渤海湾盆地冀中坳陷寒武纪岩相古地理及其演化

时间：2020年03月14日分类：科学技术论文次数：

摘要冀中坳陷位于渤海湾盆地西部，是发育在华北地台之上的中新生代沉积坳陷，在寒武系主要发育海相碳酸盐岩。从寒武系露头剖面入手，结合钻井地层，建立露头和钻井之间的地层对比格架。对单井相、地震相、连井相的研究表明，冀中坳陷在寒武纪构造活动平缓，

　　摘要冀中坳陷位于渤海湾盆地西部，是发育在华北地台之上的中—新生代沉积坳陷，在寒武系主要发育海相碳酸盐岩。从寒武系露头剖面入手，结合钻井地层，建立露头和钻井之间的地层对比格架。对单井相、地震相、连井相的研究表明，冀中坳陷在寒武纪构造活动平缓，各区域的地层厚度差异小。通过野外露头剖面实测、岩心观察、样品分析以及各岩性含量的统计，识别出了台地、缓坡、陆棚等3种相类型。台地相中可以识别出潮坪、局限台地、开阔台地、鲕粒滩、竹叶状砾屑滩等5种类型。潮坪主要指潮上坪和潮间坪，并进一步识别出了潮上泥坪、潮上云坪、潮上云灰坪、潮间灰坪等类型。

　　基于各沉积相类型的分析，建立了冀中坳陷寒武系的碳酸盐岩沉积相模式，并编制了9张岩相古地理图。对古地理的研究表明，冀中坳陷在府君山期开始海侵，发育了局限台地和潮坪;至馒头期、毛庄期海侵进一步发展，主要发育了潮上泥坪;到徐庄期以后，潮坪、鲕粒滩共存，并在张夏期海侵达到高潮。崮山期开始海退，潮坪沉积又开始出现。长山期、凤山期进一步海退，分别发育了竹叶状砾屑滩和潮上云坪、潮间灰坪等。

　　关键词冀中坳陷寒武纪碳酸盐岩岩相古地理沉积相模式

石油学报

　　冀中坳陷位于渤海湾盆地西部，寒武系主要发育海相碳酸盐岩。寒武系分布广泛，沉积厚度大。由于寒武系的油气勘探一直未获突破，因此在过去的研究中没有受到足够的重视。近年来在寒武系的第二统府君山组和第三统张夏组开采出了工业油流(赵贤正等，2014)，显示出寒武系也具有广阔的勘探前景。尤其四川安岳气田(杜金虎等，2014;邹才能等，2014)和鄂尔多斯南缘寒武系烃源岩(廖建波等，2016)的发现，更激起了油气工作者对寒武系的勘探兴趣。古地理格局的研究是油气勘探的基础。虽然前人(冯增昭，1990;邹伟宏，2001)做过华北地台和冀中坳陷的古地理研究，但是由于时代早，资料少，使得对于古地理的刻画较为粗略，不能很好地满足下一步油气勘探的需求。

　　近年来，随着对露头剖面的重视，已有许多研究者发表了关于北京西山寒武系剖面的研究报道(朱传庆等，2009;苏德辰等，2013;景宇轩等，2015;邢延路和冯李强，2015;金丽娜等，2016;康世龙等，2016;倪胜利，2017)。马永生等(2017)和梅冥相等(2011，2015)对北京西山下苇甸剖面的层序和沉积相进行了详细的研究，为华北地台、尤其是冀中坳陷寒武系的层序地层研究提供了很好的借鉴。但是过去的研究对于露头地层和井下地层的对比，以及井与井之间的对比，一直存在不统一的问题。此外，华北地台在寒武纪处于陆表海的环境(王龙等，2018)，地台上各区域的沉积单元应具有相似性。但是前人无论是在华北地台南部(栾守亮等，2013)、鄂尔多斯盆地(陈启林等，2012;李文厚等，2012;胡方杰等，2014;张春林等，2017)，还是各地的露头剖面中(杜圣贤等，2007;Choughetal.，2010)，建立的沉积相模式往往差异很大，且使用的沉积相术语各异，容易造成困惑。

　　作者以详细、深入的野外露头解剖作为研究工作的立脚点，以北京西山下苇甸剖面和河北井陉南王庄剖面为基干剖面，以河北邢台、曲阳、易县为辅助剖面进行研究，建立与钻井地层相对比的地层格架。在单井相、地震相、连井相分析的基础上，建立了本区域的沉积相模式，以此来预测资料少的区域的沉积相分布。在古地理岩相单元命名和编图方面，通过定量的数据来描述和约束古地理单元(冯增昭，2004，2016;Fengetal.，2014)。

　　1地质背景

　　冀中坳陷位于华北地区，地跨北京、天津以及河北省等3个省市，面积32×104ikm2，是一个发育在华北地台之上的中—新生代沉积坳陷(何登发等，2017)。华北地台范围大致包括华北、辽东和渤海等区域，面积约30×104ikm2，是中国境内保存较好的古陆块(马杏垣等，1979)。其在元古代进入稳定的发展阶段后，地台沉降，从而在地台之上沉积了巨厚的地层(赵越等，2017)。冀中坳陷寒武系属于华北地台沉积盖层的一部分，其从长城纪开始一直到三叠纪末期，都处于稳定的地台发育时期。受燕山运动的影响，侏罗纪和白垩纪构造活动强烈，同时华北地台解体。古近纪以来，冀中坳陷进入裂谷盆地的发育阶段，并沉积了巨厚的河湖相沉积(杜金虎等，2002)。由于冀中坳陷位于华北地台的中部，其沉积受控于华北地台的沉积背景。华北地台在古生代平坦广阔(冯增昭，1990;王龙等，2018)，因此不仅冀中坳陷周缘露头的地层可以与坳陷内地层相对比，地台上燕山隆起、黄骅坳陷以及鄂尔多斯盆地等区域的下古生界均可以与冀中坳陷对比。寒武系共分为8个组。

　　纽芬兰统在华北地台无沉积;第二统包括府君山组和馒头组;第三统包括毛庄组、徐庄组、张夏组和崮山组;芙蓉统包括长山组和凤山组。各组的划分界线与国际地层委员会的阶的划分界线有所差别。由于徐庄组的上部和下部在岩性和GR曲线方面差异明显，为了准确描述古地理环境，将徐庄组分为徐庄组上段和徐庄组下段来分开叙述。寒武系底部与元古界呈不整合接触。在北部地区，寒武系底部地层为青白口系景儿峪组;到南部石家庄一带，下伏地层变为长城系常州沟组砂砾岩。寒武系顶部与奥陶系呈整合接触。由于加里东运动及燕山运动引起的差异剥蚀作用，导致寒武系在坳陷内分布不均匀。坳陷西北部寒武系大部被剥蚀，在元古界之上直接覆盖古近系;坳陷中东部和南部地区寒武系保留较多。在寒武纪初期，地壳的上升还导致了府君山组和馒头组之间的不整合。

　　2相单元划分

　　寒武系岩石类型主要为碳酸盐岩，次为泥岩，整体厚度在500～700im之间。坳陷内各个组的岩性在各个区域具有相似性。地震剖面表明，冀中坳陷在寒武纪的古地理格局具有整体性，全区古地貌在同时期起伏较小，沉积厚度变化不大。如在冀中坳陷文安斜坡，地震同相轴在30ikm的长度上呈平行状连续反射，地层近均匀分布。因此，冀中坳陷寒武系在各区域的地层格架和岩相类型等方面具有较好的可对比性。在本次研究过程中，选取了地层厚度(m)、鲕粒石灰岩含量(%)、砾屑石灰岩含量(%)、准同生白云岩含量(%)、泥质含量(%)、砂岩含量(%)等进行统计。

　　不同的地层，根据其岩性特征，选取不同的岩性进行含量统计。在这些岩性含量统计的基础上，对各岩相单元进行分类和命名。在分类和命名过程中，主要采用了金振奎等(2013)提倡的碳酸盐岩沉积相分类，将海洋碳酸盐岩沉积相分为台地相、缓坡相和陆棚相。台地相包括潮坪、局限台地、开阔台地、台内鲕粒滩和风暴砾屑滩。潮坪分为潮上坪和潮间坪，并进一步划分出潮上泥坪、潮上云坪和潮间灰坪等。为反映出各组内其他非优势相的岩石组分，本次研究在岩相命名过程中还参照了各岩性的含量。如泥坪表示除泥岩外，其他岩石类型含量均小于10%;云灰坪表示灰泥石灰岩含量大于50%。

　　3岩相古地理

　　31单剖面相分析

　　以北京西山下苇甸剖面和Zg10井为例，描述冀中坳陷寒武系各组的岩性特征和测井响应特征。下苇甸剖面府君山组以灰褐色白云岩为主，同时还具有特征的角砾状白云岩和豹斑灰岩。角砾状白云岩大小不一，直径多小于5icm;形态不规则，呈棱角状;分布杂乱。关于这套角砾状白云岩的成因，前人一般认为是事件沉积作用形成，如重力流沉积(王宗起和丁孝忠，1990)、飓风或地震沉积(乔秀夫和高林志，1990)。近年也有研究认为是后期岩溶作用下坍塌而形成的(康世龙等，2016)。豹斑灰岩中，白云石一般沿裂缝、生物扰动构造或虫孔分布。豹斑灰岩中白云石斑块与基质灰岩呈过渡状态，无明显界线。它主要是由局限海沉积的含颗粒灰泥石灰岩经白云岩化而形成的(王英华等，1989)。在北京地区，豹斑灰岩可以作为府君山组的标志层(北京市地矿局，1991)。府君山组顶部为一套数十厘米的风化壳性质的土黄色角砾状白云岩。向下为灰黑色细晶白云岩，且越向府君山组中部，白云岩含量越低。整体判断，其主要为局限台地的沉积。

　　府君山组顶部与馒头组呈不整合接触。Zg10井在府君山期没有沉积。下苇甸剖面馒头组岩石类型主要为紫红色白云质泥岩，夹有厚层的白云质灰泥石灰岩、或块状层的泥—粉晶白云岩。白云质泥岩和泥—粉晶白云岩中偶见石盐假晶。馒头组下部具有和宿主岩石一致的角砾，且向上角砾逐渐消失。根据岩性和结构特征判断其为膏盐溶解崩塌的产物。在馒头组中部还夹有约5im的泥—粉晶白云岩，可见层状叠层石。这些特征表明，馒头组总体属于蒸发潮坪的环境。鉴于下苇甸剖面中白云岩厚度占地层厚度的50%以上，泥岩厚度占25%～50%之间，将其定为泥云坪。Zg10井岩性主要为紫红色泥岩和灰泥石灰岩，GR曲线表现为高低相间的锯齿状。

　　据各岩性含量，将其岩相定为泥灰坪。下苇甸剖面毛庄组岩性与馒头组类似，岩石类型主要是暗紫红色泥岩，夹有中—薄层的泥—粉晶白云岩。与馒头组不同的是，毛庄组的泥—粉晶白云岩透镜体厚度薄(<1im)、数量多，且泥岩颜色更深。鉴于泥—粉晶白云岩含量未达到10%，因此将本组沉积相定为泥坪。Zg10井岩性与其相似，GR曲线表现为高值背景下的锯齿状。根据各岩性含量，将其定为泥坪。在徐庄组的地层对比中，由于前人经常在钻井上将徐庄组上段归于张夏组，造成了露头和钻井对比的混乱;此外徐庄组上段的岩性特征和电性特征与张夏组和徐庄组下段差异明显，无论将其归于张夏组还是徐庄组，均无法较为准确地反映古地理格局。因此本次研究将徐庄组分为徐庄组上段和徐庄组下段。整体来说，徐庄组具有3个旋回的沉积特征。

　　在下苇甸剖面表现为：第1个旋回由灰绿色页岩、钙质粉砂岩、鲕粒石灰岩的岩性序列组成，其中局部的鲕粒石灰岩中可见到大型鱼骨状交错层理，鲕粒多为亮晶鲕粒石灰岩，表明此时是一个潮汐作用主导的高能环境;第2个旋回由陆棚相的灰绿色页岩、缓坡相的灰质粉砂岩和台地相的灰泥石灰岩组成;第3个旋回由潮坪相的灰泥石灰岩和白云质灰泥石灰岩组成。第1个旋回构成徐庄组的下段，第2个旋回和第3个旋回构成徐庄组上段。根据各岩性含量，将下苇甸剖面徐庄组下段和上段的沉积相分别定为台内鲕粒滩亚相和缓坡—陆棚相。Zg10井徐庄组下段岩性为紫红色泥岩和白云岩，GR曲线呈高值的齿状，将其定为泥云坪亚微相。

　　上段岩性以石灰岩和白云岩为主，GR曲线呈下凹上凸状。白云岩对应的GR曲线数值低，表明白云岩中含泥质少，结合相邻井岩性判断，白云岩为非准同生白云岩，其原岩为厚层灰泥石灰岩，据此将其定为开阔台地。张夏组岩性主要是灰泥石灰岩和亮晶鲕粒石灰岩。张夏组的鲕粒石灰岩在华北地台广泛分布，是具有标志性的岩石类型，代表了一个高能鲕粒滩的沉积环境。这些鲕粒中广泛发育的鲕粒皮层，与微生物(尤其是蓝细菌)的活动相关，表明了寒武纪第三世海洋环境中蓝细菌繁荣的特点(马永生等，2017);下苇甸剖面中还可见到深水生物丘灰岩和柱状叠层石，印证了寒武纪以来微生物更加繁盛的现象。此外，在亮晶鲕粒石灰岩中常夹有风暴砾屑石灰岩透镜层、缓坡相沉积的泥质条带灰岩以及陆棚相的灰绿色钙质泥岩。这些特征表明，在持续动荡的鲕粒滩发育时期，还间歇性地发生了风暴和海侵。根据各岩性含量，结合华北地台的沉积背景，将下苇甸的沉积相定为台内鲕粒滩亚相。Zg10岩性和下苇甸剖面岩性相似，GR曲线表现为低平的特征，将其沉积相定为台内鲕粒滩。

　　4结论

　　1)结合5个露头剖面和17口井的钻井剖面岩性特征、测井特征以及区域地震相特征，建立了露头与钻井之间的地层对比格架和沉积相对比剖面，明确了沉积相在横向上和垂向上的变化规律。2)冀中坳陷寒武纪发育台地、缓坡、陆棚3种相类型，台地相中可以识别出潮坪、局限台地、开阔台地、鲕粒滩、砾屑滩等5种类型。潮坪主要指潮上坪和潮间坪，并进一步识别出潮上泥坪、潮上云坪、潮上云灰坪、潮间灰坪等类型。分析各个沉积相类型的特征和时空展布，建立了寒武纪沉积相模式。3)编制了冀中坳陷及周边露头剖面地区的岩相古地理图9张。冀中坳陷在府君山期开始海侵，发育了局限台地和潮坪;至馒头期、毛庄期海侵进一步发展，发育潮上泥坪;到徐庄期，潮坪、鲕粒滩共存;在张夏期海侵达到高潮。崮山期开始海退，潮坪沉积又开始出现;长山期、凤山期进一步海退，分别发育了竹叶状砾屑滩和潮上云坪、潮间灰坪等。

　　参考文献(References)

　　北京市地质矿产局.1991.北京市区域地质.北京：地质出版社，131-132.[BeijingGeologicalBureau.1991.RegionalGeologyofBeijingMunicipality.Beijing：GeologicalPublishingHouse，131-132]

　　陈启林，白云来，黄勇，马玉虎，刘晓光，魏立华，完颜容，韩晓峰.2012.

　　鄂尔多斯盆地寒武纪层序岩相古地理.石油学报，33(S2)：82-94.

　　[ChenQL，BaiYL，HuangY，MaYH，LiuXG，WeiLH，WanyanR，HanXF.2012.SequencelithofaciespalaeogeographyoftheCambrianinOrdosBasin，China.ActaPetroleiSinica，33(S2)：82-94]

　　相关论文投稿刊物：《石油学报》创刊于1980年，重点报道我国石油和天然气领域具有原创性的基础研究和应用研究成果，反映重大课题研究的最新进展，推广新技术和新方法，促进国内外石油科技学术交流。

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