泥页岩层序地层学划分方法——以准噶尔盆地准页3井芦草沟组泥页岩为例

陈 健，庄新国

(1.广东煤炭地质局，广州 510000；2.中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074)

层序地层学通过建立沉积盆地的等时地层格架，预测不同类型储集体的展布、性质。但是直接对生油层预测应用相对较少，尤其对生储盖一体的泥页岩油气藏的应用存在明显不足[1-6]。区别于陆相碎屑岩的湖相泥页岩的层序划分，国内外研究者尝试了很多创新的方法。有些学者认为泥页岩具有较强的非均质性(结构和构造上)[7-9]，是被潮汐以及波浪等没有确定方向的流体联合作用而形成的结构有序的岩体，随着湖平面升降变化对应着不同岩性相组合样式，所以可以用岩性相的定性分析来划分层序[10]；也有学者认为地壳中元素的迁移富集规律除了取决于元素本身的物理化学性质还受地质环境的影响，所以沉积物中化学元素变化与湖平面变化有一定的响应关系，故可以用各种地球化学参数定量划分地层层序[11-16]。

本文以准噶尔盆地南缘准页3井二叠系芦草沟组为例，探索利用岩性相和一些典型的地球化学参数进行湖相泥页岩的层序地层学研究，建立泥页岩的层序格架，分析优质烃源岩的分布特征，为该区域的页岩气的勘探开发提供参考。

1 地质概况

准噶尔盆地南缘二叠系芦草沟组形成于稳定的内陆湖泊环境，黑色页岩广泛发育，是新疆页岩气勘探的一个重要烃源岩层。本次研究的准页3井位于准噶尔盆地南缘博格达山前断裂带东段乌鲁木齐红雁池地区，在构造上位于乌鲁木齐向斜南翼(图1)，钻孔钻遇二叠系泉子街组、红雁池组和芦草沟组。其中芦草沟组钻遇井段864～1 850m，钻遇地层厚度为984m，底部未钻穿。

图1 研究区构造纲要图

准页3井芦草沟组岩性下段主要为碳酸盐岩与泥页岩互层，中段为灰黑色泥页岩夹薄层碳酸盐岩，上段碳酸盐夹层变多，顶部碳酸盐岩夹层多被钙质粉细砂岩取代。微细水平层理、水平或波状纹层发育，黑色页岩与灰岩或白云岩交互频繁，为盐度较高的弱还原环境下的半深湖-深湖相沉积[17-20]。

2 层序划分方法分析

对于具有边缘相的内陆湖盆，初始湖泛面表现为粗碎屑物逐渐被泥粉砂级别的细粒沉积物覆盖，主要由三角洲的进积向退积转换，整体上形成覆水向上变深的旋回；而最大湖泛面处于湖平面升降的最高点，由三角洲的退积转化为加积或进积，界面之下多为暗色泥岩，界面之上砂岩含量明显增加，总体显示向上变浅、变粗的旋回。但是通过岩石类型组合标志来识别湖盆中心的泥页岩的体系域相对具有一定的难度。湖平面变化是识别体系域的关键，而湖水中的化学组分随着一个完整的湖平面升降也发生相应的变化，因而沉积层中的常微量元素以及稀土元素随着湖平面变化展现出明显的不同特征，反过来可以根据这些地球化学资料对体系域进行定量识别[21]，所以可以在岩性识别体系域的基础上通过对地球化学资料垂向变化的系统分析来佐证体系域的识别。具体分析方法如下：

2.1 胶结物含量法

在体系域界面附近，伴随着湖平面的下降，水体盐度含量增高，容易形成白云质类岩石沉积，而泥质胶结物的发育降低，所以在体系域界面处的白云质胶结物呈现相对较高值，而泥质胶结物的含量则呈降低的趋势[22]。

2.2 Fe2+/Mn2+

Fe相对Mn更容易氧化，一般在离岸近的地区富集，而Mn能在离岸远的地区聚集，所以Fe2+/Mn2+比值远离海岸不断减小[13]。当水体深度由浅变深，Fe2+含量减少，Mn2+含量增多，所以可以用Fe2+/Mn2+比值反映了水体的深浅。

2.3 稀土元素法

稀土元素在揭示沉积岩的物源和沉积环境等具有重要指示意义，为地层划分提供有效息[14]。在深水沉积盆地，稀土元素含量往往与黏土矿物密切相关，黏土矿物含量的增加导致了深水环境中稀土元素浓度大大高于浅水中的稀土元素浓度，且随深度的不断增大而增大。因此，可以在进行深水环境的层序格架划分时引入稀土元素含量这个参考指标。

2.4 TOC识别法

TOC含量跟水体的缺氧环境以及沉积盆地沉积速率有关，沉积速率也主要控制了缺氧界面的形成[15]。当沉积速率相对较低时，主要表现为还原作用，有机质也比较容易保存；当沉积速率增大时，湖泊覆水深度越来越浅，主要表现为氧化作用，有机质含量减小。所以界面附近的沉积速率之比与沉积盆地的可容纳空间相关。在湖扩体系域中，可容纳空间的不断增大，物源供给明显不足，有机质保存较好，有机质含量较高。

2.5 岩性相定性分析法

泥页岩并不是地层和空间上的同一均质体，存在多种流体搬运的沉积结构、构造及不同岩相类型[9]。基于泥页岩因沉积环境变化产生的多种岩相类型在相对湖平面升降过程中组合样式的不同来划分体系域。所以低位体系域一般以较为高能的粒屑灰岩/白云岩相、泥粉晶灰岩/白云岩相和钙质粉砂岩相为主，而处于湖平面不断上升的湖扩体系域主要以低能的页岩/油页岩相和灰质泥岩相为主，夹有泥质白云岩/灰岩相，在高位体系域以灰质泥岩相和泥质灰岩/白云岩相为主,夹有页岩/油页岩相和泥粉晶灰岩/白云岩相。

3 岩性相组合特征

根据沉积物的岩性、沉积构造、含有物、矿物成分和测井曲线特征的差异，将准页3井芦草沟组的岩性相分为下列几种类型：①黑色油页岩/页岩相；②灰黑色灰质/白云质泥岩相；③灰色-灰白色泥质白云岩/灰岩相；④灰白色泥粉晶白云岩/灰岩相。

3.1 黑色油页岩/页岩相

该岩性相主要分布在芦草沟组中段和上段，主要岩性为黑色、黑褐色油页岩和灰黑色页岩，常见水平层理、韵律层理，可见顺层和穿层发育的黄铁矿；含鱼类化石。GR测井平均值为90～110API，个别页岩薄层段GR值异常高，大于200API。局部可见水平层理、韵律层理和液化变形构造，发育有少量斜交层面和顺层的微裂缝，局部被方解石充填(图2)。

图2 准页3井芦草沟组岩心-测井响应图(灰黑色页岩岩性相)

3.2 灰黑色灰质/白云质泥岩相

该岩性相在芦草沟组全段都有分布，GR测井平均值为70～90API，个别泥岩薄层段GR值异常高，大于90API。最直观的标志是灰黑色，页理不发育，且多与黑色页岩相呈过渡关系。该岩性相主要岩性包括灰质泥岩、白云质泥岩以及粉砂质泥岩；泥岩风化色多为灰白色、褐灰色等多色，新鲜面为灰黑色；块状构造，一般不显示页理，断面多呈贝壳状，滴酸绝大部分不起泡；成分以泥质为主，灰质或白云质含量为10%～25%，多以胶结物形式存在；多见灰质页岩夹薄粉砂岩纹层或条带，粉砂岩见液化变形构造；灰质泥岩中夹以石英和长石为主要成分的粉砂岩，有少量有机质充填(图3)。

图3 准页3井芦草沟组岩心-测井响应图(灰质泥岩岩性相)

3.3 灰色-灰白色泥质白云岩/灰岩相

该岩性相主要分布在芦草沟组的下段和上段，GR测井值主要为60～80API。岩石呈浅灰色，较致密，以粉晶白云石和泥质为主，泥质含量为25%～50%，多存在与粉晶方解石间隙中。含有大量鱼鳞化石，部分化石格架被黄铁矿充填；发育砂纹层理，顺层里面含有炭质碎屑；可见大量斜交层理面的微裂缝及方解石脉，裂隙面可见黄铁矿、沥青及油迹(图4)。

图4 准页3井芦草沟组岩心-测井响应图(泥质灰岩岩性相)

3.4 灰白色泥粉晶白云岩/灰岩相

主要岩性为灰白色泥晶灰岩、粉晶灰岩/白云岩，自然伽马测井值普遍小于60API。泥晶灰岩在芦草沟组中上段有零星分布，多为含陆源碎屑粉细晶灰岩，岩石以细晶方解石组成为主；在粉细晶方解石间有泥质填隙物；含有机质和沥青(图5)。泥粉晶白云岩主要分布在芦草沟组的下段和上段。在野外露头上，白云岩主要呈透镜状在黑色页岩中产出，白云岩风化色为褐黄色，新鲜面为灰色，矿物成分以白云岩为主，含量大于60%，其次含少量方解石、黄铁矿及微量的长石、石英和黏土矿物。

图5 准页3井芦草沟组岩心-测井响应图(灰色细粉晶灰岩岩性相)

4 层序地层分析

依据岩心、测井以及地球化学测试资料，将准页3井芦草沟组划分为1个完整的三级层序和3个体系域(图6)。

图6 准页3井单井层序划分与沉积相

4.1 体系域界面的识别

该层序的顶界面为红雁池组和芦草沟组的分界面，二者之间为岩相转换面，界面上水下分流河道的冲刷面直接覆盖于界面下部湖相暗色泥、页岩之上，界面处自然伽马和自然电位曲线表现为突变特征。

初始湖泛面mfs位于厚层碳酸盐岩骤然减少覆水变深的位置，其界面特征表现为：岩性由碳酸盐岩和泥页岩互层变为较纯的灰质泥岩、页岩；测井曲线由高幅齿指状变为低幅齿，伽马值呈现突高；w(TOC)和Mn/Fe比值明显增高；页岩全岩矿物中石英含量减少，黏土矿物含量增多，碳酸盐岩胶结物含量减少的特征。

最大湖泛面mfs位于向上碳酸盐夹层变多覆水逐渐变浅的位置，其界面特征表现为：岩性由较纯的灰质泥岩、页岩变为灰质泥岩、页岩夹碳酸盐岩；测井曲线由低幅齿变为较高幅齿指状，伽马值和声波时差曲线发生突变；w(TOC)较少；页岩全岩矿物中碳酸盐类明显增多；Mn/Fe比值减少；同时随着覆水程度的变浅，δCe亏损变少。

4.2 体系域的划分

初始湖泛面之下低位体系域主要以碳酸盐岩和泥页岩互层为特征；测井相上表现为高幅齿的指状，伽马值呈现突高突低的特征，自然电位呈现明显异常；页岩全岩矿物主要以石英长石和碳酸盐岩为主，其中碳酸盐岩多为白云石胶结物，黏土矿物含量相对较少；Mn/Fe比值相对较低，平均为0.028；页岩有机碳含量平均在1.68%，普遍小于2%，说明芦草沟组低位时期整体覆水较浅，主要以滨浅湖相的浅湖沉积为主，暗色泥岩发育相对较差。

湖扩体系域岩性主要以较纯的泥页岩和灰质泥岩为特征；测井相上伽马值以高值为特征；页岩全岩矿物主要以石英和黏土矿物为主，碳酸盐岩胶结物含量相对较少；Mn/Fe比值相对较高，平均为0.04；页岩有机碳含量平均为3.55%，普遍大于2%，δCe异常平均为0.89，显示为弱的负异常。说明芦草沟组湖扩时期整体覆水较深，主要以深湖相沉积为主，暗色泥岩发育相对较好。

高位体系域岩性主要以厚层泥页岩夹薄层碳酸盐岩为特征；测井相上呈现高幅齿的指状；页岩全岩矿物主要以石英长石和黏土矿物为主，碳酸盐岩胶结物含量相对较高；Mn/Fe比值在高位早期平均为0.033，而晚期为0.041；页岩有机碳含量在高位早期平均为3.54%，晚期平均为5.1%，δCe异常平均为0.947，显示为弱的负异常，亏损减少。说明芦草沟组高位早期覆水较浅，主要以浅湖-半深湖相沉积为主，暗色泥岩发育较好；到了高位晚期覆水又开始加深，主要以半深湖-深湖相沉积，暗色泥岩发育相对较好，有机质含量普遍增高；而到了高位末期覆水又变浅，受到周缘粉砂岩影响，暗色泥岩有机质含量明显降低。

对于泥页岩层序划分来说，其重要的预测功能是对优质烃源岩段的预测。一般来说准噶尔盆地南缘二叠系芦草沟组主要由湖相泥页岩构成，其沉积环境格局的复杂性及其对优质烃源岩类型分布、厚度和规模的控制作用研究不够，从而直接影响了对芦草沟组页岩气勘探前景的客观评价，造成了较大的勘探风险。

本文根据岩性相和地球化学参数的变化对湖平面变化响应的敏锐性，通过定性和定量相结合的方法分析湖平面的变化，识别了层序内部的体系界面，建立湖相泥页岩的层序格架。在湖平面扩张的时候总体显示特征为：岩性上由碳酸盐和泥页岩互层变为较纯的灰质泥岩、页岩；测井曲线由高幅齿指状变为低幅齿，伽马值呈现突高；有机碳含量和Mn/Fe比值增高，黏土矿物含量增多，碳酸盐岩胶结物含量减少的特征，δCe亏损变多。从整体来看，优质烃源岩主要富集在高位体系域的中晚期，这时水体有一定的深度，生物发育，且不易破坏，有机质保存了下来。而在湖扩和高位早期，也有些TOC富集区，这个多在湖平面扩张岩性转化面附近，水体的突然加深，利于有机质的保存。

总之，对准噶尔盆地南缘芦草沟组泥页岩进行层序地层学分析将有助于了解优质烃源岩的分布特征，对研究区的进一步勘探、富有机质页岩的对比和富集规律的认识，以及后期页岩气的合理开发利用有指导意义。同时，也能够丰富层序地层学理论，对我国其它地区湖相泥页岩层序地层学研究也具有一定的借鉴意义。