渤海灣盆地東營凹陷沙四上亞段—沙三下亞段巖相特征及沉積環(huán)境
——以樊頁1井為例

逄淑伊,操應長,梁 超

[1.中國石油大學(華東) 深層油氣重點實驗室,山東 青島 266580；2.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院,山東 青島 266580]

頁巖油是未來油氣勘探的重要接替領域,國內外勘探表明頁巖油具有非常大的資源潛力[1-2]。北美頁巖油氣的成功開發(fā),極大地推動了全球頁巖油氣的勘探開發(fā)進程[3-4]。中國頁巖油資源潛力巨大[5-8],在渤海灣盆地濟陽坳陷[9-10]、南襄盆地泌陽凹陷[11-12]、松遼盆地[13-14]及三塘湖盆地[15-16]等多個盆地頁巖層段,已不同程度地獲得了頁巖油流。東營凹陷是中國陸相頁巖油勘探的主要地區(qū)之一,其發(fā)育的古近系沙河街組四段上亞段(沙四上亞段)-沙三下亞段泥頁巖作為已發(fā)現油氣的主要烴源巖[17-20],具有厚度穩(wěn)定、埋深適中,有機質豐度高、類型好的特點[21-23]。已有110余口井見油氣顯示,勘探前景十分廣闊。隨著泥頁巖油氣勘探的深入[24-26],對其巖相類型進行科學、系統(tǒng)劃分,建立巖相組合與沉積環(huán)境之間的對應關系,對頁巖油氣勘探開發(fā)以及優(yōu)勢巖相的確立有著重要意義。本文通過巖心觀察、薄片鑒定等手段,結合全巖X-射線衍射及有機地球化學資料,對研究層段發(fā)育的巖相類型進行劃分,分析其沉積環(huán)境特征及垂向演化過程,以巖相及其組合特征為切入點,探討沉積環(huán)境對巖相的控制作用。

1 地質背景

東營凹陷位于渤海灣盆地濟陽坳陷東南部,東起青坨子凸起,西鄰惠民凹陷,南抵魯西隆起和廣饒凸起,北以陳家莊-濱縣凸起為界(圖1),是中國陸相箕狀斷陷湖盆的典型代表,具有“北斷南超,北深南淺”的特點。其構造演化受多期構造活動的影響[27],根據構造活動特征的不同,劃分為裂陷充填期和裂后充填期兩個階段[28]。本次研究的層段發(fā)育在裂陷充填期,該時期盆地構造運動相對穩(wěn)定,湖泊水體不斷加深,氣候暖濕[29-30],入湖水流攜帶大量營養(yǎng)物質,湖生生物繁盛,沉積形成了厚層的富有機質細粒沉積。

2 細粒沉積巖巖相類型

細粒沉積巖是由粒徑小于62.5 μm的粘土級和細粉砂級沉積物組成的沉積巖,主要由碳酸鹽礦物、粘土礦物、長石、石英及有機組分構成[32],此外研究層段內還發(fā)育有黃鐵礦、菱鐵礦以及少量硬石膏等礦物。對細粒沉積巖巖相類型進行分類有助于系統(tǒng)地描述細粒沉積巖的多樣性,并對非常規(guī)油氣勘探起到一定指導和借鑒意義。

圖1 東營凹陷構造單元及樊頁1井井位分布[31]Fig.1 Structural units of Dongying sag and the location of Well FY1[31]

目前國內外學者提出的巖相劃分方案多是參考傳統(tǒng)碎屑巖分類命名方式,以具成因意義的無機礦物、沉積構造、生物相及結構為分類依據[33-35]?，F有的劃分方案多側重于無機組分含量,而忽視了有機質對于巖相劃分的重要意義[36]。湖泊中的有機質來源具有二元性,巖石中總有機碳含量(TOC)一方面受湖泊原始生產力影響,一方面與保存條件密切相關；而湖泊原始生產力受古環(huán)境影響較大,保存條件與水介質物理化學性質密切相關[37],因此,TOC可在一定程度上反映古環(huán)境和古水體物理化學條件。水體中的浮游植物進行光合作用使得局部水介質pH值升高,引起碳酸鹽礦物的局部沉淀,或通過鈣化作用形成生物鈣質骨架,或通過分泌黏液、捕獲碳酸鹽礦物顆粒[31],可見生物對碳酸鹽礦物的沉淀有重要影響。此外,有機質的富集特征對于尋找有利儲層具有重要意義。因此,有機質作為細粒沉積物的組成部分是巖相劃分中不可忽略的重要依據。

2.1 巖相劃分方案

通過對樊頁1井300余米巖心的系統(tǒng)觀察以及薄片鑒定,在前人分類方案的基礎上,依據巖石類型、無機礦物組成及含量、顏色、沉積構造、有機質含量等特征,以TOC2%為界,劃分為貧有機質和富有機質兩個大類,將石英+長石、粘土礦物、碳酸鹽礦物作為三端元,以含量50%為界分為4類:Ⅰ ——碳酸鹽巖；Ⅱ ——粘土巖；Ⅲ ——粉砂巖；Ⅳ ——混合細粒沉積巖(圖2)。

圖2 東營凹陷樊頁1井沙四上亞段—沙三下亞段細粒沉積巖三端元分類方案[31] Fig.2 Ternary diagram of fine-grained sedimentary rocks in Es4U and Es3L in Well FY1,Dongying sag[31]

參照碎屑巖命名方式,結合沉積構造和組分含量(10%,25%,50%)對Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ類進一步細分,對于三端元組分含量相對均一的Ⅳ類混合細粒沉積巖,將石英+長石+粘土礦物作為硅質碎屑端元,碳酸鹽礦物作為碳酸鹽端元,分為硅質碎屑型混合細粒沉積巖(硅質碎屑含量大于65%)和碳酸鹽型混合細粒沉積巖(碳酸鹽礦物含量大于35%)[38]。按照上述方案將研究層段內發(fā)育的細粒沉積巖劃分為11種巖相類型(表1)。

2.2 巖相特征

通過三端元投點(圖3)可知研究層段主要發(fā)育混合細粒沉積巖和碳酸鹽巖。其中碳酸鹽巖是研究層段內分布最廣的巖相類型,可細分為6小類(表1)。白云巖可細分為貧有機質層狀白云巖(OPLD)和富有機質層狀白云巖(ORLD)兩小類。兩種巖相類型均集中分布在沙四上亞段,巖心呈灰白色,鏡下紋層水平、邊界清晰且橫向延伸較連續(xù),淺色紋層由泥晶白云石構成。兩者區(qū)別在于暗色粘土層中有機質含量的高低及賦存狀態(tài)的差異,OPLD中的有機質含量低,呈分散分布(表1a1,a2),而ORLD中見斷續(xù)層狀有機質,且亮暗紋層之間可見結晶程度較好、具有一定定向性的碳酸鹽礦物顆粒(表1b1,b2)。灰?guī)r可依據礦物類型及含量、沉積構造及有機質含量細分為4小類。其中,粉砂含量小于25%的層狀灰?guī)r因有機質含量差異可細分為貧有機質層狀灰?guī)r(OPLL)和富有機質層狀灰?guī)r(ORLL)兩類。兩種巖相類型在研究層段內均廣泛分布,主要集中在沙四上亞段。鏡下OPLL的淺色泥晶方解石層厚約70 μm,暗色層主要由粘土礦物和有機質構成,亮暗層厚度相近,有機質呈斷續(xù)薄層狀,另可見少量亮晶方解石顆粒(表1 c1,c2)；ORLL的淺色亮晶方解石層厚約50 μm,暗色粘土層厚度明顯小于方解石層,有機質呈連續(xù)層狀(表1 d1,d2)。此外,富有機質塊狀泥質灰?guī)r(ORBAL)在研究層段內分布十分局限,僅在沙三下亞段以夾層形式產出。礦物均勻分布、無定向性,不發(fā)育紋層,可見分散分布的亮晶方解石、有機質顆粒(表1 e1,e2)。貧有機質層狀粉砂質灰?guī)r(OPLSL)在研究層段內分布較為廣泛,主要集中在沙四上亞段,淺色泥晶方解石層部分橫向延伸不連續(xù),這可能是由于水體動蕩,陸源輸入對碳酸鹽紋層改造的結果(表1 f1,f2)。

圖3 東營凹陷樊頁1井沙四上亞段—沙三下亞段細粒沉積巖礦物組成散點圖Fig.3 Scatter diagram showing the mineral composition of fine-grained sedimentary rocks in Es4U and Es3L in Well FY1,Dongying sag

表1 東營凹陷樊頁1井沙四上亞段-沙三下亞段細粒沉積巖巖相類型及特征Table 1 Lithofacies types and characteristics of fine-grained sedimentary rocks in Es4U and Es3L in Well FY1,Dongying sag

注：a1. OPLD,埋深3 263.71 m；a2. OPLD,埋深3 433.71 m；b1. ORLD,紋層橫向延伸較連續(xù),埋深3 269.83 m；b2. ORLD,埋深3 438.26 m；c1. OPLL,埋深3 405.13 m；c2. OPLL,埋深3 165.99 m；d1. ORLL,有機質呈層狀分布,埋深3 180.50 m；d2. ORLL,埋深3 375.68 m；e1. ORBAL,有機質呈分散狀分布,埋深3 080.36 m；e2. ORBAL,不發(fā)育紋層,埋深3 076.76 m；f1. OPLSL,埋深3 415.26 m；f2. OPLSL,埋深3 345.01 m；g1. ORLSC,埋深3 090.80 m；g2. ORLSC,埋深3 354.24 m；h1. ORLS,埋深3 170.51 m；h2. ORLS,埋深3 389.29 m；i1. ORLSMM,埋深3 179.31 m；i2. ORLSMM,埋深3 354.77 m；j1. OPBCMM,埋深3 079.31 m；j2. OPBCMM,不發(fā)育紋層,埋深3 359.78 m；k1. ORLCMM,埋深3 168.45 m；k2. ORLCMM,埋深3 348.07 m

混合細粒沉積巖在研究層段的各個深度段均有出現,可細分為3小類。富有機質層狀硅質碎屑型混合細粒沉積巖(ORLSMM)手標本呈灰色,淺色層由石英、長石、碳酸鹽礦物構成,暗色粘土層中見大量分散分布的亮晶方解石顆粒,發(fā)育橫向斷續(xù)的有機質層(表1 i1,i2)。貧有機質塊狀碳酸鹽型混合細粒沉積巖(OPBCMM)手標本呈淺灰色,礦物均勻分布、不發(fā)育紋層,少量亮晶方解石、有機質分散分布,見生物碎屑(表1 j1,j2)。富有機質層狀碳酸鹽型混合細粒沉積巖(ORLCMM)紋層橫向連續(xù)、邊界清晰,淺色層由碳酸鹽礦物、石英、長石構成,暗色粘土層厚度明顯小于淺色層,可見分散狀分布的亮晶方解石顆粒,發(fā)育有機質薄層(表1 k1,k2)。

此外,研究層段內還發(fā)育富有機質層狀粉砂質粘土巖(ORLSC)(表1 g1,g2)以及富有機質層狀粉砂巖(ORLS)(表1 h1,h2),兩種巖相類型分布十分局限。

3 沉積環(huán)境

3.1 沉積環(huán)境判定指標

沉積巖中常量、微量元素的含量可在一定程度上表征沉積水介質特征及古氣候變化,這是由于元素自身物化性質、古氣候對元素分配的影響很大[39]。元素的地球化學性質是復雜的,特定礦物顆粒對特定元素的吸附作用、沉積物與水介質之間的元素交換、元素自身化學性質、古環(huán)境等都會對元素分配產生影響,元素地球化學指標對沉積環(huán)境指示具有多解性且適用條件方面存在局限性。本文利用沉積巖中常量、微量元素含量的相對大小及特定元素比值的垂向變化,從古氣候、古物源、古水深、古鹽度和古氧化還原性5個方面分析研究層段古環(huán)境的垂向變化特征。

3.1.1 古氣候

1) Na/Al:氣候潮濕,淡水輸入增多,水體加深,鹽度降低,沉積巖中Al元素含量較高；干旱氣候條件下,水體蒸發(fā)強烈,鹽度增加、堿性增強,Na元素會以鹽類形式富集在沉積巖中[40]。因此Na/Al高值可指示干旱氣候,反之氣候偏潮濕。

2) Mg/Ca:一般情況下,氣候干旱,Mg/Ca呈高值[41]。在湖相泥巖中,Mg含量通常低于Ca含量,且在咸水湖相泥巖中,Mg的富集與白云石有關,表現出異常高值。

3.1.2 古物源

文中古物源指陸源輸入供給量,沉積物中粘土礦物+粉砂的含量可在一定程度上反映物源供給變化情況,結合陸源元素Al和Ti的百分含量以及TOC變化趨勢綜合分析陸源輸入的變化情況。

3.1.3 古鹽度

1) Sr/Ba:鍶、鋇化學性質較相似,均能以可溶鹽的形式進入到溶液中,且對古鹽度變化很敏感[40]。由于鍶的溶解度比鋇高,隨著鹽度升高、礦化度增加,Ba2+先達到飽和,以硫酸鹽的形式早于Sr2+沉淀,之后隨著鹽度進一步升高,Sr2+才會沉淀下來[42]。故Sr/Ba高值反映古鹽度偏大,反之古鹽度偏小。同時Sr含量高也指示干旱環(huán)境,這與Sr/Ba高值所指示的高鹽度水介質相吻合。但該指標在陸相湖盆水體鹽度的表征方面仍存在一定誤差[43],且碳酸鹽礦物對Sr具有捕獲作用故一定程度上影響準確性。

2) K/Na:當水體鹽度升高時,與Na+相比K+更容易被粘土礦物吸附或進入礦物晶格中,因此,K/Na高值指示較高鹽度的水介質環(huán)境[44]。由于粘土礦物對K的吸附作用,K/Na的異常高值一般對應泥巖層或含泥質多的層段。

3.1.4 古水深

1) Fe/Co:近岸條件下,Fe比Co更易沉淀,故Fe/Co值較高；隨著水體加深、離岸距離的增大,Co開始大量發(fā)生沉淀,Fe/Co值變小[45]。

2) Mn/Fe:由于元素化學性質的差異,Mn和Fe的沉積分異現象較為明顯。與鐵相比,錳的穩(wěn)定性較好,可進行長距離搬運,Mn/Fe值隨水體加深、離岸距離的增加而呈相對高值[46-47]。

3.1.5 氧化還原性

1) Ni/Co:Co對水介質的氧化還原條件較為敏感,表現出氧化環(huán)境下易溶易遷移、還原環(huán)境下易沉淀富集的特征,在還原環(huán)境下趨向以硫化物的形式沉淀保留在沉積物中[48]。故Ni/Co值高反映偏還原的水介質條件[49],但這一比值受成巖作用的影響較大。

2) 黃鐵礦百分含量:研究層段內黃鐵礦存在多種賦存狀態(tài),以莓球狀、粒狀居多,其高含量可指示還原環(huán)境。

3.2 各環(huán)境要素之間的關系

古氣候、古水深、古鹽度、陸源輸入及水體氧化還原性之間是相互關聯、相互影響的。當整體為干旱氣候背景,水體蒸發(fā)量的增大、入湖淡水的減少導致水體變淺、咸化,水介質出現分層,湖盆底部水體還原性增強；且隨著水位下降、入湖水流的減少,陸源碎屑供給量也相應減少。反之,溫暖濕潤的氣候條件使入湖水流增多、水體加深、鹽度和還原性降低、水體分層減弱,入湖水流攜帶大量陸源碎屑物質沉淀在湖盆中。

3.3 沉積環(huán)境演化

通過元素地球化學指標、有機地球化學資料及礦物含量等的垂向變化特征,將研究層段沉積環(huán)境演化自下而上分為6個階段,每個階段又可細分為A和B兩小段(圖4)。研究層段的細粒沉積巖形成于半深湖-深湖、半咸水-咸水、相對濕潤、還原-強還原的古環(huán)境條件,經歷了水體加深、鹽度降低、氣候由干旱轉為濕潤、強還原-弱還原-還原、陸源供給由多減少再增多的演化過程,與前人的研究結果基本一致。

4 沉積環(huán)境與巖相類型

根據沉積環(huán)境的演化階段,結合各階段發(fā)育的巖相組合類型,可以看出沉積古環(huán)境條件的不同會使得巖石特征存在差異[50],進而對巖相類型的分布和組合有一定的控制作用(圖5)。

陸相湖盆沉積環(huán)境中,氣候的變化在很大程度上會影響其他古環(huán)境要素的變化,進而影響巖相類型的分布與組合特征。干旱的氣候導致入湖水流減少、水體蒸發(fā)強烈,水體變淺、鹽度增大,多沉積形成碳酸鹽巖,個別深度的樣品中可見硬石膏。溫暖濕潤的氣候使得入湖淡水增加,入湖水流攜帶著大量陸源碎屑進入湖盆,沉積物中石英、長石的含量相應增加；大量營養(yǎng)物質進入湖盆,使得藻類生物繁盛,沉積物中有機質含量相應增大；水體加深,鹽度降低,水體分層性減弱,碳酸鹽巖含量減少,多沉積混合細粒沉積巖類。在總體氣候條件不變的情況下,相對淺水環(huán)境多發(fā)育碳酸鹽巖,隨著水體加深,碳酸鹽巖含量逐漸減少,發(fā)育混合細粒沉積巖。古環(huán)境及古水介質條件的變化造成生物的周期性繁盛、死亡,提供了充足的有機質。在湖泊原始生產力一定的情況下,還原的水介質環(huán)境有利于有機質保存,氧化條件下有機質多被分解。高鹽環(huán)境下形成的細粒沉積巖有機質含量高,這是由于高鹽水介質環(huán)境使水體出現分層,表層水與底層水之間的循環(huán)受阻,從而在湖盆底部形成還原環(huán)境,有利于有機質的保存；不考慮重力流事件,巖石中粉砂組分的含量一定程度上會受到水體深度、陸源碎屑供給量的影響,相對淺水環(huán)境下,較高的陸源輸入量使得多沉積粉砂巖和粉砂質細粒沉積巖；隨著離岸距離的增加,陸源輸入量減小,沉積物中石英、長石含量也會相應減少?？偟目磥?，幾種沉積古環(huán)境要素的變化共同影響著巖相類型的分布與組合特征。

5 結論

1) 在巖性基礎上結合礦物組成及含量、沉積構造、有機質含量等指標,將樊頁1井沙四上亞段-沙三下亞段發(fā)育的細粒沉積巖劃分為11種巖相類型。主要發(fā)育貧有機質塊狀碳酸鹽型混合細粒沉積巖、富有機質層狀碳酸鹽型混合細粒沉積巖、富有機質層狀硅質碎屑型混合細粒沉積巖、貧有機質層狀粉砂質灰?guī)r、貧有機質層狀灰?guī)r、富有機質層狀灰?guī)r6種類型。

2) 結合元素地球化學指標將研究層段的沉積古環(huán)境自下而上劃分為6個演化階段,研究層段的細粒沉積巖形成于半深湖-深湖、半咸水-咸水、相對濕潤、還原-強還原的古環(huán)境條件,經歷了水體加深、鹽度降低、氣候由干旱轉為濕潤、強還原-弱還原-還原、陸源供給由多減少再增多的演化過程。

3) 沉積古環(huán)境條件對巖相類型的分布和組合有一定控制作用。古氣候條件的改變在很大程度上會影響其他古環(huán)境要素的變化,從而影響巖性；在不考慮重力流事件的情況下,巖石中粉砂組分的含量一定程度上受水體深度、陸源碎屑供給量的影響；有機質的保存受鹽度和水體還原性影響；隨水體的加深,碳酸鹽巖逐漸減少，發(fā)育混合細粒沉積巖。