通化盆地中生界露頭沉積相及儲(chǔ)層特征研究

陳延哲

中國石化東北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130062

0 引言

通化盆地位于吉林省東南部山區(qū)，是一個(gè)上疊于中朝地臺(tái)上，且在前中生代基底之上發(fā)育的中生代斷陷盆地（圖1) ，南起通化縣大泉源鄉(xiāng)，北至柳河縣三源蒲，西起遼寧旺清門，東止通化市區(qū)，總面積大于1 400 km2[1]。通化盆地形成于中侏羅世至晚白堊世，中生代經(jīng)歷了印支運(yùn)動(dòng)和燕山運(yùn)動(dòng)，受太平洋向歐亞大陸俯沖的影響，通化盆地受北東向控盆斷裂控制，為不對(duì)稱向斜盆地,主要延伸方向?yàn)楸睎|向[1-6]。

前人已完成部分地區(qū)的地質(zhì)詳查、重磁等基礎(chǔ)地質(zhì)工作[1]，在沉積相特征、儲(chǔ)層特征及成巖作用等相關(guān)方面資料甚少。本文對(duì)通化盆地中生界露頭巖石特征組合，野外樣品薄片及掃描電鏡等方面資料進(jìn)行沉積相和儲(chǔ)層相關(guān)研究,為后續(xù)研究此地區(qū)中生代陸相成油盆地分析及油氣勘探提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概述

從傳統(tǒng)的大地構(gòu)造觀點(diǎn)看，研究區(qū)古生代至早三疊世屬于中朝板塊（中朝準(zhǔn)地臺(tái)）北部膠遼臺(tái)隆東段。通化盆地研究資料較少，中生代地層劃分意見不統(tǒng)一（圖2），但盆地基底地層意見較為統(tǒng)一，巖性為古元古代集安群及老嶺群為兩套不同類型的變質(zhì)巖系[3,4]，關(guān)于中生代地層劃分方案，筆者根據(jù)中國石油吉林油田公司勘探開發(fā)研究院“吉林中南部中生代巖相古地理研究”2012年關(guān)于通化盆地地層劃分成果，認(rèn)為通化盆地中生代發(fā)育中侏羅統(tǒng)侯家屯組，下白堊統(tǒng)果松組、鷹嘴砬子組、林子頭組、亨通山組、三棵榆樹組（表1）。

圖 1 通化盆地區(qū)域位置圖Fig. 1 Regional location of Tonghua basin

表 1 通化盆地地層簡(jiǎn)表Table 1 Stratigraphy of Tonghua Basin

通化盆地中生代地層中的鷹嘴砬子組、林子頭組、亨通山組發(fā)育厚層泥頁巖和油頁巖（圖2i），在林子頭組杏仁狀氣孔玄武巖里有油膜充注，林子頭組和亨通山組砂巖中夾瀝青（圖2g），從一定程度上表明該地區(qū)具有一定勘探潛力，可能成為松遼盆地外圍一個(gè)重要勘探區(qū)塊。

通化盆地經(jīng)歷四期沉積構(gòu)造充填階段，Ⅰ期為在老基底的混合花崗巖之上發(fā)育的中侏羅統(tǒng)侯家屯組；Ⅱ期為在侏羅系盆地基礎(chǔ)上發(fā)育的下白堊統(tǒng)的果松組和鷹嘴砬子組；Ⅲ期為林子頭組和亨通山組，Ⅱ期和Ⅲ期構(gòu)成了兩套噴發(fā)-沉積旋回式演化階段；Ⅳ期為三棵榆樹組構(gòu)成的火山巖地層[1-2]。

2 中生代沉積相特征研究

研究區(qū)中生代時(shí)間跨越幅度大，構(gòu)造古地貌變化也較大，通過對(duì)野外典型地質(zhì)剖面的詳細(xì)觀察、分析和研究，并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造沉積背景[4-10]，對(duì)研究區(qū)的沉積相標(biāo)志，沉積巖的顏色、類型、結(jié)構(gòu)特征、沉積構(gòu)造、古生物化石等分析研究，認(rèn)為通化盆地中生代主要發(fā)育沖積扇、湖泊、辮狀河三角洲、扇三角洲等幾種沉積相類型(表2)。

圖 2 通化盆地野外露頭沉積相特征Fig.2 Characteristics of outcrops and sediments facies of Tonghua basin

2.1 沖積扇相

研究區(qū)的沖積扇相在侯家屯組早期階段較為發(fā)育，為快速堆積形成的粗碎屑沉積，侯家屯組細(xì)分可分為礫巖段和粉砂巖段。

2.1.1 扇根亞相

侯家屯組礫巖段底部發(fā)育沖積扇扇根，主要表現(xiàn)為泥石流沉積，巖性為紫色、雜色礫巖、砂礫巖和紫紅色泥巖，局部見有巨礫，礫徑可達(dá)20～30cm，且礫石分選差，磨圓較差、次棱角狀、泥質(zhì)膠結(jié)、雜亂堆積。礫石成分為混合巖、石灰?guī)r、紫色粉砂巖千枚巖、石英正長(zhǎng)斑巖、脈石英、綠泥片巖、細(xì)晶巖等。

表 2 通化盆地中生代沉積相類型劃分Table 2 The Mesozoic sedimentary facies types division of Tonghua basin

2.1.2 扇中亞相

扇中亞相主要發(fā)育辮狀河道(圖2a)，主要沉積物為紫色、雜色礫巖、砂礫巖、砂巖組成，分選磨圓較好，礫石多呈疊瓦狀排列，砂巖中多發(fā)育平行層理和交錯(cuò)層理(圖2b)，河道沖刷-充填構(gòu)造較為發(fā)育。

2.1.3 扇端亞相

扇端由含礫砂巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等組成(圖2a)。在侯家屯組粉砂巖段會(huì)發(fā)育沖積扇扇端亞相，通常發(fā)育平行層理、交錯(cuò)層理、水平層理、沖刷-充填構(gòu)造。

2.2 扇三角洲相

扇三角洲是指山區(qū)沖積扇直接入湖形成的三角洲沉積[10]。通化盆地侯家屯組、林子頭組、鷹嘴砬子組發(fā)育扇三角洲相。本區(qū)所見扇三角洲可進(jìn)一步區(qū)分為扇三角洲平原和扇三角洲前緣亞相（圖3a）。

2.2.1 扇三角洲平原亞相

巖性以礫巖、含礫粗砂巖、粗砂巖為主，夾薄層泥巖及粉砂巖。據(jù)其特征，可進(jìn)一步劃分為分流河道和河道間 2個(gè)微相，主要為泥質(zhì)膠結(jié)的礫巖、砂礫巖、砂巖沉積，分選差，磨圓次棱角狀。

分流河道: 根據(jù)野外露頭觀測(cè)，其巖石主要以雜色砂礫巖、砂巖為主，礫石呈次棱角狀-次圓狀，成分成熟度較低，垂向上表現(xiàn)為正旋回，常發(fā)育大型槽狀交錯(cuò)層理、平行層理，表明沉積過程中物源供給充足和水動(dòng)力條件穩(wěn)定。

分流河道間: 沉積物主要為粉砂和泥，發(fā)育水平層理，為水道之間沉積細(xì)碎屑物質(zhì)。

2.2.2 扇三角洲前緣亞相

巖性以細(xì)礫巖、含礫砂巖、砂巖、粉砂巖為主，在沉積特征上與濱—淺湖亞相相似。根據(jù)野外實(shí)地觀察，在本區(qū)主要識(shí)別出水下分流河道、水下分流河道間、河口壩3 個(gè)微相。

水下分流河道：巖性由雜色、淺灰色砂礫巖，含礫粗砂巖、中細(xì)砂巖和粉砂巖等組成。巖石顆粒分選較差，多為次棱角狀，并發(fā)育平行層理、塊狀層理，局部發(fā)育楔狀交錯(cuò)層理和板狀交錯(cuò)層理。旋回底部均發(fā)育沖刷面，垂向上表現(xiàn)為正粒序。

水下分流河道間：主要發(fā)育塊狀泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，與水下分流河道共生，見弱變形層理、波紋層理、平行層理、含植物莖干化石和炭屑。

河口壩：以細(xì)-粗砂巖沉積為主，垂向上表現(xiàn)為逆粒序。

圖 3 沉積柱狀圖Fig.3 The sedimentary column

2.2.3 前扇三角洲亞相

巖性主要為暗色泥巖，夾薄層粉砂巖，具有淺湖特點(diǎn)，當(dāng)大氣環(huán)境表現(xiàn)為氧化環(huán)境時(shí)，如中侏羅統(tǒng)時(shí)期，沉積的主要巖性為紫色、紫紅色泥巖。

2.3 辮狀河三角洲

辮狀河三角洲是辮狀水流進(jìn)入穩(wěn)定水體形成的粗碎屑三角洲，通化盆地在早白堊世發(fā)育辮狀河三角洲沉積環(huán)境（圖3b），本區(qū)可進(jìn)一步區(qū)分為辮狀河三角洲平原亞相和辮狀河三角洲前緣亞相。

2.3.1 辮狀河三角洲平原

辮狀河道沉積主要是以雜色砂礫巖(圖2d)、礫巖組成，分選較差，不穩(wěn)定礦物含量較多，底部發(fā)育充填構(gòu)造，常發(fā)育大型板狀和槽狀交錯(cuò)層理、平行層理。

2.3.2 辮狀河三角洲前緣

根據(jù)野外露頭觀察，本區(qū)主要識(shí)別出水下分流河道、水下分流間灣兩個(gè)微相。

水下分流河道：主要由砂巖、含礫砂巖、礫巖組成，沉積物較粗，發(fā)育正粒序，發(fā)育平行層理、槽狀交錯(cuò)層理(圖2e)。

水下分流間灣：巖性主要為暗色泥巖、含粉砂泥巖及含泥粉砂巖，發(fā)育水平層理（圖2e）。

2.4 湖泊相

湖泊相在通化盆地亨通山組，林子頭組，鷹嘴砬子組，侯家屯組較為發(fā)育，湖泊相進(jìn)一步劃分為濱湖亞相、淺湖亞相和半深湖-深湖亞相（圖3b）。

2.4.1 濱淺湖亞相

濱淺湖亞相巖性主要由灰綠色、灰色粉砂巖及砂巖，深灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖組成，成熟度中等，分選、磨圓較好。含豐富的動(dòng)植物化石，發(fā)育波狀層理、韻律層理、斜層理、流水交錯(cuò)層理和波痕；侯家屯組淺湖偶見泥灰?guī)r(圖2f )。

2.4.2 半深湖—深湖亞相

巖性以富含有機(jī)質(zhì)的暗色泥巖、頁巖或粉砂質(zhì)泥巖、頁巖為主，鷹嘴砬子組、林子頭組、亨通山組發(fā)育油頁巖（圖2g），層理發(fā)育，主要為水平層理和細(xì)水平紋層。含有真骨魚類（圖2h）、雙殼類、腹足類等化石。

3 儲(chǔ)層特征研究

3.1 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

通過野外露頭、鑄體薄片、掃描電鏡等分析確定侯家屯組、鷹嘴砬子組、林子頭組、亨通山組的儲(chǔ)集性能較好[11]。中侏羅統(tǒng)侯家屯組儲(chǔ)層為扇三角洲相的含礫長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖，顆粒支撐，顆粒以點(diǎn)-線接觸為主，粒間孔隙的填隙物基本被溶蝕掉，部分顆粒被溶蝕，孔隙發(fā)育，連通性很好。石英以脈石英，火山巖石英為主，長(zhǎng)石類型以正長(zhǎng)石，斜長(zhǎng)石，微斜長(zhǎng)石為主。下白堊統(tǒng)鷹嘴砬子組儲(chǔ)層為濁積扇相的長(zhǎng)石巖屑雜砂巖、長(zhǎng)石石英雜砂巖、粉砂巖，雜基支撐為主，顆粒支撐為輔，顆粒接觸類型為漂浮狀-線接觸，基底式-空隙式膠結(jié)，長(zhǎng)石類型以斜長(zhǎng)石和微斜長(zhǎng)石為主，巖屑類型為沉積巖和火山巖。下白堊統(tǒng)林子頭組儲(chǔ)層為灰褐色氣孔狀玄武巖，分布較廣泛，氣孔約2.5 mm，同樣充填了大量的瀝青，該層上部則為大氣孔狀玄武巖，杏仁狀玄武巖，杏仁組成為瑪瑙質(zhì)，頂部為球泡流紋巖，球泡內(nèi)充填瀝青。下白堊統(tǒng)亨通山組儲(chǔ)層為三角洲相的中-細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑砂巖為主，巖屑含量高。通化盆地是在老基底基礎(chǔ)上發(fā)育的沉積盆地，同時(shí)又受到火山活動(dòng)影響，部分地層巖屑含量較高，同時(shí)凝灰質(zhì)含量也較高，從而導(dǎo)致孔隙度降低，巖石較致密。由于該盆地是在老變質(zhì)巖基底基礎(chǔ)上發(fā)育的斷陷盆地，同時(shí)伴有強(qiáng)烈的火山活動(dòng)，因此巖屑類型多種多樣，其中沉積巖巖屑主要為泥頁巖、云母、燧石；巖漿巖巖屑主要為粗面巖、玄武巖、安山巖、流紋巖、凝灰?guī)r；變質(zhì)巖巖屑主要有變質(zhì)石英巖、脈石英、片巖、千枚巖。

3.2 儲(chǔ)層物性特征

通化盆地內(nèi)侯家屯組、林字頭組、鷹嘴砬子組、亨通山組都具備儲(chǔ)集條件，主要巖性為凝灰質(zhì)砂巖、砂礫巖、砂巖、粉砂巖，另有玄武巖、流紋巖、安山巖[1]，可以當(dāng)做儲(chǔ)層的地層多，同時(shí)沉積類型多，沉積相帶在橫向和縱向上相變劇烈，砂巖儲(chǔ)層物性變化較大，總體來說碎屑巖樣品孔隙度平均值變化于0.3%～18.0%之間，平均基質(zhì)滲透率變化于（0.017～0.8）×10-3μm2之間，為低孔、特低孔特低滲儲(chǔ)層。

3.3 儲(chǔ)層孔隙特征

根據(jù)薄片觀察分析及掃描電鏡觀察顯示，依據(jù)孔隙的成因和分布，并結(jié)合形態(tài)和結(jié)構(gòu)，認(rèn)為通化盆地侯家屯組、亨通山組和鷹嘴砬子組儲(chǔ)層性能較好?？紫额愋桶?nèi)溶孔、粒間孔隙、粒間次生溶蝕孔、粒內(nèi)溶蝕孔等。

3.3.1 粒內(nèi)溶孔

鑄體薄片下觀察，粒內(nèi)溶孔在須家河組砂巖中普遍可見，但發(fā)育程度中等，部分砂巖中的粒內(nèi)溶孔發(fā)育較好，主要由長(zhǎng)石、巖屑不同程度溶蝕形成（圖 4f）。

3.3.2 殘余粒間孔

此類主要是指顆粒間孔隙被自生粘土礦物，如高嶺石、蒙脫石、伊利石及次生石英等充填后剩余的孔隙部分。形態(tài)常呈三角狀、多角狀，連通性較好（圖4a）。

3.3.3 粒間溶孔

粒間溶孔是主要的儲(chǔ)集空間類型之一，分布廣泛，在侯家屯組較為發(fā)育。偏光顯微鏡下常見粒間孔隙被溶蝕，甚至被全部溶蝕，空隙發(fā)育，連通性很好；溶孔呈不規(guī)則網(wǎng)格狀、蜂窩狀或條狀（圖4c）。

3.3.4 晶間孔和微裂隙

研究區(qū)晶間孔較為發(fā)育，主要為高嶺石、伊利石晶間孔（圖4d）。部分野外樣品發(fā)育裂縫，從裂縫與顆粒的關(guān)系上來看，裂縫形成于后期，沿裂縫石英等顆粒有被溶蝕的現(xiàn)象，主要有水平縫、斜交縫兩種類型的構(gòu)造縫，后期大部分被次生礦物充填或半充填。

4 成巖作用特征

4.1 破壞性成巖作用

4.1.1 壓實(shí)作用

經(jīng)過鏡下薄片和掃描電鏡觀察認(rèn)為，砂巖儲(chǔ)層的壓實(shí)作用受巖性、膠結(jié)作用和埋深的影響。雜基、塑性礦物顆粒及巖屑含量低的樣品，由于綠泥石等膠結(jié)物大量形成的緣故，支撐起上覆地層的壓力，壓實(shí)作用相對(duì)較弱。相反，由于塑性巖屑和礦物顆粒及雜基含量較高的部位，壓實(shí)作用較強(qiáng)，巖性就較為致密。 由于儲(chǔ)層上覆地層厚度較小，同時(shí)綠泥石等抗壓實(shí)作用，研究區(qū)的儲(chǔ)層受到的壓實(shí)作用相對(duì)較弱，極少見壓溶現(xiàn)象。較好的儲(chǔ)層往往都結(jié)構(gòu)較為疏松。

4.1.2 膠結(jié)作用

據(jù)薄片、掃描電鏡等對(duì)研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層的觀察顯示，本地區(qū)膠結(jié)作用主要有粘土礦物膠結(jié)，其次為碳酸鹽（圖4f、i）、長(zhǎng)石次生加大（圖4a、）、石英次生加大膠結(jié)（圖4c），其中粘土礦物膠結(jié)物主要為伊利石、伊/蒙混層、綠泥石、高嶺石等；碳酸鹽膠結(jié)物為方解石和白云石。

石英次生加大膠結(jié)和長(zhǎng)石次生加大級(jí)別不一，大多數(shù)為寬窄不一和分布不均勻和不連續(xù)的I～I(xiàn)II級(jí)加大，石英次生加大的作用常與長(zhǎng)石的溶解作用，以及高嶺石的沉淀現(xiàn)象共存，石英次生加大現(xiàn)象體現(xiàn)了成巖作用的酸性環(huán)境，石英的Ⅲ級(jí)加大現(xiàn)象和長(zhǎng)石加大現(xiàn)象表明，部分儲(chǔ)層的成巖作用已達(dá)中成巖作用B、C期（圖4c）。伊利石膠結(jié)主要呈針狀、絲絮狀、膜狀分布在粒表面（圖4d）；伊/蒙混層膠結(jié)物呈絲絮狀的形式附著在巖石結(jié)構(gòu)較疏松的顆粒表面或充填于孔隙中（圖4c）；高嶺石以集合體形式充填于碎屑顆粒間（圖4g）；方解石和白云石主要是以泥晶、微晶或者集合體的形式充填于碎屑顆粒間（圖4f、圖4i）；粘土礦物特別是伊利石和伊/蒙混層占據(jù)了一定的粒間孔隙，從一定程度降低了儲(chǔ)集砂體的儲(chǔ)集性能，但它們又往往是長(zhǎng)石、雜基等物質(zhì)溶蝕作用的結(jié)果，是溶蝕形成的產(chǎn)物。

4.2 建設(shè)性成巖作用

4.2.1 溶蝕作用

研究區(qū)內(nèi)儲(chǔ)集砂巖的溶蝕作用主要表現(xiàn)為粘土雜基、長(zhǎng)石顆粒和巖屑顆粒的溶蝕（圖4b），甚至石英顆粒表面亦有弱溶蝕作用。溶蝕作用對(duì)儲(chǔ)層貢獻(xiàn)很大，幾乎所有較好的儲(chǔ)層都經(jīng)歷了明顯的溶蝕作用，現(xiàn)今的儲(chǔ)集空間主要為次生溶蝕孔，不但形成大量的粒間溶蝕孔和粒內(nèi)溶蝕孔，另一方面，溶蝕作用也增強(qiáng)了孔隙間的連通性。產(chǎn)生溶蝕作用的原因可能主要是有機(jī)質(zhì)在埋藏過程中所形成的富含有機(jī)酸和碳酸的熱液對(duì)不穩(wěn)定組分進(jìn)行溶解作用所致，粘土礦物脫水對(duì)溶蝕作用的進(jìn)行有重要促進(jìn)作用。

4.2.2 破裂作用

破裂作用在研究區(qū)的砂巖儲(chǔ)層中較為常見，包括壓裂縫和構(gòu)造破裂縫。微裂縫往往進(jìn)一步發(fā)育成裂溶縫，從而形成裂縫改造的孔隙型儲(chǔ)層。裂縫對(duì)改善砂巖儲(chǔ)層的孔滲性有重要貢獻(xiàn)，它往往溝通了粒間與粒內(nèi)溶孔，使溶蝕作用在破裂作用的促使下向更有利的孔滲方向發(fā)展。研究區(qū)內(nèi)的儲(chǔ)層常發(fā)育有裂縫（圖4d），這種普遍的破裂現(xiàn)象可能與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)。

5 結(jié)論

（1）通化盆地經(jīng)歷了四期沉積構(gòu)造充填階段，為火山作用和沉積作用共同作用的結(jié)果，通過野外露頭巖性組合剖面等資料的分析，沉積相帶在橫向及縱向上相變劇烈，主要發(fā)育沖積扇-辮狀河三角洲-湖泊和扇三角洲-湖泊沉積體系。

（2）通化盆地儲(chǔ)層巖性主要為細(xì)粒-粗粒長(zhǎng)石巖屑砂巖和果松組氣孔狀、杏仁狀玄武巖，碎屑巖儲(chǔ)層為低孔、特低孔特低滲儲(chǔ)層，儲(chǔ)集空間以粒內(nèi)溶孔、殘余粒間孔、粒間溶孔為主，其次是晶間孔和微裂隙，微裂縫在改善儲(chǔ)層上有一定貢獻(xiàn)作用。

（3）通化盆地中生代地層經(jīng)歷了壓實(shí)、膠結(jié)、溶蝕和破裂等主要成巖作用，破壞性成巖作有壓實(shí)作用和膠結(jié)作用，是導(dǎo)致儲(chǔ)層致密化的主要原因，建設(shè)性成巖作用的溶蝕作用和破裂作用是形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的關(guān)鍵因素。

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