惠民凹陷江家店地區古近系沙河街組物源體系特征與演化

柴君林，王艷忠，王鑄坤，王淑萍，李宇志，弭連山，周磊

1.中國石油大學（華東）地球科學與技術學院，山東青島 266580

2.中國石油大學（華東）石油工業訓練中心，山東青島 266580

3.中國石化勝利油田分公司東辛采油廠，山東東營 257061

4.中國石化勝利油田分公司勝利采油廠，山東東營 257000

5.中國石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東東營 257000

0 引言

自1960 年鉆探華7 井以來，惠民凹陷已經歷了六十余載的勘探歷程。臨南洼陷是惠民凹陷勘探程度最高、潛力最大的生油洼陷[1]，其周緣已發現了臨盤油田、臨南油田、商河油田、玉皇廟油田、江家店油田、曲堤油田、錢官屯油田等油氣田[2-4]。儲油巖性包括碎屑巖、火成巖、湖相碳酸鹽巖等類型[5]，油氣藏類型也復雜多樣，有地層油氣藏、巖性油氣藏、斷塊油氣藏、潛山油氣藏及火山披覆油氣藏等[1-2,4,6-7]。臨南洼陷為賦存優質烴源巖的生烴洼陷，沙四段、沙三段、沙二段和沙一段都發育富有機質的泥質巖、油頁巖，其中以沙三段烴源巖為主，沙一段為輔[8-9]。沙三段烴源巖單井有機碳含量可高達7.1%，其中又以沙三中、下亞段為主力生烴層位[10-11]。夏口斷層、臨邑斷層分別為臨南洼陷南部和北部的邊界斷層，斷層活動時間長[2,12-13]，油氣輸導條件有利。

江家店地區為夏口斷層下降盤中段、呈NW展布的鼻狀構造[14]，為油氣運移的有利指向區[15]。勘探實踐證實，雖然該區已發現油氣藏，但近十年來未有規模性的油氣發現。與夏口斷層有關的油氣藏主要分布在下降盤西段的雙豐鼻狀構造帶和上升盤中段的曲堤地壘[14]，造成油氣資源分布不均衡的原因，除了與夏口斷層不同段的封堵性質有關外，主要受控于砂體的規模以及優質儲層的展布。江家店地區探井數量少，如何在少井的情況下對砂體進行有效預測是下步勘探的主要任務。物源體系分析是沉積體系研究的前提，目前物源分析研究的主要方法包括地震反射特征、Dickinson 圖解、成熟度指標、重礦物組合、特征元素比值、砂礫巖百分含量分布、鋯石U-Pb測年等[10,16-22]。不同母巖類型決定了沉積砂體的巖石組分，進而控制了儲層物性。高成分成熟度砂巖儲層的原生孔隙保存較好，而易溶火山巖巖屑（如中性安山巖巖屑、基性玄武巖巖屑）含量較高的低成分成熟度砂巖儲層的次生孔隙比例更高。對于江家店地區而言，沙河街組碎屑巖沉積、層序、儲層等基礎研究十分薄弱。在物源體系研究方面，前人僅利用特征元素比值對沉積區和物源區進行了簡單對比，認為江家店地區沙三、沙四段沉積時期的沉積物來源于魯西隆起帶中生界地層的風化剝蝕，但未從地質學的角度提供充足的證據[23]。此外，隨著構造活動的進行，物源體系并非一成不變，物源區及碎屑輸導路徑的時空演化同樣是物源體系研究的重點和難點。立足于勘探實際和資料情況，結合泥質巖樣品的特征元素比值分布模式的對比、巖石組分Q 型聚類分析和砂礫巖百分含量展布特征，對江家店地區沙河街組沙四上亞段、沙三段物源體系的特征及演化進行系統分析，識別出三個主要物源體系，并建立了不同層序發育時期的物源演化模式，該研究成果對惠民凹陷江家店地區沙四上—沙三下亞段沉積砂體和優質儲層的預測具有指導意義。

1 地質概況

惠民凹陷是濟陽坳陷內最大的次級凹陷，位于濟陽坳陷的西南部，是發育在華北地臺上的中、新生代雙斷式裂谷盆地，整體上分為北部陡坡帶、南部斜坡帶和中央隆起帶，由臨南洼陷、滋鎮洼陷、里則鎮洼陷等次級洼陷和若干個凸起組成[1,3]。江家店地區位于惠民凹陷南部斜坡帶的中部，是夏口斷層下降盤中段的鼻狀構造[14]。北部向臨南洼陷延伸，南部通過夏口斷層與曲堤地壘相接（圖1）。根據巖性組合所反映的可容空間變化與沉積物增量的關系，沙四上—沙三段地層由下而上可劃分為5個三級層序（圖2），分別對應沙四上亞段（層序Ⅰ）、沙三下亞段（層序Ⅱ）、沙三中亞段（層序Ⅲ）、沙三上亞段下部（層序Ⅳ）和沙三上亞段上部（層序Ⅴ），其中層序Ⅰ和層序Ⅴ為經典四分層序[23]（低位域、湖侵域、高位域、下降域），層序Ⅱ、層序Ⅲ、層序Ⅳ為T-R層序[23-24]（湖侵域、湖退域）。研究區沙河街組發育多種沉積相類型，包括碎屑巖灘壩、辮狀河三角洲、曲流河三角洲以及下切谷水道等[4,25-28]。地層中泥質巖較發育，包括泥巖、泥質粉砂巖、泥質砂巖等，儲層厚度小且巖性偏細，以不等粒砂巖、粉砂巖為主。進入新生代裂谷盆地發育時期，前古近系發生不同程度的抬升，形成凸起或隆起，并為古近系湖盆提供碎屑物質。根據濟陽坳陷剝第三系地質圖（臨盤油田內部資料），惠民凹陷內部凸起或邊界隆起不同程度地出露了前寒武、寒武系、奧陶系、石炭系、泥盆系及中生界地層。凹陷內部不發育凸起，因此北部的埕寧隆起和南部的魯西隆起是研究區沙四上—沙三段地層的可能物源。

圖1 惠民凹陷江家店地區構造位置及井位分布（a）江家店地區在惠民凹陷的位置（據文獻[14]修改）；（b）江家店地區井位分布；樣品井已在圖中用紅色標記Fig.1 Tectonic location and distribution of exploration wells in the Jiangjiadian area,Huimin Sag

圖2 惠民凹陷江家店地區沙四上—沙三段地層柱狀圖Fig.2 Generalized E2-E2s3 stratigraphy of the Jiangjiadian area,Huimin Sag

2 樣品和研究方法

沉積物中的特征元素包括大部分主量元素和部分微量元素。某些特征元素化學性質較為穩定，主要受物源影響，相對獨立于沉積環境和成巖作用，同時這些元素具有一致的富集程度和富集規律，因此相關性較好的兩種元素含量的比值可作為物源對比的示蹤指標[16]。堿及堿土金屬元素的遷移順序是Ca＞Sr＞Na＞Mg＞K＞Fe、Al，K 在化學風化時遷移量較少，而Fe 和Al 則近乎沒有遷移，因此Fe/K 可以作為物源對比的示蹤指標[29]。Ca 和Mg 具有相近的淋失和富集規律，Mg/Ca 可以作為物源對比的示蹤指標。Sr 和Ba 的地球化學特性較為相似，二者均可以類質同象的形式存在于（鉀）長石，在近源碎屑沉積物中關系密切，因此Ba/Sr可以作為物源示蹤指標[29]。Ca、Sr、Mn元素常組成一個共生組合，其富集與否具有同步性，Mn/Sr 可作為物源對比的依據[16]。Co、Ni、Fe 三種元素同屬鐵族元素，二價離子半徑相近，具有較好的親緣性，Ni/Co 比值在不同的沉積環境中變化不大，其大小主要由巖漿晶出方式決定，Ni/Co 是物源對比的一個可靠指標[29]。Mg/Al 和Al/Na 反映了活動組分（堿土和堿金屬）與惰性組分Al 之間的關系，可作為物源對比的良好指標[30]。前人在利用特征元素比值進行物源對比方面進行了大量有益的研究，研究對象包括中生界、古近系、第四系的砂巖以及長江下游黃土沉積[17,29-31]。研究數據來自勝利油田勘探開發研究院用ICP-AES 方法測得的Zn、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、V、Ga、Al、Sr、Ca、Ba、Na和K等14種元素的含量，樣品涵蓋了江家店地區13 口井中150 塊粉砂巖、細砂巖等細粒碎屑巖樣品和21塊物源區樣品。在前述特征元素物源分析的基礎上，結合研究區實際情況，選取了Ni/Co、V/Co、Mg/Mn、Mn/Sr、Ba/Mn、Fe/K、Mg/Ca、Ba/Sr、Mg/Al、Al/Na 等十個特征元素比值作為物源對比的示蹤指標。

盆內陸源碎屑是由物源區巖石提供的，因此沉積巖（物）中碎屑顆粒的類型及相對含量在一定程度上能夠反映物源區母巖的性質[32-33]。不同類型的母巖所形成的碎屑顆粒組合明顯不同，因此可以通過分析石英、長石、巖屑的相對含量以及巖屑的類型和含量來研究物源區的母巖性質，進而劃分物源體系。在多源、混源盆地內，如果僅通過某一沉積時期內輕礦物組分的類型和平均含量進行物源判別，只能得到多物源混合后的綜合沉積特征，而不能將單獨的物源體系識別出來[34]。為了區分在多源、混源沉積區內石英—長石—巖屑組合（QFR）的特征，應用SPSS 18.0 軟件中的Q 型聚類分析方法來劃定不同的物源體系。研究共選取160塊儲層樣品，即160個分析樣本，每個樣本為石英含量、長石含量、沉積巖巖屑含量、巖漿巖巖屑含量和變質巖巖屑含量五個參數的組合。通過系統聚類，使得多源、混源導致的沉積巖樣品進行有效分離，每一類碎屑成分的組合（QFR）即代表一個物源區。

在機械分異作用下，沉積地層中砂礫巖百分含量與沉積物的搬運方向具有密切關系。沿古水流方向，水流搬運能力減弱，沉積物粒度逐漸變細，分選磨圓變好，泥質含量增加，最終導致地層中砂礫巖百分含量逐漸降低[35-36]。因此，對研究區29口井的砂礫巖百分含量進行統計，在構造背景的約束下繪制砂礫巖百分含量等值線圖，進而判斷研究區各個層序發育時沉積巖的物源方向及物源體系隨時間的演化。

3 物源體系特征

3.1 特征元素比值的分布模式

特征元素比值繼承了源區母巖的地球化學性質，通過對比沉積區與物源區特征元素比值分布模式，即可以判斷沙四上—沙三段各層序的碎屑物質來源。由特征元素比值分布模式圖可知（圖3），各層序樣品特征元素Mg/Mn 比值處發育明顯的尖峰，該比值在層序Ⅰ、層序Ⅱ可超過50，在層序Ⅲ～Ⅴ減小，一般小于40，反映母巖類型發生了一定程度的變化。各層序特征元素Al/Mg比值也表現為高值，但遠遠小于Mg/Mn 比值，該比值在10 附近。此外，Ba/Mn 比值、Al/Na 也呈現出異常高值的特征，但比值在各層序中差異不大，一般低于5。

圖3 各層序典型樣品的特征元素比值分布模式（a）層序Ⅰ；（b）層序Ⅱ；（c）層序Ⅲ；（d）層序Ⅳ；（e）層序ⅤFig.3 Distribution of ratios of characteristic elements for typical samples in each sequence

江家店地區沙四上—沙三段地層的潛在物源包括前寒武系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系和中生界，分析樣品取自濟陽坳陷的古潛山和凸起。對于渤海灣盆地而言，前古近系地層的發育具有一致性：前寒武系為結晶巖系，是華北地臺最底部的基巖，巖性包括黑云角閃變粒巖、斜長角閃巖、二長花崗巖、鉀長花崗巖、花崗片麻巖和片麻狀閃長巖等，其中研究區靠近花崗片麻巖發育區[37]；下古生界寒武系和奧陶系為渤海灣結晶基底的中間層系，為一套海相碳酸鹽巖[38]；上古生界二疊系和三疊系為華北地臺之上發育的海陸過渡相碎屑巖地層，其中中石炭統—下二疊統發育一套煤系地層，中上二疊統為河流相和湖泊相地層[39]；中生代時期為華北地臺分解、板塊構造活躍階段，主要為小型盆地內的近源碎屑巖沉積，同時火山活動強烈，導致沿基底斷裂火成巖普遍發育[40]。不同層位的特征元素比值既有共性，又存在差異（圖4、表1）。前寒武系、寒武系、奧陶系、石炭系和中生界Mg/Mn 比值處發育明顯尖峰，二疊系此峰值不明顯；二疊系、中生界Al/Na 比值高，前寒武系、寒武系、奧陶系和石炭系Al/Na 比值不發育尖峰；二疊系、中生界均發育Al/Mg 比值的尖峰，但是二疊系不發育Ba/Mn 比值的峰值。根據特征元素比值分布模式的對比，認為中生界為江家店地區沙四上—沙三段提供碎屑來源。

表1 各層序典型樣品的特征元素比值Table 1 Ratios of characteristic elements for typical samples in each sequence

圖4 潛在物源的特征元素比值分布模式（a）前寒武系；（b）寒武系；（c）奧陶系；（d）石炭系；（e）二疊系；（f）中生界Fig.4 Characteristic element distributions of potential provenances

3.2 巖石碎屑顆粒組分

江家店地區沙四上—沙三段各層序砂巖的巖石類型以巖屑質長石砂巖為主（圖5a），發育少量長石砂巖和長石質巖屑砂巖。砂巖有較高的成分成熟度，碎屑組成以風化穩定性較高的石英、長石顆粒占絕對優勢（圖5b）。各層序砂巖中碎屑組分的平均含量差別不大，其中石英含量為40%～50%，長石含量在30%左右，火成巖巖屑含量為2%～10%，變質巖巖屑含量為14%～20%，沉積巖巖屑含量不超過5%（表2）。

表2 各層序巖石組分的平均含量Table 2 Mean content of rock components for the sandstones in each sequence

圖5 各層序砂巖巖石學特征（a）巖性三角圖；（b）各層序巖石組分的平均含量Fig.5 Lithological characteristics of the sandstones in each sequence

由于層序Ⅲ樣品數量較少，無法進行有效的聚類分析，故本研究只展示了層序Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ的聚類分析結果（圖6）。對于層序Ⅰ而言，Q型聚類分析結果顯示出兩種QFR組合，即發育兩個物源區，夏斜507 井的樣品代表第一個物源區的母巖性質，夏510井樣品可代表另一個物源區，而夏511井為混源沉積（圖6a）。對于層序Ⅱ，夏斜504井、夏斜506井、夏斜507 井的樣品代表一個物源區，夏941 井、夏斜502井、夏501井、夏503井的樣品代表第二個物源區，夏510井和夏斜502井的樣品則分別代表了第三、四個物源區（圖6b）。對于層序Ⅳ，樣品特征揭示了兩個物源區的存在，第一個物源區以夏斜507井樣品為代表，第二個物源區以夏47 井的樣品為代表（圖6c）。對于層序Ⅴ，主要存在兩個物源區，分別以夏97 井、夏斜507井的樣品為代表（圖6d）。

圖6 各層序QFR 組合的Q 型聚類分析圖（a）層序Ⅰ；（b）層序Ⅱ；（c）層序Ⅳ；（d）層序ⅤFig.6 Q-type cluster analysis graphs of the quartz-feldspar-rock fragment assemblages from each sequence

3.3 砂礫巖百分含量

層序Ⅰ砂礫巖百分含量平面圖顯示，垂直夏口斷層方向發育三個物源體系。碎屑物質分別經西段的夏27井和夏斜98井之間、夏24井和東段的夏225井進入沉積區。靠近夏口斷層，砂礫巖百分含量可超過60%，隨著碎屑搬運距離的增加，砂礫巖百分含量逐漸降低至30%以下（圖7a）。

圖7 各層序砂礫巖百分含量分布圖（a）層序Ⅰ；（b）層序Ⅱ；（c）層序Ⅲ；（d）層序Ⅳ；（e）層序ⅤFig.7 Distribution of the glutenite percentage of each sequence

層序Ⅱ發育時期，沿夏口斷層存在五個物源體系，碎屑搬運路徑分別經過西段的夏26井、夏27井、夏斜98井、夏37井和東段的夏223井（圖7b）。夏27井、夏斜98 井對應的兩個物源體系的發育具有繼承性，但在沉積區具有明顯的混源特征。夏26 井、夏37 井對應的物源體系供砂能力較弱，導致砂體發育規模較小。東側物源形成了夏223井區的沉積，與層序Ⅰ時期相比，形成的砂體范圍有所增大，且繼承性明顯。隨著碎屑搬運距離的增加，砂礫巖百分含量降低，但在距物源區較遠的夏35井、夏39井和夏392井區發育了孤立的砂體。由于鉆遇該砂體的井極少，無法通過砂礫巖百分含量的變化來準確判斷其來源，結合砂體發育位置及其與西段物源的關系，推測為重力流成因①操應長.臨南洼陷南斜坡沙河街組沉積體系研究，2003.。值得注意的是，對于西側的主沉積區，巖石組分QFR 聚類分析的結果揭示了四個物源體系的存在，而砂巖百分含量的分布特征僅僅表明碎屑物質由兩個物源區提供，兩種方法得出的結果相悖。分析認為，層序Ⅱ湖侵域發育的早期，湖盆范圍小，物源區距離沉積區較遠，碎屑物質供應不足，物源夏斜502井的局部樣品和夏510井樣品代表了初期的小規模異重流沉積。

相對于層序Ⅰ和層序Ⅱ，層序Ⅲ發育時期砂體規模明顯減小，反映了水體變深、物源區后退的湖進沉積（圖7c）。西段和東段沉積區對應的物源體系具有繼承性發育的特征，夏26井、夏斜98井、夏21井和夏223井仍然位于物源通道上。

層序Ⅳ發育時期，研究區發育了三個較大的物源體系，西段物源體系的碎屑物質入湖通道在夏27 井和夏斜98井附近，東段物源體系在夏223井附近發生碎屑物質的卸載（圖7d）。隨著砂體搬運距離的增加，不同點物源的碎屑物質迅速混合，逐漸連片發育，形成大規模分布的砂體。相對于層序Ⅲ而言，西段和東段的砂體規模皆明顯增大，說明該層序發育時，湖平面下降，物源供應充足，表現為湖退和砂體進積的特征。同時，沉積區砂礫巖百分含量較低，沿夏口斷層分布的碎屑物質卸載區，各井的砂礫巖百分含量不超過50%，說明該時期地形較緩，構造條件穩定。

相對于層序Ⅳ，層序Ⅴ發育時期砂體規模，尤其是西段砂體的分布范圍持續增大，可識別出兩個物源體系，碎屑入湖區分別位于夏27井區和夏37井附近，東段物源仍然持續發育。夏27 井區對應的物源體系，碎屑物質由南向北搬運，而對于夏37井區對應的物源體系，碎屑物質表現出自西向東搬運的趨勢，兩者在夏501井、夏503井、夏508井和夏511井處發生交匯。該層序發育時期，不僅砂體的平面展布范圍大，而且砂礫巖百分含量也較高，在碎屑物質卸載處砂礫巖百分含量普遍超過70%，反映該時期構造活動增強，物源區和沉積區高差變大的特征（圖7e）。

4 物源體系演化

前人通過對魯西隆起構造演化的數值模擬，發現中生代時期魯西隆起和濟陽坳陷具有一致的構造活動性，中始新世—漸新世時期魯西隆起不斷抬升[41]，成為濟陽坳陷南部沉積區的重要碎屑物質來源[42]。王國光[43]對惠民凹陷西部地區沙三段物源和沉積體系做了系統研究，認為研究區存在兩個物源體系，主要物源為北部埕寧隆起和南部魯西隆起，其中南部物源控制了雙豐砂體、江家店砂體和瓦屋砂體的展布。根據前人研究成果，綜合特征元素比值、巖石碎屑顆粒組分及砂礫巖百分含量等方面的證據，認為江家店地區沙四上—沙三段的物源區為魯西隆起，可進一步識別出三個主要物源體系（圖8）。夏口斷層西段的兩個物源體系規模較大，碎屑物質搬運通道發生了遷移，東段物源規模較小，為繼承性的點物源。

圖8 江家店地區沙四上—沙三段地層物源體系演化模式（a）層序Ⅰ；（b）層序Ⅱ；（c）層序Ⅲ；（d）層序Ⅳ；（e）層序ⅤFig.8 Evolutionary model of provenance systems in the E2-E2s3 succession,Jiangjiadian area

在物源區及碎屑搬運路徑識別的基礎上，總結了江家店地區沙四上—沙三段物源體系的演化模式（圖8）。層序Ⅰ發育時期，即沙四上亞段，沿夏口斷層主要存在三個碎屑物質卸載區，分別對應西段以夏27 井、夏斜98 井為代表的物源體系和東段以夏223 井為代表的物源體系。沙四上時期為湖盆斷陷的早期，斷層活動較弱，來自魯西隆起的大量碎屑物質進入湖盆，砂體大規模發育（圖7a）。層序Ⅱ發育時期，即沙三下亞段沉積期，層序Ⅰ時期的三大物源體系繼承性發育，但砂體規模有所減小，同時出現多個小型砂體（圖7b）。層序Ⅲ發育時期，即沙三中亞段沉積期，物源區明顯后退，湖平面上升，砂體規模明顯變小，此時湖盆由多個小型點物源提供碎屑物質（圖7c）。據前人研究，渤海灣盆地沙三段是盆地強烈斷陷的時期，且沙三中時期水體最深[44]。因此，該時期為退積沉積特征，砂體規模有限，在深洼陷區重力流沉積較發育。層序Ⅳ和層序Ⅴ發育時期，斷陷作用減弱，經過了早期的剝蝕和湖盆充填作用，魯西隆起與湖盆的高差變小，湖平面降低，砂體由退積變為進積，平面分布范圍變大（圖7d，e）。

5 結論

（1）江家店地區沙四上—沙三段特征元素特征表現為明顯高Mg/Mn 比值、Al/Mg 比值和較高Ba/Mn比值、Al/Na 比值的特點，各層序樣品特征元素比值分布模式與中生界接近，反映了其碎屑物質來源于中生界。

（2）各層序砂巖成熟度較高，巖石類型主要為巖屑質長石砂巖，且碎屑顆粒組分的平均含量差別不大，但是Q 型聚類分析結果表明各層序存在時間上繼承性、空間上差異性的物源體系。層序Ⅰ發育兩個物源體系，分別以夏斜507 井樣品、夏510 井樣品為代表；層序Ⅱ發育四個物源體系，夏斜504 井—夏斜506 井—夏斜507 井的樣品和夏941 井—夏斜502井—夏501 井—夏503 井的樣品代表主要物源，夏510 井、夏斜502 井樣品則代表次要物源；層序Ⅳ揭示了兩個物源體系，分別以夏斜507 井樣品和夏47井樣品為代表；層序Ⅴ存在兩個物源體系，分別為以夏97井樣品為代表和夏斜507井樣品為代表。

（3）層序Ⅰ時期，夏口斷層西段主要存在過夏27井—夏斜98井區和夏24井區的物源通道，東段存在過夏225 井區的物源通道，此時砂體發育規模較大；層序Ⅱ時期，物源體系繼承性發育，同時在西段發育兩個小型物源通道；層序Ⅲ時期，物源體系仍然繼承性發育，但砂體規模明顯減小，反映物源后退，湖平面上升；層序Ⅳ、層序Ⅴ時期，物源體系發育特征與層序Ⅰ和層序Ⅱ相似，但此時砂體規模最大，說明湖平面下降，砂體持續向湖盆進積。