泥頁巖層序地層學(xué)劃分方法
——以準噶爾盆地準頁3井蘆草溝組泥頁巖為例

陳 健，莊新國

(1.廣東煤炭地質(zhì)局，廣州 510000；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074)

層序地層學(xué)通過建立沉積盆地的等時地層格架，預(yù)測不同類型儲集體的展布、性質(zhì)。但是直接對生油層預(yù)測應(yīng)用相對較少，尤其對生儲蓋一體的泥頁巖油氣藏的應(yīng)用存在明顯不足[1-6]。區(qū)別于陸相碎屑巖的湖相泥頁巖的層序劃分，國內(nèi)外研究者嘗試了很多創(chuàng)新的方法。有些學(xué)者認為泥頁巖具有較強的非均質(zhì)性(結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上)[7-9]，是被潮汐以及波浪等沒有確定方向的流體聯(lián)合作用而形成的結(jié)構(gòu)有序的巖體，隨著湖平面升降變化對應(yīng)著不同巖性相組合樣式，所以可以用巖性相的定性分析來劃分層序[10]；也有學(xué)者認為地殼中元素的遷移富集規(guī)律除了取決于元素本身的物理化學(xué)性質(zhì)還受地質(zhì)環(huán)境的影響，所以沉積物中化學(xué)元素變化與湖平面變化有一定的響應(yīng)關(guān)系，故可以用各種地球化學(xué)參數(shù)定量劃分地層層序[11-16]。

本文以準噶爾盆地南緣準頁3井二疊系蘆草溝組為例，探索利用巖性相和一些典型的地球化學(xué)參數(shù)進行湖相泥頁巖的層序地層學(xué)研究，建立泥頁巖的層序格架，分析優(yōu)質(zhì)烴源巖的分布特征，為該區(qū)域的頁巖氣的勘探開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)概況

準噶爾盆地南緣二疊系蘆草溝組形成于穩(wěn)定的內(nèi)陸湖泊環(huán)境，黑色頁巖廣泛發(fā)育，是新疆頁巖氣勘探的一個重要烴源巖層。本次研究的準頁3井位于準噶爾盆地南緣博格達山前斷裂帶東段烏魯木齊紅雁池地區(qū)，在構(gòu)造上位于烏魯木齊向斜南翼(圖1)，鉆孔鉆遇二疊系泉子街組、紅雁池組和蘆草溝組。其中蘆草溝組鉆遇井段864～1 850m，鉆遇地層厚度為984m，底部未鉆穿。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造綱要圖

準頁3井蘆草溝組巖性下段主要為碳酸鹽巖與泥頁巖互層，中段為灰黑色泥頁巖夾薄層碳酸鹽巖，上段碳酸鹽夾層變多，頂部碳酸鹽巖夾層多被鈣質(zhì)粉細砂巖取代。微細水平層理、水平或波狀紋層發(fā)育，黑色頁巖與灰?guī)r或白云巖交互頻繁，為鹽度較高的弱還原環(huán)境下的半深湖-深湖相沉積[17-20]。

2 層序劃分方法分析

對于具有邊緣相的內(nèi)陸湖盆，初始湖泛面表現(xiàn)為粗碎屑物逐漸被泥粉砂級別的細粒沉積物覆蓋，主要由三角洲的進積向退積轉(zhuǎn)換，整體上形成覆水向上變深的旋回；而最大湖泛面處于湖平面升降的最高點，由三角洲的退積轉(zhuǎn)化為加積或進積，界面之下多為暗色泥巖，界面之上砂巖含量明顯增加，總體顯示向上變淺、變粗的旋回。但是通過巖石類型組合標志來識別湖盆中心的泥頁巖的體系域相對具有一定的難度。湖平面變化是識別體系域的關(guān)鍵，而湖水中的化學(xué)組分隨著一個完整的湖平面升降也發(fā)生相應(yīng)的變化，因而沉積層中的常微量元素以及稀土元素隨著湖平面變化展現(xiàn)出明顯的不同特征，反過來可以根據(jù)這些地球化學(xué)資料對體系域進行定量識別[21]，所以可以在巖性識別體系域的基礎(chǔ)上通過對地球化學(xué)資料垂向變化的系統(tǒng)分析來佐證體系域的識別。具體分析方法如下：

2.1 膠結(jié)物含量法

在體系域界面附近，伴隨著湖平面的下降，水體鹽度含量增高，容易形成白云質(zhì)類巖石沉積，而泥質(zhì)膠結(jié)物的發(fā)育降低，所以在體系域界面處的白云質(zhì)膠結(jié)物呈現(xiàn)相對較高值，而泥質(zhì)膠結(jié)物的含量則呈降低的趨勢[22]。

2.2 Fe2+/Mn2+

Fe相對Mn更容易氧化，一般在離岸近的地區(qū)富集，而Mn能在離岸遠的地區(qū)聚集，所以Fe2+/Mn2+比值遠離海岸不斷減小[13]。當水體深度由淺變深，F(xiàn)e2+含量減少，Mn2+含量增多，所以可以用Fe2+/Mn2+比值反映了水體的深淺。

2.3 稀土元素法

稀土元素在揭示沉積巖的物源和沉積環(huán)境等具有重要指示意義，為地層劃分提供有效息[14]。在深水沉積盆地，稀土元素含量往往與黏土礦物密切相關(guān)，黏土礦物含量的增加導(dǎo)致了深水環(huán)境中稀土元素濃度大大高于淺水中的稀土元素濃度，且隨深度的不斷增大而增大。因此，可以在進行深水環(huán)境的層序格架劃分時引入稀土元素含量這個參考指標。

2.4 TOC識別法

TOC含量跟水體的缺氧環(huán)境以及沉積盆地沉積速率有關(guān)，沉積速率也主要控制了缺氧界面的形成[15]。當沉積速率相對較低時，主要表現(xiàn)為還原作用，有機質(zhì)也比較容易保存；當沉積速率增大時，湖泊覆水深度越來越淺，主要表現(xiàn)為氧化作用，有機質(zhì)含量減小。所以界面附近的沉積速率之比與沉積盆地的可容納空間相關(guān)。在湖擴體系域中，可容納空間的不斷增大，物源供給明顯不足，有機質(zhì)保存較好，有機質(zhì)含量較高。

2.5 巖性相定性分析法

泥頁巖并不是地層和空間上的同一均質(zhì)體，存在多種流體搬運的沉積結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及不同巖相類型[9]?；谀囗搸r因沉積環(huán)境變化產(chǎn)生的多種巖相類型在相對湖平面升降過程中組合樣式的不同來劃分體系域。所以低位體系域一般以較為高能的粒屑灰?guī)r/白云巖相、泥粉晶灰?guī)r/白云巖相和鈣質(zhì)粉砂巖相為主，而處于湖平面不斷上升的湖擴體系域主要以低能的頁巖/油頁巖相和灰質(zhì)泥巖相為主，夾有泥質(zhì)白云巖/灰?guī)r相，在高位體系域以灰質(zhì)泥巖相和泥質(zhì)灰?guī)r/白云巖相為主,夾有頁巖/油頁巖相和泥粉晶灰?guī)r/白云巖相。

3 巖性相組合特征

根據(jù)沉積物的巖性、沉積構(gòu)造、含有物、礦物成分和測井曲線特征的差異，將準頁3井蘆草溝組的巖性相分為下列幾種類型：①黑色油頁巖/頁巖相；②灰黑色灰質(zhì)/白云質(zhì)泥巖相；③灰色-灰白色泥質(zhì)白云巖/灰?guī)r相；④灰白色泥粉晶白云巖/灰?guī)r相。

3.1 黑色油頁巖/頁巖相

該巖性相主要分布在蘆草溝組中段和上段，主要巖性為黑色、黑褐色油頁巖和灰黑色頁巖，常見水平層理、韻律層理，可見順層和穿層發(fā)育的黃鐵礦；含魚類化石。GR測井平均值為90～110API，個別頁巖薄層段GR值異常高，大于200API。局部可見水平層理、韻律層理和液化變形構(gòu)造，發(fā)育有少量斜交層面和順層的微裂縫，局部被方解石充填(圖2)。

圖2 準頁3井蘆草溝組巖心-測井響應(yīng)圖(灰黑色頁巖巖性相)

3.2 灰黑色灰質(zhì)/白云質(zhì)泥巖相

該巖性相在蘆草溝組全段都有分布，GR測井平均值為70～90API，個別泥巖薄層段GR值異常高，大于90API。最直觀的標志是灰黑色，頁理不發(fā)育，且多與黑色頁巖相呈過渡關(guān)系。該巖性相主要巖性包括灰質(zhì)泥巖、白云質(zhì)泥巖以及粉砂質(zhì)泥巖；泥巖風(fēng)化色多為灰白色、褐灰色等多色，新鮮面為灰黑色；塊狀構(gòu)造，一般不顯示頁理，斷面多呈貝殼狀，滴酸絕大部分不起泡；成分以泥質(zhì)為主，灰質(zhì)或白云質(zhì)含量為10%～25%，多以膠結(jié)物形式存在；多見灰質(zhì)頁巖夾薄粉砂巖紋層或條帶，粉砂巖見液化變形構(gòu)造；灰質(zhì)泥巖中夾以石英和長石為主要成分的粉砂巖，有少量有機質(zhì)充填(圖3)。

圖3 準頁3井蘆草溝組巖心-測井響應(yīng)圖(灰質(zhì)泥巖巖性相)

3.3 灰色-灰白色泥質(zhì)白云巖/灰?guī)r相

該巖性相主要分布在蘆草溝組的下段和上段，GR測井值主要為60～80API。巖石呈淺灰色，較致密，以粉晶白云石和泥質(zhì)為主，泥質(zhì)含量為25%～50%，多存在與粉晶方解石間隙中。含有大量魚鱗化石，部分化石格架被黃鐵礦充填；發(fā)育砂紋層理，順層里面含有炭質(zhì)碎屑；可見大量斜交層理面的微裂縫及方解石脈，裂隙面可見黃鐵礦、瀝青及油跡(圖4)。

圖4 準頁3井蘆草溝組巖心-測井響應(yīng)圖(泥質(zhì)灰?guī)r巖性相)

3.4 灰白色泥粉晶白云巖/灰?guī)r相

主要巖性為灰白色泥晶灰?guī)r、粉晶灰?guī)r/白云巖，自然伽馬測井值普遍小于60API。泥晶灰?guī)r在蘆草溝組中上段有零星分布，多為含陸源碎屑粉細晶灰?guī)r，巖石以細晶方解石組成為主；在粉細晶方解石間有泥質(zhì)填隙物；含有機質(zhì)和瀝青(圖5)。泥粉晶白云巖主要分布在蘆草溝組的下段和上段。在野外露頭上，白云巖主要呈透鏡狀在黑色頁巖中產(chǎn)出，白云巖風(fēng)化色為褐黃色，新鮮面為灰色，礦物成分以白云巖為主，含量大于60%，其次含少量方解石、黃鐵礦及微量的長石、石英和黏土礦物。

圖5 準頁3井蘆草溝組巖心-測井響應(yīng)圖(灰色細粉晶灰?guī)r巖性相)

4 層序地層分析

依據(jù)巖心、測井以及地球化學(xué)測試資料，將準頁3井蘆草溝組劃分為1個完整的三級層序和3個體系域(圖6)。

圖6 準頁3井單井層序劃分與沉積相

4.1 體系域界面的識別

該層序的頂界面為紅雁池組和蘆草溝組的分界面，二者之間為巖相轉(zhuǎn)換面，界面上水下分流河道的沖刷面直接覆蓋于界面下部湖相暗色泥、頁巖之上，界面處自然伽馬和自然電位曲線表現(xiàn)為突變特征。

初始湖泛面mfs位于厚層碳酸鹽巖驟然減少覆水變深的位置，其界面特征表現(xiàn)為：巖性由碳酸鹽巖和泥頁巖互層變?yōu)檩^純的灰質(zhì)泥巖、頁巖；測井曲線由高幅齒指狀變?yōu)榈头X，伽馬值呈現(xiàn)突高；w(TOC)和Mn/Fe比值明顯增高；頁巖全巖礦物中石英含量減少，黏土礦物含量增多，碳酸鹽巖膠結(jié)物含量減少的特征。

最大湖泛面mfs位于向上碳酸鹽夾層變多覆水逐漸變淺的位置，其界面特征表現(xiàn)為：巖性由較純的灰質(zhì)泥巖、頁巖變?yōu)榛屹|(zhì)泥巖、頁巖夾碳酸鹽巖；測井曲線由低幅齒變?yōu)檩^高幅齒指狀，伽馬值和聲波時差曲線發(fā)生突變；w(TOC)較少；頁巖全巖礦物中碳酸鹽類明顯增多；Mn/Fe比值減少；同時隨著覆水程度的變淺，δCe虧損變少。

4.2 體系域的劃分

初始湖泛面之下低位體系域主要以碳酸鹽巖和泥頁巖互層為特征；測井相上表現(xiàn)為高幅齒的指狀，伽馬值呈現(xiàn)突高突低的特征，自然電位呈現(xiàn)明顯異常；頁巖全巖礦物主要以石英長石和碳酸鹽巖為主，其中碳酸鹽巖多為白云石膠結(jié)物，黏土礦物含量相對較少；Mn/Fe比值相對較低，平均為0.028；頁巖有機碳含量平均在1.68%，普遍小于2%，說明蘆草溝組低位時期整體覆水較淺，主要以濱淺湖相的淺湖沉積為主，暗色泥巖發(fā)育相對較差。

湖擴體系域巖性主要以較純的泥頁巖和灰質(zhì)泥巖為特征；測井相上伽馬值以高值為特征；頁巖全巖礦物主要以石英和黏土礦物為主，碳酸鹽巖膠結(jié)物含量相對較少；Mn/Fe比值相對較高，平均為0.04；頁巖有機碳含量平均為3.55%，普遍大于2%，δCe異常平均為0.89，顯示為弱的負異常。說明蘆草溝組湖擴時期整體覆水較深，主要以深湖相沉積為主，暗色泥巖發(fā)育相對較好。

高位體系域巖性主要以厚層泥頁巖夾薄層碳酸鹽巖為特征；測井相上呈現(xiàn)高幅齒的指狀；頁巖全巖礦物主要以石英長石和黏土礦物為主，碳酸鹽巖膠結(jié)物含量相對較高；Mn/Fe比值在高位早期平均為0.033，而晚期為0.041；頁巖有機碳含量在高位早期平均為3.54%，晚期平均為5.1%，δCe異常平均為0.947，顯示為弱的負異常，虧損減少。說明蘆草溝組高位早期覆水較淺，主要以淺湖-半深湖相沉積為主，暗色泥巖發(fā)育較好；到了高位晚期覆水又開始加深，主要以半深湖-深湖相沉積，暗色泥巖發(fā)育相對較好，有機質(zhì)含量普遍增高；而到了高位末期覆水又變淺，受到周緣粉砂巖影響，暗色泥巖有機質(zhì)含量明顯降低。

對于泥頁巖層序劃分來說，其重要的預(yù)測功能是對優(yōu)質(zhì)烴源巖段的預(yù)測。一般來說準噶爾盆地南緣二疊系蘆草溝組主要由湖相泥頁巖構(gòu)成，其沉積環(huán)境格局的復(fù)雜性及其對優(yōu)質(zhì)烴源巖類型分布、厚度和規(guī)模的控制作用研究不夠，從而直接影響了對蘆草溝組頁巖氣勘探前景的客觀評價，造成了較大的勘探風(fēng)險。

本文根據(jù)巖性相和地球化學(xué)參數(shù)的變化對湖平面變化響應(yīng)的敏銳性，通過定性和定量相結(jié)合的方法分析湖平面的變化，識別了層序內(nèi)部的體系界面，建立湖相泥頁巖的層序格架。在湖平面擴張的時候總體顯示特征為：巖性上由碳酸鹽和泥頁巖互層變?yōu)檩^純的灰質(zhì)泥巖、頁巖；測井曲線由高幅齒指狀變?yōu)榈头X，伽馬值呈現(xiàn)突高；有機碳含量和Mn/Fe比值增高，黏土礦物含量增多，碳酸鹽巖膠結(jié)物含量減少的特征，δCe虧損變多。從整體來看，優(yōu)質(zhì)烴源巖主要富集在高位體系域的中晚期，這時水體有一定的深度，生物發(fā)育，且不易破壞，有機質(zhì)保存了下來。而在湖擴和高位早期，也有些TOC富集區(qū)，這個多在湖平面擴張巖性轉(zhuǎn)化面附近，水體的突然加深，利于有機質(zhì)的保存。

總之，對準噶爾盆地南緣蘆草溝組泥頁巖進行層序地層學(xué)分析將有助于了解優(yōu)質(zhì)烴源巖的分布特征，對研究區(qū)的進一步勘探、富有機質(zhì)頁巖的對比和富集規(guī)律的認識，以及后期頁巖氣的合理開發(fā)利用有指導(dǎo)意義。同時，也能夠豐富層序地層學(xué)理論，對我國其它地區(qū)湖相泥頁巖層序地層學(xué)研究也具有一定的借鑒意義。