北京西山淹沒不整合型高頻旋回層序地層研究

章軒瑋

(中國地質大學(北京)，北京 100083)

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北京西山淹沒不整合型高頻旋回層序地層研究

章軒瑋

(中國地質大學(北京)，北京 100083)

以北京西山寒武系張夏組地層為例，運用米蘭柯維奇高頻旋回層序地層分析方法與地球化學結合研究的手段，對三級快速海侵背景下的寒武系張夏組高頻旋回層序地層格架進行劃分。研究認為，該區張夏組灰巖地層并非傳統的I、II型碳酸鹽巖層序模式，應為典型淹沒不整合型層序。建立了從三級層序到六級米級旋回的張夏組淹沒不整合型高頻旋回層序地層格架。淹沒不整合型層序格架內有利儲層主要發育于三級、四級層序的高水位體系域中。快速海侵事件標志著碳酸鹽巖臺地的沉積間斷。通過對淹沒不整合型碳酸鹽巖層序地層的研究來指導未來的石油勘探生產，具有現實的研究意義。

碳酸鹽巖層序地層；淹沒不整合型層序；米級旋回；北京西山；張夏組

0 引 言

近年來，碳酸鹽巖層序地層學研究在中國取得了長足的發展[1-3]。如樊太亮等對塔里木地區寒武系層序地層格架的研究[2]，于炳松等對塔里木奧陶系有利烴源巖在層序地層格架中發育位置的研究[2]。中國海相碳酸鹽巖層序地層學在取得長足進展的同時也存在些許薄弱之處，如對于碳酸鹽巖層序地層的識別多是傳統的Ⅰ、Ⅱ型層序，但在碳酸鹽巖臺地中更普遍地發育另外一種III型淹沒不整合型旋回層序。以往的研究多局限于三級層序的劃分，而更高精度旋回層序地層格架的建立才能滿足未來科研生產的需要。以北京西山寒武系張夏組為例，通過對張夏組淹沒不整合型高頻旋回層序地層的研究，對上述問題進行探討。

1 張夏組淹沒不整合型高頻旋回層序地層研究

1.1 張夏組潮下型碳酸鹽巖米級旋回及淹沒不整合層序界面識別

北京西山寒武系張夏組地層年齡約為506.5～503.0 Ma。張夏組地層共發育有60余個潮下型碳酸鹽巖米級旋回，這些旋回有序疊加共同組成了一個以“陸棚相—鮞粒灘相”沉積相序列為特征的淹沒不整合型三級層序。

研究區域內的張夏組地層由以下巖相單元構成(圖1a)：①陸棚相鈣質泥巖，發育水平紋層，偶夾深水竹葉狀粒屑灰巖透鏡體(異地風暴巖)，深水沉積環境產物；②陸棚相薄層含泥質條帶泥晶灰巖，局部發育厚為1～2 mm的風暴韻律層沉積(碳酸鹽巖砂屑)，沉積環境介于風暴浪基面至深緩坡之間；③深緩坡相泥晶灰巖，偶夾泥質條帶，發育水平紋層，為深緩坡沉積環境的產物；④中緩坡相中厚層含鮞粒粒泥灰巖；⑤淺緩坡相泥亮晶鮞粒灰巖；⑥淺緩坡相塊狀亮晶鮞粒灰巖，發育波浪沖刷交錯層理及沖刷面；⑦淺緩坡相塊狀或柱狀微生物疊層石石灰巖，與大量灘相鮞粒灰巖共生。

上述成因巖相單元依次疊加在一起，由深水陸棚相沉積產物過渡為淺水顆粒灘相沉積產物，組成了一個理想的潮下型碳酸鹽巖米級旋回(圖1b)。實際野外劃分中，這種理想化潮下型米級旋回基本少見。更加普遍的是由2個巖相單元或3個組合所構成的潮下型碳酸鹽巖米級旋回(圖1c)。雖然同屬于一個碳酸鹽巖臺地古地理背景，但在古水深不同的區域，米級旋回上下巖相組構單元也不盡相同。隨著深水沉積環境橫向演變至淺水沉積環境，同一沉積時段內，不同米級旋回構成一個臺地相米級旋回變化譜系(圖1b)。

圖1 露頭巖性及層序界面和米級旋回變化譜系

在野外實際觀測中，三級淹沒不整合型層序界面特征明顯。具有凝縮性質的張夏組底部鈣質泥巖越過三級層序的底界面，覆蓋在徐莊組頂部灰巖之上，形成淹沒不整合型層序界面(圖1c)。三級層序和四級亞層序的層序界面均類似于每一個潮下型米級旋回的旋回界面，具有相似的地層界面特征屬性。米級旋回的瞬時加深淹沒間斷面和三級層序的層序界面是同一事物不同級別尺度的表現。地層記錄中層序界面存在不同的級別，旋回沉積記錄便具有了“大級別旋回層序包含若干小級別米級旋回”的特點。在張夏組整合地層序列中進行層序地層劃分，層序界面已不是地層明顯間斷的不整合面(Ⅰ、Ⅱ型層序界面)，而是以地層間斷時限難以確定的整合面(即沉積間斷面)來作為層序界面。從沉積學范疇來理解層序地層，旋回層序的界面是下部水深變淺、上部水深加深的物理表現形式，當下伏地層向上變淺的強度大時即形成不整合型層序界面(Ⅰ、Ⅱ型暴露層序界面)，當上覆地層向上加深的強度大時(快速淹沒)即形成淹沒不整合型層序界面(型層序界面)。

1.2 高頻旋回層序地層格架的建立

淺緩坡相鮞粒灰巖、陸棚相鈣質泥巖及中深緩坡相泥質條帶泥晶灰巖等特征迥異的巖相單元，共同組成了一個非對稱型向上變淺的淹沒不整合型三級層序。在劃分北京西山寒武系張夏組海相碳酸鹽巖層序地層時，采用從低級別六級米級旋回到高級別三級層序的劃分方法，即由巖相序列構成短周期米級旋回，由米級旋回構成更高級別的長周期沉積相序列，最終以沉積相序列所表現出的沉積趨勢的變化(深水—淺水)來作為反演基準面變化和劃分三級層序的基礎。旋回層序，首先是一個在年代地層框架內沉積相的有序疊加，該相序能夠反映海平面相對升降的變化。由于海平面變化存在不同的周期與級次，最終形成了不同級別的旋回層序，由低級別、短周期的米級旋回有規律的垂直疊加構成了長周期、高級別的三級層序。

北京西山寒武系張夏組地層中發育的米級旋回，遵循特定基準面變化階段沉積特定巖相組合類型的形式，形成有規律的疊加：60個米級旋回通常4個一組呈1∶4的組合關系，構成15個五級準層序級別旋回層序；五級旋回層序又通過5個一組呈1∶5的組合關系構成3個四級準層序組級別亞層序；四級亞層序遵循長周期基準面由深到淺變化的規律最終構成一個完整的淹沒不整合型三級層序(圖2)。在四級亞層序格架中來觀察米級旋回種類的發育。在四級亞層序下部凝縮段(CS)單元中，四級相對海平面處于上升階段，故組成四級亞層序下部凝縮段的米級旋回主要發育由陸棚相鈣質泥巖及深緩坡泥晶灰巖組成的A、B、C型米級旋回。對等的，在四級亞層序上部的HST單元中，由于同沉積時期正處于四級相對海平面變化的下降階段，故組成四級亞層序上部HST的米級旋回主要發育由緩坡灘相鮞粒灰巖作為上部巖相單元的D、E、F、G、H、I型米級旋回(圖2)。

在三級層序格架中，底部2個四級亞層序的HST單元中主要發育中緩坡—淺緩坡型C、D、E型米級旋回，只有頂部的四級亞層序的HST單元中才發育代表淺緩坡—鮞粒灘相沉積的F、G、H、I型米級旋回。3個四級亞層序構成的沉積相序列具有如下相序特征(圖2)：(陸棚相—深緩坡相—中緩坡相)—(陸棚相—深緩坡相—中緩坡相—淺緩坡相)—(深緩坡相—中緩坡相—淺緩坡相—鮞粒灘相)。完全符合三級層序由深變淺的相序特征。此三級層序可以作為碳酸鹽巖淹沒不整合型三級層序高頻旋回層序研究的典型實例。

1.3 旋回層序格架中的碳酸鹽巖化學組分特征

按照所建立的高頻旋回層序地層格架，系統采集凝縮段單元與HST單元對應巖石樣品進行化學組分檢測[4]。結果表明，在四級相對海平面變化的最大海泛期，即沉積以鈣質泥巖和泥晶灰巖為主的凝縮段時期，CaO和MgO的含量為四級旋回內最低，而SiO2和K2O的含量為四級旋回內最高。這表明在四級相對海平面上升到最大時，沉積環境以遠洋—半遠洋環境為主，碳酸鹽巖生產受限。K2O含量的高值代表著深水緩慢沉積，SiO2含量高說明有機械混入物。在四級相對海平面下降期，即高水位體系域階段，巖性主要為質純鮞粒灰巖，相應的CaO含量出現四級旋回內最大值，說明伴隨著四級相對海平面的下降，臺地碳酸鹽巖生產恢復。且越接近四級旋回層序頂界面，樣品MgO含量越高，這與四級層序界面暴露有關。在高水位體系域中SiO2和K2O的含量相較于凝縮段單元都有所下降(表1)。觀察三級層序與化學組分的關系發現，在三級層序頂部，鮞粒灰巖中CaO和MgO的含量出現極大值，在三級層序底部出現極小值，表明長周期三級相對海平面變化在三級層序頂部海平面下降強度最大；對應的SiO2和K2O的含量在三級層序凝縮段部分出現極大值，表明此時為三級最大海泛期(表1)。

2 快速海侵對于層序地層格架的影響及對未來工作的意義

2.1 快速海侵對碳酸鹽巖層序格架發育的影響

碳酸鹽巖臺地沉積環境普遍對于水體深度和沉積環境十分敏感。臺地的發育在高位正常海退期最為有利，臺地頂部的碳酸鹽巖工廠被大范圍的淺水透光帶所覆蓋，形成大范圍碳酸鹽巖生產區域(圖3階段1)。在高位正常海退之后，三級海平面變化進入下降期及低水位期。臺地頂面大范圍暴露侵蝕從而形成暴露不整合面(Ⅰ、Ⅱ型層序界面)(圖3階段2)。

海侵期對于碳酸鹽巖層序格架發育的影響，會出現2種不同的結果，因此分為慢速海侵與快速海侵來分別討論：①如果是慢速海侵，臺地水深依然處于光線所及的深度內，碳酸鹽巖工廠仍能繼續生產沉積物，繼續維持碳酸鹽巖臺地的生長發育(圖3階段3)；②如果是快速海侵，水體加深過快，臺地隨即淹沒，碳酸鹽巖工廠關閉，由淺水沉積環境突變為遠洋—半遠洋灰泥質沉積環境，這就導致了覆蓋于整個碳酸鹽巖臺地范圍內的無暴露沉積間斷面(Ⅲ型層序界面)和其上的凝縮段沉積層的形成(圖3階段4)，快速海侵所代表的臺地淹沒事件標志著碳酸鹽巖層序格架中的間歇性臺地沉積停滯。

圖2 北京西山寒武系張夏組高頻旋回層序地層格架

圖3 慢速海侵與快速海侵碳酸鹽巖層序模式及有利儲層發育位置

2.2 淹沒不整合型層序研究對未來工作的指導意義

通過上述研究明確了淹沒不整合型碳酸鹽巖層序地層格架的發育特征，并以此指導未來的石油勘探生產，具有極大的現實研究意義[5-9]。通過前述的地球化學與高頻層序地層格架的研究，明確在三級、四級淹沒不整合型層序格架的高水位體系域中CaO和MgO的含量均為層序格架內最高，并且對應巖性均為儲層性質優良的高孔滲顆粒灰巖及鮞粒灰巖等，越朝向層序頂界面位置MgO含量所控制的白云石化作用越明顯，這與層序界面暴露有關，有利于沉積物性優良的顆粒溶蝕灰巖或白云石化儲層。

表1 露頭剖面碳酸鹽巖樣品化學組分檢測結果

在快速海侵臺地淹沒的背景下，前期快速海侵期不形成有利的臺緣礁灘儲層。但在后期的高水位體系域期，恢復沉積有利的生物礁灘相儲層。底部凝縮段沉積在同沉積期就具有很高的生物質有機質含量，這些與泥巖一起沉積的有機質在有利的地層溫壓埋藏條件下易形成生烴潛力巨大的烴源巖地層。綜上所述，凝縮段在下部生油，高水位體系域沉積儲層地層，易形成有利的下生上儲式成藏組合。在合適的圈閉封蓋條件下，此類成藏組合會成為油氣甜點勘探的潛力區。如珠江口盆地中新世流花臺地生物礁儲層就具有此種特征。因此，在淹沒不整合型層序地層格架中有利的碳酸鹽巖儲層主要分布于高水位體系域，有利的烴源巖沉積主要分布于凝縮段中(圖3階段4)。

3 結 論

(1) 北京西山寒武系張夏組高頻旋回層序格架包含1個淹沒不整合型三級層序、3個四級亞層序、15個五級旋回層序及60個潮下型米級旋回。由低級別米級旋回依次疊加組成高級別三級淹沒不整合型層序。

(2) 不同于Ⅰ、Ⅱ型層序界面(暴露層序界面)，淹沒不整合型(Ⅲ型)層序界面是當上覆地層向上加深的強度大時形成的。

(3) 快速海侵所代表的臺地淹沒事件標志著碳酸鹽巖層序格架中的間歇性臺地沉積停滯，是特殊地質背景下的產物，在碳酸鹽巖地層記錄中較為普遍。

(4) 在淹沒不整合型層序地層格架中，有利的鹽酸鹽巖儲層主要分布于高水位體系域，有利的烴源巖沉積主要分布于凝縮段中。

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編輯 林樹龍

20150605；改回日期：20151008

國家自然科學基金“燕山地區薊縣系旋回與事件及其相關沉積學研究”(40472065)

章軒瑋(1987-)，男，2009年畢業于中國地質大學(北京)地質工程專業，現為該校含油氣盆地沉積學專業在讀博士研究生，主要從事層序地層學與石油地質學研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.005

TE122.3

A

1006-6535(2015)06-0019-06