刘惠民, 王勇, 李军亮, 张鹏飞, 张顺, 魏晓亮, 秦峰. (2023). 济阳坳陷始新统页岩岩相发育主控因素及分布特征* [J]. 古地理学报, 25(4): 752-767.
LIU Huimin, WANG Yong, LI Junliang, ZHANG Pengfei, ZHANG Shun, WEI Xiaoliang, QIN Feng. (2023). Main controlling factors and distribution characteristics of shale lithofacies in the Eocene of Jiyang Depression[J]. Journal Of Palaeogeography, 25(4): 752-767.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.04.059
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济阳坳陷始新统页岩岩相发育主控因素及分布特征*
刘惠民1, 王勇2, 李军亮2, 张鹏飞2, 张顺2, 魏晓亮2, 秦峰2
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勘探开发研究院,山东东营 257015

第一作者简介 刘惠民,男,1969年生,2005年毕业于中国石油大学(华东),获博士学位,主要从事胜利油田分公司油气勘探研究与管理工作。E-mail: hmliu@vip.163.com。

收稿日期:2023-02-25 修回日期:2023-05-06
基金资助:*中国石油化工股份有限公司基础性课题(编号: P23084)和胜利油田分公司科研课题(编号: YKK2214)联合资助
摘要

济阳坳陷始新统沙四上—沙三下亚段页岩岩相类型多样、特征明显,近年来针对该套页岩系统取心 10 100余米,为陆相断陷湖盆页岩岩相发育主控因素及分布研究提供了“天然实验室”。综合利用岩心、薄片、 XRD、地球化学等资料,以济阳坳陷为研究区,对沙四上—沙三下亚段的页岩岩相类型、发育主控因素和分布规律进行了系统研究。结果表明,济阳坳陷古近系位于北纬亚洲季风气候带,沙四上—沙三下亚段处于强烈裂陷欠补偿期,为典型的闭流咸化湖盆,发育巨厚层纹层发育的富碳酸盐页岩; 受湖盆古水介质(古水深、古盐度和古氧化 -还原性)和古物源条件复杂多变控制,发育了多类型页岩,包括碳酸盐页岩、混合页岩、黏土页岩和长英页岩 4类,进一步综合岩石组分、沉积构造和有机质丰度细分为富有机质纹层状碳酸盐页岩相、富有机质层状碳酸盐页岩相、富有机质纹层状灰质混合页岩相、富有机质纹层状黏土质混合页岩相、富有机质层状长英质混合页岩相、富有机质纹层状黏土页岩相、富有机质层状黏土页岩相、富有机质纹层状长英质页岩相和含有机质层状长英质页岩相 9种; 古气候、古物源和古水介质协同演化,与古地貌共同控制了岩相类型与展布,其中,古气候与盆地构造演化控制了页岩发育的规模,古水介质与古物源控制了页岩岩相类型,古地貌与古物源控制了岩相分区分带差异化展布。建立了济阳坳陷沙四上—沙三下亚段页岩分区分带差异化分布模式,可为陆相断陷盆地页岩油气勘探和相似地质背景下页岩成因研究提供借鉴和参考。

关键词: 济阳坳陷; 始新统; 页岩岩相; 主控因素; 古水介质; 古物源; 古地貌
中图分类号:P588.21 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)04-0752-16
Main controlling factors and distribution characteristics of shale lithofacies in the Eocene of Jiyang Depression
LIU Huimin1, WANG Yong2, LI Junliang2, ZHANG Pengfei2, ZHANG Shun2, WEI Xiaoliang2, QIN Feng2
1 Sinopec Shengli Oilfield Company,Shandong Dongying 257001,Chin
2 Exploration and Development Institute of Shengli Oilfield Company,Sinopec, Shandong Dongying 257015,China

About the first author LIU Huimin,born in 1969,graduated from the China University of Petroleum(East China)in 2005 with a doctoral degree. Now,he is mainly engaged in oil and gas exploration research and management in Shengli Oilfield Company. E-mail: hmliu@vip.163.com.

Abstract

In recent years,over 10 100 meters of cores have been collected to the study of the shale oil and gas system in the Jiyang Depression. These cores provide excellent materials for investigating the main control factors and distribution of shale lithofacies in continental rifted basins. In this study,diverse shale lithofacies in the upper Member 4(E s4S)and lower Member 3(E s3X)of Eocene Shahejie Formation in the Jiyang Depression are identified by utilizing thin section,XRD mineral composition and major element data. The experiment results show the primary development of four types of shale lithofacies in the Jiyang Depression,namely carbonate shale facies,mixed shale facies,clay shale facies,and felsic shale facies. Moreover,these lithofacies are further subdivided into nine subtypes: organic-rich laminated carbonate shale facies,organic-rich layered carbonate shale facies,organic-rich laminated carbonate mixed shale facies,organic-rich laminated clay mixed shale facies,organic-rich layered felsic mixed shale facies,organic-rich laminated clay shale facies,organic-rich layered clay shale facies,organic-rich laminated felsic shale facies and organic-bearing layered felsic shale facies. The Jiyang Depression,located in a northern latitude Asian monsoon climate zone,experienced intense rifting and was underfilled by sediments during the Paleogene. The lacustrine palaeowater medium(palaeo-water depth,palaeo-salinity,and palaeo oxidation-reduction)and palaeo-provenance variations have jointly controlled the types and distribution characteristics of lithofacies. Among these factors,palaeoclimate and basin evolution controlled the large-scale development of organic-rich carbonate laminated shale lithofacies,while the types of shale lithofacies were controlled by the interplay between palaeo-water body and palaeo-provenance. Additionally,the distribution of shale lithofacies was determined by the interaction of palaeogeomorphology and palaeo-provenance. This study has established a belt distribution model of shale in the E s4S and E s3X of the Jiyang depression,which can provide valuable insights for shale oil and gas exploration in continental rifted basins and contributes to the understanding of shale genesis research under similar geological conditions.

Key words: Jiyang Depression; Eocene; shale lithofacies; main control factor; palaeo-water; palaeo-provenance; palaeomorphology
Fund:Co-funded by the research project of Petroleum & Chemical China,Ltd.(No.P23084)and research project of Shengli Oilfield Company(No. YKK2214)

自Farey(1811)定义页岩概念以来, 受限于粒径、强非均质和微观实验条件制约, 研究一直相对滞缓。进入21世纪之后, 随着页岩油气大规模勘探开发, 专家学者对页岩日益关注, 审视页岩的角度也发生了明显变化, 不仅关注页岩的组分和结构, 也关注页岩的生油、储集能力和可压性, 一定程度上推动了页岩岩相的研究进程。到目前为止, 页岩分类、形成机制和沉积过程学术界认识尚未统一(邓宏文和钱凯, 1990; Schieber et al., 2000; 王冠民, 2005; Aplina and MacQuaker, 2011; 姜在兴等, 2013; 黎茂稳, 2020)。“ 十三五” 以来, 中国东部渤海湾断陷湖盆古近系孔二段、沙四上— 沙三下亚段、沙一段页岩油气勘探取得全方位战略性突破, 助推了国内陆相断陷湖盆页岩细粒沉积的研究进程, 在页岩岩相类型、沉积环境、沉积作用过程等方面取得了一系列创新性认识(陈世悦等, 2016; 赵贤正等, 2018; 马义权等, 2020)。但随着研究程度的不断深入和取心资料的不断丰富, 越来越多的证据表明, 陆相断陷湖盆地质条件更为复杂。陆相页岩不同于海相页岩, 具有岩相类型多、相变快、展布复杂、非均质性强等特点, 不仅不同盆地岩相存在差异、同一盆地的不同区带/不同层系岩相也千差万别(杨万芹等, 2015; 王勇等, 2016; 刘惠民等, 2020)。岩相作为页岩油气勘探部署评价的主要对象, 是勘探部署的主要抓手, 其展布规律的认识一定程度上直接制约着页岩油气有利勘探目标预测。针对上述问题, 本研究从页岩大量系统取心入手, 综合利用岩心、薄片、XRD、地球化学等资料, 系统阐明了济阳坳陷沙四上— 沙三下亚段页岩岩相类型、发育主控因素和展布规律, 有力支撑了济阳页岩油甜点的有效预测和勘探的战略性突破。

1 地质背景

济阳坳陷位于渤海湾盆地东南部, 隶属于渤海湾盆地的一个次级构造单元, 东部为垦东-青坨子凸起, 西部和北部为埕宁隆起, 南部为鲁西隆起, 发育东营、沾化、惠民和车镇4个凹陷(图 1), 面积约2.62× 104 km2, 是典型的陆相箕状断陷湖盆, 盆内常规油气资源十分丰富, 资源量高达100× 108 t以上。主要经历古近系裂陷期和新近系拗陷期2个演化阶段, 从下至上依次发育孔店组、沙四段、沙三段、沙二段、沙一段、东营组、馆陶组和明化镇组(张林晔等, 2017)。古近系主要经历始新统的初始裂陷期、裂陷加速期、强烈裂陷期和稳定裂陷期和渐新统的衰退裂陷期, 从下至上分别对应于沙四下亚段、沙四上亚段、沙三下亚段、沙三中— 沙二下亚段和沙二上— 东营组。初始裂陷期控盆断裂开始强烈活动, 受盆地北东断南西超构造格局的控制, 湖盆的西南部斜坡带发育大量粗碎屑沉积, 东北部水体相对较深, 发育少量泥页岩和膏盐岩沉积; 裂陷加速期— 稳定裂陷期北部控盆断裂活动增强, 持续活动使湖盆发生深陷, 加之气候由半干旱向潮湿转化, 湖泊水体迅速加深, 湖盆内发育大套半深湖-深湖页岩细粒沉积。衰退裂陷期北部控盆断裂活动减弱, 碎屑沉积供给充足, 主要发育粗碎屑沉积, 沙一段仅在局部深洼区发育半深湖-深湖页岩细粒沉积。

图 1 济阳坳陷泥岩等值线与结构图Fig.1 Mudstone contours and basin structure of Jiyang Depression

2 页岩岩相类型及特征

近年来, 针对济阳坳陷沙四上— 沙三下亚段的页岩进行了大规模系统取心, 全坳陷累计取心达10 100多米, 为页岩岩相研究奠定了坚实的基础。目前, 国内外很多学者对页岩岩相进行了分类, 分类方案不尽统一, 但总体趋势由开始只考虑页岩矿物成分、颜色, 逐渐向综合页岩矿物成分、结构、沉积构造和有机碳丰度等多因素的方向发展(柳波等, 2015; 高辉等, 2018; 赵贤正等, 2018; 刘惠民等, 2020; 孙龙德等, 2021; 邵龙义等, 2023)。本次依据济阳坳陷页岩油勘探实际, 基于页岩“ 矿物组分、沉积构造和有机质丰度” 决定了页岩储集性、含油性、可压性和页岩油可动性特点, 提出了三要素三端元划分方案(图 2)。有机质以2%和1%为界, 划分为富有机质(≥ 2%)、含有机质(介于1%~2%之间) 和贫有机质(< 1%); 沉积构造以纹层厚度1 mm为界划分为纹层状(纹层状厚度小于1 mm, 且连续程度高)、层状(厚度大于等于1 mm)和块状(纹层不发育); 以矿物组分50%为界划分为碳酸盐页岩、混合页岩、黏土页岩和长英页岩相(刘惠民等, 2020)。依据以上的页岩岩相类型划分原则, 对济阳坳陷沙四上— 沙三下亚段页岩取心井岩相进行详细划分。研究区主要发育4种9类页岩岩相, 包括富有机质纹层状碳酸盐页岩相、富有机质层状碳酸盐页岩相、富有机质纹层状灰质混合页岩相、富有机质纹层状黏土质混合页岩相、富有机质层状长英质混合页岩相、富有机质纹层状黏土页岩相、富有机质层状黏土页岩相、富有机质纹层状长英页岩相和含有机质层状长英页岩相(表 1), 其中以碳酸盐页岩和混合页岩相为主, 2种岩相占比在75%以上, 为济阳坳陷沙四上亚段— 沙三下亚段页岩典型特点。

图 2 济阳坳陷沙四上亚段— 沙三下亚段页岩岩相类型划分方案Fig.2 Classification scheme of shale lithofacies in the lower Member 3 and upper Member 4 of Shahajie Formation in Jiyang Depression

表 1 济阳坳陷沙四上亚段— 沙三下亚段页岩主要岩相类型及特征 Table 1 Types and characteristics of main lithofacies in the lower Member 3 and upper Member 4 of Shahajie Formation in Jiyang Depression
2.1 富有机质纹层状碳酸盐页岩相

岩心颜色呈深灰色, 滴盐酸强烈冒泡, 纹层明暗相间, 呈水平状连续性分布。镜下观察, 主要由富有机质泥质纹层与碳酸盐纹层组成, 互层发育, 纹层间界面清晰, 碳酸盐纹层相对泥质纹层较厚, 厚度一般在0.2~0.5 mm之间, 泥质纹层厚度一般在0.1~0.3 mm之间; 碳酸盐纹层多为方解石纹层, 方解石多呈微-细晶、隐晶结构, 局部呈粗晶结构, 方解石晶形各异, 呈菱形状、三角状、蜂窝状(碳酸盐围绕有机质成环状分布)和生物碎片状, 局部方解石纹层内分散状发育少量白云石晶粒, 晶粒相对粗大, 一般在30~50 μ m之间; 碳酸盐矿物晶体自形程度低及含量与水体盐度呈正比的特点, 表现为生物-化学作用成因。XRD结果表明, 碳酸盐含量为54%, 石英、长石含量分别为11%、7%, 黏土含量为24%, 黄铁矿含量为4%。该类岩相有机质含量高, 一般在3%~4%之间, 相对富集于泥质纹层, 且多呈顺层连续状分布(表1; 图 3-a, 3-b)。

图 3 济阳坳陷沙四上亚段— 沙三下亚段有机质分布微观照片
a— 官17-斜10井, 井深3175.8 m, 碳酸盐纹层、泥质纹层发育, 薄片; b— 官17-斜10井, 井深3175.8 m, 有机质富集于泥质纹层, 顺层连续状分布, 荧光薄片; c— 官17-斜10井, 井深3188.9 m, 纹层不发育, 薄片; d— 官17-斜10井, 井深3188.9 m, 有机质分散状分布, 局部定向富集, 荧光薄片Fig.3 Microscopic photographs of organic distribution in the lower Member 3 and upper Member 4 of Shahajie Formation in Jiyang Depression

2.2 富有机质层状碳酸盐页岩相

岩心颜色呈浅灰、深灰色, 纹层不发育, 滴酸强烈冒泡, 局部介形虫生物碎屑富集成层。薄片下, 隐晶碳酸盐组分与陆源碎屑组分(黏土、石英和长石含量, 下同)混杂沉积, 纹层不明显, 但层理显现, 主要通过碳酸盐透镜体、长石、石英和生物碎屑组分的突变和定向分布来显层, 生物碎屑以介形虫类碎片和藻类碎片为主; XRD结果表明, 碳酸盐组分含量高于陆源碎屑组分含量, 碳酸盐含量为60%, 石英、长石含量分别为18%、9%, 黏土含量为11%, 黄铁矿含量为2%。该类岩相有机质丰度略低于富有机质纹层状碳酸盐页岩相有机质丰度, 一般在2%~4%之间, 且多呈分散状分布(表1; 图 3-c, 3-d)。

2.3 富有机质纹层状碳酸盐质混合页岩相

岩心颜色呈深灰色, 滴盐酸强烈冒泡, 具有纹层结构, 纹层间界限较为明晰, 纹层多呈透镜状、水平状。镜下观察, 纹层明显, 主要由碳酸盐纹层与富长英质黏土纹层组成, 纹层厚度较薄, 层偶厚度主要在0.1~0.3 mm之间, 碳酸盐纹层多呈连续透镜状、波状, 碳酸盐主要由铁方解石组成, 染色薄片下呈紫红色。XRD结果表明, 该岩相碳酸盐含量为48%, 石英、长石含量分别为29%、3%, 黏土含量为16%, 黄铁矿含量为4%。该类岩相有机质含量高, 一般在2%~5%之间, 在黏土纹层中相对富集, 且多呈顺层连续状分布(表1)。有机质含量和草莓状黄铁矿含量均高, 表明该类岩相沉积期的环境更为还原。

2.4 富有机质纹层状黏土质混合页岩相

岩心颜色呈深灰色、褐色, 纹层隐约可见, 岩心上亮暗差异可能与有机质富集程度有关, 有机质富集程度高的部分颜色相对较深。镜下观察, 断续状纹层发育, 主要由黏土、长石、石英混合纹层和碳酸盐纹层组成, 碳酸盐纹层厚度较薄, 绝大部分小于0.1 mm, 多呈透镜状、条带状分布, 黏土、长石、石英混合纹层厚度较大, 厚度一般大于0.1 mm, 纹层中局部见较大长石和石英颗粒, 多呈分散状定向分布。XRD结果表明, 该岩相碳酸盐组分含量为31%, 石英、长石含量分别为27%、3%, 黏土含量为35%, 黄铁矿含量为4%。有机碳丰度高, 多在2%~5%之间, 主要富集在黏土、长石和石英混合纹层(表1)。

2.5 富有机质纹层状长英质混合页岩相

岩心颜色呈灰色、深灰色, 纹层清晰可见, 明暗相间, 纹层间界限清晰。镜下观察, 纹层清晰可见, 主要由碳酸盐、长石、石英、黏土混合纹层和长石、石英纹层组成, 长石、石英纹层多呈水平状、条带状分布, 厚度一般在0.1 mm以下, 长石、石英粒径较大、分选与磨圆度较小, 多呈定向排列。XRD结果表明, 该岩相碳酸盐含量为28%, 石英、长石含量分别为26%、10%, 黏土含量为32%, 黄铁矿含量为3%。有机碳丰度高, 多在2%~4%之间, 主要富集在碳酸盐、长石、石英、黏土混合纹层(表1)。

2.6 富有机质纹层状黏土页岩相

岩心颜色呈深灰色, 纹层隐约可见。镜下观察, 纹层相对发育, 主要由黏土纹层和黏土、长石、石英、碳酸盐混合纹层组成, 黏土纹层相对较薄, 厚度一般小于0.1 mm, 颗粒细小, 颜色相对较深, 呈褐色, 黏土矿物主要为伊利石、伊蒙混层, 黏土、长石、石英、碳酸盐混合纹层厚度通常是黏土纹层的2~3倍, 且纹层中多见分散状石英和长石粗颗粒。XRD结果表明, 该岩相碳酸盐含量为9%, 石英、长石含量分别为27%、3%, 黏土含量为57%, 黄铁矿含量为4%。该类岩相有机碳丰度高, 多在3%~5%之间, 个别样品高达10%以上, 2种纹层中均有分布, 在黏土纹层中更为富集(表1)。

2.7 富有机质层状黏土页岩相

岩心颜色呈深灰色, 纹层不发育, 层理隐约可见。镜下观察, 纹层不发育, 黏土、长石、石英和碳酸盐杂乱混合沉积, 由于黏土组分含量高, 薄片显示深黄色、褐色, 长石、石英多呈分散悬浮状, 表明该类岩相沉积时的水动力相对较强, 主要为泥质浊流的产物。XRD结果表明, 该岩相碳酸盐含量为6%, 石英、长石含量分别为26%、7%, 黏土含量为59%, 黄铁矿含量为2%。有机碳丰度高, 多在2%~5%之间, 呈分散状分布(表1)。

2.8 富有机质纹层状长英页岩相

岩心颜色呈灰色、深灰色, 纹层清晰可见, 明暗相间, 偶见灰白色厘米级粉砂质薄夹层, 发育有平行层理、透镜状层理及韵律性层理。镜下观察, 纹层相对发育, 主要由长英、石英纹层和长石、石英、碳酸盐混合纹层组成, 长英、石英纹层较薄, 厚度一般小于0.1 mm, 长石、石英、碳酸盐混合纹层厚度变化较大, 长石、石英多呈漂浮状或连续纹层状产出, 分选较差, 磨圆中等, 次棱角— 次圆状。XRD结果表明, 该岩相碳酸盐含量为19%, 石英、长石含量分别为34%、17%, 黏土含量为27%, 黄铁矿含量为3%。有机碳丰度较高, 多在2%~3%之间, 主要富集在黏土、长石、石英和碳酸盐混合纹层(表1)。

2.9 含有机质层状长英页岩相

岩心颜色呈深灰色, 纹层不发育, 偶见砂质团块和厘米级以上粉砂质薄夹层, 夹层局部显粒序性或底流侵蚀扰动特征。镜下观察, 纹层不发育, 由黏土、长石、石英和碳酸盐杂乱混合沉积组成, 长石、石英和生物碎屑多呈分散定向分布成层, 长石、石英颗粒粗大, 棱角明显, 表明该类岩相沉积时距离外物源近、水动力强。XRD结果表明, 该岩相碳酸盐含量为32%, 石英、长石含量分别为41%、14%, 黏土含量为11%, 黄铁矿含量为2%。有机碳丰度相对较低, 通常小于1%(表1)。

3 页岩岩相发育主控因素及岩相分布
3.1 古气候与盆地演化控制了富有机质碳酸盐纹层状页岩岩相大规模发育

济阳坳陷古近系北纬亚热带季节气候控制了纹层状富碳酸盐页岩岩相发育。依据济阳坳陷古近系孢粉薄片各生态组的平均含量和每个盖片孢粉粒的平均个数, 按照喜热组和喜温组孢粉平均含量恢复的温度比值、湿生组和旱生组孢粉平均含量恢复的湿度比值的演化规律(李守军等, 2003), 结合亚热带植物含量高、一般在50%~75.6%之间的基本特点(朱宗浩等, 2000), 认为沙四上亚段、沙三下亚段分别属于干旱期亚热带、湿润期亚热带气候(图 4)。始新统初期, 印度-亚洲板块的碰撞, 青藏高原的隆升, 阻挡了来自西南的湿气向华北地区的输入, 促进了该区东亚季风的盛行, 夏季风来源于东部海洋, 温暖潮湿, 冬季风来源于东亚内陆, 寒冷干燥(Quan et al., 2012)。综合认为济阳坳陷古近系沙四上— 沙三下亚段沉积期属于暖湿与干冷交替的亚热带季风气候。亚洲季风气候暖湿-干冷季节性的转变为济阳坳陷古近系纹层状富碳酸盐页岩岩相发育提供了条件, 加之整体气温整体偏高, 决定了济阳坳陷古近系沙四上— 沙三下亚段页岩发育碳酸盐纹层、黏土纹层和长英质碎屑纹层等多种纹层、且以碳酸盐纹层为主的特点。深入研究认为, 夏季高温季节气候变干伴随着藻类繁盛和强烈蒸发作用, 引起湖水中碳酸盐过饱和, 导致碳酸盐矿物大量沉淀, 形成富碳酸盐纹层, 或在丰水期河流注入量的增加, 以平流和层流形式进入半深湖-深湖区的黏土、细粉砂等细粒悬浮物质增加, 形成长英质碎屑纹层或多种组分形成的混合纹层; 冬季气候寒冷干燥, 水流畅通性差造成水体分层, 水体处于稳定缺氧状态, 细颗粒悬浮物缓慢沉淀, 伴随着藻类大量死亡, 主要形成富有机质黏土纹层; 不同季节形成的不同类型纹层耦合叠置, 形成济阳坳陷古近系沙四上— 沙三下亚段多类型纹层叠置的富碳酸盐纹层状的页岩岩相(王勇等, 2017)。

图 4 济阳坳陷古近系盆地沉积环境与构造演化特征Fig.4 Sedimentary environment evolution in the Paleogene of Jiyang Depression

构造和气候演化共同控制了富有机质页岩岩相大规模发育。湖盆构造演化控制着湖盆的可容纳空间演化, 一定程度上控制了页岩岩相的发育规模。济阳湖盆沙四上— 沙三下亚段处于盆地裂陷加速期和强烈裂陷期, 湖盆沉降速率高达300 m/Ma, 可容空间大, 且属于闭流湖盆, 处于欠补偿状态(图 4), 沙四上— 沙三下亚段随着气候由干热向湿润转化, 降雨量增加, 水体加深, 水域不断增大, 湖水面积最大达2万多平方千米, 为页岩大规模发育提供了条件。沙四上亚段主要发育深灰色页岩, 厚度一般为100~400 m, 其中车镇凹陷、惠民凹陷临南洼陷厚度只有100 m左右, 东营凹陷、沾化凹陷厚度较大, 在250~300 m之间, 惠民凹陷的滋镇洼陷、阳信洼陷的烃源岩厚度最大, 可达350~400 m。沙三下亚段湖盆处于强烈裂陷期, 是盆地沉陷最深、水体范围最大的时期, 东营凹陷、惠民凹陷页岩厚度通常在250 m左右; 沾化凹陷、车镇凹陷烃源岩厚度相对较大, 其中车西、大王北、郭局子、四扣和渤南等洼陷页岩厚度均大于400 m; 五号桩、孤南、富林等洼陷页岩厚度相对较薄, 但也在300 m以上(图 1)。济阳坳陷古近系沙四上— 沙三下亚段沉积期湖盆处于北纬中温带附近, 光照充足, 生物爆发式生长为有机质富集提供了基础。据前人研究成果(Kelts, 1988; 周爱锋等, 2007; 李国山等, 2014), 中温带附近的湖泊更易获得较高的生产力(图 5), 据统计生产力大于200 gC/m2/a的湖泊中, 位于北纬30° ~50° 的湖泊占统计总数的70.6%; 生产力大于500 gC/m2/a的湖泊中, 位于北纬30° ~50° 的湖泊占统计总数的63.4%; 生产力大于800 gC/m2/a的湖泊中, 位于北纬30° ~50° 的湖泊占统计总数的64.7%; 生产力大于1000 gC/m2/a的湖泊中, 位于北纬30° ~50° 的湖泊占统计总数的57.1%。济阳坳陷古近系沙四上亚段气候干热, 属于半深湖环境, 蒸发量大, 水体盐度较高, 以咸水-半咸水为主, 随着气候变湿, 水体加深, 蒸发量减弱, 水体盐度降低, 至沙三下亚段水体以微咸水-淡水为主(图 4)。由于咸水湖盆矿物质丰富, 为嗜盐水生生物生长提供了丰富的营养物质, 古生产力相对较高。应用页岩中的藻类残留骨架来推算古生产力, 沙四上纯下亚段盐湖生烃母质主要为德弗蓝藻和颗石藻, 古生产力为1115 gC/m2/a, 沙四上纯上亚段咸湖生烃母质主要为渤海藻、蓝藻和盘星藻, 古生产力为1625 gC/m2/a, 沙三下微咸水湖生烃母质主要为沟鞭藻、疑源藻和介形虫, 古生产力为624 gC/m2/a, 沙三中淡水湖生烃母质主要为介形虫和鱼类, 古生产力为165 gC/m2/a。据前人研究成果(Kelts, 1988; Wingnall, 1994; 李国山等, 2014), 现代湖泊生产力与水体盐度也具有正相关相, 进一步证实了半咸水-咸水环境具有更高的生产力。调研统计174组湖泊生产力与盐度数据(图 6), 数据样本多集中在淡水 (n=37, 盐度小于1‰ )和半咸水湖泊(n=101, 盐度范围1‰ ~35‰ ), 咸水湖泊(n=36, 盐度大于35‰ )盐度跨度较大。统计结果表明, 在淡水湖泊中, 盐度与生产力的相关性不明显, 在半咸水湖泊中, 盐度与生产力的拟合方程为: Y=44.7× Ln(X)+356.8(n=101, R2=0.56), 在咸水湖泊中, 盐度与生产力的拟合方程为: Y=9.800× (X)+708.5(n=36, R2=0.64)(方程中的Y代表生产力, X代表盐度)。另外, 欠补偿状态湖盆往往碎屑物质供给速率相对较小, 水体相对稳定, 受蒸发作用影响, 水体盐度往往较高, 容易形成永久性盐度分层, 使下部水体呈强还原环境, 从而使页岩中富集的有机质易于有效保存, 最终导致沉积的页岩有机质含量高。

图 5 湖泊纬度与生产力关系Fig.5 Relationship between lake latitude and productivity

图 6 生产力与湖水盐度关系Fig.6 Relationship between productivity and lake salinity

3.2 古物源与古水介质控制了页岩岩相类型

目前, 古物源和古水介质的恢复包括沉积矿物、古地磁、古生物、地球化学和同位素法等多种方法。考虑到各类方法优缺点, 首先尽量用多种方法综合进行恢复, 进而优选出适于全区资料丰富的页岩沉积环境特定方法, 便于在研究区范围内不同岩相沉积环境之间的对比, 以揭示岩相形成的主控因素。

3.2.1 古物源

基于研究区目的层段页岩沉积主要由石英、长石、黏土矿物和碳酸盐矿物组成的特点, 沿用粗碎屑的研究思路, 将页岩细粒沉积古物源量指定为经机械搬运的石英、长石和黏土矿物等陆源物质的输入量。考虑到研究区页岩较强的非均质性和测试数据的系统性, 综合运用矿物全岩衍射、元素和氧化物数据综合进行物源恢复。通常用于物源恢复的元素有Ti 、Si、Al、Ca等, 利用Ti元素进行古物源恢复, 主要利用页岩中Ti元素含量比较高, 稳定性好的特征, 通常情况下, Ti元素值愈高则表明陆源物输入越多(王国平等, 2006); 利用Si元素恢复古物源主要基于页岩中Si元素主要来源于陆源碎屑矿物石英、长石、黏土等矿物的特征, Si元素值愈高则表明陆源物输入越多, 目的层段Ti和Si从下至上含量在增加, 与矿物全岩测试的黏土、石英、长石总体含量演化规律基本一致, 指示研究区目的层段从下至上物源输入量具有增加的趋势(图 7)。

图 7 济阳坳陷沙四上亚段沉积环境演化(Ny1井)Fig.7 Sedimentary environment evolution of the upper Member 4 of Shahejie Formation in Jiyang Depression(Well Ny1)

3.2.2 古水深

受研究区页岩沉积构造单一(以水平层理为主)和古生物以介形虫为主、含量低的影响, 尚未采用沉积学和生物分异度法进行页岩古水深恢复, 本次主要采用地球化学的方法恢复古水深。地球化学法常选用Th/U、Fe/Co和(Al+Fe)/(Ca+Mg)元素比值法。Th是自然界放射性元素中化学性质较稳定的元素, 陆源碎屑物中含量较高, 湖盆沉积物中的含量与河流输入量有关, U元素主要被碳酸盐和磷酸盐络合沉积在相对封闭的浅湖中, 因此, 在陆源碎屑供给充注的深湖区, Th/U值较高, 而在碳酸盐和磷酸盐碳酸盐富集的浅湖区, Th/U值相对较低(王学军等, 2008), 目的层段Th/U值从下至上整体上在增加, 比值在0.35%~4.1%之间, 指示水体输入在增大, 古水深在增加; Fe/Co值越大, 反映水体越深, 目的层段Fe/Co值从下至上整体上在增加, 比值在0.15%~0.5%之间, 亦指示水体深度在增加; 基于Fe和Al在近岸浅水区容易与氧离子结合而发生沉淀, 而Mg、Ca 通常在远岸的湖盆区富集的特点, 利用(Al+Fe)/(Ca+Mg)值进行古水深恢复(王春连等, 2012), 目的层段(Al+Fe)/(Ca+Mg)值从下至上整体上在增加, 亦指示古水深在增加。综合Fe/Co、Th/U和(Al+Fe)/(Ca+Mg)比值法综合恢复古水深, 结合页岩纹层发育和有机质富集的特点, 认为研究区目的层段从下至上古水深在逐步增加, 整体上处于半深湖-深湖环境(图 7)。

3.2.3 古盐度

基于研究区元素数据和全岩矿物数据丰富的实际情况, 选择了地球化学法Sr/Ba、Cl元素法和矿物法综合进行古盐度表征。利用Sr/Ba值恢复古盐度原理基于元素Sr迁移能力较Ba的强, 陆源输入携带的Ba2+先与湖水中的S O42⁃结合生成BaSO4沉淀, 致使Sr/Ba值是随着远离海岸而逐渐增大(郑荣才和柳梅青, 1999), 据此可用其比值反映古盐度, 目的层段Sr/Ba值从下至上整体上在减小, 比值在0.8%~10%之间, 依据划分标准(Sr/Ba< 0.5时水体为微咸水, 0.5< Sr/Ba< 1时为半咸水湖, Sr/Ba> 1时为咸水环境(田景春和张翔, 2016)), 认为目的层段页岩形成于盐水-半咸水环境。利用Cl元素恢复古盐度原理, 基于研究区页岩中的Cl元素主要以钾盐和钠盐存在, Cl元素的含量与盐度呈正比, 目的层段Cl元素从下至上整体上在降低, 表明目的层段古水体盐度从下至上依次在减小; 研究区沙四上亚段下部石膏矿物发育, 也预示着目的层段下部盐度较高, 进入到盐水阶段, 综合分析认为目的层段从下至上盐度逐步在降低, 整体上处于盐水-半咸水环境(图 7)。

3.2.4 古氧化还原性

通常情况下, 表征氧化还原性的方法有岩矿法、元素法和有机地化法。岩矿法仅为定性判识标志, 如用草莓状黄铁矿含量表征沉积水体氧化还原性, 目的层段页岩中的黄铁矿含量高, 平均为2.6%, 镜下观察黄铁矿多以草莓状形式产出, 颗粒直径小于10 μ m, 指示水体为缺氧还原环境(Bond and Wignall, 2010)。元素法通常用V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co元素的比值表征水体氧化还原性, 本次选用了V/(V+Ni)值, V/(V+Ni)值反映氧化还原性的原理基于V和Ni的化学行为较为相近, Ni在还原条件下会迁移流失的特征, 一般而言, V/(V+Ni)< 0.46、V/(V+Ni)=0.46~0.83和V/(V+Ni)> 0.83分别指示了氧化环境、贫氧缺氧环境、还原环境(Wingnall, 1994), 目的层段 V/(V+Ni)值绝大部分大于0.46, 且比值从下至上整体上在增加, 表明还原性在增强(腾格尔等, 2005)。有机地化法采用了有机碳丰度法, 一般情况下, 还原环境利于有机质富集保存, 氧化环境利于有机质分解, 目的层段从下至上有机碳含量具有增加的趋势, 意味着还原环境在增强, 综合分析认为目的层段处于还原环境, 且从下至上还原环境在增强(图 7)。

整体上而言, 济阳坳陷古近系页岩沉积期古气候与古物源和古水介质(古水深、古盐度和古氧化还原性)协同演化, 表现为随着气候由半干旱半潮湿向潮湿转化, 降水量增加, 水体注入增大, 水体加深, 古物源增加、盐度降低、还原性增强的过程(图 7)。在明确研究区目的层段页岩沉积环境演化的基础上, 优选盆地范围内资料全的Si、(Al+Fe)/(Ca+Mg)值、Sr/Ba值和V/(V+Ni)值进行了不同岩相沉积环境差异性对比分析(图 8), 以期揭示古水介质和古物源与页岩岩相的成生关系, 研究认为古盐度和古水深一定程度上控制着有机质生产力和保存条件, 决定着页岩中有机质的富集程度, 半咸水-咸水较深水古生产力高、水体分层明显保存条件好、有机质相对富集, 决定了济阳坳陷古近系沙四上— 沙三下亚段页岩以富有机质岩相为主, 仅在盐水环境生物群落锐减和强物源供给氧化作用强的地区发育含有机质岩相; 古物源和古氧化还原性一定程度上控制着水体的分层, 物源供给低的还原环境造成底部水体严重缺氧, 底栖生物难以生存, 有利于纹层的保存(邓宏文和钱凯, 1993; 王慧中和梅洪明, 1998), 致使目的层段纹层状岩相相对发育, 仅在物源供给充分、水动力强、还原性较弱的地区发育层状岩相或少量的块状岩相。古物源和古水介质一定程度上影响着外源碎屑物质(长石、石英、黏土矿物)的输入量和内源生物-化学碳酸盐产量, 决定着页岩中不同矿物组分的富集程度, 进而控制着岩相的类型; 通常情况下少物源、较高盐度、半深湖环境, 陆源碎屑含量较低, 透光度好、水体清澈, 适合于水生生物的大量生长, 碳酸盐矿物含量较高, 碳酸盐页岩相对发育; 中等物源、半深湖、较高盐度、还原环境, 外源的陆源碎屑物质供给量和内源的生物-化学碳酸盐产量达到相对平衡, 混合岩相相对发育; 多物源、较低盐度、浅水/深水环境碎屑矿物供给量大, 受陆源碎屑物质供应的影响, 碳酸盐矿物含量往往较低, 长英页岩和黏土页岩相对发育, 黏土页岩相对于长英质页岩, 更易形成于深水的强还原环境。

图 8 济阳坳陷沙四上— 沙三下亚段页岩岩相与沉积环境关系Fig.8 Relationship between shale lithofacies and sedimentary environment of the upper Member 4 and lower Member 3 of Shahajie Formation in Jiyang Depression

3.3 古地貌与古物源控制了岩相分区分带差异化分布

济阳湖盆一二级控盆断裂在沙四上— 沙三下亚段活动速率在80~160 m/Ma之间, 单方向强烈断裂活动形成箕状断陷, 控制了从缓坡边缘带向陡坡深洼带可容空间逐渐增加, 致使页岩沉积呈楔形发育, 从缓坡带向陡坡深洼带页岩厚度从200~1000 m不等。济阳断陷湖盆各级别断裂发育, 三级次级断层往往控制不同区带形成多级坡折, 控制了多级次坡折古地貌形态(图 9)。古地貌不仅对水深和盐度等水介质条件具有直接的控制作用, 对湖泊水体运动速度的大小和方向以及流场的结构和特征也有影响, 并影响各种物质在湖泊内的扩散和迁移状态(王志峰等, 2014); 古物源控制着陆源碎屑物质的供给量、供给方向和速率, 进而控制了页岩岩相的类型及分布。综合认为古地貌和古物源控制着页岩岩相分带分区性, 表现在剖面上岩相呈带性分布(图 9), 缓坡高位坡折带物源供给充分、水动力强, 主要发育长英页岩和黏土页岩相, 局部隆起带发育碳酸盐岩相; 缓坡低位坡折带古地形相对较高, 受陆源影响小, 利于碳酸盐矿物沉积与保存, 碳酸盐页岩相对发育; 深陷坡折带水体深, 水体稀释作用较强, 不利于碳酸盐矿物大量沉积与保存, 混合页岩相相对发育; 陡坡深洼带多物源供给, 水动力相对较强, 黏土页岩、长英页岩相对发育。平面上呈似环带状分布(图 10), 湖盆几何中心斜坡低隆区古地貌相对较高, 光照充分, 水生生物季节性爆发生长, 外源碎屑物质供给不足, 生物-化学作用形成的内源碳酸盐供给相对充足, 主要发育碳酸盐页岩相; 湖底-深洼区外源碎屑物质增加、内源碳酸盐物质减少, 两者供给到达相对平衡, 该区域主要发育混合页岩相; 向湖盆边缘, 内源碳酸盐物质减少, 外源细粒的黏土矿物由于水动力和不同性质水体的混合, 絮凝作用的增加, 大量黏土矿物沉降, 该区域主要发育黏土页岩相; 到湖盆边缘外带, 水动力进一步增强, 层流、浊流频发, 外源碎屑物质供给充足, 主要发育长英页岩相。整体上, 以碳酸盐页岩和混合页岩为主, 占比在75%以上。

图 9 济阳坳陷始新统沙四上— 沙三下亚段页岩岩相分区Fig.9 Shale lithofacies zoning of the lower Member 3 and upper Member 4 of Eocene Shahejie Formation in Jiyang Depression

图 10 东营凹陷沙四上亚段3层组古地貌与岩相平面分布
A— 古地貌图; B— 岩相分布图Fig.10 Palaeogeomorphology and lithofacies plane distribution of the 3rd member of upper Member 4 of Shahejie Formation in Dongying sag

4 结论

1)通过对济阳坳陷沙四上— 沙三下亚段页岩系统取心井详细岩相学和地球化学分析, 建立了基于矿物组分-沉积构造和有机质丰度 “ 三要素三端元” 综合岩相划分方案, 明确了济阳陆相断陷盆地页岩岩相类型多, 识别出4种9类典型的页岩岩相类型, 分别是: 富有机质纹层状碳酸盐页岩相、富有机质层状碳酸盐页岩相、富有机质纹层状灰质混合页岩相、富有机质纹层状黏土质混合页岩相、富有机质层状长英质混合页岩相、富有机质纹层状黏土页岩相、富有机质层状黏土页岩相、富有机质纹层状长英页岩相和含有机质层状长英页岩相。

2)济阳陆相断陷湖盆页岩控制因素复杂, 古构造、古物源和古水介质协同演化控制了岩相类型的多样性和分布的分区分带性。其中, 暖湿与干冷交替的亚洲季风气候与闭流欠补偿性湖盆协同演化控制富有机质碳酸盐纹层状页岩岩相大规模发育, 古水介质演化与古物源供给共同控制了碳酸盐页岩、混合页岩、黏土页岩和长英页岩等多类型页岩的发育, 箕状断陷发育的多级坡折古地貌形态与不同区带差异化的物源供给共同控制了岩相分区分带差异化分布。

(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 徐 杰)

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