王志金，陈世悦，马帅，汪峰

中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东青岛 266555

柴达木盆地东北缘石炭系生物礁发育特征及其地质意义

王志金，陈世悦，马帅，汪峰

中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东青岛 266555

对柴达木盆地东北缘石炭系地层中生物礁的发育特征及区域展布进行了系统阐述。基于野外实地考察与室内镜下分析，采用地球化学与岩石学方法相结合，总结归纳柴达木盆地东北缘石炭系生物礁的岩石学特征、生物特征以及地层特征，分析生物礁主要产出层位及规模大小，探讨其古环境与油气地质意义。研究结果表明：柴达木盆地东北缘石炭系造礁生物主要为四射珊瑚，其次为横板珊瑚，发育锥状、盘状的单体珊瑚和管状、丛状、蜂窝状的群体珊瑚，附礁生物为腕足、等；珊瑚礁在岩层中以点状产出，呈不连续带状分布，依据其在地层中的发育规律与展布特征，分为簇状竖直丛生管状珊瑚、簇状水平延伸管状珊瑚以及簇状顶端向下倾斜管状珊瑚；根据岩石中的生物颗粒含量，生物礁灰岩储层岩石类型分为珊瑚骨架灰岩、珊瑚颗粒石灰岩、生物颗粒质石灰岩、含生物颗粒石灰岩以及泥晶灰岩。柴达木盆地东北缘早石炭世以碳酸盐台地环境为主，晚石炭世以海陆交互的潮坪环境为主。研究区石炭系生物礁主要位于下石炭统怀头他拉组三、四段，在石灰沟、旺尕秀等剖面可见厚层油砂，指示柴达木盆地东北缘石炭系具有良好的生烃潜力。

柴达木盆地东北缘；石炭系；生物礁；珊瑚；造礁生物

0 引言

生物礁是由固着生物所建造的本质上是原地沉积的碳酸盐建造[1]。生物礁自身既是优质的烃源岩，又具有良好的储集性，同时生物礁衰亡后，其顶部覆盖的泥膏岩是良好盖层，因此生物礁往往形成储量大、单井产量高的自生自储的油气藏，是油气勘探的重要对象[2]。前人对柴东北缘石炭系的生物群曾作过一定的研究，总结了生物的类型以及发育特征[3-7]。认为早石炭世柴东北缘生物群以珊瑚类和腕足类为主，珊瑚由小型单体向大型单体和复体演化，化石属种由少变多，到晚石炭世生物以类为主，珊瑚与腕足类衰退，腕足个体变小。但仍存在两方面的问题：1)只是对珊瑚、腕足等生物的类型进行抽象的描述、分类，未能结合生物在野外露头的实际发育特征、规模以及产状进行阐述，造成读者的理解困难。2)总结了柴达木盆地东北缘石炭系生物群的分布规律，并初步分析了其形成环境，但是未能分析生物群集中发育的层位，讨论其油气地质意义。本文提出在柴达木盆地东北缘石炭系中发育有生物礁，通过野外实地考察与室内镜下分析，系统分析了研究区生物礁的岩石学特征、生物特征以及地层特征，总结了石炭系的沉积环境并对生物礁的富集层位进行了重点的描述，探讨其古环境与油气地质意义。

1 研究区概况

柴达木盆地位于青藏高原北部，海拔3 000 m以上，南部与昆仑山相连，东部与祁连山毗邻，西北部为阿尔金山所环绕，盆地整体具有东西分区、南北分带的特点，是我国重要的含油气盆地[8]。在昆仑山与祁连山相向挤压对冲的构造背景下，盆地中部发生沉降，从边缘到中心形成一个大的背斜，背斜两翼发育有逆断层，总体具有“两断夹一隆”的构造格局[9]。研究区位于柴达木盆地北缘东段，包含牦牛山、旺尕秀、尕海南山、欧龙布鲁克山等，呈北西—南东向展布[10-11]。区内石炭纪地层分布比较普遍，其中石灰沟、城墙沟、尕海南山、旺尕秀、欧龙布鲁克山等地区露头较好，出露较全。自下而上主要发育一套碎屑岩与碳酸盐岩的混合沉积建造，沉积地层包括下石炭统穿山沟组(C1ch)、城墙沟组(C1c)、怀头他拉组(C1h)，上石炭统克鲁克组(C2k)、扎布萨尕秀组(C2zh)(图1)。

图1 柴达木盆地东北缘地层发育特征及生物礁露头分布图Fig.1 Developing features of stratum and reef outcrops along distribution location in northeast margin of Qaidam Basin

2 生物礁灰岩的岩石类型及特征

根据冯增昭(1993)对碳酸盐岩的分类原则[12]，笔者认为柴东北缘地区生物礁灰岩储层岩石类型主要有珊瑚骨架灰岩、珊瑚颗粒石灰岩、生物颗粒质石灰岩、含生物颗粒石灰岩以及生屑泥晶灰岩，生物含量逐渐减少。从宏观上看，岩层整体呈灰色，成层性明显，出露较好，几乎无植被覆盖(图2a)。

2.1 珊瑚骨架灰岩

以群体珊瑚为骨架，各珊瑚管紧密排列、丛生，从而构成高能抗浪实体，骨架之间被泥晶充填，充填物的形态、分布、含量受到骨架孔隙空间的控制，基质含量占4%～25%，部分基质被微晶白云石交代，表面往往遭受风化剥蚀，形成凹凸不平的面。群体珊瑚块体最高可达50 cm，横向延伸1 m(图2b)。

2.2 珊瑚颗粒石灰岩

因其不能形成珊瑚骨架，但珊瑚骨架碎片等生物碎屑构成了岩石的主体，故称为珊瑚颗粒石灰岩。生物颗粒含量50%以上，由珊瑚碎片、类以及腕足类组成，偶见植物碎片，生物碎屑无规律分布，多数被碎片化，由波浪、风暴的破坏作用造成。岩石颜色以灰白色为主，亮晶基质充填，孔隙度与渗透性较好，是优质储集岩(图2c)。

2.3 生物颗粒质石灰岩

生物颗粒含量相对减少，在25%～50%之间，颗粒包括管状的珊瑚骨骼碎片和腕足壳体碎片等。它们杂乱分布，大小不一，散乱充填在泥晶基质中。粗略地看岩石中生物不明显，但细看却能发现许多小的化石碎片。岩石颜色为灰—灰白色，硬度中等，孔隙度与渗透率一般，分布较广(图2d)。

2.4 含生物颗粒石灰岩

生物颗粒含量10%～25%，颗粒包括完整的生物，但多为生物碎屑，以珊瑚骨架碎片、腕足碎片为主。岩石颜色为灰—灰黑色，泥晶基质充填于生屑之间。岩石外表粗糙，硬度较大，局部可见珊瑚横截面上清晰的隔壁，以及纵切面上的鳞板发育。在研究区，含生物颗粒石灰岩分布广，构成生物礁的主体(图2e)。

2.5 泥晶灰岩

岩石颜色以灰黑色—黑色为主，泥晶结构，生物碎屑含量较少，见珊瑚骨架碎块、腕足以及植物碎片，岩石硬度较高。局部发育溶蚀缝与溶蚀孔，岩石表面节理比较发育。在重结晶作用下，泥晶方解石逐渐充填珊瑚体腔。由于长期处于暴露环境，泥晶灰岩表面有时发育有红褐色的铁锰质结核，呈不连续分布(图2f)。岩石整体结构致密，胶结作用强，储集性能较差。

3 造礁生物的类型及特征

柴达木盆地东北缘地区生物礁主要发育于石灰沟、城墙沟、尕海南山等地区。造礁生物以四射珊瑚(Tetracorallia)为主，其次为横板珊瑚(Tabulata)，发育锥状、盘状的单体珊瑚和管状、丛状以及蜂窝状的群体珊瑚，附礁生物为腕足、类、海百合等。单体珊瑚主要产出于城墙沟地区的深灰色礁灰岩中，珊瑚直径粗大，3～6 cm，直锥状或始部稍弯曲，似“牛角”，边缘发育宽的泡沫带，泡沫板微小、密集，呈球状或半球状，隔壁灰质加厚(图3a，b)，王增吉[3]认为该珊瑚属为Siphonophyllia。管状群体珊瑚横向延伸10～30 cm，呈点状产出于灰岩当中，顺层面发育，紧密堆积，单个珊瑚直径约1 cm，同一层位见断续发育，但产出形态略有变化，有水平、倾斜等，多分布在石灰沟与城墙沟地区(图3c)。丛状群体珊瑚产出规模较大，高40 cm，横向延伸60 cm，单个珊瑚直径约2 cm，横截面上凹凸不平，珊瑚向上直立发育，丛状或树枝状，多分布在尕海南山地区(图3d)。蜂窝状群体珊瑚横向延伸50～80 cm，高40 cm，多个珊瑚紧密堆积，个体多角柱状，密集发育，外形似蜂窝(图3e)。对珊瑚进行镜下微观研究，发现珊瑚有灰白色和红褐色两种不同的颜色，表明生物化石遭受到氧化作用。横板与隔壁均较平直，两侧发育泡沫板。珊瑚内的孔隙空间多被亮晶充填，部分珊瑚横板与隔壁一端宽一端窄，呈扇形发散(图3f，g)。此外，在生物礁内有时也可见类，腕足，介壳、海百合等附礁生物，它们产出规模较小，仅在局部富集(图3h～l)。

图2 柴达木盆地东北缘生物礁岩石类型及特征a.生物礁灰岩的野外宏观特征；b.珊瑚骨架灰岩；c.珊瑚颗粒石灰岩；d.生物颗粒质石灰岩；e.含生物颗粒石灰岩；f.泥晶灰岩Fig.2 Organic reef rock types and characteristics along the in northeast margin of Qaidam Basin

4 生物礁的地层特征

研究区生物礁发育层位主要为怀头他拉组三、四段。笔者着重研究了石灰沟地区采石场北侧1 km处的一条典型的富含生物礁的地层剖面(图4Ⅰ)，通过该剖面分析生物礁在地层中的发育规律及展布特征。该剖面中发育大套的珊瑚颗粒石灰岩与含生物颗粒石灰岩，产状平缓，出露良好。珊瑚礁位于怀头他拉组中段，以点状产出，呈不连续带状分布，大小各异，大者横向延伸1 m，高度可达40 cm；小者横向延伸15 cm，高度为10 cm。依据珊瑚礁在岩层剖面中的产状及外部形态特征，笔者将其归纳为三种类型，分别为：簇状竖直丛生管状珊瑚、簇状水平延伸管状珊瑚、簇状顶端向下倾斜管状珊瑚。簇状竖直丛生管状珊瑚整体沿着层面向上发育，多个管状珊瑚聚集成簇状，上部发散，下部汇聚，外形类似于扇形，是珊瑚在正常的水体环境下发育的形态特征(图4b，d)。簇状水平延伸管状珊瑚整体顺层理近水平发育，多个管状珊瑚紧密堆积，聚集成簇状(图4a，f，g)。簇状顶端向下倾斜管状珊瑚整体顺层理面倾斜发育，顶端向下倾斜，与层面斜交，倾角约20°(图4c，e)。不同产状的生物礁在地层中的分布比较杂乱，在同一层内可同时出现竖直、顺层、顶端向下倾斜的珊瑚(图4-Ⅰ中的a，b，c)；也可只出现其中的一类或两类(图4-Ⅰ中的e，f)，每个珊瑚点礁相隔2～10 m。推测可能原因是生长在碳酸盐岩台地边缘环境中的珊瑚化石，经过波浪或风暴的短距离搬运作用，迅速沉积在台地边缘斜坡环境中造成。

5 生物礁的地质意义

5.1 生物礁的古环境意义

珊瑚的生长和分布受其生存环境的控制。Webb[13]认为珊瑚的生长与海平面变化、大地构造及陆源碎屑供给量密切相关。黄兴等[14]认为复体珊瑚和丛状群体珊瑚能够适应大地构造相对稳定、有大量陆源碎屑物涌入的、温暖正常的浅水高能环境。研究区主要发育珊瑚点礁，规模小，延伸距离短，表明水深变化较快，多期的海进与海退频繁交替。通过与滇西、湘、黔等地发育的四射珊瑚组合进行对比(表1)，可以发现在早石炭世，全国范围内普遍发育四射珊瑚化石，其中yuanophyllum在各地区均有出现。然而到了晚石炭世，珊瑚化石明显减少，腕足和类化石逐渐增多，杨平[7]认为除水介质动荡的因素外，可能还与全球气候变冷有关。研究表明，我国的青海、新疆(西北)以及贵州、四川(西南)等生物化石较发育地区，在晚石炭世普遍有珊瑚化石减少的现象，指示了晚石炭世全球气候变冷具有一定的普遍性。

表1 柴达木盆地东北缘下石炭统四射珊瑚组合与区域对比[15-16]

柴达木盆地主要为陆表海类型，沉积特征以碳酸盐台地型沉积为主，盆地内部均处于浅海环境，东部德令哈地区为一套海陆交互相含煤地层，海相碳酸盐岩与陆相碎屑岩交互沉积[17]。研究区沉积演化经历了早石炭世两次海侵和晚石炭世的持续海侵作用[18]。穿山沟组期间，水体浅且循环受限，发育泥晶灰岩、薄层泥岩，为局限台地环境。城墙沟组期间，海侵作用开始，盆地整体向南倾斜，海水由昆仑洋从南向北入侵到柴达木盆地，发育紫红色砂砾岩、灰绿色泥岩以及薄层泥灰岩，沉积环境由冲积扇，局限台地向开阔台地环境过渡，城墙沟组末期第一次海侵结束。怀头他拉组期间再次发生海侵，且海侵作用达到最大，欧龙布鲁克地块全部被海水淹没，以生物碎屑灰岩与礁灰岩沉积为主，夹少量泥岩与中厚层砂岩，层面见单体珊瑚化石，个体大，成层分布。怀头他拉组沉积环境变化频繁，以碳酸盐台地为主，也可见台地边缘生物礁及扇三角洲环境。早石炭世末期，第二次海侵结束，发育厚层灰黑色泥岩。晚石炭世在持续海侵作用的背景下，可见少量沼泽相泥炭沉积，古地理格局与早期类似，古陆面积减少。由于大面积的海侵使得北部山前局部地区出现地层超覆现象，沉积环境主要为障壁岛与潮坪环境，在石灰沟、旺尕秀以及南部霍布逊坳陷等部分地区发育潮坪—泻湖和局限台地等海陆过渡环境(图5)。

5.2 生物礁的油气地质意义

早石炭世，柴东北缘海水较深且生物繁盛，有利于烃源岩的发育，烃源岩厚度大，分布范围广，主要位于欧龙布鲁克山一带，最大残余厚度达900 m[19]。柴东北缘石炭系发育2种类型的烃源岩，分别为下石炭统怀头他拉组深灰色碳酸盐岩，以及上石炭统克鲁克组黑色泥页岩，有机质丰度、成熟度高，具有很好的生烃潜力(表2)。晚石炭世的海陆交互相沉积也为生储盖组合配套体系的形成创造了有利条件。马寅生等[20]通过野外调查，发现柴达木盆地石炭系普遍发育厚层油砂。笔者在下石炭统怀头他拉组生物灰岩段地层中也观察到油砂显示，沿生物礁带发育明指示石炭系具有良好的生烃潜力显，指示石炭系具有良好的生烃潜力。

图5 柴达木盆地东北缘石炭统综合地层柱状图Fig.5 Comprehensive stratigraphic column of Carboniferous series along the northeast margin of Qaidam Basin

地区岩性TOC/%[18]氯仿沥青“A”/%旺尕秀泥岩0．38～2．63/1．31(16)0．0025～0．0375/0．0172(4)碳酸盐岩0．02～1．26/0．27(6)0．004～0．051/0．0243(4)怀头他拉(西)泥岩0．18～3．25/1．14(11)0．0039～0．0215/0．0091(7)碳酸盐岩0．07～0．54/0．21(10)0．0044～0．0089/0．0062(4)怀头他拉碳酸盐岩0．12～0．88/0．26(17)0．0025～0．0115/0．0063(7)欧龙布鲁克泥岩0．13～1．99/0．76(16)0．0028～0．010/0．0064(8)穿山沟泥岩0．19～1．00/0．61(4)0．0025～0．0049/0．0036(4)

注：数据格式：最小值～最大值/平均值(样品数)

柴达木盆地石炭纪时位于11.9°N[21]，盆地构造变形作用较弱，仅在新近纪末期局部出现，因而有利于油气资源的运移与保存。生物礁自生既是优质的烃源岩，许多资料表明，礁前的盆地相与礁后的泻湖相发育有机质丰富的碳酸盐岩，可作为良好的生油岩；同时生物礁也具有良好的储集性能，由于生物死亡后原地堆积而形成的生物骨架具有良好的孔隙性与渗透性，故礁灰岩多具有较好的储集性能，为油气的富集创造条件；最后生物礁衰亡后，其顶部覆盖的泥膏岩也可作为良好的盖层，因此生物礁型油气藏往往具有储量大、单井产量高的特征，其形成的油气藏具有自生自储的特点。研究区生物礁主要发育于怀头他拉组中段，推测在下石炭统具有油气勘探前景。

6 结论与讨论

(1) 柴东北缘石炭系的造礁生物主要为四射珊瑚(Tetracorallia)，其次为横板珊瑚(Tabulata)，发育锥状、盘状的单体珊瑚和管状、丛状以及蜂窝状的群体珊瑚，附礁生物为腕足、等。

(2) 珊瑚礁主要以点状产出，呈不连续带状分布，主要位于怀头他拉组三、四段。依据礁体在地层中的发育规律与展布特征，分为簇状竖直丛生管状珊瑚、簇状水平延伸管状珊瑚以及簇状顶端向下倾斜管状珊瑚。根据岩石中的生物含量，生物礁灰岩储层岩石类型分为珊瑚骨架灰岩、珊瑚颗粒石灰岩、生物颗粒质石灰岩、含生物颗粒石灰岩以及泥晶灰岩。

(3) 柴东北缘早石炭世以碳酸盐台地环境为主，晚石炭世以海陆交互的潮坪环境为主。频繁交替的海侵与海退造成早石炭世珊瑚点礁的产生。研究区石炭系生物礁主要位于下石炭统怀头他拉组三、四段，在石灰沟、旺尕秀等剖面可见厚层油砂，指示柴东北缘石炭系具有良好的生烃潜力。

随着勘探的进步，生物礁型油气藏不断有新的发现，2003年在川东北宣汉—达州地区长兴组—飞仙关组礁滩相白云岩中发现普光超大型气田，2006年在川东元坝长兴地区长兴组—飞仙关组生物礁滩白云岩中发现元坝气田[22-23]。在塔里木盆地奥陶系也发现大型礁型油气田[2,24]。柴东北缘早石炭世地层虽然广泛发育生物礁，并且在野外露头中还发现有油气显示，但是柴东北缘地区的生物礁中能否产生有效的油气生、储、盖组合，从而形成具勘探价值的油气成藏，目前还难以得出肯定的结论。认为还需要对该地区进行深入的研究，尤其要针对在柴东北缘周缘区域生物礁的分布、规模以及特征，还需做更详尽的工作，从而获得更加全面的认识，以期能在该地区的油气勘探中取得突破。

致谢 在论文撰写过程中受到了袁静、鄢继华等老师的亲切指导，在此一并感谢。

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CarboniferousOrganicReefDevelopmentCharacteristicsandGeologicalSignificanceinNortheastMarginofQaidamBasin

WANG ZhiJin, CHEN ShiYue, MA Shuai, WANG Feng

SchoolofGeosciencesinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266555,China

The organic reef in the Carboniferous System along the northeast margin of Qaidam Basin was reported in this paper, and the organic reef development characteristics and regional distribution were descripted. Based on field research and indoor microscopic analysis, combining core observation and description, using geochemistry and petrology method, summarizing the biological, stratum and petrology feature of organic reef in Carboniferous, northeast margin of Qaidam Basin. The article analyzed the main output layer and scale of the organic reef, discussed the palaeoenvironment and petroleum geological significance in northeast margin of Qaidam Basin. The results showed that research area’s Reef-building organism is mainly composed by Tetracoralla and also include some Tabulata, the morphology of coral reef is very abundant, such as pyramidal-shape or plate-shape solitary coral, tubular, fasciculate and cellular colonial coral. Reef-inserted organisms were mainly Brachiopod and crinoid. Coral reef is punctiform or discontinuous banded in stratums, three kinds of types are identified by coral reef developing laws and distributional characteristics: clusters of vertical tubular coral, clusters of horizontal extension tubular coral and clusters of the top downward sloping tubular coral. According to biological content in rock, organic reef can be classified to coral skeletons limestone, coral grain limestone, biological granular limestone, containing biological granular limestone and micrite. In Early Carboniferous epoch in northeast margin of Qaidam Basin, the sedimentary environment is mainly carbonate platform while Late Carboniferous epoch it became tidal flat environments which was a transitional zone between marine and continent. Organic reef in the study area is mainly located in the third or fourth section in Huaitoutala Formation of Lower Carboniferous. It developed good source rock and thick layer of oil sands, showing strong ability of hydrocarbon generation and oil migration process.

northeast margin of Qaidam Basin; Carboniferous; organic reef; coral; reef-building organism

1000-0550(2017)06-1177-09

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.06.009

2016-05-23；收修改稿日期2016-11-07

中国地质调查局地质调查项目(12120115003301)[FoundationGeological Survey Project of China Geological Survey, No. 12120115003301]

王志金，男，1993年出生，硕士研究生，沉积学与层序地层学，E-mail: jxwangzhijin2012@163.com

P618.13

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