纹层状细粒沉积岩特征及主控因素分析——以渤海湾盆地东营凹陷沙四上—沙三下亚段为例

王 苗，陆建林，左宗鑫，李 浩，王保华

(中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126)

细粒沉积岩是指粒径小于62 μm的黏土级和粉砂级沉积物，其成分主要包含黏土矿物、粉砂、碳酸盐、有机质等[1]。在湖相细粒沉积岩中，常见明显的明暗相间的纹层，单个纹层厚度极小，常以毫米来计量。纹层状岩相在东营凹陷沙四上—沙三下亚段广泛发育，在湖盆的不同部位和不同层段，纹层的类型和数量都具有明显差异。在济阳坳陷页岩油勘探实践中发现，70%的油流井取心显示为富有机质纹层状细粒沉积岩。研究表明，页岩油发育的主要岩相为纹层状细粒沉积岩。因此，明确东营凹陷纹层的特征和控制纹层发育的主要因素，对该区页岩油勘探具有重要意义。

根据纹层形成周期的不同，纹层包括较长周期的缓慢沉降沉积形成的年纹层以及较短时间内由湖泊底流作用形成的纹层沉积。年纹层泛指陆相和海相细粒沉积物中具有“年”旋回的纹层。年纹层发育的湖泊分布广泛，从寒带地区到温带、热带地区均见年纹层的报道。前人对不同地区、不同类型的湖泊中年纹层的类型[2-8]、年纹层的形成条件[9]及其对气候的指示意义[6]等开展了广泛深入的研究。另外，在泥页岩中广泛发育的粉砂质纹层可能与湖底微弱水流有关。国外学者通过水槽实验发现，在足够小的水流作用下，粉砂和黏土的絮凝物可以沉降到底部，并在水流作用下最终形成粉砂质纹层[10]。国内学者对东营凹陷沙三下亚段细粒沉积岩的岩相划分和分布模式开展了详细探讨，对其纹层的成因主要解释为季节性气候变化形成的年纹层[11-13]。然而，对于东营凹陷纹层类型研究还不够全面，对该地区纹层形成主控因素及发育模式的研究有待深入。本文在前人研究的基础上，对东营凹陷沙四上—沙三下亚段细粒沉积岩的纹层类型、成因进行总结；同时，将微观的岩石组分分析和宏观上的构造、沉积相结合，从物质来源、搬运动力和沉积环境3个因素来考虑，综合分析纹层形成的主控因素以及不同纹层的发育部位，提出纹层状细粒沉积岩发育模式。

1 地质背景

东营凹陷是渤海湾盆地济阳坳陷南部的次级构造单元，东西长90 km，南北宽65 km，面积约5 700 km2。在古近纪时期,东营凹陷为四周有凸起环绕的箕状断陷盆地，具有北断南超的特点；内部包括北部断阶带、利津洼陷、民丰洼陷、中央隆起带、牛庄洼陷、博兴洼陷及南部缓坡带等二级构造单元[14](图1)。

古近系由孔店组和沙四段沉积期的咸水湖相、沙三段沉积期的微咸水—淡水湖相、沙二段沉积期河流—三角洲相组成。沙四中亚段沉积晚期—沙三段沉积期为东营凹陷强烈断陷期[13]，形成广阔的深水湖泊，为纹层状细粒沉积岩的发育提供了有利条件。

图1 渤海湾盆地东营凹陷构造单元划分据参考文献[12]修改。

2 纹层的类型及成因

纹层是层理的最小组成单位，纹层之内没有任何肉眼可见的层，其厚度极小，成分上有一定的均一性，它是在一定条件下同时沉积形成[17]。因而，单个纹层代表一定的沉积环境下的产物。根据成分的差异，将纹层分为5类，并总结了每种纹层的形成相带、沉积物来源、形成方式和成因(表1)。

2.1 粉砂质纹层

以粒径介于4～62 μm的粉砂为主，主要为陆源物质的物理搬运沉积。该纹层在半深湖—深湖相浊流沉积顶部发育，厚度较薄，一般在几厘米左右，为鲍马序列D段。其在相序上位于沙纹层理(鲍马序列C段)上部和深湖相黑色泥岩下部(如图2a中樊页1井岩心照片所示)，为典型的浊流逐渐衰减后，在底流作用下产生的鲍马序列顶端的沉积特征。

2.2 泥质纹层

以粒径小于4 μm的黏土矿物为主要组分。陆源黏土级物质通过表层流、层间流或底流等形式输入湖中后缓慢沉降沉积形成，为物理作用沉积。单个泥质纹层的厚度与季节有关。夏季多雨，水体携带陆源碎屑较多，形成较厚的泥质纹层(图2b)。

2.3 碳酸盐纹层

碳酸盐纹层常形成于夏季炎热干燥和较高的湖水盐度的条件下，在瑞士苏黎世湖、中国苏干湖均发现有碳酸盐纹层沉积。湖相原生碳酸盐主要来源于上部水柱中的碳酸盐沉淀，它们往往与浮游植物的发育有关[6]。该纹层常与有机质和藻类发育的深色纹层形成层偶(图2c)。在成岩过程中，部分泥微晶方解石在有机酸的作用下，形成柱状晶方解石纹层(图2d)[11]。

2.4 富有机质纹层

现代湖泊沉积中常见由藻类等生物碎屑和有机质组成的深色层，常为季节性纹层。在不同的湖泊中，深色层的成分和形成季节均有一定的差异性。在德国霍尔茨马尔(Holzmaar)湖中的深色层为3种不同种类的硅藻纹层，分别形成于春、夏、秋三季；在中国苏干湖中发现的深色层主要由碎屑物质和桥弯藻属硅藻、植物残体以及介形虫壳体等生物沉积组成，有机质含量高达41.2%，是晚秋和冬季形成的；在东北四海龙湾玛珥湖中发现的暗色层以硅藻和有机质为主要成分，形成于秋季[3,6,15]。

表1 渤海湾盆地东营凹陷沙四上—沙三下亚段细粒沉积岩纹层类型及成因

图2 渤海湾盆地东营凹陷沙四上—沙三下细粒沉积岩不同类型纹层岩心和镜下特征

在东营凹陷中，由深、浅两色纹层构成的层偶中，部分深色纹层为富有机质纹层，深色层厚度较浅色层薄(图2e)。刘传联等发现东营凹陷富有机质纹层中含大量沟鞭藻化石，且呈层分布[16]，该藻类在春夏季生长繁盛，冬季死亡并沉入湖底，在宁静缺氧的环境下形成富有机质纹层。

2.5 混合纹层

混合纹层由黏土、粉砂、碳酸盐等多种矿物混合形成(图2f)，是在水体分层变差、细粒物质供给充分的情况下，由悬浮物未经充分分选快速沉积而形成，为多种成因下的混合沉积物[11]。

3 纹层的主控因素

综合前人对现代和古代湖泊沉积的研究认为，细粒沉积岩中的纹层形成和保存受以下几个因素控制：(1)足够的水深(一般是20 m，针对淡水湖—半咸水湖)。在该深度以下，近湖底水层处于浪基面以下，具有季节性的分层现象，且水体停滞不动，缺氧，有利于形成纹层并得以保存下来。在盐湖中，由于盐度分层，不到20 m水深的区域也能形成纹层；(2)湖底地形特征。在陡坡区和地形起伏的湖底，水动力相对较强，不易形成和保存纹层沉积；(3)气候特征。气候对纹层类型具有一定的控制作用，一定地质时期的气候特征，决定一定的湖泊水文条件。具体表现为，首先，气候的干湿变化直接影响湖水盐度，干旱少雨时湖水蒸发量大，盐度高，更有利于形成碳酸盐沉积，湿润多雨时，湖水盐度低，更容易形成泥质沉积；其次，气候的冷暖影响湖水营养水平，温暖的气候下湖泊生产力相对较高，更有利于形成富有机质沉积和碳酸盐沉积；(4)物源供给特征。大型湖盆由于面积大，水体深，水循环不充分，水体中悬浮颗粒和溶解物质在区域间存在差异，因而形成不同纹层类型。总的来说，在水深足够大、湖底地形平坦的开阔湖区有利于形成纹层状沉积，纹层的类型受气候条件和物源供给控制。

东营凹陷在沙四上—沙三下沉积时期，湖盆面积大，断陷作用强烈，从沙四上—沙三下沉积时期气候具有明显差异。本次研究认为，构造、气候和物源是东营凹陷纹层状细粒沉积岩发育的最终决定因素。

3.1 构造

3.1.1 构造演化总体控制纹层状岩相的分布范围

页岩作为纹层状细粒沉积岩的一种，发育页状层理，沿层理方向易剥裂、分离，在录井上的识别相对容易可靠。页岩一般形成于湖泊中分层缺氧的环境，总体而言页岩发育区也有利于其他纹层状细粒岩的形成和保存。因此，在纹层状岩相的平面预测上，可以参考页岩的分布范围。

对东营凹陷沙四上亚段(42口井)、沙三下亚段(56口井)录井岩性数据进行统计，结合前人研究资料及取心数据，明确了沙四上—沙三下亚段岩相分布特征。可以看出，纹层状岩相在沙四上亚段主要分布在牛庄洼陷和博兴洼陷，在沙三下亚段分布在利津洼陷、牛庄洼陷和博兴洼陷(图3，4)。前人研究表明，沙四段至沙三段沉积时期，断裂活动由NW向变为NE向，沉降中心自东向西迁移(图5)[22]。本次研究表明，纹层状岩相发育区与沉降中心的分布位置一致，从沙四上亚段至沙三下亚段，纹层状岩相发育区自东南向西北迁移。

3.1.2 构造单元对纹层类型的控制

对过不同构造带钻井中油页岩、粉砂岩和灰岩的发育部位进行了刻画(图6，7，空白处为泥岩或灰质泥岩)。不同的构造单元发育的岩性类型具有一定差异。在沙四上亚段，油页岩在南部洼陷带和内斜坡带发育，粉砂岩在北部洼陷边缘和中央背斜带发育，灰岩在南部内斜坡带发育。在沙三下亚段，油页岩主要在北部洼陷带、中央背斜带和南部洼陷带湖扩体系域中发育，粉砂岩在北部断阶带、中央背斜带高位体系域中发育。因此，在开阔湖中的深洼区和内斜坡地区，富有机质纹层和泥质纹层相对发育，中央背斜带可形成粉砂质纹层，在内斜坡易形成碳酸盐纹层。在北部断坡带附近，由于近岸水下扇发育，近湖底水动力较强，不容易形成纹层沉积。

3.2 气候

气候的冷热干湿影响了水体分层、湖流、降水和沉积物充填，甚至温度、盐度的变化在一定程度上也受气候的控制[23]。气候对纹层的控制作用广泛而复杂。在东营凹陷沙四上—沙三下沉积时期，气候变化对纹层类型具有一定的控制作用。气候变化引起湖水中的溶解质和悬浮质的变化，进而影响纹层组分。沙四上亚段沉积时期气候干旱，湖水蒸发量大于汇入量，形成较高盐度的湖水，在这种条件下，与化学作用有关的碳酸盐纹层相对更发育。在沙三下亚段沉积时期，气候逐渐变得湿润，地表径流发育，其剥蚀和搬运能力增强，部分细粒陆源物质进入开阔湖区，湖泊中粉砂质和泥质纹层增加，碳酸盐纹层相对减少。在沙四上和沙三下亚段沉积时的湖扩体系域发育期，由于气候湿润，湖泊面积增大，油页岩分布范围变广，富有机质纹层相对发育(图6，7)。

图3 渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段细粒沉积岩岩相分布

图4 渤海湾盆地东营凹陷沙三下亚段细粒沉积岩岩相分布

3.3 物源

东营凹陷沙四—沙三段沉积期有以下几个物源：北侧陈家庄凸起，南侧鲁西隆起，东侧垦东—青坨子凸起，西侧滨县凸起、林樊家凸起和青城低凸起。前人对东营凹陷沙四上亚段岩屑的组分特征开展了细致的研究，认为南部鲁西隆起、广饶凸起和西南部的青城低凸起以中酸性喷出岩和灰岩岩屑为特征，北部滨县凸起和青坨子凸起主要为基性喷出岩和石英岩岩屑；陈家庄凸起上不同区块岩屑成分具有差异，西部主要为白云岩和灰岩，东部为片麻岩和中酸性喷出岩(图8)。另外前期研究认为，中南部博兴凹陷和牛庄洼陷物源方向主要为南部鲁西隆起、广饶凸起和西部青城低凸起[24]。

图5 渤海湾盆地东营凹陷古近纪构造应力场

图6 渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段过不同构造带岩性发育特征

对全区42口井沙四上亚段灰岩厚度占地层厚度的百分比统计分析表明，灰岩总体在东营凹陷中南部发育，在博兴洼陷和牛庄洼陷分别有2个厚度中心，其中博兴凹陷樊1井东部灰岩厚度百分比达15%，北部利津洼陷有少量灰岩发育，厚度较薄(图8)。结合前人物源区岩屑组分分析，认为该灰岩发育区与南部含灰岩的母源具有密切关系。在沙四上段沉积期水体稳定分层的环境下，该地区灰岩常以纹层状形式产出，因而，物源对该地区广泛发育的灰质纹层的分布范围具有明显的控制作用。

4 纹层状细粒沉积岩发育模式

在对纹层状细粒沉积岩开展微观和宏观特征研究的基础上，提出了东营凹陷沙三下亚段纹层状细粒沉积岩的发育模式(图9)。由于东营凹陷为北断南超的箕状断陷，古东营湖水深呈现北深南浅的特征，在沙三下亚段沉积时期，北部断阶带、中央背斜带和深洼区均为深湖相，南部斜坡区发育滨浅湖和半深湖相。纹层状岩相主要在深湖相发育，在中央背斜带两侧深洼区发育富有机质纹层、泥质纹层，在中央背斜带发育粉砂质纹层、富有机质纹层、泥质纹层和混合纹层。在北部断阶带附近由于重力流发育，湖底水动力较强且沉积速率较高，在浊积远端以层状岩相为主，局部见纹层状岩相，以粉砂质纹层、泥质纹层为主。另外，在南部斜坡带半深湖相也可见纹层状岩相，包括粉砂质纹层、泥质纹层、混合纹层和碳酸盐纹层。

图7 渤海湾盆地东营凹陷沙三下亚段不同构造带岩性发育特征剖面位置见图1的BB’ 。

图8 渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段物源分区及灰岩含量

5 结论

(1)东营凹陷沙四上段—沙三下亚段细粒沉积岩中发育5种纹层——粉砂质纹层、泥质纹层、碳酸盐纹层、富有机质纹层和混合纹层。

(2)构造演化总体控制纹层的分布范围，从沙四上段至沙三下亚段沉积时期，纹层状岩相的发育区自东向西迁移；纹层类型与凹陷内次级构造带有密切关系，富有机质纹层主要位于开阔湖中的深洼区和内斜坡，粉砂质纹层发育于中央背斜带和南部斜坡带，碳酸盐纹层发育于南部内斜坡区，混合纹层在中央背斜带和南部斜坡带发育，泥质纹层分布范围广泛，在以上构造带均发育。

(3)气候对纹层类型有明显的控制，表现为湿润的气候有利于形成富有机质纹层，干旱的气候有利于碳酸盐纹层的形成。

图9 渤海湾盆地东营凹陷沙三下亚段纹层状细粒沉积岩发育模式

(4)物源对该地区广泛发育的灰质纹层的分布范围具有明显的控制作用。湖相细粒沉积岩沉积条件复杂，这些因素之间往往互相联系制约，共同决定纹层的发育。

(5)东营凹陷沙三下段纹层状岩相的发育模式为：中央背斜带两侧深洼区发育富有机质纹层、泥质纹层；中央背斜带早期发育富有机质纹层、泥质纹层，晚期发育粉砂质纹层、混合纹层、泥质纹层和富有机质纹层；北部断阶带浊积远端局部可见粉砂质纹层、泥质纹层；南部内斜坡可见粉砂质纹层、泥质纹层、混合纹层和碳酸盐纹层。