塔北地区寒武系层序地层格架与台缘带展布特征

刘永立，李国蓉，何 钊，田家奇，李肖肖

（1.中国石化西北油田分公司，乌鲁木齐 830011；2.成都理工大学能源学院，成都 610059）

0 引言

寒武系是塔里木盆地超深层最具潜力的油气勘探层系之一，近年来塔北地区轮探1 井和塔深5井先后获得油气发现，证实了寒武系中下统白云岩储层具有勘探开发潜力，且该套储层可能主要受控于沉积相和层序界面［1］。学者们从经典的碳酸盐岩层序地层学角度对塔里木盆地寒武系层序地层开展了大量研究，二级层序划分方案较统一，主要划分为3 个二级层序［2-4］，但三级层序划分方案却多样，主要存在7 种：21 个三级层序［5］、14 个三级层序［4］、9 个三级层序［6］、8 个三级层序［7］、7 个三级层序［8-10］、6 个三级层序［3，11-12］等。于炳松等［5］、郭峰等［6］和赵宗举等［11］均认为全球海平面变化是塔里木盆地寒武系台地层序发育的主控因素；胡晓兰［3］、杨永剑［4］和刘存革等［13］分别以二级层序或二级层序体系域为单元，分析了全盆地岩相古地理和台缘带的展布与变迁；吴兴宁等［12］和肖莹莹［14］分别从二级层序角度对层序格架内的生储盖组合特征进行了分析。然而，上述成果中关于寒武系三级层序划分有待于进一步研究，对层序类型、层序地层格架和台缘带刻画有待深化。

以经典层序地层学理论为指导，综合采用井-震结合、地层叠置模式分析、层序界面识别和层序延续时间分析等方法，对塔里木盆地北部地区寒武系三级层序和层序类型进行划分，建立三级层序地层格架，并以三级层序为单元，勾绘寒武系台缘带的展布特征，以期明确有利的勘探区带，为该地区超深层油气勘探部署提供依据。

1 地质概况

塔北地区即塔里木盆地北部，构造位置属沙雅隆起区，向南至满加尔坳陷、顺托果勒隆起，向西至阿瓦提断陷，次级构造单元自东向西包括库尔勒鼻凸、草湖凹陷、阿克库勒凸起、哈拉哈塘凹陷、雅克拉断凸和沙西凸起等（图1）。塔北地区寒武系地层序列与台盆区基本一致，自下而上分为“三统六组”，即下统玉尔吐斯组（Є1y）、肖尔布拉克组（Є1x）、吾松格尔组（Є1w），中统沙依里克组（Є2s）、阿瓦塔格组（Є2a）以及上统下丘里塔格群（Є3xq）。

塔里木盆地的演化受南天山洋、北昆仑洋和阿尔金洋演化的制约，在寒武纪，盆地内部及周边构造稳定，发育被动大陆边缘沉积盆地、克拉通内部坳陷盆地、克拉通边缘坳陷盆地和裂陷盆地等，该时期塔北地区为克拉通内部坳陷盆地和克拉通边缘坳陷盆地区域，地形西高东低，呈现西部浅水碳酸盐岩台地，东部深水盆地的沉积格局［16］。塔北地区的露头及钻井剖面揭示，在西部台地相区，自下而上发育缓坡相炭质泥岩和硅质泥岩，斜坡相泥灰岩，局限台地潮坪相、潟湖相白云岩和膏质白云岩，台缘浅滩相颗粒白云岩，滩间相晶粒白云岩和灰岩沉积；在东部盆地相区，自下而上发育盆地相硅质泥岩夹泥质白云岩、粉砂岩—泥岩、白云质泥岩—泥质灰岩、泥质白云岩—泥质灰岩沉积（图2）。

图2 塔里木盆地北部寒武纪原型盆地沉积环境（a）及台地相区（b）、盆地相区（c）岩性地层综合剖面Fig.2 Sedimentary environment（a）and stratigraphic column of platform area（b）and basin area（c）of Cambrian prototype basin in northern Tarim Basin

2 三级层序划分及层序类型

2.1 钻井剖面三级层序划分

层序关键界面是层序划分和层序类型分析的重要依据，从三级层序角度，层序关键界面包括层序界面、初始海泛面和最大海泛面等。层序关键界面的识别标志多样，如区域性地层不整合面、侵蚀凹凸面、暴露溶蚀面、岩性岩相转换面、地层叠置结构转换面以及深水区沉积作用突然大幅度变浅作用面等，都是塔北地区寒武系钻井剖面上层序关键界面的识别标志，而地震削截界面和地震上超及下超面则是地震剖面上层序关键界面的识别标志。

基于层序关键界面和沉积旋回分析，结合层序延续时间分析，在研究区寒武系识别出10 个三级层序：下统玉尔吐斯组和肖尔布拉克组各发育2 个三级层序，吾松格尔组和中统沙依里克组各发育1个三级层序，阿瓦塔格组发育1.5 个三级层序，上统下丘里塔格群发育2.5 个三级层序。

2.1.1 下寒武统玉尔吐斯组（西山布拉克组）

台地相区，下寒武统玉尔吐斯组为缓坡及盆地相沉积，厚度为30～120 m，沉积相序分析揭示发育2 个沉积旋回，表现为2 个深缓坡硅质泥岩—中缓坡炭质泥岩沉积旋回（图3）；在盆地相区，西山布拉克组自下而上为欠补偿盆地相粉砂质泥岩—硅质泥岩沉积旋回和欠补偿盆地相泥质白云岩—硅质泥岩沉积旋回（图4）。该套地层持续沉积时间长达20.0 Ma［7，17］，每个沉积旋回的持续时间为10.0 Ma，在学术界普遍界定的三级层序延续时间内，可认为下寒武统玉尔吐斯组（西山布拉克组）发育的2 个沉积旋回代表了2 个三级层序，自下而上分别为SQ1 和SQ2。

图3 塔里木盆地北部星火1 井下寒武统三级层序划分Fig.3 The third-order sequence division of Lower Cambrian of well Xinghuo 1 in northern Tarim Basin

SQ1 层序底界面（SB1）在台地相区为加里东早期运动第Ⅰ幕不整合面，为Ⅰ型层序不整合面；顶界面（SB2）为岩性岩相转换面，SQ1 为Ⅰ型层序。在盆地相区，SQ1 层序底部发育的粉砂质泥岩可能为层序低位体系域沉积（图4）。

SQ2 层序底界面（SB2）和顶界面（SB3）在台地相区均为岩性岩相转换面。SB2 表现为中缓坡炭质泥岩沉积向深缓坡硅质泥岩沉积的转换面（图3）；在盆地相区这一界面位于一套水体明显变浅的泥质白云岩沉积物底部（图4），亦为深水区沉积作用突然大幅度变浅作用面，指示存在海平面突然大幅度下降的过程，并影响了深水盆地区的沉积作用，SQ2层序底部泥质白云岩则属于低位体系域沉积，这表明SB2 亦为Ⅰ型层序不整合面，SQ2 为Ⅰ型层序。

2.1.2 下寒武统肖尔布拉克组（西大山组）

在台地相区，下寒武统肖尔布拉克组为碳酸盐岩台地及斜坡—盆地相沉积，厚度为30～190 m，沉积相序解释该套地层发育2 个沉积旋回，表现为深灰色泥质灰岩—灰色含泥质灰岩—深灰色泥质灰岩沉积旋回（图3）；在盆地相区，西大山组表现为2个盆地相泥岩—泥质灰岩沉积旋回（图4）。此套地层持续沉积时间约为7.0 Ma［7，17］，每个旋回的持续沉积时间约为3.5 Ma，这2 个沉积旋回指示了2 个三级层序，自下而上分别为SQ3 和SQ4。

图4 塔里木盆地北部尉犁1 井寒武系三级层序划分Fig.4 The third-order sequence division of Cambrian of well Yuli 1 in northern Tarim Basin

SQ3 和SQ4 层序的底界面（SB3，SB4）在台地相区均为岩性岩相转换面，SB3 表现为中缓坡炭质泥岩向斜坡相泥质灰岩沉积转换面，SB4 为斜坡相水体相对较浅的灰色泥质灰岩—水体相对较深的深灰色泥质灰岩转换面（图3）。在盆地相区，SB3 为盆地相硅质泥岩—盆地相泥岩沉积转换面，SB4 为盆地相泥质灰岩—盆地相泥岩沉积的转换面（图4），剖面上缺乏水体突然大幅度变浅时的沉积物发育，说明这一层序不整合界面可能是海平面缓慢、小幅度下降作用形成。SQ3，SQ4 均为Ⅱ型层序。

2.1.3 下寒武统吾松格尔组（莫合尔山组下部）

在台地相区，下寒武统吾松格尔组为局限台地潮坪相及潟湖相碳酸盐岩沉积，厚度约为150 m，发育1 个沉积旋回，下部为潟湖相粉晶白云岩，上部为潮坪相白云岩和藻叠层白云岩（图5）；在盆地相区，莫合尔山组下部厚度约为70 m，发育1 个沉积旋回，下部为盆地相泥岩沉积，上部为盆地相白云质泥岩沉积（图4）。地层持续沉积时间为4.0 Ma［7，17］，代表了1 个三级层序，为SQ5。

图5 塔里木盆地北部牙哈5 井寒武系中下统三级层序划分Fig.5 The third-order sequence division of Middle-Lower Cambrian of well Yaha 5 in northern Tarim Basin

SQ5 层序底界面（SB5）在台地相区为肖尔布拉克组顶部发育的暴露溶蚀面，与SB5 相关的大气水改造程度较弱，溶蚀孔洞发育状况较差（图5）；层序顶界面（SB6）为地层叠置结构转换面。在盆地相区，与SB5 相关的沉积物沉积环境变化不明显，缺乏水体突然大幅度变浅时的沉积物发育（图4），因此，SB5 可能为Ⅱ型层序不整合面，SQ5为Ⅱ型层序。

2.1.4 中寒武统沙依里克组（莫合尔山组中部）

在台地相区，中寒武统沙依里克组为局限台地潮坪相及潟湖相碳酸盐岩沉积，厚度为75～90 m，发育1 个完整沉积旋回，下部为潟湖相，上部为潮坪相，潟湖相泥岩发育部位代表了此旋回中水体最深的部位（图5）。在盆地相区，莫合尔山组中部发育1 个沉积旋回，下部为盆地相白云质泥岩，上部为盆地相泥质灰岩（图4）。此套地层的持续沉积时间为5.0 Ma［7，17］，一个沉积旋回代表了1 个三级层序，为SQ6。

SQ6 层序底界面（SB6）和顶界面（SB7）在台地相区均为地层叠置结构转换面或暴露溶蚀面（图5）。在盆地相区与层序底界面相关的水体突然大幅度变浅时的沉积物发育（图4），指示层序底界面可能为Ⅱ型层序不整合面，SQ6 为Ⅱ型层序。

2.1.5 中寒武统阿瓦塔格组（莫合尔山组上部）和上寒武统下丘里塔格群（突尔沙克塔格群）

在台地相区，中寒武统阿瓦塔格组为局限台地潮坪相及潟湖相或台地边缘浅滩相及滩间相，厚度为330～1 000 m，发育1.5 个由浅—深—浅的沉积旋回，下部为潮坪—潟湖—潮坪或滩间—浅滩旋回，上部为潮坪—潟湖或台缘滩间相发育的水体向上变深半旋回（图5，图6）。此套地层持续沉积时间为8.0 Ma［7，17］，每个旋回持续沉积时间为5.3 Ma，1.5个沉积旋回代表了1.5 个三级层序。

上寒武统下丘里塔格群为局限台地潮坪相及潟湖相或台缘浅滩相及滩间相，厚度为350～550 m，发育2.5 个由浅—深—浅的沉积旋回，下部是潮坪或台缘浅滩半旋回，向上是2 个潟湖—潮坪或台缘滩间—台缘浅滩的沉积旋回（图6）。此套地层持续沉积时间为11.6 Ma［7，17］，每个沉积旋回持续沉积时间为4.6 Ma，2.5 个沉积旋回代表2.5 个三级层序。

在盆地相区，中寒武统莫合尔山组上部识别出1.5 个三级层序，在上寒武统突尔沙克塔格群识别出2.5 个三级层序（图4），与台地相区的剖面旋回特征对应良好。

综上分析，阿瓦塔格组（莫合尔山组）和下丘里塔格群（突尔沙克塔格群）共发育4 个三级层序，自下而上分别为SQ7，SQ8，SQ9 和SQ10。

SQ7 层序底界面（SB7）在台地相区为地层叠置结构转换面，顶界面（SB8）为地层叠置结构转换面和暴露溶蚀面；在盆地相区，SQ7 层序底部发育海水突然大幅度变浅时的泥质白云岩沉积，从过塔深1 井的地震剖面可见此层序底部盆底扇或低位扇上超和下超于层序底界面上（图7），说明SB7 由海平面突然大幅度下降形成，盆底扇或泥质白云岩属于层序低位体系域沉积，SB7 属于Ⅰ型层序不整合面，为Ⅰ型层序。

SQ8 层序底界面（SB8）和顶界面（SB9）在台地相区均表现为地层叠置结构转换面和暴露溶蚀面（图5，图6）；在盆地相区，SB8 之上未见海水突然大幅度变浅时的沉积物发育，地震剖面上未见盆底扇或低位扇发育（图4，图7），属于Ⅱ型层序不整合面，为Ⅱ型层序。

SQ9 层序底界面（SB9）和顶界面（SB10）在台地区均为暴露溶蚀面和地层叠置结构转换面（图6）。在盆地区SQ9 层序底部发育一套泥质含量较低的含泥灰岩沉积，自然伽马（GR）值大幅度下降（图4），说明可能为一套海水突然大幅度变浅时的沉积物；过塔深1 井地震剖面揭示SB9 为削截界面，削截特征在台缘部位明显，盆地相区显示盆底扇或低位扇上超和下超于层序底界面上（图7），盆底扇或泥质含量明显较低的含泥灰岩属于层序低位体系域沉积，SB9 为Ⅰ型层序不整合面，SQ9 为Ⅰ型层序。

SQ10 层序底界面（SB10）在台地相区为地层叠置结构转换面；顶界面（SB11）为侵蚀凹凸面（图6），与加里东早期艾比湖运动不整合面重合，导致此层序受到剥蚀改造而保存不全。在盆地相区，SB10 之上未见海水突然大幅度变浅时的沉积物发育（图4），说明SB10 可能属于Ⅱ型层序不整合面，SQ10 为Ⅱ型层序。

图6 塔里木盆地北部塔深1 井寒武系中上统三级层序划分Fig.6 The third-order sequence division of Middle-Upper Cambrian of well Tashen 1 in northern Tarim Basin

2.2 地震剖面三级层序划分

以钻井剖面三级层序划分为基础，通过井-震结合，对研究区过塔深1 井东西向地震剖面寒武系进行三级层序划分（图7），亦可识别出10 个三级层序。下寒武统玉尔吐斯组SQ1 和SQ2 层序沉积厚度相对较小，在地震剖面上难以追踪，合并成1 个地震层序，层序底界面为T90反射界面，顶界面为T85反射界面；下寒武统肖尔布拉克组SQ3 和SQ4 在台地及斜坡区较易于追踪，而在盆地相区沉积厚度明显减小，在地震剖面上追踪较为困难；下寒武统吾松格尔组SQ5，中寒武统沙依里克组SQ6，中寒武统阿瓦塔格组及上寒武统下丘里塔格群SQ7，SQ8，SQ9 和SQ10 等6 个层序从台内—台缘—斜坡—盆地相区，可以进行对比追踪。SQ7 和SQ9 的底界面均为削截界面，在台缘部位削截特征明显，在斜坡—盆地区域发育低位体系域，表现为盆底扇或低位扇上超和下超于层序底界面上，SQ10 顶部（寒武系顶部）为明显的不整合面，在台缘部位遭到强剥蚀改造，导致SQ9 和SQ10 保存不全。

图7 塔里木盆地北部过塔深1 井东西向地震剖面三级层序划分Fig.7 The third-order sequence division in EW seismic section across well Tashen 1 in northern Tarim Basin

3 三级层序地层格架及层序特征

塔北地区钻遇寒武系的钻井较少，钻遇的寒武系也大多不完整，仅通过连井剖面进行层序对比来建立层序地层格架较困难。因此，以地震剖面三级层序划分为参照和约束，对台地相区的和4 井，英探1 井，英买36 井和星火1 井，台地边缘的塔深1井和于奇6 井，斜坡区域的库南1 井，以及盆地相区的尉犁1 井等8 口井进行盆地沉积原型状态下的三级层序对比，建立该区寒武系三级层序地层格架（图8）。

图8 塔里木盆地北部寒武系三级层序地层格架Fig.8 The third-order sequence stratigraphic framework of Cambrian in northern Tarim Basin

下寒武统玉尔吐斯组（SQ1，SQ2）发育缓坡沉积层序，为Ⅰ型层序，缓坡区层序发育保存不全，沉积厚度较小；盆地相区层序及其体系域发育保存较完整，沉积厚度较大。

肖尔布拉克组（SQ3，SQ4）发育缓坡型碳酸盐岩台地沉积层序，为Ⅱ型层序，台地相区沉积物厚度较大且稳定；盆地相区则表现为欠补偿饥饿沉积，厚度较小。吾松格尔组（SQ5）延续了SQ3，SQ4 的主要特征，但盆地相区高位体系域沉积作用存在差异，从深灰色泥质灰岩沉积变为深水白云质泥岩沉积。

中寒武统沙依里克组（SQ6）在SQ5 层序的基础上发展，碳酸盐岩台地不断趋于成熟，发育碳酸盐岩台地相，在台地相区为潮坪相白云岩和潟湖相膏盐岩沉积，台地边缘礁滩较为发育，向盆地方向转变为泥质灰岩沉积。

阿瓦塔格组下部（SQ7）为碳酸盐岩镶边台地沉积层序，为Ⅰ型层序，横向上表现为台内相区地层厚度较小、台缘区厚度变大、斜坡—盆地区厚度减小的规律。阿瓦塔格组上部及上寒武统下丘里塔格群下部（SQ8）在SQ7 层序基础上发育，亦为碳酸盐岩镶边台地层序，但转变为Ⅱ型层序，大部分区域仅发育海侵和高位体系域，沉积特征与SQ7层序海侵和高位体系域具有相似性。

上寒武统下丘里塔格群中部（SQ9）为碳酸盐岩镶边台地层序，为Ⅰ型层序，台地区域发育海侵和高位体系域，斜坡—盆地相区发育低位、海侵和高位体系域，横向上沉积物厚度存在差异。下丘里塔格群上部（SQ10）在SQ9 层序基础上发育，但转变为Ⅱ型层序，大部分区域发育海侵和高位体系域，沉积特征与SQ9 层序海侵和高位体系域具有相似性。

4 台缘带展布特征及有利勘探区

4.1 台缘带展布特征

基于塔北地区寒武系三级层序的划分，结合钻井及地震剖面精细解释，集中勾绘SQ3—SQ10层序的台地边缘相带（图9），肖尔布拉克组下部（SQ3）台地边缘相带在柯坪隆起—沙雅隆起一线呈近东西向展布，而自沙雅隆起—顺托果勒呈近南北向展布。SQ4—SQ10 层序东部台缘相带主要呈近南北向展布，且具有较好的继承性发展特征，台地边缘向斜坡—盆地推进，前积特征明显，高能礁滩相带展布总统较宽。受层序发育演化、台地类型变化和台地生长的影响，不同三级层序单元的台地东部高能台缘礁滩相带展布不同，不同时期迁移速度不同，SQ3—SQ6 层序缓坡型台地时期，东部台缘带向东迁移相对较慢；SQ7—SQ10 层序镶边型台地发育时期，东部台缘带向东迁移相对较快。

图9 塔里木盆地北部寒武系台地边缘相带展布特征Fig.9 Distribution characteristics of Cambrian platform margin belt in northern Tarim Basin

4.2 有利勘探区预测

以层序地层格架研究为基础，刻画等时单元沉积相带展布特征，预测评价烃源岩和储集岩的分布，结合生储盖组合分析，评价油气勘探潜力并优选勘探目标。

已有勘探成果揭示塔北地区寒武系发育白云岩储层、台缘礁滩相储层、岩溶储层等多种类型，储层的形成、分布与沉积作用、台缘礁滩体展布、白云石化作用和多期溶蚀作用等都有着密切的关系。层序不整合面影响早成岩期大气水溶蚀作用的范围和溶蚀改造程度，对储层的发育和储集性能至关重要。通常与Ⅰ型层序不整合面相关的成岩早期大气水溶蚀作用将影响整个台地相区，且具有较强的大气水溶蚀改造，储集性能可得到较大程度改善；与Ⅱ型层序不整合面相关的成岩早期大气水溶蚀作用主要影响台地内部区域，大气水溶蚀改造相对较弱，储集性能改善程度有限，寒武系顶部的层序不整合面与加里东早期艾比湖运动不整合面重合，削蚀作用较强，与此界面相关的剥蚀作用使上寒武统（特别是SQ9，SQ10）礁滩相储层和白云岩储层被剥蚀掉，对储层发育具有破坏作用。

结合已有研究可知，塔北地区寒武系优质烃源岩主要分布在台缘带东侧中深缓坡相和斜坡—盆地相，下寒武统玉尔吐斯组是盆内主要的烃源岩层［14］，而塔深2 井以东的台缘带是礁滩相储层发育的最有利区带，发育潮坪相白云岩储层，且与寒武系主烃源岩具良好的空间配置关系，目前该区域内塔深1 井在中寒武统阿瓦塔格组见液态烃，轮探1井在下寒武统肖尔布拉克组上部和中寒武统沙依里克组射孔后酸压投产获工业油气流［18-20］，均证实其具有良好的勘探潜力，综合分析认为该区域在研究区内勘探潜力最大，为Ⅰ类有利区。

研究区次要烃源岩为西南侧台地内部凹陷或潟湖相烃源岩［18］。阿瓦提—沙11—顺北1井一线以南区域下寒武统肖尔布拉克组（SQ3，SQ4）、吾松格尔组（SQ5）和上寒武统下丘里塔格群（SQ9，SQ10）发育潮坪相白云岩储层，且与次要烃源岩分布在空间上叠置，为Ⅱ类有利区。此外，塔深2 井—托普2—沙11—阿瓦提一线以北区域，发育下寒武统肖尔布拉克组（SQ3，SQ4）和吾松格尔组（SQ5）以及下丘里塔格群（SQ9，SQ10）潮坪相白云岩储层，也具有勘探潜力，为Ⅲ类有利区（图10）。

图10 塔里木盆地北部寒武系有利勘探区带划分Fig.10 Favorable exploration regions of Cambrian in northern Tarim Basin

5 结论

（1）塔北地区寒武系可划分为10 个三级层序：下寒武统玉尔吐斯组发育2 个Ⅰ型层序SQ1 和SQ2；肖尔布拉克组发育2 个Ⅱ型层序SQ3 和SQ4，吾松格尔组发育1 个Ⅱ型层序SQ5；中寒武统沙依里克组发育1 个Ⅱ型层序SQ6；阿瓦塔格组发育1.5个三级层序，上寒武统下丘里塔格群2.5 个三级层序，自下而上为SQ7—SQ10，其中SQ7，SQ9为Ⅰ型层序，SQ8 和SQ10 为Ⅱ型层序。

（2）塔北地区SQ1，SQ2 时期发育缓坡沉积，缓坡区层序发育保存不全，厚度较小，盆地区发育保存完整，厚度较大；SQ3—SQ5 时期发育缓坡型碳酸盐岩台地，在台地区沉积厚度稳定，向斜坡—盆地区变小，沉积物由潟湖—潮坪相白云岩→斜坡相泥质灰岩→盆地相泥质灰岩及白云质泥岩沉积；SQ6时期发育碳酸盐岩台地，台地边缘礁滩发育；SQ7—SQ10 时期发育碳酸盐岩镶边台地，从台地内部→台地边缘→斜坡—盆地，层序沉积厚度先增大后变小，沉积物由潟湖—潮坪相白云岩→台缘生物礁滩相白云岩→斜坡—盆地相泥灰岩沉积。

（3）塔北地区SQ3—SQ10 层序的台地东部台缘带具有较好的继承性发展特征，由台地边缘向斜坡—盆地推进。SQ3-SQ6 层序时期，东部台缘带向东迁移相对较慢；SQ7—SQ10 层序时期，东部台缘带向东迁移相对较快。

（4）塔北地区塔深2 井以东的台缘带是礁滩相储层发育的最有利区带，也是该区域最具优势的勘探区；阿瓦提—沙11—顺北1 井一线包围的西南区域勘探潜力次之；塔深2 井—托普2—沙11—阿瓦提一线包围的西北部区域，也具有勘探潜力。