叶蕾, 朱筱敏, 张锐锋, 谢爽慧, 高园, 唐宏, 齐雪竹, 陈亚青. (2020). 冀中坳陷饶阳凹陷蠡县斜坡古近系沙河街组一段浅水三角洲和滩坝的沉积环境* [J]. 古地理学报, 22(3): 587-600.
Ye Lei, Zhu Xiao-Min, Zhang Rui-Feng, Xie Shuang-Hui, Gao Yuan, Tang Hong, Qi Xue-Zhu, Chen Ya-Qing. (2020). Sedimentary environment of shallow-water delta and beach-bar of the Member 1 of Shahejie Formation in Lixian slope of Raoyang sag,Jizhong Depression[J]. Journal Of Palaeogeography, 22(3): 587-600.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2020.03.040
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冀中坳陷饶阳凹陷蠡县斜坡古近系沙河街组一段浅水三角洲和滩坝的沉积环境*
叶蕾1, 朱筱敏1, 张锐锋2, 谢爽慧1, 高园2, 唐宏2, 齐雪竹2, 陈亚青2
1 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
2 中国石油华北油田分公司,河北任丘 062552

通讯作者简介 朱筱敏,男,1960年生,中国石油大学(北京)地球科学学院教授,博士生导师,主要从事层序地层学和沉积学等研究。E-mail: xmzhu@cup.edu.cn。

第一作者简介 叶蕾,女,1995年生,中国石油大学(北京)地球科学学院博士生,主要从事沉积学研究。E-mail: yeleilydia@163.com。

收稿日期:2020-03-09
基金资助:*国家重大科技专项(编号: 2017ZX05001-002-002)资助
摘要

浅水三角洲和滩坝不仅是当今沉积学研究热点,也是油气勘探重要的沉积类型,沉积环境控制着浅水三角洲和滩坝沉积体系的发育及演化。基于岩心、钻井、测井数据及孢粉化石、微量元素等分析化验资料,对渤海湾盆地冀中坳陷饶阳凹陷蠡县斜坡古近系沙河街组一段(简称“沙一段”)的沉积体系类型及沉积环境进行了综合研究。研究表明: (1)沙一段主要发育浅水三角洲和滩坝沉积。其中,沙一下亚段尾砂岩沉积时,以浅水三角洲内前缘、外前缘沉积为主;沙一下亚段特殊岩性段沉积时,湖平面上升,浅水三角洲退积,以滨浅湖滩坝为主;沙一上亚段沉积时,湖平面下降,三角洲向湖盆中心持续推进,沉积主体转变为浅水三角洲。(2)浅水三角洲和滩坝的沉积演化受控于沉积环境。沙一下亚段尾砂岩沉积时,处于较为干旱的亚热带气候,沉积水体较浅,为微咸水—半咸水的氧化环境,有利于浅水三角洲的发育;沙一下亚段特殊岩性段沉积时,发生大规模湖侵,水体加深,物源供给少,气候相对湿润,且盐度增加,过渡为还原环境,有利于滨浅湖滩坝的形成;沙一上亚段沉积时,物源供给充足,整体处于相对湿润的温带、亚热带气候,湖盆收缩,水体变浅,盐度相对较低,处于氧化条件下的淡水环境,有利于浅水三角洲的沉积。

关键词: 浅水三角洲; 滩坝; 沉积特征; 沉积环境; 沙河街组; 饶阳凹陷; 冀中坳陷
中图分类号:P595 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2020)03-0587-14
Sedimentary environment of shallow-water delta and beach-bar of the Member 1 of Shahejie Formation in Lixian slope of Raoyang sag,Jizhong Depression
Ye Lei1, Zhu Xiao-Min1, Zhang Rui-Feng2, Xie Shuang-Hui1, Gao Yuan2, Tang Hong2, Qi Xue-Zhu2, Chen Ya-Qing2
1 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
2 PetroChina Huabei Oilfield Company,Hebei Renqiu 062552,China

About the corresponding author Zhu Xiao-Min,born in 1960,is a professor and doctoral supervisor of College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing). He is mainly interested in sequence stratigraphy and sedimentology. E-mail: xmzhu@cup.edu.cn.

About the first author Ye Lei,born in 1995,is a doctoral student of College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing). She is mainly engaged in sedimentology. E-mail: yeleilydia@163.com.

Fund:Financially supported by National Science and Technology Major Projects (No.2017ZX05001-002-002)
Abstract

Shallow-water delta and beach-bar are not only the current research hotspots of sedimentology,but also the important sedimentary types of sand body for oil and gas exploration. The sedimentary environment controls the development and evolution of shallow-water delta and beach-bar. Based on the analysis of core,well,logging,spore-pollen fossils and trace elements,the types of sedimentary system and sedimentary environment of the Member 1 of Paleogene Shahejie Formation in the Lixian slope of the Raoyang sag,Jizhong Depression was studied integratedly. The results showed that: (1)Shallow-water delta and beach-bar deposits were mainly developed in the study area in the Member 1 of Shahejie Formation(E s1). The inner and outer shallow-water delta fronts predominated during the deposition of the bottom sandstone section of the lower sub-Member of E s1. Lake level rose and shallow-water delta retrograded,and beach-bar predominated during the deposition of the special lithologic section of the lower sub-Member of E s1. The lake level fell,and the delta that prograded to the center of lake. The main sedimentary body changed into the shallow-water delta during the deposition of the upper sub-Member of E s1. (2)The sedimentary evolution of shallow-water delta and beach-bar are controlled by sedimentary environment. During the deposition of the bottom sandstone section of the lower sub-Member of E s1,the study area was in a relatively arid subtropical climate,and the lake was in the relatively shallow oxidized and brackish setting,which was conducive for the development of the shallow-water delta. During the deposition of the special lithologic section of the lower sub-Member of E s1,large-scale lake transgression increased the lake level,while the provenance supply was limited in the study area. The lake changed into the reducing setting within the relatively humid climate and increased salinity,which was favorable for the formation of beach-bar. During the deposition of the upper sub-Member of E s1,the source supply was sufficient,and the study area was in the relatively humid subtropical climate. Meanwhile,the lake basin shrank,the lake level decreased. The relatively low salinity and oxidized fresh water setting was conductive for the deposition of the shallow-water delta.

Key words: shallow-water delta; beach-bar; sedimentary characteristics; sedimentary environment; Shahejie Formation; Raoyang sag; Jizhong Depression
1 概述

浅水三角洲的提出始于Fisk等(1954)对美国密西西比河三角洲的研究, 此后, Donaldson(1974)、Postma(1990)、Cornel和Janok(2006)等人强调沉积水深、河口水动力、地形和构造等条件对浅水三角洲的控制作用, 发现浅水三角洲类型多样, 形成于水体较浅、坡度平缓和构造相对稳定的环境, 主要表现为分支河道发育、河口坝不发育的特点。国内浅水三角洲的研究起于20世纪80年代, 早期集中在含煤盆地, 90年代中后期, 在浅水三角洲沉积中发现了含油气储集层, 引起了国内学者的关注, 对浅水三角洲的沉积特征、控制条件及储集层特征等开展研究(龚绍礼, 1986; 郭英海等, 1995)。进入21世纪后, 鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地等多个中、西部陆相含油气盆地的勘探实践表明, 浅水三角洲沉积具有广阔的油气勘探前景, 众多学者认为, 浅水三角洲在较为稳定的古构造、充沛的古物源供给、低缓平坦的古地形和浅而动荡的古水体环境中发育(邹才能等, 2008; 朱筱敏等, 2008, 2013; Zhu et al., 2017a, 2017b)。近年来, 由于中国断陷盆地的油气勘探重点由构造圈闭逐渐向岩性圈闭转移, 断陷湖盆缓坡的浅水三角洲沉积开始成为油气勘探新领域和新的研究热点, 如渤海湾盆地东营凹陷南部缓坡、饶阳凹陷西部蠡县斜坡和霸县凹陷东部文安斜坡等。

滩坝, 通常包括分布较广、厚度相对较小的滩砂体与分布较窄、厚度相对较大的坝砂体, 是滨浅湖环境中重要的沉积类型(朱筱敏等, 1994)。国外学者对滩坝的研究集中于现代海岸或湖岸的野外露头考察(Aagaard, 1990; Houser and Greenwood, 2005; Schwartz, 2012), 国内沉积学家多关注中国东部陆相湖盆的滩坝沉积及其油气勘探意义, 对滩坝的沉积特征、成因类型及沉积模式都进行了详尽的探讨(朱筱敏等, 1994; 操应长等, 2004; 姜在兴等, 2015)。近年来, 随着国内的油气勘探目标向隐蔽油气藏转变, 薄层的滩坝沉积逐渐引起了广大学者的重视。从成因出发, 可将滩坝分为湖岸线拐弯处滩坝、水下古隆起处滩坝、开阔浅湖滩坝和短轴三角洲侧缘滩坝(朱筱敏等, 1994); 从岩性特征出发, 可将其分为陆源碎屑滩坝和碳酸盐岩滩坝(邬金华等, 1998)。在湖盆演化的不同阶段、不同位置, 滩坝的沉积特征及其在岩性、测井和地震方面的响应都不尽相同(朱筱敏等, 1994; 宋春晖等, 1999; 赵东娜等, 2014)。比如, 马立祥等(2009)建立了断— 拗期碟形洼陷碎屑岩滩坝、断— 拗期双断对称中隆型洼陷滩坝和断陷期单断非对称式水下中隆型洼陷滩坝模式; 操应长等(2004)通过对东营凹陷南坡的研究, 认为主要发育滩坝共生、有滩无坝和有坝无滩3种组合; 姜在兴等(2015)则强调滩坝是“ 风— 源— 盆” 作用下的共同产物。目前, 在渤海湾盆地、松辽盆地和准噶尔盆地等均发现薄层的滩坝沉积具有丰富的油气勘探前景。

不同的古环境条件下形成的沉积产物有所不同, 浅水三角洲和滩坝沉积时的古气候、水体盐度和深度等环境特征具有一定的差异性, 明确沉积环境可以为判定沉积相类型及其演化提供依据, 从而指导油气的精细勘探和开发。古沉积环境的研究引起了中外学者们的广泛关注, 前人主要借助主、微量元素和微体古生物化石判断古盐度和古气候, 如通过锶钡比(Sr/Ba)、钍铀比(Th/U)、铷钾比(Rb/K)、镁钙比(Mg/Ca)以及锂(Li)、镍(Ni)等元素含量定性判断古盐度(王益友和吴萍, 1983; 郑荣才和柳梅青, 1999; 谭聪等, 2019), 根据硼元素(B)定量计算古盐度(Walker and Price, 1963; Couch, 1971)。古气候通常借助喜湿型元素和喜干型元素的含量及其比值进行定性判断(Lermanm, 1978; 熊小辉和肖加飞, 2011; 王峰等, 2017), 也可通过主量元素、微量元素对古氧化还原条件定量表征。古水深的判断方法相对完善, 主要根据微体古生物化石和微量元素钴(Co)计算水深(王峰等, 2017), 建立介形虫、藻类等化石的优势分异度与水深的关系(李守军等, 2005; 殷杰等, 2017), 也可通过沉积物中黏土矿物的含量计算水深(杜庆祥等, 2016)。另外, 不同类型的干酪根、特殊自生矿物(张世奇和肖焕钦, 2003)、岩石类型、颜色、沉积构造(聂逢君等, 2002)及地震前积反射结构等(曾洪流等, 2015; 朱茂等, 2017)也能指示古水深。当前恢复古环境的技术多处于定性— 半定量阶段, 需要综合多种方法共同判断古沉积环境。

由于沉积体系的特征及其演化受控于古环境。故本研究基于饶阳凹陷蠡县斜坡的钻井、测井、岩心、孢粉化石数据以及微量元素等分析化验资料, 结合区域地质背景, 解剖了蠡县斜坡沙一段沉积时期浅水三角洲— 滩坝的沉积演化, 从古气候、古水深、古盐度和古氧化还原环境4个方面进行定性或半定量研究, 探索蠡县斜坡沙一段浅水三角洲和滩坝沉积类型与沉积环境演化之间的关系, 进一步为油气的精细勘探提供沉积地质支撑。

2 区域地质背景

饶阳凹陷位于渤海湾盆地冀中坳陷中部, 研究区蠡县斜坡地处饶阳凹陷西部, 是在中上元古界碳酸盐岩基底上稳定发育的大型继承性箕状富油气斜坡, 呈北北东走向, 西高东低。东西宽20~30 km, 南北长约80 km, 面积约2100 km2(图 1)。

图 1 冀中坳陷饶阳凹陷蠡县斜坡位置及地层综合柱状图Fig.1 Location and stratigraphic comprehensive stratigraphic column of Lixian slope of Raoyang sag, Jizhong Depression

蠡县斜坡古近系自下而上依次充填孔店组、沙河街组和东营组, 其中沙河街组自下而上发育沙四段、沙三段、沙二段和沙一段。古近纪经历了5个构造演化阶段: 沙四段形成于断陷分割充填期, 主要发育块状砂砾岩夹紫红色、灰色泥岩和火山岩等; 沙三下亚段— 沙三中亚段对应于断陷扩张深陷期, 发育大面积的深灰色、黑灰色泥岩和页岩; 沙三上亚段— 沙二段形成于断陷抬升期, 发育河流— 三角洲— 滨浅湖沉积, 充填灰色、红色泥岩及灰色砂岩; 沙一下亚段形成于断拗扩展期, 在其底部发育1套灰色砂岩夹薄层紫红色泥岩, 称为“ 尾砂岩” , 此后, 发生快速湖侵, 发育滨浅湖滩坝沉积, 可见灰色细砂岩夹灰绿色泥岩、鲕粒灰岩、生物灰岩、白云岩及油页岩, 称为“ 特殊岩性段” , 是重要的地层对比标志层; 沙一上亚段— 东营组沉积时期湖盆逐渐收缩消亡, 大面积处于氧化环境, 主要发育大套的三角洲紫红色泥岩、灰色泥岩、粗碎屑岩夹碳质泥岩, 整体呈现向上变细、变红的趋势(曾洪流等, 2015; 张以明等, 2019)。研究层段沙一段沉积时, 斜坡构造沉降相对均一, 盆底坡度平缓(< 1° )(赵贤正等, 2012), 水体较浅且周期性波动(浪基面为7.5 m)(殷杰等, 2017), 物源供应充足, 为浅水三角洲的形成提供了充足的条件(陈贺贺等, 2017; Chen et al., 2019a, 2019b; 张以明等, 2019)。

3 沙一段浅水三角洲和滩坝沉积演化

本研究在岩心观察与描述的基础上, 主要通过沉积岩岩石学特征、沉积构造和测井岩电响应特征等进行沉积相的识别与划分。综合考虑饶阳凹陷蠡县斜坡构造背景、物源供给和古气候等多种地质背景, 确定蠡县斜坡沙一段发育浅水三角洲(包括三角洲平原、三角洲内前缘和三角洲外前缘)和湖泊(包括滨浅湖、半深湖和滩坝)沉积。

蠡县斜坡沙一段发育牵引流为主的细粒沉积。沙一下亚段尾砂岩以浅水三角洲内前缘和外前缘沉积为主, 发育间互的紫红色、灰色泥岩、粉砂质泥岩, 夹灰色、灰白色细砂岩、粉砂岩, 反映主体处于氧化环境, 湖平面频繁波动, 时而处于还原环境。岩心中可见强水动力形成的槽状交错层理、楔状交错层理、波状交错层理、平行层理及冲刷面等, 也可见较弱水流作用形成的水平层理, 测井曲线形态以高幅度差箱形、钟形为主; 特殊岩性段主要发育滨浅湖滩坝沉积, 岩性以深灰色、灰黑色泥岩、粉砂质泥岩夹灰色细砂岩、粉砂岩、生物碎屑灰岩和白云质灰岩为主, 局部可见油页岩, 反映沉积水体相对较深, 测井曲线多为低幅齿化基线形和中小型漏斗形, 发育小型楔状交错层理、波状交错层理、波状层理、块状层理和水平层理等反映水动力相对较弱的沉积构造; 沙一上亚段沉积特征与尾砂岩段整体相似, 但紫红色泥岩和粉砂质泥岩明显增多, 反映湖平面下降, 沉积主体多处于氧化环境中, 以浅水三角洲平原沉积为主(表 1)。

表 1 冀中坳陷饶阳凹陷蠡县斜坡沙一段沉积相主要相标志 Table1 Major facies markers of sedimentary facies of the Member 1 of Shahejie Formation in Lixian slope of Raoyang sag, Jizhong Depression

沙一段沉积时, 早期湖盆处于断拗扩展期, 晚期处于断拗抬升消亡期, 共发育西部、西南部及北部3个浅水三角洲朵叶。沙一下亚段尾砂岩沉积时, 湖平面较低且频繁波动, 浅水三角洲发生退积, 自西南向东北依次发育了浅水三角洲内前缘、外前缘和小范围滨浅湖沉积, 呈现“ 小平原、大前缘” 的特征; 沙一下亚段特殊岩性段沉积时, 湖平面快速上升, 形成广泛的湖泊沉积, 浅水三角洲发生大面积退积, 以滨浅湖滩坝为主, 在东北部发育半深湖沉积, 西南部和东南部发育小范围的浅水三角洲前缘沉积; 沙一上亚段沉积时, 湖盆进入断拗抬升消亡期, 湖平面持续下降, 整体处于氧化环境, 浅水三角洲向湖盆中心持续进积, 西部、西南部浅水三角洲发育, 北部浅水三角洲面积较小, 多个三角洲朵叶在西柳地区交汇, 随着三角洲的不断推进, 沉积主体由浅水三角洲前缘逐渐发展为广阔的浅水三角洲平原, 整体呈现出“ 大平原、小前缘” 的特征(图 2, 图 3)。

图 2 冀中坳陷饶阳凹陷蠡县斜坡沙一段沉积演化剖面Fig.2 Sedimentary evolution profile of the Member 1 of Shahejie Formation in Lixian slope of Raoyang sag, Jizhong Depression

图 3 冀中坳陷饶阳凹陷蠡县斜坡沙一段沉积模式Fig.3 Sedimentary model of the Member 1 of Shahejie Formation in Lixian slope of Raoyang sag, Jizhong Depression

4 浅水三角洲和滩坝的沉积环境

饶阳凹陷蠡县斜坡古近系沙河街组沙一段发育浅水三角洲和滩坝沉积, 不同的古环境背景下往往发育不同的沉积类型, 浅水三角洲通常在物源供给充足、河流作用强的条件下沉积, 而滩坝更易发育在物源供给较弱、河流作用不明显、水体宽缓且盐度较高的环境下。本研究主要依据蠡县斜坡古近系沙河街组沙一段微量元素(13口井)和孢粉化石(11口井)分析测试, 结合沉积岩性、颜色和沉积构造等特征, 从古气候、古水深、古盐度及古氧化还原条件等4个方面, 对研究区沙一段的沉积环境进行研究, 从而探讨沉积环境与沉积类型及其演化的关系。

4.1 古气候特征

渤海湾盆地在沙河街组沉积时, 处于喜马拉雅造山期, 经历了多次湖盆的扩张和收缩, 并伴有古气候的变化, 不同气候条件下形成的植被组合及沉积物均有所区别。通过孢粉组合及沉积物中的元素特征, 对研究区沙一段沉积时古气候特征进行分析。

孢粉组合研究表明, 冀中坳陷沙河街组沙一段沉积时期, 处于古近纪的第3个二级古气候周期, 孢粉组合具有垂向分带性, 由早至晚, 呈现出温度急速降低、湿度持续增加的特点(陶明华等, 2001; 陶明华, 2005)。在蠡县斜坡古近系沙河街组一段11口井的孢粉化石中, 共发现孢粉化石150余属, 均以被子植物为主(43.43%~61.88%), 且栎粉属(11.1%~21.79%)和榆粉属(10.48%~11.37%)占绝对优势, 其次为裸子植物(22.60%~28.87%), 蕨类(4.73%~16.05%)和藻类(3.68%~17.88%)相对较少。沙一下亚段早期尾砂岩沉积时, 中生类植物为主体, 主要以栎粉属(21.79%)和榆粉属(11.37%)为主, 麻黄粉属(5.42%)和藜粉属(0.05%)等代表干旱气候的孢粉也有出现, 水生、湿生类植物相对较少(17.49%), 亚热带植被繁盛(28.55%), 古气候与沙二段沉积时期具有一定的继承性, 反映较为干旱的亚热带气候; 沙一下亚段沉积中晚期特殊岩性段沉积时, 中生类植物仍占优势, 但水生、湿生类植物较早期显著增多(24.40%), 藻类相对含量增大(11.64%), 以粒面球藻属和棒球藻属为主, 麻黄粉属等旱生类植物减少(3.83%), 古气候相对湿润, 处于过渡阶段, 且亚热带植被含量与早期相差不大(26.95%), 反映较为湿润的温带、亚热带气候; 沙一上亚段沉积时, 水生、湿生类植物增加(33.77%), 与中生类植物数量相当(33.96%), 以粒面球藻属、光面球藻属和柳粉属为主, 旱生类植物出现较少(4.45%), 温带植物(21.24%)和亚热带植物(16.85%)繁茂, 反映较为湿润的温带、亚热带气候。因此, 自沙一段沉积早期至晚期, 气候逐渐湿润, 由较为干旱的亚热带气候向较为湿润的温带、亚热带气候转变(图 4)。

图 4 冀中坳陷饶阳凹陷蠡县斜坡沙一段孢粉化石分布特征Fig.4 Sporo-pollen fossil distribution of the Member 1 of Shahejie Formation in Lixian slope of Raoyang sag, Jizhong Depression

不同气候条件下沉积物中的微量元素富集程度有所不同, 喜湿元素铜(Cu)与喜干元素锶(Sr)的比值可以反映古气候不同。Sr/Cu值处于1.3~5之间指示温湿气候, 大于5指示干旱气候(Lermanm, 1978; 宋明水, 2005)。

此外, Rb/Sr值也可指示古气候的变化, 在化学风化作用中, 铷(Rb)相对稳定, 而锶(Sr)易风化, 因此, 湿润环境下Rb/Sr值高, 干旱环境下Rb/Sr值相对较低(钱焕菊等, 2009)。蠡县斜坡古近系沙河街组沙一段13口井的微量元素分析, 表明沙一下亚段尾砂岩Sr/Cu值分布在3.33~8.86之间, 平均值为5.71, Rb/Sr值分布在0.23~0.52之间, 平均值为0.37; 特殊岩性段Sr/Cu值分布在3.59~6.74之间, 平均值为4.90, Rb/Sr值分布在0.26~0.54之间, 平均值为0.43; 沙一上亚段Sr/Cu值分布在3.31~6.89之间, 平均值为4.44, Rb/Sr值分布在0.28~0.87之间, 平均值为0.46(表 2; 图 5)。

表 2 冀中坳陷饶阳凹陷蠡县斜坡沙一段古环境地球化学元素指标 Table2 Geochemical elements indices of palaeoenvironment of the Member 1 of Shahejie Formation in Lixian slope of Raoyang sag, Jizhong Depression

图 5 冀中坳陷饶阳凹陷蠡县斜坡沙一段古气候代用指标变化特征
a-Sr/Cu值变化特征; b-Rb/Sr值变化特征。自左向右按照井位由西向东排列, 每口井的样品深度自左向右增大Fig.5 Variation of palaeoclimate indices of the Member 1 of Shahejie Formation in Lixian slope of Raoyang sag, Jizhong Depression

此外, 前人根据锶元素(Sr)定量计算古水体温度, 并用多种方法验证其可靠性(李振清, 2001), 计算公式如下:

Y=2578-80.8×t

其中, Y为锶元素(Sr)含量, t为古水体温度(李振清, 2001)。

计算表明, 沙一下亚段尾砂岩沉积时古水温介于26.45~29.05 ℃之间, 平均温度达27.82 ℃; 沙一下亚段特殊岩性段沉积时温度下降, 处于20.17~28.89 ℃之间, 平均温度达24.78 ℃; 沙一上亚段沉积时, 水温有所上升, 在25.25~28.87 ℃范围内波动, 平均温度为27.29 ℃。因此, Sr含量、Sr/Cu值和Rb/Sr值均指示从沙一段沉积早期到晚期, 古气候由干旱逐渐向湿润变化、水体平均温度较高的特征。

4.2 古水深

浅水三角洲形成于湖盆的浅水区域, Postma(1990)认为浅水三角洲在水深数十米内容易沉积, 在陆相湖盆中, 通常将浪基面以上、波浪影响较大的区域称为浅水区。一般陆相湖盆中浅水三角洲的沉积水深小于15 m(叶蕾等, 2018)。古水深的恢复方法众多, 通常可以借助元素分析、干酪根类型和微体古生物等进行重建, 也可综合自生黏土矿物和沉积构造特征等进行定量恢复。

微体藻类的生存受阳光入水强弱(光合作用)控制, 对水深变化极为敏感, 不同水深生存的藻类种群各不相同。前人据此对渤海湾盆地南堡凹陷沙一段沉积期进行了古水深恢复, 综合黏土矿物、沉积相和沉积构造等验证其可靠性(杜庆祥等, 2016)。文中研究区同处渤海湾盆地, 且目的层位同为沙一段, 故本研究主要通过下列藻类化石加权平均值恢复某时期该井的水深范围。计算公式如下:

hmin=(4x+4y+0* z)/(x+y+z)hmax=(10x+10y+2z)/(x+y+z)

其中x、y、z分别是粒面球藻、网面球藻、光面球藻含量, hmin为最小水深, hmax为最大水深(杜庆祥等, 2016)。

蠡县斜坡沙一下亚段尾砂岩沉积时, 气候较为干旱, 藻类化石少, 平均水深在2~8.22 m之间, 岩心中可见到丰富的槽状、楔状交错层理, 一般指示水深小于10 m(张世奇和肖焕钦, 2003), 且有大量的、垂直或高角度生物钻孔, 反映沉积水体较浅。沙一下亚段特殊岩性段沉积时, 湖泊扩张, 气候相对湿润, 藻类化石丰富, 水体加深, 整体平均水深处于2.72~10 m, 符合滨浅湖滩坝沉积的条件, 结合在东部地势较低处的取心井中可以观察到大段暗色泥岩的岩性特征, 指示特殊岩性段沉积时期水深较大。沙一上亚段沉积时, 湖泊收缩, 气候相对湿润, 藻类化石较多, 水体相对变浅, 平均水深为1.40~9.95 m, 且泥岩多呈现紫红色, 岩心上可见明显的冲刷面和楔状交错层理, 同样反映沉积水体较浅。

生物化石的分异度是指该生物群中分类单元(属、种等)多样性的程度, 与沉积水深具有一定的关系, 其常用的指标是信息函数熵值H(s), H(s)越大, 分异度越大。其计算公式如下(李守军等, 2005):

H(s)=-∑PilnPi

其中Pi是第i种的数量ni在全群总个数N中的占比(Pi=ni/N)。

在渤海湾盆地中, 水体较为稳定的浅湖生物分异度最高, 三角洲和深水区域生物分异度较低。近年来, 有学者采用类似思路, 建立了饶阳凹陷沙一下亚段沉积时水深和介形虫分异度的关系(殷杰等, 2017; 图 6)。笔者计算了研究区沙一下亚段尾砂岩、特殊岩性段及沙一上亚段介形虫的平均信息函数熵值H(s)分别为0.52、0.76和0.47, 借助前人建立的水深关系, 参考岩性、沉积构造等特征, 得出沙一下亚段尾砂岩、特殊岩性段以及沙一上亚段的平均沉积水深分别为4.3 m、8.2 m和4.1 m, 水体整体呈现出先加深再变浅的特点。

图 6 冀中坳陷饶阳凹陷蠡县斜坡沙一下亚段介形虫分异度与古水深的对应关系(据殷杰等, 2017; 有修改)Fig.6 Corresponding relationship between the diversity of Ostracoda and ancient water depth of the Member 1 of Shahejie Formation in Lixian slope of Raoyang sag, Jizhong Depression (modified after Yin et al., 2017)

4.3 古盐度

在陆相盆地中, 古盐度通常根据微量元素比值和微体古生物化石进行恢复, 常采用Sr/Ba值、Th/U值、Rb/K值和B含量等方法进行定性或定量的判断(王益友和吴萍, 1983; 杜庆祥等, 2016; 张天福等, 2016; 谭聪等, 2019)。笔者对蠡县斜坡沙一段13口井的微量元素进行分析, 通过Sr/Ba值和Th/U值恢复古盐度。

由于锶(Sr)在溶液中的迁移能力强于钡(Ba), 所以Sr/Ba值与古盐度具有正相关性。通常认为, Sr/Ba值小于0.6为陆相淡水, 0.6~1为半咸水, 大于1为海相咸水(王益友和吴萍, 1983)。沙一下亚段尾砂岩Sr/Ba值介于0.39~0.95之间, 平均值为0.67; 特殊岩性段Sr/Ba值介于0.50~1.81之间, 平均值为0.85; 沙一上亚段Sr/Ba值介于0.23~0.84之间, 平均值为0.48(表 2; 图 7-a), 可以看出沙一下亚段沉积早期为半咸水环境, 沉积晚期由于湖侵造成湖盆扩张, 海水倒灌, 湖水盐度增加, 沙一段沉积晚期湖盆收缩, 陆相淡水持续供给, 湖水盐度下降, 反映淡水环境为主。

图 7 冀中坳陷饶阳凹陷蠡县斜坡沙一段古盐度变化特征
a— Sr/Ba值变化特征; b— Th/U值变化特征。自左向右按照井位由西向东排列, 每口井的样品深度自左向右增加Fig.7 Variation of palaeosalinity of the Member 1 of Shahejie Formation in Lixian slope of Raoyang sag, Jizhong Depression

Th/U值也能指示古盐度的变化, 由于钍(Th)易被黏土矿物吸附, 而铀(U)更易被氧化或淋滤, 故而在海相环境中Th/U值比陆相环境中小, Th/U值小于2指示海相咸水, 2~7为微咸水— 半咸水环境, 大于7指示陆相淡水(付金华等, 2018)。沙一下亚段尾砂岩Th/U值介于2.94~7.18之间, 平均值为4.56; 沙一下亚段特殊岩性段Th/U值介于1.32~6.51之间, 平均值为3.19; 沙一上亚段Th/U值介于1.24~6.17之间, 平均值为4.33(表 2; 图 7-b), 反映沙一段沉积时整体环境为微咸水— 半咸水, 具有沙一下亚段沉积早期盐度较小、晚期较大、沙一上亚段沉积时期又减小的特点, 这与Sr/Ba值反映的湖泊盐度趋势一致。

此外, 根据研究区的孢粉化石统计发现, 在N30井、GS1井、G8井和BS2井沙一上亚段出现了盘星球藻属、光面球藻属和粒面球藻属等淡水藻类组合, 平均含量达9.87%, 这与Sr/Ba值指示的水体盐度一致。

4.4 古氧化还原条件

沉积环境的氧化还原性不同, 沉积物中富集的元素也有所不同, 一般选取对氧化还原性敏感的元素进行分析, 认为锌(Zn)、铁(Fe)等主量元素和钒(V)、镉(Cd)、铬(Cr)、钴(Co)、铜(Cu)、铀(U)、钍(Th)、镍(Ni)等微量元素, 可以指示沉积环境的氧化还原性(Jones and Manning, 1994; 付金华等, 2018)。由于铀(U)化学性质很活泼, 易发生氧化或淋滤, 而钍(Th)的迁移能力很弱, 相对稳定, 因此, 可通过δ U来指示沉积环境的氧化还原性。δ U=U/[0.5× (Th/3+U)], 正常水体环境下δ U< 1, 还原环境中, δ U> 1(王峰等, 2017)。统计发现, 蠡县斜坡沙一下亚段尾砂岩δ U介于0.58~1.39之间之间, 平均值为0.86, 仅个别值大于1; 沙一下亚段特殊岩性段δ U介于0.63~1.36之间, 平均值为1.11; 沙一上亚段δ U介于0.65~1.41之间, 平均值为0.84(表 2; 图 8-a), 反映沙一下亚段沉积时期早期主体处于氧化环境, 到晚期过渡为还原环境, 这与此时发生的大面积湖侵造成水体加深有关, 沙一段沉积晚期, 湖泊面积缩小, 主体处于氧化环境。

图 8 冀中坳陷饶阳凹陷蠡县斜坡沙一段古氧化还原条件变化特征
a— δ U值变化特征; b-Ni/Co值变化特征。自左向右按照井位由西向东排列, 每口井的样品深度自左向右增加Fig.8 Variation of paleoredox conditions of the Member 1 of Shahejie Formation in Lixian slope of Raoyang sag, Jizhong Depression

国外学者在西北欧晚侏罗世暗色泥岩的研究中, 确认U/Th值、V/Cr值、Ni/Co值和V/(V+Ni)值是指示沉积环境氧化还原性最为可靠的指标(Jones and Manning, 1994)。一般认为, Ni/Co值大于7时, 指示缺氧、极贫氧的还原水体环境; 5~7时, 指示贫氧、次富氧的亚还原环境; 小于5为富氧的氧化环境。研究显示, 蠡县斜坡沙一下亚段尾砂岩Ni/Co值介于2.41~5.17之间, 平均值为4.05, 处于氧化环境; 沙一下亚段特殊岩性段Ni/Co值介于4.05~6.50之间, 平均值为5.03, 处于亚还原水体; 沙一上亚段Ni/Co值介于2.35~5.76之间, 平均值为4.01(表 2; 图 8-b), 指示氧化环境。Ni/Co值反映的结果与δ U法得到的结论一致。

除了沉积物中富集的元素之外, 泥岩颜色也能直观地判断沉积水体的氧化还原特征, 通过对蠡县斜坡18口井进行泥岩颜色的统计发现, 沙一下亚段尾砂岩沉积时, 湖平面频繁波动, 发育大面积浅水三角洲前缘亚相, 在研究区西部、北部红色及杂色泥岩较多, 灰色、深灰色泥岩主要分布在东部, 反映当时为氧化环境(图 9-a); 沙一下亚段特殊岩性段沉积时, 发生大规模湖侵, 暗色泥岩占绝对优势, 仅在西南部G28井处见到红色泥岩, 此时以还原环境为主(图 9-b); 沙一上亚段沉积时, 湖泊收缩, 主体发育浅水三角洲平原和内前缘沉积, 全区范围内红色泥岩含量显著增加, 仅在东部G22井附近可见零星的暗色泥岩, 指示整体为氧化环境(图 9-c)。对比可见, 泥岩颜色判别法与元素比值法识别的沉积环境一致。

图 9 冀中坳陷饶阳凹陷蠡县斜坡沙一段泥岩颜色分布
a— 沙一下亚段尾砂岩; b— 沙一下亚段特殊岩性段; c— 沙一上亚段。蠡县斜坡构造位置见图 1Fig.9 Distribution of mudstone colors of the Member 1 of Shahejie Formation in Lixian slope of Raoyang sag, Jizhong Depression

显然, 泥岩颜色的分布演化特征与前面利用古生物和微量元素等多种资料确定的古气候、古水深、古盐度和古氧化还原环境之间具有良好的匹配关系, 进一步反映了古环境对浅水三角洲和滩坝发育的控制作用。

5 结论

通过对渤海湾盆地饶阳凹陷蠡县斜坡沙河街组沙一段的沉积演化及古环境分析, 取得了以下3点认识:

1)蠡县斜坡沙一段沉积时期, 主要发育浅水三角洲和滩坝沉积。沙一下亚段尾砂岩沉积时期, 湖平面较低, 浅水三角洲发生退积, 以浅水三角洲内前缘、外前缘沉积为主, 呈现“ 小平原、大前缘” 的特征; 沙一下亚段特殊岩性段沉积时期, 湖平面快速上升, 形成广泛的湖泊沉积, 主要沉积滨浅湖滩坝; 沙一上亚段沉积时期, 湖平面持续下降, 浅水三角洲向湖盆中心持续推进, 沉积主体转变为浅水三角洲平原及前缘, 整体呈现出“ 大平原、小前缘” 的特征。

2)蠡县斜坡沙一下亚段尾砂岩沉积时期, 主体为较干旱的亚热带气候, 沉积水体较浅且频繁振荡, 处于氧化、微咸水— 半咸水的水体环境, 有利于浅水三角洲的沉积; 沙一下亚段特殊岩性段沉积时期, 物源供给弱, 处于相对湿润的温带、亚热带气候, 发生大规模湖侵, 湖平面上升, 水体加深, 盐度增大, 但仍为微咸水— 半咸水水体, 整体过渡为还原环境, 有利于滨浅湖滩坝的形成; 沙一上亚段沉积时期, 整体为相对湿润的温带、亚热带气候, 湖盆收缩, 水体持续变浅, 多处于氧化条件下的淡水环境, 有利于浅水三角洲的发育。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 谈明轩)

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