趙霞飛 趙拓宇 張聞林
1.成都理工大學(xué) 2.中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司 3.中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院
四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組沉積環(huán)境歷來被認(rèn)為是陸相河流沉積[1],羅啟厚通過研究判斷為湖相水進(jìn)三角洲沉積[2],依據(jù)是沉積層序和普通的河流相層序不盡相同。2005年侯方浩、蔣裕強等分析發(fā)現(xiàn)四川盆地須家河組沉積特征和河流相相差甚大,判斷為灘壩相沉積體系[3-4],在須家河組沉積研究界激起了漣漪。2008年趙霞飛等通過研究認(rèn)為,四川盆地須家河組無論是巖性特征還是沉積構(gòu)造,都和國外研究的典型的潮汐作用極為相同,由此提出四川盆地須家河組屬于潮汐沉積作用[5],并在后續(xù)研究中得出屬于類似現(xiàn)代河口灣沉積[6-7]。雖然有人質(zhì)疑,但是在四川盆地沉積學(xué)界并沒有引起波瀾,人們依然認(rèn)可傳統(tǒng)的解釋[1,8-11]。并作為勘探開發(fā)的理論依據(jù)[12-16]。個別研究人員認(rèn)可砂巖的灘壩特征[17]。趙霞飛通過在國外研究潮汐作用的現(xiàn)代沉積的經(jīng)驗[18],同時對國內(nèi)的鄂爾多斯盆地的晚三疊世的延長組進(jìn)行研究,認(rèn)定不僅是四川盆地須家河組,甚至包括晚三疊世的延長組等其實均為潮控三角洲和潮控河口灣沉積(趙霞飛等,2012)[5-7,19],也就是說都屬于海相范疇。證據(jù)是多方面的,包括地質(zhì)特征、地球化學(xué)標(biāo)志,甚至包括古生物標(biāo)志[20]。其中最典型、最顯著的標(biāo)志之一是“雙黏土層”[5-7]。自Visser的論文(1980)發(fā)表以來,全球很多地方都發(fā)現(xiàn)了反應(yīng)每天二次潮汐活動的沉積剖面,得出各種古天文周期[21]。其名稱也逐漸變?yōu)槌毕蓭r(tidal rhythmite)。由此可見,國內(nèi)對于國外的現(xiàn)代潮汐沉積研究進(jìn)展不盡了解是制約四川盆地須家河組沉積環(huán)境解釋的一大瓶頸,對近年來國外對于該方向的研究進(jìn)展的介紹,顯得更為迫切和重要,希望對我國沉積學(xué)尤其是類似于四川盆地須家河組及長慶油田的延長組的研究有所啟示。
四川盆地須家河組以常見潮控、浪控沉積構(gòu)造為特征,而未見標(biāo)志著陸上暴露的標(biāo)志(如鈣結(jié)層、根系)。以四川盆地為例,列出井下常見的實例(圖1)。
圖1 四川安岳地區(qū)須家河組巖心中常見沉積特征圖
圖1中:
a為深灰色泥巖,含少量薄的(mm級)粉砂透鏡體。低能環(huán)境下的泥坪,反映粉砂供給不足。
b為岳9井巖心:下部主要為深灰色泥巖,夾粉砂透鏡體,上部以粉砂巖為主。沉積構(gòu)造:透鏡體、反向交錯紋層、 掘穴生物鉆孔垂直層理(逃逸跡)。
c為岳10井 T3x2為潮下水道沉積細(xì)砂巖中精致的雙黏土層。
d為岳102井 2 155.81~2 155.88 m 灰白色粗砂體中,有漂浮植物碎屑(碳化)。下部塊狀反映沉積時砂通量過大,是水——砂不平衡產(chǎn)物。上部植屑呈波狀形態(tài),提示波浪的影響。
e為灰白色石英中粗砂巖,大多為平行層理(上平底),上平底是河口灣最高能量處-UFR砂坪的特征。
f為岳8井 2 250.65~2 250.89 m,砂巖向上變粗(沙壩), 下部見兩個叢系的前積方向相反,為潮汐流影響所致。
g為岳8井 2 243.55~2 243.70 m 泥質(zhì)碎屑大小懸殊,且皆顯塑性變形,分布于砂體,為風(fēng)暴沉積,海岸系統(tǒng)常見。
h為岳8井 2 122.79~2 123.12 m,雙黏土層。潮下水道微相(Visser,1980)。
i為岳102井 2 149.35~2 150.02 m灰白色中粗砂巖,大多為平行層理(上平底),中部有板狀交錯層(Sp)。上平底是河口灣最高能量處——UFR砂坪的特征。
常見的沉積構(gòu)造包括粉砂透鏡體(反映粉砂供給不足);交錯紋層、 掘穴生物鉆孔垂直層理;反向交錯層理;常見“小”字形風(fēng)暴沉積和牛角碳(圖1),以及濱線礫石灘沉積等等。常被誤讀為河道滯留沉積的標(biāo)志。須家河組砂巖中豐富的云母片呈面狀分布于薄粉砂層中的層面上,與潮汐沉積的零速度面呈極好的對應(yīng)性[20]。
盡可能正確地解釋每一塊巖心和每個野外露頭,乃是油氣田儲層沉積學(xué)研究的基礎(chǔ)。其正確性來自對現(xiàn)代實例的研究和前人的模型。筆者試圖在已發(fā)表的須家河組儲層物性和分布特征的相關(guān)論文中尋找它們與沉積相的聯(lián)系,但不成功。原因是對須家河組的沉積相認(rèn)識有誤。最近有作者指出,滯水期沉積的(雙)黏土層和單向流河道沉積砂巖的垂向滲透率差別明顯;河口灣潮成砂體和三角洲平原以上的河道砂體的縱、橫向展布,差別非常大。這些都提示我們,對須家河組沉積環(huán)境,有必要重新認(rèn)識。
Visser(1980)發(fā)表他研究荷蘭西南部1個入潮口的全新世潮下水道充填沉積,可認(rèn)出由各個退潮、漲潮和滯水事件形成的特征[21]。在逐次的退潮(主水流)中堆積的交錯層之厚度,呈正弦曲線式變化,反映潮汐的小潮——大潮旋回。滯流期堆積的泥呈對出現(xiàn),成為區(qū)別潮下和潮間環(huán)境(相)的唯一判據(jù)。
Visser上述研究之后,全球許多地方發(fā)現(xiàn)了雙黏土層構(gòu)造。Baired等人(1985)認(rèn)定伊利諾依州東北部Francis溪頁巖巖心中精美的雙黏土層構(gòu)造,可能屬于河口灣沉積,這種情況下退潮流被河水流增強,因而強于漲潮潮汐流[22]。主導(dǎo)的退潮水流伴以較厚粉砂條帶的堆積(圖2)。有些情況下,在上漲(漲潮)的小潮中,可能沒有泥沙堆積,因而前一個和后繼一個潮汐滯水,將合并呈一個帶(黏土)。De Boer等(1989)就觀測到這種現(xiàn)象。當(dāng)時大約在小潮時,沙子停止搬運,導(dǎo)致小潮偶層少于“理想的”數(shù)目[23]。Reineck and Wunderlich(1967)研究德國海岸,發(fā)現(xiàn)沉積物太薄以致不能分出大、小潮旋回[24]。
圖2 伊利諾伊州東北部Francis Creek頁巖中雙黏土層的發(fā)育模式圖(Kuecher GJ等,1990)
伊利諾伊州東北部Francis Creek頁巖中雙黏土層的發(fā)育模式,成對黏土條帶被解釋為潮汐滯水沉積,較厚粉砂——砂層分別解釋為主潮汐流(退潮),較薄粉砂——砂層代表次要潮汐流(漲潮)(Kuecher GJ等1990)[25]。由沉積剖面可解釋出漲潮、退潮曲線(圖2)。
成對黏土條帶及共生的砂——粉砂的厚度變化,清楚可見 [Kuecher GJ等(1990)][25]。進(jìn)一步可以劃分出近7天的潮汐曲線,并注明大潮與小潮位置(圖 3)。
圖3 現(xiàn)代潮汐沉積韻律圖(Kuecher GJ等,1990)
根據(jù)現(xiàn)今海岸的實際情況,可表示出幾種類型潮汐(圖4)?,F(xiàn)今海岸地點的潮汐曲線中(圖4)(A)半日型,英[Immingham];(B)全日、半日型混合潮汐,美國舊金山;( C)混合的主要是全日型:菲律賓、馬爾代夫;(D)全日型,北越Do-Son。(據(jù)Defant,1961)[26]。
圖4 現(xiàn)代海岸潮汐曲線圖(Defant,1961)
在北海有的地方,例如東舍德河(Oosterschelde),有泥質(zhì)偶層的潮下沉積,是潮汐滯水中形成的,與潮汐流堆積的交錯層砂共生[21](Visser 1980)。這種砂大都以主潮汐流形成的單向交錯的大底形出現(xiàn)。Boersma(1967)稱單個砂層為“束”(bundle)。束的厚度具旋回性的變化[27]。在沉積層序中束的厚度循序漸進(jìn)地加厚到一最大值(大潮),然后減薄到一極小值(小潮),在這個點開始下一個大潮一小潮旋回。兩個相鄰小潮之間的沉積由26~30個束組成,與今日Oosterschelde兩個小潮之間的主水流數(shù)目符合良好。屬于半日潮Semidiurnal(14天內(nèi)每天兩個潮汐)。
通常用平衡潮汐模式來解釋潮汐。其根據(jù)是地球旋轉(zhuǎn)于其中的兩半球的反向潮脹(tidal bulges)的變化。這些潮脹相對于地球赤道的位置和大小,大體上是受月球相位和月球在其繞地球軌道中的傾斜度和軌道距離的變化所控制的。由于月球接近地球,所以70%的引潮力來自月球,其余30%由太陽引起。
平衡模式假設(shè),地球是被一即時響應(yīng)牽引力變化的,深度均勻的大洋覆蓋的(MacMillan 1966)[28]。平衡模式可用來解釋由潮汐韻律偵斷出來的6個旋回中的5個,即:
半日旋回(Semi-diurnal,12.42 h)
朔望旋回(Synodic,29.53 d)
回歸旋回(Tropical,27.32 d)
近點旋回(Anomalistic,27.55 d)
半年旋回(Semiannual,182.6 d)
第7個旋回稱為“節(jié)點旋回”(Nodal cycle)——周期近18年的潮汐旋回。Miller and Erikson (1977)對這個在西弗吉尼亞下石炭統(tǒng)Pride 頁巖中存在的旋回,作了很好的研究[29]。
由于篇幅所限,下面只舉半日旋回、朔望旋回和回歸旋回,加以說明。
依平衡潮汐模式,月球和太陽引潮力的相互作用,在地球相對的兩旁,產(chǎn)生大洋隆起(潮脹)(圖5)。地球上的一點每天通過這些潮脹一次,產(chǎn)生兩個潮汐(半日潮),它們是不相等的(日潮不等),即一個是主導(dǎo)的,高于另一個(次要的)。這反映在砂——粉砂紋層厚度上。由于月球的軌道面和地球赤道面是不平行的,這兩個平面之間的角度差被稱為月偏角。
圖5最終(a)太陽和月球的重力引起地球相對兩邊的兩個大洋潮脹。(b)地球旋轉(zhuǎn)通過這些潮脹,每天產(chǎn)生兩個潮汐,當(dāng)潮脹并不在地球赤道上方的中心時,就產(chǎn)生日潮不等。(c)(d),美國Indiana州,Orange群賓夕法尼亞Mansfield組的厚、薄紋層(c)及其紋層層序的厚度測量值(d)[引自Kvale and Others(1998)[30],轉(zhuǎn)引自Kvale (2012)[31]]。
圖5 半日平衡模式圖[引自Kvale等(1998),轉(zhuǎn)引自Kvale(2012)]
當(dāng)?shù)厍?、月球和太陽接近排成一直線時(全月或新月時),高潮是比較高的,被稱為朔望(“syzygy”)(圖6)。反之,當(dāng)日、月與地球形成直角時,(第一或第三象限期)出現(xiàn)較低潮汐,被稱為上、下弦。全月或新月時的潮汐,被稱為Spring tide(大潮)。上、下弦時的潮汐被稱為neap tide (小潮)。朔望月(新月到新月,或全月到全月的現(xiàn)代周期為29.53天,包含兩個小潮一個大潮旋回。
圖6中(a)新月或全月時,出現(xiàn)大潮,而上弦或下弦月時出現(xiàn)小潮。朔望月(目前是29.53天),是月球繞地球軌道一圈,也就是從第一個新月到第二個新月所需時間,(b)預(yù)測的太平洋Kwajalein環(huán)礁的潮汐高度圖一部分(NOAA,1990),表示月相變化的效果;(c)美國印第安納洲Mansfield 頁巖(Hindostan磨刀石層)的部分巖心,標(biāo)記了小潮(N)和大潮(S)。(d)磨刀石層紋層厚度的測量值,標(biāo)記了大潮(S)和小潮(N)。[據(jù)Kvale等(1998)[30],轉(zhuǎn)引自Kvale,(2012)[31]]
圖6 朔望平衡模式圖[引自Kvale(1998),轉(zhuǎn)引自Kvale(2012)]
引潮力也取決于月偏角,這是指月球軌道相對于地球赤道平面的傾斜或角度(圖7)。偏角變化的周期被稱為回歸月——月球走完一完整軌道,由其最大向北傾斜到其最大向南傾斜然后返回所需的時間長度。在平衡半日潮汐系統(tǒng)中,回歸月的效果是導(dǎo)致日潮不等(diural inequality)。理想地說,月球在其最大傾斜時,日潮不等是最大的。而月球在赤道上方時,日潮不等降至零,潮汐數(shù)據(jù)產(chǎn)生“過零”(crossover)特征?;貧w月的現(xiàn)今長度是27.33天,比朔望月少兩天。
圖7中(a)在軌月球繞地球模式,月偏角比現(xiàn)今的18°~28°有所夸大?;貧w月(現(xiàn)為27.32天)是月球由其極北偏角運動到其最南傾角,并回到極北偏角(在單一軌道中)所需的時間。(b)與圖6-b同一現(xiàn)代潮汐的部分潮汐高度圖,表明半日潮汐的日潮不等性。注意當(dāng)月球經(jīng)過地球赤道上方時,日潮不等變?yōu)榱?。(c)為圖6-c中,所示巖心的照相,表示堆積時月球位于地球赤道上方(標(biāo)以“C”)。注意箭頭兩旁紋層接近厚度相等。(d)圖6-d的直方圖,用箭頭表明的堆積時月球通過赤道上方[據(jù) Kvale等(1998)[30],轉(zhuǎn)引自 Kvale(2012)[31]]。
平衡潮汐模式認(rèn)為重力引起地球上的潮汐,因而非常有用。但這個模式并不能解釋現(xiàn)實世界的潮汐。例如,世界并不是在兩個潮脹間旋轉(zhuǎn);各個洋盆中,大洋潮汐像波浪一樣圍繞固定的無潮點旋轉(zhuǎn)(圖8)。
圖8中為北海潮汐圖,M2分潮的無潮循環(huán)等潮線表明高水位的時間,而等潮差線指示相等潮差[據(jù)Dalrymple (1992)[32],轉(zhuǎn)引自Kvale (2006,2012)[33,31])。
平衡潮汐理論指出,全日潮應(yīng)該只見于緯度極高的海洋,但現(xiàn)實并非如此。墨西哥灣,印度洋和西太平洋大面積地以全日潮為主。而且,平衡潮汐理論解釋不了小潮——大潮旋回等。
動力潮汐模式是依據(jù)現(xiàn)實世界潮汐成分(分潮)之調(diào)諧分析概念而建立起來的。例如,月球和太陽各自在地球的海洋中生成自己的潮汐,因地球繞日和月球繞地都不是全圓形,所以生成潮汐的幅度,部分由地球接近太陽的程度,而更重要得多的是因接近月球的程度而波動。這些潮汐中的每一個,建設(shè)性地或破壞性地,周期性地彼此相互作用。與月一地距離或地一日距離變化伴生的潮汐,可以認(rèn)為是能影響任何海岸的整個潮汐的組成部分。為了模擬這些分潮,海洋學(xué)家將它們抽象化為有其自身質(zhì)量的“幽靈衛(wèi)星”(日、月的或兩者結(jié)合的質(zhì)量)。每個幽靈“衛(wèi)星”在一平面內(nèi)運動,或相對于星星們是固定的,且每一個都產(chǎn)生自己的獨特周期、幅度的潮汐(表1)。
圖7 回歸半日平衡模式圖[引自Kvale(1998),轉(zhuǎn)引自Kvale(2012)]
圖8 北海M2分潮等潮差線圖[引自Dalrymple(1992),轉(zhuǎn)引自Kvale(2006,2012)]
例如,S2代表在地球一固定點上,被一具太陽質(zhì)量在地球赤道的完全圓形軌道上運動的“衛(wèi)星”生成的每天兩次潮汐。O1代表地球一固定點上有具月球質(zhì)量,在地球赤道上方運動的“衛(wèi)星”產(chǎn)生的全日潮。表1中的分潮,下角碼標(biāo)出潮汐是全日潮diurnal (1),或半日潮semidiurnal(2)。
表1 7種最常見的分潮及其旋轉(zhuǎn)速度表
由8個不同的分潮疊加而成的合成潮汐波,可見其振幅(潮差)大大增加(圖9)。
圖9 由8個不同的分潮疊加而成的合成潮汐波,可見其振幅(潮差)大大增加。水平單位為小時數(shù)[Kvale(2006)[33]依據(jù) MacMillan(1966)[28]有修改。轉(zhuǎn)引自Kvale(2012)[31]]
圖9 分潮疊加的合成潮汐波圖[Kvale(2006),依據(jù)Macmillan(1966)有修改,轉(zhuǎn)引自Kvale(2012)]
我們可以得出幾點認(rèn)識:
1)野外和巖心研究,證明四川盆地須家河組屬于海岸系統(tǒng)成因,主要是潮控河口灣和潮控三角洲相。這一新的模式可以很好地說明儲層特征,如須二段頂部的“UFR砂坪”以低伽馬值為特征,是含泥最少,原生孔滲條件最好的儲層。認(rèn)真做好沉積學(xué)基礎(chǔ)研究,按大自然本來的面目去認(rèn)識客體,對于須家河組沉積環(huán)境重新認(rèn)識,勢在必行,而且越早越好。
2)潮汐韻律巖(雙黏土層)是一個驚人的,有趣的地質(zhì)現(xiàn)象。動力潮汐模式已被用來估算地史上地——月距離的變化,屬于古天文學(xué)的范疇(Williams 1989;Kvale等1999)[34-35];也有人提出它是了解潮汐對生物系統(tǒng)沖擊的途徑(Kvale,2006)[33]。
3)四川盆地和鄂爾多斯盆地晚三疊世潮汐韻律巖的發(fā)現(xiàn),提醒人們重新認(rèn)識有關(guān)地區(qū)的古地理。不但中國西部如此,中國東部中新生代地層,以往亦可能忽略了這一重要沉積構(gòu)造。
4)地質(zhì)學(xué)者應(yīng)更加重視水力學(xué)、海洋學(xué)、天文學(xué)等基礎(chǔ)知識,不能限于描述地球的局部細(xì)節(jié),而不解釋動力學(xué)過程。