山东东营凹陷沙河街组纹层年龄估算方法探讨

2007年12月Dec .,2007
地　层　学　杂　志
JOURNAL OF S T RAT IGRAPHY
第31卷　增刊Ⅱ
V ol .31　Supp .Ⅱ
山东东营凹陷沙河街组纹层年龄估算方法探讨①
李保利　姚益民　张守鹏　张海峰
中石化胜利油田有限公司地质科学研究院　山东东营　257015
摘　要:渤海湾盆地位于北纬35°—42°之间,中始新世沙河街组四段上部和三段沉积期间,在气候上属于中亚热带,湖泊水体较为稳定,并出现季节性分层,因此沉积常显示出暗灰和浅灰色的年纹层(或称偶层)。

根据不少国内外湖泊纹泥统计和14C 测定和频谱分析的对比,认为纹层可以作为地层定年工具。

纹层年龄计算方法研究对含油盆地成烃成藏定量研究具有重要意义。

东营凹陷年纹层计算方法有两种,或选定含纹层岩芯样品进行岩石薄片和电子探针观察和测定,取得年纹层间隔与元素峰值统计;或选取一段含纹层的测井数据作天文400ka 、40ka 或20ka 周期地层年龄计算。

通过两种方法求出东营凹陷通29井等沙三段—沙四上亚段堆积速率的比较,前者薄片和探针方法得到的平均速率为0.1078mm /a ,后者天文的方法得到的是0.1280mm /a ,两者计算差只有0.0172mm /a 。

因此应用两种方法来计算地层年龄和对比是可行的。

前者求纹层方法更为直观,但岩芯和电子探针的测定费用较大,而相比而言,用油田测井数据作天文地层堆积速率和年龄的计算,在经济上、时间上可能胜于前者。

关键词:湖相纹泥,旋回地层,沙三段,沙河街组,始新统,东营凹陷,山东
中图法分类号:P 534.61,P 512.6 文献标识码:A 文章编号:0253-4959(2007)S2-0449-09
①中石化“东营凹陷成烃成藏定量研究”课题及国家自然科学主任基金项目(No .40542007)资助。

文稿接受日期:2007-11-18;修改稿收到日期:2007-12-20。

第一作者简介:1962年生,男,高级工程师,主要从事岩矿分析工作。

纹层是组成层理或纹理的最小宏观单元,内部成分和结构比较均一,其上、下是以纹层面所限,例如现代冰川流域中瑞士布里恩次山谷湖沉积的纹层(或称偶层),每年夏季由于湖水温度分层,河流进入湖中的溢流和间层流提供细粒物质,沉积到湖底形成暗灰色层;到秋季湖水开始变凉,温跃层消失,原来被温跃层中所聚集的更细粒的沉积物下沉到湖底,堆积为浅灰色冬季层(Sturm &M atter ,1977)。

有人对欧洲湖泊泥纹进行统计,并与14C 测定结果作对比,成为地层定年工具(徐道一等,1983;徐道一,1989)。

如分析北美苏必略湖更新世冰川纹泥旋回的频谱,发现50—100a 、12—14a 和6a 等周期出现峰值(Anderso n et al .,1963);南澳晚寒武世冰川湖泊纹层对厚度的优势周期和目测周期变化等研究,提出大约12年的周期,并与太阳黑子11年周期序列相近(Williams ,1981)。

地球每年接受来自太阳的能量约1.3×1024
卡,比从地球输送出来的能量要大3千至4千倍。

因此,太阳活动明显影响气候,而气候的变化又反映在纹层的地质记录中。

纹层或纹泥与地球轨道周期性的气候变化之间有一定的耦合关系(徐道一,1983)。

Fischer 与Roberts (1991)报道北美中始新统绿河组油母岩有3种:1)富油页岩,其纹层为0.014mm /a ;　2)贫油页岩的为0.50mm /a ;　3)砂质油页岩的为9.80m m /a ;应用伽玛曲线频谱分析,发现绿河组的Tiption 段含纹层的旋回明显的出现波峰或谷峰,平均旋回厚度为2.35m ,对应岁差19.358ka 周期,每个纹泥厚度为0.120mm /a 。

渤海湾盆地位于东经114°—124°和北纬35°—42°之间,总面积近200×103km 2。

其中,根据古生物相带和环境分析,盆地始新世沙河街组三段的稳定水体面积达到近73×103km 2,主要属中亚热带季节性湖水分层(姚益民等,1994)。

这一季节性纹层在东营凹陷沙四上、三段和一段是十分常见(Shuai De -fu &Yao Yi -min ,1996)。

通过显微结构的分析,该区纹层大致有几种类型:隐晶钙质和粉砂黏土质组成的偶纹层,隐晶钙质和黏土质组成的偶纹层,隐晶钙质、黏土质和富含有机质交替形成的纹层等(邓宏文、钱凯,1993)。

多年来对油田纹层研究大多用于沉积和环境分析中,但是由于近年天文地层学的兴起,纹层可能更多地应用于地层的年龄研究(徐道一,2005;徐道一等,2006)。

渤海湾盆地始新统纹
层、特别是年龄计算方法的研究将对关德范等(2004)含油盆地成烃成藏定量研究等课题的进一步深入研究,具有重要意义。

近年来笔者对东营凹陷中—晚始新世纹层年龄的估算,特别在方法上,取得了一定的进展。

方法步骤大致如下:1)选定一些可能含纹层的深水沉积物(最好是岩芯)进行岩石薄片和电子探针的纹层的沉积速率分析;2)选取一段含纹层的测井曲线,如自然伽玛GR、自然电位SP、电阻率Rt或磁化率M I等数据,作天文地层分析,其中关键是以沉积、生物、测井、地震等研究取得地层分层数据,并以频谱分析为基础,用偏心率长周期的400ka和100ka,以及40ka 或20ka的周期确定主要优势旋回,算出各层堆积速率;3)通过部分或少量岩石薄片和电子探针纹层速率的测定与整段天文地层的数据对比,计算出含纹层的大段地层年龄,其中用东营凹陷牛38井沙三中亚段的底界(井深3262m)38.975Ma和顶界(井深2724m)36.375Ma等年龄值作为标定(姚益民等, 2007)来进行方法比较。

一、岩石薄片观察和分析
中—晚始新世东营凹陷季节性纹层主要是出现在沙四段上亚段、沙三段和沙一段中比较稳定的湖相暗色泥岩和油页岩中,并选取了牛38、樊120等5口井中的一些岩样(图1)。

以牛38井的沙三段下、中亚段为例,近600m的岩芯中选出的870块样品,平均0.67m/块。

根据双目镜下岩芯观察,发现具有纹层的样品有187块,达20%。

也就是说,在沙三段下亚段和中亚段的前三角洲至三角洲前缘较远端等深水沉积中有20%存在纹层(图2)。

通过101块薄片镜下微细结构分析,沙三段下亚段、中亚段沉积中主要岩性是深灰色、深灰褐色含钙质泥岩和页岩等两种,纹层的层厚大约是<1—6mm(图3a、b)。

其中,沙三段中亚段的中部(井深3050—2952m)沉积更细,一般是以含有机碳、低等藻类、生物碎屑和黄铁矿等暗灰色层与浅灰色碳酸盐微粒交互成层。

纹层厚度更多的是在0.15—0.2m m(图4)。

二、电子探针测定纹层和堆积速率
为了进一步了解纹层的厚度和结构变化,以牛38井3357.80m样品的电子探针图像分析,发现Ca元素中含量>200—400(深色的)比相对<200—400(浅色)含量多,也就是说,Ca元素含量图像上清楚地反映出纹层在纵向上有深、浅交替的条带结构(图5)。

更进一步用电子探针的线分析进行强度比较,纹层中元素相对含量最高的是硅和钙,这两个元素的峰值是交替出现,也表明纹层是具有条带状结构特征(图6)。

钙元素高峰值强度都是在230以上,也相当于上述面分析图像中相对深色(>200—400以上)的条带(图5)或者相当于岩石薄片图像中显示出的含有机泥粒和介形虫壳等钙质最细粒的沉积大致是一致(图4)。

这一含钙较多条带或含细粒沉积物质的条带正好相当于在湖泊水体中温跃层所聚集的更细的物质在冬季下沉到水底成为浅灰色的沉积层。

同样以图6的分析来看,硅、钠、铝等元素含量相对较高的峰值可能是夏季较重的碎屑物质穿过温跃层,沉积到盆底中,代表硅铝酸盐矿物的条带或层。

这两个相对高峰值间隔的出现是反映一年形成的偶层。

牛38等5口井17样品的电子探针分析,钙元素峰值间隔的峰值范围为0.0273—0.1933mm,平均为0.1078m m(表1)。

三、通29等3口井含纹层的天文地层研究
1　地层分层
选定通29、牛38和樊120等3口含纹层井进行地层分层(表2),其中牛38井沙三下底部没有钻穿;樊120井3117.5m以下沙四上亚段为深灰色泥岩和白云质砂岩,以上沙三下亚段为深湖深灰色泥岩,底部出现红色泥块状的泥岩,因此认为底部有剥蚀。

2　频谱分析
选定牛38井、樊120和通29的3口井沙三段—沙四上亚段G R和SP测井数据进行谱分析。

为了说明方便,把牛38井的2901—3412.875m井段中4096点的GR数据的谱图分析为例,显示出沙三中亚段下部(3050—3263m,厚度213m)中主要优势旋回42.7m对应长周期405ka偏心率(图7)。

也就是说,可以用峰值42.7m除以405ka计算取得堆积速率0.1054mm/a。

依次,通过各井各层段的谱图分析选定出对应405ka周期的主要优势旋回的周期值计算出堆积速率,并列于表3—表8。

450地 层 学 杂 志 31卷
表1　东营凹陷牛38井及其邻近井沙四段上亚段—沙三段泥页岩纹层电子探针钙元素峰值间隔表Tab .1　Peak value intervals of electron -pro be C a element of the argillutite laminae in the upper part
of Sha4—Sha3of Well Niu 38and the neighbouring wells in the Dongying Depression
井号井深m 岩性层位
线长mm 钙高峰值峰值间隔mm 牛382910.05深灰褐色泥岩沙三中亚段(上部)1.41411.50.1230牛382927.38深灰褐色泥岩沙三中亚段(上部)1.414120.1118牛383004.11深灰褐色泥岩沙三中亚段(中部)1.414110.1285牛383230.00深灰褐色页岩沙三中亚段(下部)0.6220.0273牛383372.10深灰褐色页岩沙三下亚段(上部)1.414100.1414牛383357.80深灰褐色页岩沙三下亚段(上部)0.95160.0594牛383361.53深灰褐色页岩沙三下亚段(上部)0.770.1000牛383361.80深灰褐色页岩沙三下亚段(上部)2.52160.1575牛383367.80深灰褐色页岩沙三下亚段(上部)
2.9150.1933通61-11978.00灰色页岩沙三段2.69180.1494坨3-4-172188.30
灰色页岩
沙三段
2.12
17
0.1257沙三段平均间隔0.1198
樊1203324.00灰色页岩沙四上亚段1.3210.0619樊1203324.12灰色页岩沙四上亚段1.28170.0753樊1203324.20灰色页岩沙四上亚段1.81160.1132通292067.50灰色页岩沙四上亚段1.7270.0630通292069.22灰色页岩沙四上亚段1.8180.1000通29
2088.00
灰色页岩沙
四上亚段
1.84
18
0.1022沙四上亚段年平均间隔
0.0859
沙三—沙四上亚段年平均间隔0.1078
表2　通29等井沙三—沙四上亚段分层
Tab .2　Subdivision of the Sha3—Upper Subm ember of Sha4in Well Tong 29and other wells
亚段
通29
牛38
樊120
介形类化石
深度m
厚度m
深度m 厚度m
深度m 厚度m
沙二下1714.524252330.5沙三上1900
185.527242992500.0170Huabeinia unisp inata
沙三中沙三下2000
100
32635393450未穿
187
3117.5底剥蚀617.5
Huabeinia ch inensis ,H .yon ganensis ,H .
hu idond ensis ,H .costatis pinata ,Tuoz h -uan gia acclinia
沙四上
21631633470.5
353
Austr ocyp ris levis ,H uabeinia obscur a ,Cy pr is p ostilonga
表3　牛38井GR 数据谱分析结果的优势旋回的周期值
Tab .3　Dominant cycle values of GR data based on results of spectrum analysis of Well Niu 38
段或亚段开始—结束井深(m )优势旋回值m /cycle 沙三上2430—2685.87542.723.32.645.698.832.883.772.17沙三中2751—3262.87534.142.764.028.419.715.512.57.119.315.39沙三中的上、中部
2774—3029.87515.164.019.736.65.023.6111.17.114.572.78沙三中、下2901—3412.87542.785.334.113.119.711.915.59.663.26
2.81
2.26
6.74
沙三中中部2952—3079.87516.032.010.76.741.732.253.761.42沙三中的中、下部3000—3255.87512.236.616.08.266.745.452.613.241.74沙三中的下部上3050—3177.87542.716.011.68.006.103.124.002.252.721.86沙三中的下—沙三下3135—3390.87542.719.73.619.852.818.26.05.123.37
2.61
4.41
1.88
沙三中的下部下3135—3262.87542.712.88.532.613.375.121.881.42沙三下的上部
3263—3390.875
42.7
14.2
3.28
5.57
7.11
2.84
2.25
1.83
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　增刊Ⅱ李保利等:山东东营凹陷沙河街组纹层年龄估算方法探讨
表4　牛38井沙三中亚段—下亚段堆积速率
Tab.4　Accumulation rates of the Middle—Lower Submem ber of Sha3in Well Niu38亚亚段井深与厚度(m)堆积速率(mm/a)延续时间(M y r)底界年龄(M a)沙三中(上)2724—2952(228)64.0/405=0.15801.44334.900—36.275沙三中(中)2952—3050(98)64.0/405=0.15800.62036.895
沙三中(下)3050—3263(213)42.7/405=0.10542.020＊标定年龄38.975沙三下(上)3263—3367(104)42.7/405=0.10540.98739.962
沙三下(下)3367—3450(83)42.7/405=0.10540.78740.6
＊标定的年龄引自于姚益民(2007)
表5　樊120井沙三段—沙四上亚段优势旋回
Tab.5　Dominant cycles of the Sha3—Upper Submem ber of Sha4in Well Fan120段和亚段开始—结束井深(m)优势旋回值(m/cycle)
沙三上2330.5—2842.5(512m)128.756.221.315.310.64
沙三段2605.5—3117.5(512m)300.186.764.021.3
沙四上3117.5—3470.5(353m)90.758.239.426.920.6
沙四上3117.5—3373.5(256m)64.036.525.518.214.111.1
表6　樊120井沙三段—沙四上亚段堆积速率
Tab.6　Accumulation rates of the Sha3—Upper Submember of Sha4in Well Fan120亚段底界深度(m)厚度(m)堆积速率(mm/a)延续时间(M y r)底界年龄(M a)沙二下2330.533.675沙三上2500.017056.2/405=0.13881.22534.900沙三中3117.5617.5
沙三下——64.0/405=0.1580
3.90838.808
——
沙四上3470.535358.2/405=0.14372.45740.747—43.204
表7　通29井沙三段—沙四上亚段优势旋回
Tab.7　Dominant cycles of the Sha3—Upper Submem ber of Sha4in Well Tong29地层开始—结束井深(m)优势旋回(m/cycle)沙三上亚段1714—1900(128)61.930.723.115.311.99.73
2605.5—3117.5(512)300.186.764.021.3
沙三中下亚段1900—2028(128)25.516.111.59.107.56.13
沙三中下—沙四上亚段1900—2412(512)18640.228.121.118.913.99.99沙四上亚段3117.5—3470.5(353m)90.758.239.426.920.6
沙四上亚段3117.5—3373.5(256m)64.036.525.518.214.111.1
表8　通29井沙三段—沙四上亚段堆积速率
Tab.8　Accumulation rates of the Sha3—Upper Subm ember of Sha4in Well Tong29亚段底界深度(m)厚度(m)堆积速率(mm/a)延续时间(M y r)底界年龄(M a)沙二下1714.533.667沙三上1900.0185.561.9/405=0.15041.23334.900沙三中1945.045.0
沙三下2000.055.040.2/405=0.9931.007
—
39.740—40.747
沙四上2163.0163.031.2/405=0.07712.11442.861—
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四、岩石薄片和电子探针与天文地层求出纹层速率
的对比
用不同方法测定出的沙三段—沙四上亚段堆积速率的比较,岩石薄片和电子探针方法得到的平均速率为0.1078m m /a ,天文地层频谱分析得到的是0.1280mm /a ,两者差0.0172mm /a (表9)。

因此在大段含纹层年龄研究和对比中,可以直接用天文地层方法来进行计算。

通29等3口井各层段沉积厚度除以堆积速率得出延续时间。

樊120、通39井各层段底是以沙三上亚段的底界年龄(34.900M a )作标定,求出各层段
表9　不同方法求出的纹层速率(m m /a )
Tab .9　Lamina rates obtained by using different metho d
亚段岩石薄片和电子探针分析
天文地层频谱分析通29樊120牛38平均沙三上
沙三中下0.11980.15040.13880.15800.14910.09930.15800.1054
0.1209沙四上0.08590.07710.14370.
1104平均
0.10780.1089
0.1468
0.13170.1280
的年龄(图8、9)。

根据地层时间分析,通29井是缺失39.74—34.9M a (4.84My r ),在沉积上大约是缺
图7　牛38井的沙河街组沙三段中、下亚段2901—3412.875m 谱分析计算结果
F ig .7　S pectro m analysis and calculatio n re sult of the M iddle and L owe r
submember s o f Sha3(a t 2901—3412.875m )in W ell Niu 38
图8　东营凹陷通29等井的地层厚度对比图
Fig .8　Compariso n o f thickness of beds fro m Well T o ng 29and o the r wells in the Dongy ing Depr essio n
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　增刊Ⅱ李保利等:山东东营凹陷沙河街组纹层年龄估算方法探讨
图9　东营凹陷通29等井的地层缺失时间年龄对比图
Fig.9　Compariso n between the deposition time and missing time of the stra ta fro m Well To ng29and o the r wells in the Dongy ing Depr essio n
沙三下亚段上部至沙三中亚段;樊120井缺失时间为40.707—38.808M a(1.899My r),大约为缺失沙三下亚段。

五、小　结
根据东营凹陷通29、牛38和樊120等沙四上亚段—沙三段岩芯薄片和电子探针的纹层研究及天文地层方法计算,得到的堆积速率和地层年龄的对比速率,基本是一致的,两者差仅0.0172m m/a。

因此,这两种方法进行堆积速率计算是可行的。

用岩芯薄片和电子探针方法的研究更为直观,特别电子探针的测定数据应该是更为准确,但是在大段的地层研究中,全部用岩芯电子探针测定年龄一般是困难的,费用较大。

因此相比而言,用油田测井数据天文地层的堆积速率和年龄的计算对比,在经济上、时间上可能胜于前者。

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A PROBING AGE -CALCULATION METHOD FOR THE
LAMINAE OF THE SHAHEJIE FORMATION IN THE
DONGYING DEPRES SION ,SHANDONG
LI Bao -li ,YAO Yi -min ,ZHA NG Sho u -peng and ZH ANG H ai -feng
Geological Scienti f ic Research I nstitute of S hengli Oil f ield Company ,S I NOPEC ,Dongy ing ,257015
A bstract T he Bo hai Gulf is located between 35°and 42°N ,w here the upper pa rt o f M ember 4and the Member 3of the Shahejie Fo rmatio n belong ed clim atically to the middle subtropical zone and the lake w ater w as stable ,w ith seaso nally deposited beds occurring .Thus ,dark and lig ht g rey laminae o ften appeared .Based o n the co mpa rison between the statistics fo r the lacustrine laminae in China and abroad ,the 14C dat -ing ,and the frequency spectrum analy sis ,it is considered that laminae may be used as a tool fo r strati -g raphic dating .The refore ,the study o f the m ethod fo r calculating lamina age is of im po rtant significance in the quantitative study of hy drocarbon accumulatio n in the petroliferous basin .There are tw o kinds of methods fo r calculating lamina ag e of the Do ngy ing Depressio n :to select lamina -bearing co res fo r co nduc -ting the ro ck thin section and electron probe observation and determinatio n and obtaining lamine intervals and element peak value statistics ;to select a secto r of lamina -bearing lo gging data to carry out cy clostrati -g raphic age calculation of astronomic periods of 400ka ,40ka or 20ka .A com pariso n of the accum ulation rates be tw een the M ember 3and the Upper Submembe r of M embe r 4of the Shahejie Fo rm ation in the To ng -29Well o f the Dongying Depression ,by using these tow kinds of methods ,show s that an average accumulatio n rate o f 0.7078mm /a w as o btained by means of the thin sectio n and probe method and the rate of 0.1280mm /a w as acquired by using astro no mic method .There is a difference of only 0.0172m m /a .U -sing these tw o kinds of methods to calculate and co mpare stratig raphic ages is viable .By co mparison using the fo rmer metho d is of mo re direct observatio n ,but the cost is high ;using the latte r me thod is better eco -nomically and tem po rally .
Key words cy clo stratig raphy ,lacustrine laminae ,varied clay ,Shahejie Fo rmatio n ,Eocene ,Do ngy ing De -pression ,Shandong Province
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　增刊Ⅱ李保利等:山东东营凹陷沙河街组纹层年龄估算方法探讨。