新生界地层层序及沉积特征

Answer 1

层序地层学主要研究由不整合面及其可与之对比的界面所限定的沉积地层的时空分布,及其与构造运动、海平面变化和沉积物补给的关系。由于研究区地层在新生界为复杂的构造背景下的陆相沉积,具有陆相断陷湖盆沉积的基本特点,即远离海岸,大地构造运动成为控制沉积的主导因素,区域构造条件是控制沉积盆地发育、沉积相展布和生、储、盖组合的首要的基本的要素。它影响地形高低、扰乱气侯的纬向分布、控制物源方向,成为控制层序地层形成的主导因素,各级构造层序及沉积体系域的特征主要受构造运动的影响,构造沉降占绝对优势,相对湖平面的变化周期取决于构造运动的幕式周期,而湖平面的相对变化是控制陆相地层层序的关键因素。

表2-15 沉积相的垂向序列组合类型

1.层序级别、类型及层序边界的识别标志

在经典的海相层序地层学中,通过对地层形成的四个要素——构造沉降、全球海平面升降、气侯、沉积物供应的综合分析,得出相对海平面(或基准面)的变化直接控制了层序的形成与发育。而在陆相断陷湖盆中,相对湖平面升降控制着湖泊沉积层序发育;长周期的湖平面变化主要受大地构造运动的控制,形成高级别的层序;短周期的相对湖平面升降是由于局部构造的沉陷或抬升与气侯变化共同导致的,形成低级别的层序;更短周期的相对湖平面升降主要是由气侯变化所造成的,形成更低级别的高频层序。

在层序地层学中,层序定义为以不整合面或与不整合面相对应的整合面为界的一套相对整合的、成因上相互关联的地层序列。识别层序的关键是识别不整合面及不整合面的级别,不同级次的不整合面对应着不同级次的层序界面。一级层序对应的不整合面面积超过盆地或占据盆地大部分区域,它反应了大地构造运动对相对湖平面的变化的影响;二级层序对应的不整合面分布在盆地边缘;三级层序对应的不整合面仅分布于局部地区。

一般说来,三级以上层序界面可以从地震剖面上识别,四级或更高级次的层序界面需借助于测井曲线及观察岩心来分析。在地震剖面上,不整合面之上的地震反射终止类型为上超、下超;不整合面之下,地震反射终止类型为顶超、削截。盆地边缘区域不整合面很多,即存在很多层序界面,但在常规地震剖面上,仅能识别出几个明显的层序界面。更多的层序需要借助于测井曲线分析。在不整合面处,自然电位曲线基线明显偏移,自然伽马测井有若干明显的峰值,视电阻率值突增或突减。

在层序界面附近,出现反映沉积间断特征的岩性组合,如反映地表暴露的土壤或根土层,特别在盆地边缘,岩性组合表现为明显的差异性,垂向相分析中会发现上下相序不连续,不符合沃尔特相律,穿过此界面沉积相带向盆地移动显著,反映湖平面快速下降。界面上下古生物组合具有明显的变化,甚至在局部地区存在化石带的缺失。地球化学方面的资料也可以帮助识别层序界面,层序边界暴露于大气期间,下伏地层地层遭受风化作用和表生成岩作用,导致接近层序界面的地层中氧化矿物——褐铁矿含量有增加的趋势。

2.层序发育特征及控制因素

由于伸展断陷作用的脉动性,郯庐断裂带及两侧新生代断陷沉积建造有三大旋回:第一个旋回为古新世—中始新世孔店组至沙四段沉积;第二旋回为晚始新世—下渐新世的沙三段至沙二段沉积;第三旋回为渐新世的沙一段至东营组沉积。三个沉积旋回与三个断裂活动旋回相对应。渤中及其附近地区断裂活动在坳陷期还很发育。如果以渤中地区为中心,渤海湾盆地的发育具有从外围向中心迁移的特点。渤海湾盆地由晚白垩世至古近纪断陷盆地群与新近纪至第四纪坳陷盆地构成双层结构,二者之间为区域性不整合面。新近系和第四系为坳陷构造层,构造比较简单,除渤海湾及附近地区断裂及其与之有关的构造较发育外,地层总体为简单的向盆地中心下凹或近水平状态。古近系断陷构造层为一套含生油岩的湖相沉积,分割性强,每个凹陷为一个沉积和沉降中心,每个坳陷都是一个独立或半独立的湖盆体系。断陷主要沿北北东、北东和近东西向两组断层发育,形成长条形单断半地堑和双断地堑。本次重点以济阳坳陷、苏北盆地为代表研究新生界层序发育特征。

(1)济阳坳陷

通过研究,将济阳坳陷新生界划分为3个一级构造层序(古近系、新近系及第四系),7个二级层序组(孔店组、沙四段、沙三段—沙二下、沙二上—东营组、馆陶组、明化镇组、平原组),17个三级层序(图2-1)。具体特征如下。

图2-1 济阳坳陷层序结构示意图

1)古近系层序。包括Ss₁—Ss₄层序组。

Ss₁层序组(孔店组)超覆于中生界构造层序之上,为裂陷初期阶段的沉积物,表现为:伸展断层的初次活动在地壳表面形成断陷,由于重力驱动作用,碎屑沉积物在断陷中沉积。在这个阶段,盆地处于地表物源供应较充足的充填状态,形成以近岸充填体系为主,由河流和冲积扇组成的沉积体系。可分为 三个三级层序。

Ss₂层序组(沙四段)超覆于Ss₁层序组之上,与上覆Ss₃层序组局部是角度不整合。表现为多组(北东、北东东、东西、北西西)断裂的形成和老断层的消亡和转换。此层序组可细分为 两个三级层序。

Ss₃层序组(沙三段—沙二下)与下伏Ss₂层序组成局部角度不整合,与上伏Sq₄层序组应为角度不整合,因为沙二段地层薄,产状近于平行,从地层剖面上难以识别。该层序组是拉分盆地湖盆持续稳定发展到萎缩的一个完整阶段。对于济阳坳陷新生代断陷湖盆来说,该层序组属于湖盆发育初期旋回产物,此时边界断层活动强烈,湖盆地形高差大,气侯由干旱向湿润转化,物源区物理、化学风化作用强烈,水系丰富,为湖盆的沉积提供丰富物源,从而在层序发育期形成巨厚的沉积,其后,构造运动相对减弱,气侯向干旱过渡,由深、半深湖相过渡为河流、三角洲相为主。此层序组可细分为 三个三级层序。 为湖盆扩展期, 层序以大段油页岩发育为特征,在地震、地层对比上是全坳陷稳定的标准层。最大厚度400m,具有多个沉积沉降中心。 为最大湖盆期, 层序以河流—三角洲或扇三角洲的沉积为主,以灰色、深灰色巨厚泥岩为主,夹有多组以浊积砂岩或薄层碳酸盐岩,最大厚度600m。 层序以灰色、深灰色泥岩与粉砂岩互层,夹钙质砂岩、油页岩及薄层灰质页岩、砂砾岩的反旋回为主,最大厚度500m; 坳陷大面积未接受湖相沉积,以河流沉积为主,湖相局限于很小的范围,以绿色、灰色泥岩与砂岩、含砾砂岩互层,夹碳质泥岩,分布不稳定,多出现在各凹陷中部,面积较小,凹陷边部往往缺失。最大厚度为400m,至此湖泊消亡。

Ss₄层序组(沙二上—东营组)与下伏Ss₃层序组呈角度不整合,与上伏Ss₅层序组为区域性角度不整合(MSB2构造层序界面)。该层序组完成拉分盆地新一轮湖泊形成、发展到消亡的过程。东营组—沙二上期湖盆仍然以伸展构造运动为主,但相对上一个层序组凹陷其边界断层活动强度及基底掀斜翘倾作用程度降低,因而此时地形高差较Ss₃层序组要小,使得供给盆地的物源丰度减小,在湖泊边部发育有各类小型三角洲,具体可细分为 二个三级层序。

2)新近系层序。

分为Ss₅(馆陶组)及Ss₆(明化镇组)两个层序组,与下伏地层为区域角度不整合,表明济阳盆地进入整体坳陷期,为统一的渤海湾盆地的一部分,年轻的坳陷型松散沉积平铺于古近纪的垒堑结构之上,显示出大型沉积平原地貌。大型披覆背斜是该构造层的特色之一,一般情况下,凹陷内正向构造为馆陶组披覆,凸起被馆陶组、明化镇组披覆,而隆起区为明化镇组和平原组披覆,反映了各个级别的构造单元随时间的推移逐渐为后期沉积层掩埋,同时也说明沉积补偿速度远远大于沉降速度,区域沉降代替差异沉降。

(2)苏北盆地

苏北盆地为苏北-南黄海中、新生界陆相沉积盆地的陆上部分,西北紧邻郯庐断裂带及鲁苏隆起,南接苏南隆起,东至黄海海岸。从晚燕山始,下扬子区受太平洋板块和欧亚板块的作用,成为环西太平洋活动大陆板块边缘的组成部分。苏北盆地开始了拉张发育的历史,也开始了其以新生代为主的新生代构造层的发育史。

苏北盆地自泰州组沉积以来,苏北盆地经历了三次较大的构造运动,受其控制形成多旋回的沉积演化史。晚白垩世晚期发生的仪征运动使赤山组、浦口组遭受剥蚀,此时控盆断裂开始活动,伴随着基性火山岩的喷发;仪征运动后凹陷进入强烈拉张快速沉降期,沉积了以湖相为主的包含巨厚暗色泥岩为特征的泰州组和阜宁组,形成由泰一段—泰二段、阜一段—阜二段和阜三段—阜四段构成的三个正旋回。古新世末发生的吴堡事件是以抬升、剥蚀为主的块断差异活动,它强化了前期构造格架,使盆地内阜宁组,特别是斜坡上的阜四段遭受强烈的剥蚀。戴南组下段是隆升后的充填沉积,其上段为水进沉积,范围渐广。三垛组沉积期,沉积范围更加广阔,发育一套分布广泛,厚度稳定的河流相沉积。

始新世末发生三垛事件为强烈抬升运动,造成盆地长时间的间断与沉积缺失(缺失渐新统),同时盆地由断陷期进入坳陷期。其后沉积了巨厚的中新统盐城组—第四系东台组的河流相砂砾岩沉积,并结束了沉积凹陷的发展。

构造层划分的主要依据是构造不整合界面,该界面具有明显的构造剥蚀现象,同时在区域范围内普遍存在,可以作区域性等时地层格架对比,同一构造内的地层应具有相同或相似的变质、变形和沉积史,基于这样一个原则,将苏北盆地自晚白垩世以来的地层划分为四个构造层。

第一构造层(K₂p—K₂t):为坳陷-断陷沉积,该套地层岩性纵向、横向变化较大,成分也因地而异,颜色下深上浅,表现出下粗上细交替的韵律结构。该层系主要形成于仪征运动之前。

第二构造层(E₁f):盐城凹陷进入强烈拉张快速沉降阶段,沉积了以湖相为主的巨厚暗色泥岩为特征的阜宁组地层,该套地层与上、下地层呈不整合接触。该层系主要形成于吴堡运动期。

第三构造层(E₂d—E₂s):三垛组、戴南组地层主要为充填式断陷沉积地层,与上、下地层呈不整合接触。该层系主要形成于三垛运动期。

第四构造层(Ny—Qd):该构造层为三垛运动后凹陷内沉积的一套以河流相沙砾岩沉积为主的地层。该层系主要形成于三垛运动后的黄海运动和东台运动期。

因此,在苏北盆地划分3个一级构造层序(古近系和新近系及第四系),6个二级层序组(阜宁组、戴南组、三垛组、上盐城组、下盐城组、东台组),11个三级层序(图2-2)。

图2-2 苏北盆地层序结构示意图

3.新生代层序沉积特征

(1)沉积相类型

通过对郯庐断裂带沿线地区数十口钻井的岩性、电性特征和取心井段岩芯沉积结构、构造、微相分析,结合地震剖面的地震相分析,对本区主要勘探目的层的沉积相进行了较深入地分析研究。在古近系可划分出湖泊、三角洲、扇三角洲、水下扇、河流及冲积扇6种主要的沉积相类型和若干种亚相及微相(表2-16)。

(2)沉积相发育及演化

郯庐断裂带沿线地区古近系以陆相断陷盆地陆源碎屑沉积为主。主要由大小不等的内陆断陷盆地组成,渤海湾盆地区古近系十分发育,沉积厚度可达4000~5000m,是我国古近系研究程度最高的地区之一。

表2-16 郯庐断裂带两侧古近系沉积相类型划分表

在古近系沉积时期由于断陷作用,使渤海湾、苏北等盆地区强烈下降,而周围剥蚀区地势低平,有时通过一定途径与海水发生多次短暂的连通,内陆盆地遭受海泛。造成现在所见陆相地层中包含一些“海相”标志(生物、岩石等),但不是典型的海相地层夹层。其中海生生物化石属种单调,与淡水生物化石共生,主要代表一种半咸水的生物群。此类盆地以渤海湾盆地最为典型。盆地内被断裂分割成多个隆起与断陷。在断陷地区下降接受沉积的同时,隆起地区上升剥蚀,成为物源区。由于断裂活动往往形成陡岸而发育水下扇、扇三角洲及湖泊相沉积,并发育特殊的内陆盆地中的深水浊积岩及水下重力流沉积。

1)古新统。古新统沉积时期为古近纪断陷盆地发育初期,地层分布范围较为局限,主要分布在渤海湾、周口、苏北等断陷盆地内,分布范围一般都不大,沉积厚度多数小于1000m。在东部地区苏北盆地古新统最为发育,分布范围广,沉积厚度大,最大可达2000m以上。该时期苏北盆地泰州组以湖泊—三角洲相沉积为主,其余地区则主要发育冲积扇、辫状河及湖泊—沼泽相的红色、杂色碎屑岩沉积。

2)始新统。从地层的分布来看,始新统主要分布于渤海湾、周口、南襄、合肥及苏北等盆地。渤海湾盆地始新统相对于古新统沉积时期来看湖盆水域扩大、水体加深。主要发育断陷深水湖泊(含滨浅湖、较深湖—深湖、水下扇、扇三角洲、水下重力流亚相沉积)、三角洲和河流、冲积扇相沉积。周口、南襄及合肥盆地主要发育河流冲积平原和浅水湖泊相。苏北盆地始新统沉积时期湖盆水域有所收缩,主要发育陆相断陷盆地湖泊—三角洲及河流—冲积扇相沉积。以滨浅湖、三角洲及河流相沉积为主,局部地区发育较深湖—深湖相沉积。岩性下部以棕、棕红色中、细砂岩、含砾砂岩、砂质泥岩、泥岩为主,上部发育浅褐、棕红、灰、灰黑色泥岩及灰色中细砂岩,局部地区发育泥膏岩、盐岩。

3)渐新统。渐新统和始新统相比沉积范围有所缩小,主要分布在渤海湾盆地和周口地区,而胶莱、合肥、苏北等盆地以及东南大部分地区均缺失该套地层。渐新统在渤海湾盆地发育沙二段上—东营组,周口坳陷发育上寺组,平邑—蒙阴盆地发育大汶口组二、三段,产介形类、轮藻、孢粉和腹足类等化石。

渐新统沉积时期本区最具代表的盆地为渤海湾盆地及周口坳陷,其主要沉积特征如下:渤海湾盆地渐新统下部(沙二段上亚段—沙一段)主要发育较深水湖泊相、(扇)三角洲相及河流相,盆地边缘局部地区发育冲积扇相。其岩性为灰、深灰、棕灰、棕红色泥岩夹灰色灰岩、泥灰岩、生物灰岩、黄褐色油页岩及灰白色石膏;东营组分布范围比核桃园组要小。主要发育于舞阳、襄城和谭庄凹陷。沉积了一套河流—三角洲相、滨浅湖相陆源碎屑岩。其岩性为棕红、深棕、灰色、杂色泥岩及浅棕、灰绿色砂岩,局部夹浅灰色灰岩、灰白色石膏及褐色油页岩;周口盆地廖庄组厚254~534m,其岩性为棕红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩,下部夹浅棕黄色泥质细砂岩,上部夹浅黄色砂砾岩。

总之,古近系以陆相断陷湖泊沉积为主,局部地区为海相沉积。该时期沉积相发育与演化在不同地区差别较大。渤海湾盆地沉积相发育与演化经历了湖盆初始形成期—湖盆扩张期—湖盆水退期—再次扩张期—湖盆萎缩期5个阶段,即古新统孔店期为湖盆初始形成期,该时期多为分隔孤立的小断陷,以发育冲积扇、河流及盐湖为主的充填式沉积,岩性以粗碎屑沉积为主;沙四—沙三段沉积时期为湖盆扩张期,断陷湖盆水域扩大,以较深湖-深湖暗色泥岩、膏盐岩及其相关沉积为主;沙二段沉积时期为湖盆水退期,以滨浅湖及河流冲积平原等较粗粒沉积为主,储层相对发育;沙一段下部沉积时期为湖盆再次扩张期,以发育较深湖-深湖相暗色泥岩及膏盐岩沉积为主;沙一段上部—东营组沉积时期为断陷湖盆萎缩期,该时期除少数地区还发育一些湖沼沉积外,以大面积的河流相沉积为主;苏北盆地沉积相发育与演化经历了湖盆初始形成期、湖盆扩张期和湖盆萎缩期三个阶段,即泰一段湖盆初始形成期,发育冲积扇、辫状河相沉积为主的盆地充填式粗碎屑沉积。泰二段—阜宁组的湖盆扩张期,总体表现为湖盆不断扩张,期间有泰二段、阜二段、阜四段沉积期三次湖侵及阜一段、阜三段两次次级湖退过程,以湖泊-三角洲沉积为主,是苏北盆地最重要的烃源岩发育期。始新统戴南组、三垛组为湖盆萎缩期,该时期总体上湖盆上升,沉积了一套河流、冲积扇相及浅水湖泊相的砾岩、砂岩与紫、棕色泥岩。

4)新近系。从新近系在郯庐断裂带两侧总的沉积特点来看,郯庐断裂带以东的苏北盆地以南地区以隆升、剥蚀为主,基本缺失该套地层或仅有零星分布,其余地区则大面积下降接受沉积。郯庐断裂以西的渤海湾盆地与豫皖盆地群连为一体。苏北盆地沉积范围扩大,地层分布范围广阔。该时期以发育内陆大型坳陷型沉积盆地为主。湖泊及河流冲积平原相是该时期主要的沉积类型。其岩性主要为灰绿、浅棕色含砂、钙质泥岩、砂岩和砂砾岩夹煤层。

渤海湾盆地新近系包括馆陶组和明化镇组,主要为河流冲积平原沉积,局部发育湖沼相。馆陶组一般厚200~558m,最厚逾1000m。其岩性为灰白、浅棕、杂色中、粗砂岩,灰绿、浅棕、棕红色粉细砂岩、泥岩、粉砂质泥岩不等厚互层,局部夹薄煤层;明化镇组以河流冲积平原相沉积为主,厚300~650m,最厚可达1400m。其岩性为灰绿、棕黄、棕红、紫红色泥岩、泥质粉砂岩与棕红、灰白色中细砂岩、含砾砂岩不等厚互层,局部夹炭质泥岩。底部常发育浅棕色砂砾岩。

苏北盆地新近系下盐城组厚136~721m,主要为河流冲积平原相沉积。其岩性为灰绿、浅棕色含砂、钙质泥岩、砂岩、砂砾岩;上盐城组厚70~888m,为灰黄色泥岩与粉细砂岩、砂砾岩频繁互层。岩性与下盐城组相比,普遍较粗,砂砾岩发育。主要为河流-冲积扇相沉积。