鲁西豫东地区奥陶纪岩相古地理特征及其演化*

贾艳雨 宿宇驰 隋少强 贾维明 李宗峰 杨志波王 茜 高 飞 季汉成 鲍志东

1中国石化新星 （北京）新能源研究院有限公司，北京 100083

2中国石化地热资源开发利用重点实验室，北京 100083

3中国石油大学 （北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249

4中国石油大学 （北京）地球科学学院，北京 102249

鲁西豫东地区具有良好地热资源勘探前景，但目前的勘探程度和取得的经济效益远落后于同等地热地质条件的华北地区 （吴乾蕃等，1988；何丽娟等，2001；方宝明，2006）。近年来，中石化新星公司先后在济南、齐河和菏泽、鄄城、阳谷等区域开发了以奥陶系碳酸盐岩为热储的地热田，取得了一定的经济与社会效益，说明下古生界碳酸盐岩具有一定的地热勘探潜力。然而，勘探开发结果表明，鲁西豫东地区奥陶系碳酸盐储集层非均质性强，不同地区热水产量差异较大，有利储集层分布特征有待进一步深入研究。

针对研究区奥陶系层序地层及岩相古地理前人进行一系列研究。Meng等 （1997）依据层序地层学理论，将华北地台奥陶系划分为5个三级层序；陈建强等 （2001）依据2条地质剖面将山东淄博地区奥陶系划分为8个三级层序，并识别出4种层序界面标志；房超等 （2020）基于岩心、地球化学、测井和录井等资料将东濮地区中奥陶统划分为3个三级层序；冯增昭 （1979，1986）研究了华北地台东部岩相古地理特征，认为早奥陶世为广阔的陆表海沉积，亮甲山组沉积期海平面下降，中晚奥陶世发育大规模海侵；徐学蓓 （2010）依据野外露头对鲁西地块奥陶纪岩相古地理进行研究，认为早奥陶世以发育蒸发台地和局限台地为主，中奥陶世发育了2次面式海进和海退，以发育蒸发台地、局限台地和开阔台地为主；林玉祥等 （2015，2016）运用层序地层学理论将华北地台早、中奥陶世分为8个三级层序，并认为早奥陶世水体较浅，主要发育浅海与海岸2种沉积环境，中奥陶世以持续的海侵为主，主要发育局限台地与开阔台地的沉积环境。由此可见，不同学者运用不同的资料与方法对不同构造单元的层序划分方案，具有多样性特征，对于岩相古地理的研究未在等时地层格架内进行约束，且作图单位较大，对有利区的精细研究指导性不足，制约着鲁西豫东地区奥陶系地质资源的勘探步伐，成为亟需解决的关键基础地质问题。

本次研究基于野外露头、岩心、薄片、测井和录井等地质资料，结合区域地质背景，在前人认识的基础上，对研究区奥陶系进行了层序地层划分，并在层序地层格架的约束内，深入研究奥陶纪岩相古地理特征及演化，并进一步预测了有利储集层的分布区，以期为奥陶系的地热等地质资源的勘探提供地质支持。

1 区域地质概况

研究区主体位于鲁西隆起西部（图1－a），是华北地台内的一个正向构造单元，北依齐广断裂，南抵南华北盆地，西临聊兰断裂，东至泰山凸起。研究区基底主要为太古界的变质岩，缺失元古界地层 （方宝明，2006），其上为寒武纪与奥陶纪沉积的海相碳酸盐岩地层。奥陶系与下伏寒武系呈整合接触，其上部缺失上奥陶统—泥盆系沉积地层。

奥陶系厚度在200～1200 m之间（图1－a），地层展布呈北厚南薄和东厚西薄的特征，自下而上划分为下奥陶统冶里组和亮甲山组，中、上奥陶统东黄山组、北庵庄组、土峪组、五阳山组、阁庄组和八陡组（图1－b，图2）。冶里组和亮甲山组以燧石结核白云岩和细晶白云岩为主，夹砾屑白云岩，与上覆东黄山组呈平行不整合，主要为局限台地相沉积。东黄山组以泥质白云岩和灰岩为主，夹泥晶白云岩，主要为开阔台地沉积。北庵庄组以灰岩、白云质灰岩和角砾岩为主，主要为开阔台地和局限台地沉积。土峪组以白云岩为主，夹少量角砾岩，主要为局限台地沉积。五阳山组以燧石结核灰岩、豹皮灰岩、藻灰岩、白云质灰岩和灰质白云岩为主，主要为开阔台地和局限台地沉积。阁庄组以白云岩为主，主要为局限台地—蒸发台地沉积。八陡组以灰岩为主，顶部为白云质灰岩，主要为开阔台地沉积。奥陶纪，鲁西豫东地区处于华北地台的中南部，大型的水下隆起将其与华北地台南部分隔开来，整个华北地台呈现不对称的鞍状，使得研究区内的海侵方向主要为东北方向 （曹高社等，2013；刘传虎等，2013；肖菁等，2016）。

图1 鲁西豫东地区位置图 （a）和奥陶系综合柱状图 （b）Fig.1 Location map（a）and comprehensive lithologic histogram of the Ordovician（b）in western Shandong-eastern Henan area

2 层序地层特征

2.1 层序界面识别

前人对于华北地区奥陶系的层序地层划分存在分歧，部分层序界面在本地区的识别特征并不明显，且山东地区与华北地区的地层划分方案并不统一，导致在勘探开发过程中前人的划分方案不适用于本地区。本次研究根据野外地质剖面、岩心、薄片和测井资料，依据Vail经典层序地层学理论（Vailet al.，1977），共识别出2个二级层序和5个三级层序界面，将鲁西豫东地区奥陶系划分为4个三级层序（表1，图2）。

表1 鲁西豫东地区奥陶系层序划分方案与界面特征Table 1 Sequence stratigraphic division and characteristics of the Ordovician in western Shandong-eastern Henanarea

SB1为寒武系与奥陶系的分界面，该界面底部为三山子组C段，主要发育薄层白云石化灰岩和竹叶状灰岩 （图3－j）（李庆平等，2005），界面顶部为冶里组，底部发育竹叶状白云岩，指示水体小幅度变浅，属于Ⅱ型层序界面。

SB2为造山侵蚀型层序界面，发育于亮甲山组顶部，形成于怀远运动所引起的区域大规模构造活动。怀远运动开始于寒武系张夏组沉积末期，结束于奥陶系亮甲山组沉积期，具有多阶段的 “幕式”特征，经历海床抬升、风化剥蚀和震荡性沉积多个阶段 （宋奠南，2001）。亮甲山组沉积末期，研究区发生隆升并导致了3～18 Ma的沉积间断 （Zhenet al.，2016），亮甲山组受风化剥蚀作用影响，形成了亮甲山组顶部与东黄山组底部的不整合界面，并作为中奥陶统与下奥陶统的分界面。SB1作为二级与三级层序界面，具有明显的识别标志，属于Ⅰ型层序界面。岩性上，亮甲山组顶部发育灰白色白云岩 （图3－a；图4－a），并伴有大量指示抬升剥蚀的溶蚀孔洞，东黄山组底部发育深灰色灰岩；测井曲线上该界面具有高GR和高AC特征（图2）。

SB3为海侵上超层序界面，此界面为海平面下降速率小于或等于盆地沉降速率时形成，属于Ⅱ型层序界面，主要表现为岩相转换。土峪组沉积末期，华北地台处于稳定沉降阶段，当盆地热沉降与海平面上升期相互交织，构造旋回对海平面变化与层序形成产生叠加效应 （房超等，2020）。SB2界面的层序划分标志为台地内浅水沉积向深水沉积的岩相变化。岩性上，土峪组顶部沉积一层薄层状黄色白云岩并含有溶蚀孔洞 （图4－d），五阳山组底部沉积一层厚层灰色灰岩；测井曲线特征表现为自然伽马测井曲线在该界面下部为相对高值，呈指形形态，在该界面上部自然伽马测井值变小，呈现齿形形态（图2）。

SB4在长周期海平面下降旋回背景下，短周期海平面下降速率超过盆地的沉降速率时所形成，属于Ⅰ型层序界面。阁庄组沉积期，华北地台处于构造稳定期，海平面升降发生转折，使得局部地区原有沉积物暴露地表遭受风化淋滤作用，形成暴露侵蚀面，发育淡水溶蚀、白云石化作用带等。岩性上，阁庄组顶部可识别大量含溶蚀孔洞灰岩；测井曲线特征表现为自然伽马曲线和声波测井曲线由高变低（图2）。

SB5位于八陡组顶部，是奥陶系与石炭系的分界面，该界面属于构造活动引起的造山侵蚀型层序界面，属于Ⅰ型层序界面（图2）。奥陶纪中晚期，加里东运动造成华北地台经历了长达130 Ma的构造隆升 （马永生和田海芹，2006），原有沉积地层发生变形褶皱和侵蚀风化作用，并在石炭纪沉积了一套滨岸相碎屑岩沉积，形成平行不整合界面。岩性上，八陡组顶部发育局限台地岩相的白云岩类，并可识别大量溶蚀孔洞和滑塌角砾岩。

图2 鲁西豫东地区龙古3井综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of Well Longgu 3 in western Shandong-eastern Henan area

2.2 体系域特征

研究区共识别4个海侵体系域 （TST）和3个高位体系域 （HST），低位体系域 （LST）不发育（图2）。

1）海侵体系域 （TST）。海侵体系域一般发育在三级层序的下部（图2；图5），因海水快速上升，很快到达最大海泛面，导致缺乏低位体系域或陆架边缘体系域，沉积物供给量较小，沉积速率较低，岩性以灰—深灰色泥质灰岩和微晶灰岩为主，局部发育微—泥晶白云岩。SQ1海侵体系域发育于冶里组—亮甲山组沉积期内，发育云坪—灰云坪的沉积序列；SQ2海侵体系域发育于怀远运动过后的快速海侵，主要发育在东黄山组和北庵庄组局限台地云灰坪向灰坪的演化序列中，并发育厚层的白云质灰岩与微晶灰岩，显示海平面逐渐升高的过程；SQ3海侵体系域发育于五阳山组沉积期内，主要发育厚层灰岩和薄层白云质灰岩的局限台地和开阔台地为主；SQ4海侵体系域发育于八陡组内，具有随海平面上升，发育云灰坪—灰坪的沉积序列，岩性主要为白云质灰岩与厚层灰岩。

2）高位体系域 （HST）。高位体系域发育于三级层序的上部，并随着海平面的下降、水体变浅、蒸发作用与白云岩化增强，岩性主要由灰质白云岩、白云岩夹膏岩和白云质灰岩等指示水体变浅的岩性组成（图2；图5）。SQ1高位体系域发育在三山子组内，随着水体变浅、波浪和潮汐作用增强，发育以竹叶状白云岩和厚层灰质白云岩为主的颗粒滩和灰云坪；SQ2高位体系域具有随海平面下降，广泛发育向广海方向进积的局限—蒸发台地的沉积序列，主要岩性为灰质白云岩和白云岩夹薄层膏岩；SQ3高位体系域主要发育于阁庄组内，相较于SQ2高位体系域，该高位体系域水体更浅，广泛发育含膏云坪与膏云坪；SQ4发育于八陡组内，只残余海侵体系域，高位体系域与最大海泛面可能随着加里东运动被全部风化剥蚀，顶部发育古岩溶风化壳 （张厚福等，1985）。

3 沉积相类型及其特征

根据野外露头、岩心观察和薄片鉴定，结合测井和录井资料，分析地层沉积构造、古生物和岩性组合，参照威尔逊提出的碳酸盐岩微相标准类型，将鲁西豫东地区内奥陶系可识别出3种沉积亚相以及8种沉积微相（表2）。研究区内经历多次海平面变化，开阔台地、局限台地和蒸发台地交替出现，各相带分布具有一定的韵律性。

表2 鲁西豫东地区奥陶系沉积微相类型与岩性特征Table 2 Main sedimentary facies and lithologic characteristics of the Ordovician in western Shandong-eastern Henan area

3.1 开阔台地

开阔台地是指水深在正常浪基面之下、水体循环良好、海底富氧的台地。其与开阔海连通良好，盐度正常，适合正常海生生物的繁衍 （Irwin，1995；金振奎等，2013；陈小炜等，2015）。研究区内开阔台地主要发育灰坪和颗粒滩，相对来说水较深，岩性主要为微晶灰岩、生物碎屑灰岩和颗粒灰岩，少见石膏等蒸发岩类。

灰坪位于浪基面以下，水体能量低，发育生物扰动构造，岩性主要为微晶灰岩、灰泥灰岩和豹斑灰岩（图3－b），测井响应上表现为低自然伽马，高电阻率特征，且纵向上变化不大（图6－h）。

颗粒滩主要发育于潮间较浅的区域，水体能量较高，岩性主要为生物碎屑灰岩与亮晶颗粒灰岩，测井响应上为高孔隙度、低电阻率和低自然伽马特征（图6－f）。颗粒主要包括内碎屑和生物碎屑，内碎屑主要为砾屑和砂屑，如龙古2井阁庄组岩心薄片与范古2井五阳山组岩心薄片中可见砂屑 （图4－c，4－g），生物碎屑成分包括鲕粒和棘皮类生物（图4－f，4－e）。

图4 鲁西豫东地区奥陶系不同沉积微相典型薄片特征Fig.4 Typical thin-section of various depositional microfacies of the Ordovician in western Shandong-eastern Henan area

3.2 局限台地

局限台地位于正常浪基面之下，与开阔海连通较差，水体循环受限，从而在盐度和温度上与开阔海有较大差异。研究区内主要发育泥灰坪、灰－云坪、云坪和潟湖，岩性上多含有云质和膏质成分，缺少生物化石，主要发育于东黄山组、土峪组和阁庄组。

泥灰坪沉积微相主要发育泥质灰岩与含泥灰岩，颜色深，呈条带状分布，厚度薄，单层厚度小于0.5 m，部分层段含有黄铁矿（图3－c），测井响应上表现为高伽马、低电阻率、低孔渗（图6－a）。

云坪沉积微相是研究区最为发育的相带，在各个层段均有发育。局限台地云坪沉积物主要以泥粉晶白云岩为主（图3－a；图4－a），颜色以灰色为主，厚度较大，缺乏层理构造，白云石多呈自形—半自形结构，薄片下可见白云石化现象，发育晶间溶孔，测井上表现为低伽马值和高电阻率特征，孔隙度与渗透率曲线表现为齿状与指形的响应特征（图6－g）。

潟湖为局限台地内部相对低洼、水体流动不通畅的区域，可细分为膏质潟湖、白云质潟湖和灰质潟湖。研究区内主要发育膏质潟湖微相（图3－e），以发育厚层膏岩、含灰泥膏岩为特征，缺乏层理构造和生物化石，测井上表现为中—低自然伽马值，高电阻特征（图6－c）。

灰－云坪微相以发育灰质微晶白云岩为主（图4－h，4－i），沉积构造发育干裂、鸟眼等构造，少见古生物化石，测井上表现为中低自然伽马值，孔隙度和渗透率曲线表现为齿状或指状结构（图6－e）。

3.3 蒸发台地

蒸发台地发育在潮上带地区，干旱，盐度较大，主要发育硬石膏和膏质白云岩为特征，缺乏生物化石，发育水平层理、钙质结核、鸟眼构造、膏溶角砾为特征。

膏云坪和含膏云坪主要发育以石膏质泥晶白云岩和含微晶含膏云岩，白云岩与石膏互层为岩性特征（图3－f），石膏含量大于25%，缺乏生物碎屑，可见干裂，鸟眼等沉积构造，测井曲线上表现为低伽马值，高电阻率，测井曲线多为指形（图6－b）。

图6 鲁西豫东地区奥陶系不同沉积微相测井响应特征Fig.6 Logging response characteristics of various depositional microfacies of the Ordovician in western Shandong-eastern Henan area

4 层序—岩相古地理特征

岩相古地理是重建地质历史中海陆分布、构造背景、盆地配置和沉积演化的重要途径和手段（侯中健等，2001），其特征是决定储集层发育程度的最重要基础 （曹红霞等，2021），通过重塑沉积盆地内沉积作用与成矿过程中的关系，对于矿产资源的勘探与开发具有重要的意义。

以三级层序为等时地层编图单元，利用研究区内19口井数据并结合前人认识，在单井相和连井相研究的基础上，采用单因素分析多因素综合与优势相分析结合的方法 （冯增昭，2004；李增学等，2021），结合区域地质背景，以沉积模式为指导（Wilson，2012），刻画了鲁西隆起西部奥陶系古地理格局及其演化特征。

4.1 SQ1层序—岩相古地理

SQ1沉积期（图7－a），基本继承了寒武系的古地理格局，古地貌呈现南高北低的构造格局 （曹高社等，2013），并在SQ1晚期受到怀远运动的影响而形成奥陶系第1个风化壳。冶里组—亮甲山组沉积期主要发育海侵体系域，水深在冶里组沉积较浅，水体动荡。南北向和东西向上水体逐渐加深，大面积相对地貌较高区域发育局限台地云坪、云灰坪和膏云坪沉积微相，在济南—章丘—淄博以北主要发育灰坪，局部地区发育颗粒滩（图7－a），岩性主要以白云岩为主，颗粒滩以竹叶状白云岩为主。

4.2 SQ2层序—岩相古地理

SQ2－TST沉积期，在经历怀远运动后，海水快速侵入，水体变深，云坪面积减小，灰坪和灰云坪面积增大，聊城区域出现台内沉积洼地，并发育潟湖相沉积（图7－b）。原有颗粒滩消失，受到地形与水深的影响，在研究区南部发育颗粒滩，岩性包括生屑灰岩与亮晶颗粒灰岩。北部地区主要为灰坪沉积，岩性以泥粉晶灰岩为主。南部地区自东向西发育云坪—云灰坪—灰坪的沉积微相分布，相应的岩石类型为白云岩—灰质白云岩—灰岩的岩石组合类型，研究区整体为局限台地。

SQ2－HST沉积期，水体变浅，云坪和膏云坪面积增大，灰坪和灰云坪面积减小，聊城区域潟湖面积逐渐缩小。研究区南部地区发育云坪与灰云坪沉积，岩性以粉晶白云岩与灰质白云岩为主，局部发育潟湖（图7－c）。研究区北部为灰坪沉积，岩性以泥晶灰岩为主。在南部水体较浅区域发育颗粒滩，颗粒类型为砂屑。北部地区自东向西发育灰坪—云灰坪沉积微相分布，南部地区自东向西发育云坪—云灰坪—灰坪的沉积微相分布。研究区整体表现出局限台地与蒸发台地并存的古地理格局。

4.3 SQ3层序—岩相古地理

SQ3－TST沉积期，海侵规模最大，研究区以灰坪和灰云坪为主，云坪不发育，聊城区域潟湖逐渐消失（图7－d）。局部发育膏云坪，推测为构造高部位。研究区自南向北发育灰云坪—灰坪，相应的岩石类型为灰质云岩—厚层灰岩。研究区整体以局限台地和开阔台地并存的古地理格局。

SQ3－HST沉积期，相较于SQ2－HST沉积期，水体更浅，研究区云坪和膏云坪面积扩大，灰坪面积缩小，聊城区域潟湖面积扩大（图7－e）。受地形和水深影响，灰坪发育于研究区西部和北部，西部也发育颗粒滩，岩性以生屑灰岩为主。研究区整体以局限台地和蒸发台地并存的古地理格局。

4.4 SQ4层序—岩相古地理

SQ4沉积期，古地貌整体呈以济南为中心，中心低四周高且南高北低、西高东低的格局 （曹高社等，2013）。八陡组沉积期主要为海侵体系域，研究区发育灰坪和灰云坪，相应岩性类型为灰岩和灰质云岩（图7－e）。受地形和水深影响，研究区西南部发育颗粒滩，岩性为生屑灰岩，研究区整体主要为开阔台地沉积。SQ4晚期受到加里东运动的影响，发生大规模海退，进入剥蚀阶段 （林玉祥，2016），形成了第2个风化壳。

图7 鲁西豫东地区奥陶系层序—岩相古地理图Fig.7 Sequence lithofacies palaeogeographic maps of the Ordovician in western Shandong-eastern Henan area

4.5 沉积模式

鲁西豫东地区奥陶系沉积期为陆表海型台地沉积模式（图8），自海向陆依次为开阔台地、局限台地和蒸发台地。开阔台地岩性主要为灰岩、生屑灰岩、颗粒灰岩、豹皮灰岩、灰质白云岩和泥灰岩。局限台地岩性主要为白云岩、角砾白云岩、含燧石结核白云岩、含膏白云岩和泥灰岩。蒸发台地主要为白云岩、含膏白云岩和泥质白云岩。冶里组—亮甲山组沉积期，主要为局限台地沉积。东黄山组沉积期，主要为开阔台地沉积。北庵庄组沉积期，主要为局限台地和开阔台地沉积。土峪组沉积期，主要为局限台地沉积，局部地区存在蒸发台地沉积环境。五阳山组沉积期，主要为开阔台地与局限台地沉积。阁庄组沉积期，主要为局限台地沉积，局部地区为蒸发台地沉积环境。八陡组沉积期，主要为开阔台地台地沉积环境。

图8 鲁西豫东地区奥陶系沉积模式Fig.8 Sedimentary model of the Ordovician in western Shandong-eastern Henan area

5 结论

1）鲁西豫东地区奥陶系沉积地层中可识别5个层序界面，根据层序界面和最大海泛面产出位置，将奥陶系沉积地层划分为SSQ1和SSQ2共2个二级层序和SQ1—SQ4共4个三级层序，SQ1与SQ4发育海侵体系域 （TST），SQ2与SQ3发育海侵体系域 （TST）和高位体系域 （HST）的完整沉积旋回。

2）鲁西隆起西部地区以海相碳酸盐岩台地相沉积为主，可划分为开阔台地、局限台地和蒸发台地3种亚相，以及灰坪、颗粒滩、泥灰坪、灰云坪、云坪、潟湖、含膏云坪和膏云坪等8种沉积微相。

3）奥陶系碳酸盐岩沉积地层受到海平面变化的影响，表现出一定的韵律性。开阔台地、局限台地与蒸发台地在垂向上相互叠置，在平面上彼此相邻，并在来自东北方向的海水侵入的影响下此消彼长。SQ1时期水体相对较浅，主要发育局限台地相沉积，并在局部地区发育颗粒滩沉积。SQ2时期水体先加深后变浅，蒸发作用强烈，主要发育大面积局限台地，相较于SQ1开阔台地面积变大，并在局部地区发育大面积潟湖沉积。SQ3时期水体的变化规律与SQ2变化规律较为相似，但水体相对较深，潟湖沉积面积减小，SQ3－TST主要发育开阔台地相沉积，SQ3－HST主要发育局限台地。SQ4时期水体发生大面积海侵，潟湖等沉积相消失，主要发育开阔台地。SQ1－SQ3沉积期的高位体系域主要为局限台地沉积，并发育大面积云坪、膏云坪和颗粒滩，是未来地热资源勘探开发的重点层位和相带。