王媛, 林畅松, 李浩, 孙彦达, 何海全, 王清龙, 张曼莉, 姬牧野. (2017)哈萨克斯坦Marsel探区下石炭统高频层序地层特征与沉积演化* [J]. 古地理学报, 19(5): 819-834
Wang Yuan, Lin Changsong, Li Hao, Sun Yanda, He Haiquan, Wang Qinglong, Zhang Manli, Ji Muye. (2017)Characteristics of high-frequency sequence and sedimentary evolution of the Lower Carboniferous in Marsel block,Kazakhstan[J]. Journal Of Palaeogeography, 19(5): 819-834.   
DOI:10.7605/gdlxb.2017.05.064
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哈萨克斯坦Marsel探区下石炭统高频层序地层特征与沉积演化*
王媛1, 林畅松2, 李浩2, 孙彦达3, 何海全3, 王清龙3, 张曼莉1, 姬牧野2
1 中国地质大学(北京)能源学院,北京 100083
2 中国地质大学(北京)海洋学院,北京 100083
3 洲际油气股份有限公司,北京 100016

第一作者简介 王媛,女, 1990年生,中国地质大学(北京)能源学院博士研究生,主要从事沉积地质研究。 E-mail: cugfry@163.com。


通讯作者简介 林畅松,男, 1958年生,中国地质大学(北京)教授,主要从事沉积地质与盆地分析研究。 E-mail: cugfry@163.com。

收稿日期:2017-01-20
基金:*国家重点基础研究发展计划(973)项目(编号: 2011CB201100-03)和中央高校基本科研业务费专项资金(编号: 2652015362)联合资助
摘要

根据 Gr值、 TH/U值和成像测井等测井资料,以及岩心、薄片等反映沉积基准面和沉积相变化的资料,在哈萨克斯坦 Marsel探区下石炭统碳酸盐岩台地内划分出 18个高频层序(四级层序),其中杜内阶和维宪阶高频层序界面类型主要为瞬时加深淹没间断面,谢尔普霍夫阶高频层序界面类型主要为瞬时暴露间断面。高频层序一般厚十几米至几十米,杜内期—维宪早期厚度较薄且差异不大,维宪中晚期—谢尔普霍夫期厚度差异增大,最终使下石炭统整体呈西薄东厚、北薄南厚的特征。杜内—维宪早期高频层序下部主要发育蒸发潟湖和局限潟湖亚相,上部主要为局限潮坪亚相;维宪中晚期—谢尔普霍夫期高频层序下部主要发育局限潮坪亚相,向上变为蒸发潮坪和台内浅滩亚相。通过对高频层序的成因分析认为,周期性高频海平面升降变化和气候是高频层序发育的主控因素,气候对维宪晚期—谢尔普霍夫期高频层序发育的影响更大。 Marsel探区在早石炭世位于镶边台地内部,先后经历了早期(杜内期)局限台地—蒸发台地、中期(维宪期)局限台地—蒸发台地和晚期(谢尔普霍夫期)开阔台地—局限台地—蒸发台地这 3期沉积演化过程。高频层序的研究为建立高精度层序地层格架和有利储集层的精细划分、对比及预测奠定了基础。

关键词: 哈萨克斯坦; Marsel探区; 下石炭统; 碳酸盐岩; 高频层序; 沉积演化
中图分类号:P539.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2017)05-0819-16
Characteristics of high-frequency sequence and sedimentary evolution of the Lower Carboniferous in Marsel block,Kazakhstan
Wang Yuan1, Lin Changsong2, Li Hao2, Sun Yanda3, He Haiquan3, Wang Qinglong3, Zhang Manli1, Ji Muye2
1 School of Energy Resources,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083
2 School of Ocean Sciences,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083
3 Geo-jade Petroleum Corporation,Beijing 100016;
Fund:[Co-funded by the National Basic Research Program of China(973 Program)(No.2011CB201100-03)and the Fundamental Research Funds for the Central Universities(No.2652015362)]
Abstract

Based on GR and TH/U values and imaging logging data as well as cores and thin sections which could reveal base level and facies changes,18 high-frequency sequences(fourth-order sequences)are identified in the Lower Carboniferous in Marsel block of southern Kazakhstan. Of them, the Tournasion and Viscan sequences are mainly bounded by instantaneous exposed punctuated surfaces and the Serpukhovian sequence by drowned punctuated surfaces. The high-frequency sequence is usually ten meter to several tens meter thick. The tournasian-early Visean high-frequency sequence is relatively thin and does not vary much in thickness,leading to the result that the whole Lower Carboniferous is thinner in the west and north. Lagoon subfacies on both evaporative and restricted platforms,and tidal flat subfacies on restricted platform were developed respectively in lower and upper part of Tournasian-early Visean high-frequency sequences;subfacies in high-frequency sequences of middle-late Visean-Serpukhovian,is changed from tidal flat on restricted platform to tidal flat and shoal-reef complexities on evaporate platform upwards. After genetic analysis of these high-frequency sequences,it is supposed that periodic high-frequency sea-level and climate changes are dominant factors for high-frequency sequence development,however,climate has a more significant influence on later high-frequency sequence development. What’s more,it is indicated that the Marsel block was located in the inner part of a regional rimmed carbonate platform,mainly evolved through three stages in Early Carboniferous: Early(Tournasian)restricted-evaporative platform,middle(Visean)restricted-evaporative platform and late(Serpukhovian)open-restricted-evaporative platform. Obviously,the study of high-frequency sequence could lay the foundation for high-resolution sequence stratigraphic framework construction and detailed favorable reservoir identification,correlation and prediction.

Key words: Kazakhstan; Marsel block; Lower Carboniferous; carbonate rock; high-frequency sequence; sedimentary evolution

随着石油勘探与开发研究程度的不断深入, 碳酸盐岩高频层序地层的研究日益受到重视(Tucker and Garland, 2010; Al-Awwad and Collins, 2013; Peropadre et al., 2013)。高频层序(四级或四级以上层序)是高频海平面变化控制下形成的基本地层结构单元, 一般发育在稳定沉降背景的盆地中, 高频海平面变化是指四、五和六级与米兰科维奇天文周期有关的海平面振荡变化(Haq et al., 1987; Vail et al., 1991)。周期性(20~400, ka)的高频海平面变化导致沉积层序的发育具有一定规律性和旋回性, 并在岩心、古生物、地球化学、测井等资料中呈现一定响应特征。根据高频层序划分结果, 建立高精度层序地层格架, 可以为后期储集层精细划分与对比研究奠定基础。碳酸盐岩高频层序对风化壳岩溶储集层、生物礁滩储集层具有一定控制作用, 其界面附近或向上变浅的序列顶部, 往往容易在构造抬升形成的暴露或沉积早期海平面降低形成的浅水或暴露环境下受到风化壳岩溶作用或大气淡水淋滤等成岩作用改造, 从而形成溶蚀孔洞、溶蚀扩大缝等有利的油气储集空间。

Marsel探区下石炭统主要为碳酸盐岩台地沉积, 前人将其整体作为一个二级层序, 划分出4个三级层序, 大体与杜内阶维一段、维二段、维三段及谢尔普霍夫阶对应, 每个层序主要由海侵和高位体系域构成(徐桂芬等, 2014), 而未对其高频层序开展研究。在前人层序地层研究基础上, 选取自然伽马值、TH/U值作为反映基准面变化的地质指标, 并结合成像测井、岩心和薄片等资料, 对Marsel探区下石炭统高频层序开展研究, 并探讨其发育的主控因素和沉积演化。

1 区域地质概况

Marsel探区位于哈萨克斯坦南部的楚— 萨雷苏(Chu-Sarysu)盆地中部(图1), 面积1.85× 104, km2, 主要发育泥盆系、石炭系、二叠系, 且为该盆地天然气的主要产层。Marsel区块内部包含Pridorozhnaya, West Oppak和Ortalyk等3个主要的天然气商业生产性区域, 探明储量主要来自于上古生界储集层。此外, Tamgalynskaya, Tangalytar, Assa, Kendylik, North Pridorozhnaya和South Pridorozhnaya等6个局部区域也具有可工业化生产的天然气迹象(图1)。探区内分布2008— 2011年的85条二维测线总长度为2600, km, 以及Assa和Tamskaya 2个小三维区块, 钻井43口(徐桂芬等, 2014)。Marsel区块主要经历了以下4个构造演化阶段: 早泥盆世断陷阶段— 早石炭世被动大陆边缘阶段— 二叠纪俯冲与碰撞阶段— 中生代内陆拗陷阶段。

图1 Marsel探区构造单元与研究区位置(据郑俊章等, 2009; 庞雄奇等, 2014; 徐桂芬等, 2014; 有修改)Fig.1 Tectonic division and location of Marsel block(modified after Zheng et al., 2009; Pang et al., 2014; Xu et al., 2014)

石炭纪楚— 萨雷苏盆地为被动大陆边缘裂陷盆地, 是哈萨克斯坦5个具有商业油气流盆地之一(郑俊章等, 2009), 面积约24× 104, km2, 属于山间盆地, 北东— 南西走向(李国玉, 2005)。早石炭世沉积了滨海相碳酸盐岩— 碎屑岩(厚达1000, m), 中— 晚石炭世由于大洋关闭碰撞, 盆地开始回返, 沉积了一套红色碎屑岩。下石炭统是Marsel探区最重要的勘探目的层, 为被动大陆边缘海相碳酸盐岩, 自下而上主要发育杜内阶、维宪阶和谢尔普霍夫阶(图2)。杜内阶岩性主要为黑色、深灰色泥晶灰岩, 夹薄层黑色泥岩, 厚15~30, m。维宪阶分为3个段, 维一段以大套浅灰色灰岩夹薄层泥灰岩、膏岩为主, 局部夹薄层极细粒砂岩, 厚约100, m; 维二段下部发育深灰色泥灰岩、泥晶灰岩, 上部主要发育浅灰色— 灰色泥粒灰岩、颗粒灰岩, 普遍含白云岩, 厚约120, m; 维三段主要发育暗色泥晶灰岩、泥质灰岩, 夹薄层泥粒灰岩和颗粒灰岩, 厚约140, m。谢尔普霍夫阶可划分为4个岩性段: 以泥质灰岩、生屑粒泥灰岩为主的“ 礁下段” ; 以生物礁灰岩为主的“ 礁灰岩段” (包括苔藓虫、珊瑚等造礁生物, 腕足、腹足、棘皮类等附礁生物); 以生屑粒泥灰岩、泥粒灰岩和颗粒灰岩的“ 膏岩下段” ; 以石膏/硬石膏为主、夹薄层灰岩/白云岩的“ 蒸发岩段” (图2)。

图2 哈萨克斯坦Marsel探区ASSA-2井层序地层综合柱状图Fig.2 Sequence stratigraphic framework of Well ASSA-2 in Marsel block of Kazakhstan

2 高频层序地层划分
2.1 划分依据

高频层序界面是由高频海平面变化产生的非沉积作用面, 包括瞬时暴露间断面和瞬时加深淹没间断面及其相关界面, 识别这些界面是高频层序地层划分的关键。碳酸盐岩台地同一时期、不同位置发育的高频层序界面类型往往有所差异。台内高点、台地边缘等相对高部位对高频海平面变化的响应相对敏感, 在高频海平面下降时期易形成瞬时暴露间断面, 在高频海平面相对上升时期, 易发育瞬时加深淹没间断面。

通过选取自然伽马测井曲线、Th/U值、成像测井等测井资料, 以及岩心和薄片等反映沉积基准面与沉积相变化的基础地质资料, 寻找高频层序界面附近加深淹没标志和瞬时暴露识别标志, 判断高频层序界面类型, 分析其特征, 对高频层序进行准确划分。本次研究以四级层序作为高频层序的研究对象, 一般厚十几米至几十米, 持续地质时间为几万至几十万年, 相当于层序地层学中的准层序组。自然伽马曲线除了具有等间距采样、数据连续性强、纵向分辨率高等特点之外, 对碳酸盐岩地层中泥质含量的变化十分敏感。在研究区内早石炭世构造环境相对稳定的被动大陆边缘碳酸盐岩台地沉积环境中, 泥质含量的周期性变化与高频相对海平面的升降变化具有成因联系, 层序底界瞬时加深淹没面往往表现出自然伽马值突然增大, 而向上变浅沉积序列则一般具有自然伽马曲线呈漏斗型、指型和箱型等高频韵律变化特征, 所以自然伽马曲线可作为识别高频沉积旋回最为有效的手段, 并在高频层序地层研究中得以广泛应用(张占松, 2000; 李霞等, 2006; 伊海生, 2011)。Th值反映风化强度大小, U值反映有机质含量或黏土含量, 往往指示较深水沉积环境(张博等, 2008; 阳孝法等, 2010), 在泥岩地层中U值越高, 水体越深, 还原性越强(张博等, 2008)。Th/U值与沉积环境或水体深度变化相关, 当比值小于2时, 为海相还原环境, 比值大于7时为陆相氧化环境, 比值介于2和7之间时属于过渡环境(李丽等, 2012)。所以, 利用Th/U值变化也可判断高频海平面变化, 从而划分高频层序。此外, 成像测井可清晰地反映层序界面附近溶蚀扩大裂缝、溶蚀孔洞等现象, 岩心和薄片可直观反映岩性岩相变化, 从而为高频层序的划分提供依据。

本次研究通过对全区ASSA-1、ASSA-2、PRDS-18、TGTR-8等16口井开展高频层序研究, 将Marsel探区下石炭统划分为18个高频层序(四级层序), 包括杜内阶的4个高频层序, 维宪阶的8个高频层序和谢尔普霍夫阶的6个高频层序(图 2)。根据Haq和Schutter(2008), 早石炭世从359.2— 317.5, Ma, 历时约41.7, Ma, 其中, 杜内期海平面经历了短期(约14.7, Ma)的回升, 随后密西西比中期(维宪期)至晚期(谢尔普霍夫期)海平面开始下降。本区下石炭统沉积时间为359.2— 323.3, Ma, 历时约35.9, Ma, 在此期间形成的这18个高频层序可基本与Haq和Schutter(2008)建立的克拉通边缘盆地和克拉通盆地下石炭统的上超层序进行良好对比。

图3 Marsel探区下石炭统高频层序界面特征
A— TGTR-8井杜内阶高频层序界面特征; B— PRDS-18井维一段高频层序界面特征; C— ASSA-2井维一段高频层序界面特征; D— TMSK-1井维二段高频层序界面特征; E— ASSA-2井维三段高频层序界面特征; F— TGTR-6井谢尔普霍夫阶高频层序界面特征Fig.3 High-resolution sequence boundary characteristics of the Lower Carboniferous in Marsel block

2.2 典型界面特征

杜内阶形成于早石炭世早期二级海平面快速上升时期, 其内部高频层序界面主要以瞬时加深淹没间断面为主, 该特征在TGTR-8井中最为典型(图 3-A)。伽马值偏高, 曲线整体齿化特征明显, 且呈典型阶梯状, 高频层序界面处曲线回返幅度较大, 电阻率曲线呈箱型或钟型。

维宪阶和谢尔普霍夫阶形成于早石炭世二级海平面缓慢上升— 缓慢下降时期, 其主要高频层序界面类型分别为瞬时加深淹没间断面和瞬时暴露间断面。对于维宪阶, 将维一段划分出2个高频层序, 维二段和维三段各划分出3个高频层序, 各段内部高频层序在不同井中具有不同特征, 下面以典型井为例分析其界面特征。

维一段发育瞬时加深淹没间断面, 界面之下发育以膏岩/膏岩与灰岩或泥岩互层为标志的蒸发台地潮上坪亚相, 界面之上发育以厚层灰色灰岩/深灰色— 黑色页岩为标志的开阔台地潮下亚相, 且界面处CaCO3含量由高变低, GR曲线呈明显高幅尖峰锯齿状(图 3-B, 图3-C)。维二段发育瞬时加深淹没间断面, 界面之下发育以薄层硅质灰岩、泥岩/泥灰岩为标志的局限潟湖亚相, 界面之上发育以灰黑色页岩夹深灰色泥灰岩/薄层膏岩为标志的蒸发潟湖亚相, 且界面处GR值迅速增大, 电阻率值迅速减小, 界面上部地层GR曲线幅度明显降低, 齿化幅度增加, 电阻率曲线齿化程度明显高于下部地层, 呈尖峰锯齿状(图 3-D)。维三段GR曲线整体以变化幅度大, 频率大, 齿化程度高为特征, 高频层序界面处伽马值明显增高, 且上部高频层序GR曲线整体呈明显高幅、尖峰、锯齿状(图 3-E)。维三段下部与中部高频层序之间由浅灰色云质灰岩为标志的局限潮坪亚相, 变为以深灰色泥质灰岩为标志的局限潟湖亚相; 中部与上部高频层序之间由全区分布稳定的中— 厚层(5~15, m)的膏岩为标志的蒸发潮坪亚相, 变为深灰色泥质灰岩/灰岩或黑色泥岩为标志的局限潟湖亚相。

谢尔普霍夫阶自下而上高频层序1和层序2、层序2和层序3的界面类型为岩性岩相转换面, 前者界面处GR值阶跃式突增, 后者GR值变化不明显, 但岩性有明显变化, 由浅灰色灰岩/云质灰岩/膏岩变为灰色泥灰岩(图 3-F)。其余高频层序界面类型均为瞬时暴露间断面, 界面附近往往发育膏岩溶塌层、膏溶角砾岩和肠状构造, 在成像测井表现为亮色块状夹不规则暗色垂直长条状、水平层状分布暗色斑点、垂直暗色斑块状充填亮色“ 砾状” 斑块、模糊亮暗相间条带; 测井曲线上具有井径扩径与电阻率低值等特征, 上部层序界面附近Th/U值常在2~7之间波动, 偶尔大于7, 表明谢尔普霍夫中晚期相对海平面下降, 膏岩及与其相邻发育的碳酸盐沉积物经历了短暂的暴露溶蚀作用过程(图 4)。

图4 ASSA-2井谢尔普霍夫阶中上部高频层序界面溶蚀特征Fig.4 High-resolution sequence boundary dissolution characteristics of the Mid-upper Serpukhovian from Well ASSA-2

3 高频层序地层特征
3.1 高频层序内部特征

3.1.1 杜内阶— 维一段高频层序(PSS1— PSS6)

杜内阶经历了4次周期较短的四级海平面升降变化, 其中第1个高频层序(PSS1)整体构成了三级层序中的海侵体系域, 其余3个高频层序(PSS2— PSS4)与维一段的2个高频层序(PSS5— PSS6)一起构成了三级层序中的高位体系域, 且高位体系域准层序组叠置样式为退积式。杜内阶内部的海侵体系域主要发育局限潟湖亚相, 以发育灰色泥岩、灰色石灰岩与深灰色页岩为特征, 水平层理发育, 含黄铁矿; 构成高位体系域的高频层序以蒸发潟湖亚相为主, 发育白色石膏岩、灰白色— 灰色石灰岩与黑色泥岩互层, 部分地区水体仍然相对较深, 发育以灰色— 深灰色泥质灰岩与深灰色页岩互层为标志的局限潟湖亚相, 局部地区(如TGTR-6、TGTR-8井附近)水体循环相对良好, 发育开阔台地开阔潮下亚相和台内颗粒浅滩亚相(图 5-A, 图5-F)。特别地, 研究区东北部(KNDK-7井附近)维一段上部高频层序发育6套中— 厚层细砂岩层段, 推测可能发育混积潮坪亚相。

3.1.2 维二段高频层序(PSS7— PSS9)

维二段下部(PSS7)和中部(PSS8)高频层序以发育局限台地潟湖亚相为主, 其间界面是二级海平面由上升转为下降的拐点。PSS7发育灰色— 深灰色泥岩(夹灰泥岩)和泥质灰岩, 构成三级层序的海侵体系域。PSS8和PSS9以加积式叠置样式, 构成了三级层序的高位体系域。PSS8发育灰黑色泥页岩与暗色灰岩/泥质灰岩互层, 向上水体相对变浅, 发育灰色硅质灰岩、深灰色石灰岩夹浅灰— 灰色硅质灰岩(图 5-B, 图5-C, 图5-G, 图5-H)。上部高频层序(PSS9)以云质含量相对增高为特征, 主要发育局限潮坪亚相的灰色石灰岩与灰色白云质灰岩/灰色硅质灰岩互层, 局部地区(如PRDS-18, TGTR-6, TGTR-8井)则发育以纯的灰色石灰岩为特征的开阔潮下亚相。

3.1.3 维三段高频层序(PSS10— PSS12)

维三段下部高频层序(PSS10)构成了三级层序的海侵体系域, 自下而上发育局限台地潟湖和潮坪亚相, 局限台地亚相以灰色泥质灰岩与灰色石灰岩互层、灰色泥质灰岩与深灰色泥岩互层为特征; 局限潮坪亚相以灰色硅质灰岩与灰色泥质灰岩、深灰色白云质灰岩互层为特征。中部(PSS11)和上部(PSS12)高频层序呈进积式叠置样式, 构成了三级层序的高位体系域。PSS11主要发育蒸发潟湖亚相, 以浅灰— 灰色石灰岩与暗色泥灰岩、膏岩互层为特征。PSS12以出现开阔潮下亚相和台内礁滩亚相为特征, 发育厚层灰— 灰白色石灰岩、灰色生屑灰岩, 局部相对深水地区(如TMSK-1井附近)则发育以深灰色泥质灰岩与灰色石灰岩互层为特征的局限潟湖亚相(图 5-D, 图5-E, 图5-Ⅰ )。

图5 Marsel探区下石炭统维宪阶岩石学特征
A— 维一段上部高频层序, ASSA-2井, 2605.00~2605.20, m; 2605.00~2605.05, m为深灰色泥质灰岩, 水平层理发育(局限台地潟湖亚相), 2605.05~2605.20, m为灰色生屑泥晶灰岩, 发育波状层理(开阔台地潮下亚相); B— 维二段中部高频层序, TMSK-1井3163.20~3163.55, m, 含泥生屑泥晶灰岩夹灰黑色页岩, 水平层理较发育, 局部可见宽1~3, mm的低角度裂缝, 被方解石全充填; C— 维二段中部高频层序, TGTR-6井, 2830.23~2831.55, m, 深灰色硅质灰岩, 硅质分布不均, 局部可见少量水平纹层发育的泥页岩; D— 维三段中部高频层序顶部, TGTR-8井, 2478.85~2479.10, m, 白色— 灰白色石膏岩, 局部浅褐灰色, 深灰色或透明— 半透明, 局部发育缝合线构造和较多泥质与石膏小碎粒混杂沉积形成的薄层沉积构造; E— 维三段上部高频层序顶部, ASSA-2井, 2326.50~2327.00, m, 灰色生屑灰岩, 浅灰色粉砂质不均匀分布, 生物扰动构造十分发育, 腕足类和棘皮类生屑发育; F— 维一段上部高频层序, ASSA-2井, 2605.95, m, 含藻生屑泥晶灰岩, 生屑主要由棘皮类和介形虫组成, 常见硅质海绵骨针, 开阔台地潮下低能环境; G— 维二段中部高频层序, TMSK-1井, 3163.8, m, 含泥生屑泥晶灰岩, 生屑以棘皮类、介形虫为主, 含少量腕足动物; 岩石颗粒间以有机质含量高的泥质为主, 见少量黄铁矿; H— 维二段中部高频层序, TGTR-6井, 2831.23, m, 含生屑硅质灰岩; I— 维三段上部高频层序顶部, ASSA-2井, 2326.55, m, 含泥生屑 泥晶灰岩, 生屑主要包括棘皮类和腕足类; 粉砂质不均匀分布Fig.5 Visean high-resolution sequence characteristics of the Lower Carboniferous in Marsel block

图6 Marsel探区下石炭统谢尔普霍夫阶岩石学特征Fig.6 Petrologic characteristics of the Serpukhovian of Lower Carboniferous in Marsel block

3.1.4 谢尔普霍夫阶高频层序(PSS13— PSS18)

谢尔普霍夫阶自下而上第3个(PSS15)和第6个(PSS18)高频层序顶部的2套膏岩层十分发育, 别对应于“ 膏岩下段” 底部和“ 蒸发岩段” 顶部, 分部广泛且连续性好, 具有区域可对比性。中部膏岩层5~20, m, 西薄东厚, 北薄南厚, 东北区不甚发育, GR曲线形态整体为光滑的箱型(厚层)或指型(薄层); 顶部膏岩层10~25, m, 南部PRDS-18井附近可厚达40, m, 仍具有西薄东厚, 北薄南厚的特征, GR曲线形态西部为箱型— 漏斗型, 向东逐渐过度为反漏斗型— 指型, 东北部齿化加剧, 反向齿型(图 3-F)。第1— 第3个高频层序下部主要为局限潮坪亚相(灰泥坪、泥坪、云坪), 且第1个高频层序(PSS13)构成了三级层序的海侵体系域, 第3个高频层序上部— 第6个高频层序主要为蒸发潮坪亚相(膏坪、膏云坪)和混积潮坪亚相。第2— 第6个高频层序(PSS13— PSS18)以退积— 进积叠置样式构成了三级层序的高位体系域。值得注意的是, PSS13、PSS15中上部、第5个高频层序(PSS17)顶部, 以及PSS18下部以发育台内浅滩亚相为特征, 主要岩性为含生屑亮晶砂屑粉屑/鲕粒灰岩、含生屑亮晶砂屑白云岩, 生屑为腕足、棘皮类动物和少量苔藓虫(图 6)。

3.2 高频层序纵向演化

通过对ASSA-2井等典型井高频层序地层发育特征进行研究, 认为本区下石炭统在纵向上经历了以下沉积演化过程:杜内期海平面经历了短期(约12.5, Ma)的回升后, 发生短期下降且气候开始变得干热, 由局限潟湖亚相过渡为以维宪初期(PSS5沉积期)沉积的厚层膏岩为标志的蒸发潟湖亚相。之后, 在维宪期约15.8, Ma中, 共发生了8期四级海平面变化。PSS6沉积期, 气候变得温暖潮湿, 晚期颗粒(生屑、砂屑)灰岩较发育。

到了维宪中期(维二段沉积时期), 早期海平面相对上升, 高频层序内部主要发育灰色— 深灰色泥岩(夹灰泥岩)和泥质灰岩为标志的局限潟湖亚相, 之后二级海平面由上升转为下降, 在第2期高频海平面变化控制下沉积相虽仍以局限潟湖亚相为主, 但上部硅质灰岩相对发育, 且顶部发育一厚度约1, m的膏岩, 说明相对海平面发生下降并伴随短暂的气候的干热化过程。维二段沉积晚期, 相对海平面发生下降, 高频层序内沉积相已由局限潟湖亚相变为局限潮坪亚相。维宪晚期(维三段沉积时期), 早期高频层序内部继承性发育局限潟湖— 潮坪亚相, 中期发育蒸发潮坪亚相, 晚期发育开阔台地潮下和生物礁滩相。

在谢尔普霍夫期约7.6, Ma中, 发生了6期四级海平面变化, 前3期高频层序内部主要发育局限潮坪亚相, 第1期、第3期高频层序中上部发育台内浅滩亚相; 后3期四级海平面升降周期整体明显缩短, 形成的高频层序厚度也明显变薄, 主要发育蒸发潮坪亚相, 第6期高频层序下部发育台内浅滩亚相。其中, 第3期和第6期四级海平面相对下降幅度较大, 且气候变得干热, 发育以区域性膏岩为标志的蒸发潮坪亚相。

3.3 高频层序横向分布特征

Marsel探区下石炭统厚度具有西薄东厚、北薄南厚的特征(图7, 图8)。杜内阶整体厚度较薄(不足35, m)且变化不大, 4个四级层序在中部和北部地区发育完整, 主要为局限潟湖亚相沉积, 东北区主要为蒸发潮坪亚相; 西南和东南局部地区缺失。

维宪阶8个高频层序全区发育完整, 且整体厚度差异较杜内阶增加。维一段下部高频层序厚10~35, m, 膏岩普遍发育, 中部TGTR区、ASSA区以及南部PRDS区表现为厚层块状膏岩十分发育, 东北部KNDK区则呈现出膏岩与黑色泥岩/灰白色灰岩互层的特点。维一段上部高频层序厚50~80, m, 具有东厚西薄, 南厚北薄的变化特点, 且东西厚度差异较南北明显。该高频层序中上部在中部ASSA区发育厚十几米的台内浅滩, 其他地区发育局限潟湖亚相, 以浅灰色— 灰色灰岩/泥质灰岩与暗色泥岩/页岩互层为特点。此外, 东北局部地区发育薄层黑色泥岩夹粉砂岩, 据此推测台地东部可能与非海相硅质碎屑和海相碳酸盐岩混积的浅海陆棚毗邻。

维二段的3个高频层序以中部高频层序厚度差异显著, 下部和上部高频层序厚度变化不大为特征。其中, 下部高频层序厚10~15, m, 普遍发育局限潟湖亚相, 仅东北局部地区发育以灰色泥质灰岩夹细砂岩为代表的浅水陆棚相。中部高频层序厚30~90, m, 且东厚西薄, 发育局限台地潟湖— 潮坪亚相, 相对沉积水体呈西浅东深、北浅南深的特点。上部高频层序厚20~80, m, 仍具有东厚西薄的特征, 最厚处在东北KNDK区, 其他地区平均约30, m, 发育以灰色硅质灰岩与灰色灰岩/浅灰色云质灰岩互层为标志的局限潮坪亚相。

维三段的3个高频层序以下部薄、中部和上部较厚为特征。其中, 下部高频层序约10, m, 局部较厚(中部可达45, m, 东部可达30, m), 普遍发育以浅灰色云质灰岩、灰色泥质灰岩、灰色泥灰质泥岩为主的局限潟湖亚相。中部高频层序厚35~75, m, 东部可厚达120, m, 东厚西薄特征明显, 南北厚度差异不大, 具有由局限潟湖— 潮坪亚相向蒸发潮坪亚相过渡的特征。维三段上部高频层序厚25~60, m, 具有西厚东薄的特征, 以局限潟湖亚相的深灰色泥质灰岩发育为特征, 局部地貌高点(ASSA区、PRDS区)发育约15, m厚的台内浅滩亚相。

谢尔普霍夫阶6个高频层序全区发育完整, 单个高频层序厚度一般为十几米至三四十米, 最厚可达70, m。下部3个高频层序整体具有西薄东厚、北薄南厚的特征, 上部3个高频层序可能由于沉降中心发生转移, 沉积厚度整体西厚东薄、南北差异不大。此外, 第3个和第6个高频层序顶部均发育以厚层膏岩为标志的区域性蒸发潟湖和蒸发潮坪亚相。谢尔普霍夫阶下部3个高频层序沉积时期, 西部水体相对较深, 主要发育以深灰色泥灰岩、灰色云质灰岩为主的局限潟湖亚相, 东南地区发育以灰色— 深灰色石灰岩为主的开阔台地潮下亚相。上部3个高频层序沉积时期, 东部水体相对较深, 发育以灰色泥灰岩与深灰色白云质灰岩互层为主的局限潟湖亚相, 西部水体相对较浅, 发育以灰色石灰岩夹薄层灰色— 深灰色泥质灰岩为主的开阔潮下亚相; 东北地区水体相对变浅, 灰色灰岩含量相对增加, 且发育5~10, m厚的颗粒浅滩亚相, 东南地区则发育以大套厚层膏岩为特征的蒸发潮坪亚相和约5, m厚的颗粒浅滩亚相。

图7 Marsel探区下石炭统东西方向高频层序地层对比图Fig.7 High-resolution sequence correlation of the Lower Carboniferous from east to west in Marsel block

图8 Marsel探区下石炭统南北方向高频层序地层对比图Fig.8 High-resolution sequence correlation of the Lower Carboniferous from north to south in Marsel block

4 高频层序地层主控因素

高频层序作为沉积层序的组成部分, 其形成与分布主要受高频海平面变化、盆地沉降速率和沉积速率这3个主要因素的综合控制。此外, 对于碳酸盐岩台地, 气候变化、碳酸盐生物产率或生物演化也是高频层序研究不可忽略的控制因素。

根据前人对研究区以南波尔希卡拉套(Bolshoi Karatau)地区石炭系碳酸盐岩台地的研究结果, 未发现有利证据表明该地区早石炭世周期性相对海平面下降事件为构造成因(Belka et al., 2015)。Marsel探区早石炭世也不发育断裂, 由此推断构造作用并非该地区高频层序发育的主控因素。

从更大的沉积背景来看, 研究区位于台地内部, 沉积速率明显低于其南部位于台地边缘的波尔希卡拉套地区。波尔希卡拉套地区杜内阶沉积速率可达60~100, m/Ma, 维宪阶为35~50, m/Ma, 谢尔普霍夫阶为15~30, m/Ma, 直接导致台地由杜内阶的深水缓坡相和生物骨架丘转变为维宪阶和谢尔普霍夫阶的生物骨架丘和镶边台缘相(Cook et al., 1993)。研究区计算得到杜内阶沉积速率为1.0~3.5, m/Ma, 维宪阶为20.0~28.0, m/Ma, 谢尔普霍夫阶为21.0~35.0, m/Ma, 使得台地内部沉积环境由杜内阶的局限潟湖— 蒸发潮坪相转变为维宪阶局限台地潟湖— 潮坪相和谢尔普霍夫阶的早期开阔地潮下、中期局限潟湖相与蒸发潮坪频繁相交替发育、晚期蒸发潮坪相。特别地, 谢尔普霍夫阶上部高频层序界面上下膏岩岩溶十分发育, 且自下而上岩溶层的厚度逐渐增加, 说明该时期高频层序受高频海平面振荡而频繁进入大气淡水环境, 导致谢尔普霍夫阶高位域沉积体发生溶蚀, 从而形成瞬时暴露间断面。

气候方面, 由于受地幔对流速率变化和板块运动驱动, 地球存在周期为300, Ma的冰室— 温室旋回。在冰室期, 地球两极和赤道间的气候梯度大, 海平面较低, 大气中CO2含量低, 石炭纪在此气候模式中处于冰室期(Fischer, 1982), 海平面相对较低(Hallam, 1984, 1997; Vail et al., 1977)。石炭纪早期全球气候相对温暖, 中期开始出现大冰期, 气候急剧变冷, 海平面发生2次骤降, 每次下降幅度可达约100, m(Schlager, 2005)。整个哈萨克斯坦板块在早石炭世位于北干旱带气候区(Scotese, 2002), 且气候温暖(李江海, 2013), 气候变化曲线呈平缓上升趋势, 从而控制了Marsel探区下石炭统膏岩的发育, 尤其是维宪早期(维一段沉积初期)、晚期(维三段沉积中期)和谢尔普霍夫中期及末期4套区域性膏岩的发育。从全区膏岩的厚度、分布范围和出现的频率推测, 从早石炭世早期到早石炭世晚期, 气候对高频层序的影响逐渐增大。

5 沉积演化

从区域沉积古地理背景来看, Marsel探区在早石炭世位于镶边台地内部, 在早期高频海平面控制、晚期气候和高频海平面共同控制作用下, 先后经历了早期(杜内期)短期局限台地— 蒸发台地, 中期(维宪期)长期局限台地— 蒸发台地, 晚期(谢尔普霍夫期)短期开阔台地— 局限台地— 蒸发台地这3期沉积演化过程, 形成了以局限台地为主要沉积背景, 局部地貌高点继承性发育零星分布的颗粒浅滩和礁滩复合体, 且在一定的周期性气候控制下广泛发育蒸发台地的沉积格局。

杜内期(PSS1-PSS4)主要为局限台地潟湖、潮坪沉积, 以暗色泥岩、页岩和泥灰岩沉积为主(图9-A)。东部、西部和北部局部地区发育微弱隆起和滨岸沉积, 具有东高西低的地貌特征。此时气候较温暖和干旱, 东北部地区局部发育膏岩。

维宪初期(PSS5-PSS6)海水快速侵入, 气候相对干热, 维一段大面积发育蒸发潟湖沉积的膏岩、泥灰岩和灰岩, 西部和北部局部地区发育浅滩(图9-B)。维宪中晚期(PSS7-PSS12)为快速海侵— 缓慢海退时期, 整体为局限台地沉积, 北部大部分地区发育台内浅滩和礁滩复合体沉积(图9-C, 9-D)。

谢尔普霍夫早期由于快速海侵, 发育开阔台地; 中晚期随着海水退去, 气候变得干热, 先后以局限台地和蒸发台地沉积为主, 西北部地区为蒸发台地, 东北和中南部局部地区发育以膏岩、盐岩为主的蒸发潮坪亚相, 北部地区仍发育台内浅滩和礁滩复合体, 但面积均有所萎缩(图9-E)。

图9 Marsel探区早石炭世岩相古地理Fig.9 Lithofacies palaeogeography of the Early Carboniferous in Marsel block

6 结论

1)哈萨克斯坦Marsel探区下石炭统共可划分出18个高频层序, 包括杜内阶的4个高频层序, 维宪阶的8个高频层序(维一段2个高频层序、维二段和维三段各3个高频层序)和谢尔普霍夫阶的6个高频层序。杜内阶和维宪阶高频层序界面类型以瞬时加深淹没间断面为主, 谢尔普霍夫阶高频层序界面类型主要为瞬时暴露间断面。

2)高频层序内部主要发育局限潟湖和局限潮坪亚相, 其次为开阔台地潮下、蒸发潮坪、蒸发潟湖亚相和台内礁滩亚相。局限潟湖以暗色泥岩与灰色泥质灰岩、灰色— 深灰色石灰岩互层, 或深灰色页岩与深灰色泥灰岩互层为特征。局限潮坪以浅灰色白云质灰岩与灰色硅质灰岩互层、灰色石灰岩与深灰色白云质灰岩互层为特征。开阔台地潮下以厚层浅灰色石灰岩发育为特征。蒸发潮坪以灰白色石灰岩与暗色泥岩、膏岩互层, 或浅灰色— 灰色石灰岩、深灰色白云质灰岩与石膏岩互层为特征。蒸发潟湖以厚层石膏岩与灰色泥岩伴生为特征。台内礁滩亚相, 以几米至十几米厚的浅灰色— 灰色颗粒灰岩为特征。

3)杜内期海平面经历了短期(约12.5, Ma)的回升后, 发生短期下降且气候开始变得干热, 沉积相由局限潟湖亚相过渡为以维宪初期的蒸发潟湖亚相。维宪期约15.8, Ma中, 共发生了8期四级海平面变化。维宪期在四级海平面相对上升阶段, 主要发育局限潟湖亚相, 四级海平面相对下降阶段, 主要发育局限潮坪、浅滩和生物礁滩亚相, 维宪中晚期高频层序顶部常发育蒸发潮坪和生物礁滩亚相。谢尔普霍夫期约7.6, Ma中, 发生了6期高频海平面变化, 前3期高频海平面上升阶段主要发育局限潮坪亚相, 下降阶段发育台内浅滩亚相; 后3期高频海平面升降周期整体明显缩短, 相对上升阶段主要发育生物礁滩亚相, 相对下降阶段主要发育蒸发潮坪亚相, 且高频层序界面上下膏岩和碳酸盐岩岩溶十分发育。

4)横向上, 下石炭统整体具有西薄东厚、北薄南厚的特征。杜内阶和维一段高频层序在中部和北部地区发育完整, 且厚度较薄。维宪中晚期(维二段第2个高频层序至维三段第2个高频层序沉积期), 高频层序地层厚度差异增大。谢尔普霍夫阶从早期(下部3个高频层序沉积期)到晚期(上部3个高频层序沉积期), 高频层序厚度由西薄东厚、北薄南厚, 变为西厚东薄、南北均厚。

5)Marsel探区在早石炭世位于镶边台地内部, 从杜内期— 维宪期— 谢尔普霍夫期, 经历了局限台地— 蒸发台地、局限台地— 蒸发台地、开阔台地— 局限台地— 蒸发台地3期沉积演化过程, 早期(杜内期— 维宪期中期)的高频层序和沉积演化主要受海平面变化控制, 晚期(维宪晚期— 谢尔普霍夫期)气候的控制作用明显增强, 先后共发育4套区域性膏岩层。

The authors have declared that no competing interests exist.

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