黄县盆地为古近纪断陷盆地, 位于山东省北部烟台龙口市, 西北临近渤海; 东部发育北林院— 洼沟断层; 南部黄县大断裂在古近纪的强烈活动控制了断陷盆地的形成及充填演化, 东南2条大的断层为黄县盆地同沉积断层, 盆地内部还有柳海断层和九里沟断层发育(图1)。黄县盆地是位于鲁东断块区内的唯一的古近纪聚煤盆地(李增学等, 2000), 含煤面积达300km²其含煤与油页岩地层为古近系李家崖组, 含煤岩系地层总厚67.02~278.50m。李家崖组上覆地层为小楼组, 下伏地层为朱壁店组, 均不含煤与油页岩(图 1)。

图 1

Fig.1

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	图 1 山东黄县盆地位置和井位分布Fig.1 Location and well distribution of Huangxian Basin, Shandong Province

在黄县盆地沉积充填序列中, 主要能识别出2类不同性质的层序界面, 一是区域构造运动界面, 表现为区域性不整合; 二是构造-沉积体制转换面。由于盆地构造性质转变(应力场转换面)导致盆地水域扩张或萎缩, 从而导致沉积体系或体系域的转换(李增学等, 1999)。

根据测井资料相组合的垂向排列, 结合岩心观察和主要层序界面识别特征, 在前人研究(Lü et al., 2017)基础上, 将研究区古近系划分为2个三级层序, 即层序Ⅰ 和层序Ⅱ , 其中将朱壁店组与盆地基地白垩系青山组之间发育的不整合面定为SB1层序界面, 将李家崖组中具块状构造的古土壤层定为SB2层序界面, 将小楼组和新近系之间的边界定为SB3层序界面(图 2)。SB1和 SB3界面沉积物的岩石学特征变化较为明显、易于跟踪。SB2稳定分布的古土壤层, 代表了盆地在晚期退化阶段干涸、地表成土的过程, 是陆相盆地层序界线的重要指示(图 2)。

图 2

Fig.2

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	图 2 山东黄县盆地古近系沉积相及层序地层综合柱状图(H25井)Fig.2 Comprehensive column of sedimentary facies and sequence stratigraphy of the Paleogene in Huangxian Basin, Shandong Province(Lithological column is from Well H25)

在层序界面划分基础上, 将每个层序划分为低水位体系域、湖扩张体系域和高水位体系域(图 2)。体系域的边界主要是通过沉积学和岩相学方法来识别的, 低水位体系域和湖扩展体系域之间的边界是初始湖泛面(IFS), 层序Ⅰ 的IFS位于辫状河三角洲沉积相之上, 煤4之下, 油4在此界面上发育; 层序Ⅱ 的IFS是滨浅湖沉积相组合底部的湖相泥岩层, 覆于辫状河三角洲沉积相之上(图 2)。湖扩展体系域和高水位体系域之间的边界是最大湖泛面(MFS), 层序Ⅰ 的MFS位于煤4之上, 扇三角洲沉积相之下; 层序Ⅱ 中的MFS位于底部有均匀分布的泥灰岩的半深湖沉积之下、滨浅湖沉积之上(图 2)。

根据上述层序地层划分(图 2), 研究区黄县盆地H25井古近系李家崖组各层序的岩性特征如下。

1)层序Ⅰ : 低水位体系域以灰色粉细砂岩为主, 发育波状层理, 厚度17~20m; 湖扩展体系域主要发育煤(煤4)和油页岩(油4), 煤4厚约13m, 覆于油页岩之上, 油页岩厚约1.5m, 其间夹有1~2m发育水平层理的灰黑色泥岩和碳质泥岩; 高水位体系域以浅灰色中粗砂岩夹灰黑色粉砂岩、泥岩(图 3-G)为主, 其中, 含砾粗砂岩发育递变层理(图 3-B), 可见明显的冲刷面(图 3-A), 整体厚53m, 泥岩和粉砂岩互层, 多发育板状交错层理, 厚度最大不超过2m, 顶部可见0.8m紫红色古土壤层。

图 3

Fig.3

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	图 3 山东黄县盆地古近系李家崖组岩心照片 A— 含砾粗砂岩与细砂岩, 含冲刷面, H25井; B— 含砾粗砂岩具递变层理, N8井; C— 煤1, 含植物化石, 5井; D— 深灰色泥灰岩, 块状构造, 5井; E— 煤1, 含生物壳, 5井; F— 泥质粉砂岩夹黑色泥岩见透镜状层理, H25井; G— 黑色泥岩, 5井; H— 含砾粗砂岩, N8井Fig.3 Core photos of the Paleogene Lijiaya Formation in Huangxian Basin, Shandong Province

2)层序Ⅱ : 低水位体系域以灰黑色含砾粗砂岩(图 3-H)为主, 发育交错层理, 厚45m, 其间偶见小于1m的灰黑色泥岩夹层; 湖扩展体系域底部发育煤2, 厚4m, 上覆褐色层状油页岩(油2), 厚约24m, 在油2顶板向下6m处发育有1m厚煤层(煤1), 煤层中见大量植物化石和白色生物壳(图 3-C, 3-E), 油页岩顶板与粉砂岩接触, 向上粒度逐步变细; 高水位体系域岩性以灰黑色泥灰岩(图 3-D)夹灰绿色钙质泥岩为主, 层中可见少量有孔虫化石, 厚度较大, 可达50m以上, 下部发育泥质粉砂岩夹黑色泥岩, 呈透镜状(图 3-F), 厚15m左右。

湖泊相主要在高水位体系域时期发育, 包括半深湖亚相和滨浅湖亚相。半深湖亚相形成于正常浪基面与风暴浪基面之间的湖底范围, 主要有块状构造的黑色泥岩和泥灰岩发育(图 3-D, 3-G), 夹暗色薄层粉砂岩, 泥岩中含丰富有机质, 具水平层理, 含少量浮游生物化石, 视电阻率、自然伽马曲线均表现为低幅、低值。

滨浅湖亚相主要由浅湖、湖沼沉积组成, 位于半深湖亚相外围。浅湖沉积为灰褐色油页岩、深灰色泥页岩及煤层, 可见丰富的介形类、瓣鳃类和鱼类化石(图 3-E), 植物化石(图 3-C), 显水平层理和缓波状层理; 湖沼沉积由泥岩、粉砂质泥岩组成, 具块状构造, 含丰富的植物根化石, 且发育少量鲕粒和菱铁质结核。滨浅湖亚相的视电阻率测井曲线呈指形(图 2)。

辫状河三角洲相主要发育于盆地低水位期, 以辫状河三角洲平原亚相和辫状河三角洲前缘亚相为主。辫状河三角洲平原亚相以中、细砂岩和泥岩为主, 细砂岩发育板状交错层理, 常与泥岩交替发育, 呈透镜状(图 3-F), 含植物碎屑化石; 辫状河道微相沉积以槽状交错层理粗砂岩为主, 视电阻率呈箱形, 三角洲平原水道间易沼泽化而有利于聚煤作用发生。辫状河三角洲前缘亚相为河道入湖后的水下延续部分, 沉积物中有明显冲刷面(图 3-A), 内部发育下粗上细的砂岩透镜体, 自然伽马曲线表现为低值, 视电阻率曲线呈钟形(图 2)。

扇三角洲相包括扇三角洲平原亚相和扇三角洲前缘亚相。扇三角洲平原亚相多为近源的砾质辫状河沉积, 主要由粗砂岩和含砾粗砂岩(图 3-B, 3-H)组成, 碎屑颗粒棱角状、分选差, 具砂质基质, 向上逐步变粗, 发育平行层理和交错层理, 含少量植物化石, 测井曲线表现为高自然伽马值、低视电阻率值; 扇三角洲前缘亚相由泥岩、粉砂岩组成, 水平层理和波状层理发育, 视电阻率曲线呈漏斗形(图 2)。

黄县盆地早期充填主要以砂泥沉积为主, 但由于这一体系域钻井资料不全, 以砂泥比进行分析恐不充分, 故结合前人研究成果(魏久传等, 2000), 以含泥率、含砂率为单因素进行古地理分析。根据26个钻井层序Ⅰ 低水位体系域阶段的砂岩含量和泥岩含量分析, 勾绘出此阶段含砂率(图 4-A)、含泥率(图 4-B)等值线图。该时期黄县盆地的含砂率从南向北呈现递减趋势, 含泥率则呈递增趋势。

图 4

Fig.4

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	图 4 山东黄县盆地古近系李家崖组层序Ⅰ 单因素图 A— 层序Ⅰ 低水位体系域含砂率等值线图; B— 层序Ⅰ 低水位体系域含泥率等值线图; C— 层序Ⅰ 湖扩展体系域砂泥比等值线图; D— 层序Ⅰ 湖扩展体系域油页岩厚度等值线图; E— 层序Ⅰ 湖扩展体系域煤层厚度等值线图Fig.4 Single factor maps of the sequence Ⅰ of the Paleogene Lijiaya Formation in Huangxian Basin, Shandong Province

结合沉积相分析, 将含砂率超过60%的地区划分为辫状河三角洲平原亚相, 含砂率在20%~60%之间的地区划分为辫状河三角洲前缘亚相, 含砂率低于20%的地区划分为滨浅湖亚相(图 5-A)。该时期物源从盆地南部进入, 东部物源量较少; 在盆地南部、东南地带形成辫状河三角洲平原亚相, 向北过渡为辫状河三角洲前缘亚相和滨浅湖亚相; 湖泊水体浅且分布局限。

图 5

Fig.5

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	图 5 山东黄县盆地古近系李家崖组层序Ⅰ 沉积相图 A— 层序Ⅰ 低水位体系域沉积相图; B— 层序Ⅰ 湖扩展体系域沉积相图; C— 层序Ⅰ 高水位体系域沉积相图Fig.5 Sedimentary facies maps of sequence Ⅰ of the Paleogene Lijiaya Formation in Huangxian Basin, Shandong Province

利用26个钻井的地层资料, 绘出本阶段砂泥比等值线图、油页岩厚度等值线图及煤层厚度等值线图(图 4-C至4-E; 表 2)。

表 2

Table2

表 2(Table2)

表 2 山东黄县盆地古近系李家崖组层序Ⅰ 单因素统计 Table2 Single factors of sequence Ⅰ of the Paleogene Lijiaya Formation in Huangxian Basin, Shandong Province 钻孔 低水位体系域 湖扩展体系域 高水位体系域 含砂率/% 含泥率/% 砂泥比 煤层厚度/m 油页岩厚度/m 砂泥比 N27 缺失 缺失 缺失 缺失 缺失 18.20 N18 缺失 缺失 缺失 缺失 缺失 48.38 BH10 0.41 99.59 0.22 5.40 0.00 0.31 1-32 14.99 85.01 0.23 9.26 0.81 0.61 3-35 缺失 缺失 0.00 7.77 1.32 24.36 H24 99.58 0.42 0.06 6.80 0.00 1.60 5-3 94.90 5.10 0.00 10.69 1.68 1.26 10-3 99.34 0.66 0.00 14.28 1.58 8.17 20-4 99.53 0.47 6.15 1.17 1.13 7.01 N6 99.32 0.68 1.21 0.35 0.00 1.10 N11 99.62 0.38 0.00 0.00 0.00 7.60 N35 45.72 54.28 1.92 0.40 0.00 11.47 N54 42.45 57.55 0.01 0.40 0.00 4.26 B24 缺失 缺失 0.00 0.00 0.00 0.00 17-2 99.00 1.00 0.68 0.00 1.23 4.34 N20 缺失 缺失 缺失 缺失 缺失 35.28

表 2 山东黄县盆地古近系李家崖组层序Ⅰ 单因素统计 Table2 Single factors of sequence Ⅰ of the Paleogene Lijiaya Formation in Huangxian Basin, Shandong Province

煤层厚度等值线表明, 在盆地西北部的较广泛地区发育了厚度稳定的煤层, 平均厚度为5~6m, 最大厚度可达12m; 油页岩与煤层共生, 均发育于盆地西北部, 厚度约1~1.5m。从砂泥比的变化趋势看, 越靠近盆缘断裂带砂泥比越高, 说明砂岩先在南部盆缘附近有较厚堆积, 逐渐形成沉积中心, 达到一定堆积厚度后再向盆地内部延伸, 而北部沉积厚度小主要因为距离物源地较远且受海水影响, 故将砂泥比大于4的区域划为扇三角洲平原, 砂泥比1~4区域划为扇三角洲前缘, 砂泥比小于1的地区划为滨浅湖。根据砂泥比等值线绘出黄县盆地层序Ⅰ 湖扩展体系域岩相古地理图(图 5-B), 该时期盆地中部湖泊沉积发育, 东部和南部的盆缘地带主要为扇三角洲沉积, 其余为滨浅湖区。

层序Ⅰ 高水位体系域的砂泥比较湖扩展体系域整体增大, 低值区则向北部迁移, 盆地沉积中心位于盆地中部, 砂泥比在16~48之间。此时期物源从盆地边缘向盆地内部快速推进, 形成巨厚的粗碎屑沉积, 扇三角洲平原向北扩张至盆地中心地带, 滨浅湖区面积明显缩小(图 5-C)。

层序Ⅰ 沉积结束后, 黄县盆地再一次进入相对稳定的沉积阶段。

根据钻井资料统计, 将南部盆缘处砂泥比大于8的区域划分为辫状河三角洲平原, 盆地中部砂泥比介于1~8之间的区域为辫状河三角洲前缘, 西北部域砂泥比小于1的局限区域为滨浅湖(图 7-A); 煤层分布较局限, 且厚度较薄, 总厚度最大不超过4m(图 6-A)。此阶段湖盆水体呈现扩张趋势, 物源供给变强, 辫状河三角洲平原亚相发育在南部盆缘带, 辫状河三角洲前缘亚相发育于盆地中部广阔区域, 滨浅湖亚相则局限于西北部。从低水位期到扩张期, 盆地低洼地带易生长藻类、红树林等, 有利于在下一沉积体系域形成如煤、油页岩等矿产资源。

图 6

Fig.6

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	图 6 山东黄县盆地古近系李家崖组层序Ⅱ 单因素 A— 层序Ⅱ 低水位体系域煤层厚度等值线图; B— 层序Ⅱ 湖扩展体系域油页岩厚度等值线图; C— 层序Ⅱ 湖扩展体系域煤层厚度等值线图; D— 层序Ⅱ 湖扩展体系域灰岩厚度等值线图; E— 层序Ⅱ 高水位体系域灰岩厚度等值线图Fig.6 Single factor maps of sequence Ⅱ of the Paleogene Lijiaya Formation in Huangxian Basin, Shandong Province

图 7

Fig.7

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	图 7 山东黄县盆地古近系李家崖组层序Ⅱ 沉积相图 A— 层序Ⅱ 低水位体系域沉积相图; B— 层序Ⅱ 湖扩展体系域沉积相图; C— 层序Ⅱ 高水位体系域沉积相图Fig.7 Sedimentary facies maps of sequence Ⅱ of the Paleogene Lijiaya Formation in Huangxian Basin, Shandong Province

层序Ⅱ 湖扩展体系域阶段, 整个盆地砂泥比为0.1~7, 峰值再次变小, 高值区向南部盆缘处缩小; 油页岩主要发育于盆地西部, 总厚度最大可达6m(图 6-B); 煤层分布范围较上一体系域更大, 煤厚最大可达5~9m(图 6-C), 表现出盆地此时正处于一个重要的成煤期; 盆地中部有10~20m的泥晶灰岩发育(图 6-D), 部分地区与煤层呈互层产出。

岩相古地理图(图7-B)表明, 湖扩展体系域发育时期, 湖泊沉积面积增大, 盆地南部发育扇三角洲沉积(图 7-B), 在垂向上与低水位体系域的辫状河三角洲沉积形成退积型小层序(组)。湖泊扩张期灰岩与煤层多次交互出现, 其间可能夹一些小型扇体沉积, 表明扩展过程仍有一些振荡性变化。

层序Ⅱ 高水位体系域的砂泥比峰值为7.1, 位于盆地中东部, 自南部盆缘到湖盆中心砂泥比呈现逐渐递减趋势。灰岩发育面积较湖扩张体系域更为广泛, 最大厚度也增大到30m, 灰岩厚度大的地区砂泥比接近0(图 6-E)。

将盆地南缘砂泥比大于4的区域划为扇三角洲平原; 将砂泥比在1~4的区域划为扇三角洲前缘, 包括盆地中东部的高值区; 将砂泥比在0~1之间的区域划为滨浅湖; 将砂泥比等于0的区域划为半深湖(图 7-C)。本阶段盆缘地带仍发育扇三角洲沉积, 湖泊面积较湖扩展体系域更大, 此时盆地处于最大湖泛时期, 湖盆覆水较深, 盆地北部有半深湖沉积。半深湖沉积发育表现出盆地基底沉降速度大于沉积物供给速度, 湖泊盆地处于“ 饥饿” 沉积期, 这也是盆地充填机制发生重要转折的时期, 由扩展期进入到高水位期。后期盆缘断裂活动减弱, 物源供给又复充沛, 可容纳空间减小, 聚煤作用终止, 盆地淤浅以至最后封闭。