塔里木盆地北部下寒武统肖尔布拉克组前积体特征及其形成机理探讨

祝 贺,孟万斌,冯明石,王胜利,熊晓军,申鑫杰,肖伟桐

(1.中国石化西北油田分公司 勘探开发研究院,乌鲁木齐 930011;2.油气藏地质及开发工程全国重点实验室(成都理工大学),成都 610059;3.成都理工大学 沉积地质研究院,成都 610059;4.成都理工大学 地球物理学院,成都 610059)

塔里木盆地自中深1井于2013年在中-下寒武统白云岩中首次获得油气突破以来,中深5井、京能柯探1井也在寒武系盐下获得油气突破,特别是轮探1井于2020年在井深达8 260 m的寒武系盐下吾松格尔组获得高产油流,证实了塔里木盆地深层碳酸盐岩具有良好的油气潜力,勘探前景广阔,寒武系盐下层系已成为油气勘探的重要接替区［1-3］。前人对塔里木盆地寒武系肖尔布拉克组的沉积相及白云岩储层开展了大量研究,其中对于肖尔布拉克组沉积相模式的认识存在碳酸盐台地和碳酸盐缓坡两种不同的观点,早期研究多认为肖尔布拉克组为碳酸盐台地模式［4-9］。近年来,随着深层勘探的推进、资料的积累和研究的不断深入,认为肖尔布拉克组发育碳酸盐缓坡模式的观点被越来越多的学者所接受［3,10-15］。

前人很早就在碳酸盐岩沉积体系中发现有不同尺度的前积现象存在［16-22］,但由于碳酸盐主要在盆地内部由化学或/和生物化学作用原地生成,这种前积现象相较陆源碎屑岩沉积体系较为少见,因而长期以来并没有受到人们的足够重视,对其形成过程、成因机制、控制因素等也缺少深入的分析和讨论。宋金民等［23］在塔西北阿克苏下寒武统肖尔布拉克组野外露头剖面上观察到了3个微生物礁前积体,并对其岩石组成、结构和储层特征进行了分析;白莹等［24］在塔西北野外剖面上也观测到在海退背景下肖尔布拉克组微生物礁群由缓坡至盆地依次前积,方向为南南西至北北东。而在地震剖面上,塔里木盆地北部地区下寒武统肖尔布拉克组碳酸盐岩表现出明显的前积特征［7,25-27］。本文通过地震剖面追踪解释,详细刻画了塔里木盆地北部地区下寒武统肖尔布拉克组碳酸盐岩前积体的推进方向、发育规模及其空间分布,并探讨了其形成机制和控制因素,一方面对塔里木盆地深层碳酸盐岩油气勘探提供指导,同时期望对碳酸盐岩前积体的研究起到抛砖引玉的作用,引起同行对此类沉积现象的研究兴趣,进一步丰富碳酸盐岩沉积理论。

1 区域地质背景

塔里木盆地是由古生代克拉通盆地和新生代前陆盆地组合而成的大型复合型叠合盆地,面积56×104km2［28-29］,发生于元古代晚期的塔里木运动使塔里木板块形成了统一的基底［30］。漆立新等［31］将塔里木盆地划分为13个一级构造单元和31个二级构造单元。本文研究区位于巴楚-卡塔克隆起以北,涵盖阿瓦提拗陷、顺托果勒低隆和沙雅隆起(图1-A)。塔里木板块在寒武纪时作为独立的板块由北向南漂移至赤道附近,位于赤道与北纬30°之间,长轴呈南北向［28,32］,盆地现今方向相对于早古生代顺时针旋转了约90°［11］。新元古代以来,塔里木板块受Rodinia超大陆裂解影响发生裂陷［33-34］,西朝古亚洲洋,东临原特提斯洋,进入被动大陆边缘发展时期［11］,从寒武纪开始到中奥陶世末,塔里木盆地中西部发育大型碳酸盐岩台地,东部满加尔-库鲁克塔格地区为盆地相沉积［4,35-36］(图1-B)。

受震旦纪末期隆坳格局和构造运动控制,早寒武世初期大规模快速海侵后,塔里木板块形成广泛的、统一的陆表浅海-深海沉积环境,并出现南北分带,东西分区的古地理特征,形成“东盆西台”的沉积格局。肖尔布拉克组沉积期,研究区所在的塔里木盆地北部地区总体处于碳酸盐缓坡型台地沉积环境。

2 肖尔布拉克组前积体特征

图2 测线L5地震剖面肖尔布拉克组前积体特征Fig.2 Characteristics of progradation body of the Xiaoerbulak Formation in L5 seismic profile

2.1 北东向地震剖面上前积体特征

图3 测线L9地震剖面肖尔布拉克组前积体特征Fig.3 Characteristics of progradation body of the Xiaoerbulak Formation in L9 seismic profile

从前积体内部结构来看,一般在前、后段厚度薄的部位,地震反射以振幅、频率和连续性均较强的平行反射为主,而厚度较大的中间主体部位则多呈中、弱振幅中差连续中-低频楔状或杂乱反射为主,该现象在L5、L2和L12测线的地震剖面上表现的最为明显(图2、图4、图6),反映出每个前积体不同部位沉积物类型存在差异。

另外,从不同测线解释追踪结果来看,在不同位置的地震剖面上前积体发育数量存在差异,在横穿研究区中部的测线上,如L5测线,可最多识别出5个前积体(图2),由南往北依次编号为①～⑤号,而在其东西两侧,识别的前积体数量则逐渐减少,如在西侧的L9测线上发育①～④号4个前积体(图3),在东侧的L2测线上只发育①～③号3个前积体(图4)。

2.2 南东向地震剖面上前积体特征

在南东向的L10测线地震剖面上,可以识别出3个前积体,经过与该测线相交的其他测线上前积体的解释追踪结果反复比对,确定该3个前积体为①～③号前积体。该剖面清楚地反映出,在与其推进方向垂直的横切面上,前积体呈透镜状形态,前积体的大小、厚度以及横向位置也在不断发生变化,前积体内部的反射特征也存在较大差异,①号前积体厚度较大的主体部位为振幅、频率和连续性均差的杂乱甚至空白反射,②号前积体主体部位南东翼为杂乱反射,北西翼则为振幅和连续性较好的平行至亚平等反射(图5)。

图5 测线L10地震剖面肖尔布拉克组前积体特征Fig.5 Characteristics of progradation body of the Xiaoerbulak Formation in L10 seismic profile

3 肖尔布拉克组前积体形成机理讨论

前人研究指出,碳酸盐台地(包括缓坡)的结构由碳酸盐工厂的生产效率和可容纳空间的生成速率所决定,而它们又是不同因素的相互作用的结果［40-41］,这些因素包括构造活动、相对海平面变化、营养物质供应、海水温度、古地理和古气候［42］。塔里木盆地在寒武纪-早奥陶世为稳定的克拉通环境［8］,研究区在早古生代碳酸盐体系沉积阶段没有受到同沉积断裂的显著影响,碳酸盐沉积体系的形成与演化主要受大尺度基准面变化、碳酸盐产物类型和生产率以及地形继承性的控制［11］。基准面的变化强烈控制着可容纳空间的变化并影响碳酸盐的生产效率,进而决定了碳酸盐沉积体系的内部结构［43］,而基准面的变化本身又是海(或湖)平面、构造沉降、沉积地形、沉积物补给和负荷补偿、气候与成岩作用等各要素综合控制作用的结果［44］。

沉积地形与可容纳空间的变化具有密切的关系。Burchette等［45］通过对全球各地质时代发育的33个碳酸盐缓坡统计分析得出,碳酸盐缓坡主要发育在伸展盆地、被动边缘、前陆盆地和克拉通内盆地等缓慢挠曲沉降且坡度平缓的构造背景中。早寒武世时,受南北拉伸影响,塔里木陆块南北缘均为被动大陆边缘,陆源供给很少,在之前震旦纪的填平补齐沉积基础上形成的缓斜坡,具有裂后被动边缘以及伸展断层块的下倾斜坡相同的构造背景,有利于碳酸盐缓坡的发育。近年的研究成果也表明,塔里木盆地早寒武世具有宽阔的陆表浅海环境,肖尔布拉克组发育碳酸盐缓坡沉积背景［3,10］。碳酸盐缓坡的坡度一般不足1°,且与深水的盆地之间无或仅有很不明显的坡折。这种宽缓的地形对海平面的变化非常敏感,即使很小的海平面波动也可能导致可容纳空间的极速变化,从而影响沉积物的结构型式。当沉积水体保持稳定或变浅时,可容纳空间增长速率小于碳酸盐的生产速率,沉积可容纳空间快速变小至无,有效可容纳空间变为零甚至为负,迫使沉积物不断向较深水区迁移,随着水体持续变浅,便形成多个不断推进的前积体。

前人研究表明,塔里木盆地在早寒武世玉尔吐斯组沉积期的大规模海侵之后,全盆地处于缓慢的海退期,肖尔布拉克组沉积期海平面开始下降,沉积水体振荡式由深变浅［24,46］,这种变化导致可容纳空间减小并不断向海方向迁移,从而使沉积物向海进积形成多个前积体。潮缘碳酸盐通常在垂向上由韵律性重复叠置的向上变浅序列组成,横向上则形成不断向海推进的进积楔［18,47］。在野外露头上,肖尔布拉克组纵向上由4～5个向上变浅的潮缘碳酸盐沉积旋回组成,横向上可划分为内缓坡、中缓坡和外缓坡3种沉积亚相,其中内缓坡主要发育厚度较薄的叠层石丘滩和泥云坪,中缓坡主要发育相对较厚的中-高能的丘滩体,外缓坡则以厚度很薄的微生物席为主［3,25,38］。这与本文划分的塔里木盆地北部地区5个前积体具有良好的对应关系,每个向上变浅的旋回对应一个前积体,内缓坡相当于前积体后部较薄的部分,地震上以振幅和连续性好的平行反射为主,中缓坡则对应于前积体厚度较大的主体部分,地震剖面上多表现为杂乱的弱反射,代表了滩相沉积。

综上所述,塔里木盆地北部肖尔布拉克组碳酸盐前积体的形成受古地形和基准面变化的控制,是当时缓倾的斜坡古环境和海平面下降所造成的可容纳空间不断向海迁移的结果(图7)。

图7 塔里木盆地北部肖尔布拉克组前积体发育模式Fig.7 The development model of progradation body of the Xiaoerbulak Formation in northern Tarim Basin

4 对油气勘探的启示

在碳酸盐缓坡沉积环境中,中缓坡位于正常浪基面与风暴浪基面之间,海底受风暴浪影响大,是高能丘滩体的主要发育部位,也是规模性优质储层发育的地区。内缓坡位于最大海平面和正常浪基面之间,水体能量弱,以潮坪环境为主,发育的藻格架白云岩、泡沫棉白云岩常含丰富的石膏结核和鸟眼构造。同时,由于内缓坡海水很浅且沉积物常暴露水面,从而在大气水淋滤作用下形成呈层状富集的膏模孔和鸟眼孔,也可以成为较好的储层,这已被野外露头和钻井肖尔布拉克组储层研究所证实［10,24,38,48］。对研究区来说,各前积体厚度较大的主体部位是中-高能丘滩型优质储层发育的有利区,而其后部则是生物格架溶蚀孔洞型储层发育的可能区域。

5 结 论

a.塔里木盆地北部地区下寒武统肖尔布拉克组沉积期为碳酸盐缓坡沉积环境,肖尔布拉克组在地震剖面上具有明显的前积反射,可划分为5期由南西向北东依次推进并相互叠置的前积体。前积体在剖面上一般呈S形透镜状,在平面上,5个前积体宽度逐渐减小,其东侧在后期台缘带发育部位逐渐收敛终止。

b.前积体的形成受基准面变化的控制,是早寒武世塔里木分部宽阔的缓坡地形和海平面震荡式持续下降共同作用引起可容纳空间不断向海迁移的结果。

c.前积体厚度大的主体部位是高能丘滩型优质储层发育的有利区,其后部厚度相对较薄的部位则是可能发育叠层石溶蚀孔洞型储层的区域。