冀中坳陷奧陶紀(jì)巖相古地理*

李玉幫 張以明 楊德相 高 達(dá) 黃 蕓 曹蘭柱 田建章 王 帥

1中國石油華北油田公司，河北任丘 062552 2長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430100

華北地區(qū)奧陶系地層發(fā)育齊全，從20世紀(jì)70年代以來，關(guān)于奧陶紀(jì)巖相古地理的研究取得了豐富的成果。馮增昭(1986)和馮增昭等(1990)較早地開展了華北地臺奧陶紀(jì)巖相古地理研究，認(rèn)為早奧陶世冶里期和亮甲山期區(qū)內(nèi)總體為陸表海背景，內(nèi)部存在淺灘、云坪、灘間海、局限海、開闊海等多個次級的古地理單元。金振奎等(2002)依據(jù)典型露頭和盆內(nèi)重點(diǎn)鉆井，明確了早奧陶世冶里期和亮甲山期渤海灣盆地北部以局限海環(huán)境為主，中奧陶世下馬家溝期發(fā)育潮坪—局限海的旋回，上馬家溝期和峰峰期均以發(fā)育潮坪—開闊海的旋回為特征。遲小燕和孫維鳳(2011)主要根據(jù)冀中坳陷鉆井和周邊露頭資料，研究了冀中坳陷奧陶紀(jì)巖相古地理，認(rèn)為早奧陶世以潮坪與局限臺地沉積為主，中奧陶世海侵強(qiáng)度加大，呈現(xiàn)局限臺地和開闊臺地相間分布的格局。以上從地臺級別、到盆地區(qū)域、到盆內(nèi)重點(diǎn)坳陷的巖相古地理的研究成果，奠定了區(qū)域沉積格局認(rèn)識的重要基礎(chǔ)，在盆地和重點(diǎn)坳陷的油氣勘探發(fā)揮了重要作用。

近年來，隨著油氣勘探向奧陶系潛山內(nèi)幕區(qū)的深入，前期的研究成果已經(jīng)不能滿足精細(xì)油氣勘探的需要。奧陶系作為冀中坳陷古潛山油氣藏重要儲集層之一，承載了本區(qū)古潛山油氣田的重要勘探任務(wù)，伴著冀中坳陷河西務(wù)、束鹿西斜坡等一系列奧陶系古潛山油氣藏規(guī)模增儲建產(chǎn)(杜金虎等，2017)，精細(xì)定量的巖相古地理研究對于該區(qū)碳酸鹽巖儲集層發(fā)育規(guī)律研究至關(guān)重要。作者立足冀中坳陷新的鉆井資料，揭示奧陶系沉積相特征，形成對本區(qū)奧陶紀(jì)巖相古地理的細(xì)化認(rèn)識，為奧陶系油氣勘探提供基礎(chǔ)支撐。

1 地質(zhì)背景

冀中坳陷位于渤海灣盆地西北部，是渤海灣盆地內(nèi)的一個負(fù)向構(gòu)造單元，它是在華北古地臺基底上發(fā)育起來的中、新生代沉積坳陷，北依燕山褶皺帶，南抵邢衡隆起，西臨太行山隆起，東至滄縣隆起(杜金虎等，2002)，呈北東—南西走向，面積約為2.84×104ikm2(圖 1)。

奧陶系主要分布于冀中坳陷東部及南部，西北部大部分被剝蝕，古近系之下出露元古界。分布區(qū)域包括冀中坳陷北部的大廠凹陷、武清凹陷與廊固凹陷，東部的霸縣凹陷和饒陽凹陷；南部的石家莊凹陷、束鹿凹陷、南宮凹陷帶及其以南地區(qū)。研究區(qū)奧陶系鉆遇地層厚度一般200～1020im，與下伏寒武系整合接觸。受加里東運(yùn)動影響，華北地臺隆升，冀中坳陷缺失上奧陶統(tǒng)。

圖 1 冀中坳陷構(gòu)造位置圖Fig.1 Map of tectonic position in Jizhong Depression

基于傳統(tǒng)的劃分方案把奧陶系三分，并結(jié)合華北地臺奧陶紀(jì)構(gòu)造運(yùn)動期次、沉積旋回以及生物組合面貌等特征，將奧陶紀(jì)分為： 早奧陶世新廠期與道保灣期，分別對應(yīng)下奧陶統(tǒng)冶里組和亮甲山組；中奧陶世大灣期對應(yīng)下馬家溝組，中奧陶世達(dá)瑞威爾期早期至中期分別對應(yīng)上馬家溝組下段與上段，達(dá)瑞威爾期晚期對應(yīng)峰峰組(表 1)；晚奧陶世地層因本區(qū)抬升剝蝕而缺失。地層旋回特征明顯，從沉積旋回底部至上部，巖性組合存在泥晶灰?guī)r—云質(zhì)灰?guī)r—灰質(zhì)云巖過渡趨勢，整體顯示地層受相控發(fā)育特征明顯(圖 2)。各地層段巖性組合特征如下：

圖 2 冀中坳陷奧陶紀(jì)層序地層綜合柱狀圖Fig.2 Composite histogram of stratigraphic sequences in Jizhong Depression

表 1 冀中坳陷奧陶紀(jì)地層劃分單元Table1 Classification units of the Ordovician in Jizhong Depression

下奧陶統(tǒng)冶里組： 巖性主要為灰色厚層小豹皮灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、薄層灰?guī)r，夾黃綠色竹葉狀灰?guī)r和黃綠色頁巖。該組產(chǎn)豐富的三葉蟲、筆石和牙形石化石及少量頭足類化石(鄒偉宏等，2001)。

下奧陶統(tǒng)亮甲山組： 巖性為下部淺灰—灰色薄—中厚層灰?guī)r、含云質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r和少量燧石；上部灰、黃灰色厚層夾薄層白云巖，含燧石結(jié)核及其條帶，夾少量花斑泥紋，冀南巖性全部相變?yōu)榘自茙r。該組產(chǎn)豐富的頭足類和牙形石化石(鄒偉宏等，2001)。

中奧陶統(tǒng)下馬家溝組： 河北區(qū)內(nèi)露頭剖面下馬家溝組巖性為一套淺灰—灰色中—厚層泥質(zhì)灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)云巖；中部為厚層灰?guī)r，夾1～2層角礫狀灰?guī)r，厚100～350im。該組在冀中坳陷油氣區(qū)為一套灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r夾灰質(zhì)云巖及白云巖，橫向穩(wěn)定分布。視厚度88～247im，總體北部較厚，中南部較薄，發(fā)育豐富的頭足類、牙形石和少量三葉蟲化石等(鄒偉宏等，2001)。

中奧陶統(tǒng)上馬家溝組： 上馬家溝組下部為淺灰色中厚層泥質(zhì)白云巖，底部夾泥質(zhì)灰?guī)r和角礫狀灰質(zhì)云巖；中—上部為灰色厚層豹皮狀泥質(zhì)灰?guī)r、含泥質(zhì)灰?guī)r，夾灰黃色灰質(zhì)白云巖。研究區(qū)內(nèi)視厚度為100～370im，該組產(chǎn)豐富的頭足類、牙形石和少量腹足類化石(鄒偉宏等，2001)。

中奧陶統(tǒng)峰峰組： 峰峰組巖性整體為一套以含直角石式鸚鵡螺類為特征的巨厚—厚層褐灰色灰?guī)r、花斑狀灰?guī)r和角礫狀灰?guī)r，下部夾有含膏白云質(zhì)灰?guī)r或石膏層，上部白云質(zhì)灰?guī)r，厚度55～203im。該組產(chǎn)頭足類、牙形石和少量腕足類化石(鄒偉宏等，2001)。

表 2 冀中坳陷奧陶系沉積相劃分Table2 Sedimentary facies classification of the Ordovician in Jizhong Depression

2 沉積相類型與層序特征

2.1 沉積相類型

根據(jù)鉆井巖心觀察、周邊野外剖面觀察、測井資料綜合分析，結(jié)合巖石學(xué)特征(圖3)、沉積構(gòu)造和地層古生物資料，明確了冀中坳陷在奧陶紀(jì)屬于華北地臺穩(wěn)定陸表海的一部分(孫維鳳等，2011)，沉積了奧陶系碳酸鹽巖。精細(xì)的巖石學(xué)及沉積環(huán)境分析表明，研究區(qū)奧陶系主要受潮汐水動力作用的控制，劃分為潮上、潮間、局限潮下和開闊潮下等4個亞相；根據(jù)巖性及其組合，每個亞相又可分為2～3個微相(表2，圖4)。不同的亞相和微相在垂向上分布在不同的主要地層組和段，體現(xiàn)出橫向上具有規(guī)律的相分布演化。這種相分布樣式(圖4)與Young等(1972)根據(jù)美國阿肯色州奧陶系沉積研究建立的碳酸鹽巖潮汐作用相模式及 Tucker(1985)建立的碳酸鹽巖陸表?！傔呹懪锵嗄Ｊ街械年懕砗Ｅ_地部分可很好對比(圖4)。

潮上亞相： 位于平均高潮線以上，屬于潮坪相的潮上帶，空間上一般沿古陸邊緣或局部地貌高地分布，蒸發(fā)暴露環(huán)境，巖性為灰褐色—褐灰色(含膏)泥晶云巖、含泥云巖。根據(jù)巖性組合特征劃分為泥云坪(圖 3-a，3-j)、膏云坪(圖 3-b，3-c)、泥坪等微相。

潮間亞相： 位于平均高潮線與平均低潮線之間，間歇性暴露，薄層狀微晶—細(xì)粉晶云巖、云巖與灰?guī)r薄互層。根據(jù)主要巖性組合劃分為云坪(圖 3-d，3-k)、灰云坪(圖 3-e)、云灰坪(圖 3-f)等微相。

局限潮下亞相： 位于平均低潮線以下，相對低洼，水體處于局限還原環(huán)境，見黃鐵礦，暗色泥晶灰?guī)r和泥晶含灰云巖，劃分為云質(zhì)潟湖(圖 3-g)和灰質(zhì)潟湖微相。

開闊潮下亞相： 局限潮下以外，水體開闊，生物和顆粒增多，正常浪基面以上見砂屑灘(圖 3-h)和生屑灘(圖 3-i)微相，正常浪基面以下發(fā)育靜水泥微相(圖 3-l)。

圖 4 冀中坳陷奧陶系沉積相模式圖Fig.4 Sedimentary facies model of the Ordovician in Jizhong Depression

2.2 層序特征

在查明奧陶系巖相與測井曲線響應(yīng)關(guān)系基礎(chǔ)上，在鉆井上全面檢查和修訂組和段的地層劃分；根據(jù)沉積相和測井曲線所反映的沉積環(huán)境、沉積速率和沉積趨勢變化，將奧陶系劃分為3個完整的層序(SQ1～SQ3)及頂部的不完整層序(SQ4)(圖2)。亮甲山組頂界面、上馬家溝組下段頂界面與峰峰組下段頂面作為三級層序界面通常表現(xiàn)為明顯的GR值突變，沉積相由潮間沉積突變到潮下沉積(圖2，圖5)。奧陶系各層序橫向沉積厚度變化小，層序內(nèi)高位體系域(HST)沉積厚度大于海侵體系域(TST)，這表明研究區(qū)奧陶紀(jì)三級層序內(nèi)的海平面變化整體表現(xiàn)為快速海侵—緩慢海退。

通過連井地層對比建立了區(qū)域奧陶系層序地層格架(圖5)。冀中坳陷奧陶系殘余地層雖呈現(xiàn)NE至NW向減薄的特征，從縱向貫穿冀中坳陷的北南向剖面顯示冶里組、亮甲山組整體地層厚度穩(wěn)定，其他組的沉積厚度差異與沉積環(huán)境的沉積速率有關(guān)，但地層沉積厚度橫向差異不大(圖5)。

3 單因素分析與巖相古地理分布

3.1 單因素分析基本原則

在確定沉積相及沉積微相類型后，通過單井沉積相及連井剖面對比來建立區(qū)內(nèi)沉積相分布整體框架。對冀中坳陷奧陶系殘余5個地層組，依據(jù)野外露頭觀察、巖心描述、巖屑錄井和測井解釋成果進(jìn)行巖性識別與統(tǒng)計(jì)。巖相古地理圖件在沉積相和層序地層學(xué)分析的基礎(chǔ)上，以層序格架內(nèi)體系域?yàn)榫巿D單元(胡明毅等，2010)，通過系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)地層厚度、殘余厚度、白云巖含量、泥巖含量和生屑、顆粒碳酸鹽巖含量(表 3)，依照馮增昭(2004)的“單因素分析多因素綜合作圖法”為理論指導(dǎo)，編制單因素圖件。

冀中坳陷奧陶系地層厚度可以揭示該地區(qū)的古大地構(gòu)造格局、古地形及沉積中心分布，包括相對隆起和凹陷的位置等。通過取心、巖屑錄井以及測井資料對比分析，GR曲線與泥巖具有較好的對應(yīng)關(guān)系，自然伽馬測井曲線標(biāo)準(zhǔn)化后，GR值大于14API 為泥巖，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)出研究區(qū)各組的泥巖厚度。白云巖含量為某層段白云巖厚度與該層段地層厚度的百分比，超過50%的地區(qū)定為云坪相，小于50%且大于25%的地區(qū)定為云灰坪，小于25%的地區(qū)定為局限潮下或開闊潮下。碳酸鹽巖顆粒含量 30%以上為灘，再根據(jù)顆粒類型又進(jìn)一步劃分為砂(礫)屑灘、生屑灘、鮞粒灘等。

此次共研究冀中坳陷鉆遇奧陶系鉆井剖面102條，經(jīng)詳細(xì)單剖面描述解釋的定量和定性資料齊全可信的鉆井剖面74條(如： 亮甲山組數(shù)據(jù)見表 3)，各定量和定性資料齊全較可信的鉆井剖面28條(數(shù)據(jù)從略)。系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)各層系石灰?guī)r、白云巖及泥巖厚度數(shù)據(jù)，形成不同層系白云巖含量、泥質(zhì)含量及石灰?guī)r含量等值線圖等單因素圖件。按照上述單因素圖件繪制方法，分層系繪制出巖相古地理圖。以亮甲山組為例，通過統(tǒng)計(jì)鉆遇井及對應(yīng)的巖性層厚度數(shù)據(jù)(表 3，部分臨近井位數(shù)據(jù)省略)，形成了亮甲山組白云巖、石灰?guī)r含量等值線圖(圖 6，圖 7)等單因素圖件，進(jìn)而對不同層系展開巖相古地理劃分。

3.2 層序1海侵體系域(SQ1-TST)巖相古地理

冀中坳陷層序1海侵體系域(早奧陶世新廠期冶里組沉積期)地層分區(qū)特征明顯，地層厚度總體呈現(xiàn)東北部厚，西南部較薄，SQ1-TST期冀中坳陷東北部沉積地層厚度一般為40～80im，西南部僅為20～40im。白云巖含量在西南部達(dá)到最大值，如極4井、巨參1井等都達(dá)到了100%，東北部含量較少(20%～30%)，反映冀中坳陷西南部主要為潮間帶沉積環(huán)境，準(zhǔn)同生白云巖化較明顯，而東北部水體相對較深，白云巖化作用不明顯。

SQ1-TST期地層沉積厚度整體范圍從20～100im不等，呈現(xiàn)東北部厚，厚度最大的剖面集中在研究區(qū)東北部，如侯6井鉆厚84im附近；中部較厚，如馬97井鉆厚43im；西南部較薄，如澤72井鉆厚22.4im，澤8井鉆厚23im。

南北沉積厚度差異特征說明出海侵方向由北向南，白云巖含量變化也說明SQ1-TST期由西南向東北，沉積微相由潮間云坪、潮間云灰坪過渡到開闊潮下相帶(圖 8)。從本期相帶來看，冀中坳陷由西南向東北，發(fā)生一次海侵事件，造成水體加深的。

3.3 層序1高位體系域(SQ1-HST)巖相古地理

冀中坳陷層序1高位體系域(早奧陶世道保灣期亮甲山組沉積期)古地理面貌與冶里期具有繼承性，仍保持著西南至東北水體逐漸加深的趨勢。受懷遠(yuǎn)運(yùn)動影響，亮甲山組沉積期海域范圍有所減小，海水由南向北退縮，水體較冶里期變淺。在冀中坳陷東北部由冶里期開闊潮下靜水泥逐漸過渡為潮間云灰坪和潮間灰云坪。西南部白云巖厚度大，受到白云巖化作用程度普遍較高，主要為潮間云坪相。早奧陶世時期，冀中坳陷古地形整體上呈現(xiàn)為南高北低的格局，構(gòu)成了奧陶紀(jì)的層序1沉積旋回(圖 9)。

層序1沉積旋回末期，懷遠(yuǎn)運(yùn)動發(fā)生，華北地臺水體逐漸變淺，冀中坳陷大部分地區(qū)出露水面，形成層序1與層序2的區(qū)域平行不整合接觸，它是SQ1-HST期發(fā)生普遍白云巖化作用的構(gòu)造影響因素。

3.4 層序2海侵體系域(SQ2-TST)巖相古地理

冀中坳陷在亮甲山組沉積期海退后進(jìn)入SQ2-TST期，即大灣早期(下馬家溝組下段沉積時期)。該期地層沉積厚度相對較小，一般在40～55im之間，且南北總體厚度變化不大。SQ2-TST期白云巖在冀中坳陷廣泛分布，且含量基本都在20%以上，研究區(qū)館陶—邢臺—石家莊一帶為潮間灰云坪相沉積，南宮—饒陽—霸州—北京一帶整體為潮間云灰坪沉積，說明此時冀中坳陷為間歇暴露的潮間環(huán)境(圖 10)。由于陸源碎屑物質(zhì)被搬運(yùn)到沉積區(qū)，造成含泥質(zhì)沉積物普遍沉積，在南宮—衡水與馬西地區(qū)發(fā)育了潮間泥灰坪。間歇暴露的環(huán)境也使得白云巖化作用加強(qiáng)，在北部廊固凹陷河西務(wù)—霸州一帶形成了潮間云坪相沉積，構(gòu)成了奧陶系在區(qū)內(nèi)一套較為連續(xù)發(fā)育的云巖型儲集層。

3.5 層序2高位體系域(SQ2-HST)巖相古地理

3.5.1 SQ2-HST(下馬家溝組上段沉積時期)巖相古地理

進(jìn)入SQ2-HST期，即大灣晚期(下馬家溝組上段沉積時期)，冀中坳陷海侵規(guī)模增強(qiáng)，使得沉積厚度開始變大，沉積中心往北部轉(zhuǎn)移。隨著海侵持續(xù)，冀中坳陷由SQ2-TST期潮間帶漸漸演變成中部至南部局限潮下相帶與北部開闊潮下相帶沉積(圖 11)。在廊固凹陷河西務(wù)—霸州一帶形成灰質(zhì)潟湖沉積，侯6井也揭示在侯尚村發(fā)育了生屑灘沉積。

3.5.2 SQ2-HST(上馬家溝組下段沉積時期)巖相古地理

進(jìn)入SQ2-HST期上馬家溝組下段沉積時期，第2個沉積旋回逐漸結(jié)束，冀中坳陷古地理格局與下馬家溝組上段沉積時期相似，發(fā)生區(qū)域性“面式”海退。白云巖在西北部以及西南部較發(fā)育，含量由20%到80%變化不等，北部潮間云坪相與南部潮上泥云坪相沉積出現(xiàn)，且中部處于開闊潮下深水沉積相帶，整體顯示冀中坳陷中部凹陷—南北部凸起的古地理格局(圖 12)。

3.6 層序3海侵體系域(SQ3-TST)巖相古地理

進(jìn)入SQ3-TST期(上馬家溝上段沉積時期)冀中坳陷再次發(fā)生海侵，沉積厚度開始變大，形成奧陶系沉積最厚的地層。冀中坳陷在SQ3-TST期沉積相帶由下部開闊潮下—中部局限潮下—上部潮間演變，整體上為開闊潮下和局限潮下灰質(zhì)潟湖，在東北部和西南部局部發(fā)育成潮間灰云坪(圖 13)。開闊潮下沉積的主要為一套泥—亮晶生屑砂屑灰?guī)r、粉屑砂屑泥晶灰?guī)r，含生屑泥晶灰?guī)r；局限潮下灰質(zhì)潟湖沉積了深灰泥—微晶云巖、含灰云巖、含云灰?guī)r等。

3.7 層序3高位體系域(SQ3-HST)巖相古地理

SQ3-HST期(峰峰組下段沉積時期)，研究區(qū)內(nèi)水體變淺，至本期沉積結(jié)束時，第3個沉積旋回也隨之結(jié)束。白云巖在冀中坳陷西部以及北部較發(fā)育，含量由20%到80%變化不等，潮間云坪—灰云坪為主要沉積相帶。在冀中坳陷東部衡水—饒陽—大城一帶為局限潮下灰質(zhì)潟湖相沉積，顯示了SQ3-HST末期時海侵方向?yàn)闁|南方向(圖 14)。

3.8 層序4海侵體系域(SQ4-TST)巖相古地理

SQ4-TST期(峰峰組上段沉積時期)發(fā)生大規(guī)模海進(jìn)，研究區(qū)水體加深，發(fā)育開闊朝下沉積，形成了一套厚層泥晶灰?guī)r、生屑灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r等巖石組合。在整體為開闊潮下沉積背景上，廊固凹陷河西務(wù)地區(qū)與霸縣凹陷蘇橋地區(qū)發(fā)育小規(guī)模的潮間云灰坪，曲陽地區(qū)發(fā)育生屑灘沉積(圖 15)。

SQ4-TST期結(jié)束時，加里東運(yùn)動及海西運(yùn)動構(gòu)造疊加，使冀中坳陷整體抬升并遭受侵蝕。相對于東部地區(qū)，冀中坳陷西部隆升幅度較大，缺失了晚奧陶世至三疊紀(jì)的地層，并發(fā)生多期次巖溶事件，形成了冀中坳陷SQ4與C-P地層或古近系的角度不整合接觸界面。

4 結(jié)論

1)系統(tǒng)研究冀中坳陷奧陶系沉積微相特征，劃分了潮上、潮間、局限潮下和開闊潮下4個沉積亞相，以及泥云坪、膏云坪、云坪和云質(zhì)潟湖等11種沉積微相，并依據(jù)單因素綜合分析明確微相分布特征。

2)冀中坳陷奧陶系沉積了4個三級層序(SQ1～SQ4)，巖相古地理演化經(jīng)歷了3個完整的海侵—海退旋回與峰峰組上段沉積時期(SQ4-TST)1次海侵過程。海侵發(fā)生在冶里期、下馬家溝組沉積時期、上馬家溝組沉積晚期和峰峰組沉積晚期，海退發(fā)生在亮甲山期、上馬家溝組沉積早期與峰峰組沉積早期。

3)受沉積旋回控制，首次海侵期冀中坳陷由北至南發(fā)育了開闊潮下—潮間—潮上亞相沉積展布，第2次和第3次海侵集中發(fā)育局限潮下、潮間亞相沉積，第4次海侵廣泛發(fā)育開闊潮下及北部發(fā)育含云灰坪亞相沉積。第1期海退期冀中坳陷發(fā)育潮間坪亞相為主的沉積，局部為潮上亞相；第2次與第3次海退期發(fā)育潮間—潮上亞相沉積，是云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)云巖、泥(粉)晶云巖的集中沉積期，也是有利云巖類儲層集中發(fā)育層段。