黄县盆地古近系黄县组高分辨率层序地层分析

宁文峰 刘凯丽 周锴 徐蒙 唐霁轩

1 中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013 2 山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250014

1 黄县盆地区域地质背景

黄县盆地位于山东半岛北部，位于烟台市龙口（原黄县）境内，该盆地于白垩纪形成，新生代继承性发展，煤与油页岩共生的半地堑断陷盆地。盆地面积约350km2，煤与油页岩边界基本一致。目前，已查明油页岩面积为200km2，赋煤面积为300km2。埋深0～1000m，油页岩含油率达9%～22%，平均12.91%，是中国迄今发现的含油率最高的油页岩[1]。盆地西部及北部濒临渤海，东以北林院-洼沟断层为界，南部为黄县-九里店大断层（图1）。其中，北林院-洼沟断层为郯庐断裂带的分支断层，切割限制了黄县-九里店大断层，二者共同控制了黄县盆地黄县组含煤与含油页岩地层的发育和分布。

图1 黄县盆地构造纲要图Fig.1 Outline structure map of Huang county basin

区内地层系统自下而上分别为：晚太古代胶东岩群、古元古代粉子山群、新元古代蓬莱群、中生代白垩系青山群、古近系、第四系。古近系黄县组赋存煤与油页岩，是本文重点研究的对象，黄县组沉积地层如图2 所示。

图2 黄县盆地古近系黄县组柱状图Fig.2 Stratigraphic column of Huang county basin

2 黄县盆地沉积环境分析

黄县盆地黄县组为一套断陷湖泊沉积，以碎屑沉积物为主，由盆地边缘向盆地中心，碎屑沉积物呈现由厚到薄、粒度由粗至细的规律性变化，粗粒沉积物在垂向上表现出顶底界面的突变接触，但总体呈现向上变细的特征。通过对研究区内100 余个钻井和测井资料研究[2]，共识别出4 类沉积体系，分别是冲积扇沉积体系，扇三角洲沉积体系，水下扇沉积体系和湖泊沉积体系（图3～7）。

图3 黄县盆地主要沉积体系Fig.3 Main sedimentary system of Huang county basin

图4 冲积扇沉积序列（乡城）Fig.4 Alluvial fan sedimentary sequence(Xiangcheng)

图5 扇三角洲体系（梁家）Fig.5 Fan delta system(Liangjia)

图6 水下扇沉积序列（海岱）Fig.6 Subaqueous fan sedimentary sequence(Haidai)

图7 湖泊沉积序列（梁家）Fig.7 Lacustrine sedimentary sequences(Liangjia)

3 黄县盆地高分辨率层序地层格架

根据黄县盆地在岩性剖面、钻井岩心、测井曲线，以及沉积相在横向、纵向变化的证据，结合黄县断陷盆地地层的发育情况及区域构造背景，综合考虑构造、气候、物源供给等因素对层序控制，依据Cross 按基准面旋回级别划分层序和层序命名的原则[3]，将黄县盆地黄县组沉积地层地层划分为：1个超长期旋回（SLSC1）、2 个长期旋回（LSC1、LSC2）、6 个中期旋回（MSC1、MSC2、MSC3、MSC4、MSC5、MSC6）及17 个短期旋回（SSC1、SSC2、······SSC17）（表1、图8）。

表1 黄县盆地高分辨率层序地层划分Table 1 Division of stratigraphic sequence in Huang county basin

其中，SLSC1 的底界面（SB1）是一个构造运动界面，即区域性不整合面，为黄县组与下伏白垩系青山群之间的不整合面，该界面在整个黄县盆地广泛发育，并且可与区域性的构造运动界面进行对比[4]。该界面上下为两套截然不同的沉积组合。而超长期旋回的顶界面为另一个构造运动界面，即古近系和新近系之间的不整合面，该界面为一断坳转换界面，同样为一区域性构造运动界面（SB3）。该界面上下为两套不同的沉积组合：界面之下为一套含煤、油页岩、泥灰岩、钙质泥岩、砂泥岩沉积组合，厚度巨大。而界面之上为新近系地层，底部为厚度10m左右的底砾岩，上部为玄武岩，且具多次喷发、多旋回的特征。该界面在区域上具有很好的对比性。这两个区域性界面在沉积特征、测井曲线、地震剖面上反映比较明显，易于追踪对比，是进行层序划分的重要界面。

而长期旋回LSC1 和长期旋回LSC2 之间的界面（SB2）为一构造应力场转换面[4]，在黄县盆地表现为盆地水域萎缩所形成的界面，由于构造运动性质的改变导致盆地构造应力场的转换，构造应力方向的改变或构造性质由挤压作用转变为伸展作用，导致盆地沉积机制发生改变。对于黄县盆地，盆缘断裂的周期性活动控制着盆地的沉积过程，因而，构造应力场转换面即是盆地沉积体制发生改变的界面，该界面上下沉积体系的配置和沉积组合具有明显的不同，可以由沉积特征和测井曲线识别和对比。在黄县盆地内部，该界面为煤3之下的杂色粘土岩，厚度由几米到二十余米，且有北薄南厚的特点，该层之上为中粗砂岩，有明显的底冲刷现象，沉积体系发生了明显的变化；且煤3上下生物组合有明显的不同，为始新世和渐新世的分界；测井曲线对SB2 同样有明显的反映。

现将每个层序的沉积特征介绍如下：

（1）LSC1 长期旋回沉积特征

LSC1 旋回底界面为黄县组与白垩系青山群之间的不整合面，顶界面煤3 之下的古土壤界面，旋回中部有煤与油页岩的沉积，该旋回包括三个中期基准面旋回，即MSC1、MSC2 和MSC3（图9）。

MSC1 中期旋回，盆缘断裂开始活动，形成的可容纳空间较小，且物源供给充沛，A/S＜＜1，即沉积物的补给通量远大于新增可容纳空间。一旦发生基准面下降，旋回上部的细粒部分被侵蚀，仅能保存下部的粗粒部分，即上升旋回，并伴随强烈的底冲刷。该旋回主要由冲积扇、扇三角洲冲积体系构成，沉积物以砖红色砂砾岩、杂色含砾砂岩、紫红色细砂岩等粗粒沉积物为主，磨圆度呈棱角状，分选差，多为泥质胶结。

图8 黄县盆地高分辨率层序地层划分Fig.8 Division of high-resolution sequence stratigraphic in Huang county basin

图9 LSC1 旋回沉积层序Fig.9 Sedimentary sequence in LSC1 gyration

MSC2 中期旋回，盆缘断裂持续活动，盆地缓慢扩张，水域范围逐渐扩大，基准面稳定上升，可容纳空间逐渐增大，物源供给开始减少，A/S比值逐渐扩大，该旋回形成一套砂泥岩沉积，沉积体系以扇三角洲沉积体系为主。其上升半旋回与下降半旋回转折点（湖泛面）附近形成一套油页岩沉积，然而该时期湖体规模较小，油页岩分布范围较为局限，主要分布在梁家矿区，为局部地区标志层。之后基准面开始下降，形成一套含煤沉积，同样由于湖体规模较小，煤层分布也较为局限，为局部地区标志层。

MSC3 中期旋回，该时期盆缘断裂活动性逐渐减弱，湖盆开始萎缩，可容纳空间逐渐减小，物源供给相对增多，A/S 比值逐渐减小，形成的一套较粗粒砂泥岩沉积，基本不发育煤层。该旋回末期，大部分地区基准面持续下降至地面以下，大部分地区遭受剥蚀、夷平，发生土壤化，形成本地区的重要界面，即SB2。

（2）LSC2 长期旋回沉积特征

LSC2 旋回底界面为盆地古土壤界面顶部，顶界面为古近纪和新近纪的构造运动界面，旋回中部靠下部位发育广泛的煤与油页岩的沉积，该旋回包括三个中期基准面旋回，即MSC4、MSC5和MSC6（图10）。

MSC4 中期旋回初始沉积时期，盆缘断裂开始活动，但活动较弱，只在该中期旋回底部发育一套中粗粒砂岩沉积，底部发育底砾岩沉积，分布在盆缘断裂附近，具底冲刷现象，沉积体系以冲积扇-扇三角洲沉积体系为主。随着盆缘断裂的持续活动，水域面积逐渐扩大，基准面开始上升，可容纳空间逐渐增大，物源供给相对减弱，A/S比值逐渐增大，基准面上升期间形成多套煤和油页岩的沉积，并在该中期基准面上升达到最大即旋回转折点（湖泛面）附近形成一套分布广泛的油页岩沉积，油页岩沉积较厚且较为稳定。之后基准面旋回下降，A/S 比值减小，在该油页岩层之上发育含煤沉积。

MSC5 中期旋回，盆缘断裂活动性逐渐增强，水域面积快速扩大，其上升半旋回底部，基准面升降频繁，总体以上升为主，形成一套煤与泥灰岩交互沉积，煤层较薄，局部可采，且分布较为局限。之后基准面持续上升，水域面积快速扩大，可容纳空间逐渐增大，A/S 比值逐渐增大，形成一套巨厚层的灰绿色钙质泥岩沉积。之后基准面开始下降，沉积物粒度逐渐变粗，形成一套粉砂岩泥岩沉积。

图10 LSC2 旋回沉积层序Fig.10 Sedimentary sequence in LSC2 gyration

MSC6 中期旋回，盆缘断裂活动性开始减弱，湖体逐渐萎缩，可容纳空间开始减小，物源供给又复充沛，聚煤作用终止，盆地淤浅以至最后封闭。

4 层序格架约束下的沉积环境演化

黄县盆地属于断陷型盆地，盆缘断裂的活动控制盆地沉降，而盆地的沉降控制盆地的充填演化过程，所以盆缘断裂的活动控制着盆地的沉积。黄县盆地为中生代形成，新生代继承性发展的断陷盆地，盆缘断裂初始形成于中生代晚期，新生代持续活动。

根据以上对于黄县盆地的沉积环境和高分辨率层序地层的研究，结合前人的成果[5-10]，可以将黄县盆地划分为两个构造演化阶段。第一构造阶段以盆地间歇性缓慢沉降为特征，第二构造阶段以盆地持续快速沉降为特征。两个阶段的沉降控制着盆地沉积充填过程，并显示出明显的阶段性。

（1）第一构造-沉积旋回

古近纪早期的构造作用形成黄县盆地的雏形。随着盆缘断裂的活动，断层两侧差异性升降形成可容纳空间并开始接受沉积。盆地初始沉积阶段，盆缘多发育小型冲积扇沉积，随着断裂活动的发育，盆地范围开始扩大，小型冲积扇逐渐向大型的冲积扇-扇三角洲开始过渡。该阶段盆地水体较浅，且常处于暴露状态，沉积物颜色以氧化色为主，沉积物粒度较粗，厚度巨大。该阶段为盆地第一沉积阶段-盆地初始形成阶段。

盆地形成后，盆缘断裂持续活动，湖盆水域范围逐渐扩大，盆地可容纳空间增大，可容空间与沉积物补给通量比值（A/S）逐渐增大，以冲积扇-扇三角洲为主的沉积逐渐向以扇三角洲-滨浅湖为主的沉积转化。同时扇三角洲平原洼地以及滨浅湖地带出现了有利于煤与油页岩沉积的古地理和古构造条件。该阶段为盆地第二沉积阶段-盆地缓慢扩张阶段。

后期盆缘断裂活动性减弱，湖盆一开始由扩张变为萎缩，湖盆水体逐渐变浅，水域面积逐渐缩小，盆地可容纳空间逐渐变小，A/S 比值逐渐减小，沉积物逐渐向湖盆方向进积，且沉积物粒度逐渐增大，扇三角洲沉积开始占据主导地位，盆缘部位又复出现冲积扇沉积，随着湖盆的逐渐萎缩，湖盆水体变浅并发生土壤化作用，形成分布较为广泛的层序界面。该阶段不利于煤与油页岩等沉积矿产的聚集。该阶段为盆地第三沉积阶段-盆地逐渐萎缩阶段。

（2）第二构造-沉积旋回

盆缘断裂的开始活动形成第二个构造-沉积旋回。该构造-沉积旋回初期盆缘断裂活动相对较弱，总体表现为缓慢的沉降，沉积物以粗粒沉积为主，并有底冲刷现象。随盆地的稳定下陷，盆地水域范围开始扩大，A/S 比增大，碎屑物质开始退积，盆地发育多套煤与油页岩的沉积，煤与油页岩多呈互层发育。该阶段为盆地第四沉积阶段-盆地再次扩张阶段。

中期，盆缘断裂活动性增强，盆地加速下陷，盆地水域范围迅速扩大并达到最大，滨浅湖沉积逐渐向浅湖-深湖沉积过渡，盆地沉积以钙质泥岩等化学沉积为主，以泥灰岩为代表的浅湖沉积向盆缘扩展，聚煤作用向盆缘迁移，且聚煤作用随之减弱。该阶段为盆地第五沉积阶段-盆地加速扩张阶段。

后期，盆缘断裂活动逐渐减弱，湖盆开始萎缩，盆地可容纳空间减小，物源供给逐渐增多，A/S 比减小，碎屑体系开始向湖盆方向进积，聚煤作用终止。盆地淤浅以至最后封闭。该阶段为盆地第六沉积阶段-盆地逐渐萎缩阶段。

可以看出，黄县断陷盆地充填演化特征受周期性构造活动的控制，先后经历了早期形成阶段、中期持续发展阶段和晚期萎缩消亡阶段，共经历了两次大的构造旋回。

5 结论

本文在详细研究黄县盆地钻井、测井等地质资料的基础上，详细分析盆地黄县组地层沉积特征，识别不同的沉积体系。在详细分析盆地沉积体系的基础上，利用高分辨率层序地层学的方法，识别层序界面以及不同级次的基准面旋回，建立高分辨率层序地层格架。在高分辨率层序格架约束下将盆地划分为不同的沉积环境演化阶段。研究取得以下认识：

（1）黄县盆地黄县组为一套断陷湖泊沉积，以碎屑沉积为主，由盆地边缘向盆地中心，沉积物呈现由厚到薄、粒度由粗至细的规律性变化，粗粒沉积物在垂向上表现出顶底界面的突变接触，但有的呈现向上变细序列特征。通过对研究区内100 余个钻井和测井资料研究，共识别出4 类沉积体系。即冲积扇沉积体系，扇三角洲沉积体系，水下扇沉积体系，湖泊沉积体系。

（2）根据黄县盆地在钻井岩心、测井曲线，以及沉积相变化方面的特征，利用高分辨率层序地层学的基本原理，识别不同级次的旋回界面以及基准面旋回。综合考虑构造运动、气候变化、物源供给等因素的影响，将黄县盆地沉积地层地层划分为：1 个超长期旋回（盆地构造旋回），2个长期旋回（LSC1、LSC2）、6 个中期旋回（MSC1、MSC2、······MSC6）及十多个短期旋回（SSC1、SSC2、······SSC17）。

（3）在对黄县盆地沉积地层进行高分辨率层序地层分析的基础上，对本区沉积环境演化进行了分析：可以将该地区划分为两个构造演化阶段，第一构造阶段以盆地间歇性缓慢沉降为特征，第二构造阶段以盆地持续快速沉降为特征个沉积演化阶段。