廖建波, 李相博, 趙惠周, 張曉磊, 李智勇, 完顏容, 王 菁

(1.西南石油大學地球科學與技術(shù)學院,四川成都 610500; 2.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院,甘肅蘭州 730020;3.中國石油長慶油田分公司第十采油廠,甘肅慶城 745100; 4.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院,陜西西安 710018)

鄂爾多斯盆地延長組深水塊狀砂巖“泥包礫”結(jié)構(gòu)成因機制

廖建波1,2, 李相博2, 趙惠周3, 張曉磊4, 李智勇2, 完顏容2, 王 菁2

(1.西南石油大學地球科學與技術(shù)學院,四川成都 610500; 2.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院,甘肅蘭州 730020;3.中國石油長慶油田分公司第十采油廠,甘肅慶城 745100; 4.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院,陜西西安 710018)

通過元素地球化學分析、X-衍射全巖分析、巖石薄片分析等試驗方法對鄂爾多斯盆地延長組塊狀砂巖中“泥包礫”結(jié)構(gòu)成因機制進行研究。結(jié)果表明:該結(jié)構(gòu)中泥質(zhì)包殼層Fe/Mn值較低、MnO2含量較高,Th/U值較高、δU小于1,Sr/Ba值較低,反映近岸、偏氧化及低古鹽度的淺水地球化學特征,和與其伴生的半深湖層狀泥巖的沉積介質(zhì)環(huán)境存在較大差異性;結(jié)構(gòu)中內(nèi)核的主要成分為砂質(zhì)、泥質(zhì)或白云石團塊,形成于濱淺湖或三角洲前緣環(huán)境;“泥包礫”結(jié)構(gòu)非瞬態(tài)形成,而是貫穿長7—長63期三角洲前緣砂泥巖軟沉積物往深湖區(qū)塊體搬運的全過程,經(jīng)歷淺湖相團塊形成、結(jié)構(gòu)初始形成、巖性混合轉(zhuǎn)移、最終停積定型4個階段。

“泥包礫”結(jié)構(gòu); 延長組; 沉積環(huán)境; 地球化學; 深水沉積; 鄂爾多斯盆地

勘探實踐證實,塊狀砂巖是陸相湖盆深水區(qū)最為主要的儲集類型[1],油氣勘探意義重大。由于缺乏有效的證據(jù),對深水塊狀砂巖的成因存在頗多爭議,有學者認為是由塊體流搬運形成的砂質(zhì)碎屑流[2-3],也有學者認為是高密度濁流[4-5]或超高濃度密度流[6],存在爭議的原因是缺乏直接證據(jù)。以往人們主要通過沉積物的宏觀特征,比如沉積構(gòu)造、韻律、顏色等來判斷砂體成因[7-9],然而塊狀砂體的成因很難用這些特征來判別。近年來,有學者在野外露頭中發(fā)現(xiàn)塊狀砂體中的“泥包礫”現(xiàn)象,通過地質(zhì)露頭沉積現(xiàn)象描述與成因推測,認為它是由水下碎屑流形成,并且是判斷深水塊體搬運的直接證據(jù)[10]。但對“泥包礫”現(xiàn)象,一些學者認為是黏性碎屑流(泥石流)的產(chǎn)物,是由沉積物中的礫石或泥質(zhì)團塊在黏性泥石流介質(zhì)搬運中,一邊碰撞磨圓,一邊不斷附著一層泥質(zhì)細粒沉積物或泥質(zhì)漿體而形成[11];另一些學者認為是冰川沉積產(chǎn)物,由于冰磧物分選極差,細顆粒(包含一定黏土)和較大的礫石團塊緊密包裹在一起沉積形成[12-13]。對于以上爭議,僅由宏觀結(jié)構(gòu)特征判斷“泥包礫”成因證據(jù)不足。筆者依據(jù)元素地球化學分析、X-射線衍射全巖礦物定量分析以及薄片偏光顯微鏡等系統(tǒng)試驗分析對深水塊狀砂巖“泥包礫”結(jié)構(gòu)形成機制進行研究。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是中國第二大含油氣盆地,盆地本部面積約為25×104km2,上三疊統(tǒng)延長組為其主力含油層系,前人將延長組自下而上劃分為10個油層組[14],其中長10—長8期為湖盆初步形成期,長7期為湖盆最大拗陷擴張期,長6期為盆緣碎屑沉積物大規(guī)模推進充填期,在經(jīng)歷長4+5短期小規(guī)模湖泛之后湖盆逐漸消亡。長7—長63期在湖盆大范圍發(fā)育三角洲沉積,沿著湖盆中心吳旗—富縣—黃陵—合水—環(huán)縣—定邊一帶廣泛發(fā)育半深湖—深湖相沉積(圖1, 據(jù)李相博等[10])。近年來,針對該區(qū)域勘探發(fā)現(xiàn)了數(shù)億噸級儲量規(guī)模,其主要儲油砂體為深水塊狀砂巖[15]。研究該套砂巖中的沉積構(gòu)造具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

圖1 鄂爾多斯盆地延長期湖泊-三角洲體系略圖Fig.1 Sketch of lacustrine and delta system in Yanchang Formation, Ordos Basin

2 樣品與試驗方法

選取盆地南部出露較好、沉積現(xiàn)象較為豐富的旬邑縣三水河、銅川縣瑤曲鎮(zhèn)柳林川剖面開展研究(圖1)。其中山水河剖面長7段地層出露于旬邑縣城東北部附近,巖性組合為多套灰黑色油頁巖與厚層灰綠色—黃綠色塊狀細砂巖及薄層細粉砂巖間互組成(圖2(a))。銅川瑤曲鎮(zhèn)柳林川出露長63—長7段地層,底部為一套黃灰色塊狀含油細砂巖,向上單層砂巖厚度逐漸減薄,夾薄層深灰色泥頁巖(圖2(b))。兩條剖面砂巖層底負載、槽模、溝模等沉積構(gòu)造極為發(fā)育(圖2(c)、(e)、(f))。塊狀砂巖單層厚度一般大于0.5 m,最大可達2～3 m(圖2(a)、(b));砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為均一,不發(fā)育層理構(gòu)造,無明顯粒度變化,常見漂浮狀分布的長條狀泥礫,其長軸方向略顯定向性(圖2(d));砂巖底面與半深湖相泥巖呈突變接觸,接觸面較為平直,可見負載構(gòu)造現(xiàn)象,頂面常與具有正粒序變化的濁積巖(A段)接觸(圖2(a)、(b))。前人研究,這兩條剖面中的厚層塊狀砂巖為半深湖—深湖相砂質(zhì)碎屑流沉積,“泥包礫”呈漂浮狀分布在其中[15](圖2(d))。“泥包礫”具有雙層結(jié)構(gòu),由內(nèi)層紡錘形或橢圓形團塊和外層厚度不超過3 cm的泥質(zhì)或粉砂質(zhì)包殼層組成(圖3)。

圖2 研究露頭及其沉積構(gòu)造Fig.2 Outcrop and sedimentary structure

該兩條剖面因施工而導致巖石崩塌,從而出露新鮮“泥包礫”結(jié)構(gòu)及層狀泥巖,排除了蝕變、風化作用的影響,確保原始樣品的可靠性;層狀泥巖與“泥包礫”樣品視塊狀單砂體厚度不同,間隔0.5～3 m不等,保持兩類樣品各自的獨立性與代表性。在科學采集樣品的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)開展巖石薄片、X-衍射、主微量元素地球化學分析等實驗。

本次試驗主量、微量元素測試由同濟大學海洋地質(zhì)國家重點實驗室完成,采用Thermo fisher IRIS Advantage型電感耦合等離子光譜儀(ICP-OES)進行主量元素分析,Thermo fisher VG-X7型電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)進行微量元素分析。試驗中采取硝酸(HNO3)與氫氟酸(HF)混合液去除巖樣中的的硅質(zhì)和碳酸鹽礦物;以1×10-9的錸(Re)及銠(Rh)元素作內(nèi)標,監(jiān)測試驗過程中儀器的穩(wěn)定性;采取國標(GSR-5、GSR-6、GSD-9)及空白樣品進行分析標定。主量、微量元素分析相對標準偏差(RSD%)分別小于1%及2%。

圖3 “泥包礫”結(jié)構(gòu)特征及其內(nèi)部團塊薄片照片F(xiàn)ig.3 Photos of mud-coated structure and its inner block mass

X-射線衍射分析(XRD)在中國石油集團油藏描述重點實驗室完成,儀器型號為荷蘭PANalytical(帕納科)Empyrean(銳影)。利用熒光照射,確定巖樣含油級別低于四級后(熒光四級以上需洗油處理),在球磨儀中將巖樣研磨至粒徑小于40 μm,稱重約2 g后,采用背壓法制成樣片放入主機進行掃描,然后對XRD圖譜中的主要衍射峰進行面積積分,從而確定了計算各種礦物相對百分含量。儀器測試條件:工作電壓40 kV,工作電流40 mA,掃描速度2°/min(2θ),采樣步寬0.02°/min(2θ),掃描范圍5°～45°(2θ)。數(shù)據(jù)分析采用K值法(基本沖洗法),分析結(jié)果滿足行業(yè)標準。

選取新鮮巖石樣品雙面拋光至0.03 mm厚制作巖石薄片,用于薄片鑒定的偏光顯微鏡型號為蔡司(Zeiss) Axio Scope A1。

3 結(jié)果分析及討論

3.1 泥質(zhì)包殼層沉積環(huán)境

測試常量元素Al、Ca、Mn、Fe、K、Na、P、Ti共8項;微量元素Sr、Ba、Cu、Pb、Zn、Ni、Th、U、Co、La等40項,主要用于沉積環(huán)境分析的主微量元素含量見簡表(表1,表中*號層狀泥巖數(shù)據(jù)見參考文獻[16])

表1 泥質(zhì)包殼層與層狀泥巖樣品主量、微量元素分析統(tǒng)計Table 1 Analysis and statistic of major and trace elements within argillaceous cladding layer and layer mudstone

3.1.1 氧化-還原條件分析

U為變價元素,在還原條件下為+4價,不溶解于水介質(zhì),導致在沉積物中富集,而在氧化環(huán)境中,以易溶的+6價存在,導致U的流失;Th只有+4價一種價態(tài),且不易溶解,因此常用Th/U比值法判斷沉積介質(zhì)氧化還原狀態(tài)[16-17]。此外,自生鈾含量(U-Th/3)通常被視為古代沉積物的重要環(huán)境指標,吳朝東等[18-19]利用自生鈾和鈾總量建立了δU,δU=2Utotal/(Utotal+Th/3),若δU>1,表明缺氧環(huán)境,δU<1,說明正常水體環(huán)境。

測試結(jié)果表明:泥質(zhì)包殼層δU<1、T h/U 值分布在4. 6～ 5.3,下覆層狀泥巖δU>1、T h/U 值在1.4～3.4(圖4、表1,其中*號層狀泥巖數(shù)據(jù)見參考文獻[16]),泥質(zhì)包殼顯示偏氧化環(huán)境下U虧損的特征,反映形成于正常淺水氧化環(huán)境。

3.1.2 古鹽度分析

Sr/Ba元素比值法是計算古鹽度的一種重要方法,與鍶相比,鋇的化合物溶解度較低,河流所攜帶的Ba2+在與富含SO42-相結(jié)合容易形成難溶的BaSO4發(fā)生沉淀作用,因此Ba在近岸沉積物中富集;Sr的遷移能力較強,可遷移到較深水區(qū)[17]。根據(jù)中國陸相盆地Sr/Ba研究,咸化湖泊沉積中Sr/Ba大于1,淡水沉積中Sr/Ba小于1(1.0～0.6為半咸水相,小于0.6為微咸水相),Sr/Ba值可以用來判別鹽度[17,20]。

圖4 泥質(zhì)包殼層與層狀泥巖δU及Th/U比值投點圖Fig.4 Scatter diagram of δU and Th/U ratio within argillaceous cladding layer and layer mudstone

通過泥質(zhì)包殼與下覆層狀泥巖Sr/Ba比值參數(shù)判斷沉積期鹽度相對高低(圖5、表1,其中*號層狀泥巖數(shù)據(jù)見參考文獻[16]),結(jié)果表明,泥質(zhì)包殼Sr/Ba較低,除個別樣品外,其值小于0.4,下覆層狀泥巖Sr/Ba較高,顯示泥質(zhì)包殼形成于相對低鹽度的水介質(zhì)條件。

圖5 泥質(zhì)包殼層與層狀泥巖Sr含量及Sr/Ba比值投點圖Fig.5 Scatter diagram of Sr content and Sr/Ba ratio within argillaceous cladding layer and layer mudstone

3.1.3 離岸距離(古水深)分析

前人根據(jù)元素分散與聚集的地球化學習性研究得出,Fe多在離岸近的地區(qū)聚集,Mn相對在離岸遠的地區(qū)聚集,Fe/Mn比值從淺湖到深湖降低[17,21],并且MnO2含量可用于劃分湖泊的次級亞相[22]。Fe/Mn比值與MnO2含量可以作為判斷離岸距離與沉積物相對古水深的重要量化指標。

泥質(zhì)包殼層Fe/Mn>15、w(MnO2)?0.5%(個別樣品除外);層狀泥巖Fe/Mn<15、w(MnO2)≥0.5%(圖6、圖中*層狀泥巖數(shù)據(jù)見參考文獻[22],

表1),泥質(zhì)包殼層具有相對高Fe/Mn值及低MnO2含量,說明泥巖包殼層形成于近岸相對淺水沉積環(huán)境。

圖6 泥質(zhì)包殼層與層狀泥巖MnO2含量及Fe/Mn 比值投點圖Fig.6 Scatter diagram of MnO2 and Fe/Mn ratio within argillaceous cladding layer and layer mudstone

3.2 “泥包礫”結(jié)構(gòu)團塊成因

3.2.1 團塊成分分析

通過薄片鑒定分析,旬邑1號團塊成分為細粒長石石英砂巖(圖3(b)),其成分與圍巖塊狀砂巖類似。其他團塊粒度較細,采取巖石薄片與X-衍射全巖分析綜合鑒定(表2),旬邑2、3號團塊為褐鐵礦化泥巖(圖3(d)、(f)),瑤曲1號為泥巖(圖3(h)),瑤曲2號為泥晶白云巖巖(圖3(j))。綜上,“泥包礫”團塊成分主要為砂質(zhì)、泥質(zhì)、白云質(zhì)。

表2 團塊成分X射線衍射全巖分析統(tǒng)計Table 2 Whole rock analysis and statistic of X-ray diffraction for block mass composition

3.2.2 團塊成因

在濱淺湖環(huán)境或三角洲前緣亞相的泥質(zhì)沉積物中,會存在少量泥質(zhì)、白云質(zhì)或鐵質(zhì)團塊,這在陸相湖盆沉積中是一個普遍現(xiàn)象[23]。喬秀夫等[24]對于湖相泥巖中的砂質(zhì)團塊來源做過詳細研究,認為與古地震作用有關(guān)。在三角洲前緣砂泥巖交互地層中,由于快速的堆積作用,泥巖處于欠壓實塑性可流動狀態(tài),上覆砂巖層會形成底負載構(gòu)造,在瑤曲、旬邑露頭剖面中重荷模構(gòu)造是一個極其普遍的沉積現(xiàn)象(圖2(f)),這些重荷負載體在遇到地震、重力滑動等外力觸發(fā)時極易脫離砂巖層形成球枕構(gòu)造。銅川瑤曲、旬邑山水河出露地層為長7—長63期沉積,正是晚三疊世震積巖發(fā)育與地震作用活動的高潮期[25],在三角洲前緣泥質(zhì)沉積物中較易形成各類砂泥質(zhì)團塊。

3.3 “泥包礫”結(jié)構(gòu)成因機制

“泥包礫”結(jié)構(gòu)的泥巖包殼層和與其伴生的半深湖層狀泥巖的地球化學對比分析結(jié)果表明,泥巖包殼層具有低鹽度、偏氧化條件等特征,為近岸淺水沉積環(huán)境產(chǎn)物。 通過“泥包礫”結(jié)構(gòu)內(nèi)核成分分析,主要為泥質(zhì)、砂質(zhì)團塊,在三角洲前緣及濱淺湖地區(qū)普遍發(fā)育。因此含有“泥包礫”結(jié)構(gòu)的塊狀砂巖與其相伴生層狀泥巖沉積環(huán)境差別迥異,這種塊狀砂體是明顯的“外來”沉積。

研究表明,長7沉積期鄂爾多斯盆地進入板塊碰撞拼接、幕式構(gòu)造運動最強烈的時期,盆地南部事件沉積頻發(fā),地層中凝灰?guī)r和震積巖在縱向上頻繁互層;進入長6—長4+5沉積期,構(gòu)造活動的強度和頻率逐漸降低,湖盆開始重新進入穩(wěn)定沉降期[26]。由此說明,長7—長6早期是古地震等地質(zhì)事件最為活躍時期。受此影響,并伴隨該時期三角洲的快速推進,在三角洲前緣砂泥巖軟沉積物向深湖區(qū)做二次搬運的過程中形成了塊狀砂體中特有的“泥包礫”結(jié)構(gòu)。“泥包礫”形成主要經(jīng)歷了如下4個階段:①三角洲前緣半固結(jié)軟泥層中砂質(zhì)、泥質(zhì)或白云質(zhì)團塊形成階段;②三角洲前緣斜坡區(qū)砂泥巖互層在重力、古地震等觸發(fā)下失穩(wěn)滑動,受剪切力作用軟泥層中團塊發(fā)生滾動并附著泥質(zhì)黏土,“泥包礫結(jié)構(gòu)”初始形成階段;③砂泥巖互層在向深湖區(qū)滑動中不斷發(fā)生巖性混合,“泥包礫”結(jié)構(gòu)從泥質(zhì)層卷入塊體流砂質(zhì)層的轉(zhuǎn)移階段;④隨著湖水的加深,坡度降低,重力流搬運能量削減殆盡,最終停積在半深湖、深湖床底的定型階段。

4 結(jié) 論

(1)“泥包礫”雙層結(jié)構(gòu)中的泥質(zhì)包殼層具有淺水元素地球化學特征,內(nèi)核形成于濱淺湖區(qū)或三角洲前緣環(huán)境,含有“泥包礫”結(jié)構(gòu)的塊狀砂巖與其相伴生層狀泥巖沉積環(huán)境差別迥異,是一種典型的異地沉積產(chǎn)物。

(2)三角洲前緣半固結(jié)軟泥層中砂質(zhì)、泥質(zhì)或白云質(zhì)團塊在碎屑流搬運過程中發(fā)生滾動附著泥質(zhì)形成初始“泥包礫”結(jié)構(gòu),隨著碎屑流中砂泥層不斷混合,“泥包礫”結(jié)構(gòu)卷入砂巖層中,并停積在深水平原之上,最終形成了這種賦存于深水塊狀砂巖中特殊的“泥包礫”結(jié)構(gòu)。

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(編輯 徐會永)

Genetic mechanism of mud-coated intraclasts within deep-water massive sandstone in Yanchang Formation, Ordos Basin

LIAO Jianbo1,2, LI Xiangbo2, ZHAO Huizhou3, Zhang Xiaolei4,LI Zhiyong2, WANYAN Rong2, WANG Jing2

(1.SchoolofGeoscienceandTechnology,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China;2.NorthwestBranch,ResearchInstituteofPetroChinaExploration&Development,Lanzhou730020,China;3.TheTenthOilProductionPlantofPetroChinaChangqingOilfieldCompany,Qingcheng745100,China;4.ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofPetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xian710018,China)

The genetic mechanism of mud-coated intraclasts within deep-water massive sandstone in Yanchang Formation of Ordos Basin was studied combining the test method of element geochemistry, XRD and rock thin section analysis. The findings of this study include the following: the Fe/Mn is low, the content of MnO2is high, Th/U is high, the δU is less than 1, and the Sr/Ba is low in the argillaceous cladding layer, reflecting the geochemistry characteristics of shallow water environment are nearshore, oxidation and low salinity. There is a large difference in depositional environment with the associated layered mudstone of the semi-deep lake. The main components of the core of the mud-coated intraclasts are sandy, muddy or dolomitic lump, which were formed in shore-shallow lake or delta front environment. The formation process of mud-coated intraclasts was long,in which the soft sandy or muddy sediments within the delta front were transported into deep lakes in clumps from Chang7 to Chang63period through four stages: lump formation of shallow lake facies, initial formation of structure, mixed transfer of lithology and eventually deposition setting.

mud-coated intraclasts; Yanchang Formation; sedimentary environment; geochemistry; deep-water sedimentary; Ordos Basin

2017-01-12

國家科技重大專項 (2011ZX05001-003)

廖建波(1979-),男,高級工程師,博士研究生,研究方向為沉積學。E-mail:liao_jb@petrochina.com.cn。

1673-5005(2017)04-0046-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.04.006

TE 121.3

A

廖建波,李相博,趙惠周,等. 鄂爾多斯盆地延長組深水塊狀砂巖“泥包礫”結(jié)構(gòu)成因機制[J]. 中國石油大學學報(自然科學版),2017,41(4):46-53.

LIAO Jianbo, LI Xiangbo, ZHAO Huizhou, et al. Genetic mechanism of mud-coated intraclasts within deep-water massive sandstone in Yanchang Formation, Ordos Basin[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(4):46-53.