湖相細粒巖二級指標劃分法巖相分類及其應用實例

李增學, 宋明水, 李 瑩, 劉海燕, 徐春華, 王東東, 孔凡飛, 韓喬羽

(1.山東科技大學 地球科學與工程學院,山東 青島 266590；2.中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司,山東 東營 257000;3.山東交通學院 交通土建工程學院,山東 濟南 250357)

0 引 言

細粒沉積巖在沉積巖中分布廣泛，約占沉積巖總量的三分之二[1,2-3]。細粒沉積巖研究已有了幾十年的歷史，國外對于細粒沉積巖的研究主要集中于海相頁巖，如美國的Williston盆地和Fort Worth盆地進行了海相細粒沉積巖的礦物巖石學特征分析，基于礦物組成、結構、生物特征、礦物粒度以及巖石顏色進行命名建立了巖相劃分方案[4]。

湖相細粒沉積巖與海相頁巖不同，表現(xiàn)在(1)湖泊的物源輸入主要為陸源碎屑物質[5]；(2)湖泊對氣候具有較大的敏感性，如環(huán)境由干冷變?yōu)闈駸?，細粒沉積巖的巖相會發(fā)生顯著的變化，礦物組成發(fā)生改變[6]；(3)沉積水動力特征變化時，湖相細粒沉積巖的沉積構造(如紋層等)也會隨之改變[6]。因此，湖相細粒沉積巖的研究及湖相細粒巖巖相的識別與劃分有其獨特性。

近年來我國許多學者開展了湖相細粒沉積巖的巖相劃分以及環(huán)境解釋，如四川盆地五峰組—龍馬溪組細粒沉積巖的巖相特征和儲集空間特征[7]、準格爾盆地南緣蘆草溝組炭質細粒沉積巖的地球化學特征、巖石風化程度[8]、鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)的長7段的細粒沉積物的沉積特征[9]、河南省南襄盆地泌陽凹陷核桃園組細粒巖儲集層特征[10]研究等都具有一定的代表性。而研究最為精細的是渤海灣盆地東營凹陷沙河街組的細粒沉積巖特征、沉積成因、構造成因以及成因環(huán)境方面的研究[11-15]，特別是基于細粒沉積巖礦物巖石學特征、有機質含量、沉積構造、特殊物質分布特征等提出的陸相斷陷湖盆細粒沉積巖巖相劃分方案具有重要的示范性。

劉惠民等[12,14]提出了根據(jù)巖石類型、宏觀紋層基本特征、顏色等幾個因素劃分出不同的巖相，如平直紋層黏土巖相、塊狀黏土巖相、平直紋層混合巖相、不平直紋層混合巖相、紋層狀泥晶灰?guī)r、黑色頁巖等，該方案重視了紋層在巖相劃分中的作用。陳世悅[15]在劃分巖相時強調了是否含有機質、紋層及沉積物特征等幾個因素，如(富、中有機質)紋層狀灰?guī)r、(富、中有機質)夾層狀灰?guī)r、(中、貧有機質)紋層狀長英質細?；旌铣练e巖(富、中、貧有機質)紋層狀灰質細?；旌铣练e巖等，該方案的重要價值在于強調了有機質是富、中還是貧，使巖相劃分與含有機質情況緊密結合在一起。張順等[16-17]對東營凹陷西部沙三下—沙四上亞段巖相劃分中也重視了含有機質的多寡，以及紋層發(fā)育情況。孫善勇等[18]細粒巖巖相的劃分方案中除了考慮有機質富還是貧的因素外，還考慮了紋層的厚度，這使得紋層的劃分有了量化的含義。彭麗等、逢淑伊等、劉殊君等[19-21]在細粒巖巖相劃分中也是重點考慮有機質的貧富和紋層的發(fā)育狀況[19-21]?？梢钥闯觯瑒澐忠罁?jù)及采用的指標或參數(shù)不同，提出的劃分方案則不同，差異性很突出。

需要指出的是，迄今為止有關細粒沉積及細粒巖巖相的劃分方案，雖然依據(jù)很多，如組分、結構構造等，但對細粒紋層類型重視不夠。本文試圖在前人綜合細粒巖指標(參數(shù))基礎上，將細粒紋層作為重要劃分指標，提出一種湖相細粒巖巖相的劃分方案，以期對湖相細粒巖巖相劃分及其成因解釋進行完善。

1 地質背景

濟陽坳陷位于渤海灣盆地的東南部，是一個中生代—新生代的斷陷盆地(圖1)。其東部接郯廬斷裂帶，南臨魯西隆起，北部和西部為埕寧弧形隆起。濟陽坳陷包含4個次級凹陷，分別為東營凹陷、惠民凹陷、沾化凹陷以及車鎮(zhèn)凹陷。東營凹陷位于濟陽坳陷的東南部，約5 700 km2，屬于渤海灣中—新生代裂谷盆地的三級負向構造單元[6]。

圖1 東營凹陷牛頁1井、利頁1井和樊頁1位置圖

東營凹陷是典型的陸相湖相盆地，古近系由孔店組、沙河街組以及東營組組成(表1)。沙河街組與其下的孔店組呈假整合接觸。沙河街組具有沉積范圍廣、厚度大的特點，自下而上可劃分為：沙四段、沙三段、沙二段、沙一段。

表1 東營凹陷地層與巖性特征[12]

(1)沙四段可劃分為兩個亞段，即沙四下亞段和沙四上亞段。沙四下亞段發(fā)育有大量紅色泥巖和紫色泥巖，中間夾棕色砂巖、粉砂巖和砂質泥巖，局部夾有石膏層，一般發(fā)育在盆地的中央隆起區(qū)。沙四上亞段以深灰色泥巖與灰黑色油頁巖為主，其間夾有少量碳酸鹽巖和粉砂巖，下部亦可見到少量鹽巖和石膏。沙四上亞段整體厚度較大，大部分厚度為100～400 m，最厚可達600 m，是東營凹陷的優(yōu)質烴源巖賦存段。

(2)沙三段可細分為上、中、下三個亞段。沙三下亞段主要發(fā)育含有棕褐色、灰黑色泥巖、油頁巖、泥灰?guī)r等不同巖性，夾有若干滑塌重力流成因的不等粒礫狀砂巖。沙三中亞段巖性以深灰色泥巖為主，或夾有多組濁積砂巖與碳酸鹽巖；地層厚度一般介于200～400 m之間。沙三上亞段巖性以淺灰色泥巖為主，夾灰質泥巖，砂巖多為薄層地層，厚度一般為0～500 m。沙三段主要沉積一套暗色泥頁巖，具體巖性特征以深灰色和灰色泥頁巖為主，夾少量粉砂質泥巖、碳質泥巖和油頁巖，地層厚度可達1 200 m，但一般范圍為700～1 000 m。

(3)沙二段又分為沙二下亞段、沙二上亞段兩個亞段。沙二下亞段發(fā)育灰色泥巖、灰綠色泥巖和砂巖的互層，上覆部分紫紅色泥巖，其分布較為穩(wěn)定，厚度變化為 0～200 m。沙二上亞段多為紫紅色泥巖、灰綠色泥巖和灰色砂巖互層，其間夾有鈣質砂巖與含礫砂巖，厚度變化一般為0～100 m。

2 古近系沙四段細粒沉積特征

2.1 分析方法

實物描述及宏觀觀察、樣品采集等工作主要在中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司巖心庫完成，樣品主要為濟陽坳陷古近紀陸相細粒沉積巖層段的泥巖、頁巖及粉砂巖段部分巖心，采樣包括牛頁1井216件、樊頁1井128件、利頁1井142件，共486件樣品。

本文以濟陽坳陷東營凹陷牛頁1井、利頁1井和樊頁1井為湖相細粒巖巖相分類解剖的典型井，以牛頁1井為重點解剖井。選取牛頁1井古近系沙河街組為主要研究對象，對沙三下亞段—沙四上亞段中的3 417.7～3 500 m段進行巖心精細描述。通過細粒沉積巖精細序列特征進行定量刻畫，即采用現(xiàn)場標尺直接測量讀取數(shù)據(jù)，使用的測量標尺是具有1/10 mm刻度的鋼尺。實驗室內精細分析，描述微細紋層的沉積特征，選取微細紋層的分類依據(jù)(表2)。紋層總體描述刻畫方法始終采用宏觀與微觀相結合、巖石學與地球物理學相結合、定性與定量相結合、野外與室內研究緊密結合、細粒礦物組分圖像與巖石微量元素分析及沉積信息處理相結合的方法。

表2 微細紋層分類依據(jù)及特征

實驗測試分析設備主要采用荷蘭研制的飛納電鏡能譜一體機Phenom ProX，其背散射電子圖像分辨率8 nm@10kV，放大倍數(shù)20～150 000×；對樣品進行表面微觀形貌觀測和表面元素成分的點、線、面分析。另外還有德國研制的Leica DM4P偏光顯微鏡，對樣品進行單偏光、正交偏光狀態(tài)下的礦物識別和紋層成分形態(tài)的鑒定、微觀尺度刻畫等。

2.2 細粒巖巖石學及沉積特征

2.2.1 礦物成分和巖石類型

細粒巖石組分是由沉積期間或沉積期后的物理，化學和生物過程的相互作用所控制，比如黏土礦物和石英長石，以及高等植物的碎片等，通常是由陸源風化物質經(jīng)過搬運作用輸送到盆地內部，而碳酸鹽(例如方解石、白云石、菱鐵礦)、有機質以及硫化物(例如黃鐵礦)通常是盆地內部的細粒物質經(jīng)過化學變化以及各種自生作用形成(圖2和圖3)。

圖2 細粒巖中礦物成分

圖3 細粒巖中黏土礦物類型

2.2.2 有機質

有機質是巖相劃分中的一種特殊沉積物之一，有機質可以反映古氣候、古水介質及盆地古環(huán)境條件，也是尋找有利儲層的重要條件，因此，有機質可作為劃分巖相的重要依據(jù)之一。濟陽坳陷古近系沙四段地層多層段富含有機質(圖4)。

圖4 細粒巖中有機質類型

2.2.3 紋層結構特征

細粒沉積中的各種同沉積構造類型是極為豐富的，表現(xiàn)在各種紋層構成及空間形態(tài)上，是進行細粒巖巖相識別及巖相類型(含亞類)劃分的最重要依據(jù)。對于沉積特征較為單一的泥頁巖中，用成分組成劃分頁巖巖相可能是研究沉積環(huán)境最好的手段。然而許多頁巖內部包含可識別的不同沉積特征。對這些特征的仔細研究能夠對沉積條件得到更多的信息及直接的結論。盡管在野外露頭沉積構造非常不明顯，甚至看不出來，但在薄片下觀察，許多看起來單一的頁巖，能夠顯示一系列不同的沉積特征。剖析頁巖中的小尺度構造(從幾厘米到小于1 mm)能夠解釋沉積條件以及頁巖發(fā)育中的豐富的信息[14]。

本文認為紋層作為巖相劃分的主要依據(jù)之一，可以更好地解釋細粒巖的沉積環(huán)境以及儲層空間。通過細致觀察牛頁1井目標層段的紋層發(fā)育特征，發(fā)現(xiàn)沙三下亞段—沙四上亞段細粒沉積巖中發(fā)育多種沉積結構類型。構成紋層的物質成分有方解石、有機質、炭質、鋁土質、灰(云)質、泥質、粉砂質等等。紋層的沉積結構類型與空間分布狀態(tài)呈現(xiàn)多樣性(圖5)，與沉積環(huán)境中的水動力條件和物質的供應有關，常見的典型紋層結構有水平互層狀、緩波狀、粒序狀、丘狀、斷續(xù)狀、包卷狀等類型。

3 湖相細粒巖巖相分類及構成特點

3.1 細粒巖巖相分類基本原則

縱觀前人對細粒巖巖相的劃分及命名，重點考慮了以下幾個因素(或指標)：巖石的物質類型(泥質、灰質、鈣質、粉砂質等)、含有機質狀況(富、中、貧)、層或紋層特征(層狀、紋層狀)，以及巖層的顏色及生物類型及其擾動構造發(fā)育情況。前人對細粒巖巖相的劃分雖然各不相同，但都有側重且有價值。存在的主要問題是量化的東西較少、紋層的描述僅僅是形態(tài)特征，沒有進行細分，如紋層的空間狀態(tài)(如水平狀、連續(xù)狀，還是斷續(xù)狀，波狀、不規(guī)則狀等)、紋層結構及其相互關系(如紋層密集發(fā)育，呈現(xiàn)互層或是層少而較厚)，以及宏觀紋層/微觀紋層等。

巖相劃分及命名的幾個原則：

(1)部分地參考前人在研究渤海灣盆地濟陽坳陷沙河街組三段下亞段—沙河街組四段上亞段沉積環(huán)境及巖相研究提出的巖相劃分思路和提出的劃分方案[11-17]。

(2)強調細粒沉積中紋層特征的意義，加強紋層識別與類型劃分在巖相劃分中的作用，除了紋層參與巖相劃分外，還要強調紋層類型不同導致的巖相劃分結果的不同，強調紋層類型在巖相及其組合在恢復沉積環(huán)境和加深盆地演化中的作用。

(3)紋層的空間形態(tài)、紋層厚度(毫米級、微米級)、紋層的物質組成(如有機質、方解石、黏土、鋁質等)，盡量給出量化指標。

3.2 細粒巖巖相劃分方法

按照細粒紋層的厚度、粒度以及紋層發(fā)育的連續(xù)性等特征，將紋層按空間形態(tài)綜合特點劃分為連續(xù)狀水平紋層、近水平狀紋層、緩波狀紋層、波狀紋層、斷續(xù)狀紋層、透鏡狀紋層(表3和圖6)。

圖6 按空間形態(tài)劃分微細紋層類型

表3 按空間形態(tài)劃分微細紋層類型及特征(包括顯微紋層)

按照紋層屬性及相鄰紋層的相關性，將紋層的結構類型綜合特征劃分為單一紋層結構、夾紋層結構、互紋層結構、多元混合式紋層結構、旋回式紋層結構、遞變式紋層結構(表4和圖7)。

圖7 按屬性及相關性劃分微細紋層結構類型

表4 按屬性及相關性劃分微細紋層結構類型及特征(包括顯微紋層)

3.3 陸相湖泊細粒沉積巖相分類方案

依據(jù)上述劃分原則，根據(jù)渤海灣盆地濟陽坳陷東營湖相細粒沉積具體特點，并兼顧參考其他地區(qū)湖相細粒沉積特征，提出了湖相細粒沉積巖相及其亞類巖相劃分基本方案(表5)。

表5 東營凹陷古近系沙四上段巖相劃分方案

該方案為兩級核心指標作為劃分湖相細粒巖巖相及亞類的依據(jù)，一級指標是“細粒沉積主要巖性”，分為泥質巖、白云質泥巖、鋁質泥巖、灰質泥巖、粉砂質泥巖、膏質泥巖、灰?guī)r、泥質灰?guī)r，以及泥質—灰質細粒巖等9個指標類型。二級指標是各種巖性中發(fā)育的紋層類型，主要有有機質紋層、云質紋層、方解石紋層、方解石—有機質紋層、混濁狀紋層、粉砂質紋層、膏質紋層、炭質紋層，以及無紋層的塊狀結構等。劃分出有機質紋層泥巖相、有機質紋層灰質泥巖相等21種巖相和33個巖相亞類，一種巖相有1～3個亞類組成。本文提出的湖相細粒沉積巖相劃分方案，既充分考慮了細粒沉積巖性的基礎作用，又充分考慮了細粒紋層的各種類型及其在不同巖性中的表現(xiàn)，而不是將紋層只作為一種巖相名稱前綴的描述性詞語。細粒巖巖相僅僅依據(jù)巖性不同進行劃分是遠遠不夠的，因此紋層在細粒沉積中的重要性在本文巖相劃分中得到了較為充分的重視和運用。

3.4 湖相細粒紋層分類的意義

研究細粒巖微細紋層分類方法，主要包括用細粒沉積及細粒巖微細層精細刻畫與微觀定量表征方法，基于細粒沉積學與巖石學結合的思路，進行細粒沉積巖相、微細序列及沉積結構、細粒沉積成因增量、微細紋層構造、細粒沉積成巖演化機制等方面的深入研究。其實質是一個介于沉積學和地層學與細粒巖的巖石學分類、顯微儲集空間(如納米孔隙等)研究之間的橋梁，重點研究細粒巖紋層—頁巖氣儲集孔隙之間的宏觀的、微觀的沉積結構構造及演化機制；從宏觀上，研究比紋層尺度更小單位的微細紋層，微觀上研究顯微尺度的更小級別的沉積微細紋層。

巖相是指示沉積環(huán)境的重要指標，從巖相發(fā)育來看，灰質泥巖與泥質灰?guī)r兩大類巖相的發(fā)育環(huán)境相似，宏觀上都是泥質與灰質紋層韻律互層的狀態(tài)，表明季節(jié)交替對湖水的沉積環(huán)境、有機質的生產(chǎn)力等變化的控制。多數(shù)沉積于低能、懸浮而且水體半封閉—封閉的環(huán)境中。魚類化石的出現(xiàn)指示該類巖相沉積時期表層湖水為富氧氣，并且適合有機質賦存的水體環(huán)境。

綜合前人與本文研究表明，細粒沉積中的紋層特征能夠反映出沉積環(huán)境的微小變化，紋層的發(fā)育及其空間展布，成為湖泊環(huán)境變化的重要指標。細粒沉積中發(fā)育的特殊沉積構造，如小型軟物質同沉積斷層、包卷層理等，這些沉積構造指示了特殊的沉積環(huán)境，比如斜坡地帶、風暴作用、三角洲環(huán)境等。

4 討論與結論

細粒沉積、細粒巖及細粒巖巖相研究仍處在探索階段，很多研究者提出了不同的細粒巖分類、細粒巖巖相劃分方案，都具有重要的學術和實際價值，為特種油氣藏(特別是頁巖油氣藏)勘探開發(fā)提供了重要理論基礎。本文提出的湖相細粒巖巖相劃分方案，力圖在細粒沉積學研究、巖相類型劃分等方面做出貢獻。因此，有如下一個問題進行討論：

(1)細粒巖巖相分類需要使用的參數(shù)很多，如細粒巖的礦物巖石組成、顏色、沉積結構構造、特殊物質及其分布特點(如細粒巖中的有機質、膏巖等)，都是細粒巖巖相識別與分類的主要指標參數(shù)。但這些指標參數(shù)的發(fā)育程度及其在劃分細粒巖巖相中的作用是不同的，因而任何指標參數(shù)在細粒巖巖相劃分方案中的支撐作用也是不同的。因此，采用哪些指標作為細粒巖巖相識別和類型劃分的主要指標參數(shù)是需要慎重考慮的。

(2)湖相細粒沉積序列中，除物質成分外，沉積結構構造是最為重要的指相指標參數(shù)，如本文提出的以“細粒沉積紋層類型”作為主要指標參數(shù)的“細粒巖巖相分類方案”，其他指標參數(shù)作為重要的輔助依據(jù)。即兩級核心指標作為劃分湖相細粒巖巖相及亞類的依據(jù)，一級指標是“細粒沉積主要巖性”，是基礎指標，二級指標是各種巖性中發(fā)育的紋層類型，為核心指標。紋層類型不單是紋層的空間形態(tài)，更重要的是構成紋層的物質組成及其相互作用關系。

(3)本文提出了21種巖相大類和33個巖相亞類，一種巖相一般有1～3個亞類組成。本文提出的這一湖相細粒沉積巖相劃分方案，既充分考慮了細粒沉積巖性的基礎作用，又充分考慮了細粒紋層的各種類型及其在不同巖性中的表現(xiàn)，而不是將紋層只作為一種巖相名稱前綴的描述性詞語。因此，本文認為細粒巖巖相僅僅依據(jù)巖性或某種特色指標特點不同而進行劃分是遠遠不夠的，因此紋層在細粒沉積中的重要性在本文巖相劃分中得到了較為充分的重視和運用。