湖相深水塊狀細粒沉積巖的特征及成因
——以濟陽坳陷始新統(tǒng)為例

馬芳俠 ，王力 ，羅丹婷 ，張譯丹 ，葛云錦 ，杜克峰

（1.陜西延長石油（集團）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083）

0 引言

細粒物質(zhì)（直徑小于 62.5 μm）［1-2］的沉積作用是沉積學(xué)研究最薄弱的環(huán)節(jié)之一。隨著近年來頁巖油氣勘探如火如荼地展開，細粒物質(zhì)的沉積過程已成為沉積學(xué)研究的熱點問題［3-4］。其中，塊狀細粒沉積巖指那些內(nèi)部結(jié)構(gòu)均一、缺少沉積構(gòu)造（缺少紋層）的細粒沉積巖［5-6］，它最早發(fā)現(xiàn)于地中海東部［7-8］，隨后在大西洋東部赤道附近和墨西哥灣西北部也有發(fā)現(xiàn)［5，9］。

關(guān)于塊狀細粒沉積巖的成因爭議較大：Ryan［10］認為是深海懸浮物在靜水中的沉積，在沉積過程中不受季節(jié)影響，因此表現(xiàn)為均質(zhì)特征；然而，最新研究表明，其塊狀構(gòu)造形成于動蕩水體中［11-12］；另外，Mccave等［13］發(fā)現(xiàn)當(dāng)高密度濁流以某種方式凍結(jié)時，也可以形成塊狀細粒沉積巖。

迄今為止，塊狀細粒沉積巖基本都發(fā)現(xiàn)于海洋環(huán)境中，而對湖相塊狀細粒沉積巖的報道甚少。本文通過觀察濟陽坳陷始新統(tǒng)湖相細粒沉積巖，在1 093 m巖心中識別出95 m塊狀細粒沉積巖。考慮到湖泊與海洋在構(gòu)造背景、水動力條件、對氣候敏感性等方面都有顯著不同，不能簡單套用海洋研究成果到湖泊中，需要對湖相塊狀細粒沉積巖的特征和成因機制開展系統(tǒng)研究。

1 地質(zhì)背景

濟陽坳陷位于渤海灣盆地東南部，面積約2.6×104km2，東南部以魯西隆起為界，東部為墾東-青坨子凸起為界，西北部以埕寧隆起為界（見圖1a）。濟陽坳陷新生界包括古近系、新近系和第四系地層（見圖1b、圖2）。

圖1 區(qū)域地質(zhì)背景

古近系地層又分為孔店組（Ek）、沙河街組（Es）和東營組（Ed），Es細分為 4 段（從底到頂為 Es4—Es1）（見圖2）。研究的目標層是Es4上部和Es3下部，其沉降速率分別為260 m/Ma和520 m/Ma（見圖2）。從Es4到 Es3，氣候由干旱變?yōu)槌睗瘢?4］（見圖 2）。

圖2 濟陽坳陷古近系

在Es4和Es3期間，湖泊邊緣發(fā)育了一系列扇三角洲和辮狀河三角洲，在湖泊中心充填了數(shù)百米深水細粒沉積巖，作為該區(qū)的主要烴源巖。這些細粒沉積巖富含碳酸鹽礦物（平均質(zhì)量分數(shù)43.06%）、石英和長石（平均質(zhì)量分數(shù)31.59%）、黏土礦物（平均質(zhì)量分數(shù)25.35%）（見圖 3）。

圖3 濟陽坳陷細粒沉積巖的礦物三角圖

利用濟陽坳陷5口井（羅69井、羅67井、牛頁1井、樊頁1井、利頁1井）的連續(xù)取心資料，選取共計1 093 m深水細粒沉積巖巖心。5口井巖心的長度分別為 223，203，35，414，218 m。分析測試資料包括薄片、孢粉鑒定、全巖X射線衍射分析、常微量元素分析、高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察（FESEM）、總有機碳測定、生油潛力測定和干酪根分離鑒定。

3 沉積特征

3.1 巖石學(xué)特性

1 093 m細粒沉積巖由998 m暗色頁巖和95 m塊狀細粒沉積巖組成，塊狀細粒沉積巖占8.69%。研究區(qū)塊狀細粒沉積巖為深灰色、灰黑色，與暗色紋層狀細粒沉積巖互層（見圖4a—4d）。不同期次的塊狀細粒沉積巖在垂向上連續(xù)疊置，或被暗色頁巖分隔。

圖4 塊狀細粒沉積巖的巖石學(xué)特征

單層塊狀細粒沉積巖厚度小于1 m（見表1），底部和頂部總是突變接觸，且在巖心橫截面上可見豐富的形成于淺水環(huán)境的腹足化石和煤屑（見圖4g，4h），薄片下常見介形蟲碎片和溝鞭藻（見圖4i，4m）。各期次的底部為粉砂條帶或微沖刷面，表現(xiàn)為向上變細的正粒序（見圖 4b，4d，4f，4j，4k）。 內(nèi)部礦物組分雜亂分布，電鏡下可見方解石微晶（見圖4l）與塊狀細粒沉積巖互層的暗色頁巖常具有塑性變形特征（見圖4c）。塊狀細粒沉積巖石英質(zhì)量分數(shù)比較高，且從薄片觀察發(fā)現(xiàn)石英顆粒呈棱角狀。

表1 塊狀細粒沉積巖層厚度數(shù)據(jù)

研究區(qū)塊狀細粒沉積巖TOC值高（1.57%～4.61%，平均2.86%）（見圖5，塊狀細粒沉積巖的位置在巖性柱中以紅色線條標注，DOP為黃鐵礦化程度，RT為溫度比，RH為濕度比）。氫指數(shù)（HI）與有機質(zhì)熱解峰溫度（Tmax）的關(guān)系曲線表明，塊狀細粒沉積巖中的有機質(zhì)主要為Ⅰ—Ⅱ型（見圖6），這表明塊狀細粒沉積巖中的有機質(zhì)主要是低等浮游生物等［15］。

圖5 羅69井Es3綜合圖

圖6 氫指數(shù)與有機質(zhì)熱解峰溫度的相關(guān)性

3.2 沉積環(huán)境

3.2.1 水氧化還原條件和含鹽度

研究區(qū)塊狀細粒沉積巖及其鄰近頁巖都是深色的（見圖 4a—4d，4g，4j）， 因此很難直觀地從巖石顏色上區(qū)分它們在沉積過程中氧化還原性的強弱。本文借助地化測試資料開展氧化還原性分析。在地化分析中，DOP，Th/U和V/（V+Ni）能夠指示水體的氧化還原性。其中，DOP，V/（V+Ni）值隨水體還原性減弱而升高，而Th/U值隨水體還原性減弱而降低。上述資料表明，塊狀細粒沉積巖沉積過程中，水體還原性較暗色頁巖弱，盡管它們都形成于深水環(huán)境中（見圖5）。另外，Sr/Ba值能夠指示水體含鹽度。Sr/Ba值越高，含鹽度越高。分析測試資料表明，塊狀細粒沉積巖的Sr/Ba值明顯比暗色頁巖低，反映了相對較低的水體鹽度（見圖5）。

3.2.2 氣候和構(gòu)造條件

在氣候背景下沉積于相對干旱的氣候背景，而沉積于相對濕潤的氣候背景（見圖2）。另外，的沉降速率是的2倍（見圖2）。相應(yīng)地，塊狀細粒沉積巖在的細粒沉積巖中僅占3.08%，而在升高到 11.33%，是的 4倍（見表 2），表明塊狀細粒沉積巖傾向于沉積在相對濕潤且具有高沉降速率的背景下。

表2 和的塊狀細粒沉積巖比較

表2 和的塊狀細粒沉積巖比較

地層 Es4上 Es3下巖心總長度/m 422 671塊狀細粒沉積巖總長度/m 12 76塊狀細粒沉積巖占比/% 3.08 11.33

利用孢粉數(shù)據(jù)精確表征氣候變化與塊狀細粒沉積巖發(fā)育的關(guān)系。根據(jù)其母體植物對溫度的適應(yīng)性，孢粉分為喜暖型、喜冷型和廣溫型。根據(jù)其母本植物對濕度的適應(yīng)性，孢粉分為喜濕型、喜干型和中間型［16］。溫度比的計算公式為RT=廣溫型孢粉數(shù)/（廣溫型+喜冷型）孢粉數(shù)×每個薄片中的孢粉數(shù)量，濕度比計算公式為RH=喜濕型孢粉數(shù)/（喜濕型+喜干型）孢粉數(shù)×每個薄片中的孢粉數(shù)量。RT值高代表溫度高，RH值高代表濕度高。孢粉和花粉分析結(jié)果表明，塊狀細粒沉積巖具有比黑色頁巖高得多的RT和RH值，說明其具有相對更加溫暖濕潤的氣候條件（見圖5）。

3.2.3 分布特征

以過羅69井的剖面為例（見圖7），塊狀細粒沉積巖主要分布于羅69井的2 945～3 010 m，與該深度對應(yīng)的淺水區(qū)域有較多的中粗粒沉積，而其他層段較少。此外，塊狀細粒沉積巖正好分布于濁流砂巖的遠端區(qū)域，說明兩者在成因上有某種關(guān)聯(lián)（見圖7）。

圖7 沾化凹陷東西走向墾71—羅69井沉積剖面

4 形成過程

4.1 沉積機制

將研究區(qū)的塊狀細粒沉積巖解釋為濁流末梢沉積，在濁流向前運動過程中能量逐漸減弱，使細粒物質(zhì)沉積于濁流最前端。原因為：

1）塊狀細粒沉積巖在巖心和薄片下具有顯著的濁積巖特征（見圖4）。其頂?shù)淄蛔兊奶卣髦甘臼录练e，且底部的粉砂條帶表明，塊狀細粒沉積巖形成于水動力逐漸減弱的條件下，這正好符合濁流的特性。塊狀細粒沉積巖底部的沖刷面也支持濁積巖的侵蝕特性。由于濁積巖事件沉積的特征，導(dǎo)致各種礦物混雜堆積，從而解釋了塊狀細粒沉積巖中各種礦物組分雜亂分布的特征。

2）塊狀細粒沉積巖與濁積砂的空間配置關(guān)系也支持濁流成因的解釋。在經(jīng)典的鮑馬序列中，A—E段分布范圍依次擴大，其中A—D段為砂質(zhì)沉積，而E段為泥質(zhì)沉積。若將研究區(qū)鉆遇的塊狀細粒沉積巖解釋為鮑馬序列E段，則正好解釋了其分布于濁積砂前端，且在分布層位上與濁積砂相同的特征。

3）塊狀細粒沉積巖中大量的棱角狀石英、腹足化石、煤屑和介形蟲碎片也支持濁流的解釋。這是由于濁流在從淺水到深水搬運的過程中，不僅帶來了沉積物，也帶來了相對富含氧和河口處鹽度較低的水體，從而使研究區(qū)塊狀細粒沉積巖的還原性和鹽度比相鄰的暗色頁巖低。

綜上所述，從巖石學(xué)特征、空間配置關(guān)系、地化特征上均顯示研究區(qū)塊狀細粒沉積巖為濁流末梢沉積，相當(dāng)于鮑馬序列E段。

4.2 觸發(fā)機制

濁流雖然是事件沉積，其誘導(dǎo)機制既可是突發(fā)性的地質(zhì)作用，也可能是在長期的地質(zhì)作用下，從量變到質(zhì)變的結(jié)果［17］。研究區(qū)內(nèi)與塊狀細粒沉積巖相鄰的暗色頁巖常具有塑性變形特征（見圖4c），可能說明地震事件是塊狀細粒沉積巖的誘導(dǎo)機制之一［18］。另外，從長周期的誘導(dǎo)機制看，氣候和構(gòu)造事件是2個主要因素［19］。本文3.2.2部分中表明，在溫暖潮濕的氣候和高沉降速率條件下，容易沉積塊狀細粒沉積巖。這是由于：1）溫暖濕潤的氣候會導(dǎo)致強降雨和頻繁而強烈的洪水，從而使三角洲等滑塌，與此相關(guān)的實例在智利中部海域［20］和挪威海域［21］的現(xiàn)代環(huán)境中均有報道；2）高沉降速率能夠增加沉積載荷［22］，在高沉積載荷下，沉積物容易發(fā)生破壞［23］，例如密西西比河三角洲地區(qū)的三角洲前緣的塊體運動［24］和不列顛哥倫比亞省Kitimat Arm峽灣的泥石流［25］均歸因于構(gòu)造活動下的高沉積載荷。

4.3 沉積過程與模式

如圖8所示，塊狀細粒沉積巖分布于濁積砂體前端。通過重力流的沉積和分異過程，濁積泥在沉積較粗粒濁積砂后開始沉積。在相對靠近濁流源頭的地方，濁積泥可能會上覆于濁積砂之上，但是到濁流遠端，濁積砂逐漸消失，只沉積濁積泥巖。

圖8 濟陽坳陷塊狀細粒沉積巖的形成模式

一次濁流持續(xù)時間通常為1.5～3.0個月，且濁流在搬運過程中能夠卷入水體中已有的懸浮物質(zhì)，這種卷入作用在濁流末梢的密度降低后尤為明顯［9］。另外，在形成時期，濟陽坳陷大量發(fā)育浮游溝鞭藻［26］，被濁流卷入并沉積，從而使該區(qū)塊狀細粒沉積巖富含有機質(zhì)。濁流在搬運過程中也能卷入浮游溝鞭藻通過生物化學(xué)作用誘導(dǎo)形成的微晶方解石，這就解釋了塊狀細粒巖中富含方解石的特征。前人研究中也有相關(guān)報道：地中海東部希臘海溝的濁積泥巖富含浮游有機質(zhì)［27］；Ochoa 等［12］也報道了墨西哥下加利福尼亞州El Rosario地層露頭和美國俄克拉何馬州Woodford頁巖的濁積泥巖不含有在海水中形成的生物成因顆粒（主要為顆石藻）。

根據(jù)以上沉積過程分析，建立了研究區(qū)塊狀細粒沉積巖的形成模式。

5 形成模式

通常認為烴源巖形成于水體持續(xù)缺氧的靜水環(huán)境，因為一般認為，在持續(xù)缺氧環(huán)境下有機質(zhì)才能保存。然而，研究區(qū)塊狀細粒沉積巖TOC基本都大于2.0%，且S1+S2與TOC相關(guān)性表明該塊狀細粒沉積巖是潛在的有效烴源巖（見圖9）。圖9顯示了塊狀細粒沉積巖的生油潛力［28］，這就突破了傳統(tǒng)烴源巖都形成于水體持續(xù)缺氧、靜水環(huán)境的認識。

研究區(qū)塊狀細粒沉積巖形成于相對濕熱的氣候背景下，而相對濕熱的氣候背景也是該區(qū)浮游溝鞭藻勃發(fā)的重要誘導(dǎo)機制。兩者的相互契合為濁流攜帶和沉積浮游溝鞭藻創(chuàng)造了得天獨厚的條件，而濁流快速沉積的特征，使沉降到水體底部的有機質(zhì)迅速和氧氣隔絕，創(chuàng)造了有利的保存條件。該區(qū)塊狀細粒沉積巖成為潛在有效烴源巖，說明烴源巖并不都形成于靜水、缺氧的環(huán)境，濁積泥巖的成烴潛力同樣值得重視。

圖9 熱解S1+S2與TOC的關(guān)系

6 結(jié)束語

濟陽坳陷始新統(tǒng)塊狀細粒沉積巖為濁流末梢沉積，相當(dāng)于鮑馬序列E段。溫暖濕潤的氣候和高沉降速率是形成該塊狀細粒沉積巖的2個主要誘導(dǎo)機制。水體持續(xù)缺氧的靜水環(huán)境并不是烴源巖形成的必要條件，濁積泥巖在一定條件下也可以形成有效烴源巖。

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