地球表面的古地理单元呈现不同的级次,但其内涵、研究意义、重建尺度及方法的差异尚不明确,影响了古地理学的协调发展。古地理单元为具有一定气候、水文、生态特征的古地貌单元。依据地貌相对规模及其成因,将古地理单元分为大、中、小三级,相应地将古地理研究尺度分为三级。大尺度古地理研究为在全球及跨板块(盆地)的大区域内,以数百万年至数千万年为时间单元,研究大级次古地理单元(大洋、大陆及其内部的大型地貌起伏)的时空分布及多圈层相互作用,用于宜居地球及矿产资源远景区预测; 中尺度古地理研究为在一个较大型地貌单元(如盆地)内,以数十万年为时间单元,研究中级次古地理单元(较大型地貌与亚环境之间的地貌单元)的特征、分布、变迁及相应的地表作用过程,用于人类宜居环境预测及矿产资源勘探; 小尺度古地理研究为在一个沉积体系内,以万年或十几万年为时间单元,研究亚/微环境的特征、分布、变迁及相应的小规模地表作用过程,用于人类居住环境预测以及矿产资源评价与开发。未来的古地理学应进一步发展不同尺度古地理参数的多信息定量解译方法,创新不同尺度古地理的智能化重建技术,深化不同尺度古地理的成因机制研究,建立不同尺度古地理对矿产资源分布的控制作用模式,加强多尺度古地理的协同研究。

海陆过渡区是河流、波浪和潮汐共同作用的地带,交织水动力塑造砂体形态和古地理格局。以厄瓜多尔奥连特盆地富含油气的上白垩统Napo组Main-M1段和LU亚段为例,利用岩心、测井、录井等资料建立层序格架,结合重矿物和锆石U-Pb年代学分析物源,并用残厚法与印模法综合恢复沉积前古地貌。研究表明,Napo组可划分1个二级层序和5个三级层序,Main-M1段和LU亚段均处于各自三级层序的低位体系域,物源主要来自东部及东南方向的亚马孙克拉通,古地貌整体呈东高西低的单斜斜坡。LU亚段整体为河—潮联控的潮汐三角洲体系,平面上表现为东平原、西前缘,Main-M1段则演化为东潮汐三角洲—西浪控浅海陆棚—沿岸流交织改造的混积体系。Napo组记录了由河—潮联控向河—浪—潮三元混合体系的演化过程,说明在构造沉降和物源条件制约下,交织水动力是控制前渊带海陆过渡区砂体展布和古地理格局的关键因素,对类似前陆盆地海陆过渡区的古地理恢复具有参考意义。

微生物岩分类是研究微生物岩成因和分布规律的重要基础。鉴于微生物岩含义存在的问题,将微生物岩改称细菌岩,并在常规碳酸盐岩分类中将其列为独立的一类,与礁碳酸盐岩并列。据矿物成分,细菌岩可分为细菌碳酸盐岩、细菌硅岩等7大类。据构造,细菌岩分为凝块岩、叠层岩、菌包粒岩和均一岩。凝块岩分为骨架和非骨架凝块岩。骨架凝块岩分为亮晶、灰泥—亮晶和灰泥凝块岩。从亮晶骨架凝块岩到灰泥骨架凝块岩,水动力逐渐变弱,水深通常逐渐变大。叠层岩可分为纹理清晰与纹理模糊2类,前者形成于潮间—潮上带(水上),后者形成于潮下带(水下);还可分为柱状、波状、层状、丘状、锥状、墙状、皮壳状叠层岩,每一类根据大小还可以细分。菌包粒岩可分为纹理清晰和模糊2类,分别形成于潮间带、潮下带; 还可以据菌包粒大小分为菌鲕岩和核形岩,每一类还可细分。均一岩分为微晶和颗粒均一岩。本分类的特点: (1)提出以矿物成分作为细菌岩的大类划分标准。(2)将前人的“微生物岩”改称“细菌岩”,将前人分类命名中的“石”(如凝块石)改为“岩”(如凝块岩)。 (3)对于骨架凝块岩,提出了基于结构组分的分类,能更好地反映沉积环境。(4)基于纹理清晰度、形态或大小,提出了叠层岩的分类,并认为纹理清晰度具有指相意义。(5)将菌包粒岩分为纹理清晰和纹理模糊菌包粒岩,可反映形成环境。(6)提出了均一岩的分类,总结了其主要识别标志。

以新疆克拉玛依红山湖剖面白垩系清水河组中的砂岩“结核”为研究对象,系统研究了含砂岩“结核”地层的岩性特征、砂岩“结核”的外表形态、内部结构、物质组成、形成环境和成因。红山湖剖面白垩系清水河组主要发育一套滨岸浅水三角洲相大型交错层理砂岩,在不同期次的分流河道底部砂岩中广泛发育有球状、半球状、椭球状及其他形状的砂岩“结核”。关于这种结核的成因,目前有3种观点: (1)球形风化成因说;(2)成岩成因说;(3)内碎屑成因说。为了搞清楚砂岩“结核”的成因,通过野外地质剖面实测、岩石学薄片观察,系统研究了该类“结核”的宏观产状、微观结构、物质组成及与宿主砂岩的成因关联。研究结果表明: 该“结核”并非内碎屑,而是在同生—成岩阶段,砂岩经历了“结核状”成岩胶结,后期抬升到地表后,又经历差异风化后的产物; “结核”中心普遍发育有炭化的植物碎屑,围绕植物碎屑向外依次形成含铁方解石和铁方解石胶结物环带,“结核”的层理构造与宿主砂岩的层理构造具有连续性,未受后期构造扰动; 砂岩“结核”因胶结致密,抗风化能力显著强于周围未胶结或弱胶结砂岩,经表生风化作用后呈现球形、半球形、椭球形及其他不规则形态。结合区域沉积背景与成岩环境分析,认为该类成岩“结核”的形成指示清水河组浅水三角洲沉积时分流河道水动力强、有机质输入充沛、早期成岩阶段孔隙水介质呈弱碱性—中性等特征,为胶结物沉淀提供了有利化学条件。研究成果不仅厘清了清水河组砂岩“结核”的成因争议,更为准噶尔盆地白垩系滨岸浅水三角洲沉积环境恢复与成岩作用演化研究提供了关键地质依据,对油气储集层的非均质研究和油气开发也具有参考价值。

在系统回顾中国南方二叠纪岩相古地理由宏观定性描述向高精度定量化演进的现状基础上,重点探讨了以栖霞组—茅口组的白云岩与孤峰组、大隆组的硅岩为核心的岩石演化特征及成因机制。研究表明,岩相的时空分布深刻反映了大地构造的控制作用,尤其是在剪刀式碰撞与地幔柱远端效应驱动下的动力学背景,这些因素决定了沉积格局的时空演化及台-盆分异的特征。针对当前相带边界厘定的瓶颈问题,本研究提出,应依托古生物地理相似性指标强化时空约束,并结合大数据与人工智能技术,推动从静态图绘制到动态过程预测的转型,旨在为非常规油气勘探中的“甜点区”评价提供更加严谨的岩石学证据与演化模型支撑。

硅质矿物的成因类型对页岩储集层的品质具有差异化控制作用,但现有储集层评价体系多以石英总量为参数,忽视了不同成因硅质的储集层效应差异。以川东红星地区二叠系吴家坪组二段(吴二段)和茅口组四段(茅四段)页岩为对象,综合应用扫描电镜—能谱分析、X射线衍射和主微量元素测试等方法,系统开展了2段地层的硅质来源判别、成因及其地质意义探讨。结果表明: (1)红星地区吴二段和茅四段均发育碎屑石英和以放射虫来源为主的生物成因石英(结构保存型与结构改造型),热液成因硅质缺失; 在吴二段硅质中,碎屑硅绝对含量为21.7%,生物硅绝对含量为21.22%,为碎屑—生物混合来源,而茅四段以生物硅为主导(20.71%),碎屑硅含量极低(3.34%)。(2)提出了2种硅质的差异富集模式,其中吴二段为深水陆棚相,兼具陆源输入与高生产力双重优势,形成“叠加型富集模式”,而茅四段碳酸盐矿物极度富集,陆源输入极弱,导致生物硅相对占比被动升高,形成“碳酸盐稀释控制型模式”。(3)生物硅含量对页岩有机质富集、孔隙保存和可压裂性均具有正向效应,红星地区吴二段页岩工程靶窗从富有机碳中硅岩相调整为富有机碳高硅岩相后,测试日产气量由11.67×10⁴ m³提高至26.64×10⁴ m³,验证了生物硅含量在“工程甜点”优选中的关键作用。建议完善包括不同成因硅质含量和岩石力学参数的甜点综合评价体系,进一步指导川东二叠系页岩气甜点的精准选层与高效开发。

川北及川西北地区早寒武世沉积记录了扬子板块北西缘多物源体系差异演化的关键信息。以川西北广元—北川和川北南江—旺苍地区下寒武统露头剖面为研究对象,综合运用重矿物鉴定、岩屑成分统计、锆石阴极发光(CL)图像及古水流测量等沉积学分析,系统开展了该时期物源示踪与古地理重建。结果表明: (1)研究区早寒武世存在摩天岭、彭灌、汉南3大物源区,三者在形成时间、构造属性及母岩性质上显著不同; (2)川西北地区受古特提斯洋俯冲控制,摩天岭物源区主要持续提供酸性岩浆岩及硅质岩碎屑,彭灌物源区于筇二段沉积期始现水下隆起,至沧浪铺期演化为暴露的火山岛弧,主要提供基性岩浆岩(玄武岩)碎屑; (3)川北地区受古秦岭洋活动影响,汉南物源区呈阶段性演化,筇竹寺组—沧一段(仙女洞组)沉积期被淹没,川北发育鲕粒灰岩,沧二段(阎王碥组)暴露供源,形成冲积扇—扇三角洲粗碎屑沉积; (4)沧浪铺晚期3大物源区全部暴露,同时供源,形成川西北持续碎屑充填与川北三段式沉积响应的古地理分异格局。本研究为扬子北西缘早寒武世多板块相互作用提供了新的沉积学证据。

柴达木盆地位于青藏高原东北缘,其特殊的地层岩性及沉积特征反映了复杂的盆山系统和多种物源区成因。柴达木盆地西北部大浪滩—黑北凹地发育一套巨厚的晚新生代砂砾石沉积层系,为新型“砂砾型”卤水钾盐矿赋存地层。本研究选取大浪滩地区柴钾2井、柴钾3井不同埋深的7个砂岩样品进行了碎屑锆石U-Pb年代学、锆石微量元素特征分析与Lu-Hf同位素研究。结果表明,研究区碎屑锆石以岩浆成因为主,Th/U值为0.02~1.26,稀土元素配分模式呈现重稀土元素相对富集、显著Eu负异常和Ce正异常。碎屑锆石U-Pb年龄总体介于213.9~3307 Ma之间,主要包括4组年龄,分别是: 200~300 Ma,330~510 Ma,740~990 Ma,1.1~3.3 Ga。通过与周缘潜在源区对比发现,柴钾2井七个泉组物源以东昆仑祁漫塔格为主,柴钾3井七个泉组主要受阿尔金山和柴北缘共同影响; 狮子沟组表现出更明显的多源混合特征,其中柴钾2井狮子沟组反映东昆仑祁漫塔格、柴北缘、南祁连山和阿尔金山共同供源,柴钾3井狮子沟组则以东昆仑祁漫塔格物源为主,同时接受阿尔金山和柴北缘的部分输入。总体上,柴钾2井、柴钾3井之间的物源差异反映出山前冲洪积扇相沉积体系的横向分异与晚新生代构造活动增强的共同控制。研究结果可为阿尔金山及青藏高原北缘快速隆升提供可靠的年龄证据,对探索柴达木盆地“砂砾型”含钾卤水资源提供了新的年代制约。

煤系中致密砂岩储集层的岩性组合复杂,导致不同岩性组合条件下的储集层质量差异显著,其形成机理与控制因素缺乏系统认识。以塔里木盆地西南坳陷(简称“塔西南坳陷”)山前冲断带中—下侏罗统煤系致密砂岩储集层为研究对象,综合岩心、薄片和扫描电镜分析等资料,对不同岩性组合中的致密砂岩储集层进行对比研究。依据煤层发育特征及煤—砂—泥的叠置关系,将岩性组合划分为辫状河三角洲平原组合A、组合B及滨浅湖—辫状河三角洲前缘组合C。不同岩性组合中致密砂岩储集层成岩演化过程及孔隙发育特征差异显著: 组合A压实作用中等,早期方解石胶结物大量发育,其形成时间早且与原生沉积流体相关,溶蚀作用弱,总面孔率约为1.05%;组合B与组合C受粒度、泥质含量尤其是煤层产生的腐殖酸影响,压实作用较强,晚期铁白云石及方解石胶结物形成与有机质演化有关,煤系烃源岩产生的有机酸对长石和不稳定火山岩岩屑的溶蚀作用显著,粒内溶孔发育,总面孔率普遍大于2.0%。聚煤环境决定了煤层和不同岩性组合的空间展布特征,组合A和B分布于辫状河三角洲平原,煤层总厚较小,连续性相对较差; 组合C分布于滨浅湖—辫状河三角洲前缘,煤层厚度中等且在平面上分布范围较广。虽然岩性和矿物组分影响了砂岩的初始沉积条件,但更重要的是不同岩性组合中煤层对成岩作用的影响,组合B和组合C煤层腐殖酸抑制砂岩储集层早期碳酸盐胶结,导致压实作用增强,成岩中期煤层产生有机酸促进长石和岩屑的溶蚀,改善储集层物性。

珠江口盆地珠三坳陷珠江组(23-16 Ma)形成于早中新世快速海侵背景,记录了珠三坳陷由渐新世珠海组海陆过渡相向韩江组浅海相沉积演化的过程。但目前对该地区海侵过程中沉积相类型、沉积体系演化及控制因素尚不明确,制约了区域沉积体系分析与油气勘探。综合地震、测井、岩心、薄片及古生物等资料,开展沉积相类型和沉积相展布规律研究,并揭示其主控因素。研究表明: 珠江组二段有孔虫丰度和分异度较低,为滨海沉积环境,至珠江组一段下亚段,有孔虫丰度和分异度逐渐增加,反映沉积环境向内陆架转变,而珠江组一段上亚段则表现出更高的有孔虫丰度和分异度,标志环境进一步演化为中—外陆架浅海相; 受控于强沉积物供给,海侵背景下珠江组二段及一段下亚段都表现为受潮汐作用影响的三角洲沉积,发育水下分流河道、河口坝和分流间湾3种微相,三角洲沉积发育大量生物碎屑,且含较多悬浮泥质,同时,岩心指示河口坝沉积受到波浪与潮汐的共同作用,反映复杂水动力环境; 珠江组一段上亚段进入中—外陆架浅海环境,主要发育粉砂与黏土为主的潮汐沙脊和浅海泥沉积,砂质含量明显降低; 受持续海平面上升、物源供给减弱及古地貌控制,研究区早期富砂三角洲沉积体系逐渐演化为富粉砂—泥质的潮汐沙脊—浅海陆架泥沉积体系,且潮汐沙脊广泛发育于局部古地貌高点。本研究揭示了珠三坳陷琼海凸起周缘珠江组沉积体系演化及其主控因素,有助于深化对快速海侵背景下沉积体系演化规律的理解。

西湖凹陷是东海陆架盆地最重要的油气勘探区,始新世断裂体系复杂,开展多期构造作用下的“断-洼”耦合过程研究对本地区古地理重建和油气勘探具有十分重要的意义。论文以高精度三维地震资料为基础,聚焦西湖凹陷西部斜坡带始新世断裂发育特征,系统分析了断裂几何样式及活动规律,并进一步探讨了“断-洼”耦合过程及其对沉积体系的控制作用。研究表明: (1)受基底构造和区域应力场控制,始新世断裂体系具有显著分带性与分段性,西部斜坡带南部发育单断式、复合地垒式的断裂组合样式,中部具有地垒地堑、反向断阶等多种断裂组合样式,北部断裂组合样式具有同向断阶和次级地垒地堑式等特征。(2)平湖主断裂、杭州主断裂和宝云亭-武云亭断裂为控盆断裂体系,这些断裂的活动强度在宝石组下段沉积时期最大,至平湖组沉积时期逐渐减弱。(3)盆地构造演化过程受太平洋板块俯冲速率变化的驱动,裂陷期盆地强烈伸展形成断控沉积的格局,同沉积断裂差异活动主导了沉积中心的迁移与展布: 裂陷Ⅱ幕(宝石组沉积时期)受断裂差异伸展的控制,盆内发育多个孤立沉积中心; 断-拗转换期(平湖组沉积时期),早期多隆多洼的古地理格局发生改变,各孤立沉积中心合并,并向南迁移。本研究阐明了西湖凹陷始新世断裂—洼陷动态响应机制,为东海陆架盆地进一步的油气勘探提供理论依据。

源汇系统研究对于断陷盆地砂体分布及岩性圈闭预测具有重要的意义。渤中凹陷石南陡坡带东段古近纪发育多种古地貌,为多类型源汇系统研究提供了有利的原型盆地背景,但不同时期源汇系统研究不深入,尤其缺乏古地貌与沉积砂体的定量关系研究,严重制约了研究区有利目标的预测。本研究基于三维地震、岩心及测井等资料,系统地分析了该区古近纪古地貌特征与源汇系统结构,揭示了不同类型古地貌输砂系统对沉积体系和砂体分布的控制作用,并建立了不同时期的源汇系统模式及古地貌控砂模式。研究结果表明,石南陡坡带东段古近纪发育古沟谷、断槽、构造调节带及坡折带4类物源通道。沟谷可划分为U型、V型、W型及复合型,其中U型沟谷输砂能力最强,V型、W型沟谷输砂能力相对较弱; 断槽呈现出不对称箕状充填结构; 构造调节带发育受断层活动性强弱影响,并控制物源入口位置; 坡折带可进一步细分为陡坡断阶型坡折带、缓坡型坡折带、断崖型坡折带及盆内坡折带4种类型。根据物源距离及输导体系类型,进一步将源汇系统划分为近源与远源2大类共5小类。凸起区汇水面积、沟谷长度、展布面积及数量与沉积体规模及延伸距离呈明显正相关。

鄂尔多斯盆地三叠系延长组页岩油资源具有巨大的开发潜力。目前,湖盆中心区水平井多基于加积式地层格架设计,砂体钻遇率低,严重制约了页岩油的高效开发。以鄂尔多斯盆地陇东地区为例,利用测井和地震资料重新厘定了进积式地层内部的划分方案,建立了湖盆中心区统一的进积式等时地层格架。研究发现,受印支期扬子—华北板块碰撞与卡尼期全球梅雨事件的综合影响,延长组发育“加积—进积—加积”的三层结构样式。延长组原长7—长3₂地层内部可细分16个进积砂组,向湖盆中心依次相向进积,其中,1—3砂组呈低角度“S型”前积充填,4—6砂组呈高角度“S型”前积充填,7—16砂组为“斜交型”前积充填。研究成果将对湖盆中心区夹层型页岩油储集层的水平井部署与设计提供重要的地质支撑。

根据野外露头、岩石薄片及粒度分析等资料,对鄂尔多斯盆地西缘奥陶系樱桃沟组重力流沉积的类型、特征和演化规律开展了研究。结果表明: (1)鄂尔多斯盆地西缘发育4种深水沉积类型,分别为深水悬浮沉积、低密度浊流沉积、高密度浊流沉积和碎屑流沉积。深水悬浮沉积以泥岩为主,发育水平层理; 低密度浊流沉积以细砂岩和粉砂岩为主,发育沟模、槽模和不完整的鲍马序列; 高密度浊流沉积以含砾中砂岩和细砂岩为主,见逆-正粒序,发育似鲍马序列; 碎屑流沉积以砾屑灰岩为主,发育块状层理。(2)研究区主要发育4种重力流沉积微相类型,分别为远端朵叶沉积、近端朵叶沉积、水道化朵叶沉积和水道沉积。水道沉积主要为碎屑流沉积; 水道化朵叶沉积由高密度浊流沉积相互叠置组成; 近端朵叶沉积下部为高密度浊流沉积,上部为低密度浊流沉积; 远端朵叶沉积主要发育低密度浊流沉积。(3)研究区樱桃沟组共分为5个演化阶段,其中,高海平面阶段主要发育低密度浊流和深水悬浮沉积,低海平面阶段主要发育碎屑流、高密度浊流和低密度浊流沉积。(4)研究区近端朵叶沉积平均孔隙度约6.61%,平均渗透率约6.02×10^-3 μm²,优于水道化朵叶沉积和远端朵叶沉积,储集性能好。虽然研究区樱桃沟组已抬升至地表,但鄂尔多斯西缘可能发育多个覆盖的海底扇,应是潜在的油气勘探开发区域。

四川盆地绵阳—广安台洼是发育在晚二叠世—早三叠世上扬子碳酸盐岩台地内的洼地。其水深介于正常浪基面与最大风暴浪基面之间,北侧与深水区的斜坡相过渡。台洼内上二叠统长兴组为一套云化程度极低的含礁地层。利用岩性特征结合频谱趋势属性分析技术(INPEFA),长兴组自下而上分为长一段(SQ1-HST和SQ2-TST)、长二下亚段(SQ2-HST)、长二中亚段(SQ3)和长二上亚段(SQ4)。长一段由泥晶灰岩和泥页岩组成,形成缓坡型台地。长二段以生屑颗粒灰岩和骨架灰岩的大量出现为特征,形成镶边型台地。绵阳—广安台洼发育在长二段沉积期,可分为台洼滩、台洼礁、台洼滩间及台洼海4个亚相。台洼滩发育在SQ2-SQ4的HST,为生屑颗粒灰岩,呈低GR(29.3~34.6 API)和较低CNL(13.3%~18.0%)。台洼礁发育在SQ4-TST,为(云质)海绵骨架灰岩,呈较低GR(34.0~37.3 API)和较高CNL(19.0%~22.0%)。台洼滩间在长二段各体系域均可发育,以生屑粒泥灰岩和生屑泥粒灰岩为主,具低CNL(9.9%~11.3%)-低RT(33.1~37.3 Ω·m)-低DEN(2.55~2.57 g/cm³)-低GR(26.0~29.5 API)。台洼海发育于SQ2-HST,为泥晶灰岩、粉砂岩和泥岩的互层,测井曲线齿化严重。在岩石学特征和发育层位上,台洼与台内的礁/滩亚相具有可对比性,但与台缘带显著不同。研究结果不仅可以弥补台洼相的研究空白,也可以为绵阳—广安台洼地区勘探部署提供理论支撑。

通过整合地震数据、测井资料及岩心数据重建了寒武纪至泥盆纪期间北非地区构造演化及岩相古地理响应,重点探讨构造事件及相关的海平面波动与气候变化对研究区沉积作用与盆地发育的影响。研究表明,在寒武纪—奥陶纪,特提斯域西部克拉通内凹陷盆地占据主导地位,辫状河流系统因气候变冷与冰川作用逐渐转变为冰川沉积; 志留纪见证了古特提斯洋的开启,导致大规模海侵作用及下志留统富有机质页岩的沉积; 晚志留世的海平面下降导致三角洲与河流发育; 泥盆纪间,赫西尼亚造山运动显著改变盆地构造,形成被动大陆边缘。辫状河与曲流河系统渐变为三角洲与浅海环境,晚泥盆世的缺氧条件则有利于烃源岩的形成。本研究揭示了构造运动、海平面变化与气候变化等对北非沉积古地理的共同塑造作用,并在其基础上探究北非地区储集层有利区,为油气勘探提供依据。

下白垩统Barra Velha(BVE)组湖相碳酸盐岩是巴西东部桑托斯盆地深水盐下重要油气储集层,因具有特殊的岩石组构而成为学术界关注的热点。近年来的研究认为,BVE组原位(In-situ)碳酸盐岩主要由方解石树晶、方解石球晶和镁质黏土组成,沉积组构存在微生物成因和化学成因等对立观点,导致在岩石分类时出现完全不同的命名方案,沉积模式也有微生物沉积、化学沉积、热泉钙华沉积等不同认识。因尚未发现明显的生物结构/物质,且树晶和球晶均发育纤维状晶体结构,故越来越多的研究成果支持以化学成因为主的观点,但形成过程中是否存在微生物和/或热液的参与仍难以判定。古生物化石、自生黏土矿物和C-O-Sr同位素等指标显示,BVE组碳酸盐岩形成于高盐、高碱、高蒸发的湖泊环境中,然而水体的温度和深度、Mg-Si-Ca等物质的来源及碳酸盐形成阶段或沉积—成岩叠加阶段的作用过程和效应等依然不太清楚。在对BVE组湖相碳酸盐岩相关研究进展进行评述的基础上,笔者建议未来应从环境介质参数、物质来源、主要组分的成因等方面切入,开展高精度显微组构与原位主微量元素及同位素分析,同时配套相关实验和数值模拟,并结合现代沉积考察认识、岩石宏观分布特征及盆地古构造、古气候演化等动力学系统信息,从多个角度共同揭开这套碳酸盐岩的成因谜题。

新元古代是地球表层系统由低氧、微生物主导海洋向分层氧化海洋转型的关键时期,海水化学结构与碳酸盐沉积体系发生了显著重组。海相白云石胶结物因其同生—准同生的特征,被广泛用于重建古海水化学条件,但其形成机制及控制因素仍存在争议。以全球典型新元古代碳酸盐岩地层为研究对象,综合岩石学及碳、氧、锶、钼、铀和镁同位素等多重地球化学证据,系统梳理了海相白云石胶结物的岩石学特征及其环境意义。地层对比表明,不同地区白云石胶结物在形态组合和同位素组成上虽存在区域差异,但其沉积时序与成因模式具有良好的可比性,指示白云石发育主要受全球性海水化学背景控制。多同位素记录显示,新元古代海水化学并非长期稳定,而是在构造重组、冰期—间冰期振荡及大陆风化通量变化的共同作用下持续演化。白云石的广泛发育反映的并非单一、长期存在的“白云石海”,而是特定海水化学条件在不同构造-气候下的阶段性出现。研究认为,在相对偏高的 Mg/Ca 值背景下,低硫酸盐浓度、高碱度及适宜的氧化还原条件协同作用,可开启白云石沉淀“窗口”。新元古代构造-气候过程通过调控海水化学端元输入与物质循环方式,使该沉淀窗口在全球多次出现,从而解释了该时期白云石的异常富集。本研究从多尺度、多同位素角度系统厘清了新元古代海相白云石形成的关键控制机制,为重建古海洋化学演化及理解深时地球表层系统协同演变提供了重要约束。

深层—超深层古老碳酸盐岩的成岩序列与孔隙演化是研究热点与难点。基于川深1井、金石1井等灯影组碳酸盐岩岩相学、地球化学及碳酸盐矿物U-Pb定年数据,对比缝洞胶结物(微区)与围岩碳、氧及锶同位素值,并结合仙女洞组、茅口组碳酸盐岩成岩矿物中的均一温度与地质年代,建立并完善了四川盆地埃迪卡拉系灯影组碳酸盐岩的成岩序列,探讨了其与孔隙演化的关系。灯影组碳酸盐岩成岩序列为: 纤状或纤状生长带→纤柱状或刀刃状→较粗的纤维状、放射状束状海水胶结(葡萄状、皮壳状或栉壳状)、纳米级微球粒原生白云石→重力悬垂、渗流砂及大气淡水方解石胶结→隐晶质、微晶石英→氟磷灰石、重晶石及萤石→半自形粒状粉晶白云石→细晶白云石→中细晶石英或中粗晶白云石(或鞍形白云石)→中粗晶方解石→幕式充注的烃类→萤石+中粗晶方解石→中粗晶石英+方铅矿+闪锌矿+黄铁矿+萤石+中粗晶、巨晶方解石+中粗晶、巨粗晶白云石或鞍形白云石→焦沥青(甲烷,TSR)→中粗晶或巨晶方解石+中粗晶石英。结合构造埋藏史,初步厘定部分中粗晶白云石胶结物为埃迪卡拉纪晚期—寒武纪(或早奥陶世)的热水成因,其特征为: δ¹³C、δ¹⁸O分别为-1.78‰~-1.69‰和-9.28‰~-9.32‰,相对较低; 均一温度为116.6~135.3 ℃,盐度为12.63wt%NaCl_Equ,碳酸盐矿物U-Pb协和年龄为474.0±74.0~482.0±56.0 Ma。在埃迪卡拉纪晚期—寒武纪伸展构造背景下,桐湾运动Ⅰ幕、Ⅱ幕的挤压抬升导致大气淡水沿断裂下渗并参与热循环,促使缝洞中早期白云石沉淀。与大规模海水胶结、强烈硅化、压实、去白云化等成岩作用相比,该期热水胶结作用规模较小,对原始孔隙变化影响有限。

东海陆架盆地西湖凹陷BW地区始新统平湖组为该地区油气的主要储集层以及烃源岩,但对其沉积环境认识尚存在争议。本研究选取19块泥岩样品,采用传统的全样总量分析法和醋酸选择性提取法分别提取其微量及稀土元素,并基于多项地球化学指标,系统分析了平湖组沉积时期的氧化还原状态、古气候特征及古盐度演化。结果表明: (1)2种方法揭示的元素分布特征具有一致性,但醋酸选择性提取法所得元素质量分数显著低于全样提取法,在利用特定元素指标判别沉积环境(特别是区分陆相与海相)时,醋酸选择性提取法相较于传统的全样总量分析法更具优势。(2)平湖组沉积时期,研究区氧化程度整体为贫氧—富氧的偏氧化环境。 该时期古气候与古盐度协同演化,同步记录了4次连续变化,表现为沉积初期为温暖湿润的淡水环境,早期末为干旱咸水环境,中期转变为温暖湿润的半咸水环境,中期末则再次转变为干旱的咸水环境,晚期又变回温暖湿润的淡水环境,指示平湖组沉积时期研究区至少存在2次较大规模的海侵作用。上述结果对深化东海陆架盆地西湖凹陷油气勘探具有重要的科学指导意义和应用价值。

碳酸盐岩岩溶热储因其高孔渗性和巨大开发潜力,正成为地热地质研究的重点领域。运城盆地中上寒武统碳酸盐岩厚度大、岩溶发育强,是研究深部岩溶热储形成机制与有利区预测的重要对象。前人虽开展了寒武系的沉积、成岩及储集层特征研究,但对多期构造—岩溶叠加背景下热储形成机制及其控制因素仍认识不足。本研究充分利用野外露头、二维地震、岩心、测录井及铸体薄片等资料,结合区域构造演化与古地貌恢复,对运城盆地中上寒武统的岩石学特征、储集层特征、成岩作用、岩溶类型及期次进行了系统研究,建立了中上寒武统岩溶热储的发育模式。结果表明: (1)运城盆地中上寒武统主要岩性包括鲕粒灰岩、生屑灰岩、叠层石灰岩、泥质灰岩及粉晶—细晶白云岩,储集空间以选择性溶蚀孔、层控溶蚀带及构造裂缝为主; (2)研究区发育3类岩溶作用,受多期构造抬升控制,可划分为5个主要期次,各期岩溶作用叠置改造显著,其中怀远期、加里东晚期及燕山期形成的大型暴露面是区域表生溶蚀的关键; (3)本层岩溶热储由同生—准同生溶蚀奠定初始孔隙基础,经3期表生岩溶叠置扩容,并在断裂控制下深部埋藏溶蚀持续改造,最终形成高孔隙度、高连通性的复合岩溶热储体系。本研究明确了运城盆地多期岩溶及构造演化控制下的热储形成机制,为碳酸盐岩热储的预测与评价提供了理论依据,并为华北地区及类似断陷盆地的地热资源勘查提供重要参考,对提高中深层地热能开发效率具有实际地质意义。

库车坳陷于中生代形成广泛分布的含煤岩系,煤岩厚度较大,深层煤岩气资源较为丰富。相较于浅层煤层气,深层煤岩具有地质特征复杂、夹矸发育,且吸附气与游离气同时存在的特点,导致煤岩含气量缺乏有效的测井评价方法。本研究以库车坳陷侏罗系克孜勒努尔组为例,基于研究区深层煤岩岩心观察、常规测井、成像测井及核磁共振测井,开展了深层煤岩地质特征以及煤岩含气性评价的研究。库车坳陷侏罗系深层煤岩具有典型的低GR、低DEN、高RT、高CNC、高DT特征,且在成像测井上呈现为亮块状、亮斑状特点。研究区克孜勒努尔组煤岩宏观煤岩类型以半光亮—半暗型煤为主,属中固定碳、高挥发分、中低灰分、特低水分煤。克四段2#和3#煤为主力煤层,其厚度平均为4.5 m和6.2 m,平均埋深大于4000 m。深层煤岩煤体结构依据成像测井划分,以原生结构为主; 根据实验测试数据与测井响应参数间的相关性构建研究区深层煤岩组分和含气量测井评价模型,煤岩测井计算总含气量在5.95~10.95 m³/t之间,平均值为9.5 m³/t,吸附气含量平均为7.12 m³/t,游离气含量平均为2.38 m³/t。结合核磁共振测井获得的T₁-T₂交会图开展煤岩含气性分析表明,深层煤岩在电阻率值较高、固定碳含量较高且结构相对稳定的层段具有较好的含气性。基于煤层识别、显微组分、工业组分和含气量计算,形成了常规—成像—二维核磁联合评价深层煤岩气的方法,为深层煤岩气的评估和计算提供支撑。

塔里木盆地富满地区奥陶系超深层断控型碳酸盐岩储集层近年来取得了重大突破,油气资源丰富,勘探潜力巨大,是中国目前已建成规模最大的超深层油田之一。然而,奥陶系一间房组埋藏深度大,经历多期构造演化,储集空间复杂,储集层非均质性极强,亟需在厘清储集空间特征的基础上,明确储集层类型,建立单井不同类型储集层的测井划分识别方法。依托岩心、薄片等地质资料,厘清一间房组岩石学特征与储集空间特征,归纳总结出孔洞型、裂缝型、裂缝—孔洞型和洞穴型4种类型储集层,辅以常规测井和成像测井资料,建立了相应的“常规+成像+模式图”的测井响应特征图版。基于不同类型储集层的成像测井特征,利用孔洞缝剥离技术实现单井储集层的识别划分,明确不同类型储集层的规模与物性差异。结果表明,洞穴型储集层规模大,物性好,对油气产能起主要贡献作用,裂缝—孔洞型储集层规模与物性次之,在作为油气运移通道的同时也可以储存油气,裂缝型储集层与孔洞型储集层规模与物性相对较差,因此,洞穴型储集层是研究区优质的储集层,同时也是现阶段勘探开发的重点。研究成果为富满地区奥陶系超深层断控型碳酸盐岩储集层的识别提供了解决思路和技术支撑。