塔里木盆地寒武系沉积模式与烃源岩发育

陈强路，储呈林，杨　鑫，胡　广，史　政，姜海健，申宝剑，刘文汇

(中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡　214126)



塔里木盆地寒武系沉积模式与烃源岩发育

陈强路，储呈林，杨鑫，胡广，史政，姜海健，申宝剑，刘文汇

(中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡214126)

摘要：综合利用露头、钻井和地震资料，解剖了塔里木盆地中下寒武统沉积特征，并建立其沉积模式，预测烃源岩的分布。研究认为，塔里木盆地寒武系发育缓坡和台地—陆棚2种沉积模式，沉积演化总体上呈台地前缘斜坡由缓至陡、坡度由小到大的变化趋势。结合寒武系沉积格局以及烃源岩的沉积构造、岩性组合、矿物成分与成烃生物特征，认为寒武系有效烃源岩主要形成于深水陆棚环境。成烃生物与深水陆棚沉积环境协同演化，表现为深水陆棚泥质区以底栖藻生物相占优势，而深水陆棚钙质区以浮游藻生物相占优势。深水陆棚相在整个寒武纪期间不断发生空间上的变迁，形成了纵向上叠置、平面上交错的烃源岩分布特征。肖尔布拉克组下部黑色薄层泥质灰岩发育于深水陆棚相，沉积环境暗示这套岩性组合可能是塔里木盆地西部地区一套有效的烃源岩。

关键词：沉积模式；烃源岩；寒武系；塔里木盆地

中下寒武统烃源岩是塔里木盆地海相油气最主要的来源之一[1-4]，目前除盆地北缘露头区外，仅星火1井、尉犁1井、塔东1井、塔东2井、库南1井等少数井揭示了寒武系烃源岩，对于56×104km2的塔里木盆地而言是十分有限的资料，地震资料也难以直接识别烃源岩。因此，寒武系烃源岩分布的确定仍是制约当前塔里木盆地油气勘探的重要难题。烃源岩发育于特定的沉积环境之中[5-11]，关于塔里木盆地烃源岩以往多侧重于发育层位的研究，而对烃源岩的形成环境研究较弱。本文从“成源”研究角度，综合利用露头、钻井和地震资料，详细剖析了中下寒武统的沉积特征，并建立了沉积模式，旨在为该区烃源岩的分布预测提供地质依据。

1寒武系沉积特征

1.1寒武系沉积前的沉积构造格局

前寒武系地质结构与寒武纪的区域构造格局对寒武系沉积具有明显控制作用。塔里木盆地周缘的库鲁克塔格地区、柯坪地区和塔西南叶城出露的南华系、震旦系露头及盆地内揭示前寒武系的钻井，为研究寒武系的沉积结构提供了资料基础[12-17]。

南华纪早期，中、新元古代固结的塔里木陆块，在全球性事件——Rodinia超大陆裂解过程中古陆周缘相继裂陷，沉积的南华系—下震旦统陆源碎屑岩和大陆冰碛岩为初始盖层，以角度不整合超覆于浅变质或结晶基底之上[18-19]。晚震旦世构造相对平静，周缘及克拉通内部进入统一的浅海碳酸盐台地环境中(表1)，沉积了一套以白云岩为主的岩石组合，在周边露头地层区均可以对比，包括柯坪地区的奇格布拉克组(Z2q)、塔西南叶城地区的克孜苏胡木组(Z2k)以及塔东北库鲁克塔格地区的水泉组(Z2s)和汉格尔乔克组(Z2h)。震旦纪末期的柯坪运动导致大部分地区抬升，上震旦统顶部白云岩段发生不同程度的剥蚀，一般与下寒武统呈不整合接触关系。

表1塔里木盆地震旦系—寒武系沉积序列与层序地层格架

Table 1Sedimentary succession and sequence stratigraphic

framework of the Sinian-Cambrian in the Tarim Basin

1.2寒武系沉积序列与层序格架

塔里木盆地在早寒武世大规模海侵后形成广泛的陆表海，并构筑了寒武纪—早奥陶世由浅海大陆架向深海洋盆延伸的构造—古地理格架[20-22]。寒武系沉积经历了多个海进海退的变化，可以划分出3个二级层序(表1)。盆地中西部普遍沉积了一套黑色含磷硅质岩—页岩—白云岩组合的玉尔吐斯组及碳酸盐岩类为主的上覆地层，而盆地东部寒武系沉积以硅质泥岩—含灰质泥质—泥质灰岩为主。大量地球化学工作已证实，玉尔吐斯组、西山布拉克组(-C1xs)、西大山组(-C1d)、莫合尔山组(-C2m)是寒武系烃源岩发育的主要层位。

1.3寒武系沉积结构

除MB1井、TC1井附近的隆起高地外，玉尔吐斯组或西山布拉克组沉积在盆地广大地区，具有填平补齐的特征。玉尔吐斯组及西山布拉克组(上部)大套灰黑色页岩记录了寒武纪全球性大洋缺氧事件——“BACE“事件，玉尔吐斯组及西山布拉克组上部的δ13C 负漂移与当时的生物、海洋环境之间存在协同演化的关系，具有全球等时对比意义[23-24]；钻井上表现西山布拉克组上部黑色页岩电测值为GR块状异常高值，可作为沉积事件和层位对比的标志(图2)。以特高GR值顶部为对比标志，YL1井西山布拉克组沉积厚达174 m，而XH1井沉积厚33 m，TD1和TD2井厚20余 m；XH1、TD1、TD2井沉积缺失了相当于西山布拉克组中下部地层，而MB1井等隆起区则缺失玉尔吐斯组沉积(图2)。玉尔吐斯组或西山布拉克组沉积厚度的变化是寒武系沉积前古地貌格局的“印模效应”。寒武系底部沉积围绕MB1、TC1井等基底凸起的超覆沉积，地震剖面上寒武系底部地层呈由盆地东北部的尉犁地区向西、向南超覆变薄的趋势。

图1　塔里木盆地寒武系底界附近地层剖面对比

图2　塔里木盆地下寒武统典型钻井地层对比

2寒武系沉积模式及演化

寒武系的沉积特征与演化可划分为2种模式，包括下寒武统下部的缓坡沉积模式，以及下寒武统上部至上寒武统的台地—陆棚沉积模式(图4)。

寒武系玉尔吐斯组沉积期，受古地貌控制，不同沉积区岩性组合差异较大。在内—中缓坡区，西部T1井一带沉积以灰色泥质云岩、红色泥岩为主，F1井一带主要为泥质云岩和褐红色细粒岩屑砂岩，在H4井一带出现厚约30 m的厚层状浅紫色硅藻岩。而中西部MB1- TC1井一带则缺失该时期沉积。处于外缓坡的柯坪露头区—XH1井则沉积了一套黑色含磷硅质页岩—白云岩组合，东部的YL1-TD2-TD1井一带沉积物以灰色含硅泥岩夹黄灰色泥质白云岩为主。

图4　塔里木盆地寒武系沉积演化模式

肖尔布拉克组沉积期，沉积格局仅呈现西高东低的态势，在海退背景下，由缓坡向弱镶边台地—陆棚沉积模式转变(图4)。台地边缘相带沿塔深1—顺托果勒—古隆4一带近南北展布，以西为碳酸盐岩台地，沉积了局限台地相的云质灰岩、灰质云岩、云岩、泥质云岩及膏质泥岩组合。台缘带以东为浅海陆棚—深水陆棚相和盆地相，深水陆棚相岩性以深灰色泥质灰岩为主夹有灰质泥岩。在YL1井一带为盆地相沉积，岩性以暗色晶灰岩、灰质泥岩为主。西北部柯坪地区肖尔布拉克组下段为深灰色薄层泥质灰岩夹薄层泥岩、泥质白云岩，说明柯坪一带处于碳酸盐岩陆棚相带，向东至巴楚—阿瓦提一带过渡为碳酸盐岩台地，其间发育台地边缘。塔西南地区下寒武统在地震剖面上具有向南减薄的沉积特征，发育有前积结构。结合区域构造背景来看，寒武系沉积时塔西南地区可能处于深水陆棚相沉积，发育灰质泥岩、泥质灰岩。

图3　塔里木盆地顺托果勒地区典型地震剖面寒武系沉积演化的地质解释

中—晚寒武世期间，盆地中西部发育局限台地、蒸发台地相的白云岩—膏盐岩、膏质白云岩—白云岩沉积组合；盆地东部对应的莫禾尔山组—突尔沙克塔格组(-C3-O1t)为一套灰黑色灰质泥岩、泥岩与泥质白云岩、含云灰岩、泥灰岩不等厚互层沉积，总体具有向上水体变浅的特征。

总体而言，塔里木盆地寒武系沉积演化由下寒武统进积型缓坡逐渐向中—上寒武统弱镶边台缘模式的转变，台地前缘斜坡由缓至陡变化，台地边缘高能相带不断向台缘斜坡—陆棚方向进积，前期台缘斜坡发育低位域 (图4)。

3沉积环境与烃源岩发育

盆地西中部玉尔吐斯组岩石组合为磷块岩/硅质岩—硅质页岩—泥质白云岩垂向序列，岩石矿物主要为硅质矿物和碳酸盐岩矿物，而黏土矿物小于50%(图5)；生物相有底栖藻类残片、浮游藻类和纹层状蓝藻藻席、海绵骨针和少量的生物介壳残片，烃源岩中以底栖藻类生物相占优势。磷块岩矿物成分为胶磷矿，其次为磷灰石、石英，少量氧化铁。结构组分以砾屑为主，其次为砂屑和球粒，填隙物以胶磷矿为主，少量磷灰石和石英。磷块岩矿物组成及结构特征说明沉积于陆棚环境。硅质岩元素地球化学特征及区域地质分析认为，沉积环境受上升洋流的热水影响[25]。

上述岩性及生物组合说明，玉尔吐斯组发育于受上升洋流影响的陆棚沉积环境。该套烃源岩具有富含底栖藻、有机碳高丰度特征，8 m厚的露头上11个样品平均TOC为9.67%。肖尔布拉克底部发育的中薄层泥质灰岩、灰质泥岩夹薄层泥，富含浮游藻类，3个样品TOC含量0.6%~1.41%，由于以浮游藻类为成烃生物的烃源岩生排烃量更高[26]，推测这是一套有效烃源岩，其展布与玉尔吐斯组泥岩分布有继承性，范围大致相当。

图5　塔北柯坪剖面和南雅尔当剖面寒武系

盆地东部西山布拉克组上部和西大山组岩石组合表现为硅质岩—页岩—泥质碳酸盐岩多回次的交互层序列，岩石矿物主要为硅质矿物或碳酸盐矿物，黏土矿物含量低于30%；生物相下部以底栖藻为主，向上为底栖藻和浮游藻(图5)。西山布拉克组和西大山组火山岩—硅质岩、硅质岩夹黑色页岩组合，表明发育于深水陆棚沉积环境，热水成因的硅质岩[27-28]指示了拉张裂解作用的构造背景。

莫禾尔山组、突尔沙克塔格组岩石组成以泥质碳酸盐岩为主，碳酸盐岩矿物含量达75%以上，硅质矿物、黏土矿物均小于15%，生物相浮游藻类占优势(图5)。突尔沙克塔格组的沉积构造为纹层、薄层的泥质灰岩，不发育重力流沉积，生物多样，是陆棚环境的沉积表现。高达75%以上的碳酸盐岩矿物含量及丰富的浮游藻类说明中晚寒武世水体向上变浅的沉积序列中，莫禾尔山组、突尔沙克塔格组发育更靠近碳酸盐岩沉积的边缘。

根据早寒武世缓坡和中—晚寒武世具弱镶边的台—盆结构特征，以及烃源岩段的沉积构造、岩性组合、矿物组成与成烃生物特征的综合分析，认为塔里木盆地寒武系有效烃源岩主要发育于深水陆棚环境。其中，深水陆棚泥质区以底栖藻生物相占优势，深水陆棚钙质区以浮游藻生物相占优势。

海侵序列中塔里木盆地广泛发育了玉尔吐斯组—西山布拉克组深水陆棚泥页岩烃源岩，海退序列中盆地西部在外缓坡的基础上发育泥质灰岩烃源岩。盆地中东部向上变浅的沉积序列中，在西大山组泥页岩烃源岩之上叠加了莫禾尔山—突尔沙克塔格组泥质碳酸盐烃源岩。寒武系沉积演化由下寒武统缓坡逐渐向中—上寒武统镶边台缘模式的转变，深水陆棚相纵向、横向均发生迁移，形成叠加交错的烃源岩分布特征。

4结论

(1) 塔里木盆地寒武系发育缓坡和台地—陆棚2种沉积模式。玉尔吐斯组沉积期为缓坡沉积，由中西部基底凸起向周边可进一步划分内—中缓坡、外缓坡—盆地相带。中—晚寒武世海退背景下发生由缓坡向弱镶边的台地边缘—台缘斜坡—陆棚的沉积模式转变，台地边缘向台缘斜坡—陆棚方向进积。沉积演化总体上表现为台地前缘斜坡由缓至陡的变化特点。

(2) 塔里木盆地寒武系有效烃源岩主要发育于深水陆棚环境，成烃生物与深水陆棚沉积环境协同演化，深水陆棚泥质区以底栖藻生物相占优势，深水陆棚钙质区以浮游藻生物相占优势。寒武系沉积模式演化中深水陆棚相纵向、横向均发生迁移，形成纵向上叠加、平面交错的烃源岩分布。形成于深水陆棚钙质沉积区的肖尔布拉克组下部黑色薄层泥质灰岩推测是塔里木盆地西部一套有效的烃源岩。

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(编辑徐文明)

Sedimentary model and development of the

Cambrian source rocks in the Tarim Basin, NW China

Chen Qianglu, Chu Chenglin, Yang Xin, Hu Guang, Shi Zheng, Jiang Haijian, Shen Baojian, Liu Wenhui

(WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China)

Abstract:Outcrop, drilling and seismic data were utilized to analyze in detail the sedimentary characteristics of the Middle and Lower Cambrian in the Tarim Basin. A sedimentary model was established to provide a scientific basis for the prediction of source rock distribution. The studies suggested that both the sedimentary models of ramp and platform-shelf were involved in the Cambrian deposition in the Tarim Basin. As a whole, the trend of the Cambrian sedimentary evolution was characterized by the variation of a low angle to steep platform margin. It was assumed that the effective source rocks of Cambrian in the Tarim Basin were mainly formed in a deep water shelf environment combined with the Cambrian sedimentary pattern and the sedimentary structure, lithological assemblage, mineral composition and hydrocarbon generating organisms of the source rocks. Hydrocarbon generating organisms evolved together with the deep water shelf sedimentary environment. In the argillaceous and calcareous deep water shelf, the advantage of biofacies lay with benthic algae and planktonic algae, respectively. As a result of the migration of the deep water shelf through the Cambrian period, the distribution of source rocks was vertically stacked and laterally staggered. Since the black thin marlite in the lower Xiaoerbulake Formation developed in a deep water shelf, the sedimentary environment suggested that it was expected to be another source rock of the western Tarim Basin.

Key words:sedimentary model; source rock; Cambrian; Tarim Basin

基金项目：中国石化科技部项目(P12004)资助。

作者简介：陈强路 (1969—)，男，博士，高级工程师，从事沉积学及油气勘探综合研究。E-mail:chenqinglu2006@126.com。

收稿日期：2015-07-23；

修订日期：2015-10-20。

中图分类号：TE122.1+12

文献标志码：A

文章编号：1001-6112(2015)06-0689-07doi：10.11781/sysydz201506689