徐州大北望地区寒武系陆表海沉积特征及其演化

栾守亮,陈世悦,马玉新,郭 峰,李 聪

(1.中石化胜利油田分公司,山东 东营 257000;2.中国石油大学,山东 青岛 266555; 3.西安石油大学,陕西 西安 710065)

徐州大北望地区寒武系陆表海沉积特征及其演化

栾守亮1,陈世悦2,马玉新2,郭 峰3,李 聪2

(1.中石化胜利油田分公司,山东 东营 257000;2.中国石油大学,山东 青岛 266555; 3.西安石油大学,陕西 西安 710065)

徐州大北望地区寒武系为华北地台陆表海环境的典型沉积建造,寒武系碳酸盐岩生油潜力及储集层发育情况都有待于研究。通过分析该区寒武系岩石学及陆表海沉积环境特征,恢复了区域海平面变化、周期及古地理环境。综合野外露头与室内分析,研究区寒武系主要发育的岩石类型为碳酸盐岩,其中鲕粒灰岩厚度较大。该区寒武系陆表海环境中发育沉积相类型主要有潮坪、滩相、滩间海、局限海。该区沉积演化为早寒武世主要以潮坪沉积为主,中寒武世发生了寒武系最大一次海侵,台地鲕粒滩相较发育,晚寒武世水深逐渐变浅,出现局限海、潮坪环境。台地浅滩相中发育的鲕粒灰岩及白云岩为较有利储集岩,该区寒武系云坪沉积具有潜在油气储集意义。

沉积特征;潮坪;寒武系;徐州大北望地区

引 言

徐州大北望尖山剖面地层为华北型,属华北地层区鲁西北地层分区徐州 -宿县小区。该剖面寒武系地层连续,出露较好,厚约 837.2 m,构造简单,为一宽缓的背斜构造。该剖面是华北板块东南部早古生代野外代表剖面之一,适合野外观察与地层实测。该区寒武系自下而上依次划分为猴家山组、馒头组、毛庄组、徐庄组、张夏组、崮山组、长山组、凤山组。

目前华北地区下古生界碳酸盐岩已作为油气勘探的新层位,在安徽宿县夹沟张夏组鲕粒灰岩发现有油气显示[1-2]。从沉积的角度考虑,通过研究沉积期的大地构造背景、沉积岩性、沉积构造,来分析能否形成生油岩、储集层发育的有利沉积相带[3],因此对该剖面进行岩石特征、沉积环境分析,具有重要油气地质意义。

1 岩石剖面特征

研究区寒武系较早接受海侵,地层沉积较厚。岩石类型以碳酸盐岩为主。主要有泥晶灰岩、颗粒灰岩、叠层藻灰岩、白云岩、泥页岩、粉砂岩等。

该类岩石主要包括含颗粒泥晶灰岩、含泥泥晶灰岩、泥质泥晶灰岩、条带状泥晶灰岩、瘤状泥晶灰岩、豹斑状泥晶灰岩、白云质泥晶灰岩及狭义的泥晶灰岩等[4]。馒头组、长山组发育较多含泥灰岩、泥质灰岩、链条灰岩、瘤状灰岩等,水平至水平波状层理发育。豹斑灰岩在张夏组中段发育。白云质灰岩多发育于上寒武统。较纯净的泥晶灰岩发育较少。

该地区各类颗粒灰岩较为发育,张夏组及其上寒武统下部中含量很高。颗粒灰岩类型包括鲕粒灰岩、核形石灰岩、竹叶状砾屑灰岩、砂屑灰岩、生屑灰岩等。张夏组广泛发育鲕粒灰岩,鲕粒灰岩多为亮晶孔隙式胶结,鲕粒含量达 75%。鲕的内部结构多样,可见放射鲕、偏心鲕、复鲕、椭形鲕、云质鲕、假鲕、变形鲕[5]等。核形石灰岩见于馒头组上段,核心为生物碎屑、鲕粒、砂屑等,多为亮晶胶结。核形石核心可见藻丝状体,以葛万藻最为常见。竹叶状砾屑灰岩多呈薄层状,与泥晶灰岩、薄层云泥质条带灰岩共生,砾屑多见红色氧化圈。砂屑灰岩多发于在馒头组下段、毛庄组、长山组,砂屑多为砂屑灰岩或鲕粒灰岩,肉眼可辨,粒径以 1～2 mm为主,镜下砂屑多呈等轴粒状,次棱角状—次圆状为主,以亮晶胶结为主,局部为灰泥充填。砂屑含量为40%～75%,常与砾屑、生物屑、海绿石共生,而海绿石在地层中分布相当普遍[6]。生物屑灰岩多见于馒头组上部、毛庄组下部、徐庄组,常与砂屑、粉屑、鲕粒等粒屑伴生,生物碎屑成分主要为三叶虫、腕足类、海百合、双壳、介形虫、牙形石等碎片,具磨蚀痕迹,但分选差,填隙物以亮晶为主,少量泥晶。叠层石灰岩在该地区见于张夏组、长山组和凤山组,宏观横切面上呈同心圆柱状,直径 10～25 cm,高 40～70 cm,内部纹层呈圆弧状,叠层构造明显。

白云岩见于凤山组,多见粗 -细晶白云岩、灰质白云岩、竹叶状细晶白云岩、叠层石白云岩,为准同生白云岩及准同生后白云岩,分布于海退沉积序列的顶部。由于蒸发作用和回流渗透作用常相伴出现,垂向地层由上到下岩石类型出现的规律近于准同生白云岩 -准砂糖状白云岩 -灰质云斑岩 -云斑石灰岩 -石灰岩的序列。大北望地区碎屑岩发育较少,仅在猴家山组、馒头组发育,紫红、黄绿色页岩较多见,含少量粉细砂,表面风化后呈碎片状,层理面见白云母片。

2 主要沉积相类型

2.1 潮坪相

潮坪相有滨岸潮坪(图 1 a)与台地潮坪 (图 2 a)2种,滨岸潮坪相主要发育在早寒武世海侵初期,主要为黏土岩。至馒头期海侵范围加大,以紫、紫红色粉砂质页岩和钙质页岩为主,夹薄层泥灰岩。台地潮坪相主要发育在馒头组上部、长山组、凤山组,为潮上云灰坪沉积,可见水平层理。

图 1 大北望地区寒武系沉积相类型

2.2 滨岸浅滩相

主要发育在长山组、毛庄组、徐庄组,以碳酸盐岩沉积为主,伴有碎屑沉积,代表岩性为泥质灰岩夹竹叶状灰岩 (图 1 b),有柱状叠层石发育,代表近岸潮汐低能浅滩沉积环境。

2.3 局限台地(滩间海)

主要发育于崮山组、长山组,为盐度偏高、低能、局限台地环境,化石种类少,不利于广海生物发育,沉积物多泥质条带泥晶灰岩 (图 1 c)、生屑灰岩、藻叠层石灰岩。

2.4 开阔台地

仅发育在张夏期海侵达到高潮时,为盐度正常,中等能量的环境。岩石发育以含颗粒灰岩、豹斑泥质灰岩为主。岩石中颗粒类型单一,多为鲕粒等代表高能环境的颗粒。化石较为丰富,见介形虫、三叶虫、腕足类等。

2.5 台地浅滩(鲕粒滩)

主要发育在张夏组,其次为崮山组,本地浅滩主要形式是鲕粒滩 (图 1 d),为潮下高能带沉积,该相带盐度正常,水体通畅、连通性较好,生物化石丰富,多沉积鲕粒灰岩、生屑灰岩。鲕粒滩之间为局限滩间海环境(图 2 b)。

3.2 中寒武统

图 2 典型沉积相沉积序列

3 沉积模式及沉积演化

3.1 下寒武统

猴家山组时期开始了寒武纪第一次海侵,规模与强度都不大,由此开始了华北地台早古生代海相沉积历史[7],此次观察猴家山下段未见底,主要为紫红色、黄绿色页岩夹泥晶灰岩,顶部为含泥生屑灰岩,见水平波状层理。本期为云灰、灰泥坪沉积。

馒头组下段:下部为暗紫色页岩,向上逐渐为豹皮状灰岩、泥质灰岩、含白云质灰岩、竹叶状砾屑灰岩,指示了水动力条件强的潮间带下部和潮下带上部的浅水部位。紫红、灰绿色钙质页岩,泥质灰岩交互出现,说明海平面的频繁升降,气候干、湿交替的泥灰坪沉积。

馒头组上段:底部发育一层核形石灰岩,作为馒头组上段和下段的分界标志层。它指示了一种潮下带浅水部位的沉积环境,水动力条件较强。颗粒灰岩颗粒主要为砂屑,次为砾屑,有少量鲕粒,岩石类型以亮晶砂屑灰岩、砾屑灰岩、紫色页岩为主,反映出一种潮间 -潮下带浅水的间歇高能砂屑浅滩环境。

毛庄组水体有所变浅,主要为泥灰坪相,底部见含海绿石生屑泥晶灰岩,其中生屑粒径为 1～5 mm,三叶虫碎片较多。为水体较浅、盐度正常、低能的潮下带环境。中期细粒陆源物质输入较多,氧化色发育,为炎热干旱气候的泥坪环境。向上多发育颗粒灰岩,水位有所增加,发育砂屑浅滩。

徐庄期颗粒灰岩极为发育,颗粒灰岩中的颗粒以砂屑为主,并含鲕粒、生屑、砾屑及竹叶状砾屑,颗粒灰岩中间夹有细、粉砂岩,本期以颗粒滩相沉积为主。

张夏期发生了寒武系中的最大的一次海侵,张夏组下部为中 -厚层状鲕粒灰岩夹豹皮灰岩;上部为灰色中厚层状豹皮灰岩、薄层灰岩、中厚层鲕粒灰岩。主要为潮间 -浅潮下高能环境鲕粒滩、滩间海、滩后藻坪沉积。

3.3 上寒武统

崮山期下部为灰色薄层灰岩、鲕粒灰岩夹竹叶状灰岩及中厚层鲕粒灰岩夹有生屑灰岩。鲕粒灰岩的单层厚度比张夏组中的鲕粒灰岩单层厚度小,显然鲕滩的规模比张夏组沉积期缩小了。显示了滩相和滩间海相,水体深度开始变小。

长山期鲕粒滩在此期消失,岩性多鲕粒灰岩、风暴成因的竹叶状砾屑灰岩及藻叠层石灰岩[8]。相类型为局限海中的鲕粒滩、滩后藻坪。

凤山期水体深度进一步变小。下部为薄层泥质条带灰岩夹规模较大的藻叠层石灰岩,泥质白云岩;后期白云岩沉积开始增多。为潮间 -潮上带灰云坪沉积。

该区寒武系总体为碳酸盐台地内缓坡,为华北地台克拉通内陆表海沉积,演化过程为:陆源碎屑滨岸环境—混积型碳酸盐岩台地缓坡—碳酸盐岩台地缓坡。发生了 2次较大规模的海侵,海平面在张夏期达到最高,晚寒武世海水逐渐退去。桑树勋[9]建立了徐州地区寒武系灰质障壁砂坝沉积模式,同时参考国外陆表海模式,结合研究区岩石特征及沉积环境,建立大北望地区寒武系碳酸盐岩台地 -陆表海沉积相模式(图 3)。

图 3 徐州大北望地区碳酸盐台地 -陆表海沉积相模式

4 有利油气储集相带

研究区寒武系主要为海相碳酸盐岩沉积,具有储集条件的沉积为中—粗白云岩、颗粒灰岩,成岩作用对此类碳酸盐岩储层的形成具有影响作用。该区凤山组潮上云坪沉积具刀砍纹构造发育的白云岩孔渗性较好,为白云石化作用白云岩,孔隙多为白云石晶间溶孔,见非组构溶孔和原生晶间孔,具有一定的储集能力。

张夏组台地浅滩相沉积大套鲕粒灰岩间夹生屑灰岩,而在不远的安徽宿县夹沟张夏组鲕粒灰岩就发现有油气显示[2],张夏期短期暴露的鲕粒灰岩具有一定的储集能力[4],证明鲕粒灰岩具有一定的储集能力。因此台地浅滩及潮上云坪是该区寒武系有利的储集相带,张夏组鲕粒灰岩和凤山组白云岩是该区有利储集层。

5 结 论

(1)寒武纪海水由南向北方向侵入,沉积形成了一套台地潮坪相 -局限台地相 -台地浅滩相序列为典型碳酸盐台地 -陆表海沉积。早寒武世碎屑岩、碳酸盐岩兼有沉积,但仍以碳酸盐岩沉积为主。中、晚寒武世沉积基本都是碳酸盐岩沉积。中寒武世张夏期发生了寒武系最大规模的一次海侵,进入清水碳酸盐沉积时期,海水淹没潮坪,形成了开阔台地鲕粒碳酸盐岩沉积;而后华北板块东南缘开始抬升,海水变浅,转为碳酸盐岩潮坪沉积。

(2)中、上寒武统台地浅滩相及云坪是研究区寒武系最有利的储集相带,其中以张夏组鲕粒灰岩和凤山组白云岩为潜在储集层。

[1]韩颖 .鲁西隆起茌平构造带构造演化史及古生界原生油气成藏条件 [J].特种油气藏,2004,11(6):19-22.

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[9]桑树勋,徐磊,张华 .徐州地区寒武纪灰质障壁砂坝沉积模式[J].中国矿业大学学报,2002,31(6):565-569.

编辑 林树龙

TE121.3

A

1006-6535(2010)06-0050-04

20100111;改回日期:20100809

中石化海相前瞻性项目“中国北方地区岩相古地理研究与编图”(HX-2008-001)

栾守亮 (1983-),男,助理工程师,硕士,2007年毕业于中国石油大学 (华东)资源勘查工程专业,现从事石油地质研究工作。