桂中地區下石炭統寺門組物源特征與巖相古地理分析

張礦明， 范志偉， 馬成憲， 楊 鳳， 李旭文

( 中國石化勘探分公司 勘探研究院，四川 成都 610041 )

0 引言

目前，關于下石炭統同類型碎屑巖儲層研究有多個發現[1-4]，展現良好的資源潛力。桂中地區多口鉆井在寺門組砂巖中鉆遇豐富油氣顯示。繼大5(寺門組375 m砂巖井噴，噴高4 m)、柳熱1、洛1等井在下石炭統鉆遇良好油氣顯示后，2014年，柳城氣井于寺門組井深248.5 m處鉆遇砂巖儲層，并發生井涌和井噴，日產天然氣(3～4)×103m3。2016年，東塘1井于寺門組井深290.0～310.0 m處砂巖儲層浸水冒泡明顯，產氣量大而連續，氣測全烴體積分數最大為26%；之后，發生井涌并點火可燃，揭示桂中地區寺門組砂巖儲層具有較好的勘探前景。桂中地區下石炭統寺門組發育有利砂巖儲層，孔隙度為1.0%～26.3%(51個樣品)，平均為8.2%；滲透率為(0.02～84.50)×10-3μm2(52個樣品)，平均為0.21×10-3μm2。寺門組優質儲層與暗色烴源層大面積接觸，灰黑色—黑色泥質烴源巖厚度將近100.0 m，TOC質量分數為0.94%～2.62%(8個樣品)，平均為1.50%，具有源內成藏、近源充注的成藏背景。

近年來，人們研究滇黔桂地區石炭—二疊紀層序沉積相，如岳艷[5]、姜在興[6]、何幼斌等[7]、梅冥相等[8]、焦大慶等[9]認為，滇黔桂地區石炭紀到二疊紀船山世的地層構成一個二級構造大層序，其底界面為紫云運動主幕的不整合面；趙明騰等[10]認為，大塘期中期(寺門期)是廣西境內最大海退時期，云開古島西北部已擴大至平南、金秀、昭平一帶，由古島區的差異升降導致較粗陸源碎屑物質注入臺盆，在該地區形成(辮狀河)三角洲相；隆軻[11]認為，黔南桂中地區石炭紀由北向南為古陸—濱岸—碳酸鹽臺地—臺盆。人們對桂中地區寺門組碎屑巖物源與沉積模式的研究較少，存在的問題主要表現在兩方面：一是砂巖物源和成因分析還需實物分析資料的支撐，存在母巖來源與搬運方向模糊不清的問題，影響沉積模式的可信度；二是雖然砂巖有利儲層發育，但有利砂巖相帶展布規律還需進一步落實。筆者結合錄井、地震資料，對寺門組的8條野外剖面和鉆井剖面的分析資料進行研究，深化對桂中地區寺門組砂巖的物源特征、搬運方向與相帶展布認識，為研究區尋找優質儲層及油氣勘探評價提供依據。

1 地質背景

桂中坳陷位于華南板塊的西南緣，北部與江南古陸毗鄰，東部以龍勝—永福斷裂及大瑤山隆起為界，西部以南丹—都安斷裂為界，面積為4.6×104km2(見圖1)。桂中坳陷是在加里東運動基礎上形成的晚古生代海相大型沉積坳陷，其基底是揚子穩定地塊的組成部分；自晚古生代以來，桂中坳陷周邊為隆起帶、造山帶圍限，以升降運動為特點，受褶皺擠壓變形較弱，獲得穩定沉積與保存的時空條件[12-15]。

圖1 桂中坳陷區域構造及研究區位置

早石炭世，桂中坳陷繼承黔桂地區泥盆紀西北向拉張裂陷盆地、北東向走滑盆地與臺地相間展布的沉積格局。受早石炭世初期紫云運動的隆升作用[16-19]影響，黔南地區大部分地區暴露，桂中地區靠近物源區發育碎屑巖。桂中地區下石炭統寺門組主要巖性為灰黑色頁巖、石英砂巖夾粉砂質頁巖，根據巖石組合可分為三段：底部為深灰色薄層泥巖，下部為深灰色頁巖、粉砂質頁巖夾少量中層細粒石英砂巖，上部為灰—深灰色中層狀石英砂巖夾頁巖、泥質粉砂巖。寺門組地層與上覆羅城組深灰—灰黑色中層灰巖、泥質灰巖、泥灰巖呈整合接觸，與下伏黃金組灰—深灰色中—厚層細—粉晶生屑灰巖呈整合接觸。

2 沉積相與沉積體系

在分析桂中地區8條露頭剖面、5口鉆井資料的基礎上，根據巖石學特征、沉積構造、地震相、砂地比和砂礫巖厚度分布等資料，以沉積特征和指相標志的識別為依據，認為桂中地區寺門組主要發育三角洲相沉積和障壁海岸相沉積兩種類型砂體。

2.1 單井相分析

2.1.1 三角洲相

環江水源土弄山剖面寺門組三角洲相沉積主要以三角洲前緣亞相發育為特征，由水下分流河道、河口砂壩、分流間灣等微相組成(見圖2(a))。水下分流河道微相具有底部礫巖發育并伴有沖刷構造，粒度向上逐漸減小，以正韻律為特征，并于鄰近古昌剖面中觀察到河道遷移的現象。河口砂壩微相巖石類型以分選程度較好的中細粒砂巖為主，并以自下而上反粒序韻律為特征。分流間灣微相以細粒沉積為主，由泥巖、粉砂質泥巖組成，垂向上與水下分流河道砂體構成較好的儲蓋組合。受河道的側向遷移與潮汐作用影響，可細分為5個短期旋回。優質儲層主要發育于高位體系域的水下分流河道微相，孔隙度為1.7%～22.9%，平均為6.7%。

2.1.2 障壁海岸相

南丹車河剖面寺門組主要由障壁海岸相和河口灣相組成(見圖2(b-c))。障壁海岸相由沿岸砂壩、砂灘、潮汐水道等微相組成。沿岸砂壩砂巖以成分和結構成熟度較高的厚層中粒石英砂巖為主，可見生物碎屑，局部可見反粒序韻律(見圖3(a-b、f))。砂灘相砂巖受水體的反復淘洗，分選磨圓較好，單層厚度以中層狀中—細粒石英砂巖為主，常夾有薄層狀泥巖條帶。潮汐水道以發育漸變正韻律的礫巖沉積為特征，分選與磨圓較差，常呈透鏡狀產出(見圖3(c-e、g-h))。受潮汐的進退和潮道的側向遷移影響，可細分為3個短期旋回。優質儲層主要發育在高位體系域的沿岸砂壩與砂灘微相中。

2.2 連井沉積對比

根據由北向南連井剖面地層對比(見圖4)，砂巖厚度由厚變薄。在柳城、鹿寨地區，自東北向西南，廣西鹿寨長盛坳剖面三角洲前緣相的分流河道砂發育，砂體厚度大，向西至廣西鹿寨洛埠，分流河道砂體厚度明顯減薄，至柳城氣井，沉積相變為障壁海岸相的障壁砂壩、潟湖相沉積，砂體沉積主要受障壁島、潮汐水道的控制；至廣西柳江剖面，沉積相主要為清水環境的潟湖潮坪沉積。總體上，三角洲水下分流河道和障壁砂壩砂體多期疊置，與暗色烴源層大面積接觸，具有較好的成藏背景。根據地震測線(見圖5)，寺門組由北向南存在從三角洲體系—濱岸潮坪—障壁砂壩的沉積相帶的變化，表明致密砂巖類型多樣、分布范圍廣，具有良好的勘探潛力。

圖2 桂中地區寺門組典型單井相柱狀圖Fig.2 Typical stratigraphic columns of Simen formation in Guizhong depression

圖3 桂中地區寺門組野外露頭和鏡下薄片照片Fig.3 Photographs of outcrop and thin-sections of Simen formation in Guizhong area

圖4 長盛坳—鹿寨—柳城氣井—柳江下石炭統寺門組沉積層序格架Fig.4 Sedimentary sequence correlation of Changsheng'ao-Luzhai-well LCQ-Liujiang in Simen formation

3 物源特征與巖相古地理演化

3.1 物源分析

古物源控制砂體的分布和成因，古物源研究有利于探討砂體的展布及預測[20-23]。根據砂地比和砂礫巖厚度分布、重礦物組合、古流向等資料，探討研究區寺門組物源體系特征。

圖5 桂中地區寺門組地震相分析Fig.5 Seismic facies analysis in Simen formation in Guizhong area

3.1.1 砂地比及砂礫巖厚度

碎屑巖從物源口到盆地中心具有砂地比、砂礫巖厚度逐漸減小的趨勢，因此可利用砂地比、砂礫巖厚度平面等值線圖確定物源區和物源方向。

根據寺門組19口鉆井和野外剖面資料，確定桂中地區下石炭統寺門組砂地比(見圖6)和砂礫巖厚度(見圖7)分布規律，自雪峰古陸向南和云開古陸向西砂地比和砂礫巖厚度具有明顯減小的趨勢。其中，荔波地區自北向南砂地比由0.5降至0.2，鹿寨地區自東向西砂地比由1.0降至0.2，并于南丹—河池—羅城—柳城—柳江一線出現局部砂地比增大的趨勢，桂中地區寺門組存在北部雪峰古陸南緣和東部云開古陸西側兩個物源區，物源區向深水區搬運遷移而形成三角洲，于南丹—柳江一線形成串珠狀砂壩沉積。

3.1.2 重礦物組合

碎屑巖中相對密度大于2.86 g/cm3的礦物為重礦物，其質量分數一般不超過1.00%。重礦物具有耐磨蝕、穩定性強，能夠較多地保留母巖的特征，為常用的物源分析方法。碎屑沉積物中，重礦物及其組合特征多取決于母巖的性質、水動力條件和沉積物的搬運距離。在物源相同、古水流體系一致的碎屑沉積物中，重礦物組合具有相似性；母巖區不同的碎屑沉積物多具有不同的重礦物組合[8-13]。

分析桂中地區寺門組8個剖面、43塊重礦物樣品資料，重礦物主要包括鋯石、赤褐鐵礦、綠簾石、電氣石、白鈦礦、綠泥石、黃鐵礦等。根據重礦物組合平面分布特征(見圖8)，桂中地區寺門組可分為3個物源組合區：

(1)Ⅰ區。主要位于桂中西北部的南丹、環江地區，重礦物組合為鋯石、赤褐鐵礦、綠簾石和其他礦物等(電氣石、白鈦礦、綠泥石、錫石和黃鐵礦)。結合砂地比分析，該區母巖來源于北部雪峰古陸，重礦物組合具有相似性。

(2)Ⅱ區。主要位于桂中東部的柳城、鹿寨地區，重礦物組合為赤褐鐵礦和其他礦物等(綠簾石、黃鐵礦和白鈦礦)，重礦物組分相對簡單，母巖主要來源于東部云開古陸。

(3)Ⅲ區。主要位于桂中中部地區，重礦物組合為赤褐鐵礦、綠簾石、鋯石和其他礦物等(電氣石、綠泥石和白鈦礦)，具有Ⅰ、Ⅱ區重礦物組合過渡變化的特征，為Ⅰ、Ⅱ區的混源區。

重礦物種類繁多，根據抗風化穩定性，可將重礦物分為穩定重礦物和不穩定重礦物兩類。穩定重礦物抗風化能力強，距離沉積物源越遠，質量分數相對越高；不穩定重礦物抗風化能力相對較弱，距離母巖越遠，相對質量分數越低。ZTR指數是指穩定礦物鋯石、電氣石和金紅石在透明重礦物中所占比例，代表重礦物的成熟度，可以指示沉積物的搬運距離和物源方向。Ⅰ區ZTR指數相對較大，車河剖面ZTR指數為36.40，水源剖面ZTR指數為32.26，古昌剖面ZTR指數為21.27，整體表現為自南向北方向ZTR指數逐漸降低，揭示Ⅰ區自雪峰古陸區向南物源搬運方向；由于Ⅱ區無鋯石、電氣石和金紅石等穩定重礦物，無法采用ZTR指數分析。

3.1.3 古流向

桂中地區寺門組古流向分析所用指向特征，以野外露頭中的交錯層理、波痕、礫石最大扁平面的排列方向等為標志。在野外測量交錯層理、波痕、礫石最大扁平面的排列方向沉積標志的產狀，并投射到研究區平面圖上，推斷古水流方向(見圖9)。

圖6 桂中地區寺門組砂地比Fig.6 Sand ratio map in Simen formation in Guizhong area

環江水源剖面29層發育波痕構造，波痕走向為240°(見圖9(a))，推測古水流方向垂直于波痕走向，為330°；21層礫石顆粒較為發育，礫石最大扁平面的排列方向為339°(見圖9(b))。南丹車河剖面交錯層理傾向為240°(見圖9(c))。柳江坡廟剖面礫石最大扁平面的排列方向為205°(見圖9(d))。古昌剖面河道遷移方向為350°(見圖9(e))。Ⅰ區古水流方向主要為南東(330°～350°)和西南(240°)2個方向，Ⅱ區古水流方向主要為南西方向(205°)。

因此，母巖主要來源于北部雪峰古陸與東部云開古陸沉積巖再搬運、火成巖和變質巖組合。

3.2 沉積體系平面分布與物源搬運模式

由桂中地區寺門組沉積相平面展布(見圖10)可知，桂中坳陷北部地區為受物源和障壁島控制的混水碎屑巖沉積，南部地區為清水碳酸鹽巖沉積。北部緊靠雪峰古陸和云開古陸邊緣，以濱岸—三角洲沉積為主，隨著與物源區距離的增大，砂礫巖和砂地比減小，出現混積潮坪相沉積；在南丹—河池—羅城—柳城—柳江一線，受繼承性高古地貌遮擋的影響，平行于岸線方向，形成串珠狀的沿岸砂壩砂體。沿岸砂壩以南地區砂體消失，為臺地相和臺盆相清水碳酸鹽巖沉積。

圖7 桂中地區寺門組砂礫巖等厚圖Fig.7 Sand isopach map in Simen formation in Guizhong area

下石炭統寺門組砂體形成于海岸三角洲和潮汐三角洲，在河池、環江地區的水源、古昌、后社一帶，以及柳州區塊的鹿寨、坡廟一帶為海岸三角洲沉積；在南丹車河、德勝一帶障壁島發育。受潮汐作用影響，三角洲相的碎屑物質在沿岸流與潮汐作用下，形成潮汐三角洲沉積，發育受障壁島影響控制的串珠狀障壁砂壩(沿岸砂壩)、潮汐水道砂體、沙灘等沉積，砂壩沿障壁島分布，縱向砂體多期疊置。總體上，寺門組砂巖來源于雪峰古陸南部與云開古陸西緣三角洲相區，受潮汐流與波浪流作用遷移至高古地貌遮擋處，在沿岸流與反向潮汐流的作用下逐漸堆積成砂壩或灘(見圖11)。

圖8 桂中地區寺門組砂地比、重礦物平面分布Fig.8 Sand ratio and heavy mineral map in Simen formation in Guizhong area

圖9 桂中地區寺門組古流向指示標志Fig.9 The sigh of paleo flow direction in Simen formation in Guizhong area

圖10 桂中地區寺門組沉積相Fig.10 Sedimentary facies map in Simen formation in Guizhong area

圖11 桂中地區寺門組沉積相與物源搬運模式Fig.11 Sedimentation and transpostion model in Simen formation in Guizhong area

4 結論

(1)桂中地區下石炭統寺門組可分為3個物源組合區。Ⅰ區主要位于桂中西北部的南丹、環江地區，母巖來源于北部雪峰古陸周緣；Ⅱ區主要位于桂中東部的柳城、鹿寨地區，母巖主要來源于東部云開古陸周緣；Ⅲ區為Ⅰ、Ⅱ區的混源區。其中，Ⅰ區古水流方向主要為南東(330°～350°)和西南(240°)2個方向，Ⅱ區古水流方向主要為南西方向(205°)。

(2)桂中地區寺門組砂巖靠近雪峰古陸南部與云開古陸西緣發育三角洲相，受潮汐流與波浪流作用遷移至高古地貌遮擋處；之后，在沿岸流與反向潮汐流的作用下逐漸堆積成砂壩或灘。有利砂巖儲層主要分布于雪峰隆起南側和云開古陸西緣三角洲水下分流河道微相，以及南丹—河池—羅城—柳城—柳江一線的沿岸砂壩。