二叠系栖霞阶梁山组与下伏地层界面为加里东— 海西构造运动形成的不整合界面, 是典型的Ⅰ 型层序界面(黎荣等, 2019)。区内该界面之上为梁山组, 主要为一套滨岸沼泽、潟湖沉积, 偶见滨岸砂坝沉积, 岩性主要为泥页岩夹煤层(图 4-A, 4-B), 较纯的砂岩偶有发育, 如上述正源剖面(图 3-C), 泥页岩在GR曲线往往呈现锯齿状高值, 而较纯的石英砂岩GR曲线则多为锯齿状或箱状低值(图 5-A), 成像测井上, 泥页岩电阻率较低, 显示为暗色薄层条带状, 砂岩电阻率较高, 显示为亮色条带状(图 6-A); 界面之下地层岩性特征差异较大, 主要包括石炭系、泥盆系的灰岩或云岩和志留系泥页岩, 何家梁剖面梁山组界面之下为石炭系颗粒灰岩(图 4-C), 志留系泥页岩富含放射性元素Th、K和U, GR曲线往往呈现锯齿状高值(图 5-A), 石炭系和泥盆系的灰岩、云岩由于所含黏土和有机质含量较低, GR曲线则多为锯齿状或箱状低值(图 5-A), 成像测井上, 志留系泥页岩电阻率较低, 显示为暗色薄层条带状, 石炭系和泥盆系的灰岩和云岩电阻率较高, 表现为亮色中— 厚层状(图 6-A)。

图 4

Fig.4

Figure Option ViewDownloadNew Window

图 4 川西北地区栖霞阶三级层序界面特征 A— 梁山组顶底界面附近露头特征, 何家梁剖面; B— 泥岩(单偏光), 含铁质, 何家梁剖面, 梁山组, 样品位置见图 4-A; C— 亮晶颗粒灰岩(单偏光), 何家梁剖面, 石炭系黄龙组, 样品位置见图 4-A; D— 栖一段— 栖二段分界线附近露头特征, 何家梁剖面; E— 风化层, 野外露头样品, 何家梁剖面, 栖一段顶部, 样品位置见图 4-D; F— 岩溶角砾, ST9井, 7748.22 m, 栖一段顶部; G— 栖霞组— 茅口组分界线附近露头特征, 长江沟剖面; H— 高角度岩溶特征, 长江沟剖面, 栖霞组顶部; I— 眼球状石灰岩, 长江沟剖面, 茅口组底部Fig.4 Characteristics of third-order sequence, s interfaces of the Qixia Stage in northwestern Sichuan Basin

栖一段顶部普遍存在短暂暴露, 何家梁剖面栖一段顶部可见暴露面形成的风化层(图 4-D, 4-E), ST9井在岩心上可见暴露面之下的岩溶特征(图 4-F), 岩溶影响深度多在5im以内, 据此认为栖一段与栖二段界面属于Ⅱ 型层序界面。该界面之上地层岩性主要是生屑泥晶灰岩, 在GR曲线特征上, 数值明显升高, 并快速达到栖二段的最大值(图 5-B), 成像测井上, 灰岩电阻率较高, 表现为亮色, 泥灰岩电阻率较低, 表现为暗色, 灰岩— 泥灰岩韵律则在成像上表现为亮、暗相间的薄互层(图 6-B); 界面之下地层岩性主要为灰色中— 厚层云质生屑灰岩和生屑灰岩, 而在ST9井— 何家梁— 长江沟一线, 栖一段顶部发育潮坪相沉积, 岩性主要为紫红色泥粉晶云岩(图 4-D), 在GR曲线上, 界面之下GR达到栖一段最低值, 主要呈箱型或钟型(图 5-B), 成像测井上, 中— 厚层状颗粒灰岩电阻率较高, 呈现出浅— 亮色厚层状, 往下可见垂直溶沟, 溶沟充填物一般电阻率较低, 显示为暗色垂向沟状(图 6-B)。

图 5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 5 川西北地区栖霞阶三级层序界面岩电响应特征Fig.5 Rock electrical response characteristics of third-order sequence, s interface of the Qixia Stage in northwestern Sichuan Basin

栖霞组沉积末期经历了一次比栖一段顶部相对时间较长、影响范围更广的暴露(图 4-G, 4-H)(Xiao et al., 2018), 已有学者发现栖霞— 茅口组界面为不整合界面(王海真等, 2013), 是典型的Ⅰ 型层序界面。区内该界面之上以中— 薄层眼球状石灰岩沉积为主(图 4-G, 4-I), 在GR曲线上, 茅口组底部黏土含量相对较高且富含有机质, GR曲线特征通常呈锯齿状高值(图 5-C), 成像测井上, 眼球状石灰岩由于其中的“ 眼球” 为泥晶灰岩, 电阻率较高, 表现为亮斑状, 而其中的“ 眼皮” 则含泥质, 电阻率较低, 表现为暗色带状(图 6-C); 界面之下岩性主要为浅色中— 厚层生屑灰岩(图 4-G), 其次为颗粒泥晶灰岩和泥晶颗粒灰岩(图 5-C), 在GR曲线上, 栖霞组顶部颗粒灰岩中黏土、有机质矿物含量低, GR曲线特征通常表现为锯齿状或箱状低值(图 5-C), 而颗粒泥晶灰岩富含有机质, 如正源剖面, GR曲线特征表现为相对高值(图 9), 成像测井上, 颗粒灰岩电阻率较高, 表现为亮色中— 厚层状, 向下发育垂直溶沟, 溶沟内充填物电阻率较低, 呈现出暗色垂直条纹(图 6-C)。

图 6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 6 川西北地区栖霞阶三级层序界面成像测井响应特征Fig.6 Imaging logging response characteristics of third-order sequence, s interfaces of the Qixia Stage in northwestern Sichuan Basin

图 7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 7 川西北地区K2井栖霞阶层序地层综合柱状图Fig.7 Comprehensive column of sequence stratigraphy of the Qixia Stage of Well K2 in northwestern Sichuan Basin

图 8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 8 川西北地区长江沟剖面栖霞阶层序地层综合柱状图Fig.8 Comprehensive column of sequence stratigraphy of the Qixia stage of Changjianggou outcrop in northwestern Sichuan Basin

利用露头、岩心以及成像测井资料, 在识别川西北地区栖霞阶三级层序界面的基础上, 根据GR曲线旋回特征, 结合前人研究成果, 综合应用碳酸盐层序地层学理论和方法, 对研究区所有露头和钻井剖面进行层序地层划分, 共划分出2个三级层序(SQ1, SQ2), 其中SQ1对应于梁山组和栖一段, SQ2对应于栖二段(图 7; 图 8)。四级层序界面一般不存在不整合或明显的沉积间断现象(武重阳等, 2018), 但岩相变化较为明显, 四级层序界面之下GR曲线表现为相对低值, 沉积物多为泥粒岩和颗粒岩; 界面之上GR曲线表现为相对高值, 沉积物多为粒泥岩和泥粒岩(图 9; 图 10)。据此在2个三级层序内划分出6个四级层序, 其中SQ1内包含2个四级层序(SQ1-1, SQ1-2), SQ2内包含4个四级层序(SQ2-1至SQ2-4)(图 7; 图 8)。

把栖一段与栖二段分界面拉平, 选取近北西— 南东向和北东— 南西向2条层序地层格架对比剖面作为代表, 以展示四川盆地西北缘层序格架内栖霞阶的沉积充填特征(图 9; 图 10)。结果显示, 从LT1井区向龙门山山前的矿山梁、何家梁一带(南东至北西向), SQ1底部四级层序逐渐出现缺失(图 10)。在LT1、ST2、K3井区, SQ1均发育完整的2个4级层序; 在K2井区, 缺失SQ1-1部分海侵层序; 而长江沟和何家梁地区, 缺失SQ1-1整个四级层序, 表现出梁山组和栖一段下部地层由南东向北西逐渐超覆的特征, 且梁山组穿时现象明显, 由SQ1-1的海侵期穿时到SQ1-2海侵期。研究区西南部双鱼石地区经矿山梁至TX1井区、正源地区(南西至北东向), SQ1底部四级层序也逐渐出现缺失(图 9), 但缺失程度较北西— 南东向剖面(图 10)低, 表现出梁山组和栖一段下部地层由南西向北东逐渐超覆的特征, 且梁山组亦表现出明显的穿时现象; 双鱼石地区四级层序SQ1-1在GR曲线上表现出早期海侵体系域与晚海侵体系域的特征。

进一步对比发现, 研究区西部的何家梁和长江沟地区、双鱼石西部的ST9和ST12井区、中东部的TX1井区和正源地区, 栖霞组顶部均发育不完整的SQ2-4; 双鱼石东部的ST1-ST3-ST7-ST8一带和LT1井区SQ2-4缺失程度更高, 整个SQ2-4层序均被剥蚀(图 9; 图 10), 表现为SQ2沉积末期, 龙门山山前带颗粒滩发育区和米仓山山前带汉南水下古隆起区域, 栖霞组暴露地表, 遭受大气淡水淋滤溶蚀, 相对高地遭受了一定程度的剥蚀。

图 9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 9 川西北地区近北东— 南西向栖霞阶层序地层横剖面对比图Fig.9 Cross section correlation of the Qixia Stage stratigraphic sequence along SW-NE in northwestern Sichuan Basin

图 10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 10 川西北地区北西— 南东向栖霞阶层序地层横剖面对比图Fig.10 Cross section correlation of the Qixia Stage stratigraphic sequence along SE-NW in northwestern Sichuan Basin

综上, 栖霞阶底部地层穿时现象明显, 具有向沉积前古地貌高地超覆的特征, 顶部地层存在不同程度的削蚀现象, 呈现出“ 底超顶削” 的地层充填过程。

明确层序划分方案的基础上, 统计研究区露头以及钻井SQ1(梁山组+栖一段)和SQ2(栖二段)地层厚度, 结合古地理背景资料(李晋僧等, 1994; Wang and Jin, 2000), 分别绘制了SQ1和SQ2地层厚度等值线图(图 11)。从该图可以看出, SQ1时期, 研究区西北缘至竹园坝— 矿山梁一带, 梁山组+栖一段地层沉积厚度逐渐减薄, 而在双鱼石地区的ST9-ST10井区一带, 地层沉积厚度增厚, 研究区东北部毛坝河地区和南部苍溪地区地层厚度变薄, 而在研究区东南部, 地层沉积厚度增厚(图 11-A); SQ2时期, 研究区近北东向的竹园坝— 矿山梁、双鱼石— 剑阁两带和近北西向的西北乡— 大两一带, 栖二段地层沉积厚度增厚, 而近北西向的ST2-YB3井区一带地层沉积厚度减薄(图 11-B)。

图 11

Fig.11

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 11 川西北地区栖霞阶地层厚度等值线图 A— SQ1(梁山组+栖一段)地层厚度等值线图; B— SQ2(栖二段)地层厚度等值线图。 注: 研究区南部苍溪及周边厚度等值线(虚线) 参考了工区外以南的钻井数据进行推测, 而研究区西北部青川及周边厚度等值线(虚线)则根据当时的大区古地理背景进行推测Fig.11 Thickness contour map of the Qixia Stage in northwestern Sichuan Basin

栖霞阶SQ1沉积期, 梁山组+栖一段在二叠纪海侵初期具有从古地貌低地向高地超覆的特征, 表现为不同的沉积地貌单元接受沉积的时间不同, 低地接受沉积时间相对高地较长, 导致低地沉积较厚, 高地沉积较薄, 类似的浅水地层超覆充填沉积模式也可见于塔里木盆地下寒武统玉尔吐斯组(金值民等, 2020)。根据SQ1地层沉积厚度大小分析古地貌形态, 即当沉积厚度较大时, 为相对低地形; 当沉积厚度较小时, 为相对高地形。在此基础上, 分析SQ1地层厚度差值范围, 结合岩性、录井、测井响应等特征, 对其进行合理分区。将沉积厚度大于45im的区域划为低地凹陷区、小于30im的区域划为高地隆起区、30~45im划为斜坡区, 恢复了SQ1初期构造— 古地理格局(图 12-A)。由图 12-A可见, SQ1沉积初期, 研究区存在北东向和北西向两类地形分异。北东向为扬子板块边界, 由于二叠系沉积前存在的多级带状隆坳, 在SQ1沉积期继承性地形成了竹园坝— 矿山梁地貌高地, 基本呈带状展布, 其后的台内区域则为自双鱼石至剑阁的带状地貌洼地, 向台内南东方向地势趋缓, 地层稳定增厚。这使得研究区西部呈现出近北东向“ 两厚夹一薄” 的地层分布特征, 东部北西向的地层充填样式主要受到广元— 旺苍一带的汉南古陆前缘带控制(李晋僧等, 1994)。汉南古陆注入的大量陆源物质造成该区梁山组沉积较厚, 且由于地势较高, SQ1-1地层发育均不齐全, 如TX1井区、正源等剖面(图 9), 该区域面向水体能量较低的台内, 高能沉积物并不发育。

根据区内梁山组+栖一段地层沉积特征, 以及SQ2海侵体系域沉积地层厚度差异小的特征, 认为栖一段与栖二段分界面可作为栖霞阶古地貌填平补齐的等时界面。

栖霞阶SQ2沉积期, 海平面总体呈缓慢下降趋势, 为栖霞阶最主要的成滩期。SQ2沉积末期, 虽然栖霞组顶部地层存在一定程度的暴露剥蚀, 但相比于SQ1, 研究区SQ2地层不存在明显的穿时现象, 颗粒滩发育于水体较浅的地貌高地, 并因沉积速率高而使得地层厚于其他地区, 地层厚度可近似反演沉积期地貌和颗粒滩发育概率(谭秀成等, 2011), 即接受沉积时间相同, 相对高地颗粒滩沉积速率大, 地层沉积厚度大。因此, 当沉积厚度较大时, 为相对高地势; 当沉积厚度较小时, 为相对低地势。在此基础上分析SQ2地层厚度差值范围, 结合岩性、录井、测井响应等特征, 对其进行合理分区。

图 12

Fig.12

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 12 川西北地区栖霞阶构造古地理格局 A— 栖霞阶SQ1初期构造— 古地理格局; B— 栖霞阶SQ2期构造— 古地理格局Fig.12 Tectonic and palaeogeographic pattern of the Qixia Stage in northwestern Sichuan Basin

将沉积厚度小于70im的区域划为低地凹陷区、大于80im的区域划为高地隆起区、70~80im划为斜坡区, 恢复了SQ2期构造— 古地理格局(图 12-B)。栖霞组沉积后, 研究区西部存在竹园坝— 矿山梁、双鱼石— 剑阁两带近北东向地貌高地, 推测与栖霞阶沉积早期上扬子台地西北缘存在相对缓的坡折带和台缘低隆有关。往东则依次为近南北向的川北隆起区和广元— 旺苍凹陷区, 以及东北部的汉南隆起区(宁强— 毛坝河一带)(图 12-B)。研究区整体呈现出“ 两隆夹一凹” 的古地理格局。值得注意的是, 研究区东北部汉南古陆在SQ2时期已经演化为水下古隆起(李晋僧等, 1994), 汉南水下古隆起前缘带存在一带状浅滩, 并由于该带浅滩的障壁作用, 以及向东北部的汉南水下古隆起中心区域, 其可容纳空间减小等原因, 导致宁强— 毛坝河一带的沉积期高地地层厚度较薄(图 11-B, 图 12-B)。

作者恢复的构造— 古地理格局与前人的认识存在差异。胡明毅等(2010)、黄涵宇等(2017)、周进高等(2019)从盆地角度出发, 对四川盆地栖霞组古地理格局进行了刻画, 但针对川西北地区而言, 该古地理格局的刻画不够精细; 魏国齐等(2010)认为在栖霞组沉积时期, 研究区ST9井— 剑阁— 广元— 旺苍一带为台地边缘相, 向四川盆地一侧为开阔台地相, 往盆地外围是斜坡相; 曾德铭等(2010)和罗兰(2017)认为在栖二段沉积时, 研究区东北部及西北部地区为深缓坡, 研究区南部地区为浅缓坡; 梁宁等(2016)认为研究区栖一段沉积时期, 台地主要位于龙门山和米仓山前缘地带, 台地边缘位于明月峡— 上寺— ST9井区一带, 以及旺苍正源-L17井东北方向呈长条形展布, 台缘滩体的核部分别在西北乡— 上寺和正源-L17井一线, 栖一段古地理面貌与栖二段沉积期基本一致; 关新等(2018)认为栖霞组沉积古地貌表现为“ 西南高、东北低” 的特征, 其中ST9-双鱼石构造带所处沉积古地貌最高; 张运周(2018)认为栖一段沉积时期, 剑阁— 广元一带为台地边缘沉积, 盆地内部则为开阔台地沉积, 栖二段沉积期基本继承栖霞阶早期的沉积格局。

作者在露头、钻井资料相对丰富的情况下, 基于钻井和露头剖面栖霞组内幕暴露面的发现, 以及高精度地表自然伽马测量建立的露头与钻井剖面地层对比的桥梁, 为研究区栖霞阶准确的层序地层划分与对比奠定了基础框架。因此, 利用层序地层学等时对比的特点, 明确研究区栖霞阶地层沉积充填过程后, 对研究区栖霞阶SQ1和SQ2的构造— 古地理格局进行了恢复。SQ1沉积早期, 汉南隆起、川北隆起、北缘隆起与广元— 旺苍凹陷始终控制了区内沉积格局(图12-A); SQ2沉积时期, 西部存在竹园坝— 矿山梁、双鱼石— 剑阁2个近北东向地貌高地(图 12-B)。

此外, 本次研究深化了广元— 旺苍海槽的初始形成过程。马永生等(2006)认为广元— 旺苍海槽起源于晚二叠世吴家坪期并延续至长兴期, 在早三叠世飞仙关末期填平补齐并消亡; 唐大海等(2016)认为受峨眉地裂运动影响, 广元— 旺苍海槽雏形始于中二叠世茅口期, 后期受东吴运动影响, 在暴露和侵蚀作用下, 继承性形成了长兴期北西向的广元— 旺苍海槽。然而, 作者研究恢复的古地理格局, 中二叠世梁山— 栖霞期研究区东部已经存在北西向洼地。结合峨眉地裂运动开始于泥盆纪, 到晚二叠世峨眉山玄武岩喷发达到高潮(罗志立等, 1988), 通过正源剖面栖霞组— 茅口组岩石学微观特征观察(图 13), 借助岩石学微观特征精细分析和古生物发展演化, 认为研究区东北部相对高地在茅口组中后期开始沉降, 进而推测广元— 旺苍海槽雏形在中二叠世栖霞阶已开始形成(图 12-B), 茅口期则在此基础上继承性发展。

图 13

Fig.13

Figure Option ViewDownloadNew Window

图 13 四川旺苍正源剖面栖霞组和茅口组镜下微观特征 A— 亮晶颗粒灰岩(单偏光), 水深较浅, 第11层, 栖二段, a. 有孔虫类, b. 棘皮类; B— 亮晶颗粒灰岩(单偏光), 水深较浅, 第11层, 栖二段, a. 有孔虫类; C— 亮晶颗粒灰岩(单偏光), 水深较浅, 第46层, 茅二段, a. 有孔虫类; D— 亮晶颗粒灰岩(单偏光), 水深较浅, 第46层, 茅二段, a. 有孔虫类, c. 双壳类; E— 泥质生屑泥晶灰岩(单偏光), 水深较深, 有机质含量高, 第61层, 茅三段, d为瓣鳃类; F— 泥质生屑泥晶灰岩(单偏光), 水深较深, 有机质含量高, 第61层, 茅三段, d为瓣鳃类Fig.13 Microscopic characteristics of the Qixia and the Maokou Formations in Wangcang Zhengyuan outcrop of Sichuan

已有研究表明, 研究区栖霞组主要发育栖二段(SQ2)滩控岩溶型云岩储集层(如双鱼石、矿山梁地区)(Xiao et al., 2018)和滩控岩溶型灰岩储集层(如LT1井区)(张本健等, 2019), 且ST1、ST8、SY001-1、LT1和L17等井在栖霞组测试中均获高产工业气流。因此, 根据栖霞阶SQ2古地理格局恢复结果(图 12-B), 结合研究区栖霞组成像测井、岩心宏微观资料, 探讨研究区栖霞阶SQ2构造— 古地理格局的油气储集意义。

颗粒滩是储集层形成的物质基础之一, 研究区SQ2沉积时期为栖霞阶最主要的成滩期, 颗粒滩发育于水体较浅的地貌高地, 且栖霞末期存在较大规模的海退(王海真等, 2013), 使上扬子台地出现大规模较长时间的早成岩期暴露, 即栖霞组在经历浅埋藏成岩之后暴露地表, 先期沉积物接受较长时间的早成岩期岩溶改造(谭秀成等, 2015), 高地和斜坡单元受岩溶影响较明显, 如研究区西北缘ST9井(图 14-A)、K2井(图 14-B)、长江沟剖面(图 14-C)和ST7井(图 14-G), 在岩心宏微观和成像测井上均能观察到受岩溶作用改造的特征, 以及研究区南缘以L17井(图 14-D)、LT1井(图 14-E, 14-H)和TX1井(图 14-F)为代表的斜坡单元, 具灰岩岩溶特征。颗粒滩作为研究区栖霞组有利相带, 经过岩溶作用的改造形成溶蚀孔洞(图 14), 疏松的碳酸盐岩充填物以及残余孔洞控制的优质储渗体空间的分布已经基本定型, 从而形成现今的岩溶白云岩孔洞型储集层与灰岩岩溶型储集层。由此, 结合团队前期川西北栖霞组白云岩展布特征成果, 绘制了四川盆地西北部栖霞阶有利储集区带分布图(图 15), 其中包括研究区岩溶白云岩孔洞型储集层区与环广元— 旺苍凹陷周缘的灰岩岩溶型储集层区。

图 14

Fig.14

Figure Option ViewDownloadNew Window

图 14 川西北地区栖霞组碳酸盐岩储集层特征 A— 溶洞及疏松充填, ST9井, 7732.93 m, 岩心, 栖二段; B— 溶洞及疏松充填, 呈针孔特征, K2井, 2425.3 m, 岩心, 栖二段; C— 粗— 中晶云岩(单偏光), 见溶蚀孔洞, 长江沟剖面, 第30层, 栖二段; D— 岩溶特征发育, L17井, 栖霞组第2次取心, 第34块; E— 亮晶生屑灰岩(单偏光), 小型溶孔发育, LT1井, 5877 m, 栖二段; F— 亮晶生屑灰岩(单偏光), 溶孔发育, TX1井, 320 m, 栖二段; G— 溶蚀孔洞成像测井特征, ST7井; H— 溶蚀孔洞成像测井特征, LT1井Fig.14 Characteristics of carbonate reservoir of the Qixia Formation in northwestern Sichuan Basin

图 15

Fig.15

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 15 川西北地区栖霞阶有利储集区带分布(白云岩厚度等值线据张本健, 2019)Fig.15 Distribution of favorable reservoir belt of the Qixia Stage in northwestern Sichuan Basin(dolomite thickness contour according to Zhang, 2019)