楊 光, 司道彬, 劉 明, 張小顏

(1.中國(guó)石化勝利油田分公司 地質(zhì)科學(xué)研究院,山東 東營(yíng) 257015; 2.中國(guó)石化勝利油田分公司 石油開發(fā)中心,山東 東營(yíng)257015;3.中國(guó)石化勝利油田分公司 樁西采油廠,山東 東營(yíng) 257237;4.中國(guó)石化勝利油田分公司 河口采油廠,山東 東營(yíng) 257200)

一自然伽馬曲線在泥頁巖古氣候研究中的應(yīng)用

楊 光1, 司道彬2, 劉 明3, 張小顏4

(1.中國(guó)石化勝利油田分公司 地質(zhì)科學(xué)研究院,山東 東營(yíng) 257015; 2.中國(guó)石化勝利油田分公司 石油開發(fā)中心,山東 東營(yíng)257015;
3.中國(guó)石化勝利油田分公司 樁西采油廠,山東 東營(yíng) 257237;4.中國(guó)石化勝利油田分公司 河口采油廠,山東 東營(yíng) 257200)

地層中的碳酸鹽含量對(duì)古氣候變化比較敏感:當(dāng)古氣候偏干時(shí),碳酸鹽含量升高,反之降低,利用碳酸鹽指標(biāo)可以研究古氣候的演變。在大套湖相泥巖中,自然伽馬曲線主要反映地層中泥質(zhì)和碳酸鹽含量的變化,兩者互為消長(zhǎng):碳酸鹽含量高則泥質(zhì)含量低,反之則高。在碳酸鹽實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無法連續(xù)獲得的情況下,可以運(yùn)用自然伽馬曲線替代碳酸鹽含量變化研究古氣候。按此方法對(duì)濟(jì)陽坳陷羅家地區(qū)羅69井沙三下亞段泥頁巖古氣候進(jìn)行了研究,通過對(duì)羅69井巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和自然伽馬曲線的分析,認(rèn)為羅家地區(qū)沙三下沉積時(shí)期古氣候自下而上經(jīng)歷了熱干、溫濕和熱濕的演變過程。

自然伽馬;碳酸鹽含量;泥頁巖;古氣候;羅家地區(qū)

依據(jù)孢粉屬種研究古氣候雖然比較可靠,但受孢粉分布和含量的制約,其研究成果往往時(shí)段跨度大,難以揭示亞段內(nèi)部的氣候演化特征。近幾年有學(xué)者對(duì)過去幾十年利用湖盆沉積物研究氣候的進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié),認(rèn)為在孢粉、碳酸鹽碳氧同位素組成等資料難以獲得的情況下,黏土礦物學(xué)方法是研究古氣候環(huán)境最可靠、最有用的手段[1]。作為黏土中重要的組成礦物,碳酸鹽含量指標(biāo)已廣泛應(yīng)用于黃土、海洋沉積物和湖泊沉積物古氣候的研究中[2- 6]。濟(jì)陽坳陷沙三下沉積了大套的深湖相泥頁巖,前人研究[7]認(rèn)為該時(shí)期總體上屬于相對(duì)熱濕氣候,但更精細(xì)的氣候劃分和研究成果并不多見。

1 研究區(qū)概況

羅69井位于山東省東營(yíng)市河口區(qū),構(gòu)造位置為濟(jì)陽坳陷沾化凹陷羅家鼻狀構(gòu)造帶(圖1),沙三段沉積了數(shù)百米的暗色泥頁巖。鉆井取心顯示,羅69井沙三下亞段埋深約3 000 m,地層厚度約200 m,巖性以深灰色泥巖、灰質(zhì)泥巖、油泥巖、灰質(zhì)油泥巖、褐灰色油頁巖為主。通過全巖礦物X衍射分析,該套地層碳酸鹽含量平均為58%,黏土含量平均為18.7%,主要由碳酸鹽和泥質(zhì)組成。

圖1 羅69井區(qū)構(gòu)造位置示意圖

2 自然伽馬曲線適用性分析

羅69井連續(xù)取心二百余米,將沙三下地層全部取出。雖然碳酸鹽樣品分析數(shù)量高達(dá)521塊,但由于取樣密度和取心收獲率的限制,要準(zhǔn)確分析碳酸鹽含量的變化還需要一條連續(xù)的替代曲線。自然伽馬曲線主要反映地層中泥質(zhì)和碳酸鹽含量的變化,碳酸鹽含量高則泥質(zhì)低,碳酸鹽含量低則泥質(zhì)高,且曲線和巖心直接對(duì)比,消除了其他巖性對(duì)伽馬曲線變化的影響,因此用自然伽馬曲線替代碳酸鹽含量研究古氣候是一種可行的方法。

只有原生的碳酸鹽才能反映湖盆沉積時(shí)的氣候變化情況,因此還要分析泥巖中碳酸鹽的原生性。羅家地區(qū)在沙三段沉積時(shí)期長(zhǎng)期處于深湖和半深湖環(huán)境,沉積環(huán)境閉塞,掃描電鏡顯示碳酸鹽與泥質(zhì)呈混合或紋層狀分布,碳酸鹽多為隱晶質(zhì),分布較均勻,具有明顯的自生特點(diǎn)。經(jīng)巖心觀察,本套地層裂縫不發(fā)育,雖然構(gòu)造活動(dòng)和成巖作用在泥巖局部形成了一些裂縫,但這些裂縫大部分充填了油氣,只有很少一部分切層的構(gòu)造縫被碳酸鹽充填,構(gòu)造裂縫中的碳酸鹽易于識(shí)別,呈白色,顯晶,主要分布在地層底部,其形成的次生碳酸鹽對(duì)氣候研究的影響比較小。

3 碳酸鹽含量與氣候的關(guān)系

碳酸鹽含量和氣候有著密切的聯(lián)系,在溫度高的環(huán)境下碳酸鹽容易沉淀。實(shí)驗(yàn)證實(shí),在相同壓力條件下,碳酸鈣溶解度隨溫度的增大而減小[8]。此外湖盆內(nèi)碳酸鹽的沉積還和生物有一定關(guān)系,當(dāng)水中生物(如藻類)繁盛時(shí),會(huì)因CO2的消耗誘發(fā)水中碳酸鹽沉淀。目前中國(guó)大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為高碳酸鹽含量反映氣候偏干旱,低碳酸鹽含量反映氣候偏濕潤(rùn)[2]。干旱環(huán)境下,陸源沉積物減少,湖盆水體蒸發(fā)量大于補(bǔ)給量,水體變淺,離子濃度增高,有利于碳酸鹽的沉淀。潮濕環(huán)境下,湖水補(bǔ)給穩(wěn)定,水體較深,物源較多,利于泥巖沉積。

4 羅69井泥頁巖伽馬曲線特征與氣候變化

將羅69井沙三下地層伽馬曲線和碳酸鹽、黏土、有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)繪制成圖(圖2),可以看出伽馬曲線值自下而上呈增加趨勢(shì),這種變化和黏土、有機(jī)碳含量的變化相近,而和碳酸鹽含量變化相反,表明氣候總體上從熱干向熱濕轉(zhuǎn)變。根據(jù)伽馬曲線形態(tài),可劃分為3個(gè)變化段,各段特征見表1。

表1 羅69井氣候變化段數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖2 羅69井沙三下泥頁巖氣候變化劃分

第1變化段曲線變化穩(wěn)定,總體表現(xiàn)為高伽馬值。第2變化段曲線變化明顯,伽馬值總體由高—低—高變化,呈現(xiàn)一個(gè)變化旋回。第3變化段伽馬值較低,整體變化不大,中下部伽馬值較高,表明氣候發(fā)生了一定的變化。

在第1變化段內(nèi),黏土含量達(dá)到最大值,碳酸鹽含量最低,有機(jī)碳含量高,該段曲線變化穩(wěn)定,說明氣候變化不大,總體反映氣候偏熱濕。在偏濕氣候時(shí)期,湖水較深,水量充足,陸上植物和水中生物繁盛,泥巖中有機(jī)質(zhì)含量高,發(fā)育較好的烴源巖。第2段伽馬值變化幅度較大,反映氣候呈較濕—較干—偏濕旋回性變化,具有一定的溫帶氣候特征。此時(shí)湖水時(shí)深時(shí)淺,植物和水中生物相對(duì)繁盛,泥巖中有機(jī)質(zhì)含量高,烴源巖發(fā)育較好。第3段伽馬值普遍降低,碳酸鹽含量高,中下部伽馬值、黏土和有機(jī)碳含量較高,反映氣候較濕潤(rùn),但整體表現(xiàn)為較干燥氣候特征。此時(shí)湖水較淺,水量不足,生物較少,泥巖含灰質(zhì)高,烴源巖指標(biāo)較差。

綜上所述,沙三下沉積時(shí)期,氣候由熱干向溫濕和熱濕演變。根據(jù)厚度分析,干燥氣候階段地層最厚,沉積時(shí)間較長(zhǎng),表明沙三下沉積初期氣候以熱干為主。第2段到第3段伽馬值顯著降低,表明在第2和第3段之間氣候發(fā)生了較大變化,這種變化可能與沙三下開始的劇烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有一定關(guān)系。

5 古氣候研究應(yīng)用

5.1 不同氣候條件下的泥巖類型

研究發(fā)現(xiàn),不同氣候條件下分布著不同的泥巖類型。熱濕氣候條件下,物源較充足,沉積速率較大,以機(jī)械沉積為主,主要發(fā)育塊狀泥巖,碳酸鹽含量較少,一般出現(xiàn)于水進(jìn)時(shí)期;溫濕氣候條件下,沉積速率較熱濕時(shí)期小,仍以機(jī)械沉積為主,含一定的化學(xué)沉積,主要發(fā)育層狀泥巖(層厚為2～5 mm)。熱干氣候條件下,物源少,沉積速率慢,化學(xué)沉積較多,主要發(fā)育紋層狀泥巖(紋層厚小于2 mm),碳酸鹽以紋層形式和泥巖互層分布。

5.2 氣候?qū)?chǔ)層的影響

氣候?qū)?chǔ)層的影響主要表現(xiàn)在物源、湖平面和儲(chǔ)層性質(zhì)3個(gè)方面[9]。氣候變化影響著物源的類型和豐度。一般在溫濕和熱濕氣候條件下細(xì)粒碎屑物較多,熱干條件下粗碎屑物較多。熱干氣候往往對(duì)應(yīng)構(gòu)造旋回的起始階段,能提供大量的粗碎屑體,主要沉積在湖岸或斜坡上,而細(xì)粒較好的儲(chǔ)層主要分布在溫?zé)岘h(huán)境中,多在湖盆內(nèi)部分布。湖平面的變化影響著儲(chǔ)層的分布,一般地,湖平面升高時(shí),可容空間增加,當(dāng)物源充足時(shí),儲(chǔ)層沉積物隨地形從湖盆邊緣到水下斜坡均有分布,此時(shí)沉積類型豐富,扇三角洲、近岸水下扇、湖底扇等均發(fā)育;當(dāng)物源較少,地形變化較大時(shí),儲(chǔ)層沉積物主要分布在湖盆邊緣,以扇三角洲為主。湖平面處于低位時(shí),主要發(fā)育沖積扇、扇三角洲和淺水濁積扇[10]。氣候變化還對(duì)儲(chǔ)層性質(zhì)有重要影響,天氣偏旱時(shí),儲(chǔ)層沉積物以洪水等事件沉積為主,靠近物源區(qū)儲(chǔ)層規(guī)模較大,遠(yuǎn)離物源區(qū)儲(chǔ)層規(guī)模急劇減少,且水上和水下沉積物的物性有明顯的差異;天氣濕熱時(shí),水流較充足,沉積類型豐富,儲(chǔ)層物性明顯受到沉積環(huán)境的控制。

6 結(jié) 論

(1)濟(jì)陽坳陷沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下沉積時(shí)期,氣候經(jīng)歷了由熱干到溫濕和熱濕的演變,沙三下沉積初期氣候以熱干為主。

(2)用自然伽馬曲線替代碳酸鹽含量變化研究古氣候要在特定的條件下進(jìn)行,封閉性湖泊中的大套泥頁巖和原生的碳酸鹽是本文研究的先決條件。

(3)由于泥巖中還分布著有機(jī)質(zhì),如果用去鈾的自然伽馬曲線,將能更準(zhǔn)確地反映碳酸鹽的變化。

[1] 洪漢烈.黏土礦物古氣候意義研究的現(xiàn)狀與展望[J]. 地質(zhì)科技情報(bào),2010,29(1):1-7.

[2] 宋友桂.沉積礦物學(xué)在古環(huán)境恢復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,32(4):314-320.

[3] 盧演儔.黃土地層中CaCO3含量變化與更新世氣候旋回[J].地質(zhì)科學(xué),1981,16(2):122-131.

[4] 劉興起,沈吉,王蘇民,等.16Ka以來青海湖湖相自生碳酸鹽沉積記錄的古氣候[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào),2003,9(1):38- 46.

[5] 彭紅霞,李長(zhǎng)安,楊桂芳,等.黃土中碳酸鹽含量變化及其古氣候記錄[J].地質(zhì)科技情報(bào),2003,22(1):53-55.

[6] 沈吉,張恩樓,夏威嵐.青海湖近千年來氣候環(huán)境變化的湖泊沉積記錄[J].第四紀(jì)研究,2001,2l(6):508-513.

[7] 李守軍,王明鎮(zhèn),鄭德順.山東濟(jì)陽坳陷古近紀(jì)的氣候恢復(fù)[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,22(3):6-9.

[8] 趙子剛、徐啟、史連杰. 高溫高壓下碳酸鈣的溶解度及朝陽溝注水油田低滲透儲(chǔ)層結(jié)垢問題[J].油田化學(xué),2003,20(1):4- 6.

[9] 劉占紅,李思田.沉積記錄中的古氣候周期及其在高頻層序形成中的意義[J].地質(zhì)科技情報(bào),2007,26(2):30-33.

[10] 李丕龍. 陸相斷陷盆地油氣地質(zhì)與勘探(卷五)[M].北京:石油工業(yè)出版社, 2003:19- 24.

[責(zé)任編輯] 王 巍

2014-12-16

楊 光(1973—),男,山東金鄉(xiāng)人,中國(guó)石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院高級(jí)工程師,工程碩士,主要從事巖心綜合研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2015.01.006

P532

A

1673-5935(2015)01- 0018- 03