等时格架下陆相页岩多尺度岩相精细识别及控制因素分析——以渤海湾盆地东营凹陷为例

曹 冰，杜学斌，陆永潮，刘惠民，刘占红，马义权，王 勇，赵 珂，杨 盼，彭 丽

(1.中国海油(中国)有限公司 上海分公司，上海 200335；2.中国地质大学(武汉) 海洋学院，武汉 430074；3.中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074；4.中国石化 胜利油田分公司 地质科学研究院，山东 东营 257015)

近5年来，中国对于海相页岩的勘探开发已经走在了世界前列，但是对于陆相页岩的研究尚处于起步阶段[1-3]，究其主要原因，陆相页岩成因及控制因素较海相页岩有更大的复杂性，因此对地质学家提出了更高的要求和挑战。岩相是一定沉积环境中形成的岩石或岩石组合，是开展细粒沉积物分析的基础[4-6]。基于矿物组分、有机质、沉积构造等特征，很多学者都对岩相的分类提出了自己的见解[7-12]，同时也有一部分学者探讨了陆相页岩岩相的控制因素[13-14]。但是这些岩相分类并没有放到不同级次层序格架下去考虑，也没有考虑不同级次格架与不同尺度岩相的耦合关系，因此制约了从机理上阐述不同尺度页岩岩相成因。本文以东营凹陷泥页岩为研究对象，借助多种研究手段，系统总结了等时格架下陆相页岩多尺度岩相精细识别特征，探讨了岩相发育的主要控制因素，以期为我国陆相页岩发育机理的研究提供借鉴。

1 陆相湖盆细粒沉积的特殊性

1.1 构造主控、物源+气候协同性

陆相湖盆不同于海相盆地，它具有自身的独特属性[15-16]。盆地的形成构造具有主控型，控盆断层的活动直接影响了可容纳空间的大小，从而进一步影响到沉积物充填过程。物源具有复杂性，表现为物源入口多，相变过程快的特点[17]。同时，古气候具有明显的敏感性与脆弱性，常常处于干旱与潮湿、枯水与泛水交替过程中[18-19]。上述几个控制因素联合起来对陆相湖盆细粒沉积产生了重要的影响，使得细粒沉积岩相类型复杂、横向变化快，研究难度增大。

1.2 等时格架下分布可预测性

虽然细粒沉积的分布在预测上具有很大的难度，但是在等时格架下其分布依然是可预测的，具有明显的滨岸坡折分隔原则[20]，即细粒沉积多分布于低位滨岸坡折内的盆地中心，厚度稳定，整合或假整合接触；细粒沉积段常为湖扩体系域(EST)+早期高位体系域(EHST)。

1.3 富灰质、强非均质性

对于我国东部沉积盆地来说，其内发育的细粒沉积由于受构造、气候、物源等因素的联合影响，其表现出明显的富灰质与强非均质性。从东营凹陷细粒沉积构成成分的三端元图(图1)可以看到，成分不像海相页岩一样具有相对集中性。其成分既有黏土矿物，也有陆源成分(石英+长石)，还有碳酸盐矿物，没有哪一种占据主导地位，因此陆相细粒沉积物实际是三类成分的耦合产物，也代表着具有多种成因控制。

2 层序格架与多尺度岩相构成

由于页岩的非均质性强烈，传统的层序地层学方法建立的等时格架无法满足精细化研究的要求，因此，部分研究者提出了一套针对细粒沉积物建立不同级次等时地层格架的方法。该方法的核心是依托T-R旋回理论，以自然伽马曲线为主，结合多种敏感性参数(放射性元素、TOC变化等)以及天文旋回理论，从而有效地解决了细粒沉积物中建立等时格架的问题[21-22]。

图1 渤海湾盆地东营凹陷陆相细粒沉积岩性分类三角图

在此基础上，进一步研究发现，岩相与层序具有密切的联系。不同级别层序有着不同的划分依据和识别特征，同时对应着不同类型的岩相构成(表1)。

2.1 六、七级层序与岩相构成

七级层序是目前资料品质下可识别的最高精度的层序，也是细粒沉积层序最小的构成单元。它反映了万年尺度的旋回变化，沉积单元厚度小于0.5 m，成分、结构、微小构造等变化是其主要的识别标志，岩相多表现为纹层结构。六级层序是七级层序的组合，沉积厚度介于0.5～2 m，岩相上表现为层偶的形式，即不同类型纹层组合在一起，从而构成纹层状泥质灰岩层与纹层状灰质泥岩层交互出现(图2)。

实际上，这种纹层构成不仅仅只反映岩相组合的变化，更能反映氧化—还原条件、藻类间歇勃发、陆源间歇供给等条件在六、七级层序格架下的变化。图3反映的是贫碳与富碳页岩岩相层耦韵律，可以看到，在这种韵律岩相控制下，能够反映氧化—还原条件的指标Sr/Ca与V/Cr均呈现了交替性的变化，与韵律岩相一一对应。实际上，其他参数也具有类似的特征。

2.2 五级层序与岩相构成

2.2.1 五级层序的识别

五级层序代表的是水进—水退旋回，识别标志包含测井曲线、元素变化、沉积多重非均质性等突变标志。每一个五级层序间隔时间0.02～0.08 Ma，沉积厚度约为2～5 m。一般来说，这种水进—水退旋回在空间上存在3种变化，即R旋回，代表水退过程；T旋回，代表水进过程；稳定旋回，代表水体稳定阶段[22]。一个T—R变化，代表一次水进—水退过程，即为一个五级层序。实际上，每一次水体变化都伴随着矿物、有机质的变化，这些参数也可以作为五级层序划分的参考指标。

2.2.2 五级层序格架与岩相构成

根据五级层序的划分，结合沉积速率分析，可以将五级层序单元归纳为3种可对比的组合类型，分别为快升—慢降型、慢升—快降型和均一型(图4)。这几种类型能够反映湖平面的升降过程，同时也反映着岩相中的层耦组变化(表1)。

表1 陆相页岩不同级别层序与岩相构成对应关系

图2 渤海湾盆地东营凹陷六、七级层序与岩相构成

图3 渤海湾盆地东营凹陷六、七级层序格架下氧化—还原条件交替变化

图4 渤海湾盆地东营凹陷五级层序单元下的岩相构成

快升—慢降型意味着湖平面上升过程快于湖平面下降过程，在这个过程中，岩相会从高灰质岩相经过中高灰质岩相逐渐变到中低灰质岩相，层理从页理或纹理变化到层状最后到块状。慢升—快降型意味着湖平面上升过程慢于湖平面下降过程，岩相依然会经历从高灰质岩相经过中高灰质岩相逐渐变到中低灰质岩相，层理从页理或纹理变化到层状最后到块状，但是很明显纹理或者层理发育段占据了该段的大部分层段。均衡型意味着湖平面上升过程基本上与湖平面下降过程一致，在这个过程中，岩相依然会从高灰质岩相逐渐变到中低灰质岩相，层理变化均一(图4)。

2.3 四级层序与岩相构成

四级层序相当于体系域，反映的是区域性水进—水退旋回，主要识别标志为有明显的区域性水深变化和突发事件标志。在这个尺度内，地层厚度介于5～50 m，时间间隔为0.08～0.5 Ma。结合沉积物厚度和湖平面升降过程，很清晰地看到，四级层序控制的是岩相域变化。这种不同类型岩相域不仅仅可以体现在单井上，而且可以实现区域性的对比(图5)。

2.4 三级层序与岩相构成

三级层序研究的是盆地级别或者凹陷尺度下的岩相变化。其反映的时间间隔为0.5～2 Ma，沉积物厚度大约200 m；层序界面主要的识别标志为古土壤、侵蚀和淹没标志、准层序叠置样式的转化或沉积环境的突变。实际上，对于一个盆地或一个凹陷来说，首要是需要搞清楚页岩在盆地内的分布，因此，三级层序是最初、最开始的研究尺度。一般需要编绘以三级层序为单元的岩相分布图，反映的是主要岩性组合宏观变化规律(图6)。

3 多尺度岩相发育控制因素

对于一个盆地来说，其岩相发育具有多尺度、多类型的典型特征。因此，岩相发育与展布的控制因素也具有多种尺度。具体来讲，有2个尺度：首先是影响三级、四级、五级层序尺度下岩相分布的可以归结为一类，称为一级因素；第二个尺度的控制因素主要影响六级、七级尺度下岩相分布，称为二级因素。

3.1 一级控制因素

一级控制因素包含构造、气候、物源3个次级因素[17, 23]。构造因素主要控制了可容纳空间的变化，使得盆地呈现深盆与浅盆结构，进一步在沉积充填性质上表现出欠补偿、补偿、过补偿的特征；气候因素主要表现为干旱与潮湿交互出现，使得盆地水体表现为淡水、咸水、盐湖；物源因素主要表现为机械沉积、化学沉积、生物沉积、混积沉积，使得在沉积组合上会体现出硅质、灰质和泥质的不同性质。对于一个地区或者一个盆地来说，这三者是紧密结合在一起的，不能割裂开研究。岩相构成上表现为层偶组—岩相域—岩相层序有序变化(表2)。

图5 渤海湾盆地东营凹陷四级层序控制下的岩相域横向变化

图6 渤海湾盆地东营凹陷三级层序下泥岩岩相分布

对于东营凹陷来说，影响页岩相发育的重大构造事件是42.5 Ma前后重大构造变革事件[24-25]。在这个时期，太平洋板块向欧亚板块俯冲发生转向(NNW—NWW)，使得中国东部大部分盆地开始由伸展盆地逐渐变为转换伸展盆地，由补偿浅湖盆过渡为欠补偿深湖盆，盆地面积变大，水体加深，页岩大面积发育。

同时，42.5 Ma前后的重大变革事件，不仅仅表现在构造上，气候上也同样具有重要的变革[9, 26-27]。42.5 Ma前后，气候还是具有明显的变化，由半干旱的气候进入到湿润的气候，使得水体由沙四上的咸水向沙三下半咸水—淡水变化，从而表现在岩相组合上，沙四上段岩相中碳酸盐纹层大量发育，而沙三下段岩相中则明显减少(图7)。

当然，42.5 Ma也是一个古生物变革面，表现在沙四段以火红美星介组合为代表的浅水生物群落，沙三段以中国华北介组合为代表的深水生物群落，浅水生物群落向深水生物群落转化[28]。生物组合的不同会在一定程度上影响到生烃潜力的差异。

3.2 二级控制因素

二级控制因素主要是对岩相中的纹层及层耦的控制，实际上是通过控制有机质类型、生物间歇勃发、水体动荡、氧化还原事件等进而控制岩相的发育。可以将二级控制因素细化为三类，即古生产力、季风、氧化—还原条件(表2)。

对于东营凹陷来说，季风对于高频(6～7级)格架中页岩岩相具有明显的控制作用。东亚季风系统控制了整个东亚的降雨及分布，夏季风带来降雨，冬季风带来干旱，从而会引起生物类型及生产力—生物勃发事件耦合、清水和浑水—陆源间歇输入事件耦合、干—湿气候与氧化—还原事件耦合等现象，从而进一步控制了济阳坳陷的沉积充填及其有机质的富集[19, 32]。

表2 渤海湾盆地东营凹陷多尺度岩相发育控制因素

Table 2 Controlling factors for multi-scale lithofacies, Dongying Sag, Bohai Bay Basin

图7 渤海湾盆地东营凹陷沙四上段-沙三下段沉积期古气候类型变化对比

具体来讲，东亚季风强的时候，东营凹陷基本不受热带高压影响，古气候非常湿润，发育纹层状页岩相，有机质异常发育，富含大量含碳生物，TOC可以达到3.0%以上；当东亚季风变弱的时候，西风带携带水汽少，东营凹陷处于热带高压影响之下，古气候变得逐渐干旱，生物发育少，主要发育了块状灰质页岩相、含粉砂富黏土质页岩相、蒸发岩薄夹层页岩相等贫有机质的岩相，平均TOC在1.7%以下(表3、图8)。

4 结论

(1)陆相页岩发育受构造主控，物源+气候协控，表现较强的富灰质特性，具有比海相更复杂的非均质特色。

(2)岩相分为层耦、层耦组、岩相域和岩相层序4个尺度，其中层耦受古生产力、季风、氧化—还原条件联合控制；层耦组—岩相域—岩相层序受物源、气候、构造联合控制。

表3 季风对于渤海湾盆地东营凹陷高频格架中页岩岩相的控制

图8 季风控制下的渤海湾盆地东营凹陷泥页岩富碳与贫碳的耦合

(3)页岩岩相层序是在构造—气候—物源协同大背景下，由机械、化学和生物沉积作用的耦合控制形成。