湖相细粒岩二级指标划分法岩相分类及其应用实例

李增学, 宋明水, 李 莹, 刘海燕, 徐春华, 王东东, 孔凡飞, 韩乔羽

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院,山东 青岛 266590；2.中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司,山东 东营 257000;3.山东交通学院 交通土建工程学院,山东 济南 250357)

0 引 言

细粒沉积岩在沉积岩中分布广泛，约占沉积岩总量的三分之二[1,2-3]。细粒沉积岩研究已有了几十年的历史，国外对于细粒沉积岩的研究主要集中于海相页岩，如美国的Williston盆地和Fort Worth盆地进行了海相细粒沉积岩的矿物岩石学特征分析，基于矿物组成、结构、生物特征、矿物粒度以及岩石颜色进行命名建立了岩相划分方案[4]。

湖相细粒沉积岩与海相页岩不同，表现在(1)湖泊的物源输入主要为陆源碎屑物质[5]；(2)湖泊对气候具有较大的敏感性，如环境由干冷变为湿热，细粒沉积岩的岩相会发生显著的变化，矿物组成发生改变[6]；(3)沉积水动力特征变化时，湖相细粒沉积岩的沉积构造(如纹层等)也会随之改变[6]。因此，湖相细粒沉积岩的研究及湖相细粒岩岩相的识别与划分有其独特性。

近年来我国许多学者开展了湖相细粒沉积岩的岩相划分以及环境解释，如四川盆地五峰组—龙马溪组细粒沉积岩的岩相特征和储集空间特征[7]、准格尔盆地南缘芦草沟组炭质细粒沉积岩的地球化学特征、岩石风化程度[8]、鄂尔多斯盆地陇东地区的长7段的细粒沉积物的沉积特征[9]、河南省南襄盆地泌阳凹陷核桃园组细粒岩储集层特征[10]研究等都具有一定的代表性。而研究最为精细的是渤海湾盆地东营凹陷沙河街组的细粒沉积岩特征、沉积成因、构造成因以及成因环境方面的研究[11-15]，特别是基于细粒沉积岩矿物岩石学特征、有机质含量、沉积构造、特殊物质分布特征等提出的陆相断陷湖盆细粒沉积岩岩相划分方案具有重要的示范性。

刘惠民等[12,14]提出了根据岩石类型、宏观纹层基本特征、颜色等几个因素划分出不同的岩相，如平直纹层黏土岩相、块状黏土岩相、平直纹层混合岩相、不平直纹层混合岩相、纹层状泥晶灰岩、黑色页岩等，该方案重视了纹层在岩相划分中的作用。陈世悦[15]在划分岩相时强调了是否含有机质、纹层及沉积物特征等几个因素，如(富、中有机质)纹层状灰岩、(富、中有机质)夹层状灰岩、(中、贫有机质)纹层状长英质细粒混合沉积岩(富、中、贫有机质)纹层状灰质细粒混合沉积岩等，该方案的重要价值在于强调了有机质是富、中还是贫，使岩相划分与含有机质情况紧密结合在一起。张顺等[16-17]对东营凹陷西部沙三下—沙四上亚段岩相划分中也重视了含有机质的多寡，以及纹层发育情况。孙善勇等[18]细粒岩岩相的划分方案中除了考虑有机质富还是贫的因素外，还考虑了纹层的厚度，这使得纹层的划分有了量化的含义。彭丽等、逢淑伊等、刘殊君等[19-21]在细粒岩岩相划分中也是重点考虑有机质的贫富和纹层的发育状况[19-21]。可以看出，划分依据及采用的指标或参数不同，提出的划分方案则不同，差异性很突出。

需要指出的是，迄今为止有关细粒沉积及细粒岩岩相的划分方案，虽然依据很多，如组分、结构构造等，但对细粒纹层类型重视不够。本文试图在前人综合细粒岩指标(参数)基础上，将细粒纹层作为重要划分指标，提出一种湖相细粒岩岩相的划分方案，以期对湖相细粒岩岩相划分及其成因解释进行完善。

1 地质背景

济阳坳陷位于渤海湾盆地的东南部，是一个中生代—新生代的断陷盆地(图1)。其东部接郯庐断裂带，南临鲁西隆起，北部和西部为埕宁弧形隆起。济阳坳陷包含4个次级凹陷，分别为东营凹陷、惠民凹陷、沾化凹陷以及车镇凹陷。东营凹陷位于济阳坳陷的东南部，约5 700 km2，属于渤海湾中—新生代裂谷盆地的三级负向构造单元[6]。

图1 东营凹陷牛页1井、利页1井和樊页1位置图

东营凹陷是典型的陆相湖相盆地，古近系由孔店组、沙河街组以及东营组组成(表1)。沙河街组与其下的孔店组呈假整合接触。沙河街组具有沉积范围广、厚度大的特点，自下而上可划分为：沙四段、沙三段、沙二段、沙一段。

表1 东营凹陷地层与岩性特征[12]

(1)沙四段可划分为两个亚段，即沙四下亚段和沙四上亚段。沙四下亚段发育有大量红色泥岩和紫色泥岩，中间夹棕色砂岩、粉砂岩和砂质泥岩，局部夹有石膏层，一般发育在盆地的中央隆起区。沙四上亚段以深灰色泥岩与灰黑色油页岩为主，其间夹有少量碳酸盐岩和粉砂岩，下部亦可见到少量盐岩和石膏。沙四上亚段整体厚度较大，大部分厚度为100～400 m，最厚可达600 m，是东营凹陷的优质烃源岩赋存段。

(2)沙三段可细分为上、中、下三个亚段。沙三下亚段主要发育含有棕褐色、灰黑色泥岩、油页岩、泥灰岩等不同岩性，夹有若干滑塌重力流成因的不等粒砾状砂岩。沙三中亚段岩性以深灰色泥岩为主，或夹有多组浊积砂岩与碳酸盐岩；地层厚度一般介于200～400 m之间。沙三上亚段岩性以浅灰色泥岩为主，夹灰质泥岩，砂岩多为薄层地层，厚度一般为0～500 m。沙三段主要沉积一套暗色泥页岩，具体岩性特征以深灰色和灰色泥页岩为主，夹少量粉砂质泥岩、碳质泥岩和油页岩，地层厚度可达1 200 m，但一般范围为700～1 000 m。

(3)沙二段又分为沙二下亚段、沙二上亚段两个亚段。沙二下亚段发育灰色泥岩、灰绿色泥岩和砂岩的互层，上覆部分紫红色泥岩，其分布较为稳定，厚度变化为 0～200 m。沙二上亚段多为紫红色泥岩、灰绿色泥岩和灰色砂岩互层，其间夹有钙质砂岩与含砾砂岩，厚度变化一般为0～100 m。

2 古近系沙四段细粒沉积特征

2.1 分析方法

实物描述及宏观观察、样品采集等工作主要在中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司岩心库完成，样品主要为济阳坳陷古近纪陆相细粒沉积岩层段的泥岩、页岩及粉砂岩段部分岩心，采样包括牛页1井216件、樊页1井128件、利页1井142件，共486件样品。

本文以济阳坳陷东营凹陷牛页1井、利页1井和樊页1井为湖相细粒岩岩相分类解剖的典型井，以牛页1井为重点解剖井。选取牛页1井古近系沙河街组为主要研究对象，对沙三下亚段—沙四上亚段中的3 417.7～3 500 m段进行岩心精细描述。通过细粒沉积岩精细序列特征进行定量刻画，即采用现场标尺直接测量读取数据，使用的测量标尺是具有1/10 mm刻度的钢尺。实验室内精细分析，描述微细纹层的沉积特征，选取微细纹层的分类依据(表2)。纹层总体描述刻画方法始终采用宏观与微观相结合、岩石学与地球物理学相结合、定性与定量相结合、野外与室内研究紧密结合、细粒矿物组分图像与岩石微量元素分析及沉积信息处理相结合的方法。

表2 微细纹层分类依据及特征

实验测试分析设备主要采用荷兰研制的飞纳电镜能谱一体机Phenom ProX，其背散射电子图像分辨率8 nm@10kV，放大倍数20～150 000×；对样品进行表面微观形貌观测和表面元素成分的点、线、面分析。另外还有德国研制的Leica DM4P偏光显微镜，对样品进行单偏光、正交偏光状态下的矿物识别和纹层成分形态的鉴定、微观尺度刻画等。

2.2 细粒岩岩石学及沉积特征

2.2.1 矿物成分和岩石类型

细粒岩石组分是由沉积期间或沉积期后的物理，化学和生物过程的相互作用所控制，比如黏土矿物和石英长石，以及高等植物的碎片等，通常是由陆源风化物质经过搬运作用输送到盆地内部，而碳酸盐(例如方解石、白云石、菱铁矿)、有机质以及硫化物(例如黄铁矿)通常是盆地内部的细粒物质经过化学变化以及各种自生作用形成(图2和图3)。

图2 细粒岩中矿物成分

图3 细粒岩中黏土矿物类型

2.2.2 有机质

有机质是岩相划分中的一种特殊沉积物之一，有机质可以反映古气候、古水介质及盆地古环境条件，也是寻找有利储层的重要条件，因此，有机质可作为划分岩相的重要依据之一。济阳坳陷古近系沙四段地层多层段富含有机质(图4)。

图4 细粒岩中有机质类型

2.2.3 纹层结构特征

细粒沉积中的各种同沉积构造类型是极为丰富的，表现在各种纹层构成及空间形态上，是进行细粒岩岩相识别及岩相类型(含亚类)划分的最重要依据。对于沉积特征较为单一的泥页岩中，用成分组成划分页岩岩相可能是研究沉积环境最好的手段。然而许多页岩内部包含可识别的不同沉积特征。对这些特征的仔细研究能够对沉积条件得到更多的信息及直接的结论。尽管在野外露头沉积构造非常不明显，甚至看不出来，但在薄片下观察，许多看起来单一的页岩，能够显示一系列不同的沉积特征。剖析页岩中的小尺度构造(从几厘米到小于1 mm)能够解释沉积条件以及页岩发育中的丰富的信息[14]。

本文认为纹层作为岩相划分的主要依据之一，可以更好地解释细粒岩的沉积环境以及储层空间。通过细致观察牛页1井目标层段的纹层发育特征，发现沙三下亚段—沙四上亚段细粒沉积岩中发育多种沉积结构类型。构成纹层的物质成分有方解石、有机质、炭质、铝土质、灰(云)质、泥质、粉砂质等等。纹层的沉积结构类型与空间分布状态呈现多样性(图5)，与沉积环境中的水动力条件和物质的供应有关，常见的典型纹层结构有水平互层状、缓波状、粒序状、丘状、断续状、包卷状等类型。

3 湖相细粒岩岩相分类及构成特点

3.1 细粒岩岩相分类基本原则

纵观前人对细粒岩岩相的划分及命名，重点考虑了以下几个因素(或指标)：岩石的物质类型(泥质、灰质、钙质、粉砂质等)、含有机质状况(富、中、贫)、层或纹层特征(层状、纹层状)，以及岩层的颜色及生物类型及其扰动构造发育情况。前人对细粒岩岩相的划分虽然各不相同，但都有侧重且有价值。存在的主要问题是量化的东西较少、纹层的描述仅仅是形态特征，没有进行细分，如纹层的空间状态(如水平状、连续状，还是断续状，波状、不规则状等)、纹层结构及其相互关系(如纹层密集发育，呈现互层或是层少而较厚)，以及宏观纹层/微观纹层等。

岩相划分及命名的几个原则：

(1)部分地参考前人在研究渤海湾盆地济阳坳陷沙河街组三段下亚段—沙河街组四段上亚段沉积环境及岩相研究提出的岩相划分思路和提出的划分方案[11-17]。

(2)强调细粒沉积中纹层特征的意义，加强纹层识别与类型划分在岩相划分中的作用，除了纹层参与岩相划分外，还要强调纹层类型不同导致的岩相划分结果的不同，强调纹层类型在岩相及其组合在恢复沉积环境和加深盆地演化中的作用。

(3)纹层的空间形态、纹层厚度(毫米级、微米级)、纹层的物质组成(如有机质、方解石、黏土、铝质等)，尽量给出量化指标。

3.2 细粒岩岩相划分方法

按照细粒纹层的厚度、粒度以及纹层发育的连续性等特征，将纹层按空间形态综合特点划分为连续状水平纹层、近水平状纹层、缓波状纹层、波状纹层、断续状纹层、透镜状纹层(表3和图6)。

图6 按空间形态划分微细纹层类型

表3 按空间形态划分微细纹层类型及特征(包括显微纹层)

按照纹层属性及相邻纹层的相关性，将纹层的结构类型综合特征划分为单一纹层结构、夹纹层结构、互纹层结构、多元混合式纹层结构、旋回式纹层结构、递变式纹层结构(表4和图7)。

图7 按属性及相关性划分微细纹层结构类型

表4 按属性及相关性划分微细纹层结构类型及特征(包括显微纹层)

3.3 陆相湖泊细粒沉积岩相分类方案

依据上述划分原则，根据渤海湾盆地济阳坳陷东营湖相细粒沉积具体特点，并兼顾参考其他地区湖相细粒沉积特征，提出了湖相细粒沉积岩相及其亚类岩相划分基本方案(表5)。

表5 东营凹陷古近系沙四上段岩相划分方案

该方案为两级核心指标作为划分湖相细粒岩岩相及亚类的依据，一级指标是“细粒沉积主要岩性”，分为泥质岩、白云质泥岩、铝质泥岩、灰质泥岩、粉砂质泥岩、膏质泥岩、灰岩、泥质灰岩，以及泥质—灰质细粒岩等9个指标类型。二级指标是各种岩性中发育的纹层类型，主要有有机质纹层、云质纹层、方解石纹层、方解石—有机质纹层、混浊状纹层、粉砂质纹层、膏质纹层、炭质纹层，以及无纹层的块状结构等。划分出有机质纹层泥岩相、有机质纹层灰质泥岩相等21种岩相和33个岩相亚类，一种岩相有1～3个亚类组成。本文提出的湖相细粒沉积岩相划分方案，既充分考虑了细粒沉积岩性的基础作用，又充分考虑了细粒纹层的各种类型及其在不同岩性中的表现，而不是将纹层只作为一种岩相名称前缀的描述性词语。细粒岩岩相仅仅依据岩性不同进行划分是远远不够的，因此纹层在细粒沉积中的重要性在本文岩相划分中得到了较为充分的重视和运用。

3.4 湖相细粒纹层分类的意义

研究细粒岩微细纹层分类方法，主要包括用细粒沉积及细粒岩微细层精细刻画与微观定量表征方法，基于细粒沉积学与岩石学结合的思路，进行细粒沉积岩相、微细序列及沉积结构、细粒沉积成因增量、微细纹层构造、细粒沉积成岩演化机制等方面的深入研究。其实质是一个介于沉积学和地层学与细粒岩的岩石学分类、显微储集空间(如纳米孔隙等)研究之间的桥梁，重点研究细粒岩纹层—页岩气储集孔隙之间的宏观的、微观的沉积结构构造及演化机制；从宏观上，研究比纹层尺度更小单位的微细纹层，微观上研究显微尺度的更小级别的沉积微细纹层。

岩相是指示沉积环境的重要指标，从岩相发育来看，灰质泥岩与泥质灰岩两大类岩相的发育环境相似，宏观上都是泥质与灰质纹层韵律互层的状态，表明季节交替对湖水的沉积环境、有机质的生产力等变化的控制。多数沉积于低能、悬浮而且水体半封闭—封闭的环境中。鱼类化石的出现指示该类岩相沉积时期表层湖水为富氧气，并且适合有机质赋存的水体环境。

综合前人与本文研究表明，细粒沉积中的纹层特征能够反映出沉积环境的微小变化，纹层的发育及其空间展布，成为湖泊环境变化的重要指标。细粒沉积中发育的特殊沉积构造，如小型软物质同沉积断层、包卷层理等，这些沉积构造指示了特殊的沉积环境，比如斜坡地带、风暴作用、三角洲环境等。

4 讨论与结论

细粒沉积、细粒岩及细粒岩岩相研究仍处在探索阶段，很多研究者提出了不同的细粒岩分类、细粒岩岩相划分方案，都具有重要的学术和实际价值，为特种油气藏(特别是页岩油气藏)勘探开发提供了重要理论基础。本文提出的湖相细粒岩岩相划分方案，力图在细粒沉积学研究、岩相类型划分等方面做出贡献。因此，有如下一个问题进行讨论：

(1)细粒岩岩相分类需要使用的参数很多，如细粒岩的矿物岩石组成、颜色、沉积结构构造、特殊物质及其分布特点(如细粒岩中的有机质、膏岩等)，都是细粒岩岩相识别与分类的主要指标参数。但这些指标参数的发育程度及其在划分细粒岩岩相中的作用是不同的，因而任何指标参数在细粒岩岩相划分方案中的支撑作用也是不同的。因此，采用哪些指标作为细粒岩岩相识别和类型划分的主要指标参数是需要慎重考虑的。

(2)湖相细粒沉积序列中，除物质成分外，沉积结构构造是最为重要的指相指标参数，如本文提出的以“细粒沉积纹层类型”作为主要指标参数的“细粒岩岩相分类方案”，其他指标参数作为重要的辅助依据。即两级核心指标作为划分湖相细粒岩岩相及亚类的依据，一级指标是“细粒沉积主要岩性”，是基础指标，二级指标是各种岩性中发育的纹层类型，为核心指标。纹层类型不单是纹层的空间形态，更重要的是构成纹层的物质组成及其相互作用关系。

(3)本文提出了21种岩相大类和33个岩相亚类，一种岩相一般有1～3个亚类组成。本文提出的这一湖相细粒沉积岩相划分方案，既充分考虑了细粒沉积岩性的基础作用，又充分考虑了细粒纹层的各种类型及其在不同岩性中的表现，而不是将纹层只作为一种岩相名称前缀的描述性词语。因此，本文认为细粒岩岩相仅仅依据岩性或某种特色指标特点不同而进行划分是远远不够的，因此纹层在细粒沉积中的重要性在本文岩相划分中得到了较为充分的重视和运用。