随着非常规油气逐步成为重要勘探领域,页岩日益受到重视,但目前主要是依据其无机物质反映出来的物理特征,即利用岩性、 测井或地震等资料^{[1, 2]},恢复沉积环境、 研究油气成藏等,而较少考虑页岩沉积时及成岩过程中的生物作用。生物是页岩的主要组成部分,是沉积和成岩的重要参与者。

页岩形成因素比较复杂,包括气候、 水深、 盐度、 湖流、 入注水流、 生物和生物化学作用等多个方面^{[3, 4]}。对同一湖泊页岩的成因也存在争议,如开发程度高、 研究学者多的北美绿河页岩,一种观点认为是深水、 较淡时形成的^[5],也有人认为是形成于大型干盐湖体系内的浅水但缺氧分层、 半咸水-咸水的碱性湖泊中^[6],或者是有一定盐度和深度、 开阔的湖泊生物化学成因^[7]。目前,湖水分层可能更利于形成页岩已得到很多专家学者认可^{[8, 9, 10]}。但笔者认为,无论是何种因素,页岩形成至少有两个必要条件,一是沉积环境有韵律地变化,二是沉积后不能遭受破坏(包括水流、 生物的扰动等)^{[11, 12]}。气候周期性变化就成为纹层形成的最广泛的控制因素^{[12, 13, 14]},或者是最重要因素之一。孢粉的母体植物对气候较为敏感,气候直接影响页岩的形成,因此,孢粉与页岩存在一定关联。

济阳坳陷位于渤海湾盆地东南部( 图1),东邻郯庐断裂,西北以大型基岩断裂与埕宁隆起相接,南邻鲁西隆起区,面积约为26000km²,是在华北地台基底上发育的中生代、 新生代断陷-坳陷叠合盆地^[15]。

图 1(Fig.1)

图 1 研究区构造位置图 Fig.1 Sketch map showing the tectonic location of the Jiyang Depression

济阳坳陷古近系从下至上划分为3个组,分别为古新统-始新统的孔店组、 始新统-渐新统的沙河街组和渐新统的东营组。沙河街组自下而上进一步划分为四段(始新统,包括下亚段和上亚段,分别简称为沙四下Es₄^l和沙四上Es₄^u)、 三段(始新统,包括下亚段、 中亚段和上亚段,分别简称为沙三下Es₃^l、 沙三中Es₃^m和沙三上Es₃^u)、 二段(始新统-渐新统,简称为沙二段Es₂)和一段(渐新统,简称为沙一段Es₁)。根据钻井资料揭示,济阳坳陷古近系页岩层发育于沙四上、 沙三下和沙一段^[16]。

沙四上页岩主要分布在东营凹陷和沾化凹陷^[16],为咸水-半咸水湖相沉积,岩性以灰褐色钙质纹层泥页岩为主,厚度为250～300m； 沙三下泥页岩全区分布,为微咸水湖相沉积,岩性主要为油页岩、 钙质泥岩和灰色泥岩； 沙一段泥页岩全区分布,为咸水-半咸水湖相沉积,岩性为白云岩、 泥质白云岩、 油页岩、 钙质泥岩和暗色泥岩互层。

在济阳坳陷50余年勘探开发历程中,积累了大量孢粉化石资料,系统建立了古近纪孢粉组合^{[17, 18]},本文研究以已有数据和结论为基础,并对新钻探井LUO 69井页岩进行了系统的孢粉分析。

LUO 69井是胜利油田在沾化凹陷钻探的一口针对页岩的重点探井,于2911 . 00～3140 . 75m连续取芯,进尺229 . 75m,芯长221 . 36m。在2930 . 00～3140 . 75m沙三下页岩段,笔者以约每米2个的密度采集了孢粉样品,共计411个,按照常规孢粉分析流程进行处理,每个试样至少鉴定4个盖片。在197个试样中见到孢粉化石,但总体丰度不高(只有5个试样孢粉化石粒数达到65粒以上,可以计算百分含量),共26科42属。无论是类型还是含量,亚热带份子都居首位,山毛榉科的Quercoidites (平均含量24.64 ％ )占优势,杉科的Taxodiaceaepollenites (17 . 72 ％ )次之,温带类型植物花粉主要有榆科的榆粉属Ulmipollenites(18 . 12 ％ )、 胡桃科的Momipites(4 . 72 ％ )及松科的Abietineaepollenites(3 . 72 ％ )和Pinuspolleni(3 . 00 ％ )等,旱生植物花粉Ephedripites(4 . 36 ％ )较少出现。

LUO 69井有机碳数据为胜利油田地质科学研究院石油地质中心测定,以大概每米1个的间距,共计232个数据。

前已述及,气候季节性变化是页岩纹层形成的主要因素,但并不是所有具备气候季节性变化的都能形成纹层,需要有特定气候。

依据孢粉化石、 微量元素、 岩性、 电性或地球化学、 有机元素等特征,很多学者都对济阳坳陷古近纪的气候变化特征进行过系统研究^{[17, 18, 19, 20, 21, 22, 23]}。由于受成岩作用、 多物源等因素影响,岩石物性变化较为复杂,而孢粉沉积的稳定性不受成岩作用影响,可以相对准确、 相对系统恢复出济阳坳陷古近纪的气候变化。植物对气候的敏感性决定了不同气候带会生长不同植物群,因此,利用地层中植物体产生的孢粉组合特征恢复古气候以及环境,是目前最为直接和相对准确的方法,并被广泛应用^{[24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33]}。利用孢粉研究古气候,主要是根据其母体植物的生长环境,来恢复当时的气候特征。尽管沉积物中的孢粉化石多为异地沉积,但它们的母体植物一般分布于沉积区附近,其气候特征与沉积区应该一致。

济阳坳陷古近纪沙河街组沉积时期,亚热带植物有相当多含量^{[17, 18, 19, 20, 21]},特别是中、 后期,以Quercoidites最多,Quercoidites是山毛榉科分子,与现生Quercus和Catanopsis的花粉相似,这种植物多分布于亚热带,因此,整个沙河街组沉积时期,本区属于亚热带无疑^[21]。至于是南亚热带、 中亚热带还是北亚热带,根据现有孢粉资料、 植被恢复方法、 热带划分原则等均是很难具体确定的。

亚热带区,不但季节性变化明显,水体藻类也容易勃发,沉积后会形成大量有机质,这也是页岩组成的最重要物质基础^{[34, 35, 36, 37]}。从这个角度来说,沙河街组沉积时期的气候有利于页岩形成。

笔者在对济阳坳陷古近系沙河街组已有孢粉资料重新整理的基础上,修订了古气候特征( 图2)^{[20, 21]},可以发现,页岩发育层段均处在气候由干旱向潮湿转变的转换期,这反映了济阳坳陷古近系页岩形成时湖水分层是受温度和盐度双重控制； 而盐度也与气候有关^{[38, 39]}。干旱时期,盐度较高,容易形成盐湖,但不利于藻类繁育,一般难以形成页岩,气候持续潮湿,降水量或入湖水量持续增加,水体变淡,尽管藻类丰富,但水体变淡,不利于湖水分层,一般也难以形成页岩。只有在气候由干旱向潮湿转变的转换期,藻类开始大量发育,湖水仍具一定盐度,多分层,利于页岩形成^{[34, 35, 36]}。

图 2(Fig.2)

图 2 济阳坳陷沙河街组古气候变化曲线与页岩发育 Fig.2 The variation curve of climate and shale distribution in Shahejie Formation of Jiyang Depression

济阳坳陷沙四下沉积时期,孢粉属种较为单调,干旱型植物孢粉Ephedripites含量较高,此时,气候特别干旱,湖泊范围较小,藻类不发育,湖水盐度较高^[40]； 进入沙四上沉积时期,Ephedripites仍有一定含量,Taxodiaceaepollenites、 Quercoidites等逐渐增多,气候开始向潮湿转变,但早期,气候延续了一定程度干旱,济阳坳陷局部沉积了泥岩夹膏盐,沙四上沉积后期,Ephedripites含量进一步降低,潮湿性孢粉类型发育,说明气候逐渐潮湿,藻类开始繁盛,导致页岩发育,这种情况一直延续到沙三下沉积时期^[41],整个湖盆范围持续扩大,但水体仍有一定盐度,湖水分层较为明显。沙四上页岩的钙质层在局部发育颗石藻化石^[42],沙三下颗石藻较少。

进入沙三中沉积时期,Quercoidites含量进一步增加,达到了沙河街组沉积时的高峰,Ephedripites含量极低,此时气候更加湿润,湖盆范围开始增大,水体变淡,分层不明显,同时,陆源输入增加,湖水动荡,这些因素都不利于页岩形成,而块状泥岩发育范围扩大,厚度增加。潮湿气候持续到沙二段沉积早期。

沙二段沉积后期,Ephedripites出现一个含量小高峰,表明气候又开始干旱,但这次干旱程度低,持续时间短,湖盆范围收缩较小,Ephedripites高含量分布只在部分钻孔出现,说明其只在湖盆周围水上斜坡有所发育。短暂干旱后,进入沙一段,气候由干旱开始逐渐转为潮湿,Quercoidites仍占据孢粉中的优势地位,又进入页岩发育期,此阶段最大特点是颗石藻发育,页岩的碳酸盐岩层基本上都是由颗石藻组成^{[42, 43]}。东营组沉积开始,气候继续潮湿,榆科分子的含量已明显多于Quercoidites,气温变凉,页岩不再发育。

同理,在气候由潮湿转向干旱时,有机质仍发育且盐度增大,水体产生分层,也应该发育页岩。但对于济阳坳陷来说,气候由潮湿向干旱转换时期的沙二段沉积早期,由于构造活动,湖盆变小^[15],水体动荡,不利于页岩形成,只在局部沉积了少量页岩。也有学者认为,气候由干旱转为潮湿后,水体一般成碱性,易促使藻类发育,而从潮湿开始转为干旱时,水体中SiO₂含量增多,表现为酸性,多抑制藻类发育^[44]。很多盆地的页岩形成都是受气候和盐度的双重控制,多在由干旱气候变为潮湿气候的初期,如同处渤海湾盆地的黄骅坳陷孔店组二段页岩^[45]和沙河街组页岩^[46]、 冀中坳陷^[47]和辽河坳陷古近系页岩^[48],以及广东茂名盆地古近系油页岩^[49]、 松辽盆地中生界油页岩^[44]和桦甸盆地古近系页岩^[50]等,与济阳坳陷古近系页岩形成具有相似的气候条件。

多数植物产生的花粉大部分都沉降在离母体植物较近的地方^[51]。湖泊中孢粉大多为陆源输入,沉积动力受控因素较多^{[52, 53, 54]}。但孢粉入湖途径基本以水流和风力搬运为主,对于干旱、 半干旱区,降水少,多以风力搬运为主^{[55, 56, 57, 58, 59]},而湿润区,则以地表径流或河流带入为主^{[60, 61, 62, 63, 64]}。孢粉进入湖泊后,其沉积受水动力影响,面积较小的湖盆,由浅水区向深水区,水动力逐渐减弱,越来越有利于孢粉沉淀^[65]； 而对于湖盆面积较大,降水量较多的湖泊,其孢粉浓度向湖盆中央是趋低的^[66],济阳坳陷即如此^[67]。

济阳坳陷沙河街组中孢粉主要为松科、 杉科、 Ephedripites、 Quercoidites、 榆科和桦科等陆生植物花粉,特别是Quercoidites和榆科含量较高^{[17, 18, 19]},因此,孢粉丰富的地方,湖水相对动荡,限制了页岩发育,但同时,陆源物质的输入,又会带来大量营养物质,引起湖泊中藻类勃发,有利于参与页岩的形成^{[40, 41, 42, 43]},因此,页岩发育的有利位置应为河流水动力影响较弱的两侧、 末端至深湖区域。

实际情况亦是如此。孢粉在湖泊中的丰富程度趋势可以用孢粉相对密度大概表示(每个盖片中的孢粉个数)^[67]。浅水沉积区、 深水近岸区是孢粉较富集区,孢粉相对密度有从湖盆边缘向中央逐渐降低的趋势,这与孢粉的母体植物生长于湖岸边是相符的,距离母体植物越远,孢粉相对密度越低,反之则较高。根据页岩钻孔样品系统分析,济阳坳陷沙四上和沙三下页岩中有机质丰度高,有机质类型以腐泥型为主^[68],但孢粉化石却很贫乏,大部分样品未分离出孢粉化石。从LUO 69井孢粉相对密度与有机碳含量分布图可以看出( 图3),孢粉相对密度与有机碳有呈负相关的趋势。

图 3(Fig.3)

图 3 LUO 69井沙三下孢粉相对密度和有机碳变化曲线 Fig.3 The variation curve of spore-pollen relative density and organic carbon in Esl3 of Well LUO 69

区域上,以东营凹陷沙四上和沙三下为例。笔者按照孢粉相对密度的计算方法^[67],针对东营凹陷沙四上和沙三下已有孢粉数据,进行了相关处理,为了尽可能减小偶然性,对于某个层位,每口井至少有5个样品数据才为有效数据,取其平均值。东营凹陷沙四上共有52个有效数据,沙三下共有35个有效数据。目前钻探页岩井大都分布在孢粉相对密度较小的地区,且紧邻高值区,据此可确定页岩发育有利区域为孢粉相对密度较高的两侧或前方至深湖区( 图4和 图5),与目前的勘探部署一致^[69]。

图 4(Fig.4)

图 4 济阳坳陷东营凹陷沙三下孢粉相对密度与有利页岩发育区 Fig.4 Distributions of the spore-pollen relative density and the dominant regions of shale developed in the Esl3 in Dongying Sag of Jiyang Depression

图 5(Fig.5)

图 5 济阳坳陷东营凹陷沙四上孢粉相对密度与有利页岩发育区 Fig.5 Distributions of the spore-pollen relative density and the dominant regions of shale developed in the Esu4 in Dongying Sag of Jiyang Depression

孢粉对页岩形成具有很好的响应特征:

(1)根据孢粉组合特征,济阳坳陷沙河街组沉积时期的气候应为亚热带型,是页岩形成的优势气候,由干旱向潮湿转换时期,是页岩发育的最有利时期。

(2)根据湖泊中孢粉多为陆源输入的特点,利用孢粉相对密度可以确定湖泊大概的主物源通道,页岩发育有利区域是孢粉相对密度较高的两侧、 前方至深湖区。