川西北地区中二叠统茅口组沉积特征及模式

宋学锋

( 长江大学工程技术学院 资源勘查工程学院，湖北 荆州 434020 )

0 引言

中二叠统茅口组是四川盆地天然气勘探的目标层位，蕴含巨大的天然气储量。对四川盆地的研究多集中于川中、川南地区，研究层位多为栖霞组。近年来，随双探1、3等探井发现工业油流，表明川西北地区茅口组也具有良好的油气勘探潜力[1-5]。

人们对川西北茅口组层序划分、沉积相识别和分类等观点不一。在层序划分方面，罗鹏等[6]研究川东南地区沉积背景，将茅口组划分为3个三级层序；根据野外露头和岩心资料，张运波[7]将四川盆地茅口组划分为2个三级层序；苏旺等[8]分析INPEFA曲线变化趋势，识别层序界面与海泛面，将四川盆地茅口组分为2个三级层序。赵宗举等[9]利用四川盆地及邻区的岩相古地理图，确定川西北地区茅口组属于碳酸盐岩缓坡台地；厚刚福等[10]以岩心资料、薄片观察为基础，结合地震及测井资料，认为四川盆地茅口组为镶边碳酸盐岩台地，研究区属于一级台缘带；向娟等[11]综合分析各种地质资料，认为四川盆地茅口组为碳酸盐岩台地沉积体系，研究区茅口期主要分为浅水开阔台地相和台地边缘浅滩相沉积。

地质资料解释的差异性导致层序划分方案和沉积相类型判定也存在差异，致使对川西北地区茅口组沉积模式没有统一的认识，阻碍川西北地区茅口组的勘探开发进程。笔者以野外剖面、岩心及测井资料为基础，对川西北地区茅口组进行层序划分和沉积相识别，建立连井层序地层格架，分析沉积相展布特征，建立研究区茅口组沉积模式，为研究区茅口组下一步勘探开发提供地质依据，同时对其他地区的地质勘探提供借鉴。

1 区域地质概况

川西北地区位于四川盆地西北部，包括川北低平断褶带、川西低缓断褶带和川中平缓断褶带3个次级构造带[12-16](见图1)。研究区北达广元，东临龙门山断裂，西至南江，地理位置包括雅安、成都、绵阳和广元等地。

二叠系以前，四川盆地受海西运动影响，各地区不同程度地缺失石炭系地层，最终导致下二叠统梁山组地层呈角度不整合超覆于下部地层[17-20]；中二叠统栖霞组地层、下覆梁山组地层和上覆茅口组地层整合接触；中二叠世末期，受东吴运动影响，中二叠统茅口组地层与上二叠统龙潭组地层平行不整合接触。研究区茅口组由下至上可分为四段：茅一段主要发育灰色、深灰色生物碎屑灰岩，夹泥质灰岩，富含有机质；茅二段发育浅灰色、灰白色生物碎屑灰岩，夹灰褐色厚层状泥质灰岩，有机质丰富；茅三段主要以浅灰色、灰白色云质灰岩为主；茅四段部分地区因剥蚀而保存不全，主要发育灰色生物碎屑灰岩。川西北部分地区发育硅质页岩。

图1 川西北地区构造位置及地层特征Fig.1 Structure location and stratigraphic characteristics in northwestern Sichuan

2 沉积特征

2.1 岩石学

川西北地区茅口组为海相碳酸盐岩沉积，主要发育白云岩和灰岩，按照结构组分可分为白云岩、生物碎屑灰岩和泥微晶灰岩三大类。

2.1.1 白云岩

白云岩多形成于平均高潮面与平均低潮面之间水体较浅的高能环境，在川西北地区较普遍，多发育于茅三段顶部，是研究区茅口组最主要的储集岩。岩石呈白色、灰白色，镜下可见明显晶粒结构(见图2(a))，晶粒较大，多为细—中晶，有的可达中—粗晶，晶形多为半自形，溶蚀孔洞发育。

2.1.2 生物碎屑灰岩

生物碎屑灰岩颗粒主要为生物介壳或介屑(见图2(b))，在研究区茅口组分布十分广泛。根据颗粒之间不同的填充物，可分为亮晶生物碎屑灰岩(见图2(c))和泥晶生物碎屑灰岩(见图2(d))。

亮晶生物碎屑灰岩形成于平均低潮面与平均高潮面之间水体较浅的高能环境，主要分布于茅三段，在茅一段和茅二段也有少量分布。岩石呈浅灰色、灰色，为中—厚层状，亮晶方解石胶结，生物碎屑体积分数为45%～70%，主要发育有孔虫、红藻和绿藻等生物(见图2(e))，也发育少量腕足、腹足类生物。分选较差，磨圆较好。

泥晶生物碎屑灰岩多形成于浪基面附近，水体深度较亮晶生物碎屑灰岩的深，水动力条件更弱，主要分布于茅二段和茅三段。岩石多呈深灰色、灰褐色，甚至灰黑色，为中—厚层状，泥晶胶结，生物碎屑含量较高，以有孔虫、藻类为主，介形虫、腕足类也有发育(见图2(d))。分选、磨圆较差。

图2 研究区主要岩石类型及特征Fig.2 Main rock types and their characteristics of study area

2.1.3 泥微晶灰岩

泥微晶灰岩形成于浪基面之下的深水低能环境，在研究区分布不太广泛。灰岩颗粒体积分数少于10%，呈灰色至深灰色，为薄—中层状(见图2(f))。水平层理十分发育，层面上可见水平虫迹，层内发育扰动构造，偶尔可见少量生物碎片，如介形虫类。

2.2 沉积相

根据研究区10个剖面、6口取心井和18口钻井资料，川西北地区为镶边碳酸盐岩台地，茅口组发育台地边缘相、开阔台地相、斜坡相和盆地相等沉积相。

2.2.1 台地边缘相

台地边缘相是指碳酸盐岩台地与斜坡之间的地势较高地段，主要发育于茅二段中晚期和茅三段时期(即三级层序SQ1高位体系域时期)，分布范围广泛。由于水体较浅，受波浪作用影响较大，沉积物以白云岩和生物碎屑灰岩为主。根据沉积物的沉积构造和颗粒含量等，可将台地边缘相划分为台缘滩和滩间海亚相。

台缘滩亚相发育于浪基面之上的高能环境，主要发育于SQ1顶部，以浅灰色白云岩和亮晶生物碎屑灰岩为主，生物碎屑含量较高，为中—厚层状，交错层理发育。海平面下降后，受渗流作用影响，溶蚀孔洞发育，可形成良好储层。测井曲线上，GR表现为低值箱型或漏斗型，电阻率曲线为中—高值(见图3(a))。

滩间海亚相位于台缘滩之间的相对低洼地带，为静水低能环境，沉积物颜色较深，以泥晶生物碎屑灰岩、泥微晶灰岩为主，不易形成有利储层。

2.2.2 开阔台地相

开阔台地相是指台地边缘与局限台地之间的地段，在研究区主要分布于台地边缘相带以东区域。水体深度为几米到几十米，循环性良好，盐度基本正常，适合生物生长，可见竹蜓、珊瑚、腕足和海百合茎等生物。岩性主要为浅灰色、灰色中—厚层状泥微晶灰岩、泥质泥晶灰岩、生物碎屑灰岩等。根据沉积物颜色、岩性、沉积构造等，可将开阔台地相划分为台内滩和潮下亚相。

台内滩亚相形成于浪基面附近或略高于浪基面的地势相对较高区域，滩体发育受波浪作用影响。沉积物类型与台缘滩类似，岩性主要为灰色、浅灰色亮晶生物碎屑灰岩，可见交错层理，白云岩化作用发育。与台缘滩亚相比较，台内滩的沉积物规模更小、厚度更薄，可形成有利储层。测井曲线上，GR总体表现为叠加漏斗型，电阻率曲线为中—高值(见图3(b))。

图3 研究区典型岩相组合Fig.3 Typical rock facies composition of study area

潮下亚相是指台内滩之间的大面积低洼处，水体较深，能量较弱，沉积物以深灰色泥晶生物碎屑灰岩、含生物碎屑泥晶灰岩、泥微晶灰岩为主，水平层理发育，不易形成有利储层。

2.2.3 斜坡、盆地相

斜坡相主要发育于台地边缘以西长江沟—通口一带及以北区域，水体较深。受台地边缘相影响，在断裂附近发育大量滑塌角砾岩而成为斜坡相[21-26]。分选、磨圆较差。在相对远离断裂的斜坡带，岩性主要以褐灰色、深灰色泥晶灰岩及含生物碎屑泥晶灰岩为主(见图3(c))。

盆地相发育于风暴浪基面以下最深区域，位于研究区西侧的川西海槽和北侧的广旺海槽。因水体较深，水体能量较弱，沉积物以深灰色、灰黑色泥微晶灰岩及硅质泥岩、泥岩为主。

3 层序地层特征

单井层序划分是连井层序格架建立的基础。以岩心观察和测井曲线分析为基础，将川西北地区茅口组分为2个三级层序——SQ1和SQ2(见图4)，其中SQ1由茅一段、茅二段和茅三段组成，SQ2由茅四段组成，每个层序内部都经历快速海侵到缓慢海退的过程，不发育低位体系域，只发育海侵体系域(TST)和高位体系域(HST)。

三级层序SQ1底界面SB1为栖霞组与茅口组的分界，界面之下栖霞组发育浅灰色生物碎屑灰岩、残余颗粒云岩；界面之上茅口组主要为深灰色泥微晶灰岩。该界面为暴露不整合层序界面[27]，由海平面下降导致地层暴露，经历大气淡水溶蚀后，层序界面之下的栖霞组发育粒间溶孔、晶间溶孔等优势储集空间。SQ1顶界面SB2为茅三段顶界面，SB2界面与SB1类似，也为暴露不整合层序界面，界面之下为茅三段浅灰色云岩、云质灰岩，显示水体能量较强；界面之上为茅四段灰色石灰岩，水体能量变弱。茅三段顶部也可形成有利储层。

三级层序SQ2顶界面SB3为茅四段顶界面，SB3界面为Ⅰ型层序界面，也是茅口组与吴家坪组(或龙潭组)的分界面，属于隆升侵蚀不整合面。中二叠世中晚期，受东吴运动影响，盆地隆升遭受剥蚀，导致茅四段不同程度缺失，部分区域茅三段开始缺失(见图5)。

根据研究区周公1至双探2井的连井剖面(见图5)，SQ1海侵体系域从西南到东北厚度变化不大，在汉1井处最薄；SQ1高位体系域从西南到东北整体厚度减薄，但在周公1井和双探1井处较厚。周公1、汉1、油1和双探1井发育完整的SQ2，但东北方向的矿2和双探2井缺失SQ2高位体系域。

图4 研究区双探1井茅口组沉积相和层序地层综合柱状图Fig.4 Comprehensive column of sedimentary facies and sequence stratigraphy of the Maokou formation of well Shuangtan1 in study area

图5 研究区茅口组连井沉积相对比(剖面位置见图1)Fig.5 Sedimentary facies profile of Maokou formation in study area(section postion as shown in fig.1)

4 沉积相展布及沉积模式

4.1 空间展布特征

4.1.1 垂向展布

茅口组初期，研究区遭受海侵，水体较深，沉积物以深灰色、灰黑色泥微晶灰岩和泥晶生物碎屑灰岩为主，沉积层位为茅一段—茅二段早期。随海平面下降，SQ1高位体系域时期，颗粒滩开始发育。根据研究区茅口组连井剖面(见图5)，SQ1海侵体系域时期，川西北地区发育开阔台地相沉积，沉积范围广泛；台内滩在地貌相对高处的隆起区发育。SQ1高位体系域时期，由于连续性海退，水深变浅，川西北地区开始转变为台地边缘相沉积，台缘滩开始发育，但在油1井附近的地势相对较低区域为开阔台地相沉积。此时，研究区发育两期滩体，高位体系域早期和晚期各一套，其中晚期的滩体较早期的厚度更大、分布更广。

SQ2海侵体系域时期，研究区又发生一次小规模的海侵，川西北地区再次转换为开阔台地相沉积；至茅口组末期，受东吴运动影响，研究区北部露出水面而遭受剥蚀，导致北部地区部分或完全缺失茅四段。

4.1.2 平面展布

识别研究区岩石类型和岩相组合以分析沉积环境，结合地震及测井资料确定沉积相带，绘制研究区茅口组沉积相图(见图6)。

SQ1海侵体系域时期，研究区整体为开阔台地相沉积。高位体系域时期，平面上沉积相带分布明显，从西到东依次为盆地相、斜坡相、台地边缘相和开阔台地相(见图6(a))；滩体开始发育，台缘滩体在绵阳—绵竹—高桥一带发育规模较大，而在周公1—汉1—大深1井区和矿1—矿3—河1井区发育规模较小，开阔台地内滩体虽有发育，但规模较小。

图6 研究区茅口组SQ1-SQ2时期沉积相Fig.6 Distribution of sedimentary facies of SQ1-SQ2 of Maokou formation in study area

SQ2海侵体系域时期，沉积格局发生变化，研究区再次整体转变为开阔台地相(见图6(b))。其沉积格局与SQ1海侵体系域时期的类似，从西到东依次为盆地相、斜坡相和开阔台地相。台内滩比较发育，主要分布于绵阳—绵竹—高桥一带，以及周公1—汉1—大深1井区，但规模与厚度比台缘滩的小，在研究区北部零星分布。

4.2 沉积模式

根据单井层序划分、连井层序格架建立及沉积相识别，结合川西北地区茅口组古地貌，建立研究区沉积模式(见图7)。研究区发育台地边缘相、开阔台地相、斜坡相和盆地相，且相带分明。

图7 研究区茅口组沉积模式(剖面位置见图1)Fig.7 Sedimentary model of Maokou formation in study area(section postion as shown in fig.1)

广元—绵阳—雅安一带古地貌位置较高，水体较浅，与广海相连，水体十分流畅，发育台地边缘相，主要形成于茅二段晚期—茅三段(三级层序SQ1高位体系域时期)。该相带内部地势相对较高区域发育台缘滩亚相，主要沉积物为浅灰色、灰色白云岩及亮晶生物碎屑灰岩；因水体较浅，水动力条件较强，温度适宜，生物大量繁殖，发育有孔虫、蜓、藻类等生物。台缘滩亚相之间地势较低部位发育滩间海亚相，沉积物颜色较台缘滩的暗。

台地边缘相以东区域为开阔台地相，古地貌较高区域发育台内滩亚相，水体相对较浅，水动力条件较强，大量生物发育，其岩性与台缘滩的类似。台内滩体之间地势相对低洼处发育潮下亚相，沉积物颜色变深。

研究区以西的川西海槽和以北的广旺海槽水体较深，沉积物以深灰色和灰黑色泥岩、硅质泥岩、泥微晶灰岩为主，发育斜坡、盆地相，相内滩体不发育。

5 结论

(1)川西北地区中二叠统茅口组可以划分为2个三级层序——SQ1和SQ2，每个三级层序内部可分为海侵体系域(TST)和高位体系域(HST)，主要发育白云岩、生物碎屑灰岩(亮晶生物碎屑灰岩和泥晶生物碎屑灰岩)及泥微晶灰岩3种岩石类型。

(2)研究区茅口组为镶边碳酸盐岩台地沉积，发育台地边缘相、开阔台地相、斜坡相和盆地相4种相带；其中台缘滩亚相和台内滩亚相滩体储集物性较好，为有利勘探区。

(3)垂向上，台地边缘相主要发育于茅二段中晚期—茅三段(SQ1高位体系域时期)；平面上，研究区自西向东再向北依次发育盆地相、斜坡相、台地边缘相、开阔台地相、斜坡相、盆地相等沉积相，台地边缘相位于广元—绵阳—雅安一带。

(4)SQ1高位体系域时期，研究区发育两期滩体，即高位体系域早、晚期各一套，其中晚期的滩体比早期的厚度和规模更大，滩体横向展布性较好。