塔里木盆地顺北—顺南地区鹰山组四级层序地层划分及地质意义

赵永强

(1．中国石化石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126；2．中国石化油气成藏重点实验室，江苏 无锡 214126)

碳酸盐岩储层相较于碎屑岩储层具有更高的非均质性[1-2]，其储层质量取决于沉积相的空间分布、次生作用(如成岩过程)和沉积序列所经历的沉积旋回[3]。在目前的油气勘探领域，与不整合相关的油气藏占全球已发现油气藏的20%～30%[4]。地面暴露和相关风化作用会显著影响碳酸盐岩储层的孔隙度和渗透率[5-7]。分析层序、沉积微相、沉积微相组合与储层之间的关系是目前研究中最紧迫和最具挑战性的课题，高频层序识别显得格外重要。四级层序由与海侵、正常海退或强迫海退的岸线轨迹相联系的体系域组成，并以层序地层面为界[8]。

塔里木盆地经过几十年的勘探开发已经发现近60个油气藏，其中古生代地层是油气勘探的重点，而古生界的勘探对象主要为奥陶系[9-12]。针对柯坪露头区、塔北和塔中隆起的奥陶系，已开展了系统的三级、四级层序地层学研究。如刘迪等[13]将塔中地区奥陶系鹰山组划分为4个三级层序；姜海健等[14]基于露头识别出鹰山组与区域不整合和岩溶相关的三级层序界面，并划分出2个三级层序；韩剑发等[15]针对塔西北露头识别出鹰山组的17～19个高频旋回；刘策等[16]通过钻井和碳、氧同位素对古城地区鹰山组划分了2个三级层序和14个高频旋回；曲少东[17]利用三维地震和露头资料将鹰山组划分为5个三级层序。整体来看，鹰山组三级层序划分数量存在2～5个的差异，露头区划分数量更多，塔中、塔北地区三级层序划分以2个或4个为主流[14,18-19]，而鹰山组高精度的层序识别以露头研究为主[15,20]。顺北—顺南地区鹰山组埋藏深度大，一直缺少系统的高精度层序地层学研究，制约了该区鹰山组有利储层和有利相带的深入研究。因此，本文以顺北—顺南地区鹰山组为研究对象，基于钻井岩心、测井、二维和三维地震资料，在三级层序地层格架内，利用多资料、采用多方法，开展四级层序划分及对比，最终探讨四级层序界面的成因意义和四级层序研究的地质意义。

1 区域地质背景

塔里木盆地位于中国西北地区，介于南天山、北昆仑山和阿尔金山之间，面积约为56×104km2，是在前寒武系结晶基底之上发育起来的大型叠合、多旋回盆地[21-24]。塔里木盆地的演化经历了多期构造活动(加里东期、海西期、印支—燕山期、喜马拉雅期)，经过了多次变形叠加，总体变形较弱，边界断裂活动相对较强。塔里木盆地在震旦纪—早奥陶世整体为被动大陆边缘，属于拉张背景，为统一的海相沉积盆地，地层分布主要受早中奥陶世西台东盆、晚奥陶世塔北—塔中台地分异的影响。

顺北—顺南地区位于塔里木盆地中部，主要受塔中、塔北两个构造单元影响，主体属于顺托果勒低隆起，位于沙雅隆起、卡塔克隆起两个构造单元之间(图1-A)。顺北—顺南地区整体为台地沉积背景，台地区中下奥陶统由下至上岩石地层为蓬莱坝组(O1p)、鹰山组(O1-2y)和一间房组(O2yj)(图1-B)。鹰山组地层厚度为80～240 m，平面上西北和北东方向地层厚度最薄，普遍小于100 m；顺托、顺北和顺南地区地层厚度稳定，为140～200 m。

2 鹰山组沉积演化特征

综合前人认识及研究区实际，鹰山组包含2个三级层序。在三级层序地层格架内，根据顺北2井等8口取心井观察、描述，100余张岩石薄片系统观察、鉴定，结合沉积微相识别标志综合分析，认为顺北—顺南地区鹰山组以局限台地和开阔台地发育为特征。

图1 顺北—顺南地区位置及奥陶系综合柱状图Fig.1 The geographic location of Shunbei-Shunnan area and comprehensive histogram of Ordovician (A)顺北—顺南地区构造单元和研究区位置图; (B)奥陶系综合柱状图

2.1 局限台地相特征

顺北—顺南地区鹰山组局限台地沉积主要发育于鹰山组下部，岩性以泥晶、粉晶、细晶云岩和灰质云岩为主，夹微晶、微亮晶藻砂屑灰岩或粉晶云化不等粒砂屑灰岩。局限台地相可划分为局限台坪和台内滩亚相。局限台坪按岩性进一步识别出云坪、灰云坪等微相。台内滩根据颗粒类型可细分为砂屑滩和生屑滩。如中13井鹰山组第12次取心段(深度5 844.24～5 850.00 m，图2)，下部为云灰坪微相，由下向上依次由灰色灰岩夹薄层灰色白云岩、灰色白云质泥晶灰岩和浅灰色粉-细晶白云岩组成；上部为砂屑滩微相，主要由浅灰色含云砂屑灰岩组成。云灰坪→砂屑滩的沉积演化，反映了向上变浅的沉积旋回。

2.2 开阔台地相特征

顺北—顺南地区鹰山组开阔台地沉积主要发育于鹰山组中上部，岩性为灰、浅灰、黄灰色泥晶灰岩、微晶灰岩和亮晶藻砂屑灰岩。开阔台地进一步划分为浅滩和滩间亚相。浅滩亚相主要由亮晶砂屑灰岩和微晶、亮晶砂屑灰岩的砂屑滩微相组成；滩间亚相由灰坪微相组成，岩性主要为灰、浅灰色泥晶灰岩。如顺5井第5次取心段(深度 6 784.05～6 790.11 m,图3)，自下而上由3个厚度不等的向上变浅旋回组成，每个旋回下部由灰色泥晶灰岩的灰坪微相组成，上部为灰褐色砂屑灰岩的砂屑滩微相。

图2 中13井鹰山组局限台地相的沉积微相特征Fig.2 Characteristics of sedimentary microfacies of restricted platform in Yingshan Formation in Well Zhong-13

图3 顺5井鹰山组开阔台地相的沉积微相特征Fig.3 Characteristics of sedimentary microfacies of open platform in Yingshan Formation in Well Shun-5

3 鹰山组四级层序界面特征

层序界面的识别和层序的划分是层序地层学研究的基础。四级层序界面由短时期内相对海平面变化形成，该类层序界面在沉积体内出现频率高、表现形式复杂多样，但规模较小，地质意义明确，能有效指示优势储层相带。四级层序界面上、下地层在岩性、测井曲线、地震反射特征等方面都存在一定差异，据此可进行四级层序界面识别。

3.1 钻井上四级层序界面的物质表现形式

基于钻井岩心、测井和岩石薄片资料综合分析，顺北—顺南地区鹰山组四级层序界面的物质表现形式共7种，包括：短期暴露溶蚀作用面、弱冲刷侵蚀面、准同生期选择性溶蚀孔隙、示顶(底)构造、淡水胶结物、暴露氧化作用及多种岩性、岩相转换面。

3.1.1 短期暴露溶蚀作用面

短期暴露溶蚀作用面由相对海平面下降所造成，沉积产物为岩溶角砾岩和溶蚀孔洞层。溶蚀孔洞层与海平面频繁升降有关。相对海平面下降后，前期未经历强烈压实的碳酸盐沉积物暴露地表，受大气降水影响发生部分溶蚀、垮塌，形成岩溶角砾，其规模不大(相较于表生岩溶形成的岩溶角砾岩)。如顺南501井6 295.73 m深度见短期暴露不整合面，界面之下为岩溶角砾岩，界面之上为灰色泥晶灰岩(图4-A)。

3.1.2 弱冲刷侵蚀面

弱冲刷侵蚀面在台地区较为明显，表现为不同类型颗粒灰岩对下伏泥晶灰岩的冲刷构造。冲刷侵蚀面上通常由砾屑灰岩、生屑灰岩、砂(砾)屑灰岩和鲕粒灰岩等粗粒沉积物组成，下伏多为泥晶灰岩。鹰山组台地内砂屑灰岩和竹叶状灰岩对下伏层系的冲刷侵蚀最为常见，如古隆3井鹰山组岩石薄片中可见砂屑灰岩对下伏泥晶灰岩的冲刷现象(图4-B)。

3.1.3 准同生期选择性溶蚀孔隙

准同生期，台地区浅滩暴露后受大气淡水的选择性溶蚀，可形成粒内溶孔或铸模孔。由于暴露时间较短，孔洞规模较小，受后期胶结作用的影响，孔隙常被方解石充填。顺托1井和顺南3井鹰山组亮晶砂屑灰岩中见浅滩受选择性溶蚀形成的铸模孔，后期被方解石充填(图4-C、D)。

3.1.4 示顶(底)构造

示顶(底)构造多在微观尺度下观察到，可见孔隙内堆积两种沉积物，下部为泥微晶方解石，颜色深，而上部则充填亮晶方解石。顺南3井及顺南2井鹰山组见准同生期大气淡水选择性溶蚀作用，后期孔隙被亮晶方解石充填(图4-E、F)。在准同生期选择性溶蚀形成的示顶(底)构造，代表一期短暂暴露，可作为四级层序界面划分标志。

3.1.5 淡水胶结物

鹰山组为海相碳酸盐岩台地沉积产物，淡水胶结物的出现意味着海平面下降，并受到了大气淡水的影响，可作为短期海平面下降、经历暴露溶蚀的证据。未完全固结的沉积物出露地表，大气降水导致部分碳酸盐岩矿物溶解并重新沉淀、结晶形成亮晶方解石，其形态表现为马牙状、片状、短柱状以及粒状。如顺南2井可见明显的淡水胶结物，表现为环边方解石胶结(图4-G)和等轴粒状方解石胶结(图4-H)。

图4 顺北—顺南地区鹰山组四级层序界面特征Fig.4 Characteristics of the fourth-order sequence boundary of Yingshan Formation in Shunbei-Shunnan area(A)短期暴露不整合面，顺南501井，深度6 295.73 m；(B)弱冲刷侵蚀面，古隆3井，深度6 148.48 m；(C)含生屑微亮晶砂屑灰岩，后期亮晶方解石充填生物体腔孔，顺托1井，深度7 672.30 m； (D)亮晶砂屑灰岩，生屑孔被选择性溶蚀，后被亮晶方解石充填，顺南3井，深度7 312.10 m；(E)亮晶砂屑灰岩，孔隙内见示底构造，后期被亮晶方解石胶结充填，顺南3井，深度7 559.60 m；(F)泥晶灰岩中的示顶(底)构造，渗流带，顺南2井，深度6 801.57 m；(G)亮晶砂屑灰岩，颗粒边缘等轴粒状环边方解石胶结，颗粒间嵌晶胶结，顺南2井，深度6 377.8 m；(H)亮晶砂屑灰岩，第一期为纤柱状等厚环边，第二期为粒状方解石，顺南2井，深度6 601.57 m；(I)褐铁矿化亮晶砂屑灰岩，顺6井，深度6 617.4 m

3.1.6 暴露氧化作用

碳酸盐沉积物暴露地表，受到大气降水作用的同时，氧化作用也极其发育，尤其是泥质含量高的灰岩更易发生氧化作用，褐铁矿(表现为红色)便是暴露氧化作用的典型产物。顺6井见褐铁矿化亮晶砂屑灰岩(图4-I)，是典型的暴露氧化作用。

3.1.7 岩性、岩相转换面

岩性和岩相的突变意味着沉积环境的改变，形成于进积与退积作用转换阶段[25]。岩性、岩相转换面在露头和岩心上较易识别，测井曲线上也有明显变化，如表现为漏斗形曲线的顶部[26-27]。顺北—顺南地区鹰山组岩相转换面包括多种类型，也最为发育，如顺南1井泥晶灰岩与云质灰岩之间的岩性转换面(图5-A)，顺南2井鹰山组中云质灰岩与泥晶灰岩转换面等(图5-B)。

3.2 地震剖面上四级层序界面的反射特征

图5 顺北—顺南地区鹰山组岩性、岩相转换面Fig.5 Lithology and lithofacies transition plane of Yingshan Formation in Shunbei-Shunnan area

图6 493测线三维地震剖面上鹰山组四级层序界面特征Fig.6 Characteristics of the fourth-order sequence interface of Yingshan Formation in crossline 493 3D seismic profile

4 鹰山组四级层序划分

4.1 四级层序划分方案

我们通常研究三级层序，因为三级层序内包含了一套成因上有联系的地层[28]。三级层序时间跨度通常为1～3 Ma，即在此时限内经历了一次相对明显的海平面变化。每个完整的三级层序由3种体系域(LST、TST、HST)所组成，每个三级层序内又可包含多个四级层序。四级层序反映了更精细的相对海平面升降变化过程所形成的一套沉积，其划分更为精细，时间跨度更短，属于高频层序的范畴。

本文根据层序地层学理论，充分考虑“钻井资料、地震剖面”层序划分的可操作性，在四级层序界面划分基础上，建立顺北—顺南地区鹰山组四级层序划分方案；在三级层序地层格架内识别出5个四级层序界面(FSB1、FSB2、FSB3、FSB4和FSB5)，进一步将鹰山组划分为4个四级层序，自下而上分别为FSQ1、FSQ2、FSQ3和FSQ4(图7)。

4.2 四级层序划分实践

在四级层序界面识别和划分方案建立的基础上，多资料(钻井和地震资料)、多方法并用，相互验证、相互约束，系统开展顺北—顺南地区鹰山组四级层序划分实践。

图7 顺北—顺南地区鹰山组四级层序划分方案Fig.7 Stratigraphic division scheme for the fourth-order sequence of Yingshan Formation in Shunbei-Shunnan area

4.2.1 钻井上四级层序划分实践

相较于野外剖面，钻井上缺少连续的取心资料，岩性划分也更粗略。为了更好地开展四级层序地层学研究，要充分利用钻井的测井资料。可利用自然伽马(GR)测井数据及K、Th、U数据，分别采用Fischer图解法、小波分析法开展四级层序划分。

a.Fischer判别法四级层序划分

Fischer图解是对自然伽马测井曲线采用一阶差分计算，并选取极值点的方法[29]，可定量求取任一井下深度域中高频沉积旋回的个数和厚度。本文对顺南7井开展Fischer图解分析，以确定其相对海平面变化情况。对顺南7井 6 592.8～7 203.295 m深度的GR曲线数据进行研究，共采集数据 4 890个，采样间隔为0.125 m，GR值为7.343～31.115 API。通过五点平滑滤波公式排除曲线上的毛刺干扰[29]，采用一阶差分计算并选取171个极值点[30]。图解分析中，平均旋回厚度累积偏移量为纵坐标、深度为横坐标，根据其偏移量可将鹰山组划分2个三级层序，进一步识别出4个四级层序(图8)。四级层序表现为不对称性，FSQ1和FSQ2时期海平面早期缓慢上升，晚期快速下降；FSQ3和FSQ4时期为快速海侵和缓慢海退的过程。

b.小波变换分析法四级层序划分

以测井资料中K、Th、U的含量为基础开展小波分析，确定沉积体高频旋回特征，也是四级层序划分的常见方法[31-34]。本文以古城4井为例，测井数据中K、Th、U的质量分数分别为(0.23～1.634)×10-6、(0.817～5.58)×10-6和(0.625～1.94)×10-6。其中Th的变化范围相对较大，U的波动范围次之，K的变化最小，选取Th/U(含量比值)进行小波分析。为获得更清晰的旋回特征，采用滑动平均滤波法，对Th/U曲线进行平滑处理。之后采用Meyer小波变换获得12条离散小波曲线。小波曲线的波峰为相对最大海平面，波谷为最低海平面，即层序界面；d10曲线振荡趋势与四级层序的海平面变化相吻合，进而划分出4个四级层序。FSQ1和FSQ2时期海平面早期缓慢上升、晚期以快速下降为主，FSQ3和FSQ4时期海平面早期快速上升、晚期以缓慢下降为主(图9)。古城4井小波变换划分层序的结果与Fischer图解划分的四级层序结果较为接近，证明此种方法应用于四级层序划分是可靠的。

图8 顺南7井鹰山组Fischer图解四级层序划分Fig.8 The fourth-order sequence division of Yingshan Formation in Well Shunnan 7 based on Fischer diagram

4.2.2 地震剖面上四级层序划分实践

根据岩石类型与波阻抗大小相关性分析，顺北—顺南地区鹰山组地震响应具有韵律性特征。在钻井四级层序划分基础上，将钻井四级层序标定于地震剖面之上。在地震剖面上可以看出，连续波谷同相轴代表海侵体系域响应特征，而上部弱振幅杂乱黏结特征的波组代表高位体系域响应特征。利用此地震反射规律，在四级层序界面识别基础上，地震剖面上鹰山组亦划分出4个四级层序。如过顺南6井的地震剖面，钻井和地震剖面上均划分为4个四级层序，测井曲线和地震剖面上层序界面、岩性和四级层序各体系域对应关系比较好(图10)，表现为：较为连续的波谷与中-低水动力条件的岩性相对应，为TST沉积；连续性差、振幅弱的波组与高能的颗粒滩相沉积相对应，为HST沉积。

4.3 四级层序对比

在上述井震资料四级层序划分基础上，分别对顺8北、顺北、顺1、顺南1、顺南2共5个三维地震勘探区开展四级层序划分，进而开展不同三维地震勘探区四级层序对比研究(图11)。研究表明：顺1、顺南1和顺南2三维地震勘探区四级层序分布稳定，4个四级层序(FSQ1、FSQ2、FSQ3、FSQ4)均发育完整。而在研究区北部的顺8北和顺北三维地震勘探区由下向上依次发育3个四级层序(FSQ1、FSQ3和FSQ4)，四级层序发育不完整，缺失FSQ2。

图9 古城4井鹰山组小波分析与四级层序划分Fig.9 Wavelet analysis and sequence division for Yingshan Formation in Well Gucheng 4

图10 过顺南6井的地震剖面上四级层序划分Fig.10 Seismic division of the fourth-order sequence through Well Shunnan 6

5 地质意义

5.1 鹰山组四级层序界面的成因意义

在四级层序界面物质表现形式及特征研究基础上，详细研究关键四级层序界面的空间变化特征，即同一界面在不同相带的特征，有助于详细分析层序内体系域的岩石微相组成、沉积微相时空演化；进而对于认识短期相对海平面变化所形成的层间岩溶储层、台地边缘礁滩储层时空演化及成因具有重要的理论意义和实际价值。顺北—顺南地区鹰山组具有局限台地→开阔台地→台地边缘→斜坡→盆地的沉积相带展布，层序界面具有局部暴露不整合面(不整合)→岩性、岩相转换面(整合)→浅滩暴露不整合面(不整合)→弱冲刷侵蚀面→整合面的平面分布特征(图12)。在鹰山组四级层序格架内，与局部暴露不整合面、浅滩暴露不整合面相关的沉积组合，可发育高位域晚期的(准)同生期大气淡水淋滤溶蚀作用，形成粒内溶孔及铸模孔。与四级层序界面相关的溶蚀作用，相较于三级和二级层序界面溶蚀作用则更弱、也更隐蔽。

5.2 鹰山组四级层序格架为准同生期岩溶储层预测提供方法和依据

层序地层格架是盆地内沉积层序单元的几何形态及相互组合关系，将同时代形成的岩层有序地纳入相关年代的时间地层格架中进行等时地层对比。从顺北—顺南地区三维地震勘探区(顺8北、顺北、顺1、顺南1、顺南2)鹰山组四级层序地层格架可以看出(图13)，顺8北和顺北在FSQ1和FSQ3层序之间缺失FSQ2，反映其经历了一次海平面下降，造成整个顺北地区FSQ2的缺失，以及FSQ1高位体系域的暴露剥蚀。因此，建立高频层序地层格架，了解层序的空间分布，可以为准同生期岩溶储层的预测提供依据。

图11 顺北—顺南地区鹰山组不同三维地震勘探区四级层序对比图Fig.11 Comparison of the fourth-order sequences of Yingshan Formation in different 3D seismic exploration areas in Shunbei-Shunnan area, Tarim Basin

图12 一次海平面升降变化台地不同位置层序界面的表现形式Fig.12 The expression of a sea-level rise and fall at sequence interfaces at different positions on the platform

5.3 鹰山组四级层序研究对有利勘探区带预测的指示意义

四级层序的识别和划分对沉积学和油气勘探都有重要意义[35-37]，尤其表现在与优质储层相带的密切关系[38-39]，以及层序格架对油气成藏的重要指示作用[37]，例如高位体系域往往更有利于储层发育[13]。通过三维地震资料的精细解释，台内滩体主要表现为在中-弱振幅杂乱背景下的丘状反射，台内滩在四级层序的海侵期和高位期均有发育，但海侵期和高位期台内滩发育规模存在显著差异。海侵期台内滩规模小、平面上分散分布，高位期台内滩规模大、平面分布更集中(图14)。同时，与高位域相关的四级层序界面控制了“暴露滩体”储集性能。高位域发育的台内滩体更易受大气淡水改造，发生(准)同生期溶蚀作用，可形成优质储层。与四级层序界面叠合的高位域台内滩体是勘探的有利区带，尤其是高位域晚期经历过暴露的岩溶储层。

图13 顺北—顺南地区鹰山组不同三维地震勘探区四级层序格架Fig.13 Establishment of the fourth-order sequence stratigraphic framework of Yingshan Formation in Shunbei-Shunnan area, Tarim Basin

图14 顺南1—顺南2三维地震勘探区FSQ1四级层序高位域典型礁滩体地震响应特征Fig.14 Seismic response characteristics of typical reef and beach bodies in HST of FSQ1 fourth-order sequence in Shunnan-1-Shunnan-2 3D areaFSB.四级层序界面; FMFS.四级层序海泛面

6 结 论

a. 塔里木盆地顺北—顺南地区鹰山组发育7种四级层序界面，包括：短期暴露溶蚀作用面、弱冲刷侵蚀面、准同生期选择性溶蚀孔隙、示顶(底)构造、淡水胶结物、暴露氧化作用及多种岩性、岩相转换面。顺北—顺南地区鹰山组中发育5个四级层序界面，划分为4个四级层序。

b. 利用多资料、采用多方法，相互验证、相互约束开展顺北-顺南地区鹰山组四级层序划分实践。钻井上采用Fischer判别法和小波变换分析法相互验证，在鹰山组中划分出4个四级层序。将钻井层序划分标定于地震剖面，约束地震剖面上层序界面识别和层序划分，地震剖面上亦划分出4个四级层序。钻井和三维地震剖面上鹰山组的4个四级层序，彼此间具有良好的对应关系。

c. 系统讨论了四级层序界面的成因意义、四级层序研究的地质意义。与四级层序界面相关的溶蚀作用主要发生在高位域晚期，以发生(准)同生期大气淡水淋滤溶蚀，形成粒内溶孔及铸模孔为特征。与四级层序界面叠合的高位域晚期台内滩相带是勘探的有利方向，尤其是高位域晚期经历过暴露的岩溶储层。