Natural Gas Geoscience >

2025 , Vol. 36 >Issue 12: 2338 - 2353

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2025.05.005

Sedimentary characteristics and main controlling factors of organic-rich shale in high-frequency sequence framework： A case study of lacustrine shale in the second member of Kongdian Formation in the Cangdong Sag， Bohai Bay Basin

  • Fangkai LIU , 1, 2 ,
  • Xiaoping LIU , 1, 2 ,
  • Xianzheng ZHAO 3 ,
  • Fengming JIN 4 ,
  • Wenya JIANG 4 ,
  • Quansheng GUAN 4 ,
  • Biao SUN 1, 2 ,
  • Kai SHENG 4
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering，China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249，China
  • 2. College of Geosciences，China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249，China
  • 3. CNPC Advisory Center，Beijing 100724，China
  • 4. PetroChina Dagang Oilfield Company，Tianjin 300280，China

Received date: 2025-02-05

  Revised date: 2025-05-16

  Online published: 2025-06-10

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(42072150)

Fold

Abstract

The second member of the Kongdian Formation （Ek 2） in the Cangdong Sag， Bohai Bay Basin， hosts a set of organic-rich shale intervals， which are the key targets for shale oil exploration. However， due to the lack of constraints from a high-resolution sequence stratigraphic framework， the controlling factors of shale sedimentation remain unclear. Taking Well G108-8 in the Cangdong Sag as a case study， through wavelet transform analysis of GR logging data， a high-frequency sequence stratigraphic framework at the sixth-order scale was established. By integrating geochemical testing data and X-ray mineral diffraction （XRD） analyses， the mineral distribution characteristics， organic geochemical characteristics， shale sedimentary environment characteristics， and their controlling factors within high-frequency sequences were systematically studied. A shale sedimentary assemblage model driven by paleoclimate was established. The results demonstrate that： （1） The organic-rich shale of the Ek 2 was divided into 21 sixth-order sequences （SQ1-SQ21）， which are classified into three sedimentary stages based on sedimentary environment evolution characteristics： rapid lake transgression phase（SQ1-SQ6），oscillating lake transgression phase（SQ7-SQ17），and stable highstand phase（SQ18-SQ21）. The shale lithofacies are dominated by felsic， calcareous-dolomitic， and mixed shales， with organic matter dominated by Type I and II1 kerogen， collectively within the oil generation window. （2） During shale deposition， the enrichment of organic matter and mineral composition were primarily controlled by paleoclimate. Paleoclimate serves as the dominant controlling factor， governing organic matter enrichment by modulating paleo-water depth， paleoproductivity， paleo-redox conditions， and terrigenous clastic input. Concurrently， it regulates the proportions of felsic minerals and clay minerals by controlling terrigenous clastic input， while modulating carbonate mineral content by controlling paleosalinity. （3） Under the constraints of the high-frequency sequence framework， four distinct shale assemblage patterns （A-D） are identified in the Ek 2， with their primary distributions characterized as follows： Type A （rapid transgression phase / early oscillatory transgression phase）， Type B （rapid transgression phase/late stable highstand phase）， Type C （oscillatory transgression phase） and Type D （early oscillatory transgression phase）. Based on these findings， a shale assemblage model driven by paleoclimate was established.

Key words： High-frequency sequence; The second member of the Kongdian Formation; Shale oil; Sedimentary characteristics; Main controlling factors

Cite this article

Fangkai LIU , Xiaoping LIU , Xianzheng ZHAO , Fengming JIN , Wenya JIANG , Quansheng GUAN , Biao SUN , Kai SHENG . Sedimentary characteristics and main controlling factors of organic-rich shale in high-frequency sequence framework： A case study of lacustrine shale in the second member of Kongdian Formation in the Cangdong Sag， Bohai Bay Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2025 , 36(12) : 2338 -2353 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2025.05.005

0 引言

近年来，随着储层表征与水力压裂技术的突破，兼具优质烃源岩特征与有利储集岩性的富有机质页岩层系越来越受到各界重视，其巨大油气资源潜力得到证实。页岩通常由黏土矿物、陆源碎屑矿物、碳酸盐矿物、湖盆自生矿物以及有机质组成［1］，页岩类型是决定页岩油勘探开发中储层物性特征与完井质量的关键因素［2-3］。页岩类型研究中早期广泛应用的分类方案是基于矿物组成的三端元图解法［4］，然而，由于其划分因素单一，在沉积环境复杂多变的盆地中难以有效指导油气勘探研究。因此，为满足细粒沉积学研究和非常规油气勘探的需求，页岩分类方案逐渐从单因素向多因素发展。目前，基于有机质含量（TOC）、矿物组成及其来源等参数研究和评价页岩已成为研究的主流。国内学者姜在兴等［5］首次在矿物相对含量分类基础上，引入TOC作为三端元划分方案：以2%和4%作为界限将有机质区分为低、中、高三级；以50%矿物含量为界限划分为灰岩和黏土岩2类，共区分出6种不同的岩石类型。X射线衍射（XRD）分析是目前岩石学研究的主要测试手段之一，其具有测试成本较低且测试速度快的优点，被广泛应用于岩石矿物特征研究中。鄢继华等［6］基于XRD分析数据，以长英质矿物、碳酸盐矿物和黏土矿物为端元，将细粒沉积岩划分为黏土岩、碳酸盐岩、粉砂岩及细粒混合沉积岩4类。针对特殊地质背景，如吉木萨尔凹陷芦草沟组发育大量火山相关的矿物，葸克来等［7］进一步提出以矿物来源为划分依据，采用陆源碎屑、碳酸盐矿物和火山碎屑为新三端元的划分方案。
研究表明，海相页岩沉积普遍受海平面控制。在地层层序格架中，页岩通常发育于海侵体系域（TST）或早期高位体系域（EHST），并在不同体系域中表现出差异分布特征。其主要受古气候、物源和湖平面的控制，而受构造旋回和突发性事件的影响较小［8］。然而，不同于海相页岩，陆相页岩沉积环境变化频繁，其形成过程受到多种因素制约，因此，高频层序地层学研究对研究陆相细粒沉积岩非常重要。在常规层序地层学研究中，页岩往往以“均质”形式存在。基于地震反射终止关系和岩性宏观非均质性的常规层序划分方法，已难以满足细粒沉积岩高频层序划分的需求。
渤海湾盆地孔二段富有机质页岩层系展现出了良好的页岩油潜力。作为沧东凹陷页岩油主要的勘探层系，孔二段发育连续优质烃源岩。前人针对孔二段的沉积特征、页岩油形成潜力及甜点分布等方面开展了相当深入的研究［9-12］。随着勘探工作的深入，目前孔二段研究仍存在以下关键问题：现有层序划分方案将富有机质页岩段分为11个五级层序（平均厚度约为30 m），但其划分精度仍有待提升［11，13-14］；虽然孔二段页岩有机质富集特征方面已有众多研究成果，但矿物沉积与古环境的关系仍缺乏进一步的深入研究［13-14］。本文研究以沧东凹陷孔二段富有机质页岩为研究对象，系统分析了高频层序格架内页岩纵向非均质分布特征，阐明高频层序格架约束下的沉积主控因素，建立页岩组合发育模式，以期查明有机质富集及矿物沉积机理，为页岩油甜点精准预测提供理论依据。

1 地质背景

渤海湾盆地整体面积约为20×104 km2，是我国东部重要的含油气盆地之一。该盆地地跨北京、天津两市，向北延伸至渤海海域。盆地内部沉积构造单元分为辽河坳陷、渤中坳陷、济阳坳陷、黄骅坳陷、冀中坳陷以及临清—东濮坳陷［9-14］。黄骅坳陷位于渤海湾盆地中部，北临燕山褶皱带，东临渤中坳陷，南临济阳坳陷，西临冀中坳陷［图1（a）］。沧东凹陷作为黄骅坳陷南部的一个次级构造单元，夹持于孔店凸起、沧县隆起、徐黑凸起与东光凸起之间，总地质面积约为4 700 km2，勘探面积约为1 760 km2，为黄骅坳陷内第二大富油气凹陷。该凹陷根据构造特征可进一步划分为孔西斜坡、孔东斜坡、南皮斜坡、孔店构造带及舍女寺断鼻带等5个次级构造单元，是大港油田页岩油气勘探的重点区域。研究区重点探井G108-8井位于孔东断层附近，是一口为评价页岩油储层而部署的全取心井［图1（b）］。
图1 沧东凹陷地质背景

（a） 研究区地理位置； （b） 研究区平面构造特征

Fig.1 Geological background of the Cangdong Sag

2 样品与实验

本研究以大港油田在沧东凹陷部署的重点取心井G108-8井为研究对象。作为区域标准井，G108-8井实现了孔二段（Ek 2）的完整取心，连续取心长度达495 m，平均收获率为99.2%，系统揭示了孔二段页岩纵向岩性组合特征。基于该井获取的高质量岩心资料，结合配套实验分析数据取得的研究成果，对认识孔二段地质特征具有重要参考价值。
本文研究基于G108-8井系统采集的1 208块页岩样品，采用等密度—变密度联合采样法，在中国石油大学（华东）深层油气全国重点实验室完成测试。其中，全部样品1 208块进行了X射线衍射（XRD）矿物组成分析和有机地球化学测试，178块样品同时开展了常/微量元素地球化学测试，实验数据覆盖整个孔二段页岩层系。

3 高频层序格架内部特征

3.1　高频层序地层格架的建立

3.1.1　高频层序划分方法

近年来，小波变换方法在地层划分研究中得到广泛应用［10］。自然伽马测井（GR）对有机质和泥质含量具有显著响应特征，可以有效反映湖平面的升降变化［9，15-16］。页岩层系GR值纵向波动幅度小，但经过小波变换分解，可以转换为不同尺度的振荡波。不同尺度的振荡波可以有效反映相应尺度下的湖平面变化过程［17］。本文研究通过MATLAB小波变换工具，将G108-8井GR测井曲线（图2）分解为12条不同的小波，经对比发现，d10—d8小波曲线与前人基于地球化学指标及测井参数划分的三—五级层序具有良好对应关系。因此，在前人已建立的三—五级层序格架基础上，本文研究采用d6小波在五级层序内部开展次级高频层序的识别与划分。
图2 沧东凹陷孔二段小波变换

Fig.2 Wavelet transform analysis of the Ek 2 in the Cangdong Sag

3.1.2　高频层序划分结果

EMBRY［18］提出的T-R层序理论认为：层序是一次完整的海侵事件的体现。一个完整的层序应由海侵旋回和海退旋回组成，层序以复合面为界，包括向盆地边缘的不整合面和向海方向的最大海泛面。该理论在陆相页岩研究中得到了广泛应用［19-20］。基于T-R旋回理论，本研究采用小波变换方法，将d6小波尺度下观测到的完整的湖进—湖退旋回视为一个六级层序。同时，方正等［11］、赵贤正等［13］研究证实了X射线矿物衍射及TOC数据与T-R旋回存在显著的响应关系，可以作为高频层序界面识别的辅助依据。综合上述方法，本文研究将孔二段富有机质页岩划分为21个六级层序（SQ1—SQ21），各层序界面特征显著（图3）。
图3 沧东凹陷孔二段富有机质页岩段高频层序划分结果

Fig.3 High-frequency sequence division results of the organic-rich shale interval in the Ek 2 of the Cangdong Sag

3.2　高频层序内部特征

3.2.1　矿物组分特征

基于高频层序划分结果，本文研究以六级层序为评价单元系统评价了孔二段矿物组成特征：孔二段主要矿物为长英质矿物、碳酸盐矿物及黏土矿物，长英质矿物含量为1%~92%（平均为36.57%）；碳酸盐矿物含量为0%~95%（平均为32.66%）；黏土矿物含量为1%~41%（平均为14.56%）。在六级层序的约束下，孔二段矿物组成呈现明显的旋回性分布［图4（a）］。除SQ17层序内部因重力流成因砂岩发育导致长英质矿物含量异常增高外，孔二段矿物垂向上整体表现出如下特征：长英质矿物呈“减少—增加”的旋回性变化；碳酸盐矿物旋回变化特征与长英质矿物相反，表现出“增加—减少”的变化趋势；黏土矿物演化趋势与长英质矿物类似，指示这2类矿物主要来源可能相同。与东部盆地其余富油气凹陷不同的是，方沸石在孔二段广泛分布，纵向上其含量由底到顶呈上升趋势。张跃等［21］通过矿物XRD衍射实验，测得方沸石含量为0%~59%，平均值为14.43%，认为其广泛分布对储层储集性能的改善具有重要意义。
图4 高频层序格架内矿物组成特征

（a）孔二段矿物含量分布图；（b）页岩组分三端元图

Fig.4 Mineral composition characteristics within the high-frequency sequence framework

基于矿物组成特征，本文研究以50%相对矿物含量为界限，将孔二段富有机质页岩划分为4类：长英质页岩（石英+长石类矿物>50%）、灰云质页岩（方解石+白云石>50%）、黏土质页岩（黏土矿物含量>50%）以及混合质页岩（三类矿物含量均<50%）。除SQ17砂岩段外，孔二段主要发育长英质页岩、灰云质页岩和混合质页岩，黏土质页岩仅在部分层序零星分布［图4（b）］。

3.2.2　有机地球化学特征

3.2.2.1　有机质丰度

有机质丰度被广泛应用于评价油气资源量，基于高频层序划分结果，根据石油天然气行业标准《烃源岩地球化学评价方法》（SY/T 5735—2019），采用总有机碳（TOC）含量作为评价指标［22］，系统评价孔二段页岩有机质丰度特征。孔二段TOC含量为0.14%~12.92%（平均为3.50%），属典型陆相富有机质页岩。以TOC含量1%和2%为分级标准进行评价，孔二段TOC其纵向分布呈现显著非均质性，整体呈“增—减—增”的旋回性变化。除SQ17砂岩段TOC含量较低，其余层序均显示富有机质特征（图5）。
图5 高频层序内部TOC分布特征

Fig.5 TOC distribution characteristics within high-frequency sequences

3.2.2.2　有机质类型

有机质的类型是评估烃源岩质量的关键指标，对生烃潜力和生成产物有着重要影响，不同类型有机质的生烃门限值存在显著差异［23］。基于T max—I H交会图分析［图6（a）］，孔二段有机质类型以I型与II1型为主，II2型次之，III型少量发育，揭示了孔二段有机质的生油特性。
图6 沧东凹陷孔二段页岩层系有机质类型及分布特征

（a）I H与T max交会图；（b）层序内部有机质分布

Fig.6 Types and distribution characteristics of organic matter in the shale of the Ek 2 in the Cangdong Sag

以六级层序为评价单元对有机质类型进行系统评价，结果显示［图6（b）］：I型干酪根和II1型干酪根在孔二段广泛分布，仅在SQ17砂岩段两者含量显著降低；II2型干酪根在孔二段少量分布，纵向上呈现“减—增—减”的变化趋势；SQ10与SQ17—SQ18层序沉积时期陆源输入增强，III型干酪根相对发育，可能源自陆源碎屑输入所携带的沉积物。

3.2.2.3　有机质成熟度

在烃源岩有机质埋藏演化过程中，其向油气转化的热演化程度被称为有机质成熟度，通常采用镜质体反射率R O来作为评价指标［24］。孔二段R O值为0.66%~0.91%（平均为0.76%），整体进入生油窗阶段（R O>0.5%），垂向上呈现随埋深增加成熟度逐渐升高的趋势（图7）。
图7 高频层序内部有机质成熟度特征

Fig.7 Organic matter maturity characteristics within high-frequency sequences

4 高频层序对页岩沉积控制作用

4.1　高频层序约束下的沉积环境演化特征

不同元素在特定环境中表现出不同的富集特征，其含量变化可有效反映沉积古环境［25-26］。该研究方法已在多个盆地的地层环境研究中得到广泛应用［14，27-35］。本文研究采用表1所列元素指标，系统重建孔二段的沉积古环境，分析结果如下。
表1 沧东凹陷孔二段沉积环境分析指标

Table 1 Sedimentary environment analysis index of Ek 2 in the Cangdong Sag

古沉积环境

因素

 参数 分级类型
古气候 古气候指数C［27］ 0~0.1干旱气候；0.1~0.2半干旱气候；0.2~0.4半湿润气候；>0.4湿润气候
化学蚀变指数CIA［28］ 50~70寒冷干燥，弱风化作用；70~80温暖湿润，中等风化作用；80~100炎热潮湿，强风化作用
古盐度 Sr/Ba［29］ <0.6淡水；0.6~1.0半咸水；>1.0咸水
Ca/（Ca+Fe）［30］ <0.5淡水；0.5~0.8半咸水；>0.8咸水
古生产力 剩余钡Babio ［31］ <200×10-6低古生产力；200×10-6~1 000×10-6中等古生产力；>1 000×10-6高古生产力
P/Ti［32］ <0.34低古生产力；0.34~0.79中等古生产力；>0.79高古生产力
古氧化还原性 V/（V+Ni）［33］ <0.46强氧化环境；0.46~0.60强氧化—弱还原环境；0.60~0.84弱氧化—强还原环境；>0.84强还原环境
Cu/Zn［34］ <0.21强还原环境；0.21~0.38弱还原环境；0.38~0.50弱氧化—弱还原环境；0.50~0.63弱氧化环境；>0.63强氧化环境
古水深 Fe/Mn［35］ <30深水环境；30~50半深水环境；>50浅水环境
（Al+Fe）/（Ca+Mg）［35］ <0.5浅水环境；0.5~1.0半深水环境；>1.0深水环境
古陆源输入 Ti/Al［14］ Ti/Al比值越大，指示陆源输入程度越强

4.1.1　古陆源输入

Al和Ti元素主要来源于长英质矿物及黏土矿物等陆源碎屑物质，在河流和风力的作用下搬运至半深湖—深湖环境中沉积下来。Ti/Al值可以有效指示陆源输入强弱，Ti/Al值越大指示陆源输入程度越强［14］。孔二段Ti/Al值为0.026~0.061（平均为0.045），指示孔二段富有机质页岩沉积期持续受到较强的陆源输入影响。

4.1.2　古生产力

古生产力是制约湖相页岩有机质富集的关键因素。剩余钡（Babio）和P/Ti值是指示初级生产力高低的有效指标［31-32］，其中剩余钡（Babio）采用如下公式计算：
B a b i o = B a s a m - A l s a m × ( B a / A l ) P A A S = B a s a m - A l s a m × 0.0075
式中：Basam和Alsam分别来自于所测样品的含量；（Ba/Al）PAAS为太古宙后澳大利亚页岩中Ba与Al含量的比值，0.007 5。
分析结果显示，孔二段页岩样品P/Ti值为0.06~0.91（平均为0.31），剩余钡（Babio）值为（156.31~923.31）×10-6（平均为445.02×10-6），指示孔二段页岩沉积期湖盆古生产力处于中等水平。

4.1.3　古水深

湖相页岩沉积过程中，湖盆水体深度是其连续沉积的重要控制因素。本文研究采用Fe/Mn和（Al+Fe）/（Ca+Mg）值指示古水深［35］。孔二段Fe/Mn值为4.21~181.81（平均值为42.74），（Al+Fe）/（Ca+Mg）值为0.15~3.44（平均值为1.02），综合指示孔二段页岩沉积于半深水—深水环境。

4.1.4　古气候

古气候是岩石沉积过程中影响最大的古沉积环境参数之一，其变化往往导致其他沉积环境参数发生改变，并对页岩中元素的富集有着重要影响。本文研究采用古气候指数C值来判别古气候的变化［27］，其计算公式如下：
C = Σ ( F e + M n + C r + V + N i + C o ) / Σ ( C a + M g + K + S r + B a + N a )
采用化学蚀变指数CIA来指示地表母岩风化强度［28］。CIA的计算公式如下：
C I A = { x ( A l 2 O 3 ) / [ x ( A l 2 O 3 ) + x ( C a O ) + x ( N a 2 O ) + x ( K 2 O ) ] } × 100
式中：Cao*仅代表硅酸盐矿物中的CaO；x表示矿物的摩尔含量，由于孔二段页岩层系碳酸盐矿物含量高，为排除样品所含碳酸盐矿物中可能存在的CaO对计算结果产生影响，采用CaO校正公式对其进行校正：
C a O * = m i n [ x ( C a O ) - x ( P 2 O 5 ) × 10 / 3 ,   x ( N a 2 O ) ]
计算结果显示，孔二段页岩C值为0.09~1.05（平均为0.22），CIA值为49.87~67.22（平均为57.04），指示孔二段页岩沉积期物源区母岩受弱风化作用影响，气候为半干旱型。

4.1.5　古盐度

湖盆水体盐度对矿物沉积和有机质富集具有重要影响，采用Sr/Ba值和Ca/（Ca+Fe）值能有效指示湖盆古盐度特征［29-30］。孔二段碳酸盐矿物含量较高，页岩样品CaO含量为3.97%~26.90%，然而Sr元素含量、Sr/Ba值与CaO含量呈显著正相关［图8（a），图8（b）］，证实了Sr和Ba含量不受高碳酸盐含量的影响［36］。样品分析显示孔二段Sr/Ba值为0.33~2.72（平均为1.17），Ca/（Ca+Fe）值为0.27~0.88（平均为0.72），共同指示孔二段页岩沉积于半咸水—咸水环境。
图8 Sr及Sr/Ba值与CaO的相关性分析

（a）Sr与CaO交会图；（b）Sr/Ba与CaO交会图

Fig.8 Correlation analysis of Sr and Sr/Ba ratio with CaO

4.1.6　古氧化还原条件

湖泊水体的含氧量是控制有机质富集的关键因素。由于不同微量元素对氧化还原的敏感性存在差异，V/（V+Ni）和Cu/Zn值被广泛用作指示古氧化还原条件的有效指标［27-28］。孔二段V/（V+Ni）值为0.48~0.88（平均为0.72），指示弱氧化—强还原环境；Cu/Zn值处于0.29~1.17之间，平均值为0.43，指示弱氧化—弱还原环境。两者指示结果有所差异，基于目前研究多认为V/（V+Ni）判别精度更高［27-35］，因此本文研究采用V/（V+Ni）值作为主要判别指标，同时采用Cu/Zn值作为辅助验证指标。综合分析指示孔二段页岩主要形成于贫氧还原环境。

4.1.7　高频层序内沉积环境演化

综合孔二段页岩沉积环境分析结果（图9），以本文研究建立的六级层序为评价单元，将孔二段页岩地层分为以下3个沉积演化阶段：
图9 沧东凹陷孔二段富有机质页岩层系沉积环境特征

Fig.9 Depositional environment of the Ek 2 organic-rich shales， Cangdong Sag​

（1）快速湖侵时期（SQ1—SQ6）
该沉积时期为孔二段页岩沉积初期。湿润的气候条件导致了地表水动力的增加，进而导致沉积物向湖盆大量涌入，水体盐度受地表水的涌入降低，湖泊水位因而迅速上涨。来自物源区的风化产物在湖泊底部快速堆积，在沉积物快速沉积产生的稀释效应影响下，碳酸盐矿物的含量逐渐减少。
（2）振荡湖侵时期（SQ7—SQ17）
该沉积时期为孔二段页岩沉积中期。此时气候呈现干旱—湿润交替的周期性变化，气候的周期性变化导致了沉积环境的频繁变化，陆源物质的流入开始减少，湖泊水体盐度逐渐升高，从而导致长英质矿物和黏土矿物含量逐渐降低。随着湖泊水位缓慢上涨，较高的水体盐度加速了碳酸盐矿物的沉淀，进而导致碳酸盐矿物含量逐渐增加。
（3）稳定高位时期（SQ18—SQ21）
该沉积时期为孔二段页岩沉积末期。在持续干旱气候条件下，强烈的蒸发作用和稳定的深水环境共同提高了湖盆碳酸盐矿物沉积速率，碳酸盐矿物含量逐渐增加。与此同时，陆源碎屑物质的输入量相较上一个时期虽有所增加，但受较高的湖平面影响，长英质矿物和黏土矿物等陆源碎屑矿物含量仍相对稳定。上述3个不同演化阶段沉积环境的显著差异，侧面验证了高频层序格架划分的准确性与可靠性。

4.2　富有机质页岩层系沉积主控因素

4.2.1　沉积环境对有机质富集的控制

基于研究区高频层序—沉积环境的耦合分析表明，TOC与古气候指标（C值）呈显著正相关，随着C值的增加，TOC含量逐渐上升，指示气候越温暖湿润越有利于有机质富集［图10（a）］；古水深指标（Fe/Mn）与TOC的关系则呈现明显的阶段性，50<Fe/Mn<75时与TOC无相关性，此时Fe/Mn指示浅水环境；而当Fe/Mn<50时，其与TOC呈现负相关，表明水深达到一定程度时，随着水体的加深，越有利于有机质富集［图10（b）］；TOC与陆源输入指标（Ti/Al）和古生产力指标（P/Ti）均呈弱负相关，TOC含量随Ti/Al和P/Ti值的变大逐渐降低。前人研究表明，孔二段页岩沉积期湖盆古生产力主要受陆源输入控制［14］，而当Ti/Al<0.045且P/Ti<0.4时，多数样品却表现出较高的TOC含量［图10（c），图10（d）］，表明适量的陆源碎屑输入带来了大量的营养物质并提高了湖盆古生产力，同时又降低了碎屑输入对有机质稀释的影响，从而为有机质富集提供了基本条件；古盐度指标Sr/Ba与TOC之间呈显著负相关，在盐度较低的环境，多数样品所含TOC含量较高（Sr/Ba<1.0），随着盐度的增加，TOC含量逐渐下降［图10（e）］，表明低盐度环境更有利于有机质保存；值得注意的是，TOC含量与氧化还原条件指标V/（V+Ni）之间无相关性［图10（f）］，不同氧化还原条件下均存在高TOC含量的样品，表明氧化还原条件不是研究区有机质富集的主控因素。
图10 沉积环境参数与TOC的关系

（a）Ti/Al与TOC交会图；（b）气候指数C与TOC交会图；（c）P/Ti与TOC交会图；（d）Fe/Mn与TOC交会图；（e）Sr/Ba与TOC交会图；（f）V/（V+Ni）与TOC交会图

Fig.10 Relationship between TOC and sedimentary environment

为了进一步明确有机质富集主控因素，通过将古气候与其余沉积参数进行对比，对比分析表明孔二段有机质富集主要受古气候控制［图11（a）—图11（e）］，其余沉积环境参数均受到古气候变化的显著影响，古气候条件的变化有效控制了古水深、古生产力、氧化还原条件及陆源碎屑输入的变化，最终导致不同沉积时期有机质的差异富集，具体变化过程如下：
图11 古气候与其余沉积参数的关系

（a）古气候与陆源输入指标交会图；（b）古气候与古盐度指标交会图；（c）古气候与古生产力指标交会图；（d）古气候与古水深指标交会图；（e）古气候与古氧化还原指标交会图

Fig. 11 Relationship between paleoclimate and other sedimentary parameters

在孔二段沉积早期（快速湖侵时期），湿润的气候驱动了地表径流的增加，大量陆源碎屑物质随地表径流输入湖泊，给湖泊提供了充足的养分，进而导致盆地富营养化，藻类及浮游植物大量繁殖，湖盆水位快速上涨，大量藻类的勃发与死亡快速消耗了水体氧气，导致湖盆底部缺氧，贫氧的深水环境给有机质提供了一个良好的保存空间，导致该阶段有机质不断富集。
在孔二段沉积晚期（稳定高位时期），在持续干旱气候条件影响下，物源区风化作用减弱，陆源碎屑输入量减少，此时湖盆中心远离物源区，湖盆初级生产力因而下降。强烈的蒸发作用使得水体盐度逐渐升高，相对干旱的古气候抑制了藻类的生长发育，但受到稳定的深水环境及其他相对稳定沉积参数影响，有机质保存较好，富集程度下降幅度小。
而在孔二段沉积中期（振荡湖侵时期），气候呈现周期性旋回变化，在干旱半周期，其有机质富集机理与稳定高位时期类似，而在湿润半周期，有机质富集机理则与快速湖侵期类似。从而导致该阶段出现多次有机质差异富集现象（图9）。

4.2.2　沉积环境对矿物组成的控制

湖相页岩的矿物组成特征在不同凹陷与层系中表现出显著差异，揭示了细粒沉积过程的复杂性 ［5］。研究表明，在温暖湿润气候条件下，物源区母岩更容易发生风化和矿物转化作用，生成长英质矿物和黏土矿物等碎屑物质并通过地表径流输入湖泊［37-38］。分析表明：陆源碎屑输入与黏土矿物、长英质矿物呈正相关，与碳酸盐矿物无明显相关性［图12（a）］；古气候与黏土矿物和长英质矿物呈显著正相关，与碳酸盐矿物呈显著负相关［图12（b）］；古盐度与长英质矿物和黏土矿物呈显著负相关，与碳酸盐矿物呈显著正相关［图12（e）］，综合表明碳酸盐矿物主要为湖盆自生而非外来输入。古水深指标Fe/Mn与古生产力指标P/Ti与3类矿物相关性较弱，且2类指标的变化均受到其余一种或几种指标的变化影响，因此不是主控因素［图12（c），图12（d）］。前文研究证实了古气候的变化直接控制了陆源碎屑输入及古盐度的变化，综合表明在孔二段页岩沉积时期，古气候通过控制陆源输入和古盐度控制了页岩矿物组成，是其主控因素。具体变化过程如下：
图12 矿物组分与沉积环境的关系

（a）陆源输入与矿物含量交会图；（b）古气候与矿物含量交会图；（c）古生产力与矿物含量交会图；（d）古水深与矿物含量交会图；（e）古盐度与矿物含量交会图；（f）古氧化还原与矿物含量交会图

Fig.12 Relationship between mineral components and sedimentary environment

快速湖侵时期，湿润的气候驱动地表径流和碎屑输入增加，含长英质矿物及黏土矿物的碎屑物质大量输入湖盆，温暖湿润的气候条件促进藻类大量勃发，有机质在此阶段大量积累。JIANG等［39］、ZHANG等［40］研究表明，有机质在成熟过程中产生的有机酸可溶解碳酸盐矿物，同时大量的外来淡水输入导致湖水矿化度快速降低，碳酸盐矿物含量逐渐减少。
振荡湖侵时期，气候的周期性变化导致碎屑输入及水体矿化度的频繁变化。在干旱半周期，降水减少导致陆源碎屑输入减少，有机质富集程度较低，对碳酸盐矿物含量影响较小，同时强烈的湖盆蒸发作用提高了湖水矿化度，造成碳酸盐矿物沉淀效率增加，导致长英质和黏土矿物含量减少，碳酸盐矿物含量逐渐增加。而在湿润半周期，矿物沉积机理与快速湖侵时期相似。
稳定高位时期，持续性的干旱气候导致了碎屑输入的减少，长英质矿物和黏土矿物等碎屑物质含量因而减少。干旱气候引发湖水的强烈蒸发，湖水矿化度逐渐上升。持续的干旱气候及高矿化度的水体抑制了藻类生存，大量藻类的死亡促进了碳酸盐矿物的快速沉淀［41］，导致碳酸盐矿物含量逐渐增加。

4.3　高频层序约束下的页岩组合发育模式

通过高频层序地层格架与沉积环境分析，本文研究建立了沧东凹陷孔二段湖相页岩沉积模式（图13）：在古气候变化控制下，温暖湿润气候促进了地表降水及河流输入增加，湖平面随之上升，出现湖侵现象；干旱气候致使地表降水及河流输入减少，湖平面逐渐下降，产生湖退现象。频繁的湖侵—湖退（T-R旋回）是形成高频层序地层的主控因素，伴随众多沉积古环境参数的协同变化［37］，形成4类页岩组合模式。
图13 高频层序—沉积环境控制下的页岩组合发育模式

Fig.13 Development model of shale assemblage controlled by high-frequency sequence-sedimentary environment

A型页岩组合主要形成于快速湖侵早期（SQ1—SQ2）和振荡湖侵早期（SQ7），沉积环境表现出强陆源输入、低盐度和高有机质富集程度的特征。较为湿润的气候抑制了碳酸盐矿物的沉淀，促进了长英质矿物和黏土矿物的快速沉积，纵向上形成富有机质长英质—混合质页岩组合。
B型页岩组合主要发育于快速湖侵阶段（SQ2—SQ4）和稳定高位末期（SQ20—SQ21）。干旱气候导致了湖盆水深下降及陆源输入碎屑的减少，在湖盆自生作用的影响下，高盐度水体促进了碳酸盐矿物的沉淀，纵向上形成富有机质混合质—灰云质页岩组合。
C型页岩组合在3个沉积阶段广泛分布。孔二段沉积环境复杂多变，纵向演化快，沉积环境的振荡导致页岩非均质性增强，形成富有机质长英质—灰云质—混合质页岩组合。
D型页岩组合主要形成于振荡湖侵早期（SQ8—SQ10）。该时期陆源输入与湖盆自生作用并存，沉积物以长英质矿物和碳酸盐矿物为主，纵向上快速堆积形成富有机质长英质—灰云质页岩组合。4类页岩组合在孔二段垂向上相互叠置，共同构成了孔二段页岩沉积组合模式（图13）。

5 结论

（1）通过GR测井曲线小波变换分析，本文研究将渤海湾盆地沧东凹陷孔二段页岩层系划分为21个六级层序（SQ1—SQ21），建立了六级层序尺度下的高频层序地层格架。研究区主要发育长英质页岩、灰云质页岩和混合质页岩，有机质类型主要为I型和II1型，整体进入生油窗阶段。
（2）基于高频层序地层格架与元素地球化学分析，将孔二段页岩沉积环境划分为3个演化阶段：下部快速湖侵期（SQ1—SQ6）气候湿润，低盐度，陆源输入强，古生产力低；中部振荡湖侵期（SQ7—SQ17）气候经历干旱—湿润的周期性变化，高盐度，陆源输入、古生产力等参数频繁波动；上部稳定高位时期（SQ18—SQ21）气候持续干旱，表现为中等陆源输入，高盐度，较高古生产力。
（3）揭示了孔二段沉积期古气候对页岩沉积的控制机制。古气候通过驱动古水深、古生产力、氧化还原条件及陆源碎屑输入的变化提供了有机质富集的基本条件，最终导致了有机质的差异富集。同时古气候通过控制陆源输入和古盐度，进而控制长英质、黏土矿物和碳酸盐矿物的相对含量。基于以上认识，建立了古气候驱动的页岩沉积组合模式。

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