引用本文
Zhang Shaomin,Cao Yingchang,Zhu Rukai,et al.The lithofacies and depositional environment of fine-grained sedimentary rocks of Xiaohu Subsag in Yabulai Basin[J].Natural Gas Geoscience,2016,27(2):309-319.[张少敏,操应长,朱如凯,等.雅布赖盆地小湖次凹细粒沉积岩岩相特征与沉积环境探讨[J].天然气地球科学,2016,27(2):309-319.]
doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2016.02.0309
雅布赖盆地小湖次凹细粒沉积岩岩相特征与沉积环境探讨
中图分类号:TE121.3+1 文献标志码:A 文章编号:1672-1926(2016)02-0309-11
The lithofacies and depositional environment of fine-grained sedimentaryrocks of Xiaohu Subsag in Yabulai Basin
Key words: Fine-grained sediments; Lithofacies; Depositional environment; Xinhe Formation; Yabulai Basin;
引言
细粒沉积物(Fine-grained sediments)主要指粒径小于0.062 5mm且含量大于50%的颗粒沉积物,主要由黏土矿物和粉砂等陆源碎屑颗粒组成,也包含少量盆地内生碳酸盐、有机质、生物硅质、磷酸盐等[1-4]。细粒沉积物在埋藏过程中经压实固结形成细粒沉积岩。细粒沉积岩分布广泛,约占全球各类沉积岩的70%[5],但是由于细粒沉积岩粒度细以及受微观实验条件的制约,与砂岩和碳酸盐岩相比,细粒物质的沉积和成岩作用仍是沉积学界研究的薄弱领域[4]。国内目前对湖相细粒沉积岩的研究多集中在作为烃源岩的地球化学特征和湖盆演化特征等方面[6],针对岩相的系统分类及特征的研究相对匮乏。与原始沉积特征相关的细粒沉积岩岩石组分类型、含量及结构特征对岩石经历后期埋藏成岩作用而发生岩石特性演化具有重要影响,而细粒沉积岩岩石组分复杂,岩石类型划分和命名尚存在较大争议,这直接制约着致密细粒岩石“源储一体”型油气的勘探和开发[7],随着泥页岩油气勘探不断深入,深化研究细粒沉积岩相特征及成因,对明确细粒沉积岩分布规律、落实有利勘探目标具有重要的指导意义。 近年来,国内外学者对细粒沉积进行了一系列研究。在岩石学方面,姜在兴等[4]主要以组分粉砂、黏土和碳酸盐为三端元,将细粒沉积岩划分为粉砂岩、黏土岩、碳酸盐岩和混合型细粒沉积岩四大类。对于岩相类型,不同学者主要根据矿物成分、碎屑、生物、有机质和结构特征等划分泥页岩岩相[8-15]。对于细粒沉积物的搬运流体,主要包括波浪增强型泥质沉积物重力流[16]、洪水形成的异重流[14-17]、远端风暴形成的重力流[14]、浊流[18]以及易发育波纹层理的牵引流[12]等;而细粒沉积物的沉降方式主要为悬浮沉降[19]、絮凝沉降[3-16-20]以及层流沉积[21]。
1 区域地质概况
雅布赖盆地位于内蒙古阿拉善地区,是阿拉善地块之上发育的中新生代沉积盆地,呈NEE向展布,南以北大山为界与潮水盆地相连,东以巴彦乌拉山为界与巴彦浩特盆地相隔,西北以雅布赖山为界与银根—额济纳旗盆地相邻(图1),面积约为1.5×104km2[22,23]。盆地中部的小湖次凹是主要的生烃凹陷,自下而上发育中侏罗统青土井组、中侏罗统新
图1 雅布赖盆地构造单元(修改自文献[23])
Fig.1 The structural division of Yabulai Basin(modified from reference[23])
2 细粒沉积岩岩相划分依据
雅布赖盆地小湖次凹勘探中,雅探11井新河组下段取心200m,薄片、X-射线衍射、有机地球化学等分析测试类型齐全,样品丰富,为开展研究区细粒沉积岩岩相类型划分及特征研究提供了丰富的基础资料保障。
2.1 矿物组分
针对雅布赖盆地小湖次凹细粒沉积岩,以雅探11井为例,选取107个样品点进行了X-射线衍射(XRD)分析。结果表明,雅探11井新河组下段细粒沉积岩矿物成分多样,包括长石、石英等长英质矿物,方解石、白云石、铁白云石等碳酸盐矿物及伊利石等黏土矿物,此外含少量黄铁矿、方沸石、菱铁矿等矿物(表1)。长英质陆源碎屑含量较高,主要范围为20.9%~49%,平均为40.4%[图2(a)];其中,长石含量高,平均为24.0%,且以斜长石为主,其次石英平均含量约为16.4%,长石和石英多为粉砂级颗粒,呈条带状或分散状分布。黏土矿物相对含量以11.7%~39.0%为主[图2(b)],平均为31.4%,这低于海相泥岩和传统对泥岩的认识,可能与陆相湖盆面积较小且距物源较近有关[24];研究区黏土矿物以伊利石、伊/蒙混层、绿泥石和绿/蒙混层为主,少量高岭石,基本不含蒙脱石。碳酸盐矿物含量范围为0~46%,主要集中在10.0%~38.9%之间[图2(c)],平均为23.8%,以方解石和铁白云石为主,主要为隐晶结构,有时可见粉晶状。方沸石较为常见,但是含量低,且分布具有分段性。
Table 1 Mineral composition of fine-grained sedimentary rocks from well YT-11
成分/% | 非黏土矿物质量分数/% | 黏土矿物 质量分数/% | |||||||
石英 | 钾长石 | 斜长石 | 方解石 | 白云石 | 铁白云石 | 黄铁矿 | 方沸石 | ||
最小值 | 3.7 | 0 | 8.7 | 0.8 | 0 | 0 | 0 | 0 | 6.4 |
最大值 | 39.6 | 8.1 | 40.5 | 32.9 | 38.8 | 41.2 | 3.9 | 19.4 | 65.2 |
平均值 | 16.4 | 1.9 | 22.1 | 11.3 | 4.2 | 8.4 | 0.2 | 4.1 | 31.4 |
图2 雅探11井细粒沉积岩不同矿物组分类型及含量分布特征
Fig.2 Distribution characteristics of different minerals of fine-grained sediments
2.2 有机质组分
细粒沉积岩中普遍发育有机质,其在细粒物质的沉积动力学、成岩作用及储层形成中具有十分重要的作用[4],但是不同岩石类型的有机质含量相差较大。通过岩心样品有机地球化学测试,结果显示小湖次凹新河组下段细粒沉积岩中,有机碳含量(TOC)整体中等,基本分布在0~4.0%之间,生烃潜量(S1+S2)多数大于6mg/g,达到陆相烃源岩评价中好烃源岩标准(TOC>1.0%,S1+S2>6mg/g)[25]。根据TOC的含量及分布特征,以TOC含量1.5%和2.5%为界,将细粒沉积岩划分为贫有机质(TOC<1.5%)、中有机质(TOC=1.5%~2.5%)和富有机质(TOC>2.5%)3类,其中研究区以贫有机质细粒沉积岩为主,约占76.39%,中有机质细粒沉积岩约占16.14%,富有机质细粒沉积岩约占7.47%[图3(a)]。在岩心和薄片观察的基础上,结合TOC测试和X-射线衍射结果,可以看出随着有机碳含量增加,岩石颜色由灰色逐渐变为黑色,并且不同有机碳含量的岩石中有机质的分布状态存在明显差异,当TOC<1.5%时,岩石以块状构造为主,镜下为少量分散状有机质碎片或断续的长条状有机质碎屑;当TOC值为1.5%~2.5%时,岩石明显以纹层状为主,少量为块状构造,有机质呈分散斑块状至断续薄纹层状分布;当TOC>1.5%时,岩石基本全为纹层状,有机质呈断续纹层状或断续排列的斑块状[图3(b)]。 总体上,新河组下段有机质富集段主要位于湖泛面附近,多为深湖—半深湖沉积,陆源碎屑输入少,以含碳酸盐黏土岩和含碳酸盐混合细粒沉积岩为主。
2.3 沉积构造
研究沉积岩的原生构造,可以确定沉积介质的应力及流动状态,是分析沉积成因和环境的重要依据[26]。小湖次凹新河组下段细粒沉积岩中纹层状构造非常发育,通过镜下薄片观察,总结出小湖次凹新河组细粒沉积岩主要发育以下4种纹层类型。 (1)富有机质纹层:为富含有机质的黏土矿物纹层,镜下颜色偏暗,单个纹层厚度为0.01~0.05mm,有机质碎片或斑块呈断续定向排列,分散在黏土矿物颗粒之间[图4(e),图4(g)],是在湖盆缺乏陆源粗碎屑输入时,由藻类大量死亡形成的有机质缓慢沉淀而成[27]。 (2)隐晶碳酸盐纹层:主要由密集的隐晶方解石、白云石、铁白云石构成,混有少量粉晶方解石[图4(d),图4(f)]。隐晶方解石普遍发育微弱的重结晶[28],并随埋深增大而越来越显著。
图3 小湖次凹雅探11井新河组下段细粒沉积岩有机碳含量(TOC)分布特征
Fig.3 TOC distribution features of fine-grained sedimentary rocks of lower Xinhe Formation in well Yatan 11 in Xiaohu Subsag
图4 小湖次凹新河组下段半深湖—深湖细粒沉积岩发育的主要沉积构造及岩相类型
Fig.4 Major structural typesand main lithofacies of fine-grained sedimentary rocks of lower Xinhe Formation in Xiaohu Subsag
3 细粒沉积岩岩相类型及特征
3.1 岩相划分方案
岩相类型划分的基本原则是用于分类的岩石组分为岩石最重要的组分类型,并能通过常用的手段定量识别和鉴定,同时能反映岩石的成因特征,并且分类结果具有较强的实用性和可操作性。因此,对于雅布赖盆地小湖次凹新河组下段深灰色—黑色为主的湖相细粒沉积岩,应以岩石矿物组分为最重要的岩相划分依据,研究区细粒沉积岩中复杂的矿物成分基本可以总结为3类主要组分类型,即长英质矿物、黏土矿物和碳酸盐矿物,这3类组分易于鉴别,含量分布广泛,且与岩石成因特征相联系,能够作为岩石类型划分的端元组分;同时,鉴于细粒沉积岩中有机质普遍发育,而且有机质在细粒物质的沉积动力学、成岩作用及储层形成中具有十分重要的作用[4],因此,采用四组分三端元的划分方案,结合沉积构造特征进行岩相划分。 四组分为有机质、长英质矿物、碳酸盐矿物和黏土矿物,三端元指长英质矿物、碳酸盐矿物和黏土矿物。首先,以TOC值1.5%和2.5%为界,将小湖次凹新河组下段细粒沉积岩划分为贫有机质(TOC<1.5%)、中有机质(TOC=1.5%~2.5%)和富有机质(TOC>2.5%)3类。然后,以主要矿物类型碳酸盐(方解石、白云石和铁白云石)、黏土矿物和长英质矿物(石英和长石)作为三端元,计算3个端元矿物的相对含量,遵循“三级命名”原则(以含量10%、25%和50%为界),以3种主要矿物的相对百分含量50%为界,将细粒沉积岩划分出四大类,分别是碳酸盐岩(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)、黏土岩(Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)、细粒长英沉积岩(Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ)和混合细粒沉积岩(Ⅹ、Ⅺ)。对于三端元组分含量都小于50%的混合细粒沉积岩,根据姜在兴等[4]提出的方法,以硅质碎屑(长英质矿物和黏土)含量65%、碳酸盐含量35%为界,分为硅质碎屑型混合细粒沉积岩(硅质碎屑含量>65%)和碳酸盐型混合细粒沉积岩(碳酸盐含量>35%)(图5)。 通过岩心观察、薄片鉴定和X-射线衍射结果分析,小湖次凹新河组下段细粒沉积岩以黏土岩、细粒长英沉积岩和混合细粒沉积岩为主,不发育碳酸盐岩。综合考虑岩石类型、沉积构造、TOC含量等特征,研究区可识别出9种细粒沉积岩岩相类型(表2)。
3.2 岩相类型及特征
从岩石分类三角图上看(图5),雅布赖盆地小湖次凹新河组下段细粒沉积岩以黏土岩、细粒长英沉积岩和混合细粒沉积岩为主,主要发育以下6种岩相类型。 (1)贫有机质块状黏土质细粒长英沉积岩. 该岩相是细粒沉积岩中粒度较粗的一种,主要发育在大套细粒沉积岩的底部。总体为灰色、深灰色,以粉砂级长英质碎屑颗粒为主,多为较均匀的块状,或呈波状层理,由云母断续定向排列显示弱层状[图4(a)],单个纹层底部与下伏沉积物突变接触,有时会伴随小型冲刷面,顶部向上突变为富黏土沉积物。有机质含量低(0~1.5%),少量有机质碎片与黏土矿物组成的碎屑团块呈分散状分布。
图5 小湖次凹新河组下段细粒沉积岩三端元岩石类型划分
Fig.5 Ternary diagram of three units to divide fine- grained sedimentary rocks in Xiaohu Subsag
Table 2 Comprehensive classification of fine-grained sedimentary rock lithofacies of lower Xinhe Formation in Xiaohu Subsag
岩石类型 | TOC/% | 矿物成分/% | 沉积构造 | 岩相类型 | |||
碳酸盐 | 长英质 | 黏土矿物 | |||||
细粒长英沉积岩 | 0~1.5 | <10 | >50 | 25~50 | 块状 | 贫有机质块状黏土质细粒长英沉积岩 | |
黏土岩 | 0~1.5 | <10 | 25~50 | >50 | 块状 | 贫有机质块状长英质黏土岩 | |
1.5~2.5 | <10 | 25~50 | >50 | 纹层状 | 中有机质纹层状长英质黏土岩 | ||
>2.5 | 25~50 | <10 | >50 | 纹层状 | 富有机质纹层状碳酸盐质黏土岩 | ||
混合细粒 沉积岩 | 0~1.5 | <35 | <50 | <50 | 块状 | 贫有机质块状硅质碎屑型混合细粒沉积岩 | |
0~1.5 | <35 | >65 | 纹层状 | 贫有机质纹层状硅质碎屑型混合细粒沉积岩 | |||
1.5~2.5 | <35 | <50 | <50 | 纹层状 | 中有机质纹层状硅质碎屑型混合细粒沉积岩 | ||
>2.5 | 35~50 | >65 | 纹层状 | 中有机质纹层状碳酸盐型混合细粒沉积岩 | |||
35~50 | <50 | <50 | 纹层状 | 富有机质纹层状碳酸盐型混合细粒沉积岩 | |||
>65 | |||||||
<50 | <50 | ||||||
<65 | |||||||
<50 | <50 | ||||||
<65 |
4 细粒沉积岩沉积环境探讨
沉积环境是控制细粒沉积岩岩相及分布特征的主要因素,传统观点认为泥岩等细粒沉积物主要以悬浮物垂直沉降沉积于近海或深水的静水低能环境中,但是随着不同学者[3-20-29,30]通过野外观察、微观研究、实验验证等方法对细粒沉积物深入的研究,其复杂多样的岩石组分和结构构造表明细粒沉积岩的沉积环境并不只是简单的安静水体,有可能受多种类型流体的影响而代表了不同的水动力条件和沉积机制。 细粒沉积序列中非均质性强,整体上稀释的沉积物密度和缓慢的沉降速率常形成厚度较薄(<10mm)的单层叠置序列,通常为事件性沉积,而非连续沉降的沉积物,其主要搬运机制包括波浪增强型沉积物重力流(Wave-enhanced sediment gravity flows of mud)[16]、洪水形成的泥质异重流(Muddy hyperpycnal flow)[14-17]、浊流(Turbidity flow)[18]、泥质密度流(Mud density flow)[31]以及波纹发育的牵引流(Tractive flow)[12]等。细粒沉积物的沉降机制主要包括静水中单颗粒悬浮沉降[19]、在一定水动力条件下絮凝作用形成絮凝体的沉降[3-16-20]以及悬浮黏土浓度较高时的层流沉积[21]。其中,絮凝作用对黏土级颗粒的沉积非常重要,因为黏土颗粒的沉降速度非常低(10-4~10-6m/s),只有在非常安静的环境中才会出现单颗粒沉降[3]。一些学者认为一般小于10μm的细粒黏土、有机质等颗粒通过絮凝作用形成粒径约0.1~1mm的絮凝体[3-20],能够在搬运和沉积砂质颗粒的流速中(0.1~0.3m/s)搬运和沉积,因此絮凝作用大大提高了细粒沉积物的沉积速率,可达10-2~10-3m/s,扩展了细粒沉积物的沉积范围[16-20-32]。 细粒沉积环境的差异导致细粒沉积岩在岩石组分、沉积构造、有机质类型及含量、岩相组合特征等方面存在较大差异。从岩心和薄片观察入手,以细 粒沉积岩岩石类型及岩相特征为基础,综合水动力条件、流体类型、事件沉积等因素,探讨细粒沉积岩
图6 雅布赖盆地雅探11井新河组下段细粒沉积岩组构特征综合分析
Fig.6 Complex diagram of fine-grained sedimentary rocks fabric of well Yatan 11 in Yabulai Basin
图7 细粒沉积物搬运和沉积模式(修改自文献[14])
Fig.7 Transporting and deposition model of fine-grained sediment(modified from reference[14])
5 结论
(1)雅布赖盆地小湖次凹新河组下段细粒沉积岩主要发育9种岩相类型,其中主要包括贫有机质块状黏土质细粒长英沉积岩、贫有机质纹层状硅质碎屑型混合细粒沉积岩、贫有机质块状长英质黏土岩、中有机质纹层状硅质碎屑型混合细粒沉积岩、中有机质纹层状长英质黏土岩、富有机质纹层状碳酸盐型混合细粒沉积岩等6种岩相类型。 (2)细粒沉积物通过悬浮沉降和絮凝作用等方式搬运和沉积,同时细粒沉积岩岩相类型与特征反映沉积环境和沉积机理的差异,在前三角洲—半深湖的环境中,波浪增强型沉积物重力流普遍发育,陆源碎屑输入多,有机质遭到稀释,形成纵向上贫有机质块状黏土质细粒长英沉积岩—纹层状硅质碎屑型混合细粒沉积岩—块状长英质黏土岩的叠置组合;在半深湖—深湖环境中,水体相对安静,陆源碎屑输入少,碳酸盐和黏土较发育,有机质含量高,形成中—富有机质纹层状混合细粒沉积岩和黏土岩。 (3)雅布赖盆地小湖次凹新河组下段细粒沉积岩相类型及特征的精细分析、沉积环境的探讨,是进一步开展研究区细粒沉积平面展布特征和储层特征研究的基础,有利于明确有利岩相(有利烃源岩和有利储层)的发育和分布规律,对细粒沉积岩的油气勘探开发具有现实意义。
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