曹 冰,杜學(xué)斌,陸永潮,劉惠民,劉占紅,馬義權(quán),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(zhì)大學(xué)(武漢) 海洋學(xué)院,武漢 430074;3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)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(zhì)科學(xué)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(fā)已經(jīng)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(fù)雜性,因此對地質(zhì)學(xué)家提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。巖相是一定沉積環(huán)境中形成的巖石或巖石組合,是開展細(xì)粒沉積物分析的基礎(chǔ)[4-6]?;诘V物組分、有機質(zhì)、沉積構(gòu)造等特征,很多學(xué)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(xué)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(guān)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(tǒng)總結(jié)了等時格架下陸相頁巖多尺度巖相精細(xì)識別特征,探討了巖相發(fā)育的主要控制因素,以期為我國陸相頁巖發(fā)育機理的研究提供借鑒。
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(gòu)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(fù)雜性,表現(xiàn)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(lián)合起來對陸相湖盆細(xì)粒沉積產(chǎn)生了重要的影響,使得細(xì)粒沉積巖相類型復(fù)雜、橫向變化快,研究難度增大。
雖然細(xì)粒沉積的分布在預(yù)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(yù)測的,具有明顯的濱岸坡折分隔原則[20],即細(xì)粒沉積多分布于低位濱岸坡折內(nèi)的盆地中心,厚度穩(wěn)定,整合或假整合接觸;細(xì)粒沉積段常為湖擴體系域(EST)+早期高位體系域(EHST)。
對于我國東部沉積盆地來說,其內(nèi)發(fā)育的細(xì)粒沉積由于受構(gòu)造、氣候、物源等因素的聯(lián)合影響,其表現(xiàn)出明顯的富灰質(zhì)與強非均質(zhì)性。從東營凹陷細(xì)粒沉積構(gòu)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(jù)主導(dǎo)地位,因此陸相細(xì)粒沉積物實際是三類成分的耦合產(chǎn)物,也代表著具有多種成因控制。
由于頁巖的非均質(zhì)性強烈,傳統(tǒng)的層序地層學(xué)方法建立的等時格架無法滿足精細(xì)化研究的要求,因此,部分研究者提出了一套針對細(xì)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(jié)合多種敏感性參數(shù)(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(xì)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(xì)粒沉積巖性分類三角圖
在此基礎(chǔ)上,進一步研究發(fā)現(xiàn),巖相與層序具有密切的聯(lián)系。不同級別層序有著不同的劃分依據(jù)和識別特征,同時對應(yīng)著不同類型的巖相構(gòu)成(表1)。
七級層序是目前資料品質(zhì)下可識別的最高精度的層序,也是細(xì)粒沉積層序最小的構(gòu)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(jié)構(gòu)、微小構(gòu)造等變化是其主要的識別標(biāo)志,巖相多表現(xiàn)為紋層結(jié)構(gòu)。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(xiàn)為層偶的形式,即不同類型紋層組合在一起,從而構(gòu)成紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r層與紋層狀灰質(zhì)泥巖層交互出現(xiàn)(圖2)。
實際上,這種紋層構(gòu)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(fā)、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(biāo)Sr/Ca與V/Cr均呈現(xiàn)了交替性的變化,與韻律巖相一一對應(yīng)。實際上,其他參數(shù)也具有類似的特征。
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(biāo)志包含測井曲線、元素變化、沉積多重非均質(zhì)性等突變標(biāo)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(wěn)定旋回,代表水體穩(wěn)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(zhì)的變化,這些參數(shù)也可以作為五級層序劃分的參考指標(biāo)。
2.2.2 五級層序格架與巖相構(gòu)成
根據(jù)五級層序的劃分,結(jié)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(gòu)成對應(yīng)關(guān)系
圖2 渤海灣盆地東營凹陷六、七級層序與巖相構(gòu)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(gòu)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(zhì)巖相經(jīng)過中高灰質(zhì)巖相逐漸變到中低灰質(zhì)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(jīng)歷從高灰質(zhì)巖相經(jīng)過中高灰質(zhì)巖相逐漸變到中低灰質(zhì)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(fā)育段占據(jù)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(zhì)巖相逐漸變到中低灰質(zhì)巖相,層理變化均一(圖4)。
四級層序相當(dāng)于體系域,反映的是區(qū)域性水進—水退旋回,主要識別標(biāo)志為有明顯的區(qū)域性水深變化和突發(fā)事件標(biāo)志。在這個尺度內(nèi),地層厚度介于5~50 m,時間間隔為0.08~0.5 Ma。結(jié)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(xiàn)在單井上,而且可以實現(xiàn)區(qū)域性的對比(圖5)。
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(biāo)志為古土壤、侵蝕和淹沒標(biāo)志、準(zhǔn)層序疊置樣式的轉(zhuǎn)化或沉積環(huán)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(nèi)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(guī)律(圖6)。
對于一個盆地來說,其巖相發(fā)育具有多尺度、多類型的典型特征。因此,巖相發(fā)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(jié)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。
一級控制因素包含構(gòu)造、氣候、物源3個次級因素[17, 23]。構(gòu)造因素主要控制了可容納空間的變化,使得盆地呈現(xiàn)深盆與淺盆結(jié)構(gòu),進一步在沉積充填性質(zhì)上表現(xiàn)出欠補償、補償、過補償?shù)奶卣鳎粴夂蛞蛩刂饕憩F(xiàn)為干旱與潮濕交互出現(xiàn),使得盆地水體表現(xiàn)為淡水、咸水、鹽湖;物源因素主要表現(xiàn)為機械沉積、化學(xué)沉積、生物沉積、混積沉積,使得在沉積組合上會體現(xiàn)出硅質(zhì)、灰質(zhì)和泥質(zhì)的不同性質(zhì)。對于一個地區(qū)或者一個盆地來說,這三者是緊密結(jié)合在一起的,不能割裂開研究。巖相構(gòu)成上表現(xiàn)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(fā)育的重大構(gòu)造事件是42.5 Ma前后重大構(gòu)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(fā)生轉(zhuǎn)向(NNW—NWW),使得中國東部大部分盆地開始由伸展盆地逐漸變?yōu)檗D(zhuǎn)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(fā)育。
同時,42.5 Ma前后的重大變革事件,不僅僅表現(xiàn)在構(gòu)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(xiàn)在巖相組合上,沙四上段巖相中碳酸鹽紋層大量發(fā)育,而沙三下段巖相中則明顯減少(圖7)。
當(dāng)然,42.5 Ma也是一個古生物變革面,表現(xiàn)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(zhuǎn)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。
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(zhì)類型、生物間歇勃發(fā)、水體動蕩、氧化還原事件等進而控制巖相的發(fā)育??梢詫⒍壙刂埔蛩丶?xì)化為三類,即古生產(chǎn)力、季風(fēng)、氧化—還原條件(表2)。
對于東營凹陷來說,季風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)控制了整個東亞的降雨及分布,夏季風(fēng)帶來降雨,冬季風(fēng)帶來干旱,從而會引起生物類型及生產(chǎn)力—生物勃發(fā)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(xiàn)象,從而進一步控制了濟陽坳陷的沉積充填及其有機質(zhì)的富集[19, 32]。
表2 渤海灣盆地東營凹陷多尺度巖相發(fā)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(fēng)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(fā)育紋層狀頁巖相,有機質(zhì)異常發(fā)育,富含大量含碳生物,TOC可以達(dá)到3.0%以上;當(dāng)東亞季風(fēng)變?nèi)醯臅r候,西風(fēng)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(fā)育少,主要發(fā)育了塊狀灰質(zhì)頁巖相、含粉砂富黏土質(zhì)頁巖相、蒸發(fā)巖薄夾層頁巖相等貧有機質(zhì)的巖相,平均TOC在1.7%以下(表3、圖8)。
(1)陸相頁巖發(fā)育受構(gòu)造主控,物源+氣候協(xié)控,表現(xiàn)較強的富灰質(zhì)特性,具有比海相更復(fù)雜的非均質(zhì)特色。
(2)巖相分為層耦、層耦組、巖相域和巖相層序4個尺度,其中層耦受古生產(chǎn)力、季風(fēng)、氧化—還原條件聯(lián)合控制;層耦組—巖相域—巖相層序受物源、氣候、構(gòu)造聯(lián)合控制。
表3 季風(fēng)對于渤海灣盆地東營凹陷高頻格架中頁巖巖相的控制
圖8 季風(fēng)控制下的渤海灣盆地東營凹陷泥頁巖富碳與貧碳的耦合
(3)頁巖巖相層序是在構(gòu)造—氣候—物源協(xié)同大背景下,由機械、化學(xué)和生物沉積作用的耦合控制形成。