馬芳俠 ，王力 ，羅丹婷 ，張譯丹 ，葛云錦 ，杜克峰

（1.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083）

0 引言

細(xì)粒物質(zhì)（直徑小于 62.5 μm）［1-2］的沉積作用是沉積學(xué)研究最薄弱的環(huán)節(jié)之一。隨著近年來(lái)頁(yè)巖油氣勘探如火如荼地展開，細(xì)粒物質(zhì)的沉積過(guò)程已成為沉積學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［3-4］。其中，塊狀細(xì)粒沉積巖指那些內(nèi)部結(jié)構(gòu)均一、缺少沉積構(gòu)造（缺少紋層）的細(xì)粒沉積巖［5-6］，它最早發(fā)現(xiàn)于地中海東部［7-8］，隨后在大西洋東部赤道附近和墨西哥灣西北部也有發(fā)現(xiàn)［5，9］。

關(guān)于塊狀細(xì)粒沉積巖的成因爭(zhēng)議較大：Ryan［10］認(rèn)為是深海懸浮物在靜水中的沉積，在沉積過(guò)程中不受季節(jié)影響，因此表現(xiàn)為均質(zhì)特征；然而，最新研究表明，其塊狀構(gòu)造形成于動(dòng)蕩水體中［11-12］；另外，Mccave等［13］發(fā)現(xiàn)當(dāng)高密度濁流以某種方式凍結(jié)時(shí)，也可以形成塊狀細(xì)粒沉積巖。

迄今為止，塊狀細(xì)粒沉積巖基本都發(fā)現(xiàn)于海洋環(huán)境中，而對(duì)湖相塊狀細(xì)粒沉積巖的報(bào)道甚少。本文通過(guò)觀察濟(jì)陽(yáng)坳陷始新統(tǒng)湖相細(xì)粒沉積巖，在1 093 m巖心中識(shí)別出95 m塊狀細(xì)粒沉積巖?？紤]到湖泊與海洋在構(gòu)造背景、水動(dòng)力條件、對(duì)氣候敏感性等方面都有顯著不同，不能簡(jiǎn)單套用海洋研究成果到湖泊中，需要對(duì)湖相塊狀細(xì)粒沉積巖的特征和成因機(jī)制開展系統(tǒng)研究。

1 地質(zhì)背景

濟(jì)陽(yáng)坳陷位于渤海灣盆地東南部，面積約2.6×104km2，東南部以魯西隆起為界，東部為墾東-青坨子凸起為界，西北部以埕寧隆起為界（見圖1a）。濟(jì)陽(yáng)坳陷新生界包括古近系、新近系和第四系地層（見圖1b、圖2）。

圖1 區(qū)域地質(zhì)背景

古近系地層又分為孔店組（Ek）、沙河街組（Es）和東營(yíng)組（Ed），Es細(xì)分為 4 段（從底到頂為 Es4—Es1）（見圖2）。研究的目標(biāo)層是Es4上部和Es3下部，其沉降速率分別為260 m/Ma和520 m/Ma（見圖2）。從Es4到 Es3，氣候由干旱變?yōu)槌睗瘢?4］（見圖 2）。

圖2 濟(jì)陽(yáng)坳陷古近系

在Es4和Es3期間，湖泊邊緣發(fā)育了一系列扇三角洲和辮狀河三角洲，在湖泊中心充填了數(shù)百米深水細(xì)粒沉積巖，作為該區(qū)的主要烴源巖。這些細(xì)粒沉積巖富含碳酸鹽礦物（平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)43.06%）、石英和長(zhǎng)石（平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)31.59%）、黏土礦物（平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)25.35%）（見圖 3）。

圖3 濟(jì)陽(yáng)坳陷細(xì)粒沉積巖的礦物三角圖

利用濟(jì)陽(yáng)坳陷5口井（羅69井、羅67井、牛頁(yè)1井、樊頁(yè)1井、利頁(yè)1井）的連續(xù)取心資料，選取共計(jì)1 093 m深水細(xì)粒沉積巖巖心。5口井巖心的長(zhǎng)度分別為 223，203，35，414，218 m。分析測(cè)試資料包括薄片、孢粉鑒定、全巖X射線衍射分析、常微量元素分析、高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察（FESEM）、總有機(jī)碳測(cè)定、生油潛力測(cè)定和干酪根分離鑒定。

3 沉積特征

3.1 巖石學(xué)特性

1 093 m細(xì)粒沉積巖由998 m暗色頁(yè)巖和95 m塊狀細(xì)粒沉積巖組成，塊狀細(xì)粒沉積巖占8.69%。研究區(qū)塊狀細(xì)粒沉積巖為深灰色、灰黑色，與暗色紋層狀細(xì)粒沉積巖互層（見圖4a—4d）。不同期次的塊狀細(xì)粒沉積巖在垂向上連續(xù)疊置，或被暗色頁(yè)巖分隔。

圖4 塊狀細(xì)粒沉積巖的巖石學(xué)特征

單層塊狀細(xì)粒沉積巖厚度小于1 m（見表1），底部和頂部總是突變接觸，且在巖心橫截面上可見豐富的形成于淺水環(huán)境的腹足化石和煤屑（見圖4g，4h），薄片下常見介形蟲碎片和溝鞭藻（見圖4i，4m）。各期次的底部為粉砂條帶或微沖刷面，表現(xiàn)為向上變細(xì)的正粒序（見圖 4b，4d，4f，4j，4k）。 內(nèi)部礦物組分雜亂分布，電鏡下可見方解石微晶（見圖4l）與塊狀細(xì)粒沉積巖互層的暗色頁(yè)巖常具有塑性變形特征（見圖4c）。塊狀細(xì)粒沉積巖石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較高，且從薄片觀察發(fā)現(xiàn)石英顆粒呈棱角狀。

表1 塊狀細(xì)粒沉積巖層厚度數(shù)據(jù)

研究區(qū)塊狀細(xì)粒沉積巖TOC值高（1.57%～4.61%，平均2.86%）（見圖5，塊狀細(xì)粒沉積巖的位置在巖性柱中以紅色線條標(biāo)注，DOP為黃鐵礦化程度，RT為溫度比，RH為濕度比）。氫指數(shù)（HI）與有機(jī)質(zhì)熱解峰溫度（Tmax）的關(guān)系曲線表明，塊狀細(xì)粒沉積巖中的有機(jī)質(zhì)主要為Ⅰ—Ⅱ型（見圖6），這表明塊狀細(xì)粒沉積巖中的有機(jī)質(zhì)主要是低等浮游生物等［15］。

圖5 羅69井Es3綜合圖

圖6 氫指數(shù)與有機(jī)質(zhì)熱解峰溫度的相關(guān)性

3.2 沉積環(huán)境

3.2.1 水氧化還原條件和含鹽度

研究區(qū)塊狀細(xì)粒沉積巖及其鄰近頁(yè)巖都是深色的（見圖 4a—4d，4g，4j）， 因此很難直觀地從巖石顏色上區(qū)分它們?cè)诔练e過(guò)程中氧化還原性的強(qiáng)弱。本文借助地化測(cè)試資料開展氧化還原性分析。在地化分析中，DOP，Th/U和V/（V+Ni）能夠指示水體的氧化還原性。其中，DOP，V/（V+Ni）值隨水體還原性減弱而升高，而Th/U值隨水體還原性減弱而降低。上述資料表明，塊狀細(xì)粒沉積巖沉積過(guò)程中，水體還原性較暗色頁(yè)巖弱，盡管它們都形成于深水環(huán)境中（見圖5）。另外，Sr/Ba值能夠指示水體含鹽度。Sr/Ba值越高，含鹽度越高。分析測(cè)試資料表明，塊狀細(xì)粒沉積巖的Sr/Ba值明顯比暗色頁(yè)巖低，反映了相對(duì)較低的水體鹽度（見圖5）。

3.2.2 氣候和構(gòu)造條件

在氣候背景下沉積于相對(duì)干旱的氣候背景，而沉積于相對(duì)濕潤(rùn)的氣候背景（見圖2）。另外，的沉降速率是的2倍（見圖2）。相應(yīng)地，塊狀細(xì)粒沉積巖在的細(xì)粒沉積巖中僅占3.08%，而在升高到 11.33%，是的 4倍（見表 2），表明塊狀細(xì)粒沉積巖傾向于沉積在相對(duì)濕潤(rùn)且具有高沉降速率的背景下。

表2 和的塊狀細(xì)粒沉積巖比較

表2 和的塊狀細(xì)粒沉積巖比較

地層 Es4上 Es3下巖心總長(zhǎng)度/m 422 671塊狀細(xì)粒沉積巖總長(zhǎng)度/m 12 76塊狀細(xì)粒沉積巖占比/% 3.08 11.33

利用孢粉數(shù)據(jù)精確表征氣候變化與塊狀細(xì)粒沉積巖發(fā)育的關(guān)系。根據(jù)其母體植物對(duì)溫度的適應(yīng)性，孢粉分為喜暖型、喜冷型和廣溫型。根據(jù)其母本植物對(duì)濕度的適應(yīng)性，孢粉分為喜濕型、喜干型和中間型［16］。溫度比的計(jì)算公式為RT=廣溫型孢粉數(shù)/（廣溫型+喜冷型）孢粉數(shù)×每個(gè)薄片中的孢粉數(shù)量，濕度比計(jì)算公式為RH=喜濕型孢粉數(shù)/（喜濕型+喜干型）孢粉數(shù)×每個(gè)薄片中的孢粉數(shù)量。RT值高代表溫度高，RH值高代表濕度高。孢粉和花粉分析結(jié)果表明，塊狀細(xì)粒沉積巖具有比黑色頁(yè)巖高得多的RT和RH值，說(shuō)明其具有相對(duì)更加溫暖濕潤(rùn)的氣候條件（見圖5）。

3.2.3 分布特征

以過(guò)羅69井的剖面為例（見圖7），塊狀細(xì)粒沉積巖主要分布于羅69井的2 945～3 010 m，與該深度對(duì)應(yīng)的淺水區(qū)域有較多的中粗粒沉積，而其他層段較少。此外，塊狀細(xì)粒沉積巖正好分布于濁流砂巖的遠(yuǎn)端區(qū)域，說(shuō)明兩者在成因上有某種關(guān)聯(lián)（見圖7）。

圖7 沾化凹陷東西走向墾71—羅69井沉積剖面

4 形成過(guò)程

4.1 沉積機(jī)制

將研究區(qū)的塊狀細(xì)粒沉積巖解釋為濁流末梢沉積，在濁流向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量逐漸減弱，使細(xì)粒物質(zhì)沉積于濁流最前端。原因?yàn)椋?/p>

1）塊狀細(xì)粒沉積巖在巖心和薄片下具有顯著的濁積巖特征（見圖4）。其頂?shù)淄蛔兊奶卣髦甘臼录练e，且底部的粉砂條帶表明，塊狀細(xì)粒沉積巖形成于水動(dòng)力逐漸減弱的條件下，這正好符合濁流的特性。塊狀細(xì)粒沉積巖底部的沖刷面也支持濁積巖的侵蝕特性。由于濁積巖事件沉積的特征，導(dǎo)致各種礦物混雜堆積，從而解釋了塊狀細(xì)粒沉積巖中各種礦物組分雜亂分布的特征。

2）塊狀細(xì)粒沉積巖與濁積砂的空間配置關(guān)系也支持濁流成因的解釋。在經(jīng)典的鮑馬序列中，A—E段分布范圍依次擴(kuò)大，其中A—D段為砂質(zhì)沉積，而E段為泥質(zhì)沉積。若將研究區(qū)鉆遇的塊狀細(xì)粒沉積巖解釋為鮑馬序列E段，則正好解釋了其分布于濁積砂前端，且在分布層位上與濁積砂相同的特征。

3）塊狀細(xì)粒沉積巖中大量的棱角狀石英、腹足化石、煤屑和介形蟲碎片也支持濁流的解釋。這是由于濁流在從淺水到深水搬運(yùn)的過(guò)程中，不僅帶來(lái)了沉積物，也帶來(lái)了相對(duì)富含氧和河口處鹽度較低的水體，從而使研究區(qū)塊狀細(xì)粒沉積巖的還原性和鹽度比相鄰的暗色頁(yè)巖低。

綜上所述，從巖石學(xué)特征、空間配置關(guān)系、地化特征上均顯示研究區(qū)塊狀細(xì)粒沉積巖為濁流末梢沉積，相當(dāng)于鮑馬序列E段。

4.2 觸發(fā)機(jī)制

濁流雖然是事件沉積，其誘導(dǎo)機(jī)制既可是突發(fā)性的地質(zhì)作用，也可能是在長(zhǎng)期的地質(zhì)作用下，從量變到質(zhì)變的結(jié)果［17］。研究區(qū)內(nèi)與塊狀細(xì)粒沉積巖相鄰的暗色頁(yè)巖常具有塑性變形特征（見圖4c），可能說(shuō)明地震事件是塊狀細(xì)粒沉積巖的誘導(dǎo)機(jī)制之一［18］。另外，從長(zhǎng)周期的誘導(dǎo)機(jī)制看，氣候和構(gòu)造事件是2個(gè)主要因素［19］。本文3.2.2部分中表明，在溫暖潮濕的氣候和高沉降速率條件下，容易沉積塊狀細(xì)粒沉積巖。這是由于：1）溫暖濕潤(rùn)的氣候會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)降雨和頻繁而強(qiáng)烈的洪水，從而使三角洲等滑塌，與此相關(guān)的實(shí)例在智利中部海域［20］和挪威海域［21］的現(xiàn)代環(huán)境中均有報(bào)道；2）高沉降速率能夠增加沉積載荷［22］，在高沉積載荷下，沉積物容易發(fā)生破壞［23］，例如密西西比河三角洲地區(qū)的三角洲前緣的塊體運(yùn)動(dòng)［24］和不列顛哥倫比亞省Kitimat Arm峽灣的泥石流［25］均歸因于構(gòu)造活動(dòng)下的高沉積載荷。

4.3 沉積過(guò)程與模式

如圖8所示，塊狀細(xì)粒沉積巖分布于濁積砂體前端。通過(guò)重力流的沉積和分異過(guò)程，濁積泥在沉積較粗粒濁積砂后開始沉積。在相對(duì)靠近濁流源頭的地方，濁積泥可能會(huì)上覆于濁積砂之上，但是到濁流遠(yuǎn)端，濁積砂逐漸消失，只沉積濁積泥巖。

圖8 濟(jì)陽(yáng)坳陷塊狀細(xì)粒沉積巖的形成模式

一次濁流持續(xù)時(shí)間通常為1.5～3.0個(gè)月，且濁流在搬運(yùn)過(guò)程中能夠卷入水體中已有的懸浮物質(zhì)，這種卷入作用在濁流末梢的密度降低后尤為明顯［9］。另外，在形成時(shí)期，濟(jì)陽(yáng)坳陷大量發(fā)育浮游溝鞭藻［26］，被濁流卷入并沉積，從而使該區(qū)塊狀細(xì)粒沉積巖富含有機(jī)質(zhì)。濁流在搬運(yùn)過(guò)程中也能卷入浮游溝鞭藻通過(guò)生物化學(xué)作用誘導(dǎo)形成的微晶方解石，這就解釋了塊狀細(xì)粒巖中富含方解石的特征。前人研究中也有相關(guān)報(bào)道：地中海東部希臘海溝的濁積泥巖富含浮游有機(jī)質(zhì)［27］；Ochoa 等［12］也報(bào)道了墨西哥下加利福尼亞州El Rosario地層露頭和美國(guó)俄克拉何馬州Woodford頁(yè)巖的濁積泥巖不含有在海水中形成的生物成因顆粒（主要為顆石藻）。

根據(jù)以上沉積過(guò)程分析，建立了研究區(qū)塊狀細(xì)粒沉積巖的形成模式。

5 形成模式

通常認(rèn)為烴源巖形成于水體持續(xù)缺氧的靜水環(huán)境，因?yàn)橐话阏J(rèn)為，在持續(xù)缺氧環(huán)境下有機(jī)質(zhì)才能保存。然而，研究區(qū)塊狀細(xì)粒沉積巖TOC基本都大于2.0%，且S1+S2與TOC相關(guān)性表明該塊狀細(xì)粒沉積巖是潛在的有效烴源巖（見圖9）。圖9顯示了塊狀細(xì)粒沉積巖的生油潛力［28］，這就突破了傳統(tǒng)烴源巖都形成于水體持續(xù)缺氧、靜水環(huán)境的認(rèn)識(shí)。

研究區(qū)塊狀細(xì)粒沉積巖形成于相對(duì)濕熱的氣候背景下，而相對(duì)濕熱的氣候背景也是該區(qū)浮游溝鞭藻勃發(fā)的重要誘導(dǎo)機(jī)制。兩者的相互契合為濁流攜帶和沉積浮游溝鞭藻創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的條件，而濁流快速沉積的特征，使沉降到水體底部的有機(jī)質(zhì)迅速和氧氣隔絕，創(chuàng)造了有利的保存條件。該區(qū)塊狀細(xì)粒沉積巖成為潛在有效烴源巖，說(shuō)明烴源巖并不都形成于靜水、缺氧的環(huán)境，濁積泥巖的成烴潛力同樣值得重視。

圖9 熱解S1+S2與TOC的關(guān)系

6 結(jié)束語(yǔ)

濟(jì)陽(yáng)坳陷始新統(tǒng)塊狀細(xì)粒沉積巖為濁流末梢沉積，相當(dāng)于鮑馬序列E段。溫暖濕潤(rùn)的氣候和高沉降速率是形成該塊狀細(xì)粒沉積巖的2個(gè)主要誘導(dǎo)機(jī)制。水體持續(xù)缺氧的靜水環(huán)境并不是烴源巖形成的必要條件，濁積泥巖在一定條件下也可以形成有效烴源巖。

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