塔東南地區寒武系海退背景下微生物丘沉積演化特征

陳旭，胡明毅，宋昊，張君龍，金吉能

1.長江大學地球科學學院，武漢 430100

2.大慶油田公司勘探開發研究院，黑龍江大慶 163712

0 引言

微生物因數量巨大、分布廣泛和類型多樣在地球演化中發揮極其關鍵的作用，自寒武紀生命大爆發到奧陶紀是微生物生長發育最為富集、活躍的時期，引起地質學家的廣泛關注和思考[1-8]。與此同時，全球范圍內不斷有與微生物碳酸鹽巖相關的油氣田被勘探發現，其中，位于我國西部塔里木盆地寒武系深層微生物丘也成為了勘探的熱點[5-8]。微生物丘是指由藻類或菌類微生物巖形成的碳酸鹽巖局部建隆，作為新型的碳酸鹽巖油氣儲層，由于其獨特的沉積建造和演化過程，成為碳酸鹽巖油氣研究的重要方向，也是深層找尋商業油氣的重要領域。2020年，在塔里木盆地部署的亞洲第一深探井—輪探1 井在寒武系微生物丘儲層中獲得高產輕質原油，證實了微生物丘沉積體是有利的勘探目標，具有極大的油氣潛力。

寒武系為塔里木盆地最古老的沉積地層，盆地東部廣大地區寒武系處于開闊臺地沉積環境，在臺緣帶廣泛發育的微生物丘復合體，為（超）深層油氣優質儲層的主要載體[9-10]。現階段基于不同品質的資料和研究手段，人們對微生物丘體沉積結構及形成環境開展了一定程度的研究[4-11]。然而，由于寒武系深層鉆井資料稀少、地震資料品質差、勘探成本居高等原因，目前對寒武系往往只開展盆地尺度的構造—巖相古地理研究，且編圖往往以統為單位[12-15]，較少涉及微生物丘發育期次、疊置樣式及生長演化過程分析，制約了微生物丘的儲層預測精度和勘探部署。

因此，本文以塔東南地區寒武系微生物丘為例，綜合利用巖心、測井、分析測試和高精度三維地震數據，在微生物丘沉積特征分析基礎上，探討研究區微生物丘發育期次及疊置樣式，進一步總結微生物丘的生長發育、遷移演化特征，以期為深層微生物丘油氣勘探決策提供指導。

1 區域地質背景

塔里木盆地是在前震旦紀變質巖之上，經歷了多期次構造—沉積演化而形成的大型復合式疊合盆地[4]。塔東南地區位于盆地東南部的古城低凸起以東地區，為一持續繼承性隆起，呈現向西北傾斜的大型寬緩鼻狀構造[2-5]。北部為平緩斜坡向滿加爾坳陷過渡，西部以塔中I 號斷裂為界與塔中隆起相鄰，南部與塘古孜巴斯凹陷和塔南隆起相接，東部以古城臺緣坡折帶為界毗鄰塔東隆起（圖1a）。塔里木盆地寒武紀—早奧陶世處于弱伸展的構造背景下，西部為臺地相區，為碳酸鹽巖沉積環境，而東部盆地相區沉積了暗色泥巖，塔東南地區處于臺緣相帶，為微生物丘廣泛發育提供廣闊空間[3-7]。奧陶紀末構造活動形成古城凸起的雛形，總體上為東南高、西北低的構造形態，并于海西早期定形至今。

研究區塊處于塔東南地區古城低凸起東側，三維工區面積約4 000 km2，鉆井揭示古城地區沉積厚度巨大，自震旦系到第四系均有發育，寒武系為深層油氣勘探的重點層系，巖性為碳酸鹽巖，細分為6 個組。其中下統的玉爾吐斯組為厚層黑色泥巖、泥灰巖沉積，全盆分布穩定，為深層優質烴源巖。中、上寒武統發育多套儲蓋組合，儲層巖性主要為藻（礁）微生物云巖（圖1b）。

圖1 塔東南地區構造單元劃分（a）及寒武系綜合柱狀圖（b）Fig.1 (a) Structural unit divisions in southeastern Tarim Basin; and (b) Cambrian composite column diagram

2 微生物丘沉積特征

2.1 沉積微相特征

研究區中、上寒武統發育多期微生物丘沉積，目前僅有CT1、CT2兩口探井鉆遇。利用研究區少量鉆井的巖心、測井和分析測試資料，分析微生物丘的巖性構成、儲集性及分布特征，將微生物丘劃分為丘核、丘翼和丘基三種微相類型。

2.1.1 丘基

發育在微生物丘底部，多呈現中厚層、板狀沉積。鉆井揭示巖性為含砂屑、球粒結構的粉、細晶白云巖，顆粒間泥亮晶—亮晶膠結，有機質含量高，儲層孔隙欠發育，指示了微生物丘初始沉積水體較深，能量較弱的水動力環境（圖2，3）。

2.1.2 丘核

在丘基之上、微生物丘中部形成厚層、丘狀沉積。鉆井揭示巖性為砂屑球粒粉晶云巖、砂屑細晶云巖或殘余鮞粒砂屑云巖，粒度變粗。去鈾GR值較低，變化范圍為1.21～11.75 API，平均約2.94 API，曲線形狀由高幅尖峰狀變為低緩平值狀。δ13C 自下而上數值由正偏逐漸變換為負偏，變化范圍為-1.05‰～0.29‰，平均-0.226‰，表明海平面下降，水體變淺、能量較強的沉積環境。此外，該期微生物丘核部頂端GR能譜測井的TH/U比急劇變大（大于7），揭示頂部為氧化環境形成的風化層，反映了海退環境下微生物丘核部暴露遭受剝蝕作用。儲層巖性為球粒或砂屑粉、細晶云巖，在溶塌角礫巖中發育角礫間的溶蝕孔洞或裂縫。儲層孔隙度范圍在1.3%～7.2%之間，平均約3.4%，滲透率為（0.06～3.62）×10-3μm2，為中低孔、中低滲性儲層（圖2，3）。

圖2 微生物丘巖石結構及儲集空間類型（a）砂屑球粒粉細晶云巖，丘基，CT1，②期，7 142.72 m；（b）藻黏結砂屑粉細晶云巖，側翼，CT1，②期，7 201.06 m；（c）砂屑粉細晶云巖，側翼，CT1，②期，7 257.05 m；（d）殘余鮞粒細晶云巖，丘核，CT1，③期，6 891.18 m；（e）砂屑細晶云巖，丘核，CT1，③期，6 936.02 m；（f）砂屑球粒粉晶云巖，丘核，CT1，③期，7 037.53 m；（g）藻黏結砂屑細晶云巖，丘核，CT2，④期，6 800.22 m；（h）砂屑鮞粒細晶云巖，丘核，CT2，④期，6 820.38 m；（i）粉—細晶云巖，局部發育晶間孔，側翼，CT1，②期，7 142.74 m；（j）粉晶白云巖，溶蝕縫、晶間溶孔發育，側翼，CT1，②期，7 140.35 m；（k）溶塌角礫巖，角礫間溶蝕孔洞發育，CT1，③期，6 875.43 m；（l）藻屑黏結白云巖，粒間（溶）孔，丘核，CT2 井，④期，6 823.25 mFig.2 Rock structure types and reservoir porosity of microbial mound

2.1.3 丘翼

發育于丘核邊緣或側翼位置。鉆井揭示巖性由深色砂屑球粒粉晶云巖、（藻黏結）砂屑粉細晶云巖組成，粒度偏細。對應的去鈾GR（KTH）值域范圍為1.67～21.81 API，平均約6.16 API，自下而上由微齒狀、低平值特征變為尖峰狀高值。δ13C（碳同位素）表現為正偏，值域范圍為0.036‰～1.41‰，平均約0.724‰，反映了海平面上升，海水加深、水體能量弱的沉積環境。有效儲層巖性為細晶白云巖，儲集空間為晶間孔隙為主，少量構造溶蝕縫或晶間溶孔。儲層孔隙度低，變化范圍0.8%～2.1%，平均約1.3%，測井滲透率為（0.02～1）×10-3μm2，為低孔、低滲儲層（圖2，3）。

2.2 地震反射結構

在微生物丘合成記錄標定及地震反射特征分析基礎上，對其外部形態和內幕結構進行精細識別和刻畫，預測微生物丘展布特征。與圍巖相比，微生物丘復合體垂向上表現為地層厚度顯著變大，橫向上出現多期微生物丘沉積體橫向遷移疊置，大小不一，地震相表現為明顯的丘狀、楔狀或透鏡狀[16-18]。丘復合體速度高于上覆的圍巖，頂界面處形成強的波阻抗差，對應強波峰反射，而向海盆方向出現極性反轉或者同相軸尖滅現象，反映了向海洋一側生長推進的邊界，具有包絡面的特征。因此通過微生物丘標定和地震反射結構分析，采用振幅包絡面分析的方法，理清微生物丘的外部輪廓和分布范圍。

微生物丘的振幅包絡面多表現為中—強振幅、連續—較連續反射，包絡面之上、之下和內部反射特征明顯，易于識別和追蹤。界面之上常見披覆和上超反射，界面之下局部有頂超或削截的接觸關系。而包絡面內部為低頻、較弱振幅、前積或局部雜亂反射，并具有向翼部收斂。通過上述特征對微生物丘的頂界振幅包絡面（Ty1、Ty2、Ty3、Ty4）進行精細追蹤解釋，不難發現，中、上寒武統發育了4個期次的大型微生物丘復合體（圖4a，b）。通過不同期次微生物丘預測范圍立體展示，清楚的看到微生物丘依次向廣海方向進積。疊合范圍大于1 400 km2，平面上近南北向、條帶狀展布（圖4c）。

圖4 過CT1—CT2 井臺緣帶地震反射結構解釋剖面（a）；寒武系底拉平地震解釋剖面（b）及（c）四期次微生物丘體疊加立體顯示Fig.4 (a) Seismic reflection characteristics of platform margin belt past CT1-CT2 well; (b) flat base of Cambrian seismic interpretation section; and (c) 3D view of microbial mound

3 微生物丘發育期次及疊置樣式

微生物丘多由藻類或菌類微生物格架形成，其內部地震反射振幅能量弱，多為斷續、空白或雜亂結構[18]。然而在微生物原地生長過程中，由于古地貌和相對海平面變化會出現丘、灘互層，垂向上會出現多種疊置樣式，如加積、進積或退積等[19]。根據上述特點，分析研究區中、上寒武統微生物丘的發育期次及疊置樣式（圖5、表1）。

表1 微生物丘特征參數Table 1 Properties of microbial mound

圖5 臺緣帶微生物丘內幕反射結構特征Fig.5 Internal seismic reflection records for microbial mound at the platform margin

3.1 ①期微生物丘

頂界面為低頻、強振幅和高連續反射，區域分布穩定，所構成的包絡面形態完整、輪廓清楚，容易對比追蹤。外部結構為對稱的丘形反射，兩端向翼部收斂。內部為較弱振幅、低頻、中等連續反射，趨于成層性，垂向上表現為“三明治”式加積型疊置。這種結構樣式揭示了該時期古地貌坡度寬緩，海平面上升速率與微生物丘生長速率大體一致的沉積環境。①期微生物丘形態清晰，生長高度約400 m，寬約9.5 km，近南北向、條帶狀展布，礁前塌積巖長度約3.1 km。因構造位置較低，且可能存在蓋層遮擋風險，目前尚未鉆井鉆遇[20]。

3.2 ②期微生物丘

在緊鄰①期的丘前翼及斜坡上開始生長，其發育明顯受到①期微生物丘沉積后地貌的影響。早期在坡度背景下，橫向上微生物丘相帶分布狹窄，水動力作用強勁，以垂向加積生長為主，地震反射連續性差、較雜亂。隨著微生物丘的快速生長繁育，晚期地震反射結構變為弱連續、平緩的前積反射。形成了不對稱丘狀反射，垂向上加積—弱前積樣式。該時期受①期微生物丘體微古地貌的影響，陡坡背景下微生物的生長速率略大于或等于海平面上升速率。沉積厚度大，生長高度超過380 m，寬度約10.4 km。

3.3 ③期微生物丘

與前兩期顯著不同，微生物丘體楔狀前積于丘前斜坡之上，揭示了陡坡背景下，水動力條件較強，微生物丘逐漸向海推進的過程。地震內幕反射結構呈中弱振幅、中等連續、層狀反射特征，其中頂部同相軸見削截現象，穩定的丘核不發育。CT1鉆井也揭示微生物丘頂部存在風化層，反映了海平面下降導致的暴露、剝蝕作用（圖3）。此時微生物丘分布規模變小，生長高度約360 m，主體寬度7.1 km。

圖3 微生物丘單井沉積相分析及儲集性Fig.3 Single well sedimentary facies analysis and reservoir properties of microbial mound

3.4 ④期微生物丘

在③期微生物丘基礎上，繼承性發育。頂界面為低頻、強振幅反射，易于追蹤、刻畫。形態不完整，規模也變小。生長高度約320 m，長度約4.4 km。

4 微生物丘生長及演化特征

微生物丘生長發育常常受到古地貌、構造沉降速率、海平面變化和洋流作用等因素的共同制約[20-21]。在寒武紀漫長的地質演化過程中，塔東南地區處于開闊臺地沉積環境，基底穩定沉降，斷層較少發育，在海退背景下發育臺緣緩坡型微生物丘沉積，研究區西部地區發育開闊臺地、半局限臺地和臺地邊緣相沉積，發育臺內生屑灘和臺地邊緣微生物丘等高能相帶，東部發育斜坡—盆地相沉積[21-23]。

古地貌結構及變化特征往往是水動力條件、沉降速率和可容納空間變化的綜合反映，微生物丘生長及演化對古地貌響應十分敏感。因此通過恢復研究區寒武紀不同階段的古地貌形態，分析微生物丘生長及演化特征。

4.1 古地貌恢復方法

研究區目前鉆遇寒武系的鉆井稀少（僅數口），然而研究區擁有大量的區域二維測線和滿覆蓋微生物丘發育區的三維地震數據，通過層位追蹤對比和解釋，比較容易獲得目的層位的橫向展布特征，為古地貌恢復提供大量的信息。

采用殘余地層厚度法進行寒武紀沉積古地貌恢復。首先，選取緊鄰微生物丘之下的標志層為基準面，進行層拉平處理。下寒武統玉爾吐斯組泥巖在全盆地穩定分布，同時也是盆地最大規模的區域性海侵標志層，地震剖面顯示為低頻、強振幅和高連續反射，在整個區域可以大范圍區域對比追蹤，可以將下寒武統定義為研究區等時基準面（圖4b）。其次，考慮了碳酸鹽巖沉積環境的作用，寒武紀盆地為穩定的海相碳酸鹽沉積，抗壓實性強，構造活動微弱，研究區為開闊臺地環境，地層幾乎缺乏抬升和剝蝕作用，因此可以忽略差異剝蝕的影響。最后，基于地震資料精細構造解釋成果，側重于地層接觸關系、內幕反射結構、真實地層厚度變化分析，進行古地貌地形單元劃分和三維可視化表征。其中，下寒武統頂界面到選定基準面（即玉爾吐斯組）的殘余地層厚度即為①期微生物丘沉積之前的古地貌。同樣的，①期微生物丘頂界面到選定基準面（即玉爾吐斯組）的殘余地層厚度為②期微生物丘沉積之前的古地貌形態。以此類推，分別求取微生物丘沉積前古地貌形態（圖6）。

圖6 寒武系臺地邊緣微生物丘的生長演化特征Fig.6 Microbial mound growth and evolution at the Cambrian platform margin

4.2 微生物丘生長演化特征

寒武紀—早奧陶紀，研究區碳酸鹽巖臺地由低角度斜坡—鑲邊型臺地—淹沒型臺地的變化特征，生長發育了4期的微生物丘復合體沉積，依次向廣海方向進積、疊置，其沉積演化特征如下（圖6）。

早寒武世：塔里木盆地處于陸表海沉積環境，該時期盆地遭受大規模海侵作用，在全盆范圍內了形成玉爾吐斯組厚層泥巖沉積[22-23]。而研究區構造上處于碳酸鹽巖臺地斜坡位置，整體上向廣海方向低角度傾斜，無明顯的臺緣坡折，處于低能、還原的沉積環境。

中寒武世早期：海侵過后相對海平面開始緩慢下降，研究區古地形存在微傾斜落差，為臺地邊緣的形成提供基礎條件，此時開始由緩坡臺地逐漸演化為鑲邊臺地。該階段沉積水體能量仍較弱，可容納空間充足，海平面上升速度與藻類或菌類微生物生長速度大體一致，以垂向追趕型、加積生長為主。當微生物丘在接近海平面或者暴露出水面，終止發育，形成了①期微生物丘。

中寒武世晚期：在①期微生物丘前塌積巖位置，發育了②期微生物丘。由于塌積巖處古地貌坡度變陡，可容納空間變大，水動力條件變強，利于微生物的快速繁盛和發育。靠陸一側在①期微生物丘的陡坡背景下，微生物丘后翼部欠發育。而靠海一側呈現為加積—弱進積式生長。

晚寒武世早期：隨著碳酸鹽巖建隆的進一步發展，③期微生物丘楔狀前積于臺緣斜坡之上。此時，沉積古地貌陡峭，沉積水動力較強，微生物快速生長，呈現向海不斷進積特征。當微生物丘暴露出水面時，微生物丘發育終止。

晚寒武世晚期：④期微生物丘繼承性發育，表現向海不斷進積特征，規模變小。

晚寒武世末期：海侵作用再次加強，水體加深，微生物丘停止發育。臺地類型逐漸演變為遠端變陡的緩坡臺地，研究區為大面積開闊臺地相灰巖沉積。

5 結論

（1）塔東南地區中、上寒武統處于海退背景下、相對高能的臺地邊緣沉積環境，發育微生物丘沉積復合體，呈現近南北向條帶狀展布特征，依次向廣海方向進積疊置。有利的儲層巖性為菌藻類微生物顆粒云巖（局部硅化），儲集空間多為晶間（溶）孔或溶蝕孔洞。

（2）①期微生物丘形成于早寒武世緩坡臺地地貌上，形成較對稱的丘狀外形，隨后的②期微生物丘發育在前期丘前塌積巖之上，古地貌變陡峭，為不對稱的丘狀結構，垂向上為加積—弱前積生長。③期楔狀前積于②期靠海一側，側向疊置分布。④期體生長具有繼承性，但規模變小。寒武紀末期海侵作用再次加強，微生物丘停止發育。

致謝 感謝審稿專家的寶貴意見！