川东长兴组海相碳酸盐岩高分辨率层序地层分析

一、地质背景

川东长兴组生物礁主要发育在开江-梁平台内海槽周缘，属台地边缘生物礁(图11-1)，沉积厚度80～120m。受海水周期性波动的影响，开江-梁平地区生物礁不是单一的礁体，而是由礁基、礁核、礁间滩、礁坪滩及礁盖等微相组成的礁组合。每个礁组合由多个滩-礁旋回相互叠置而成，纵向上呈透镜状叠合体。由于生物礁的岩性、物性横向变化大，开展常规的地层对比十分困难。鉴于开江-梁平地区生物礁因多期浅滩化而旋回性明显，运用基准面旋回原理对该地区长兴组生物礁组合进行高分辨率层序地层对比分析将是一个有效尝试。

二、高分辨率层序地层学特征

基准面旋回识别是高分辨率层序地层研究的基础。谢继容(2002)首次应用多级次基准面旋回及可容纳空间变化原理，结合基准面变化导致的海相生物礁、滩组合的岩性记录，将长兴组划分为短期、中期及长期三个级别的基准面旋回，并厘定了各级别旋回层序的结构类型和沉积序列。

(一)短期基准面旋回层序

短期旋回的识别是高分辨率层序地层的关键，而岩心剖面则是识别短期旋回的地质基础。谢继容(2002)根据岩性、结构及构造等特征，从开江-梁平地区长兴组生物礁组合中可识别出以下几种短期基准面旋回。

1.非对称型短期旋回

非对称型短期旋回主要形成于可容纳空间和A/S比值都较低的短期地层旋回过程中。主要发育在长兴组生物礁组合中下部。旋回对称性差，通常为仅发育上升半旋回(或下降半旋回不很发育)的、向上变“深”的或向上变浅的两类非对称型。旋回顶、底界面分别为与上覆、下伏层序的突变面。根据旋回的层序特征，又可分为四种不同的类型(图11-2)。

(1)A₁型旋回(图11-2中的A₁):相当于高可容纳空间向上变“深”的非对称型旋回，旋回的下部为颗粒灰岩，其底部下伏泥灰岩的突变面为层序底界面，上部为台地灰泥坪深水半饥饿沉积的泥灰岩，以其顶与上覆生屑灰岩的突变接触面为层序顶界面。颗粒主要由生屑组成，具有向上颗粒含量逐渐减小的变化趋势，表明水体由浅突变深后突变浅，再开始下一沉积层序的过程，该旋回主要发育在水体相对较深一些的礁基相带中。

图11-1开江-梁平台内海槽东段长兴组岩相古地理及沉积模式图

图11-2长兴组礁、滩相地层中常见的非对称型短期旋回结构类型(据谢继容，2002)

(2)A₂型旋回(图11-2中的A₂):也相当于高可容纳空间向上变“深”的非对称型旋回，旋回的下部仍为颗粒灰岩，也主要由颗粒含量向上逐渐减小的生屑组成，其底部也以与下伏泥灰岩的突变面为层序底界面，但上部为礁核礁相灰岩，以礁相灰岩与上覆生屑灰岩的突变接触面为层序顶界面。此类旋回主要发育在生物礁拓殖阶段，属于生长旋回产物，由于礁生长的水体较浅，可容纳空间不大，A/S比值较小，因此生物礁初始发育期的礁核沉积厚度相对较薄，一般为1～2m。

(3)A₃型旋回(图11-2中的A₃):相当于低可容纳空间向上变“深”的非对称型旋回，此类旋回的剖面结构相近似于A₁和A₂型，但其底界面为生屑灰岩与礁核礁相灰岩之间的岩性突变面或渐变面，A/S比值小，其礁核礁相灰岩虽然不厚，但在礁组合中已见骨架结构，且生物发育较多，生物个体较大。此旋回代表礁生长已进入泛殖阶段，此类型是礁核相组合中部最常见的短期旋回类型。

(4)B型旋回(图11-2中的B):与其他三种类型不同，该类型为向上变浅的非对称旋回，由旋回底部的礁核礁相灰岩，中、上部的白云岩化的生屑灰岩和晶粒白云岩，组成向上变浅、间歇暴露和白云岩化程度增强的下降半旋回，而上升半旋回主要表现为水进冲刷面，此类型是礁坪滩中最为常见的短期旋回类型。

在上述四类非对称短期旋回中，由于A₂型和B型两类型的A/S比值更低，沉积作用始终处于补偿-过补偿状态，旋回中以沉积浅水颗粒灰岩为主，代表水体稍深的礁灰岩或泥微晶灰岩厚度较薄，均位于较长期旋回层序的上部，而短期旋回本身则缺乏基准面下降半旋回，同类层序之间往往以水体突变浅形成的下切侵蚀面即深-浅水相的岩性突变面为分界面。显而易见，由颗粒灰岩颗粒含量的变化、白云岩化及淋滤溶蚀作用、岩性突变面以及泥灰岩、礁灰岩的发育位置均可作为判别低可容纳空间短期旋回顶、底界面的识别标志，尤其是A₂型和B型两类不同结构特征的短期旋回，由于各受基准面低幅上升和大幅下降影响，相应地A/S比值低，前者导致生屑浅滩发育，后者遭受淋滤溶蚀作用和蒸发泵白云岩化作用强烈，因而其基准面升降半旋回的顶、底界面标志明显，易于识别。

2.对称型短期旋回

对称型短期旋回出现在礁组合的中上部。其可容纳空间高，A/S比值大，旋回对称性极强。谢继容(2002)按其特征也将其划分为三个类型(图11-3)。

图11-3长兴组礁、滩相地层中常见的对称型短期旋回结构(据谢继容，2002，略有修改)

(1)C₁型旋回(图11-3中的C₁):相当于上升与下降半旋回厚度近于相等的对称型旋回，见于礁组合中部的短期旋回中，其基准面上升半旋回由向上颗粒含量减少的生屑灰岩退积序列组成，显示沉积环境的水体加深和能量逐渐减弱。基准面下降半旋回由颗粒含量向上增多的生屑灰岩进积的序列组成，显示沉积环境水体变浅和能量逐渐增强。旋回下部为礁灰岩段，中部夹薄层泥灰岩，其中泥灰岩夹层可视为基准面由上升到下降的转折点，代表可容纳空间达到最大值时的弱欠补偿沉积。整个旋回具备较完整的T-R韵律旋回性(海侵-海退韵律旋回)。

(2)C₂型旋回(图11-3中的C₂):相当于上升厚度大于下降半旋回的不完全对称型旋回，其下降半旋回由较薄的薄层生屑灰岩组成，顶部为灰泥坪沉积。上升半旋回由颗粒数量向上减少的较厚粒屑灰岩序列组成，礁核相灰岩亦主要发育在由上升折向下降的转换点位置，以上升半旋回厚度大于下降半旋回为特征。此旋回主要发育在礁组合的中、上部及顶部，代表A/S低速增大后又加速减小的地层过程，常出现在基准面下降期发育的礁核顶部，形成礁坪滩，其上的灰泥坪为基准面下降达最低点位置时发育的礁盖。由于A/S减小，此类旋回的礁盖或礁顶滩多遭暴露溶蚀和白云岩化改造，发育大量晶间孔及晶间溶孔，形成有效储层。

(3)C₃型旋回(图11-3中的C₃):相当于下降厚度大于上升半旋回的不完全对称型旋回，此类型见于礁组合中上部的短期旋回中，为相对较低可容纳空间条件下形成的对称型旋回，层序由基准面上升半旋回的生屑灰岩及下降半旋回的灰云岩、白云岩组成，中间所夹的薄层泥灰岩为基准面上升折向下降的转换标志。上升半旋回中，生屑灰岩局部白云岩化，并向上生屑含量减少、白云岩化减弱，表明可容纳空间增大、A/S比值增大，下降半旋回自下而上为由泥微晶灰岩、云灰岩或灰云岩、白云岩组成的白云岩化增强序列。顶部白云岩中发育大量的溶蚀孔洞，孔洞中充填有淡水方解石和白云石，表明可容纳空间减小、A/S比值降低，沉积物不再堆积而遭受暴露、蒸发和淡水淋滤溶蚀作用。

开江-梁平地区长兴组生物礁组合可划分出7～8个短期旋回层序，旋回的结构和叠加样式的变化规律主要受海平面、生物礁生长率、沉积物自旋回等因素控制，显示出很好的区域对比性。但在生物礁不发育的部位短期旋回的识别和划分较为困难，但依据于基准面上升达高点位置时发育的泥灰岩产出位置，仍可进行层序划分和与礁、滩发育区进行等时追踪对比，因此，短期旋回在开江-梁平地区无明显的区域可对比性。

(二)中期基准面旋回层序

开江-梁平地区长兴组未全取心，因而中期基准面旋回是在岩心短期旋回识别的基础上，通过测井曲线来进行的。测井曲线上基准面旋回的确定，首先是在岩性-电性标定的基础上开展的，即首先必须利用岩心分析建立短期旋回岩性与测井响应的对应关系，然后运用到整个井或其他未取心井中。相对于碎屑岩而言，影响碳酸盐岩测井曲线的因素较复杂，基准面在测井曲线上的识别也比较困难。根据礁组合岩心剖面的特点，经过多次比较分析，选择以自然伽马测井曲线为主，综合考虑深浅双侧向曲线及补偿声波、密度等测井系列来划分基准面旋回。在短期旋回识别、层序堆积样式分析的基础上，划分出进积非对称型和退积-进积对称型两种中期旋回结构类型。

1.进积非对称型层序

发育在礁组合的上部，中期旋回下部的测井曲线(GR)呈齿状漏斗形加指形，上部呈平滑波浪形(图11-4);补偿声波曲线指状突起对应于进积短期旋回的进积底界面。这一测井相组合表明基准面以低可容纳空间为起点，快速上升并达到最大可容纳空间的过程中，主要处于欠补偿沉积状态(或水进冲刷状态)，而在基准面逐渐下降和可容纳空间减小的过程中则是礁、滩的主要发育时期，从而形成快速海侵、缓慢海退沉积序列，并以发育和保存中期下降半旋回为主，以自下而上由向上变浅的非对称型和对称型短期旋回叠加样式为特征。旋回的中、下部为生屑灰岩夹薄层礁灰岩组合，与可容纳空间逐渐减小处于缓慢海退过程和始终保持有较高的可容纳空间相一致，并说明基准面下降的早、中期仍存在基准面暂时上升导致的可容纳空间瞬时增大作用，从而有利于生长和沉积速率相对较慢的生物礁发育。

图11-4长兴组礁、滩相地层中不完全对称型中期旋回层序进积序列和岩性-电性响应模型(据谢继容，2002)

进积非对称型中期下降半旋回顶部往往发育暴露面，在测井曲线上与上覆中期旋回的上升半旋回呈持续进积转向持续退积的转换关系，其成因与海平面持续性下降导致沉积界面暴露密切相关。

2.退积-进积对称型层序

退积-进积对称型见于礁组合中下部。测井曲线外缘包络线由钟形向漏斗形过渡而成，表明基准面逐渐上升到最大可容纳空间后，再缓慢下降的过程。其中期上升半旋回为多个幅值减小的中、低幅钟形曲线组合，显示退积叠加样式，而下降半旋回则由多个幅值逐渐加大的漏斗形相互叠置组成，反映加积-进积叠加样式(图11-5)。相对应的是中期上升半旋回由向上变“深”的非对称型和对称型短期旋回叠加组成，由生屑灰岩过渡到礁灰岩。中期下降半旋回则由向上变浅的短期旋回叠加组成，向上生屑含量增多，礁灰岩减薄，顶部为白云岩。旋回对称轴，即中期基准面由上升到下降的转换位置位于礁核礁灰岩带与泥微晶灰岩和生屑灰岩组合的相转换带，总体表现出缓慢海侵和加速海退的旋回性和A/S比值由小缓慢增大后再加速减小的渐变过程。

图11-5长兴组礁、滩相地层中不完全对称型中期旋回层序退积-进积序列和岩性-电性响应模型(据谢继容，2002)

开江-梁平地区长兴组可划分三个中期旋回(MSC1，MSC2，MSC3)，从中期旋回对比分析看，各中期旋回的对称性及旋回剖面结构与其所处位置及其在礁组合中的部位有关，虽然不同部位的中期旋回结构类型变化较大，但仍具有较好的区域可对比性，其基本特点为礁组合中下部的中期旋回对称性好，尤以台隆上礁滩组合中下部的中期旋回对称性和可对比性好于台隆边缘带或台坪上的礁滩组合。

(三)长期基准面旋回层序

开江-梁平地区长兴组礁、滩相沉积组合发育贯穿整个长兴期，礁、滩旋回整体上属于晚二叠世末(龙潭期后)的海侵旋回，与区域范围内三个中期旋回均可进行追踪对比，在垂向剖面上，由三个中期旋回的叠加组成一个较大规模的海侵-海退旋回(图11-6)。据此，将长兴组确定为一个长期基准面旋回(LSC)，其顶、底界分别对应于长兴组的顶、底界，底界与下伏上二叠统龙潭组(局部地区为吴家坪组)整合接触，为连续沉积，顶部大多数地区侵蚀缺失MSC3层序的下降半旋回，部分地区整个MSC3层序侵蚀缺失，反映晚二叠世末期有一次区域性大幅度的海平面下降，因此，长兴组礁、滩旋回的顶界往往与上覆下三叠统飞仙关组呈区域性不整合接触，正好对应于古生界与中生界的分界面，即全球可进行对比的“P/T 界线”，在此界线附近曾发生过大规模生物绝灭事件，且持续时间近一个百万年( Bowring et al.，1998; Mundil et al.，2001) ，接触面上大部分地区以相当于 MCS3 中期最大海泛期沉积的薄层泥灰岩与飞仙关组底部的鲕粒灰岩呈岩性突变接触，接触带上常见古喀斯特现象和残积铝铁土和渗滤豆。

图11-6长兴生物礁沉积相和高分辨率层序地层综合柱状图(天东53井)

三、层序地层格架

高分辨率层序地层对比是在多级次基准面旋回识别的基础上，依据基准面旋回、可容纳空间的变化导致岩石记录变化的过程-响应原理，采用等时对比法则来进行的。根据此原理和方法，每一个基准面转换位置均记录了相应级次基准面旋回 A /S 比值向单向极值变化的极限位置，即基准面层序界面和相转换面二分时间单元线为时间地层对比的优选位置。在开江-梁平地区生物礁组合各级次基准面旋回划分的基础上，应用上述地层对比原理和法则建立了开江-梁平地区及邻区长兴组生物礁组合高分辨率层序地层对比格架( 图11-7) 。

图11-7川东地区HL₂井-HL₄井-HL₁井高分辨率层序对比和地层格架(据谢继容，2002)

在此格架中，尽管中期旋回内短期旋回组合在平面上有变化，但由于旋回对称性及中期旋回内的短期旋回叠加样式变化较小，因此，仍可建立开江-梁平地区长兴组礁组合高分辨率层序地层格架并进行较高精度的等时追踪与对比。在开江台隆及其边缘黄龙场一带，水体浅、阳光充足、水温适宜、碳酸盐沉淀及生物礁的生长充分，在长期基准面上升和下降早期，虽然受中、短期的周期性海平面升降变化影响较大，但始终保持浅水充氧状态，因而在长期基准面上升和下降的早、中期所发育的中期旋回(MSC1，MSC2)均为对称型旋回，且以发育礁、滩相沉积为主。而长期基准面下降晚期可容纳空间迅速变小，且有间歇暴露作用，水体循环不畅，因而不利礁、滩相沉积的发育。同时又因受到二叠纪末的构造抬升地表水流的下切侵蚀作用影响，所保存的MSC3仅为发育基准面上升半旋回的非对称型旋回。值得一提的是，发育在台沟、台凹边缘带的黄龙场礁组合中的MSC1，MSC2对称性极强，滩-礁韵律性明显，可划分出六期明显的滩-礁旋回。各滩-礁旋回的顶部发育有礁顶滩，生物礁的生长终止于滩相浅水环境。而MSC3则为由浅水滩相、半深水泥微晶灰岩、薄层泥灰岩欠补偿沉积相带的退积序列组成。云安厂礁组合所处位置低，水体较深，碳酸盐沉积速度慢，A/S比值大，多处于半饥饿深水沉积状态，只有当基准面及其所影响的海平面下降幅度大，由水深变浅加快碳酸盐沉积速度，相应的A/S比值减小，具备适宜浅水造礁生物生长的环境时，才可形成礁组合。其MSC1为A/S比值较大的半深水灰泥坪沉积，MSC2为A/S比值渐小的浅滩相沉积，MSC3旋回的开始一度发育有礁-滩并形成小型生物礁组合。总体上该地区礁组合沉积相相对不发育，尤以最后一期礁核相带上直接被较深水相泥微晶灰岩组成的礁盖覆盖为淹没礁沉积发育区的显著特点。对于其他无礁发育的台沟或台坪地区及台凹地区(如雷音铺、亭子铺一带)，由于长期处于半饥饿到饥饿的非补偿沉积状态，以沉积泥微晶灰岩和含燧石结核的泥微晶灰岩为主，地层旋回的识别和区域追踪对比很难，然而旋回中薄层泥灰岩的发育位置及其所代表的旋回界面意义，即基准面上升、可容纳空间最高、A/S比值达最大时的欠补偿沉积作用面仍可与礁组合中的各中期最大海泛面相对比，因而也可提供区域地层层序划分和等时对比的标志和依据。

四、结论

综上所述，川东开江-梁平地区长兴组生物礁组合旋回性明显，有礁发育区的中期基准面旋回是进行旋回等时对比和建立区域地层格架的基础，而无生物礁发育区，可通过具中期最大海泛面意义的薄层泥灰岩发育位置，建立与有礁地区的层序划分和等时对比关系。因此，高分辨率层序地层在碳酸盐岩地区，特别是在海相碳酸盐岩地区的实际应用虽然有一定的难度，但通过细致的旋回结构和叠加式样的分析，仍然是可行的。生物礁、滩发育地区和具备周期性暴露等旋回较发育的地区是进行高分辨率层序地层研究的优选地区，不同级次的旋回层序界面、旋回结构和叠加样式等层序特征，可为层序划分对比，建立高时间精度分辨率的等时地层格架提供基础，从而为有利储集相带的预测和评价提供依据。