第一作者简介 朱毅秀,男,1966年生,副教授,2005年获中国地质大学(北京)博士学位,现从事沉积学、岩石学与储层地质学教学与研究工作。E-mail: zhuyixiu@cup.edu.cn。
通过对冀北坳陷中新元古界下马岭组进行剖面实测,对下马岭组底部的沥青砂岩进行室内薄片鉴定和扫描电镜分析,观察与分析了下马岭组沥青砂岩的出露分布特征,镜下研究了此砂岩的碎屑颗粒和填隙物的组分特征和磨圆、分选、粒度等结构特征,依据岩石学特征、粒度分析系列参数等研究了沥青砂岩的沉积环境。结果表明此砂岩为成分与结构成熟度均高的纯石英砂岩和石英砂岩,硅质与沥青质填隙、沥青含量达 5%~15%,细粒为主,分选好到极好。粒度分析是本段松散状沥青砂有效环境判别标志。综合分析认为下马岭沥青砂岩形成于无障壁海岸体系的滨浅海环境,形成于前滨到临滨的海相高能环境,可能的沉积位置是前滨下部到中上临滨;此砂岩主要来自临滨潮下高能带的沉积物、含部分前滨下部沉积物、也夹少量潮汐水道沉积物。不同剖面位置所处的沉积环境不同,凌源地区和平泉地区为临滨带的中上部的水下高能带沉积为主,宽城地区为临滨带上部沉积和前滨下部沉积,凌源地区和宽城地区也包含少量的潮汐水道沉积。
About the first author: Zhu Yi-Xiu,born in 1966,obtained his Ph.D. degree from China University of Geosciences(Beijing) in 2005 and is an associate professor at China University of Petroleum(Beijing). He is mainly engaged in sedimentology,petrology and reservoir geology. E-mail: zhuyixiu@cup.edu.cn.
We detail measured the Xiamaling Formation outcrops in Jibei Depression and carried thin section analysis and SEM observation on the bottom section of massive bituminous sandstone. A sedimentary environment analysis was carried by studying the distribution of bituminous sandstone,composition of the rock such as ratio of the clastic grain and interstitial materials,structure such as sorting, rounding, grain size,and petrological features. The outcome indicates the bituminous sandstone was composed mainly by high maturity quartz sandstone with 5%~15% bitumen filled within the intergranular pores. The sandstone was mainly fine grain sandstone and was well or extremely well sorted. The comprehensive analysis shows that the sedimentary environment of the bituminous sandstone in the Xiamaling formation was high energy foreshore to shoreface with no barriers. The probably depositional position of the bituminous sandstone was located between the lower foreshore to middle-upper shoreface. Besides,tidal channels also contribute sediments to the bituminous sandstone. The sedimentary environments in each measured outcrop profile was varies. The Lingyuan and Pingquan profiles mainly are high energy middle-up shoreface environments,while the Kuangcheng profile mainly are upper shoreface and lower foreshore environments. The Lingyuan and Kuangcheng profiles contain a few tidal channel deposits.
冀北坳陷位于华北克拉通北部的燕山地区, 是中国北方中、新元古界最发育的地区之一。近几十年在燕山地区发现中新元古界大量原生液体油苗和固体沥青(王铁冠, 1980, 1990; 郝石生等, 1990; 高耀斌等, 1991; Wang, 1991; Wang and Simoneit, 1995; 欧光习和李林强, 2006), 在中国是一个值得关注的重要能源资源领域(王铁冠和韩克猷, 2011), 是中国海相油气勘探的远景层位之一, 中、新元古界在世界范围内也是一个重要的沉积层序(赵澄林等, 1997)。
冀北坳陷内的中、新元古界, 已发现98处油苗和沥青点(刘岩等, 2011), 下马岭组底部存在稳定分布的沥青砂岩, 在平泉和宽城均发现多处油苗和沥青点。此沥青砂岩是一个在元古代晚期被辉长辉绿岩体破坏了的古油藏遗迹(刘岩等, 2011; 王铁冠等, 2016), 也是目前中国发现最古老的砂岩油藏(刘岩等, 2011)。针对这套零星分布沥青砂岩岩性与沉积相前人也作过一定研究(王铁冠等, 1988, 2016; 范文博, 2015), 依据沉积演化历史与下马岭组沉积序列定性推测沉积环境与相, 多推测其形成于海相前滨环境(王丽云等, 2009), 但就在岩石中寻找有效相标志(证据)与沉积特征而定性与定量确定沉积环境与相特征方面研究较少。沥青砂岩岩石学特征及形成环境深入分析有助于研究华北地区中新元古界古地理特征、进一步认识中新元古界海相砂岩储集层特征, 对揭示中国海相砂岩储集层形成条件与完善中国前寒武纪海相沉积理论、指导相邻区域相应层位油气勘探都具有重要的理论与现实意义。对这套缺少宏观沉积构造、弱变质到变质、遭受强烈物理化学风化、多在探槽中零星出露的松散状沥青砂, 按常规思路进行系列沉积环境分析与研究是一种挑战, 也是一次非常有实际应用意义的实验, 同时出露沥青砂岩不同地区的沉积环境是否一致也值得探讨。
冀北坳陷东接辽西坳陷, 西邻密怀隆起, 南到山海关隆起, 北抵内蒙地轴, 面积8733km2(王铁冠等, 2016)(图1-a)。构造上位于中、新元古界的燕辽裂陷带的中北部, 是辽西、冀北、宣龙、冀东、京西5个坳陷和山海关和密怀2个隆起的“ 五坳两隆” 构造格局的一个单元。其可分为郭杖子单斜带、党坝向斜带、平泉背斜带、卸甲营向斜带4个隆坳相间的次级构造单元(图 1-b), 进一步可细分多个背斜和向斜。
冀北坳陷内广泛分布太古界变质地层, 零星出露下元古界和层序清晰的中上元古界。传统上认为元古界自下而上发育巨厚的古元古界长城系、中元古界蓟县系与新元古界青白口系。上覆为古生界与中生界沉积盖层。
铁岭末期发生的“ 芹峪运动” 使地壳上升, 铁岭组上部地层遭受风化剥蚀, 与上覆下马岭组砂泥岩呈不整合接触。下马岭组沉积初期, 海水由东北方向侵入裂陷带, 形成面积不大的内陆海湾。下马岭组沉积早期, 海水较浅, 海底处于弱还原— 弱氧化条件, 在冀北发育一套底部含砾的石英砂岩。之后海平面开始上升, 发育薄层页岩夹砂岩条带, 向上过渡为灰绿、深灰色页岩。下马岭组沉积中期及沉积后期经历不均匀的地壳升降和海平面升降, 在区域上发生了广泛的风化夷平作用, 在冀北坳陷抬升幅度很大, 下马岭组遭受剥蚀并与上覆龙山组呈假整合接触; 在剖面上表现为缺失下马岭组二段至四段沉积, 仅保留下马岭组一段碎屑岩地层(王铁冠, 2009)。
下马岭组曾作为青白口系下部P
野外调查发现, 冀北坳陷下马岭组底部砂岩含沥青层位非常稳定, 出露沥青点和油苗在平面上主要集中于双洞、龙潭沟、芦家庄和塌山4处(图 1-b)。本处出露的沥青砂或沥青砂岩多为探槽中发现, 难见完整的沉积序列, 因年代老、变质及富含黑色沥青, 在剖面和平面上都难见完好的砂岩沉积构造。
平泉双洞出露点位于平泉县城东南方向双洞子村双洞背斜构造带。此背斜由核部至外围出露地层依次为雾迷山组、洪水庄组、铁岭组、下马岭组和古生界, 圈闭面积估约50km2。在下马岭组底部发育沥青砂岩、出露好, 此底部沥青砂岩呈环带状分布于双洞背斜周缘。剖面野外实测沥青砂岩厚4.4m。
凌源龙潭沟出露点位于凌源大河北乡地层向西北倾没的单斜构造中。下马岭组以灰黑、深灰和灰绿色页岩、泥岩为主, 偶夹泥灰岩、泥云岩和砂岩, 在多个探槽下马岭组底部见含丰富沥青的石英砂岩, 沥青含量高达8%~15%。沥青砂岩风化呈黄褐色, 断面呈黄绿色, 而探槽新鲜露头则为黑色中薄层砂岩, 层理清楚, 胶结程度不均, 较疏松, 局部呈分散状的沥青砂。在砂岩粒间可见黑色、发油脂光泽的沥青充填孔隙, 此沥青在荧光显微镜下无荧光显示, 为古油层的标志, 砂岩中实测的沥青含量应接近或低于砂岩的古有效孔隙度。下马岭组底砂岩沥青含量有以龙潭沟为中心向东北和西南2个方向递减, 剖面最厚处实测3.8m。
宽城塌山出露点和芦家庄出露点位于宽城县西南方向, 在剖面与探槽的下马岭组出露处均发现下马岭组沥青砂岩, 芦家庄东部下马岭组砂岩沥青含量低, 但镜下仍可看到有固体沥青存在。芦家庄出露点沥青在平面上呈线状分布, 以芦家庄为中心, 处于单斜构造高部位上。芦家庄剖面的沥青砂岩颜色呈灰黑、黑色, 沥青含量较高部位岩性比较疏松, 呈现沥青砂; 向东西两侧沥青逐渐减少; 沥青砂岩东西分布范围近10km, 沥青含量最高达25%。芦家庄东山顶剖面底部砂岩野外实测厚4.4m, 其中沥青砂岩厚1.97m; 塌山剖面野外实测厚2~3m, 相对宽城地区砂岩略薄, 但沥青砂岩厚度较为稳定, 基本在2m以上。
冀北坳陷下马岭组底部砂岩的含沥青层位稳定, 综合分析从党坝向斜西南的塌山地区沿向斜轴向至东北双洞构造和龙潭沟构造的相同层位均有沥青砂岩存在, 沥青砂岩分布具有稳定性和广泛性。刘岩等(2011)推算下马岭组沥青砂岩可能油藏的初始规模为7.6× 108~10× 108t, 是一个规模相当大的古油藏。由于含沥青之故, 野外露头观察此沥青砂岩难见沉积构造, 但在不含沥青同层位且基本未变质的砂岩中, 可见平行层理和交错层理, 也可在层面上见多种波痕。在此次研究所钻的3口浅井均钻遇此层, 沥青含量较高的砂岩层段未见明显层理, 不含、含沥青较少的石英砂岩岩心层段有各种平行层理、波状层理及脉状层理。
这套底砂岩— 沥青砂或沥青砂岩利用宏观为主、微观为辅的沉积环境研究方法进行研究是有一定难度的, 此次借助实验室系列分析测试, 探索对这种特殊沉积物沉积环境分析的有效方法, 为本层位和类似层位研究提供一些探讨与借鉴。
冀北坳陷下马岭组沥青砂岩的岩石类型主要为含沥青或沥青质石英砂岩(图 3); 粒度分为中砂岩、细砂岩以及少量的粗砂岩, 个别的薄片中出现细砾级颗粒。同层位不含沥青的砂岩主为含铁或铁质海绿石石英砂岩、纯石英砂岩或弱变质石英砂岩。
2.2.1 碎屑组分
沥青砂岩样品碎屑组分主要为石英(图 3, 图 4), 含量在95%以上; 长石罕见, 为0%~2%; 岩屑含量1%~8%, 且几乎全部为硅质岩屑。沥青砂岩中几乎全为单晶石英颗粒, 近圆形(图 4-a, 4-b), 具明显的波状消光, 其母岩可能为深成岩浆岩。岩屑多为燧石颗粒、脉石英等硅质组分, 似来源于火山岩, 并经历长期成岩变化、组分硅化乃至变质而成。另见少量云母及钛铁矿、锆石等重矿物(含量小于1%)。其成分相对单一, 成分成熟度极高。
2.2.2 填隙物
沥青砂岩粒间填隙物为硅质胶结物、沥青和少量黏土杂基(图 4)。杂基含量极低, 普遍不到1%。沥青含量不等(图 4-a, 4-c, 4-d), 介于1%~25%之间, 镜下沥青含量为5%~15%。胶结物有硅质、铁质和少量方解石与自生伊利石、蚀变的海绿石, 主要为硅质组分; 硅质含量0~9%, 平均3%~5%。
硅质胶结是沥青砂岩主要的胶结形式, 多呈加大边状, 并呈多期加大的特征(图 4-a, 4-b), 可以观察到2期石英次生加大; 在显微照片中可以看到石英加大作用形成的自形颗粒(图 4-a)。
铁质为早期的同生作用形成的含铁矿物蚀变为铁的氧化物, 如海绿石蚀变产物。
样品中存在少量的自生黏土矿物胶结物和碳酸盐胶结物(< 1%), 在沥青含量相对较高的样品中, 黏土胶结物和细粒碳酸盐胶结物在手标本和普通显微镜不易区分, 而在沥青含量相对比较低的样品中可见黏土胶结物充填粒间孔隙, 多为有序伊蒙混层(图 4-f)。
沥青多呈分散状或者条带状充填在粒间(图 4-a, 4-c, 4-e), 颜色从黑色到棕红色变化, 含量1%~25%, 总体上样品中的沥青含量与胶结物成反比。在本组同层段伴生不含沥青或少含沥青的纯石英砂岩和石英砂岩中(图 4-d), 粒间主要充填铁质和硅质, 铁质高达6%, 平均含量1%~3%, 硅质平均含量达3%~7%, 石英加大多以3期和自形为主, 大部分达到自形特征; 强烈胶结, 致密坚硬。
露头上的沥青砂岩呈固结状砂岩和分散颗粒状沥青砂(图 4-c), 颗粒大小相等, 中粒和细粒为主, 在浅钻孔下马岭组底砂岩呈现细砂岩与粉砂岩。沥青砂岩因沥青缘故砂岩结构特征不明显。显微镜下可见其粒径、磨圆、分选、胶结等特征。
2.3.1 粒度
粒度分析在20世纪40— 70年代得到广泛应用, 人们将各种方法测定的系数尝试与沉积环境相联系(宋天锐和高键, 1987; 宋天锐和朱筱敏, 2013), 后期发现这些系数不是固定的和有规律的, 甚至在应用中出现相互矛盾的现象。1980年在第一届全国碎屑岩学术讨论会上对之进行了专门讨论, 并认为作为综合性标志之一, 粒度分析资料是可以用的, 但不能以粒度曲线特征作为判别沉积相的唯一标志; 粒度系数对于一定范围、一定层位的对比或应用, 仍不失为一项重要的依据(宋天锐和高键, 1987)。宋天锐和高键(1987)及宋天锐(2007)曾用粒度分析资料较好地解释了十三陵地区中上元古界碎屑岩沉积环境与沉积相。因而粒度分析是判别研究区沉积环境和水动力的良好标志, 并得到广泛应用(彭冰霞和杜远生, 2002; 何志刚等, 2007; 翟秋敏等, 2012; 宋天锐和朱筱敏, 2013; 邹妞妞等, 2016)。也有人用粒度分析研究砂岩物性(孟元林等, 2016)。
宋天锐和高键(1987)曾对比过薄片法与筛分析法, 认为薄片粒度测量结果无需校正为筛分析结果。相对中上元古界碎屑岩样品很难得到完整的单一碎屑个体, 一定程度上说薄片法比筛分析法测量结果更好。因而此次采用薄片法进行粒度分析测定, 对研究区不同剖面35块薄片样品进行了分析, 测量颗粒数近万粒, 每块薄片取样300粒到500粒。系列分析测试得到样品多种粒度统计数据图表(表 1, 图 5, 图 6)。
从图5可看出, 粒径0.5~1.0mm的粗粒组分含量较低, 0.25~0.5mm的中砂粒度的颗粒急剧增加, 粒径0.1~0.25mm的细砂含量最高。可见砂岩粒度以细粒为主, 分选较好。各个地区粒度组分各有差异, 总体上来看, 宽城地区粒度偏粗, 平泉地区粒度偏细, 凌源地区粒度主要集中在中粒。
根据测得的粒度数据, 进行了福克和沃克粒度参数的计算, 全部样品平均粒度中值为2.71Φ (0.152mm), 平均粒径为2.83Φ (0.140mm), 均为细粒; 分选系数平均为-0.089, 分选很好, 与海滩的情况较为符合; 平均偏度为-0.189, 负偏态, 表现出细粒组分的优势数量; 峰度0.89, 平坦, 近乎正态分布。这些参数均值体现出较强的指向性, 展示了高能、强水动力条件和海滩沉积的特征。
各个剖面粒度分析的粒度参数特征各不相同(表 1, 图 5, 图 6), 宽城地区的样品粒度较粗, 平泉地区表现最细, 凌源为中砂到细砂; 3个地区分选均为好到极好, 偏度近于对称, 峰度基本为中等(正态)。
2.3.2 结构成熟度
镜下碎屑石英颗粒表面多呈磨光面、多形态海蚀显微槽沟状, 分选好, 不同剖面粒度不一样, 以细粒、中粒为主、少量达细砾级, 其结构成熟度高。砂岩的主要结构系数凌源地区为196.20~925.27, 均值为475.87; 宽城地区114.8~317.7, 均值为238.37; 平泉地区314.44~468.68, 均值为382.70, 均为超成熟。
沉积环境通常多用宏观的沉积序列与沉积构造特征再加微观的实验室岩性特征等, 进行定性与定量分析与确定相态。鉴于本区沥青砂岩的特殊性, 仅能从岩性和粒度2方面进行环境分析, 以便探索对此类组分环境分析较有效的方法, 对前人区域性定性环境分析进行补充, 以期做到半定量分析探寻。
在岩性上样品的特点十分明显, 矿物成分单一、成熟度很高, 体现出长距离搬运和较强水动力反复淘洗的特征, 样品中发现的海绿石进一步证明了海相沉积背景。高能量、强水动力特征, 显示此砂岩形成于海相滨岸体系。部分样品分选中等, 粗细粒共同发育, 而磨圆好, 显示形成于沟道沉积特征。这些特征显示此砂岩形成于海相无障壁滨岸沉积体系, 为潮下高能带的沉积物, 主要形成于前滨海滩, 部分为潮汐水道沉积。相对应无沥青、未变质的砂岩段具明显的前滨砂岩层理、波痕特征。
粒度分析显示样品以细砂岩、粉砂岩和中砂岩为主, 中砂含量变化较大0.51%~83.9%, 细砂含量相对稳定, 在大多数薄片中含量都超过了60%。总体上沉积物的粒度表现为极少量的粗砂, 粒度多集中在细砂、粗粉砂和中砂, 不是全部中细砂为主的海滩, 基本同于海滩颗粒, 并且不同层位粒度不一样。
C-M图(图 6)体现出了明显的牵引流特征, 主要发育OP、PQ、NO段。其中PQ段最为发育, RS段几乎不发育。这体现了牵引流机制下, 滚动为主并存在悬浮搬运的水动力状态。其中平泉剖面砂岩主要为滚动加悬浮搬运, 宽城剖面主要为滚动搬运, 而凌源剖面的砂岩具有滚动及悬浮搬运双重影响的特征。
根据萨胡(Sahu)公式判定计算本区粒度参数, 凌源地区风成与滨海的环境判别中多为风成, 滨海与浅海的环境判别中多为滨海, 浅海与河流(冲积)的判别中均为浅海; 宽城地区风成与滨海的环境判别中多为滨海, 滨海与浅海的环境判别中多为滨海, 浅海与河流(冲积)的判别中均为浅海; 平泉地区风成与滨海的环境判别中均为风成, 滨海与浅海的环境判别中多为浅海, 浅海与河流(冲积)的判别中均为浅海。全体样品各种参数取平均值利用萨胡判别函数计算出沉积环境为平均低潮线以下的滨海位置。
平泉剖面和宽城剖面砂岩都体现了粒度总体的分异作用, 尤其是宽城剖面砂岩粗粒组分到细粒组分的过渡更加突然, 而平泉剖面砂岩粒度总体单一, 以中细粒的跳跃组为主, 缺乏滚动和悬浮组的粒度总体。概率累积曲线为总体多段式, 总体上反映了3个粒度总体, 其中主要的部分是滚动总体和跳跃总体, 悬浮总体较少(图 6-a)。跳跃组分成3段, 随着粒度变细分选逐渐变好, 粗粒的滚动组分分选很好, 这与滨浅海沉积物的粒度特征是相吻合的。但是与现代的浅海沉积样品相比跳跃组分总体粒度偏粗, 而且分为3个粒度次总体, 冲刷— 回流界面位于2Φ 力度对应的位置, 但是在1Φ 处又有一个分界点。这种异常现象的出现可能与沉积物沉积的原始环境和沉积物在埋藏成岩过程中的经历有关。滚动组分的分选性很好, 表现了较强的水动力特征, 可能是前滨滩脊沉积所致; 跳跃组分底部分选很差并且力度含量较低, 在1Φ 处与更细粒的跳跃组第2次总体分界, 这可能是潮汐水道沉积混杂所致, 随后跳跃组的第2和第3次总体分选逐渐变好, 并十分符合滨浅海砂岩沉积的特征。概率累积曲线同样随着不同剖面产生了一定变化。
本区沥青砂岩填隙物含泥质较少甚至基本没有, 成分和结构成熟度都极高, 显示无障壁海岸沉积特征。结合对粒度参数的分析和萨胡函数的判别, 样品的沉积环境为滨岸相沉积中的前滨亚相和临滨亚相, 不同剖面沉积微相稍有不同, 以临滨亚相沉积为主, 多位于潮下高能带沉积, 夹潮汐水道沉积。沉积位置从前滨带下部到临滨带中上部, 处于波浪、潮汐共同作用的强水动力区。不同地区沉积环境有差异, 凌源地区和平泉地区为水下高能带沉积为主, 位于临滨带的中上部沉积; 宽城地区较复杂, 细粒为主、分选好到极好的沉积也为临滨带中上部沉积, 颗粒为中砂和中粗砂、分选好到极好的为前滨沉积; 凌源地区和宽城地区细粒到粗粒、分选中等、次圆状到浑圆状沉积物为潮汐水道沉积。下马岭期宽城、凌源到平泉相对水深由浅到深。
总之, 下马岭组沥青砂岩的沉积环境是前滨到临滨的海相高能环境, 主要为临滨潮下高能带, 含部分前滨, 也夹少量潮汐水道。样品的粒度特征与现代滨岸沉积略有不同, 这可能是古代特殊的海相环境及受后期特殊的成岩作用影响。
鉴于冀北坳陷元古界下马岭组沥青砂岩沉积构造与沉积序列不明确、年代久远且变质等特征, 结合区域研究成果, 充分利用实验室系列分析方法取得相关参数, 利用粒度分析方法分析沥青砂岩, 进而尝试恢复其古环境, 并揭示出沥青砂岩原始沉积环境并不相同, 存在一定差异。
下马岭组沥青砂岩为纯石英砂岩和石英砂岩, 成分单一, 杂基含量极低, 作为孔隙标志的沥青含量高达25%, 细粒为主、中粒和粗粉砂粒次之, 分选好到极好, 成分成熟度和结构成熟度都极高, 岩性显示典型的海相滨岸沉积特征。粒度分布、C-M图、概率累积图及其他粒度参数均体现出较强的指向性, 显示沥青砂岩形成于高能、强水动力条件和海滩沉积环境; 不同地区粒度和岩性有一定差异, 显示不同地区沉积环境可能不同。综合分析认为下马岭组沥青砂岩形成于无障壁海岸体系的滨岸相— 前滨亚相和临滨亚相, 可能的沉积位置是前滨下部到中上临滨。不同剖面位置所处的沉积环境不同, 凌源地区和平泉地区为临滨带的中上部水下高能带为主, 宽城地区包括了临滨带中上部和前滨中下部, 凌源地区和宽城地区也包含少量的潮汐水道, 各自相对水深略有不同。
致谢 十年前承接王铁冠院士相关研究,三年研究得到先生多次教诲,十年间多次修改与反复实验得到他各方面支持与帮助,论文完成过程中他也给予了悉心指导,其对科学领悟及探索精神令吾终生难忘,在此特别感谢王铁冠院士!十年间宋玲、高兴、陈明鑫、张军燕、佘亚明、刘纪臣、杨雪梅、李璇等同学也先后参与了大量实验与研究工作,在此表示衷心感谢!
作者声明没有竞争性利益冲突.
[1] |
|
[2] |
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
|
[9] |
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
|
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
|
[20] |
|
[21] |
|
[22] |
|
[23] |
|
[24] |
|
[25] |
|
[26] |
|
[27] |
|
[28] |
|