渤海湾盆地沧东凹陷沙河街组一段沉积相特征及成藏模式

赵少泽， 李 勇， 牟连刚， 吴雪松， 杨 朋， 袁雪花， 官全胜， 徐盈娇

( 1. 成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059； 2. 成都理工大学 地质学博士后科研流动站，四川 成都 610059； 3. 中国石油大港油田公司，天津 300280； 4. 河北地质大学 地球科学学院，河北 石家庄 050031 )

0 引言

沧东凹陷是渤海湾盆地黄骅坳陷南部重要的富油凹陷[1]，近年来，其油气勘探突破集中于古近系孔店组[1-4]。孔店组之上的沙河街组埋深较浅、烃源岩成熟度较低，研究相对较少，沙河街组一段(沙一段)有低熟油显示，表明具有油气勘探潜力[5]。

古近纪，沧东凹陷是由多个半地堑组成的陆相断陷盆地，沙河街组沉积期经历断陷作用逐渐变弱的过程，处于断陷强烈期的沙河街组三段(沙三段)和沙河街组二段(沙二段)发育碎屑岩，处于断陷衰弱期的沙一段发育碎屑岩、碳酸盐岩，以及二者混合沉积形成的混积岩[5-8]。陆相断陷盆地具有构造特征及演化过程复杂、沉积相类型多样的特点，沉积相发育受构造活动与古地貌的影响较大，陡坡带主要发育扇三角洲，缓坡带主要发育辫状河三角洲、曲流河三角洲[9-16]，断陷强烈期以三角洲相和湖泊相为主，断陷衰弱期以河流相和冲积平原相为主[9]。刘子藏等[5]认为沙一下亚段发育三角洲相和湖泊相；王伟[6]在沧东凹陷舍女寺地区沙一段识别砂质滩坝、颗粒灰岩滩等沉积微相；张亚雄等[17]认为沧东凹陷沙一段发育湖泊相和曲流河三角洲相，其中湖泊相发育滨浅湖和生物滩亚相，与沙一段存在大段暗色泥页岩不符。研究区在断陷作用减弱的沙一段沉积期以湖泊相和三角洲相为主，说明沉积相发育除受构造活动的控制外，可能还受其他因素影响。沧东凹陷沙一段暗色泥页岩处于未熟—低熟阶段，可以生成低熟油，沙一段砂岩和生物灰岩储层中发现多处低熟油显示，其中沧东次凹具备形成自生自储型低熟油藏的条件[5,18]。

有关沧东凹陷沙一段沉积相及成藏模式的研究集中于某个区块或某个亚段，沉积相划分存在争议。利用岩心、薄片、测录井、地震和地球化学等资料，分析研究区沙一段沉积相类型，沉积相特征受构造活动与古地貌、海侵的控制，沙一段暗色泥页岩具有生成低熟油的潜力，并建立自生自储型和下生上储型低熟油成藏模式，为沧东凹陷沙一段油气勘探提供依据。

1 区域地质概况

沧东凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷南部，呈NNE向展布，东西两侧分别被徐黑凸起和沧县隆起包围(见图1(a))。由于沧东断层与徐西断层下降盘相互作用，沧东凹陷内部出现隆起带——孔店构造带，呈NNE向沿盆地轴向延伸。孔店构造带的东西两侧分别为常庄次凹和沧东次凹，南侧为南皮次凹。南皮次凹发育规模较小但结构复杂的断裂构造带和裙边鼻状构造带，分别是乌马营断裂构造带、小集断裂构造带和舍女寺鼻状构造带[19-20](见图1(b))。沧东凹陷北部呈“两凹夹一隆”的盆地结构(见图1(c))，南部表现为不对称的地堑式结构特征(见图1(d))。

图1 沧东凹陷构造位置及单元划分Fig.1 Tectonic position and unit division of the Cangdong Depression

沧东凹陷沙河街组自下而上分别为沙三段、沙二段、沙一段，沙一段呈层状超覆在下伏沙二段顶部的不整合面之上，最大厚度不超过400 m，在沧东次凹、南皮次凹和常庄次凹分别形成3个厚度中心(见图2(a))。沙一段岩石类型相对复杂，包括碎屑岩、碳酸盐岩，以及二者混合沉积形成的混积岩[5-8]，沙一段下部地层主要发育以砂岩组合为特征的碎屑岩和大面积的碳酸盐岩，砂岩粒度较细，以中—细砂岩为主，碳酸盐岩以生物碎屑灰岩为主，含少量鲕粒灰岩，泥晶灰岩分布范围较小，上部地层为稳定分布的暗色泥页岩(见图2(b))。

图2 沧东凹陷沙一段地层特征Fig.2 Stratigraphic characteristics of the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

2 沉积相特征及控制因素

2.1 沉积相类型

基于岩心、岩石薄片、钻井、地震等资料，明确沧东凹陷沙一段发育湖泊和辫状河三角洲2种沉积相。

2.1.1 湖泊

湖泊相可以识别生物碎屑滩、鲕粒滩、砂质滩坝、混积滩坝、滨浅湖、半深湖—深湖6种沉积亚相。

2.1.1.1 生物碎屑滩

生物碎屑滩亚相多形成于远离物源的水下隆起，为水动力条件相对较强的高能环境。该亚相岩性以灰色或灰黄色的生物碎屑灰岩为主，生物碎屑灰岩中的颗粒多由腹足类的螺碎屑(见图3(a-b))和介形虫碎屑(见图4(a))组成，一般呈块状层理，生物介壳体积分数在80%以上，溶蚀孔孔隙发育，并有原油显示(见图3(a-b))。生物碎屑灰岩测井曲线表现为低自然电位和高电阻率特征(见图5(a))。

图3 沧东凹陷沙一段典型岩性及沉积构造Fig.3 Typical lithology and sedimentary structure of the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

2.1.1.2 鲕粒滩

鲕粒滩亚相具有与生物碎屑滩亚相相似的水动力条件，受陆源物质输入的影响，生物发育较少。该亚相岩性以鲕粒灰岩为主，鲕粒核心多为陆源碎屑，表现为表鲕的外形(见图4(b))，偶见核心为介形虫的鲕粒。

2.1.1.3 砂质滩坝

砂质滩坝亚相的水体相对高能，沿岸流及波浪将三角洲等砂体重新改造，呈条带状展布。该亚相岩性以粉—细砂岩为主，沉积构造可见波状交错层理、平行层理，砂岩分选较好、成分成熟度高、磨圆度较好，以次圆状—次棱角状为主，由于受湖水的荡涤影响，钙质含量一般较高(见图3(c-d)、图4(c))。砂质滩坝亚相在岩性组合上表现为大套泥页岩夹薄层砂体，具有反旋回沉积特征，测井曲线呈指形或漏斗形(见图5(b))。

2.1.1.4 混积滩坝

混积滩坝亚相位于生物碎屑滩、鲕粒滩与砂质滩坝或三角洲前缘亚相相互交错发育的地区，是碎屑岩沉积与碳酸盐岩沉积之间的过渡环境。该亚相岩性以含生物碎屑砂岩、砂质灰岩、含砂鲕粒灰岩为主。含生物碎屑砂岩主要为中、细砂结构，生物化石主要为螺化石及其碎片，生物碎屑体积分数约为30%(见图3(e))。砂质灰岩以亮晶结构为主，砂质体积分数在 25%～40%之间(见图4(d))。含砂鲕粒灰岩的鲕粒类型多为表鲕，核心为介形虫、螺等生物碎屑和砂屑，粒度较小的砂屑可形成砂屑鲕粒，粒度稍大的砂屑并未形成鲕粒，是因为混积滩坝亚相水体的能量比鲕粒滩亚相的弱(见图4(e))。

图4 沧东凹陷沙一段岩石薄片特征Fig.4 Rock thin section characteristics of the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

2.1.1.5 滨浅湖

滨浅湖亚相位于浪基面以上，为弱氧化—弱还原的水体环境。该亚相岩性以浅灰色块状层理的钙质泥岩(见图3(f))、泥晶灰岩(见图4(f))、泥质灰岩、泥岩为主，较高的钙质含量表明水体盐度较高。

2.1.1.6 半深湖—深湖

半深湖—深湖亚相岩性以暗色泥页岩、灰质泥岩、白云质泥岩为主(见图3(g))，沉积物GR较高，总有机碳质量分数较高，具有生烃潜力。除底部为砂岩及生物灰岩外，沙一段中上部为巨厚的半深湖—深湖亚相暗色泥页岩，呈NE—SW向分布，在沧东次凹和南皮次凹、常庄次凹分别形成2个厚度中心，最大厚度超过300 m，主要集中在100～200 m之间(见图6)。

图6 沧东凹陷沙一段暗色泥页岩展布特征Fig.6 Distribution characteristics of dark mudstone/shale in the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

2.1.2 辫状河三角洲

辫状河三角洲相是由辫状河体系前积到停滞水体形成的富含砂和砾石的三角洲[21]，划分为辫状河三角洲平原(水上部分)和辫状河三角洲前缘(水下部分)2种沉积亚相。地震反射特征从宏观上揭示研究区存在辫状河三角洲相，充填地震反射特征说明研究区存在三角洲河道(见图7(a))，低角度前积反射是辫状河三角洲前缘亚相的典型特征(见图7(b))。

图7 沧东凹陷沙一段地震相特征Fig.7 Seismic facies characteristics of the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

2.1.2.1 辫状河三角洲平原

辫状河三角洲平原亚相主要发育分流河道，岩石类型主要有砾岩、含砾粗砂岩(见图3(h))、粗砂岩和中砂岩，呈厚层块状，垂向上分流河道常多期叠置，自然电位及自然伽马曲线呈高幅齿化钟形—箱形(见图5(c))。河道间沉积物粒度较细，主要为氧化色泥岩、粉砂质泥岩和粉砂岩等，测井曲线以高自然电位、低电阻率为特征(见图5(c))。

2.1.2.2 辫状河三角洲前缘

辫状河三角洲前缘亚相发育水下分流河道、分流间湾、河口坝和席状砂4种沉积微相(见图5(d))。其中，水下分流河道微相较发育，岩性以中砂岩和细砂岩为主，测井曲线与分流河道的相似，呈中—低幅箱形和钟形。分流间湾微相主要为砂泥互层的过渡岩性，以浅灰色和灰绿色泥岩、粉砂岩及泥质粉砂岩为主。河口坝微相岩性以中—细砂岩为主，垂向上具有下细上粗的反韵律，测井曲线以中幅漏斗形为特征。三角洲前缘河口坝微相一般与水下分流河道微相交替出现，在岩性组合上表现为多套正—反韵律砂体叠置。席状砂厚度相对较薄，与暗色泥页岩呈薄互层状频繁交互沉积，在测井曲线表现为指状或尖峰状。

2.2 沉积相空间展布

沧东凹陷沙一段砂体主要分布于研究区的西南边缘，西南部发育3个物源口(见图8(a))，西北部的N55—C13井一带砂岩呈条带状分布，砂岩体积分数由南向北逐渐变小，砂体可能是西南部的陆源碎屑砂岩受湖流的搬运、改造而形成的。与沙三段沉积期相比[5]，孔店凸起变小，徐黑凸起被淹没，徐黑凸起与孔店凸起不提供物源，围绕孔店凸起等地区的水下高地沉积大面积生物碎屑灰岩(见图8(b))。

根据沉积相类型分析结果，结合砂岩生物碎屑灰岩分布，得到沙一段沉积相展布(见图8(c))。沙一段沉积期，沧东凹陷西南部发育范围较小的辫状河三角洲相，滨浅湖与半深湖—深湖亚相大面积分布；西北部发育条带状砂质滩坝亚相，周缘分布小范围的鲕粒滩亚相，尽管生物碎屑灰岩的分布范围较大，但厚度较薄，其上覆盖巨厚的灰色及暗色泥页岩，生物碎屑灰岩沉积的大部分地区优势相为滨浅湖亚相或半深湖—深湖亚相，沙一段沉积相展布显示生物碎屑滩亚相分布于孔店凸起周缘和沧东断层下降盘较小范围的地区。此外，生物碎屑滩、鲕粒滩、砂质滩坝和辫状河三角洲前缘亚相的交互发育地区发育条带状的混积滩坝亚相。

图8 沧东凹陷沙一段砂岩体积分数、生物碎屑灰岩厚度分布及沉积相展布Fig.8 Distribution of sandstone volume fraction, bioclastic limestone thickness, and sedimentary facies of the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

2.3 沉积相控制因素

2.3.1 构造活动与古地貌

沧东凹陷在沙三—沙二段沉积期为断陷期，平衡剖面揭示沧东凹陷沙一段沉积期伸展速率明显弱于沙三段和沙二段沉积期的[7]。沙一段沉积期以广泛的热沉降作用为主[8]，属于晚断陷期[8-9,22]。该时期断层对古地貌的控制作用减弱，地势变得相对缓和，地形高差减小，导致陆源物质输入减弱，造成辫状河三角洲相发育于研究区的西南边缘，清水环境为生物大量繁殖提供有利条件，促进生物碎屑灰岩的形成。生物碎屑灰岩厚度分布与沙一段底界古地貌叠合图(见图9)显示，生物碎屑灰岩主要发育于孔店凸起周缘、舍女寺鼻状构造带等，在断陷活动减弱的沙一段沉积期，这些地区坡度较缓，为生物碎屑灰岩沉积提供便利条件，因为坡度较陡时，波浪直接作用于湖岸，产生充足的碎屑物质，不利于形成清水环境。此外，沧东次凹及南皮次凹部分地区的水下低隆处受物源供给影响小，发育小规模的生物碎屑灰岩。沙一段沉积期，断层活动减弱，促进“暖清浅”沉积环境的形成，以及孔店凸起周缘、沧东断层下降盘鼻状凸起、沧东次凹和南皮次凹部分地区的水下低隆处生物碎屑灰岩的沉积。

图9 沧东凹陷生物碎屑灰岩厚度与沙一段底界古地貌叠合Fig.9 Superimposed of the bioclastic limestone thickness contours and the bottom boundary of the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

2.3.2 海侵

渤海湾盆地在古近纪是一个滨海湖泊，根据古生物、矿物、地球化学等资料，渤海湾盆地在沙一段沉积期发生广泛的海侵[23-30]。黄骅坳陷沙一段的古生物特征[23]、微量元素特征、锶同位素特征[24]、海绿石、胶磷矿、颗石藻[24,27]表明，沙一段沉积期，黄骅坳陷发生显著的海侵，歧口凹陷位于黄骅坳陷北部，沧东凹陷位于黄骅坳陷南部，岐口凹陷与沧东凹陷地理位置相接，是相通的。沙一段生物碎屑灰岩和泥灰岩样品的V质量分数介于(7.70～45.99)×10-6，平均为23.06×10-6，Ga质量分数介于(1.05～6.57)×10-6，平均为3.59×10-6，w(Sr)/w(Ba)介于1.57～6.68，平均为3.71(见表1)，指示沙一段沉积期为咸水环境[31-34]，为温暖湿润的气候环境[35]，湖泊咸化可能与气候无关，是海侵的结果。

表1 沧东凹陷沙一段微量元素特征

随断陷作用变弱，陆相断陷盆地由湖泊相逐渐转变为河流—冲积平原相[9]，表现为逐渐准平原化的过程，断陷作用较强的沙三段和沙二段沉积期，沧东凹陷以湖泊和辫状河三角洲相为主，断陷作用较弱的沙一段沉积期，沧东凹陷以湖泊相为主，湖泊范围最大。沙一段沉积期，渤海湾盆地辽东湾坳陷、济阳坳陷等地区古地貌变得相对缓和，广泛发育生物碎屑灰岩、黑色泥岩，在区域上形成对比，渤海湾盆地以湖泊相为主[37-38]，可能是区域热沉降作用下海水大规模入侵导致的，进而造成盆地可容空间增大。

3 暗色泥页岩生烃潜力与成藏模式

3.1 生烃潜力

沙一段暗色泥页岩的TOC质量分数介于0.03%～11.22%，平均为2.12%，主要分布在1.00%～4.00%之间(见图10(a))；生烃潜量(S1+S2)介于0.05～53.56 mg/g，平均为21.70 mg/g，主要分布在6.00～40.00 mg/g之间，大于6.00 mg/g的烃源岩占样品总数的78.5%(见图10(b))；氯仿沥青“A”质量分数介于0.006 0%～1.057 6%，平均为0.110 4%，主要分布在0.010 0%～0.500 0%之间(见图10(c))；总烃(HC)质量分数介于(70～6 698)×10-6，平均为792×10-6，主要分布在(200～4 000)×10-6之间(见图10(d))，表明大多数烃源岩有机质丰度达到好—很好。采用烃源岩热解图版分析法，判断沙一段暗色泥页岩有机质类型(见图11)，主要为Ⅰ型—Ⅱ1型，说明生烃母质主要为低等水生生物及藻类，具有良好的生油潜力。由于沙一段埋深较浅，有机质成熟度较低，Ro<0.7%，处于未熟—低熟阶段[5,10]。生、排烃模拟实验证实沙一段暗色泥页岩富含早期生烃的藻类，具备形成低熟油的能力[10]。沙一段暗色泥页岩有机质丰度较高，有机质类型较好，虽然成熟度相对较低，但具有生成低熟油的潜力。

图10 沧东凹陷沙一段暗色泥页岩有机质丰度特征Fig.10 Organic matter abundance characteristics of dark mudstone/shale in the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

图11 沧东凹陷沙一段烃源岩有机质类型Fig.11 Organic matter types of source rocks in the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

沙一段沉积期的海侵为暗色泥页岩生成低熟油提供重要的保证。一是海水盐度较大，海侵导致的湖泊水体咸化促进湖泊水体分层，使湖泊底水形成缺氧的环境，缺氧环境为半深湖—深湖亚相泥页岩有机质的保存提供有利的条件，促进高有机质丰度烃源岩的形成[39-41]。二是在咸化湖盆条件下，泥页岩中含硫有机质质量分数一般较高，C—S键能远低于C—C键能[42]，含硫有机质富集也为泥页岩在低温条件下生烃提供有利条件。三是海侵使暗色泥页岩富含碳酸盐矿物，能够降低生烃活化能，从而可以在低温条件下促进低熟有机质生烃[43]，如江汉盆地低熟烃源岩生烃。因此，尽管沙一段暗色泥页岩的热演化程度低，处于未熟—低熟阶段，但能大量生烃。除海侵为低熟油形成提供有利条件外，沙一段暗色泥页岩含有矿物沥青基质和丛粒藻等可以早期生烃的物质[44]，促进低熟油的生成。

3.2 成藏模式

沙一段低熟油有两个来源，分别为沙一段烃源岩和孔二段烃源岩[5,18]，发育自生自储型和下生上储型2种低熟油成藏模式(见图12)。

3.2.1 自生自储型

沧东次凹沙一段碳酸盐岩低熟油来源于沙一段烃源岩[5]。沧东次凹断层发育相对较少，缺少油气纵向运移通道，沙一段底部的生物碎屑灰岩或滩坝砂体与其上部优质泥岩在纵向上形成岩性圈闭。这种“泥包储层”结构的特点是储层与烃源岩距离较近，为形成岩性低熟油藏提供有利条件，因为低熟油并没有充足的运移能力，从烃源岩中排出后，经过短距离运移，可以聚集在沙一段底部的生物碎屑灰岩和滩坝砂体中，形成自生自储型岩性低熟油藏(见图12(a))。沧东次凹小规模的同沉积断层与生物碎屑灰岩可以组合构成构造—岩性圈闭，形成低熟油藏。根据生物碎屑滩和砂质滩坝亚相的展布特征，沧东次凹低凸起、孔店凸起周缘的缓坡带、沧东断层下降盘N55—C13井一带是低熟油藏的有利勘探地区。

图12 沧东凹陷沙一段成藏模式Fig.12 Oil accumulation pattern of the first member of the Shahejie Formation, Cangdong Depression

3.2.2 下生上储型

南皮次凹沙一段低熟油主要来源于下部孔二段烃源岩[9-10]。南皮次凹沙一段发育辫状河三角洲砂体，同时发育小集断裂构造带、乌马营断裂构造带、舍女寺鼻状断裂构造带。以舍女寺鼻状断裂构造带为例(见图12(b))，沙一段断层圈闭比较发育，断裂沟通沙一段砂体与孔二段烃源岩，孔二段原油沿断层运移，在沙一段聚集形成断层油藏，因此，南皮次凹是下生上储型断层低熟油藏勘探的有利地区。南皮次凹沙一段三角洲砂体与湖泊相泥岩交互发育的地区也发育自生自储型断层低熟油藏，与下生上储型断层成熟油藏相比，规模较小。

4 结论

(1)渤海湾盆地沧东凹陷沙一段沉积相类型为湖泊和辫状河三角洲。研究区西南部缓坡带发育辫状河三角洲相，西北部发育条带状的砂质滩坝亚相和小范围的鲕粒滩亚相，生物碎屑滩亚相主要分布于孔店凸起周缘和沧东断层下降盘，生物碎屑滩、鲕粒滩与砂质滩坝或三角洲前缘亚相交互发育的地区为条带状的混积滩坝亚相。研究区沙一段沉积相类型及其空间展布受构造活动与古地貌、海侵的控制。

(2)研究区沙一段暗色泥页岩具有较好的生烃潜力，海侵可以促进富有机质泥页岩的发育和低熟泥页岩的早期生烃。沧东次凹沙一段多形成自生自储型岩性或构造—岩性低熟油藏，南皮次凹多形成下生上储型断层低熟油藏。