塔里木盆地順南地區中—下奧陶統正演沉積數值模擬

楊偉利，王毅，張眾琛，梁晨，李京昌

中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083

塔里木盆地順南地區中—下奧陶統正演沉積數值模擬

楊偉利，王毅，張眾琛，梁晨，李京昌

中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083

利用正演沉積數值模擬，恢復了塔里木盆地順南地區中—下奧陶統沉積演化過程。綜合分析基礎地質條件，以Dionisos軟件為平臺，建立了塔里木順南地區中—下奧陶統正演沉積數值模擬的初始模型。通過調整構造沉降、海平面變化、沉積物產率、波浪強度和方向等參數及模型校驗，以正演方法再現了該地區三維沉積演化過程，并分析了沉積旋回演化、關鍵界面特征和內部沉積格局。早中奧陶世，塔里木盆地順南地區發育四個沉積旋回，四次相對海平面下降形成了中—下奧陶統蓬萊壩組下段、蓬萊壩組上段、鷹山組下段、鷹山組上段等頂面多個局部或區域短期暴露面，形成了非斷裂控制的短期暴露巖溶。

正演沉積數值模擬；碳酸鹽巖；中—下奧陶統；順南地區；塔里木盆地

0 引言

順南地區位于塔里木盆地塔中北坡，近幾年在中—下奧陶統碳酸鹽巖層系見到良好油氣顯示，儲層是控制油氣富集的最主要因素。目前認為油氣發現的主要儲集空間為受北東向斷裂控制的縫洞型儲層，因此油氣主要沿北東向斷裂帶展布。碳同位素地層學研究認為塔中北坡中—下奧陶統不存在地層缺失[1]，地震剖面上也難以發現明顯的不整合接觸特征，因此認為暴露條件下形成的巖溶儲層欠發育。這些認識把制約油氣富集的儲層空間局限在斷裂帶附近，也制約了勘探空間的拓展。因此，通過沉積正演數值模擬恢復順南地區中—下奧陶統沉積過程，為探索該地區是否發育形成巖溶儲層的暴露背景具有重要意義，為下步油氣勘探的拓展提供依據。

正演沉積數值模擬選用法國石油研究院的Dionisos軟件實現。該軟件是一個為沉積過程建模的工業應用軟件，在碳酸鹽巖建造和碎屑巖沉積過程中都得到了成功的應用。

1 Dionisos沉積模擬基本原理及方法

沉積模擬是以沉積學理論研究為基礎的一種重要的實驗手段和技術方法，是對自然界真實過程的一種還原[2]。通過沉積實驗，還原沉積過程和結果。對沉積過程進行抽象，提取其中的數學、物理規律以及經驗公式，然后通過計算機將這種規律加以實現，直觀、形象地再現各種不同的沉積過程。

數值模擬根據模擬過程中的數據流向，可分為正演模擬和反演模擬。正演數值模擬輸入的是控制參數，而反演數值模擬輸入的是觀察數據。正演模擬建立在假定過程參數和地層響應之間是相互依存的，通過調試過程參數的相互作用所產生的地層響應來模擬真實地質現象。

三維沉積數值模擬軟件Dionisos是第一個再現沉積演化歷史的模擬工業應用軟件。可以充分利用巖芯、測井、地震等數據，應用層序地層學原理，通過模擬沉積物的沉積過程，定量評估構造沉降、海平面變化、沉積物供給、沉積搬運和可容空間之間復雜的相互作用關系，為沉積盆地的演化建立一個理想的地質歷史模型，如地層、巖相、沉積建造、古水深在時間和空間上的演化。物質平衡原理的應用使得Dionisos 可以模擬盆地每個時間和空間點的沉積或者剝蝕作用，因此可以進一步模擬盆地的變形和沉積充填，三維定量描述沉積體的形態，提供沉積盆地中沉積建造、地層巖相、古水深在空間和時間上的演化。

2 工區概況

模擬工區包括塔里木塔中北坡的順南地區和古城墟隆起西部地區(圖1)。寒武紀—早奧陶世，塔里木周緣處于拉張背景，盆地內部構造穩定，塔中隆起尚未形成，該地區為東盆西臺的結構。中晚奧陶世，隨著塔里木周緣區域動力學背景的轉換及盆地內部響應，塔中隆起逐漸形成，加里東中晚期斷裂體系開始發育。順南斜坡位于塔中Ⅰ號帶下盤，現今整體表現為南東高、北西低的斜坡，并在西北部和東南部發育順托果勒低隆和古城墟隆起， “東西分區”的構造格局明顯。多條北東向、北東東向走滑構造帶將塔中北坡與卡塔克隆起分割成東西不同的塊體。

圖1 模擬工區位置圖Fig.1 The simulated area in Tarim Basin

研究區發育以碳酸鹽巖為主的寒武系、中—下奧陶統和上奧陶統良里塔格組，以碎屑巖為主的上奧陶統桑塔木組—新生界。本次研究層位為中、下奧陶統蓬萊壩組、鷹山組、一間房組。塔里木主體區域在早奧陶世繼承了晚寒武世的沉積面貌[3]，主要發育開闊臺地、臺地邊緣、臺地斜坡、深水盆地相。蓬萊壩組巖性為淺灰、褐灰色薄—中厚層狀泥—粉晶灰巖、砂屑灰巖、云質灰巖與粉—細晶白云巖互層；鷹山組巖性為灰色中厚層狀球粒泥晶灰巖、藻凝塊泥晶灰巖夾砂屑灰巖、云質灰巖、灰質云巖和白云巖；一間房組巖性為灰、深灰色厚層狀泥晶生物碎屑灰巖及淺灰、灰白色厚層狀礁灰巖。

3 模擬初始模型

初始模型需要確立工區的范圍、初始基底和模擬時間。本次模擬工區為長136 km、寬86 km的矩形區域，模擬時間為中—下奧陶統蓬萊壩組—一間房組沉積時期，即488.3～460.9 Ma，初始模型采用蓬萊壩組沉積初期即488.3 Ma時的古水深。

古水深的確定有多種方法[4-6]，根據塔里木盆地實際情況，主要采用以沉積相為主、輔助古生物特征確定古水深。一般認為克拉通盆地水深在5～10 m[7]，對塔里木早古生代古水深而言，處于斜坡以上的臺地沉積區域其海水深度小于10 m。金之鈞等[8]曾依據沉積相帶和古生物資料對塔里木盆地的古水深進行了系統分析，提出塔東地區早寒武世古水深200～1 000 m， 中寒武世古水深200～2 000 m，晚寒武世古水深200～700 m。早奧陶世繼承了晚寒武世的古地理格局，在斜坡區以下的區域，水深應該不小于700 m，但具體多少尚無方法來確定。

綜合沉積相、沉積巖性、古生物特征及前人研究成果，半定量地確定出早古生代塔里木盆地的古水深，臺地相區水深10 m，盆地相區700 m，斜坡帶處于過度水深。在區域相帶轉換處的蓬萊壩組沉積初期水深圖上，截取研究區古水深，由散點的形式導入Dionisos軟件，并經過變差函數運算和平滑運算，最終得到初始基底的模型(圖2)。

圖2 順南地區正演數值模擬初始模型Fig.2 The forward numerical sedimentary simulation model of Shunnan area

4 模擬參數

碳酸鹽巖沉積數值正演模擬中需要三類參數：可容空間(構造沉降、海平面變化和沉積物供給)、物質(沉積物類型、產率)、能量(波浪方向、波浪能量)。

4.1 構造沉降

構造沉降采用艾里均衡公式計算的結果*云金表，楊偉利，李京昌，等.塔里木下古生界碳酸鹽巖層系古構造演化研究，2013.。基本原理是根據質量守恒法則，假設地層的骨架厚度不隨埋深的增加而發生改變。構造作用引起的沉降(STT)和負荷均衡作用引起的沉降(SL)組成了盆地在某一時刻的基底總沉降量(ST)。構造作用引起的沉降運動是被構造沉降所反映的，表示為：

STT(t)=ST(t)-SL(t)

(1)

式中STT(t)為時刻t的構造沉降量；ST(t)為時刻t的基底總沉降量，可以用時刻t盆地的古地層厚度Hs(t)+古水深Hw(t)表示；SL(t)是指時刻t由盆地地層負荷引起的沉降量，可由艾里均衡公式求得。即：

SL(t)=Hs(t)(ρs-ρw)/ (ρm-ρw)

(2)

式中古地層厚度Hs(t)是用回剝方法確定的，在這里可用現今測得的沉積厚度進行計算，因為白云巖和灰巖是寒武系的主要巖性，可以認為其不存在沉積壓實作用。ρs是盆地沉積層的平均密度，ρm和ρw是地幔和水在0℃時的密度。由于白云巖為寒武系的主要巖性，故ρs取值2 870 kg/m3，ρm取值3 330 kg/m3，ρw取值1 030 kg/m3。

由上面的(1)式和(2)式可得出構造沉降量的計算公式：

STT(t)=Hs(t)+Hw-Hs(t)(ρs-ρw)/ (ρm-ρw)

(3)

由上式得到的即為總沉積量去掉沉積負載作用影響之后的構造沉降量(圖3)。從構造沉降看，工區南部沉降幅度小，北部幅度大，總體上分布在900～1 200 m。

圖3 順南模擬工區早中奧陶紀構造沉降量Fig.3 Early-Middle Ordovician tectonic subsidence quantity in Shunnan area

4.2 海平面升降

海平面的變化對于沉積相的遷移、碳酸鹽緩坡—臺地的形成和演化、沉積類型都有影響。海平面分為絕對海平面和相對海平面兩種，Dionisos軟件中使用的是絕對海平面。目前有多種方法確定海平面變化[9-10]，包括上超曲線法、測井曲線法、層序體系域法、海岸上超法、沉積相序法、群落生態法、穩定同位素法、數學模型法、Fishier 圖解法等，這些方法反應的是海平面的變化趨勢或者相對海平面變化，目前很難得到絕對海平面變化。通過對全球海平面變化曲線、塔里木地區不同方法得到的海平面變化曲線分析，本次選用高志前等[11]根據塔里木盆地巴楚、塔中地區4口井和柯坪露頭剖面的微量元素數據、鍶同位素、碳氧同位素數據，利用塔中1井的碳氧同位素資料編制的海平面升降變化曲線，雖然也代表了相對海平面變化，但是就碳同位素背景演化曲線而言，它具有全球的一致性，可能反映了全球大范圍的海平面變化規律[12]。

4.3 沉積物產率

碳酸鹽巖產率主控因素包括確定各種巖性產率與水深、時間的定量關系。通過對鉆井和地震反射結構分析，確定了研究區三種主要沉積物類型：灰巖、泥巖和礁灘灰巖。礁灘灰巖代表生物礁障壁體系(珊瑚、藻類)及高能沉積物的所有沉積，灰巖代表正常水動力條件下的碳酸鹽巖沉積，泥代表開放海洋環境下的沉積。在Dionisos中，沉積物產率與水深的關系用0～1的范圍表示，1代表該類型沉積物達到最大產率，0代表沉積物停止沉積或碳酸鹽巖停止生長。我國現代珊瑚礁的生長帶水深范圍在3～18 m[13]，Doddetal.[14]認為，現代珊瑚礁在15 m以淺水深范圍內生長最豐富，吳亞生等人[6]認為珊瑚礁亮晶骨架相水深范圍為2～10 m。大部分灰巖形成在水體清淺暖環境下，水深以下10～20 m是光照強度飽和區[15]。考慮到塔里木盆地順南地區礁灘發育的高能環境，定義礁灘、灰巖沉積物最大產率的水深是0～20 m，水深大于該值則逐漸降低，礁灘沉積產率隨著水深的增加呈指數遞減，灰巖產率則隨著水深的增加逐漸遞減。由于沒有外部物源，泥的沉積主要是在斜坡及盆地區，在一定深度內隨水深增加產率增加(圖4)。產率和時間的關系可以根據鉆井地層厚度計算，該地區選用古隆1井計算灰巖產率，結果如圖5所示，礁灘產率很高，泥產率很低。沉積物產率，特別是水深和產率的關系是一個可控參數，根據實際情況進行反復嘗試與調整，最終采用圖4、5中所示結果。

圖4 沉積物產率與水深的關系Fig.4 The relation between deposition rate and water depth

圖5 沉積物產率與時間的關系Fig.5 The relation between deposition rate and geological time

4.4 能量參數

能量參數需要定義波浪大小和方向。軟件中可以定義兩套波浪：正常海浪和風暴浪，用基準深度、波浪傳播角度和頻率表達。基準深度是波浪影響開始減少的參考深度，它等于浪基面除以2.5。浪基面深度認識不一，一般認為在20多米，此處選取25 m。風暴浪浪基面深度認識差異也比較大，一般風暴浪波及深度在40～50 m[16-17]。因此，在能量參數的確定中，正常海浪基準深度設定在5～15 m范圍，風暴浪基準深度范圍設定為10～25 m。波浪傳播的角度以斜交和垂直岸線為主，變化范圍15°～150°。波浪的頻率指波浪類型在一年中出現的頻率，全年中都是好天氣則波浪定義為100%，風暴天氣僅僅在一年中很小一部分時間發生。設置正常波浪作用頻率是100%，風暴浪的作用頻率為25%。

在構造沉降、海平面變化、沉積物產率和能量參數中，構造沉降和海平面變化是不變的量，沉積物產率和能量參數是可控的。沉積物產率調整的是隨水深的關系，最大產率的水深范圍參數在0～10 m、0～20 m兩組中調整。能量參數中，基準深度中正常和風暴浪基準深度在5 m和10 m、10 m和15 m、15 m和20 m三組中調整；波浪傳播角度則在15°、45°、75°、105°、135°中調整。通過對各種條件下沉積演化過程模型的分析，最終確定最大產率為0～10 m、基準深度10 m和15 m、波浪傳播角度75°條件下的模型和實際最接近。

5 沉積模擬結果正確性分析

通過對模擬結果的模擬單井沉積旋回、連井剖面及臺地結構等方面與實際資料進行對比、局部地區和三維地震資料恢復的古地貌做了對比驗證了模擬結果的正確性。

5.1 單井對比

以沉積正演數值模擬的結果生成模擬井剖面，通過與實際井剖面對比驗證模擬結果正確性。根據該地區鉆井完鉆實際層位大部分在鷹山組，對比分析了順南1、順南5、順南2、古隆2和古隆1等單井及連井鷹山組—一間房組沉積旋回。以位于臺地邊緣的古隆1井鷹山組為例(圖6)，古隆1井鷹山組實鉆厚度450 m，模擬井沉積厚度430 m；實際鉆井中高能沉積環境中沉積的亮晶顆粒灰巖與模擬井中高能沉積物進行對比基本吻合；實鉆井小波變換得到的準層序與模擬井巖性變化劃分的準層序對比顯示，大部分準層序是一致的，只是中—下部略微有差異，實際井小波變換得到的準層序頻率比模擬井略多，符合率在80%以上，說明正演模擬結果與實際相符。

圖6 模擬井與實鉆井剖面對比(古隆1井)Fig.6 The comparison of the modelling section and the drilling section in Well GL1

5.2 地層結構對比

圖7 模擬地層結構與地震反射結構對比Fig.7 The geometry comparison of the seismic reflection and the simulation model

6 討論

數值沉積模擬結果顯示，該地區從奧陶紀蓬萊壩組沉積開始，經歷了四期沉積旋回，在臺地區形成了多期暴露或局部暴露，即形成了暴露不整合(圖8)。蓬萊壩組沉積初期(488.3 Ma)，臺地區全部被水體覆蓋；此后，海平面上升，水體加深，到487.05 Ma，工區內部分化，水體分布不均，形成臺地內部洼地，代表一次短暫海侵；隨后海平面下降，到485.55 Ma，洼地周緣部分露出水面，接受短時間的暴露侵蝕，代表了一次水退結果。到482.05 Ma，相對海平面上升，研究區被淹沒，早期暴露地區形成淹沒不整合；到蓬萊壩組沉積結束(479.3 Ma)，該地區水體完全退出到斜坡帶以下，臺地區完全暴露，是一次比較大的海退。鷹山組沉積時期，隨著可容空間變化，該地區也經歷了幾次相對海平面變化。在這種短期暴露之下，局部地區形成了中—下奧陶統內部小規模的平行不整合、微角度不整合、暴露侵蝕面等，在該界面之下發育一系列具有暴露或侵蝕標識的溶洞特征或在地震上界面之下串珠集中分布。

從模擬結果看，順南地區中—下奧陶統內部并不是目前所認識的不存在地層缺失，而是存在多個內部暴露界面。碳同位素地層學揭示的地層間斷是一個大尺度間斷界面，相對小尺度間斷則無法識別。模擬工區顯示即為一個短時間內的沉積間斷，沉積間斷時間在1 Ma左右，剝蝕作用比較弱，在地震剖面上也沒有形成明顯的削截、上超等特征的反射結構。區域動力學環境分析認為該時期是一個區域應力場由拉張轉換為擠壓的過程，相對海平面下降應該是應力轉換在盆地內部的響應和區域海平面變化綜合作用的結果。這種綜合結果導致了中—下奧陶統內部發育多次短時間暴露，形成了短期暴露巖溶背景。

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A Three-dimensional Numerical Sedimentary Simulation Model for the Lower-Middle Ordovician of Shunnan Area, Tarim Basin

YANG WeiLi，WANG Yi，ZHANG ZhongChen，LIANG Chen，LI JingChang

Petroleum Exploration and Production Research Institute, SINOPEC, Beijing 100083, China

The numerical sedimentary forward simulation of Lower-Middle Ordovician of Shunnan area in Tarim Basin was presented by means of software Dionisos, which are controlled by primary model, tectonic subsidence, fluctuation of sea level, sedimentation rate and wave energy. Through the validation, the appropriate model has been chosen and then the sedimentary process is clear. The evolution of this area has four deposititional cycles. The distribution of carbonate reef, beach and short-time exposed surfaces has been analyzed. During Early-Middle Ordovician, there developed four frequent short-time exposure surfaces which occurred at the top of the depositional cycle in Shunnan area and resulted in the formation of vugular-pore in carbonate deposits subjected to leaching and dissolution of meteoric fresh water,leading to which makes a change that only the fracture dominates the development of the carbonate reservoir.

sedimentary simulation; the lower-middle Ordovician; carbonate; Shunnan area; Tarim Basin

1000-0550(2017)01-0117-07

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.01.012

2015-12-07；收修改稿日期： 2016-05-01

國家科技重大專項(2016ZX05005-002)[Foundation: National Science and Technology Major Project, No. 2016ZX05005-002]

楊偉利，男，1973年生，高級工程師，沉積、石油地質，E-mail:yangwl.syky@sinopec.com

P618.13

A