曹 冰，杜學(xué)斌，陸永潮，劉惠民，劉占紅，馬義權(quán)，王 勇，趙 珂，楊 盼，彭 麗

(1.中國(guó)海油(中國(guó))有限公司 上海分公司，上海 200335；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 海洋學(xué)院，武漢 430074；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；4.中國(guó)石化 勝利油田分公司 地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 東營(yíng) 257015)

近5年來(lái)，中國(guó)對(duì)于海相頁(yè)巖的勘探開發(fā)已經(jīng)走在了世界前列，但是對(duì)于陸相頁(yè)巖的研究尚處于起步階段[1-3]，究其主要原因，陸相頁(yè)巖成因及控制因素較海相頁(yè)巖有更大的復(fù)雜性，因此對(duì)地質(zhì)學(xué)家提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。巖相是一定沉積環(huán)境中形成的巖石或巖石組合，是開展細(xì)粒沉積物分析的基礎(chǔ)[4-6]?；诘V物組分、有機(jī)質(zhì)、沉積構(gòu)造等特征，很多學(xué)者都對(duì)巖相的分類提出了自己的見解[7-12]，同時(shí)也有一部分學(xué)者探討了陸相頁(yè)巖巖相的控制因素[13-14]。但是這些巖相分類并沒(méi)有放到不同級(jí)次層序格架下去考慮，也沒(méi)有考慮不同級(jí)次格架與不同尺度巖相的耦合關(guān)系，因此制約了從機(jī)理上闡述不同尺度頁(yè)巖巖相成因。本文以東營(yíng)凹陷泥頁(yè)巖為研究對(duì)象，借助多種研究手段，系統(tǒng)總結(jié)了等時(shí)格架下陸相頁(yè)巖多尺度巖相精細(xì)識(shí)別特征，探討了巖相發(fā)育的主要控制因素，以期為我國(guó)陸相頁(yè)巖發(fā)育機(jī)理的研究提供借鑒。

1 陸相湖盆細(xì)粒沉積的特殊性

1.1 構(gòu)造主控、物源+氣候協(xié)同性

陸相湖盆不同于海相盆地，它具有自身的獨(dú)特屬性[15-16]。盆地的形成構(gòu)造具有主控型，控盆斷層的活動(dòng)直接影響了可容納空間的大小，從而進(jìn)一步影響到沉積物充填過(guò)程。物源具有復(fù)雜性，表現(xiàn)為物源入口多，相變過(guò)程快的特點(diǎn)[17]。同時(shí)，古氣候具有明顯的敏感性與脆弱性，常常處于干旱與潮濕、枯水與泛水交替過(guò)程中[18-19]。上述幾個(gè)控制因素聯(lián)合起來(lái)對(duì)陸相湖盆細(xì)粒沉積產(chǎn)生了重要的影響，使得細(xì)粒沉積巖相類型復(fù)雜、橫向變化快，研究難度增大。

1.2 等時(shí)格架下分布可預(yù)測(cè)性

雖然細(xì)粒沉積的分布在預(yù)測(cè)上具有很大的難度，但是在等時(shí)格架下其分布依然是可預(yù)測(cè)的，具有明顯的濱岸坡折分隔原則[20]，即細(xì)粒沉積多分布于低位濱岸坡折內(nèi)的盆地中心，厚度穩(wěn)定，整合或假整合接觸；細(xì)粒沉積段常為湖擴(kuò)體系域(EST)+早期高位體系域(EHST)。

1.3 富灰質(zhì)、強(qiáng)非均質(zhì)性

對(duì)于我國(guó)東部沉積盆地來(lái)說(shuō)，其內(nèi)發(fā)育的細(xì)粒沉積由于受構(gòu)造、氣候、物源等因素的聯(lián)合影響，其表現(xiàn)出明顯的富灰質(zhì)與強(qiáng)非均質(zhì)性。從東營(yíng)凹陷細(xì)粒沉積構(gòu)成成分的三端元圖(圖1)可以看到，成分不像海相頁(yè)巖一樣具有相對(duì)集中性。其成分既有黏土礦物，也有陸源成分(石英+長(zhǎng)石)，還有碳酸鹽礦物，沒(méi)有哪一種占據(jù)主導(dǎo)地位，因此陸相細(xì)粒沉積物實(shí)際是三類成分的耦合產(chǎn)物，也代表著具有多種成因控制。

2 層序格架與多尺度巖相構(gòu)成

由于頁(yè)巖的非均質(zhì)性強(qiáng)烈，傳統(tǒng)的層序地層學(xué)方法建立的等時(shí)格架無(wú)法滿足精細(xì)化研究的要求，因此，部分研究者提出了一套針對(duì)細(xì)粒沉積物建立不同級(jí)次等時(shí)地層格架的方法。該方法的核心是依托T-R旋回理論，以自然伽馬曲線為主，結(jié)合多種敏感性參數(shù)(放射性元素、TOC變化等)以及天文旋回理論，從而有效地解決了細(xì)粒沉積物中建立等時(shí)格架的問(wèn)題[21-22]。

圖1 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷陸相細(xì)粒沉積巖性分類三角圖

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，巖相與層序具有密切的聯(lián)系。不同級(jí)別層序有著不同的劃分依據(jù)和識(shí)別特征，同時(shí)對(duì)應(yīng)著不同類型的巖相構(gòu)成(表1)。

2.1 六、七級(jí)層序與巖相構(gòu)成

七級(jí)層序是目前資料品質(zhì)下可識(shí)別的最高精度的層序，也是細(xì)粒沉積層序最小的構(gòu)成單元。它反映了萬(wàn)年尺度的旋回變化，沉積單元厚度小于0.5 m，成分、結(jié)構(gòu)、微小構(gòu)造等變化是其主要的識(shí)別標(biāo)志，巖相多表現(xiàn)為紋層結(jié)構(gòu)。六級(jí)層序是七級(jí)層序的組合，沉積厚度介于0.5～2 m，巖相上表現(xiàn)為層偶的形式，即不同類型紋層組合在一起，從而構(gòu)成紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r層與紋層狀灰質(zhì)泥巖層交互出現(xiàn)(圖2)。

實(shí)際上，這種紋層構(gòu)成不僅僅只反映巖相組合的變化，更能反映氧化—還原條件、藻類間歇勃發(fā)、陸源間歇供給等條件在六、七級(jí)層序格架下的變化。圖3反映的是貧碳與富碳頁(yè)巖巖相層耦韻律，可以看到，在這種韻律巖相控制下，能夠反映氧化—還原條件的指標(biāo)Sr/Ca與V/Cr均呈現(xiàn)了交替性的變化，與韻律巖相一一對(duì)應(yīng)。實(shí)際上，其他參數(shù)也具有類似的特征。

2.2 五級(jí)層序與巖相構(gòu)成

2.2.1 五級(jí)層序的識(shí)別

五級(jí)層序代表的是水進(jìn)—水退旋回，識(shí)別標(biāo)志包含測(cè)井曲線、元素變化、沉積多重非均質(zhì)性等突變標(biāo)志。每一個(gè)五級(jí)層序間隔時(shí)間0.02～0.08 Ma，沉積厚度約為2～5 m。一般來(lái)說(shuō)，這種水進(jìn)—水退旋回在空間上存在3種變化，即R旋回，代表水退過(guò)程；T旋回，代表水進(jìn)過(guò)程；穩(wěn)定旋回，代表水體穩(wěn)定階段[22]。一個(gè)T—R變化，代表一次水進(jìn)—水退過(guò)程，即為一個(gè)五級(jí)層序。實(shí)際上，每一次水體變化都伴隨著礦物、有機(jī)質(zhì)的變化，這些參數(shù)也可以作為五級(jí)層序劃分的參考指標(biāo)。

2.2.2 五級(jí)層序格架與巖相構(gòu)成

根據(jù)五級(jí)層序的劃分，結(jié)合沉積速率分析，可以將五級(jí)層序單元?dú)w納為3種可對(duì)比的組合類型，分別為快升—慢降型、慢升—快降型和均一型(圖4)。這幾種類型能夠反映湖平面的升降過(guò)程，同時(shí)也反映著巖相中的層耦組變化(表1)。

表1 陸相頁(yè)巖不同級(jí)別層序與巖相構(gòu)成對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖2 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷六、七級(jí)層序與巖相構(gòu)成

圖3 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷六、七級(jí)層序格架下氧化—還原條件交替變化

圖4 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷五級(jí)層序單元下的巖相構(gòu)成

快升—慢降型意味著湖平面上升過(guò)程快于湖平面下降過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，巖相會(huì)從高灰質(zhì)巖相經(jīng)過(guò)中高灰質(zhì)巖相逐漸變到中低灰質(zhì)巖相，層理從頁(yè)理或紋理變化到層狀最后到塊狀。慢升—快降型意味著湖平面上升過(guò)程慢于湖平面下降過(guò)程，巖相依然會(huì)經(jīng)歷從高灰質(zhì)巖相經(jīng)過(guò)中高灰質(zhì)巖相逐漸變到中低灰質(zhì)巖相，層理從頁(yè)理或紋理變化到層狀最后到塊狀，但是很明顯紋理或者層理發(fā)育段占據(jù)了該段的大部分層段。均衡型意味著湖平面上升過(guò)程基本上與湖平面下降過(guò)程一致，在這個(gè)過(guò)程中，巖相依然會(huì)從高灰質(zhì)巖相逐漸變到中低灰質(zhì)巖相，層理變化均一(圖4)。

2.3 四級(jí)層序與巖相構(gòu)成

四級(jí)層序相當(dāng)于體系域，反映的是區(qū)域性水進(jìn)—水退旋回，主要識(shí)別標(biāo)志為有明顯的區(qū)域性水深變化和突發(fā)事件標(biāo)志。在這個(gè)尺度內(nèi)，地層厚度介于5～50 m，時(shí)間間隔為0.08～0.5 Ma。結(jié)合沉積物厚度和湖平面升降過(guò)程，很清晰地看到，四級(jí)層序控制的是巖相域變化。這種不同類型巖相域不僅僅可以體現(xiàn)在單井上，而且可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域性的對(duì)比(圖5)。

2.4 三級(jí)層序與巖相構(gòu)成

三級(jí)層序研究的是盆地級(jí)別或者凹陷尺度下的巖相變化。其反映的時(shí)間間隔為0.5～2 Ma，沉積物厚度大約200 m；層序界面主要的識(shí)別標(biāo)志為古土壤、侵蝕和淹沒(méi)標(biāo)志、準(zhǔn)層序疊置樣式的轉(zhuǎn)化或沉積環(huán)境的突變。實(shí)際上，對(duì)于一個(gè)盆地或一個(gè)凹陷來(lái)說(shuō)，首要是需要搞清楚頁(yè)巖在盆地內(nèi)的分布，因此，三級(jí)層序是最初、最開始的研究尺度。一般需要編繪以三級(jí)層序?yàn)閱卧膸r相分布圖，反映的是主要巖性組合宏觀變化規(guī)律(圖6)。

3 多尺度巖相發(fā)育控制因素

對(duì)于一個(gè)盆地來(lái)說(shuō)，其巖相發(fā)育具有多尺度、多類型的典型特征。因此，巖相發(fā)育與展布的控制因素也具有多種尺度。具體來(lái)講，有2個(gè)尺度：首先是影響三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)層序尺度下巖相分布的可以歸結(jié)為一類，稱為一級(jí)因素；第二個(gè)尺度的控制因素主要影響六級(jí)、七級(jí)尺度下巖相分布，稱為二級(jí)因素。

3.1 一級(jí)控制因素

一級(jí)控制因素包含構(gòu)造、氣候、物源3個(gè)次級(jí)因素[17, 23]。構(gòu)造因素主要控制了可容納空間的變化，使得盆地呈現(xiàn)深盆與淺盆結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步在沉積充填性質(zhì)上表現(xiàn)出欠補(bǔ)償、補(bǔ)償、過(guò)補(bǔ)償?shù)奶卣?；氣候因素主要表現(xiàn)為干旱與潮濕交互出現(xiàn)，使得盆地水體表現(xiàn)為淡水、咸水、鹽湖；物源因素主要表現(xiàn)為機(jī)械沉積、化學(xué)沉積、生物沉積、混積沉積，使得在沉積組合上會(huì)體現(xiàn)出硅質(zhì)、灰質(zhì)和泥質(zhì)的不同性質(zhì)。對(duì)于一個(gè)地區(qū)或者一個(gè)盆地來(lái)說(shuō)，這三者是緊密結(jié)合在一起的，不能割裂開研究。巖相構(gòu)成上表現(xiàn)為層偶組—巖相域—巖相層序有序變化(表2)。

圖5 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷四級(jí)層序控制下的巖相域橫向變化

圖6 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷三級(jí)層序下泥巖巖相分布

對(duì)于東營(yíng)凹陷來(lái)說(shuō)，影響頁(yè)巖相發(fā)育的重大構(gòu)造事件是42.5 Ma前后重大構(gòu)造變革事件[24-25]。在這個(gè)時(shí)期，太平洋板塊向歐亞板塊俯沖發(fā)生轉(zhuǎn)向(NNW—NWW)，使得中國(guó)東部大部分盆地開始由伸展盆地逐漸變?yōu)檗D(zhuǎn)換伸展盆地，由補(bǔ)償淺湖盆過(guò)渡為欠補(bǔ)償深湖盆，盆地面積變大，水體加深，頁(yè)巖大面積發(fā)育。

同時(shí)，42.5 Ma前后的重大變革事件，不僅僅表現(xiàn)在構(gòu)造上，氣候上也同樣具有重要的變革[9, 26-27]。42.5 Ma前后，氣候還是具有明顯的變化，由半干旱的氣候進(jìn)入到濕潤(rùn)的氣候，使得水體由沙四上的咸水向沙三下半咸水—淡水變化，從而表現(xiàn)在巖相組合上，沙四上段巖相中碳酸鹽紋層大量發(fā)育，而沙三下段巖相中則明顯減少(圖7)。

當(dāng)然，42.5 Ma也是一個(gè)古生物變革面，表現(xiàn)在沙四段以火紅美星介組合為代表的淺水生物群落，沙三段以中國(guó)華北介組合為代表的深水生物群落，淺水生物群落向深水生物群落轉(zhuǎn)化[28]。生物組合的不同會(huì)在一定程度上影響到生烴潛力的差異。

3.2 二級(jí)控制因素

二級(jí)控制因素主要是對(duì)巖相中的紋層及層耦的控制，實(shí)際上是通過(guò)控制有機(jī)質(zhì)類型、生物間歇勃發(fā)、水體動(dòng)蕩、氧化還原事件等進(jìn)而控制巖相的發(fā)育?？梢詫⒍?jí)控制因素細(xì)化為三類，即古生產(chǎn)力、季風(fēng)、氧化—還原條件(表2)。

對(duì)于東營(yíng)凹陷來(lái)說(shuō)，季風(fēng)對(duì)于高頻(6～7級(jí))格架中頁(yè)巖巖相具有明顯的控制作用。東亞季風(fēng)系統(tǒng)控制了整個(gè)東亞的降雨及分布，夏季風(fēng)帶來(lái)降雨，冬季風(fēng)帶來(lái)干旱，從而會(huì)引起生物類型及生產(chǎn)力—生物勃發(fā)事件耦合、清水和渾水—陸源間歇輸入事件耦合、干—濕氣候與氧化—還原事件耦合等現(xiàn)象，從而進(jìn)一步控制了濟(jì)陽(yáng)坳陷的沉積充填及其有機(jī)質(zhì)的富集[19, 32]。

表2 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷多尺度巖相發(fā)育控制因素

Table 2 Controlling factors for multi-scale lithofacies, Dongying Sag, Bohai Bay Basin

圖7 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙四上段-沙三下段沉積期古氣候類型變化對(duì)比

具體來(lái)講，東亞季風(fēng)強(qiáng)的時(shí)候，東營(yíng)凹陷基本不受熱帶高壓影響，古氣候非常濕潤(rùn)，發(fā)育紋層狀頁(yè)巖相，有機(jī)質(zhì)異常發(fā)育，富含大量含碳生物，TOC可以達(dá)到3.0%以上；當(dāng)東亞季風(fēng)變?nèi)醯臅r(shí)候，西風(fēng)帶攜帶水汽少，東營(yíng)凹陷處于熱帶高壓影響之下，古氣候變得逐漸干旱，生物發(fā)育少，主要發(fā)育了塊狀灰質(zhì)頁(yè)巖相、含粉砂富黏土質(zhì)頁(yè)巖相、蒸發(fā)巖薄夾層頁(yè)巖相等貧有機(jī)質(zhì)的巖相，平均TOC在1.7%以下(表3、圖8)。

4 結(jié)論

(1)陸相頁(yè)巖發(fā)育受構(gòu)造主控，物源+氣候協(xié)控，表現(xiàn)較強(qiáng)的富灰質(zhì)特性，具有比海相更復(fù)雜的非均質(zhì)特色。

(2)巖相分為層耦、層耦組、巖相域和巖相層序4個(gè)尺度，其中層耦受古生產(chǎn)力、季風(fēng)、氧化—還原條件聯(lián)合控制；層耦組—巖相域—巖相層序受物源、氣候、構(gòu)造聯(lián)合控制。

表3 季風(fēng)對(duì)于渤海灣盆地東營(yíng)凹陷高頻格架中頁(yè)巖巖相的控制

圖8 季風(fēng)控制下的渤海灣盆地東營(yíng)凹陷泥頁(yè)巖富碳與貧碳的耦合

(3)頁(yè)巖巖相層序是在構(gòu)造—?dú)夂颉镌磪f(xié)同大背景下，由機(jī)械、化學(xué)和生物沉積作用的耦合控制形成。