筠连地区上二叠统乐平组层序地层及沉积相研究

王 伟，何金先*，张晓丽，李聚豪，黄正鑫，孙沛琳，宋佳遥

（1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221116； 2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116）

0 引言

滇黔川三省交界处为我国南方地区重要的聚煤区域。该区大量煤炭资源形成于晚二叠世［1-2］。位于该位置核心区域的筠连地区是典型的多煤层发育区［3］，具有发育广泛且稳定的煤层，煤热演化程度高，是煤系气聚集成藏的良好区域［4-6］。

煤层形成多受控于物源及可容空间的影响，二者与沉积环境关系密切，三角洲相、潮坪相等海陆过渡相有物源供给，伴随海平面上升，可为泥炭堆积提供可容空间，从而形成煤层［7］。沉积环境控制储层物性，为煤系气的运移及储存提供了条件［8］。前人认为障壁海岸、潮坪相和三角洲相多发育泥岩顶板，封盖性强，更利于煤系气保存且自海向陆煤系气成藏条件逐渐变差［9-12］。合理地地层划分与对比、层序划分可为恢复古地理环境、预测油气储存的有利层段、探讨煤层成因及聚煤规律等地质研究提供参考［13-15］。煤层聚集、气藏保存等受沉积环境、构造活动等多重因素的影响。筠连地区构造简单。沉积环境是影响该区煤系气发育的重要因素。前人针对研究区乐平组沉积相展布及沉积旋回做出相关工作，认为研究区下部发育河流-湖泊相，上部发育潟湖-潮坪相［1，3-4］。通过粒度分析、岩心观察等方式，部分学者认为乐平组下部发育湖泊相，上部发育潮坪相，而潟湖相上下均有分布。明确研究区沉积相展布尤为重要。关于该区的沉积旋回研究，曾有学者通过探讨沉积相在垂向上的组合关系，划分出10 个沉积旋回，并发现每个沉积旋回均与煤层聚集有关［16］。沉积旋回对煤层聚集有一定的控制作用，因此探究研究区层序地层格架具有重要意义。研究区煤层开发程度较高，煤系气资源的开发受限于煤层聚集规律及煤系气储集的研究。探讨研究区沉积相、建立层序地层格架，明确煤系气资源主控因素可为其深度开发献力。

本文对研究区含煤地层的命名历史沿革进行了梳理，明确了该含煤地层的具体归属；利用测井和岩心资料，结合前人研究成果，划分了区内地层层序；以Ⅲ级层序为框架，分析了各层序内沉积相展布特征，针对研究区内煤层及砂岩储层的地层层序及沉积相展开研究，以期为煤系气有利区预测提供沉积学依据。

1 区域地质概况

筠连地区位于四川省南部筠连县境内，构造位置处于四川盆地南缘（图1），娄山断褶带与川南低陡褶皱带的过渡地带。东依川东高陡褶皱带，西接川西南低陡褶皱带，南为娄山断褶带［17-20］，邻区主要发育北西-南东向的长宁背斜、东西向的罗场向斜、落木柔背斜、南北向的筠连鼻状背斜和双河场背斜［2，21-22］。区内出露地层主要为二叠系、三叠系和侏罗系。上二叠系宣威组，或称乐平组，是该区重点含煤地层，下伏地层为峨眉山玄武岩或茅口组，上覆地层为三叠系飞仙关组［1-2，18，22-23］。

图1 研究区构造纲要图［18，20-21，24］Figure 1 Structural outline map of the study area［18，20-21，24］

2 地层及层序划分

2.1 地层划分与对比

与滇东地区整体的陆相沉积和重庆等东部地区整体的海相沉积类型不同，筠连地区晚二叠世早期以陆相沉积为主，晚期则以海陆过渡相为主，其沉积组合独特［25］。

诸多学者对于这套地层的归属问题看法不一，导致该区地层划分及命名存在一些争议。自1941年开始，诸多学者对该套地层开展了大量研究工作（表1），区内该套地层的命名主要存在两种观点，即整体划分方案及二分方案。整体划分方案常见乐平组、龙潭组和宣威组。二分方案中，该套地层下部常称为龙潭组、筠连组和巡司组，上部常称为长兴组、金鸡塝组、汪家寨组和兴文组。由于研究区煤系整体特征与陆相与宣威组更为相似，因此更倾向于整体划分方案。浙江油田在筠连地区开展了大量煤层气与页岩气勘探开发工作，本文参考其所使用的术语，故将此煤系称为乐平组。

表1 筠连地区上二叠统含煤地层划分沿革Table 1 Evolution of the Upper Permian coal bearing strata division in Junlian Area

该套地层实测剖面资料显示：含煤地层与下伏峨眉山玄武岩组平行不整合接触，与上覆三叠系飞仙关组整合接触［26］。下部岩性以黏土岩与细砂岩为主，上部岩性逐渐过渡为粉砂岩和泥岩，具有水平层理、交错层理和波状层理等沉积构造；上部夹潮汐带古生物化石，具有两段式特征［32］。

前人依据C5 煤层的发育将宣威组划分为上下两段，即以剖面①内的第23 小层底为界，与乐平组相同。对应至剖面②内龙潭组与长兴组分界处，具有等时意义。

结合研究区地层划分和命名历史，与前人对典型剖面的描述，研究区西部以玄武岩消失，灰色砂岩、粉砂岩或泥岩的出现为标志标定为宣威组底界。以灰色泥岩或粉砂岩的消失，黄色或绿色砂岩或泥岩的出现为标志标定为宣威组顶界。乐平组与下伏峨眉山玄武岩组不整合接触，与上覆上三叠统飞仙关组整合接触。该特征与宣威组特征相同，本文认为研究区的乐平组与滇东黔西地区的宣威组为同期沉积（图2）。

图2 筠连地区上二叠统含煤地层划分与对比（修改自参考文献［14］）Figure 2 Classification and correlation of coal bearing strata in the Upper Permian in Junlian area（modified after reference［14］）

研究区东部以玄武岩或茅口组灰岩消失，含高岭土的灰色泥岩或页岩的出现为标志标定为龙潭组底界。以灰色泥岩或粉砂岩的消失，灰岩的出现为标志标定为龙潭组顶界，亦为长兴组底界，以灰岩的消失，黄绿色砂岩的出现为标志，定为长兴组与飞仙关组的界线。

长兴组与龙潭组分界处出现灰岩与泥岩互层现象，该现象向西表现为灰岩的消失，向东则体现为厚层灰岩。综上，乐平组上部以深色炭质泥岩或薄煤层出现为标志，代表其开始接受潮坪环境的沉积，可与长兴组对比。下部可与龙潭组对比（图2）。

2.2 层序划分

根据钻井录井资料、岩石组合特征、岩相特征、测井标志和古生物特征，识别出研究区含煤岩系层序的各类不整合及整合界面。依据沉积岩石学特征识别区内层序界面，划分层序结构。经判识，研究区乐平组整体处于一个Ⅱ级层序内。在乐平组内主要发育四个Ⅲ级层序界面。据此，自下而上共识别出四个层序界面，划分为三个Ⅲ级层序，存在低位、海侵及高位体系域。

2.2.1 层序界面的识别

层序界面类型多样，在岩石特征、沉积序列、剖面露头及测井曲线及参数方面都具有不同特征［33-37］，据此对研究区内的层序界面进行分析。

图3 研究区乐平组主要层序界面类型Figure 3 Main sequence boundary types of Leping Formation in the research area

（1）SB1

该界面是南方地区典型的层序界面。其与中国西南地区的区域性隆升事件有关，即东吴运动主幕，受构造格局影响，古地理格局发生较大变化，导致沉积间断，产生区域不整合面。这种不整合主要表现于陆相和海陆过渡相中［38-40］，研究区主要表现为乐平组与峨眉山玄武岩组的区域不整合面，为识别良好的层序界面。

（2）SB2

界面处岩性发生突变，界面之下为厚层泥岩，界面之上突变为厚层细砂岩，自然伽马曲线在此界面处发生变化，界面以上为低幅箱状，与下伏地层高幅齿化钟形测井响应呈突变接触。

（3）SB3

古土壤层（或称区域沉积间断暴露面）通常表明该区域内经历短期暴露并遭受风化剥蚀，往往预示着层序界面［39］。该类界面在测井及岩石学上均有特征［35］。根据研究区内测井及录井资料，分析发现研究区内多口井内，在8#煤层底部的泥岩中含有大量植物根系化石或植物化石，自然伽马测井曲线在此处有小幅突变。该层面特征较为明显，主要处于乐平组上部。

（4）SB4

该界面主要处于乐平组顶部，定义了二叠系与三叠系的界线。界面以上为三叠系飞仙关组沉积物，岩性、颜色及沉积环境均有变化，穿过这一界线，成煤过程中止［41］，此界面可作为三级层序界面。

2.2.2 研究区层序地层格架及特征

通过对研究区内多种层序界面的识别，共存在4 个层序界面，据层序内岩性特征、测井曲线特征等，在各层序内进行体系域划分，将乐平组划分为三个Ⅲ级沉积层序及九个体系域，据此做连井剖面（图4）。

图4 研究区乐平组层序地层格架连井剖面Figure 4 Sequence stratigraphic framework of Leping Formation and connected well profile in the study area

第一层序（SQ1）以乐平组与峨眉山玄武岩组的区域不整合面与下切谷底部冲刷面为界，层序内发育低位体系域、海侵体系域及高位体系域，低位体系域主要发育河流相砂体及泛滥平原细粒沉积物，海侵体系域中主要发育河漫湖泊或河漫沼泽中的细粒沉积，如泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等，高位体系域以发育泛滥平原中较粗的沉积物为主，如粉砂岩、细砂岩等。

第二层序（SQ2）以下切谷底部冲刷面及乐平组上部区域沉积间断面为界，层序内岩性多样，发育低位体系域、海侵体系域及高位体系域。低位体系域明显发育较厚，沉积物主要为河漫湖泊及河漫滩中的粉砂岩。海侵体系域向南东方向逐渐减薄至尖灭，高位体系域发育较薄。

第三层序（SQ3）以沉积间断面及乐平组顶界为层序界面。三种体系域均有发育，但此时海侵体系域占据主导，多层薄煤层在此沉积。此外在此层序内沉积相发生变化，以潮坪沉积环境为主，海侵体系域内发育多层薄煤层、泥岩、炭质泥 岩等细粒沉积。

缓慢的沉降与持续的海侵为泥炭的形成提供了充足的条件［42］。通过层序地层的划分与分析，研究区乐平组泥炭的聚集与煤层的形成与海侵过程高度相关，区内重点煤层多聚集于海侵体系域中。

3 沉积相类型与特征

沉积相判别一般建立在沉积相标志的基础之上。沉积相标志包括矿物岩石组合特征、古生物标志、沉积构造和地球物理标志等。沉积岩的各项特性及测井曲线特征可作为反映沉积相的重点标志［43-46］，根据典型井岩石特征、录井资料，建立研究区测井曲线与沉积相响应关系（图5），并根据此测井响应特征划分研究区内沉积微相。以层序地层划分为基础，共识别出乐平组潮上带、潮间带、泛滥平原、堤岸及河道等重点沉积亚相（表3）。垂向上构成“河流-潮坪”相组合，反映出水动力条件逐渐变弱的沉积序列。

图5 研究区测井曲线与沉积微相响应关系Figure 5 Relationship between logging curves and sedimentary microfacies response in the research area

表3 筠连地区乐平组沉积相划分方案Table 3 Sedimentary facies division plan of Leping Formation in Junlian area

3.1 单井相划分

以J7 井为例，根据岩石组合特征、测井响应特征对其沉积相进行划分（图6），采用优势相法分析认为研究区乐平组SQ1及SQ2沉积期沉积相体现为河流相，SQ3沉积期过渡为潮坪相。

图6 J7井综合柱状图Figure 6 Comprehensive histogram of well J7

3.1.1 河流相

河流相主要发育于乐平组下部（SQ1 及SQ2 层序内），可见河流相二元结构，包括河道及泛滥平原亚相，其中泛滥平原亚相发育较广。研究区内河道及泛滥平原沉积交互出现。

其岩石类型以砂岩为主，碎屑粒度是河流相中最粗的，层理发育，类型丰富多彩。缺少动植物化石，仅见破碎的植物枝干等残体化石，岩体形态具有透镜状，底部具有明显的冲刷界面。

（1）河道亚相

河道亚相岩石类型以砂岩为主，粒度是河流相中最粗的，层理发育且类型多样。有时可见植物碎片。在研究区中，以边滩沉积为主，正韵律特征明显。沉积物粒度较细，以细砂岩、粉砂岩及泥岩为主，表明此时河流能量低。发育交错层理，间或出现平行层理。测井曲线特征表现出中高幅钟形或箱形特征。

（2）泛滥平原亚相

泛滥平原亚相分布面积广，包括河漫滩、河漫沼泽及河漫湖泊三个沉积微相，沉积物类型简单，粒度较细。层理类型单调，主要为波状层理和水平层理。常发育于河道之上。河漫滩岩性以灰色或深灰色粉砂岩、泥质粉砂岩为主，部分含有植物碎片化石，发育有水平层理。测井曲线有低—中幅齿化或微齿化特征。河漫沼泽微相以深色泥岩、粉砂质泥岩为主，测井曲线表现出低—中幅齿化的特征。

（3）堤岸亚相

堤岸亚相在研究区内分布范围较小，主要表现为决口扇沉积，主要分布于天然堤外侧，洪泛期间水流冲越天然堤，流速降低能量较小，因此沉积物粒度较细，主要由细砂岩、粉砂岩组成，发育小型交错层理。自然伽马曲线常以低—中幅指形为主，曲线呈微齿形。

3.1.2 潮坪相

潮坪相主要发育于乐平组上部（SQ3 层序内），在该沉积层序内多种岩性呈现频繁交互现象，潮汐层理发育，偶见波状层理。岩性以灰色—灰黑色粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩及煤层等为主。韵律特征不明显，可见生物扰动构造。区内发育潮间带及潮上带沉积亚相，包括泥坪、砂坪及混合坪等沉积微相，测井曲线中自然伽马值表现为中—高幅，呈齿化指形及漏斗形。

砂坪微相以细砂岩、粉砂岩等细粒沉积为主，一般可形成致密砂岩储层，伽马曲线表现为低—中幅，可出现指形。潮上带沼泽为潮坪相中主要的成煤环境，以炭质泥岩和煤岩为主。泥坪常位于低能环境中，以泥质沉积为主。二者伽马曲线均表现为高幅，形态表现为齿化指形。

3.2 连井相划分

以单井相分析为基础，绘制沉积相连井剖面图（图6），研究区主要发育两类沉积相，乐平组SQ1 及SQ2 层序以河流相为主，整体表现为河道亚相向泛滥平原亚相发育的演化趋势，主要体现为大范围的泛滥平原亚相。在SQ3 层序内相变为潮坪相，主要发育潮间带及潮上带，频繁的海陆交互使两种沉积亚相交互发育，沉积物特征也因此变化，造成了多层薄煤层发育。

3.3 沉积相模式

筠连地区上二叠统乐平组为典型的海陆过渡相，筠连以东地区逐渐出现灰岩，反映为海相沉积特征［3］，向西则靠近康滇古陆，沉积相也逐渐过渡为河流相［19］。根据单井沉积相划分、连井沉积相划分以及对层序地层格架控制下沉积相发育与展布的探讨，以层序为单位建立能够整合沉积环境、沉积物以及沉积相演化规律的沉积相模式。整体上，筠连地区乐平组下部广泛发育河流相，上部主要发育潮坪相，从时间角度分析，表现出区域海侵的演化过程。从空间角度来看，自西向东体现出河流-潮坪-潟湖的展布规律。

图7 研究区沉积相连井剖面图Figure 7 Profile of sedimentary connected wells in the study area

4 结论

本文以钻井和岩心资料为基础，利用层序地层学原理，识别出区内乐平组发育的Ⅲ级层序并划分层序，构建层序地层格架；利用岩相标志及测井响应特征进行单井相划分及连井沉积相对比，明确沉积相在各层序内的发育特征。主要取得以下认识：

1）研究区内宣威组、乐平组、龙潭组及长兴组存在联系。通过对比分析认为乐平组与宣威组相当。宣威组可分为两段，龙潭组与宣威组下段相当，长兴组与宣威组上段相当。

2）以四个Ⅲ级层序界面将研究区乐平组划分为三个Ⅲ级层序，各层序内主要包括低位体系域、海侵体系域及高位体系域，其中低位体系域发育较差，研究区泥炭的聚集受控于层序地层格架，煤层主要发育于第三层序内的海侵体系域中。

3）以研究区层序地层格架的建立为基础，划分乐平组沉积相，认为乐平组下部主要表现为河流相，发育河道亚相及泛滥平原沉积亚相；上部表现为潟湖-潮坪相，进一步识别出潮间带及潮上带沉积亚相。总体表现为河流-潮坪相的演化趋势，反映出区域性海侵过程。潮间带与潮上带的频繁演化，为研究区内多薄煤层发育的沉积控因。

图8 筠连地区沉积相模式Figure 8 Sedimentary facies model of Junlian area