南鄱陽盆地二甲村凹陷樂平組官山段古地理環(huán)境特征

曾廣平，王峻，張春光，趙晴，吳雙

（成都理工大學沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059）

0 引言

南鄱陽盆地晚二疊世早期在全球海平面下降和東吳運動的共同影響下，海平面快速變化，大量碎屑物質(zhì)向盆地內(nèi)推進，形成了一套海陸過渡相含煤地層[1-2]。官山段泥頁巖為南鄱陽盆地樂平組重要的烴源巖層[3]，其分布受古地理環(huán)境演化過程的影響[4-5]。海平面快速升降過程造成了區(qū)域內(nèi)官山段沉積的差異性。王修齊等[6]認為，官山段在南鄱陽盆地東區(qū)為河流和湖泊相淡水沉積；徐克定等[7]對贛東北樂平組沉積環(huán)境開展層序地層學分析，認為官山段形成于低水位體系域下的潮間帶及潮下帶環(huán)境，周緣發(fā)育三角洲平原和前緣沉積；Wang等[8]對鳴山一帶官山段進行的有機地球化學分析表明，其沉積時受海水波及。以往研究表明，官山段為一套海平面快速動蕩下的沉積組合，烴源巖的分布受海平面變化和古地理環(huán)境的控制。這些研究還對樂平組整體的古地理演化及其對烴源巖發(fā)育的影響進行了討論[6]，但缺乏對重點烴源巖層沉積微相的深入研究，且對古地理環(huán)境如何影響儲層和烴源巖發(fā)育的認識不夠詳盡。

本文基于鉆井和剖面資料對南鄱陽盆地二甲村凹陷官山段的古地理環(huán)境進行恢復，分析了官山段的沉積相展布與演化規(guī)律，研究了官山段古地理演化對烴源巖發(fā)育的控制作用，以期為海陸過渡相油氣藏的勘探開發(fā)提供科學依據(jù)。本次研究在南鄱陽盆地二甲村凹陷東側涌山剖面官山段底部泥質(zhì)粉砂巖中見薄層生屑灰?guī)r，其中含大量棘皮動物、藻類、腕足類生物碎屑，這反映了水體較深的潟湖沉積環(huán)境[9]，從而也為官山段潮坪環(huán)境的認識補充了新的巖石學證據(jù)。

1 地質(zhì)概況

南鄱陽盆地為下?lián)P子地塊與華夏地塊間的萍樂坳陷帶中部的一個小型斷陷盆地，基巖為新元古界變質(zhì)巖。盆地先后受印支運動擠壓作用和燕山運動走滑拉張作用影響，發(fā)育石炭系—下三疊統(tǒng)海相至海陸過渡相和上三疊統(tǒng)—白堊系陸相沉積，形成“上張下壓”的雙層結構[1，6]。 二甲村凹陷位于南鄱陽盆地東北緣，西側以永修—錦江斷裂和軍山—三湖斷裂為界，南側為豐城—婺源斷裂[6]，呈近北東向條帶狀展布（見圖1）。在印支—燕山期逆沖推覆作用影響下，上古生界地層中形成一系列近東西向的復式向斜褶皺，造成二甲村凹陷局部地區(qū)石炭系、上二疊統(tǒng)長興組及樂平組地層重復以及部分地區(qū)上三疊統(tǒng)地層的缺失[4]，奠定了南鄱陽盆地復雜的構造與沉積格局。樂平組官山段在造山運動影響下快速沉積形成了一套海陸交互相含煤碎屑巖，整合或假整合于茅口組厚層狀石灰?guī)r夾薄層硅質(zhì)巖之上，含豐富的植物化石碎片。

圖1 南鄱陽盆地二甲村凹陷區(qū)域位置

2 沉積特征與古環(huán)境

2.1 巖性特征

由于二甲村凹陷內(nèi)地表植被覆蓋嚴重，選取了同一構造帶內(nèi)且古地貌背景相似的涌山剖面（見圖2。其中：P3m為茅口組，P3lg為官山段，P3ll為老山段）與二甲村凹陷內(nèi)鉆井巖性進行對比。通過對比，并依據(jù)巖性特征差異將二甲村凹陷樂平組官山段分為以細粒沉積為主的官山段下亞段和以粗碎屑沉積為主的官山段上亞段。

圖2 涌山剖面官山段野外剖面

官山段下亞段發(fā)育褐灰色—灰黑色粉砂巖和灰色—灰黑色泥頁巖，厚度在45～100 m；發(fā)育水平層理、脈狀層理和交錯層理（見圖2、圖3a、圖3b），含大量植物葉片和莖稈化石，層理面富含炭屑；與下伏茅口組石灰?guī)r呈整合接觸，局部茅口組抬升剝蝕形成巖溶角礫（見圖3c）。泥頁巖和粉砂巖主要由石英（Qtz）和黏土礦物組成，含菱鐵礦（Sd）（見圖3d，其中 Mi為云母）。X 衍射分析結果表明：石英質(zhì)量分數(shù)為37%～62%，平均質(zhì)量分數(shù)為51%；黏土礦物質(zhì)量分數(shù)為30%～54%，平均質(zhì)量分數(shù)為43%。黏土礦物主要為伊利石（I）和高嶺石（K），含少量伊/蒙混層和綠泥石。黏土礦物中，伊利石呈不規(guī)則鱗片狀貼附于礦物顆粒表面，孔隙較發(fā)育（見圖3e），其相對質(zhì)量分數(shù)為34%～45%，平均相對質(zhì)量分數(shù)為39%；高嶺石相對質(zhì)量分數(shù)為24%～40%，平均相對質(zhì)量分數(shù)為34%；伊/蒙混層相對質(zhì)量分數(shù)為14%～26%，平均相對質(zhì)量分數(shù)為19%；綠泥石相對質(zhì)量分數(shù)為5%～11%，平均相對質(zhì)量分數(shù)為8%。官山段上亞段主要為灰色石英砂巖夾中層礫巖和薄層泥巖，厚度約40 m，與上覆樂平組老山段灰色細粒石英砂巖和泥巖呈整合接觸（見圖2）。鏡下可見砂巖中石英具有次生加大和波狀消光特征（見圖3f），礫巖含流紋質(zhì)巖屑（見圖3g）。砂巖較致密，孔隙間充填書頁狀高嶺石（見圖3h）。

圖3 南鄱陽盆地二甲村凹陷上二疊統(tǒng)樂平組官山段巖性特征

2.2 古生物特征

野外剖面觀察到研究區(qū)樂平組官山段下亞段深色泥巖及細粉砂巖產(chǎn)二疊枝脈蕨（Cladophlebis permica Lee et Wang）、二疊蕉羽葉（Nilssonia permica Yang）、 煙葉大羽羊齒（Gigantopteris nicotianaefolia）等植物化石與棘皮動物、腕足類、藻類等動物化石（見圖4）。

圖4 南鄱陽盆地二甲村凹陷上二疊統(tǒng)樂平組官山段古生物特征

2.3 古環(huán)境背景分析

二甲村凹陷官山段下亞段受潮水進退影響，沉積環(huán)境變化較快。為此，重點對官山段下亞段泥頁巖和粉砂巖開展古氧化還原條件、古氣候、碎屑通量和沉積速率分析。

——古氧化還原條件。U，V，Ni等元素特定的質(zhì)量分數(shù)（w）比值可以反映地層沉積時的氧化還原條件[10]。V在有機質(zhì)中優(yōu)先被結合，在缺氧還原環(huán)境下質(zhì)量分數(shù)高，而Ni和Cr則在還原環(huán)境下較為穩(wěn)定，因此，w（V）/（w（V）+w（Ni））值和 w（V）/w（Cr）值常用于指示古氧化還原環(huán)境[11]。 官山段下亞段泥巖-粉砂巖 w（V）/（w（V）+w（Ni））值為 0.71～0.83，平均值為 0.77，代表弱還原—還原沉積環(huán)境。 官山段下亞段 w（V）/（w（V）+w（Ni））值和w（V）/w（Cr）值呈現(xiàn)自下往上增大的趨勢（見圖5），并且細粒沉積物沉積時的水體還原性更強。

圖5 涌山剖面樂平組官山段下亞段地球化學特征

——古氣候。微量元素在地層中的分布變化和其質(zhì)量分數(shù)比值可以指示古氣候的變化[12]。Sr對于氣候的變化較為敏感，利用 w（Sr）/w（Cu）值和 w（Sr）/w（Ba）值變化能夠反映古氣候環(huán)境變化。樂平組官山段下亞段 w（Sr）/w（Cu）值為 2.58～10.00，平均值為 4.20（見圖5）；w（Sr）/w（Ba）值的變化趨勢與 w（Sr）/w（Cu）值基本一致：二者均表明官山段下亞段沉積時的氣候條件為半潮濕—潮濕溫暖氣候[13]。

——碎屑通量。Ti，Zr，Al，Th在沉積物中的質(zhì)量分數(shù)常被用來估算碎屑通量（輸入量）[14]。TiO2和 Al2O3質(zhì)量分數(shù)的強相關性表明官山段下亞段樣品的Ti為碎屑來源[15]（見圖6a）。 Al僅存在于鋁硅酸鹽礦物中，Ti的富集常與金紅石、鈦鐵礦、輝石等重礦物有關[16]。Ti的質(zhì)量分數(shù)和 w（Ti）/w（Al）值的變化能反映碎屑中非鋁硅酸鹽輸入量變化[17]，因此，w（Ti）/w（Al）值的變化能指示碎屑通量的變化。官山段下亞段Ti質(zhì)量分數(shù)為0.15%～0.55%，平均值為 0.42%，w（Ti）/w（Al）值為 0.04～0.07，平均值為0.06（見圖5），反映了該段沉積時期有穩(wěn)定供應的陸源碎屑物質(zhì)補給。此外，Al2O3與Fe2O3的質(zhì)量分數(shù)有一定負相關性（見圖6b），指示該段泥頁巖可能受熱液影響[18]。

圖6 涌山剖面官山段下亞段樣品組分質(zhì)量分數(shù)擬合

——沉積速率。高沉積速率下，沉積物在海水中停留的時間短，輕稀土元素和重稀土元素分餾作用弱；低沉積速率下，黏土和有機質(zhì)則有充足時間吸收稀土元素，導致輕稀土元素和重稀土元素的分餾程度高[19]：因此，經(jīng)過北美頁巖（NASC）標準化的 w（La）/w（Yb）值可以反映稀土元素的分餾程度。w（La）/w（Yb）值越接近 1，代表沉積速率越高[20]。涌山剖面樂平組官山段下亞段的w（La）/w（Yb）值為 1.03～1.78（見圖5），表明頻繁的潮水進退使沉積速率發(fā)生了快速且顯著的變化。

3 沉積體系分析

巖石沉積后的成巖作用和風化作用會使元素組成發(fā)生變化，僅依靠微量元素及其質(zhì)量分數(shù)比值的變化并不能完全準確地反映古環(huán)境的變化。在古環(huán)境背景分析的基礎上，結合基于巖相的沉積相分析能更準確地反映沉積環(huán)境[21]。南鄱陽盆地二甲村凹陷構造條件復雜，地震資料品質(zhì)較差，因此本文主要利用測井和野外剖面資料，結合區(qū)域沉積背景，對研究區(qū)樂平組官山段進行沉積微相的劃分和物源分析，重建了官山段沉積模式。

3.1 沉積微相類型

為明確官山段沉積微相在空間上的變化特征，在研究區(qū)樂平組官山段中共識別出潮坪、潟湖、沖積平原和三角洲前緣4種亞相。這4種亞相又可細分為12種沉積微相（見圖7）。

圖7 樂探2井—涌山沉積剖面

3.1.1 潮坪、潟湖亞相

研究區(qū)潮坪、潟湖亞相沉積在官山段下亞段中發(fā)育，主要為灰色—灰黑色泥巖和粉砂巖，見交錯層理和脈狀層理，沉積時處于弱還原和半潮濕溫暖環(huán)境，沉積速率較高，陸源碎屑供應穩(wěn)定。

根據(jù)測井電性、巖性特征及野外剖面巖石組構特征，將潮坪、潟湖沉積亞相細分為沙坪、混合坪、泥坪、沼澤、潮汐水道、淡化湖盆和灰坪7種微相。1）沙坪在二甲村凹陷的東南側較為發(fā)育，巖性為深灰色—褐灰色石英細粉砂至細砂巖，夾褐灰色鐵質(zhì)粉砂巖，分選較好，泥質(zhì)質(zhì)量分數(shù)低，為還原環(huán)境，沉積速率較高。2）混合坪主要為灰色泥巖、粉砂巖、細粒石英砂巖和細礫巖，由細粉砂巖與碳質(zhì)泥巖構成脈狀層理（見圖3b），含大量植物碎屑。3）泥坪的沉積物主要為碳質(zhì)泥頁巖，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較高，呈灰黑色，含植物碎屑。4）沼澤沉積物粒度小，由深灰—灰黑色碳質(zhì)泥巖及碳質(zhì)粉砂巖組成，含大量植物碎片，代表氣候溫暖潮濕的還原環(huán)境，同時水動力條件弱，沉積速率較低。5）潮汐水道以粉砂巖為主，發(fā)育雙向交錯層理（見圖3a）。6）淡化潟湖沉積在官山段底部發(fā)育（見圖7），主要為灰色薄板狀泥巖、灰黑色碳質(zhì)泥巖及粉砂巖，溶蝕孔隙發(fā)育，孔隙內(nèi)充填碳質(zhì)和菱鐵礦（見圖3d），代表潮濕氣候。7）灰坪沉積見于涌山剖面官山段底部，含有孔蟲類、藻類、海百合、腕足類等大量生物碎屑（見圖4d），代表水體較深的還原環(huán)境。

3.1.2 沖積平原、三角洲前緣亞相

研究區(qū)近物源區(qū)沉積物隨沖積扇、曲流河從河道兩側及末端溢出，于兩側形成廣闊的沖積平原，末端形成淺水帶。二甲村凹陷內(nèi)贛9井、樂頁1井、鳴檢1井和涌山剖面官山段上亞段為沖積平原和三角洲前緣亞相，可細分為沖積平原河道、分流間灣、三角洲前緣分流河道、分流間灣和河口壩5種微相，主要巖性有長石石英砂巖夾粉砂巖、礫狀砂巖、細—粗粒砂巖和含礫粗砂巖。沖積平原具有三角洲平原被曲流河改造形成的特征，樂頁1井和鳴檢1井處沖積平原河道相沉積厚度較大，樂頁1井處發(fā)育沖積平原分流間灣相。三角洲前緣沉積分布于河道前端，可識別出2期河口壩，主要由砂和粉砂組成；三角洲前緣分流河道相在贛9井中較發(fā)育，沉積物以砂和粉砂為主；分流間灣以泥質(zhì)沉積為主，夾于分流河道沉積之間。

3.2 物源分析

通過鉆井和野外剖面資料的綜合分析，二甲村凹陷東部樂頁1井和鳴檢1井缺失樂平組上部獅子山段和王潘里段，而西部鄱地1井、樂探2井、贛9井樂平組上部地層發(fā)育齊全，表明樂平組古地貌總體呈現(xiàn)“南東高、北西低”的特征。鄱地1井樂平組缺失官山段，下伏茅口組頂部見巖溶角礫（見圖3c），表明茅口組—樂平組老山段時期地表抬升，局部無沉積或遭受剝蝕。樂探2井缺失官山段上段，表明二甲村凹陷西側存在剝蝕區(qū)。

南鄱陽盆地樂平組煤系地層由南東的陸相沉積逐漸向北西的海相沉積過渡，巖石類型由巖屑石英砂巖為主過渡到以石英砂巖為主，重礦物質(zhì)量分數(shù)逐漸減少，粒度逐漸變小，分選與磨圓逐漸變好。由此推斷，樂平組的物源主要來自東南方向[4]。樂平組官山段上亞段石英砂巖在顯微鏡下見石英具波狀消光特征（見圖3f），指示物源為變質(zhì)來源[22]。官山段礫巖鏡下可見流紋巖巖屑（見圖3g），同時元素分析也表明官山段泥頁巖受到熱液影響，說明物源可能受到火山活動的影響[23]。綜上所述，南鄱陽盆地二甲村凹陷上二疊統(tǒng)樂平組官山段的物源以東南向新元古變質(zhì)巖為主，部分來自火山巖。

3.3 沉積模式

基于對巖石組構、古環(huán)境背景、沉積微相與物源的綜合分析，建立了南鄱陽盆地二甲村凹陷上二疊統(tǒng)樂平組官山段沉積模式（見圖8）。二甲村凹陷上二疊統(tǒng)樂平組官山段廣泛發(fā)育泥頁巖和砂礫巖沉積，早期海陸過渡相沉積逐漸向陸相沉積演變。對晚二疊世中—晚期樂平組官山段沉積相恢復顯示，二甲村凹陷官山段早期為障壁海岸沉積體系下的潮坪、潟湖沉積，晚期古陸隆升，水位降低，在東南側發(fā)育沖積平原。從氣候條件來看，二甲村凹陷在晚二疊世樂平組官山段沉積早期處于半潮濕—潮濕溫暖氣候，與潮坪環(huán)境為主體的沉積特征相符。晚期海平面下降，粗碎屑快速沉積，與沖積平原的沉積特征相符。

圖8 二甲村凹陷上二疊統(tǒng)樂平組官山段沉積模式

二甲村凹陷內(nèi)茅口組為陸棚相石灰?guī)r夾硅質(zhì)巖，鄱地1井處曾暴露地表形成角礫狀灰?guī)r。官山段沉積早期發(fā)育障壁島，位于樂探2井北部。障壁島后側受潮水進退影響，發(fā)育潟湖、潮坪和沼澤相沉積；樂探2井—涌山剖面一帶水體較深，為潟湖沉積；贛9井—鳴檢1井一帶為潮坪、沼澤相沉積。官山段沉積晚期南東側古陸隆升，水位下降，障壁島向北西方向推移，此時由陸地向海洋方向依次發(fā)育曲流河、沖積平原、三角洲前緣、潮坪、潟湖和障壁島沉積。

4 古地理展布特征

地層厚度等值線反映沉降區(qū)和抬升區(qū)的分布，砂地比等值線反映平面上沉積相分布的基本輪廓，并指示物源供給方向與砂體分布[24]。利用單因素分析和多因素綜合作圖法，以沉積相分析為核心，綜合沉積相展布規(guī)律與沉積模式，恢復二甲村凹陷官山段沉積早期和晚期的古地理格局。

4.1 早期古地理

南鄱陽盆地二甲村凹陷官山段下亞段主要為碳質(zhì)泥巖夾鐵質(zhì)粉砂巖和生屑灰?guī)r沉積。地層呈中部厚、東西部較薄的格局，最大厚度在鳴檢1井，達46.96 m，樂探2井往西為剝蝕區(qū)。砂地比總體呈北東向線性變化，靠近陸源的一側砂地比較大（見圖9a）。

圖9 南鄱陽盆地二甲村凹陷官山段古地理

綜合分析二甲村凹陷官山段下亞段發(fā)育特征及南鄱陽盆地的沉積演化史，重建官山段早期的巖相古地理格局（見圖9b）。官山段早期海水由西北向南東方向侵入，障壁島內(nèi)側依次發(fā)育灰坪相生屑灰?guī)r、以泥巖為主的潟湖相沉積及潮坪、沼澤相沉積。沉積過程主要發(fā)生在障壁海岸沉積體系的潟湖、潮坪、沼澤還原環(huán)境中。

4.2 晚期古地理

南鄱陽盆地二甲村凹陷官山段上亞段巖性以細粒石英砂巖與泥巖為主，夾礫石層。二甲村—涌山一帶厚度較大，平均值為38.47 m，砂地比的3個高點分別出現(xiàn)在二甲村、雙田鎮(zhèn)和涌山鎮(zhèn)附近（見圖9c）。

結合南鄱陽盆地的沉積演化史，重建二甲村凹陷官山段晚期的巖相古地理格局（見圖9d）。隨著南東方向的古陸隆起，二甲村凹陷發(fā)生區(qū)域性海退，海水逐漸往北西方向退去，以灰色石英砂巖與泥巖為主的潮坪相沉積、以長石石英砂巖和粉砂巖為主的障壁島沉積和以含礫細—粗砂巖為主的沖積平原、三角洲前緣沉積共同構成了沖積平原-障壁海岸沉積體系。障壁島的發(fā)育進一步阻擋海水入侵，導致障壁島后水動力條件減弱，形成有利于有機質(zhì)大量富集的缺氧水體環(huán)境[25]。

4.3 含油氣意義

在“南東高、北西低”的古地貌背景下，研究區(qū)官山段沉積期海平面朝北西方向退卻，南東方向的植物碎片和其他碎屑通過分流河道輸入到潮坪、潟湖環(huán)境中堆積，帶來了大量有機質(zhì)；同時，潮坪、潟湖的還原環(huán)境，利于有機質(zhì)富集和保存，為烴源巖的形成和發(fā)育提供了保障。官山段下亞段潮坪、潟湖相泥頁巖總有機碳質(zhì)量分數(shù)為0.99%～9.37%，平均質(zhì)量分數(shù)為3.14%，有機質(zhì)豐度高，局部較低。有機質(zhì)類型以Ⅱ1—Ⅲ型為主，鏡質(zhì)組反射率在1.46%～1.88%，烴源巖處于成熟階段。泥頁巖、石英礦物質(zhì)量分數(shù)高，可壓性良好；黏土礦物以高嶺石和伊利石為主，鏡下見較多孔隙，可作為頁巖氣儲集空間。官山段上亞段障壁島和沖積平原相砂巖經(jīng)歷壓實、石英次生加大、硅質(zhì)充填等成巖作用，孔隙度減小，儲集空間主要為溶蝕作用形成的微孔隙及微裂縫[1]。沖積平原河道砂體與分流間灣泥巖交替沉積，有利于形成巖性圈閉，具備良好的致密油氣藏儲層條件。研究區(qū)沉積相總體呈北東向條帶狀展布，潮坪、潟湖相沉積厚度最大，其次為障壁坪、三角洲前緣和沖積平原相，其展布規(guī)律對進一步的油氣勘探評價具有指示意義。

5 結論

1）南鄱陽盆地二甲村凹陷樂平組經(jīng)歷障壁海岸向沖積平原演化的過程。早期，鄱地1井—浮梁湘湖南部發(fā)育障壁島，樂探2井—涌山剖面一帶為潟湖沉積，二甲村—樂平縣一帶為潮坪沉積；晚期，障壁島向西北遷移，樂探2井—涌山剖面轉變?yōu)槌逼撼练e，二甲村—樂平縣一帶發(fā)育三角洲前緣沉積。

2）官山段下粗上細的二段式結構構成了油氣藏的生儲組合。官山段下亞段潮坪、潟湖暗色泥頁巖有機質(zhì)豐度高、類型好，生烴潛力良好，微孔隙發(fā)育，具備良好的可壓性，可作為烴源巖層和頁巖氣儲層；上亞段障壁島、沖積平原河道與分流間灣沉積可作為致密油氣藏的儲層。