湖相碳酸盐岩成因及其石油地质意义<br/>——以东濮凹陷沙河街组四段为例

湖相碳酸盐岩成因及其石油地质意义
——以东濮凹陷沙河街组四段为例

2018-10-09王义武蒋飞虎慕小水王晋娟董琳

断块油气田 2018年5期

王义武，蒋飞虎，慕小水，王晋娟，董琳

（1.北京大学地球与空间科学学院，北京 100871；2.中国石化中原油田分公司勘探开发研究院，河南濮阳 457001）

东濮凹陷是渤海湾盆地典型的富油气凹陷之一，目前的研究多集中在碎屑岩沉积特征或盐岩成因等方面［1-3］，然而对于凹陷内部碳酸盐岩形成机理以及其石油地质意义的讨论则较为少见［4-5］。东濮凹陷沙河街组四段同时发育碎屑岩、碳酸盐岩以及二者的混合沉积，为研究湖相碳酸盐岩沉积特征与成岩机制，以及碳酸盐岩与碎屑岩形成时的主控因素提供了十分理想的材料。本文拟对东濮凹陷沙河街组四段进行深入研究，分析碳酸盐岩或者碳酸盐岩组分的形成机理以及控制因素，初步恢复研究区古温度以及古生产力，明确该区碳酸盐岩的石油地质学意义，以期对后期油田的勘探开发提供参考。

1 地质背景

东濮凹陷是一个双断式凹陷，属于渤海湾盆地的一部分，整体呈NNE走向的一个狭长区域，凹陷经历过多次构造运动，断层十分发育［6］。沙河街组是凹陷内的主要生油层系，厚度大于2 000 m，由一套灰色、深灰色泥岩为主的暗色砂泥岩组成。

沙河街组四段下亚段主要发育棕红泥岩与粉砂岩，当时古生物化石也比较稀少，属种单调；沙河街组四段上亚段主要发育灰白色泥页岩与灰白色粉砂岩，此时地方性属种开始兴起，古生物属种的类型和数量明显增加，与下亚段形成了明显对比［7］。此外，高渐珍等［8］提出，沙四段下亚段沉积时期，东濮凹陷开始发育盐岩沉积。

2 岩石学特征

通过对东濮凹陷的老井资料进行复查，选取了位于东濮凹陷北部的卫146井。卫146井位于卫城构造带［7］，该井沙河街组四段碳酸盐岩质量分数较高且厚度较大，具有代表性，采样深度为2 837.5～2 992.1 m。岩心观察以及薄片鉴定发现，东濮凹陷沙四段主要发育碳酸盐岩、碎屑岩以及二者的混合沉积，上、下亚段分界线在2 940 m左右［9］。国外学者对碳酸盐岩和碎屑岩的混合沉积称之为“Mixedsediments”，最早由 Mount［10］于1984年提出；国内最早由杨朝青等［11］于1990年提出，将二者的混合沉积物称之为“混积岩”。

2.1 陆源碎屑岩

研究区主要发育灰色—灰褐色粉砂岩、细砂岩和灰黑色、紫红色泥页岩，部分细砂岩发育水平层理。薄片鉴定显示，该区碎屑岩主要为粗粒石英粉砂岩和石英细砂岩（见图1a），基质质量分数较低，一般低于10%，颗粒间接触紧密，支撑类型主要为颗粒支撑。

图1 卫146井典型薄片照片

2.2 碳酸盐岩

岩心观察表明，本区碳酸盐岩以灰色泥灰岩为主，少量为生物碎屑灰岩，主要碎屑组分为泥晶方解石、亮晶方解石和一些陆缘碎屑颗粒。泥晶方解石占主体，未观察到重结晶等后期成岩变化，均为原生沉积，部分层位可见砂屑（见图1b）；陆源碎屑混入物主要包括石英、长石和一些黏土矿物，这些陆源碎屑充填于碳酸盐岩颗粒的孔隙中，质量分数小于10%。

2.3 混积岩

通过详细的镜下鉴定，该区混积岩主要包括含砂—砂质灰岩、含灰—灰质细砂岩等。此类岩石中碳酸盐岩一般未发生重结晶，在碎屑组分里也未见有石英加大边等现象，表明后期成岩改造作用较弱。对于混积岩的命名，目前还没有一个统一的命名法，本文主要是参考了张雄华对混积岩的分类标准［12］，将研究区混积岩分为两大类四小类。将碳酸盐岩质量分数大于75%，陆源碎屑质量分数为5%～25%的混积岩，称为含砂灰岩（见图1c）；碳酸盐岩质量分数大于50%，陆源碎屑质量分数为25%～50%的混积岩，称为砂质灰岩（见图1d）；陆源碎屑质量分数大于50%、碳酸盐岩质量分数为25%～50%的混积岩，称为灰质细砂岩（见图1f）；陆源碎屑质量分数大于75%、碳酸盐岩质量分数为5%～25%的混积岩，称为含灰细砂岩（见图1e）。

3 实验方法与数据

在进行化学测试选样时，尽量挑选新鲜面采集。本次实验，共挑选了58组岩石样品，用微钻取样法针对每个样品取样约0.2 g。粉末样品分成2部分，其中一部分送到美国路易斯安那州立大学地化实验室进行碳氧同位素分析，余样在北京大学地球与空间科学学院ICP-OES室进行主微量地球化学分析。最后，共计得到碳氧同位素、碳酸盐岩组分和碎屑组分测试数据各 58 组（见表 1）。其中，w（Mn），w（Sr），w（P）分别为Mn，Sr，P 的质量分数，w（Mn）/w（Sr）为Mn 与 Sr的质量分数比，wcarb为碳酸盐岩组分的质量分数，CIA（化学蚀变指数）由碎屑组分数据计算得出。图2为东濮凹陷卫146井沙四段地球化学剖面，主要包括碳氧同位素、wcarb等测试数据。

表1 研究井段碳、氧同位素和元素地球化学特征

续表1 研究井段碳、氧同位素和元素地球化学特征

图2 东濮凹陷卫146井沙四段综合柱状图

4 结果与讨论

当样品 w（Mn）/w（Sr）小于 10 时，表示受后期成岩作用影响较弱，可以反映原生沉积水体介质的信息［13-15］。从表 1 来看，研究层位的 w（Mn）/w（Sr）都小于 3.00。薄片观察显示，本区碳酸盐岩组分多以泥晶的形式存在，极少数出现后期重结晶等现象，表明可能未经受明显的成岩改造，因此认为样品中碳酸盐岩主要为自生沉积。

东濮凹陷沙河街组四段广泛发育了碳酸盐岩与碎屑岩的混合沉积，陆源碎屑的注入量也是影响碳酸盐岩沉积的重要因素，而陆源碎屑的注入量则与大陆风化息息相关。CIA被广泛用作衡量大陆硅酸盐岩化学风化程度的定量指标［16］，CIA值越大，表示碎屑风化程度越高［17］。从图2中碳酸盐岩质量分数与CIA曲线的变化趋势可以看出，沙河街组四段下亚段碳酸盐岩质量分数与CIA呈非常一致的规律。该段沉积中，碳酸盐岩质量分数较高时，碎屑组分质量分数较低，说明碎屑成分经过了较强的风化作用。因此，推断该段地层的碳酸盐岩组分主要是从湖水中经化学作用沉积下来，而湖水的化学条件则主要受控于源区的化学风化程度，化学风化程度影响了湖水中陆源碎屑的注入量，进而改变了水体的化学组分。

进一步观察图2中沙河街组四段上亚段的地层发现，这段地层中碳酸盐岩质量分数与CIA的变化趋势并没有相关性，说明该段地层中碳酸盐岩组分的沉积可能并不主要受控于化学沉积作用。

湖泊的生产力对湖水中溶解无机碳库的组成有很大影响，在一定的范围内，较高的湖水温度更有利于表层浮游生物的生长，这些浮游生物通过光合作用吸收更多的12C，使得表层水体无机碳储库中的13C增多，沉积岩中形成的原生碳酸盐岩组分便更加富集13C，因此，水体较高的温度往往对应于高生产力和较高的δ13C 值［18］。图 3 显示，沙河街组四段下亚段，δ13C 平均值偏低，且整体呈下降趋势；而上亚段δ13C平均值有所升高，且表现出上升的趋势。这种温度条件下，生物生产力水平较高，对碳酸盐岩的形成也起到控制作用。因此，沙四上亚段碳酸盐岩组分很可能受到生物生产力和化学沉积这两方面的共同作用。沙四下亚段沉积时期，由于温度不够高，且处于下降趋势，生物生产力较低，不足以影响碳酸盐岩的形成，所以其碳酸盐岩的质量分数主要受控于化学沉积作用。正因为如此，沙四下亚段碳酸盐岩与CIA曲线呈高度吻合趋势，而上亚段则并无此规律。

据赵志清等［19］研究，东濮地区沙四段下亚段沉积时期，化石稀少，代表了较低的生产力水平，沙四段上亚段沉积时期，化石门类开始丰富起来，包括藻类、腹足类化石等，生产力水平较高，这与由碳同位素推断出来的温度变化情况是吻合的。前人对东营凹陷沙河街组进行古生产力定量分析时，也发现沙河街组四段上亚段沉积时期湖泊古生产力较高［20-21］。

综上所述，在沙四下亚段沉积时期，碳酸盐岩组分主要来自化学沉积作用；在沙四上亚段沉积时期，碳酸盐岩的形成主要受生物和化学沉积作用的共同控制。此外，上亚段沉积时期，温度和生物的生产力较高，沉积岩中生物碎屑质量分数也较高，经过淡水冲蚀后可以大大增加沉积岩的孔隙度，更容易成为优质储层。