紋層狀細(xì)粒沉積巖特征及主控因素分析
——以渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙四上—沙三下亞段為例

王 苗，陸建林，左宗鑫，李 浩，王保華

(中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

細(xì)粒沉積巖是指粒徑小于62 μm的黏土級(jí)和粉砂級(jí)沉積物，其成分主要包含黏土礦物、粉砂、碳酸鹽、有機(jī)質(zhì)等[1]。在湖相細(xì)粒沉積巖中，常見明顯的明暗相間的紋層，單個(gè)紋層厚度極小，常以毫米來計(jì)量。紋層狀巖相在東營(yíng)凹陷沙四上—沙三下亞段廣泛發(fā)育，在湖盆的不同部位和不同層段，紋層的類型和數(shù)量都具有明顯差異。在濟(jì)陽坳陷頁巖油勘探實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，70%的油流井取心顯示為富有機(jī)質(zhì)紋層狀細(xì)粒沉積巖。研究表明，頁巖油發(fā)育的主要巖相為紋層狀細(xì)粒沉積巖。因此，明確東營(yíng)凹陷紋層的特征和控制紋層發(fā)育的主要因素，對(duì)該區(qū)頁巖油勘探具有重要意義。

根據(jù)紋層形成周期的不同，紋層包括較長(zhǎng)周期的緩慢沉降沉積形成的年紋層以及較短時(shí)間內(nèi)由湖泊底流作用形成的紋層沉積。年紋層泛指陸相和海相細(xì)粒沉積物中具有“年”旋回的紋層。年紋層發(fā)育的湖泊分布廣泛，從寒帶地區(qū)到溫帶、熱帶地區(qū)均見年紋層的報(bào)道。前人對(duì)不同地區(qū)、不同類型的湖泊中年紋層的類型[2-8]、年紋層的形成條件[9]及其對(duì)氣候的指示意義[6]等開展了廣泛深入的研究。另外，在泥頁巖中廣泛發(fā)育的粉砂質(zhì)紋層可能與湖底微弱水流有關(guān)。國(guó)外學(xué)者通過水槽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在足夠小的水流作用下，粉砂和黏土的絮凝物可以沉降到底部，并在水流作用下最終形成粉砂質(zhì)紋層[10]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)東營(yíng)凹陷沙三下亞段細(xì)粒沉積巖的巖相劃分和分布模式開展了詳細(xì)探討，對(duì)其紋層的成因主要解釋為季節(jié)性氣候變化形成的年紋層[11-13]。然而，對(duì)于東營(yíng)凹陷紋層類型研究還不夠全面，對(duì)該地區(qū)紋層形成主控因素及發(fā)育模式的研究有待深入。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)東營(yíng)凹陷沙四上—沙三下亞段細(xì)粒沉積巖的紋層類型、成因進(jìn)行總結(jié)；同時(shí)，將微觀的巖石組分分析和宏觀上的構(gòu)造、沉積相結(jié)合，從物質(zhì)來源、搬運(yùn)動(dòng)力和沉積環(huán)境3個(gè)因素來考慮，綜合分析紋層形成的主控因素以及不同紋層的發(fā)育部位，提出紋層狀細(xì)粒沉積巖發(fā)育模式。

1 地質(zhì)背景

東營(yíng)凹陷是渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷南部的次級(jí)構(gòu)造單元，東西長(zhǎng)90 km，南北寬65 km，面積約5 700 km2。在古近紀(jì)時(shí)期,東營(yíng)凹陷為四周有凸起環(huán)繞的箕狀斷陷盆地，具有北斷南超的特點(diǎn)；內(nèi)部包括北部斷階帶、利津洼陷、民豐洼陷、中央隆起帶、牛莊洼陷、博興洼陷及南部緩坡帶等二級(jí)構(gòu)造單元[14](圖1)。

古近系由孔店組和沙四段沉積期的咸水湖相、沙三段沉積期的微咸水—淡水湖相、沙二段沉積期河流—三角洲相組成。沙四中亞段沉積晚期—沙三段沉積期為東營(yíng)凹陷強(qiáng)烈斷陷期[13]，形成廣闊的深水湖泊，為紋層狀細(xì)粒沉積巖的發(fā)育提供了有利條件。

圖1 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷構(gòu)造單元?jiǎng)澐謸?jù)參考文獻(xiàn)[12]修改。

2 紋層的類型及成因

紋層是層理的最小組成單位，紋層之內(nèi)沒有任何肉眼可見的層，其厚度極小，成分上有一定的均一性，它是在一定條件下同時(shí)沉積形成[17]。因而，單個(gè)紋層代表一定的沉積環(huán)境下的產(chǎn)物。根據(jù)成分的差異，將紋層分為5類，并總結(jié)了每種紋層的形成相帶、沉積物來源、形成方式和成因(表1)。

2.1 粉砂質(zhì)紋層

以粒徑介于4～62 μm的粉砂為主，主要為陸源物質(zhì)的物理搬運(yùn)沉積。該紋層在半深湖—深湖相濁流沉積頂部發(fā)育，厚度較薄，一般在幾厘米左右，為鮑馬序列D段。其在相序上位于沙紋層理(鮑馬序列C段)上部和深湖相黑色泥巖下部(如圖2a中樊頁1井巖心照片所示)，為典型的濁流逐漸衰減后，在底流作用下產(chǎn)生的鮑馬序列頂端的沉積特征。

2.2 泥質(zhì)紋層

以粒徑小于4 μm的黏土礦物為主要組分。陸源黏土級(jí)物質(zhì)通過表層流、層間流或底流等形式輸入湖中后緩慢沉降沉積形成，為物理作用沉積。單個(gè)泥質(zhì)紋層的厚度與季節(jié)有關(guān)。夏季多雨，水體攜帶陸源碎屑較多，形成較厚的泥質(zhì)紋層(圖2b)。

2.3 碳酸鹽紋層

碳酸鹽紋層常形成于夏季炎熱干燥和較高的湖水鹽度的條件下，在瑞士蘇黎世湖、中國(guó)蘇干湖均發(fā)現(xiàn)有碳酸鹽紋層沉積。湖相原生碳酸鹽主要來源于上部水柱中的碳酸鹽沉淀，它們往往與浮游植物的發(fā)育有關(guān)[6]。該紋層常與有機(jī)質(zhì)和藻類發(fā)育的深色紋層形成層偶(圖2c)。在成巖過程中，部分泥微晶方解石在有機(jī)酸的作用下，形成柱狀晶方解石紋層(圖2d)[11]。

2.4 富有機(jī)質(zhì)紋層

現(xiàn)代湖泊沉積中常見由藻類等生物碎屑和有機(jī)質(zhì)組成的深色層，常為季節(jié)性紋層。在不同的湖泊中，深色層的成分和形成季節(jié)均有一定的差異性。在德國(guó)霍爾茨馬爾(Holzmaar)湖中的深色層為3種不同種類的硅藻紋層，分別形成于春、夏、秋三季；在中國(guó)蘇干湖中發(fā)現(xiàn)的深色層主要由碎屑物質(zhì)和橋彎藻屬硅藻、植物殘?bào)w以及介形蟲殼體等生物沉積組成，有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)41.2%，是晚秋和冬季形成的；在東北四海龍灣瑪珥湖中發(fā)現(xiàn)的暗色層以硅藻和有機(jī)質(zhì)為主要成分，形成于秋季[3,6,15]。

表1 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙四上—沙三下亞段細(xì)粒沉積巖紋層類型及成因

圖2 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙四上—沙三下細(xì)粒沉積巖不同類型紋層巖心和鏡下特征

在東營(yíng)凹陷中，由深、淺兩色紋層構(gòu)成的層偶中，部分深色紋層為富有機(jī)質(zhì)紋層，深色層厚度較淺色層薄(圖2e)。劉傳聯(lián)等發(fā)現(xiàn)東營(yíng)凹陷富有機(jī)質(zhì)紋層中含大量溝鞭藻化石，且呈層分布[16]，該藻類在春夏季生長(zhǎng)繁盛，冬季死亡并沉入湖底，在寧?kù)o缺氧的環(huán)境下形成富有機(jī)質(zhì)紋層。

2.5 混合紋層

混合紋層由黏土、粉砂、碳酸鹽等多種礦物混合形成(圖2f)，是在水體分層變差、細(xì)粒物質(zhì)供給充分的情況下，由懸浮物未經(jīng)充分分選快速沉積而形成，為多種成因下的混合沉積物[11]。

3 紋層的主控因素

綜合前人對(duì)現(xiàn)代和古代湖泊沉積的研究認(rèn)為，細(xì)粒沉積巖中的紋層形成和保存受以下幾個(gè)因素控制：(1)足夠的水深(一般是20 m，針對(duì)淡水湖—半咸水湖)。在該深度以下，近湖底水層處于浪基面以下，具有季節(jié)性的分層現(xiàn)象，且水體停滯不動(dòng)，缺氧，有利于形成紋層并得以保存下來。在鹽湖中，由于鹽度分層，不到20 m水深的區(qū)域也能形成紋層；(2)湖底地形特征。在陡坡區(qū)和地形起伏的湖底，水動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng)，不易形成和保存紋層沉積；(3)氣候特征。氣候?qū)y層類型具有一定的控制作用，一定地質(zhì)時(shí)期的氣候特征，決定一定的湖泊水文條件。具體表現(xiàn)為，首先，氣候的干濕變化直接影響湖水鹽度，干旱少雨時(shí)湖水蒸發(fā)量大，鹽度高，更有利于形成碳酸鹽沉積，濕潤(rùn)多雨時(shí)，湖水鹽度低，更容易形成泥質(zhì)沉積；其次，氣候的冷暖影響湖水營(yíng)養(yǎng)水平，溫暖的氣候下湖泊生產(chǎn)力相對(duì)較高，更有利于形成富有機(jī)質(zhì)沉積和碳酸鹽沉積；(4)物源供給特征。大型湖盆由于面積大，水體深，水循環(huán)不充分，水體中懸浮顆粒和溶解物質(zhì)在區(qū)域間存在差異，因而形成不同紋層類型。總的來說，在水深足夠大、湖底地形平坦的開闊湖區(qū)有利于形成紋層狀沉積，紋層的類型受氣候條件和物源供給控制。

東營(yíng)凹陷在沙四上—沙三下沉積時(shí)期，湖盆面積大，斷陷作用強(qiáng)烈，從沙四上—沙三下沉積時(shí)期氣候具有明顯差異。本次研究認(rèn)為，構(gòu)造、氣候和物源是東營(yíng)凹陷紋層狀細(xì)粒沉積巖發(fā)育的最終決定因素。

3.1 構(gòu)造

3.1.1 構(gòu)造演化總體控制紋層狀巖相的分布范圍

頁巖作為紋層狀細(xì)粒沉積巖的一種，發(fā)育頁狀層理，沿層理方向易剝裂、分離，在錄井上的識(shí)別相對(duì)容易可靠。頁巖一般形成于湖泊中分層缺氧的環(huán)境，總體而言頁巖發(fā)育區(qū)也有利于其他紋層狀細(xì)粒巖的形成和保存。因此，在紋層狀巖相的平面預(yù)測(cè)上，可以參考頁巖的分布范圍。

對(duì)東營(yíng)凹陷沙四上亞段(42口井)、沙三下亞段(56口井)錄井巖性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合前人研究資料及取心數(shù)據(jù)，明確了沙四上—沙三下亞段巖相分布特征。可以看出，紋層狀巖相在沙四上亞段主要分布在牛莊洼陷和博興洼陷，在沙三下亞段分布在利津洼陷、牛莊洼陷和博興洼陷(圖3，4)。前人研究表明，沙四段至沙三段沉積時(shí)期，斷裂活動(dòng)由NW向變?yōu)镹E向，沉降中心自東向西遷移(圖5)[22]。本次研究表明，紋層狀巖相發(fā)育區(qū)與沉降中心的分布位置一致，從沙四上亞段至沙三下亞段，紋層狀巖相發(fā)育區(qū)自東南向西北遷移。

3.1.2 構(gòu)造單元對(duì)紋層類型的控制

對(duì)過不同構(gòu)造帶鉆井中油頁巖、粉砂巖和灰?guī)r的發(fā)育部位進(jìn)行了刻畫(圖6，7，空白處為泥巖或灰質(zhì)泥巖)。不同的構(gòu)造單元發(fā)育的巖性類型具有一定差異。在沙四上亞段，油頁巖在南部洼陷帶和內(nèi)斜坡帶發(fā)育，粉砂巖在北部洼陷邊緣和中央背斜帶發(fā)育，灰?guī)r在南部?jī)?nèi)斜坡帶發(fā)育。在沙三下亞段，油頁巖主要在北部洼陷帶、中央背斜帶和南部洼陷帶湖擴(kuò)體系域中發(fā)育，粉砂巖在北部斷階帶、中央背斜帶高位體系域中發(fā)育。因此，在開闊湖中的深洼區(qū)和內(nèi)斜坡地區(qū)，富有機(jī)質(zhì)紋層和泥質(zhì)紋層相對(duì)發(fā)育，中央背斜帶可形成粉砂質(zhì)紋層，在內(nèi)斜坡易形成碳酸鹽紋層。在北部斷坡帶附近，由于近岸水下扇發(fā)育，近湖底水動(dòng)力較強(qiáng)，不容易形成紋層沉積。

3.2 氣候

氣候的冷熱干濕影響了水體分層、湖流、降水和沉積物充填，甚至溫度、鹽度的變化在一定程度上也受氣候的控制[23]。氣候?qū)y層的控制作用廣泛而復(fù)雜。在東營(yíng)凹陷沙四上—沙三下沉積時(shí)期，氣候變化對(duì)紋層類型具有一定的控制作用。氣候變化引起湖水中的溶解質(zhì)和懸浮質(zhì)的變化，進(jìn)而影響紋層組分。沙四上亞段沉積時(shí)期氣候干旱，湖水蒸發(fā)量大于匯入量，形成較高鹽度的湖水，在這種條件下，與化學(xué)作用有關(guān)的碳酸鹽紋層相對(duì)更發(fā)育。在沙三下亞段沉積時(shí)期，氣候逐漸變得濕潤(rùn)，地表徑流發(fā)育，其剝蝕和搬運(yùn)能力增強(qiáng)，部分細(xì)粒陸源物質(zhì)進(jìn)入開闊湖區(qū)，湖泊中粉砂質(zhì)和泥質(zhì)紋層增加，碳酸鹽紋層相對(duì)減少。在沙四上和沙三下亞段沉積時(shí)的湖擴(kuò)體系域發(fā)育期，由于氣候濕潤(rùn)，湖泊面積增大，油頁巖分布范圍變廣，富有機(jī)質(zhì)紋層相對(duì)發(fā)育(圖6，7)。

圖3 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙四上亞段細(xì)粒沉積巖巖相分布

圖4 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙三下亞段細(xì)粒沉積巖巖相分布

3.3 物源

東營(yíng)凹陷沙四—沙三段沉積期有以下幾個(gè)物源：北側(cè)陳家莊凸起，南側(cè)魯西隆起，東側(cè)墾東—青坨子凸起，西側(cè)濱縣凸起、林樊家凸起和青城低凸起。前人對(duì)東營(yíng)凹陷沙四上亞段巖屑的組分特征開展了細(xì)致的研究，認(rèn)為南部魯西隆起、廣饒凸起和西南部的青城低凸起以中酸性噴出巖和灰?guī)r巖屑為特征，北部濱縣凸起和青坨子凸起主要為基性噴出巖和石英巖巖屑；陳家莊凸起上不同區(qū)塊巖屑成分具有差異，西部主要為白云巖和灰?guī)r，東部為片麻巖和中酸性噴出巖(圖8)。另外前期研究認(rèn)為，中南部博興凹陷和牛莊洼陷物源方向主要為南部魯西隆起、廣饒凸起和西部青城低凸起[24]。

圖5 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷古近紀(jì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

圖6 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙四上亞段過不同構(gòu)造帶巖性發(fā)育特征

對(duì)全區(qū)42口井沙四上亞段灰?guī)r厚度占地層厚度的百分比統(tǒng)計(jì)分析表明，灰?guī)r總體在東營(yíng)凹陷中南部發(fā)育，在博興洼陷和牛莊洼陷分別有2個(gè)厚度中心，其中博興凹陷樊1井東部灰?guī)r厚度百分比達(dá)15%，北部利津洼陷有少量灰?guī)r發(fā)育，厚度較薄(圖8)。結(jié)合前人物源區(qū)巖屑組分分析，認(rèn)為該灰?guī)r發(fā)育區(qū)與南部含灰?guī)r的母源具有密切關(guān)系。在沙四上段沉積期水體穩(wěn)定分層的環(huán)境下，該地區(qū)灰?guī)r常以紋層狀形式產(chǎn)出，因而，物源對(duì)該地區(qū)廣泛發(fā)育的灰質(zhì)紋層的分布范圍具有明顯的控制作用。

4 紋層狀細(xì)粒沉積巖發(fā)育模式

在對(duì)紋層狀細(xì)粒沉積巖開展微觀和宏觀特征研究的基礎(chǔ)上，提出了東營(yíng)凹陷沙三下亞段紋層狀細(xì)粒沉積巖的發(fā)育模式(圖9)。由于東營(yíng)凹陷為北斷南超的箕狀斷陷，古東營(yíng)湖水深呈現(xiàn)北深南淺的特征，在沙三下亞段沉積時(shí)期，北部斷階帶、中央背斜帶和深洼區(qū)均為深湖相，南部斜坡區(qū)發(fā)育濱淺湖和半深湖相。紋層狀巖相主要在深湖相發(fā)育，在中央背斜帶兩側(cè)深洼區(qū)發(fā)育富有機(jī)質(zhì)紋層、泥質(zhì)紋層，在中央背斜帶發(fā)育粉砂質(zhì)紋層、富有機(jī)質(zhì)紋層、泥質(zhì)紋層和混合紋層。在北部斷階帶附近由于重力流發(fā)育，湖底水動(dòng)力較強(qiáng)且沉積速率較高，在濁積遠(yuǎn)端以層狀巖相為主，局部見紋層狀巖相，以粉砂質(zhì)紋層、泥質(zhì)紋層為主。另外，在南部斜坡帶半深湖相也可見紋層狀巖相，包括粉砂質(zhì)紋層、泥質(zhì)紋層、混合紋層和碳酸鹽紋層。

圖7 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙三下亞段不同構(gòu)造帶巖性發(fā)育特征剖面位置見圖1的BB’ 。

圖8 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙四上亞段物源分區(qū)及灰?guī)r含量

5 結(jié)論

(1)東營(yíng)凹陷沙四上段—沙三下亞段細(xì)粒沉積巖中發(fā)育5種紋層——粉砂質(zhì)紋層、泥質(zhì)紋層、碳酸鹽紋層、富有機(jī)質(zhì)紋層和混合紋層。

(2)構(gòu)造演化總體控制紋層的分布范圍，從沙四上段至沙三下亞段沉積時(shí)期，紋層狀巖相的發(fā)育區(qū)自東向西遷移；紋層類型與凹陷內(nèi)次級(jí)構(gòu)造帶有密切關(guān)系，富有機(jī)質(zhì)紋層主要位于開闊湖中的深洼區(qū)和內(nèi)斜坡，粉砂質(zhì)紋層發(fā)育于中央背斜帶和南部斜坡帶，碳酸鹽紋層發(fā)育于南部?jī)?nèi)斜坡區(qū)，混合紋層在中央背斜帶和南部斜坡帶發(fā)育，泥質(zhì)紋層分布范圍廣泛，在以上構(gòu)造帶均發(fā)育。

(3)氣候?qū)y層類型有明顯的控制，表現(xiàn)為濕潤(rùn)的氣候有利于形成富有機(jī)質(zhì)紋層，干旱的氣候有利于碳酸鹽紋層的形成。

圖9 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙三下亞段紋層狀細(xì)粒沉積巖發(fā)育模式

(4)物源對(duì)該地區(qū)廣泛發(fā)育的灰質(zhì)紋層的分布范圍具有明顯的控制作用。湖相細(xì)粒沉積巖沉積條件復(fù)雜，這些因素之間往往互相聯(lián)系制約，共同決定紋層的發(fā)育。

(5)東營(yíng)凹陷沙三下段紋層狀巖相的發(fā)育模式為：中央背斜帶兩側(cè)深洼區(qū)發(fā)育富有機(jī)質(zhì)紋層、泥質(zhì)紋層；中央背斜帶早期發(fā)育富有機(jī)質(zhì)紋層、泥質(zhì)紋層，晚期發(fā)育粉砂質(zhì)紋層、混合紋層、泥質(zhì)紋層和富有機(jī)質(zhì)紋層；北部斷階帶濁積遠(yuǎn)端局部可見粉砂質(zhì)紋層、泥質(zhì)紋層；南部?jī)?nèi)斜坡可見粉砂質(zhì)紋層、泥質(zhì)紋層、混合紋層和碳酸鹽紋層。