何賽，李國蓉，吳昌榮，劉樹根，張忠民，蘇玉山，朱奕璇，何釗，任杰，王雨辰，周偉，王亞捷

（1. 成都理工大學(xué)能源學(xué)院，成都 610059；2. 成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；3. 四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610072；4. 中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

桑托斯盆地是南大西洋兩岸被動大陸邊緣型超級油氣盆地的典型代表[1]。21世紀(jì)以來，該盆地鹽下碳酸鹽巖的油氣勘探持續(xù)取得重大突破。隨著多個可采儲量超過 1.59×108m3（10×108bbl）的深水大型整裝油氣田被相繼發(fā)現(xiàn)[2-4]，桑托斯盆地迅速成為南半球油氣勘探的熱點(diǎn)地區(qū)。

近年來，國內(nèi)外的諸多學(xué)者針對盆地油氣資源分布規(guī)律[5-7]、構(gòu)造演化特征[8-10]、下白堊統(tǒng)Barra Velha組微生物巖成因[11-13]、層序地層劃分[14]、沉積特征及模式[15-18]、儲集層特征[19]、鹽下油氣成藏[20-21]、有利區(qū)帶預(yù)測[22]等領(lǐng)域開展了一系列研究工作并取得了一定的認(rèn)識。然而，目前對沉積相的研究多數(shù)是圍繞盆地內(nèi)一級構(gòu)造單元展開，針對盆地內(nèi)二級構(gòu)造單元特定的沉積格局進(jìn)行的沉積特征研究尚顯不足；同時，高頻層序格架內(nèi)沉積相發(fā)育展布研究較少，尚不能等時、有效地揭示沉積過程及礁灘體發(fā)育展布規(guī)律；另外，關(guān)于層序沉積充填的控制因素、模式尚未明確，有待進(jìn)一步探討。

本文以桑托斯盆地H油田Barra Velha組為研究對象，基于研究區(qū)及周緣3 445 km2三維地震資料和9口鉆井的測井、錄井、巖心、同位素組成等資料綜合分析，在建立層序格架的基礎(chǔ)上，分析裂谷—拗陷期湖相碳酸鹽巖沉積充填過程，揭示沉積充填規(guī)律，從氣候變化、斷裂活動和湖平面周期性升降等方面對裂谷—拗陷期層序沉積充填的控制因素進(jìn)行深入探討，建立沉積模式，旨在為后續(xù)油氣勘探開發(fā)工作提供一定的借鑒和參考。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

H油田構(gòu)造上位于桑托斯盆地東部隆起帶的東北部（見圖1a）。油田構(gòu)造-沉積演化與桑托斯盆地具有高度的一致性，自白堊紀(jì)至今，共經(jīng)歷裂谷期、拗陷期、過渡期和漂移期4個階段[23]（見圖1b）。

圖1 桑托斯盆地綜合地質(zhì)圖（據(jù)文獻(xiàn)[20]、[32]修改）

中晚貝里阿斯期—早瓦蘭今期，岡瓦納古陸南美—非洲板塊開始逐漸裂解分離[24-27]。裂谷期演化開始于中晚歐特里夫期，在大規(guī)模火山活動的影響下[28-29]，研究區(qū)發(fā)育1套Camboriu組深灰色—灰黑色玄武巖[30]；中晚巴雷姆期，湖水侵入盆地[31]，研究區(qū)沉積 1套Picarras組深湖黑色頁巖[32]，與此同時，一系列拉張斷層開始大規(guī)模發(fā)育，形成了多個不同規(guī)模的地壘-地塹構(gòu)造（見圖2），早阿普特期，湖水深度開始變淺，發(fā)育1套Itapema組泥質(zhì)灰?guī)r和介殼灰?guī)r[31,33-34]；隨后經(jīng)歷大規(guī)模的構(gòu)造抬升活動，發(fā)育 Pre-Alagos不整合面（DPA）[35]；裂谷期末，發(fā)育1套Barra Velha組300段微生物碳酸鹽巖。在裂谷期和拗陷期之間，再次經(jīng)歷了小規(guī)模構(gòu)造抬升活動，發(fā)育Intra-Alagos區(qū)域不整合面（DIA）[35]。拗陷期內(nèi)，發(fā)育1套Barra Velha組200、100段微生物碳酸鹽巖。拗陷期結(jié)束，又一次發(fā)生構(gòu)造抬升，BVE組頂部發(fā)育鹽下（Pre-Salt）不整合面（DPS）。阿普特期末，構(gòu)造-沉積演化進(jìn)入過渡期，發(fā)育海陸過渡相Aririr組蒸發(fā)巖層系[36-37]，厚度普遍超過1 km[38]，是研究區(qū)油藏的重要蓋層[39-41]。阿爾布期開始，構(gòu)造-沉積演化進(jìn)入漂移期，沉積環(huán)境由海陸過渡相轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｏ啵}上發(fā)育大套碎屑巖-碳酸鹽巖沉積。

圖2 桑托斯盆地Lula油田—H油田地質(zhì)剖面圖

2 層序格架內(nèi)沉積充填特征

2.1 三級層序地層劃分及特征

研究區(qū)內(nèi)Barra Velha組地層自下而上發(fā)育DPA、DIA、DPS等3個不整合面，這3個不整合面構(gòu)成Barra Velha組上部地層 BVE100、BVE200段和下部地層BVE300段的頂?shù)捉缑?，自下而上Barra Velha組發(fā)育SQ1和SQ2兩個三級層序（見圖3）。

圖3 H油田H4井Barra Velha組綜合柱狀圖

DPA不整合面為SQ1的底界面SB1，是一個典型的巖性轉(zhuǎn)換界面，SB1之下為1套Itapema組湖相介殼灰?guī)r或角礫狀灰?guī)r，之上發(fā)育Barra Velha組湖相微生物碳酸鹽巖。SQ1的頂界面及SQ2的底界面為一個Ⅱ型層序界面SB2，此層序界面形成時期，湖平面只下降至臺地邊緣以下稍低位置，暴露面只在臺地邊緣和臺內(nèi)高地位置發(fā)育。因此，該層序界面由DIA區(qū)域不整合面和臺地內(nèi)較低位置發(fā)育的整合面共同構(gòu)成。SB2上下釷含量曲線及電阻率曲線均表現(xiàn)出一定程度的震蕩起伏。δ18O曲線在SB2之下表現(xiàn)出低→高的變化特征，在SB2附近有一個小范圍的波動，而SB2之上的δ18O基本保持在高值；δ13C在SB2之下表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，在SB2之上穩(wěn)定在低值。DPS不整合面為SQ2的頂界面 SB3，同樣為一個特征明顯的巖性轉(zhuǎn)換界面，之下為BVE100段微生物碳酸鹽巖，之上為Ariri組蒸發(fā)巖類。

H油田南西北東向過H2—H4—H6—H7井地震測線剖面顯示（見圖4），3個層序界面在地震反射上總體表現(xiàn)底部上超或下超，內(nèi)部相對整一，頂部少見削截。由于研究區(qū)主要處于臺地內(nèi)部，地震反射終止不太明顯。SB1為1套連續(xù)強(qiáng)反射的底界面波峰相位，SB2為 1套弱—較強(qiáng)反射的頂界面波谷相位，SB3為 DPS不整合面的波峰相位。受到斷層和局部沉積差異的影響，地震剖面上存在明顯的地形起伏，同一套地層的高差可達(dá)300 m左右。早期或同期斷層的升降運(yùn)動以及微生物礁的生長造成地層厚度橫向變化較大。

圖4 H油田Barra Velha組典型過井地震剖面

2.2 高頻層序地層劃分及沉積相組合特征

碳酸鹽巖高頻層序內(nèi)部均表現(xiàn)為向上變淺的旋回，這種向上變淺旋回被較淺水沉積到較深水沉積的突變面分開，故高頻層序內(nèi)具有兩個特征，即一個水體向上突然變深的界面和一個水體向上變淺的旋回。依據(jù)測井曲線旋回式變化、沉積相類型及組合特征，在臺地邊緣及臺內(nèi)高地等沉積古地貌較高位置，識別出11個四級層序，在臺內(nèi)洼地和斜坡等沉積古地貌較低位置，識別出12個四級層序（見圖3）。層序界面由下至上，沉積相類型表現(xiàn)為高能向低能的突變；Th含量曲線由低值向鋸齒狀高值突變。在不同沉積相帶，各高頻層序內(nèi)部，發(fā)育多種反映水體向上變淺的沉積微相—亞相組合類型。

2.2.1 淺水臺地邊緣

該類高頻層序常見于BVE100段（見圖5a）。層序底部發(fā)育礁灘間微相球狀微生物灰?guī)r（見圖6a、圖6b）、微晶灰?guī)r（見圖6c）、顆粒微晶灰?guī)r（見圖6d）和微齒狀層紋石灰?guī)r（見圖6e），微生物結(jié)構(gòu)及顆粒間泥質(zhì)含量較重，巖心顏色較深，呈深褐色—深灰色；中部發(fā)育內(nèi)碎屑灘微相砂礫屑灰?guī)r（圖6f—圖6i），巖心呈淺棕色，內(nèi)碎屑顆粒主要由微生物灰?guī)r的碎片組成，指示在較強(qiáng)的湖浪和湖流作用下水體攪動強(qiáng)烈、能量較高的沉積環(huán)境或風(fēng)暴沉積事件；上部發(fā)育微生物礁微相灌木形枝狀石（見圖6j、圖6k）或喬木形枝狀石（見圖6l、圖6m），巖心上顏色較淺，多為淡奶油色。該組合自下而上，巖心顏色逐漸變淺，測井Th含量曲線呈反漏斗狀特征，反映出一個水體向上變淺、泥質(zhì)含量逐漸減少、水體能量逐漸增強(qiáng)的沉積旋回。

圖5 H油田Barra Velha組高頻層序內(nèi)部沉積微相—亞相組合

圖6 Barra Velha組湖相碳酸鹽巖沉積亞相、微相各類巖石特征

2.2.2 開闊臺地

同臺地邊緣亞相高頻層序相似，該類高頻層序亦常見于BVE100段（見圖5b），但其內(nèi)部發(fā)育的巖相類型有所差別。層序底部發(fā)育礁灘間微相平滑狀層紋石（見圖6n），向上過渡為微齒狀層紋石，中部發(fā)育球狀微生物灰?guī)r，上部發(fā)育內(nèi)碎屑灘微相砂屑灰?guī)r，頂部發(fā)育微生物礁微相疊層石（見圖6o、圖6p）。該組合自下而上巖心顏色逐漸變淺，Th含量曲線值逐漸降低，反映為一個水體向上變淺、泥質(zhì)含量逐漸減少、水體能量逐漸增強(qiáng)的沉積旋回。

2.2.3 淹沒臺地臺內(nèi)洼地

該類高頻層序常見于BVE300段（見圖5c），高頻層序底部發(fā)育深灰色或深褐色泥質(zhì)灰?guī)r（見圖6q）、微晶灰?guī)r，中部發(fā)育平滑狀或微齒狀層紋石，上部發(fā)育球狀微生物灰?guī)r。自下而上巖心顏色有一定程度的變淺，Th含量曲線多呈箱型，雖然反映出水體向上相對變淺的沉積旋回，但總體指示湖水深度較大、水體循環(huán)有限、中—低能的沉積環(huán)境。

2.3 層序格架內(nèi)沉積演化及礁灘體展布規(guī)律

SQ1早期全區(qū)經(jīng)歷了一次短暫而快速的湖侵，形成湖侵體系域 SQ1-LTST（見圖7），之后湖平面開始長時間的小幅下降，發(fā)育高位體系域SQ1-LHST。SQ1時期研究區(qū)整體處于淹沒臺地的沉積背景下，各高頻層序地層單元內(nèi)橫向及垂向沉積充填物類型差異較小，臺內(nèi)—臺緣—斜坡相帶的沉積分異特征不明顯，均發(fā)育1套以層紋石灰?guī)r、微晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為代表的指示半深水—深水低能沉積環(huán)境的巖石類型。受沉積古地貌的控制，臺內(nèi)洼地和臺內(nèi)高地相帶在臺地內(nèi)部交替發(fā)育。礁灘體在這一時期內(nèi)普遍欠發(fā)育。

圖7 H油田Barra Velha組四級層序地層格架與沉積相展布

SQ2早期湖平面繼續(xù)下降，該階段湖退的規(guī)模有限，僅臺地邊緣及臺內(nèi)高地等沉積古地貌較高位置暴露，發(fā)育原地低水位期碳酸鹽巖楔狀體（LSW），內(nèi)部沉積充填物類型主要為球狀微生物灰?guī)r，夾少量平滑狀層紋石。短暫的湖退之后，湖平面再一次快速上升，湖侵體系域SQ2-LTST內(nèi)部臺內(nèi)—臺緣—斜坡相區(qū)依舊缺乏沉積分異特征，沉積物類型主要為平滑狀層紋石灰?guī)r和球狀微生物灰?guī)r，橫向上沉積充填物厚度穩(wěn)定。隨后，湖平面開始長時間、大規(guī)模地下降，孤立淹沒臺地逐漸演化為孤立淺水開闊臺地，高位體系域 SQ2-LHST縱向上發(fā)育多個礁灘間→內(nèi)碎屑灘→微生物礁的沉積微相旋回，礁灘體集中優(yōu)勢發(fā)育突顯，特別是在臺地邊緣和臺內(nèi)高地相帶，表現(xiàn)出生長迅速、厚度較大的特點(diǎn)。

3 層序沉積充填控制因素

3.1 古氣候變化對不同時期沉積充填物類型的影響

通過對 146個巖屑樣品的地球化學(xué)碳氧穩(wěn)定同位素組成分析發(fā)現(xiàn)，BVE300下部5 697～5 803 m段、BVE300段上部 5 559～5 697 m 段、BVE100段—BVE200段δ18O 平均值分別為-0.02‰，1.29‰，1.38‰，表現(xiàn)為負(fù)偏移到正偏移的變化（見圖3），指示氣候逐漸炎熱導(dǎo)致的湖水蒸發(fā)作用增強(qiáng)，湖水中重質(zhì)的18O富集的過程；而δ13C由高到低的變化趨勢則指示盆內(nèi)微生物的數(shù)量和規(guī)模逐漸龐大，這些微生物在光合作用時優(yōu)先與12C反應(yīng)，微生物巖中12C富集，導(dǎo)致δ13C降低。

碳氧同位素組成特征在一定程度上揭示出：①裂谷期研究區(qū)處于溫暖潮濕的的古氣候環(huán)境，河水的匯入和充沛的降水，加之盆地基底的持續(xù)沉降，致使湖水深度較大，區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育 1套半深水—深水低能沉積物；②拗陷期，盆地基底沉降減緩，同時古氣候環(huán)境逐漸變?yōu)檠谉岣珊?，河流作用減弱、降水量減少，湖泊水文系統(tǒng)的蒸發(fā)—補(bǔ)給平衡被打破，湖水蒸發(fā)量增大，湖平面降低，水體鹽度增高。在臺地相區(qū)，沉積物類型過渡為代表淺水高能環(huán)境的碳酸鹽巖，同時更能適應(yīng)“鹽堿化”水介質(zhì)條件的微生物活動在湖盆內(nèi)愈加活躍，微生物結(jié)構(gòu)類型較裂谷期更為豐富，展現(xiàn)出層紋狀、球狀、疊層狀、樹枝狀等多種結(jié)構(gòu)樣式。

3.2 湖平面周期性震蕩對礁灘體垂向分布的約束

BVE100段沉積時期，微生物礁灘體在縱向上的發(fā)育分布與高頻層序具有良好的相關(guān)性，受米蘭科維奇天文周期引起的氣候波動的影響，湖平面在SQ2-LHST的各高頻層序內(nèi)表現(xiàn)出階段性、旋回式下降，在各高頻層序的頂部，湖平面處在較低的位置，沉積水體能量增強(qiáng)，為礁灘體的發(fā)育提供了必要條件。湖平面的周期性震蕩控制了礁灘體在垂向上的具體發(fā)育分布，在各高頻旋回內(nèi)部，每個獨(dú)立發(fā)育的礁灘體規(guī)模在縱向上逐漸變大，各高頻層序地層單元頂部往往可見礁灘體連片發(fā)育的特點(diǎn)（見圖7）。盡管在不同區(qū)域每一個高頻層序地層單元內(nèi)部礁灘體發(fā)育狀況存在差異，但每一套礁灘體往往和單獨(dú)的高頻層序相聯(lián)系。

3.3 多類型斷裂活動對礁灘體平面展布的控制

裂谷—拗陷背景下，多類型的斷裂活動通過改變沉積古地貌，影響層序沉積充填樣式及礁灘體的平面展布。在盆地裂谷期構(gòu)造演化過程中，發(fā)育了多條基底斷裂，這些斷裂主要分為兩種類型，一種為平行于盆地走向的拉張斷裂，另一種為垂直于盆地走向的走滑斷裂（見圖5），這些斷裂形成時間早、作用時間長，具有繼承性發(fā)育的特征。

在裂谷中期發(fā)育的較大規(guī)模拉張斷裂形成的地壘奠定了研究區(qū)層序沉積基本樣式，這些地壘構(gòu)造形成的孤立臺地為碳酸鹽巖的沉積提供了場所，裂谷—拗陷期的層序沉積演化全部圍繞孤立臺地展開（見圖8a）。

從 BVE300段沉積時期開始，受走滑斷裂升降運(yùn)動的影響，臺地形態(tài)發(fā)生較大改變，具體表現(xiàn)為在孤立臺地之上正花狀構(gòu)造通常形成次一級沉積古地貌的局部高點(diǎn)，如臺地邊緣、臺內(nèi)高地，而負(fù)花狀構(gòu)造通常形成次一級沉積古地貌的局部低點(diǎn)，如臺內(nèi)洼地（見圖5）。沉積古地貌的顯著變化導(dǎo)致了BVE300段臺地相區(qū)層序沉積充填樣式在橫向上展現(xiàn)出“三脊兩洼”的形態(tài)特征（見圖8b）。這些走滑斷裂具有同沉積發(fā)育的特征，在負(fù)花狀構(gòu)造形成的臺內(nèi)洼地相帶，沉積物有效可容納空間持續(xù)增大或較為穩(wěn)定，沉積厚度要大于正花狀構(gòu)造形成的臺內(nèi)高地及臺地邊緣相帶，地層“脊薄洼厚”特征明顯。

BVE200段沉積時期，低位楔（LSW）和湖侵體系域（LTST），對臺地起到了一定的填平補(bǔ)齊作用（見圖8c），臺地的形態(tài)變得較為寬緩。BVE100段沉積時期，在不同古地貌位置沉積分異作用的影響下，臺地相區(qū)古地貌延續(xù)了裂谷期“三脊兩洼”的形態(tài)特征，發(fā)育正花狀構(gòu)造的臺地邊緣及臺內(nèi)高地等沉積古地貌較高位置長期處于碳酸鹽巖高能帶，為微生物礁灘體的發(fā)育提供了良好條件，碳酸鹽巖沉積速率明顯大于負(fù)花狀構(gòu)造發(fā)育的臺地內(nèi)部沉積古地貌較低洼位置，最終造成該時期橫向上層序沉積厚度的顯著差異，表現(xiàn)出“脊厚洼薄”的特點(diǎn)（見圖8d）。

臺地邊緣及臺地內(nèi)部發(fā)育走滑斷層正花狀構(gòu)造帶的區(qū)域（見圖9），4，7，8，11，12號走滑斷層正花狀構(gòu)造帶內(nèi)部形成的沉積古地貌局部高點(diǎn)是有利于礁灘體發(fā)育的高能帶，大量的微生物礁灘體在這些位置形成沉積建隆。

圖9 研究區(qū)走滑斷層平面展布與油氣勘探有利區(qū)

4 結(jié)論

桑托斯盆地 H油田的構(gòu)造-沉積演化共經(jīng)歷裂谷期、拗陷期、過渡期和漂移期4個階段，Barra Velha組湖相微生物碳酸鹽巖層系發(fā)育在裂谷晚期和拗陷期，可劃分為兩個三級層序，11—12個四級層序。從SQ1到 SQ2，氣候的變化致使研究區(qū)沉積環(huán)境由孤立淹沒臺地逐漸演化為孤立淺水臺地，從而決定了兩個三級層序中沉積充填物類型的顯著差異。礁灘體多發(fā)育在SQ2-LHST時期，其在垂向上的發(fā)育位置受到湖平面周期性震蕩的約束，大規(guī)模的礁灘體在在高頻層序界面之下連片發(fā)育。走滑斷裂活動則控制著礁灘體在平面上的展布，礁灘體在發(fā)育正花狀構(gòu)造的臺地邊緣和臺內(nèi)高地等古地貌較高位置顯示出優(yōu)勢發(fā)育。氣候變化、湖平面周期性震蕩、斷裂誘導(dǎo)，3種因素共同控制著層序地層單元內(nèi)沉積充填過程和礁灘體在時空上的發(fā)育分布。