华北中南部博山地区上古生界沉积相与沉积演化特征

侯中帅，陈世悦，郭宇鑫，王志金，赫庆庆，崔绮梦

中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东青岛 266580

0 引言

渤海湾盆地是我国重要的含油气盆地，赋存着丰富的油气资源[1-2]。随着勘探的深入推进，盆地内中浅层已整体处于勘探程度较高的精细勘探阶段[3-8]，而深层勘探一直处于探索阶段，勘探程度较低。“十二五”以来，渤海湾盆地深层上古生界陆续取得油气勘探的重大发现，黄骅坳陷港古16102井和港古1507井于石炭系太原组中获工业油流，济阳坳陷花古斜101井和花古102井于二叠系上石盒子组获工业油流[9]，东濮凹陷胡古2井于二叠系上石盒子组和石千峰组获工业气流[10-11]，显示出深层上古生界具有重大的勘探潜力，其已成为东部成熟探区储量接替的现实领域。随着上古生界勘探的推进，对于上古生界沉积相类型及演化认识不清等问题逐渐凸显，严重制约着勘探开发工作的深入。本文结合区域地质背景，对华北中南部的淄博博山上古生界露头剖面进行观察实测，厘定其发育的沉积相类型，识别相应的沉积序列，明确其沉积演化过程，以期对盆内上古生界油气的勘探开发提供一定的借鉴。

1 区域地质背景

淄博博山上古生界露头剖面位于淄博市博山区大奎山一带，构造单元上属于鲁西隆起区(图1)。该剖面地层发育完整、连续性较好、构造简单、顶底界限清楚，是渤海湾盆地周缘上古生界的典型剖面，为本次研究工作的开展提供了十分有利的条件。通过对露头的实测，岩性、岩性组合及标志层的识别，结合前人研究成果，自下而上将本地区上古生界分为本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组，其中上石盒子组又可分为3段，自下而上依次为万山段、奎山段和孝妇河段(图2)。

2 沉积特征

2.1 本溪组沉积特征

本溪组为自奥陶系顶部不整合面至晋祠砂岩底面之间的所有岩层。底部为风化作用形成的鸡窝状褐铁矿与铝土矿(图3a，b)，向上变为泥岩与灰岩互层夹煤线。本溪组沉积期，区内发生多次海侵活动，发育了以徐家庄灰岩为代表的台地相沉积；在海侵活动间歇期，发育障壁海岸相沉积。

2.1.1 障壁海岸相

本溪组中障壁海岸相以潮坪相为主，可以细分为泥坪和混合坪。

泥坪相主要发育灰褐色、褐灰色泥岩，其中夹有泥质粉砂岩透镜体，透镜体厚度一般在1 cm左右，横向延伸距离一般不超过1.5 m(图3c)。整体发育透镜状层理，泥岩中见水平层理(图3c)，局部可见生物钻孔和泥裂。在陆源碎屑输入较少的局部地区，可以形成泥炭堆积，最终形成薄煤层(图3d)。

图1 淄博博山上古生界剖面位置图Fig.1 Location of Zibo Boshan Upper Paleozoic profile

图2 淄博博山上古生界剖面综合柱状图Fig.2 The Upper Paleozoic integrated histogram of Zibo Boshan profile

图3 本溪组风化壳、潮坪相与台地相a．本溪组底部鸡窝状褐铁矿；b.本溪组底部紫红色铝土矿；c.泥坪中发育透镜状层理；d.泥坪相中发育的薄煤层；e.混合坪中发育透镜状层理；f.泥晶灰岩中针状石膏假晶；g.泥晶灰岩中的海百合茎；h.局限台地相灰岩中发育波状层理；i.开阔台地相生物碎屑灰岩；j.燧石结核中节理发育，包裹碳酸盐颗粒；k.风暴沉积底部侵蚀面Fig.3 Weathering crust, tidal flat facies and platform facies of Benxi Formation

混合坪主要发育不等厚互层状的灰白色泥岩与泥质粉砂岩，泥岩和粉砂岩单层厚度在2～3 cm左右，横向延伸距离一般不超过1 m，整体发育有波状层理，泥岩中可见水平层理(图3e)，生物扰动构造发育。

2.1.2 碳酸盐台地相

包括局限台地相和开阔台地相，其中草埠沟灰岩和南定灰岩形成于局限台地相，徐家庄灰岩形成于开阔台地相。

局限台地相主要发育泥晶灰岩，可见长条状、针状石膏假晶(图3f)，说明其沉积期古盐度较高，含少量生物碎屑(图3g)，发育波状层理(图3h)。

开阔台地相主要发育生物碎屑灰岩，含有腕足、海百合茎、有孔虫和珊瑚等海相动物化石(图3i)，其中小有孔虫发育Bradyina-Plectogyra组合，主要属种包括Bradyinapauciseptata，Bradyinatarassovi，Plectogyrabaschkirica，Nodosarianetchajews，Pseudoglandulinsp.等分子[12]。灰岩中可见大量燧石条带与结核，燧石中未见放射虫与海绵骨针，其中包裹有碳酸盐颗粒(图3j)，说明其为原生化学沉淀成因[13]。受风暴作用的影响，开阔台地相灰岩广泛发育有底面侵蚀构造(图3k)，但由于本区台地相发育在陆表海背景下，海底平坦开阔，坡度极缓[14]，水体较浅，造成风暴沉积的其他典型标志难以保存。

2.2 太原组沉积特征

太原组包括由晋祠砂岩底面至北岔沟砂岩底面之间的所有岩层，整体岩性为砂泥岩互层夹薄层灰岩和煤层。太原组沉积期本区发育障壁海岸相和碳酸盐台地相。

2.2.1 障壁海岸相

太原组中障壁海岸相可以细分为潮坪相、潮道相、潟湖相和障壁岛相。

(1) 潮坪相

包括泥坪、混合坪和砂坪。

泥坪相主要发育呈薄互层的浅灰色泥岩与黄灰色粉砂质泥岩，发育水平层理和潮汐韵律层理(图4a)，泥岩单层厚度在2～4 cm左右，反映了沉积期水体深度与水动力条件频繁变化。局部可见生物钻孔和同生钙质结核(图4b)，在陆源碎屑物质输入贫乏的情况下，泥坪中植被发育形成泥炭堆积，最终形成煤层(图4c)。

混合坪相主要表现为细砂岩与粉砂质泥岩呈不等厚互层状，砂岩单层厚度在2～8 cm左右，泥岩单层厚度在2～5 cm左右，整体发育有潮汐韵律层理，泥岩中可见水平层理(图4d)。

砂坪相主要发育细砂岩夹薄层的粉砂岩，砂岩单层厚度在3～5 cm左右，粉砂岩单层厚度在1～2 cm左右，发育低角度的楔状层理和脉状层理(图4e)，可见植物化石碎片和碳屑。

泥坪、混合坪和砂坪在剖面上常紧密共生，其组合常具有一定的规律，剖面上可见由泥坪向上过渡为混合坪和砂坪的沉积组合(图4f)。

(2) 潮道相

潮道为涨潮和退潮的通道，水动力条件较强，发育双向交错层理、板状交错层理和平行层理(图4g，h)，岩性以中粗砂岩为主，其中可见植物印模化石和茎干化石(图4i，j)；常发育在潟湖相之上，并冲刷下伏地层(图4k)，可见冲刷潟湖相泥岩后卷携形成的泥砾(图4l)，局部可见呈透镜状分布的滞留砾石层(图4m)；砂体在剖面上呈顶平底凸的透镜状(图4n)，可见若干个向上变细的潮道砂体垂向叠置，其间可发育有泥质夹层(图4o)。

(3) 潟湖相

主要发育深灰色、灰黑色泥岩，水平层理发育(图5a)，偶见生物潜穴，有时可见大量菱铁质结核，直径一般在5～8 cm，最大可达10 cm以上，结核发育的层段可见其呈似层状产出(图5b)。随着潟湖的淤浅作用，其顶部有时发育煤层。

(4) 障壁岛相

岩性以中细粒石英砂岩为主，成分成熟度和结构成熟度均较高，发育低角度的楔状层理和板状交错层理，常表现为向上变粗的沉积序列，底部为深灰色泥岩，向上逐渐由砂岩占优势的砂泥互层过渡为较为纯净的石英砂岩。障壁岛相常与岛后泥坪伴生，在剖面上表现为障壁岛砂岩顶部常发育有灰色泥岩和薄煤层(图5c)。

2.2.2 碳酸盐台地相

2.3 山西组沉积特征

山西组包括自北岔沟砂岩底面至骆驼脖子砂岩底面之间的所有岩层，岩性发育砂泥岩互层夹薄煤层。山西组沉积期区内发育三角洲相，以三角洲前缘和三角洲平原为主。

2.3.1 三角洲前缘

包括水下分流河道和分流间湾，由于山西组三角洲发育在陆表海的背景下，水体较浅，可容纳空间较小，河道不能持续性发育，改道频繁，造成河口坝不发育。水下分流河道岩性以中细砂岩为主，发育砂纹交错层理(图6a)，分流间湾以深灰色泥岩为主，可见植物碳屑(图6b)。

2.3.2 三角洲平原

包括分流河道和分流河道间，分流河道岩性以中砂岩为主，对下伏地层有较强的冲刷作用，可见冲刷后卷携的泥砾(图6c)，发育板状交错层理和槽状交错层理(图6d，e)。分流河道间包括天然堤、泛滥平原、漫滩湖泊、漫滩沼泽，天然堤主要发育薄层砂泥岩互层，单层厚度在15 cm左右(图6f)，反映洪泛期和平水期的交替沉积作用，砂岩中前积作用发育，可见下切型板状交错层理；泛滥平原主要发育浅黄褐色泥岩、粉砂质泥岩和粉砂岩(图6g)，可见植物叶片化石(图6h)；漫滩湖泊主要发育灰色、深灰色泥岩(图6g)，偶见动植物化石；漫滩沼泽主要发育煤层，受陆源碎屑物质输入的影响，泥炭的发育常遭到中断，造成煤层和泛滥平原泥岩在垂向上频繁互层(图6i)。

图5 太原组潟湖相与台地相岩性与沉积特征a.潟湖相灰黑色泥岩；b.潟湖相泥岩中夹菱铁矿结核；c.障壁岛砂岩与岛后泥坪；d.三灰中富含海百合茎；e.二灰中海百合茎化石；f.一灰中腕足动物化石Fig.5 Lithology and sedimentary characteristics of lagoon facies and platform facies in Taiyuan Formation

2.4 下石盒子组沉积特征

下石盒子组包括自骆驼脖子砂岩底面B层铝土矿顶面之间的所有岩层，岩性以砂泥岩互层为主，发育Apiculatisporis-Gulisporites-Laevigatosporites孢粉组合，说明其沉积时为温暖半潮湿气候[17]。下石盒子组沉积期，区内主要发育曲流河相，主要包括河床、堤岸和泛滥平原亚相。

图6 山西组三角洲相岩性与沉积特征a.水下分流河道中砂纹交错层理；b.分流间湾深灰色泥岩；c.分流河道中含泥砾；d.分流河道发育板状交错层理；e.分流河道中发育槽状交错层理；f.天然堤中砂泥岩薄互层；g.泛滥平原浅黄褐色泥岩与漫滩湖泊深灰色泥岩；h.泛滥平原泥岩中含植物化石；i.泛滥平原与漫滩沼泽交替发育Fig.6 Lithology and sedimentary characteristics of delta facies in Shanxi Formation

2.4.1 河床

河床主要发育多层叠置的厚层砂岩(图7a)，岩性以中粗砂岩为主，局部含砾(图7b)，发育板状交错层理和槽状交错层理(图7c)，底部发育冲刷面(图7d)，偶见泥砾和煤屑(图7e)，可见洪水期搬运至河道底部后于平水期或间洪期再次淘洗后形成的透镜状滞留砾石层(图7f)。

2.4.2 堤岸

堤岸相包括天然堤和决口扇，天然堤发育薄层砂岩与泥岩频繁互层，砂岩与泥岩单层厚度在3 cm左右(图7g)；决口扇岩性以中细砂岩为主，底部发育有冲刷面，冲刷面之上见泥砾，剖面上决口扇砂体呈透镜状，粒度呈下细上粗的反序结构(图7g)，发育小型砂纹交错层理和爬升层理。

2.4.3 泛滥平原

泛滥平原主要发育黄灰色泥岩(图7h)，在下石盒子组顶部可见紫红色、杂色铝土质泥岩(图7i)。

2.5 上石盒子组沉积特征

上石盒子组包括自B层铝土矿顶面至K8砂岩底面之间的所有岩层，自下而上可以分为万山段、奎山段和孝妇河段，万山段自B层铝土矿顶面至奎山砂岩底面，奎山段包括奎山砂岩及其间所夹的泥岩，孝妇河段自奎山砂岩顶面至K8砂岩底面。万山段和奎山段发育Patellisporites-ensosporites-Florinites孢粉组合，孝妇河段发育Anapiculatisporites-Cordaitina孢粉组合，说明上石盒子组沉积时属于干旱气候[17]。万山段和孝妇河段主要发育曲流河，奎山段发育潮流沉积，包括潮道和潮道间。

2.5.1 曲流河

上石盒子组曲流河相主要发育河床、堤岸和泛滥平原亚相，河床岩性以中砂岩为主，发育板状交错层理和槽状交错层理(图8a)，底部发育冲刷面(图8b)。在曲流河凹岸一侧河床以多层薄层砂岩叠置为特点，单层砂岩厚度在20～40 cm左右，砂岩之间发育侧积泥(图8c)，砂岩中发育的层理规模较小；在曲流河凸岸一侧河床发育多层砂岩叠置而成的厚层砂体(图8d)，层理规模较大，堤岸亚相主要发育天然堤，表现为砂泥岩频繁薄互层，砂泥岩单层厚度一般不超过10 cm(图8e)，砂岩中小型砂纹层理较为发育，泛滥平原主要发育黄灰色、紫红色泥岩，夹薄层的粉砂岩(图8f)。

2.5.2 潮流沉积

传统认为奎山段形成于内陆河流相，但是苗耀等[18]通过对济阳坳陷曲古2井和曲古3井上古生界泥岩进行Sr/Ba比分析发现，该段内的Sr/Ba比出现异常高值点(图9)，可能暗示着此时有海侵作用发生。李增学等[19]在奎山砂岩的中上部发现低角度的冲洗层理和海绿石，且海绿石元素成分与海相海绿石相似；通过对相邻地区的单县ZKM1井钻井取芯的奎山砂岩中填隙物进行微量元素分析可知，其B含量和B/Ga比均具有海相沉积的特征。上石盒子组形成于干旱的环境背景下[17]，万山段和孝妇河段的泥岩均呈干旱背景下的氧化色，而奎山段中发育的泥岩在露头及济阳坳陷井下均呈灰色、灰白色等还原色(图10)。综合认为奎山段形成于在海侵背景下的潮流沉积，包括潮道和潮道间。本区发育的潮道属于四种潮道成因类型中的滩面水流冲刷型[20]，成分成熟度较高，岩性以石英砂岩为主(图8g)，发育的层理类型多样，除反映强水动力条件水道沉积的块状层理、槽状交错层理(图8h)、板状交错层理(图8i)和平行层理(图8j)外，还在沉积序列顶部发育有滩面水流冲刷形成的低角度楔状层理(图8k)。潮道间为低能环境，主要发育灰色、灰白色泥岩。

图7 下石盒子组岩性与沉积特征a.多期河道叠置厚层砂岩；b.河床相含砾粗砂岩；c.河道砂岩中发育槽状交错层理；d.河道砂体底部发育冲刷面；e.河道砂体中含煤屑和泥砾；f.河道砂体中滞留沉积砾岩；g.天然堤与决口扇沉积特征；h.泛滥平原相黄灰色泥岩；i.下石盒子组顶部杂色泥岩Fig.7 Lithology and sedimentary characteristics of Lower Shihezi Formation

图8 上石盒子组岩性与沉积特征a.曲流河相河床发育槽状交错层理；b.曲流河河床砂岩底部发育冲刷面；c.曲流河凹岸薄层砂岩夹侧积泥；d.曲流河凸岸厚层砂岩；e曲流河天然堤砂泥岩薄互层；f.曲流河泛滥平原黄灰色与红色泥岩；g.奎山段潮道相石英砂岩；h.潮道发育槽状交错层理；i.潮道中发育板状交错层理；j.潮道中发育平行层理；k.潮道中发育低角度楔状层理Fig.8 Lithology and sedimentary characteristics of Upper Shihezi Formation

2.6 石千峰组沉积特征

石千峰组包括自K8砂岩底面至孙家沟组底面之间的所有岩层。石千峰组沉积期，受巨型季风气候的影响，气候愈发干旱[21]，阵发性降水作用发育，区内主要发育阵发性曲流河相。河床亚相中可见阵发性洪水期沉积的透镜状滞留沉积砾石层(图11a)，洪水的接力搬运作用可将粗粒物质搬运至盆地腹地[22]，可见大型板状交错层理和槽状交错层理(图11b，c)，细层底部常含砾，表明阵发性水流具有较强的搬运能力。堤岸相主要发育细砂岩与泥岩薄互层(图11d)，砂岩中可见板状交错层理(图11e)，泛滥平原相主要发育砖红色、黄灰色泥岩(图11f)。

2.7 沉积序列特征

通过本次研究工作，共识别出8种典型的沉积序列。太原组中发育三种海进沉积序列和一种海退沉积序列，海进沉积序列一以潮坪相为主，垂向表现为从泥坪向混合坪和砂坪的演变，表明一种潮坪背景下的渐进性海进作用(图12a)；海进沉积序列二在垂向上表现为由底部的泥坪向上过渡为潟湖相，顶部发育潮道相，表明一种潟湖背景下的渐进性海进作用(图12b)；海进沉积序列三下部发育泥坪相，可见煤层，上部发育台地相灰岩，灰岩常直接覆盖在煤层之上，表明一种突发性的海进作用(图12c)；海退沉积序列由底部的障壁岛向上依次过渡为岛后泥坪、潟湖和泥坪，代表障壁岛—潟湖背景下的海退作用(图12d)。山西组中发育由三角洲前缘的分流间湾和水下分流河道向上转变为三角洲平原的分流河道和分流河道间的沉积序列，为三角洲进积沉积序列(图12e)。上石盒子组曲流河凹岸一侧发育由底部的河道相薄层砂岩夹侧积泥向上演变为天然堤和泛滥平原(图12f)；凸岸一侧发育由底部的厚层叠置河道相砂岩向上演变为堤岸相的天然堤和决口扇，顶部发育泛滥平原相(图12g)；两种沉积序列均代表曲流河的典型的“二元结构”。上石盒子组潮道相中沉积序列由多期叠置的厚层砂岩组成，层理类型由底部的块状层理向上变为槽状交错层理和平行层理，顶部发育楔状层理(图12h)。

图9 济阳坳陷上古生界泥岩Sr/Ba比值变化图[16]Fig.9 Variation of Sr/Ba ratio in Upper Paleozoic mudstone in Jiyang depression

图10 济阳坳陷奎山段暗色泥岩a.花古102井奎山段暗色泥岩；b.王古2井奎山段暗色泥岩Fig.10 Dark mudstone in Kuishan Formation of Jiyang depression

图11 石千峰组岩性与沉积特征a.河床底部透镜状滞留沉积砾岩；b.河床相中发育大型板状交错层理；c.大型槽状交错层理，细层底部含砾；d.天然堤砂泥岩薄互层；e.天然堤薄层砂岩中发育板状交错层理；f.泛滥平原砖红色与灰黄色泥岩Fig.11 Lithology and sedimentary characteristics of Shiqianfeng Formation

图12 淄博博山上古生界剖面典型沉积序列a.泥坪—混合坪—砂坪海进沉积序列；b.泥坪—潟湖—潮道海进沉积序列；c.泥坪—台地海进沉积序列；d.障壁岛—岛后泥坪—潟湖—泥坪海退沉积序列；e.三角洲进积沉积序列；f. 曲流河凹岸沉积序列；g.曲流河凸岸沉积序列；h.潮道沉积序列Fig.12 Typical sedimentary sequence of Upper Paleozoic section in Zibo, Boshan

3 沉积演化

经历了中奥陶世至早石炭世长期隆起剥蚀之后，华北板块主体发生沉降接受沉积。晚石炭世本溪组沉积期，海水由盆地东北部向盆内侵漫[14]，发育了受限陆表海，在研究区内风化古地形之上形成了碳酸盐台地相与潮坪相交替发育的沉积格局，受盆地北部物源区隆升速率的影响，研究区内砂坪相不发育，仅发育沉积物粒度较细的泥坪和混合坪相。晚石炭世—早二叠世太原组沉积期，北部物源区进一步抬升，盆地格局由南隆北倾转变为北隆南倾[23]，海水由盆地东南部向盆内侵漫[14]，受限陆表海继续发育，在本溪组填平补齐的基础之上，发育了障壁海岸相和碳酸盐台地相沉积，此时陆源碎屑物质供给充足，障壁海岸相中砂体类型多样，潮坪相、潮道相和障壁岛相砂体均有发育，在障壁海岸相为主体的背景下，发育了四期碳酸盐台地相沉积，形成了薄层生物碎屑灰岩。早二叠世山西组沉积期，海水大幅南退，盆地进入残余陆表海发育阶段，研究区内发育以三角洲相为主的含煤碎屑岩系，砂体类型以分流河道和水下分流河道为主。中二叠世下石盒子组沉积期，盆地北部构造隆升作用加剧，盆地进入近海内陆坳陷发育阶段，研究区内由沉积相类型由过渡相转化为曲流河相，气候向半干旱—干旱转变，发育了以黄灰色为主的碎屑岩系，下部夹有暗色泥岩，局部可见煤线。中二叠世上石盒子组沉积期，继承性发育近海内陆坳陷，研究区内主体仍发育河流相，其中万山段和孝妇河段均发育曲流河，万山段泥岩以黄灰色夹紫红色为主，孝妇河段泥岩以紫红色为主，夹有少量黄灰色，代表气候逐渐干旱；在河流相背景下，受海侵作用的影响，在奎山段发育了滨岸相的潮流沉积。晚二叠世石千峰组沉积期，随着盆地南部秦岭海槽的俯冲闭合，盆地进入内陆湖盆发展阶段[24]，区内发育巨型季风气候[21]，降水的季节性差异显著，河流阵发作用强，发育了一套河流相的红色碎屑岩系。

4 结论

淄博博山地区上古生界自下而上发育本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组，发育障壁海岸相、碳酸盐台地相、三角洲相、河流相和潮流相。

障壁海岸相和碳酸盐台地相主要发育在本溪组和太原组，本溪组以潮坪相和碳酸盐台地相为主，太原组中发育潮坪相、潮道相、潟湖相、障壁岛相和碳酸盐台地相，发育三种典型的海进沉积序列和一种海退沉积序列。三角洲相发育于山西组中，发育一种典型进积沉积序列。河流相主要发育在下石盒子组—石千峰组，均为曲流河，其凸岸与凹岸发育不同类型的沉积序列。潮流相发育在上石盒子组奎山段，见一种典型沉积序列。

研究区上古生界沉积演化总体为由陆表海向内陆湖盆转变的过程。本溪组—太原组发育在陆表海背景下，山西组发育残余陆表海背景下的过渡相，下石盒子组—上石盒子组总体发育近海内陆坳陷背景下河流相，局部层段发育海侵作用，石千峰组发育内陆湖盆背景下河流相。区内上古生界总体为一个海进—海退的沉积过程。