坳陷陆相层序地层划分二元结构研究范文

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《石油实验地质杂志》2016年第3期

摘要:

将层序地层学基本原理与压性盆地控制因素相结合，充分运用野外露头、钻井岩心、测井、地震等资料，对川西坳陷陆相层序结构特征进行了分析。认为川西坳陷周缘山系的幕式逆冲挤压作用是控制川西前陆盆地层序地层及沉积充填样式的主导性因素，它是一个“应力长期缓慢积累、短期瞬时释放”的脉冲式波动过程。这种周期性的幕式逆冲挤压和松弛过程导致湖平面(或基准面)以及可容空间的变化呈现出周期性、脉冲式波动的“二元”突变特征。层序的低位体系域主要发育辫状河、三角洲等粗粒沉积体，而层序上部的湖侵—高位体系域则主要为半深湖的细粒沉积体，在垂向上构成了极好的三角洲相砂体与湖相泥岩广覆式间互的沉积充填特征，形成了良好的生储盖组合和圈闭条件。因此，在油气勘探中，层序底部的粗碎屑可以形成的岩性油气藏及构造—岩性油气藏是重要的勘探对象，同时，针对层序上部在湖盆边缘可能形成的岩性油气藏也应引起重视。

关键词:

陆相层系;脉冲式波动;层序二元结构;演化模式;压性盆地;川西坳陷

前陆盆地中蕴藏着丰富的油气资源，其构造演化、物质充填、形成机制等均是地质学研究的热点，而压性盆地层序地层学也是目前层序地层学的一个重要研究方向［1－4］。近年来我国已先后在准噶尔、塔里木、川西等前陆盆地的油气勘探中取得了重要突破与进展［5］。但由于前陆盆地具有特殊的压性构造背景，导致其在盆地物质充填、构造样式、层序构型等许多方面都有其独特的表现形式，相对于典型被动大陆边缘盆地及陆相断陷盆地均存在明显的差别［6－10］。通过前人的研究可知，全球构造 运动往往是幕式或间歇式的［11－12］，而受控于幕式的构造活动［13－15］，在我国西部的准噶尔、塔里木以及国外的一些压性盆地均发育下粗上细的“二元”层序结构，具体表现为盆地基底在构造活动的挤压下，通过漫长地史时期的缓慢应力积累，当该应力强度达到某一个临界点，并超出了基底弹性形变范围时则会发生破裂，应力突然释放。这个积累与释放过程不是渐进的，而是一个“应力长期缓慢积累、短期瞬时释放”的脉冲式波动过程［14］。这种周期性的幕式逆冲挤压和松弛过程导致湖平面(或基准面)以及可容空间的变化即呈现出周期性的“二元”突变特征。通过对野外剖面、岩心、地震、录测井等资料的综合分析，在深入剖析其压性构造背景的基础上，建立了川西坳陷前陆盆地层序地层格架，并对控制其形成“上细下粗”的脉冲式波动“二元”层序结构的主控因素进行了总结，在此基础上建立了川西坳陷陆相层系的层序发育模式，以期为下一步油气勘探提供依据。

1区域概况

川西坳陷位于晚三叠世以来的四川盆地中西部区域［16－19］，西临龙门山造山带，南抵峨眉、乐山，东连川中隆起，北东与昆仑—秦岭构造带相接，大致呈北东方向延伸。根据构造区划、沉积充填、气藏类型等因素，可以将川西坳陷中段划分为“三隆两凹一斜坡”，即龙门山前构造带、新场构造带、知新场构造带、梓潼凹陷、成都凹陷、中江斜坡(图1)。

2川西坳陷陆相层序分析

2．1层序地层划分方案综合分析野外剖面、钻井岩心、录测井、地震等资料，对川西地区陆相层系自下而上共识别出3个典型的一级层序界面、7个二级层序界面、15个三级层序界面、14个最大湖泛面，并进而将川西坳陷陆相划分出2个一级层序、6个二级层序以及14个三级层序(图2)。

2．1．1上三叠统马鞍塘组可识别出1个三级层序(SQ1)，小塘子组(须一段)识别出1个三级层序(SQ2)，由SQ1和SQ2叠加组成TS1构造层序。须二段识别出1个三级层序(SQ3)，须三段识别出1个三级层序(SQ4)，由SQ3和SQ4组成TS2构造层序。须四段识别出1个三级层序(SQ5)，须五段中识别出1个三级层序(SQ6)，由SQ5和SQ6组成TS3构造层序。

2．1．2侏罗系下侏罗统白田坝组可以识别出2个三级层序(SQ7、SQ8)，这2个三级层序叠加组成TS4构造层序。中侏罗统千佛崖组识别出1个三级层序(SQ9)，中侏罗统沙溪庙组识别出2个三级层序(SQ10、SQ11)，由SQ9、SQ10和SQ11叠加组成TS5构造层序。上侏罗统遂宁组可识别出1个三级层序(SQ12)，蓬莱镇组中识别出2个三级层序(SQ13、SQ14)，由SQ12、SQ13和SQ14叠加组成TS6构造层序。

2．2层序结构特征前陆盆地地层层序主要受控于幕式的构造活动，这一点与经典地层层序存在明显不同［13］。在层序内部结构划分上，典型被动大陆边缘盆地和传统断陷盆地均表现为三元层序结构，即高位体系域、海侵(湖侵)体系域和低位体系域［21］。而在川西坳陷前陆盆地中则发育特征明显的二元体系域层序结构，即每个层序基本仅由低位粗碎屑体系域(LST)与湖侵超覆的细碎屑体系域(EST)2个体系域构成，顶部高位体系域(HST)不发育，且具有明显的脉冲式波动的周期变化特征。主要表现在以下几个方面:

2．2．1露头剖面川西地区植被覆盖率高，仅少数地区露头剖面上可见到相对完整的层序发育［21］。在广元泡石沟须家河组剖面上，出露了须家河组一个较完整的二级层序(TS2:须二段+须三段层序)，这个二级层序的“二元体系域结构”特征明显，下部须二段层序(SQ3)发育辫状河及三角洲平原、前缘粗碎屑沉积，而上部须三段层序(SQ4)底部可见碳质页岩超覆在须二段砂岩之上，发育滨—浅湖粉细砂岩与泥岩互层沉积，整个层序具有明显的岩性突变及下粗上细的粒序特征。对侏罗系来说，野外露头剖面上也可见到完整的二元层序发育特征。以李冰陵蓬莱镇组剖面为例，出露一个较完整的三级层序(SQ14:蓬莱镇组三段+四段层序)，该三级层序下部发育蓬三段三角洲前缘砂体沉积，上部为蓬四段滨浅湖相粉细砂岩与泥岩互层，整个层序也具有较明显的下粗上细的“二元”结构特征。

2．2．2钻井在川西地区所揭穿的各单井中，上三叠统须家河组各二级层序岩性组合、沉积微相构成和测井曲线均具下粗上细的“二元”结构，层序下部低位体系域自然伽马曲线值较低，发育粗粒三角洲前缘水下分流河道、河口坝砂体;而上部湖侵超覆段自然伽马曲线值较高，发育细粒湖泊相泥岩、粉砂岩与泥岩互层。侏罗系钻井资料也显示侏罗系各三级层序岩性组合、沉积微相构成和测井曲线也具有较明显的下粗上细的“二元”结构，尤其在伽马曲线上可明显看出下部低位体系域的低值段和上部湖侵超覆的高值段周期性交互出现。

2．2．3地震连井剖面川西地区钻井、地震连井剖面上也可见明显的“二元”结构。从侏罗系钻井、地震反演连井剖面可以看出(图3)，侏罗系各三级层序下部以相对较粗的三角洲沉积为主，而上部则以粒度较细的滨浅湖沉积为主，整体表现出多个“上细下粗”的二元层序结构的垂向叠置。

3脉冲式波动“二元”层序结构形成机制

川西前陆盆地是一个由上三叠统须家河组局限前陆盆地、侏罗—白垩系再生前陆盆地以及新生界构造残余盆地叠加而形成的多旋回叠合盆地(图1)，受西部龙门山和北部南秦岭逆冲推覆作用的复合控制［21］。由于特提斯构造域和环太平洋构造域的共同作用，中生代以来扬子板块与周缘板块发生了多次间歇式的碰撞会聚，整体表现为自南向北顺时针方向的运动特征。在此区域背景下，川西坳陷中生代以来表现为受北部南秦岭和西部龙门山2个边界条件交替作用的构造演化特征。随着南秦岭米仓—大巴山和龙门山的相继隆升，川西坳陷的应力特征呈现挤压与松弛交替出现的二元特点:挤压期周缘山系逐渐隆升，应力逐渐集中，发生强烈的构造挤压变形和挠曲沉降，坳陷具有最大挠曲的地貌特征;松弛期周缘山系隆升至最高，断层冲断至地表，应力集中到最大后释放，坳陷呈现整体抬升的地貌特征。这种周期性、脉冲式的挤压与松弛后沉积耦合的作用过程，是导致川西前陆盆地层序地层呈现脉冲式波动“二元”结构特征的主要原因。以川西坳陷须家河组为例(图4)，在须一段沉积期，即逆冲挤压期，应力的缓慢积累导致前陆盆地发生强烈的挠曲沉降，形成湖侵体系域。这一阶段主要表现为湖盆水体不断加深，可容空间增大，盆地主体主要沉积了滨浅湖—半深湖的细碎屑岩，湖盆边缘发育一定的粗碎屑岩。当应力强度超过基底弹性形变的临界点后发生破裂，应力突然释放进入松弛期(构造相对平静期)，即须二段沉积期。这一阶段湖平面迅速下降，可容空间快速减小，低位粗碎屑体系复活，即由高位体系域向低位体系域过渡的时间很短暂，以致于尚未形成相应规模的高位体系域沉积，湖平面便迅速下降，进入下一期的低位体系域演化阶段。盆地基底应力积累与释放过程不是渐进的，而是一个“应力长期缓慢积累、短期瞬时释放”的脉冲式波动过程［14］。

4脉冲式波动“二元”层序结构发育模式

根据脉冲式波动“二元”层序结构的形成机制及其在露头、测井及地震剖面上的特征，建立了川西陆相压性盆地脉冲式波动“二元”层序地层格架模式(图5)。根据川西前陆盆地陆相层序结构发育特征，结合川西陆相地层经历的挤压、松弛二元结构交替过程可以看出，晚三叠世—早侏罗世，川西地区主要经历了4次挤压、松弛的二元结构交替过程(图2):

(1)小塘子组(须一段)—须二段沉积期。须一段沉积之前，受古特提斯洋关闭的影响，扬子板块逐渐由南向北运动，川西坳陷表现为近南北向挤压应力逐渐增强的挤压特征。该时期逆冲作用发育，一方面导致物源区强烈抬升，造成与沉积区的高差增大;另一方面导致川西前陆盆地发生强烈的构造挠曲沉降，可容空间增大。须一期末—须二期初发生印支Ⅱ幕运动，挤压应力得到突然释放，进入松弛期。该阶段以剥蚀卸载驱动的抬升为特征，湖平面快速下降，可容空间快速减小，沉积速率较低，低位体系域开始发育，以粗粒的三角洲沉积为主，砂地比超过80%。须一段与须二段之间存在一个明显的岩相、岩性转换面，该界面在区域上以平行不整合为主，界面之下以须一段(小塘子组)顶部煤层/页岩为特征，之上为须二段厚层粗粒砂岩。

(2)须三段—须四段沉积期。须三段沉积时，受扬子板块顺时针旋转，古特提斯洋关闭时剪切应力的影响，龙门山北段逐渐隆升，由此产生近北西—南东向的挤压应力，并逐渐增强，形成自北西向南东的逆冲挤压。随着挤压作用的持续，在川西前陆盆地产生新的挠曲沉降，湖盆水体逐渐上升，滨岸退积上超。此时，可容纳空间的增加量超过沉积物补给量，沉积速率增大，湖侵体系域开始发育，故该阶段主要发育细粒的滨浅湖沉积。须三期末—须四期初发生印支Ⅲ幕运动(安县运动)，龙门山中、北段进入强烈构造隆升阶段，北川—映秀断裂冲断至地表，应力集中到最大后迅速释放，川西坳陷须四段底部广泛分布主要来自龙门山中、北段的碳酸盐质砾岩，表明该阶段的构造、沉积格局和盆山耦合关系主要受龙门山逆冲推覆挤压应力的释放控制。同时，该层序在盆地边缘具有强烈的向西超覆的特征，其在地震剖面上显示为一个明显的削截面，均表明此不整合面的形成可能与构造平静期的均衡回弹有关。须四段沉积期，湖平面迅速降低，进入了构造相对平静期，高位体系域尚未大量发育就进入TS3构造层序的低位体系域演化阶段。此时，可容空间快速减小，沉积速率降低，低位体系域开始发育，发育粗粒的辫状河和三角洲沉积。

(3)须五段—下侏罗统东岳庙段沉积期。须五段沉积时，南秦岭再次隆升，川西坳陷表现出近南北向挤压应力逐渐增强的挤压特征，湖盆水体逐渐上升，滨岸退积上超，可容纳空间增大，沉积速率也增大，湖侵体系域开始发育，以细粒的滨浅湖沉积为主;须五期末—东岳庙期初发生印支Ⅳ幕运动，造山断裂冲断至地表，应力集中到最大后释放，在三叠系与侏罗系之间表现为一个区域性的构造不整合面，以下侏罗统底部冲积扇砾岩大幅度截切超覆在须五段滨浅湖砂泥岩地层之上为特征。

(4)下侏罗统马鞍山段—中侏罗统千佛崖组沉积期。燕山Ⅰ幕之前，川西坳陷表现为北北东—南南西向挤压应力逐渐增强的挤压特征，湖侵体系域开始发育，以滨浅湖沉积为主，坳陷东部地区还可见滨浅湖—半深湖介屑滩沉积发育;燕山Ⅰ幕构造运动导致大巴山隆升，造山断裂冲断至地表，应力集中到最大后释放，在千佛崖组底部发育广泛分布的石英质砾岩沉积，千佛崖组与下伏地层间存在一个区域性的构造不整合面。此后，川西坳陷进入长期的构造平静期，沉积速率较低。4次挤压、松弛二元结构交替过程形成了具明显周期性和脉动波动性特征的须家河组、下侏罗统3个二级层序的二元体系域结构，包括构造平静期的低位体系域(须二段、须四段、下侏罗统珍珠冲+东岳庙段)和逆冲挤压期的湖侵体系域(须三段、须五段、马鞍山+大安寨段)，此时气候持续处于温暖潮湿环境，构造作用是控制二元体系域层序结构发育的主要控制因素。进入中、上侏罗统沉积时期，川西坳陷进入了以再生前陆盆地为主的演化阶段，构造活动相对较弱，气候条件总体干旱炎热，湖泊范围较小，可容空间主要受控于气候变化引起的湖平面变化，二级层序的二元体系域层序结构特征不明显，而三级层序的二元体系域结构特征较明显。川西坳陷中、上侏罗统的沉积时间跨度为48Ma，而在这一时间段，川西地区主要经历了6次挤压、松弛的二元结构交替过程。这种三级层序内的二元体系域结构主要受干旱气候背景下气候的三级周期变化控制。根据前人研究表明，理想状态下的气候三级周期变化趋势是基本符合正弦曲线的［22］。但川西地区中、晚侏罗世气候的三级周期变化并不完全符合正弦曲线，即降雨量逐渐减少、气候逐渐变干旱!降雨量逐渐增加、气候逐渐变潮湿(图6a)，而是呈现出降雨量逐渐减少、气候持续干旱、湖平面不断降低、可容空间逐渐减小、粗碎屑沉积!降雨量突然增加、注入湖盆水量及可容空间迅速增加、细碎屑沉积的特征(图6b)。由于洪水期到干旱期间隔时间短，导致川西坳陷中、上侏罗统三级层序缺乏高位体系域沉积，表现出明显的“下粗上细”的二元结构特征。

5“二元”层序结构对勘探的指导意义

受前陆盆地周期性的幕式挤压作用的控制，以及古气候的影响，川西坳陷陆相层系形成了多个“上细下粗”的“二元”层序结构。在层序下部的低位体系域主要发育辫状河、三角洲等粗粒沉积体，可以作为良好的储集层［23－25］;而层序上部的湖侵体系域则主要发育滨浅湖—半深湖的细粒沉积体，既可以作为油气良好的盖层，部分也可以作为烃源层供烃。在垂向上构成了良好的三角洲相砂体与湖相泥岩广覆式间互的沉积充填特征，具备形成大面积、广覆式岩性气藏的条件［26］。因此，针对下一步的油气勘探，除了在层序底部的低位体系域可以形成的岩性及构造—岩性气藏［14，25］是重要的勘探对象外，针对层序上部在湖盆边缘可能形成的岩性油气藏也应引起重视。

6结论

(1)综合利用露头、岩心、地球物理和测录井等资料，建立了川西坳陷前陆盆地层序地层格架，总结了控制其形成“上细下粗”的“二元”层序结构的主要因素，并建立了川西坳陷陆相层系的层序发育模式。

(2)川西坳陷周缘山系周期性的幕式逆冲挤压和松弛，以及古气候的影响，导致基准面以及可容空间的变化呈现出周期性、脉冲式波动的“二元”突变特征，这是形成川西坳陷陆相脉冲式波动“二元”层序结构的主要机制。(3)川西地区特殊的脉冲式波动“二元”层序结构，在纵向上形成了极好的三角洲相砂体与湖相泥岩广覆式间互的沉积充填特征，具有大面积、广覆式的生储盖组合和圈闭条件。在油气勘探中，层序底部可以形成的岩性及构造—岩性气藏是重要的勘探对象。同时，针对层序上部在湖盆边缘可能形成的岩性油气藏也应引起重视。

作者：张庄 叶素娟 杨克明 朱宏权 杨映涛 李旻 张世华 单位：成都理工大学能源学院 成都中国石化西南油气分公司勘探开发研究院 中国石化西南油气分公司