渤海湾盆地

渤海湾盆地~

渤海湾盆地位于华北地台东部，由陆地及海上的一系列新生代沉降凹陷所构成，南北长2600 km，东西宽1200 km，总面积约20×104km2。它东邻胶辽隆起，西与太行山隆起为邻，北接燕山褶皱带，南抵豫淮台褶带，是一个叠置在华北地台古生界地层之上的新生界裂谷盆地。渤海海域部分面积约8×104km2，除渤中坳陷外，其他构造单元与陆地的下辽河、黄骅、济阳坳陷相连（图5-1）。
渤海湾盆地古近纪大部分时期处于裂谷断陷阶段，盆地持续扩张，形成水深面广的湖泊环境，为生油层、储集层的形成提供了良好的条件；古近纪晚期（渐新世晚期）至新近纪，盆地转化为坳陷型盆地。由于区域性隆升运动和沉积物过量充填，湖泊萎缩甚至消失，渤海湾盆地除残留少数小型湖泊外，绝大部分地区为冲积扇和河流沉积物所覆盖。

图5-1 渤海湾盆地海域内沙三期湖泊发育示意图

在经历古新世（E1）的剥蚀夷平后，渤海湾盆地部分坳陷在孔店组时期开始发育湖泊，但是到沙四期湖泊范围较小，并以粗粒碎屑沉积类型为主。黄河口凹陷BZ28-2-1井钻遇的富含生物化石的黑色泥岩表明，渤中坳陷存在孔店期的湖相沉积。到沙三期，渤海湾盆地湖泊发育，沉积的湖相暗色泥岩常厚达几百米或上千米。但是，该时期盆地内各坳陷之间仍有凸起阻隔，使湖泊之间连通较差，有利于湖水分层和有机质的保存，因此，该时期的泥岩是渤海湾盆地的主要生油岩。与湖泊相连的凸起高地周围则发育一些扇三角洲、水下扇及浊积扇等。沙三期湖泊发育示意图见图5-1。
在沙二期，渤海湾盆地湖泊面积急剧缩小，沉积物以近源短流径的河流沉积为主，仅在凹陷沉降中心发育湖相泥岩。沙一期湖泊面积再次扩大，沉积范围也再次扩大，形成厚达200～500 m的暗色泥岩沉积，成为渤海湾盆地仅次于沙三段的重要生油岩（图5-2）。并且到东营早期使渤海湾盆地内许多低凸起上均接受了各种沉积物。该时期发育于各凹陷内的湖泊相互连通，构成面积广布的大湖（图5-3），并且在盆地东北及西南方向发育了较大的三角洲沉积，表明此时已有流域较大的河流注入湖泊，构成良好的油气储集层（图5-3）。

图5-2 渤海湾盆地海域内沙一期湖泊发育示意图

在东营期的晚期，经过大量沉积物的充填作用，使湖泊面积再次缩小，渤海湾盆地主要发育河流相、河流三角洲平原沉积，仅有少量的滨浅湖相沉积（图5-4）。这种状况一直持续到第四纪海侵。

图5 3 渤海湾盆地海域内东营期早期湖泊发育示意图

总体而言，在湖盆发育的主要时期，渤海湾盆地各凹陷湖泊彼此分隔，连通性差，湖泊的沉积作用主要以凹陷为单元独立进行，由于古地貌、水系、周边物源等条件的差异，发育多种类型的沉积体系。甚至在同时期内的不同凹陷湖泊水体的含盐度差异也很大。如在濮阳凹陷沙三期发育有盐类沉积，而同期其他凹陷则以淡水湖盆为主；同样在不同凹陷或同一凹陷内沉积物类型也多种多样，有的部位以碎屑沉积为主，而另外部位则发育淡水碳酸盐岩。因而渤海湾古湖内沉积体系复杂，砂体横向上分布不稳定、变化大的特点十分突出。

（一）盆地源区的岩石类型
渤海湾盆地东侧为胶辽隆起，北侧与古老的燕山褶皱带相邻，南部则为鲁西隆起，西部经陆上坳陷与太行山褶皱带相邻。这些古隆起的岩石组成，直接控制着渤海湾盆地的沉积物类型及成分。因此，了解它们的岩石构成，对探讨盆地及其周边源区的变迁关系，建立盆地发展演化史十分重要。
1.胶辽隆起区
胶辽隆起区主要由太古宇，中、新元古界以及古生界，中生界组成。太古宇“鞍山群”由低角闪岩相的变质岩组成，以角闪斜长片麻岩和斜长角闪岩为主，夹变粒岩、片岩及石英岩等。原岩主要为基性火山岩与中酸性火山岩交替出现，以及部分火山碎屑岩。中、新元古界由碎屑岩、粘土岩和碳酸盐岩组成，具弱变质作用。下古生界则为稳定区海相沉积，中生界主要为中酸性火山岩、火山碎屑岩和正常沉积碎屑岩。
2.燕山褶皱带
燕山地区是我国古老地层出露区，其出露时代最老、变质最深的地层为古-中太古界迁西群，由各种麻粒岩、片麻岩、斜长角闪岩和石英岩组成，属麻粒岩相。原岩以中基性火山岩为主，其次为碎屑岩和含铁硅质岩。新太古界以低角闪岩相变质为主，为黑云斜长变粒岩、浅粒岩夹石英岩，原岩为中基性火山岩，粘土质砂岩和含铁硅质岩。
古元古界为变质砾岩夹变粒岩、片岩，中上部为黑云变粒岩和二云片岩，顶部为石英岩。原岩为一套韵律发育的砾岩，泥砂质岩和含铁硅质岩，中元古界为碎屑岩、碳酸盐岩及粘土岩。
3.鲁西隆起区
鲁西地区太古宇泰山群主要岩性为黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩及黑云变粒岩。古元古界济宁群为一套浅变质岩及变火山岩，新元古界为未经变质的以碎屑岩和粘土岩为主的地层及部分碳酸盐岩。下古生界的碳酸盐岩沉积发育，上古生界为一套滨-浅海相和海陆交互相的砂页岩夹灰岩的含煤沉积，二叠系为陆相沉积。中生界为断陷盆地沉积，分布较局限，为碎屑岩及中—基性火山岩、火山碎屑岩。
4.太行山褶皱带
在太行山褶皱带出露的太古宇为各种片麻岩，其次为二辉麻粒岩、角闪岩和大理岩、片岩、石英岩，原岩为基性火山岩、碎屑岩和镁质碳酸盐岩、中基性火山岩、中酸性凝灰质砂岩、碎屑岩、碳酸盐岩及硅质岩，中、新元古界由一套未变质或轻变质的海相碳酸盐岩及碎屑岩、粘土岩组成，厚度巨大，出露良好，分布广泛，发育齐全。古生界寒武-奥陶系为碳酸盐岩沉积，石炭-二叠系为含煤地层。中生界不发育。
在华北平原地区，中-新生界极为发育，主要为泥岩、油页岩、砂岩等，以及玄武岩、凝灰岩。
分析中全部选取泥岩样品作为分析对象，共计136块样品取自盆地内14口井，地层层位集中在沙河街组的一、二、三段以及东营组的二、三段，另有孔店组和新近系的少量样品。按照钻井所在位置以及讨论的方便，我们将渤海湾盆地划分为7个地区进行分析研究（表6-1；图6-1）。
表6-1 渤海湾盆地取样位置一览表


续表


续表



图6-1 渤海湾盆地构造分区及取样位置示意图

（二）泥岩元素分布特点
1.元素类型
化学元素按照其在地壳中的存在形态可以划分为亲硫元素、亲石元素及亲生物元素等几种类型。亲硫元素主要呈硫化物产出，亲石元素则是主要造岩矿物的成分，如Si，Mg等，亲生物元素则富集于有生命的动植物体内，如P，C等。由于各种元素的这种物理化学性质的差异，使它们在沉积作用的改造过程中表现出明显不同的习性。研究表明，尽管在沉积地球化学中有风化、搬运、沉积以及成岩等一系列沉积过程的影响，碎屑岩中的微量及稀土元素仍主要受源区母岩类型的控制，如那些强场强元素如Th，U，Nb，Ta，Zr，Hf以及REE等，由于性质稳定，较少或不受沉积过程的影响，更是揭示沉积物母岩特征的有力工具（Pearce，1983）。
2.稀土元素特点
近几十年人们对泥岩中稀土元素的认识取得了长足的进展，并对北美页岩（NASC）以及澳大利亚后太古宙页岩（PAAG）的稀土元素分析进行了深入系统的研究（Haskin等，1962；Gromet等，1984；Taylor等，1985；McLennan等，1989），认为它们基本上与上地壳的成分相似。上地壳的稀土元素分布中显示轻稀土元素富集、重稀土元素含量均一以及明显的铕亏损。轻稀土元素富集表明与原始幔源物质相比，大离子的亲石元素含量高；平稳的重稀土元素含量说明，地壳成分中缺乏使重稀土元素分馏的过程。铕的亏损则是地壳中的分异作用，使铕在中、上地壳中的中、酸性岩内（如花岗岩）为亏损，而在下地壳中富集（McLennan等，1993）。
渤海湾盆地泥岩中稀土元素分布如图6-2所示，显示轻稀土元素富集而在重稀土元素一端则较平稳，铕出现明显亏损，与NASC 和PAAG的分布特点相似，尤其与北美页岩的分布特点相近，显示它们的母岩物质应来自上地壳中。在与北美页岩稀土元素的加权平均图（图6-3）中可以看出，渤海湾盆地的轻稀土元素要比北美页岩含量高，而相应的重稀土元素则更为偏低，说明与北美页岩的母岩相比，渤海湾盆地泥岩的母岩要更偏酸性。

图6-2 渤海湾盆地沙三段泥岩稀土元素分布图

在Th-Hf-Co三角图解中（图6-4），所有泥岩样品均与上地壳平均值接近，也同样说明母岩的岩性偏酸性。

图6-3 渤海-北美页岩稀土元素（NASC）加权平均值

（三）盆地物源分析
由于盆地内次级断裂构造的相互作用，渤海湾盆地被分割成辽河、渤中、济阳、黄骅等六个坳陷，它们之间多被隆起区分割。在各坳陷内部又由于次级断裂作用而分为不同的次凹。研究这些坳陷在盆地演化过程中的相互关系，对了解盆地演化历史以及盆地内油气资源的评估与勘探具有重要意义。前人在这方面已做过较多的工作并取得一系列的认识。但是到目前为止，所有这方面的工作均是以地球物理资料为基础，加上部分沉积相分析来完成的，尚未有人从地球化学的角度对这一问题进行研究。

图6-4 渤海湾盆地泥岩Th-Hf-Co三角图解

从地球化学角度对沉积盆地的演化历史及物源进行分析，具有独特的优势。尤其是ICP-MS分析方法一次能测定多达50余种的化学元素，为数理统计分析提供了有利的数据基础。大家知道，当一组数据主要受某种因素控制时，即使其中个别数据可能受其他因素的影响较大，但对整体的分析研究不会产生决定性的影响。如前面分析中泥岩的微量及稀土元素主要受物源区母岩成分的控制，但不排除对其中个别元素来讲受到过后期改造作用的影响，它们的这种变化总体上不会对判别分析产生决定性的影响作用。
1.各坳陷之间物源分析
在本分析中主要选用了稀土等31种元素，按各地区之间的变化进行。在各地区之间的判别分析表明，样品的分类准确率较高，为85.19%（表6-2；图6-5），说明盆地内各次级凹陷的沉积物源区各自不同、相互独立。换句话说，在盆地的发展演化中，没有一个主导物源区或没有一条在盆地演化过程中起主要沉积作用的河流发育。各次级凹陷都是以自己周边的隆起区为物源，沉积物的搬运也主要是通过较小流径的短程流水进行的。
从分类表中可以看出，在MS区、NE区和E区之间泥岩地球化学成分相对来说存在某种程度的混合，表明它们之间在物源成分上有一定共性，极有可能与盆地东部胶辽古隆起有关。
在以E、MS、NE、S 和W五个区所做的判别分析显示，样品的分类为86.21%，同时显示，MS区在泥岩地球化学成分上与其他各区均有一定程度的混合，尤其是和NE、E地区（表6-3；图6-6），表明渤中凹陷长期处于渤海海域坳陷中心的地位。分析显示，S区与NE、W、NW、MNE等区在物源上相互完全独立，互不相通，也即莱州凹陷、歧口坳陷、辽东湾凹陷等的沉积物物源完全不同（表6-4，表6-5；图6-7，图6-8），但辽东湾凹陷北部（JZ井）与南部（LD井）在物源上有一定的联系。
表6-2 渤海湾盆地各地区间微量元素判别分类表



图6-5 渤海湾盆地各地区间微量元素判别分析图

表6-3 渤海湾盆地MS及其他五个地区间微量元素判别分类表


2.物源随时间演变特征
为了探讨渤海湾盆地沉积物源在盆地演化过程中，物源成分随时间而发生改变的情况，我们采用纵向分析的方法，即把样品所在凹陷以层段为单位分为Es3、Es2、Es1、Ed3、Ed2等几个时段来判断样品间的相互关系。在MS区样品的分类准确率为98.18%（表6-6；图6-9），也即说明从孔店组时期以来渤中凹陷各个时间段内的物源成分明显不同，相互独立，凹陷的物源成分随时间而发生改变。同样，NE区样品的分类准确率为96.36%（表6-7；图6-10）；W区样品的分类准确率为90%（表6-8；图6-11）；S区样品的分类准确率更达到100%（表6-9；图6-12）。这些分析结果表明渤海湾盆地各凹陷在不同时期接受的沉积物成分也不相同，源区成分有随时间变迁的规律。在对坳陷东部E区各不同时期样品所做的聚类分析中，同样证明东三期的样品成分明显与东二期的不同（图6-13）。

图6-6 渤海湾盆地 MS及其他五个地区间微量元素判别分析图

表6-4 渤海湾盆地W及其他五个地区间微量元素判别分类表


表6-5 渤海湾盆地S及其他三个地区间微量元素判别分类表



图6-7 渤海湾盆地 W及其他五个地区间微量元素判别分析图


图6-8 渤海湾盆地 S及其他三个地区间微量元素判别分析图

表6-6 渤海湾盆地MS区微量元素随时间变化分类表



图6-9 渤海湾盆地MS区泥岩微量元素随时间变化分析图

表6-7 渤海湾盆地NE区微量元素随时间变化分类表



图6-10 渤海湾盆地NE区泥岩微量元素随时间变化分析图

表6-8 渤海湾盆地W区泥岩微量元素随时间变化分析表


表6-9 渤海湾盆地S区泥岩微量元素随时间变化分析表



图6-11 渤海湾盆地W区泥岩微量元素随时间变化分析图


图6-12 渤海湾盆地S区泥岩微量元素随时间变化分析图


图6-13 渤海湾盆地E区不同时期样品聚类分析图

3.物源区母岩成分变化特点
渤海湾盆地周围发育了从太古宙到中生代的各种地层。岩石类型复杂多样，而各不同地区岩石组成又有差异。如何正确区分它们，了解物源区的变迁演化特点，对古环境的恢复极其重要。大家知道，在地球演化初期，Gd含量较高，随着元素分馏作用，Gd的含量越来越少，Gd/Yb比值也就随着地层时代的变新而逐渐变小（Mclennen等，1993；Toylor等，1994）。研究表明，以Gd/Yb=2.0为界，太古宇的Gd/Yb比值常大于2.0；而后太古宇的年轻地层则小于2.0。同样，Sm/Nd的比值也是一个常用的判断沉积地层相对时间的方法。147Sm是天然放射性同位素，它通过放出一个d质点，变成143Nd，如果岩石形成时含Sm，而且它形成后体系一直是封闭的，则147Sm逐渐减少，143Nd则逐渐增加。这样Sm/Nd的比值也就随着时代的变新而逐渐变小。由于它们都属于稀土元素，不易受一些地质作用的干扰，一经封闭到地层中，便容易被保存下来。在沉积岩中，它们主要反映的是母岩的特点，因此可以用它们来判别母岩特性。
在综合图中，可以看出渤海湾盆地沉积岩中有相当数量样品的Gd/Yb值大于2.0（图6-14），说明母岩为古老的太古宙地层。并且Gd含量及Gdn/Ybn比值有随时间迁移的特征。在东北区，样品的Gdn/Ybn值基本都大于2.0，Gd含量及Gdn/Ybn、Sm/Nd比值随地层时代的不同变化不明显（NE区，图6-15）。说明在东北区的辽河凹陷内，太古宙地层是其主要源区，并且随时间的迁移，本区物源的变化不大。在盆地的NW、MNE及S区，Gd含量及Gdn/Ybn、Sm/Nd的比值随着地层时代的变新，母岩区的年龄则逐渐变老，反映了物源区逐层剥蚀的特点。在MS区的沙河街期，沉积物的母岩区也同样具有这样的特点，但到了东营期，物源区的变化情况恰恰相反，随着时代的变新，母岩区的年龄也随着变小，说明东营期沉积时在盆地的MS区有新的物源区物质注入，其时代比原来的源区要年轻；而在盆地的西部地区（S区），出现另一种情况，随着地层时代变新，物源区的年龄也在变新，表明在盆地演化过程中，盆地西部地区一直有新的年轻源区物质注入（图6-16中MNE、NW、MS、S、W区）。

图6-14 渤海湾盆地泥岩Gdn/Ybn与Gdn及Sm/Nd 比值


图6-15 渤海湾盆地NE区泥岩Gdn/Ybn与Gdn及Sm/Nd比值

（四）盆地的物源变化格局
渤海湾盆地是发育在大陆边缘附近的沉积盆地，由于断裂的切割控制作用，造成了一系列次级凹陷，这些次级凹陷在横向上连通性较差，各自以自己附近的隆起区为主要物源区，沉积物的搬运主要以短流径的河流为主。到东营期盆地的连通性得到改善，开始出现较大规模的河流。湖泊在纵向上随着时间的迁移，其沉积环境也发生着改变，但是没有大的环境突变事件发生。

图6-16 渤海湾盆地MNE、NW、MS、S及W区泥岩Gdn/Ybn及Sm/Nd 比值变化示意图

沉积物的物源类型具有随着时间发生改变的特性。在盆地东侧的胶辽隆起区，其物源区母岩的时代随着剥蚀的进行而逐渐变老，说明该隆起区在隆升以后即基本保持稳定，没有大的构造活动发生。而在盆地北侧的燕山褶皱带，由于长期的隆起剥蚀，老地层大量出露，为渤海湾盆地北部提供了大量的太古代母岩的沉积物，这种情况在盆地发育过程中一直保持较稳定的状态。需要指出的是，在盆地的西部沉积物的母岩时代由随着时间变新的现象，说明盆地西侧在盆地演化过程中一直不断隆升，造成新的源区物质的加入，并且搬运沉积物的水体规模也在逐渐增大，到东营期，其搬运的沉积物已经影响到渤南地区（图6-17）。

图6-17 渤海湾盆地沉积物源搬运方向示意图

沉积相分析结果表明，渤海湾盆地内主要发育有两个较大规模的三角洲砂体，一个位于辽河坳陷，顺盆地轴部向渤中方向推进，另一个则位于埕北-沙南凹陷。其他地区主要沿盆地边界发育一些小规模的扇三角洲等砂体。这与本研究的结果十分吻合。在辽河坳陷内的三角洲沉积，由于其母岩主要是燕山褶皱带的古老岩石，并在盆地演化过程中变化不大，故表现在地化成分上没有大的迁移现象。而在盆地西部的埕北-沙南地区，由于河流规模逐渐由小变大，其所形成的三角洲沉积也由沙河街期主要在埕北-沙南凹陷推进到东营期的黄河口-渤南地区，造成该地区母岩时代变新的现象。
从常量元素分布可以看出，渤海湾盆地各次级单元在演化过程中相对独立，相互之间有一定的封闭性。但在时间演化上则有一定的继承性及渐变性，没有环境突变事件发生。
从稀土元素分布看，沉积岩母岩物质来自上地壳内，但本区重稀土元素含量要比澳大利亚后太古宙平均页岩值略低，说明母岩岩性应比澳大利亚后太古宙页岩更偏酸性，为花岗岩类或沉积岩类等的侵入或变质岩。相当数量的样品Gdn/Ybn之值大于2.0，故太古宙古老地层在物源区起重要作用。
根据判别分析，盆地各地区沉积岩物源区相对独立，并且这种独立性随时间保持不变，说明在盆地的形成演化过程中，渤海湾盆地以多物源为特征。各地区（东北区包括辽东、辽中、辽西凹陷；东区为渤中凹陷东部；中南区为渤中凹陷南部以及黄河口凹陷；南区为莱州湾；西区为渤中凹陷以西的沙南-南堡凹陷，西北区为秦南凹陷）以自己周边地区的剥蚀区为主要物源区。
在东区及中南、南区的源区地层有随时间由新变老的趋势；东北区的源区地层随时间变化不明显，而西区则恰恰相反，源区地层随时间由老变新，说明在盆地演化中东北区、西区有新的源区注入。
按地球化学构造位置判别图式分析，渤海盆地所有样品主要落入活动大陆边缘范围内，少量为大陆岛弧区。
渤中凹陷的沙河街组及东营组下部应具有良好的生油条件。辽河坳陷内的三角洲砂体由于其母岩以太古宙花岗片麻岩、麻粒岩等为主，所形成的粗碎屑岩容易具有良好的物性而成为油气的最佳储集层。

石油勘探揭示的地层岩性及地震剖面上的层序结构显示,渤海湾盆地的新生界自下而上可以划分为孔店组、沙河街组、东营组、馆陶组、明化镇组以及第四系等地层单位(表2-11)。其中孔店组、沙河街组、东营组为古近系,主要充填在凹陷中,且厚度和岩性在很大程度上受同生正断层控制,属于裂陷盆地沉积层序;馆陶组、明化镇组为新近系,与第四系一起呈毯状覆盖整个盆地,属于后裂陷期的坳陷盆地沉积层序。

表2-11 渤海湾新生代盆地地层层序及构造演化简表

1.孔店组(Ek)

孔店组的下部是一套玄武岩,中部为湖相暗色泥岩,夹砂岩、炭质泥岩和油页岩,上部是棕红色砂岩与紫红色泥岩不等厚互层,顶部常常发育膏泥岩和薄层石膏。厚0~4000m。

2.沙河街组(sE)

沙河街组自上而下分为沙河街组一段、沙河街组二段、沙河街组三段、沙河街组四段。沙河街组四段是一套灰、灰绿色泥岩、砂岩及粉砂岩夹少量薄层石灰岩和油页岩,厚0~324m(李晓清等,2003)。沙河街组三段沉积时期开始大规模湖侵,沉积一套深灰色泥岩夹灰白色、浅灰色砂砾岩,以暗色泥岩发育为特征,厚0~3000m。沙河街组二段范围明显变小,沉积水体变浅,为陆屑白云岩和白云岩互层,含生物碎屑丰富。沙河街组一段由深灰色泥岩,黄褐色、灰褐色油页岩、钙质泥岩,泥灰岩,白云质灰岩,生物碎屑灰岩组成,层薄分布稳定。沙河街组二段、一段合计厚度0~1800m。渐新统东营组的下部为大套灰、深灰、灰褐色泥岩夹少量薄层砂岩和泥质砂岩,上部为灰白色砂岩、含砾砂岩与灰绿色、部分紫红和棕红色泥岩互层构成的粗碎屑岩,厚0~3000m。

3.东营组(Ed)

东营组下段以湖相泥岩沉积为主,为富含生物化石的灰绿色、灰色泥岩,夹砂岩,上段沉积时湖水大规模退缩,地形更趋平缓,形成以河流相为主的沉积,为棕红色泥岩与砂岩互层,夹含砂砾岩,厚100~800m。

4.馆陶组(Ng)

馆陶组主要为一套棕黄色、灰白色中、粗砂岩、砂砾岩,夹棕黄色、红色泥岩,厚300~900m,与前中新统呈区域不整合接触。

5.明化镇组(Ng)

明化镇组为一套黄色、棕黄色细粉砂岩、砂岩以及棕黄色泥岩,厚600~1000m。

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