冀中坳陷奥陶纪岩相古地理*

李玉帮 张以明 杨德相 高 达 黄 芸 曹兰柱 田建章 王 帅

1中国石油华北油田公司，河北任丘 062552 2长江大学地球科学学院，湖北武汉 430100

华北地区奥陶系地层发育齐全，从20世纪70年代以来，关于奥陶纪岩相古地理的研究取得了丰富的成果。冯增昭(1986)和冯增昭等(1990)较早地开展了华北地台奥陶纪岩相古地理研究，认为早奥陶世冶里期和亮甲山期区内总体为陆表海背景，内部存在浅滩、云坪、滩间海、局限海、开阔海等多个次级的古地理单元。金振奎等(2002)依据典型露头和盆内重点钻井，明确了早奥陶世冶里期和亮甲山期渤海湾盆地北部以局限海环境为主，中奥陶世下马家沟期发育潮坪—局限海的旋回，上马家沟期和峰峰期均以发育潮坪—开阔海的旋回为特征。迟小燕和孙维凤(2011)主要根据冀中坳陷钻井和周边露头资料，研究了冀中坳陷奥陶纪岩相古地理，认为早奥陶世以潮坪与局限台地沉积为主，中奥陶世海侵强度加大，呈现局限台地和开阔台地相间分布的格局。以上从地台级别、到盆地区域、到盆内重点坳陷的岩相古地理的研究成果，奠定了区域沉积格局认识的重要基础，在盆地和重点坳陷的油气勘探发挥了重要作用。

近年来，随着油气勘探向奥陶系潜山内幕区的深入，前期的研究成果已经不能满足精细油气勘探的需要。奥陶系作为冀中坳陷古潜山油气藏重要储集层之一，承载了本区古潜山油气田的重要勘探任务，伴着冀中坳陷河西务、束鹿西斜坡等一系列奥陶系古潜山油气藏规模增储建产(杜金虎等，2017)，精细定量的岩相古地理研究对于该区碳酸盐岩储集层发育规律研究至关重要。作者立足冀中坳陷新的钻井资料，揭示奥陶系沉积相特征，形成对本区奥陶纪岩相古地理的细化认识，为奥陶系油气勘探提供基础支撑。

1 地质背景

冀中坳陷位于渤海湾盆地西北部，是渤海湾盆地内的一个负向构造单元，它是在华北古地台基底上发育起来的中、新生代沉积坳陷，北依燕山褶皱带，南抵邢衡隆起，西临太行山隆起，东至沧县隆起(杜金虎等，2002)，呈北东—南西走向，面积约为2.84×104ikm2(图 1)。

奥陶系主要分布于冀中坳陷东部及南部，西北部大部分被剥蚀，古近系之下出露元古界。分布区域包括冀中坳陷北部的大厂凹陷、武清凹陷与廊固凹陷，东部的霸县凹陷和饶阳凹陷；南部的石家庄凹陷、束鹿凹陷、南宫凹陷带及其以南地区。研究区奥陶系钻遇地层厚度一般200～1020im，与下伏寒武系整合接触。受加里东运动影响，华北地台隆升，冀中坳陷缺失上奥陶统。

图 1 冀中坳陷构造位置图Fig.1 Map of tectonic position in Jizhong Depression

基于传统的划分方案把奥陶系三分，并结合华北地台奥陶纪构造运动期次、沉积旋回以及生物组合面貌等特征，将奥陶纪分为： 早奥陶世新厂期与道保湾期，分别对应下奥陶统冶里组和亮甲山组；中奥陶世大湾期对应下马家沟组，中奥陶世达瑞威尔期早期至中期分别对应上马家沟组下段与上段，达瑞威尔期晚期对应峰峰组(表 1)；晚奥陶世地层因本区抬升剥蚀而缺失。地层旋回特征明显，从沉积旋回底部至上部，岩性组合存在泥晶灰岩—云质灰岩—灰质云岩过渡趋势，整体显示地层受相控发育特征明显(图 2)。各地层段岩性组合特征如下：

图 2 冀中坳陷奥陶纪层序地层综合柱状图Fig.2 Composite histogram of stratigraphic sequences in Jizhong Depression

表 1 冀中坳陷奥陶纪地层划分单元Table1 Classification units of the Ordovician in Jizhong Depression

下奥陶统冶里组： 岩性主要为灰色厚层小豹皮灰岩、泥质条带灰岩、白云质灰岩、薄层灰岩，夹黄绿色竹叶状灰岩和黄绿色页岩。该组产丰富的三叶虫、笔石和牙形石化石及少量头足类化石(邹伟宏等，2001)。

下奥陶统亮甲山组： 岩性为下部浅灰—灰色薄—中厚层灰岩、含云质泥质灰岩和少量燧石；上部灰、黄灰色厚层夹薄层白云岩，含燧石结核及其条带，夹少量花斑泥纹，冀南岩性全部相变为白云岩。该组产丰富的头足类和牙形石化石(邹伟宏等，2001)。

中奥陶统下马家沟组： 河北区内露头剖面下马家沟组岩性为一套浅灰—灰色中—厚层泥质灰岩、云质灰岩、灰质云岩；中部为厚层灰岩，夹1～2层角砾状灰岩，厚100～350im。该组在冀中坳陷油气区为一套灰岩、泥质灰岩、云质灰岩夹灰质云岩及白云岩，横向稳定分布。视厚度88～247im，总体北部较厚，中南部较薄，发育丰富的头足类、牙形石和少量三叶虫化石等(邹伟宏等，2001)。

中奥陶统上马家沟组： 上马家沟组下部为浅灰色中厚层泥质白云岩，底部夹泥质灰岩和角砾状灰质云岩；中—上部为灰色厚层豹皮状泥质灰岩、含泥质灰岩，夹灰黄色灰质白云岩。研究区内视厚度为100～370im，该组产丰富的头足类、牙形石和少量腹足类化石(邹伟宏等，2001)。

中奥陶统峰峰组： 峰峰组岩性整体为一套以含直角石式鹦鹉螺类为特征的巨厚—厚层褐灰色灰岩、花斑状灰岩和角砾状灰岩，下部夹有含膏白云质灰岩或石膏层，上部白云质灰岩，厚度55～203im。该组产头足类、牙形石和少量腕足类化石(邹伟宏等，2001)。

表 2 冀中坳陷奥陶系沉积相划分Table2 Sedimentary facies classification of the Ordovician in Jizhong Depression

2 沉积相类型与层序特征

2.1 沉积相类型

根据钻井岩心观察、周边野外剖面观察、测井资料综合分析，结合岩石学特征(图3)、沉积构造和地层古生物资料，明确了冀中坳陷在奥陶纪属于华北地台稳定陆表海的一部分(孙维凤等，2011)，沉积了奥陶系碳酸盐岩。精细的岩石学及沉积环境分析表明，研究区奥陶系主要受潮汐水动力作用的控制，划分为潮上、潮间、局限潮下和开阔潮下等4个亚相；根据岩性及其组合，每个亚相又可分为2～3个微相(表2，图4)。不同的亚相和微相在垂向上分布在不同的主要地层组和段，体现出横向上具有规律的相分布演化。这种相分布样式(图4)与Young等(1972)根据美国阿肯色州奥陶系沉积研究建立的碳酸盐岩潮汐作用相模式及 Tucker(1985)建立的碳酸盐岩陆表海—镶边陆棚相模式中的陆表海台地部分可很好对比(图4)。

潮上亚相： 位于平均高潮线以上，属于潮坪相的潮上带，空间上一般沿古陆边缘或局部地貌高地分布，蒸发暴露环境，岩性为灰褐色—褐灰色(含膏)泥晶云岩、含泥云岩。根据岩性组合特征划分为泥云坪(图 3-a，3-j)、膏云坪(图 3-b，3-c)、泥坪等微相。

潮间亚相： 位于平均高潮线与平均低潮线之间，间歇性暴露，薄层状微晶—细粉晶云岩、云岩与灰岩薄互层。根据主要岩性组合划分为云坪(图 3-d，3-k)、灰云坪(图 3-e)、云灰坪(图 3-f)等微相。

局限潮下亚相： 位于平均低潮线以下，相对低洼，水体处于局限还原环境，见黄铁矿，暗色泥晶灰岩和泥晶含灰云岩，划分为云质潟湖(图 3-g)和灰质潟湖微相。

开阔潮下亚相： 局限潮下以外，水体开阔，生物和颗粒增多，正常浪基面以上见砂屑滩(图 3-h)和生屑滩(图 3-i)微相，正常浪基面以下发育静水泥微相(图 3-l)。

图 4 冀中坳陷奥陶系沉积相模式图Fig.4 Sedimentary facies model of the Ordovician in Jizhong Depression

2.2 层序特征

在查明奥陶系岩相与测井曲线响应关系基础上，在钻井上全面检查和修订组和段的地层划分；根据沉积相和测井曲线所反映的沉积环境、沉积速率和沉积趋势变化，将奥陶系划分为3个完整的层序(SQ1～SQ3)及顶部的不完整层序(SQ4)(图2)。亮甲山组顶界面、上马家沟组下段顶界面与峰峰组下段顶面作为三级层序界面通常表现为明显的GR值突变，沉积相由潮间沉积突变到潮下沉积(图2，图5)。奥陶系各层序横向沉积厚度变化小，层序内高位体系域(HST)沉积厚度大于海侵体系域(TST)，这表明研究区奥陶纪三级层序内的海平面变化整体表现为快速海侵—缓慢海退。

通过连井地层对比建立了区域奥陶系层序地层格架(图5)。冀中坳陷奥陶系残余地层虽呈现NE至NW向减薄的特征，从纵向贯穿冀中坳陷的北南向剖面显示冶里组、亮甲山组整体地层厚度稳定，其他组的沉积厚度差异与沉积环境的沉积速率有关，但地层沉积厚度横向差异不大(图5)。

3 单因素分析与岩相古地理分布

3.1 单因素分析基本原则

在确定沉积相及沉积微相类型后，通过单井沉积相及连井剖面对比来建立区内沉积相分布整体框架。对冀中坳陷奥陶系残余5个地层组，依据野外露头观察、岩心描述、岩屑录井和测井解释成果进行岩性识别与统计。岩相古地理图件在沉积相和层序地层学分析的基础上，以层序格架内体系域为编图单元(胡明毅等，2010)，通过系统统计地层厚度、残余厚度、白云岩含量、泥岩含量和生屑、颗粒碳酸盐岩含量(表 3)，依照冯增昭(2004)的“单因素分析多因素综合作图法”为理论指导，编制单因素图件。

冀中坳陷奥陶系地层厚度可以揭示该地区的古大地构造格局、古地形及沉积中心分布，包括相对隆起和凹陷的位置等。通过取心、岩屑录井以及测井资料对比分析，GR曲线与泥岩具有较好的对应关系，自然伽马测井曲线标准化后，GR值大于14API 为泥岩，在此基础上统计出研究区各组的泥岩厚度。白云岩含量为某层段白云岩厚度与该层段地层厚度的百分比，超过50%的地区定为云坪相，小于50%且大于25%的地区定为云灰坪，小于25%的地区定为局限潮下或开阔潮下。碳酸盐岩颗粒含量 30%以上为滩，再根据颗粒类型又进一步划分为砂(砾)屑滩、生屑滩、鲕粒滩等。

此次共研究冀中坳陷钻遇奥陶系钻井剖面102条，经详细单剖面描述解释的定量和定性资料齐全可信的钻井剖面74条(如： 亮甲山组数据见表 3)，各定量和定性资料齐全较可信的钻井剖面28条(数据从略)。系统统计各层系石灰岩、白云岩及泥岩厚度数据，形成不同层系白云岩含量、泥质含量及石灰岩含量等值线图等单因素图件。按照上述单因素图件绘制方法，分层系绘制出岩相古地理图。以亮甲山组为例，通过统计钻遇井及对应的岩性层厚度数据(表 3，部分临近井位数据省略)，形成了亮甲山组白云岩、石灰岩含量等值线图(图 6，图 7)等单因素图件，进而对不同层系展开岩相古地理划分。

3.2 层序1海侵体系域(SQ1-TST)岩相古地理

冀中坳陷层序1海侵体系域(早奥陶世新厂期冶里组沉积期)地层分区特征明显，地层厚度总体呈现东北部厚，西南部较薄，SQ1-TST期冀中坳陷东北部沉积地层厚度一般为40～80im，西南部仅为20～40im。白云岩含量在西南部达到最大值，如极4井、巨参1井等都达到了100%，东北部含量较少(20%～30%)，反映冀中坳陷西南部主要为潮间带沉积环境，准同生白云岩化较明显，而东北部水体相对较深，白云岩化作用不明显。

SQ1-TST期地层沉积厚度整体范围从20～100im不等，呈现东北部厚，厚度最大的剖面集中在研究区东北部，如侯6井钻厚84im附近；中部较厚，如马97井钻厚43im；西南部较薄，如泽72井钻厚22.4im，泽8井钻厚23im。

南北沉积厚度差异特征说明出海侵方向由北向南，白云岩含量变化也说明SQ1-TST期由西南向东北，沉积微相由潮间云坪、潮间云灰坪过渡到开阔潮下相带(图 8)。从本期相带来看，冀中坳陷由西南向东北，发生一次海侵事件，造成水体加深的。

3.3 层序1高位体系域(SQ1-HST)岩相古地理

冀中坳陷层序1高位体系域(早奥陶世道保湾期亮甲山组沉积期)古地理面貌与冶里期具有继承性，仍保持着西南至东北水体逐渐加深的趋势。受怀远运动影响，亮甲山组沉积期海域范围有所减小，海水由南向北退缩，水体较冶里期变浅。在冀中坳陷东北部由冶里期开阔潮下静水泥逐渐过渡为潮间云灰坪和潮间灰云坪。西南部白云岩厚度大，受到白云岩化作用程度普遍较高，主要为潮间云坪相。早奥陶世时期，冀中坳陷古地形整体上呈现为南高北低的格局，构成了奥陶纪的层序1沉积旋回(图 9)。

层序1沉积旋回末期，怀远运动发生，华北地台水体逐渐变浅，冀中坳陷大部分地区出露水面，形成层序1与层序2的区域平行不整合接触，它是SQ1-HST期发生普遍白云岩化作用的构造影响因素。

3.4 层序2海侵体系域(SQ2-TST)岩相古地理

冀中坳陷在亮甲山组沉积期海退后进入SQ2-TST期，即大湾早期(下马家沟组下段沉积时期)。该期地层沉积厚度相对较小，一般在40～55im之间，且南北总体厚度变化不大。SQ2-TST期白云岩在冀中坳陷广泛分布，且含量基本都在20%以上，研究区馆陶—邢台—石家庄一带为潮间灰云坪相沉积，南宫—饶阳—霸州—北京一带整体为潮间云灰坪沉积，说明此时冀中坳陷为间歇暴露的潮间环境(图 10)。由于陆源碎屑物质被搬运到沉积区，造成含泥质沉积物普遍沉积，在南宫—衡水与马西地区发育了潮间泥灰坪。间歇暴露的环境也使得白云岩化作用加强，在北部廊固凹陷河西务—霸州一带形成了潮间云坪相沉积，构成了奥陶系在区内一套较为连续发育的云岩型储集层。

3.5 层序2高位体系域(SQ2-HST)岩相古地理

3.5.1 SQ2-HST(下马家沟组上段沉积时期)岩相古地理

进入SQ2-HST期，即大湾晚期(下马家沟组上段沉积时期)，冀中坳陷海侵规模增强，使得沉积厚度开始变大，沉积中心往北部转移。随着海侵持续，冀中坳陷由SQ2-TST期潮间带渐渐演变成中部至南部局限潮下相带与北部开阔潮下相带沉积(图 11)。在廊固凹陷河西务—霸州一带形成灰质潟湖沉积，侯6井也揭示在侯尚村发育了生屑滩沉积。

3.5.2 SQ2-HST(上马家沟组下段沉积时期)岩相古地理

进入SQ2-HST期上马家沟组下段沉积时期，第2个沉积旋回逐渐结束，冀中坳陷古地理格局与下马家沟组上段沉积时期相似，发生区域性“面式”海退。白云岩在西北部以及西南部较发育，含量由20%到80%变化不等，北部潮间云坪相与南部潮上泥云坪相沉积出现，且中部处于开阔潮下深水沉积相带，整体显示冀中坳陷中部凹陷—南北部凸起的古地理格局(图 12)。

3.6 层序3海侵体系域(SQ3-TST)岩相古地理

进入SQ3-TST期(上马家沟上段沉积时期)冀中坳陷再次发生海侵，沉积厚度开始变大，形成奥陶系沉积最厚的地层。冀中坳陷在SQ3-TST期沉积相带由下部开阔潮下—中部局限潮下—上部潮间演变，整体上为开阔潮下和局限潮下灰质潟湖，在东北部和西南部局部发育成潮间灰云坪(图 13)。开阔潮下沉积的主要为一套泥—亮晶生屑砂屑灰岩、粉屑砂屑泥晶灰岩，含生屑泥晶灰岩；局限潮下灰质潟湖沉积了深灰泥—微晶云岩、含灰云岩、含云灰岩等。

3.7 层序3高位体系域(SQ3-HST)岩相古地理

SQ3-HST期(峰峰组下段沉积时期)，研究区内水体变浅，至本期沉积结束时，第3个沉积旋回也随之结束。白云岩在冀中坳陷西部以及北部较发育，含量由20%到80%变化不等，潮间云坪—灰云坪为主要沉积相带。在冀中坳陷东部衡水—饶阳—大城一带为局限潮下灰质潟湖相沉积，显示了SQ3-HST末期时海侵方向为东南方向(图 14)。

3.8 层序4海侵体系域(SQ4-TST)岩相古地理

SQ4-TST期(峰峰组上段沉积时期)发生大规模海进，研究区水体加深，发育开阔朝下沉积，形成了一套厚层泥晶灰岩、生屑灰岩、云质灰岩等岩石组合。在整体为开阔潮下沉积背景上，廊固凹陷河西务地区与霸县凹陷苏桥地区发育小规模的潮间云灰坪，曲阳地区发育生屑滩沉积(图 15)。

SQ4-TST期结束时，加里东运动及海西运动构造叠加，使冀中坳陷整体抬升并遭受侵蚀。相对于东部地区，冀中坳陷西部隆升幅度较大，缺失了晚奥陶世至三叠纪的地层，并发生多期次岩溶事件，形成了冀中坳陷SQ4与C-P地层或古近系的角度不整合接触界面。

4 结论

1)系统研究冀中坳陷奥陶系沉积微相特征，划分了潮上、潮间、局限潮下和开阔潮下4个沉积亚相，以及泥云坪、膏云坪、云坪和云质潟湖等11种沉积微相，并依据单因素综合分析明确微相分布特征。

2)冀中坳陷奥陶系沉积了4个三级层序(SQ1～SQ4)，岩相古地理演化经历了3个完整的海侵—海退旋回与峰峰组上段沉积时期(SQ4-TST)1次海侵过程。海侵发生在冶里期、下马家沟组沉积时期、上马家沟组沉积晚期和峰峰组沉积晚期，海退发生在亮甲山期、上马家沟组沉积早期与峰峰组沉积早期。

3)受沉积旋回控制，首次海侵期冀中坳陷由北至南发育了开阔潮下—潮间—潮上亚相沉积展布，第2次和第3次海侵集中发育局限潮下、潮间亚相沉积，第4次海侵广泛发育开阔潮下及北部发育含云灰坪亚相沉积。第1期海退期冀中坳陷发育潮间坪亚相为主的沉积，局部为潮上亚相；第2次与第3次海退期发育潮间—潮上亚相沉积，是云质灰岩、灰质云岩、泥(粉)晶云岩的集中沉积期，也是有利云岩类储层集中发育层段。