華北中南部博山地區上古生界沉積相與沉積演化特征

侯中帥，陳世悅，郭宇鑫，王志金，赫慶慶，崔綺夢

中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東青島 266580

0 引言

渤海灣盆地是我國重要的含油氣盆地，賦存著豐富的油氣資源[1-2]。隨著勘探的深入推進，盆地內中淺層已整體處于勘探程度較高的精細勘探階段[3-8]，而深層勘探一直處于探索階段，勘探程度較低。“十二五”以來，渤海灣盆地深層上古生界陸續取得油氣勘探的重大發現，黃驊坳陷港古16102井和港古1507井于石炭系太原組中獲工業油流，濟陽坳陷花古斜101井和花古102井于二疊系上石盒子組獲工業油流[9]，東濮凹陷胡古2井于二疊系上石盒子組和石千峰組獲工業氣流[10-11]，顯示出深層上古生界具有重大的勘探潛力，其已成為東部成熟探區儲量接替的現實領域。隨著上古生界勘探的推進，對于上古生界沉積相類型及演化認識不清等問題逐漸凸顯，嚴重制約著勘探開發工作的深入。本文結合區域地質背景，對華北中南部的淄博博山上古生界露頭剖面進行觀察實測，厘定其發育的沉積相類型，識別相應的沉積序列，明確其沉積演化過程，以期對盆內上古生界油氣的勘探開發提供一定的借鑒。

1 區域地質背景

淄博博山上古生界露頭剖面位于淄博市博山區大奎山一帶，構造單元上屬于魯西隆起區(圖1)。該剖面地層發育完整、連續性較好、構造簡單、頂底界限清楚，是渤海灣盆地周緣上古生界的典型剖面，為本次研究工作的開展提供了十分有利的條件。通過對露頭的實測，巖性、巖性組合及標志層的識別，結合前人研究成果，自下而上將本地區上古生界分為本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組，其中上石盒子組又可分為3段，自下而上依次為萬山段、奎山段和孝婦河段(圖2)。

2 沉積特征

2.1 本溪組沉積特征

本溪組為自奧陶系頂部不整合面至晉祠砂巖底面之間的所有巖層。底部為風化作用形成的雞窩狀褐鐵礦與鋁土礦(圖3a，b)，向上變為泥巖與灰巖互層夾煤線。本溪組沉積期，區內發生多次海侵活動，發育了以徐家莊灰巖為代表的臺地相沉積；在海侵活動間歇期，發育障壁海岸相沉積。

2.1.1 障壁海岸相

本溪組中障壁海岸相以潮坪相為主，可以細分為泥坪和混合坪。

泥坪相主要發育灰褐色、褐灰色泥巖，其中夾有泥質粉砂巖透鏡體，透鏡體厚度一般在1 cm左右，橫向延伸距離一般不超過1.5 m(圖3c)。整體發育透鏡狀層理，泥巖中見水平層理(圖3c)，局部可見生物鉆孔和泥裂。在陸源碎屑輸入較少的局部地區，可以形成泥炭堆積，最終形成薄煤層(圖3d)。

圖1 淄博博山上古生界剖面位置圖Fig.1 Location of Zibo Boshan Upper Paleozoic profile

圖2 淄博博山上古生界剖面綜合柱狀圖Fig.2 The Upper Paleozoic integrated histogram of Zibo Boshan profile

圖3 本溪組風化殼、潮坪相與臺地相a．本溪組底部雞窩狀褐鐵礦；b.本溪組底部紫紅色鋁土礦；c.泥坪中發育透鏡狀層理；d.泥坪相中發育的薄煤層；e.混合坪中發育透鏡狀層理；f.泥晶灰巖中針狀石膏假晶；g.泥晶灰巖中的海百合莖；h.局限臺地相灰巖中發育波狀層理；i.開闊臺地相生物碎屑灰巖；j.燧石結核中節理發育，包裹碳酸鹽顆粒；k.風暴沉積底部侵蝕面Fig.3 Weathering crust, tidal flat facies and platform facies of Benxi Formation

混合坪主要發育不等厚互層狀的灰白色泥巖與泥質粉砂巖，泥巖和粉砂巖單層厚度在2～3 cm左右，橫向延伸距離一般不超過1 m，整體發育有波狀層理，泥巖中可見水平層理(圖3e)，生物擾動構造發育。

2.1.2 碳酸鹽臺地相

包括局限臺地相和開闊臺地相，其中草埠溝灰巖和南定灰巖形成于局限臺地相，徐家莊灰巖形成于開闊臺地相。

局限臺地相主要發育泥晶灰巖，可見長條狀、針狀石膏假晶(圖3f)，說明其沉積期古鹽度較高，含少量生物碎屑(圖3g)，發育波狀層理(圖3h)。

開闊臺地相主要發育生物碎屑灰巖，含有腕足、海百合莖、有孔蟲和珊瑚等海相動物化石(圖3i)，其中小有孔蟲發育Bradyina-Plectogyra組合，主要屬種包括Bradyinapauciseptata，Bradyinatarassovi，Plectogyrabaschkirica，Nodosarianetchajews，Pseudoglandulinsp.等分子[12]。灰巖中可見大量燧石條帶與結核，燧石中未見放射蟲與海綿骨針，其中包裹有碳酸鹽顆粒(圖3j)，說明其為原生化學沉淀成因[13]。受風暴作用的影響，開闊臺地相灰巖廣泛發育有底面侵蝕構造(圖3k)，但由于本區臺地相發育在陸表海背景下，海底平坦開闊，坡度極緩[14]，水體較淺，造成風暴沉積的其他典型標志難以保存。

2.2 太原組沉積特征

太原組包括由晉祠砂巖底面至北岔溝砂巖底面之間的所有巖層，整體巖性為砂泥巖互層夾薄層灰巖和煤層。太原組沉積期本區發育障壁海岸相和碳酸鹽臺地相。

2.2.1 障壁海岸相

太原組中障壁海岸相可以細分為潮坪相、潮道相、潟湖相和障壁島相。

(1) 潮坪相

包括泥坪、混合坪和砂坪。

泥坪相主要發育呈薄互層的淺灰色泥巖與黃灰色粉砂質泥巖，發育水平層理和潮汐韻律層理(圖4a)，泥巖單層厚度在2～4 cm左右，反映了沉積期水體深度與水動力條件頻繁變化。局部可見生物鉆孔和同生鈣質結核(圖4b)，在陸源碎屑物質輸入貧乏的情況下，泥坪中植被發育形成泥炭堆積，最終形成煤層(圖4c)。

混合坪相主要表現為細砂巖與粉砂質泥巖呈不等厚互層狀，砂巖單層厚度在2～8 cm左右，泥巖單層厚度在2～5 cm左右，整體發育有潮汐韻律層理，泥巖中可見水平層理(圖4d)。

砂坪相主要發育細砂巖夾薄層的粉砂巖，砂巖單層厚度在3～5 cm左右，粉砂巖單層厚度在1～2 cm左右，發育低角度的楔狀層理和脈狀層理(圖4e)，可見植物化石碎片和碳屑。

泥坪、混合坪和砂坪在剖面上常緊密共生，其組合常具有一定的規律，剖面上可見由泥坪向上過渡為混合坪和砂坪的沉積組合(圖4f)。

(2) 潮道相

潮道為漲潮和退潮的通道，水動力條件較強，發育雙向交錯層理、板狀交錯層理和平行層理(圖4g，h)，巖性以中粗砂巖為主，其中可見植物印模化石和莖干化石(圖4i，j)；常發育在潟湖相之上，并沖刷下伏地層(圖4k)，可見沖刷潟湖相泥巖后卷攜形成的泥礫(圖4l)，局部可見呈透鏡狀分布的滯留礫石層(圖4m)；砂體在剖面上呈頂平底凸的透鏡狀(圖4n)，可見若干個向上變細的潮道砂體垂向疊置，其間可發育有泥質夾層(圖4o)。

(3) 潟湖相

主要發育深灰色、灰黑色泥巖，水平層理發育(圖5a)，偶見生物潛穴，有時可見大量菱鐵質結核，直徑一般在5～8 cm，最大可達10 cm以上，結核發育的層段可見其呈似層狀產出(圖5b)。隨著潟湖的淤淺作用，其頂部有時發育煤層。

(4) 障壁島相

巖性以中細粒石英砂巖為主，成分成熟度和結構成熟度均較高，發育低角度的楔狀層理和板狀交錯層理，常表現為向上變粗的沉積序列，底部為深灰色泥巖，向上逐漸由砂巖占優勢的砂泥互層過渡為較為純凈的石英砂巖。障壁島相常與島后泥坪伴生，在剖面上表現為障壁島砂巖頂部常發育有灰色泥巖和薄煤層(圖5c)。

2.2.2 碳酸鹽臺地相

2.3 山西組沉積特征

山西組包括自北岔溝砂巖底面至駱駝脖子砂巖底面之間的所有巖層，巖性發育砂泥巖互層夾薄煤層。山西組沉積期區內發育三角洲相，以三角洲前緣和三角洲平原為主。

2.3.1 三角洲前緣

包括水下分流河道和分流間灣，由于山西組三角洲發育在陸表海的背景下，水體較淺，可容納空間較小，河道不能持續性發育，改道頻繁，造成河口壩不發育。水下分流河道巖性以中細砂巖為主，發育砂紋交錯層理(圖6a)，分流間灣以深灰色泥巖為主，可見植物碳屑(圖6b)。

2.3.2 三角洲平原

包括分流河道和分流河道間，分流河道巖性以中砂巖為主，對下伏地層有較強的沖刷作用，可見沖刷后卷攜的泥礫(圖6c)，發育板狀交錯層理和槽狀交錯層理(圖6d，e)。分流河道間包括天然堤、泛濫平原、漫灘湖泊、漫灘沼澤，天然堤主要發育薄層砂泥巖互層，單層厚度在15 cm左右(圖6f)，反映洪泛期和平水期的交替沉積作用，砂巖中前積作用發育，可見下切型板狀交錯層理；泛濫平原主要發育淺黃褐色泥巖、粉砂質泥巖和粉砂巖(圖6g)，可見植物葉片化石(圖6h)；漫灘湖泊主要發育灰色、深灰色泥巖(圖6g)，偶見動植物化石；漫灘沼澤主要發育煤層，受陸源碎屑物質輸入的影響，泥炭的發育常遭到中斷，造成煤層和泛濫平原泥巖在垂向上頻繁互層(圖6i)。

圖5 太原組潟湖相與臺地相巖性與沉積特征a.潟湖相灰黑色泥巖；b.潟湖相泥巖中夾菱鐵礦結核；c.障壁島砂巖與島后泥坪；d.三灰中富含海百合莖；e.二灰中海百合莖化石；f.一灰中腕足動物化石Fig.5 Lithology and sedimentary characteristics of lagoon facies and platform facies in Taiyuan Formation

2.4 下石盒子組沉積特征

下石盒子組包括自駱駝脖子砂巖底面B層鋁土礦頂面之間的所有巖層，巖性以砂泥巖互層為主，發育Apiculatisporis-Gulisporites-Laevigatosporites孢粉組合，說明其沉積時為溫暖半潮濕氣候[17]。下石盒子組沉積期，區內主要發育曲流河相，主要包括河床、堤岸和泛濫平原亞相。

圖6 山西組三角洲相巖性與沉積特征a.水下分流河道中砂紋交錯層理；b.分流間灣深灰色泥巖；c.分流河道中含泥礫；d.分流河道發育板狀交錯層理；e.分流河道中發育槽狀交錯層理；f.天然堤中砂泥巖薄互層；g.泛濫平原淺黃褐色泥巖與漫灘湖泊深灰色泥巖；h.泛濫平原泥巖中含植物化石；i.泛濫平原與漫灘沼澤交替發育Fig.6 Lithology and sedimentary characteristics of delta facies in Shanxi Formation

2.4.1 河床

河床主要發育多層疊置的厚層砂巖(圖7a)，巖性以中粗砂巖為主，局部含礫(圖7b)，發育板狀交錯層理和槽狀交錯層理(圖7c)，底部發育沖刷面(圖7d)，偶見泥礫和煤屑(圖7e)，可見洪水期搬運至河道底部后于平水期或間洪期再次淘洗后形成的透鏡狀滯留礫石層(圖7f)。

2.4.2 堤岸

堤岸相包括天然堤和決口扇，天然堤發育薄層砂巖與泥巖頻繁互層，砂巖與泥巖單層厚度在3 cm左右(圖7g)；決口扇巖性以中細砂巖為主，底部發育有沖刷面，沖刷面之上見泥礫，剖面上決口扇砂體呈透鏡狀，粒度呈下細上粗的反序結構(圖7g)，發育小型砂紋交錯層理和爬升層理。

2.4.3 泛濫平原

泛濫平原主要發育黃灰色泥巖(圖7h)，在下石盒子組頂部可見紫紅色、雜色鋁土質泥巖(圖7i)。

2.5 上石盒子組沉積特征

上石盒子組包括自B層鋁土礦頂面至K8砂巖底面之間的所有巖層，自下而上可以分為萬山段、奎山段和孝婦河段，萬山段自B層鋁土礦頂面至奎山砂巖底面，奎山段包括奎山砂巖及其間所夾的泥巖，孝婦河段自奎山砂巖頂面至K8砂巖底面。萬山段和奎山段發育Patellisporites-ensosporites-Florinites孢粉組合，孝婦河段發育Anapiculatisporites-Cordaitina孢粉組合，說明上石盒子組沉積時屬于干旱氣候[17]。萬山段和孝婦河段主要發育曲流河，奎山段發育潮流沉積，包括潮道和潮道間。

2.5.1 曲流河

上石盒子組曲流河相主要發育河床、堤岸和泛濫平原亞相，河床巖性以中砂巖為主，發育板狀交錯層理和槽狀交錯層理(圖8a)，底部發育沖刷面(圖8b)。在曲流河凹岸一側河床以多層薄層砂巖疊置為特點，單層砂巖厚度在20～40 cm左右，砂巖之間發育側積泥(圖8c)，砂巖中發育的層理規模較小；在曲流河凸岸一側河床發育多層砂巖疊置而成的厚層砂體(圖8d)，層理規模較大，堤岸亞相主要發育天然堤，表現為砂泥巖頻繁薄互層，砂泥巖單層厚度一般不超過10 cm(圖8e)，砂巖中小型砂紋層理較為發育，泛濫平原主要發育黃灰色、紫紅色泥巖，夾薄層的粉砂巖(圖8f)。

2.5.2 潮流沉積

傳統認為奎山段形成于內陸河流相，但是苗耀等[18]通過對濟陽坳陷曲古2井和曲古3井上古生界泥巖進行Sr/Ba比分析發現，該段內的Sr/Ba比出現異常高值點(圖9)，可能暗示著此時有海侵作用發生。李增學等[19]在奎山砂巖的中上部發現低角度的沖洗層理和海綠石，且海綠石元素成分與海相海綠石相似；通過對相鄰地區的單縣ZKM1井鉆井取芯的奎山砂巖中填隙物進行微量元素分析可知，其B含量和B/Ga比均具有海相沉積的特征。上石盒子組形成于干旱的環境背景下[17]，萬山段和孝婦河段的泥巖均呈干旱背景下的氧化色，而奎山段中發育的泥巖在露頭及濟陽坳陷井下均呈灰色、灰白色等還原色(圖10)。綜合認為奎山段形成于在海侵背景下的潮流沉積，包括潮道和潮道間。本區發育的潮道屬于四種潮道成因類型中的灘面水流沖刷型[20]，成分成熟度較高，巖性以石英砂巖為主(圖8g)，發育的層理類型多樣，除反映強水動力條件水道沉積的塊狀層理、槽狀交錯層理(圖8h)、板狀交錯層理(圖8i)和平行層理(圖8j)外，還在沉積序列頂部發育有灘面水流沖刷形成的低角度楔狀層理(圖8k)。潮道間為低能環境，主要發育灰色、灰白色泥巖。

圖7 下石盒子組巖性與沉積特征a.多期河道疊置厚層砂巖；b.河床相含礫粗砂巖；c.河道砂巖中發育槽狀交錯層理；d.河道砂體底部發育沖刷面；e.河道砂體中含煤屑和泥礫；f.河道砂體中滯留沉積礫巖；g.天然堤與決口扇沉積特征；h.泛濫平原相黃灰色泥巖；i.下石盒子組頂部雜色泥巖Fig.7 Lithology and sedimentary characteristics of Lower Shihezi Formation

圖8 上石盒子組巖性與沉積特征a.曲流河相河床發育槽狀交錯層理；b.曲流河河床砂巖底部發育沖刷面；c.曲流河凹岸薄層砂巖夾側積泥；d.曲流河凸岸厚層砂巖；e曲流河天然堤砂泥巖薄互層；f.曲流河泛濫平原黃灰色與紅色泥巖；g.奎山段潮道相石英砂巖；h.潮道發育槽狀交錯層理；i.潮道中發育板狀交錯層理；j.潮道中發育平行層理；k.潮道中發育低角度楔狀層理Fig.8 Lithology and sedimentary characteristics of Upper Shihezi Formation

2.6 石千峰組沉積特征

石千峰組包括自K8砂巖底面至孫家溝組底面之間的所有巖層。石千峰組沉積期，受巨型季風氣候的影響，氣候愈發干旱[21]，陣發性降水作用發育，區內主要發育陣發性曲流河相。河床亞相中可見陣發性洪水期沉積的透鏡狀滯留沉積礫石層(圖11a)，洪水的接力搬運作用可將粗粒物質搬運至盆地腹地[22]，可見大型板狀交錯層理和槽狀交錯層理(圖11b，c)，細層底部常含礫，表明陣發性水流具有較強的搬運能力。堤岸相主要發育細砂巖與泥巖薄互層(圖11d)，砂巖中可見板狀交錯層理(圖11e)，泛濫平原相主要發育磚紅色、黃灰色泥巖(圖11f)。

2.7 沉積序列特征

通過本次研究工作，共識別出8種典型的沉積序列。太原組中發育三種海進沉積序列和一種海退沉積序列，海進沉積序列一以潮坪相為主，垂向表現為從泥坪向混合坪和砂坪的演變，表明一種潮坪背景下的漸進性海進作用(圖12a)；海進沉積序列二在垂向上表現為由底部的泥坪向上過渡為潟湖相，頂部發育潮道相，表明一種潟湖背景下的漸進性海進作用(圖12b)；海進沉積序列三下部發育泥坪相，可見煤層，上部發育臺地相灰巖，灰巖常直接覆蓋在煤層之上，表明一種突發性的海進作用(圖12c)；海退沉積序列由底部的障壁島向上依次過渡為島后泥坪、潟湖和泥坪，代表障壁島—潟湖背景下的海退作用(圖12d)。山西組中發育由三角洲前緣的分流間灣和水下分流河道向上轉變為三角洲平原的分流河道和分流河道間的沉積序列，為三角洲進積沉積序列(圖12e)。上石盒子組曲流河凹岸一側發育由底部的河道相薄層砂巖夾側積泥向上演變為天然堤和泛濫平原(圖12f)；凸岸一側發育由底部的厚層疊置河道相砂巖向上演變為堤岸相的天然堤和決口扇，頂部發育泛濫平原相(圖12g)；兩種沉積序列均代表曲流河的典型的“二元結構”。上石盒子組潮道相中沉積序列由多期疊置的厚層砂巖組成，層理類型由底部的塊狀層理向上變為槽狀交錯層理和平行層理，頂部發育楔狀層理(圖12h)。

圖9 濟陽坳陷上古生界泥巖Sr/Ba比值變化圖[16]Fig.9 Variation of Sr/Ba ratio in Upper Paleozoic mudstone in Jiyang depression

圖10 濟陽坳陷奎山段暗色泥巖a.花古102井奎山段暗色泥巖；b.王古2井奎山段暗色泥巖Fig.10 Dark mudstone in Kuishan Formation of Jiyang depression

圖11 石千峰組巖性與沉積特征a.河床底部透鏡狀滯留沉積礫巖；b.河床相中發育大型板狀交錯層理；c.大型槽狀交錯層理，細層底部含礫；d.天然堤砂泥巖薄互層；e.天然堤薄層砂巖中發育板狀交錯層理；f.泛濫平原磚紅色與灰黃色泥巖Fig.11 Lithology and sedimentary characteristics of Shiqianfeng Formation

圖12 淄博博山上古生界剖面典型沉積序列a.泥坪—混合坪—砂坪海進沉積序列；b.泥坪—潟湖—潮道海進沉積序列；c.泥坪—臺地海進沉積序列；d.障壁島—島后泥坪—潟湖—泥坪海退沉積序列；e.三角洲進積沉積序列；f. 曲流河凹岸沉積序列；g.曲流河凸岸沉積序列；h.潮道沉積序列Fig.12 Typical sedimentary sequence of Upper Paleozoic section in Zibo, Boshan

3 沉積演化

經歷了中奧陶世至早石炭世長期隆起剝蝕之后，華北板塊主體發生沉降接受沉積。晚石炭世本溪組沉積期，海水由盆地東北部向盆內侵漫[14]，發育了受限陸表海，在研究區內風化古地形之上形成了碳酸鹽臺地相與潮坪相交替發育的沉積格局，受盆地北部物源區隆升速率的影響，研究區內砂坪相不發育，僅發育沉積物粒度較細的泥坪和混合坪相。晚石炭世—早二疊世太原組沉積期，北部物源區進一步抬升，盆地格局由南隆北傾轉變為北隆南傾[23]，海水由盆地東南部向盆內侵漫[14]，受限陸表海繼續發育，在本溪組填平補齊的基礎之上，發育了障壁海岸相和碳酸鹽臺地相沉積，此時陸源碎屑物質供給充足，障壁海岸相中砂體類型多樣，潮坪相、潮道相和障壁島相砂體均有發育，在障壁海岸相為主體的背景下，發育了四期碳酸鹽臺地相沉積，形成了薄層生物碎屑灰巖。早二疊世山西組沉積期，海水大幅南退，盆地進入殘余陸表海發育階段，研究區內發育以三角洲相為主的含煤碎屑巖系，砂體類型以分流河道和水下分流河道為主。中二疊世下石盒子組沉積期，盆地北部構造隆升作用加劇，盆地進入近海內陸坳陷發育階段，研究區內由沉積相類型由過渡相轉化為曲流河相，氣候向半干旱—干旱轉變，發育了以黃灰色為主的碎屑巖系，下部夾有暗色泥巖，局部可見煤線。中二疊世上石盒子組沉積期，繼承性發育近海內陸坳陷，研究區內主體仍發育河流相，其中萬山段和孝婦河段均發育曲流河，萬山段泥巖以黃灰色夾紫紅色為主，孝婦河段泥巖以紫紅色為主，夾有少量黃灰色，代表氣候逐漸干旱；在河流相背景下，受海侵作用的影響，在奎山段發育了濱岸相的潮流沉積。晚二疊世石千峰組沉積期，隨著盆地南部秦嶺海槽的俯沖閉合，盆地進入內陸湖盆發展階段[24]，區內發育巨型季風氣候[21]，降水的季節性差異顯著，河流陣發作用強，發育了一套河流相的紅色碎屑巖系。

4 結論

淄博博山地區上古生界自下而上發育本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組，發育障壁海岸相、碳酸鹽臺地相、三角洲相、河流相和潮流相。

障壁海岸相和碳酸鹽臺地相主要發育在本溪組和太原組，本溪組以潮坪相和碳酸鹽臺地相為主，太原組中發育潮坪相、潮道相、潟湖相、障壁島相和碳酸鹽臺地相，發育三種典型的海進沉積序列和一種海退沉積序列。三角洲相發育于山西組中，發育一種典型進積沉積序列。河流相主要發育在下石盒子組—石千峰組，均為曲流河，其凸岸與凹岸發育不同類型的沉積序列。潮流相發育在上石盒子組奎山段，見一種典型沉積序列。

研究區上古生界沉積演化總體為由陸表海向內陸湖盆轉變的過程。本溪組—太原組發育在陸表海背景下，山西組發育殘余陸表海背景下的過渡相，下石盒子組—上石盒子組總體發育近海內陸坳陷背景下河流相，局部層段發育海侵作用，石千峰組發育內陸湖盆背景下河流相。區內上古生界總體為一個海進—海退的沉積過程。