白曉亮，郗 誠，和 源，王 晶，明 盈

( 中國石油西南油氣田分公司 勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610051 )

0 引言

四川盆地二疊系棲霞組具有豐富的天然氣資源，中二疊統(tǒng)棲霞組一直是四川盆地天然氣勘探開發(fā)的重要層系。近期川西北、川中地區(qū)多口探井鉆探成功，進一步證實棲霞組孔隙型白云巖儲層勘探前景廣闊。棲霞組孔隙型白云巖儲層位于棲霞組中上部，其成因與分布受控于臺緣灘、臺內灘相的展布，因此，明確棲霞組層序地層特征及沉積演化模式對灘相展布的預測至關重要。

有關四川盆地棲霞組層序劃分、沉積相劃分的觀點不同。在層序劃分方面，胡明毅等將棲霞組劃分為2個Ⅱ型三級層序，編制各個層序體系域的巖相古地理圖，認為棲霞組主要發(fā)育淺水型碳酸鹽巖臺地沉積[1]；趙宗舉等將四川盆地及鄰區(qū)棲霞組劃分為1個三級層序，編制三級層序地層格架下的巖相古地理圖，認為中二疊世主要發(fā)育碳酸鹽巖緩坡[2]；周進高等將中二疊統(tǒng)棲霞組劃分為1個三級層序旋回，認為棲霞組海侵體系域為開闊臺地環(huán)境，高位體系域演化為鑲邊臺地[3]。在沉積相劃分方面，黃先平等認為下二疊統(tǒng)灘相分布于川西—川南的沿盆地邊緣的弧形地帶[4]；魏國齊等[5]、蘇旺等[6]認為川西地區(qū)棲霞組為碳酸鹽巖鑲邊臺地沉積體系，主要沉積相為斜坡相、臺地邊緣灘相和開闊臺地相；馬志鑫等認為棲霞組為開闊—半局限臺地相的臺內灘、障壁灘相沉積特征[7]；黃涵宇等認為棲霞組沉積早期為碳酸鹽巖臺地沉積環(huán)境，棲霞組沉積晚期以局限臺地和臺緣灘沉積環(huán)境為主[8]；黎榮等認為中二疊統(tǒng)棲霞組早期以碳酸鹽巖臺地模式為主，棲霞組中晚期和茅口組沉積期演變?yōu)殍傔吪_地和孤立臺凹模式[9]；厚剛福等認為棲霞組和茅口組發(fā)育鑲邊碳酸鹽巖臺地沉積，包含一級臺緣帶、二級臺緣帶、開闊臺地和臺盆等4種亞相[10]。棲霞組是揚子板塊上古生界海相地層中一個分布廣泛且能進行良好對比的典型巖石地層單元。受勘探程度、鉆井資料的限制，對棲霞組沉積演化規(guī)律的認識存在爭議，須進一步深化對棲霞組沉積規(guī)律的認識。在對二疊系沉積前古地貌研究的基礎上，筆者建立標準巖性、古生物剖面，識別層序地層界面；在等時地層格架建立的基礎上，明確棲霞組沉積演化規(guī)律，為四川盆地中二疊統(tǒng)棲霞組勘探提供依據。

1 地質背景

加里東晚期構造運動造成上揚子地臺區(qū)形成大規(guī)模的古隆起，樂山—龍女寺古隆起逐漸定型[11-12]。海西期中上揚子地臺泥盆—石炭紀整體為古隆起周緣拉張構造環(huán)境，發(fā)育克拉通內部裂陷及盆地邊緣裂陷盆地，揚子地臺西緣龍門山地區(qū)發(fā)育泥盆—石炭系地層，泥盆紀早—中期沉積特征為沿北東—南西向裂陷盆地發(fā)育一套碎屑巖—碳酸鹽巖沉積物，晚泥盆世上揚子地臺西北緣沉積格局發(fā)生改變，廣元以北區(qū)域抬升為陸，缺失上泥盆統(tǒng)沉積，石炭紀基本上繼承泥盆紀以來的剝蝕臺地和沉積臺盆的基本格局[13-14]，發(fā)育淺水碳酸鹽巖臺地，靠近剝蝕古陸一側受云南運動的影響，石炭系地層抬升而暴露于地表，經歷長期巖溶風化剝蝕，僅殘留中下石炭統(tǒng)地層，形成溝壑縱生巖溶古地貌(見圖1(a))。二疊紀早期發(fā)生全球范圍海侵，中上揚子地臺海水分別從西部、南部和東部進入，逐漸淹沒石炭系末云南運動造成的高低起伏不平的古地貌，二疊系地層超覆于石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系、寒武系及震旦系地層之上(見圖1(b))。

圖1 四川盆地中二疊系棲霞組沉積地質背景Fig.1 Geologic sedimentary background of the Middle Permian Qixia Formation in Sichuan Basin

2 層序地層特征

以野外剖面、地震解釋和對比為基礎，確定各級層序的宏觀特征，劃分各級層序地層單元，建立盆地等時地層序列和地層格架。

2.1 層序劃分

人們將中二疊統(tǒng)層序劃分為5個層序界面，頂、底為Ⅰ型層序界面。對取心井段電性特征進行標定，綜合運用地震、測井識別標準，劃分為兩個三級層序，層序Sq1由棲霞組和梁山組組成；Sq2由棲霞組上部海侵段組成。研究區(qū)梁山組沉積厚度較薄。

2.1.1 二級層序

石炭系沉積后發(fā)生云南運動，四川盆地受區(qū)域擠壓抬升，造成中二疊統(tǒng)下伏地層遭受不同程度的侵蝕，形成區(qū)域性角度不整合，Sq1底界表現(xiàn)為角度不整合，在地震剖面上表現(xiàn)為削截特征，界面表現(xiàn)為連續(xù)性好、振幅強的同向軸(見圖2)，Sq1底界面在野外剖面上為沉積間斷面，區(qū)域上為梁山組粉砂質泥頁巖、鋁土巖與石炭系風化殼接觸(見圖3(a))。

圖2 二疊系地層與下伏地層接觸關系Fig.2 The strata contact relations of under the Permian strata

2.1.2 三級層序

Sq1頂界面為巖性轉換面，界面上、下巖石類型和沉積相特征相似，界面下為高能量沉積的具有顆粒殘影構造的中—粗晶白云巖或為亮晶顆粒灰?guī)r(見圖3(a))；界面上，巖性較為相似，但是往上沉積能量逐漸變弱，發(fā)育薄—中層生屑泥晶灰?guī)r(見圖3(b))，反映沉積能量逐漸變弱的過程。

圖3 三級層序界面巖性特征Fig.3 Lithologic characteristics of sequence interface

Sq2頂界面為巖性突變面，界面上、下巖石類型和沉積相特征明顯不同。在野外露頭上，如西北鄉(xiāng)、碾子壩剖面等，界面之下的棲二段為高位體系域的淺灰色白云巖、豹斑云巖、亮晶生屑灰?guī)r，反映高位體系域的高能沉積環(huán)境；界面之上的茅一段為深灰色泥質灰?guī)r，為海侵體系域的低能沉積環(huán)境(見圖3(b-c))。

2.2 層序旋回

石炭紀—二疊紀岡瓦納大陸成冰事件控制全球(尤其是華南地區(qū))的海平面變化[15-17]，晚石炭世為全球海平面下降時期，整個二疊紀為全球海平面上升時期[18]，早中二疊世揚子地臺為海侵背景下的碳酸鹽巖沉積[19-20]，梁山組沉積鋁土質泥巖、灰綠色粉砂巖、薄煤層等是對石炭系末古地貌的填平補齊過程，棲霞組繼承梁山組沉積期的海侵背景，棲霞組下部發(fā)育大套深灰色—灰黑色生屑泥晶灰?guī)r；中上部沉積淺褐灰色—褐灰色亮晶生屑灰?guī)r、泥晶生屑灰?guī)r，反映短暫海退過程，棲霞組頂部發(fā)育深褐灰色生屑泥晶灰?guī)r，反映水體逐漸加深過程(見圖4)。

根據ST3井巖心、巖屑薄片觀察分析，建立標準巖性剖面，劃分層序旋回(見圖4(a))。棲霞組底部發(fā)育含生屑泥晶灰?guī)r，可見硅質結核發(fā)育，代表棲霞組早期迅速海侵、水體加深過程(見圖4(b))，7 526.0～7 489.5 m深度下部發(fā)育含鈣球粒、薄殼腹足生屑泥晶灰?guī)r，上部發(fā)育生屑泥晶灰?guī)r，生屑主要為綠藻、紅藻、有孔蟲及介形蟲碎屑(見圖4(b))。棲霞組中部主要為淺褐灰色—褐灰色白云巖，7 489.5～7 475.0 m深度為顆粒殘影構造中—粗晶白云巖；7 475.0～7 466.5 m深度發(fā)育豹斑云巖，以中—粗晶白云巖為主，可見薄層或斑狀泥晶灰?guī)r；7 466.5～7 460.0 m深度發(fā)育含生屑泥晶灰?guī)r；7 460.0～7 455.0 m深度發(fā)育豹斑灰?guī)r，為顆粒殘影構造中—粗晶白云巖，呈斑狀分布于泥晶灰?guī)r，反映短暫海退、水體變淺、沉積能量增強的環(huán)境；7 455.0～7 441.0 m深度底部主要發(fā)育薄層狀灰質細晶白云巖，沿縫合線一側呈斑狀或條帶狀分布，上部為灰褐色亮晶生屑灰?guī)r，反映海退旋回水體能量較強；7 441.0～7 420.0 m深度為灰褐色—深灰褐色生屑泥晶灰?guī)r夾薄層泥晶生屑灰?guī)r(見圖4(b))，反映水體相對穩(wěn)定、能量較弱的沉積過程。

圖4 棲霞組層序旋回特征Fig.4 The characteristics of sequence cycle in the Qixia Formation

沉積巖性變化整體上反映四川盆地棲霞組為迅速海侵背景條件下短暫海退的沉積過程；普遍可見亮晶顆粒灰?guī)r與泥晶灰?guī)r“混積”現(xiàn)象，說明棲霞組為海侵過程中水體動蕩、快速沉積特征；中—厚層亮晶顆?；?guī)r反映短暫海退、受古地貌高部位控制的灘相沉積普遍發(fā)育(見圖4)。

2.3 層序地層

四川盆地棲霞組單井層序地層旋回分析表明，中二疊統(tǒng)棲霞組沉積期主要為海侵背景條件，發(fā)育二次次級海侵、海退旋回[18-20]，采用單井相對棲霞組沉積相識別和劃分，在棲霞組沉積前古地貌分析基礎上，結合層序旋回的變化，在橫向上進行層序劃分及對比(見圖5)。首先，建立標準巖性生物地層剖面，在棲霞組早期以海侵旋回發(fā)育為主，主要發(fā)育深灰色—灰黑色含生屑泥晶灰?guī)r；棲霞組中上部以次級海退旋回為主，巖性主要為灰色—淺灰色顆?；?guī)r。其次，進行層序地層橫向對比，棲霞組沉積早期為海侵發(fā)育階段，川東地區(qū)發(fā)育厚層灰黑色—深灰色含生屑泥晶灰?guī)r(見圖5(a))，向川西、川中地區(qū)逐漸減薄，反映棲霞組沉積早期迅速海侵、沉積能量相對較弱的特征(見圖5(b))。棲霞組沉積中晚期為次級旋回海退期，棲霞組普遍發(fā)育灰色、灰褐色泥晶顆?；?guī)r，向川西、川中地區(qū)逐漸發(fā)育淺灰色亮晶顆?；?guī)r，能量逐漸增強，川中、蜀南地區(qū)發(fā)育臺內灘亞相；川西發(fā)育臺地邊緣相；川東地區(qū)雖然發(fā)育薄層灰褐色泥晶砂屑灰?guī)r，但整體能量較弱，發(fā)育開闊臺地—臺內洼地亞相沉積特征。在川西裂陷盆地的平武銀廠溝剖面，棲霞組厚度明顯減薄，發(fā)育灰黑色泥晶灰?guī)r與泥頁巖互層，反映水體變化較為頻繁，為斜坡相沉積特征；北川小寨子、泗耳梯子巖剖面棲霞組發(fā)育厚度為30～40 m的深灰—灰黑色泥頁巖、千枚巖，僅底部發(fā)育薄—中層泥晶灰?guī)r，為盆地相沉積特征(見圖5(a-b))。棲霞組發(fā)育開闊臺地—臺地邊緣—斜坡—盆地碳酸鹽巖沉積相模式。

2.4 體系域平面展布

研究區(qū)主要表征Sq1海侵體系域及高位體系域沉積特征，發(fā)育地層厚度較大；Sq2在川西北地區(qū)發(fā)育完整沉積旋回，在川東低洼部位Sq2高位體系域發(fā)育不明顯。因此，主要研究Sq1的沉積特征以反映棲霞組沉積演化規(guī)律。

2.4.1 海侵體系域特征

Sq1海侵體系域發(fā)育深灰色—灰黑色含生屑泥晶灰?guī)r、含泥質灰?guī)r，局部夾硅質結核。全盆地層序地層剖面分析(見圖5)表明，Sq1海侵體系域地層總體表現(xiàn)為川西地區(qū)沉積厚度薄，巖性主要為深灰色含生屑泥晶灰?guī)r，可見顆石藻、鈣球粒等代表深水環(huán)境的生物；川東地區(qū)沉積厚度較大，表現(xiàn)為地層由東北向西南超覆的特點，巖性主要為灰黑色、深灰色含硅質結核泥晶灰?guī)r，揭示海侵期西南高、北東低的古地理面貌特征。廣元—劍閣一帶棲霞組沉積厚度較小，峨眉—威遠—瀘州一帶次之，南充—開江地區(qū)棲霞組沉積厚度較大，反映早二疊世海水從古隆起四周逐漸海侵，梁山組發(fā)育海陸過渡相沉積，發(fā)育一套泥質頁巖、炭質泥巖、鋁土質泥巖和粉砂巖。隨海侵的持續(xù)，棲霞組早期迅速海侵，棲霞組普遍發(fā)育一套灰黑色—深灰色泥晶灰?guī)r、含燧石結核泥晶灰?guī)r、含生屑泥晶灰?guī)r。由于受“上升流”和“冰期”的影響[21-22]，棲霞組海侵速度較快，但碳酸鹽巖沉積速率較低，造成可容納空間的增加速率大于碳酸鹽巖的生長速率，局部層段可見浮游有孔蟲、顆石藻及鈣球粒等水體較深的生物組合，富含有機質泥晶灰?guī)r、燧石結核泥晶灰?guī)r等，反映迅速海侵造成水體突然加深的過程。因此，研究區(qū)Sq1海侵體系域表現(xiàn)為迅速海侵、水體加深沉積特征，是繼承梁山組填平補齊的過程(見圖6(a))。

圖6 四川盆地中二疊統(tǒng)棲霞組層序體系域平面Fig.6 Sequence system plan of the Qixia Formation in Middle Permian in the Sichuan Basin

2.4.2 高位體系域特征

Sq1高位期碳酸鹽巖沉積受古地貌背景控制較為明顯，海侵期迅速海侵，發(fā)育一套顏色較深的含生屑泥晶灰?guī)r，高位期古地貌繼承海侵期的特點，隨海平面上升趨于穩(wěn)定，有利于碳酸鹽巖生長，在古地貌高部位發(fā)育淺水高能量顆粒灘相沉積，在川西臺緣灘發(fā)育厚層中—粗晶白云巖，可見明顯的生屑顆粒殘影構造，生屑主要為綠藻、珊瑚及棘皮等。全盆地層序地層格架剖面對比(見圖5)表明，高位體系域具有西高、東低的古地貌特征。海平面下降后，地勢較高的川西地區(qū)適合碳酸鹽巖生長，沉積厚度較大；川東北地區(qū)水體相對較深，沉積一些細粒物質，沉積厚度相對較薄。

川西地區(qū)沿古隆起高部位向裂陷盆地一側，高位體系域發(fā)育臺地邊緣相沉積特征。一方面，受裂陷盆地邊緣同沉積斷層的控制，在靠近古隆起一側地勢具有明顯的坡帶斷控起伏變化，隨海平面的上升，高部位碳酸鹽巖的生長速率可以彌補海平面上升(可容納空間增加)的速率，高位期碳酸鹽巖生長速率增加，海平面上升趨于穩(wěn)定，發(fā)育一套淺水的顆粒灘相沉積；另一方面，受同生斷層影響，向西古地貌為一個陡坡帶，更加有利于臺地邊緣相帶的發(fā)育(見圖6(b))。

3 沉積演化模式

3.1 古地貌特征

二疊紀，揚子地塊總體位于赤道附近低緯度地區(qū)[23]，處于岡瓦納大陸與勞亞大陸之間的過渡轉換部位[24]。加里東末期構造運動導致四川盆地大范圍隆升，在大部分地區(qū)形成長時間的沉積間斷，泥盆系—石炭系地層僅在川西裂陷盆地、川東陸內裂陷盆地發(fā)育。二疊紀沉積前，受拉張構造沉積格局的影響，四川盆地周邊發(fā)育裂陷盆地，其中揚子地臺西側發(fā)育川西裂陷盆地，北部發(fā)育南秦嶺邊緣裂陷盆地，樂山—龍女寺古隆起西南側發(fā)育黔桂邊緣裂陷盆地，揚子地臺內部發(fā)育克拉通內部凹陷盆地(見圖7)。四川盆地周緣發(fā)育裂陷盆地，梁山組的碎屑巖物源來源于樂山—龍女寺古隆起高部位的地層剝蝕，川東洼陷沉積薄—中層粉砂巖、泥巖；川西北石炭系碳酸鹽巖暴露，巖溶風化殼剝蝕，發(fā)育殘積鋁土巖、鋁土質泥巖；受持續(xù)平行不整合沉積的影響，川西裂陷盆地梁山組發(fā)育泥質灰?guī)r或灰質泥巖。四川盆地梁山組發(fā)育海陸過渡相沉積，底部粉砂巖夾煤層，逐漸過渡為泥質灰?guī)r夾層，反映海平面迅速上升、逐漸向古隆起的超覆過程，是對古地貌低部位的填平補齊過程，古隆起核部依然為高部位。此外，川西北石炭系巖溶風化殼殘積巖直接與上覆棲霞組接觸，且梁山組沉積以鋁土巖、鋁土質泥巖為主，反映古地貌較高。因此，棲霞組沉積前，加里東古隆起和川西北石炭系古地貌仍然為高部位。二疊系沉積前古地貌特征控制棲霞組整體沉積構造格局。

3.2 碳酸鹽巖臺地—斜坡—盆地沉積模式

二疊紀是華南地區(qū)大地構造演化的重要轉折期，受古特堤斯和西太平洋構造域的復合影響[25]，克拉通邊緣處于伸展拉張環(huán)境，盆地性質以克拉通邊緣裂陷盆地為主。同時，石炭紀—二疊紀岡瓦納大陸成冰—間冰期事件控制全球(尤其是華南地區(qū))的海平面變化[26]，揚子區(qū)中二疊世棲霞組沉積期構造活動相對平靜，海平面持續(xù)上升可能與間冰期岡瓦納大陸冰川消融有關[27]。

整個二疊紀是全球海平面上升時期[28]，海水從四周向古隆起逐漸海侵，地層逐漸超覆于古隆起之上(見圖7(a))，隨海平面上升，逐漸淹沒古陸，開始碳酸鹽巖沉積，棲霞組沉積早期的海侵次級旋回，從川東往川中，棲霞組中下部普遍發(fā)育灰黑色—深灰色泥晶灰?guī)r、含燧石結核泥晶灰?guī)r、含生屑泥晶灰?guī)r，富含有機質泥晶灰?guī)r、燧石結核泥晶灰?guī)r，川東洼地迅速海侵造成水體加深、沉積能量較弱(見圖7(b))。相對于古隆起地貌較高部位，海侵體系域棲霞組下部發(fā)育灰褐色—淺灰色泥晶生屑灰?guī)r、生屑泥晶灰?guī)r夾薄層亮晶生屑灰?guī)r，川西南地區(qū)HS1、ZG1井下部發(fā)育淺灰色—灰色泥晶生屑灰?guī)r，川西北地區(qū)何家梁、碾子壩剖面下部發(fā)育灰色粉—細晶白云巖，往上為淺灰色生屑殘影構造發(fā)育的細—中晶白云巖，說明棲霞組沉積早期在古隆起高部位沉積水體較淺，沉積物能量較強。隨海平面上升，川西地區(qū)古隆起高部位受裂陷盆地邊緣同沉積斷層的控制，靠近古隆起一側地勢具有明顯的坡帶斷控起伏變化，高位體系域廣泛發(fā)育厚層臺地邊緣顆粒灘相，隨海平面上升，高部位碳酸鹽巖的生長速率可以彌補海平面上升(可容納空間增加)的速率，碳酸鹽巖生長以加積為主，發(fā)育一套厚層穩(wěn)定分布的臺緣顆粒灘相沉積(見圖7(c))；受同生斷層影響，向西古地貌為陡坡帶，更加有利于臺地邊緣相帶的發(fā)育，向西逐漸過渡為斜坡—盆地相沉積。川中—川東一帶棲霞組高位體系域沉積時，早期棲霞組持續(xù)海侵，碳酸鹽巖沉積速率較低，造成可容納空間的增加速率大于碳酸鹽巖的生長速率，僅發(fā)育薄層淺灰色生屑灰?guī)r，主要沉積灰褐色—深灰色泥晶生屑灰?guī)r、生屑泥晶灰?guī)r，偶見燧石結核灰?guī)r及薄層泥質灰?guī)r，反映棲霞組在持續(xù)海侵背景條件下碳酸鹽巖發(fā)育特征(見圖7)。因此，棲霞組發(fā)育海侵背景控制的碳酸鹽巖臺地—斜坡—盆地沉積模式。

4 結論

(1)將四川盆地中二疊統(tǒng)棲霞組劃分為Sq1和Sq2兩個三級層序旋回，Sq1海侵體系域迅速海侵，造成可容納空間的增加速率大于碳酸鹽巖的生長速率，反映迅速海侵造成水體突然加深的過程；Sq1高位體系域廣泛發(fā)育厚層臺地邊緣顆粒灘相，隨海平面上升，高部位碳酸鹽巖的生長速率可以彌補海平面上升(可容納空間增加)的速率，碳酸鹽巖生長以加積為主，發(fā)育一套厚層穩(wěn)定分布的臺緣顆粒灘相沉積。

(2)二疊系沉積前古地貌控制棲霞組沉積格局，棲霞組沉積前加里東古隆起和川西北石炭系古地貌為高部位。二疊系沉積前古地貌特征控制棲霞組整體沉積構造格局。

(3)棲霞組沉積早期是逐漸向古隆起超覆過程，棲霞組沉積晚期在川西加里東古隆起高部位及巖溶古地貌高部位發(fā)育厚層臺地邊緣顆粒灘相，為典型的海侵背景條件的碳酸鹽巖臺地—斜坡—盆地沉積模式。