下揚子早古生代碳酸鹽巖微相與沉積環境演化

關鍵詞 下揚子地區；早古生代；碳酸鹽巖微相；沉積環境

第一作者簡介 陳臻，男，高級工程師，能源研究、科技創新，E-mail： 12053405@chnenergy.com.cn

通信作者 王麗娟，女，高級工程師，E-mail： wang_lijuan@126.com李娟，女，副研究員，E-mail： lij0723@163.com

中圖分類號 P618.13 文獻標志碼 A

0引言

華南板塊下揚子地區早古生代時期為穩定的被動大陸邊緣沉積，發育了巨厚的寒武系—奧陶系碳酸鹽巖沉積[1?3]，是油氣資源和地熱資源有利的潛在儲層。地層單元由老到新依次為下寒武統幕府山組、中寒武統炮臺山組、上寒武統觀音臺組、下奧陶統侖山組和紅花園組 [4]。近年來，為了響應國家“碳達峰、碳中和”的戰略目標以及查明江蘇省內清潔能源的分布規律和資源潛力，江蘇省地質調查研究院于2021年在江蘇省泰州市興化縣部署了蘇熱1井，鉆孔井深4701 m，井底溫度為155 ℃，達到了干熱巖資源成藏的溫度（gt;150 ℃）[5]，首次發現并證實蘇北盆地蘊藏了豐富的干熱巖資源，該鉆孔的干熱巖儲層潛在有利層位為早古生代的巨厚寒武紀—奧陶紀碳酸鹽巖地層。眾所周知，碳酸鹽巖沉積環境和古地理演化的研究對于油氣和地熱資源勘探來說極為重要[6?8]，干熱巖優質儲層的分布也與特定的沉積體系及環境密切相關，具有明顯的“相控性”[9?10]。

干熱巖在蘇北盆地的發現和證實使得一直以來缺乏研究的早古生代碳酸鹽巖沉積微相和沉積環境演化得到學術界廣泛關注。然而，盡管前人針對下揚子地區早古生代碳酸鹽巖的地層單元劃分方案[11?12]、古生物地層對比[13]、古地理演化[14]、油氣地質條件[15?20]、碳酸鹽巖層序地層學[1，21]和碳酸鹽巖地球化學[22?23]等方面開展了大量的研究，但是針對早古生代碳酸鹽巖地層的沉積微相類型和展布、沉積模式和沉積環境演化，尚未開展高分辨率的研究，缺乏從精細的碳酸鹽巖微相角度重建早古生代地層的垂向沉積環境演化和進行橫向空間對比。因此，為了更好地服務于國家“雙碳目標”的偉大戰略方針，提升清潔能源的利用率，更有效地預測和探勘干熱巖資源，必須開展蘇北盆地典型鉆孔中早古生代碳酸鹽巖地層以及蘇北盆地周緣典型露頭剖面碳酸鹽巖地層的沉積微相以及垂向沉積演化等對比研究工作。

以蘇北盆蘇熱1井鉆孔巖心和南京寧鎮山脈地區三條野外剖面（侖山、湯山和幕府山）上的早古生代碳酸鹽巖地層（寒武系幕府山組、炮臺山組、觀音臺組和下奧陶統侖山組和紅花園組）為研究對象，對其開展詳細的沉積微相分析，重建了下揚子地區早古生代沉積微相展布、沉積相以及沉積環境垂向變化，以期為干熱巖型地熱資源有效區的選擇提供基礎地質資料。

1 地質背景

下揚子地區是我國現代地質學的搖籃，同時也是我國南方重要的油氣勘探區之一（圖1a），該區在新元古代結晶基底之上，經歷了古生代海相克拉通盆地，中、新生代前陸盆地和斷拗盆地演化，形成了巨厚的古生界海相碳酸鹽巖和中、新生界陸相碎屑巖地層[23?26]。下揚子地區在早古生代時期處于相對穩定的陸緣海、碳酸鹽巖臺地沉積環境，發育四類地質構造單元，分別是下揚子北緣裂陷盆地、下揚子東南緣被動大陸邊緣盆地和下揚子碳酸鹽巖臺地、滬昆臺地，為“兩臺兩盆”的古地理格局[1，26?27]。至早古生代末期，受加里東運動影響，揚子地塊與華夏地塊發生匯聚，下揚子地區結束了“兩盆夾一臺”的古地理格局，進入前陸盆地沉積階段，開始接受陸源碎屑巖沉積[28?29]。蘇熱1井位于下揚子地區蘇北盆地柘垛低凸起之上，終孔井深4 701.68 m[30?31]，從頂到底依次鉆揭新近系（鹽城組）、古近系（三垛組、阜寧組和泰州組）、上白堊統（浦口組）碎屑巖以及奧陶系（侖山組和紅花園組）至寒武系（觀音臺組和炮臺山組）碳酸鹽巖。

2 研究剖面、材料與方法

由于蘇熱1井鉆井取心較少以及蘇北盆地早古生代碳酸鹽巖地層剖面出露較少，僅獲取蘇熱1井上寒武統觀音臺組、下奧陶統紅花園組巖心樣品，遠不足以重建下揚子地區早古生代碳酸鹽巖的沉積微相與沉積環境演化。因此，采集了三條南京寧鎮山脈地區早古生代地層剖面（幕府山、侖山和湯山，圖1a），獲取了較完整的早古生代碳酸鹽巖地層，主要包括寒武系幕府山組、炮臺山組、觀音臺組和下奧陶統侖山組和紅花園組（圖1b）。侖山剖面連續性良好、地層出露較完整，厚250 m，主要包括觀音臺組和侖山組，采樣82 件，樣品編號為21NJ01～21NJ82。湯山剖面厚25 m，主要是侖山組和紅花園組，采樣11 件，樣品編號為21NJ83～21NJ93。幕府山剖面厚70 m，主要包括幕府山組和炮臺山組，采樣24 件，樣品編號為21NJ94～21NJ117。野外剖面采樣間隔為3～5 m，而蘇熱1井由于取心率的差異，采樣間隔為0.1～0.5 m不等，采樣73件，樣品編號為21SR67～21SR139，剖面和鉆孔共采集190件樣品用于碳酸鹽巖微相分析，所涉及的巖石地層單元及野外露頭剖面和鉆井巖心見表1。為了區分薄片中碳酸鹽巖礦物成分，所有巖石薄片均被茜素紅S染色劑著色，其中方解石染紅色，白云石不染色。

碳酸鹽微相分析是在野外工作的基礎上，根據巖石薄片中巖石成分、顆粒組成、基質類型、生物組合和沉積組構，進行微相劃分、描述和解釋，重建沉積環境。本文碳酸鹽巖分類命名在成分分類命名的基礎上，采用碳酸鹽巖結構分類方案[32?33]。碳酸鹽巖微相和沉積環境解釋時參考Flügel[34]關于鑲邊碳酸鹽巖臺地標準微相的沉積分布模式。

3下揚子地區早古生代巖石地層

下揚子地區早古生代以碳酸鹽巖沉積為主，自下而上分別是寒武統幕府山組、炮臺山組、觀音臺組和下奧陶統侖山組和紅花園組[35]。炮臺山組下部為灰黑色薄層白云巖、上部為淺紅色—淺灰色薄層白云巖沉積（圖2a），與上覆觀音臺組整合過渡接觸（圖2b）。觀音臺組下部為褐紅色薄—中層白云巖，上部為含燧石結核的厚層白云巖，見直徑為0.5～1.0 m硅質結核（圖2c）、多期次輝綠巖墻（圖2d）以及刀砍紋和軟沉積物變形（圖2e）。侖山組底部為砂糖狀中晶—粗晶白云巖（圖2f），下部為中—厚層含灰白云巖與含云灰巖互層，中部為中—厚層含燧石條帶云質灰巖，上部為中—厚層含云灰巖。紅花園組下部為厚層砂屑亮晶灰巖（圖2g），上部以生物碎屑灰巖為主（圖2h）。

4 碳酸鹽巖微相與沉積環境

對比Flügel[34]建立的標準微相，將下揚子南京寧鎮山脈地區及蘇熱1井早古生代碳酸鹽巖劃分為13種微相類型（MF1～MF13，表2），除紅花園組為灰巖沉積外，其他地層單元（幕府山組、炮臺山組、觀音臺組、侖山組）均為白云巖沉積。

4.1潮坪沉積環境

4.1.1MF1含灰粉晶白云巖

該微相巖性主要為鈣質厚層白云巖，白云石含量大于85%（圖3a），方解石含量小于15%，見于侖山剖面觀音臺組中部、湯山剖面紅花園組底部和中部。該微相由不等粒白云石晶粒組成，白云石晶粒粒徑一般小于0.1 mm，他形，密集堆積，局部可見鳥眼構造及縫合線構造。鳥眼構造和粉晶白云石的發育指示該微相可能為潮間上部和潮上帶下部局限的沉積環境，相當于Flügel[34]標準微相SMF23。

4.1.2MF2粉晶白云巖

該微相巖性主要為中—厚層狀白云巖，見于侖山剖面觀音臺組底部、中部和蘇熱1井觀音臺組中—上部。該微相由不等粒粉晶白云石晶粒組成（圖3b），不含或偶見方解石，他形，致密堆積，局部見蒸發鹽溶蝕后形成的孔洞及示頂底構造。該微相無紋層、無化石，指示蒸發區或微咸水環境，相當于Flügel[34]標準微相SMF23，該微相與MF1類似，均為潮間上部和潮上帶下部沉積環境，但MF2相比于MF1的白云巖化作用更強烈。

4.1.3MF3紋層狀粉晶白云巖

該微相巖性為厚層白云巖，白云石含量大于95%，見于侖山剖面觀音臺組中部和蘇熱1井觀音臺組。該微相由不同粒級的粉晶白云石構成紋層構造（圖3c，d），白云石晶粒他形且堆積緊密，局部可見粉砂級石英、云母碎片等陸源碎屑（圖3d），偶見縫合線構造。該微相無化石及蒸發鹽礦物，紋層構造發育，指示上潮間帶或潮上帶沉積環境，相當于Flügel[34]標準微相SMF25。

4.1.4MF4藻黏結白云巖

該微相巖性為中—厚層狀白云巖，見于侖山剖面觀音臺組底部與頂部以及幕府山剖面幕府山組。

該微相主要由不同成分的毫米級紋層組成。較細紋層為微生物/藻席，略粗紋層由密集堆積的白云石晶粒構成，局部發育窗格構造（圖3e）。該微相具微生物/藻席和窗格構造形成的紋層結構，為潮間帶典型標志，相當于Flügel[34]標準微相SMF19。

4.1.5MF5細晶白云巖

該微相巖性為厚層塊狀白云巖，見于侖山和湯山剖面侖山組、蘇熱1井觀音臺組，發育大量石英脈。該微相主要由細晶白云石組成（圖3f），粒徑介于0.1～0.2 mm，多為半自形—自形，見霧心亮邊和鞍狀結構。該微相為細晶白云巖，白云石晶粒為典型的鞍狀結構，且越接近石英脈，白云石晶粒自形程度越高，粒徑越大，因此細晶白云巖可能是熱液作用產物。

4.1.6MF7含灰細晶白云巖

該微相巖性為中層白云巖，主要見于湯山剖面紅花園組中部，主要由白云石晶粒組成（圖3h），呈等粒粒狀結構，晶粒粒徑介于0.10～0.15 mm，多為半自形—自形，致密堆積。該微相無紋層、無化石，指示蒸發區或微咸水環境，但未見蒸發鹽礦物或其他暴露標志，相當于Flügel[34]標準微相SMF23，可能為潮間上部和潮上帶下部沉積環境。

4.1.7MF8角礫白云巖

該微相巖性為中層狀白云巖，僅見于幕府山剖面炮臺山組，主要由角礫狀白云巖組成（圖4a）。該微相呈現出破碎狀，白云巖角礫粒徑介于0.2～2.0 mm，多呈棱角狀—次棱角狀，分選磨圓較差，為粉晶白云石晶粒。該微相白云石角礫由粉晶白云石構成，無紋層且無化石，指示了礫石源區為蒸發區或微咸水環境。棱角狀—次棱角狀形態表明礫石未經長距離搬運，可能為粉晶白云巖經巖溶垮塌作用形成。該微相相當于Flügel[34]標準微相SMF24。

4.2高能淺灘沉積環境

4.2.1MF6云質似球?；規r

該微相巖性為薄層灰巖，見于湯山剖面紅花園組上部，主要由似球粒和方解石亮晶膠結物組成（圖3g），見少量粉砂級陸源石英碎屑。似球粒為次棱角狀—次磨圓狀泥晶碎屑。該微相以極細顆粒支撐的次圓狀和次棱角狀似球粒聚集物為標志，無紋層、無化石，相當于Flügel[34]標準微相SMF16，指示高能淺灘環境。

4.2.2MF9殘余砂屑白云巖

該微相巖性為中—厚層白云巖，主要見于侖山剖面觀音臺組上部、興古1井觀音臺組頂部，主要由砂屑和少量鮞粒組成（圖4b）。砂屑主要由粉晶他形白云石晶粒組成，粒徑介于0.2～0.3 mm，呈圓狀—次圓狀，分選磨圓較好；鮞粒主要為粉晶他形白云石晶粒組成，橢球狀或次圓狀，呈放射狀，亮晶白云石膠結物。該微相顆粒主要為砂屑和鮞粒，基質以亮晶白云石為主，指示水動力較強的淺灘環境，相當于Flügel[34]標準微相SMF15。

4.2.3MF10白云石化鮞粒灰巖

該微相巖性為中層狀灰巖，見于蘇熱1井和湯山剖面紅花園組中部，主要由鮞粒和亮晶方解石膠結物組成（圖4c），見少量砂屑和棘皮碎片。鮞粒主要由粉晶白云石晶粒構成，為球狀或次圓狀，粒徑介于0.1～0.3 mm，呈放射狀，分選一般，交代殘余結構。砂屑和鮞粒的長軸方向略具定向特征。該微相的顆粒類型主要為鮞粒，基質為亮晶方解石膠結物，指示水體能量較高，為高能的淺灘環境，相當于Flügel[34]標準微相SMF15。

4.2.4MF11殘余鮞粒白云巖

該微相巖性為中層狀灰巖，僅見于蘇熱1井觀音臺組，主要由鮞粒組成（圖4d），顆粒支撐。鮞粒主要由粉晶白云石構成，粒徑介于0.10～0.25 mm，球狀或圓狀，分選一般，呈交代殘余結構，緊密堆積。該微相顆粒主要為鮞粒，指示水體能量較高，為高能的淺灘環境，相當于Flügel[34]標準微相SMF15。

4.2.5MF12砂屑灰巖

該微相巖性為薄層狀灰巖，見于蘇熱1井紅花園組，主要由砂屑和亮晶方解石膠結物組成（圖4e），偶見海百合碎片。砂屑呈次圓狀—圓狀，粒徑介于0.10～0.15 mm，分選較好。該微相主要由砂屑和亮晶方解石膠結物組成，偶見海百合莖碎片，指示淺灘高能環境，相當于Flügel[34]標準微相SMF16。

4.2.6MF13海百合莖鮞粒灰巖

該微相巖性為薄層狀灰巖，主要見于蘇熱1井紅花園組。該微相顆粒主要為海百合和鮞粒，少量砂屑，基質主要為亮晶方解石膠結物（圖4f）。海百莖碎片粒徑介于2～4 mm，見共軸膠結；鮞粒粒徑介于0.2～0.5 mm，呈橢球狀或球狀，多為放射鮞和薄皮鮞，泥晶化作用強烈，形成泥晶套結構，鮞粒核心多為海百合莖碎片和砂屑顆粒。該微相主要由鮞粒和亮晶膠結物組成，相當于Flügel[34]標準微相SMF15，為高能淺灘沉積環境。

4.3 沉積模式與沉積環境演化

4.3.1早古生代碳酸鹽巖沉積模式

綜合蘇北盆地蘇熱1井鉆孔巖心和南京寧鎮山脈地區三條野外露頭剖面（幕府山、侖山和湯山）的碳酸鹽巖地層微相分析，重建了下揚子地區早古生代碳酸鹽巖地層的沉積模式。研究區沉積微相變化連續，古水深可側向對比，雖然缺乏臺地邊緣生物礁，但在各個露頭剖面和鉆井巖心中均存在臺地邊緣高能淺灘記錄，因此研究區主要為碳酸鹽巖臺地模式，以潮坪和淺灘沉積環境為主（圖5）。潮坪環境，水體淺、水體能量較低、沉積環境相對穩定，主要巖石類型為含灰粉晶白云巖（MF1）、粉晶白云巖（MF2）和紋層狀粉晶白云巖（MF3），局部見窗格藻黏結白云巖（MF4）、細晶白云巖（MF5）、含灰細晶白云巖（MF7）、角礫白云巖（MF8）等類型，缺乏化石，但見紋層結構、鳥眼構造、窗格孔構造等，指示潮間上部和潮上帶下部沉積環境為主，穿插潮間帶沉積環境，同時存在巖漿熱液活動。淺灘環境，水體淺、水體能量高，主要的巖石類型為云質似球?；規r（MF6）、殘余砂屑白云巖（MF9）、白云石化鮞?；規r（MF10）、殘余鮞粒白云巖（MF11）、砂屑灰巖（MF12）和海百合莖鮞?；規r（MF13），生物碎屑主要為海百合碎片，見粒序結構、泥晶套結構和弱定向構造等，指示干旱炎熱環境下淺灘沉積物發生白云石化作用。

4.3.2早古生代碳酸鹽巖沉積環境演化

綜合蘇北盆地蘇熱1井鉆孔巖心和南京寧鎮山脈地區三條野外露頭剖面（幕府山、侖山和湯山）的微相研究，重建了下揚子地區早古生代沉積環境演化和相對海平面變化（圖6，7）。

在南京寧鎮山脈地區，幕府山組頂部主要為窗格藻黏結白云巖（MF4），指示幕府山組為潮間帶沉積環境，而炮臺山組底部以角礫白云巖（MF8）為主，角礫由粉晶白云巖構成，分選和磨圓差，可能為粉晶白云巖經巖溶垮塌作用形成，指示潮間上部和潮上帶下部沉積環境，相對海平面無明顯變化。觀音臺組以粉晶白云巖為主，微相類型分別為含灰粉晶白云巖（MF1）、粉晶白云巖（MF2）和紋層狀粉晶白云巖（MF3），指示觀音臺組主要為潮間上部和潮上帶下部沉積環境；同時穿插窗格藻黏結白云巖（MF4）和細晶白云巖（MF5），窗格藻黏結白云巖指示潮間帶沉積環境，而細晶白云巖則可能是熱液作用產物，觀音臺組兩次期輝綠巖墻也支持觀音臺組沉積時期存在熱液活動。侖山組下部以殘余砂屑白云巖（MF9）為主，指示侖山組下部主要為高能淺灘沉積環境，偶見紋層狀粉晶白云巖（MF3）指示的潮間上部和潮上帶下部沉積環境。而侖山組上部以窗格藻黏結白云巖（MF4）為主，指示侖山組上部主要為潮間帶沉積環境。紅花園組底部主要為含灰粉晶白云巖（MF1）、云質似球?；規r（MF6）、白云石化鮞?；規r（MF10）和含灰細晶白云巖（MF1），指示紅花園組底部沉積環境為潮間上部和潮上帶下部沉積環境，穿插高能淺灘沉積環境。

在蘇熱1井鉆井巖心，主要涉及觀音臺組和紅花園組，其中觀音臺組主要為白云巖沉積，而紅花園組主要為灰巖沉積。觀音臺組以粉晶白云巖（MF2）和細晶白云巖（MF5）為主，粉晶白云巖指示觀音臺組主要為潮間上部和潮上帶下部沉積環境，而細晶白云巖則可能與南京寧鎮山脈地區相似，為熱液活動產物，同時觀音臺組偶見殘余鮞粒白云巖（MF11），則指示高能淺灘沉積環境。紅花園組以白云石化鮞粒灰巖（MF10）、砂屑灰巖（MF12）、海百合鮞?；規r（MF13）為主，指示紅花園組主要為高能淺灘沉積環境；同時紅花園組見含灰粉晶白云巖（MF1），指示紅花園組穿插潮間上部和潮上帶下部沉積環境。

整體而言，蘇北盆地蘇熱1井早古生代巖石地層及沉積環境，可與南京寧鎮山脈地區同時期地層對比，其中下奧陶統侖山組下部和紅花園組沉積于淺灘環境，比寒武系幕府山組、炮臺山組、和觀音臺組的潮間帶環境水體深。

5干熱巖勘探有利層位建議

基于鉆井現場測錄井內部資料的詳細分析，發現觀音臺組的聲波孔隙度和導熱率相比于上覆地層的侖山組和紅花園組更高。這一發現為深入理解觀音臺組的地質特征和儲層潛力提供了重要線索。

首先，通過聲波測井數據，觀察到觀音臺組的聲波孔隙度明顯高于上覆地層。聲波孔隙度的增加通常與巖石內部的孔隙結構和連通性密切相關，表明觀音臺組具有更為發育的孔隙網絡，有利于流體的儲存和運移。其次，導熱率的測量結果進一步證實了觀音臺組的高儲熱潛力。導熱率是衡量巖石傳遞熱量的能力，觀音臺組的高導熱率意味著其能夠更有效地將地熱能傳遞到儲層中，從而提高干熱巖的開發效率。最后，在薄片觀察中，發現觀音臺組主要由細晶白云巖組成，這種巖石類型具有較高的面孔率。細晶白云巖的晶粒細小，晶間孔隙發育良好，為流體的儲存和運移提供了有利條件。此外，白云巖的減體積效應進一步促進了白云石晶間孔的廣泛發育，增強了儲層的孔隙度和滲透性。

綜上所述，觀音臺組不僅具有高孔隙度和高導熱率，還擁有良好的巖石物理性質和孔隙結構，使其成為優質的干熱巖儲層。在下揚子地區未來的干熱巖勘探開發中，觀音臺組無疑是最有利的靶區之一。這一發現將為區域能源結構的優化和地熱資源的可持續開發提供重要支持。

6結論

（1）蘇熱1井鉆孔巖心和南京寧鎮山脈地區早古生代碳酸鹽巖可劃分13種沉積微相，以潮坪沉積環境為主，偶見高能淺灘沉積，相對海平面無明顯變化。

（2）寒武系幕府山組、炮臺山組和觀音臺組以潮間帶環境為主，而下奧陶統侖山組下部和紅花園組以淺灘環境為主，古水深相對變深。

（3）下揚子地區寒武系觀音臺組是未來干熱巖儲層勘探的有利靶區。