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1.关于沉积相的含义

沉积相研究最初源于相的研究，关于相的研究历史很长，最早由丹麦地质学家斯丹诺（S t e n o）1669年引入地质文献。他认为相是在地质时期内地表某一部分的总和。其含义也不尽相同，一种认为相是一定地质时期内地表某一部分的全貌（S t e n o，1669）沉积物的特征及其生成环境的总和。简称相或岩相。沉积相的概念是1838 年瑞士地质学家A.格雷斯利建立的。他认为相有两个要点：①地层单元中的岩石面貌和古生物组合要一致。②在相同的古生物组合中，要明显地含有不同于其他相中的一些生物种属。并认为沉积相反映着沉积物形成地理位置和地理环境。美国学者.莫尔1948年提出沉积相的定义为“沉积相是沉积剖面中任何空间上独立的，与该剖面的其他部分有显著区别的部分”，强调了地层学的概念。苏联学者.鲁欣1958 年认为“把相理解为沉积物的特征及其生成环境的总和更加确切”。.塞利1970年主张相可用5个参数来确定，即岩体的几何形态、岩性、古生物、沉积构造和古水流形式。沉积相反映着地质时期地理环境的特征及其演变过程，因此研究它对了解各地质时代古地理环境和地壳的历史演变有着重大的理论意义，对沉积矿产的普查勘探，查明地下水、油、气的分布规律，对工程建设的设计和规划均有重要的实际意义。

2.沉积相研究简史

瑞士地质学家A.格雷斯利（Gresly，1938）第一次提出了沉积相的概念，他认为沉积相有两个要点：一是地层单元中的岩石面貌和古生物组合要一致；二是在相同的古生物组合中要明显的含有不同于其他相中的一些生物种属。认为相是沉积物变化的总和，表现为岩性的、地质的、古生物的差异，他强调的是沉积物特征的变化；美国学者.莫尔（1948）提出沉积相是沉积剖面中任何空间上独立的，与该剖面其他部分有显著区别的部分，强调了地层学的概念。19世纪末叶，陆续出现不同的派别，有的认为相是地层的概念，简单地把相看作是地层单位的横向变化；还有人认为相即是环境，也有人认为相是岩石特征和古生物特征的总和。苏联学者任竹日尼科夫（1957），将相定义为一定岩层的生成和沉积环境，这个环境是根据岩性特征、生物化石、地球化学差异和其他特征推断出来的。即把相与环境等同起来。鲁欣（1953年）将相定义为能表明沉积条件的岩性特征和古生物特征的有规律的综合。认为相是沉积物形成条件的物质表现。他1958年又提出：把相理解为沉积物的特征及其生成环境的总和更加确切。1976年塞利（Selly）提出，应从沉积岩体几何形态、岩石学特征、古生物特征、沉积物构造特征和古流向5个方面来限定相或沉积相。目前大多数学者将相理解为沉积环境的古代产物。塞利（1976）认为，相专指环境的物质表现。

我国沉积相研究历史较短，1985年中国学者翟淳把沉积相分为5级。即相组、相、亚相、微相和相素。先根据自然地理条件分为大陆相组、海陆过渡相组和海相组，它们属一级相；再根据自然地理条件的局部变异划分出二级相，如大陆相组分为河流相、湖泊相、沼泽相、冲积扇相、残积坡积相、沙漠相、冰川相；海陆过渡相组分为三角洲相、河口湾相；海相组分为无障壁海岸相、有障壁海岸相、浅海陆棚相、次深海相和深海相；二级相下再分出三级相，或叫亚相，如河流相再分为河床亚相、堤岸亚相、河漫滩亚相和牛轭湖亚相；再根据微地貌或岩性、古生物特征细分出第四级相，或叫微相，微相下再根据岩性分出若干相素。

油气田开发使人们对相的概念更加深入，认为相应包含沉积环境和沉积特征两方面内容；1985年刘宝君等主编的《岩相古地理基础和工作方法》一书出版后，长期得到研究和生产单位广泛应用；2003年姜在兴等在沉积岩一书中将相定义为沉积环境及在该环境中形成的沉积岩特征的总和。他将沉积相分为碎屑岩沉积相和碳酸盐沉积相，并将陆源碎屑沉积相划分为相组和相，进一步分为亚相和微相，并以自然地理条件为主要依据。存在的主要问题，是分类系统不统一，层次不清，粗细不均。

上面的划分方案主要是根据沉积时的自然地理条件，而在地质历史中，沉积相更多的是表现在垂向上的和平面上的变化，因此，除了岩相本身受到自然地理条件影响之外，更多的是受到构造运动多期性和长期性的制约，致使沉积相变化更加复杂。所以，用活动论观点研究沉积相的变化规律，成为当前的首要任务。特别是地壳的水平运动和垂直运动对沉积相影响极大，沉积环境有时相对变化较小，有时变化较大，特别是火山活动，风暴，潮汐，重力，以及构造运动形成的各种类型的构造盆地，都直接控制着沉积物的沉积。因此要恢复当时的沉积状况，必须首先恢复原型盆地特征，

3.青海地区石炭纪沉积相的研究概况

青海地区石炭纪沉积相研究历史较晚，在1∶20万区调中，仅划分为海相和陆相，海陆交互相。专门研究只限于少数论文中，比较系统研究沉积相当属于石油系统。

郭宏莉等（2002）在中国西北地区石炭纪岩相古地理一文中，将柴达木盆地早石炭世归入南天山—北祁连滨浅海相区、柴达木碳酸盐台地相区、中祁连滨浅海相区；晚石炭世归入柴达木碳酸盐台地相区、宗务隆山浅海—半深海相区、祁连滨浅海相区。

青海油田公司和中国石油大学等单位对盆地石炭纪含油地层研究时讨论过。2003年青海油田勘探开发研究院石炭系—二叠系研究组将柴达木盆地分为滨岸相区（包括滨岸浅滩亚相、滨岸潮坪亚相、滨岸沼泽亚相），碳酸盐台地相区（包括开阔台地亚相、局限台地亚相）和浅海陆棚相区。他们分别将其分为海陆交互相、海相。包括滨岸相、碳酸盐台地相、浅海陆盆相，和浅滩亚相、潮坪亚相、沼泽亚相、开阔台地亚相、局限台地亚相、内陆盆亚相。

尹成明等（2006，未刊）对柴达木盆地东部地区石炭系研究时指出，下石炭统穿山沟组城墙沟组形成于受陆源碎屑影响的混积台地环境，怀头他拉组下段形成于滨岸沉积环境；上段为碳酸盐岩开阔台地环境。上石炭统克鲁克组下段为滨岸—开阔台地环境；上段属滨岸局限台地环境；扎布萨尕秀组下段为潟湖—局限台地环境（潟湖—前三角洲—三角洲前缘），中段为早期开阔台地，晚期为潟湖滨岸沼泽环境，上段为局限台地—开阔台地环境（前三角洲—三角洲前缘—局限台地）。并具体分为：

1）滨岸相：滨岸浅滩亚相（穿山沟组），滨岸潮坪亚相（下石炭统中上部和上石炭统），滨岸沼泽亚相（上石炭统下部）；

2）碳酸盐台地相：开阔台地亚相（见于下石炭统），局限台地亚相（见于下石炭统）；

3）浅海陆盆（棚）相：内陆盆亚相（见于阿木尼克山下石炭统上部）。

此外，汤良杰等（1999～2000）引用构造古地理概念，将大地构造环境作为划分沉积相重要标志。提出柴达木盆地为弧后裂陷盆地，石炭纪表现为滨岸—台地—陆棚相碳酸盐岩和碎屑岩建造夹煤线沉积，在宗务隆山地区为裂陷槽环境下的沉积；至祁连山地区则为弧后陆缘还盆地环境沉积，发育陆棚—滨岸—河湖相的碳酸盐岩—含煤碎屑岩—碎屑岩沉积；

李燕平等（1989）根据古地磁资料，认为柴达木地块在石炭纪末期位于塔里木地块之南，华北地块以北，位于北纬26°左右，并受到阿尔金断裂带的制约。1990年王增吉在中国的石炭系中将柴达木盆地归入西北华北生物地理区；

1999年李守军等在柴达木盆地石炭纪古生物地理归属研究一文中，则将柴达木盆地归入华南生物地理区；

2002年王训练等，认为阿木尼克组为陆相冲积扇。

2006年杨平等在柴达木盆地石炭纪古生态与沉积环境一文中，认为石炭纪主要发育陆表海，以碳酸盐台型沉积为主，阿木尼克组与石拐子组底部为滨海浅滩相沉积，穿山沟组与石拐子组中部为滨岸潮坪相向浅海碳酸盐开阔台地相演化；城墙沟组和石拐子组顶部为封闭的碳酸盐台地环境，相当于台洼；怀头他拉组和大干沟组属滨岸潮坪相，中上部为碳酸盐开阔台地相，上段为正常浅海环境，大干沟组为碳酸盐台滩，上部为碳酸盐台坪。克鲁克组属滨岸潟湖相沉积；尕丘1井含煤地层相当于滨岸沼泽或潟湖有关，上部为滨岸潮坪环境。扎布萨尕秀组下部为滨岸沼泽潟湖相；缔敖苏组—四角羊沟组下段为浅海碳酸盐台地沉积环境。

根据青海石炭纪沉积特征，本书根据地壳运动特征及各时期沉积相特点，按照地域特征可分为三大类，分别称为沉积区、沉积相区、沉积相带：

沉积区与区域构造运动有关，根据区域构造特征可分为三级：沉积区（相当于地层区范围）、沉积相区（相当于地层分区）、沉积相带（相当于地层小区）。

一级沉积区：包括稳定型沉积区，活动型沉积区，过渡型沉积区。其界限受到大型构造线控制。

二级沉积相区：可根据区域岩相水平和垂直变化组合特征进行划分（多以地域命名）：其界限受到断裂的控制。

三级沉积相带：为相区次一级名称，其界限主要为大的岩相变化界限。

根据岩性特征，可分为相类、相组、相、亚相4个级别。

一级相类：主要是依据岩石类型划分。包括碎屑岩相类、碳酸盐岩相类、火山岩相类。

二级相组：依据岩石组合不同，可划分出不同相组，包括碎屑岩相组，碳酸盐岩相组，火山岩相组。

三级相：根据沉积自然环境划分，包括：陆相，海相，河流相、湖泊相，海陆交互相，浊积相。

四级亚相：为相的次一级单位，主要是自然环境的不同部位划分。

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1.中国地质大学地球物理与空间信息学院，湖北武汉 430074；2.中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室，湖北武汉 430074

摘要 为了对沉积体系中各种沉积环境地层的物性进行精细研究，对塔里木盆地柯坪-巴楚露头区碳酸盐台地边缘沉积体系和碎屑滨岸带沉积体系进行了系统取样。在常温常压下对岩样进行了超声波纵、横波速度测量和密度测量，主要获得以下结论：①岩样超声波速度与岩样所处的沉积环境关系密切，在生物礁滩剖面上，从礁基、礁核、到礁盖（相当于台地边缘浅海沉积）速度递增；在三角洲沉积剖面上，从水下分流河道、河口坝到前缘泥速度递增；②在生物礁滩剖面上，生物碎屑的含量是影响速度的主要因素。生物碎屑含量越高，速度越低；③生物礁内生物的大小与生长方向是控制岩样速度各向异性的主要因素之一。

关键词 超声波 速度 生物礁 潮坪 三角洲 塔里木盆地 下古生界

1 引言

地震勘探的物理基础是物性参数的差异，也是地质学家和地球物理学家从地震数据体上辨识地震相和沉积相的重要参考，其中速度是地震数据中最关键的物性参数。较直接的研究岩石的物性方法是测井或岩石的物性测量技术。本章采用室内物性测量方法，测量了塔里木盆地柯坪-巴楚露头区碳酸盐台地边缘沉积体系和碎屑滨岸带沉积体系中岩石的物性，为寻找各沉积相的声波速度和密度的变化规律，为地下该类储层的识别和预测提供岩性基础和科学线索。

岩石超声波测试结果被广泛用于工程地质勘探和石油勘探领域。研究表明，通过密度、纵横波速比或泊松比可以判断岩石岩性（孟庆山和汪稔，2005），也有人直接研究过沉积岩本身的声波衰减特性（安勇、牟永光和方朝亮，2006）。超声波测量已成为岩石物性研究不可或缺的方法，但在以往的研究中，很少有人对沉积环境（沉积相）与沉积岩物性之间的关系进行过深入系统的研究。

露头剖面记录了丰富的沉积学信息，对露头沉积体系作精细的超声研究，总结和比较具备构成潜在储层的沉积体系中与各种环境对应岩石的声速特征，可以准确地指导沉积体系的地质建模、地球物理正演，并作为地球物理反演的约束，有利于提高地震有利储集相带解释精度和预测准确度。

奥陶系和志留系都是塔里木盆地重要的油气勘探开发目的层（皮学军、刘楚和陈颖等，2007；张俊、庞雄奇和刘洛夫等，2003）。塔里木盆地奥陶系储层岩性以台地滩相灰岩及礁（丘）相灰岩为主（罗平、张兴阳和顾家裕等，2003）。近十几年来，在塔里木盆地先后发现和确认了巴楚、哈什西克儿、柯坪和轮南等4个地区的生物礁（李相明和杨申谷，2006；陆亚秋和龚一鸣，2007）。塔里木盆地志留系储层在柯坪地区、塔北地区以滨岸-浅海相碎屑岩沉积为主，在塔中地区以河口湾-潮坪沉积为主，而在塔东地区以陆相河流-辫状河三角洲粗碎屑沉积为主（王成林、张惠良和李玉文等，2007）。本次研究对塔里木盆地柯坪-巴楚地区代表碳酸盐台地边缘沉积体系和碎屑滨岸带沉积体系的典型剖面进行了系统的取样，并在室内进行了岩石超声波速度的测量，探索了各个沉积体系中岩石的速度变化特征。

2 岩样采集与说明

剖面位置

测试所用岩样分别来自塔里木盆地的4个典型剖面（图1）。第一、第二两个剖面位于巴楚一间房地区的勒牙依里塔格山，属奥陶系一间房组（O2y），为台地边缘礁滩共生相。岩样分别取自礁体的礁基、礁核和礁盖（相当于台地边缘浅海沉积）处。第三个剖面位于柯坪地区大湾沟，属志留系塔塔尔塔格组（S1t），为三角洲前缘沉积。岩样分别取自河口坝、水下分流河道、前缘泥等成因相。第四个剖面位于柯坪地区四十厂，属志留系柯坪塔格组（S1k）的中上部，为潮坪沉积。具体的野外工作路线如图1所示。

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岩样说明

4个剖面中共选取25块岩样用于超声波测试，将岩样切割成长方体，待测面用砂纸打磨平整（图2）。由于部分岩样取样的原始形状极不规则，切割时仅保证了岩样一个短轴和一个长轴满足测量要求。短轴（a）长度均为，长轴（b）长度值从到不等（表1）。

图2 取自大湾沟志留系塔塔尔塔格组（S1t）的第25号岩样（5cm×5cm×）照片

3 实验方法

实验设备

声波速度测试所使用仪器是由中国科学院武汉岩土力学研究所研制生产的RSM-SY5智能声波检测仪，仪器时间分辨率可达μs。使用了两种超声换能器，其一是纵波换能器，由江汉测井研究所研制生产，接收频率为50kHz；其二是横波换能器，由武汉理工大学研制生产，接收频率为（90±10）kHz。

超声波速测量基本原理：岩样声速测量系统如图3所示。测量时，超声仪发出的电信号，通过探头A（发射换能器）转换为声波，穿过岩样至探头B（接收换能器），再转换为电信号至声波仪。然后从计算机上读出波在岩石中的传播时间t ’（波形初至时间，如图4所示），除去声波通过探头、耦合材料（探头与岩样之间的耦合剂）、仪器线路等附加延迟时间——校零t0，声波在岩石中传播的时间为t=t ’-t0。若岩样长度为L，可计算出波速V=L/t。整个测量过程是在常温常压下进行的。

表1 岩样超声波速度测试结果

图3 RSM-SY5超声测量分析系统

波形检测方法

据文献（王让甲，1997），在纵波波速测试中使用液体或乳状物做耦合剂都可以达到很好的耦合效果。而横波是剪切振动，只有能够承受剪切力的材料才能作为横波波速测试的耦合剂。本次实验中，纵波波速测量使用的耦合剂是糊精，横波波速测量使用的耦合剂是水杨酸苯酯。纵波横波速度存在差异，横波滞后于纵波其初至拾取存在一定的难度（魏建新和王椿镛，2003），但横波有一定的偏振性，旋转发射换能器与接收换能器对应的角度，接收到的横波振幅会呈现规律性的变化，利用这一特性可以识别出横波并确定出初至时间。图4中横波（a）为横波换能器测试第25号岩样接收到的波形，横波（b）为将接收换能器旋转180°接收到波形，横波首波振幅翻转，图4中可以清楚地识别出横波初至时间。

图4 第25号岩样测试时显示的声波波形箭头指向纵、横波的初至时间

4 实验结果及分析方法

岩样声波测试的结果列在表1中。速度测量分别沿图2中所示岩样的短轴（a）方向和长轴（b）方向。VP（a）和VS（a）分别表示沿短轴（a）方向测量的纵、横波速度；VP（b）和VS（b）分别表示沿长轴（b）方向测量的纵、横波速度。为了对岩样速度各向异性的程度进行估计，引入了纵波速度各向异性程度指数KP和横波速度各向异性程度指数KS，定义如下：

碳酸盐台地边缘带沉积体系露头研究及储层建模

碳酸盐台地边缘带沉积体系露头研究及储层建模

5 测量结果讨论

生物礁滩剖面岩样的速度特征

生物礁滩剖面①、②（图1）中，单个礁体规模较小，但礁体众多，大多连成一片。礁体层位分布稳定，横向延伸方向均可追寻到相应层位的其他礁体，纵向上礁体相互叠置。礁体一般由礁核、礁基和礁盖部分组成（胡明毅、朱忠德和贺萍等，2002）。生物礁滩剖面用于超声波测试的岩样共15块，根据岩样在礁体中分布的位置不同，绘制了岩样位置与其纵、横波波速及平均速度关系图（图5，图6）。

图5 生物礁滩剖面岩样纵波速度与岩样在礁体中的位置关系

图6 生物礁滩剖面岩样横波速度与岩样在礁体中的位置关系

从图5和图6可以看出，无论纵波速度还是横波速度，从礁基、礁核到礁盖其平均值都逐渐增大。纵波速度增加幅度大于横波。礁盖岩样速度测量值变化不大，而礁基和礁核两个部位的岩样两个轴向的速度值差异明显。图7是用前面定义的速度各向异性程度指数KS和KP所做的交会图。图7中可以看出礁盖岩样速度各向异性程度指数基本集中在0%～10%范围内，而礁基和礁核两个部位的岩样大多分布在20%～40%。礁基和礁核速度各向异性程度明显高于礁盖。

图7 生物礁滩剖面横波速度各向异性程度指数KS和纵波速度各向异性程度指数KP的交会图

观察生物礁滩剖面①、②，礁基多为灰色粗粒亮晶棘屑灰岩，颗粒含量很高，约占80%以上，颗粒大小约1～4m m，以破碎的海百合茎干为主，如图8b。礁核主要是由瓶筐石（Calathium）（胡明毅、朱忠德和贺萍等，2002；李相明和杨申谷，2006；焦养泉、荣辉和王瑞等，2011）组成的灰白色块状障积岩，造礁生物瓶筐石密集，占化石总量的80%以上，瓶筐石长度可达10c m，如图8a。礁盖多为成层性良好的中层生屑泥晶灰岩，其间常有小型礁灰岩块夹杂其中，结构致密。礁基的岩样，海百合茎和其他生物碎屑杂乱排列，生物颗粒疏松；礁核的岩样，瓶筐石的体腔被方解石充填或被溶蚀，部分岩样沿生物体裂开形成较大的裂缝。这些生物化石的形状、大小、生长方向以及裂缝都影响声波在岩样中的传播速度。

图8 礁核的主要造礁生物瓶筐石（a）和礁基生物碎屑的主要组成物海百合茎（b）

潮坪沉积剖面和三角洲前缘沉积剖面岩样的速度特征

柯坪-巴楚地区志留系自下而上分别为柯坪塔格组、塔塔尔塔格组和依木干他乌组（王成林、张惠良和李玉文等，2007）。剖面④中用于超声测试的4块岩样均取自柯坪塔格组沥青砂岩段（吴立群、焦养泉和荣辉，2011），属于潮坪体系（表1）。剖面③用于超声测试的6块岩样取自塔塔埃尔塔格组S1t，分别属于三角洲前缘泥、河口坝、水下分流河道等成因相（表1）。两个组的岩样在时间上有一定的先后关系，沉积上也存在一定程度的联系。把这10块岩样放在一起，根据其沉积环境不同，绘制了不同沉积体系与其纵、横波波速关系图（图9，图10）。

图9 潮坪体系和三角洲前缘体系中各岩样纵波速度变化关系

图10 潮坪体系和三角洲前缘体系中各岩样横波速度变化关系

从图9和图10中可以看出，潮坪体系的4块砂岩纵波速度和横波速度相对稳定，分别在4000m/s，2500m/s左右，而取自三角洲前缘各种成因相的6块岩样速度差别明显，以水下分流河道中的砂岩岩样速度最低，第29号泥岩因裂开不考虑在内。两种不同沉积环境下的速度各向异性程度如图11（KS和KP交会图）所示。图11中，潮坪体系的4块岩样各向异性程度指数基本集中在0～10%范围内，在10%边缘的两块岩样是第20号和第21号。三角洲前缘体系各向异性程度指数超过10%的岩样都属于水下分流河道。

图11 潮坪体系和三角洲前缘体系中横波速度各向异性程度指数KS和纵波速度各向异性程度指数KP的交会图

从岩样的照片（图12）观察，潮坪体系的4块岩样均被油浸。其中第20号岩样见油浸痕迹，但颗粒间孔隙未见沥青充填，第21号岩样含大量生物碎屑，第22号和第23号颗粒间孔隙几乎完全被沥青充填，岩体呈黑色。三角洲前缘的6块岩样中，水下分流河道相中的岩样砂体颗粒粗、孔隙结构发育，而接近前缘泥的岩样，颗粒细小致密。结合沉积的特点，三角洲前缘由岸向湖的方向沉积物的粒度逐渐变细，即由水下分流河道、河口坝到前缘泥的变化中，沉积物粒度逐渐变细（表1），而影响声波传播的孔隙越来越小，声速逐渐增高。

6 结论与讨论

通过对上述几个露头沉积体系中岩样的超声波速测试实验，可以得出下面几点认识：

1）岩样超声波速度与岩样所处的沉积环境（沉积体系或成因相）密切相关，呈现一定变化规律。在生物礁滩剖面上，从礁基、礁核、到礁盖速度递增；在三角洲前缘沉积剖面中，从水下分流河道、河口坝到前缘泥速度递增。利用岩石声波速度测量结果与沉积环境的关系，以及变化规律指导沉积体系的建模是可行的。

图12 潮坪相剖面和三角洲剖面岩样切后新鲜面照片

20～23号属于潮坪相剖面，24～29号属于三角洲前缘沉积剖面

2）在生物礁滩剖面上，生物碎屑的含量是影响声波速度的主要因素。生物碎屑含量越高，速度越低；在砂岩剖面上，孔隙是影响测量的主要因素，孔隙越小或充填程度越高，速度就越高。

3）在生物礁滩剖面上，生物的大小与生长方向是控制岩样速度各向异性的主要因素之一，而砂岩剖面，我们初步认为与孔隙关系密切。礁灰岩速度的各向异性程度大于砂岩。

致谢 作者在野外岩样采集过程中，受到中国地质大学（武汉）王瑞、王世虎、荣辉等同学的帮助。另外，武汉理工大学蔡兰老师也曾在横波测量方面给予指导，作者在此一并表示衷心感谢。

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