元素录井沉积岩相古地理特征研究探索

阚留杰 谭忠健 胡 云 谭伟雄 杨 锋 陈琼浩

(①中海石油能源发展股份有限公司工程技术分公司；②中海石油(中国)有限公司天津分公司；③中国石油华北油田分公司技术监督检验处)

0 引 言

目前，元素录井资料的应用主要集中于岩性识别、地层划分等方面，基本能识别各类岩性，并建立了元素录井的岩性解释模型和地层特征剖面，但应用于沉积相分析方面的研究较少，目前仍处于初始阶段。

元素地球化学分析可用于研究岩相古地理。前人在地球化学研究中，广泛应用元素比值法，如Al、Ti、Fe是陆源的代表性元素，而Mn是典型的大洋型沉积元素，Mn/Fe比值则代表了沉积水体的深度[1]，藉此可帮助识别沉积环境。地层沉积过程中，随着水体深度的变化，岩石中元素的含量也将发生明显变化，利用元素曲线特征及录井剖面，可以判断沉积水体深度的变化，同时结合区域地质特征，可依次划分出冲积扇、河流、湖泊等沉积相。因此，元素录井对地层层序、体系域边界识别及层序框架内的沉积岩相古地理特征(古盐度、古水深、水体的pH值、氧化还原条件、湖平面升降变化等)恢复的研究都具有重要意义。

1 元素录井预测岩相可行性分析

元素迁移是指在各种自然环境下，元素结合与分离(一种赋存状态转变为另一种赋存状态)、集中与分散的重新分配过程。元素的迁移不但发生在大规模的宏观地质作用中，同时发生在微观地质变化中。元素的迁移使得元素在地壳的不同地点集中或分散，并造成不同的共生组合，是矿床形成的前提，也是元素录井利用元素信息进行岩性识别、地层评价的依据[2]。

在一定的岩相古地理环境下，元素迁移是有规律的(图1)。元素的迁移可分两个阶段，第一阶段为从原来的固定状态转化为活动状态，进入迁移介质发生空间位移；第二阶段为在新的环境条件下，元素形成新的相对稳定的结合关系。

图1 元素迁移模式

元素的迁移能力与风化作用息息相关。岩石风化作用与湿度和温度密切相关，湿度越大，温度越高，风化作用越强。在干燥的环境中，以物理风化作用为主，且随着温度的升高物理风化作用逐渐加强；在湿润的环境中，以化学风化作用为主，且随着温度的升高化学风化作用逐渐加强，如图2所示，从①到④物理风化作用和③到②化学风化作用均逐渐加强。物理风化作用主要受温度变化影响，化学风化作用受温度和湿度变化影响都较大，元素的迁移能力也随着风化作用增强而增强。

图2 不同气候条件下物理、化学风化作用强弱变化

不同元素由固定状态转化为活动状态进入迁移介质的能力不同。实际上，不同元素迁移能力表现大不相同，如S、Cl、B、Br、I等元素的离子迁移能力最强，最易搬运进入水体中，因此这些元素在母岩区岩石中含量相对较低；而Al、Fe、Ti、Zr等元素迁移能力最弱，因此这些元素在母岩区岩石中含量相对较高。在新的环境条件下，元素形成新的稳定结合关系所需要的环境也不同。综上所述，利用元素录井进行岩相古地理分析从理论上是可行的。

2 岩相古地理研究

2.1 元素在古环境分析中的应用

前人根据元素录井及微量元素分析对岩相古地理分析进行了一些尝试，其分析内容包括：古盐度分析、氧化还原环境分析、离岸距离分析、滨岸线和主河道线分析[3-5]。古盐度分析指标包括B、B/Ca、Sr/Ba、C/S、Fe/Mn、Na/Ca、Rb/K、V/Ni、Mg/Ca；氧化还原环境分析指标包括 Fe2+/Fe3+、Cu/Zn、(Cu+Mo)/Zn。滨岸线和主河道线分析是指通过元素主要客体的抗风化磨蚀性分析，在元素或元素比值平面分析的基础上，刻画出岩相古地理框架。如在滨湖区和滨海区，由于波浪作用，石英相对富集，因而在滨湖区和滨海区形成一个硅相对高值带。在水下分流河道区，也会形成一个硅相对高值带。

2.2 元素分异规律

本研究所需基础元素数据及测井数据来自渤海油田曹妃甸区块，钻遇地层从上至下分别为第四系平原组，新近系明化镇组、馆陶组，古近系东营组、沙河街组等，其中东营组及以上地层以碎屑岩为主，沙河街组主要为碎屑岩和碳酸盐岩。该区块沉积相相对较全，有利于沉积相的识别及判断。鉴于由陆地向湖盆中心不同元素的迁移富集规律不同，利用已知的测井资料结合元素录井数据进行分析，提取相应不同元素含量分布特征，最终建立了曹妃甸区块元素沉积环境分异规律，结果(图3)表明：Ca元素易在水体中富集，水体中易发育湖泊相；Ti、Si等元素易在陆上富集，陆地上易发育河流三角洲相。

图3 元素由陆向海迁移分异规律示意

3 相敏感元素分析

不同元素含量的多少，可以反映相应的沉积环境。Mn/Fe比值反映水体深浅，Mn元素在陆地相对富集，迁移性偏差， Fe元素在水体中相对富集，迁移能力强，Mn/Fe比值越大，证明水体越深；Ti/Ca比值反映气候干湿，Ca元素在干热条件下易富集，Ti元素是金红石主要成分，不易风化[3-5]。据此需要把不同沉积环境的敏感元素筛选出来，以便于判断沉积环境。

3.1 曹妃甸区域沉积相敏感元素

在由已知录井、测井资料明确具体沉积相的基础上，通过单井相元素统计，发现冲积扇、河流相、湖泊相的敏感元素为Si、Al，并用这两种敏感元素进行沉积相的分析，曹妃甸区域钻井过程中主要揭示了冲积扇相、河流相和湖泊相等相类型，其中：冲积扇相Si分辨范围为28%～30%，Al元素为6.5%～7.5%；河流相Si分辨范围为大于30%，Al元素为3%～6.5%；湖泊相Si分辨范围为22%～28%，Al元素为7.5%～10%。

3.2 Si/Al比值指示粒度粗细

在源-渠-汇沉积体系中，受机械分异等因素的影响，越向湖中心(沉积中心)，沉积物粒度越细，Si的含量越低，黏土矿物中Al元素越高；相反距离物源区越近，沉积物粒度越粗，Si的含量越高， Al元素越低。这表明Si/Al比值能在一定程度上体现沉积物粒度指标。图4为曹妃甸区域15口井的Si/Al比值等值线图，其中Si/Al比值为2.83～3.75，用蓝色-红色共16种颜色，代表沉积物粒度从小到大。

图4 曹妃甸区域Si/Al比值等值线

4 元素相分析

4.1 单井相分析

利用元素录井数据进行相分析，可参考传统相分析方法，借鉴点-线-面互相刻画思路，在元素单井相分析基础上，通过构建单井元素相剖面、连井元素相剖面，最终为实现相平面的刻画建立研究基础。在曹妃甸区块，以单井元素录井资料为基础，首先建立单井元素相剖面(图5)，进而构建连井相剖面。

图5 元素单井相分析

以Mn/Fe比值指示离岸远近，Ti/Ca比值指示气候干湿，Si/Al比值指示粒度粗细，三者结合反映沉积环境。从图5可以看出，曹妃甸区块馆陶组以三角洲平原和河床为主，具有河流相沉积特征，三角洲平原相对具有离岸近、气候干、粒度粗的特征，河床相对具有离岸远、气候湿、粒度细的特征。东营组具有三角洲前缘亚相沉积特征，河床相对具有离岸近、气候干、粒度粗的特征，漫滩具有离岸远、气候湿、粒度细的特征。

4.2 连井相分析

以曹妃甸五口井的单井元素分析剖面为基础，制作连井剖面，即把河流相、三角洲前缘亚相、湖泊相等连线，制作出元素连井相剖面图(图6)。从图中可以看出，曹妃甸区域的河流相沉积厚度不同，馆陶组地层为河流相沉积特征，东营组为三角洲前缘亚相，由此可将沉积相与地层层位相对应。

4.3 岩相古地理分析

基于传统沉积学理论，利用上述元素单井相分析、元素连井相分析结果，结合元素迁移规律，最终完成曹妃甸区岩相古地理环境的识别(图7)。识别结果表明：在东营组地层沉积时期，该区域北部主要发育由冲积扇-河流相-滨浅湖相的过渡连续沉积，南部主要发育三角洲相-滨浅湖相；在区域中心部位地势最低、离岸最远、岩性也最细，发育滨浅湖相。

图6 元素连井相剖面

图7 曹妃甸区域岩东营组沉积相古地理图

5 结 论

在分析渤海油田曹妃甸区块大量已钻井地层元素图谱和元素变化曲线的基础上，作出单井元素剖面图，继而由点及线作出连井元素剖面图，通过区域对比，最终作出本区块的元素岩相古地理图，据此判断曹妃甸区块馆陶组是以三角洲平原和河床为主，具有河流相沉积特征。三角洲平原相对具有离岸近、气候干、粒度粗的特征，河床相对具有离岸远、气候湿、粒度细的特征。东营组具有三角洲前缘亚相沉积特征，河床相对具有离岸近、气候干、粒度粗的特征，漫滩具有离岸远、气候湿、粒度细的特征。应用元素录井可在一定程度上进行沉积相的解释及岩相古地理环境探索研究，虽然还在初步探索阶段，但随着元素录井技术研究的深入与应用的推广，其解释方法将日趋完善。