筠連地區上二疊統樂平組層序地層及沉積相研究

王 偉，何金先*，張曉麗，李聚豪，黃正鑫，孫沛琳，宋佳遙

（1.中國礦業大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州 221116； 2.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇徐州 221116）

0 引言

滇黔川三省交界處為我國南方地區重要的聚煤區域。該區大量煤炭資源形成于晚二疊世［1-2］。位于該位置核心區域的筠連地區是典型的多煤層發育區［3］，具有發育廣泛且穩定的煤層，煤熱演化程度高，是煤系氣聚集成藏的良好區域［4-6］。

煤層形成多受控于物源及可容空間的影響，二者與沉積環境關系密切，三角洲相、潮坪相等海陸過渡相有物源供給，伴隨海平面上升，可為泥炭堆積提供可容空間，從而形成煤層［7］。沉積環境控制儲層物性，為煤系氣的運移及儲存提供了條件［8］。前人認為障壁海岸、潮坪相和三角洲相多發育泥巖頂板，封蓋性強，更利于煤系氣保存且自海向陸煤系氣成藏條件逐漸變差［9-12］。合理地地層劃分與對比、層序劃分可為恢復古地理環境、預測油氣儲存的有利層段、探討煤層成因及聚煤規律等地質研究提供參考［13-15］。煤層聚集、氣藏保存等受沉積環境、構造活動等多重因素的影響。筠連地區構造簡單。沉積環境是影響該區煤系氣發育的重要因素。前人針對研究區樂平組沉積相展布及沉積旋回做出相關工作，認為研究區下部發育河流-湖泊相，上部發育潟湖-潮坪相［1，3-4］。通過粒度分析、巖心觀察等方式，部分學者認為樂平組下部發育湖泊相，上部發育潮坪相，而潟湖相上下均有分布。明確研究區沉積相展布尤為重要。關于該區的沉積旋回研究，曾有學者通過探討沉積相在垂向上的組合關系，劃分出10 個沉積旋回，并發現每個沉積旋回均與煤層聚集有關［16］。沉積旋回對煤層聚集有一定的控制作用，因此探究研究區層序地層格架具有重要意義。研究區煤層開發程度較高，煤系氣資源的開發受限于煤層聚集規律及煤系氣儲集的研究。探討研究區沉積相、建立層序地層格架，明確煤系氣資源主控因素可為其深度開發獻力。

本文對研究區含煤地層的命名歷史沿革進行了梳理，明確了該含煤地層的具體歸屬；利用測井和巖心資料，結合前人研究成果，劃分了區內地層層序；以Ⅲ級層序為框架，分析了各層序內沉積相展布特征，針對研究區內煤層及砂巖儲層的地層層序及沉積相展開研究，以期為煤系氣有利區預測提供沉積學依據。

1 區域地質概況

筠連地區位于四川省南部筠連縣境內，構造位置處于四川盆地南緣（圖1），婁山斷褶帶與川南低陡褶皺帶的過渡地帶。東依川東高陡褶皺帶，西接川西南低陡褶皺帶，南為婁山斷褶帶［17-20］，鄰區主要發育北西-南東向的長寧背斜、東西向的羅場向斜、落木柔背斜、南北向的筠連鼻狀背斜和雙河場背斜［2，21-22］。區內出露地層主要為二疊系、三疊系和侏羅系。上二疊系宣威組，或稱樂平組，是該區重點含煤地層，下伏地層為峨眉山玄武巖或茅口組，上覆地層為三疊系飛仙關組［1-2，18，22-23］。

圖1 研究區構造綱要圖［18，20-21，24］Figure 1 Structural outline map of the study area［18，20-21，24］

2 地層及層序劃分

2.1 地層劃分與對比

與滇東地區整體的陸相沉積和重慶等東部地區整體的海相沉積類型不同，筠連地區晚二疊世早期以陸相沉積為主，晚期則以海陸過渡相為主，其沉積組合獨特［25］。

諸多學者對于這套地層的歸屬問題看法不一，導致該區地層劃分及命名存在一些爭議。自1941年開始，諸多學者對該套地層開展了大量研究工作（表1），區內該套地層的命名主要存在兩種觀點，即整體劃分方案及二分方案。整體劃分方案常見樂平組、龍潭組和宣威組。二分方案中，該套地層下部常稱為龍潭組、筠連組和巡司組，上部常稱為長興組、金雞塝組、汪家寨組和興文組。由于研究區煤系整體特征與陸相與宣威組更為相似，因此更傾向于整體劃分方案。浙江油田在筠連地區開展了大量煤層氣與頁巖氣勘探開發工作，本文參考其所使用的術語，故將此煤系稱為樂平組。

表1 筠連地區上二疊統含煤地層劃分沿革Table 1 Evolution of the Upper Permian coal bearing strata division in Junlian Area

該套地層實測剖面資料顯示：含煤地層與下伏峨眉山玄武巖組平行不整合接觸，與上覆三疊系飛仙關組整合接觸［26］。下部巖性以黏土巖與細砂巖為主，上部巖性逐漸過渡為粉砂巖和泥巖，具有水平層理、交錯層理和波狀層理等沉積構造；上部夾潮汐帶古生物化石，具有兩段式特征［32］。

前人依據C5 煤層的發育將宣威組劃分為上下兩段，即以剖面①內的第23 小層底為界，與樂平組相同。對應至剖面②內龍潭組與長興組分界處，具有等時意義。

結合研究區地層劃分和命名歷史，與前人對典型剖面的描述，研究區西部以玄武巖消失，灰色砂巖、粉砂巖或泥巖的出現為標志標定為宣威組底界。以灰色泥巖或粉砂巖的消失，黃色或綠色砂巖或泥巖的出現為標志標定為宣威組頂界。樂平組與下伏峨眉山玄武巖組不整合接觸，與上覆上三疊統飛仙關組整合接觸。該特征與宣威組特征相同，本文認為研究區的樂平組與滇東黔西地區的宣威組為同期沉積（圖2）。

圖2 筠連地區上二疊統含煤地層劃分與對比（修改自參考文獻［14］）Figure 2 Classification and correlation of coal bearing strata in the Upper Permian in Junlian area（modified after reference［14］）

研究區東部以玄武巖或茅口組灰巖消失，含高嶺土的灰色泥巖或頁巖的出現為標志標定為龍潭組底界。以灰色泥巖或粉砂巖的消失，灰巖的出現為標志標定為龍潭組頂界，亦為長興組底界，以灰巖的消失，黃綠色砂巖的出現為標志，定為長興組與飛仙關組的界線。

長興組與龍潭組分界處出現灰巖與泥巖互層現象，該現象向西表現為灰巖的消失，向東則體現為厚層灰巖。綜上，樂平組上部以深色炭質泥巖或薄煤層出現為標志，代表其開始接受潮坪環境的沉積，可與長興組對比。下部可與龍潭組對比（圖2）。

2.2 層序劃分

根據鉆井錄井資料、巖石組合特征、巖相特征、測井標志和古生物特征，識別出研究區含煤巖系層序的各類不整合及整合界面。依據沉積巖石學特征識別區內層序界面，劃分層序結構。經判識，研究區樂平組整體處于一個Ⅱ級層序內。在樂平組內主要發育四個Ⅲ級層序界面。據此，自下而上共識別出四個層序界面，劃分為三個Ⅲ級層序，存在低位、海侵及高位體系域。

2.2.1 層序界面的識別

層序界面類型多樣，在巖石特征、沉積序列、剖面露頭及測井曲線及參數方面都具有不同特征［33-37］，據此對研究區內的層序界面進行分析。

圖3 研究區樂平組主要層序界面類型Figure 3 Main sequence boundary types of Leping Formation in the research area

（1）SB1

該界面是南方地區典型的層序界面。其與中國西南地區的區域性隆升事件有關，即東吳運動主幕，受構造格局影響，古地理格局發生較大變化，導致沉積間斷，產生區域不整合面。這種不整合主要表現于陸相和海陸過渡相中［38-40］，研究區主要表現為樂平組與峨眉山玄武巖組的區域不整合面，為識別良好的層序界面。

（2）SB2

界面處巖性發生突變，界面之下為厚層泥巖，界面之上突變為厚層細砂巖，自然伽馬曲線在此界面處發生變化，界面以上為低幅箱狀，與下伏地層高幅齒化鐘形測井響應呈突變接觸。

（3）SB3

古土壤層（或稱區域沉積間斷暴露面）通常表明該區域內經歷短期暴露并遭受風化剝蝕，往往預示著層序界面［39］。該類界面在測井及巖石學上均有特征［35］。根據研究區內測井及錄井資料，分析發現研究區內多口井內，在8#煤層底部的泥巖中含有大量植物根系化石或植物化石，自然伽馬測井曲線在此處有小幅突變。該層面特征較為明顯，主要處于樂平組上部。

（4）SB4

該界面主要處于樂平組頂部，定義了二疊系與三疊系的界線。界面以上為三疊系飛仙關組沉積物，巖性、顏色及沉積環境均有變化，穿過這一界線，成煤過程中止［41］，此界面可作為三級層序界面。

2.2.2 研究區層序地層格架及特征

通過對研究區內多種層序界面的識別，共存在4 個層序界面，據層序內巖性特征、測井曲線特征等，在各層序內進行體系域劃分，將樂平組劃分為三個Ⅲ級沉積層序及九個體系域，據此做連井剖面（圖4）。

圖4 研究區樂平組層序地層格架連井剖面Figure 4 Sequence stratigraphic framework of Leping Formation and connected well profile in the study area

第一層序（SQ1）以樂平組與峨眉山玄武巖組的區域不整合面與下切谷底部沖刷面為界，層序內發育低位體系域、海侵體系域及高位體系域，低位體系域主要發育河流相砂體及泛濫平原細粒沉積物，海侵體系域中主要發育河漫湖泊或河漫沼澤中的細粒沉積，如泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖等，高位體系域以發育泛濫平原中較粗的沉積物為主，如粉砂巖、細砂巖等。

第二層序（SQ2）以下切谷底部沖刷面及樂平組上部區域沉積間斷面為界，層序內巖性多樣，發育低位體系域、海侵體系域及高位體系域。低位體系域明顯發育較厚，沉積物主要為河漫湖泊及河漫灘中的粉砂巖。海侵體系域向南東方向逐漸減薄至尖滅，高位體系域發育較薄。

第三層序（SQ3）以沉積間斷面及樂平組頂界為層序界面。三種體系域均有發育，但此時海侵體系域占據主導，多層薄煤層在此沉積。此外在此層序內沉積相發生變化，以潮坪沉積環境為主，海侵體系域內發育多層薄煤層、泥巖、炭質泥 巖等細粒沉積。

緩慢的沉降與持續的海侵為泥炭的形成提供了充足的條件［42］。通過層序地層的劃分與分析，研究區樂平組泥炭的聚集與煤層的形成與海侵過程高度相關，區內重點煤層多聚集于海侵體系域中。

3 沉積相類型與特征

沉積相判別一般建立在沉積相標志的基礎之上。沉積相標志包括礦物巖石組合特征、古生物標志、沉積構造和地球物理標志等。沉積巖的各項特性及測井曲線特征可作為反映沉積相的重點標志［43-46］，根據典型井巖石特征、錄井資料，建立研究區測井曲線與沉積相響應關系（圖5），并根據此測井響應特征劃分研究區內沉積微相。以層序地層劃分為基礎，共識別出樂平組潮上帶、潮間帶、泛濫平原、堤岸及河道等重點沉積亞相（表3）。垂向上構成“河流-潮坪”相組合，反映出水動力條件逐漸變弱的沉積序列。

圖5 研究區測井曲線與沉積微相響應關系Figure 5 Relationship between logging curves and sedimentary microfacies response in the research area

表3 筠連地區樂平組沉積相劃分方案Table 3 Sedimentary facies division plan of Leping Formation in Junlian area

3.1 單井相劃分

以J7 井為例，根據巖石組合特征、測井響應特征對其沉積相進行劃分（圖6），采用優勢相法分析認為研究區樂平組SQ1及SQ2沉積期沉積相體現為河流相，SQ3沉積期過渡為潮坪相。

圖6 J7井綜合柱狀圖Figure 6 Comprehensive histogram of well J7

3.1.1 河流相

河流相主要發育于樂平組下部（SQ1 及SQ2 層序內），可見河流相二元結構，包括河道及泛濫平原亞相，其中泛濫平原亞相發育較廣。研究區內河道及泛濫平原沉積交互出現。

其巖石類型以砂巖為主，碎屑粒度是河流相中最粗的，層理發育，類型豐富多彩。缺少動植物化石，僅見破碎的植物枝干等殘體化石，巖體形態具有透鏡狀，底部具有明顯的沖刷界面。

（1）河道亞相

河道亞相巖石類型以砂巖為主，粒度是河流相中最粗的，層理發育且類型多樣。有時可見植物碎片。在研究區中，以邊灘沉積為主，正韻律特征明顯。沉積物粒度較細，以細砂巖、粉砂巖及泥巖為主，表明此時河流能量低。發育交錯層理，間或出現平行層理。測井曲線特征表現出中高幅鐘形或箱形特征。

（2）泛濫平原亞相

泛濫平原亞相分布面積廣，包括河漫灘、河漫沼澤及河漫湖泊三個沉積微相，沉積物類型簡單，粒度較細。層理類型單調，主要為波狀層理和水平層理。常發育于河道之上。河漫灘巖性以灰色或深灰色粉砂巖、泥質粉砂巖為主，部分含有植物碎片化石，發育有水平層理。測井曲線有低—中幅齒化或微齒化特征。河漫沼澤微相以深色泥巖、粉砂質泥巖為主，測井曲線表現出低—中幅齒化的特征。

（3）堤岸亞相

堤岸亞相在研究區內分布范圍較小，主要表現為決口扇沉積，主要分布于天然堤外側，洪泛期間水流沖越天然堤，流速降低能量較小，因此沉積物粒度較細，主要由細砂巖、粉砂巖組成，發育小型交錯層理。自然伽馬曲線常以低—中幅指形為主，曲線呈微齒形。

3.1.2 潮坪相

潮坪相主要發育于樂平組上部（SQ3 層序內），在該沉積層序內多種巖性呈現頻繁交互現象，潮汐層理發育，偶見波狀層理。巖性以灰色—灰黑色粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、炭質泥巖及煤層等為主。韻律特征不明顯，可見生物擾動構造。區內發育潮間帶及潮上帶沉積亞相，包括泥坪、砂坪及混合坪等沉積微相，測井曲線中自然伽馬值表現為中—高幅，呈齒化指形及漏斗形。

砂坪微相以細砂巖、粉砂巖等細粒沉積為主，一般可形成致密砂巖儲層，伽馬曲線表現為低—中幅，可出現指形。潮上帶沼澤為潮坪相中主要的成煤環境，以炭質泥巖和煤巖為主。泥坪常位于低能環境中，以泥質沉積為主。二者伽馬曲線均表現為高幅，形態表現為齒化指形。

3.2 連井相劃分

以單井相分析為基礎，繪制沉積相連井剖面圖（圖6），研究區主要發育兩類沉積相，樂平組SQ1 及SQ2 層序以河流相為主，整體表現為河道亞相向泛濫平原亞相發育的演化趨勢，主要體現為大范圍的泛濫平原亞相。在SQ3 層序內相變為潮坪相，主要發育潮間帶及潮上帶，頻繁的海陸交互使兩種沉積亞相交互發育，沉積物特征也因此變化，造成了多層薄煤層發育。

3.3 沉積相模式

筠連地區上二疊統樂平組為典型的海陸過渡相，筠連以東地區逐漸出現灰巖，反映為海相沉積特征［3］，向西則靠近康滇古陸，沉積相也逐漸過渡為河流相［19］。根據單井沉積相劃分、連井沉積相劃分以及對層序地層格架控制下沉積相發育與展布的探討，以層序為單位建立能夠整合沉積環境、沉積物以及沉積相演化規律的沉積相模式。整體上，筠連地區樂平組下部廣泛發育河流相，上部主要發育潮坪相，從時間角度分析，表現出區域海侵的演化過程。從空間角度來看，自西向東體現出河流-潮坪-潟湖的展布規律。

圖7 研究區沉積相連井剖面圖Figure 7 Profile of sedimentary connected wells in the study area

4 結論

本文以鉆井和巖心資料為基礎，利用層序地層學原理，識別出區內樂平組發育的Ⅲ級層序并劃分層序，構建層序地層格架；利用巖相標志及測井響應特征進行單井相劃分及連井沉積相對比，明確沉積相在各層序內的發育特征。主要取得以下認識：

1）研究區內宣威組、樂平組、龍潭組及長興組存在聯系。通過對比分析認為樂平組與宣威組相當。宣威組可分為兩段，龍潭組與宣威組下段相當，長興組與宣威組上段相當。

2）以四個Ⅲ級層序界面將研究區樂平組劃分為三個Ⅲ級層序，各層序內主要包括低位體系域、海侵體系域及高位體系域，其中低位體系域發育較差，研究區泥炭的聚集受控于層序地層格架，煤層主要發育于第三層序內的海侵體系域中。

3）以研究區層序地層格架的建立為基礎，劃分樂平組沉積相，認為樂平組下部主要表現為河流相，發育河道亞相及泛濫平原沉積亞相；上部表現為潟湖-潮坪相，進一步識別出潮間帶及潮上帶沉積亞相?？傮w表現為河流-潮坪相的演化趨勢，反映出區域性海侵過程。潮間帶與潮上帶的頻繁演化，為研究區內多薄煤層發育的沉積控因。

圖8 筠連地區沉積相模式Figure 8 Sedimentary facies model of Junlian area