東營(yíng)凹陷半深湖東營(yíng)凹陷半深湖深湖細(xì)粒沉積巖巖相類型及特征

東營(yíng)凹陷半深湖東營(yíng)凹陷半深湖深湖細(xì)粒沉積巖巖相類型及特征

在沉積盆地，細(xì)粒沉積物數(shù)量很大。目前，對(duì)深溝槽底土的基本研究，尤其是對(duì)巖相的研究，處于探索階段。看似簡(jiǎn)單的細(xì)粒沉積其實(shí)是砂-泥-灰(云)在巖石和地層的不同巖相組合,與北美海相頁(yè)巖地層不同,陸相湖盆細(xì)粒沉積巖巖相復(fù)雜、相變快、非均質(zhì)性強(qiáng),且不同巖相儲(chǔ)集性能和生烴能力差異較大。從目前細(xì)粒沉積巖的研究程度來(lái)看,巖相的研究主要在海相沉積;湖相細(xì)粒沉積巖的研究主要集中在烴源巖的地球化學(xué)特征、湖盆演化特征、泥頁(yè)巖礦物的組成等方面,巖相的系統(tǒng)劃分及特征的細(xì)致研究相對(duì)匱乏。泥頁(yè)巖油氣是未來(lái)一種主要的接替能源,隨著湖盆中心油氣勘探新領(lǐng)域的開(kāi)辟,有必要深化湖相深水細(xì)粒沉積巖的巖相基礎(chǔ)研究,詳細(xì)解剖泥頁(yè)巖的巖石類型、組成和組構(gòu),從而進(jìn)一步指導(dǎo)泥頁(yè)巖油氣勘探。筆者以東營(yíng)凹陷西部地區(qū)沙三段—沙四段為例,對(duì)半深湖—深湖細(xì)粒沉積巖巖相類型及其特征進(jìn)行研究。1細(xì)粒沉積巖的成分東營(yíng)凹陷是典型的中新生代陸相斷陷湖盆,由利津、博興、牛莊等次級(jí)洼陷組成凹陷的主體。古近系由孔店期和沙四期的咸水湖相、沙三期的微咸水—淡水湖相、沙二期河流—三角洲相構(gòu)成了一個(gè)典型的沉積旋回。沙四中晚期—沙三期是東營(yíng)凹陷強(qiáng)烈斷陷期,廣泛分布的深水—半深水環(huán)境為細(xì)粒沉積巖的發(fā)育提供了有利的條件與場(chǎng)所。在盆地北部及次級(jí)洼陷中部的半深湖—深湖、濁流及近岸水下扇前緣均發(fā)育細(xì)粒沉積巖,以半深湖—深湖為主。細(xì)粒沉積巖主要指粉砂級(jí)(粒徑為3.9~62μm)和黏土級(jí)(粒徑小于3.9μm)沉積物,其主要成分包含粉砂、黏土礦物、碳酸鹽、有機(jī)質(zhì)、炭質(zhì)等;半深湖—深湖細(xì)粒沉積巖巖石類型復(fù)雜,包括油田錄井中涉及的泥巖、頁(yè)巖、灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖以及灰?guī)r和白云巖等。2根據(jù)細(xì)粒沉積相的劃分對(duì)于以深灰—灰黑為主要顏色的湖相深水細(xì)粒沉積巖,巖相的劃分應(yīng)將礦物組分作為最重要依據(jù),在此基礎(chǔ)上考慮層理構(gòu)造、有機(jī)質(zhì)含量等特征。2.1半深湖—礦物組分不同沉積環(huán)境的細(xì)粒沉積巖在礦物組成上有明顯差異,渤海灣盆地新生界陸(湖)相泥頁(yè)巖鈣質(zhì)含量較高,鄂爾多斯盆地中生界湖相細(xì)粒沉積巖石英含量較高。張善文等對(duì)渤南洼陷古近系3套細(xì)粒沉積巖的發(fā)育特征進(jìn)行了研究,認(rèn)為全巖礦物組成均表現(xiàn)出低黏土、高脆性礦物的特征。東營(yíng)凹陷半深湖—深湖細(xì)粒沉積巖主要由碳酸鹽、黏土礦物和長(zhǎng)英質(zhì)陸源碎屑礦物組成,此外含少量黃鐵礦、菱鐵礦等,幾乎不含鉀長(zhǎng)石(表1)。對(duì)利津洼陷(LY1井)、博興洼陷(FY1井、F119井)、牛莊洼陷(NY1井)120個(gè)樣品點(diǎn)進(jìn)行全巖X衍射,結(jié)果顯示,碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)集中在10%~70%,變化范圍較大,主要為隱晶方解石;石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍較高,平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)20%;黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%~57%,平均為33%,低于海相泥巖和傳統(tǒng)觀點(diǎn),這可能與湖盆面積相對(duì)較小且近物源有關(guān)。對(duì)其中的50塊樣品進(jìn)行黏土礦物X射線衍射分析,結(jié)果顯示,黏土礦物類型主要為伊利石、伊/蒙混層,綠泥石及高嶺石含量低。此外,常見(jiàn)介形蟲(chóng)等浮游生物化石,亦常見(jiàn)分散狀自生黃鐵礦分布于泥巖中。2.2巖相類型表1沉積巖的原生構(gòu)造是定名和分析其成因的重要依據(jù)。東營(yíng)凹陷半深湖—深湖細(xì)粒沉積巖具有豐富的層理構(gòu)造類型。巖心觀察可識(shí)別的宏觀層理構(gòu)造有塊狀層理(厚度大于10cm)、水平層理、波狀層理、交錯(cuò)層理等(圖1)。水平層理按單層厚度又可劃分為頁(yè)狀層理(即頁(yè)理)和紋理。王冠民認(rèn)為紋層的組合方式、比例和紋層的穩(wěn)定程度不同,所構(gòu)成的巖相類型也不同。鏡下觀察,發(fā)育水平層理的細(xì)粒沉積巖,主要由方解石(鐵白云石)紋層、有機(jī)質(zhì)紋層和黏土紋層組成(圖1(a))。紋層狀構(gòu)造(水平細(xì)層厚度小于1mm)是東營(yíng)凹陷半深湖—深湖細(xì)粒沉積巖最為發(fā)育的層理構(gòu)造類型。鏡下觀察,黏土、炭質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、陸源碎屑等呈定向排列或呈條帶狀順層分布(圖1(d)、(f)、(h))。頁(yè)狀構(gòu)造(水平細(xì)層厚度為1~10mm)特指頁(yè)狀層理發(fā)育的沉積構(gòu)造類型。水平細(xì)層界限清晰、連續(xù)性好,其中頁(yè)狀黏土巖(狹義的頁(yè)巖)沿層理方向易剝裂、分離(圖1(c)、(g))。通過(guò)巖心及顯微鏡觀察,東營(yíng)凹陷湖相深水細(xì)粒沉積巖主要發(fā)育紋層狀構(gòu)造、頁(yè)狀構(gòu)造及少量塊狀構(gòu)造,波狀層理及交錯(cuò)層理僅在部分樣品中可見(jiàn)。3細(xì)粒沉積巖分類方案細(xì)粒沉積巖是復(fù)雜的巖石類型組合。針對(duì)陸相斷陷湖盆細(xì)粒沉積巖的巖相劃分方案應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:(1)要體現(xiàn)細(xì)粒沉積巖在礦物組成及宏、微觀沉積構(gòu)造上的多樣性;(2)巖相分類應(yīng)便于巖相發(fā)育機(jī)制的探討及沉積微環(huán)境的研究;(3)應(yīng)把握易于鑒別和操作的原則,便于油氣勘探工作的實(shí)際應(yīng)用。充分考慮以上條件,本次巖相劃分在前人研究基礎(chǔ)上,綜合礦物組成、沉積構(gòu)造、有機(jī)質(zhì)含量、顏色等因素,在沉積成因的限制下,建立一套適合東營(yíng)凹陷湖相深水細(xì)粒沉積巖的多要素巖相命名分類方案(表2)。以主要礦物組分的含量為主要依據(jù),把碳酸鹽、黏土、長(zhǎng)英質(zhì)礦物作為三端元,以其各自質(zhì)量分?jǐn)?shù)的50%為界,將細(xì)粒沉積巖劃分為4類:碳酸鹽巖(又可分為白云巖和灰?guī)r)、黏土巖(泥巖)和粉砂巖,隨著混入組分含量的增加,則形成過(guò)渡巖石類型,暫命名為混合細(xì)粒巖,該巖石類型中黏土礦物、碳酸鹽礦物以及陸源碎屑礦含量均未大于50%。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)有機(jī)質(zhì)的含量(結(jié)合TOC測(cè)試結(jié)果,暫以TOC含量1.5%、4%為界)將細(xì)粒沉積巖劃分為“貧有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖”、“中有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖”以及“富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖”3類,綜合考慮宏觀沉積構(gòu)造及微觀層理類型對(duì)巖相進(jìn)行劃分。在巖心及鏡下觀察的基礎(chǔ)上,結(jié)合TOC測(cè)試及X衍射結(jié)果可以看出:發(fā)育塊狀構(gòu)造的細(xì)粒沉積巖有機(jī)質(zhì)含量普遍較低,紋層狀及頁(yè)狀構(gòu)造發(fā)育的細(xì)粒沉積巖中TOC含量普遍大于1.5%,僅有少量斷續(xù)狀紋層發(fā)育的巖相呈現(xiàn)出“貧有機(jī)質(zhì)”的特點(diǎn);細(xì)粒沉積巖顏色以深灰、灰、灰黑色為主;有機(jī)質(zhì)含量越高,巖相的主色調(diào)越深。這樣就克服了特征組合法劃分巖相可能存在幾百種組合方式的弊端。4細(xì)粒沉積相類型富有機(jī)質(zhì)紋層狀灰?guī)r、富有機(jī)質(zhì)頁(yè)狀灰?guī)r、中有機(jī)質(zhì)紋層狀混合細(xì)粒巖、富有機(jī)質(zhì)頁(yè)狀黏土巖和貧有機(jī)質(zhì)塊狀混合細(xì)粒巖是最為發(fā)育的5種巖相類型,約占所有細(xì)粒沉積巖相類型的80%,且這5種巖相對(duì)于細(xì)粒沉積巖的沉積環(huán)境有重要的指示意義。4.1巖相特征表1中有機(jī)質(zhì)紋層狀混合細(xì)粒巖是東營(yíng)凹陷最發(fā)育的細(xì)粒沉積巖巖相類型,占所有細(xì)粒沉積巖巖相類型的32%。主要包括灰(云)質(zhì)泥巖、含灰(云)泥巖以及少量粉砂質(zhì)泥巖,主要發(fā)育在沙三下地層上部及沙四上地層中上部,TOC為1.5%~3.8%。總體呈灰色,由淺色紋層與暗色紋層在垂向上頻繁疊置構(gòu)成,淺色紋層斷續(xù)分布,紋層間界限較模糊。鏡下觀察,淺色紋層主要為隱晶方解石層,由大小不一(3~20μm)的灰泥透鏡體斷續(xù)組成,局部可見(jiàn)連續(xù)性較好的鈣質(zhì)紋層;暗色層主要為有機(jī)質(zhì)含量較高的黏土層。有機(jī)質(zhì)呈分散狀、斷續(xù)紋層狀及短線狀分布。該巖相發(fā)育于半閉塞、半咸水湖相;發(fā)育季節(jié)性紋理,冬季湖水分層使底層水處于缺氧環(huán)境,沉積富含有機(jī)質(zhì)的黏土層,夏季富含碳酸鈣的底層水由于分層消失,發(fā)生循環(huán)進(jìn)入表層,形成泥晶方解石沉淀。測(cè)井曲線上表現(xiàn)為“四中、一中或高、一小幅異?！?即中聲波時(shí)差、中自然伽馬、中補(bǔ)償中子、中補(bǔ)償密度值,中或高視電阻率值,自然電位小幅度異常。4.2層間縫與質(zhì)控該巖相集中發(fā)育于沙三下亞段中下部,占所有細(xì)粒沉積巖巖相類型的22%。總體呈深灰色,淺色紋層與深色紋層互層,淺色紋層比例較大,界限較清晰;發(fā)育構(gòu)造縫(高、低角度構(gòu)造縫均發(fā)育,普遍將紋層錯(cuò)斷,部分裂縫充填方解石)、異常壓力縫以及少量層間縫。在構(gòu)造裂縫不太發(fā)育的地區(qū),由成巖收縮造成的層間縫會(huì)成為主要的儲(chǔ)集空間。淺色層主要為方解石層,暗色層為富有機(jī)質(zhì)黏土層,層間可見(jiàn)細(xì)小石英顆粒半定向分布;激光共聚焦觀察可見(jiàn),有機(jī)質(zhì)賦存方式以順層狀為主(圖2)。富有機(jī)質(zhì)紋層狀灰?guī)r是氣候潮濕、相對(duì)穩(wěn)定的持續(xù)沉降下廣闊深湖區(qū)的產(chǎn)物。Sr/Ba值總體小于0.5,湖水鹽度較小;石英長(zhǎng)石含量低而黃鐵礦含量較高,反映陸源輸入減少的強(qiáng)還原環(huán)境,沉積物中有機(jī)碳含量相對(duì)豐富。測(cè)井曲線上表現(xiàn)為“三高、一中或高、一低、一異常”,即高聲波時(shí)差、高視電阻率、高補(bǔ)償中子值,中或高自然伽馬值,低補(bǔ)償密度值,自然電位較明顯幅度異常。4.3心截面頁(yè)理間及巖相特征富有機(jī)質(zhì)頁(yè)狀灰?guī)r又稱為鈣片頁(yè)巖,在LY1、FY1井巖心中最為常見(jiàn),約占所有巖相類型的10%。X衍射結(jié)果顯示,其與紋層狀灰?guī)r在主要的礦物組分上類似,均呈現(xiàn)低黏土、高鈣質(zhì)含量的特點(diǎn),含少量黃鐵礦。白色方解石部分呈具有一定厚度的脈狀或夾層狀(3.0~10.0mm)產(chǎn)出,垂向上可形成多個(gè)白色夾層的似疊瓦狀排列。部分巖心截面頁(yè)理間可見(jiàn)細(xì)小植物葉片化石和炭質(zhì)結(jié)核。鈣質(zhì)夾層與紋層間界限清晰易辨。由于鈣質(zhì)夾層與富有機(jī)質(zhì)黏土層在礦物成分及力學(xué)性質(zhì)上差異較大,加之有機(jī)質(zhì)含量高且較為集中,層間縫大量發(fā)育(圖2),易剝離。鏡下觀察方解石呈重結(jié)晶狀態(tài),晶間孔發(fā)育;偶爾可見(jiàn)極少量的石英顆粒散布在有機(jī)質(zhì)層內(nèi)。激光共聚焦觀察發(fā)現(xiàn),有機(jī)質(zhì)兼有分散狀和順層富集的特點(diǎn)。富有機(jī)質(zhì)頁(yè)狀灰?guī)r多是富碳酸鹽、富有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒沉積物在晚成巖期的產(chǎn)物,白色的鈣質(zhì)夾層發(fā)育于相對(duì)閉塞的還原弱水動(dòng)力環(huán)境;重結(jié)晶方解石的發(fā)育與碳酸鹽含量及有機(jī)質(zhì)豐度均有密切關(guān)系。該巖相雖然總體厚度不大(0.1~1.2m),但在沙三下層序中下部及沙四上層序中上部出現(xiàn)頻繁,沉積環(huán)境應(yīng)該與頁(yè)狀黏土巖(黑色頁(yè)巖)相似,與半咸水湖、咸水湖相環(huán)境有關(guān);與紋層狀灰?guī)r相比,湖水深度減小,水體較清澈;陸源碎屑輸入及外來(lái)溶解的碳酸鹽影響較小。富有機(jī)質(zhì)頁(yè)狀灰?guī)r與紋層狀灰?guī)r具有相似的測(cè)井響應(yīng)特征,由于頁(yè)狀灰?guī)r中方解石重結(jié)晶形成的晶間孔縫更為發(fā)育,使得有機(jī)質(zhì)及烴類流體更為富集,頁(yè)狀灰?guī)r的視電阻率值普遍稍高于紋層狀灰?guī)r,對(duì)應(yīng)刀鋒狀高電阻值。4.4融合型細(xì)粒巖相該巖相主要發(fā)育于大套泥頁(yè)巖發(fā)育段的底部及頂部,約占所有巖相類型的8%。當(dāng)粉砂質(zhì)碎屑含量增大時(shí),逐漸向粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖過(guò)渡。TOC低(1.3%~2%),呈分散狀(圖2)、團(tuán)塊狀或礦物瀝青基質(zhì)產(chǎn)出。該巖相灰—深灰色,較均勻塊狀,除極少量斷續(xù)紋層外,宏觀無(wú)層理。部分黃鐵礦呈不規(guī)則透鏡體狀產(chǎn)出。長(zhǎng)英質(zhì)礦物、黏土礦物與隱晶碳酸鹽礦物相混合,局部見(jiàn)黃鐵礦、介形蟲(chóng)碎片、炭屑略定向分布。此外,塊狀粉砂質(zhì)泥巖的巖石密度小于塊狀灰質(zhì)泥巖。塊狀混合細(xì)粒巖主要發(fā)育在低位體系域及高位體系域,在貧有機(jī)質(zhì)紋層狀灰?guī)r段也可見(jiàn)該巖相。塊狀的混合細(xì)粒巖尤其是粉砂質(zhì)泥巖,指示水體變淡變淺無(wú)分層、陸源輸入增強(qiáng)的循環(huán)含氧-弱還原環(huán)境,有機(jī)質(zhì)不易保存。貧有機(jī)質(zhì)混合細(xì)粒巖測(cè)井響應(yīng)特征為“一高、兩中、一低或中、一低、無(wú)異常”,即高補(bǔ)償密度值,中補(bǔ)償中子、自然伽馬值,低或中聲波時(shí)差值,低視電阻率值,自然電位無(wú)異常。4.5頁(yè)狀黏土巖方面多數(shù)學(xué)者將該巖相命名為“黑色頁(yè)巖”,該巖相所占比例為8%~10%,主要發(fā)育在沙三下、沙四上層序的湖侵體系域。有機(jī)質(zhì)含量3.8%~6%。通過(guò)巖心觀察發(fā)現(xiàn)其總體上與頁(yè)狀灰?guī)r以及紋層狀混合細(xì)粒巖以巖相組合的形式出現(xiàn),作為單一巖相出現(xiàn)時(shí),厚度小于1.5m。顏色黑—灰黑,頁(yè)理發(fā)育,硬度較小多呈薄片狀,少部分巖樣可見(jiàn)白色鈣質(zhì)紋層稀疏夾于頁(yè)理間。由富有機(jī)質(zhì)泥質(zhì)紋層(暗色層)與黏土紋層(較暗色層)組成。紋層特征不明顯,界限不夠清晰;石英顆粒為粉砂級(jí)別,順層性及定向性較差。顏色深、有機(jī)質(zhì)豐富,表明湖水為長(zhǎng)期缺氧的深水環(huán)境,是鹽度、溫度所造成湖水密度持久分層的結(jié)果。該巖相指示冬季湖水分層形成的湖底強(qiáng)還原環(huán)境,水體少受擾動(dòng),湖中生物遺體可以在這種安靜缺氧的還原環(huán)境中得以較好的保存,FY1井頁(yè)狀黏土巖頁(yè)理間常見(jiàn)完整的魚(yú)類化石。頁(yè)狀黏土巖與頁(yè)狀灰?guī)r往往以巖相組合的形式間或出現(xiàn)在大套泥頁(yè)巖中,加之常規(guī)測(cè)井方法的分辨率有限,頁(yè)狀黏土巖在測(cè)井曲線上難以進(jìn)行識(shí)別。頁(yè)狀黏土巖較集中出現(xiàn)的細(xì)粒沉積巖段,測(cè)井曲線起伏幅度介于紋層狀混合細(xì)粒巖與頁(yè)狀灰?guī)r之間(圖2)。5細(xì)粒沉積相分布及巖石沉積層5.1細(xì)粒巖分布及沉積相以東營(yíng)凹陷西部為例,在明確古地貌特征及粗碎屑骨架沉積相特征的基礎(chǔ)上,總結(jié)主要細(xì)粒沉積巖巖相類型在平面上的分布特征。如圖3所示,富有機(jī)質(zhì)頁(yè)狀黏土巖分布范圍較小,主要發(fā)育在靠近洼陷北部陡坡的深洼區(qū);紋層狀灰?guī)r及頁(yè)狀灰?guī)r的分布面積較大,主要發(fā)育在富有機(jī)質(zhì)頁(yè)狀黏土巖周緣以及南部次洼。紋層狀、頁(yè)狀混合細(xì)粒巖呈環(huán)帶狀分布在灰?guī)r周?chē)?面積較大;在博興洼陷,紋層狀混合細(xì)粒巖主要發(fā)育在洼陷北部純化構(gòu)造帶附近。塊狀混合細(xì)粒巖及粉砂巖、主要分布在靠近物源、濁積巖周緣及斷裂帶的附近半深湖—濱淺湖過(guò)渡區(qū),反映了強(qiáng)水動(dòng)力條件下陸源輸入及濁流的影響?？傮w上各主要巖相自湖盆中心向?yàn)I淺湖(岸)呈環(huán)帶狀分布。5.2半深湖—細(xì)粒沉積巖的沉積模式針對(duì)陸相湖盆細(xì)粒沉積巖的沉積模式,部分學(xué)者進(jìn)行了探討和研究。結(jié)合東營(yíng)凹陷西部沙三下—沙四上沉積期古地貌、氣候演化特征,分析細(xì)粒沉積巖在礦物成分、沉積構(gòu)造、有機(jī)質(zhì)含量等方面垂向變化規(guī)律,總結(jié)東營(yíng)凹陷西部半深湖—深湖細(xì)粒沉積巖的沉積模式(圖4)。6貧有機(jī)質(zhì)網(wǎng)狀混合細(xì)粒巖(1)看似單一的半深湖—深湖細(xì)粒沉積巖其實(shí)包括了多種巖石類型的組合,不同巖相所反映的沉積微環(huán)境也有所不同。東營(yíng)凹陷半深湖—深湖發(fā)育紋層狀灰?guī)r、頁(yè)狀灰?guī)r、頁(yè)狀白云巖、塊狀白云巖、頁(yè)狀黏土巖、粉砂巖、頁(yè)狀混合細(xì)粒巖、紋層狀混合細(xì)粒巖、塊狀混合細(xì)粒巖等9類巖相。引入有機(jī)質(zhì)豐度并進(jìn)行亞類的劃分,可結(jié)合泥頁(yè)巖出油井段試油數(shù)據(jù)及測(cè)井曲線特征進(jìn)行優(yōu)勢(shì)有利巖相的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè),便于泥頁(yè)巖油氣的勘探。(2)富有機(jī)質(zhì)紋層狀灰?guī)r、中有機(jī)質(zhì)紋層狀混合細(xì)粒巖、富有機(jī)質(zhì)頁(yè)狀黏土巖、富有機(jī)質(zhì)頁(yè)灰?guī)r以及貧有機(jī)質(zhì)塊狀混合細(xì)粒巖是研究區(qū)最為發(fā)育的5種巖相類型,且代表了不同的沉積微環(huán)境,主要巖相自湖盆中心向?yàn)I淺湖(岸)呈環(huán)帶