研究区肖尔布拉克组主要发育与蓝细菌(藻)有关的微生物(藻)白云岩、藻砂屑白云岩和粒泥白云岩, 其中微生物岩为最主要的岩类(Riding, 2000; 梅冥相, 2007; Nokffe et al., 2011; 罗平等, 2013), 其又可分为层纹石、凝块石、泡沫绵层石、叠层石、核形石/藻团粒(图 4)。

1)层纹石白云岩。主要发育于肖下1和肖下2亚段。裸眼观察发现, 层纹石白云岩具有微波状水平层理, 岩层面不连续散布直径5~15icm、高1~3icm拱形的微生物生长建造, 具有均一暗色纹层和明暗相间纹层2种结构。显微镜下(图 4-a), 暗色纹层主要由泥— 粉晶白云石(a1)构成, 局部能见到分布均匀且具有近水平方向的暗色微生物残留丝状体(a2), 亮色纹层由粉— 细晶白云石构成(a3), 见少量溶孔。明暗相间纹层反映了微生物的生活状况及自然条件的周期变化。整体而言, 下部暗色纹层比例大, 上部亮色纹层比例大。

2)凝块石白云岩。主要发育于肖下2和肖下3亚段。裸眼观察(图 4-b)发现, 凝块石白云岩主要由不规则暗色斑块(b1)和亮色斑块(b2)组成, 其通常是蓝绿藻类微生物在生命活动过程中沉淀并粘结灰泥而成的。显微镜下(图 4-c), 暗色斑块由泥— 粉晶白云石构成(c1), 亮色斑块(c2)由细晶白云石构成, 几乎未保留原始生物结构。亮色斑块比例整体向上逐渐增大。凝块石白云岩是研究区肖尔布拉克组主要储集岩之一, 以顺层发育的毫米— 厘米级溶蚀孔洞为主, 并主要出现在亮色斑块中。

3)泡沫绵层石白云岩。泡沫绵层石可以定义为由泡沫状蓝细菌组成的海绵状格架, 为泥粉晶结构且叠置成叠层构造, 海绵状格架内发育大量空腔, 被亮晶白云石充填或半充填(宋金民等, 2014)。该类岩石发育于肖上1亚段。裸眼观察可见, 毫米级球状、椭球状孔隙(d1)均匀分布(图 4-d), 其外形像泡沫绵, 又呈层状分布, 故文中也以泡沫绵层石命名该类岩石。显微镜下(4-e), 球状蓝藻的轮廓完好保留, 具有泥晶套的藻环大小均匀, 紧密排列, 环内腔体多被粉晶白云石充填, 保留下来的孔隙有圆形的环内体腔孔(e1)、不规则格架孔(e2)和藻屑铸模孔(e3)。

4)核形石白云岩。主要发育于肖上1亚段。宏观层理特征不明显; 显微镜下(图 4-f), 核心主要为藻屑, 微生物包绕核心呈不规则圈层生长, 构成形态不规则的核形石(f1), 大小也不均, 核形石间的孔隙被明亮细晶白云石胶结或半胶结(f2), 整体反映低能沉积环境。

5)叠层石白云岩。主要发育于肖上1和肖上2亚段。裸眼观察, 既有较大起伏的丘状叠层石, 一般直径50~60icm、高20~30icm, 也有起伏较小的层状叠层石。显微镜下(图 4-g), 叠层石都具有不均匀的明暗纹层特征, 亮色纹层主要为粉晶白云岩(g1), 为海水中矿物沉淀、胶结而成, 而暗色纹层具有2种特征: 一种是暗色纹层以微生物聚集、生长为主, 捕获的藻屑很少, 格架孔隙很少发育(g2), 另一种是微生物捕获了较多的藻屑, 叠层之间的孔隙则相对发育。

6)藻砂屑白云岩。主要发育于肖上1亚段的下部、上部, 少量发育于肖上2亚段。裸眼观察, 一般具有水平层理, 局部可见交错层理, 颗粒结构特征不明显; 显微镜下(图 4-h, 4-i), 多数藻屑颗粒结构没有保留, 因此主要表现为晶粒结构, 但从少量保留了原岩颗粒结构或残留颗粒幻影结构特征(h1, g1)可以推断原岩为藻砂屑白云岩, 粒间被亮色粉— 细晶白云石胶结或半胶结(h2)。

7)粒泥/泥晶(泥质)白云岩。研究区的粒泥白云岩主要发育于肖上2亚段, 具有水平层理, 显微镜下基质以泥— 粉晶白云石为主(图 4-i), 颗粒含量小于50%, 大小不均匀, 多具有泥晶套, 颗粒内部多被粉晶白云石充填, 局部见生物碎屑, 如三叶虫碎屑等, 整体呈漂浮状。泥晶白云岩或含泥质泥晶白云岩主要呈浅灰— 褐灰— 土黄色, 整体泥质含量高, 多具水平纹层, 显微镜下颗粒含量一般小于5%。

图 4

Fig.4

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图 4 塔里木盆地肖尔布拉克露头区下寒武统肖尔布拉克组白云岩类型及特征 a— 层纹石白云岩, 肖下1亚段, 东沟剖面, 铸体, 单偏光; b— 凝块石白云岩, 不规则明暗块体组成, 肖下3亚段, 东3沟剖面; c— 不等晶白云岩, 见斑块状凝块石白云岩, 肖下3亚段, 东1沟剖面, 铸体, 单偏光; d— 泡沫绵层石白云岩, 溶孔均匀发育, 肖上1亚段, 东1沟剖面, 手标本柱塞; e— 泡沫绵层石白云岩, 溶孔较均匀发育, 东3沟剖面, 肖上1亚段, 铸体, 单偏光; f— 核形石白云岩, 残留粒间溶孔, 肖上1亚段, 东3沟剖面, 铸体, 单偏光; g— 叠层石白云岩, 肖上1亚段, 西1沟剖面, 铸体, 单偏光; h— 藻砂屑白云岩, 粒间溶孔较发育, 肖上1亚段, 东2沟剖面, 铸体, 单偏光; i— 粒泥白云岩, 肖上2亚段, 东3沟剖面, 铸体, 单偏光Fig.4 Dolostone types and features of the Lower Cambrian Xiaoerblak Formation at Xiaoerblak outcrop in Tarim Basin

不同类型岩石具有不同的沉积构造, 研究区自下而上共识别出6种主要的沉积构造, 指示水体向上逐渐变浅及“ 弱-强-弱” 的水动力环境。

1)椭球形构造。是一种微生物沉积构造, 为底栖微生物半椭球状/球状聚集生长的一种形式, 通常单球直径5~15icm、高1~3icm, 岩层面上分布范围广、呈不连续状, 剖面上具有微波状起伏特征, 主要发育于肖下1亚段层纹石中(图5-a), 指示低能的沉积环境。

2)水平层理。是由平直或近平直且与层面平行的一系列薄、纹层组成的层理, 主要出现在肖下段层纹石和凝块石白云岩中(图5-b), 是比较稳定的水动力条件下的产物, 指示低能沉积环境。

3)平行层理。主要在肖上1和肖上2亚段中— 厚层状泡沫绵层石白云岩和砂屑白云岩中出现(图5-c)。在外貌上与水平层理极相似, 是较强的水动力条件下的产物, 指示中高能沉积环境。

4)交错层理。主要发育在肖上1亚段厚层— 块状藻砂屑白云岩中(图5-d)。是由2组不同方向的斜层理互相交错重叠而成的, 其是因水流的运动方向发生变化所造成的, 指示浅水中遭受潮汐作用的中高能环境。

5)叠层石构造。是一种微生物沉积构造, 主要出现在肖上2亚段的叠层石白云岩中(图 5-e)。研究区叠层石构造的形态主要有层状和丘状2种, 内部多具有清晰的明暗纹层, 层状叠层石由于单层厚度相对较大, 并且暗色纹层中含有较多颗粒, 因此可推测其发育于潮间带上部中— 低能量的沉积环境; 而丘状叠层石单层厚度相对较薄, 暗色纹层中颗粒含量较少, 因此可推测其发育于潮上带低能沉积环境。

6)帐篷构造。主要出现在肖上2亚段下部的富藻粒泥白云岩中(图5-f)。其是弱固结或半固结的碳酸盐岩在陆上暴露, 并受到蒸发、干缩作用而使沉积层发生弯曲、突起、破裂, 具有帐篷状特征是沉积物暴露的典型特征之一。

图 5

Fig.5

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	图 5 塔里木盆地肖尔布拉克露头区下寒武统肖尔布拉克组沉积构造类型及特征 a— 椭球形构造, 出现在层纹石白云岩中, 肖下1亚段, 东3沟剖面; b— 水平层理, 明暗条纹特征明显, 出现在层纹石白云岩中, 肖下1亚段, 东3沟剖面; c— 平行层理, 出现在藻砂屑白云岩中, 肖上1亚段, 西1沟剖面; d— 双向交错层理, 出现在藻砂屑白云岩中, 肖上1亚段, 什艾日克剖面; e— 叠层石构造, 肖上2亚段, 东3沟剖面; f— 帐篷构造, 肖上2亚段, 什艾日克剖面Fig.5 Sedimentary structure types and features of the Lower Cambrian Xiaoerblak Formation at Xiaoerblak outcrop in Tarim Basin

白云岩的成因问题对储集层成岩环境、成岩作用分析具有重要意义。在白云岩宏观、微观岩石特征分析的基础上, 开展了白云石有序度、δ ¹⁸O、δ ¹³C、 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 及稀土元素等地球化学测试, 用来综合分析白云岩成因。上述地球化学测试都由中国石油碳酸盐岩储层重点实验室完成, 其中白云石有序度分析仪器为PANalytical X’ Pert PRO X射线衍射仪, 稀土元素分析仪器为PANalytical Axios XRF X射线荧光光谱仪, 碳氧同位素分析仪器为DELTA V Advantage同位素质谱仪, 锶同位素分析仪器为TRITON PLUS热电离同位素质谱仪。

3.3.1 岩石学特征

研究区肖尔布拉克组最主要的岩石特征是多数白云岩较好地保留了原岩结构, 如泡沫绵层石白云岩在显微镜下能看到球藻的微观形态, 凝块石、叠层石白云岩在裸眼下能看到微生物的堆积、粘结形态等, 这反映了早成岩期快速交代白云石化的特征。

此外, 岩石在阴极射线下的发光特征也可以用于分析白云岩的成岩环境。凝块石、泡沫绵层石等各类微生物白云岩和砂屑白云岩的基质部分通常在阴极射线下发较弱的褐色光(图 6-a), 反映基质为海水成岩环境的产物; 孔隙边缘的细粒胶结物在阴极射线下发光强度较基质更弱, 为暗褐色光, 反映其成于大气水、海水共同作用的混合水环境; 孔隙中的粗粒白云石、方解石胶结物在阴极射线下发光弱, 甚至不发光, 反映其形成于晚成岩期埋藏成岩环境, 成岩流体可能具有高铁、低锰特征。

图 6

Fig.6

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	图 6 塔里木盆地肖尔布拉克露头区下寒武统肖尔布拉克组白云岩特征 a— 白云岩阴极发光特征; b— 稀土元素配分图; c— 87Sr/86Sr 统计图; d— δ 18O-δ 13C交会图Fig.6 Features of the Lower Cambrian Xiaoerblak Formation at Xiaoerblak outcrop in Tarim Basin

3.3.2 地球化学特征

通常白云岩结晶速度越慢、温度越高, 则其有序度越高, 反之, 有序度越低。对层纹石、凝块石、泡沫绵层石、核形石和晶粒状(藻砂屑)白云岩进行白云石有序度测试, 其总体表现为低有序度的特征, 其中最大值为0.77, 最小值为0.45, 平均值为0.60。这种低有序度特征反映白云岩形成于准同生阶段的低温环境中, 具有快速交代的特征。

碳酸盐岩矿物中的稀土元素受成岩作用的影响是非常弱的, 故利用稀土元素分析可以判断白云石化流体的来源。从稀土元素配分图(图 6-b)可以看出, 研究区肖尔布拉克组白云岩具有轻稀土元素含量高、重稀土元素含量低的配分模式, 与寒武系致密泥晶灰岩的配分模式相同(严威等, 2017), 指示了塔里木盆地中下寒武统白云岩的白云石化流体主要为海水。

实验数据统计认为, 早— 中寒武世全球海水的 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 值在0.7090附近(Denison et al., 1998)。根据不同类型岩石的 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 直方图(图 6-c)可以看出, 研究区肖尔布拉克组白云岩的 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 值总体与同期海水值相近, 反映白云石化流体为海水, 白云岩形成于早成岩期。肖上段2个含泥质白云岩样品的 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 值大于0.713, 说明白云岩在形成过程受到了壳源锶干扰, 反映其早表生期遭受暴露、经历了大气淡水成岩作用。

全球实验数据统计认为, 早— 中寒武世全球海水的 δ ¹⁸O 值在-6‰ ~-8‰ 之间(Veizer et al., 1999)。根据δ ¹⁸O-δ ¹³C交会图(图 6-d)可以看出, 研究区肖尔布拉克组基质白云岩的 δ ¹⁸O 值范围与同期海水相当, 说明白云岩主要形成于低温环境, 白云石化流体为海水。而孔洞中方解石、白云石胶结物的δ ¹⁸O 值则小于-10‰ , 明显偏负, 说明其形成于高温环境, 为晚埋藏期的成岩产物。

综上所述, 研究区肖尔布拉克组白云岩形成于准同生期和早成岩期, 白云石化流体主要为海水, 主要为蒸发和渗透回流作用的产物。

受古地貌格局控制, 塔里木盆地肖尔布拉克组沉积期为一缓坡型碳酸盐岩台地, 沿古隆起向盆地依次发育内缓坡、中缓坡和外缓坡3种沉积亚相, 构成以“ 微生物席— 丘滩— 潮坪” 为主的沉积模式。

4.1.1 内缓坡

内缓坡位于最大海平面和晴天浪基面之间, 海水很浅且沉积物常暴露水面, 水体能量弱。根据岩石类型和沉积特征, 研究区内缓坡主要以潮坪环境为主, 共识别出泥云坪、藻云坪、砂屑滩3种沉积相。

1)泥云坪。高泥质含量是其主要特征, 主要发育粒泥白云岩、泥质泥晶白云岩和泥岩, 通常这些岩石呈中、薄层状互层出现。粒泥白云岩和泥质泥晶白云岩通常为浅灰色, 并含黄、褐氧化色, 裸眼能见到水平纹层, 多见帐篷构造、泥裂及陆源石英混积现象, 指示潮上带沉积特征。

2)藻云坪。主要发育层状叠层石白云岩和浅灰— 浅褐灰色具有纹层结构的泥晶白云岩。叠层石具有多旋回发育的特点, 单层厚度0.5~4im, 以生长幅度较低的层状叠层石为主。叠层石中粘结的藻屑含量较高。纹层状泥晶白云岩中常见窗格构造和帐篷构造。

3)砂屑滩。主要以泥粒白云岩为主, 含少量生物碎屑, 滩体厚度薄, 一般小于1im, 缺乏层理特征, 反映水体能量弱。

4.1.2 中缓坡

中缓坡位于晴天浪基面和风暴浪基面之间, 海底受风暴浪影响较大, 通常以发育中— 高能的丘滩为主, 滩一般具有粒序层理和交错层理。研究区的中缓坡共识别出泡沫绵层石微生物丘、藻砂屑滩和凝块石微生物丘3种沉积相。

1)泡沫绵层石微生物丘。是由球状蓝藻紧密堆积而成的一类微生物岩, 近圆形藻体保留完好, 具有水平层理, 其中格架孔和藻屑溶孔非常发育, 且均匀、层状分布, 沉积厚度8~13im。

2)砂屑滩。由藻砂屑或具有粘结结构的藻砂屑白云岩构成, 滩体厚度大, 一般具有平行层理(图5-c), 局部能见到双向交错层理和丘状体前积特征, 反映其受波浪作用强烈, 形成于强水动力的高能环境, 滩体厚度25~35im。

3)凝块石微生物丘。是由蓝绿藻沉淀并粘结灰泥堆积而成的一类微生物岩, 缺乏纹层而以宏观的凝块状组构为特征, 具有蠕虫状、网络状明暗斑块, 形成于潮间带下部的中等水动力环境, 沉积厚度达到35~45im。

4.1.3 外缓坡

外缓坡位于风暴浪基面之下, 水体相对安静、能量弱, 通常发育具有纹层特征的低能细粒沉积物。研究区的外缓坡主要发育层纹石微生物席, 局部发育藻砂屑滩。

1)层纹石微生物席。是由底栖蓝绿藻沉淀而成的一类微生物岩, 整体具有颜色深、沉积厚度大、分布面积广和单层岩层厚度薄的特征, 同时具有近水平、微波状纹层结构, 表明其形成于静水、低能环境。

2)藻砂屑滩。由具有粘结结构的藻砂屑白云岩构成, 一般滩体厚度小于1.5im, 最小厚度为0.3im, 但向西(台内方向)滩体厚度有增大现象, 整体缺乏层理结构, 反映其沉积时的水体能量不如中缓坡的砂屑滩高。虽然滩体整体厚度小, 但横向展布范围比较大, 可延伸至十几千米。

前人对塔里木盆地寒武纪层序地层的划分作了一定工作(郭峰和郭岭, 2011; 杨永剑等, 2011; 赵宗举等, 2011; 白莹等, 2017; 赫英福等, 2017), 其中对肖尔布拉克组层序的划分存在1个三级层序还是2个三级层序的讨论。本次研究综合了暴露标志、岩相组合特征及GR、δ ¹³C特征, 系统地进行了层序分析。

从暴露标志来看, 肖下1至肖上1亚段都没有发现明显的暴露标志, 而肖上2亚段除了见到帐篷构造外, 还具有黄色泥质薄层(图7-a)、泥裂(图7-b)和碳酸盐沉积物中混入陆源石英(图7-c)这3种沉积暴露面的标志。从岩相特征(图7-d)来看, 自下而上为“ 微生物席— 丘滩— 潮坪” 的相序组合, 岩石的颜色从黑色— 灰色逐渐变为浅灰— 灰白色, 至肖上2亚段变为灰色、褐灰色、黄灰色互层的特征; 岩层厚度从薄层、中薄层状逐渐过渡为中厚层、块状, 至肖上2亚段变为中、薄层互层的特征; 岩性从层纹石、凝块石等微生物白云岩变为滩相白云岩, 至肖上2亚段变为叠层石白云岩与粒泥白云岩、泥质白云岩互层的特征。从GR特征分析, 肖下1至肖上1亚段GR值小, 曲线形态相对平直, 而肖上2亚段GR值整体明显增大, 且具有锯齿状特征, 高GR值指示了该段具高泥质含量。从δ ¹³C特征分析, 玉尔吐斯组顶部和肖上2亚段顶部都出现较大的δ ¹³C负异常, 指示了2期较大的岩溶暴露面。

综上所述, 顶部暴露标志、“ 微生物席— 丘滩— 潮坪” 相序组合及GR、δ ¹³C特征反映了肖尔布拉克组为一个完整的三级层序, 其中肖下1至肖下2亚段构成海侵体系域, 肖下3至肖上2亚段构成高位体系域(图 7-e)。

图 7

Fig.7

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	图 7 塔里木盆地肖尔布拉克露头区下寒武统肖尔布拉克组层序地层划分 a— 浅灰色泥晶白云岩夹黄色泥岩薄层, 肖上2亚段, 东1沟剖面; b— 灰褐色泥质泥晶白云岩中的泥裂, 肖上2亚段, 东3沟剖面; c— 含陆源石英的泥晶白云岩, 肖上2亚段, 东3沟剖面; d— 卫星照片; e— 东3沟剖面综合柱状图Fig.7 Sequence stratigraphic division of the Lower Cambrian Xiaoerblak Formation at Xiaoerblak outcrop in Tarim Basin

根据什艾日克、东3沟、东2沟、东1沟、东沟、西沟和西1沟7条剖面垂向上的沉积相发育特征及各剖面间横向对比追踪分析, 建立了研究区肖尔布拉克组沉积相模型(图 8)。外缓坡主要发育层纹石微生物席, 中缓坡外带主要发育凝块石丘, 中缓坡主要发育藻砂屑滩和泡沫绵层石丘, 内缓坡主要发育叠层石丘和泥云坪。总体而言, 各沉积相具有厚度相对稳定、横向展布连续的特点, 反映了缓坡型台地沉积相对稳定的特征, 其中中缓坡是中高能微生物丘和藻砂屑滩的有利发育区。该模型还可以反映出丘滩体无明显的侧向迁移特征, 说明了露头区7条剖面都是近平行海岸线, 处于温宿古隆周缘的相同相带。各种相的沉积厚度虽然整体稳定发育, 但局部也存在差异:一是西1沟的肖下2亚段发育一套厚达12~14im的丘滩复合体, 其向东在西1沟和西沟之间尖灭, 向西一直延伸到地层剥蚀区, 并且有逐渐减薄的趋势, 总体展布超过8ikm, 这种不连续或者相对孤立的丘滩体为海侵过程产生; 二是在西1沟肖上1亚段不发育泡沫绵层石, 藻砂屑滩几乎构成了该段的主体。西1沟与其他6条剖面的差异性说明其相对更靠近台地内部, 因此可以判断由古隆起向台地内部, 中缓坡由以微生物丘为主导相的沉积体系逐渐变为由藻砂屑为主导相的沉积体系。

图 8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 8 塔里木盆地肖尔布拉克露头区下寒武统肖尔布拉克组沉积相展布Fig.8 Facies distribution of the Lower Cambrian Xiaoerblak Formation at Xiaoerblak outcrop in Tarim Basin

综合沉积相模型和古地理背景, 建立了研究区肖尔布拉克组沉积期的沉积模式(图 9), 即自古隆起向外发育内缓坡— 中缓坡— 外缓坡, 古隆起控制微生物岩和丘滩的展布。海侵期, 主要发育低能的微生物席, 但局部可形成孤立状的丘滩复合体, 其规模具有局限性; 高位期, 中缓坡主要发育中高能微生物丘和藻砂屑滩, 具有规模大的特点, 而内缓坡主要发育中低能的潮坪— 潟湖沉积。

图 9

Fig.9

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	图 9 塔里木盆地肖尔布拉克露头区下寒武统肖尔布拉克组沉积相模式Fig.9 Sedimentary facies model of the Lower Cambrian Xiaoerblak Formation at Xiaoerblak outcrop in Tarim Basin

肖尔布拉克组主要发育相控储集层, 丘滩是储集层发育有利相带, 很明显研究区中高能丘滩相主要发育于高位期的肖下3至肖上1亚段, 对这2段中发育的丘滩厚度进行统计(表 1)表明:肖上1亚段的藻砂屑滩以西1沟的厚度最大, 为34.6im, 其他6条剖面的厚度相对稳定, 在25.7~29.5im之间; 肖上1亚段的泡沫绵层石丘厚度在7.7~13.5im之间; 肖下3亚段的凝块石丘厚度在34.2~45.1im之间。整体而言, 研究区肖尔布拉克组有利丘滩相厚度在70~85im之间, 滩地比达44%~51%。该认识从沉积角度佐证了塔里木盆地下寒武统肖尔布拉克组白云岩领域具有良好的勘探潜力。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 塔里木盆地肖尔布拉克露头区肖尔布拉克组丘滩厚度统计 Table 1 Mounds and shoals thickness of the Xiaoerblak Fomation in Xiaoerblak area, Tarim Basin

表 1 塔里木盆地肖尔布拉克露头区肖尔布拉克组丘滩厚度统计 Table 1 Mounds and shoals thickness of the Xiaoerblak Fomation in Xiaoerblak area, Tarim Basin

根据塔里木盆地岩相古地理研究成果, 肖尔布拉克组沉积期沉积相的发育明显受控于塔西南古隆、柯坪— 温宿低隆、轮南— 牙哈低隆三大古隆起。因此, 结合沉积相模式可以明确, 三大古隆围斜部中缓坡发育的塔中— 巴东、柯坪— 巴楚和轮南— 牙哈三大丘滩沉积体为有利储集层发育区。