川西中三疊統雷口坡組四段微生物巖沉積-成巖演化及儲層成因

王遠翀，劉 波，姜偉民，宋曉波，王瓊仙，王文楷，李 勇

(1.北京大學 地球與空間科學學院，北京 100871；2.中國石化 西南油氣分公司，成都 610041)

20世紀70年代，川西北中壩氣田雷口坡組三段氣藏的發現為四川盆地雷口坡組油氣勘探拉開了序幕[1]。隨后的50年，雷口坡組油氣勘探的突破多集中于川中和川東北地區，如川中磨溪氣田雷口坡組一段、川東北龍崗氣田雷口坡組頂部，而川西的雷口坡組一直沒有較大突破。直到2008年，在川西雷口坡組四段上亞段白云巖中取得重大突破[2]，揭示了川西雷口坡組四段白云巖巨大的勘探潛力。關于雷四段白云巖儲層成因，眾多學者認為是受印支期構造運動影響下巖溶作用的控制，因為在部分鉆井巖心內能直接觀察到較為明顯的古風化殼巖溶特征[3]。然而從LS1井、PZ103井、YaS1井、YS1井、MJ1井、YiS1井等多口鉆井的巖心和薄片觀察來看，并未觀察到明顯的巖溶作用特征，而儲層以微生物白云巖為主，因此部分學者[4]認為川西雷四段儲層屬于微生物碳酸鹽巖儲層，但對于微生物碳酸鹽巖的成儲機制仍有爭議。劉樹根等[4]認為川西雷四段儲層發育受礁灘沉積相控制，結合早期的白云石化和埋藏溶蝕等建設性成巖作用，儲層得以形成；Jiang等[5]強調了TSR對儲層發育的控制作用；而王瓊仙等[6]認為早期的白云石化、準同生期溶蝕和埋藏溶蝕共同控制了儲層的發育。

本研究利用野外、巖心、測井、物性以及地球化學測試數據，以川西中三疊統雷口坡組四段碳酸鹽巖為研究對象，探究巖性、沉積構造和古生物化石的組合關系、從沉積與成巖演化的角度研究川西雷四段白云巖儲層的成因。

1 地質背景

中三疊世安尼階，揚子地塊位于北緯25°，古特提斯洋的東側(圖1)。四川盆地處于揚子地塊西北，地處干旱氣候帶[7](圖1(a))。雷口坡組發育一套“碳酸鹽巖+蒸發巖”為主的局限臺地-蒸發臺地沉積，自下而上劃分為四個巖性段：雷一段—雷三段以晶粒白云巖、顆粒灰巖夾薄層膏巖為主；雷四段細分為三個亞段，下-中亞段以膏巖夾膏質白云巖、白云質膏巖為主，上亞段發育微生物白云巖/灰巖(凝塊石、疊層石)、顆粒白云巖/灰巖、晶粒白云巖[7]。

2 微相類型

碳酸鹽巖微相分析是沉積相分析和古環境解釋的基本研究內容，通過識別碳酸鹽巖顆粒類型及組合、基質類型、沉積組構、生物化石及沉積結構等微觀特征，對碳酸鹽巖微相進行識別，為沉積環境分析提供依據[8]。通過川西地區14口重點鉆井雷四段1 500余張巖心薄片的詳細研究，認為川西雷口坡組雷四段發育四大類巖石類型：微生物巖、顆粒巖、膏巖和晶粒灰巖/白云巖，又可細分為11種微相類型。微生物巖包括凝塊石灰巖/白云巖微相(MF-1)、膏質凝塊石白云巖微相(MF-2)、疊層石白云巖微相(MF-3)、膏質疊層石白云巖微相(MF-4)；顆粒巖包括含小粟蟲泥粒灰巖/白云巖微相(MF-5)、含似球粒、生屑砂屑灰巖/白云巖微相(MF-6)、含砂屑似球粒灰巖/白云巖微相(MF-7)；膏巖可細分為膏巖微相(MF-8)和含云膏巖微相(MF-9)；晶粒灰巖/白云巖可細分為泥晶灰巖/白云巖微相(MF-10)和粉晶白云巖微相(MF-11)(表1)。

表1 川西雷四段主要微相類型及特征Tab.1 Main microfacies types and characteristics of the fourth member of Leikoupo Formation in western Sichuan

2.1 微生物巖

微生物巖(Microbialite)是由底棲微生物群落通過捕獲與黏結碎屑沉積物，或經與微生物活動相關的無機或有機誘導礦化作用在原地形成的沉積物(巖)[9]。在川西雷四段微生物巖中，識別出的微生物類型主要為葛萬菌和附枝菌(圖2(a)、2(b))。由于不同種類微生物巖在宏觀組構上的區別較大，容易識別，因此本研究采用Riding[10]的分類方案，將川西雷四段微生物巖分為凝塊石和疊層石兩大類，再根據礦物成分細分為凝塊石灰巖/白云巖、膏質凝塊石白云巖、疊層石白云巖和膏質疊層石白云巖四類。

(a)中晚三疊世(240～220 Ma B.P.)全球古地理簡圖[7]；(b)四川盆地中三疊世構造簡圖；(c)川西現今構造單元及重點鉆井分布圖[1]圖1 川西中三疊世大地構造背景及雷四段重點鉆井分布圖Fig.1 Tectonic background in the Middle Triassic and distribution of key wells in the fourth member of Leikoupo Formation in western Sichuan

MF-1：凝塊石灰巖/白云巖，主要發育于雷四上亞段，宏觀上為豐富的微生物粘結結構，部分層段見大量針狀和不規則溶孔。顯微鏡下見四種類型的凝塊狀結構：①致密的泥晶凝塊石，凝塊內部由均一的灰泥組成；②斑塊狀泥晶凝塊石，凝塊內部可見斑塊狀的泥晶，顏色較灰泥深；③似球粒黏結狀凝塊石，凝塊內見大量似球粒和少量的砂屑；④泡沫綿層狀凝塊石，凝塊內部多為干凈的粉晶白云石，凝塊邊緣見泥晶套，較臟。在凝塊石灰巖/白云巖中見小粟蟲、單列串珠蟲和雙列串珠蟲以及葛萬菌和附枝菌。凝塊間發育大量溶孔，凝塊內部見少量溶孔(圖2(c))。從微生物黏結的沉積物類型(灰泥、似球粒和砂屑)來看，凝塊石灰巖/白云巖在水體能量較低和較高的環境中均能發育。

MF-2：膏質凝塊石白云巖，主要發育于雷四中亞段和雷四下亞段，在上亞段中偶見。與MF-1中的凝塊狀結構特征類似，但在凝塊之間，多被硬石膏晶體完全充填，凝塊內也可見少量斑點狀的硬石膏，常見于水體較淺的環境。凝塊間的石膏也可見溶蝕現象，溶孔內的石膏見不規則的溶蝕邊緣(圖2(d))。

MF-3：疊層石白云巖，發育于雷四上亞段，由于層面起伏，不規則，因此在宏觀上很容易識別，部分層段見大量順層展布的溶孔。顯微鏡下，暗色紋層和亮色紋層交替發育，通常單個韻律為幾毫米厚，表明疊層石白云巖發育在水體能量頻繁變化的環境。見四種類型的疊層狀結構：①黏結狀凝塊疊層石，為凝塊狀和疊層狀的過渡結構，由凝塊狀結構構成，具有一定的定向性，明暗相間的紋層不明顯，其內可見凝塊間溶孔，定向性不強(圖2(e))；②紋層狀細粒黏結狀疊層石，暗色紋層不規則，厚度較薄，多為0.05～0.1 mm，暗色之間的亮色紋層厚度較大，其內黏結大量的似球粒和少量砂屑；③綿層狀疊層石，暗色紋層和亮色紋層厚度均較大，暗色紋層多由凝塊石組成，黏結灰泥和似球粒，其內可見凝塊間溶孔，亮色紋層膠結粉晶白云石，可見定向的溶孔(圖2(f))；④骨架狀疊層石，亮色和暗色紋層厚度均較薄，表明水體能量變化的頻率較快，紋層間發育順層溶孔(圖2(g))。四種類型的疊層狀結構表明疊層石盡管能量相對較高，但水體能量變化的頻率也有快有慢，黏結狀凝塊疊層石最慢，紋層狀細粒黏結狀疊層石次之，綿層狀疊層石較快，骨架狀疊層石最快。

MF-4：膏質疊層石白云巖，偶見于雷四中亞段和雷四上亞段，疊層狀結構多以黏結狀凝塊疊層石、綿層狀疊層石為主，亮色紋層內充填硬石膏，在暗色紋層內可見斑點狀的硬石膏(圖2(h))。常見于水體較淺的膏湖環境。

2.2 顆粒巖

川西雷四段顆粒巖包括含小粟蟲泥粒灰巖/白云巖、含似球粒、生屑砂屑灰巖/白云巖和含砂屑似球粒灰巖/白云巖三類。

MF-5：含小粟蟲泥粒灰巖/白云巖，主要發育于雷四上亞段。顆粒類型為個體較為完整的生物顆粒，以底棲類有孔蟲為主，含少量介殼碎片、似球粒，顆粒間充填泥晶方解石或白云石(圖2(i))。常見于旋回的下部，多為水體能量較低的潟湖環境。

MF-6：含似球粒砂屑灰巖/白云巖，主要發育于雷四上亞段。顆粒類型以砂屑為主，砂屑顆粒邊緣形態并不規則，受微生物活動的影響，部分呈葉狀輪廓，砂屑內部的結構為均一的灰泥組成和凝塊狀結構，砂屑顆粒間也發育小的似球粒，橢球形，內部無明顯結構，由均一的灰泥組成(圖2(j))。砂屑和似球粒間多充填亮晶方解石和白云石，部分薄片內可見少量粒間孔殘留，常見于水體能量較高的環境。

MF-7：含砂屑似球粒灰巖/白云巖，主要發育于雷四上亞段。顆粒類型以似球粒為主，橢球形，由均一的灰泥組成，偶見砂屑顆粒，似球粒間多充填泥晶方解石和白云石(圖2(k))，表明沉積時水體能量不高，常見于灘間環境。

2.3 膏巖

川西雷四段膏巖包括膏巖和含云膏巖兩類。

MF-8：膏巖，主要發育于雷四下亞段、中亞段。宏觀上，膏巖多呈淺灰-灰白色，顯微鏡下，由硬石膏晶體組成，中-粗晶，整體致密(圖2(l))，膏巖呈層狀，厚度較大，常見于蒸發環境下的膏湖環境。

MF-9：含云膏巖，主要發育于雷四下亞段、中亞段。宏觀上，含云膏巖多呈淺灰-灰白色，發育深灰色的絲狀、網狀泥晶白云石，顯微鏡下呈黏結狀、絲狀，可能與微生物的活動有關，部分薄片可見凝塊狀結構(圖2(m))。常見于蒸發環境下的膏湖環境。

2.4 晶粒灰巖/白云巖

川西雷四段晶粒灰巖/白云巖包括泥晶灰巖/白云巖和粉晶白云巖兩類。

MF-10：泥晶灰巖/白云巖，主要發育于雷四上亞段。晶粒結構，由泥晶方解石或白云石組成，局部偶見少量的似球粒(圖2(n))，水體能量極低，常見于旋回下部，多為潟湖和灘間環境。

MF-11：粉晶白云巖，在雷四段均有發育。晶粒結構，粉晶白云石，多為半自形-它形，表面較臟，局部可見殘余的凝塊結構，可能由微生物巖重結晶而成(圖2(o))。粉晶白云石之間可見少量晶間孔和膏溶孔，水體能量較低，在潟湖和微生物丘環境均有發育。

3 微相組合與沉積模式

通過對碳酸鹽巖微相類型的識別與研究，能有效確定研究區中三疊統雷口坡組四段的各微相類型沉積水體的水動力特征，再結合縱向組合類型及特征，劃分為五級旋回，并推斷古沉積環境[11]。本研究通過對連續取芯的五口鉆井(YiS1井、AF1井、YaS1井、YS1井、MJ1井)薄片的詳細鑒定，識別了四種完整的微相組合類型：MA-1，自下而上為膏質凝塊石白云巖、含云膏巖、膏巖，沉積環境為膏湖環境；MA-2，自下而上為泥晶灰巖、似球粒灰巖、灰質凝塊石白云巖、膏質凝塊石白云巖、凝塊石白云巖、疊層石白云巖，形成于微生物丘環境；MA-3，自下而上為泥粉晶白云巖、含砂屑似球粒白云巖、凝塊石白云巖、含似球粒砂屑白云巖，潟湖-淺灘環境；MA-4，自下而上為含砂屑似球粒白云巖和含似球粒砂屑白云巖，灘間-臺內灘環境(圖3)。

可見，川西雷四上亞段微生物巖主要為局限臺地環境，在潟湖的淺水區域建隆，形成微生物丘，淺灘與微生物丘相伴生，厚度不大。橫向上，微生物丘-灘復合體平行于海岸線呈點狀展布，而在潟湖的深水區域，則為微生物丘，灘體不發育，丘體間充填灰泥、似球粒等低能沉積物。條帶狀臺內灘分布于漢旺、大邑等地，平行于海岸線，分隔了局限臺地和開闊臺地(圖4)。

續表1

圖4 川西雷四上亞段微生物巖沉積模式Fig.4 Sedimentary model of the microbialites of the upper submember in the fourth member of Leikoupo Formation in western Sichuan

4 成巖及孔隙演化

4.1 同生成巖階段

同生期，原始的灰泥和似球粒被微生物捕獲、黏結，形成凝塊狀和疊層狀微生物結構，微生物降解作用釋放的氨氣會增加微環境的堿度，促進碳酸鈣沉淀，加速微生物固結成巖，有效抵抗早期的壓實作用[12]。此外，干旱氣候、局限環境下強蒸發作用使格架孔內沉淀出石膏(圖2(h))。準同生期高頻海平面波動控制的周期性大氣淡水淋濾作用使石膏溶解，形成凝塊、疊層間的溶孔、凝塊內溶孔(圖2(c))，部分硬石膏溶蝕成港灣狀(圖2(d))。在大氣淡水潛流帶，溶孔內膠結了一期犬牙狀方解石，隨后經歷白云石化作用被交代為白云石，部分犬牙狀白云石內見未被完全交代的方解石(圖5(a))。此外，微生物巖經歷的白云石化作用主要發生在準同生期，理由如下：①微生物白云巖中的微生物結構內部多由泥晶、粉晶白云石組成，且與微生物巖伴生的晶粒白云巖中，白云石多呈泥晶、粉晶，表面較臟，晶形呈半自形-它形(圖2(o))；②微生物白云巖與晶粒白云巖的陰極發光分析表明，基質均呈暗紅色發光特征(圖5(b)、5(c))，說明白云石化發生在同生-準同生期[13]；③不同巖石類型碳、氧同位素分析表明，灰巖的碳同位素值介于1.67‰～2.25‰(平均值1.94‰)，白云巖的碳同位素值介于1.49‰～3.75‰(平均值2.56‰)，相差并不大，表明白云石化流體來源于同期海水(圖6(a))[14]；④微生物白云巖、膏質微生物白云巖、晶粒白云巖及灰質白云巖的白云石有序度分析表明，有序度介于0.38～0.89(平均值0.64)，較低，說明白云石化作用發生的時期較早[15](圖6(b))。

圖6 川西雷四段不同巖石類型地球化學特征Fig.6 Characteristics of geochemistry of lithofacies in the fourth member of Leikoupo Formation in western Sichuan

(a)未完全交代的犬牙狀方解石，MJ1井，6 197.1 m；(b)等厚環邊膠結物(單偏光)，YS1井，6 229.5 m；(c)等厚環邊膠結物(陰極發光)，YS1井，6 229.5 m；(d)第二期自形白云石及殘余瀝青，YaS1井，5 782.6 m；(e)縫合線構造，充填殘余瀝青，YS1井，6 170.5 m；(f)單晶石英，YS1井，6 219.5 m；(g)單晶石英(掃描電鏡)，YS1井，6 219.5 m；(h)粗晶方解石膠結物，YS1井，6 224.70 m；(i)裂縫，并局部擴溶，YS1井，6 191.70 m圖5 川西雷四段微生物巖成巖作用微觀特征Fig.5 Microscopic characteristics of diagenesis of microbialites in the fourth member of Leikoupo Formation in western Sichuan

4.2 早成巖階段

微生物巖進入淺埋藏環境后，在海水潛流帶，格架孔內膠結了一期等厚環邊方解石，后被交代為等厚環邊白云石，陰極發光呈暗紅色光，與基質具有相似的發光特征(圖5(b)、5(c))。此外，微生物格架孔內流體循環相對受限，在第一期膠結物后緩慢沉淀了第二期白云石晶體，由于生長過程較為緩慢，白云石晶體自形程度較好，較為干凈(圖5(d))。

4.3 中-晚成巖階段

中-深埋藏期，隨著埋藏深度的增加，溫度和壓力隨之增加，準同生期微生物格架孔內未被溶蝕的石膏脫水轉化為硬石膏，此外，壓溶作用發育，縫合線產生，部分顆粒被壓溶，在這一時期發生過至少一次油氣充注，在縫合線內和部分第二期白云石晶體表面可見殘余瀝青充填(圖5(d)、5(e))。孔隙內流體的循環受到限制，在第二期白云石晶體之后沉淀了第三期晶體較大的白云石和少量單晶石英晶體(圖5(f)、5(g))。在自形白云石晶體之后，部分孔隙被粗晶方解石完全充填，孔隙受到破壞(圖5(h))。由于埋藏過程中應力釋放以及構造抬升的影響，雷四段發生了多期破裂作用，且部分裂縫發生了擴溶，對儲層具有一定建設性作用(圖5(i))，但貢獻較小。

總的來說，川西雷四段微生物巖盡管經歷了較為復雜的成巖演化，但孔隙的成因屬于早期成因，埋藏期多期膠結作用對其造成了一定的破壞，而埋藏期溶蝕作用對孔隙進行了調整，對儲層貢獻不大。

5 儲層成因

5.1 儲層發育機理

微生物巖成巖演化表明，微生物格架孔(凝塊間溶孔、疊層間溶孔)形成于同生期，格架孔內沉淀的石膏是儲層發育的物質基礎，準同生期暴露溶蝕作用是儲層形成的關鍵，而埋藏期多期膠結作用對儲層造成了一定破壞。

從儲層分布來看，川西雷四段微生物巖儲層，具有單層薄、多層疊置的幕式發育特點，單個儲層厚度介于0.8～1.2 m，受高頻海平面波動控制，優質儲層段(孔隙發育段)主要位于高頻旋回的上部，沉積環境為微生物丘(圖7)。此外，微生物巖優質儲層主要分布于雷四上亞段的下部，距離雷口坡組頂部45～70 m，且地震資料顯示，在川西鴨子河-馬井構造帶附近，雷口坡組頂部并未見明顯的削截現象，說明川西雷四段微生物巖儲層不受雷頂不整合面的控制，而是與微生物丘的發育和高頻海平面變化控制下的早期溶蝕作用有關。

圖7 川西AF1井雷四段沉積-儲層-成巖綜合柱狀圖Fig.7 Comprehensive diagram of sedimentary features,development of reservoir and diagenetic features in the fourth member of the Leikoupo Formation in well AF1 in western Sichuan

5.2 儲層保存機理

在沒有異常壓力和異常熱源存在條件下，碳酸鹽巖的孔隙度與埋藏深度呈負相關關系[16]，而川西雷四段微生物巖的主要孔隙類型為微生物格架孔，形成于準同生期，這些早期孔隙在埋藏過程中的保存尤為關鍵。分析表明，雷四段微生物巖儲層孔隙能夠得以保存的機理主要為微生物作用、油氣充注和快速埋藏封閉。

微生物的鈣化作用不僅促進了凝塊和疊層結構的快速成形，同時增強了凝塊和疊層的抗壓實能力(同生期壓實作用)，保存了一部分的原始孔隙空間[12]。

油氣充注可以減緩和抑制孔隙內膠結物的形成，保存有效儲層孔隙[17]。川西雷四段油氣充注發生在白云石化之后，第三期白云石晶體沉淀之前，表明在中-深埋藏期，油氣進入孔隙，抑制了孔隙內碳酸鹽巖-地層水的溶蝕-沉淀過程，阻止了成巖作用的繼續進行，在排烴之后無新的飽和流體進入孔隙，孔隙得以保存，形成現今的優質儲層。若孔隙空間較小，油氣充注之后未被后期流體帶走，也會對儲層空間形成一定的封堵作用[18]。

雷口坡組埋藏和熱演化史表明，雷口坡組在沉積后迅速進入了埋藏環境，且在中白堊世埋深最深達到7 000 m左右[5]。在深埋藏環境下，孔隙內流體流速異常緩慢，若無斷裂或熱液的影響，地層水與圍巖處于平衡狀態，此時碳酸鹽巖-地層水反應是一個近乎封閉體系下的平衡過程[19]。深埋藏封閉體系下，平衡的碳酸鹽巖-地層水溶蝕-沉淀反應隨著埋藏深度的增加趨于沉淀，表現為碳酸鹽礦物的少量沉淀，有利于早期孔隙的保存[18]。此外，掃描電鏡觀察表明，在深埋的封閉條件下，孔隙內最后一期礦物表面并未遭受到明顯溶蝕(圖5(g))，可見深部溶蝕對于早期的孔隙起著調整的作用，對儲層的貢獻不明顯。

6 結論

1) 川西中三疊統雷口坡組四段發育11種微相類型、4種微相組合類型，不同組合類型發育于不同的沉積環境，其中，微生物巖相關的微相組合多見于微生物丘，顆粒巖相關的微相組合發育于淺灘，而膏巖相關的微相組合發育于膏湖。

2) 川西中三疊統雷口坡組四段微生物巖儲層受控于沉積相及同生-準同生期成巖作用。微生物丘是儲層發育的前提，同生期微生物格架孔內沉淀的石膏是雷四段微生物巖儲層發育的物質基礎，準同生期高頻海平面變化控制下的短期暴露溶蝕是儲層發育的關鍵成巖作用，埋藏期的多期次膠結作用對儲層進行了一定的破壞，而埋藏溶蝕對儲集空間進行了調整，對儲層貢獻不大。

3) 早期微生物的鈣化作用、油氣充注和迅速地埋藏有效保護了雷四段微生物巖準同生期形成的孔隙，使之成為優質儲層。