依据岩心观测可知, 研究区石炭系— 二叠系的泥岩颜色多变(图 4), 呈黑色、深灰色、杂色、紫红色、黄绿色等。其中黑色、深灰色泥岩主要发育在本溪组、太原组及山西组, 反映沉积时为强还原环境; 灰绿色、黄绿色、灰色、灰白色泥岩在各组地层都有发育, 反映弱氧化— 弱还原环境; 紫色、紫红色泥岩在研究区各组地层亦都有发育, 反映强氧化环境。根据沉积构造、岩性、测井曲线特征, 结合岩心观测, 认为研究区石炭系— 二叠系沉积相类型主要有潮坪相、障壁岛相、潟湖相、三角洲相及辫状河相。本溪组及太原组发育碎屑海岸体系, 发育潮坪相、障壁岛相及潟湖相; 山西组发育三角洲相, 且主要发育三角洲平原亚相; 上、下石盒子组发育辫状河相; 石千峰组地层剥蚀严重, 沉积相划分困难。

图 4

Fig.4

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图 4 济阳坳陷北部石炭系— 二叠系岩心照片 A— 含植物碎片化石, D674井, 3096 m, 太原组; B— 灰绿色泥岩, DG67井, 2886 m, 上石盒子组; C— 杂色泥岩, YGX95井, 2537 m, 上石盒子组; D— 灰黑色泥岩, 见植物根茎化石, Y136井, 3772 m, 山西组; E— 含砾砂岩, DG82井, 2550 m, 太原组; F— 灰绿色粉砂岩, Y136井, 3708 m, 山西组; G— 脉状层理, D675井, 3103 m, 山西组; H— 平行层理(蓝色箭头), D671井, 3093 m, 山西组; I— 板状层理, Y132井, 3600 m, 山西组; J— 沙纹层理, DG67井, 2888 m, 上石盒子组Fig.4 Core photos of the Carboniferous-Permian in northern Jiyang Depression

3.1.1 潟湖、潮坪及障壁岛相

发育于本溪组及太原组。潟湖相以灰色、灰黑色及黑色泥岩、粉砂质泥岩为主, 多见水平层理, 水动力条件较弱, 富含植物化石(图 4-A), 测井曲线呈低幅微齿状。潮坪相主要发育灰色泥质粉砂岩、粉砂岩及细砂岩, 分选性较好, 见脉状层理、水平层理等, 测井曲线呈漏斗形、钟形。障壁岛相主要发育细砂岩、中砂岩及含砾砂岩(图 4-E), 分选性差, 多见板状交错层理等, 测井曲线呈漏斗形、钟形及锯齿状(图 5)。

图 5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 5 济阳坳陷北部D671井单井相分析Fig.5 Lithology and lithofacies generalized geological histogram of Well D671 in northern Jiyang Depression

3.1.2 三角洲相

研究区山西组发育三角洲相, 且以三角洲平原亚相为主, 主要发育分流河道、分流间湾、天然堤及泥炭沼泽微相。分流河道发育灰色、灰绿色粉砂岩(图 4-F)、细砂岩、中砂岩及含砾砂岩, 分选较差, 岩石粒度由下向上逐渐变细, 呈正粒序, 见脉状层理、平行层理、板状层理等(图 4-G, 4-H, 4-I), 水动力条件较强, 底部常见冲刷面, 泥砾、砾石可呈定向排列, 测井曲线呈箱形、钟形及锯齿状。分流河道间发育灰色、灰黑色泥岩及泥质砂岩, 可见植物碎片(图 4-D)和炭屑, 以水平层理或不显层理为主, 反映弱水动力条件, 测井曲线呈低幅齿形。天然堤主要发育灰色泥质粉砂岩及泥岩, 主要表现为砂泥岩互层, 反映水动力条件强弱变化频繁, 发育波状层理, 测井曲线呈锯齿状。沼泽微相发育泥岩、碳质泥岩及煤层, GR曲线形态表现为负偏移。

3.1.3 辫状河相

研究区上、下石盒子组发育辫状河沉积, 主要岩性为含砾石英砂岩及中粒石英砂岩, 河流二元结构不发育, 可识别出河漫及辫状河道亚相, 并可进一步划分为泛滥平原、心滩、河床滞留沉积微相。辫状河道发育灰白色、灰绿色细砂岩至砾岩, 以粗砂岩为主, 见炭屑条纹。河床滞留沉积发育于沉积旋回最底部, 粒径大, 以含砾砂岩及粗砂岩为主, 磨圆度和分选性差, 水动力条件强, 底部常见冲刷构造, 测井曲线呈齿化箱形或钟形。心滩主要发育含砾砂岩、中砂岩, 见槽状层理、沙纹层理(图 4-J)及板状层理, 水动力条件强, 沉积厚度大, 分布范围广, 测井曲线呈钟形、箱形。研究区河漫亚相主要为泛滥平原微相, 以深灰色、灰绿色(图 4-B)、杂色(图 4-C)泥岩和浅灰白色粉— 细砂岩为主, 层理不明显, 或为水平层理, 见植物碎片化石和炭屑。

单井相分析是沉积相划分的基础工作之一, 也是进行连井相分析及平面相分析的前提。笔者以D671井为例, 进行单井相分析。

D671井位于研究区西北部(图 1-C), 完钻层位为本溪组, 钻遇的石炭系— 二叠系厚度约334 m, 深度范围为2900.7~3235.0 m。该井中, 自下石盒子组向上的地层已被剥蚀, 上与古近系孔店组呈不整合接触(图 5)。

本溪组厚约35 m, 为碎屑海岸体系沉积。以灰色、灰黑色泥岩及砂质泥岩为主, SP曲线呈低幅锯齿状, 对应潟湖相; 其次为砂岩, 粒度较细, 测井曲线多呈锯齿状, 对应潮坪相。

太原组厚约84 m, 也为碎屑海岸体系沉积。以灰黑色泥岩及砂质泥岩为主, SP曲线具低幅特征, 表明沉积环境较为安静, 对应潟湖相。砂岩发育较差, 主要为细砂岩及泥质粉砂岩, 厚度较薄, 规模较小, 测井曲线多呈钟形, 对应潮坪相。障壁岛相不甚发育。

山西组厚约119 m, 总体为三角洲平原沉积, 发育砂泥岩和煤层, 泥岩颜色主要为紫红色和灰色, 砂岩主要呈灰绿色和灰色。可进一步分为分流河道、天然堤及分流河道间沉积微相, 其中分流河道沉积以细砂岩为主, 脉状层理及平行层理发育, 测井曲线呈箱形、钟形, 可见多期钟形组合, 推测河道发生多期叠置, 水动力条件强; 天然堤主要发育泥岩及砂质泥岩, 少见细砂岩, 多呈砂泥岩互层, 自然伽马曲线呈锯齿状; 分流河道间主要发育泥岩及砂质泥岩, 测井曲线呈低幅锯齿状。山西组可见煤层, 对应泥炭沼泽微相。从岩石颜色来看, 山西组底部岩石常呈灰黑色及灰色, 中部呈灰绿色及灰色, 顶部呈紫红色, 反映出沉积环境由还原向氧化的转变。

下石盒子组残留地层厚度约为95 m, 为辫状河沉积, 砂岩粒度较粗, 主要为灰绿色含砾砂岩, 泥岩以灰色为主, 即下石盒子组底部发育厚度较大的含砾砂岩, 向上过渡为细砂岩、泥质粉砂岩。其中河漫发育砂质泥岩和泥岩, 主要为泛滥平原微相, 而河道沉积主要由灰色、灰绿色含砾砂岩组成, 发育河床滞留沉积、心滩微相。泛滥平原的GR曲线具低幅齿化特征, 心滩呈微齿化的高幅箱形, 说明河道经过多期的叠置。河床滞留沉积发育在沉积旋回的最底部, 粒度较粗, 主要为含砾砂岩, 测井曲线呈现钟形。

以单井相为基础, 利用连井相对比法, 综合确定沉积微相规模, 分析研究区沉积微相的横向变化规律。

3.3.1 东西向连井剖面

剖面位于研究区的西北部(图 1-C), 由东到西为D675井-DG82井-YG38井-DG674井, 均钻穿石炭系— 二叠系, 下接奥陶系。石炭系— 二叠系遭受到不同程度剥蚀, 其中YG38井上石盒子组及之上地层遭到剥蚀, 上覆新生界; D675井及DG82井地层自下石盒子组遭受剥蚀, 上覆新生界; DG671井自山西组起遭受剥蚀, 上覆中生界(图 6)。

图 6

Fig.6

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	图 6 济阳坳陷北部石炭系— 二叠系沉积微相与砂体东西向对比剖面Fig.6 Comparison profile of sedimentary microfacies and sand bodies of the Carboniferous-Permianalong east-west direction in northern Jiyang Depression

从该连井剖面可以看出, 本溪组主要发育泥岩, 对应潟湖沉积; 但在D675井可见潮坪沉积, 主要岩性为细砂岩, 厚度较薄。太原组沉积时期, D675井主要发育障壁岛沉积, 砂体较厚; 而DG82井及YG38井潮坪沉积较发育, 砂体普遍较薄; 见多套煤层, 可作为太原组的地层标志。与本溪组及太原组相比, 山西组砂岩发育较好, 对应分流河道微相, 但该砂体东西向连续性差, 多呈孤立状; 泥岩对应分流河道间沉积; 中下部发育多套煤层, 对应泥炭沼泽沉积。下石盒子组为辫状河沉积, 其中砂岩较发育、厚度较大, 对应心滩微相, 且呈多个透镜体叠置, 反映河道的频繁变化; 而泥岩对应泛滥平原微相。

3.3.2 南北向连井剖面1

位于研究区西北部(图 1-C), 由北向南为DG672井-YG38井-YG10井-Z21井, 均钻穿石炭系— 二叠系, 下接奥陶系。YG38井、YG10井及Z21井自上石盒子组向上遭到剥蚀, 上覆新生界, DG672井自山西组向上遭受到剥蚀, 上覆中生界(图 7)。

图 7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 7 济阳坳陷北部石炭系— 二叠系沉积微相与砂体南北向对比剖面 1Fig.7 Comparison profile 1 of sedimentary microfacies and sand bodies of the Carboniferous-Permian along south-north direction in northern Jiyang Depression

在该剖面中, 本溪组潮坪相较发育, 见多套煤层。太原组YG10井以障壁岛相为主, 砂岩粒度粗; DG672、YG38及Z21井发育薄层砂岩, 对应障壁岛沉积。山西组以分流河道间沉积为主, 砂体较薄, 对应分流河道沉积, 可见多套煤层。下石盒子组及上石盒子组砂体发育, 整体连续性较好, 对应心滩微相, 而泥岩对应泛滥平原沉积, 并可见河床滞留沉积。

3.3.3 南北向连井剖面 2

剖面位于研究区东南部(图 1-C), 由北向南为Y155井-Y132井-Y136井-B63井, 其中Y155、Y132井在山西组完钻, Y136井、B63井在太原组完钻。Y155井地层自下石盒子组向上遭到剥蚀, 上覆中生界; Y132、Y136井地层自上盒子组向上遭受剥蚀, 上覆中生界; B63井地层剥蚀最为严重, 仅保留部分本溪组, 上覆新生界(图 8)。

图 8

Fig.8

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	图 8 济阳坳陷北部石炭系— 二叠系沉积微相与砂体南北向对比剖面 2Fig.8 Comparison profile 2 of sedimentary microfacies and sand bodies of the Carboniferous-Permian along south-north direction in northern Jiyang Depression

在该剖面中, 太原组为碎屑海岸沉积: Y136井以泥岩为主, 对应潟湖相, 而砂岩粒度粗, 砂体厚度大, 对应障壁岛相; B63井发育薄层砂岩, 对应障壁岛沉积。山西组砂体发育较好, 砂岩层之间连续性较好, 对应分流河道沉积, 泥岩对应分流河道间沉积; Y155、Y136井的砂泥岩互层, 对应天然堤微相。下石盒子组砂体发育, 整体连续性较好, 对应心滩微相, 泥岩对应泛滥平原, 可见河床滞留沉积。上石盒子组的砂体较其他组都要厚, 连通性较好, 主要发育心滩及泛滥平原微相, 沉积旋回底部可见河床滞留沉积。

依据沉积构造、岩性、测井曲线特征及岩心观测, 通过单井分析、连井相分析, 确定各井不同层位优势相, 并结合砂地比图(图 9), 编制了研究区沉积相图。

图 9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 9 济阳坳陷北部石炭系— 二叠系砂地比 A— 本溪组; B— 太原组; C— 山西组; D— 下石盒子组; E— 上石盒子组Fig.9 Ratio of sand of the Carboniferous-Permian in northern Jiyang Depression

本溪组沉积时期(10-A), 研究区发生海侵作用, 方向由东向西(陈世悦, 1998)。受此影响, 障壁岛多近南北向, 主要呈斑块状分布, 沉积物砂地比多在40%以上, 砂体普遍较厚, 砾石含量多, 分选差。潮坪相主要分布在障壁岛岛后地带, 发育细砂岩及粉砂岩, 砂体厚度不一, 分选性较好。潟湖相发育广泛, 砂地比一般小于20%, 多为大套泥岩, 见水平层理。

太原组继承了本溪组的沉积格局(图 10-B), 同样遭受到由东向西的海侵作用(陈世悦, 1998)。太原组障壁岛相的分布位置与本溪组大体一致, 但平面上的规模较本溪组大, 西部障壁岛相发育较东部要好。受海侵作用影响, 障壁岛多呈近南北向分布。障壁岛外侧发育小范围潮坪沉积, 潟湖相广泛发育。

图 10

Fig.10

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	图 10 济阳坳陷北部石炭系— 二叠系沉积相演化 A— 本溪组; B— 太原组; C— 山西组; D— 下石盒子组; E— 上石盒子组Fig.10 Sedimentary facies evolution of the Carboniferous-Permian in northern Jiyang Depression

山西组沉积时期(图 10-C), 海岸线已退却到研究区以外(张关龙等, 2009), 研究区不再受海侵作用影响。主要发育三角洲平原沉积, 3条分流河道由北向南呈条带状流入研究区, 砂体发育好。其余地方发育分流河道间沉积, 以大段泥岩及粉砂质泥岩沉积为主, 砂体发育差, 砂地比低。

上、下石盒子组沉积时期(图 10-D, 10-E), 物源供给充足, 河流从北部注入研究区(张关龙等, 2009), 导致大量粗粒沉积物发育。上、下石盒子组砂地比值大, 砾石含量多, 辫状河道呈条带状分布, 砂体发育好, 心滩呈星点状分布在辫状河道内, 泛滥平原夹在辫状河道间。心滩的砂地比值最高, 可见各种类型的交错层理。泛滥平原主要发育泥岩, 砂地比较低, 可见植物碎片, 多见水平层理。

济阳坳陷石炭纪— 二叠纪沉积演化主要受周缘2个造山带的控制, 南部秦岭造山带及北部阴山— 燕山造山带是济阳坳陷的主要物源供给区(张关龙等, 2009)。研究区位于济阳坳陷北部, 阴山造山带为主要物源供给区, 海平面升降控制沉积演化。早石炭世, 济阳坳陷发生隆升, 未发生沉积作用。晚石炭世早期, 济阳坳陷经历由东向西的海侵, 开始发育沉积。晚石炭世晚期, 海侵规模扩大。早二叠世, 华北板块演化为南、北、西部高而中间及东部低的箕状, 海侵范围和规模均有所减小, 研究区不再受到海侵作用影响(陈世悦, 1998)。

本溪组沉积时期(图 11-A):在经历长期风化剥蚀作用后, 济阳坳陷开始接受沉积, 但此刻北部阴山造山带物源供给能力有限, 海水由东向西侵入研究区, 加之气候潮湿(陈世悦, 1998; 张关龙等, 2009), 研究区形成了碎屑海岸沉积体系, 主要发育潟湖相、障壁岛相及潮坪相, 台地相极少见, 这可能与研究区靠近物源区有关。研究区广泛发育潟湖相, 障壁岛垂直海侵方向多呈近南北向分布, 障壁岛小范围内发育潮坪相。

图 11

Fig.11

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	图 11 济阳坳陷北部石炭系— 二叠系沉积模式 A— 本溪组和太原组; B— 山西组; C— 上石盒子组和下石盒子组Fig.11 Sedimentary model of the Carboniferous-Permian in northern Jiyang Depression

太原组沉积时期(图 11-A):北部阴山造山带物源供给能力逐渐增强, 海水由东向西覆盖整个研究区(陈世悦, 1998; 张关龙等, 2009)。该时期气候潮湿, 继承性了本溪组沉积时期的沉积格局, 发育潟湖相、障壁岛相、潮坪相。与本溪组的差别在于, 太原组的障壁岛相发育规模及分布范围较大, 可能与北部物源供给增强有较大关系。

山西组沉积时期(图 11-B):北部阴山造山带持续隆升, 物源从北部注入, 海水从研究区退去, 研究区地势平坦且再未发生海侵作用。区内发育海陆过渡相浅水三角洲沉积, 砂体厚度及规模变大。主要发育分流河道及分流河道间微相, 分流河道间以泥岩为主, 分流河道砂岩发育较好, 岩性粒度变化较大。

上、下石盒子组沉积时期(图 11-C):北部阴山造山带完成全面碰撞, 并持续为研究区提供物源。下、上石盒子组沉积格局具有继承性, 都发育辫状河沉积, 砾石含量多、砾径较大。