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      松遼盆地嫩江組凝縮層形成機(jī)制及其地質(zhì)意義①

      2015-12-02 02:39:26張晨晨吳朝東
      沉積學(xué)報(bào) 2015年5期
      關(guān)鍵詞:松遼盆地嫩江油頁(yè)巖

      張晨晨 張 順 魏 巍 吳朝東

      (1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院 北京 100871;2中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院 黑龍江大慶 163712)

      0 引言

      凝縮層是由沉積速率極低的薄層半深水、深水沉積物組成,在陸相沉積中以油頁(yè)巖為標(biāo)志,在區(qū)域和全球?qū)有虻貙訉W(xué)以及古環(huán)境研究中有重要的意義[1-2]。雖然松遼盆地作為世界大型陸相坳陷型含油氣盆地被石油地質(zhì)學(xué)界所廣泛關(guān)注,并且半個(gè)多世紀(jì)以來取得了很多理論及實(shí)際研究成果,對(duì)陸相石油地質(zhì)理論的形成及發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)[3-8],但嫩江組凝縮層形成機(jī)制及所代表的層序地層學(xué)和環(huán)境學(xué)意義還存在很大的爭(zhēng)議,爭(zhēng)議主要是凝縮層的等時(shí)性及其是否發(fā)生過“海侵事件”兩個(gè)方面[5,9-29]。有人認(rèn)為凝縮層頂?shù)酌娌皇且粋€(gè)等時(shí)界面,向海(湖)一側(cè)包含了海侵體系域和高位體系域遠(yuǎn)端部分,具有很大的時(shí)間跨度,也有人認(rèn)為凝縮層底界面或者頂界面是等時(shí)的[21-29],這一爭(zhēng)論涉及到地層如何劃分和對(duì)比,既是個(gè)理論問題,又是個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。同時(shí)在上個(gè)世紀(jì)90年代由高瑞祺、侯讀杰等提出了松遼盆地嫩江組發(fā)生過“海侵事件”的觀點(diǎn),隨后在石油地質(zhì)界爭(zhēng)論一直沒有停止[9-20],但這些研究成果所依據(jù)的都是古生物、地球化學(xué)、微量元素等方面的靜態(tài)資料,不具有唯一指向性,缺乏古地理及其演化方面的證據(jù),致使?fàn)幷撘恢背掷m(xù)至今。目前松遼盆地整體已經(jīng)進(jìn)入成熟勘探階段,擁有探井4 000多口,三維地震3×104km2,大量的巖芯及化驗(yàn)分析數(shù)據(jù),這為本文的研究提供了豐富的第一手資料。本文從凝縮層層序結(jié)構(gòu)入手,通過分析其形成的沉積學(xué)及動(dòng)力學(xué)機(jī)制,闡述了其在層序地層學(xué)及古環(huán)境方面的意義,并指出了其在石油地質(zhì)研究中的作用。

      1 凝縮層發(fā)育背景與特征

      松遼盆地位于黑龍江、吉林、遼寧境內(nèi),屬中、新生代大型陸相坳陷型盆地,面積約26×104km2。白堊系為主要沉積蓋層,沉積厚度超過10 000 m,由6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元、31個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元構(gòu)成[6,8]。經(jīng)歷了斷陷、坳陷和反轉(zhuǎn)三個(gè)構(gòu)造演化階段,坳陷階段包括泉頭組、青山口組、姚家組及嫩江組,主要是晚白堊世大型湖泊—三角洲相砂巖與湖泊相泥巖及油頁(yè)巖交互疊置形成的一套地層,其中青山口組一段和嫩江組一段是兩套湖泛期沉積的地層,特別是在嫩江組二段底部發(fā)育了一套以油頁(yè)巖為標(biāo)志的凝縮層[6,8],不論在層序地層還是沉積環(huán)境方面都引起了很大的關(guān)注。該套凝縮層由深灰色、灰黑色油頁(yè)巖組成,發(fā)育薄層狀水平紋理(圖1)、貝殼狀斷口,厚度10~15 m。含有磷灰石、菱鐵礦,偶爾發(fā)現(xiàn)海綠石、燧石等,硅酸鹽礦物為主要成分,石英、長(zhǎng)石平均含量分別為43.5%和7.0%,伊利石和蒙脫石為主要黏土礦物,伊蒙混層和高嶺石其次[18,30]。層內(nèi)微體和超微體化石豐度高且分異度大,介形蟲及葉支介化石常成層分布,可見蚌殼、螺化石、魚骨碎片和植物化石[13]。干酪根主要以Ⅰ型和Ⅱ1型為主,主要來自溝鞭藻、輪藻、甲藻、綠藻等,有機(jī)碳含量高[3],而且自坳陷中心向邊緣有機(jī)碳含量有減少的趨勢(shì)。常具有高自然伽馬、高電阻、自然電位測(cè)井曲線平直的特征,地震以T07強(qiáng)振幅、高連續(xù)反射軸為標(biāo)志(圖2),并存在一系列下超點(diǎn)。在目前盆地范圍內(nèi)嫩江組凝縮層具有穩(wěn)定的連續(xù)分布,在盆地邊緣也可以找到。

      圖1 松遼盆地上白堊統(tǒng)綜合柱狀圖Fig.1 The composite histogram of Upper Cretaceous series in Songliao Basin

      圖2 松遼盆地姚家組—嫩江組地震層序(a)及沉積相剖面(b)(剖面位置見圖3)Fig.2 The seismic sequence and sedimentary facies profile of Yaojia-Nenjiang Formation in Songliao Basin

      2 高精度層序格架及層序建造

      2.1 界面特征與層序劃分

      沉積不整合與構(gòu)造不整合的區(qū)別主要是成因機(jī)制不同:構(gòu)造作用導(dǎo)致的地層缺失、削截等為構(gòu)造不整合,沉積作用導(dǎo)致的上超、下超等為沉積不整合,共同點(diǎn)是存在不同程度的地層缺失[31-32]。利用地震反射結(jié)構(gòu)、測(cè)井曲線旋回和巖性所代表的相特征來識(shí)別各級(jí)層序界面,在嫩江組內(nèi)部識(shí)別出5個(gè)三級(jí)及能夠記錄湖平面變化的6個(gè)四級(jí)層序界面(圖1)。這11個(gè)層序界面分為4種類型,其中SB03為盆地反轉(zhuǎn)形成的構(gòu)造不整合界面,SB1和SB07是湖泛期形成的初始湖泛面和最大湖泛面,SB04和SB031是沉積不整合面,而 T061、T062、T063、T064、T065、T066在盆地東部綏化凹陷及呼蘭隆起具有削截特征,在盆地西部龍虎泡大安階地及泰康隆起帶具有上超特征(圖2a)。因此,這6個(gè)界面屬于盆地強(qiáng)制性水退作用形成的進(jìn)積型四級(jí)層序界面,相互之間處于整合接觸[33-35]。嫩江組是在沉積基準(zhǔn)面上升和下降旋回作用下形成的,總體具有對(duì)稱式水進(jìn)—水退型旋回結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

      2.2 層序建造

      嫩江組是以SB03及SB1為頂?shù)捉缑?、以最大湖泛面SB07為對(duì)稱界面的水進(jìn)—水退型層序,包含4個(gè)三級(jí)層序和10個(gè)四級(jí)層序。SB03界面分隔了四方臺(tái)組與嫩江組,是一個(gè)構(gòu)造不整合面。嫩江組一段對(duì)應(yīng)退積型層序(N1),屬于水進(jìn)旋回,嫩江組二、三段為連續(xù)進(jìn)積型層序,是強(qiáng)制性水退作用形成的,退積和進(jìn)積以SB07為分界面,對(duì)應(yīng)油頁(yè)巖底界面,向上測(cè)井曲線和巖性表現(xiàn)為變粗的反旋回,地震剖面為一系列低角度前積層,上部被T04界面削截,向西底超于SB07界面,表現(xiàn)為7個(gè)四級(jí)層序(N2-8)依次向盆地深水相帶伸展,表明東部物源此時(shí)占主導(dǎo)地位。嫩江組四、五段以SB031為分界面,以SB03與SB04為頂?shù)捉缑?,分?個(gè)(N9-10)四級(jí)層序(圖1,2)。嫩江組四級(jí)層序空間展布具有規(guī)律性,每一次等時(shí)的物源供應(yīng)都形成一個(gè)四級(jí)層序界面,不同的四級(jí)層序平面上都表現(xiàn)出三角洲前緣砂體—前三角洲濱淺湖—半深湖—深湖的相遷移及縱向上深湖—半深湖—前三角洲—三角洲前緣—三角洲平原的相連續(xù)或深湖—半深湖—前三角洲—河流平原相躍遷的特點(diǎn)(圖2b)。

      3 凝縮層成因機(jī)制

      3.1 凝縮層沉積學(xué)成因機(jī)制

      嫩江組一段湖泛期之后湖盆進(jìn)入強(qiáng)制性水退旋回演化階段,此時(shí)古地理格局及沉積物源方向有了很大的改變。盆地沉降中心逐漸向西遷移,沉積范圍向西逐漸縮小,同時(shí)物源方向發(fā)生了90度轉(zhuǎn)變,由原來南北向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|西向,來自東部物源快速向西推進(jìn),形成高角度進(jìn)積型三角洲(圖2b、圖3)。發(fā)育的N2—N6進(jìn)積型四級(jí)層序,其遠(yuǎn)端湖相區(qū)沉積了盆地規(guī)模的油頁(yè)巖凝縮層,位于SB07界面上,厚度10~15 m,電阻率測(cè)井曲線呈大段低值泥巖中出現(xiàn)鋸齒狀鐘形高值特征,地震上表現(xiàn)為強(qiáng)振幅高連續(xù)反射軸(T07),是盆地級(jí)地層對(duì)比標(biāo)志層。層序N7—N8沉積時(shí)期,河流作用明顯加強(qiáng),三角洲沉積體系延伸較遠(yuǎn),前緣相帶向西延伸到龍虎泡階地西部。層序Ⅱ2n3—2n4主要以河流相沉積為主,湖相沉積已基本消失,大型河流體系主要發(fā)育在盆地東部,并一直延伸到西部超覆帶。從沉積演化歷史上看,凝縮層沉積學(xué)成因機(jī)制是由于嫩江組強(qiáng)制性水退作用導(dǎo)致東部物源不斷向西推進(jìn),形成進(jìn)積型三角洲,在三角洲前端湖相區(qū)形成濃縮水體的半咸水還原環(huán)境,使得有機(jī)質(zhì)易于埋藏和保存,同時(shí)較低的沉積速率形成了富含有機(jī)質(zhì)的油頁(yè)巖凝縮層段。

      3.2 凝縮層動(dòng)力學(xué)成因機(jī)制

      層序結(jié)構(gòu)與沉積演化主要受盆地反轉(zhuǎn)擠壓構(gòu)造活動(dòng)控制,在88~65 Ma間松遼盆地受大洋板塊幕式擠壓使盆地東部反轉(zhuǎn)抬升,控制了嫩江組三級(jí)及四級(jí)層序發(fā)育[36-37](圖4)。88~83 Ma間姚家組沉積時(shí)期,大洋板塊絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向調(diào)整為NWW,歐亞板塊絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)為SSE,大洋板塊對(duì)歐亞大陸產(chǎn)生強(qiáng)烈擠壓,導(dǎo)致松遼盆地湖區(qū)面積迅速萎縮,地層抬升、暴露、剝蝕,在姚家組底部沉積了紅色古土壤層[34],形成了SB11界面。83 Ma幕式活動(dòng)的大洋板塊俯沖減弱,構(gòu)造應(yīng)力松弛導(dǎo)致盆地下沉,于是開始第二次湖泛時(shí)期,由此產(chǎn)生了初始湖泛面 SB1界面[8,34](圖4),對(duì)應(yīng)T1地震反射軸,具有連續(xù)強(qiáng)反射特征(圖2a)。73 Ma時(shí)太平洋板塊再次活躍,受其俯沖加強(qiáng)影響松遼盆地又一次受到強(qiáng)烈擠壓,于是在嫩江組沉積末期產(chǎn)生了SB03構(gòu)造不整合面。在SB03與SB1之間發(fā)育SB07界面,是最大湖泛面,對(duì)應(yīng)T07地震反射軸,具連續(xù)強(qiáng)反射特征,在盆地內(nèi)以鋸齒狀鐘形高電阻率油頁(yè)巖凝縮層為標(biāo)志,可追蹤對(duì)比。在SB04與SB07界面之間發(fā)育6個(gè)四級(jí)層序界面T061~T066,是歐亞板塊受到大洋板塊較低級(jí)別幕式俯沖擠壓作用的響應(yīng)(圖4)。這種響應(yīng)的結(jié)果就是盆地東部抬升及西部較小構(gòu)造沉降形成快速供給的東部豐富物源,從而導(dǎo)致盆地沉積中心快速向西遷移,沉積了N2—N8進(jìn)積型四級(jí)層序,同時(shí)在這些四級(jí)層序頂部由于沉積物的不斷進(jìn)積導(dǎo)致對(duì)先前地層的削截,形成沉積不整合即SB04三級(jí)層序界面(圖2b)。

      圖3 松遼盆地嫩江組沉積相平面圖Fig.3 The sedimentary facies of Nenjiang Formation in Songliao Basin

      4 凝縮層層序地層學(xué)意義

      凝縮層不論在區(qū)域性還是全球性層序地層學(xué)研究中具有重要意義。松遼盆地嫩江組凝縮層以強(qiáng)制性水退旋回底部油頁(yè)巖為標(biāo)志,在現(xiàn)今盆地范圍內(nèi)呈10~15 m厚度穩(wěn)定分布,是沉積地層劃分對(duì)比與巖相古地理恢復(fù)的重要標(biāo)志層。一些石油地質(zhì)專家認(rèn)為凝縮層頂?shù)酌嬖趯有虻貙訉W(xué)上不具有等時(shí)性,它向海(湖)一側(cè)包含了水進(jìn)旋回和水退旋回遠(yuǎn)端部分[9,21,23,26,29,38],但層序結(jié)構(gòu)分析表明,在現(xiàn)今的松遼殘留盆地范圍內(nèi)嫩江組凝縮層底界面SB07與T07連續(xù)的地震強(qiáng)反射軸對(duì)應(yīng),該軸在電阻率測(cè)井曲線上與鐘形高電阻率底部對(duì)應(yīng)(圖2,5)。因此,這一事實(shí)說明SB07界面所代表的凝縮層底界面具有等時(shí)性。盡管嫩江組凝縮層是在盆地逐漸萎縮過程中形成的,也只有10~15 m,但它屬于N2—N8層序遠(yuǎn)端深湖亞相沉積,諸多進(jìn)積型三角洲傾斜的四級(jí)層序界面為其等時(shí)界面,深湖亞相凝縮層(油頁(yè)巖)—半深湖亞相泥巖及白云巖—前三角洲亞相灰綠及淺灰色泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖—三角洲河口壩亞相砂巖夾粉砂巖—三角洲平原點(diǎn)壩亞相砂巖沉積相序(圖5),因此,嫩江組凝縮層本身并不是一次性地質(zhì)事件的產(chǎn)物,它向上占有相當(dāng)大的時(shí)間跨度,不具有唯一的等時(shí)性頂界面。以往在松遼盆地嫩江組地層劃分對(duì)比時(shí)誤將油頁(yè)巖頂界面作為等時(shí)界面,把具有相似旋回特征的地層做平行于油頁(yè)巖的劃分和對(duì)比,導(dǎo)致分層穿時(shí),圈閉識(shí)別不準(zhǔn)確,不僅嚴(yán)重影響了勘探效果,同時(shí)在理論上也難以擺脫錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。

      圖4 松遼盆地演化動(dòng)力學(xué)剖面圖Fig.4 The basin evolution dynamic profile of Songliao Basin

      圖5 松遼盆地嫩江組凝縮層形成模式圖Fig.5 The forming pattern of the condensed section in Songliao Basin

      5 凝縮層石油地質(zhì)學(xué)意義

      松遼盆地晚白堊世由于盆地構(gòu)造抬升導(dǎo)致沉積物快速推進(jìn),在嫩江組形成強(qiáng)制性水退層序,這種層序具有前積型結(jié)構(gòu),其傾斜的層序界面形成向湖一側(cè)減薄的楔狀地層,這類地震上易于識(shí)別的層序構(gòu)型,其特點(diǎn)是在層序地層學(xué)及沉積地質(zhì)學(xué)研究中可操作性強(qiáng)。另外最大湖泛期沉積的湖相泥巖及其上覆的油頁(yè)巖不僅是盆地優(yōu)質(zhì)烴源巖,其生成的油氣可就近儲(chǔ)存在進(jìn)積型三角洲相儲(chǔ)層中,形成大型油氣田,而且成為下伏成藏組合良好的區(qū)域性蓋層。松遼盆地的油氣藏超過九成蘊(yùn)藏在嫩江組凝縮層上下[6]。因此,凝縮層及其強(qiáng)制性水退作用產(chǎn)生的進(jìn)積型地層結(jié)構(gòu)是盆地評(píng)價(jià)及層系優(yōu)選的結(jié)構(gòu)性標(biāo)志[39]。

      6 凝縮層古環(huán)境學(xué)意義

      高瑞祺、侯讀杰等石油地質(zhì)家自上個(gè)世紀(jì)80年代提出松遼盆地嫩江組經(jīng)歷過“海侵事件”以來,有關(guān)這一問題的爭(zhēng)論一直持續(xù)[9-20]。雖然爭(zhēng)論都是依據(jù)古生物、地球化學(xué)、微量元素等方面成果,但其結(jié)論卻不一致。例如葉淑芬、陳瑞君、顧知微通過研究雙殼類化石、鈣質(zhì)超微化石、有孔蟲化石、海綠石等得出嫩江組發(fā)生過“海侵事件”[9,12,19]。而宋之光、寧緯坤、王麗、王璞珺等甚至依據(jù)生物標(biāo)志化合物含量變化趨勢(shì)推測(cè)出海侵通道,并認(rèn)為通道是通過亞細(xì)亞海經(jīng)由佳—伊地塹再到木蘭—賓縣—尚志及岔路河斷陷后到達(dá)松遼盆地[17-18,30]。而邢順洤、姜洪啟、李杰、黃福堂等依據(jù)同樣的雙殼類、有孔蟲、海綠石、鈣質(zhì)超微化石等資料卻得出相反的結(jié)論[14,16,40],另外對(duì)“海侵事件”持否定態(tài)度的還有崔同翠、張彌曼等,他們依據(jù)的是葉肢介及魚類化石[10,20]。本文從層序地層學(xué)及沉積地質(zhì)學(xué)角度對(duì)嫩江組凝縮層形成機(jī)制進(jìn)行了深入研究,從而得出嫩江組凝縮層是盆地由東向西抬升導(dǎo)致盆地逐漸萎縮過程中形成的,它不是湖泛事件的產(chǎn)物。由此可以作出的另一個(gè)推斷就是盆地東部的不斷抬升以及來自東部的豐富物源明顯阻隔了“海侵事件”觀點(diǎn)所認(rèn)為的“海侵通道”,這也從構(gòu)造、層序及沉積學(xué)角度對(duì)松遼盆地嫩江組經(jīng)歷過“海侵事件”提出了反對(duì)觀點(diǎn)。

      7 討論與結(jié)論

      松遼盆地晚白堊世嫩江組發(fā)育的凝縮層是在強(qiáng)制性水退作用下湖盆發(fā)生萎縮形成的,在進(jìn)積型三角洲遠(yuǎn)端湖相區(qū)形成濃縮水體的高鹽度還原環(huán)境,使得有機(jī)質(zhì)易于埋藏和保存,同時(shí)較低的沉積速率沉積了10~15 m齒狀鐘形高電阻為特征的油頁(yè)巖層。它不僅是地層劃分及對(duì)比的重要標(biāo)志層,還是盆地重要的烴源巖和良好的區(qū)域蓋層。關(guān)于油頁(yè)巖凝縮層形成環(huán)境及動(dòng)力學(xué)成因的研究,有利于澄清陸相石油地質(zhì)學(xué)有關(guān)烴源巖成因的核心理論問題,同時(shí)也對(duì)松遼盆地有關(guān)“海侵事件”爭(zhēng)論從層序地層學(xué)及沉積地質(zhì)學(xué)角度做出了回應(yīng)。對(duì)其等時(shí)界面識(shí)別及層序建造的分析,不論是對(duì)含油氣盆地優(yōu)選還是含油層系劃分都具有重要的理論和實(shí)際意義。

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