陈浩, 黄继新, 常广发, 武军昌, 孙天建. (2018)基于全岩心CT的遗迹化石识别及沉积环境分析:以加拿大麦凯Ⅲ油砂区块为例* [J]. 古地理学报, 20(4): 703-712
Chen Hao, Huang Ji-Xin, Chang Guang-Fa, Wu Jun-Chang, Sun Tian-Jian. (2018)Ichnology identification and sedimentary enviorment analysis based on CT scanning: A case study from Mackay Ⅲ oil sands,Canada[J]. Journal Of Palaeogeography, 20(4): 703-712.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2018.04.051
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基于全岩心CT的遗迹化石识别及沉积环境分析:以加拿大麦凯Ⅲ油砂区块为例*
陈浩1, 黄继新1, 常广发2, 武军昌1, 孙天建1
1 中国石油勘探开发研究院,北京 100083
2 中国石油加拿大公司,卡尔加里 AB T2P 1V8

第一作者简介： 陈浩,男,1991年生,博士研究生,主要从事开发地质研究。E-mail: chen19613@petrochina.com.cn。

收稿日期:2018-02-01
基金资助:*国家科技重大专项(编号: 2016ZX05031),国家自然学科基金(编号: 41472119)联合资助;
摘要

遗迹化石研究对于沉积环境分析具有重要意义。以加拿大麦凯 Ⅲ油砂区块下白垩统 McMurray组为研究对象,利用高分辨率岩心照片和全岩心 CT扫描资料,在确认研究目的层遗迹化石发育属种、单体规模、组合类型及指相特征的基础上,分析了主力油砂层的沉积环境。结果表明: 目的层发育遗迹化石 10属 12种,包括Asterosoma isp.,Chondrites isp.,Diplocraterion isp.,Ophiomorpha nodosa,Palaeophycus tubularis,Planolites beverleyensis,Planolites isp.,Rosselia isp.,Skolithos verticalis,Skolithos isp.,Teichichnus isp.,Thalassinoides isp.;根据遗迹化石产状与围岩沉积特征,建立了Ophiomorpha-Skolithos、Asterosoma-Chondrites-Rosselia和Teichichnus-Rosselia￣Thalassinoides共 3种遗迹组合,分别代表潮间带、潮下带以及浅海陆棚沉积环境中的遗迹化石组成特征。研究区油砂层优质储油砂体为潮间带沉积产物,潮汐砂坝、潮成砂脊为沥青的主要储集体。本研究既体现了全岩心 CT资料在遗迹化石研究中的应用,也为潮坪沉积环境分析提供了有益参考。

关键词: 加拿大; 油砂; 下白垩统; CT扫描; 遗迹化石
中图分类号:Q911.28 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2018)04-0703-10
Ichnology identification and sedimentary enviorment analysis based on CT scanning: A case study from Mackay Ⅲ oil sands,Canada
Chen Hao1, Huang Ji-Xin1, Chang Guang-Fa2, Wu Jun-Chang1, Sun Tian-Jian1
1 Research Institute of Petroleum Exploitation and Development,PetroChina, Beijing 100083
2 PetroChina Canada,Calgary AB T2P 1V8

About the first author： Chen Hao,born in 1991,is a Ph.D. candidate. He is engaged in research of development geology. E-mail: chen19613@petrochina.com.cn.

Fund:Co-funded by the National Science and Technology Major Project of China(No.2016ZX05031)and the National Natural Science Foundation of China(No.41472119)
Abstract

Ichnology provides a basis for identification and analysis of depositional environment. Taking the Lower Cretaceous McMurray Formation,Mackay Ⅲ oil sands,Canada as an example,the sedimentary environments of the reservoir were studied with respect to trace fossils' species,size,associations,and facies indicators by high-resolution core photos and CT data. Results indicate that there are 12 species of ten genera in the Middle and Upper McMurray Formation,including Asterosoma isp., Chondrites isp., Diplocraterion isp., Ophiomorpha nodosa, Palaeophycus tubularis, Planolites beverleyensis, Planolites isp., Rosselia isp., Skolithos verticalis, Skolithos isp., Teichichnus isp.,and Thalassinoides isp.. According to the features of these fossils and surrounding lithology,three combinations, including Ophiomorpha-Skolithos, Asterosoma-Chondrites-Rosselia and Teichichnus-Rosselia-Thalassinoides, are established,representing intertidal,subtidal and shallow-marine environments respectively. Sand bodies in reservoir were deposited in the intertidal setting,being the main accumulation of hydrocarbon. This study not only reflects the superiority of CT data,but also provides a reference for recognizing the tidal flat environments.

Key words: Canada; oil sands; Lower Cretaceous; CT scanning; trace fossils

遗迹化石是指地史时期生物的生命活动在沉积物和其他底质中留下的痕迹(Gingras et al., 2012; 张立军和范若颖, 2016)。由于遗迹化石大都是原地埋藏, 因此在实体化石和其他沉积构造不发育的地层中其更有优势; 另外, 作为扰动构造, 遗迹化石常对无机的沉积构造具有破坏作用(王海邻等, 2017)。因此, 遗迹化石在古环境、古生物、古生态和古气候的重建及油气和固体矿产资源的勘探开发工作中具有重要作用(范若颖和龚一鸣, 2017)。

传统的遗迹化石研究手段主要为岩心描述和野外露头考察。Pemberton和Gingras(2005)开展了加拿大阿尔伯达省内阿萨巴斯卡河岸露头研究, 以下白垩统McMurray组下段河流沉积为研究对象, 根据遗迹化石研究成果, 有效地指导了地层划分。随后, Gingras等(2011)以McMurray组中段为对象, 结合野外露头观测结果, 根据遗迹化石组合特征, 将该段地层划为三角洲平原沉积体系。然而, 受限于单一的研究手段, 传统遗迹化石研究所取得的成果普遍受到人为主观性的影响, 且无法观察到地层内部遗迹化石的特征。为克服这样的困难, 笔者基于麦凯Ⅲ 油砂区内9口取心井的岩心和全岩心CT扫描资料(4-33井), 开展了层面和层内遗迹化石属种识别、发育规模、组合类型和指相特征等方面的研究。

全岩心CT扫描资料具有传统岩心描述和露头观察等研究手段不可比拟的优势。其一, CT扫描能够在不破坏岩心的前提下, 观察并研究岩心内部的遗迹化石; 其二, 利用CT扫描三维图像, 可以多角度地分析遗迹化石的几何形态与空间分布, 进而能够有效提升遗迹化石类型识别与定量表征的精度。

1 地质概况

加拿大麦凯Ⅲ 区块位于西加拿大盆地东部的斜坡带, 油砂资源丰富, 预测资源量可达1.79× 108it, 具有良好的资源潜力(Mukhametshina and Hascakir, 2014)。研究区为北西单斜构造, 断层不发育(McCrossan and Porter, 1973)。含油层段为白垩系Mannville群的McMurray组海陆交互相砂岩。McMurray组与下伏泥盆系碳酸盐岩地层呈角度不整合接触, 上覆第四系松散沉积物(Flach and Mossop, 1985)(图 1)。McMurray组平面展布受控于古地貌, 厚度分布不均匀, 平均厚度为50m(Fustic et al., 2012)。储集层净毛比 0.1~0.8, 平均 0.4, 孔隙度13%~37%, 含油饱和度54%~83%, 油砂重度6° ~10° API, 黏度300~400i000 cp。

图 1 加拿大麦凯Ⅲ 油砂区块地理位置及垂向地层关系Fig.1 Location and strata volume of Mackay Ⅲ oil sands, Canada

根据岩石类型、接触关系、垂向序列以及生物扰动程度, 结合区域构造背景, 认为研究区目的层为海侵背景下潮汐作用的沉积产物, 经历了完整的水进水退沉积旋回。研究区内下白垩统McMurray组可分为MCMR段和WBSK段, 其中MCMR段可细分为2个小层(小层②和③), WBSK段可细分为3个小层(小层④, ⑤和⑥)(图 2)(Labrecque et al., 2011; 刘亚明等, 2017)。泥盆系小层①主要发育灰白色碳酸盐岩, 与上覆目的层段呈不整合接触, 基本不含沥青。小层②和小层⑥分别为MCMR段和WBSK段油砂层, 层内以细— 粉砂岩为主, 偶见泥质粉砂岩和生物扰动粉砂岩;

图 2 加拿大麦凯Ⅲ 油砂区块4-33取心井下白垩统McMurray组测井曲线及岩心照片
①— 泥盆系; ②— MCMR油砂层; ③— MCMR生物扰动段; ④— WBSK泥岩段; ⑤— WBSK生物扰动段; ⑥— WBSK油砂层。小层③和小层⑤是文中研究的主要对象Fig.2 Logging curves and core photos of the Lower Cretaceous McMurray Formation of Well 4-33 in Mackay Ⅲ oil sands, Canada

小层②中砂体由于沥青饱和度较高, 呈深黑色, 为研究区内的主力储集层; 小层⑥中砂体基本不含沥青, 呈淡黄色, 为次要储集层。小层③和小层⑤分别为海侵和海退过程中生物扰动较为发育的层段, 以暗棕色泥质粉砂岩和粉砂质泥岩为主, 是文中研究的主要对象。小层④则为海平面最高时期发育的泥质沉积, 主要由暗色泥岩组成。

2 遗迹化石特征

文中以研究区内所有取心井中的小层③和小层⑤内的遗迹化石为研究对象。研究过程中, 首先根据岩心照片观察层面遗迹化石特征(图 3); 其次, 利用全岩心CT扫描观察层内遗迹化石; 最后, 综合上述2项研究资料, 通过对比遗迹化石的形态、可能发育的沉积环境以及种属间的相互关系(Gerard and Bromley, 2008; Pemberton, 1998), 识别出麦凯Ⅲ 区块下白垩统油砂层中发育的10属12种遗迹化石, 并分类统计了部分遗迹化石的发育规模(表 1)。各种属遗迹化石特征分述如下:

表 1 加拿大麦凯Ⅲ 油砂区块4-33井中下白垩统McMurray组遗迹化石发育规模 Table 1 Scales of trace fossils of the Lower Cretaceous Formation in Well 4-33 of Mackay Ⅲ oil sands, Canada

图 3 加拿大麦凯Ⅲ 油砂区块取心井中下白垩统McMurray组遗迹化石识别
A— 12-32井, 164.5~166.45m; B— 5-4井, 166~167.75m; C— 4-32井, 173.60~176.85m; D— 4-32井, 164.15m; E— 4-32井, 164.65~165.50m; F— 5-4井, 173.5m; G— 8-32井, 161.80~163.10m; H— 5-4井, 185.25m; I— 4-33井, 179.75m; J— 8-33井, 183.90m; K— 10-32井, 166.25m。 As=Asterosoma, Ch=Chondrites, D=Diplocraterion, Op=Ophiomorpha, Pa=Palaeophycus, Pl=Planolites, Sk=Skolithos, RO=Rosselia, Te=Teichichnus, Th=Thalassinoides, DML=双泥披层, Bi=双壳类Fig.3 Identification of trace fossils of the Lower Cretaceous McMurray Formation in cored wells of Mackay Ⅲ oil sands, Canada

2.1 星状迹属 Ichnogenus Asterosoma

呈水平到倾斜的玫瑰花状, 围绕轴柄顶部球茎形潜穴丛生, 单个直径小于2cm。发育在中浅层, 为进食迹, 指示潮下带或下临滨沉积环境(Schlirf, 2003; Bradshaw, 2010)。与其伴生的遗迹化石有Chondrites, Rosselia, Paleophycus, Planolites, Teichichnus等。Rosselia和Asterosoma在岩心上的区别在于前者为单边纺锤状(图 3-J, 表 1), 后者为椭圆形多层构造(图 3-A, 3-H)。

星状迹未定种Asterosoma isp.

仅在岩心剖面上观察到(图 3-A, 3-G), 椭圆状、多纹层, 直径为3~6cm。发育于粉砂质泥岩中, 充填物以粉砂岩为主。遗迹化石平行于层面发育。

2.2 丛藻迹属 Ichnogenus Chondrites

垂直轴柄状分支的倾斜和水平潜穴横向的分支(Y形状), 没有二分支式。直径小于3mm。发育在中浅层砂质泥岩中, 为进食迹或居住迹, 分布于整个海洋环境中。与其伴生的遗迹化石有Paleophycus, Teichichnus, Thalassinoides等(Uchman et al., 2012)。

柱形迹未定种Chondrites isp.

垂直潜穴, 无衬壁, 穴壁粗糙或有挖掘痕, 直径10~12mm, 孔径均匀, 长10~13cm。发育在砂泥岩交互沉积物之中, 填充物与围岩相同, 内迹保存(图 3-B, 3-F)。

2.3 双杯迹属Ichnogenus Diplocraterion

垂直U 型潜穴, 管穴直径小于20mm, 累计宽度20~100mm, 常发育于泥质砂岩中, 泥岩中偶尔也能观察到。该属遗迹化石常见于滨海环境中, 也可指示潟湖和潮间带沉积环境。伴生的遗迹化石有Teichichnus, Ophiomorpha, Skolithos等。

双杯迹未定种Diplocraterion isp.

管径较小, 不超过20mm, 发育多层衬壁, 常见于泥质砂岩和纹层状泥岩中, 对沉积结构有一定的破坏作用。内迹保存(3-I)。

2.4 蛇形迹属 Ichnogenus Ophiomorpha

垂直— 倾斜柄轴连接, 水平分叉呈T型和Y型, 可见泥质瘤状凸起衬壁, 被动砂岩充填。直径5~100mm, 长0.5~5m。发育于较为纯净的砂岩或泥质砂岩之中, 以居住迹为主, 常见为内迹保存、可穿层。指示砂坪、潮间带或前滨沉积环境。与其伴生的遗迹化石有Skolitos和Planolite等。

节状蛇形迹种 Ophiomorpha nodosa

垂直或近垂直分布, 衬壁较薄, 为1~2mm, 遗迹直径5~20mm, 长度可达20cm。发育于细砂岩之中, 内迹保存(图 3-K; 表 1)。

2.5 古藻迹属 Ichnogenus Palaeophycus

水平至倾斜的潜穴, 分支较少。孔壁光滑, 薄衬壁, 轴向有条纹线, 横断面为扁圆状。充填物与围岩相同, 层理类似。直径5~20mm, 长度2.8~15cm, 衬壁厚度小于2mm。发育于泥质砂岩和泥岩中, 为居住迹, 在潮下带和陆棚环境中均有发现。与其伴生的遗迹化石有Asterosoma, Rosselia, Phycosiphon, Planolite, Teichichnus等。

管状古藻迹 Palaeophycus tubularis

岩心剖面与CT扫描图像均可识别。平行于层面发育, 微弯曲, 衬壁厚1mm左右, 孔径3~6mm, 平均长度为58mm。主要发育在相对较厚的泥岩中, 表迹和内迹保存(图 3-C; 表 1)。

2.6 漫游迹属 Ichnogenus Planolites

水平— 倾斜的回填, 没有分叉, 无衬壁, 无结构充填且与周围沉积物不同, 直径1~8mm, 发育在中浅层泥岩或泥质砂岩中, 为觅食迹(Knaust et al., 2014)。该属在所有水体中均有发现, 因而指相性较弱。目前已识别出的遗迹种主要有7种, 它们主要是根据潜穴的大小、弯曲程度和穴壁纹饰等特征来区分(Keighley and Pickerill, 1997)。

伯弗利漫游迹 Planolites beverleyensis

潜穴直或稍弯曲, 亚圆状水平管, 沿层面分布, 直径4~8mm, 平均长5.3cm。潜穴表面光滑, 有叠覆现象, 填充物岩性与围岩相同或不同, 颜色深于围岩, 大多单独出现在泥岩或粉砂岩中, 表迹保存(图 3-B; 表 1)。

漫游迹未定种Planolites isp.

潜穴直或微弯曲, 亚圆状水平管, 沿层面分布, 直径3~10mm, 长5~14cm。填充物岩性与围岩不同, 颜色深于围岩, 大多单独出现在泥岩或粉砂岩中, 表迹和内迹保存(图 3-K; 表 1)。

古藻迹与漫游迹的区别在于孔壁内衬和孔内充填物。前者为重力作用下在广口、有内衬的孔中被动充填, 且其充填物与围岩一致(Pemberton and Frey, 1982; Hofmann et al., 2015)。

2.7 罗塞尼迹属 Ichnogenus Rosselia

有壁, 漏斗状或球状, 不规则的层状泥质充填, 通常为砂或泥衬壁, 沉积层理发育较差。在横剖面, 茎部为圆状至次圆状, 直径可达20~100mm, 总长度不超过1m。发育在中浅层泥质砂岩中, 为多毛目环节动物的居住迹, 指示潮下带或下临滨沉积环境(Nara, 1995)。与其伴生的遗迹化石有Asterosoma, Paleophycus, Rosselia, Teichichnus等。

罗塞尼迹未定种Rosselia isp.

单边纺锤状, 内部层状结构发育, 茎部保存较好, 上部被破坏, 最大直径为7cm, 长度12cm。常见于泥质粉砂岩中, 充填物多为泥岩, 与围岩的密度、颜色差别明显。内迹保存(图 3-E, 3-J; 表 1)。

2.8 石针迹属 Ichnogenus Skolithos

垂直的柄轴, 没有分叉, 较少发育衬壁, 直径小于10mm, 长度最大可达1m。发育在中浅层的砂岩或泥岩中, 主要为居住迹。该属分布非常广泛, 在下古生界中更为常见。

垂直石针迹 Skolithos verticalis

垂直或微弯近垂直潜穴, 直径1.2~2mm, 长1~1.5cm。发育在灰黄色泥质粉砂岩中, 充填物为暗色泥岩。开放式居住潜穴, 内迹保存(图 3-A, 3-K; 表 1)。

石针迹未定种 Skolithos isp.

直— 微弯的细圆管状潜穴, 无分枝, 直径较细, 2~3mm, 长20~60mm。发育在厚层泥岩、粉砂岩中, 充填物为粉砂质泥岩, 潜穴与沉积层面垂直, 内迹保存(图 3-B, 3-C)。

2.9 墙迹属 Ichnogenus Teichichnus

向上或者向下(较少)垂直紧密叠合的凹形, 岩心剖面发育新月形纹层。纵向上表现为向上融合的波状、长型纹层。厚度10~30mm, 长度50~100mm。主要发育在泥质砂岩和粉砂质泥岩中, 为觅食迹。通常发现于潮下带或下临滨、陆棚环境。与其伴生的遗迹化石主要有Asterosoma, Paleophycus, Rosselia等。

墙迹未定种 Teichichnus isp.

墙迹未定种并不多见, 但特征突出。多为向上凸起的新月形叠加纹层, 厚20~30mm, 宽10~30mm, 主要发育在泥质砂岩和粉砂质泥岩中, 平行层面, 表迹和内迹保存(图 3-D, 3-F; 表 1)。

2.10 海生迹属 Ichnogenus Thalassinoides

水平迷宫状和蜂窝状构造, Y型和T型分叉, 无衬壁, 被动充填。直径10mm以上, 发育于中层的泥质砂岩— 泥岩中, 指示潮下带或远滨沉积环境。与其伴生的遗迹化石有Paleophycus, Teichichnus, Asterosoma等。

海生迹属未定种 Thalassinoides isp.

仅在岩心照片剖面上观察到, 多个网孔状结构, 直径可达10mm。主要发育在暗色泥岩中, 对泥质沉积层理有明显的破坏作用(图 3-E, 3-F)。

研究过程中可以发现, 岩心照片仅能从剖开的二维平面上观察遗迹化石特征, 但从表 1中可以看出, 由于部分层段被沥青染成深黑色, 导致从岩心剖面上难以观察到遗迹化石信息, 使得其具有一定的局限性。而CT资料不仅能有效避免这样的情况, 还能从三维剖面上多角度地开展遗迹化石识别及发育形态特征和大小规模研究, 这不仅可挖掘出更多有效信息, 又能保证研究结果的精度和准度。

3 遗迹化石组合及沉积环境

基于已识别出的遗迹化石类型, 观测并分析了CT扫描的单筒岩心三维图像。在利用CT值过滤掉密度较低的砂质沉积后, 可以清晰地观察到遗迹化石的空间组合关系。综合遗迹化石发育规模及围岩特征, 建立了Ophiomorpha-Skolithos、Asterosoma-Chondrites-Rosselia和Teichichnus-Rosselia￣Thalassinoides 共3种遗迹化石组合, 分别指示潮间带、潮下带和浅海陆棚沉积环境(表 2)。

表 2 加拿大麦凯Ⅲ 油砂区块 4-33井下白垩统McMurray组遗迹化石组合特征 Table 2 Trace fossils association of the Lower Cretaceous McMurray Formation in Well 4-33 of Mackay Ⅲ oil sands, Canada

从研究区的9口取心井照片和室内岩心分析结果可以发现, 研究区目的层岩性以细砂岩为主, 在沉积转换面处泥质含量增加, 生物扰动作用增强。Ophiomorpha-Skolithos归属于Skolithos遗迹相, Asterosoma-Chondrites-Rosselia和Teichichnus-Thalassinoides-Rosselia归属为Cruziana遗迹相。Ophiomorpha-Skolithos遗迹组合指示潮间带, 该相带内沉积物同时受河流和潮汐作用的影响, 属高能沉积, 主要发育潮汐砂坪和潮成砂脊沉积微相, 岩石粒度相对较粗, 发育大型交错层理和平行层理, 富含沥青。该区域生物遗迹的保存条件较差, 地层中遗迹化石类型较为单一, 丰度不高。Asterosoma-Chondrites-Rosselia 遗迹组合指示水动力条件相对较弱的潮下带, 研究区内以泥坪沉积微相为主, 该微相以潮汐层偶为典型特征, 砂质和泥质沉积物呈垂向周期性叠置, 泥质含量高, 可见脉状层理、波状层理和透镜状层理等潮汐成因层理(Musial, 2012)。由于营养物质丰富, 光照充足, 含氧量较高, 沉积环境较为稳定, 这为生物活动和生物遗迹保存提供了有利条件, 使得该相带内遗迹化石保存的种类多、丰度高、生物扰动程度最为强烈。Teichichnus-Rosselia-Thalassinoides遗迹组合则指示浅海陆棚沉积环境, 该环境由于水体加深, 含盐量增加, 沉积物以纯泥质为主, 因此尽管保存条件最好, 但因生物活动减弱, 导致地层中所呈现的遗迹化石类型较为单一, 丰度也较低。

根据3种遗迹化石组合特征, 结合地层垂向发育情况, 认为研究区油砂层内优质砂体主要形成于潮间带沉积环境, 该相带内发育的潮汐砂坝、潮成砂脊微相为沥青的主要储集体(图 4)。

图 4 加拿大麦凯Ⅲ 油砂区块下白垩统McMurray组沉积环境及遗迹组合特征Fig.4 Sedimentary environment and ichnology association of the Lower Cretaceous McMurray Formation in Mackay Ⅲ oil sands, Canada

4 结论

1)全岩心CT扫描资料能在不破坏岩心的前提下, 同时从二维和三维尺度完成遗迹化石的属种识别、发育形态和空间规模等研究工作, 与利用岩心照片或露头等二维尺度资料的研究相比, 该研究结果的可靠性大大提高。利用全岩心CT资料开展精细的岩心观察工作, 对于认识并进一步改造油气藏具有重要意义。

2)加拿大麦凯Ⅲ 油砂区块下白垩统McMurray组内发育遗迹化石10属12种: Asterosoma isp., Chondrites isp., Diplocraterion isp., Ophiomorpha nodosa, Palaeophycus tubularis, Planolites beverleyensis, Planolites isp., Rosselia isp., Skolithos verticalis, Skolithos isp., Teichichnus isp., Thalassinoides isp.。

3)建立了Ophiomorpha-Skolithos, Asterosoma-Chondrites-Rosselia和Teichichnus-Rosselia-Thalassinoides共3种遗迹组合, 第1种组合可归属于Skolithos遗迹相, 后2种组合可归属为Cruziana遗迹相, 3者分别指示潮间带、潮下带以及浅海陆棚沉积环境。

4)根据研究区沉积背景、目的层岩相特征、地层发育情况, 在讨论3种遗迹化石组合所指示的沉积环境基础之上, 认为研究区油砂层优质砂体为海侵背景下潮间带的沉积产物, 该沉积相带内所发育的潮汐砂坝、潮成砂脊为沥青的主要储集体。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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