濟陽坳陷古近系二級層序界面厘定及其石油地質(zhì)意義

宋國奇，王永詩，程付啟，劉雅利，劉 鵬，李茗茗

（1.中國石化勝利油田分公司，山東東營257001；2.中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學研究院，山東東營257015；3.中國石油大學（華東）地球科學與技術學院，山東青島266580）

根據(jù)層序地層學理論，不同級別層序的成因及其界面識別特征存在差異［1-3］，對油氣成藏的影響也不盡相同［4-7］。因此，層序級別的準確劃分對成藏要素分析以及油氣分布預測具有重要的指導意義。濟陽坳陷是中國重要的含油氣區(qū)，對于其主要油氣產(chǎn)層古近系，許多研究者開展過層序地層學方面的研究，并提出了不同的層序劃分方案［5，8-19］。但是由于不同研究者依據(jù)的地質(zhì)資料及個人認識的不同，所提出的二級層序劃分方案存在一定的差別。針對目前二級層序劃分不統(tǒng)一的問題，筆者在前人研究的基礎上，通過對沙四段與孔店組、沙四段上亞段與下亞段、沙三段與沙四段3個層序界面特征進行分析，結(jié)合構(gòu)造活動特征和古氣候變化特征，重新厘定了層序劃分方案。

1 目前的層序劃分方案及存在問題

古近紀是濟陽坳陷斷陷發(fā)育期，受多期構(gòu)造幕控制，發(fā)育了孔店組（Ek）、沙河街組（Es）和東營組（Ed）。前人根據(jù)構(gòu)造、沉積及古生物資料，將其劃分為1個一級及多個二級層序。二級層序劃分方案的差別主要表現(xiàn)在：①層序個數(shù)不統(tǒng)一。從圖1可以看出，存在“三分”和“四分”2種劃分方案，前者將古近系劃分為3個二級層序，如文獻［8，13］的方案；后者將其劃分為4個二級層序，如文獻［5，14-16］的方案。這2種方案的主要差別在于是否將沙四段和孔店組劃歸為1個二級層序。②界面位置不同。主要是沙四段對應二級層序的頂界面位置，有研究者將其劃在沙三段與沙四段之間，也有人將其定在沙四段上亞段與下亞段之間。這種差異在“三分”和“四分”方案中均存在，如“三分”方案中，文獻［11-12］將其定在沙三段與沙四段之間，文獻［8，13］將其定在沙四段上亞段與下亞段之間；“四分”方案中，文獻［5，14-16］將其定在沙三段與沙四段之間，文獻［17-18］將其定在沙四段上亞段與下亞段之間。

圖1 濟陽坳陷古近系二級層序劃分方案對比

2 二級層序界面的厘定

前人二級層序劃分方案存在差異的根本原因，是對沙四段與孔店組、沙四段上亞段與下亞段、沙三段與沙四段3個層序界面哪一個為二級層序界面的認識不統(tǒng)一。根據(jù)Vail等的標準［1］，二級層序?qū)诖蟮臉?gòu)造旋回或構(gòu)造幕，其界面應為區(qū)域性不整合或沉積間斷，界面上下構(gòu)造活動、沉積充填樣式應存在明顯差別。為了確定真正的二級層序界面，對上述3個界面的特征、構(gòu)造轉(zhuǎn)型規(guī)模及古環(huán)境特征進行了對比分析。

2.1 界面識別特征與規(guī)模

由層序界面的成因可知，界面級別越高則不整合規(guī)模越大、分布越廣，界面上下巖性組合、測井曲線、地震反射等識別特征越明顯。對比3個界面發(fā)現(xiàn)，沙四段上亞段與下亞段界面識別特征最明顯，不整合分布最廣。在巖性上，沙四段下亞段以紅色泥巖為主，夾灰色砂巖，與孔一段“雙紅”碎屑巖難以區(qū)分（孔一段—沙四段下亞段常合稱為“紅層”），而與沙四段上亞段暗色泥巖、含膏泥巖區(qū)別明顯；沙四段上亞段向上過渡到沙三段下亞段暗色泥巖、油泥巖，巖性上不易區(qū)分。

測井曲線上，沙四段上亞段與下亞段自然伽馬、電阻率、補償聲波時差等曲線特征差異明顯。如沙四段下亞段頂部自然伽馬曲線為鐘形旋回，而沙四段上亞段底部為齒化漏斗形；沙四段上亞段補償聲波時差曲線多呈高中幅尖刺狀，而界線之下呈低幅尖峰狀或微齒狀，界面上下幅度差異明顯；沙四段上亞段與下亞段的電阻率曲線幅度差異也很明顯（圖2）。相對而言，沙四段與孔店組、沙三段與沙四段界面的上述測井曲線變化特征均不明顯。

地震上，沙四段下亞段削截現(xiàn)象最明顯，角度不整合接觸關系清楚且分布最廣。如在東營凹陷連片三維Ⅰ-2545南北向地震剖面上，沙四段上亞段與下亞段角度不整合接觸關系從盆地南部邊緣一直延續(xù)到凹陷內(nèi)部南2井區(qū)。比較而言，沙四段與孔店組不整合接觸關系不明顯；沙三段與沙四段不整合接觸關系在純化構(gòu)造帶較明顯，到史12井區(qū)已變?yōu)榧僬辖佑|（圖3a）。與東營凹陷相似，沾化凹陷沙四段上亞段與下亞段不整合分布范圍也明顯大于沙四段與孔店組、沙三段與沙四段不整合分布范圍，且削截特征與不整合接觸關系更明顯（圖3b）。

圖2 濟陽坳陷東營凹陷南坡沙四段上亞段與下亞段界面巖電特征

圖3 濟陽坳陷層序界面及斷裂發(fā)育特征

2.2 構(gòu)造活動特征

高級別的層序界面對應大的構(gòu)造變動，沙四段上亞段與下亞段沉積時期斷裂活動、盆地伸展、地層展布特征及其所反映的應力背景，均證明該時期發(fā)生了較大的構(gòu)造轉(zhuǎn)型，沙四段上亞段與下亞段之間應為更高級別的不整合面。

2.2.1 斷裂活動特征

根據(jù)斷層的活動性統(tǒng)計，研究區(qū)邊界斷層在沙四段上亞段與下亞段沉積時期的活動特征存在明顯差異。以沾化凹陷為例，北西向邊界正斷層早在中生代末期就已開始發(fā)育，到沙四段下亞段沉積末期自西南向東北活動逐漸停止；而北東向邊界斷層多在沙四段上亞段沉積時期開始形成，并一直持續(xù)到沙三段及上部地層沉積時期。不僅如此，盆地內(nèi)部次級斷層在沙四段上亞段與下亞段的幾何特征也不盡相同。從沾化凹陷北東—南西向地震剖面（圖3b）可以看出，同為東西走向的盆內(nèi)斷層，在沙四段下亞段及深部地層中為南掉斷層，并終止于沙四段下亞段頂部；在沙四段上亞段則為北掉，并向上延伸至沙三段及上部地層。東營凹陷內(nèi)部斷層的發(fā)育與之相似（圖3a）。

斷裂活動性的差異反映了沙四段下亞段—上亞段沉積時期，構(gòu)造應力場從北東向拉張向北西向拉張轉(zhuǎn)化［19］，還說明孔店組與沙四段下亞段沉積時期、沙四段上亞段與沙三段沉積時期具有相似的應力背景，孔店組—沙四段下亞段與沙四段上亞段—沙三段分屬不同的構(gòu)造幕［20］。

2.2.2 盆地伸展變化

受斷裂活動差異性控制，濟陽坳陷沙四段上亞段與下亞段沉積時期伸展主方向也發(fā)生變化。由沾化凹陷不同方向盆地伸展率變化（圖4）可以看出，從中生代末期至沙四段下亞段沉積時期，盆地北東向伸展率逐漸增大，在沙四段下亞段沉積時期超過15%；到沙四段上亞段沉積時期伸展率急劇降低至2%以下（圖4a）。北西向盆地伸展率變化趨勢與之相反，沙四段下亞段沉積前盆地伸展率較小，到沙四段上亞段沉積時期突然增大（圖4b）。由此可見，沙四段下亞段沉積時期盆地沿承了（中生代末—）孔店組沉積時期北東向伸展的演化特征；到沙四段上亞段沉積時期，受構(gòu)造應力場轉(zhuǎn)化控制，盆地演化進入了一個新的階段，并延續(xù)至東營組沉積末期。

圖4 沾化凹陷不同方向盆地伸展率變化

2.2.3 地層展布特征

受斷裂及盆地伸展特征的影響，濟陽坳陷沙四段上亞段與下亞段地層展布的差異也最為明顯。以沾化凹陷渤南洼陷為例，在沙四段下亞段沉積時期，該洼陷地層發(fā)育主要受孤西斷層控制，厚度中心呈北西向展布，與孤西斷層走向平行（圖5a）；在沙四段上亞段沉積時期，北東向義東斷裂控制沉積，洼陷東部地層厚度中心與孤西斷層關系已不明顯，西部厚度中心呈北東向展布，與義東斷層平行（圖5b）。東營凹陷地層展布與此相似，沙四段下亞段沉積時期受陳南、石村斷層控制，發(fā)育2個北東厚、西南薄的北西西向厚度帶；沙四段上亞段沉積時期小營、高青等北東向斷層控制作用增強，地層走向向北東向偏移。

圖5 渤南洼陷沙四段地層展布特征

2.3 古氣候變化特征

與大的構(gòu)造變動相對應，層序界面上下的古氣候參數(shù)、古生物類型也會發(fā)生改變，成為層序界面識別的重要標志。因此，可以通過對比沙四段上亞段、下亞段與孔店組、沙三段等古氣候參數(shù)、古生物變化情況，來確定不整合級別。

2.3.1 古氣候參數(shù)變化

地質(zhì)時期氣候變化可被同期形成的沉積物、生物等記錄下來，沉積物中能夠直接反映古氣候的標

志包括礦物組合、元素比值、碳氧穩(wěn)定同位素比值等［21］，生物標志主要有孢粉、微體化石組合等［22-23］。筆者主要利用研究區(qū)孢粉、元素分析及氧同位素資料，通過溫度比值、濕度比值等相關參數(shù)計算，來分析古氣候變化情況。從古氣候參數(shù)的分布（圖6）來看，沙四段下亞段—上亞段沉積時期溫度比值從23.14%升高至56.53%，變化量達33.39%；濕度比值從27.52%升高至57.23%，增加了29.71%。而這2個參數(shù)在孔店組—沙四段下亞段和沙四段上亞段—沙三段沉積時期的變化量分別為15.76%，2.14%和2.23%，5.34%，均小于沙四段下亞段—上亞段的變化量，說明沙四段下亞段—上亞段沉積時期古氣候變化幅度最大。前人研究也認為濟陽坳陷沙四段上亞段與下亞段沉積時期分屬不同的氣候帶［22，24］。

圖6 濟陽坳陷古近系古氣候參數(shù)及主要化石分布

除利用孢粉計算溫度比值、濕度比值外，筆者還利用大量的元素分析數(shù)據(jù)，計算了C值（∑（Fe+Zn+Cr+V+Co+Ni）/∑（Ca+Mg+Sr+Ba+Na+K））和Fe/Mn等氣候參數(shù)，前者反映氣候干濕程度，其值越大說明氣候越潮濕；后者反映溫濕情況，高值代表溫濕氣候，低值代表干熱氣候。從C值和Fe/Mn的分布可以看出，這2個參數(shù)在沙四段上亞段與下亞段沉積時期均發(fā)生了急劇變化，而在孔店組—沙四段下亞段和沙四段上亞段—沙三段沉積時期變化幅度較?。▓D6）。此外，碳酸鹽巖氧同位素也具有相似特征。

2.3.2 化石分布特征

古氣候的變化，特別是溫度、干濕度的突變，會導致耐受性低的生物滅絕及新物種的出現(xiàn)，因此可以根據(jù)古生物類型及分布確定地層之間的關系。從濟陽坳陷主要化石的分布情況可以看出，沙四段上亞段與下亞段的化石種類分別與下伏孔店組、上覆沙三段相似，而2個亞段之間很少有相同的古生物類型（圖6）。例如，Gyrogona gianjiangica（潛江偏輪藻）在孔店組—沙四段下亞段均有分布，而到沙四段上亞段消失；沙四段上亞段新出現(xiàn)的Huabeinia obscura（隱瘤華北介）和Austrocypris levis（光滑南星介）在沙三段仍有產(chǎn)出［23，25］。生物化石的這種分布特點說明孔店組與沙四段下亞段、沙四段上亞段與沙三段下亞段沉積時期的生態(tài)環(huán)境相似，而沙四段上亞段與下亞段沉積時期的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較大變化。

據(jù)古氣候變化特征可知，相對于孔店組—沙四段下亞段和沙四段上亞段—沙三段沉積時期，沙四段下亞段—上亞段沉積時期氣候與生態(tài)環(huán)境變化最大，沙四段上亞段與下亞段之間不整合規(guī)模最大、級別最高。這與賀振建等提出將目前沙三段與沙四段二級不整合下移至沙四段內(nèi)部的觀點一致［23］。

3 二級層序重建及其石油地質(zhì)意義

3.1 二級層序重建

從上述分析可知，相對于沙三段與沙四段、沙四段與孔店組，沙四段上亞段與下亞段不整合面級別更高，應為一個二級層序界面，而沙四段與孔店組、沙三段與沙四段界面上下構(gòu)造應力、古氣候變化幅度及界面規(guī)模較小，應為三級層序界面。根據(jù)這一認識，并結(jié)合構(gòu)造旋回和沉積充填特征，確定了濟陽坳陷古近系二級層序劃分方案，即分別以沙四段上亞段與下亞段、沙二段上亞段與下亞段為界，將其從下至上劃分為SS1，SS2，SS3共3個二級層序，分別對應孔店組—沙四段下亞段、沙四段上亞段—沙二段下亞段、沙二段上亞段—東營組（圖7），與宋國奇［8］和杜振川等［13］的劃分方案一致。

圖7 濟陽坳陷古近系地層層序與構(gòu)造演化

3.2 石油地質(zhì)意義

從基準面升降旋回控制沉積充填的觀點來看，將沙三段與沙四段作為二級層序界面，難以說明沙四段上亞段、沙三段下亞段巖性成因，特別是沙三段下亞段泥頁巖、油泥巖的成因問題。筆者的劃分方案將沙四段上亞段—沙二段下亞段劃歸為1個二級層序，為其提供了合理的解釋。從巖性上看，沙四段上亞段發(fā)育灰色泥巖、油頁巖夾碳酸鹽巖和砂巖，為一個水體不斷加深的過程［26］，向上過渡為沙三段下亞段深湖厚層油頁巖沉積，并與沙三段上亞段—沙二段下亞段濱淺湖、河流相沉積構(gòu)成完整的水進—水退旋回。

不同級別層序界面與成藏要素的關系及在油氣成藏中的作用不同。濟陽坳陷古近系層序界面級別的重新厘定，特別是沙四段上亞段與下亞段二級不整合級別的確定，對分析二級層序控制下的油氣成藏要素組合及成藏特征具有重要意義。首先，明確了沙四段上亞段烴源巖的發(fā)育環(huán)境，為客觀評價其供烴能力提供了理論依據(jù)；其次，彰顯了該界面作為油氣運移通道的有效性，可以有效指導圈閉評價。在該認識指導下部署的多口探井均取得成功，擴展了油氣勘探領域［27-29］。例如，2010年完鉆羅68井，鉆遇預計中的沙四段下亞段地層-巖性油藏，之后多口探井取得成功，2011年上報控制儲量720×104t。

4 結(jié)束語

通過對比濟陽坳陷3個層序界面的特征發(fā)現(xiàn)，相對于沙四段與孔店組、沙三段與沙四段界面，沙四段上亞段與下亞段不整合接觸關系明顯，而且分布廣，構(gòu)造轉(zhuǎn)型特征與古氣候、古生態(tài)環(huán)境變化更加明顯。由此認為，沙四段上亞段與下亞段不整合級別較沙四段與孔店組、沙三段與沙四段高，為二級層序界面。將古近系從下至上劃分為SS1，SS2和SS3共3個二級層序，分別對應孔店組—沙四段下亞段、沙四段上亞段—沙二段下亞段、沙二段上亞段—東營組；該方案合理解釋了沙四段上亞段、沙三段下亞段烴源巖成因機理；為沙四段上亞段烴源巖評價及該界面作為油氣運移通道的有效性分析提供了依據(jù)，對沙四段上亞段與下亞段油氣成藏要素組合分析、成藏特征研究及隱蔽油氣藏勘探具有重要意義。

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