桂中地区下石炭统寺门组物源特征与岩相古地理分析

张矿明， 范志伟， 马成宪， 杨 凤， 李旭文

( 中国石化勘探分公司 勘探研究院，四川 成都 610041 )

0 引言

目前，关于下石炭统同类型碎屑岩储层研究有多个发现[1-4]，展现良好的资源潜力。桂中地区多口钻井在寺门组砂岩中钻遇丰富油气显示。继大5(寺门组375 m砂岩井喷，喷高4 m)、柳热1、洛1等井在下石炭统钻遇良好油气显示后，2014年，柳城气井于寺门组井深248.5 m处钻遇砂岩储层，并发生井涌和井喷，日产天然气(3～4)×103m3。2016年，东塘1井于寺门组井深290.0～310.0 m处砂岩储层浸水冒泡明显，产气量大而连续，气测全烃体积分数最大为26%；之后，发生井涌并点火可燃，揭示桂中地区寺门组砂岩储层具有较好的勘探前景。桂中地区下石炭统寺门组发育有利砂岩储层，孔隙度为1.0%～26.3%(51个样品)，平均为8.2%；渗透率为(0.02～84.50)×10-3μm2(52个样品)，平均为0.21×10-3μm2。寺门组优质储层与暗色烃源层大面积接触，灰黑色—黑色泥质烃源岩厚度将近100.0 m，TOC质量分数为0.94%～2.62%(8个样品)，平均为1.50%，具有源内成藏、近源充注的成藏背景。

近年来，人们研究滇黔桂地区石炭—二叠纪层序沉积相，如岳艳[5]、姜在兴[6]、何幼斌等[7]、梅冥相等[8]、焦大庆等[9]认为，滇黔桂地区石炭纪到二叠纪船山世的地层构成一个二级构造大层序，其底界面为紫云运动主幕的不整合面；赵明腾等[10]认为，大塘期中期(寺门期)是广西境内最大海退时期，云开古岛西北部已扩大至平南、金秀、昭平一带，由古岛区的差异升降导致较粗陆源碎屑物质注入台盆，在该地区形成(辫状河)三角洲相；隆轲[11]认为，黔南桂中地区石炭纪由北向南为古陆—滨岸—碳酸盐台地—台盆。人们对桂中地区寺门组碎屑岩物源与沉积模式的研究较少，存在的问题主要表现在两方面：一是砂岩物源和成因分析还需实物分析资料的支撑，存在母岩来源与搬运方向模糊不清的问题，影响沉积模式的可信度；二是虽然砂岩有利储层发育，但有利砂岩相带展布规律还需进一步落实。笔者结合录井、地震资料，对寺门组的8条野外剖面和钻井剖面的分析资料进行研究，深化对桂中地区寺门组砂岩的物源特征、搬运方向与相带展布认识，为研究区寻找优质储层及油气勘探评价提供依据。

1 地质背景

桂中坳陷位于华南板块的西南缘，北部与江南古陆毗邻，东部以龙胜—永福断裂及大瑶山隆起为界，西部以南丹—都安断裂为界，面积为4.6×104km2(见图1)。桂中坳陷是在加里东运动基础上形成的晚古生代海相大型沉积坳陷，其基底是扬子稳定地块的组成部分；自晚古生代以来，桂中坳陷周边为隆起带、造山带围限，以升降运动为特点，受褶皱挤压变形较弱，获得稳定沉积与保存的时空条件[12-15]。

图1 桂中坳陷区域构造及研究区位置

早石炭世，桂中坳陷继承黔桂地区泥盆纪西北向拉张裂陷盆地、北东向走滑盆地与台地相间展布的沉积格局。受早石炭世初期紫云运动的隆升作用[16-19]影响，黔南地区大部分地区暴露，桂中地区靠近物源区发育碎屑岩。桂中地区下石炭统寺门组主要岩性为灰黑色页岩、石英砂岩夹粉砂质页岩，根据岩石组合可分为三段：底部为深灰色薄层泥岩，下部为深灰色页岩、粉砂质页岩夹少量中层细粒石英砂岩，上部为灰—深灰色中层状石英砂岩夹页岩、泥质粉砂岩。寺门组地层与上覆罗城组深灰—灰黑色中层灰岩、泥质灰岩、泥灰岩呈整合接触，与下伏黄金组灰—深灰色中—厚层细—粉晶生屑灰岩呈整合接触。

2 沉积相与沉积体系

在分析桂中地区8条露头剖面、5口钻井资料的基础上，根据岩石学特征、沉积构造、地震相、砂地比和砂砾岩厚度分布等资料，以沉积特征和指相标志的识别为依据，认为桂中地区寺门组主要发育三角洲相沉积和障壁海岸相沉积两种类型砂体。

2.1 单井相分析

2.1.1 三角洲相

环江水源土弄山剖面寺门组三角洲相沉积主要以三角洲前缘亚相发育为特征，由水下分流河道、河口砂坝、分流间湾等微相组成(见图2(a))。水下分流河道微相具有底部砾岩发育并伴有冲刷构造，粒度向上逐渐减小，以正韵律为特征，并于邻近古昌剖面中观察到河道迁移的现象。河口砂坝微相岩石类型以分选程度较好的中细粒砂岩为主，并以自下而上反粒序韵律为特征。分流间湾微相以细粒沉积为主，由泥岩、粉砂质泥岩组成，垂向上与水下分流河道砂体构成较好的储盖组合。受河道的侧向迁移与潮汐作用影响，可细分为5个短期旋回。优质储层主要发育于高位体系域的水下分流河道微相，孔隙度为1.7%～22.9%，平均为6.7%。

2.1.2 障壁海岸相

南丹车河剖面寺门组主要由障壁海岸相和河口湾相组成(见图2(b-c))。障壁海岸相由沿岸砂坝、砂滩、潮汐水道等微相组成。沿岸砂坝砂岩以成分和结构成熟度较高的厚层中粒石英砂岩为主，可见生物碎屑，局部可见反粒序韵律(见图3(a-b、f))。砂滩相砂岩受水体的反复淘洗，分选磨圆较好，单层厚度以中层状中—细粒石英砂岩为主，常夹有薄层状泥岩条带。潮汐水道以发育渐变正韵律的砾岩沉积为特征，分选与磨圆较差，常呈透镜状产出(见图3(c-e、g-h))。受潮汐的进退和潮道的侧向迁移影响，可细分为3个短期旋回。优质储层主要发育在高位体系域的沿岸砂坝与砂滩微相中。

2.2 连井沉积对比

根据由北向南连井剖面地层对比(见图4)，砂岩厚度由厚变薄。在柳城、鹿寨地区，自东北向西南，广西鹿寨长盛坳剖面三角洲前缘相的分流河道砂发育，砂体厚度大，向西至广西鹿寨洛埠，分流河道砂体厚度明显减薄，至柳城气井，沉积相变为障壁海岸相的障壁砂坝、潟湖相沉积，砂体沉积主要受障壁岛、潮汐水道的控制；至广西柳江剖面，沉积相主要为清水环境的潟湖潮坪沉积。总体上，三角洲水下分流河道和障壁砂坝砂体多期叠置，与暗色烃源层大面积接触，具有较好的成藏背景。根据地震测线(见图5)，寺门组由北向南存在从三角洲体系—滨岸潮坪—障壁砂坝的沉积相带的变化，表明致密砂岩类型多样、分布范围广，具有良好的勘探潜力。

图2 桂中地区寺门组典型单井相柱状图Fig.2 Typical stratigraphic columns of Simen formation in Guizhong depression

图3 桂中地区寺门组野外露头和镜下薄片照片Fig.3 Photographs of outcrop and thin-sections of Simen formation in Guizhong area

图4 长盛坳—鹿寨—柳城气井—柳江下石炭统寺门组沉积层序格架Fig.4 Sedimentary sequence correlation of Changsheng'ao-Luzhai-well LCQ-Liujiang in Simen formation

3 物源特征与岩相古地理演化

3.1 物源分析

古物源控制砂体的分布和成因，古物源研究有利于探讨砂体的展布及预测[20-23]。根据砂地比和砂砾岩厚度分布、重矿物组合、古流向等资料，探讨研究区寺门组物源体系特征。

图5 桂中地区寺门组地震相分析Fig.5 Seismic facies analysis in Simen formation in Guizhong area

3.1.1 砂地比及砂砾岩厚度

碎屑岩从物源口到盆地中心具有砂地比、砂砾岩厚度逐渐减小的趋势，因此可利用砂地比、砂砾岩厚度平面等值线图确定物源区和物源方向。

根据寺门组19口钻井和野外剖面资料，确定桂中地区下石炭统寺门组砂地比(见图6)和砂砾岩厚度(见图7)分布规律，自雪峰古陆向南和云开古陆向西砂地比和砂砾岩厚度具有明显减小的趋势。其中，荔波地区自北向南砂地比由0.5降至0.2，鹿寨地区自东向西砂地比由1.0降至0.2，并于南丹—河池—罗城—柳城—柳江一线出现局部砂地比增大的趋势，桂中地区寺门组存在北部雪峰古陆南缘和东部云开古陆西侧两个物源区，物源区向深水区搬运迁移而形成三角洲，于南丹—柳江一线形成串珠状砂坝沉积。

3.1.2 重矿物组合

碎屑岩中相对密度大于2.86 g/cm3的矿物为重矿物，其质量分数一般不超过1.00%。重矿物具有耐磨蚀、稳定性强，能够较多地保留母岩的特征，为常用的物源分析方法。碎屑沉积物中，重矿物及其组合特征多取决于母岩的性质、水动力条件和沉积物的搬运距离。在物源相同、古水流体系一致的碎屑沉积物中，重矿物组合具有相似性；母岩区不同的碎屑沉积物多具有不同的重矿物组合[8-13]。

分析桂中地区寺门组8个剖面、43块重矿物样品资料，重矿物主要包括锆石、赤褐铁矿、绿帘石、电气石、白钛矿、绿泥石、黄铁矿等。根据重矿物组合平面分布特征(见图8)，桂中地区寺门组可分为3个物源组合区：

(1)Ⅰ区。主要位于桂中西北部的南丹、环江地区，重矿物组合为锆石、赤褐铁矿、绿帘石和其他矿物等(电气石、白钛矿、绿泥石、锡石和黄铁矿)。结合砂地比分析，该区母岩来源于北部雪峰古陆，重矿物组合具有相似性。

(2)Ⅱ区。主要位于桂中东部的柳城、鹿寨地区，重矿物组合为赤褐铁矿和其他矿物等(绿帘石、黄铁矿和白钛矿)，重矿物组分相对简单，母岩主要来源于东部云开古陆。

(3)Ⅲ区。主要位于桂中中部地区，重矿物组合为赤褐铁矿、绿帘石、锆石和其他矿物等(电气石、绿泥石和白钛矿)，具有Ⅰ、Ⅱ区重矿物组合过渡变化的特征，为Ⅰ、Ⅱ区的混源区。

重矿物种类繁多，根据抗风化稳定性，可将重矿物分为稳定重矿物和不稳定重矿物两类。稳定重矿物抗风化能力强，距离沉积物源越远，质量分数相对越高；不稳定重矿物抗风化能力相对较弱，距离母岩越远，相对质量分数越低。ZTR指数是指稳定矿物锆石、电气石和金红石在透明重矿物中所占比例，代表重矿物的成熟度，可以指示沉积物的搬运距离和物源方向。Ⅰ区ZTR指数相对较大，车河剖面ZTR指数为36.40，水源剖面ZTR指数为32.26，古昌剖面ZTR指数为21.27，整体表现为自南向北方向ZTR指数逐渐降低，揭示Ⅰ区自雪峰古陆区向南物源搬运方向；由于Ⅱ区无锆石、电气石和金红石等稳定重矿物，无法采用ZTR指数分析。

3.1.3 古流向

桂中地区寺门组古流向分析所用指向特征，以野外露头中的交错层理、波痕、砾石最大扁平面的排列方向等为标志。在野外测量交错层理、波痕、砾石最大扁平面的排列方向沉积标志的产状，并投射到研究区平面图上，推断古水流方向(见图9)。

图6 桂中地区寺门组砂地比Fig.6 Sand ratio map in Simen formation in Guizhong area

环江水源剖面29层发育波痕构造，波痕走向为240°(见图9(a))，推测古水流方向垂直于波痕走向，为330°；21层砾石颗粒较为发育，砾石最大扁平面的排列方向为339°(见图9(b))。南丹车河剖面交错层理倾向为240°(见图9(c))。柳江坡庙剖面砾石最大扁平面的排列方向为205°(见图9(d))。古昌剖面河道迁移方向为350°(见图9(e))。Ⅰ区古水流方向主要为南东(330°～350°)和西南(240°)2个方向，Ⅱ区古水流方向主要为南西方向(205°)。

因此，母岩主要来源于北部雪峰古陆与东部云开古陆沉积岩再搬运、火成岩和变质岩组合。

3.2 沉积体系平面分布与物源搬运模式

由桂中地区寺门组沉积相平面展布(见图10)可知，桂中坳陷北部地区为受物源和障壁岛控制的混水碎屑岩沉积，南部地区为清水碳酸盐岩沉积。北部紧靠雪峰古陆和云开古陆边缘，以滨岸—三角洲沉积为主，随着与物源区距离的增大，砂砾岩和砂地比减小，出现混积潮坪相沉积；在南丹—河池—罗城—柳城—柳江一线，受继承性高古地貌遮挡的影响，平行于岸线方向，形成串珠状的沿岸砂坝砂体。沿岸砂坝以南地区砂体消失，为台地相和台盆相清水碳酸盐岩沉积。

图7 桂中地区寺门组砂砾岩等厚图Fig.7 Sand isopach map in Simen formation in Guizhong area

下石炭统寺门组砂体形成于海岸三角洲和潮汐三角洲，在河池、环江地区的水源、古昌、后社一带，以及柳州区块的鹿寨、坡庙一带为海岸三角洲沉积；在南丹车河、德胜一带障壁岛发育。受潮汐作用影响，三角洲相的碎屑物质在沿岸流与潮汐作用下，形成潮汐三角洲沉积，发育受障壁岛影响控制的串珠状障壁砂坝(沿岸砂坝)、潮汐水道砂体、沙滩等沉积，砂坝沿障壁岛分布，纵向砂体多期叠置。总体上，寺门组砂岩来源于雪峰古陆南部与云开古陆西缘三角洲相区，受潮汐流与波浪流作用迁移至高古地貌遮挡处，在沿岸流与反向潮汐流的作用下逐渐堆积成砂坝或滩(见图11)。

图8 桂中地区寺门组砂地比、重矿物平面分布Fig.8 Sand ratio and heavy mineral map in Simen formation in Guizhong area

图9 桂中地区寺门组古流向指示标志Fig.9 The sigh of paleo flow direction in Simen formation in Guizhong area

图10 桂中地区寺门组沉积相Fig.10 Sedimentary facies map in Simen formation in Guizhong area

图11 桂中地区寺门组沉积相与物源搬运模式Fig.11 Sedimentation and transpostion model in Simen formation in Guizhong area

4 结论

(1)桂中地区下石炭统寺门组可分为3个物源组合区。Ⅰ区主要位于桂中西北部的南丹、环江地区，母岩来源于北部雪峰古陆周缘；Ⅱ区主要位于桂中东部的柳城、鹿寨地区，母岩主要来源于东部云开古陆周缘；Ⅲ区为Ⅰ、Ⅱ区的混源区。其中，Ⅰ区古水流方向主要为南东(330°～350°)和西南(240°)2个方向，Ⅱ区古水流方向主要为南西方向(205°)。

(2)桂中地区寺门组砂岩靠近雪峰古陆南部与云开古陆西缘发育三角洲相，受潮汐流与波浪流作用迁移至高古地貌遮挡处；之后，在沿岸流与反向潮汐流的作用下逐渐堆积成砂坝或滩。有利砂岩储层主要分布于雪峰隆起南侧和云开古陆西缘三角洲水下分流河道微相，以及南丹—河池—罗城—柳城—柳江一线的沿岸砂坝。