四川盆地東部中二疊統茅口組地層劃分、對比與巖溶古地貌恢復

陳衛東 陳義才 徐發波 李世臨 李延鈞 曾麗媛 譚 謙 康 宇

1.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦 2.成都理工大學 3.成都創源油氣技術開發有限公司

0 引言

四川盆地東部（以下簡稱川東地區）大力勘探石炭系目的層期間，在上覆地層的中二疊統茅口組也獲得了少量高產氣井。近年來，川東地區高陡構造帶石炭系的勘探程度越來越高，進一步找構造圈閉的空間越來越小，構造低位（向斜與斜坡）的巖性—地層圈閉日益受到重視[1-3]。早二疊世末期，峨眉山地幔柱差異上升，川東地區北部茅口組上部地層發生了不同程度的剝蝕，在大氣淡水的溶蝕淋濾作用下，形成孔洞、縫洞型石灰巖儲層[4]。2018年8月，五探1井首次在川東地區高陡構造向斜區茅口組獲得重大突破，測試獲得日產量為82×104m3的高產氣流，顯示了構造低位茅口組古巖溶作用形成的巖性圈閉具有良好的勘探潛力。由于盆地北部茅口組后期沉積相變過程復雜以及茅口組頂界深水泥質巖與上覆上二疊統龍潭組底部的煤系泥巖缺乏統一劃分標準，采用殘余厚度法恢復的茅口組巖溶古地貌格局存在較大差異[5-6]，制約了該區巖溶儲層天然氣勘探。為此，筆者在川東地區北部的觀音洞、紅花園及雙河等露頭剖面觀測基礎上，結合檀木場、云和、馬槽等構造的能譜測井資料，確定了茅口組與龍潭組、孤峰段與茅三段的劃分標準，并對川東地區221口鉆井進行統一劃分與對比，同時結合構造低位地區184口地震虛擬井的地層厚度，進一步厘清茅口組巖溶古地貌單元的分布格局，以期為尋找茅口組巖溶儲層提供幫助。

1 茅口組地層劃分

1.1 地層劃分的標志層

標志層是等時格架內地層劃分與對比的基礎。研究區（圖1）茅口組劃分中可以識別出以王坡頁巖、茅一b亞段頂部高自然伽馬段和中二疊統棲霞組二段低自然伽馬段3個標志層。

1.1.1 王坡頁巖

盧衍豪[7]最早把漢中梁山地區茅口組石灰巖與吳家坪組石灰巖之間黃灰色、黃褐色含植物化石碎片的粉砂質鋁土質泥巖稱為王坡頁巖，并認為其形成于陸相或海陸交互相。郭俊鋒等[8]發現該剖面巖石樣品顯微鏡下具有蝕變殘留玻屑凝灰質結構，其中蒙脫石成分的玻屑集合體仍然保留了塑性變形，指出王坡頁巖具有典型的斑脫巖特征。川東地區北部露頭剖面（圖2-a）和鉆井取心（圖2-b）可見，王坡頁巖分布在上覆龍潭組或吳家坪組與下伏茅三段之間，呈凹凸不平接觸，厚度介于0.3～2.5 m，巖性為灰褐色、淺灰色玻屑凝灰巖（圖2-a、b），鏡下見玻屑結構（圖2-c），風化后呈黃褐色，結構疏松，野外識別標志明顯。

王坡頁巖在測井曲線上具有高—中自然伽馬（GR）、低鈾（U）、高鉀（K）、中—低聲波時差（AC）、低電阻（R）的特征；上覆龍潭組底部為中—高自然伽馬、高聲波時差與低電阻，而下伏茅三段則以低自然伽馬、高電阻和低聲波時差為特征（圖3）。

綜上所述，茅口組沉積末期，在峨眉山大火成巖省火山活動過程中，當火山灰經空氣攜帶沉降在海相堿性環境中，蝕變為以蒙脫石成分為主的斑脫巖[9-10]；當火山灰沉降在茅口組風化殼時，凝灰巖與殘積鋁土質頁巖混合在一起。王坡頁巖在川東地區廣泛分布，其巖性與電性特征明顯，是劃分上二疊統與中二疊統的良好標志層。

1.1.2 茅一b亞段

川東地區不同構造308口井鉆穿茅口組的測井資料分析顯示，其中90%以上的井在茅一段中上部發育一層高自然伽馬段，厚度一般介于1～2 m，少數井可達4 m，自然伽馬介于120～160 API，聲波時差介于45～65 μs/m，深側向電阻率（RLLD）介于20～200 Ω·m。鉆井取心和野外露頭觀察發現，茅一b亞段高自然伽馬段的巖性為淺灰色含凝灰質巖夾薄層泥質泥晶灰巖。該高自然伽馬段之上的茅一a亞段具有齒狀中—低電阻和弱齒狀中—低聲波時差；其下的茅一c亞段表現為箱狀高電阻和箱狀低聲波特征。茅一b亞段高自然伽馬段測井曲線上易識別，在區域上穩定分布。

1.1.3 棲二段

川東地區野外露頭剖面觀察表明，棲二段巖性為灰色中—薄層含生屑、砂屑灰巖，厚度介于15～25 m，區域分布穩定。棲二段與上部茅口組和下部棲一段的電性劃分標準明顯，表現為弱齒狀低自然伽馬和微齒箱狀高電阻。

1.2 孤峰段劃分標志

1930年，李四光等把安徽池州貴池地區分布于棲霞組石灰巖之下、龍潭組煤系之上的黑色頁巖命名為孤峰層。孤峰組指棲霞組與龍潭組之間的薄層硅質巖、硅質頁巖、粉砂質泥巖、碳質頁巖、錳質頁巖，下部頁巖含錳及磷質結核，與上覆龍潭組和下伏棲霞組均為整合接觸，正層型位于安徽涇縣孤峰鎮[11-12]。在下揚子地區，孤峰組與茅口組碳酸鹽巖屬于等時異相沉積；在中上揚子地區，其頂界向下穿時，底界向上穿時[13-14]。筆者將孤峰組在川東地區劃分為茅口組的孤峰段（圖4）。

川東地區孤峰段巖性主要為黑灰色薄層碳質頁巖、硅質頁巖夾薄層含泥灰巖和硅質巖。在能譜測井曲線上，孤峰段具有高自然伽馬、高鈾、低釷特征，王坡頁巖則表現為高自然伽馬、低鈾、高鉀。在常規測井曲線上，孤峰段具有高自然伽馬、中—低電阻和低聲波時差特征，而王坡頁巖雖然也表現高自然伽馬和低電阻，但是聲波時差相對高于孤峰段。

1.3 地層劃分

四川盆地二疊系的劃分多年來一直采用上、下二分方案，即上統（包括吳家坪階與長興階），下統（包括棲霞階與茅口階）。李國輝等[15]通過二疊系巖石地層、生物地層的對比分析，提出了三分方案，但下統普遍缺失隆林階，紫松階僅局限于川西龍門山一帶；中二疊統和上二疊統在盆地內分布廣泛。筆者結合四川盆地目前主要以三分為主的現狀以及目前的勘探情況，在二疊系三分方案基礎上，增加了茅二段等時異相的孤峰段（表1）。

表1 川東地區中—上二疊統地層劃分方案表

2 地層對比及其厚度分布特征

2.1 地層對比

川東地區高陡構造斷層發育、地層產狀變化大，對不同構造帶之間的地層對比帶來一定困難。針對不同構造帶的鉆井與測井資料情況，首先在各構造帶選擇測井資料較全、標志層特征明顯，并且受斷層、構造擠壓變形影響較少的井作為標準井，然后建立標準井格架剖面進行區域性的井間地層對比。

在川東地區51個構造221口探井和評價井系統分層基礎上，選出109口標準井，建立12條連井格架對比剖面，其中近南北向的4條，東西方向12條。連井地層對比剖面顯示，川東地區北部茅口組遭受剝蝕最強烈，不僅茅四段與茅三段缺失，茅二a亞段及孤峰段也遭受不同程度的剝蝕，并且海槽相孤峰段從東往西及從北往南，沉積時間由老變新，開始發育于茅二b期，結束于茅二a期（圖5）。

2.2 地層平面分布特征

川東地區在高陡構造帶地層傾角變化大，局部地區地層產狀甚至倒轉。因此，繪制茅口組殘余厚度平面分布圖時，需要對鉆井分層的厚度進行地層傾角的校正，計算地層真厚度，即：

式中α表示地層傾角，（°）；H表示鉆井分層厚度（地層似厚度），m；h表示地層真實厚度，m。

式（1）中地層傾角大小取決于所鉆井在局部構造等值線的差值（Δh）與該差值所在構造等值線間的水平距離（Δx）（圖6）。川東地區現有鉆井主要分布在各高陡構造一帶，構造斜坡及寬緩向斜區缺少鉆井資料，根據二維地震解釋剖面，共補充了184口人工虛擬井。

川東地區茅口組厚度總體上具有“南厚北薄”、“西薄東厚”的分布特征，南北方向厚度變化表現為達州—開江—開州—萬州一帶地層厚度較薄，一般介于130～190 m；大竹—梁平以南地區的地層厚度介于200～300 m，東西方向的厚度變化表現為在大竹—鄰水—重慶一帶地區地層厚度較薄，一般介于225～250 m，忠縣—豐都—涪陵—南川地區的地層相對較厚，一般介于280～340 m（圖7-a）。

茅口組各段厚度在平面分布差異較大。茅一段厚度大部分地區介于80～100 m，在豐都—忠縣等局部地區介于110～130 m，重慶—長壽—墊江—梁平及其以西地區的地層厚度介于60～80 m。整體而言，茅一段厚度具有“東厚西薄”的分布特征，但南北方向的地層厚度變化較小（圖7-b）。

茅二段厚度一般介于90～140 m，在長壽—墊江—豐都—梁平一帶的厚度介于140～190 m，達州—開州—萬州以北地區一般介于40～65 m。茅二段厚度在東西兩側的變化較小，南北方向上具有明顯的“南厚北薄”特征（圖7-c）。茅二段厚度北部較薄不僅與沉積相帶變化有關，而且與茅口組沉積末期發生的地層剝蝕也有關系。

茅二c時期，整體上處于碳酸鹽巖臺地沉積，地層厚度分布變化較小。茅二段沉積后期（茅二a—茅二b亞段沉積時期），中部和南部仍然為碳酸鹽臺地沉積，北部構造拉張作用增強，海水變深形成海槽相，其沉積地層厚度小于南部臺地相。海槽相孤峰段在馬槽1-1井區厚度約為27 m，其余地區地層厚度較薄，一般介于5～15 m（圖7-d）。上揚子板塊北緣在茅二段沉積后期形成的海槽主要呈由東往西展布，而在達州和開江之間孤峰段的缺失區為近南北向分布，反映了茅口組沉積末期發生構造抬升作用造成了茅口組上部地層的剝蝕。

茅三段在川東地區主要分布其中部和南部，在鄰水—墊江—忠縣以北以及重慶東側的殘余地層厚度較薄，一般介于10～20 m，石柱—涪陵—豐都局部地區可達35～40 m，其余大部分地區的厚度一般介于20～30 m（圖7-e）。值得注意的是，在川東地區北部的達州—開江—開州及萬州—奉節以東地區缺失茅三段，但是在宣漢縣渡口鎮觀音洞剖面見臺地相的茅三段，厚度約為20 m。

茅四段在川東地區分布范圍較小，殘余地層分布主要分布在川東地區東南部的南川—長壽—石柱一帶，地層厚度一般介于5～15 m，局部井區可達30 m（圖7-f）。

3 古地貌恢復

3.1 基本原理

古地貌指地層沉積末期，被上覆地層覆蓋之前的地形面貌。在碳酸鹽巖地區，地層殘余厚度在一定程度上能夠反映古地貌地勢的相對高低。在相似大氣淡水背景下，所處地勢相對較高，遭受地表風化時間越長，被剝蝕地層越多，相應的殘余地層就越少，且厚度越薄；反之處于地勢越低的地區，地層殘余厚度較厚[16-17]。當發生多套地層被剝蝕時，以未遭受剝蝕的標志性地層與古風化殼不整合面之間的地層厚度作為殘余地層厚度[18]。筆者采用殘余厚度法恢復茅口組古地貌。

3.2 殘余厚度法的影響因素

川東地區茅口組鉆井數量多、分布廣，結合二維地震剖面虛擬井的殘余厚度，為恢復古地貌奠定了重要基礎。采用殘余厚度法刻畫古地貌時，還考慮以下3個主要影響因素。

3.2.1 地層原始厚度

在地層遭受剝蝕之前的原始厚度分布相對穩定的背景下，殘余厚度才能反映古地貌的地勢高低。川東地區在棲霞組沉積期間進入碳酸鹽巖臺地沉積以來，一直持續到茅口組末期。在茅口組沉積中期，除了北部發生短時間拉張海槽沉積外，整體上為碳酸鹽巖臺地沉積。因此，茅口組的原始地層厚度在區域上分布相對穩定，局部地區有所變薄。

3.2.2 地層巖性

在相似地表大氣淡水環境作用下，地層巖性的差異對地層剝蝕作用的影響較大。當地層露于地表后，碳酸鹽巖比泥質巖和硅質巖遭受的化學溶蝕更強烈。川東地區茅口組巖性以石灰巖為主，夾少量薄層泥質灰巖和白云巖，在北部海槽相孤峰段發育碳質頁巖和硅質巖。因此，除了孤峰段分布區外，茅口組的抗風化能力基本相似。

3.2.3 構造抬升幅度

早二疊世晚期的東吳運動在地幔柱活動中心的大理、米易一帶地殼抬升幅度大于1 000 m，在四川盆地內部地殼抬升的規模介于100～400 m，形成“西高東低”的地貌格局[19-20]。川東地區峨眉山玄武巖分布不穩定，在川東北部的厚度較大，一般介于15～30 m，同時已經初具雛形的開江古隆起范圍繼承性的進一步擴大[21-22]。由此可見，川東地區受東吳運動的影響，北部構造隆升幅度相對較大，導致茅口組暴露時間相對較長，風化溶蝕作用相對強烈。

3.3 古地貌單元劃分標準

針對現階段川東地區茅口組的整體勘探程度，在茅口組地層殘余厚度分布基礎上，結合被剝蝕層段以及地層巖性特征，將茅口組末期古地貌的一級單元劃分為巖溶高地、巖溶斜坡和巖溶盆地（圖8）。

巖溶高地處于古地勢較高地區，風化作用較強烈。劃分標準為茅三段厚度小于15 m，同時孤峰段殘余厚度不超過5 m，被剝蝕地層主要為茅四段和茅三段，局部地區的茅二段上部（茅二a亞段、茅二b亞段及孤峰段）也遭受不同程度的剝蝕。

巖溶盆地處于古地勢低緩地區，經歷的風化作用弱。劃分標準為茅四段殘余厚度大于15 m，同時茅三段厚度超過35 m，或者孤峰段殘余厚度超過20 m（其中泥質巖和硅質巖厚度大于10 m）。

巖溶斜坡介于巖溶高地與巖溶盆地之間，古地勢相對平緩，風化作用較弱。劃分標準為茅三段遭受剝蝕后的殘余地層大于15 m，或者孤峰段殘余地層厚度介于5～20 m；或者茅四段殘余厚度低于15 m。

3.4 古地貌分布特征

根據茅口組古地貌劃分標準，在平面上刻畫出“2個巖溶高地、2個巖溶斜坡和3個巖溶盆地”（圖9）。巖溶高地主要分布在東北部的宣漢—達州—開江—梁平及萬州東南部地區，面積為0.81×104km2，該區不僅茅三段被全部剝蝕，孤峰段在達州、開江等局部地區也剝蝕殆盡，孤峰段殘余厚度小于5 m。第二個巖溶高地的面積為0.14×104km2，分布在重慶—長壽—南川之間，茅四段被全部剝蝕，茅三段殘余厚度小于15 m。

茅口組巖溶盆地主要分布在豐都—涪陵東南部，面積為0.29×104km2，該區茅口組剝蝕微弱，茅四段厚度大于15 m。大竹西北部及奉節以北的巖溶盆地范圍較小，面積分別為0.13×104km2和0.11×104km2，前者茅三段雖然遭受不同程度的剝蝕，但是孤峰段泥質巖厚度介于10～15 m，后者茅三段全部剝蝕，孤峰段泥質巖厚度介于10～20 m。

茅口組巖溶斜坡主要分布在研究區中南部的忠縣—墊江—長壽—南川一帶，面積為2.20×104km2，茅四段和茅三段遭受不同程度的剝蝕。北部巖溶斜坡主要分布在開州—云陽地區，面積為0.96×104km2。

川東地區茅口組巖溶高地、巖溶斜坡分布范圍廣，有利于巖溶儲層的大面積分布。川東地區中部和北部巖溶高地、巖溶斜坡帶的茅二b亞段、茅二c亞段及茅一段中上部，受地表大氣淡水垂直滲流和水平潛流的巖溶作用較強烈，有利于發育孔洞型儲層和縫洞型儲層；南部巖溶儲層主要發育在茅三段、茅二a亞段及茅二b亞段。

4 結論

1）王坡頁巖、茅一b亞段頂部高自然伽馬段、棲二段低自然伽馬段是劃分茅口組的標志層，為川東地區茅口組及內部地層統一劃分提供了重要依據。

2）茅口組沉積早期，在構造穩定背景下發育碳酸鹽巖臺地沉積，地層厚度變化較小。茅口組沉積后期，北部海槽相孤峰段開始于茅二b亞段沉積期，結束于茅二a亞段沉積晚期，地層相對較薄，中部和南部為碳酸鹽巖臺地沉積，地層相對較厚。

3）茅口組沉積末期的東吳運動使川東地區北部及中部隆升，茅三段、茅四段遭受大面積剝蝕，茅二段及孤峰段遭受部分剝蝕。

4）川東地區茅口組具有“2個巖溶高地、2個巖溶斜坡和3個巖溶盆地”的巖溶古地貌格局，總體上呈巖溶斜坡為主，巖溶高地次之，巖溶盆地分布范圍相對較小。