徐州大北望地區(qū)寒武系陸表海沉積特征及其演化

欒守亮,陳世悅,馬玉新,郭 峰,李 聰

(1.中石化勝利油田分公司,山東 東營 257000;2.中國石油大學,山東 青島 266555; 3.西安石油大學,陜西 西安 710065)

徐州大北望地區(qū)寒武系陸表海沉積特征及其演化

欒守亮1,陳世悅2,馬玉新2,郭 峰3,李 聰2

(1.中石化勝利油田分公司,山東 東營 257000;2.中國石油大學,山東 青島 266555; 3.西安石油大學,陜西 西安 710065)

徐州大北望地區(qū)寒武系為華北地臺陸表海環(huán)境的典型沉積建造,寒武系碳酸鹽巖生油潛力及儲集層發(fā)育情況都有待于研究。通過分析該區(qū)寒武系巖石學及陸表海沉積環(huán)境特征,恢復了區(qū)域海平面變化、周期及古地理環(huán)境。綜合野外露頭與室內(nèi)分析,研究區(qū)寒武系主要發(fā)育的巖石類型為碳酸鹽巖,其中鮞?；?guī)r厚度較大。該區(qū)寒武系陸表海環(huán)境中發(fā)育沉積相類型主要有潮坪、灘相、灘間海、局限海。該區(qū)沉積演化為早寒武世主要以潮坪沉積為主,中寒武世發(fā)生了寒武系最大一次海侵,臺地鮞粒灘相較發(fā)育,晚寒武世水深逐漸變淺,出現(xiàn)局限海、潮坪環(huán)境。臺地淺灘相中發(fā)育的鮞粒灰?guī)r及白云巖為較有利儲集巖,該區(qū)寒武系云坪沉積具有潛在油氣儲集意義。

沉積特征;潮坪;寒武系;徐州大北望地區(qū)

引 言

徐州大北望尖山剖面地層為華北型,屬華北地層區(qū)魯西北地層分區(qū)徐州 -宿縣小區(qū)。該剖面寒武系地層連續(xù),出露較好,厚約 837.2 m,構(gòu)造簡單,為一寬緩的背斜構(gòu)造。該剖面是華北板塊東南部早古生代野外代表剖面之一,適合野外觀察與地層實測。該區(qū)寒武系自下而上依次劃分為猴家山組、饅頭組、毛莊組、徐莊組、張夏組、崮山組、長山組、鳳山組。

目前華北地區(qū)下古生界碳酸鹽巖已作為油氣勘探的新層位,在安徽宿縣夾溝張夏組鮞?；?guī)r發(fā)現(xiàn)有油氣顯示[1-2]。從沉積的角度考慮,通過研究沉積期的大地構(gòu)造背景、沉積巖性、沉積構(gòu)造,來分析能否形成生油巖、儲集層發(fā)育的有利沉積相帶[3],因此對該剖面進行巖石特征、沉積環(huán)境分析,具有重要油氣地質(zhì)意義。

1 巖石剖面特征

研究區(qū)寒武系較早接受海侵,地層沉積較厚。巖石類型以碳酸鹽巖為主。主要有泥晶灰?guī)r、顆?；?guī)r、疊層藻灰?guī)r、白云巖、泥頁巖、粉砂巖等。

該類巖石主要包括含顆粒泥晶灰?guī)r、含泥泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)泥晶灰?guī)r、條帶狀泥晶灰?guī)r、瘤狀泥晶灰?guī)r、豹斑狀泥晶灰?guī)r、白云質(zhì)泥晶灰?guī)r及狹義的泥晶灰?guī)r等[4]。饅頭組、長山組發(fā)育較多含泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、鏈條灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r等,水平至水平波狀層理發(fā)育。豹斑灰?guī)r在張夏組中段發(fā)育。白云質(zhì)灰?guī)r多發(fā)育于上寒武統(tǒng)。較純凈的泥晶灰?guī)r發(fā)育較少。

該地區(qū)各類顆?；?guī)r較為發(fā)育,張夏組及其上寒武統(tǒng)下部中含量很高。顆粒灰?guī)r類型包括鮞?；?guī)r、核形石灰?guī)r、竹葉狀礫屑灰?guī)r、砂屑灰?guī)r、生屑灰?guī)r等。張夏組廣泛發(fā)育鮞粒灰?guī)r,鮞?；?guī)r多為亮晶孔隙式膠結(jié),鮞粒含量達 75%。鮞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)多樣,可見放射鮞、偏心鮞、復鮞、橢形鮞、云質(zhì)鮞、假鮞、變形鮞[5]等。核形石灰?guī)r見于饅頭組上段,核心為生物碎屑、鮞粒、砂屑等,多為亮晶膠結(jié)。核形石核心可見藻絲狀體,以葛萬藻最為常見。竹葉狀礫屑灰?guī)r多呈薄層狀,與泥晶灰?guī)r、薄層云泥質(zhì)條帶灰?guī)r共生,礫屑多見紅色氧化圈。砂屑灰?guī)r多發(fā)于在饅頭組下段、毛莊組、長山組,砂屑多為砂屑灰?guī)r或鮞?；?guī)r,肉眼可辨,粒徑以 1～2 mm為主,鏡下砂屑多呈等軸粒狀,次棱角狀—次圓狀為主,以亮晶膠結(jié)為主,局部為灰泥充填。砂屑含量為40%～75%,常與礫屑、生物屑、海綠石共生,而海綠石在地層中分布相當普遍[6]。生物屑灰?guī)r多見于饅頭組上部、毛莊組下部、徐莊組,常與砂屑、粉屑、鮞粒等粒屑伴生,生物碎屑成分主要為三葉蟲、腕足類、海百合、雙殼、介形蟲、牙形石等碎片,具磨蝕痕跡,但分選差,填隙物以亮晶為主,少量泥晶。疊層石灰?guī)r在該地區(qū)見于張夏組、長山組和鳳山組,宏觀橫切面上呈同心圓柱狀,直徑 10～25 cm,高 40～70 cm,內(nèi)部紋層呈圓弧狀,疊層構(gòu)造明顯。

白云巖見于鳳山組,多見粗 -細晶白云巖、灰質(zhì)白云巖、竹葉狀細晶白云巖、疊層石白云巖,為準同生白云巖及準同生后白云巖,分布于海退沉積序列的頂部。由于蒸發(fā)作用和回流滲透作用常相伴出現(xiàn),垂向地層由上到下巖石類型出現(xiàn)的規(guī)律近于準同生白云巖 -準砂糖狀白云巖 -灰質(zhì)云斑巖 -云斑石灰?guī)r -石灰?guī)r的序列。大北望地區(qū)碎屑巖發(fā)育較少,僅在猴家山組、饅頭組發(fā)育,紫紅、黃綠色頁巖較多見,含少量粉細砂,表面風化后呈碎片狀,層理面見白云母片。

2 主要沉積相類型

2.1 潮坪相

潮坪相有濱岸潮坪(圖 1 a)與臺地潮坪 (圖 2 a)2種,濱岸潮坪相主要發(fā)育在早寒武世海侵初期,主要為黏土巖。至饅頭期海侵范圍加大,以紫、紫紅色粉砂質(zhì)頁巖和鈣質(zhì)頁巖為主,夾薄層泥灰?guī)r。臺地潮坪相主要發(fā)育在饅頭組上部、長山組、鳳山組,為潮上云灰坪沉積,可見水平層理。

圖 1 大北望地區(qū)寒武系沉積相類型

2.2 濱岸淺灘相

主要發(fā)育在長山組、毛莊組、徐莊組,以碳酸鹽巖沉積為主,伴有碎屑沉積,代表巖性為泥質(zhì)灰?guī)r夾竹葉狀灰?guī)r (圖 1 b),有柱狀疊層石發(fā)育,代表近岸潮汐低能淺灘沉積環(huán)境。

2.3 局限臺地(灘間海)

主要發(fā)育于崮山組、長山組,為鹽度偏高、低能、局限臺地環(huán)境,化石種類少,不利于廣海生物發(fā)育,沉積物多泥質(zhì)條帶泥晶灰?guī)r (圖 1 c)、生屑灰?guī)r、藻疊層石灰?guī)r。

2.4 開闊臺地

僅發(fā)育在張夏期海侵達到高潮時,為鹽度正常,中等能量的環(huán)境。巖石發(fā)育以含顆粒灰?guī)r、豹斑泥質(zhì)灰?guī)r為主。巖石中顆粒類型單一,多為鮞粒等代表高能環(huán)境的顆粒?；^為豐富,見介形蟲、三葉蟲、腕足類等。

2.5 臺地淺灘(鮞粒灘)

主要發(fā)育在張夏組,其次為崮山組,本地淺灘主要形式是鮞粒灘 (圖 1 d),為潮下高能帶沉積,該相帶鹽度正常,水體通暢、連通性較好,生物化石豐富,多沉積鮞粒灰?guī)r、生屑灰?guī)r。鮞粒灘之間為局限灘間海環(huán)境(圖 2 b)。

3.2 中寒武統(tǒng)

圖 2 典型沉積相沉積序列

3 沉積模式及沉積演化

3.1 下寒武統(tǒng)

猴家山組時期開始了寒武紀第一次海侵,規(guī)模與強度都不大,由此開始了華北地臺早古生代海相沉積歷史[7],此次觀察猴家山下段未見底,主要為紫紅色、黃綠色頁巖夾泥晶灰?guī)r,頂部為含泥生屑灰?guī)r,見水平波狀層理。本期為云灰、灰泥坪沉積。

饅頭組下段:下部為暗紫色頁巖,向上逐漸為豹皮狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、含白云質(zhì)灰?guī)r、竹葉狀礫屑灰?guī)r,指示了水動力條件強的潮間帶下部和潮下帶上部的淺水部位。紫紅、灰綠色鈣質(zhì)頁巖,泥質(zhì)灰?guī)r交互出現(xiàn),說明海平面的頻繁升降,氣候干、濕交替的泥灰坪沉積。

饅頭組上段:底部發(fā)育一層核形石灰?guī)r,作為饅頭組上段和下段的分界標志層。它指示了一種潮下帶淺水部位的沉積環(huán)境,水動力條件較強。顆?；?guī)r顆粒主要為砂屑,次為礫屑,有少量鮞粒,巖石類型以亮晶砂屑灰?guī)r、礫屑灰?guī)r、紫色頁巖為主,反映出一種潮間 -潮下帶淺水的間歇高能砂屑淺灘環(huán)境。

毛莊組水體有所變淺,主要為泥灰坪相,底部見含海綠石生屑泥晶灰?guī)r,其中生屑粒徑為 1～5 mm,三葉蟲碎片較多。為水體較淺、鹽度正常、低能的潮下帶環(huán)境。中期細粒陸源物質(zhì)輸入較多,氧化色發(fā)育,為炎熱干旱氣候的泥坪環(huán)境。向上多發(fā)育顆粒灰?guī)r,水位有所增加,發(fā)育砂屑淺灘。

徐莊期顆?；?guī)r極為發(fā)育,顆?；?guī)r中的顆粒以砂屑為主,并含鮞粒、生屑、礫屑及竹葉狀礫屑,顆?；?guī)r中間夾有細、粉砂巖,本期以顆粒灘相沉積為主。

張夏期發(fā)生了寒武系中的最大的一次海侵,張夏組下部為中 -厚層狀鮞?；?guī)r夾豹皮灰?guī)r;上部為灰色中厚層狀豹皮灰?guī)r、薄層灰?guī)r、中厚層鮞?；?guī)r。主要為潮間 -淺潮下高能環(huán)境鮞粒灘、灘間海、灘后藻坪沉積。

3.3 上寒武統(tǒng)

崮山期下部為灰色薄層灰?guī)r、鮞?；?guī)r夾竹葉狀灰?guī)r及中厚層鮞?；?guī)r夾有生屑灰?guī)r。鮞?；?guī)r的單層厚度比張夏組中的鮞粒灰?guī)r單層厚度小,顯然鮞灘的規(guī)模比張夏組沉積期縮小了。顯示了灘相和灘間海相,水體深度開始變小。

長山期鮞粒灘在此期消失,巖性多鮞?；?guī)r、風暴成因的竹葉狀礫屑灰?guī)r及藻疊層石灰?guī)r[8]。相類型為局限海中的鮞粒灘、灘后藻坪。

鳳山期水體深度進一步變小。下部為薄層泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾規(guī)模較大的藻疊層石灰?guī)r,泥質(zhì)白云巖;后期白云巖沉積開始增多。為潮間 -潮上帶灰云坪沉積。

該區(qū)寒武系總體為碳酸鹽臺地內(nèi)緩坡,為華北地臺克拉通內(nèi)陸表海沉積,演化過程為:陸源碎屑濱岸環(huán)境—混積型碳酸鹽巖臺地緩坡—碳酸鹽巖臺地緩坡。發(fā)生了 2次較大規(guī)模的海侵,海平面在張夏期達到最高,晚寒武世海水逐漸退去。桑樹勛[9]建立了徐州地區(qū)寒武系灰質(zhì)障壁砂壩沉積模式,同時參考國外陸表海模式,結(jié)合研究區(qū)巖石特征及沉積環(huán)境,建立大北望地區(qū)寒武系碳酸鹽巖臺地 -陸表海沉積相模式(圖 3)。

圖 3 徐州大北望地區(qū)碳酸鹽臺地 -陸表海沉積相模式

4 有利油氣儲集相帶

研究區(qū)寒武系主要為海相碳酸鹽巖沉積,具有儲集條件的沉積為中—粗白云巖、顆?；?guī)r,成巖作用對此類碳酸鹽巖儲層的形成具有影響作用。該區(qū)鳳山組潮上云坪沉積具刀砍紋構(gòu)造發(fā)育的白云巖孔滲性較好,為白云石化作用白云巖,孔隙多為白云石晶間溶孔,見非組構(gòu)溶孔和原生晶間孔,具有一定的儲集能力。

張夏組臺地淺灘相沉積大套鮞粒灰?guī)r間夾生屑灰?guī)r,而在不遠的安徽宿縣夾溝張夏組鮞?；?guī)r就發(fā)現(xiàn)有油氣顯示[2],張夏期短期暴露的鮞粒灰?guī)r具有一定的儲集能力[4],證明鮞?；?guī)r具有一定的儲集能力。因此臺地淺灘及潮上云坪是該區(qū)寒武系有利的儲集相帶,張夏組鮞?；?guī)r和鳳山組白云巖是該區(qū)有利儲集層。

5 結(jié) 論

(1)寒武紀海水由南向北方向侵入,沉積形成了一套臺地潮坪相 -局限臺地相 -臺地淺灘相序列為典型碳酸鹽臺地 -陸表海沉積。早寒武世碎屑巖、碳酸鹽巖兼有沉積,但仍以碳酸鹽巖沉積為主。中、晚寒武世沉積基本都是碳酸鹽巖沉積。中寒武世張夏期發(fā)生了寒武系最大規(guī)模的一次海侵,進入清水碳酸鹽沉積時期,海水淹沒潮坪,形成了開闊臺地鮞粒碳酸鹽巖沉積;而后華北板塊東南緣開始抬升,海水變淺,轉(zhuǎn)為碳酸鹽巖潮坪沉積。

(2)中、上寒武統(tǒng)臺地淺灘相及云坪是研究區(qū)寒武系最有利的儲集相帶,其中以張夏組鮞?；?guī)r和鳳山組白云巖為潛在儲集層。

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編輯 林樹龍

TE121.3

A

1006-6535(2010)06-0050-04

20100111;改回日期:20100809

中石化海相前瞻性項目“中國北方地區(qū)巖相古地理研究與編圖”(HX-2008-001)

欒守亮 (1983-),男,助理工程師,碩士,2007年畢業(yè)于中國石油大學 (華東)資源勘查工程專業(yè),現(xiàn)從事石油地質(zhì)研究工作。