湖相碳酸鹽巖成因及其石油地質(zhì)意義
——以東濮凹陷沙河街組四段為例

王義武 ，蔣飛虎 ，慕小水 ，王晉娟 ，董琳

（1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871；2.中國石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南 濮陽 457001）

東濮凹陷是渤海灣盆地典型的富油氣凹陷之一，目前的研究多集中在碎屑巖沉積特征或鹽巖成因等方面［1-3］，然而對于凹陷內(nèi)部碳酸鹽巖形成機(jī)理以及其石油地質(zhì)意義的討論則較為少見［4-5］。東濮凹陷沙河街組四段同時發(fā)育碎屑巖、碳酸鹽巖以及二者的混合沉積，為研究湖相碳酸鹽巖沉積特征與成巖機(jī)制，以及碳酸鹽巖與碎屑巖形成時的主控因素提供了十分理想的材料。本文擬對東濮凹陷沙河街組四段進(jìn)行深入研究，分析碳酸鹽巖或者碳酸鹽巖組分的形成機(jī)理以及控制因素，初步恢復(fù)研究區(qū)古溫度以及古生產(chǎn)力，明確該區(qū)碳酸鹽巖的石油地質(zhì)學(xué)意義，以期對后期油田的勘探開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)背景

東濮凹陷是一個雙斷式凹陷，屬于渤海灣盆地的一部分，整體呈NNE走向的一個狹長區(qū)域，凹陷經(jīng)歷過多次構(gòu)造運(yùn)動，斷層十分發(fā)育［6］。沙河街組是凹陷內(nèi)的主要生油層系，厚度大于2 000 m，由一套灰色、深灰色泥巖為主的暗色砂泥巖組成。

沙河街組四段下亞段主要發(fā)育棕紅泥巖與粉砂巖，當(dāng)時古生物化石也比較稀少，屬種單調(diào)；沙河街組四段上亞段主要發(fā)育灰白色泥頁巖與灰白色粉砂巖，此時地方性屬種開始興起，古生物屬種的類型和數(shù)量明顯增加，與下亞段形成了明顯對比［7］。此外，高漸珍等［8］提出，沙四段下亞段沉積時期，東濮凹陷開始發(fā)育鹽巖沉積。

2 巖石學(xué)特征

通過對東濮凹陷的老井資料進(jìn)行復(fù)查，選取了位于東濮凹陷北部的衛(wèi)146井。衛(wèi)146井位于衛(wèi)城構(gòu)造帶［7］，該井沙河街組四段碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高且厚度較大，具有代表性，采樣深度為2 837.5～2 992.1 m。巖心觀察以及薄片鑒定發(fā)現(xiàn)，東濮凹陷沙四段主要發(fā)育碳酸鹽巖、碎屑巖以及二者的混合沉積，上、下亞段分界線在2 940 m左右［9］。國外學(xué)者對碳酸鹽巖和碎屑巖的混合沉積稱之為“Mixedsediments”，最早由 Mount［10］于1984年提出；國內(nèi)最早由楊朝青等［11］于1990年提出，將二者的混合沉積物稱之為“混積巖”。

2.1 陸源碎屑巖

研究區(qū)主要發(fā)育灰色—灰褐色粉砂巖、細(xì)砂巖和灰黑色、紫紅色泥頁巖，部分細(xì)砂巖發(fā)育水平層理。薄片鑒定顯示，該區(qū)碎屑巖主要為粗粒石英粉砂巖和石英細(xì)砂巖（見圖1a），基質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，一般低于10%，顆粒間接觸緊密，支撐類型主要為顆粒支撐。

圖1 衛(wèi)146井典型薄片照片

2.2 碳酸鹽巖

巖心觀察表明，本區(qū)碳酸鹽巖以灰色泥灰?guī)r為主，少量為生物碎屑灰?guī)r，主要碎屑組分為泥晶方解石、亮晶方解石和一些陸緣碎屑顆粒。泥晶方解石占主體，未觀察到重結(jié)晶等后期成巖變化，均為原生沉積，部分層位可見砂屑（見圖1b）；陸源碎屑混入物主要包括石英、長石和一些黏土礦物，這些陸源碎屑充填于碳酸鹽巖顆粒的孔隙中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%。

2.3 混積巖

通過詳細(xì)的鏡下鑒定，該區(qū)混積巖主要包括含砂—砂質(zhì)灰?guī)r、含灰—灰質(zhì)細(xì)砂巖等。此類巖石中碳酸鹽巖一般未發(fā)生重結(jié)晶，在碎屑組分里也未見有石英加大邊等現(xiàn)象，表明后期成巖改造作用較弱。對于混積巖的命名，目前還沒有一個統(tǒng)一的命名法，本文主要是參考了張雄華對混積巖的分類標(biāo)準(zhǔn)［12］，將研究區(qū)混積巖分為兩大類四小類。將碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于75%，陸源碎屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～25%的混積巖，稱為含砂灰?guī)r（見圖1c）；碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%，陸源碎屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～50%的混積巖，稱為砂質(zhì)灰?guī)r（見圖1d）；陸源碎屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%、碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～50%的混積巖，稱為灰質(zhì)細(xì)砂巖（見圖1f）；陸源碎屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于75%、碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～25%的混積巖，稱為含灰細(xì)砂巖（見圖1e）。

3 實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)

在進(jìn)行化學(xué)測試選樣時，盡量挑選新鮮面采集。本次實(shí)驗(yàn)，共挑選了58組巖石樣品，用微鉆取樣法針對每個樣品取樣約0.2 g。粉末樣品分成2部分，其中一部分送到美國路易斯安那州立大學(xué)地化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行碳氧同位素分析，余樣在北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院ICP-OES室進(jìn)行主微量地球化學(xué)分析。最后，共計得到碳氧同位素、碳酸鹽巖組分和碎屑組分測試數(shù)據(jù)各 58 組（見表 1）。其中，w（Mn），w（Sr），w（P）分別為Mn，Sr，P 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，w（Mn）/w（Sr）為Mn 與 Sr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比，wcarb為碳酸鹽巖組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，CIA（化學(xué)蝕變指數(shù)）由碎屑組分?jǐn)?shù)據(jù)計算得出。圖2為東濮凹陷衛(wèi)146井沙四段地球化學(xué)剖面，主要包括碳氧同位素、wcarb等測試數(shù)據(jù)。

表1 研究井段碳、氧同位素和元素地球化學(xué)特征

續(xù)表1 研究井段碳、氧同位素和元素地球化學(xué)特征

圖2 東濮凹陷衛(wèi)146井沙四段綜合柱狀圖

4 結(jié)果與討論

當(dāng)樣品 w（Mn）/w（Sr）小于 10 時，表示受后期成巖作用影響較弱，可以反映原生沉積水體介質(zhì)的信息［13-15］。從表 1 來看，研究層位的 w（Mn）/w（Sr）都小于 3.00。薄片觀察顯示，本區(qū)碳酸鹽巖組分多以泥晶的形式存在，極少數(shù)出現(xiàn)后期重結(jié)晶等現(xiàn)象，表明可能未經(jīng)受明顯的成巖改造，因此認(rèn)為樣品中碳酸鹽巖主要為自生沉積。

東濮凹陷沙河街組四段廣泛發(fā)育了碳酸鹽巖與碎屑巖的混合沉積，陸源碎屑的注入量也是影響碳酸鹽巖沉積的重要因素，而陸源碎屑的注入量則與大陸風(fēng)化息息相關(guān)。CIA被廣泛用作衡量大陸硅酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化程度的定量指標(biāo)［16］，CIA值越大，表示碎屑風(fēng)化程度越高［17］。從圖2中碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)與CIA曲線的變化趨勢可以看出，沙河街組四段下亞段碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)與CIA呈非常一致的規(guī)律。該段沉積中，碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時，碎屑組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，說明碎屑成分經(jīng)過了較強(qiáng)的風(fēng)化作用。因此，推斷該段地層的碳酸鹽巖組分主要是從湖水中經(jīng)化學(xué)作用沉積下來，而湖水的化學(xué)條件則主要受控于源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化程度，化學(xué)風(fēng)化程度影響了湖水中陸源碎屑的注入量，進(jìn)而改變了水體的化學(xué)組分。

進(jìn)一步觀察圖2中沙河街組四段上亞段的地層發(fā)現(xiàn)，這段地層中碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)與CIA的變化趨勢并沒有相關(guān)性，說明該段地層中碳酸鹽巖組分的沉積可能并不主要受控于化學(xué)沉積作用。

湖泊的生產(chǎn)力對湖水中溶解無機(jī)碳庫的組成有很大影響，在一定的范圍內(nèi)，較高的湖水溫度更有利于表層浮游生物的生長，這些浮游生物通過光合作用吸收更多的12C，使得表層水體無機(jī)碳儲庫中的13C增多，沉積巖中形成的原生碳酸鹽巖組分便更加富集13C，因此，水體較高的溫度往往對應(yīng)于高生產(chǎn)力和較高的δ13C 值［18］。圖 3 顯示，沙河街組四段下亞段，δ13C 平均值偏低，且整體呈下降趨勢；而上亞段δ13C平均值有所升高，且表現(xiàn)出上升的趨勢。這種溫度條件下，生物生產(chǎn)力水平較高，對碳酸鹽巖的形成也起到控制作用。因此，沙四上亞段碳酸鹽巖組分很可能受到生物生產(chǎn)力和化學(xué)沉積這兩方面的共同作用。沙四下亞段沉積時期，由于溫度不夠高，且處于下降趨勢，生物生產(chǎn)力較低，不足以影響碳酸鹽巖的形成，所以其碳酸鹽巖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要受控于化學(xué)沉積作用。正因?yàn)槿绱?，沙四下亞段碳酸鹽巖與CIA曲線呈高度吻合趨勢，而上亞段則并無此規(guī)律。

據(jù)趙志清等［19］研究，東濮地區(qū)沙四段下亞段沉積時期，化石稀少，代表了較低的生產(chǎn)力水平，沙四段上亞段沉積時期，化石門類開始豐富起來，包括藻類、腹足類化石等，生產(chǎn)力水平較高，這與由碳同位素推斷出來的溫度變化情況是吻合的。前人對東營凹陷沙河街組進(jìn)行古生產(chǎn)力定量分析時，也發(fā)現(xiàn)沙河街組四段上亞段沉積時期湖泊古生產(chǎn)力較高［20-21］。

綜上所述，在沙四下亞段沉積時期，碳酸鹽巖組分主要來自化學(xué)沉積作用；在沙四上亞段沉積時期，碳酸鹽巖的形成主要受生物和化學(xué)沉積作用的共同控制。此外，上亞段沉積時期，溫度和生物的生產(chǎn)力較高，沉積巖中生物碎屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高，經(jīng)過淡水沖蝕后可以大大增加沉積巖的孔隙度，更容易成為優(yōu)質(zhì)儲層。

5 結(jié)論

1）沙四段地層中灰質(zhì)組分基本可以代表原生碳酸鹽巖沉積，其元素組成以及地球化學(xué)特征基本可反映當(dāng)時湖水的沉積環(huán)境。

2）在沙河街組四段下亞段沉積時期，溫度較低，生產(chǎn)力較低，碳酸鹽巖組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要受控于化學(xué)風(fēng)化作用；在沙河街組四段上亞段沉積時期，整體溫度升高，生產(chǎn)力也較高，此時碳酸鹽巖組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)受到化學(xué)沉積和生物沉積2個因素的共同控制。

3）沙四段上亞段沉積時期，溫度較高，有利于形成優(yōu)質(zhì)油氣儲層。由于溫度在一定地理范圍內(nèi)具有可擴(kuò)展性，對于在更大范圍內(nèi)尋找優(yōu)質(zhì)儲層具有重要的指導(dǎo)意義。