等時格架下陸相頁巖多尺度巖相精細識別及控制因素分析
——以渤海灣盆地東營凹陷為例

2019-11-13 10:37:20杜學斌陸永潮劉惠民劉占紅馬義權

石油實驗地質 2019年5期

曹冰，杜學斌，陸永潮，劉惠民，劉占紅，馬義權，王勇，趙珂，楊盼，彭麗

(1.中國海油(中國)有限公司上海分公司，上海 200335；2.中國地質大學(武漢) 海洋學院，武漢 430074；3.中國地質大學(武漢) 構造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074；4.中國石化勝利油田分公司地質科學研究院，山東東營 257015)

近5年來，中國對于海相頁巖的勘探開發已經走在了世界前列，但是對于陸相頁巖的研究尚處于起步階段[1-3]，究其主要原因，陸相頁巖成因及控制因素較海相頁巖有更大的復雜性，因此對地質學家提出了更高的要求和挑戰。巖相是一定沉積環境中形成的巖石或巖石組合，是開展細粒沉積物分析的基礎[4-6]。基于礦物組分、有機質、沉積構造等特征，很多學者都對巖相的分類提出了自己的見解[7-12]，同時也有一部分學者探討了陸相頁巖巖相的控制因素[13-14]。但是這些巖相分類并沒有放到不同級次層序格架下去考慮，也沒有考慮不同級次格架與不同尺度巖相的耦合關系，因此制約了從機理上闡述不同尺度頁巖巖相成因。本文以東營凹陷泥頁巖為研究對象，借助多種研究手段，系統總結了等時格架下陸相頁巖多尺度巖相精細識別特征，探討了巖相發育的主要控制因素，以期為我國陸相頁巖發育機理的研究提供借鑒。

1 陸相湖盆細粒沉積的特殊性

1.1 構造主控、物源+氣候協同性

陸相湖盆不同于海相盆地，它具有自身的獨特屬性[15-16]。盆地的形成構造具有主控型，控盆斷層的活動直接影響了可容納空間的大小，從而進一步影響到沉積物充填過程。物源具有復雜性，表現為物源入口多，相變過程快的特點[17]。同時，古氣候具有明顯的敏感性與脆弱性，常常處于干旱與潮濕、枯水與泛水交替過程中[18-19]。上述幾個控制因素聯合起來對陸相湖盆細粒沉積產生了重要的影響，使得細粒沉積巖相類型復雜、橫向變化快，研究難度增大。

1.2 等時格架下分布可預測性

雖然細粒沉積的分布在預測上具有很大的難度，但是在等時格架下其分布依然是可預測的，具有明顯的濱岸坡折分隔原則[20]，即細粒沉積多分布于低位濱岸坡折內的盆地中心，厚度穩定，整合或假整合接觸；細粒沉積段常為湖擴體系域(EST)+早期高位體系域(EHST)。

1.3 富灰質、強非均質性

對于我國東部沉積盆地來說，其內發育的細粒沉積由于受構造、氣候、物源等因素的聯合影響，其表現出明顯的富灰質與強非均質性。從東營凹陷細粒沉積構成成分的三端元圖(圖1)可以看到，成分不像海相頁巖一樣具有相對集中性。其成分既有黏土礦物，也有陸源成分(石英+長石)，還有碳酸鹽礦物，沒有哪一種占據主導地位，因此陸相細粒沉積物實際是三類成分的耦合產物，也代表著具有多種成因控制。

2 層序格架與多尺度巖相構成

由于頁巖的非均質性強烈，傳統的層序地層學方法建立的等時格架無法滿足精細化研究的要求，因此，部分研究者提出了一套針對細粒沉積物建立不同級次等時地層格架的方法。該方法的核心是依托T-R旋回理論，以自然伽馬曲線為主，結合多種敏感性參數(放射性元素、TOC變化等)以及天文旋回理論，從而有效地解決了細粒沉積物中建立等時格架的問題[21-22]。

圖1 渤海灣盆地東營凹陷陸相細粒沉積巖性分類三角圖

在此基礎上，進一步研究發現，巖相與層序具有密切的聯系。不同級別層序有著不同的劃分依據和識別特征，同時對應著不同類型的巖相構成(表1)。

2.1 六、七級層序與巖相構成

七級層序是目前資料品質下可識別的最高精度的層序，也是細粒沉積層序最小的構成單元。它反映了萬年尺度的旋回變化，沉積單元厚度小于0.5 m，成分、結構、微小構造等變化是其主要的識別標志，巖相多表現為紋層結構。六級層序是七級層序的組合，沉積厚度介于0.5～2 m，巖相上表現為層偶的形式，即不同類型紋層組合在一起，從而構成紋層狀泥質灰巖層與紋層狀灰質泥巖層交互出現(圖2)。

實際上，這種紋層構成不僅僅只反映巖相組合的變化，更能反映氧化—還原條件、藻類間歇勃發、陸源間歇供給等條件在六、七級層序格架下的變化。圖3反映的是貧碳與富碳頁巖巖相層耦韻律，可以看到，在這種韻律巖相控制下，能夠反映氧化—還原條件的指標Sr/Ca與V/Cr均呈現了交替性的變化，與韻律巖相一一對應。實際上，其他參數也具有類似的特征。

2.2 五級層序與巖相構成

2.2.1 五級層序的識別

五級層序代表的是水進—水退旋回，識別標志包含測井曲線、元素變化、沉積多重非均質性等突變標志。每一個五級層序間隔時間0.02～0.08 Ma，沉積厚度約為2～5 m。一般來說，這種水進—水退旋回在空間上存在3種變化，即R旋回，代表水退過程；T旋回，代表水進過程；穩定旋回，代表水體穩定階段[22]。一個T—R變化，代表一次水進—水退過程，即為一個五級層序。實際上，每一次水體變化都伴隨著礦物、有機質的變化，這些參數也可以作為五級層序劃分的參考指標。

2.2.2 五級層序格架與巖相構成

根據五級層序的劃分，結合沉積速率分析，可以將五級層序單元歸納為3種可對比的組合類型，分別為快升—慢降型、慢升—快降型和均一型(圖4)。這幾種類型能夠反映湖平面的升降過程，同時也反映著巖相中的層耦組變化(表1)。

表1 陸相頁巖不同級別層序與巖相構成對應關系

圖2 渤海灣盆地東營凹陷六、七級層序與巖相構成

圖3 渤海灣盆地東營凹陷六、七級層序格架下氧化—還原條件交替變化

圖4 渤海灣盆地東營凹陷五級層序單元下的巖相構成

快升—慢降型意味著湖平面上升過程快于湖平面下降過程，在這個過程中，巖相會從高灰質巖相經過中高灰質巖相逐漸變到中低灰質巖相，層理從頁理或紋理變化到層狀最后到塊狀。慢升—快降型意味著湖平面上升過程慢于湖平面下降過程，巖相依然會經歷從高灰質巖相經過中高灰質巖相逐漸變到中低灰質巖相，層理從頁理或紋理變化到層狀最后到塊狀，但是很明顯紋理或者層理發育段占據了該段的大部分層段。均衡型意味著湖平面上升過程基本上與湖平面下降過程一致，在這個過程中，巖相依然會從高灰質巖相逐漸變到中低灰質巖相，層理變化均一(圖4)。

2.3 四級層序與巖相構成

四級層序相當于體系域，反映的是區域性水進—水退旋回，主要識別標志為有明顯的區域性水深變化和突發事件標志。在這個尺度內，地層厚度介于5～50 m，時間間隔為0.08～0.5 Ma。結合沉積物厚度和湖平面升降過程，很清晰地看到，四級層序控制的是巖相域變化。這種不同類型巖相域不僅僅可以體現在單井上，而且可以實現區域性的對比(圖5)。

2.4 三級層序與巖相構成

三級層序研究的是盆地級別或者凹陷尺度下的巖相變化。其反映的時間間隔為0.5～2 Ma，沉積物厚度大約200 m；層序界面主要的識別標志為古土壤、侵蝕和淹沒標志、準層序疊置樣式的轉化或沉積環境的突變。實際上，對于一個盆地或一個凹陷來說，首要是需要搞清楚頁巖在盆地內的分布，因此，三級層序是最初、最開始的研究尺度。一般需要編繪以三級層序為單元的巖相分布圖，反映的是主要巖性組合宏觀變化規律(圖6)。

3 多尺度巖相發育控制因素

對于一個盆地來說，其巖相發育具有多尺度、多類型的典型特征。因此，巖相發育與展布的控制因素也具有多種尺度。具體來講，有2個尺度：首先是影響三級、四級、五級層序尺度下巖相分布的可以歸結為一類，稱為一級因素；第二個尺度的控制因素主要影響六級、七級尺度下巖相分布，稱為二級因素。

3.1 一級控制因素

一級控制因素包含構造、氣候、物源3個次級因素[17, 23]。構造因素主要控制了可容納空間的變化，使得盆地呈現深盆與淺盆結構，進一步在沉積充填性質上表現出欠補償、補償、過補償的特征；氣候因素主要表現為干旱與潮濕交互出現，使得盆地水體表現為淡水、咸水、鹽湖；物源因素主要表現為機械沉積、化學沉積、生物沉積、混積沉積，使得在沉積組合上會體現出硅質、灰質和泥質的不同性質。對于一個地區或者一個盆地來說，這三者是緊密結合在一起的，不能割裂開研究。巖相構成上表現為層偶組—巖相域—巖相層序有序變化(表2)。

圖5 渤海灣盆地東營凹陷四級層序控制下的巖相域橫向變化

圖6 渤海灣盆地東營凹陷三級層序下泥巖巖相分布

對于東營凹陷來說，影響頁巖相發育的重大構造事件是42.5 Ma前后重大構造變革事件[24-25]。在這個時期，太平洋板塊向歐亞板塊俯沖發生轉向(NNW—NWW)，使得中國東部大部分盆地開始由伸展盆地逐漸變為轉換伸展盆地，由補償淺湖盆過渡為欠補償深湖盆，盆地面積變大，水體加深，頁巖大面積發育。

同時，42.5 Ma前后的重大變革事件，不僅僅表現在構造上，氣候上也同樣具有重要的變革[9, 26-27]。42.5 Ma前后，氣候還是具有明顯的變化，由半干旱的氣候進入到濕潤的氣候，使得水體由沙四上的咸水向沙三下半咸水—淡水變化，從而表現在巖相組合上，沙四上段巖相中碳酸鹽紋層大量發育，而沙三下段巖相中則明顯減少(圖7)。

當然，42.5 Ma也是一個古生物變革面，表現在沙四段以火紅美星介組合為代表的淺水生物群落，沙三段以中國華北介組合為代表的深水生物群落，淺水生物群落向深水生物群落轉化[28]。生物組合的不同會在一定程度上影響到生烴潛力的差異。

3.2 二級控制因素

二級控制因素主要是對巖相中的紋層及層耦的控制，實際上是通過控制有機質類型、生物間歇勃發、水體動蕩、氧化還原事件等進而控制巖相的發育。可以將二級控制因素細化為三類，即古生產力、季風、氧化—還原條件(表2)。

對于東營凹陷來說，季風對于高頻(6～7級)格架中頁巖巖相具有明顯的控制作用。東亞季風系統控制了整個東亞的降雨及分布，夏季風帶來降雨，冬季風帶來干旱，從而會引起生物類型及生產力—生物勃發事件耦合、清水和渾水—陸源間歇輸入事件耦合、干—濕氣候與氧化—還原事件耦合等現象，從而進一步控制了濟陽坳陷的沉積充填及其有機質的富集[19, 32]。

表2 渤海灣盆地東營凹陷多尺度巖相發育控制因素

Table 2 Controlling factors for multi-scale lithofacies, Dongying Sag, Bohai Bay Basin

圖7 渤海灣盆地東營凹陷沙四上段-沙三下段沉積期古氣候類型變化對比

具體來講，東亞季風強的時候，東營凹陷基本不受熱帶高壓影響，古氣候非常濕潤，發育紋層狀頁巖相，有機質異常發育，富含大量含碳生物，TOC可以達到3.0%以上；當東亞季風變弱的時候，西風帶攜帶水汽少，東營凹陷處于熱帶高壓影響之下，古氣候變得逐漸干旱，生物發育少，主要發育了塊狀灰質頁巖相、含粉砂富黏土質頁巖相、蒸發巖薄夾層頁巖相等貧有機質的巖相，平均TOC在1.7%以下(表3、圖8)。