 493 3D seismic profile

4 鷹山組四級層序劃分

4.1 四級層序劃分方案

我們通常研究三級層序，因為三級層序內包含了一套成因上有聯系的地層[28]。三級層序時間跨度通常為1～3 Ma，即在此時限內經歷了一次相對明顯的海平面變化。每個完整的三級層序由3種體系域(LST、TST、HST)所組成，每個三級層序內又可包含多個四級層序。四級層序反映了更精細的相對海平面升降變化過程所形成的一套沉積，其劃分更為精細，時間跨度更短，屬于高頻層序的范疇。

本文根據層序地層學理論，充分考慮“鉆井資料、地震剖面”層序劃分的可操作性，在四級層序界面劃分基礎上，建立順北—順南地區鷹山組四級層序劃分方案；在三級層序地層格架內識別出5個四級層序界面(FSB1、FSB2、FSB3、FSB4和FSB5)，進一步將鷹山組劃分為4個四級層序，自下而上分別為FSQ1、FSQ2、FSQ3和FSQ4(圖7)。

4.2 四級層序劃分實踐

在四級層序界面識別和劃分方案建立的基礎上，多資料(鉆井和地震資料)、多方法并用，相互驗證、相互約束，系統開展順北—順南地區鷹山組四級層序劃分實踐。

圖7 順北—順南地區鷹山組四級層序劃分方案Fig.7 Stratigraphic division scheme for the fourth-order sequence of Yingshan Formation in Shunbei-Shunnan area

4.2.1 鉆井上四級層序劃分實踐

相較于野外剖面，鉆井上缺少連續的取心資料，巖性劃分也更粗略。為了更好地開展四級層序地層學研究，要充分利用鉆井的測井資料?？衫米匀毁ゑR(GR)測井數據及K、Th、U數據，分別采用Fischer圖解法、小波分析法開展四級層序劃分。

a.Fischer判別法四級層序劃分

Fischer圖解是對自然伽馬測井曲線采用一階差分計算，并選取極值點的方法[29]，可定量求取任一井下深度域中高頻沉積旋回的個數和厚度。本文對順南7井開展Fischer圖解分析，以確定其相對海平面變化情況。對順南7井 6 592.8～7 203.295 m深度的GR曲線數據進行研究，共采集數據 4 890個，采樣間隔為0.125 m，GR值為7.343～31.115 API。通過五點平滑濾波公式排除曲線上的毛刺干擾[29]，采用一階差分計算并選取171個極值點[30]。圖解分析中，平均旋回厚度累積偏移量為縱坐標、深度為橫坐標，根據其偏移量可將鷹山組劃分2個三級層序，進一步識別出4個四級層序(圖8)。四級層序表現為不對稱性，FSQ1和FSQ2時期海平面早期緩慢上升，晚期快速下降；FSQ3和FSQ4時期為快速海侵和緩慢海退的過程。

b.小波變換分析法四級層序劃分

以測井資料中K、Th、U的含量為基礎開展小波分析，確定沉積體高頻旋回特征，也是四級層序劃分的常見方法[31-34]。本文以古城4井為例，測井數據中K、Th、U的質量分數分別為(0.23～1.634)×10-6、(0.817～5.58)×10-6和(0.625～1.94)×10-6。其中Th的變化范圍相對較大，U的波動范圍次之，K的變化最小，選取Th/U(含量比值)進行小波分析。為獲得更清晰的旋回特征，采用滑動平均濾波法，對Th/U曲線進行平滑處理。之后采用Meyer小波變換獲得12條離散小波曲線。小波曲線的波峰為相對最大海平面，波谷為最低海平面，即層序界面；d10曲線振蕩趨勢與四級層序的海平面變化相吻合，進而劃分出4個四級層序。FSQ1和FSQ2時期海平面早期緩慢上升、晚期以快速下降為主，FSQ3和FSQ4時期海平面早期快速上升、晚期以緩慢下降為主(圖9)。古城4井小波變換劃分層序的結果與Fischer圖解劃分的四級層序結果較為接近，證明此種方法應用于四級層序劃分是可靠的。

圖8 順南7井鷹山組Fischer圖解四級層序劃分Fig.8 The fourth-order sequence division of Yingshan Formation in Well Shunnan 7 based on Fischer diagram

4.2.2 地震剖面上四級層序劃分實踐

根據巖石類型與波阻抗大小相關性分析，順北—順南地區鷹山組地震響應具有韻律性特征。在鉆井四級層序劃分基礎上，將鉆井四級層序標定于地震剖面之上。在地震剖面上可以看出，連續波谷同相軸代表海侵體系域響應特征，而上部弱振幅雜亂黏結特征的波組代表高位體系域響應特征。利用此地震反射規律，在四級層序界面識別基礎上，地震剖面上鷹山組亦劃分出4個四級層序。如過順南6井的地震剖面，鉆井和地震剖面上均劃分為4個四級層序，測井曲線和地震剖面上層序界面、巖性和四級層序各體系域對應關系比較好(圖10)，表現為：較為連續的波谷與中-低水動力條件的巖性相對應，為TST沉積；連續性差、振幅弱的波組與高能的顆粒灘相沉積相對應，為HST沉積。

4.3 四級層序對比

在上述井震資料四級層序劃分基礎上，分別對順8北、順北、順1、順南1、順南2共5個三維地震勘探區開展四級層序劃分，進而開展不同三維地震勘探區四級層序對比研究(圖11)。研究表明：順1、順南1和順南2三維地震勘探區四級層序分布穩定，4個四級層序(FSQ1、FSQ2、FSQ3、FSQ4)均發育完整。而在研究區北部的順8北和順北三維地震勘探區由下向上依次發育3個四級層序(FSQ1、FSQ3和FSQ4)，四級層序發育不完整，缺失FSQ2。

圖9 古城4井鷹山組小波分析與四級層序劃分Fig.9 Wavelet analysis and sequence division for Yingshan Formation in Well Gucheng 4

圖10 過順南6井的地震剖面上四級層序劃分Fig.10 Seismic division of the fourth-order sequence through Well Shunnan 6

5 地質意義

5.1 鷹山組四級層序界面的成因意義

在四級層序界面物質表現形式及特征研究基礎上，詳細研究關鍵四級層序界面的空間變化特征，即同一界面在不同相帶的特征，有助于詳細分析層序內體系域的巖石微相組成、沉積微相時空演化；進而對于認識短期相對海平面變化所形成的層間巖溶儲層、臺地邊緣礁灘儲層時空演化及成因具有重要的理論意義和實際價值。順北—順南地區鷹山組具有局限臺地→開闊臺地→臺地邊緣→斜坡→盆地的沉積相帶展布，層序界面具有局部暴露不整合面(不整合)→巖性、巖相轉換面(整合)→淺灘暴露不整合面(不整合)→弱沖刷侵蝕面→整合面的平面分布特征(圖12)。在鷹山組四級層序格架內，與局部暴露不整合面、淺灘暴露不整合面相關的沉積組合，可發育高位域晚期的(準)同生期大氣淡水淋濾溶蝕作用，形成粒內溶孔及鑄?？?。與四級層序界面相關的溶蝕作用，相較于三級和二級層序界面溶蝕作用則更弱、也更隱蔽。

5.2 鷹山組四級層序格架為準同生期巖溶儲層預測提供方法和依據

層序地層格架是盆地內沉積層序單元的幾何形態及相互組合關系，將同時代形成的巖層有序地納入相關年代的時間地層格架中進行等時地層對比。從順北—順南地區三維地震勘探區(順8北、順北、順1、順南1、順南2)鷹山組四級層序地層格架可以看出(圖13)，順8北和順北在FSQ1和FSQ3層序之間缺失FSQ2，反映其經歷了一次海平面下降，造成整個順北地區FSQ2的缺失，以及FSQ1高位體系域的暴露剝蝕。因此，建立高頻層序地層格架，了解層序的空間分布，可以為準同生期巖溶儲層的預測提供依據。

圖11 順北—順南地區鷹山組不同三維地震勘探區四級層序對比圖Fig.11 Comparison of the fourth-order sequences of Yingshan Formation in different 3D seismic exploration areas in Shunbei-Shunnan area, Tarim Basin

圖12 一次海平面升降變化臺地不同位置層序界面的表現形式Fig.12 The expression of a sea-level rise and fall at sequence interfaces at different positions on the platform

5.3 鷹山組四級層序研究對有利勘探區帶預測的指示意義

四級層序的識別和劃分對沉積學和油氣勘探都有重要意義[35-37]，尤其表現在與優質儲層相帶的密切關系[38-39]，以及層序格架對油氣成藏的重要指示作用[37]，例如高位體系域往往更有利于儲層發育[13]。通過三維地震資料的精細解釋，臺內灘體主要表現為在中-弱振幅雜亂背景下的丘狀反射，臺內灘在四級層序的海侵期和高位期均有發育，但海侵期和高位期臺內灘發育規模存在顯著差異。海侵期臺內灘規模小、平面上分散分布，高位期臺內灘規模大、平面分布更集中(圖14)。同時，與高位域相關的四級層序界面控制了“暴露灘體”儲集性能。高位域發育的臺內灘體更易受大氣淡水改造，發生(準)同生期溶蝕作用，可形成優質儲層。與四級層序界面疊合的高位域臺內灘體是勘探的有利區帶，尤其是高位域晚期經歷過暴露的巖溶儲層。

圖13 順北—順南地區鷹山組不同三維地震勘探區四級層序格架Fig.13 Establishment of the fourth-order sequence stratigraphic framework of Yingshan Formation in Shunbei-Shunnan area, Tarim Basin

圖14 順南1—順南2三維地震勘探區FSQ1四級層序高位域典型礁灘體地震響應特征Fig.14 Seismic response characteristics of typical reef and beach bodies in HST of FSQ1 fourth-order sequence in Shunnan-1-Shunnan-2 3D areaFSB.四級層序界面; FMFS.四級層序海泛面

6 結 論

a. 塔里木盆地順北—順南地區鷹山組發育7種四級層序界面，包括：短期暴露溶蝕作用面、弱沖刷侵蝕面、準同生期選擇性溶蝕孔隙、示頂(底)構造、淡水膠結物、暴露氧化作用及多種巖性、巖相轉換面。順北—順南地區鷹山組中發育5個四級層序界面，劃分為4個四級層序。

b. 利用多資料、采用多方法，相互驗證、相互約束開展順北-順南地區鷹山組四級層序劃分實踐。鉆井上采用Fischer判別法和小波變換分析法相互驗證，在鷹山組中劃分出4個四級層序。將鉆井層序劃分標定于地震剖面，約束地震剖面上層序界面識別和層序劃分，地震剖面上亦劃分出4個四級層序。鉆井和三維地震剖面上鷹山組的4個四級層序，彼此間具有良好的對應關系。

c. 系統討論了四級層序界面的成因意義、四級層序研究的地質意義。與四級層序界面相關的溶蝕作用主要發生在高位域晚期，以發生(準)同生期大氣淡水淋濾溶蝕，形成粒內溶孔及鑄?？诪樘卣?。與四級層序界面疊合的高位域晚期臺內灘相帶是勘探的有利方向，尤其是高位域晚期經歷過暴露的巖溶儲層。