董慶民，胡忠貴，蔡家蘭，李世臨，蘇 楠，左洺滔，秦 鵬

(1.長江大學(xué) 沉積盆地研究中心，武漢 430100； 2.中國石油 西南油氣田公司 重慶氣礦，重慶 400021；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

近年來，川東地區(qū)海相碳酸鹽巖油氣勘探取得了重大突破，尤其是普光等一批以礁灘相為儲層的大型氣藏的發(fā)現(xiàn)，展現(xiàn)了該區(qū)良好的勘探潛力，生物礁灘作為油氣儲集體越來越成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點[1-7]。層序地層學(xué)是進行沉積盆地分析和海平面變化研究的重要理論方法，層序地層的發(fā)育與海平面的升降緊密相關(guān)，海平面的變化對于層序發(fā)育及層序界面的識別有重要意義；碳、氧等同位素地球化學(xué)方法在海平面演化對比與反映成巖環(huán)境過程中扮演著十分重要的角色，因此可以作為層序地層劃分和對比的一種指示性標(biāo)志[8-9]。前人對川東地區(qū)上二疊統(tǒng)長興組生物礁灘特征、沉積環(huán)境、儲層及碳氧同位素特征等進行過研究[10-12]，大多是基于區(qū)塊內(nèi)較宏觀的研究，但對局部重點區(qū)域的長興組礁灘相沉積演化模式及其差異性對比尚不充分，而且將層序地層學(xué)與同位素組成特征這2個關(guān)鍵因素綜合分析的研究相對缺乏。本文選取野外出露較好、處于同一臺地區(qū)但不同位置的宣漢盤龍洞、羊鼓洞和渡口3條剖面，在對川東地區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景和層序地層分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合長興組碳酸鹽巖的碳同位素組成，對同位素變化特征與海平面升降變化、層序地層形成演化的關(guān)系進行分析對比，研究了局部重點區(qū)域長興組礁灘相沉積演化模式及其差異性，以期為該區(qū)下一步的油氣藏預(yù)測及開發(fā)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

四川盆地位于揚子準(zhǔn)地臺西部，北部緊鄰秦嶺褶皺帶，西部為松滋—甘孜褶皺帶。自震旦紀(jì)以來，研究區(qū)先后歷經(jīng)了加里東運動、海西運動等多期構(gòu)造運動，區(qū)內(nèi)海相沉積具有多元化的顯著特點，不同區(qū)域、不同地質(zhì)時期所接受的沉積物在沉積及成巖演化后形成了復(fù)雜多樣的儲集巖類型，尤以長興組—飛仙關(guān)組礁灘相儲層最為典型[13]。本次研究的3條剖面自東向西依次為盤龍洞、羊鼓洞和渡口剖面(圖1)，構(gòu)造上屬于大巴山—米倉山前緣地帶。盤龍洞剖面位于四川東北部宣漢縣雞唱鄉(xiāng)附近；羊鼓洞剖面位于宣漢縣龍泉鎮(zhèn)羊鼓洞隧道附近，距盤龍洞剖面約8 km；渡口剖面位于宣漢縣樊噲鎮(zhèn)向東5 km的渡口鄉(xiāng)附近，距盤龍洞剖面約10 km。

2 地層特征與沉積格局

區(qū)域上長興組地層發(fā)育廣泛，是一套以礁相和非礁相并存的沉積體，厚度一般為76～375 m，其中有生物礁發(fā)育的區(qū)域?qū)?yīng)沉積厚度略大。長興組中下部主要發(fā)育灰色中—厚層至塊狀礁灰?guī)r(圖2a-b)、礁云巖(圖2c)、泥晶生屑灰?guī)r(圖2d)、燧石結(jié)核灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和泥晶灰?guī)r等。以盤龍洞剖面為例，該剖面長興組中下部發(fā)育海綿礁灰?guī)r、礁云巖和生屑灰?guī)r，造礁生物主要為海綿，附礁生物有腕足、海百合、蟲筳類及有孔蟲等；上部巖性主要為淺灰色、灰色中—厚層至塊狀(殘余)砂礫屑、鮞粒云巖(圖2e)、晶粒白云巖(圖2f)、含灰云巖和泥晶灰?guī)r等。

圖1 川東地區(qū)晚二疊世長興期沉積格局及研究區(qū)位置

圖2 川東地區(qū)城口—鄂西海槽邊緣帶上二疊統(tǒng)長興組主要巖石類型

特提斯構(gòu)造在晚二疊世時期較為活躍，上揚子板塊西緣因峨眉山玄武巖大范圍噴發(fā)而發(fā)展成陸地，因此四川盆地總體上呈現(xiàn)西高東低的古地貌特征[14]。盆地西側(cè)海水較淺，東側(cè)海水深，沉積區(qū)由西向東依次為陸相區(qū)、海陸交互相區(qū)、海相區(qū)沉積。在此期間，四川盆地處于拉張伸展構(gòu)造環(huán)境下，臺內(nèi)斷陷活動發(fā)育，在上揚子板塊發(fā)育南充—綿陽、開江—梁平和城口—鄂西3個呈北西—南東方向展布的拗拉槽，整體形成了“槽臺相間”的古地理格局[15]。研究區(qū)主要位于城口—鄂西海槽西側(cè)，自海槽向臺地方向，沉積相帶由陸棚—盆地向開闊臺地相展布(圖1)。由于研究區(qū)在長興組沉積期整體處于低緯度區(qū)，充足的有機物質(zhì)及古溫度適合生物發(fā)育，在海槽兩側(cè)發(fā)育較大范圍的生物礁及生屑灘相沉積。

3 層序地層劃分

3.1 層序界面類型

層序和體系域邊界的判別以及分析層序的結(jié)構(gòu)特征是明確層序地層格架的基礎(chǔ)[16]。VAIL依據(jù)構(gòu)造沉降和海平面升降變化相關(guān)聯(lián)系對被動大陸邊緣盆地進行研究，劃分出Ⅰ型和Ⅱ型2種層序界面。值得注意的是同一類型的層序界面其表示方式也可能存在較大差異，比如Ⅰ型界面，劃分為角度不整合面或平行不整合面；Ⅱ型層序界面可劃分為暴露不整合面或巖性—巖相轉(zhuǎn)換面[17]?；诼额^剖面觀察及鉆井資料分析，將研究區(qū)層序界面劃分為暴露不整合和淹沒不整合層序界面2種類型。

3.1.1 暴露不整合層序界面

局部暴露不整合層序界面發(fā)育于長興組的中上部，與長一段、長二段和長三段的分界面一致。此時研究區(qū)為一套碳酸鹽臺地沉積，由于海平面的小范圍下降而導(dǎo)致生物礁灘體頂部局部暴露，形成不連續(xù)的沉積間斷面[8]，考慮區(qū)域?qū)Ρ却祟惤缑鎸儆冖蛐蛯有蚪缑妗?/p>

城口—鄂西海槽邊緣帶局部暴露不整合層序界面主要表現(xiàn)為：①界面下部為臺緣灘亞相生屑灰?guī)r，界面上部為灘間亞相泥晶灰?guī)r，此類型層序界面發(fā)育于臺地邊緣淺灘環(huán)境；②界面下部為微晶—粉晶白云巖，這是由于發(fā)育白云石化作用的結(jié)果，界面上部為臺緣灘亞相粉—細晶砂屑灰?guī)r，此類型層序界面發(fā)育于臺地邊緣生物礁—臺地邊緣淺灘環(huán)境；③界面下部為臺緣灘亞相生屑灰?guī)r，界面上部為灘間燧石結(jié)核灰?guī)r，此類型層序界面發(fā)育于臺地邊緣淺灘環(huán)境。

3.1.2 淹沒不整合層序界面

淹沒不整合層序界面最早是在TUCKER提出淹沒型臺地的基礎(chǔ)上，由SCHLAGER將其界面定名為“淹沒不整合面”，此后梅冥相等部分國內(nèi)學(xué)者也證實了淹沒不整合層序界面的存在。淹沒不整合層序界面主要是因碳酸鹽巖沉積速度小于海平面上升速度，碳酸鹽巖的沉積發(fā)育遭受限制而造成的一種沉積間斷面[17]。從成因上判斷此類層序界面亦屬于Ⅱ型層序界面。

城口—鄂西海槽邊緣帶淹沒不整合層序界面表現(xiàn)為：①臺地內(nèi)部的淹沒不整合界面，見于長興組與下伏吳家坪組分界處，兩者之間為巖性—巖相轉(zhuǎn)換界面，界面下部為吳家坪組泥—微晶灰?guī)r夾硅質(zhì)條帶互層，界面之上為泥質(zhì)灰?guī)r或生屑泥晶灰?guī)r；②臺地內(nèi)部的淹沒不整合界面，見于飛仙關(guān)組與下伏長興組分界處，兩者之間亦為巖性—巖相轉(zhuǎn)換界面，界面下部主要發(fā)育生屑微晶灰?guī)r、灰質(zhì)云巖或微晶云巖，界面上部為灰質(zhì)云巖、泥質(zhì)灰?guī)r或泥質(zhì)云巖。

3.2 層序地層劃分

研究區(qū)長興組為一套由碳酸鹽緩坡向碳酸鹽臺地轉(zhuǎn)化的沉積，基于地震及鉆井資料，結(jié)合3條典型露頭剖面進行層序界面識別及層序地層分析，將長興組劃分為2個三級層序(自下而上依次為SQ1和SQ2)，并進一步根據(jù)巖相變化特征細分為5個四級層序(自下而上依次為sq1、sq2、sq3、sq4和sq5)，海侵體系域和高位體系域界線明顯(圖3)。

盤龍洞和羊鼓洞剖面長興組sq1—sq2由碳酸鹽緩坡—臺地邊緣生物礁沉積構(gòu)成，sq1—sq2內(nèi)海侵體系域和高位體系域發(fā)育。海侵體系域主要由淺水緩坡亞相的微晶灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r組成，夾硅質(zhì)條帶；高位體系域主要由礁基及礁核亞相的生屑灰?guī)r、礁灰?guī)r、礁云巖組成。渡口剖面長興組sq1—sq2為一套碳酸鹽緩坡—開闊臺地相沉積，海侵體系域發(fā)育淺水緩坡亞相的泥晶灰?guī)r，高位體系域主要由臺內(nèi)灘亞相的生屑灰?guī)r和潮下亞相的泥晶灰?guī)r組成。

進入sq3時期后，只發(fā)育高位體系域而無海侵體系域存在。盤龍洞剖面在此時期仍為一套臺地邊緣生物礁相，發(fā)育完整的礁基、礁核、礁頂亞相；巖性主要為礁灰?guī)r、砂屑泥晶灰?guī)r、微晶—粉晶云巖。羊鼓洞剖面和渡口剖面則無生物礁發(fā)育，羊鼓洞地區(qū)已進入臺地邊緣淺灘沉積，主要發(fā)育臺緣灘亞相的生屑灰?guī)r沉積；渡口地區(qū)為一套開闊臺地沉積，主要由潮下亞相的泥晶灰?guī)r和臺內(nèi)灘亞相的生屑灰?guī)r沉積組成。

隨著臺地邊緣生物礁沉積的結(jié)束，研究區(qū)進入sq4時期，sq4內(nèi)部發(fā)育海侵體系域和高位體系域。盤龍洞和羊鼓洞剖面為臺地邊緣淺灘沉積，盤龍洞剖面海侵體系域及高位體系域主要由臺緣灘亞相的砂屑灰?guī)r和砂屑沉積組成，中部夾薄層的鮞?；?guī)r；羊鼓洞剖面海侵體系域主要發(fā)育灘間亞相的泥晶灰?guī)r沉積，高位體系域是由臺緣灘和灘間亞相的生屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r沉積組成。渡口剖面與前兩者存在較大的區(qū)別，渡口剖面在海侵及高位體系域主要為潮下亞相的燧石結(jié)核灰?guī)r及泥晶灰?guī)r沉積，在頂部發(fā)育白云巖。

由于古地貌形態(tài)及沉積相帶的差異，渡口剖面在sq5時期進入開闊臺地—局限臺地沉積，sq5內(nèi)發(fā)育海侵和高位體系域，海侵和高位體系域由潮下亞相的泥晶灰?guī)r和潮坪亞相的白云巖沉積組成。羊鼓洞及盤龍洞剖面在該層序仍由臺地邊緣淺灘沉積構(gòu)成，不同的是羊鼓洞剖面在sq5內(nèi)亦存在海侵和高位體系域，其由灘間亞相的泥晶灰?guī)r和白云巖沉積組成；而盤龍洞剖面在sq5內(nèi)部只發(fā)育高位體系域，高位體系域主要由臺緣灘亞相和灘間亞相的砂屑灰?guī)r、白云巖沉積組成。

4 層序地層與碳同位素響應(yīng)特征

4.1 同位素組成的影響因素

研究表明，碳同位素值(δ13C)與介質(zhì)古鹽度關(guān)系密切，兩者存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，δ13C值隨介質(zhì)鹽度升高而升高，且海水中的硫酸鹽含量對δ13C也有部分影響，在海水中硫酸鹽含量高的情況下，硫酸鹽產(chǎn)生的還原作用使有機質(zhì)發(fā)生氧化，因此海水含大量12C的物質(zhì)，使得δ13C降低[20]。此外，海相碳酸鹽巖的δ13C與有機碳埋藏速度也具有明顯相關(guān)關(guān)系，有機碳中往往含大量較輕的碳同位素12C，當(dāng)海洋生物生長繁盛時，便會有大量有機碳被埋藏下來，使得自然界碳庫中多余的12C被有機碳吸收，自然界碳庫中的13C含量相對增多，與其相對平衡的海水中的無機碳的13C也會增多，即δ13C相對增大，所以生物的興衰對δ13C具有重要的影響。同時海洋中有機碳的埋藏量與海平面升降變化有密切關(guān)系，海平面升高期間，一方面使得有機碳的埋藏量增多，另一方面導(dǎo)致陸地還原面積增大，有機質(zhì)中的12C迅速被埋藏，從而使得與之平衡的碳酸鹽巖的δ13C亦相應(yīng)增高[21-22]。因此，碳酸鹽巖碳同位素組成變化與海平面升降變化之間具明顯響應(yīng)特征。

4.2 碳同位素響應(yīng)特征

研究區(qū)長興組沉積期碳酸鹽巖δ13C為-1.876‰～5.566‰，在5個四級層序及層序內(nèi)部的體系域中，碳酸鹽巖δ13C存在明顯的區(qū)別。長興組發(fā)育一套由碳酸鹽巖緩坡轉(zhuǎn)化為碳酸鹽巖臺地相沉積，長興組沉積期海平面的升降幅度較大，最大幅度差達到7.442‰，此時海平面呈下降趨勢，碳同位素有明顯減小的趨勢，反映了碳同位素值與相對海平面升降有較好的響應(yīng)特征(圖3)。

圖3 川東城口—鄂西海槽邊緣帶長興組層序地層劃分及碳同位素地球化學(xué)響應(yīng)特征

長興組沉積初期，由東北向西方向發(fā)生大規(guī)模的海侵，大致對應(yīng)于sq1中的海侵體系域，碳同位素值也呈現(xiàn)增加的趨勢，增加幅度在0.03‰～1.488‰左右，此時其相應(yīng)的δ13C為3.447‰～4.806‰，表現(xiàn)出碳同位素值具高賦值的特征。從sq1中的海侵體系域之后，一直到sq3時期，研究區(qū)一直處于高位體系域之中，海平面不斷的下降，碳同位素值整體也處于下降的趨勢，中間存在小范圍的波動。緊接著，海退轉(zhuǎn)為海侵，大致對應(yīng)于sq4中的海侵體系域，碳同位素值呈現(xiàn)增加的趨勢，繼長興中晚期海侵之后，水動力條件繼續(xù)動蕩，同時在大規(guī)模的海退背景下，研究區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榕_地邊緣淺灘相和開闊臺地相沉積，大致對應(yīng)于sq4—sq5中的高位體系域，碳同位素值不斷下降。與盤龍洞和羊鼓洞剖面不同的是，渡口剖面在sq5內(nèi)部還存在較明顯的海侵，對應(yīng)于碳同位素值有上升趨勢。

對川東地區(qū)長興組地層剖面不同相帶采取由底到頂系統(tǒng)采樣，在采樣過程中采集新鮮樣品，并避開構(gòu)造斷裂帶、方解石脈及溶洞等部位，以保證樣品的有效性。數(shù)據(jù)分析在長江大學(xué)湖盆沉積實驗室的DELTA V Advantage氣體同位素比質(zhì)譜儀上采用磷酸法進行實驗分析，分析結(jié)果相對于PDB標(biāo)準(zhǔn)，δ13C測定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.2‰；同時本文在研究碳同位素組成中也使用了部分白云巖樣品。在前人的報道中顯示，白云巖的碳同位素可以反映當(dāng)時海水的原始值，而氧同位值相較于碳同位素更易發(fā)生變化[2]。

綜上所述，研究區(qū)層序內(nèi)海侵體系域δ13C呈現(xiàn)出由低到高的特征，而在高位體系域期間，δ13C具由高到低的變化，可見δ13C與海平面升降變化存在明顯的響應(yīng)特征，并且當(dāng)海平面升降幅度較大時，δ13C也會出現(xiàn)較大的波動。

5 礁灘發(fā)育模式

5.1 四級層序sq1礁灘發(fā)育模式

長興組沉積早期，研究區(qū)內(nèi)典型露頭剖面為淺水緩坡沉積，隨著相對海平面由上升至下降期間，盤龍洞和羊鼓洞剖面轉(zhuǎn)換為碳酸鹽臺地沉積，而渡口剖面轉(zhuǎn)為開闊臺地沉積。在此時海水相對較深，盤龍洞和羊鼓洞剖面造礁生物發(fā)育較少，布局呈現(xiàn)出不均勻狀，此套礁灘體發(fā)育在由生屑灘組成的礁基之上，礁核由造礁生物捕捉碳酸鹽灰泥及生物碎屑形成的障積巖為主，沉積厚度較小。渡口剖面在sq1時期主要發(fā)育由泥晶灰?guī)r及生屑灰?guī)r互層組成的臺內(nèi)灘沉積(圖4)。

5.2 四級層序sq2礁灘發(fā)育模式

sq2主要由高位體系域組成，無海侵體系域發(fā)育，盤龍洞和羊鼓洞剖面為一套臺地邊緣生物礁沉積。此階段生物礁發(fā)育在第一期生物礁的基礎(chǔ)上，古地貌相對較高，水動力條件較強。此時造礁生物繁盛，腕足類等生物大量發(fā)育；其后海平面不斷下降，鈣質(zhì)海綿等造礁生物在硬質(zhì)基底上陸續(xù)發(fā)育，同時由于水體變淺而水動力變強，其結(jié)果是形成有效的抗浪格架，其中第二期生物礁達到最發(fā)育階段，沉積厚度相對也較大。盤龍洞剖面由障積礁—骨架礁的沉積旋回，以及有生屑灘沉積作為礁基；而羊鼓洞剖面僅由障積礁沉積旋回組成。渡口剖面為一套開闊臺地沉積，無生物礁發(fā)育，巖性以生屑灰?guī)r和泥晶灰?guī)r為主。

圖4 川東地區(qū)渡口—羊鼓洞—盤龍洞剖面礁灘發(fā)育模式

5.3 四級層序sq3礁灘發(fā)育模式

sq3同樣是由高位體系域組成，盤龍洞剖面持續(xù)發(fā)育生物礁，由礁基、礁核、礁蓋組成完整的生物礁沉積旋回，造礁生物的類別相較于上一期呈大幅度減少，沉積厚度也相應(yīng)變薄。礁的發(fā)育與沉積模式具有明顯的規(guī)律性，在粒屑灘形成礁基的基礎(chǔ)上，海綿、水螅等造礁生物開始生長成礁，再次經(jīng)過波浪破壞、死亡、鈣質(zhì)藻類的粘結(jié)、重新生長等階段，形成呈塊狀的骨架礁。由于骨架礁生長速度大于海平面上升速度而導(dǎo)致其出露水面干死，在頂部發(fā)育由微晶—粉晶云巖組成的礁頂沉積，至此，長興組生物礁發(fā)育進入尾聲。羊鼓洞剖面由于古地貌等原因，在sq3時期是由生屑灘組成的淺灘沉積旋回；而渡口剖面淺灘是由靜水泥+生屑灘組成的淺灘沉積旋回。

5.4 四級層序sq4礁灘發(fā)育模式

研究區(qū)內(nèi)羊鼓洞和盤龍洞剖面在sq4時期進入臺地邊緣淺灘沉積，渡口剖面仍為開闊臺地沉積。臺緣帶與臺內(nèi)差異較明顯，盤龍洞剖面在sq4期內(nèi)發(fā)育粒屑灘+鮞粒灘沉積旋回；羊鼓洞剖面灘相沉積一般由粒屑灘+灘間組成，渡口剖面由于處于臺地內(nèi)部，主要由潮下沉積組成，無顆粒灘發(fā)育。

5.5 四級層序sq5礁灘發(fā)育模式

盤龍洞剖面第二期淺灘沉積在第一期基礎(chǔ)上持續(xù)發(fā)育，sq5早期以粒屑灘沉積為主，巖性主要為亮晶砂屑灰?guī)r；中期由于海平面升降幅度大，導(dǎo)致顆粒灘云化作用明顯，儲層較發(fā)育；發(fā)展至晚期，海平面持續(xù)下降，發(fā)育潮坪微相，巖性為泥—微晶白云巖。在sq5時期羊鼓洞剖面整體為灘間亞相組成；渡口剖面由開闊臺地環(huán)境轉(zhuǎn)為局限臺地環(huán)境，主要發(fā)育靜水泥和云坪微相。典型露頭剖面頂部由于受白云石化作用而發(fā)育白云巖，總體而言，盤龍洞剖面礁灘云化作用最為強烈。

6 結(jié)論

(1)川東地區(qū)城口—鄂西海槽邊緣帶長興組底部為一套碳酸鹽緩坡沉積，向上轉(zhuǎn)化為一套碳酸鹽臺地沉積。研究區(qū)長興組可劃分為2個三級層序，5個四級層序；該區(qū)層序界面可劃分為局部暴露不整合和淹沒不整合2種類型，界面組合特征可細分為5種表現(xiàn)形式。

(2)城口—鄂西海槽邊緣帶長興組碳同位素與海平面升降變化存在明顯響應(yīng)特征，長興組沉積期整體為一海退過程，碳同位素也呈明顯下降趨勢，各個層序頂部碳同位素值較小，層序內(nèi)海侵體系域碳同位素值呈現(xiàn)出由低到高的特征，而在高位體系域期間碳同位素值呈現(xiàn)出由高到低的變化，并且當(dāng)海平面升降幅度較大時，碳同位素值也會出現(xiàn)較大的波動。因此碳同位素值的組成特征在層序界面識別和層序地層劃分中起到至關(guān)重要的作用。

(3)通過3個重點研究剖面的對比分析，長興組沉積期臺緣帶與臺內(nèi)帶沉積相差異明顯，因而影響到其礁灘演化模式。盤龍洞剖面處于最高能臺緣相帶，發(fā)育3期生物礁，2期顆粒灘；羊鼓洞剖面相較于盤龍洞剖面處于靠近臺地一側(cè)，發(fā)育2期生物礁，2期顆粒灘；渡口剖面處于開闊臺地內(nèi)部，無生物礁發(fā)育，只發(fā)育顆粒灘。