遼河西部凹陷雷家地區古近系沙四段混合沉積特征研究①

趙會民

(中國石油長城鉆探工程公司地質研究院 遼寧盤錦 124010)

遼河西部凹陷雷家地區古近系沙四段混合沉積特征研究①

趙會民

(中國石油長城鉆探工程公司地質研究院 遼寧盤錦 124010)

雷家地區古近系沙四段廣泛發育湖相碳酸鹽與陸源碎屑混合沉積。通過對研究區混合沉積的區域地質背景、巖石學特征、沉積環境等分析,認為該區混合沉積特征為結構混合和互層混合,其中結構混合(狹義的混積巖)在不同構造部位混積巖巖石成分不同,西部以內源型混合沉積為主,中東部以陸源型混合沉積為主,局部為火山巖型混積巖。混合沉積作用類型包括漸變式混合沉積和復合式混合沉積Ⅰ類,局部發育突變式混合沉積。最后,分析本區白云巖的成因,進而探討形成混合沉積的地質條件和沉積環境。

混合沉積 碳酸鹽 陸源碎屑 沙四段 雷家地區

混合沉積作為一種沉積機理特殊而又有重要意義的沉積現象,主要指硅質碎屑與碳酸鹽的混合沉積[1]。目前,廣義的混合沉積不僅包括碳酸鹽與陸源碎屑/硅質碎屑的混合沉積,還應包含碳酸鹽/陸源碎屑與硫酸鹽、硅質巖類的硅酸鹽、火山碎屑等的混合產物[2]。由于混合沉積形成的沉積物有其自身一些獨特的特征,因而,研究混合沉積的物質組分、結構構造以及時空分布,不僅有助于了解古沉積環境的構造運動、海(湖)平面變化、沉積動力學、古氣候、物源等控制因素,而且在該類沉積中往往具有良好的油氣生、儲、蓋組合,對尋找新的油氣勘探區具有重要的實際意義[3～9]。

在渤海灣盆地古近系沙河街組中,多個凹陷發育湖相碳酸鹽與陸源碎屑構成的混合沉積,分布范圍廣泛,受雙重機制制約,具有復雜的沉積模式。以往油氣勘探開發中,僅有部分學者將碳酸鹽巖與碎屑巖結合起來作為混合沉積進行研究。如羅順社等[10]對渤南洼陷沙四段混合沉積特征與模式的研究,馬艷萍等[11]對大港灘海區沙一段混積巖成因與成巖作用特征的研究,董桂玉等[12]對惠民凹陷沙一段中混合沉積特征及類型的研究,張娣等[13]對板橋-北大港地區沙一段混合沉積分布規律的研究等。遼河西部凹陷雷家地區作為渤海灣盆地的一部分,古近系沙四段的沉積特征也與渤海灣盆地整體具有相似的特點,即表現為明顯的混積巖特征。在過去的研究中,一直將湖相碳酸鹽巖與碎屑巖分開獨立進行研究,混合沉積研究還屬空白。本文在前人研究成果的基礎上,對研究區古近系沙四段混合沉積的巖石學特征、混合沉積特征及混合沉積作用類型等做了詳細分析,并探討了混合沉積的形成原因。

1 區域地質概況

雷家地區位于遼河西部凹陷中段(圖1),包括陳家洼陷北部、高升鼻狀隆起南翼、冷東斷裂背斜帶西部,面積約200 km2。該區油氣資源豐富,石油地質條件優越,已發現古近系沙一、二段和沙三段的砂礫巖油藏、沙四段白云巖及火山角礫巖油藏、前古近系潛山油藏等多種類型油藏,一直是遼河油田油氣的主要產區之一。

雷家地區以陳家洼陷為主體,從南至北,由開闊變為狹窄,呈現西高東低、北高南低的古地貌形態。在東陡西緩的構造格局下,不同構造部位巖石組合類型不同,形成了巖石類型多樣、結構復雜的碳酸鹽與陸源碎屑以及火山角礫巖的混合沉積。

2 巖石學特征

雷家地區沙四段巖性以湖相碳酸鹽巖與陸源碎屑巖為主,火山角礫巖少量。這些巖性大多不純,碳酸鹽巖中含有大量的非碳酸鹽礦物,碎屑巖中含有大量的碳酸鹽礦物(表1),是在半干旱氣候及微咸水條件下的弱還原-還原環境中,由化學沉積與機械沉積交替作用形成的一種混合沉積。

圖1 研究區地理位置Fig.1 The geographic location of research region

表1 雷家地區混合沉積主要巖石類型的礦物成分平均含量Table1 Average percentage ofm ineralmatters in M ixed rocks of Leijia area

(1)碳酸鹽巖

巖石化學成分鑒定結果顯示,區內碳酸鹽巖中Al2O3和SiO2含量比較高,CaO/MgO比值<4的占總樣品量的91.3%,表明碳酸鹽巖主要以白云質巖類為主,灰質巖類較少。尤以泥質白云巖(圖2A)最為發育,其他巖性還有泥晶白云巖、泥質灰巖(圖2B)、藻白云巖、砂質云(灰)巖、硅質白云巖、白云質灰巖等。大多數巖石中白云石含量>50%,陸源碎屑及泥質約占5%～48%不等,由泥質(有機質)和白云石相對富集而呈暗亮條帶的季節性紋層,可見明顯的水平紋層理和揉皺變形層理(圖2A)。該巖類為本區主要儲層,發育溶蝕孔隙、構造縫、層內縫及網狀微縫,縫隙常見被石油充填,偶見方沸石晶體。

(2)砂礫巖類

砂礫巖類包括砂巖、砂礫巖和白云(灰)質砂巖。成分主要為陸源碎屑,以石英為主,少量長石和巖屑。部分巖石含有碳酸鹽而成為灰(白云)質砂巖(圖2C),碎屑顆粒分選較差,棱角-次棱角狀,其孔隙被碳酸鹽充填。

(3)泥巖及油頁巖類

泥巖類在研究區廣泛發育,部分泥巖因含碳酸鹽較多,而成為白云(灰)質泥巖,與上下相鄰泥質巖層呈漸變過渡關系。泥巖局部可見介形蟲和植物碎片,偶見長石、石英碎屑。油頁巖多呈薄層,與泥質巖類互層或夾于其中,水平層理發育。

(4)火山角礫巖

該巖類分布于研究區東部陡坡和陳家洼陷部分地區,主要為火山碎屑物質。火山角礫成分為玄武質,部分角礫巖碳酸鹽化嚴重(圖2D),具有近物源、快速堆積、顆粒結構混雜的特點。

圖2 雷家地區混積巖的主要類型A.紋層狀泥質白云巖:黃褐色白云質條帶與黑褐色泥質條帶互層;雷35井,2 477.9 m(內源型混積巖);B紋層狀泥質灰巖,雷35井,2 502.6 m(內源型混積巖);C灰質細砂巖,含泥質條帶;雷18井,2 426.7 m, (陸源型混積巖);D碳酸鹽化火山角礫巖,雷77井,3 721.83 m(火山巖型混積巖)Fig.2 Types of Mixed rocks of Leijia area

3 混合沉積特征

混積巖的分類和命名目前還未統一,最早Mount[1]采用砂(陸源碎屑)、異化粒、灰泥和泥質黏土四端元,并用立體圖法對混積巖進行分類。楊朝青等[14]采用黏土、陸源碎屑、碳酸鹽的三端元進行分類,將碳酸鹽組分>25%,陸源碎屑>10%的混合沉積歸為混積巖。張雄華[15]在黏土、陸源碎屑、碳酸鹽(顆粒或灰泥)三端元圖中,將碳酸鹽含量為5%～ 95%,陸源碎屑含量為5%～95%的混合沉積稱混積巖。梁宏斌等[16]則將混積巖劃分為3類:①結構混合沉積(狹義的混積巖),指碳酸鹽巖中含10%～ 50%的陸源碎屑(或碎屑巖中含10%～50%的碳酸鹽);②互層混合沉積,指碎屑巖與碳酸鹽巖互層;③夾層混合沉積,主要是巨厚的碳酸鹽質砂礫巖夾①或②的混合沉積。該分類方案清晰明了,便于實用。本文在梁宏斌等分類方案的基礎上,結合區內混積巖的特征,進一步擴大了狹義混積巖的范圍和類型,認為雷家地區混積巖主要有兩種類型:

3.1 結構混合沉積(狹義的混積巖)

表2 雷家地區混合沉積主要巖石類型百分比及分布Tab le 2 Percentage and Distribution ofm ineralmatters in M ixed rocks of Leijia area

(1)內源型混合沉積。主要有泥質白云巖、砂質白云巖等。這類巖石以碳酸鹽巖組分為主,泥質及陸源碎屑次之。此種類型多發育于區內西部緩坡(表2,圖3B),如雷53井沙四段2 540～2 990 m井段發育450 m厚的泥質白云巖,雷59井沙四段2 420～2 780 m井段發育360 m厚的泥質白云巖。其形成一方面是由于該部位周邊水系不發育,水動力微弱,碎屑物質注入較少;另一方面,又因湖盆寬闊寧靜,濱岸地勢平緩,湖水為碳酸鹽的飽和溶液,因而形成以碳酸鹽巖為主要成分的混積巖。

圖3 雷家地區混合沉積巖性圖A.雷60井3395～3485 m;B.雷59井2545～2645 m,C.雷58井2260～2350m;D.雷77井3677～3765 mFig.3 Lithologic columnar sections of Mixed rocks in Leijia area

(2)陸源型混合沉積。這類巖石以陸源碎屑石英、長石及富含有機質的泥質為主,其次為碳酸鹽巖組分。如白云(灰)質砂巖、白云(灰)質砂礫巖、白云(灰)質泥巖等。此種類型多發育于東部陡坡(表2,圖3A),如雷60井沙四段3 150～3 550 m井段發育近400 m厚的灰質砂巖夾灰質泥巖,雷61井沙四段2 930～3 240 m井段發育近300 m厚的灰質泥巖和白云質泥巖。其成因是由于東部陡坡離物源區較近,受主干斷裂強烈活動的影響,陸源物質供應較為充足,而湖泊水體含有一定量的碳酸鹽組分,形成以陸源碎屑為主要成分的混積巖。在雷家地區中部除了發育泥巖外,局部還形成以泥質為主要成分的陸源型混積巖。

圖4 泥巖與泥質白云巖互層的混合沉積雷59井,2 595～2 650 m(左),雷53井,2 745～2 830 m(右)Fig.4 Sedimentary type ofmudstone interbedded micrite dolostone of Mixed rocks

圖5 雷家地區主體構造及混合沉積巖性分布圖Fig.5 Distribution of themain structure and types ofmixed rocks of Leijia area

以上兩類混積巖都是較為常見的混積巖類型,也是狹義混積巖的主要組成。從表2中可以看出,本區還發育一種新的混積巖類型——即火山巖型混合沉積。這類巖石以(玄武質)火山角礫巖為主,其次為碳酸鹽巖組分。此種類型多發育于中東部雷77、雷64等井區,其成因是由于火山沉積巖相的角礫巖順陡坡滑塌入湖后,受當時碳酸鹽含量較高水質的改造,使得火山角礫巖發生嚴重碳酸鹽化,形成以火山角礫巖為主的混積巖(圖3D)。該類混積巖的發現,擴大了混積巖類型范圍,豐富了混合沉積理論研究。

3.2 互層混合沉積

此類混合沉積主要由白云(灰)質泥巖與泥質白云巖組成互層韻律(圖4),有時含豐富的有機質。由于受離物源區的遠近、物源供應的多少及所處部位的不同的影響,混合沉積特征主要為泥質巖類與白云巖類互層沉積或以夾層的形式出現或零星分散于另一種類型的巖石之中。

綜上所述,雷家地區沙四段混合沉積總體特征是:巖性以成分不純、相互混雜的碳酸鹽、泥質和砂質沉積為主,巖石類型復雜,沉積類型多樣。西部以內源型混合沉積為主,中東部以陸源型混合沉積為主,局部為火山巖型混積巖(圖5)。

4 混合沉積作用類型

混合沉積是一種特殊的沉積現象,有關混合沉積類型(過程)眾說紛紜.ount[1]提出4種混合沉積類型,即:間斷混合、原地混合、相源混合和蝕源混合。王國忠等[17]將混合沉積作用分為隨機混合沉積、相變式混合沉積和隨機-相變式混合沉積3種類型。張雄華[15]將混合沉積作用歸為5種類型:事件突變沉積混合、相緣漸變沉積混合、原地沉積混合、侵蝕再沉積混合和巖溶穿插沉積混合。董桂玉等[12]按照“沉積事件和剖面結構”原則,將混合沉積作用分為3類:漸變式混合沉積、突變式混合沉積和復合式混合沉積(Ⅰ類和Ⅱ類)。該方案較為符合既科學又實用的分類總原則。本文通過對區內混合沉積特征的歸納,沿用董桂玉等對混合沉積作用類型的劃分,認為雷家地區廣泛分布漸變式混合沉積和復合式沉積I類,局部發育突變式混合沉積。

(1)漸變式混合沉積是由正常沉積事件形成的一類巖石,其與上下巖石在成分、結構、構造方面為漸變過渡關系,沒有突變標志。區內由于不同的構造部位導致沉積環境的差異,不同的沉積環境下就會產生不同類型的沉積物,或形成內源組分的混積巖,或形成陸源組分的混積巖。二者互為消長,形成不同類型的混積巖。如西部緩坡的雷58井(圖3C),巖性從上至下依次發育泥巖、白云質泥巖和泥質白云巖。從沙四段巖性分布平面圖上也可看出,由湖區向濱岸(即從陳家洼陷至西部緩坡)巖性依次由泥巖、白云質泥巖和泥質白云巖漸變為白云巖。

(2)復合式混合沉積Ⅰ類指由正常沉積事件形成的一類巖石,其與上下巖石為巖性突變接觸。區內濱淺湖亞相出現的白云巖及少量灰巖,很少含有陸源碎屑,為正常沉積事件沉積。但其與上下的泥巖為巖性突變接觸,因此。此類混合沉積屬復合式混合沉積Ⅰ類。

(3)突變式混合沉積:主要是指本區發育的碳酸鹽化火山角礫巖。火山物質噴發后沉入湖中,與周圍的泥巖為巖性突變接觸,應屬于該混合沉積類型。

5 混合沉積的形成條件

前已述及,本區沙四段巖性以碳酸鹽巖與陸源碎屑巖為主,而碳酸鹽巖中又以白云質巖類占優勢。因此,白云質巖類是雷家地區沙四段混合沉積重要的物質基礎,白云質巖類的形成也是本區產生混合沉積的關鍵因素。

(1)白云巖的形成作用

白云巖成因假說自從被提出以來,人們從不同角度對白云巖的成因進行研究,并提出了多種成因模式[18～22]。通過對區內白云巖類沉積特征的研究可以看出,沙四段白云巖是次生交代的產物,主要屬準同生白云巖。

本區的白云石有序度約為0.56,屬低有序度白云石,說明Mg2+置換Ca2+的速度較快,在離子面上來不及進行有規律的排列。低有序度白云石通常是準同生時期形成才具有的特征。在準同生成巖環境中,成巖流體的金屬陽離子豐度較高,這勢必加快礦物離子交換(或晶出)的速度,使白云石晶出時間變短,從而形成的白云石晶形細小(不超過0.03 mm)、自形程度差。而準同生期以后生成的白云石由于結晶速度慢,通常形成晶體較大的粉晶-中晶白云石[23]。從區內白云石的結晶特征來看,無論是內源型混積巖中的泥質白云巖還是純白云巖,都是以泥晶或微晶為主。因此,白云巖類應屬準同生期的產物。

(2)白云巖及混積巖的形成條件

白云巖存在的本身就說明當時水體具有形成碳酸鹽的物質基礎和地質環境。從古氣候條件看,雷家地區沙四段沉積時期基本為中等干熱古氣候,有利于白云巖的形成。受構造活動影響,湖盆加深擴張,西部緩坡陸源碎屑不足,水體清澈,適宜生物繁衍,有利于碳酸鹽巖的發育。如白云巖中發育一定量的藻云巖、假鮞粒灰巖等,說明湖水中以藻為主的古生物吸附Ca2+和CO2,死亡后形成以碳酸鈣為主的生物灰巖。由于海侵作用的影響[24],湖水中Mg2+的相對濃度不斷增加,Mg2+交代早期形成的生物灰巖中的Ca,形成準同生白云巖。

由于混積巖是碳酸鹽巖與陸源碎屑巖同時混合沉積而成,因而白云巖形成時所具備的地質條件,如較高的鹽度、較高Mg/Ca比,較高的pH值(弱堿性-堿性),還原環境及較高溫度(28～35℃或更高)等,也就是本區當時湖盆水體能夠發生混合沉積所特有的地質條件和沉積環境。

6 結語

①遼河西部凹陷雷家地區古近系沙四段湖相碳酸鹽巖與陸源碎屑巖的混合沉積發育,混積特征明顯;②混合沉積分為結構混合和互層混合,結構混合在不同構造部位混積巖石成分不同,西部以內源型混合沉積為主,中東部以陸源型混合沉積為主,局部為火山巖型混積巖,形成了巖石類型多樣、結構復雜的混合沉積;③混合沉積作用類型包括漸變式混合沉積和復合式混合沉積Ⅰ類;④雷家地區沙四段白云巖形成時的地質條件和環境,同時也是發生混合沉積的地質條件和環境。

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Characteristics of M ixed Sedimentation in the M eber 4 of Shahejie Formation of Paleogene at Leijia Area of W estern Sag of Liaohe Oilfield

ZHAO Hui-min
(Geology Institute of CNPC Grentwall Drilling Com pary,Panjin,Liaoning 124010)

Mixed rocks is composed of lacustrine carbonates and terrigenous clastics,which is neither typical carbonate rocks nor classic clastic rocks.As a special type of rock,it develops extensively in the Meber 4 of Shahejie Formation of Paleogene in Leijia area ofWestern Sag of Liaohe Oilfield.Based on detailed observations of cores and thin sections combined with comprehensive analyses of testing data,themixed sedimentation of Leijia area is studied carefully,such as geological setting,petrological characteristic and depositional environment,etc.The characteristics of mixed sedimentation are texturalmixed and interbeddedmixed.The former is between terrigenous fragment constituent and carbonate constituent in one layer.The latter is between terrigenous fragment and carbonate of lacustrine facies in high frequency.Various tectonic settings develop in differentmineralmatters in texturalmixed rocks of Leijia area.Mixed rocks thatmostly consistof intrabasinal composition develops in thewestgently slope belt,which the lithologies aremainly composed of argillaceous dolomite,argillaceous limestone,dolomite-bearing sandstone,limestone-bearing sandstone and so on.Mixed rocksmainly composed of terrigenous components develops in the east steep slope belt and themiddle part,which the lithologies aremainly composed of dolomitic sandstone,dolomiticmudstone,calcareousmudstone,calcareous sandstone and so on.Carbonated volcanic breccia distributes in local region,which the new type ofmixed deposit is discovered for the first time by this paper.Mixed sedimentary action types include blended mixed deposits and complexmixed deposits I,salutatory mixed deposits are developing in the local region.Through the study of dolomite genesis on theory,the penecontemporaneous dolomization is pointed out in this area and the transgression and palaeoclimate have exerted an important effect on the formation of the dolostones.At last,the geological conditions and sedimentary environment for the formation ofmixed deposits are discussed.

mixed sedimentation;carbonate rocks;terrigenous clastics;the Meber 4 of Shahejie Formation;Leijia area

趙會民 男 1971年出生 博士 石油地質學 E-mail:zhhmzgy1212@sina.com

P512.2

A

1000-0550(2012)02-0283-08

①國家重點基礎研究發展規劃(973)項目(編號:2009CB21930X)資助。

2009-11-15;收修改稿日期:2011-01-30