山东东营凹陷南坡地区沙四段纯下亚段湖相碳酸盐岩滩坝发育的控制因素探讨*
宋国奇1, 王延章2, 路达3, 闫瑞萍3, 杨静4
1 中国石化胜利油田分公司,山东东营 257001
2 中国石化胜利油田分公司胜利职业学院,山东东营 257000
3 中国石油辽河油田勘探开发研究院,辽宁盘锦 124010
4 中国石油大港油田采油工艺研究院,天津 300280

第一作者简介 宋国奇,男,1957年生,博士,教授级高级工程师,胜利油田油气勘探首席专家,长期从事石油地质与油气成藏研究。E-mail:songguoqi@slof.com

摘要

碳酸盐岩滩坝是断陷湖盆中一种重要的沉积类型。文章通过对古气候、古地貌、古物源、古水深和古盐度等因素对碳酸盐岩滩坝形成与分布控制作用进行研究,总结出了“古气候是基础,古地貌和古物源是条件,古水深是关键,古盐度是保障”是东营凹陷南坡地区沙河街组四段纯下亚段碳酸盐岩滩坝的“五古”控制模式。较干旱的温热适中的古气候条件下蒸发作用较强,有利于湖相碳酸盐岩的形成;水下隆起及其斜坡是碳酸盐岩滩坝沉积的有利场所,较低的碎屑岩物源供给指数为碳酸盐岩的发育提供了良好的环境; 3~32, m左右的古水深是碳酸盐岩发育的主要深度;古盐度为碳酸盐岩的沉积提供了物质保障,在一定程度上控制了白云岩和石灰岩的分布。采用主因素分析法对碳酸盐岩的控制因素进行了排序,古地貌对碳酸盐岩发育的控制作用最大,其次为古物源和古水深,古盐度的控制作用最小。

关键词: 湖相碳酸盐岩; 滩坝; 五古控制因素; 东营南坡; 控制作用
中图分类号:P512 文献标志码:文章编号:1671-1505(2012)05-0565-06 文章编号:1671-1505(2012)05-0565-06
Controlling factors of carbonate rock beach and bar development in lacustrine facies in the Chunxia submember of Member 4 of Shahejie Formation in south slope of Dongying Sag,Shandong Province
Song Guoqi1, Wang Yanzhang2, Lu Da3, Yan Ruiping3, Yang Jing4
1 Shengli Oilfield,SINOPEC,Dongying 257001,Shandong
2 Shengli Professional Academy in Shengli Oilfield,SINOPEC,Dongying 257000,Shandong
3 Research Institute of Exploration & Development of Liaohe Oilfield,PetroChina,Panjin 124010,Liaoning
4 Oil Production Technology Research Institute of Dagang Oilfield,PetroChina,Tianjin 300280

About the first author Song Guoqi,born in 1957,professorial engineer with a Ph.D.degree,is the chief expert in petroleum exploration in Shengli Oilfield.Now he is engaged in the research of oil geology and petroleum reservoir.E-mail:songguoqi@slof.com.

Abstract

The carbonate rock beach and bar is an important sedimentation type in rift lacustrine basin.This paper studies the control on the formation and distribution of carbonate rock beach and bar and studies the elements such as the palaeoclimate,palaeogeomorphology,palaeoprovenance,palaeowater depth,palaeosalinity,and puts forward the “five-palaeo” control model for the submember of Chunxia of Member 4 of Shabejie Formation in south slope of Dongying Sag, such as “the palaeoclimate is the background,palaeogemorphology and palaeoprovenance is the condition,palaeowater depth is the key,the palaeosalinity is the guarantee”.The evaporation in relatively dry and moderate temperature and thermal geologic climate environment is relatively powerful and is favourable for forming carbonate rocks of lacustrine facies.The subaqueous uplift and slope are the favorable area of carbonate rock beach and bar sedimentary facies.The lower degree of clastic rock source providing is the favorable locality of carbonate rocks development. The palaeowater depth of 3-32,m or so is the main area for the carbonate rocks development.The palaeosalinity offers the substance guarantee for the carbonate rocks development and it controls the distribution of the dolomite and limestone.Using the dominant factor analysis the authors make sequence array on the controlling factors.The palaeogeomorphology is the main factor, provenances and palaeowater depth is the secondly,and the palaeosalinity is the factor with the lowest control.

Key words: carbonate rock of lacustrine facies; beach and bar; “five-palaeo” control model; south slope of Dongying Sag; control action

碳酸盐岩滩坝是断陷湖盆中一种重要的沉积类型。由于其规模和发育程度不及河流、三角洲、砂岩滩坝等沉积体, 因此其研究程度相对较低(杜韫华, 1990; 王洪宝等, 2004; 郭洪金等, 2006)。作者以东营凹陷南坡东段沙四段为例, 对控制碳酸盐岩沉积的古气候、古地貌、古物源、古水深和古盐度等因素进行了较为系统的研究。

1 地质概况

东营凹陷位于济阳坳陷东南部, 四周分别为陈家庄凸起, 青坨子凸起, 广饶凸起、鲁西隆起和滨县凸起(朱光有等, 2005)。东营凹陷可进一步划分为北部陡坡带、中部洼陷带和南部缓坡带(图 1)。钻井揭示的地层有太古界、古生界、中生界、新生界。古近系包括孔店组、沙河街组、东营组, 沙河街组可进一步划分为一段、二段、三段和四段, 沙四段由上、下两个亚段组成。其中, 南部缓坡带的沙四上亚段是湖相碳酸盐岩滩坝发育的主要层段, 包含纯上和纯下两部分(图 2)。

图1 东营凹陷区域构造位置(据朱光有等, 2005; 张琴等, 2007)Fig.1 Tectonic location of Dongying Sag(Modified from Zhu et al., 2005; Zhang et al., 2007 )

图2 东营凹陷南坡沙四段综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of the Member 4 of Shahejie Formation in south slope of Dongying Sag

沙四段滩坝鲕粒灰岩和破碎的生物介壳灰岩发育, 以较高能环境为主(图 3)。其中, 邻近凸起的南半部分其石灰岩主要以砂屑石灰岩、鲕粒石灰岩和生物石灰岩、亮晶石灰岩为主, 白云岩主要以亮晶为主; 而邻近洼陷的北部石灰岩以泥晶石灰岩为主, 白云岩也主要以泥晶为主。

图3 东营凹陷湖相碳酸盐岩滩坝镜下特征Fig.3 Microphotograph showing characteristics of thin slice of carbonate rocks in lacustrine facies of Dongying Sag

2 碳酸盐岩滩坝发育的控制因素
2.1 古气候

利用孢粉法、古气候指数法、元素纵向变化分析法和元素比值法等方法(王云飞, 1993)研究了沙四段古气候的特征, 在此基础上分析了古气候对滩坝沉积的控制作用。

沙四段主要的孢粉分组如下:

湿生组(M):山毛榉粉属、桤木粉属、椴粉属、莲粉属和眼子菜粉属。

旱生组(A):麻黄粉属、朴粉属、蕨孢属和凤尾蕨孢属。

喜热组:松粉属、芸香粉属、漆树粉属、枫香粉属、水龙骨单缝孢属、栎粉属、杉粉属、鸡爪勒粉属、油杉粉属、紫树粉属、蕨孢属、山矾粉属、雪松粉属、枫香粉属、化香树粉属和山核桃粉属。

喜温组:榆粉属、桤木粉属、麻黄粉属、朴粉属、桦粉属、胡桃粉属、山萝卜粉属和榛粉属。

通过以上孢粉类型的划分, 可以识别古气候的干湿、温热环境, 从而对古气候进行分析。

根据前人对沙四段古地磁、古纬度和孢粉资料的分析(齐永安等, 1998; 邱桂强等, 2001; 朱宗浩等, 2003; 屈文军等, 2004; 王冠民, 2005), 认为沙四下亚段沉积时, 气温相当中亚热带北缘至北亚热带, 至沙四纯下亚段沉积时期, 温度较低, 相对较干旱; 纯上亚段沉积时期温度略偏高、偏潮湿。通过古气候与碳酸盐岩滩坝发育层段的对比, 发现滩坝主要发育于中等的温度条件和略偏干燥的湿度环境。蒸发作用较强的较干燥环境有利于化学岩的形成和碳酸盐岩滩坝的发育。同时, 适宜的气候条件使得腹足类和介形类等底栖生物大量繁盛, 为生物碳酸盐岩的形成提供了物质基础(王冠民等, 2002; 武刚等, 2004)。

2.2 古地貌

在沉积背景研究的基础上, 通过目的层厚度的计算、剥蚀量恢复和压实校正(宋国奇等, 2000), 定量地对沙四段纯下各沉积时期的古地貌进行了恢复。将碳酸盐岩的发育与古地貌进行叠合, 发现碳酸盐岩主要分布在物源供给不足的水下隆起区和斜坡区, 即主要分布在陈官庄台地和Tg3、王家岗走滑构造带两个区域(图 4)(王延章等, 2011a)。

图4 东营凹陷南坡东段沙四段纯下亚段1砂组碳酸盐岩滩坝分布与古地貌关系图(据王延章等, 2011a)Fig.4 Relationship between carbonate rock beach and bar and palaeogeomorphology of the sand interval 1 of Chunxia submember of Member 4 of Shahejie Formation in south slope of Dongying Sag(after Wang et al., 2011a)

首先, 由通古3潜山、广饶凸起共同形成的南部高地, 阻挡了鲁西隆起的物源向潜山带北部沉积, 使陈官庄台地缺少砂质碎屑物源的供应, 同时, 潜山带碳酸盐岩的出露也为盆地内部碳酸盐岩滩坝的形成提供了物源。其次, 在沙四段沉积时期, 王家岗构造带已初具规模, 形成的水下隆起阻止了东部物源向西的进一步推进, 是该区碳酸盐岩滩坝沉积的东部边界。第三, 北面是牛庄洼陷和董集洼陷, 沙四上亚段沉积时期属于半深湖沉积, 是碳酸盐岩滩坝发育的北部边界。

2.3 古水深

以元素法研究沉积环境为基础, 利用泥岩颜色和岩心的层理规模确定古湖岸线的位置、浅湖和半深湖的分界线, 利用目的层厚度计算、剥蚀量恢复和压实校正后的古地貌确定古湖水深(王延章等, 2011b)。同时, 沙四下亚段盐膏分布范围对古湖泊的确定也有一定的参考作用:沙四下亚段沉积时期的古湖泊大多存在盐膏沉积, 这些古湖泊恰恰是沙四段纯下亚段沉积时期发生湖侵后半深湖的范围, 即非碳酸盐岩分布的范围。将碳酸盐岩产率(厚度)与古水深进行相关, 可以研究产率与古水深的关系(图 5)。

图5 东营凹陷沙四段古水深与碳酸盐岩产率的关系(王延章等, 2011b)Fig.5 Relationship between palaeobathymetry and production rate of carbonate rocks in the Member 4 of Shahejie For-mation in Dongying Sag(after Wang et al., 2011b)

图5可看出:有利的碳酸盐沉积水深为3~32, m。水体过浅, 形成的碳酸盐不利于保存; 水体过深碳酸盐岩产率下降明显(王延章等, 2011b)。

2.4 古物源

能够表征物源供给速率的参数较多, 可以划分为成正比的参数和成反比的参数。其中, 高砂地比、较大的粒径及粒度方差、较差的分选度、较大的层理规模、较高的岩屑和较低的稳定重矿物含量等均指示物源的供给能力强, 而粒度较细、石英含量较高、长石、岩屑含量较低及稳定系数较高等参数说明物源供给能力较弱(裘亦楠, 1992)。

根据表征物源供给速率的参数, 采用12个指标来定量求取物源供给指数。从物源供给指数与碳酸盐岩的相关关系来看, 二者成反比。物源供给指数越高, 碳酸盐岩的产率就越低; 反之越高(图 6, 图7)。物源供给指数较高的区域是砂岩滩坝发育的有利场所, 指数介于0.03~0.19为碳酸盐岩发育的有利区域(表 1)。物源供给— 可容纳空间比值与沉积相的分布范围见表1

图6 东营凹陷沙四段纯下亚段物源供给指数与砂岩厚度的关系Fig.6 Relationship between sandbody thickness and index of provenance in the Chunxia submember of Member 4 of Shahejie Formation in Dongying Sag

图7 东营凹陷沙四段纯下亚段物源供给指数与碳酸盐岩厚度的关系Fig.7 Relationship between carbonate rock thickness and index of provenance in the Chunxia submember of Member 4 of Shahejie Formation in Dongying Sag

表1 东营凹陷沙四段纯下1砂组不同沉积相的物源供给指数分布范围 Table1 Scope of index distribution of provenance in different facies in the Chunxia submember of Member 4 of Shahejie Formation in Dongying Sag
2.5 古盐度

以硼含量以及Sr/Ba、Sr/Ca作为计算古盐度的指标, 计算了东营凹陷南坡沙四段各个沉积时期的古盐度值。将湖相白云岩、石灰岩与古盐度进行叠合, 发现白云岩与古盐度有较好的对应关系, 主要分布在古盐度大于15‰ 的区域, 说明当时湖泊咸化较重, 湖水的咸化(高盐度)为白云岩的成岩演化和形成提供了物质基础(Mg 来源)和介质条件(高盐度、高pH值)(黄杏珍和邵宏舜, 2001)。

从石灰岩与古盐度的关系可以看出, 石灰岩分布在古盐度小于20‰ 的区域, 主要介于10‰ ~17.5‰ 的区域。宏观背景上碳酸盐岩对古盐度要求较高, 所要求的古盐度范围为10‰ ~35‰ 。

3 控制因素的权重

采用主因素分析方法对古地貌、古水深、古物源、古盐度在碳酸盐岩滩坝发育过程中的影响权重进行了研究。首先将上述要素与碳酸盐岩的厚度对应列表, 再根据各个因素对碳酸盐岩发育的贡献程度确定权系数, 然后计算要素之间的相关系数, 建立关系矩阵, 对样品进行适用度和圆度检验, 最后进行方差分析, 得到成分矩阵, 获得其主成分分析系数(白银风和罗蕴玲, 1993)(表 2)。

表2 东营凹陷沙四段纯下亚段成分矩阵和成分得分系数矩阵 Table2 Component matrix and component index matrix of the Chunxia submember of Member 4 of Shahejie Formation in Dongying Sag

从计算结果(表2)的成分得分系数矩阵来看, 古地貌对碳酸盐岩发育的控制作用因子最大, 达到0.363; 古物源的控制作用次之为0.344; 古水深的控制作用为0.328; 古盐度控制作用因子为0.232。

4 结论

碳酸盐岩的控制因素及控制作用可以归结为“ 古气候是基础, 古地貌和古物源是条件, 古水深是关键, 古盐度是保障” 的碳酸盐岩“ 五古” 控制模式。适宜的古气候条件是碳酸盐岩滩坝形成的基础; 水下隆起以及斜坡的古地貌环境和较低的古物源供给指数是碳酸盐岩滩坝形成的条件; 古水深控制着碳酸盐岩的产率, 是关键; 合适的古盐度控制着石灰岩和白云岩的类型及分布, 是碳酸盐沉积和成岩演化的保障条件。其中, 古地貌对碳酸盐岩发育的控制作用最大, 其次为古物源和古水深, 古盐度的控制作用相对较小。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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