张银国,梁 杰
1.国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室,山东 青岛 266071
2.青岛海洋地质研究所,山东 青岛 266071
3.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东 青岛 266580
4.中国海洋大学海洋地球科学学院,山东 青岛 266100
我国对南黄海的油气勘探始于20世纪60年代初。1983年之前油气勘探目的层是古近系,勘探程度较低;1983年之后,我国开始把勘探方向转向海相中、古生界[1],但勘探和研究程度仍旧较低。南黄海位于下扬子板块,占据了下扬子板块主体[2-3](图1)。在下扬子板块陆上地区苏北盆地古生界、中生界和新生界都获得了油气流[5],尤其在中、新生界。但在其海域部分——南黄海至今未获得油气突破,目前对南黄海海相地层的沉积相未进行系统研究,这也是众多地质学家一直关心的问题。本文旨在分析南黄海二叠系—三叠系沉积相和地震相特征,重点分析二叠系龙潭组、大隆组和三叠系青龙组沉积体系分布规律,探讨二叠系—三叠系沉积演化特征,以期对进一步油气勘探提供技术支持。
南黄海海域地处下扬子板块主体,西接下扬子苏北盆地,东临京畿地块,北起千里岩断裂,南至江绍断裂(图1),主要发育了3期沉积盆地(地台型盆地、断陷型盆地、坳陷型盆地)。地台型盆地沉积了巨厚的海相中、古生代地层[1,6-8],根据下扬子区陆上钻井、露头和南黄海地震反射特征及钻井资料分析认为:在南黄海发育寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系,下古生界在全区广泛分布,上古生界在北部坳陷缺失严重;断陷型盆地沉积了巨厚的陆相中、新生界,主要为侏罗系、白垩系、古近系,陆相中、新生界的分布具有北厚南薄的特点;坳陷型盆地主要沉积新近系和第四系。目前钻遇海相中、古生界的探井有6口,主要揭示二叠系和下三叠统青龙组,缺失中、上三叠统,其中1口揭示石炭系,至今未取得重大油气突破。二叠系和下三叠统青龙组是本次研究的目的层系(图2),主要分布于南黄海盆地的南部坳陷地区,北部坳陷大面积缺失,只在东部局限分布。
下扬子陆区海相中、古生界发育,沉积类型多样。在陆区下二叠统栖霞组主要发育台地相、陆棚—盆地相;上二叠统龙潭组和大隆组,主要发育河流相、潮坪相、斜坡相、陆棚相和盆地相[9];三叠系主要发育碎屑岩台地相、碳酸盐岩台地相、斜坡相和陆棚—盆地相[9-10]。根据本区钻井揭示地层特征,笔者采用优势相组合的沉积体系为研究单元进行沉积相研究,将南黄海二叠系和三叠系青龙组划分为6大沉积体系,即河流沉积体系、三角洲沉积体系、潮坪沉积体系、局限台地沉积体系、开阔台地沉积体系、陆棚沉积体系。上二叠统龙潭组和大隆组主要为碎屑岩沉积,发育河流沉积体系、三角洲沉积体系、潮坪沉积体系,大隆组局部发育陆棚沉积体系。下二叠统栖霞组和三叠系主要为碳酸盐岩沉积,其次是碎屑岩沉积,沉积相类型主要为局限台地沉积体系、开阔台地沉积体系;在钻井中青龙组下段揭示陆棚沉积体系,但不作为整个青龙组的优势相,主要发育层段薄,在本区分布局限。
图1 南黄海盆地大地构造位置示意图(据文献[4]修编)Fig.1 Southern Yellow Sea basin tectonic location sketch map(modified from reference[4])
河流沉积体系在钻井上未揭示,根据地震反射特征及所处地理位置,主要为平行亚平行弱—中—中强振幅低频断续—较连续地震反射。
三角洲沉积体系主要见于南黄海南部的C井和A井的龙潭组。三角洲沉积体系主要发育三角洲平原和三角洲前缘,三角洲平原发育沼泽煤层、泥炭与河道砂岩(图2),三角洲前缘发育水下分流河道、河口坝、分流间湾。分流河道岩性主要为细砂岩和粉砂岩,电测曲线呈箱型、钟形;河口坝岩性主要为细砂岩和粉砂岩,电测曲线呈漏斗形;分流间湾岩性主要为泥质岩,夹薄层砂岩,电测曲线呈齿形或指状。三角洲沉积体系在地震上主要表现为前积反射特征。
潮坪沉积体系在龙潭组、大隆组较为发育。该沉积体系以近岸沼泽煤层及炭质泥岩为典型特征[11-12],主要为泥质沉积,夹薄层砂岩或泥质灰岩,电测曲线较为齿化或平直(图3);砂层主要为潮道沉积,电测曲线呈顶底突变特征。潮坪沉积体系在地震上主要表现为中低频中强振幅较连续—连续地震反射特征。
局限台地主要见于三叠系青龙组局部层段(图4),主要为混合坪亚相沉积,岩性主要为土黄、灰色石灰岩与泥质灰岩互层夹灰黄泥岩、泥质粉砂岩,浅灰色薄层灰岩与深灰薄层灰岩互层,夹白云质灰岩,底部夹泥质灰岩和钙质泥页岩,偶见海绿石。产Gyronitessp(环齿菊石,未定种)和有孔虫类的Glomospirasp(球旋虫),Meandrospirapusilla(微小回旋虫),Nodosaridssp(节房虫,未定种)、牙形刺化石Ketinellasp.、Hindeodellasp.、Neohindeodellasp.、Cypridellaap.、Neospathodussp.等。自然伽马曲线较为平直,略齿化,电阻率曲线呈锯齿状、指状,局部箱状。
图3 南黄海盆地龙潭组三角洲沉积体系和大隆组潮坪沉积体系岩电性特征图Fig.3 Lithology and electrical property of delta sedimentary system of the Longtan Formation and tidal-flat sedimentary system of the Dalong Formation in the Southern Yellow Sea basin
图4 南黄海盆地开阔台地和局限台地沉积体系岩电性特征图Fig.4 Lithology and electrical property of open platform and limited platform sedimentary system of the Qinglong Formation in the Southern Yellow Sea basin
开阔台地沉积体系见于二叠系下统的栖霞组和三叠系下统的青龙组,主要为碳酸盐岩沉积,在研究区主要发育开阔台地滩间、台盆相、台地浅滩。栖霞组较薄,地震上与石炭系碳酸盐岩之间没有明显的界面特征,在此只对钻井沉积特征进行分析。揭示栖霞组的钻井较少,根据钻井特征,该套地层主要为开阔台地滩间相和台盆相。滩间相主要沉积深灰色—灰黑色泥晶、粉细晶、显晶灰岩,在A井2 666~2 728m见藻类、有孔虫、介形虫、腹足、腕足、棘皮类等生物碎片,此外,腕足、棘皮类生物是开阔台地的一大特征。开阔台地的自然伽马曲线基本上为一条较平直的低值曲线,呈箱形特征(图4)。台盆相主要沉积深灰色—黑色泥岩、炭质泥岩、泥灰岩、页岩。在钻井中未揭示台地浅滩沉积,但地震上见丘状反射特征,处于开阔台地沉积背景,推断为台地浅滩沉积。
青龙组进一步分上青龙组(T1sq)和下青龙组(T1xq)。下三叠统青龙组研究区共有4口井钻遇,主要分布于南部坳陷和勿南沙隆起,北部坳陷1口井钻遇。在本区钻井揭示青龙组以开阔台地沉积为主,开阔台地为厚层状灰岩,夹薄层深灰色泥岩;灰岩具细晶和微晶结构;以A井及C井为代表,自然伽马曲线较为平直、略齿化,多成箱形,电阻率曲线局部呈漏斗形的反韵律特征,反映水动力由弱到强的特点。C井局部发育局限台地,为泥灰岩、泥岩互层,或薄层灰岩,局部夹粉砂岩。
陆棚沉积体系位于台地区与盆地区之间,沉积界面一般在氧化界面之上,在正常浪底面之下,为潮下低能环境,沉积物基本以碳酸盐岩和泥岩为主,生物发育,依据水体深浅的不同,划分为浅水陆棚和深水陆棚。陆棚沉积体系主要见于A井的二叠系大隆组上部至三叠系下青龙组的下部地层(图5)。其中,浅水陆棚主要为薄层灰岩、泥灰岩与泥岩薄互层,颜色较深;深水陆棚主要为深灰色—灰黑色泥岩、深灰色—灰黑色页岩,局部夹薄层泥灰岩。在下扬子区陆上二叠系大隆组和三叠系青龙组见陆棚相沉积露头:大隆组陆棚相岩性主要为页岩,夹硅质条带;青龙组陆棚相岩性主要为微晶灰岩、虫迹灰岩、泥质灰岩夹砾屑灰岩及似瘤状灰岩,底部为泥岩,颜色为灰色—深灰色,发育薄层状、纹层状构造;生物以爬泳、底栖型为主,又见三叶虫、笔石、菊石、珊瑚、海百合茎、藻类等。
能用于地震相分析的地震参数很多,但常用的主要是反射几何外形、内部反射结构、振幅、频率、连续性和层速度等[13-14]。依据内部反射结构和反射外形分成4大类地震相,即前积反射结构地震相、平行亚平行反射结构地震相、弱反射-空白反射地震相、丘状反射结构地震相。其中,平行亚平行结构因振幅、频率及连续性不同具有多种反射特征。根据钻井标定及区域特征,对不同地震反射特征进行沉积意义解释(表1)。
二叠系栖霞组厚度较薄,且难以进行地震追踪解释,因此本次主要分析二叠系龙潭组、大隆组和三叠系青龙组的沉积体系分布特征。不同沉积体系具有不同的地震响应,在对单井沉积体系分析及地震相分析的基础上,确定二叠系龙潭组、大隆组和三叠系青龙组沉积体系与地震相对应关系(表1)。根据钻井沉积体系特征和地震反射特征,圈定沉积体系的分布范围,总体上二叠系龙潭组、大隆组和三叠系青龙组主要沉积体系分布具有横向规律性变化特征(图6)。
图5 南黄海盆地下青龙组陆棚相岩电性特征图Fig.5 Lithology and electrical property of shelf sedimentary system of the Lower Qinglong Formation in the Southern Yellow Sea basin
表1 南黄海盆地龙潭组、大隆组和青龙组地震相类型、地震相反射特征及其沉积意义Table 1 Types of seismic facies,the reflection characteristics of seismic facies and their sedimentary significance of the Longtan Formation,the Dalong Formation and the Qinglong Formation in the Southern Yellow Sea basin
图6 南黄海盆地二叠系龙潭组、大隆组和三叠系青龙组沉积体系地震反射特征图(见图7S线)Fig.6 Seismic reflection characteristics of the sedimentary system of the Longtan Formation,the Dalong Formation and the Qinglong Formation in the Southern Yellow Sea basin(Fig.7Sline)
研究区龙潭组分布存在南北差异,南部残留地层分布较广,而北部较为局限,主要残留在断陷深凹内。从下扬子陆区沉积特征显示,整个上古生界具有南浅北深的沉积格局[10-15],从北向南二叠系大隆组依次发育盆地相、陆棚相和滨岸相。在与南黄海中部隆起相对应的滨海隆起上钻井揭示了龙潭组厚层砂岩夹泥岩和黏土岩。其中,黏土岩见植物根茎和叶化石、鳞木、脉羊齿等,砂岩发育波状层理和水平层理,其层面见虫孔,并且砂岩中发育植物碎屑,含科化石、腕足类和海百合茎叶化石,砂岩局部含钙质,因此推测在滨海隆起发育潮坪砂和障壁岛。总体上下扬子区海陆沉积体系展布具有较强的可对比性,由于滨海隆起紧邻南黄海中部隆起和南部坳陷,结合本区钻井揭示地层沉积特征及地震相特征,认为南黄海龙潭组主要发育潮坪沉积体系和河流沉积体系,其次发育三角洲沉积体系。潮坪沉积体系地震反射特征主要为平行亚平行中强—强振幅低频—中频较连续—连续反射和平行亚平行中强—强振幅低频—中频较连续—断续反射,根据钻井揭示,三角洲沉积体系主要表现为砂泥岩互层,并夹多套煤层,潮坪沉积体系主要为偏泥质沉积,局部沉积潮道砂岩;河流沉积体系地震反射特征主要为平行亚平行弱—中振幅中频断续反射;南黄海南部2口钻井揭示龙潭组三角洲沉积体系,砂岩较为发育,中上部发育煤层,地震上呈前积反射特征(图6)。研究区沉积体系分布特征明显具有一定的展布规律(图7A),南部坳陷的东南为河流沉积体系,向西北方向为潮坪沉积体系,A井和C井区为三角洲沉积体系,烟台坳陷分布局限,主要为潮坪沉积体系。
二叠系大隆组主要发育大套深灰色—黑色泥页岩,部分为砂泥岩互层。与龙潭组沉积时期相比,水体明显加深,南黄海西部临近的滨海隆起地区大隆组局部发育硅质岩、页岩,说明在大隆组局部层段发生了较大规模的海侵,形成深水陆棚沉积。根据南黄海钻井沉积和地震反射特征分析,二叠系大隆组主要沉积陆棚沉积体系、潮坪沉积体系,总体水体深浅格局继承了龙潭组的特征,即水体西北深、东南浅,依次分布陆棚沉积体系、潮坪沉积体系(图7B)。陆棚沉积体系地震特征为平行亚平行弱—中振幅低频较连续—断续反射,以泥页岩沉积为主,潮坪沉积体系地震特征为平行亚平行中强—强振幅低频—中频较连续—断续反射。
图7 南黄海盆地二叠系龙潭组—大隆组和三叠系青龙组沉积体系分布图Fig.7 Sedimentary system distribution of the Longtan Formation,Dalong Formation and the Qinglong Formation in the Southern Yellow Sea basin
研究区青龙组分布特征与龙潭组、大隆组相似,存在南北差异,南部残留地层分布较广,而北部较为局限,主要残留在断陷深凹内。该时期地震反射总体较弱,反映以碳酸盐岩为主的台地相沉积。南黄海三叠系青龙组同样具有与下扬子陆区可对比的沉积相特征,根据钻井标定及地震反射特征,三叠系青龙组主要发育开阔台地沉积体系和局限台地沉积体系。开阔台地沉积体系地震反射特征主要为弱反射,局部地区为空白反射,局限台地沉积体系地震反射特征主要为平行亚平行中振幅低频较连续—断续反射。三叠系青龙组延续了陆上水体西北深东南浅的沉积格局[15-16],由西北向东南依次发育开阔台地沉积体系、局限台地沉积体系,在开阔台地沉积体系中,发育台地浅滩(图7C)。根据海陆沉积特征对比,在下扬子陆区N5井和本区A井下青龙组的下段发育陆棚沉积,厚度较薄,一般为300~500m,主要为灰色—深灰色灰岩和泥岩不等厚互层沉积,夹有泥灰岩和灰质泥岩;向东至C井,逐步过渡为灰岩夹粉砂岩层,反映了相带发生了变化,即由陆棚相、开阔台地相到局限台地相转变;东部明显受陆源碎屑岩的影响,形成砂泥岩与灰岩互层。但是南黄海三叠系总体优势相为碳酸盐岩台地相。
下扬子板块海相中、古生代经历了多期构造发展阶段,即板块活动发展阶段、板内活动阶段、滨太平洋大陆边缘活动带发展阶段。泥盆纪至三叠纪处于板内活动阶段,期间发生广西运动、东吴运动及印支运动,并发生多期海进、海退沉积旋回,沉积了泥盆系至三叠系多套碎屑岩和碳酸盐岩。在整个下扬子沉积背景下,无论是陆上钻井还是海上钻井,揭示的下二叠统栖霞组早期继承了石炭系碳酸盐岩台地相沉积特征,而晚期都经历了台地相沉积的水退阶段,并且形成碳酸盐岩风化壳——海西风化壳。在上二叠统龙潭组开始发生海侵,沉积以泥质为主的潮坪沉积,其晚期再次发生海退,在东部地区形成潮坪相沼泽沉积环境,煤系地层和炭质泥岩较为发育,局部与砂岩互层。进入大隆组沉积时期,下扬子区再次发生大规模海侵,在研究区中西部地区发育厚层泥岩,主要为潮坪沉积,大隆组上部发育陆棚沉积体系,与此相对应,在南京地区见陆棚相的硅质页岩。根据区域沉积背景及本区沉积体系预测,龙潭组的优势沉积体系主要是河流沉积体系、潮坪沉积体系,呈一定规律展布,即西北部为潮坪沉积体系,依次往东南为河流相沉积体系,期间向东潮坪环境中的沼泽煤系沉积增加,东部地区见三角洲沉积,总体反映水体东南浅西北深的沉积格局(图7A),这与下扬子陆区沉积体系的分布格局相一致。在大隆组沉积时期,发生广泛海侵,水体加深,总体水体深浅格局继承了龙潭组的特征,即水体西北深、东南浅,依次分布陆棚沉积体系、潮坪沉积体系。
早三叠世时,下扬子地区是一个在二叠纪台块—台槽基础上强烈沉降的迁移坳陷盆地,从东南到西北依次为台地—台地边缘浅滩—斜坡—陆棚—盆地[15-16],水体呈北深南浅的沉积格局[17-18]。在这样的沉积背景下,南黄海三叠系下青龙组下段沉积延续了上二叠统大隆组沉积时期的海侵,在A井区发育陆棚沉积,岩性为薄层状灰岩与薄层状深灰色—黑色泥岩互层。下青龙组晚期至上青龙组时期,由于印支运动发生区域性构造抬升,发生区域性海退[19],垂向上沉积特征为厚层状的灰岩,至上部渐变为含陆源碎屑砂岩的局限台地沉积,直至整个下扬子区结束海相沉积。研究区青龙组沉积相带与龙潭组、大隆组沉积相带格局相比,水体深浅分布格局具有相似性:三叠系下统下青龙组下段在西北部为陆棚相沉积,向东南渐变开阔台地和局限台地;至早三叠世中晚期,整个研究区从下往上由开阔台地相逐渐过渡到局限台地相,尤其在东南部地区受印支运动挤压,渐变为灰岩与砂泥岩互层的局限台地特征更明显。受印支运动影响,三叠纪中—晚期以海退进积沉积为主,发生区域性剥蚀,局部地区剥至石炭系,并形成风化壳——印支风化壳,目前认为下扬子南黄海地区缺失中三叠世和晚三叠世地层。在印支运动过程中,下扬子海域逐渐消失,华北、秦岭、华南3个陆块最终拼合形成统一的中国陆块[20],进入侏罗系陆相沉积。
1)根据下扬子陆区沉积背景、南黄海钻井和地震反射特征,上二叠统龙潭组至下三叠统青龙组主要发育6大沉积体系——河流沉积体系、三角洲沉积体系、潮坪沉积体系、开阔台地沉积体系、局限台地沉积体系、陆棚沉积体系。
2)南黄海上二叠统龙潭组地震反射特征主要为平行亚平行中强—强振幅低频—中频较连续—连续反射和平行亚平行中强—强振幅低频—中频较连续—断续反射,大隆组地震反射特征主要为平行亚平行弱—中振幅低频较连续—断续反射和平行亚平行中强—强振幅低频—中频较连续—断续反射,青龙组地震反射特征主要为弱反射,局部地区为空白反射和丘状反射以及平行亚平行中振幅低频较连续—断续反射 。
3)南黄海上二叠统龙潭组、大隆组至下三叠统青龙组具有与下扬子陆区相似的沉积分布格局,即水体呈西北深、东南浅的分布格局,垂向上呈水进—水退—水进—水退的沉积旋回。龙潭组由西北向东南依次为潮坪沉积体系和河流沉积体系,垂向上发生由潮坪过渡为三角洲沉积,并发生快速的海退,形成淤积的沼泽环境;大隆组沉积时期再次发生大规模海侵,开始沉积潮坪沉积体系,大隆组上部逐步过度为陆棚沉积;下三叠统青龙组总体以台地相沉积为主,由西北向东南依次为开阔台地沉积体系和局限台地沉积体系,垂向上以由延续大隆组快速海侵期的陆棚沉积向海退演变的碳酸盐岩台地沉积为特征。
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