川东南志留系小河坝组致密砂岩储层粒度特征及其环境指示意义

柳 昊，田亚铭*，邓 剑，王 勇，赵凱莉

(1.成都理工大学地球科学学院，成都 610059；2.中国石油化工股份有限公司勘探分公司，成都 610041)

粒度是碎屑沉积物最基本的物理特征[1]，当沉积环境变化时，粒度特征往往会有相应的变化[2]。粒度参数建立的相关函数及图解如Sahu函数、C-M图均可作为判别沉积环境的重要参考标志[3]。

研究人员利用粒度资料取得了丰厚的研究成果，乔岳强等[4]通过粒度分析的方法判断北京周口杨家屯组砂岩和砾岩均为河流相沉积；Liu等[5]利用端元分析法模型从青藏高原库赛湖沉积的粒度数据中分离出与东亚冬季风有关的组分；张旻旻等[3]归纳总结了辽西兴城地区粒度资料，提出粒度资料可以作为判断沉积环境的重要依据之一；陈俊飞等[6]根据粒度参数与孔渗的关系推测水下分流河道砂体是致密油赋存的有利相带。随着科学技术的发展，粒度分析的手段也发生了翻天覆地的变化。孙东怀等[7]、王为等[8]学者通过WEIBULL、MATLAB软件的函数功能等方法进行了粒度分析；Blott等[9]用VB语言借助Excel开发专用粒度分析软件GRADISTAT；冯静等[10]提出利用Origin软件可以求解不同沉积环境沉积物样本的粒度百分位数，因操作简单可作为沉积粒度分析的通用软件。

川东南志留系小河坝组为一套海相碎屑岩，朱志军[11]通过岩石薄片粒度分析总结了川东南-湘西地区的志留系小河坝组砂岩主要粒度概率曲线类型；王旭[12]通过粒度分析认为小河坝组沉积物搬运方式主要为跳跃式、悬浮式。前人利用粒度资料收获颇丰，但并没有学者关注到粒度资料的纵向的变化情况，目前缺乏系统的粒度分析，对其所反映出的沉积过程、能量、环境变化等研究存在不足，小河坝组沉积环境的认识还存着较大争议，不同学者提出该研究区属于浅水陆棚、三角洲、低能浅水三角洲、潮控浅水陆棚潮汐砂坝等沉积环境[13]。现通过对小河坝组四条实测剖面较系统的粒度分析及对比研究，开展粒度C-M图、sahu函数的特征以及参数纵向变化的对比分析，对研究区能量变化、水动力条件等加以讨论，以期明确川东南志留系小河坝组纵向粒度变化特征，进而为沉积环境的分析提供辅助帮助。

1 区域地质背景

四川盆地位于扬子准地台的西北端，如图1所示从西向东划分为川西低陡构造带、川中低缓构造带、川南低陡构造带、川北低陡构造带、川东高陡构造带等二级构造单元[14]。川东南地区位于四川盆地东南部，该区志留系由一套浅海相页岩、泥岩、粉砂岩及灰岩组成，沉积厚度在980～1 360 m，地层划分为下统龙马溪组、小河坝(石牛栏)组和中统韩家店组，与上覆二叠系成不整合接触(表1)。志留系下统小河坝组(S1x)主要为一套灰、黄灰色薄-厚层状粉砂岩、泥质粉砂岩夹少量粉砂质泥岩。岩石类型以长石石英粉砂岩为主，碎屑颗粒粒径主要为粉砂级，磨圆以次棱角-次圆状为主，颗粒支撑。矿物碎屑中石英含量最高，长石其次。主要岩屑为沉积岩岩屑，局部含有少量的生物碎屑。胶结方式以孔隙式胶结为主，成分成熟度中等，铸体薄片镜下观察表明，主要的孔隙类型主要为溶蚀孔，孔隙度在0.42%～11.12%，平均2.39%，渗透率在0.005～57.04 mD，为低孔低渗储层。[15-18]

图1 川东南志留系小河坝组构造位置图(根据参考文献[13]修编)Fig.1 Tectonic location of the Silurian Xiaoheba Formation in southeastern Sichuan(modified from ref.[13])

表1 川东南地区奥陶纪-志留纪地层简表(据参考文献[18])Table 1 Brief table of Ordovician-Silurian strata in southeastern Sichuan(modified from ref.[18])

2 样品采集与测试方法

粒度分析样品通过川东南地区双流坝剖面(SL)、回龙场剖面(HL)、浩口剖面(HK)、小河剖面(XH)四条志留系小河坝组剖面的实地测量，自下而上进行了较系统的样品采集，共采样品78块，进行薄片磨制与系统鉴定分析。采用薄片图像分析法，基于显微镜成像技术和计算机二维图测量技术进行粒径测量。检测仪器为英国马尔文公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪，测量范围为0.02～2 000 μm。测试结果如表2所示。

3 粒度特征

3.1 粒度参数特征

粒度特征参数有平均粒径(Mz单位为φ,φ=log2d,d为颗粒直径，μm)、标准偏差(σ)、偏度(SK)、峰度(Kg)等，不同的沉积环境存在不同的水动力条件和搬运方式，从而导致沉积物粒度的差异[19]。

川东南志留系小河坝组4条实测剖面中，平均粒径范围为(3.56～6.18)φ，均值为4.49φ，其中浩口剖面平均粒径均值最大为5.24φ，双流坝剖面均值最小为4.13φ。准偏差分布范围为0.44～1.96，平均值为1.14，其中浩口剖面标准偏差均值最大为1.49，双流坝标准偏差均值最小为1.03。偏度分布范围为0.38～3.63，均值为2.4，峰度的波动范围是1.4～20.7，平均9.42(表2)，粒度参数显示小河坝组岩性以粗粉砂为主，整体动能弱分选性差，频率曲线为很尖锐的极正偏态。对比发现双流坝地区水动力条件最强，颗粒分选性较好，浩口地区水动力条件相对最弱，颗粒分选性相对较差。分析四条剖面粒度参数关系可以看出偏度和峰度相关性最好，R2=0.913 7(图2)，表明粒度集中情况影响粒度曲线形态。

纵向来看回龙场、双流坝地区参数曲线变化趋势具有一定的相似性(图3)，参数曲线自下而上经历了平缓—陡峭—平缓—陡峭的变化过程，揭示该地区水体动能经历了平稳—动荡—平稳—动荡的变化过程。浩口地区、小河地区参数曲线自下而上变化过程为平缓—较平缓—陡峭，反应水体环境由平稳逐渐变得动荡。粒度参数显示双流坝、回龙场地区经历了相似的沉积过程(图4)，浩口、小河地区经历了相同的沉积过程。

图2 偏度-峰度相关性散点图Fig.2 Scatter plot of skewness-kurtosis correlation

表2 川东南志留系小河坝组实测剖面粒度参数汇总表Table 2 Summary table of granularity parameters of the measured profile of the Silurian Xiaoheba Formation in southeast Sichua

3.2 粒度频率曲线特征及类型

频率曲线分单峰态、双峰态和多峰态，单峰态表示沉积物成分单一，受比较稳定的水流作用影响，双峰态表示沉积物主要由两种成分组成，在沉积过程中水流环境比较动荡，多峰态表明水体条件更加复杂[20]。

小河坝组频率曲线类型为双峰态和多峰态，未见单峰态曲线。频率曲线主要为双峰态曲线，占比66.67%(图5)。双流坝、回龙场、小河剖面频率曲线类型以双峰态为主，占比分别为76.2%、88.24%、58.33%，曲线峰值在4φ，次峰不突出(图3、图4)。

图5 川东南志留系小河坝组频率曲线统计图Fig.5 Frequency curve statistics chart of Xiaoheba Formation of Silurian in southeastern Sichuan

浩口剖面频率曲线类型以多峰态为主，占比56.25%，曲线中出现多个主峰，主峰粒度多集中在4φ和8φ左右，黏土矿物(φ>8)含量相对增加，可能由于次峰流水作用导致堆积增多，水动力条件更加复杂。

纵向分析发现4条剖面双峰态曲线和多峰态曲线交相出现，研究区整体的水动力条件复杂。存在两种水流作用共同影响，根据后文概率累积曲线、实测剖面等判断小河坝组受到河流作用和波浪作用共同影响。

3.3 粒度概率累积曲线特征及类型

朱志军[11]根据小河坝组概率曲线类型，将其分为一跳一悬、两跳一悬式、一跳一悬夹过渡式、滚动跳跃悬浮式(表3)。按照此分类，本次研究揭示川东南志留系小河坝组的粒度概率曲线具有以下特征。

(1)小河坝组概率累积曲线主要为一跳一悬夹过渡式，占比52.57%(图6)，滚动跳跃悬浮式占比最小为6.41%，可忽略不计。双流坝、回龙场剖面概率累积曲线类型主要为一跳一悬夹过渡式，占比分别为71.43%、58.82%，小河剖面曲线类型主要为一跳一悬夹过渡式、一跳一悬式、占比同为42.85%，浩口剖面曲线主要为一跳一悬夹过渡式和两跳一悬式，占比分别为37.5%、31.25%。

图6 川东南志留系小河坝组概率曲线统计图Fig.6 Probability Curve Statistics Chart of the Silurian Xiaoheba Formation in Southeast Sichuan

(2)纵向来看，在双流坝、回龙场剖面中(图3)，概率曲自下而上变化趋势为一跳一悬夹过渡式—两跳一悬式为主—一跳一悬夹过渡式为主—一跳一悬式、两跳一悬式混杂。浩口、小河剖面中(图4)，概率曲线自下而上呈现出一跳一悬式—一跳一悬夹过渡式为主-一跳一悬式、两跳一悬式为主的变化过程。

(3)野外剖面观察显示(图7)研究区小河坝组为砂泥岩剖面结构，砂体主要呈席状平行分布，沉积构造主要为浪成波痕层面构造，砂纹层理、平行层理等，河道沉积结构特征、冲刷构造及暴露构造不发育。综合判断研究区小河坝组沉积环境为三角洲前缘沉积环境，回龙场、双流坝地区自下而上经历了三角洲前缘河口坝—席状砂—三角洲前缘河口坝—席状砂的沉积旋回；小河、浩口地区经历了自下而上经历了三角洲前缘水下分流河道—三角洲前缘河口坝—席状砂。

表3 川东南志留系小河坝组概率累积曲线特征及沉积环境指示[11]Table 3 Probability cumulative curve characteristics and sedimentary environment indications of the Silurian Xiaoheba Formation in southeastern Sichuan[11]

3.4 粒度分析环境解释

C-M图解是表示沉积物结构和沉积作用关系的集合图解，可与其他要素共同判别沉积环境[21]。如图8所示数据点在QR、RS均有分布，主要分布在QR段，整体属于牵引流沉积，以递变悬浮为主，含少量滚动搬运组分，为三角洲沉积环境的水动力特征。值得注意的是RS段的样品均来自浩口剖面，由此也能说明浩口地区水动力条件相对较弱。

Sahu求得了各类沉积环境判别函数[22]，在浅海-河流(三角洲)判别公式中，各样品计算结果都小于-7.419 0，均值为-21.89，在河流(三角洲)-浊流判别公式中所得数据均大于9.843 3，平均68.68(表4)。计算结果显示小河坝组沉积环境为河流-三角洲沉积环境。

图8 川东南志留系小河坝组粒度C-M图Fig.8 C-M diagram of grain size of Silurian Xiaoheba Formation in southeastern Sichuan

表4 川东南志留系小河坝组Sahu函数计算结果Table 4 The results of Sahu function of the Silurian Xiaoheba Formation in southeastern Sichuan

4 结论

(1)小河坝组粒度平均粒径均值为4.49、标准偏差均值为1.14、偏度均值为2.40、峰度均值9.42，粒度参数表明整体水体动能较低，沉积物粒度细分选差，其中双流坝地区水体动能相对较强，浩口地区水体动能相对较弱。偏度和峰度之间存在一定的相关性，相关系数R2=0.913 7。

(2)频率曲线主要类型为双峰态，纵向表现为双峰态多峰态交相出现，概率累积曲线类型主要为一跳一悬夹过渡式、两跳一悬式、一跳一悬式。小河、浩口地区自下而上经历了一跳一悬式—一跳一悬夹过渡式为主—一跳一悬式、两跳一悬式为主的变化，回龙场、双流坝地区自下而上呈现出一跳一悬夹过渡式—两跳一悬式为主—一跳一悬夹过渡式为主—一跳一悬式、两跳一悬式为主的特点。

(3)剖面观察显示小河坝为砂泥岩剖面结构，砂体主要呈席状平行分布，沉积构造主要为浪成波痕层面构造，砂纹层理、平行层理等，河道沉积结构特征、冲刷构造不发育。

(4)综合粒度概率累积曲线纵向变化，辅以粒度频率曲线、剖面认识、粒度C-M图、Sahu函数判断川东南志留系小河坝组受到河流作用和波浪作用共同影响，沉积环境为三角洲前缘，其中回龙场、双流坝地区自下而上经历了河口坝—席状砂—河口坝—席状砂的沉积旋回，小河、浩口地区沉积环境经历了水下分流河道—河口坝—席状砂的变化。