古盐度对陆相页岩发育的控制作用:以东营凹陷古近系沙三下页岩为例*
[海晴1 
, 梁超1, 2 , 杨博1 , 韩豫1 , 韩婉璐1 ]
, 梁超, 杨博
海晴, 梁超, 杨博, 韩豫, 韩婉璐. (2024). 古盐度对陆相页岩发育的控制作用:以东营凹陷古近系沙三下页岩为例* [J]. 古地理学报, 26(5): 1140-1151.
HAI Qing, LIANG Chao, YANG Bo, HAN Yu, HAN Wanlu. (2024). Paleosalinity control on development of lacustrine shale: an example of shale from the lower submember of Member 3 of Paleogene Shahejie Formation,Dongying sag[J]. Journal Of Palaeogeography, 26(5): 1140-1151.
Doi: 10.7605/gdlxb.2024.05.098
HAI Qing, LIANG Chao, YANG Bo, HAN Yu, HAN Wanlu. (2024). Paleosalinity control on development of lacustrine shale: an example of shale from the lower submember of Member 3 of Paleogene Shahejie Formation,Dongying sag[J]. Journal Of Palaeogeography, 26(5): 1140-1151.
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古盐度对陆相页岩发育的控制作用:以东营凹陷古近系沙三下页岩为例*
第一作者简介 海晴, 女, 2004年生, 研究方向为油气地质方面研究。E-mail: 2201020326@s.upc.edu.cn。
摘要
陆相优质烃源岩发育大多与湖泊咸化相关,但湖泊咸化对页岩发育的影响仍不清晰。以东营凹陷古近系页岩重点取心井樊42井为例,通过岩石薄片观察、XRD、岩石热解测试、XRF二维元素扫描、微量元素测试等分析,结合有机地球化学测试数据、微量元素含量的垂向变化等,分析不同盐度演化阶段页岩成分、纹层结构、有机质丰度的变化。结果表明,研究区目的层段页岩可划分为5种岩相类型。目的层段环境演化可以划分为5个阶段,受控于气候、陆源输入等因素。古气候在沙三下亚段沉积时期呈现暖湿—相对湿冷—暖湿—相对干冷—相对暖湿的变化特征。陆源输入量呈多期旋回变化。不同类型岩石的沉积环境特征各异,高盐度的湖泊水体营养盐浓度高,具有较高的初级生产力,水体分层强烈,水体循环较弱。氧/盐度跃层位置相对较高,富氧带水深较浅,使得有机质更快脱离氧化环境沉降进入还原性水体,有利于有机质的保存。碳酸盐矿物含量高,且呈纹层状发育于滞水层中。
关键词:
咸化湖盆; 湖相页岩; 纹层发育; 有机质富集; 古近系沙河街组; 东营凹陷
中图分类号:P588.2
文献标志码:A
文章编号:1671-1505(2024)05-1140-12
Paleosalinity control on development of lacustrine shale: an example of shale from the lower submember of Member 3 of Paleogene Shahejie Formation,Dongying sag
About the first author HAI Qing,born in 2004, is engaged in petroleum geology research. E-mail: 2201020326@s.upc.edu.cn.
Abstract
The development of lacustrine high-quality hydrocarbon source rocks is often associated with lake salinization,but the impact of salinization on shale development remains unclear. In this paper,taking the Paleocene shale of the Dongying sag as an example,we analyze the changes in shale composition,laminae structure,and organic matter abundance across different salinity evolution stages. This is done by means of thin-section observation,XRD,pyrolysis test of rocks,2D elemental scanning of XRF,and trace elemental test,combined with organic geochemistry data and variations in elemental content. The results show that the shale within the depth range of 3120-3160 m in the lower submember of Member 3 of the Shahejie Formation of Well F42 can be divided into five lithofacies. The environmental evolution of the target section can be divided into five stages,which are controlled by factors such as climate and terrestrial input. During the deposition of the lower submember of Member 3 of the Shahejie Formation,the paleoclimate transitioned from warm and humid to relatively wet and cold,then to warm and humid,relatively dry and cold,and finally to relatively warm and humid. Terrestrial input showed multi-period cyclic changes. Characteristics of sedimentary environments varied among different lithofacies. High-salinity lakes had high nutrient concentration,high primary productivity,strong water stratification,and weak water circulation. The position of oxycline/halocline was relatively high,and the oxygen-rich zone was shallow,facilitating the rapid deposition of organic matter into reducing environments,which favored organic matter preservation. The carbonate mineral content was high and developed as laminae in stagnant water layers.
Key words:
salinized lake; lacustrine shale; laminae development; organic matter enrichment; Paleogene Shahejie Formation; Dongying sag
陆相页岩油资源潜力巨大, 是未来油气勘探的重要接替领域(邹才能等, 2015)。科学研究及勘探实践表明, 陆相富有机质页岩发育与湖泊水体盐度密切相关(黎茂稳等, 2022; 郭旭升等, 2023), 多发育于微咸水— 咸水环境, 如渤海湾盆地古近系页岩、准噶尔盆地风城组和芦草沟组页岩、松辽盆地青山口组页岩等(赵文智等, 2020; 龚德瑜等, 2024; 孟庆涛等, 2024)。
湖泊生态学研究表明, 适当的盐度可以提高湖泊初级生产力, 水体分层通过控制溶解氧含量与分布, 影响有机质的保存, 最终利于有机质富集(Boehrer and Schultze, 2008)。盐度及离子类型还可以影响碳酸盐矿物沉淀, 如Mg/Ca值对文石、方解石、高镁方解石、白云石的影响(兰敏文等, 2022)。湖泊盐度及水体分层还可以控制湖泊水体循环, 进而影响纹层的发育(李凯等, 2017), 现代湖泊沉积物中纹层多发育在盐跃层以下(Tylmann et al., 2012; Zolitschka et al., 2015)。东营凹陷古近纪水体盐度较高, 特别是在沙四上— 沙三下页岩沉积时期, 盐度最高可达34‰ , 且处在相对封闭的水文环境(吴靖等, 2014)。研究认为, 湖泊咸化受海侵、深部热液和气候等多因素综合控制(Liang et al., 2024)。
湖泊水体盐度对页岩有机质富集、无机矿物构成、纹层发育与否具有显著控制作用(张顺等, 2017; 彭军等, 2022), 但具体的过程和机制尚不清晰, 因此研究古盐度演化是研究陆相页岩发育机理的重要突破口。
1 区域地质背景
东营凹陷位于渤海湾盆地济阳坳陷东南部, 东起青坨子凸起, 西邻惠民凹陷, 南抵鲁西隆起和广饶凸起, 北以陈家庄— 滨县凸起为界, 是中国陆相箕状断陷湖盆的典型代表, 具有“ 北断南超, 北深南浅” 的特点(徐守余和李学艳, 2005), 包括博兴洼陷、牛庄洼陷、利津洼陷和民丰洼陷4个次级洼陷(图 1-A)。
 | 图 1 东营凹陷区域构造(A)及地层综合柱状图(B)Fig.1 Regional tectonic map of Dongying sag(A)and synthetical stratum histogram(B) |
东营凹陷构造演化包括裂陷期和裂后拗陷期。裂陷期进一步细分为4个阶段: 裂陷Ⅰ 幕、裂陷Ⅱ 幕、裂陷Ⅲ 幕、裂陷Ⅳ 幕(彭丽, 2017), 在裂陷Ⅱ 、裂陷Ⅲ 期, 湖盆沉降速率加快, 湖泊大规模扩张, 水体加深, 形成了大面积的半深湖— 深湖环境。该时期, 温暖湿润的气候促进了初级生产力(Liang et al., 2018), 相对封闭的水文环境和较高的古盐度形成了湖底缺氧条件, 形成了沙四上— 沙三下富有机质页岩(图 1-B), 该页岩具有厚度稳定、埋深适中、有机质丰度高等特点(张林晔等, 2003), 是东营凹陷最重要的烃源岩, 也是页岩油勘探的重点(刘惠民等, 2022)。
2 测试数据
本次研究共选取博兴洼陷樊42井3120~3160 m深度范围内的30个样品, 使用蔡司偏光显微镜进行薄片观察, 使用微区X射线荧光光谱仪开展XRF二维元素扫描, 使用矿物X射线衍射仪开展XRD测试, 使用碳硫分析仪依据GB/T 19145— 2003《沉积岩中总有机碳的测定》开展总有机碳测试, 使用热解仪依据GB/T 18602— 2012《岩石热解分析》完成岩石热解测试。开展上述测试并得到样品中矿物及元素含量、地球化学数据等。
3 岩石学特征
3.1 矿物成分
东营凹陷沙三下页岩主要由方解石、黏土矿物、石英、斜长石等矿物构成, 此外还发育有铁白云石、黄铁矿、钾长石、菱铁矿等矿物(表 1)。碳酸盐矿物含量高, 均值为49.6%, 最高可达78.1%, 其中以方解石为主, 铁白云石含量明显低于方解石, 且二者含量呈反比。黏土矿物含量介于12.2%~41.5%之间, 均值为24.3%。石英含量介于6.8%~30.3%之间, 平均含量为17.7%。斜长石介于1.7%~18.7%之间, 平均含量为6.0%。黄铁矿平均含量为2.0%, 最高可达5.7%。菱铁矿含量较少, 仅在部分样品中出现, 最高可达1.9%。
 | 表 1 东营凹陷樊42井页岩矿物组分含量 Table1 Mineral component content of shale from Well F42 in Dongying sag |
3.2 有机地球化学特征
东营凹陷沙三下页岩TOC含量较高, 多数介于3.0%~11.2%之间, 均值为5.3%。游离烃S1为0.86~6.54 mg/g, 均值为3.83 mg/g; 热解烃S2为4.86~62.40 mg/g, 均值为33.40 mg/g。生烃潜力(S1+S2)为5.72~68.65 mg/g, 均值为37.20 mg/g, 具有较高的生烃潜力。Tmax(最高热解峰温)为437~448 ℃, 均值为444 ℃。氢指数HI为479~714 mg/g, 均值为622.65 mg/g(图 2)。
 | 图 2 东营凹陷樊42井页岩矿物构成及有机地球化学参数特征Fig.2 Characteristics of mineral composition and organic geochemical parameters of shale from Well F42 in Dongying sag |
3.3 岩石学特征
碳酸盐矿物主要为方解石, 方解石存在形式多样(Wang et al., 2013)。亮晶方解石晶型呈粒状或柱状, 晶体表面纯净, 未见次生变化, 亮晶方解石纹层平直连续, 纹层宽度变化较大, 可见宽度较窄的亮晶方解石纹层与暗色富有机质黏土互层分布(图 3-C), 或发育宽度较大的堆叠状方解石脉充填于纹层之间(图 3-F)。泥晶方解石粒径较小, 表面污浊, 具有较好的定向性, 发育初期形成透镜体(图 3-E), 后期形成连续(图 3-D)或不连续纹层(图 3-A), 与富有机质黏土互层分布。少量样品内碳酸盐矿物主要以泥晶白云石形式存在(图 3-B), 晶粒细小, 整体未见明显定向。
 | 图 3 东营凹陷樊42井页岩矿物组分赋存形态及沉积构造 A— 泥晶方解石纹层不连续发育, 陆源碎屑较多, 3146.13 m(+); B— 泥晶白云石含量高, 纹层界面模糊, 3130.3 m(+); C— 亮晶方解石纹层连续发育, 3120.3 m(+); D— 泥晶方解石和黏土互层, 纹层连续发育, 3140.64 m(+); E— 泥晶方解石呈透镜体状产出, 3131.44 m(+); F— 亮晶方解石脉, 晶体呈柱状或晶粒状, 整体呈堆叠状, 3155.1 m(+); G— 纹层不发育, 陆源碎屑含量高, 3127.04 m (+); H— 陆源碎屑含量高, 含有生物介壳, 3146.13 m(+)Fig.3 Mineral component occurrence and sedimentary structure of shale from Well F42 in Dongying sag |
样品中的长英质矿物主要为陆源碎屑颗粒(图 3-G), 长英质含量高的样品纹层不发育, 呈块状构造, 且部分含有生物介壳(图 3-H)。黏土矿物呈现暗色, 部分样品发育连续的黏土纹层(图 3-D)。
东营凹陷沙三下页岩发育多种沉积构造, 根据页岩中有机质含量、纹层是否发育、方解石存在形式, 确定了5种岩相类型。
1)高有机质亮晶方解石纹层状灰岩(图 4-A): TOC含量约为7.9%, 最高可达11.2%; 碳酸盐矿物含量较高, 尤其是方解石矿物, 平均含量约为52.4%, 最高可达60.8%。纹层中多为亮晶方解石, 晶体表面干净, 未见矿物交代现象。亮晶方解石纹层发育且平直连续(图 3-C), 纹层厚度在70~100 μ m, 后期充填的方解石脉(图 3-F)厚度多在0.5~1.5 mm之间, 晶体呈现粒状或柱状, 整体呈堆叠状产出。
 | 图 4 东营凹陷樊42井页岩不同岩相元素二维分布特点 A— 高有机质亮晶方解石纹层状灰岩, 3120.3 m; B— 中有机质层状灰岩, 3121.5 m; C— 低有机质块状白云岩, 3130.0 m; D— 高有机质泥晶方解石纹层状灰岩, 3137 m; E— 中有机质纹层状黏土质灰岩, 3149.93 mFig.4 Characteristics of two-dimensional distribution of elements in different lithofacies of shale from Well F42 in Dongying sag |
2)中有机质层状灰岩(图 4-B): TOC含量约为2.8%, 碳酸盐矿物含量大于50%, 其中方解石含量远高于白云石, 且多为泥晶方解石。纹层界面模糊且不连续(图 3-A), 清晰纹层少见, 陆源碎屑含量较高, 部分样品中见生物介壳(图 3-H)。
3)低有机质块状白云岩(图 4-C): TOC含量约为1.1%, 铁白云石含量极高, 可达60.1%, 矿物分布无明显定向和规律性, 以泥晶白云石为主(图 3-B), 分布于黏土矿物中, 未见清晰纹层, 整体为块状构造。
4)高有机质泥晶方解石纹层状灰岩(图 4-D): TOC含量约为7.8%, 碳酸盐矿物含量可达54.7%, 其中以泥晶方解石为主, 黏土含量较高, 可达23.8%。发育清晰的泥晶方解石纹层, 纹层平直连续, 纹层厚度较小, 泥晶方解石与黏土互层分布(图 3-D)。
5)中有机质纹层状黏土质灰岩(图 4-E): TOC含量约为2.6%, 碳酸盐矿物约为47.7%, 其中方解石含量约为36.9%。泥晶方解石多呈具定向性的透镜体(图 3-E), 纹层不连续发育, 界面相对模糊。黏土和长英质碎屑含量较高(图 3-G)。
4 沉积环境演化特征
4.1 沉积环境特点
Sr与Ba化学性质相似, 但Sr的迁移能力比Ba的迁移能力强, 因此在不同沉积环境下会发生分离。Sr/Ba值与古盐度存在正相关性, 可作为沉积时古盐度判别的指标(Wei and Algeo, 2020)。一般认为Sr/Ba值小于0.6为淡水环境, 介于0.6~1.0之间为半咸水环境, 大于1.0为咸水环境(邓宏文和钱凯, 1993)。研究区几乎所有样品的Sr/Ba值都大于1(图 5), 平均值为3.7, 指示沉积时期为咸水环境。
 | 图 5 东营凹陷樊42井沙三下页岩沉积演化特征Fig.5 Sedimentary environment evolution of shale from the lower submember of Member 3 of Shahejie Formation, Well F42 in Dongying sag |
Th在地表不易发生迁移, 而U在还原环境中易以四价态离子的形式沉淀, Th/U值常作为沉积环境氧化— 还原条件的指示(Adams and Weaver, 1958; Li et al., 2018)。一般认为Th/U< 2指示还原环境, Th/U值介于2~7之间指示半氧化半还原环境, Th/U> 7指示氧化环境。研究区测试样品的Th/U值介于1.4~4.8之间(图 5), 整体呈现半氧化半还原环境。
陆源输入程度的高低常借助Al、Ti元素含量反映, Al、Ti元素含量越高, 表明陆源碎屑物质输入量越多(刘刚和周东升, 2007; 杨万芹等, 2015)。气候潮湿、淡水输入增多的条件下, 沉积岩中的Al元素含量较高。气候干旱的条件下, Mg/Ca会呈现高值, 且Mg的富集与白云石有关。样品中的Al、Ti元素含量及Ca/Mg值呈现降低— 升高旋回变化。沉积期内气候相对暖湿, 沉积水体盐度高、还原性好, 且盐度在不同时段存在变化。
4.2 沉积演化阶段
根据地球化学参数变化, 将研究层段沉积环境演化划分为5个阶段。
阶段Ⅰ (3160~3158 m): 该阶段内Sr/Ba值大于6.5, 盐度较高且随深度递减而逐渐增高; Th/U值降低, 指示沉积环境偏向还原; 此外, Al、Ca等元素含量略有降低, Mg元素含量升高。该沉积期内水体盐度升高且呈还原环境, 陆源输入减少, 气候相对暖湿。
阶段Ⅱ (3158~3150 m): 该阶段内Sr/Ba值自下而上显著降低, Th/U值明显升高, Mg、Al、Ca等元素含量持续降低。该沉积期内水体盐度降低且呈氧化环境, 陆源输入减少, 气候相对湿冷。
阶段Ⅲ (3150~3137 m): 该阶段内Sr/Ba值、B/Ga值总体呈上升趋势, Th/U值略有降低, Al、Ca、Ti等元素含量较高。该沉积期内水体盐度上升且还原性增强, 陆源输入增加, 气候暖湿。
阶段Ⅳ (3137~3130 m): 该阶段内Sr/Ba值、B/Ga值均降低, Al、Ti元素含量略有降低, Ca元素含量略有升高, 在阶段末Mg元素含量出现高值。该沉积期内水体盐度降低, 陆源输入减少, 气候相对干冷。
阶段Ⅴ (3130~3120 m): 该阶段内Sr/Ba值总体较低, 除阶段顶部3120 m深度外, 均介于1.5~2.4之间; Th/U值略有降低, V/Cr值略升高; Al、Ca、Ti等元素含量持续降低, 仅在3120 m深度时跃升出现高值。该沉积期内水体盐度相对较低, 水体环境呈现半氧化半还原状态, 气候相对暖湿。
5 盐度与页岩发育
5.1 盐度与页岩组构
由HI与Tmax、TOC含量关系反映出, 样品中有机质均为Ⅰ 型和Ⅱ 型倾油有机质, 且高盐度水体下的有机质成熟度(图 6-A)和烃源岩品质(图 6-B)更高。就本研究的测试数据而言, 几乎所有样品的Sr/Ba值都大于1, HI小于600的数据出现在Sr/Ba值小于3的条件下, 且在此条件下, Tmax数值偏低; TOC在Sr/Ba值大于3时均值为7.2, 最高达11.2, 在Sr/Ba值小于3时均值仅有3.5。因此根据Sr/Ba值变化与HI、Tmax、TOC的对应关系, 将高低盐度界限大概对应于Sr/Ba值等于3。Sr/Ba值与TOC含量呈现明显正相关, 反映水体盐度对有机质富集具有明显控制作用(图 7-A)。有机质的富集主要由初级生产力和保存条件共同控制, 在高盐度环境中生物总量并不减少, 且高盐度水体可限制寄生生物的生长, 因此该环境下藻类具有较高的生产力(Liang et al., 2024)。此外, 湖泊水体分层会导致底层水体缺氧, 避免有机质被氧化或生物降解。分层水柱位置与水体盐度呈正相关, 较高的水体盐度会使跃层位置较高, 含氧水柱较低, 进而减少有机质被氧化的程度(Boehrer and Schultze, 2008)。湖泊水体盐度通过对生产力和保存条件的控制, 进而控制了有机质富集(曹婷婷等, 2020)。
 | 图 6 东营凹陷樊42井页岩有机质类型及质量Fig.6 Organic matter types and quality of the shale from Well F42 in Dongying sag |
 | 图 7 东营凹陷樊42井页岩Sr/Ba值与TOC含量(A)和方解石含量(B)相关性Fig.7 Relationship diagram of Sr/Ba versus TOC content(A)and calcite content(B)of shale from Well F42 in Dongying sag |
研究层段页岩碳酸盐矿物含量较高, 均值为49.6%。咸化的水体对方解石沉淀具有明显的控制作用(操应长等, 2023; 杜佰松等, 2023), 表现在Sr/Ba值与碳酸盐矿物含量呈正相关(图 7-B)。较高的水体盐度意味着陆源碎屑输入强度低、淡水注入少, 从而有利于方解石沉淀, 在高盐度阶段方解石含量高, 反之则方解石含量低。
纹层发育是页岩的基本特点, 纹层状页岩是页岩油勘探开发的甜点, 纹层的发育与湖泊水体盐度密切相关(蒋龙等, 2023)。结合页岩纹层发育特征和盐度演化规律(马义权等, 2017), 不难发现, 在较高盐度的阶段, 纹层更为发育(图 3-C)。湖泊水体由浅至深依次发育紊流混合层、化跃层和滞水层, 滞水层水体盐度高、氧含量低、水体循环差。纹层多发育在滞水层, 盐度高、封闭的水文条件更有利于纹层的发育(Tylmann et al., 2012)。生物扰动会破坏纹层结构, 同时随深度增加或进入滞水层氧气耗尽, 生物扰动强度降低。因此, 较高的水体盐度有利于页岩纹层的发育和保存。
5.2 沉积模式
总体而言, 在该沉积阶段湖泊水体盐度较高, 呈半氧化半还原环境, 为咸水的半深湖沉积环境。水体盐度对页岩无机组分、有机质含量和纹层结构具有显著控制作用(Yuri et al., 2008), 建立了高盐度和低盐度2种沉积模式(图 8)。
 | 图 8 东营凹陷古近系沙三下亚段咸化湖泊沉积模式 A— 高盐度水体; B— 低盐度水体Fig.8 Sedimentation model of salinized lake from the lower submember of Member 3 of Paleogene Shahejie Formation, Dongying sag |
高盐度湖泊水体中, 营养盐浓度高, 具有较高的初级生产力; 水体分层强烈, 水体循环较弱。氧/盐度跃层位置相对较高, 富氧带水深较浅, 使得有机质更快脱离氧化环境沉降进入还原性水体, 利于有机质的保存。滞水层内发育纹层, 且纹层平直连续。碳酸盐矿物含量高, 且呈纹层状(图 8-A)。
低盐度湖泊水体中, 淡水注入增多, 陆源输入强度高, 富氧带初级生产力降低, 水体循环较强; 氧/盐度跃层位置下移, 使得有机质在长距离沉降中被氧化。沉积物内陆源碎屑比例增高, 碳酸盐矿物含量降低, 有机质含量和成熟度较低, 与高盐度水体模式相比, 同深度下纹层几乎不发育且界面模糊(图 8-B)。
6 结论
1)以矿物组分含量和沉积构造作为主要依据, 沙三下页岩可划分为5种岩石类型, 其中高有机质亮晶方解石纹层状灰岩和高有机质泥晶方解石纹层状灰岩分布广泛。
2)沉积环境演化具有阶段性, 古盐度在研究层段内变化频繁, 自下而上呈现升高→ 显著降低→ 升高→ 持续降低→ 显著升高的变化趋势; 陆源输入量呈较少→ 增多→ 减少→ 增多的旋回变化; 古气候呈现暖湿→ 相对湿冷→ 暖湿→ 相对干冷→ 相对暖湿的变化特征; 水介质整体呈半氧化半还原性, 随盐度升高更偏向还原性水体。
3)高盐度的湖泊水体具有较高的初级生产力, 同时盐度升高使得分层水体的跃层上移, 而缺氧的还原环境更有利于有机质赋存。因此高盐度还原性水体有利于有机质的富集、碳酸盐矿物的沉淀和纹层的发育, 建立了盐度主控的咸化湖泊页岩沉积模式。
(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 徐 杰)
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