渤海灣盆地滄東凹陷沙河街組一段沉積相特征及成藏模式

趙少澤， 李 勇， 牟連剛， 吳雪松， 楊 朋， 袁雪花， 官全勝， 徐盈嬌

( 1. 成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059； 2. 成都理工大學 地質學博士后科研流動站，四川 成都 610059； 3. 中國石油大港油田公司，天津 300280； 4. 河北地質大學 地球科學學院，河北 石家莊 050031 )

0 引言

滄東凹陷是渤海灣盆地黃驊坳陷南部重要的富油凹陷[1]，近年來，其油氣勘探突破集中于古近系孔店組[1-4]。孔店組之上的沙河街組埋深較淺、烴源巖成熟度較低，研究相對較少，沙河街組一段(沙一段)有低熟油顯示，表明具有油氣勘探潛力[5]。

古近紀，滄東凹陷是由多個半地塹組成的陸相斷陷盆地，沙河街組沉積期經歷斷陷作用逐漸變弱的過程，處于斷陷強烈期的沙河街組三段(沙三段)和沙河街組二段(沙二段)發育碎屑巖，處于斷陷衰弱期的沙一段發育碎屑巖、碳酸鹽巖，以及二者混合沉積形成的混積巖[5-8]。陸相斷陷盆地具有構造特征及演化過程復雜、沉積相類型多樣的特點，沉積相發育受構造活動與古地貌的影響較大，陡坡帶主要發育扇三角洲，緩坡帶主要發育辮狀河三角洲、曲流河三角洲[9-16]，斷陷強烈期以三角洲相和湖泊相為主，斷陷衰弱期以河流相和沖積平原相為主[9]。劉子藏等[5]認為沙一下亞段發育三角洲相和湖泊相；王偉[6]在滄東凹陷舍女寺地區沙一段識別砂質灘壩、顆?；規r灘等沉積微相；張亞雄等[17]認為滄東凹陷沙一段發育湖泊相和曲流河三角洲相，其中湖泊相發育濱淺湖和生物灘亞相，與沙一段存在大段暗色泥頁巖不符。研究區在斷陷作用減弱的沙一段沉積期以湖泊相和三角洲相為主，說明沉積相發育除受構造活動的控制外，可能還受其他因素影響。滄東凹陷沙一段暗色泥頁巖處于未熟—低熟階段，可以生成低熟油，沙一段砂巖和生物灰巖儲層中發現多處低熟油顯示，其中滄東次凹具備形成自生自儲型低熟油藏的條件[5,18]。

有關滄東凹陷沙一段沉積相及成藏模式的研究集中于某個區塊或某個亞段，沉積相劃分存在爭議。利用巖心、薄片、測錄井、地震和地球化學等資料，分析研究區沙一段沉積相類型，沉積相特征受構造活動與古地貌、海侵的控制，沙一段暗色泥頁巖具有生成低熟油的潛力，并建立自生自儲型和下生上儲型低熟油成藏模式，為滄東凹陷沙一段油氣勘探提供依據。

1 區域地質概況

滄東凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷南部，呈NNE向展布，東西兩側分別被徐黑凸起和滄縣隆起包圍(見圖1(a))。由于滄東斷層與徐西斷層下降盤相互作用，滄東凹陷內部出現隆起帶——孔店構造帶，呈NNE向沿盆地軸向延伸?？椎陿嬙鞄У臇|西兩側分別為常莊次凹和滄東次凹，南側為南皮次凹。南皮次凹發育規模較小但結構復雜的斷裂構造帶和裙邊鼻狀構造帶，分別是烏馬營斷裂構造帶、小集斷裂構造帶和舍女寺鼻狀構造帶[19-20](見圖1(b))。滄東凹陷北部呈“兩凹夾一隆”的盆地結構(見圖1(c))，南部表現為不對稱的地塹式結構特征(見圖1(d))。

圖1 滄東凹陷構造位置及單元劃分Fig.1 Tectonic position and unit division of the Cangdong Depression

滄東凹陷沙河街組自下而上分別為沙三段、沙二段、沙一段，沙一段呈層狀超覆在下伏沙二段頂部的不整合面之上，最大厚度不超過400 m，在滄東次凹、南皮次凹和常莊次凹分別形成3個厚度中心(見圖2(a))。沙一段巖石類型相對復雜，包括碎屑巖、碳酸鹽巖，以及二者混合沉積形成的混積巖[5-8]，沙一段下部地層主要發育以砂巖組合為特征的碎屑巖和大面積的碳酸鹽巖，砂巖粒度較細，以中—細砂巖為主，碳酸鹽巖以生物碎屑灰巖為主，含少量鮞?；規r，泥晶灰巖分布范圍較小，上部地層為穩定分布的暗色泥頁巖(見圖2(b))。

圖2 滄東凹陷沙一段地層特征Fig.2 Stratigraphic characteristics of the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

2 沉積相特征及控制因素

2.1 沉積相類型

基于巖心、巖石薄片、鉆井、地震等資料，明確滄東凹陷沙一段發育湖泊和辮狀河三角洲2種沉積相。

2.1.1 湖泊

湖泊相可以識別生物碎屑灘、鮞粒灘、砂質灘壩、混積灘壩、濱淺湖、半深湖—深湖6種沉積亞相。

2.1.1.1 生物碎屑灘

生物碎屑灘亞相多形成于遠離物源的水下隆起，為水動力條件相對較強的高能環境。該亞相巖性以灰色或灰黃色的生物碎屑灰巖為主，生物碎屑灰巖中的顆粒多由腹足類的螺碎屑(見圖3(a-b))和介形蟲碎屑(見圖4(a))組成，一般呈塊狀層理，生物介殼體積分數在80%以上，溶蝕孔孔隙發育，并有原油顯示(見圖3(a-b))。生物碎屑灰巖測井曲線表現為低自然電位和高電阻率特征(見圖5(a))。

圖3 滄東凹陷沙一段典型巖性及沉積構造Fig.3 Typical lithology and sedimentary structure of the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

2.1.1.2 鮞粒灘

鮞粒灘亞相具有與生物碎屑灘亞相相似的水動力條件，受陸源物質輸入的影響，生物發育較少。該亞相巖性以鮞粒灰巖為主，鮞粒核心多為陸源碎屑，表現為表鮞的外形(見圖4(b))，偶見核心為介形蟲的鮞粒。

2.1.1.3 砂質灘壩

砂質灘壩亞相的水體相對高能，沿岸流及波浪將三角洲等砂體重新改造，呈條帶狀展布。該亞相巖性以粉—細砂巖為主，沉積構造可見波狀交錯層理、平行層理，砂巖分選較好、成分成熟度高、磨圓度較好，以次圓狀—次棱角狀為主，由于受湖水的蕩滌影響，鈣質含量一般較高(見圖3(c-d)、圖4(c))。砂質灘壩亞相在巖性組合上表現為大套泥頁巖夾薄層砂體，具有反旋回沉積特征，測井曲線呈指形或漏斗形(見圖5(b))。

2.1.1.4 混積灘壩

混積灘壩亞相位于生物碎屑灘、鮞粒灘與砂質灘壩或三角洲前緣亞相相互交錯發育的地區，是碎屑巖沉積與碳酸鹽巖沉積之間的過渡環境。該亞相巖性以含生物碎屑砂巖、砂質灰巖、含砂鮞?；規r為主。含生物碎屑砂巖主要為中、細砂結構，生物化石主要為螺化石及其碎片，生物碎屑體積分數約為30%(見圖3(e))。砂質灰巖以亮晶結構為主，砂質體積分數在 25%～40%之間(見圖4(d))。含砂鮞?；規r的鮞粒類型多為表鮞，核心為介形蟲、螺等生物碎屑和砂屑，粒度較小的砂屑可形成砂屑鮞粒，粒度稍大的砂屑并未形成鮞粒，是因為混積灘壩亞相水體的能量比鮞粒灘亞相的弱(見圖4(e))。

圖4 滄東凹陷沙一段巖石薄片特征Fig.4 Rock thin section characteristics of the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

2.1.1.5 濱淺湖

濱淺湖亞相位于浪基面以上，為弱氧化—弱還原的水體環境。該亞相巖性以淺灰色塊狀層理的鈣質泥巖(見圖3(f))、泥晶灰巖(見圖4(f))、泥質灰巖、泥巖為主，較高的鈣質含量表明水體鹽度較高。

2.1.1.6 半深湖—深湖

半深湖—深湖亞相巖性以暗色泥頁巖、灰質泥巖、白云質泥巖為主(見圖3(g))，沉積物GR較高，總有機碳質量分數較高，具有生烴潛力。除底部為砂巖及生物灰巖外，沙一段中上部為巨厚的半深湖—深湖亞相暗色泥頁巖，呈NE—SW向分布，在滄東次凹和南皮次凹、常莊次凹分別形成2個厚度中心，最大厚度超過300 m，主要集中在100～200 m之間(見圖6)。

圖6 滄東凹陷沙一段暗色泥頁巖展布特征Fig.6 Distribution characteristics of dark mudstone/shale in the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

2.1.2 辮狀河三角洲

辮狀河三角洲相是由辮狀河體系前積到停滯水體形成的富含砂和礫石的三角洲[21]，劃分為辮狀河三角洲平原(水上部分)和辮狀河三角洲前緣(水下部分)2種沉積亞相。地震反射特征從宏觀上揭示研究區存在辮狀河三角洲相，充填地震反射特征說明研究區存在三角洲河道(見圖7(a))，低角度前積反射是辮狀河三角洲前緣亞相的典型特征(見圖7(b))。

圖7 滄東凹陷沙一段地震相特征Fig.7 Seismic facies characteristics of the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

2.1.2.1 辮狀河三角洲平原

辮狀河三角洲平原亞相主要發育分流河道，巖石類型主要有礫巖、含礫粗砂巖(見圖3(h))、粗砂巖和中砂巖，呈厚層塊狀，垂向上分流河道常多期疊置，自然電位及自然伽馬曲線呈高幅齒化鐘形—箱形(見圖5(c))。河道間沉積物粒度較細，主要為氧化色泥巖、粉砂質泥巖和粉砂巖等，測井曲線以高自然電位、低電阻率為特征(見圖5(c))。

2.1.2.2 辮狀河三角洲前緣

辮狀河三角洲前緣亞相發育水下分流河道、分流間灣、河口壩和席狀砂4種沉積微相(見圖5(d))。其中，水下分流河道微相較發育，巖性以中砂巖和細砂巖為主，測井曲線與分流河道的相似，呈中—低幅箱形和鐘形。分流間灣微相主要為砂泥互層的過渡巖性，以淺灰色和灰綠色泥巖、粉砂巖及泥質粉砂巖為主。河口壩微相巖性以中—細砂巖為主，垂向上具有下細上粗的反韻律，測井曲線以中幅漏斗形為特征。三角洲前緣河口壩微相一般與水下分流河道微相交替出現，在巖性組合上表現為多套正—反韻律砂體疊置。席狀砂厚度相對較薄，與暗色泥頁巖呈薄互層狀頻繁交互沉積，在測井曲線表現為指狀或尖峰狀。

2.2 沉積相空間展布

滄東凹陷沙一段砂體主要分布于研究區的西南邊緣，西南部發育3個物源口(見圖8(a))，西北部的N55—C13井一帶砂巖呈條帶狀分布，砂巖體積分數由南向北逐漸變小，砂體可能是西南部的陸源碎屑砂巖受湖流的搬運、改造而形成的。與沙三段沉積期相比[5]，孔店凸起變小，徐黑凸起被淹沒，徐黑凸起與孔店凸起不提供物源，圍繞孔店凸起等地區的水下高地沉積大面積生物碎屑灰巖(見圖8(b))。

根據沉積相類型分析結果，結合砂巖生物碎屑灰巖分布，得到沙一段沉積相展布(見圖8(c))。沙一段沉積期，滄東凹陷西南部發育范圍較小的辮狀河三角洲相，濱淺湖與半深湖—深湖亞相大面積分布；西北部發育條帶狀砂質灘壩亞相，周緣分布小范圍的鮞粒灘亞相，盡管生物碎屑灰巖的分布范圍較大，但厚度較薄，其上覆蓋巨厚的灰色及暗色泥頁巖，生物碎屑灰巖沉積的大部分地區優勢相為濱淺湖亞相或半深湖—深湖亞相，沙一段沉積相展布顯示生物碎屑灘亞相分布于孔店凸起周緣和滄東斷層下降盤較小范圍的地區。此外，生物碎屑灘、鮞粒灘、砂質灘壩和辮狀河三角洲前緣亞相的交互發育地區發育條帶狀的混積灘壩亞相。

圖8 滄東凹陷沙一段砂巖體積分數、生物碎屑灰巖厚度分布及沉積相展布Fig.8 Distribution of sandstone volume fraction, bioclastic limestone thickness, and sedimentary facies of the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

2.3 沉積相控制因素

2.3.1 構造活動與古地貌

滄東凹陷在沙三—沙二段沉積期為斷陷期，平衡剖面揭示滄東凹陷沙一段沉積期伸展速率明顯弱于沙三段和沙二段沉積期的[7]。沙一段沉積期以廣泛的熱沉降作用為主[8]，屬于晚斷陷期[8-9,22]。該時期斷層對古地貌的控制作用減弱，地勢變得相對緩和，地形高差減小，導致陸源物質輸入減弱，造成辮狀河三角洲相發育于研究區的西南邊緣，清水環境為生物大量繁殖提供有利條件，促進生物碎屑灰巖的形成。生物碎屑灰巖厚度分布與沙一段底界古地貌疊合圖(見圖9)顯示，生物碎屑灰巖主要發育于孔店凸起周緣、舍女寺鼻狀構造帶等，在斷陷活動減弱的沙一段沉積期，這些地區坡度較緩，為生物碎屑灰巖沉積提供便利條件，因為坡度較陡時，波浪直接作用于湖岸，產生充足的碎屑物質，不利于形成清水環境。此外，滄東次凹及南皮次凹部分地區的水下低隆處受物源供給影響小，發育小規模的生物碎屑灰巖。沙一段沉積期，斷層活動減弱，促進“暖清淺”沉積環境的形成，以及孔店凸起周緣、滄東斷層下降盤鼻狀凸起、滄東次凹和南皮次凹部分地區的水下低隆處生物碎屑灰巖的沉積。

圖9 滄東凹陷生物碎屑灰巖厚度與沙一段底界古地貌疊合Fig.9 Superimposed of the bioclastic limestone thickness contours and the bottom boundary of the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

2.3.2 海侵

渤海灣盆地在古近紀是一個濱海湖泊，根據古生物、礦物、地球化學等資料，渤海灣盆地在沙一段沉積期發生廣泛的海侵[23-30]。黃驊坳陷沙一段的古生物特征[23]、微量元素特征、鍶同位素特征[24]、海綠石、膠磷礦、顆石藻[24,27]表明，沙一段沉積期，黃驊坳陷發生顯著的海侵，歧口凹陷位于黃驊坳陷北部，滄東凹陷位于黃驊坳陷南部，岐口凹陷與滄東凹陷地理位置相接，是相通的。沙一段生物碎屑灰巖和泥灰巖樣品的V質量分數介于(7.70～45.99)×10-6，平均為23.06×10-6，Ga質量分數介于(1.05～6.57)×10-6，平均為3.59×10-6，w(Sr)/w(Ba)介于1.57～6.68，平均為3.71(見表1)，指示沙一段沉積期為咸水環境[31-34]，為溫暖濕潤的氣候環境[35]，湖泊咸化可能與氣候無關，是海侵的結果。

表1 滄東凹陷沙一段微量元素特征

隨斷陷作用變弱，陸相斷陷盆地由湖泊相逐漸轉變為河流—沖積平原相[9]，表現為逐漸準平原化的過程，斷陷作用較強的沙三段和沙二段沉積期，滄東凹陷以湖泊和辮狀河三角洲相為主，斷陷作用較弱的沙一段沉積期，滄東凹陷以湖泊相為主，湖泊范圍最大。沙一段沉積期，渤海灣盆地遼東灣坳陷、濟陽坳陷等地區古地貌變得相對緩和，廣泛發育生物碎屑灰巖、黑色泥巖，在區域上形成對比，渤海灣盆地以湖泊相為主[37-38]，可能是區域熱沉降作用下海水大規模入侵導致的，進而造成盆地可容空間增大。

3 暗色泥頁巖生烴潛力與成藏模式

3.1 生烴潛力

沙一段暗色泥頁巖的TOC質量分數介于0.03%～11.22%，平均為2.12%，主要分布在1.00%～4.00%之間(見圖10(a))；生烴潛量(S1+S2)介于0.05～53.56 mg/g，平均為21.70 mg/g，主要分布在6.00～40.00 mg/g之間，大于6.00 mg/g的烴源巖占樣品總數的78.5%(見圖10(b))；氯仿瀝青“A”質量分數介于0.006 0%～1.057 6%，平均為0.110 4%，主要分布在0.010 0%～0.500 0%之間(見圖10(c))；總烴(HC)質量分數介于(70～6 698)×10-6，平均為792×10-6，主要分布在(200～4 000)×10-6之間(見圖10(d))，表明大多數烴源巖有機質豐度達到好—很好。采用烴源巖熱解圖版分析法，判斷沙一段暗色泥頁巖有機質類型(見圖11)，主要為Ⅰ型—Ⅱ1型，說明生烴母質主要為低等水生生物及藻類，具有良好的生油潛力。由于沙一段埋深較淺，有機質成熟度較低，Ro<0.7%，處于未熟—低熟階段[5,10]。生、排烴模擬實驗證實沙一段暗色泥頁巖富含早期生烴的藻類，具備形成低熟油的能力[10]。沙一段暗色泥頁巖有機質豐度較高，有機質類型較好，雖然成熟度相對較低，但具有生成低熟油的潛力。

圖10 滄東凹陷沙一段暗色泥頁巖有機質豐度特征Fig.10 Organic matter abundance characteristics of dark mudstone/shale in the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

圖11 滄東凹陷沙一段烴源巖有機質類型Fig.11 Organic matter types of source rocks in the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

沙一段沉積期的海侵為暗色泥頁巖生成低熟油提供重要的保證。一是海水鹽度較大，海侵導致的湖泊水體咸化促進湖泊水體分層，使湖泊底水形成缺氧的環境，缺氧環境為半深湖—深湖亞相泥頁巖有機質的保存提供有利的條件，促進高有機質豐度烴源巖的形成[39-41]。二是在咸化湖盆條件下，泥頁巖中含硫有機質質量分數一般較高，C—S鍵能遠低于C—C鍵能[42]，含硫有機質富集也為泥頁巖在低溫條件下生烴提供有利條件。三是海侵使暗色泥頁巖富含碳酸鹽礦物，能夠降低生烴活化能，從而可以在低溫條件下促進低熟有機質生烴[43]，如江漢盆地低熟烴源巖生烴。因此，盡管沙一段暗色泥頁巖的熱演化程度低，處于未熟—低熟階段，但能大量生烴。除海侵為低熟油形成提供有利條件外，沙一段暗色泥頁巖含有礦物瀝青基質和叢粒藻等可以早期生烴的物質[44]，促進低熟油的生成。

3.2 成藏模式

沙一段低熟油有兩個來源，分別為沙一段烴源巖和孔二段烴源巖[5,18]，發育自生自儲型和下生上儲型2種低熟油成藏模式(見圖12)。

3.2.1 自生自儲型

滄東次凹沙一段碳酸鹽巖低熟油來源于沙一段烴源巖[5]。滄東次凹斷層發育相對較少，缺少油氣縱向運移通道，沙一段底部的生物碎屑灰巖或灘壩砂體與其上部優質泥巖在縱向上形成巖性圈閉。這種“泥包儲層”結構的特點是儲層與烴源巖距離較近，為形成巖性低熟油藏提供有利條件，因為低熟油并沒有充足的運移能力，從烴源巖中排出后，經過短距離運移，可以聚集在沙一段底部的生物碎屑灰巖和灘壩砂體中，形成自生自儲型巖性低熟油藏(見圖12(a))。滄東次凹小規模的同沉積斷層與生物碎屑灰巖可以組合構成構造—巖性圈閉，形成低熟油藏。根據生物碎屑灘和砂質灘壩亞相的展布特征，滄東次凹低凸起、孔店凸起周緣的緩坡帶、滄東斷層下降盤N55—C13井一帶是低熟油藏的有利勘探地區。

圖12 滄東凹陷沙一段成藏模式Fig.12 Oil accumulation pattern of the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

3.2.2 下生上儲型

南皮次凹沙一段低熟油主要來源于下部孔二段烴源巖[9-10]。南皮次凹沙一段發育辮狀河三角洲砂體，同時發育小集斷裂構造帶、烏馬營斷裂構造帶、舍女寺鼻狀斷裂構造帶。以舍女寺鼻狀斷裂構造帶為例(見圖12(b))，沙一段斷層圈閉比較發育，斷裂溝通沙一段砂體與孔二段烴源巖，孔二段原油沿斷層運移，在沙一段聚集形成斷層油藏，因此，南皮次凹是下生上儲型斷層低熟油藏勘探的有利地區。南皮次凹沙一段三角洲砂體與湖泊相泥巖交互發育的地區也發育自生自儲型斷層低熟油藏，與下生上儲型斷層成熟油藏相比，規模較小。

4 結論

(1)渤海灣盆地滄東凹陷沙一段沉積相類型為湖泊和辮狀河三角洲。研究區西南部緩坡帶發育辮狀河三角洲相，西北部發育條帶狀的砂質灘壩亞相和小范圍的鮞粒灘亞相，生物碎屑灘亞相主要分布于孔店凸起周緣和滄東斷層下降盤，生物碎屑灘、鮞粒灘與砂質灘壩或三角洲前緣亞相交互發育的地區為條帶狀的混積灘壩亞相。研究區沙一段沉積相類型及其空間展布受構造活動與古地貌、海侵的控制。

(2)研究區沙一段暗色泥頁巖具有較好的生烴潛力，海侵可以促進富有機質泥頁巖的發育和低熟泥頁巖的早期生烴。滄東次凹沙一段多形成自生自儲型巖性或構造—巖性低熟油藏，南皮次凹多形成下生上儲型斷層低熟油藏。