四川盆地上三叠统须家河组层序界面识别

四川盆地上三叠统须家河组层序界面识别

0层序界面识别难层序地层学是研究一系列侵蚀或不是沉积面的特征，并将其比较的联合面。这些特征具有旋转性和成熟性，可以被认为是时代地层框架内的沉积相结合。层序地层学的基本单位是层序，层序内部可分为几个系统区域。因此,对于层序地层学研究来说,最基本、最关键的问题就是层序界面的识别。目前识别层序界面主要依靠野外露头、地震剖面、录井岩性及测井曲线等资料所表现的不整合面或沉积间断面进行宏观厘定。在开展沉积岩石岩性、颜色、粒度等宏观特征均无明显差别的四川盆地上三叠统须家河组层序地层研究时,层序界面如何准确识别比较困难。因此,笔者提出在野外露头、测井与地震资料研究的基础上,通过野外自然伽玛测量数据、镜质体反射率(RO)、粘土矿物组合以及微量元素含量变化等方法进行层序界面识别,最终准确厘定层序界面的方法。1地质构造分区四川盆地位于扬子准地台偏西北一侧,是扬子准地台的一个次级构造单元。印支期已具盆地雏形,后经喜马拉雅运动全面褶皱形成现今构造格局。四川盆地四面环山,东北为大巴山,东南为大娄山,西南为大凉山,西侧为龙门山和邛崃山。四川盆地及其周边地区可划分为龙门山台缘断褶带、米仓山台缘凸起、大巴山台缘断褶带、娄山和八面山断褶带等6个次级构造带;盆地内部按不同组系的构造,以华蓥山、龙泉山2个背斜带为界可以划分为3个构造区,即华蓥山以东的川东南构造区、龙泉山以西的川西北构造区和介于华蓥山与龙泉山之间的川中构造区。四川盆地基底为前震旦系地层,其上沉积盖层较全,从震旦系到中三叠统主要为海相碳酸盐岩沉积,上三叠统到第三系主要是陆相碎屑岩(须一段为海陆交互相沉积)。其中,元古界—古生界主要分布在盆地边缘,中生界遍及盆地内部。上三叠统须家河组为一套黑色页岩、泥岩、炭质泥岩夹薄煤层与浅灰色厚层至块状长石石英砂岩、粉砂岩互层的海陆过渡相沉积。须家河组自下而上可划分为须一段至须六段6个岩性段,其中须一、须三、须五岩性段以泥岩为主,须二、须四、须六岩性段主要为砂岩,地层总厚度从250m到3000m,由西向东厚度减薄。上三叠统不整合覆于雷口坡组海相灰岩之上,与上覆侏罗系呈区域性不整合接触。2层序地层格架的建立层序界面的成因类型、地质属性、层序级别等特征是划分不同时代地层的依据,是建立区域等时地层格架的基础,是层序地层分析的重要内容。本次研究通过露头自然伽玛实测、岩石地球化学分析和测井地震解释等方法综合识别层序界面,力求层序界面的准确性和客观性。2.1级次地层基准面旋回内的转换面的形成高分辨率层序地层学研究认为不同级次的层序界面是由相应级次地层基准面旋回中的转换面形成。通过四川盆地大量野外剖面和钻井岩心观察,分别识别出上三叠统长期层序(区域不整合界面)、中期层序(洪泛面)以及短期层序界面。2.1.1不同界面类型超长期层序或长期层序界面是由于侵蚀冲刷或沉积间断形成的大型构造不整合界面,而中期—短期层序则表现为大型侵蚀冲刷面、岩性突变面、水进超覆面等不同界面类型。在四川盆地野外露头剖面上识别出上三叠统须家河组地层4个区域构造不整合面,即须一段底部与下覆雷口坡组之间的角度不整合界面、须二段底部与须一段顶部之间的不整合界面、须三段与须四段之间的角度或微角度不整合界面和须家河组顶部与侏罗系底部之间的构造不整合界面(图1)。2.1.2弱补偿或欠补偿沉积界面高分辨层序地层学认为在地层不同级别基准面旋回中,由于洪泛或者湖泛甚至海泛作用形成的连续沉积的、相当于地层基准面上升达到最高点位置时发育的弱补偿或欠补偿沉积界面就是最大洪泛面、湖泛面或海泛界面。在地表露头或钻井岩心中,最大洪泛面表现为向上变细加深沉积序列顶部的泥岩段(短期和中期旋回层序)或位于相当长期旋回层序湖泛期沉积的大套纯泥岩段的中部。四川盆地上三叠统须家河组地层中,自须二段至须五段均在野外露头或钻井中存在一套以暗色泥页岩或煤层为特征的最大洪泛或湖泛面(图2),均反映地层基准面由上升到下降的转换面,是研究区较好的区域等时界面。2.1.3须家河组威远庆威测量由于层序界面存在沉积间断或沉积环境的差别使其附近存在元素的异常现象。据此对岩性相似的须家河组地层用野外伽玛能谱仪开展系统测量,在连续元素剖面上寻找层序界面。文中利用美国最新生产的MGS-150微型伽玛能谱仪对须家河组威远庆威典型剖面进行测量(图2)。可以看到露头实测剖面中层序界面与伽玛峰值存在良好的对应关系,低伽玛值代表了一个三级层序界面,由上升半旋回向下降半旋回的转换面表现为高值特征,而由下降半旋回到上升半旋回的界面则表现为一个低值特征。2.2地震地质条件及测井曲线特征四川盆地须家河组为一套砂泥岩互层的陆相煤系碎屑岩致密储层,具有致密、低孔渗、薄层交互、多层叠置和强非均质性的特点,地震反射剖面同向轴连续性较差,须二段底部和须六段顶部的长期基准面旋回的层序界面具有强振幅的反射特征,但对于须家河组内部的中期洪泛面则不能识别。同时在川中地区由于地层平缓,加之为河流相沉积,地震反射同相轴多为平行或亚平行,更难在剖面上直接通过识别上超、下超、削截等地震反射终止方式来划分层序界面。同时,在碎屑岩沉积地区,沉积环境的差异(沉积物源成分、气候、沉积方式及沉积相带等因素)将导致沉积物中泥质成分的变化,最终成为决定碎屑岩岩性差异的视电阻率和自然伽玛测井曲线形态的重要原因。而测井曲线用于层序界面识别或层序划分的重要特征就是利用测井曲线宏观形态、接触关系、组合特征、叠加样式等加以判别。通过对四川盆地上三叠统须家河组视电祖率和自然伽玛测井曲线进行分析,可以看到测井曲线形态组合主要为退积式、进积式和加积式。其中以向上逐渐递变的退积式最为常见,代表四川盆地晚三叠世主要以地层基准面上升半旋回为主。其中,主要层序界面位于突变的钟型(或箱型)曲线或侧积式曲线的底界,对应四川盆地须家河组钻井岩心或地表露头中常见的侵蚀冲刷面、沉积间断面甚至构造不整合面。而箱型或漏斗型前积式组合曲线顶面的突变面,以及反映湖进扩张的退积式组合曲线顶部突变面,分别与下超终止和上超终止的地震响应特征相当。由测井相特征反映的层序界面和层序演化特征,与地震、地表露头(或钻井岩心)中识别的层序界面和层序特征具有较好的对应关系。2.3层序界面的微观特征2.3.1宏观标志识别海平面有规律的升降变化,相应的沉积物中的微量元素组成和含量也随之变化。各微量元素化学特性上的差异,造成了对海平面升降变化的响应也不同。同样,微量元素平均含量的高低与沉积环境及湖平面升降相关,可以利用特征微量元素B、Sr、Ba、V、Ni的含量来反映湖平面的升降,最终识别宏观标志不明显的层序界面。在对威远庆威剖面上三叠统须家河组连续采集的65块样品进行主微量元素分析后发现,Li、Be、Yb、Cr、Sc、V、Ni等微量元素含量变化趋势十分相似,并且其含量变化的低峰值与层序界面的位置相关性较好(图3)。但微量元素As、Sr、Cd、Sb、Mo、Zn和Re的含量与层序界面耦合较差。在微量元素含量曲线图(图3)上可以看到微量元素含量的低值反映了湖水面相对较低,处于下降半旋回向上升半旋回的转折面,即三级层序的层序界面。相反,高值则反映最大湖泛面,为上升半旋回向下降半旋回的转折界面。因此,通过对地层中微量元素的系统分析可以从微观方面帮助准确地划分层序界面,为层序地层学的研究提供资料。2.3.2层序地层格架中深的变化Sr/Ba、B等元素含量与古盐度具有正相关性,而与古水深具有负相关性。因此,可以利用其含量与深度的关系表示古盐度的高低或古水深的升降在深度域的变化趋势。最终利用相对古水深的变化反映基准面变化以及高分辨率层序地层单元的划分。本文利用反映古盐度相对高低的特征元素比值Sr/Ba、B以及wFe2+/wMn2+来厘定古水深的变化。从图4可见,古盐度自须一段底部开始表现为由高值到低值再到高值变化的规律,这种古盐度含量高低变化的规律反映了水体缓慢加深—变浅—加深的变化趋势,与划分的层序界面具有较好地对应关系。2.3.3层序界面的变化由于沉积环境的整体差异,特别是沉积物形成的古环境的改变造成沉积物成分以及含量的差异。其中沉积物中粘土矿物组合类型及其含量的变化趋势就受到沉积环境中古盐度、水介质的酸碱性、气候、以及降雨量等因素的控制。因此,沉积物中粘土矿物成分组合及其含量变化可以用来指示层序界面。粘土矿物随沉积环境差异变化的规律主要为:高盐度、碱性水介质、寒冷气候以及低降雨量有利于沉积蒙脱石,而酸性、暖湿气候、高降雨量等因素将有助于高岭石的沉积。因此,当降雨量增加,湖平面随之上升,沉积水介质呈现酸性低盐度环境(大气降水为酸性低盐度)时,形成有利于沉积高岭石的古环境。而当降雨量减少,造成湖平面下降,沉积水介质盐度及pH值增高时,进入有利沉积蒙脱石的沉积环境。因此随着汇水量的改变,湖平面呈现升降变化,碎屑岩中粘土矿物组合类型及其含量亦呈规律性变化,即湖平面上升,高岭石质量分数由低到高而蒙脱石则由高到低变化。同时,由于后期蒙脱石向伊/蒙混层及伊利石转化,造成伊利石质量分数或伊/蒙混层质量分数、蒙脱石质量分数或高岭石与绿泥石质量分数随湖平面的升降呈现规律性变化,最终像蒙脱石质量分数一样也反映层序界面的升降。根据伊利石+伊/蒙混层、高岭石+绿/蒙混层、伊/蒙混层和高岭石垂向含量百分数对实测剖面进行了高分辨率层序地层单元划分。如图5所示,从须二段到须六段地层中,由下向上高岭石+绿泥石的质量分数表现为由低到高,而伊利石+伊/蒙混层的质量分数则为由高到低的趋势,反映了湖平面由低到高。同时它们的质量分数在准层序界面上下呈现突变的现象,在须家河组不同层序内部进一步根据高岭石+绿/蒙混层、伊利石+伊/蒙混层、高岭石和伊/蒙混层的质量分数变化曲线识别出5个突变界面。其中威远曹家坝地质剖面上5个突变层序界面分别位于36.3m、57m、120m、180m和221.8m处(图5横向虚线),据此划分为6个三级层序,在每个层序中存在一个粘土矿物组合质量分数有序的变化界面(图5横向实线),界面附近一般表现为:界面之上,高岭石+绿/蒙混层的质量分数逐渐向上增高,伊利石+伊/蒙混层的质量分数则开始逐渐降低;界面之下高岭石+绿/蒙混层的质量分数开始向下逐渐降低,伊利石+伊/蒙混层的质量分数则逐渐增高,反映出湖平面为由低向高增加的湖泛面。2.3.4ro值分布的变化沉积盆地在未遭受沉积间断面的情况下,其盆地中镜质体反射率值与深度呈线性关系。根据这一原理,国内外石油地质领域广泛应用镜质体反射率来恢复剥蚀量。在图6中,从RO随深度变化趋势可以看到RO值在120m处有明显的“跳跃”现象。同时,根据研究区其他资料可以排除热液、岩浆、构造对于RO异常的影响,可以认为RO跳动值对应着有地层间断的不整合,可以作为层序界面。因此,综上研究可以看到利用野外自然伽玛值、粘土矿物、RO值及微量元素分析资料可以对陆相高分辨率层序地层单元的识别和划分提供有利辅助。3化学-岩相学界面水相沉积分析方法的意义利用野外露头、地震和测井资料开展沉积层序研究是目前层序地层学研究的主要方法,在研究过程中,研究者自身野外经验是造成层序划分差异的主要原因之一。因此,利用湖平面变化产生的沉积物粘土矿物组合、野外露头自然伽玛值、