惠民凹陷江家店地区古近系沙河街组物源体系特征与演化

柴君林，王艳忠，王铸坤，王淑萍，李宇志，弭连山，周磊

1.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580

2.中国石油大学（华东）石油工业训练中心，山东青岛 266580

3.中国石化胜利油田分公司东辛采油厂，山东东营 257061

4.中国石化胜利油田分公司胜利采油厂，山东东营 257000

5.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257000

0 引言

自1960 年钻探华7 井以来，惠民凹陷已经历了六十余载的勘探历程。临南洼陷是惠民凹陷勘探程度最高、潜力最大的生油洼陷[1]，其周缘已发现了临盘油田、临南油田、商河油田、玉皇庙油田、江家店油田、曲堤油田、钱官屯油田等油气田[2-4]。储油岩性包括碎屑岩、火成岩、湖相碳酸盐岩等类型[5]，油气藏类型也复杂多样，有地层油气藏、岩性油气藏、断块油气藏、潜山油气藏及火山披覆油气藏等[1-2,4,6-7]。临南洼陷为赋存优质烃源岩的生烃洼陷，沙四段、沙三段、沙二段和沙一段都发育富有机质的泥质岩、油页岩，其中以沙三段烃源岩为主，沙一段为辅[8-9]。沙三段烃源岩单井有机碳含量可高达7.1%，其中又以沙三中、下亚段为主力生烃层位[10-11]。夏口断层、临邑断层分别为临南洼陷南部和北部的边界断层，断层活动时间长[2,12-13]，油气输导条件有利。

江家店地区为夏口断层下降盘中段、呈NW展布的鼻状构造[14]，为油气运移的有利指向区[15]。勘探实践证实，虽然该区已发现油气藏，但近十年来未有规模性的油气发现。与夏口断层有关的油气藏主要分布在下降盘西段的双丰鼻状构造带和上升盘中段的曲堤地垒[14]，造成油气资源分布不均衡的原因，除了与夏口断层不同段的封堵性质有关外，主要受控于砂体的规模以及优质储层的展布。江家店地区探井数量少，如何在少井的情况下对砂体进行有效预测是下步勘探的主要任务。物源体系分析是沉积体系研究的前提，目前物源分析研究的主要方法包括地震反射特征、Dickinson 图解、成熟度指标、重矿物组合、特征元素比值、砂砾岩百分含量分布、锆石U-Pb测年等[10,16-22]。不同母岩类型决定了沉积砂体的岩石组分，进而控制了储层物性。高成分成熟度砂岩储层的原生孔隙保存较好，而易溶火山岩岩屑（如中性安山岩岩屑、基性玄武岩岩屑）含量较高的低成分成熟度砂岩储层的次生孔隙比例更高。对于江家店地区而言，沙河街组碎屑岩沉积、层序、储层等基础研究十分薄弱。在物源体系研究方面，前人仅利用特征元素比值对沉积区和物源区进行了简单对比，认为江家店地区沙三、沙四段沉积时期的沉积物来源于鲁西隆起带中生界地层的风化剥蚀，但未从地质学的角度提供充足的证据[23]。此外，随着构造活动的进行，物源体系并非一成不变，物源区及碎屑输导路径的时空演化同样是物源体系研究的重点和难点。立足于勘探实际和资料情况，结合泥质岩样品的特征元素比值分布模式的对比、岩石组分Q 型聚类分析和砂砾岩百分含量展布特征，对江家店地区沙河街组沙四上亚段、沙三段物源体系的特征及演化进行系统分析，识别出三个主要物源体系，并建立了不同层序发育时期的物源演化模式，该研究成果对惠民凹陷江家店地区沙四上—沙三下亚段沉积砂体和优质储层的预测具有指导意义。

1 地质概况

惠民凹陷是济阳坳陷内最大的次级凹陷，位于济阳坳陷的西南部，是发育在华北地台上的中、新生代双断式裂谷盆地，整体上分为北部陡坡带、南部斜坡带和中央隆起带，由临南洼陷、滋镇洼陷、里则镇洼陷等次级洼陷和若干个凸起组成[1,3]。江家店地区位于惠民凹陷南部斜坡带的中部，是夏口断层下降盘中段的鼻状构造[14]。北部向临南洼陷延伸，南部通过夏口断层与曲堤地垒相接（图1）。根据岩性组合所反映的可容空间变化与沉积物增量的关系，沙四上—沙三段地层由下而上可划分为5个三级层序（图2），分别对应沙四上亚段（层序Ⅰ）、沙三下亚段（层序Ⅱ）、沙三中亚段（层序Ⅲ）、沙三上亚段下部（层序Ⅳ）和沙三上亚段上部（层序Ⅴ），其中层序Ⅰ和层序Ⅴ为经典四分层序[23]（低位域、湖侵域、高位域、下降域），层序Ⅱ、层序Ⅲ、层序Ⅳ为T-R层序[23-24]（湖侵域、湖退域）。研究区沙河街组发育多种沉积相类型，包括碎屑岩滩坝、辫状河三角洲、曲流河三角洲以及下切谷水道等[4,25-28]。地层中泥质岩较发育，包括泥岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩等，储层厚度小且岩性偏细，以不等粒砂岩、粉砂岩为主。进入新生代裂谷盆地发育时期，前古近系发生不同程度的抬升，形成凸起或隆起，并为古近系湖盆提供碎屑物质。根据济阳坳陷剥第三系地质图（临盘油田内部资料），惠民凹陷内部凸起或边界隆起不同程度地出露了前寒武、寒武系、奥陶系、石炭系、泥盆系及中生界地层。凹陷内部不发育凸起，因此北部的埕宁隆起和南部的鲁西隆起是研究区沙四上—沙三段地层的可能物源。

图1 惠民凹陷江家店地区构造位置及井位分布（a）江家店地区在惠民凹陷的位置（据文献[14]修改）；（b）江家店地区井位分布；样品井已在图中用红色标记Fig.1 Tectonic location and distribution of exploration wells in the Jiangjiadian area,Huimin Sag

图2 惠民凹陷江家店地区沙四上—沙三段地层柱状图Fig.2 Generalized E2-E2s3 stratigraphy of the Jiangjiadian area,Huimin Sag

2 样品和研究方法

沉积物中的特征元素包括大部分主量元素和部分微量元素。某些特征元素化学性质较为稳定，主要受物源影响，相对独立于沉积环境和成岩作用，同时这些元素具有一致的富集程度和富集规律，因此相关性较好的两种元素含量的比值可作为物源对比的示踪指标[16]。碱及碱土金属元素的迁移顺序是Ca＞Sr＞Na＞Mg＞K＞Fe、Al，K 在化学风化时迁移量较少，而Fe 和Al 则近乎没有迁移，因此Fe/K 可以作为物源对比的示踪指标[29]。Ca 和Mg 具有相近的淋失和富集规律，Mg/Ca 可以作为物源对比的示踪指标。Sr 和Ba 的地球化学特性较为相似，二者均可以类质同象的形式存在于（钾）长石，在近源碎屑沉积物中关系密切，因此Ba/Sr可以作为物源示踪指标[29]。Ca、Sr、Mn元素常组成一个共生组合，其富集与否具有同步性，Mn/Sr 可作为物源对比的依据[16]。Co、Ni、Fe 三种元素同属铁族元素，二价离子半径相近，具有较好的亲缘性，Ni/Co 比值在不同的沉积环境中变化不大，其大小主要由岩浆晶出方式决定，Ni/Co 是物源对比的一个可靠指标[29]。Mg/Al 和Al/Na 反映了活动组分（碱土和碱金属）与惰性组分Al 之间的关系，可作为物源对比的良好指标[30]。前人在利用特征元素比值进行物源对比方面进行了大量有益的研究，研究对象包括中生界、古近系、第四系的砂岩以及长江下游黄土沉积[17,29-31]。研究数据来自胜利油田勘探开发研究院用ICP-AES 方法测得的Zn、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、V、Ga、Al、Sr、Ca、Ba、Na和K等14种元素的含量，样品涵盖了江家店地区13 口井中150 块粉砂岩、细砂岩等细粒碎屑岩样品和21块物源区样品。在前述特征元素物源分析的基础上，结合研究区实际情况，选取了Ni/Co、V/Co、Mg/Mn、Mn/Sr、Ba/Mn、Fe/K、Mg/Ca、Ba/Sr、Mg/Al、Al/Na 等十个特征元素比值作为物源对比的示踪指标。

盆内陆源碎屑是由物源区岩石提供的，因此沉积岩（物）中碎屑颗粒的类型及相对含量在一定程度上能够反映物源区母岩的性质[32-33]。不同类型的母岩所形成的碎屑颗粒组合明显不同，因此可以通过分析石英、长石、岩屑的相对含量以及岩屑的类型和含量来研究物源区的母岩性质，进而划分物源体系。在多源、混源盆地内，如果仅通过某一沉积时期内轻矿物组分的类型和平均含量进行物源判别，只能得到多物源混合后的综合沉积特征，而不能将单独的物源体系识别出来[34]。为了区分在多源、混源沉积区内石英—长石—岩屑组合（QFR）的特征，应用SPSS 18.0 软件中的Q 型聚类分析方法来划定不同的物源体系。研究共选取160块储层样品，即160个分析样本，每个样本为石英含量、长石含量、沉积岩岩屑含量、岩浆岩岩屑含量和变质岩岩屑含量五个参数的组合。通过系统聚类，使得多源、混源导致的沉积岩样品进行有效分离，每一类碎屑成分的组合（QFR）即代表一个物源区。

在机械分异作用下，沉积地层中砂砾岩百分含量与沉积物的搬运方向具有密切关系。沿古水流方向，水流搬运能力减弱，沉积物粒度逐渐变细，分选磨圆变好，泥质含量增加，最终导致地层中砂砾岩百分含量逐渐降低[35-36]。因此，对研究区29口井的砂砾岩百分含量进行统计，在构造背景的约束下绘制砂砾岩百分含量等值线图，进而判断研究区各个层序发育时沉积岩的物源方向及物源体系随时间的演化。

3 物源体系特征

3.1 特征元素比值的分布模式

特征元素比值继承了源区母岩的地球化学性质，通过对比沉积区与物源区特征元素比值分布模式，即可以判断沙四上—沙三段各层序的碎屑物质来源。由特征元素比值分布模式图可知（图3），各层序样品特征元素Mg/Mn 比值处发育明显的尖峰，该比值在层序Ⅰ、层序Ⅱ可超过50，在层序Ⅲ～Ⅴ减小，一般小于40，反映母岩类型发生了一定程度的变化。各层序特征元素Al/Mg比值也表现为高值，但远远小于Mg/Mn 比值，该比值在10 附近。此外，Ba/Mn 比值、Al/Na 也呈现出异常高值的特征，但比值在各层序中差异不大，一般低于5。

图3 各层序典型样品的特征元素比值分布模式（a）层序Ⅰ；（b）层序Ⅱ；（c）层序Ⅲ；（d）层序Ⅳ；（e）层序ⅤFig.3 Distribution of ratios of characteristic elements for typical samples in each sequence

江家店地区沙四上—沙三段地层的潜在物源包括前寒武系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和中生界，分析样品取自济阳坳陷的古潜山和凸起。对于渤海湾盆地而言，前古近系地层的发育具有一致性：前寒武系为结晶岩系，是华北地台最底部的基岩，岩性包括黑云角闪变粒岩、斜长角闪岩、二长花岗岩、钾长花岗岩、花岗片麻岩和片麻状闪长岩等，其中研究区靠近花岗片麻岩发育区[37]；下古生界寒武系和奥陶系为渤海湾结晶基底的中间层系，为一套海相碳酸盐岩[38]；上古生界二叠系和三叠系为华北地台之上发育的海陆过渡相碎屑岩地层，其中中石炭统—下二叠统发育一套煤系地层，中上二叠统为河流相和湖泊相地层[39]；中生代时期为华北地台分解、板块构造活跃阶段，主要为小型盆地内的近源碎屑岩沉积，同时火山活动强烈，导致沿基底断裂火成岩普遍发育[40]。不同层位的特征元素比值既有共性，又存在差异（图4、表1）。前寒武系、寒武系、奥陶系、石炭系和中生界Mg/Mn 比值处发育明显尖峰，二叠系此峰值不明显；二叠系、中生界Al/Na 比值高，前寒武系、寒武系、奥陶系和石炭系Al/Na 比值不发育尖峰；二叠系、中生界均发育Al/Mg 比值的尖峰，但是二叠系不发育Ba/Mn 比值的峰值。根据特征元素比值分布模式的对比，认为中生界为江家店地区沙四上—沙三段提供碎屑来源。

表1 各层序典型样品的特征元素比值Table 1 Ratios of characteristic elements for typical samples in each sequence

图4 潜在物源的特征元素比值分布模式（a）前寒武系；（b）寒武系；（c）奥陶系；（d）石炭系；（e）二叠系；（f）中生界Fig.4 Characteristic element distributions of potential provenances

3.2 岩石碎屑颗粒组分

江家店地区沙四上—沙三段各层序砂岩的岩石类型以岩屑质长石砂岩为主（图5a），发育少量长石砂岩和长石质岩屑砂岩。砂岩有较高的成分成熟度，碎屑组成以风化稳定性较高的石英、长石颗粒占绝对优势（图5b）。各层序砂岩中碎屑组分的平均含量差别不大，其中石英含量为40%～50%，长石含量在30%左右，火成岩岩屑含量为2%～10%，变质岩岩屑含量为14%～20%，沉积岩岩屑含量不超过5%（表2）。

表2 各层序岩石组分的平均含量Table 2 Mean content of rock components for the sandstones in each sequence

图5 各层序砂岩岩石学特征（a）岩性三角图；（b）各层序岩石组分的平均含量Fig.5 Lithological characteristics of the sandstones in each sequence

由于层序Ⅲ样品数量较少，无法进行有效的聚类分析，故本研究只展示了层序Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ的聚类分析结果（图6）。对于层序Ⅰ而言，Q型聚类分析结果显示出两种QFR组合，即发育两个物源区，夏斜507 井的样品代表第一个物源区的母岩性质，夏510井样品可代表另一个物源区，而夏511井为混源沉积（图6a）。对于层序Ⅱ，夏斜504井、夏斜506井、夏斜507 井的样品代表一个物源区，夏941 井、夏斜502井、夏501井、夏503井的样品代表第二个物源区，夏510井和夏斜502井的样品则分别代表了第三、四个物源区（图6b）。对于层序Ⅳ，样品特征揭示了两个物源区的存在，第一个物源区以夏斜507井样品为代表，第二个物源区以夏47 井的样品为代表（图6c）。对于层序Ⅴ，主要存在两个物源区，分别以夏97 井、夏斜507井的样品为代表（图6d）。

图6 各层序QFR 组合的Q 型聚类分析图（a）层序Ⅰ；（b）层序Ⅱ；（c）层序Ⅳ；（d）层序ⅤFig.6 Q-type cluster analysis graphs of the quartz-feldspar-rock fragment assemblages from each sequence

3.3 砂砾岩百分含量

层序Ⅰ砂砾岩百分含量平面图显示，垂直夏口断层方向发育三个物源体系。碎屑物质分别经西段的夏27井和夏斜98井之间、夏24井和东段的夏225井进入沉积区。靠近夏口断层，砂砾岩百分含量可超过60%，随着碎屑搬运距离的增加，砂砾岩百分含量逐渐降低至30%以下（图7a）。

图7 各层序砂砾岩百分含量分布图（a）层序Ⅰ；（b）层序Ⅱ；（c）层序Ⅲ；（d）层序Ⅳ；（e）层序ⅤFig.7 Distribution of the glutenite percentage of each sequence

层序Ⅱ发育时期，沿夏口断层存在五个物源体系，碎屑搬运路径分别经过西段的夏26井、夏27井、夏斜98井、夏37井和东段的夏223井（图7b）。夏27井、夏斜98 井对应的两个物源体系的发育具有继承性，但在沉积区具有明显的混源特征。夏26 井、夏37 井对应的物源体系供砂能力较弱，导致砂体发育规模较小。东侧物源形成了夏223井区的沉积，与层序Ⅰ时期相比，形成的砂体范围有所增大，且继承性明显。随着碎屑搬运距离的增加，砂砾岩百分含量降低，但在距物源区较远的夏35井、夏39井和夏392井区发育了孤立的砂体。由于钻遇该砂体的井极少，无法通过砂砾岩百分含量的变化来准确判断其来源，结合砂体发育位置及其与西段物源的关系，推测为重力流成因①操应长.临南洼陷南斜坡沙河街组沉积体系研究，2003.。值得注意的是，对于西侧的主沉积区，岩石组分QFR 聚类分析的结果揭示了四个物源体系的存在，而砂岩百分含量的分布特征仅仅表明碎屑物质由两个物源区提供，两种方法得出的结果相悖。分析认为，层序Ⅱ湖侵域发育的早期，湖盆范围小，物源区距离沉积区较远，碎屑物质供应不足，物源夏斜502井的局部样品和夏510井样品代表了初期的小规模异重流沉积。

相对于层序Ⅰ和层序Ⅱ，层序Ⅲ发育时期砂体规模明显减小，反映了水体变深、物源区后退的湖进沉积（图7c）。西段和东段沉积区对应的物源体系具有继承性发育的特征，夏26井、夏斜98井、夏21井和夏223井仍然位于物源通道上。

层序Ⅳ发育时期，研究区发育了三个较大的物源体系，西段物源体系的碎屑物质入湖通道在夏27 井和夏斜98井附近，东段物源体系在夏223井附近发生碎屑物质的卸载（图7d）。随着砂体搬运距离的增加，不同点物源的碎屑物质迅速混合，逐渐连片发育，形成大规模分布的砂体。相对于层序Ⅲ而言，西段和东段的砂体规模皆明显增大，说明该层序发育时，湖平面下降，物源供应充足，表现为湖退和砂体进积的特征。同时，沉积区砂砾岩百分含量较低，沿夏口断层分布的碎屑物质卸载区，各井的砂砾岩百分含量不超过50%，说明该时期地形较缓，构造条件稳定。

相对于层序Ⅳ，层序Ⅴ发育时期砂体规模，尤其是西段砂体的分布范围持续增大，可识别出两个物源体系，碎屑入湖区分别位于夏27井区和夏37井附近，东段物源仍然持续发育。夏27 井区对应的物源体系，碎屑物质由南向北搬运，而对于夏37井区对应的物源体系，碎屑物质表现出自西向东搬运的趋势，两者在夏501井、夏503井、夏508井和夏511井处发生交汇。该层序发育时期，不仅砂体的平面展布范围大，而且砂砾岩百分含量也较高，在碎屑物质卸载处砂砾岩百分含量普遍超过70%，反映该时期构造活动增强，物源区和沉积区高差变大的特征（图7e）。

4 物源体系演化

前人通过对鲁西隆起构造演化的数值模拟，发现中生代时期鲁西隆起和济阳坳陷具有一致的构造活动性，中始新世—渐新世时期鲁西隆起不断抬升[41]，成为济阳坳陷南部沉积区的重要碎屑物质来源[42]。王国光[43]对惠民凹陷西部地区沙三段物源和沉积体系做了系统研究，认为研究区存在两个物源体系，主要物源为北部埕宁隆起和南部鲁西隆起，其中南部物源控制了双丰砂体、江家店砂体和瓦屋砂体的展布。根据前人研究成果，综合特征元素比值、岩石碎屑颗粒组分及砂砾岩百分含量等方面的证据，认为江家店地区沙四上—沙三段的物源区为鲁西隆起，可进一步识别出三个主要物源体系（图8）。夏口断层西段的两个物源体系规模较大，碎屑物质搬运通道发生了迁移，东段物源规模较小，为继承性的点物源。

图8 江家店地区沙四上—沙三段地层物源体系演化模式（a）层序Ⅰ；（b）层序Ⅱ；（c）层序Ⅲ；（d）层序Ⅳ；（e）层序ⅤFig.8 Evolutionary model of provenance systems in the E2-E2s3 succession,Jiangjiadian area

在物源区及碎屑搬运路径识别的基础上，总结了江家店地区沙四上—沙三段物源体系的演化模式（图8）。层序Ⅰ发育时期，即沙四上亚段，沿夏口断层主要存在三个碎屑物质卸载区，分别对应西段以夏27 井、夏斜98 井为代表的物源体系和东段以夏223 井为代表的物源体系。沙四上时期为湖盆断陷的早期，断层活动较弱，来自鲁西隆起的大量碎屑物质进入湖盆，砂体大规模发育（图7a）。层序Ⅱ发育时期，即沙三下亚段沉积期，层序Ⅰ时期的三大物源体系继承性发育，但砂体规模有所减小，同时出现多个小型砂体（图7b）。层序Ⅲ发育时期，即沙三中亚段沉积期，物源区明显后退，湖平面上升，砂体规模明显变小，此时湖盆由多个小型点物源提供碎屑物质（图7c）。据前人研究，渤海湾盆地沙三段是盆地强烈断陷的时期，且沙三中时期水体最深[44]。因此，该时期为退积沉积特征，砂体规模有限，在深洼陷区重力流沉积较发育。层序Ⅳ和层序Ⅴ发育时期，断陷作用减弱，经过了早期的剥蚀和湖盆充填作用，鲁西隆起与湖盆的高差变小，湖平面降低，砂体由退积变为进积，平面分布范围变大（图7d，e）。

5 结论

（1）江家店地区沙四上—沙三段特征元素特征表现为明显高Mg/Mn 比值、Al/Mg 比值和较高Ba/Mn比值、Al/Na 比值的特点，各层序样品特征元素比值分布模式与中生界接近，反映了其碎屑物质来源于中生界。

（2）各层序砂岩成熟度较高，岩石类型主要为岩屑质长石砂岩，且碎屑颗粒组分的平均含量差别不大，但是Q 型聚类分析结果表明各层序存在时间上继承性、空间上差异性的物源体系。层序Ⅰ发育两个物源体系，分别以夏斜507 井样品、夏510 井样品为代表；层序Ⅱ发育四个物源体系，夏斜504 井—夏斜506 井—夏斜507 井的样品和夏941 井—夏斜502井—夏501 井—夏503 井的样品代表主要物源，夏510 井、夏斜502 井样品则代表次要物源；层序Ⅳ揭示了两个物源体系，分别以夏斜507 井样品和夏47井样品为代表；层序Ⅴ存在两个物源体系，分别为以夏97井样品为代表和夏斜507井样品为代表。

（3）层序Ⅰ时期，夏口断层西段主要存在过夏27井—夏斜98井区和夏24井区的物源通道，东段存在过夏225 井区的物源通道，此时砂体发育规模较大；层序Ⅱ时期，物源体系继承性发育，同时在西段发育两个小型物源通道；层序Ⅲ时期，物源体系仍然继承性发育，但砂体规模明显减小，反映物源后退，湖平面上升；层序Ⅳ、层序Ⅴ时期，物源体系发育特征与层序Ⅰ和层序Ⅱ相似，但此时砂体规模最大，说明湖平面下降，砂体持续向湖盆进积。