红层“哑地层”划分对比方法——以东营凹陷南坡始新统为例

刘书会， 高永进 ，王长轩

中国石化股份胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营，257015

内容提要: 针对红层划分对比所面临的难题，在充分吸收前人研究成果的基础上，将现有的多种分层方法相互整合，彼此约束和印证，形成了一套科学、便捷的技术方法，即“接触关系明顶底、岩电特征找界面、多元融合定方案、地震约束建格架”的综合地层划分对比技术。该方法针对红层的特殊性，根据岩电特征对干旱气候的响应变化，充分利用了测、录井资料纵向上的连续性优势(避免了取样分析的局限)，以及地震资料横向上的优势，有效地解决了红层纵向划分、横向对比的难题，在济阳坳陷东营凹陷南坡始新统沙河街组、 孔店组的应用取得了良好效果。该方法可为其它地区同类复杂地层划分对比提供技术支持。

陆相红层主要形成于炎热、干燥的地质时期，因为其化石稀少，在生物地层学上被称为“哑地层”。长期以来，红层由于缺乏古生物以及稳定的岩性、电性标志，传统的生物地层和岩石地层划分非常困难。为此，国内很多学者在不同地区，用不同方法进行了尝试(马玉贞，1993；张云翔等，1997；陈波等，2007)，也取得了一定经验和效果。其中，层序地层是目前用于地层对比分析的主流方法，在石油地质领域得到日益广泛的认可，但是该方法针对红层的在一些局部地区应用效果并不理想。究其原因，是由于红层剖面韵律结构复杂，在缺乏标志层约束的情况下，单纯应用岩性和电性的旋回分析易导致划分方案不统一、划分尺度不一致、划分结果不等时的问题。从实践来看，矿物地层学和元素地层学似乎是解决“哑地层” 划分对比难题的两把“钥匙”。如丁跃潮(1994)、张守鹏等(2003)等采用微量元素的最优分割法分别对南疆古近系—新近系红层和东营凹陷古近系红层的划分对比，孙玉善等(1998)应用粘土矿物的组合特征对塔里木盆地中生界地层进行的划分对比，取得了一定效果。从方法上来讲，基于实验室样品分析的方法(包括生物地层学、磁性地层学、同位素年代地层学等在内)，具有重要的科学意义，但是在应用上存在很大的局限性，仅适用于部分取样分析井，其对比精度一般也只能控制三级层序或者亚段级别以上的大套地层。因此，需要探索新的地层对比方法。

1 红层“哑地层”综合对比方法

1.1 红层特点与研究思路

陆相红层可见于多种沉积环境，如冲积扇、河流冲积平原、三角洲、湖泊及沙漠等。彭华等(2003)认为红层为红色的陆相碎屑沉积物， 岩石组成多为砂岩和砾岩，并夹粉砂岩、页岩、泥岩、灰岩、石膏及岩盐等。颜色是红层的主要标志之一，但红层并非全由红色的岩石组成， 事实上，在基本的红色色调上夹有其它色调，反而成为红层的一个特色。大部分红层堆积在封闭的、相对干燥的内流盆地环境中，盆地边缘主要表现为砾岩、砂砾岩交互成层，以厚层或巨厚层甚至块状构造为主；靠近湖盆中心区域堆积的细碎屑，一般以薄层构造为主；介于两者之间的河流相和三角洲相沉积则较为复杂，发育砂、泥岩厚薄不等的互层结构，由于各次沉积过程水量的大小和物源的不同，特别是暂时性流水的冲刷和堆积，造成各次沉积的平面形态和垂向组合都表现出很大的差异，导致了红层剖面对比的困难。

地层的颜色受环境、气候，成岩作用等多种因素的控制，因此，红层的成因至今仍是一个有争议的问题。研究表明，红层的形成，在很大程度上与气候有关。由于红层中大多数含有碳酸盐岩碎屑或钙质胶结物，甚至含有蒸发盐夹层，目前大部分学者认为红层形成在炎热干燥的环境下。但是红层的红色主要是高价铁(Fe3+)相对富集而成的，这个富集过程必须要有足够的淋溶作用(彭华等，2003)。气候的变化对红层的影响主要表现在：① 造成植被和降雨量的变化，进而影响河流的发育、物源的供给；② 控制湖盆中水体的蒸发和注入量变化，从而引起湖平面的升降变化。可以说，红层的形成以及沉积相的变迁，很大程度上与气候变化有关。因此，利用地层记录中的气候标志如石膏及岩盐等特殊岩性红层进行划分对比具有极高的可靠性。

恢复古气候的方法主要有孢粉法、微量元素法、粘土矿物法、同位素法等。近年来，以粘土矿物分析为手段来恢复古气候得到了越来越多的应用。粘土矿物的组成及含量可以利用测井曲线获得，这样就解除了取样分析的限制。因此，可以根据岩电特征对干旱气候的响应变化，对红层进行划分对比。

1.2 红层综合对比方法

实践证明，单一方法解决不了复杂地质问题。应在充分吸收和总结前人研究成果的基础上，将现有的多种分层方法相互整合，彼此约束和印证，建立一套新的、适合普通地质科技人员操作的综合地层对比方法。

通过东营凹陷南坡始新统红层的勘探实践，整合生物地层学、岩石地层学、矿物地层学和层序地层学等多种方法，形成了“接触关系明顶底、岩电特征找界面、多元融合定方案、地震约束建格架”的红层“哑地层”划分对比技术。该方法充分利用了测、录井资料纵向上的连续性优势，以及地震资料横向上的优势，有效地解决了红层纵向划分、横向对比的难题。具体应用时，应遵循以下原则：

(1)层次性原则：整体控制局部，低频约束高频，层序划分和对比按照由低频到高频的顺序逐级进行，遵循从宏观到微观、从大尺度到小尺度的逐级划分原则。首先，确定宏观主界面(红层顶、底界面以及沙四下、孔一段分界面)，为下一步的精细划分奠定基础；其次，通过这些关键界面的识别、追踪及闭合，进行长期基准面旋回的划分(即三级层序)；然后，再根据具体资料情况和研究精度需要依次进行中期或短期基准面旋回的划分。

(2)统一性原则：注重各种方法的适用性，以及不同方法之间的结合方式，强调地震、测井、岩芯以及古生物资料等识别标志在基准面旋回对比中的综合与统一。

2 研究实例和应用效果

图1 东营凹陷构造位置图Fig. 1 Tectonic map of the Dongying Sag

图3 东营凹陷南坡沙四上、沙四下界面岩性和电性特征图Fig. 3 The lithological and electrical character of the boundary between E2 and E2 (Upper Part and Lower Part of the 4th Member, Shahejie Formation, Eogene) on the South Slope of the Dongying Sag

东营凹陷是渤海湾盆地济阳坳陷中的一个次级构造单元(图1)，面积5700km2，从构造上分为北部陡坡带，中央隆起带、洼陷带和南部缓坡带。凹陷南坡古近系红层形成于盆地断陷早期，属于始新统沙河街组四段下亚段—孔店组一段(图1)。该套地层经历长期复杂的构造演变，区域变化非常大，厚度从几十到数千米不等。岩石组成多数为砂岩和砾岩与粉砂岩、泥岩互层，并夹灰岩以及石膏及岩盐等特殊岩性。凹陷北部红层埋深大，井钻遇程度低，本次主要对南部斜坡带的红层按照上述原则，开展了由低级到高级层序界面的识别研究。

图4 东营凹陷南坡始新统孔店组一段底界面岩性和电性特征图Fig. 4 The wirelogs and lithology of E2k1 bottom on South Slope of the Dongying Sag

2.1 红层顶底界面的确定

红层与下伏中生界、上覆古近系沙四上亚段之间，在一些地区存在角度不整合，在岩性、电性和地震反射特征存在明显标志。地震与钻井资料结合，以角度不整合作为主要标志，在全区对红层顶底界面进行准确识别和追踪(图2)。

2.1.1 顶界面的确定

该界面为局部不整合面，在南部盆缘地区的构造高地削截现象较为明显(图2)，沙四下亚段顶部遭受局部剥蚀，从而与上部沉积形成了角度不整合接触关系，向盆地内部逐渐过渡为整合接触。

测井曲线上，沙四上底部自然伽马曲线以齿化漏斗形特征为主，沙四下顶部以钟形旋回为主，沙四上下电阻率幅度差异明显，沙四上补偿声波时差曲线多呈高中幅尖刺状，而界线之下补偿声波时差曲线呈低幅尖峰状或微齿状(图3)。

沙四上亚段多为一套灰色砂、泥岩薄互层沉积夹少量白云岩、褐灰色油页岩；而沙四下顶部沉积主要为紫红色泥岩夹中厚层砾岩及含砾砂岩，斜坡低部位则发育一套稳定的膏岩。

2.1.2底界面的确定

东营凹陷南坡孔店组以孔一段为主(孔二段仅在凹陷东北部发育)，底界为区域性角度不整合面，为新生界与中生界之间的一级层序界面。地震剖面显示孔店组下伏中生界地层削截现象明显，孔店组超覆沉积于下伏凹凸不平的不整合面上(图2)。

岩性剖面上，本区孔一段以红色砂砾岩、泥岩不等厚互层沉积为特征，局部夹有大套火山岩；下伏中生界地层为大套厚层紫色及红色的砾岩、砾状砂岩沉积和火山岩沉积。从岩性特征来看，孔一段与中生界具有一定相似性，但二者成岩作用差异较大。反映在测井曲线上，孔一段与中生界在自然电位、自然伽玛曲线特征上无明显差异，而在电阻率曲线(或感应电导率)和补偿声波时差曲线特征上出现明显变化。孔一段表现为低电阻率、高声波时差，中生界表现为高电阻率、低声波时差(图4)。

图5 昌潍凹陷—东营凹陷关键井麻黄粉属相对含量曲线对比图Fig. 5 Comparison of relative Ephedripites content logs for the important wells in the Changwei Sag—Dongying Sag

这样利用角度不整合接触关系和岩电特征确定沙四下—孔一段红层的顶底界面。

2.2 孔一段—沙四下亚段界面的确定

区分沙四下亚段与孔一段是红层划分的关键，本文尝试综合利用孢粉古生物、粘土矿物、特殊岩性等表征古气候的变化，进而实现孔一段和沙四段的划分。

2.2.1 孢粉化石特征

红层形成于气候干旱条件下，气候的变化在本区内应该具有等时性。东营凹陷南坡红层中孢粉属类单一，丰度极低，喜干旱的麻黄粉属出现的频率较高，而且麻黄粉属在不同层段的相对含量呈现一定的规律变化，由此推断麻黄粉属含量的相对高低与气候的干旱程度相关。麻黄粉属含量高，代表当时气候相对干旱，反之，则相对潮湿。沙四下与孔一段之间为二级层序界面(李丕龙，2003)，该界面对应气候最大变化的拐点(气候最为干旱)(张世奇等，1997；贺振建等，2007)。麻黄粉属相对含量从红层底部逐渐增大，之后逐渐降低，最高点确定为孔一段与沙四下亚段的界限。如东营凹陷南部邻区昌潍坳陷，昌参1井孔一段—沙四下界线清楚，其麻黄粉属最高含量点与沙四下—孔一段综合地质分层界线一致。东营凹陷麻黄粉属含量变化也具有相似性规律(图5)，因此可以利用麻黄粉属的含量变化，通过归一化处理，对比确定沙四下与孔一段的界线范围。

2.2.2粘土矿物特征

岩芯资料的限制使上述方法难以在全区展开。岩石中粘土矿物的组成，不但受沉积环境、物源和成岩作用、地层流体等影响(朱筱敏等，2006；路慎强，2008)，也在一定程度上受到沉积时期气候的影响。已有研究表明，伊利石和绿泥石一般在气候干旱的时保存，而高岭石在气候潮湿时易于形成(Singer,1984；孙庆峰等,2011)。在受外界条件基本相同的地质体中，可以利用粘土矿物组成的变化恢复气候变化，而粘土矿物的组成可以利用测井曲线获得(雍世和等，2007)，这样，就可以将测井数据与古气候通过粘土矿物的组成结合起来，赋予测井数据的等时性(贺振建等，2012)。

图6 东营凹陷纯古1井始新统沙四下—孔一段红层综合划分柱状图Fig. 6 The comprehensive stratigraphic column of red beds from E2k1 to E2 in the Well Chungu-1 of the Dongying Sag

2.2.3 特殊岩性特征

孔一段沉积末期为极端干旱气候造成湖水强烈蒸发，湖平面快速下降，缓坡带连片分布的砂体暴露水面，仅在湖盆低洼带存在。湖水盐度增大，并由水体边缘向内部盐度逐渐增高，相应的沉积物在水体边缘主要为紫红色泥岩和钙质泥岩，内部逐渐为含膏泥岩和膏盐岩段为大套盐岩沉积，而沙四下为盐膏互层沉积，根据特殊岩性的变化，可划分其界线。如洼陷区丰深2井孔一段为大套盐岩沉积，而沙四下为盐膏互层沉积，根据特殊岩性的变化，反映了孔一段与沙四下分界面为极端干旱气候的变化拐点，据此即可划分其界线。

2.3 红层内部界面特征的识别

在红层顶界、底界及沙四下—孔一段三个大的界线确定后，以这三个界线为约束，针对红层内部界面，可依据地震资料、岩性和电性资料及粘土矿物组成特征，对单井进行旋回划分，从而识别内部层序界面特征。

2.3.1 孔一段内部界面

孔一段地层在南斜坡盆缘地区厚度较薄，内部各层序界面识别较为困难，但在部分地区仍然可见比较明显的不整合接触。盆地内各洼陷及中央隆起带地区，孔一段地层厚度较大，尽管埋深大，在一些地区仍能发现反射结构存在明显差异。内部差异表现在下部层序内为低振幅弱连续反射结构，中部层序内为中振中连续反射结构，上部层序内为低振幅弱连续反射结构。采用小波分析法对GR曲线进行小波变换，小波谱图具有3个旋回， 在界面处，小波曲线表现出明显的振荡；而在基准转换面处，表现为较小的曲线振荡。同时，依据粘土矿物组成变化曲线，也可以划分出三个旋回。因此，孔一段可以划分为3个三级层序，再根据更次级的变化特征，每个层序内部可继续划分出2个四级层序(图6)。

2.3.2 沙四下内部层序界面

沙四下与沙四上呈低角度不整合接触，与孔一段在凹陷主体部位呈整合接触关系，但在边缘部位则发育底超顶剥特征，整体构成一个完整的三级层序。层序内部，依据岩性、测井曲线、小波谱图、麻黄粉含量及粘土矿物组成等，可以划分为两个四级层序(图6)。

3 地层划分对比

将不同方法的分层结果相互整合，综合权衡，确定统一的地层划分方案，将红层划分为4个三级层序8个四级层序单元(图6)。优选资料齐全的关键探井，采用上述多种方法进行精细对比划分，考虑各井所处区带的构造及沉积充填特征，强调多方法相互印证融合，建立了关键井的标准剖面。然后以标准井为基点，通过井震结合，在地震反射特征的约束下建立不同构造带骨架剖面。再依托骨架剖面，采用邻井追踪对比方式，实现了全区地层划分统一闭合。

4 结论

层序地层、生物地层及岩石地层学多种方法的结合和相互印证，形成了东营南坡红层的划分对比技术，即“接触关系明顶底、岩电特征找界面、多元融合定方案、地震约束建格架”。将该区孔一段—沙四下亚段红层划分为4个三级层序8个四级层序单元，满足了当前勘探的需要。

该方法在东营凹陷南坡红层划分对比中取得较好效果，并在胜利探区其它古近系红层的研究中区也进行了推广应用。而对于非红层的哑地层来说，本方法也具有一定的参考意义，特别是利用古气候的旋回性变化划分对比地层，成为解决哑地层的一种新思路。