金湖凹陷阜二段混合沉積特征探討及其意義

丁　娜

(中國石化江蘇油田分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇 揚州 225009)

在沉積學研究的傳統(tǒng)認識中，碳酸鹽巖與碎屑巖的沉積環(huán)境截然不同：碳酸鹽巖是生物化學作用的產(chǎn)物，通常沉積在溫暖清澈、不受陸源碎屑影響的水體中，其沉積環(huán)境俗稱“清水”；碎屑巖沉積受物源供給控制，沉積水體中大量的陸源碎屑顆粒抑制了化學作用的發(fā)生，俗稱“渾水”。二者此消彼長，故以往常常將碎屑巖沉積體系與碳酸鹽巖沉積體系分隔研究。但隨著研究的深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)除了純的碳酸鹽巖和碎屑巖以外，二者混合沉積現(xiàn)象非常普遍，從現(xiàn)代沉積到鉆井取心，從淺水到深水都有發(fā)現(xiàn)。

從沉積學研究的角度來說，混合沉積作為一種特殊的沉積現(xiàn)象對沉積環(huán)境的恢復具有特殊意義；從油氣生產(chǎn)的角度來說，混積巖對油氣的生成和儲集具有重要影響。20世紀80年代以來，國內外學者定義了混合沉積并探討了混積巖的分類成因[1-3]以及混合沉積機制[4-20]，分析了不同沉積環(huán)境中的混合沉積微相以及建立了相應的相模式[8-39]。本文概括了前人主要研究成果，結合金湖凹陷阜二段混積巖實例開展討論，并提出幾點看法供探討。

1　混合沉積研究現(xiàn)狀

1.1　混積巖的定義

混合沉積現(xiàn)象最早于20世紀50年代被國外學者注意到[7]，此后在20世紀80年代開始出現(xiàn)較多關于混合沉積物的描述性研究。1984年，MOUNT J F正式提出了混合沉積的概念，將其定義為“硅質碎屑與碳酸鹽在結構上的相互摻雜，或者成分上純的硅質碎屑巖與碳酸鹽巖旋回性互層及側向彼此交叉”。此概念在上世紀80年代末被國內學者引入[2-3]，將混積巖定義為同一沉積環(huán)境背景中陸源碎屑與碳酸鹽(強調是原生碳酸鹽)兩種組分相互混合沉積的一類沉積巖，也被稱為狹義的混積巖。此后混積巖被衍生為由陸源碎屑、碳酸鹽層、狹義混積巖這三類巖性在空間上構成交替互層或夾層的混合[3,9]，稱為混積層系[5]或稱為廣義的混積巖。

1.2　混合沉積環(huán)境

21世紀以來，國內外學者在陸相到海相、淺水到深水環(huán)境的大量地區(qū)發(fā)現(xiàn)了混合沉積現(xiàn)象和混積巖，總體而言，混積巖最常出現(xiàn)在海陸過渡帶和陸相半咸水-咸水湖盆中。

(1)海陸過渡帶的混合沉積

海陸過渡帶具備碳酸鹽沉積的物質條件，同時擁有充足的陸源碎屑供給，因此在基準面升降控制下很容易形成相邊緣混合或原地混合沉積。與此同時海陸過渡帶也是風暴作用和重力流作用的常見區(qū)域，事件混合沉積也較為常見。前人研究表明，濱岸、潮坪、瀉湖[12-14]以及淺海陸棚環(huán)境[15-21]是混合沉積最常見的相帶。國內學者已針對不同沉積環(huán)境中的混合沉積開展研究，建立了南海北部大陸架現(xiàn)代混合沉積模式[9]，湖南寒武系第三統(tǒng)淺海陸棚環(huán)境混合沉積模式[21]，華北地區(qū)寒武系潮坪-瀉湖環(huán)境混合沉積模式[7]，等等。有學者甚至在賀蘭山奧陶系深水斜坡環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了混合沉積[23]。在對海相盆地的研究中，國內學者還嘗試在層序地層格架中探討了混合沉積過程[7-8]。

(2)陸相湖盆的混合沉積

近十年來，國內學者針對陸相湖盆的混合沉積開展了研究，其中淡水-半咸水湖泊混合沉積以渤海灣盆地古近系最為典型，咸湖混合沉積以柴達木盆地古近系-新近系最為典型。

淡水-半咸水湖泊中的混合沉積可以以碳酸鹽巖為主，例如東營凹陷金家地區(qū)沙四段上亞段[24]，黃驊凹陷北部沙一段[25]，豫西濟源盆地中侏羅統(tǒng)[26]，沾化凹陷沙二段[27]，沾車地區(qū)沙四段上亞段[28]，等；也可能以陸源碎屑為主，例如渤海石臼坨凸起沙二段[29]，大港灘海沙一段下部[6]和遼河西部凹陷雷家地區(qū)沙四段[30]等。

國內有關咸湖混合沉積的報道集中在柴達木盆地與準噶爾盆地[31-38]。眾多學者對此開展過詳細的沉積特征描述，例如柴達木盆地南翼山古近系，柴北緣古近系下干柴溝組下段，柴西古近系-新近系；準噶爾盆地南緣蘆草溝組與吐哈盆地西北緣塔爾朗組等等。陸源碎屑沉淀于咸湖中，通常形成以碳酸鹽巖為主的混合沉積。

1.3　混合沉積成因機理與主控因素

混積巖的成因是國內外學者長期以來的研究重點(表1)。MOUNT最早在對淺水陸棚沉積的研究中提出了間斷混合、相混合、原地混合和蝕源型混合四種類型[1]，此后國內學者基于不同的研究對象對其進行了補充修改。張雄華在MOUNT的方案基礎上補充提出了巖溶再沉積混合[4]；董桂玉根據(jù)混積巖與上下巖石成分結構的關系，將間斷混合細分為風暴成因與重力流成因兩大類[7]，將風暴成因的間斷混合稱為漸變式混合，重力流成因的間斷混合稱復合式混合沉積Ⅱ；王國忠在南?，F(xiàn)代沉積研究中提出了生物礁與陸源碎屑的混合沉積分類[9]；徐偉等在對柴達木盆地咸湖開展研究時發(fā)現(xiàn)了藻粘結成因的混積巖[10-11]，等等。

不同學者的混積巖成因分類存在差別、各有特點，筆者認為混合沉積的類型劃分，歸根到底是為了反映沉積環(huán)境的變化?；旌铣练e環(huán)境通常是均勻變化(相混合)、短暫性突變(間斷混合)或長期突變(原地混合)的，因此按照這三種沉積環(huán)境變化特征所對應的間斷混合-相混合-原地混合的劃分方案最能體現(xiàn)成因分類對混合沉積環(huán)境研究的意義。

與傳統(tǒng)意義上的碎屑巖/碳酸鹽巖沉積類似的是，混合沉積作用同樣受控于海平面升降、陸源供給、氣候變化、構造運動等多方面因素。簡單來說，海平面上升，陸源供給受限制，有利于碳酸鹽沉淀，海平面下降，陸源供給發(fā)育，有利于碎屑巖沉積，并且由于陸源供給抑制碳酸鹽沉淀，沉積區(qū)距離陸源區(qū)的遠近也會影響混合沉積的發(fā)育程度；氣候變化通過地表徑流影響陸源供給，同時也影響著生物碳酸鹽巖的生長速率；構造作用通過影響可容納空間大小以及盆地水體的局限/開放性控制著混合沉積，等等?；旌铣练e的出現(xiàn)，歸根結底需要同時滿足一定的水體咸度和充足的陸源供給兩方面條件，對于陸相湖盆而言，因為水體性質更多受氣候控制而非全球海平面升降(近海湖泊可能受海侵影響)，因此氣候是控制混合沉積的第一要素，干熱氣候下碳酸鹽巖的大量生產(chǎn)是發(fā)生混積的基礎條件。

表1　混積巖成因劃分方案

1.4　存在問題與下步研究方向

數(shù)十年來，國內外學者已經(jīng)針對混合沉積和混積巖開展了大量研究；近年來非常規(guī)油氣的興起更是引起了大家對混合沉積的重視，因為細粒沉積物本身就是一種混積巖。但由于混合沉積本身沉積機理、控制因素及成巖作用相對復雜，目前還存在以下兩方面問題：

(1)國內目前關于混合沉積的研究主要從現(xiàn)象出發(fā)，大多停留在巖相描述階段，通常只是簡單地定性分析混合沉積的控制因素，未能進一步指導混積巖儲層預測。

(2)混合沉積在過去通常被用來指代粗粒沉積區(qū)碳酸鹽與碎屑物質的混合，但隨著人們對細粒沉積物研究的深入，混合沉積的概念已經(jīng)被擴大，應當建立從粗粒沉積區(qū)到細粒沉積區(qū)的完整的混合沉積模式。

針對上述問題，未來混積巖的研究應當側重以下四個方面：

(1)從原因出發(fā)，盡可能定量地分析不同氣候、物源、構造等條件下的混合沉積作用與混積巖特征。例如通過對野外露頭或連續(xù)取心段的密集取樣分析，借助巖心和薄片觀察等手段，結合微量元素、同位素等化驗分析數(shù)據(jù)，尋找沉積環(huán)境與混合沉積之間的關聯(lián)；

(2)將巖心信息與測井、地震資料相結合，建立盡可能詳細精確的地球物理響應模板，更直觀地分析混積巖空間展布特征；

(3)明確不同巖相混積巖的孔喉結構特征與成巖演化序列，建立混積巖儲層與油氣分布等之間的關系，在非均質性強的混積巖儲層中尋找甜點分布規(guī)律；

(4)結合細粒沉積學研究方法，建立跨越粗粒沉積區(qū)和細粒沉積區(qū)的混合沉積模式，力求更加全面地研究混合沉積體系，為常規(guī)和非常規(guī)油氣勘探提供幫助。

2　金湖凹陷阜二段混合沉積特征

2.1　混積巖發(fā)育特征

蘇北盆地金湖凹陷古近系阜寧組阜二段(E1f2)作為主力烴源巖和重要儲層，是一套混合沉積的產(chǎn)物。E1f2自下而上分為E1f23、E1f22、E1f21三個亞段。

(1)廣義混積巖發(fā)育特征

圖1為橫跨金湖凹陷的近南北向剖面，宏觀看E1f23整體以粉砂巖為主，部分地區(qū)見鮞?；?guī)r或生物灰?guī)r夾層，形成粉砂巖、生物灰?guī)r與泥巖的層系混積，發(fā)育以陸源碎屑為主的混積巖。E1f22整體以生物灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，局部地區(qū)發(fā)育粉砂巖夾層，形成以碳酸鹽組分為主的混積巖，兩個亞段巖性特征在縱向上差異較大。從平面上來看，由南往北隨著陸源碎屑供給的減少，E1f23逐漸由砂巖與泥巖互層(天X84井)向砂巖、灰質砂巖和泥巖互層轉變(崔20井)，直至轉變?yōu)榛屹|砂巖、碳酸鹽巖和泥巖互層的層系混積(橋2井)，表明當陸源供給充分時，層系混積出現(xiàn)在相對遠離物源的區(qū)域；E1f22同樣表現(xiàn)出沿砂體搬運方向碳酸鹽組分逐漸升高的特征，但在遠離物源的地區(qū)已經(jīng)徹底轉變?yōu)樘妓猁}巖(崔20井、橋2井)，層系混積出現(xiàn)在近物源區(qū)，表明當陸源供給不充分時，廣義的混積巖分布在靠近物源的區(qū)域。

圖1金湖凹陷E1f22-3混積特征

(2)狹義混積巖發(fā)育特征

金湖凹陷E1f2不僅發(fā)育層系混積(廣義混積巖)，還發(fā)育典型的巖性混積(狹義混積巖)。以位于金湖凹陷西部的河X4井及中部的唐5井為例，這兩口井的E1f23均以1～2 m厚的粉砂巖、灰質粉砂巖夾0.5 m左右的鮞粒灰?guī)r構成廣義的混積巖(圖2)。

薄片觀察表明，混積層系中的砂巖或碳酸鹽巖都含有異質成分，由石英、長石與碳酸鹽顆粒混積而成，屬于典型的狹義混積巖。

圖2蘇北盆地金湖凹陷E1f2混合沉積特征

狹義混積巖的發(fā)育意味著傳統(tǒng)的碎屑巖/碳酸鹽巖的巖相分類方案不足以準確指示金湖凹陷E1f2沉積環(huán)境意義，不利于開展準確的儲層預測。陸相湖盆混合沉積的出現(xiàn)通常指示了相對咸化的水體：當河流進入咸化湖盆時，較大的沉積區(qū)水體密度很可能導致河水所攜沉積物呈羽狀，在水體表層漂浮擴散，不易在河口處發(fā)生沉積，因此混積巖儲層展布特征往往不同于正常淡水湖泊沉積。例如，E1f23沉積時期金湖凹陷南部的三角洲沉積體系主要發(fā)育在張八嶺隆起至銅城斷裂帶以西約20 km跨度的地區(qū)，而從銅城斷裂帶到閔橋地區(qū)約35 km的廣大地區(qū)都以淺湖亞相砂坪、砂壩沉積為主，這與其上部阜三段沉積時期金湖凹陷南部整體發(fā)育三角洲沉積的特征差異較大，表明砂體空間展布整體規(guī)律很可能與沉積水體性質密切相關。

2.2　混合沉積主控因素

(1)干熱咸化水體是金湖凹陷E1f2發(fā)育混合沉積的基礎

蘇北盆地E1f2沉積時期水體咸化程度相當高(表2)，這是金湖凹陷發(fā)生混合沉積的物質基礎。有學者認為E1f2水體咸化與海侵有關，甚至認為應當把蘇北盆地E1f2歸屬到海陸過渡環(huán)境的瀉湖沉積而非湖泊沉積。這是因為蘇北盆地E1f2含有孔蟲、多毛綱蟲管、新單角介、溝鞭藻等指示海相或與海有關的生物化石，并且E1f2碎屑巖中存在原生海綠石，這些證據(jù)都表明蘇北盆地曾遭受海侵。

表2　河參1井阜二段泥巖微量元素特征

B元素含量通常被用作指示水體鹽度最直接的指標，地球化學研究中最經(jīng)典的兩類古鹽度計算公式都是基于元素B含量展開的。元素B含量通常在淡水中小于60 μg/g，而在咸水中大于100 μg/g，據(jù)此標準，金湖凹陷E1f2沉積水體基本屬于咸水。常用于指示水體鹽度的另一項地化指標是元素Sr，通常用Sr/Ba比值來表示，這是因為BaSO4的溶解度遠遠小于SrSO4，因此隨著水體鹽度的增加(SO42-增多)，Ba2+含量將迅速降低。金湖凹陷E1f2地化指標存在這樣一個有趣的現(xiàn)象：元素B與Sr/Ba值所指示的古鹽度特征是矛盾的(表2中元素Sr的高值對應著元素B的低值)。筆者大膽推測這很可能意味著金湖凹陷E1f2沉積時期在干旱還原氣候下形成了鹽度極高(高于同時期海水)的湖水，期間存在著至少兩期海侵(表2中對應低B含量和高Sr含量特征)，但海侵的結果反而是造成了湖水鹽度的下降。這是因為元素Sr雖然是湖水中的微量元素，卻同時是海水中的常量元素，因此海侵必然造成Sr含量的增加；而元素B含量與水體鹽度關系更加直接，當E1f2湖水鹽度大于海水時，海侵造成湖水淡化(B含量降低)也就不足為奇了。事實上，指示陸源供給的Al等元素的含量變化也與上述推論一致：發(fā)生海侵時陸源供給減少，Al2O3含量亦明顯降低。

關于蘇北盆地E1f2水體咸化的成因還有待更多證據(jù)的支持。通過上述地化資料可以明確認識：金湖凹陷E1f2沉積時期水體鹽度很大，同時由于金湖凹陷南部的隆起區(qū)持續(xù)提供大量陸源碎屑，因此混合沉積廣泛發(fā)育，這樣的混積成因很可能與渤海灣盆地沙河街組類似。

(2)充足的陸源供給是金湖凹陷E1f2混積巖發(fā)育的必要條件

金湖凹陷E1f22發(fā)育以碳酸鹽為主的混積巖，E1f23發(fā)育以碎屑組分為主的混積巖，二者之間必然存在著沉積環(huán)境的長時間突變，屬于典型的原地混合。而在E1f22或E1f23內部，在某一特定的地質歷史時期中，穩(wěn)定的沉積環(huán)境下金湖凹陷某一地區(qū)可能發(fā)育渾水三角洲沉積體系或清水碳酸鹽巖臺地沉積體系。此后隨著沉積背景的緩慢變化，不同地區(qū)的相帶邊界將會發(fā)生擴散，這就導致了整體沉積序列上層系混積的出現(xiàn)、不同相帶邊緣巖性混積的出現(xiàn)。本文在研究金湖凹陷不同地區(qū)鉆、測井資料的基礎上總結了混合沉積巖相分布概略模式(圖3)：

當碎屑物質供給充足時，例如E1f23沉積時期，金湖凹陷汊澗斜坡和西斜坡地區(qū)主要發(fā)育三角洲砂體，大量碎屑物質抑制了碳酸鹽巖的生成，僅見少量生物灰?guī)r作為夾層零星分布在西斜坡內坡帶；閔橋地區(qū)此時正處火山噴發(fā)期，大量火山營養(yǎng)物質有利于生物生長，因此玄武巖中常見生物灰?guī)r。此階段受湖平面升降和陸源供給的影響，廣義混積巖相對常見，而狹義混積巖主要出現(xiàn)在受陸源物質影響較弱的西斜坡和汊澗斜坡內坡帶。

當碎屑物質供給不足時，例如E1f22沉積時期，金湖凹陷整體以發(fā)育碳酸鹽巖臺地沉積為特征，主要在西斜坡、閔橋地區(qū)火山巖隆起等水下高部位發(fā)育了生物灰?guī)r和顆?；?guī)r，其他低能環(huán)境則以沉積泥晶灰?guī)r、泥質灰?guī)r等為特征；相對較純的砂巖僅出現(xiàn)在汊澗斜坡外坡帶，分布相當局限。此階段金湖凹陷沉積背景十分有利于碳酸鹽巖的生產(chǎn)，混積巖的發(fā)育受到限制，局限分布在陸源供給相對充足的汊澗斜坡附近。

圖3蘇北盆地金湖凹陷E1f2碎屑主控和碳酸鹽主控的混合沉積巖相分布概略模式

2.3　混積巖油氣勘探研究方向

前人已經(jīng)認識到金湖凹陷E1f2存在混合沉積現(xiàn)象[40]，但目前在E1f2通常只考慮層系混積，對不同層段分別采用碎屑巖儲層或碳酸鹽巖儲層的研究思路開展工作。因此金湖凹陷E1f2常規(guī)油氣領域的未來研究應包含兩方面：一方面應建立混合沉積模式尋找有利相帶，指導砂壩和生物灰?guī)r的預測；另一方面，E1f2以碎屑巖為主的層段普遍低孔低滲[41]，不同地區(qū)儲層物性存在明顯差異，應當分區(qū)帶研究混積巖相特征并總結混合沉積對成巖作用的影響，指導甜點區(qū)預測。

此外，金湖凹陷E1f2作為主力烴源巖也是非常規(guī)油氣勘探的有利區(qū)。未來的細粒沉積研究應當跳出金湖凹陷，建立整個東臺坳陷E1f2從陸源供給區(qū)到半深湖-深湖區(qū)的完整混合沉積模式，明確細粒沉積物特征及空間展布規(guī)律，為非常規(guī)油氣勘探提供幫助。

3　結論

(1)混合沉積現(xiàn)象在自然界普遍存在，混積巖的定義包含層系混積和巖性混積兩方面，受海平面升降、氣候變化等因素控制的咸化水體和構造活動、物源供給等因素控制的充足陸源供給是大多數(shù)混合沉積作用的基礎。

(2)蘇北盆地金湖凹陷E1f2干熱氣候下形成的咸化水體和凹陷西南部充足的陸源供給控制了混積巖的形成和分布，E1f2廣義和狹義混積巖均很常見，不同巖相在空間上有規(guī)律地展布。

(3)混合沉積研究目前還存在混積主控因素定量化程度有限、混積模式對儲層預測指導不足等方面的問題。未來金湖凹陷的混合沉積研究應側重于粗粒沉積物的成巖作用分析和細粒沉積物的空間分布預測兩方面。