东营凹陷深部“红层” 地层划分方法探讨

东营凹陷深部“红层” 地层划分方法探讨 东营凹陷深部“红层” 地层划分方法探讨 第 卷第 期 !% " 地学前缘(中国地质大学，北京) J@K $ !% L@ $" - ’ 年 月 "%%# - ( ， ) /M7 $ "%%# 56789 :; ; ?7@ 8 7A B9 6 C D 7A 8E @F G @A; ; A 2 H I !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 东营凹陷深部“红层”地层划分方法探讨 ， ! " ! " # 张守鹏 ， 刘成东 ， 贺振建 ， 张洪茂 ( 中国地质大学 能源系，北京 ; !$ !%%%&# 胜利油田 地质科学研究院，山东 东营 ; 华北油 田 采油一厂，河北 任丘 ) " $ "’ %!’ # $ % "’%% 摘 要:运用岩石地层学“最优分割”数值计算方法，对由于缺少 古生物化石资料而长期难以进行地层 划分的山东东营凹陷下第三系沙河街组四段至中生界“红层”，进 行了岩石化学性质差异的最优分割 划分。结合有限的古生物化石资料和标准地层剖面的岩石学特征，将分割的层序进行了地层归属标 定，成功地将“红层”各个层属及亚层属划分出来，其科学性、合理性已为之后的勘探成果所证实，同时 在东营地区最深探井―――郝科 ! 井的地层划分中得到了运用。该方法为缺少古生物化石数据的“哑 地层”划分提供了一种新思路。 关键词:东营凹陷;红层;地层划分;方法 . 中图分类号: ; 文献标识码: 文章编号: ( ) *’#+ ," *’#- , ! ! / !%%’ "#"! "%%# %" %- ’ %’ 老第三纪至中生代形成的红色岩层(通常指“红 # %%% 4 - ’%% 3 深度范围之内。选择东营凹陷腹部 地带沉积间断面相对较少、按时代分布的纵向沉积地 层”)在全球范围内分布。红层中的许多金属、非金属 层相对较为连续的东风 井作为突破口，将近 矿产，如铜、锰、油气、石盐等广泛分布。由于红层中 ! &%% 3厚的红层进行定量岩石地层划分，并辅以生 古生物化石稀少，传统的生物地层划分难度很大。长 物地层和岩石相特征相印证的方法，获得了较好的分 期以来，红层的地层划分问题一直是值得深入研究的 层效果，从而为油气勘探工作的部署提供了重要参 世纪 年代末期国内召开的一次华 课题。根据"% &% 数。 南红层工作会议资料了解到，国外学者曾在 年代 % 以定量岩石地层学方法辅以生物地层和岩石相 至 年代期间，先后提出了野外分类法(??克拉克， &% 0 特征相印证的地层划分 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，是对东营凹陷红色地层 )、成因分类法(????克里宁， )、岩性、岩相分 !+ " * 1 !+-+ 系统划分的一种尝试，其合理性有待在勘探实践中进 类法( ????拉夫罗夫， )等。 2 2 !+&% 一步检验。该方法可为缺少古生物化石的岩石地层 渤海湾盆地下第三系沙河街组四段下部至中生 分层(或细划)提供借鉴。 以下，地震反射 界红色岩层埋藏深度主要在# %%% 3 特征不明显，钻井揭露程度低，古生物化石稀少，层属 ! 基本思路 划分在本区始终未有定论。长期以来，红层的划分对 〔 〕 ! 比问题制约了该地区深层油气勘探工作的进度 。 在一定沉积环境下和等时 间段内，沉积物的地球 多年来，曾试图利用磁性地层学、层序地层学、同位素 化学特征具有某些相似性或具有某些特有的、区别于 地层学和旋回地层学等新方法以求获得突破，但由于 其它沉积环境和其它时间段内沉积的标志。因此，根 钻井取芯不系统、地震及测井解释程度低、岩样风化 据沉积物的化学成分变化对地层剖面进行分层是合 程度高和沉积学参数提取难等因素，未能实现对红层 理的，同时能够克服取芯不连续的弊病而利用岩屑、 的有效划分对比。 岩芯的结合取样来满足某一地层剖面化学成分的系 东营凹陷红层分布范围广，厚度大，多埋藏于 统取值。 通常而言，针对某一连续的地层剖面，如果化学 收稿日期: ;修订日期: "%%" %+ "# "%%" !! "" 作者简介:张守鹏( ― )，男，博士研究生，高级工程师，主要从 !+ # 成分测试值所显现的规律性不明显，则很难依据该值 事地层、沉积与油气储层地质学研究。 直接进行层位划分。例如一套 连续沉积的泥岩地层 .-- 地学前缘 张守鹏，刘成东，贺振建，等 ( ) ， ( ) ’ A BC ;D+:,D: 9 E,B+: F ! " ! 剖面，岩性无明显变化，化学成分值也无一定的规律 # 用 ( ) 表示在第 个样品 ! % "’ # & " & $ ( ，) * * % 可寻，很难在整个剖面中寻找变量来系统取值。如果 个样品段中的平均值向量。 和第 将沉积物化学成分的系统测试值进行数学归纳统计， ! 为该样品数据段 设定" % # # # $ % & % ( ，) ( ，) 找出化学成分差异性最小的均质层段，再力求使段与 * * % " 段之间的差异性尽可能大，就能有效划分出代表不同 的直径，也称离差平方和，是样品数据之间差异程度 沉积环境、不同沉积间断面的地层界限，从而达到地 的一种表征。 层划分的目的。以沉积物化学成分为基础的地层最 假设某一种分法，各样品数据段的直径之和(各 优分割法就是基于这种思路而建立的。 段内离差平方总和) " 通过“最优”分割划分的地层，将地球化学特征存 (( ，)) ( ，，„，; + ! " % $" " % ! ! % ( ，) ! & " , # " , , % " 在差异的界限段标定出来，某一界限段内地层的归属 )为误差函数; 问题如果可以借助偶然发现的古生物化石确立，其它 所谓最优分割，就是在有序样品分成 段的所 * 界限段内的层位所属就能相应地确定，也可以通过岩 有可能的分割中，选取误差函数 为最小的分割，即 ! 石相特征与地层标志特征进行对比，从而实现正确划 ,(( ，)), ( )。 - % *+, + ! * " $ * "! ( ，) ! * ! 分地层的目的。 + 对于 个样品进行 不同段数的分割时，所设定 ! 的段数越多，误差函数 就越小。对一套具体的地层， ! 分层方法 如要划分大级别的层序，可以将段数设定的少一些， 如要划分一系列小级别的地层层序，则可以将段数设 对于某一个连续的地层剖面，从上至下或由顶到 定的多一些。总之，段与段之间是性质的差异，大的 底进行系统观测后采集岩石样品，测试各个岩石样品 层序界面在多段分割时同样能够体现出来，只是随着 化学元素多个变量的值，从而构成一个有序数列。这 分割段数的增加，该界面重复被分割的次数多一些。 些样品所代表的沉积物是在不同的时间间隔和不同 的沉积环境中形成的，反映在岩石化学成分上会有一 分层结论(以东营凹陷东风 井为例) - 定的、有时甚至是很大的差别。最优分割法就是利用 某种原则定量地确定这种差异，从而进行地层划分。 由于东营凹陷地质构造背景复杂，各个级次不一 该原则是:当有 个有序样品，要求分成 段，使得 ! " 的网状构造断裂系统贯穿全区，叠加交错，沉积间断 各段内样品之间的差异尽可能的小，而段与段之间的 频繁。因此，确定一个能够代表该区完整的沉积序列 差异则尽可能的大。 剖面是很困难的。通过相关钻井资料与地质资料的 〔 〕 ! :设有 个有序样品，每 其数值计算原理如下 ! 调查，最终确认东风 - 井是相对较具代表性的剖面， 个变量，则其数据矩阵为 个样品有 # 该井位于东营凹陷腹部，钻遇中生界的厚度相对较 ( „ ) $ % & " &! &! ’ 大，地层较为连续，钻屑样品系统取值较易实现。因 ? & "" & "! „& "# ? 此，利用东风 井连续钻屑取芯的化学元素测试值， ? ? - &!" &!! „&!# % ? ? 对该井实施了最优分 割。 ? ! ! ! ? 在获取了东风 ? ? - 井红层样品的化学元素系列测 ? &! " &!! „&!# ? 试值后，执行如下计算 步骤:( )列出有序样品的原始 " 对样品测试值组成的数据段进行分割:保持原有 数据矩阵;( )对原始 数据矩阵进行规范化变换;( ) ! 样品的顺序不变，将 ! 个样品分成拟定的计划数" 计算直径矩阵 ;( ) 当 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 分成 段时，求出段内 " . " 段，即在 ，，„， 之间插入 个分界点 ， ， " ! ! " # " " ! 最小离差平方和，确定 出(" # ")个分界点。该计算 „， ，使得 „ ，分为 段 " # " "" " $ ! $ " # " $ " % ! " 步骤可借助计算机完 成。 ，„， ,, ，„， ,, ， 的数据段为:, & " & & & " & & & " 对东风 井 红层分布层段的 - ! // 0 . !1! * "!2 " " ! " # " „， ,。 & 个样品(有序连续、 含 ， ， ， ， ，， ， ，， ! 3+ 45 67 8, 9: ; 6 6 ?+ 为了使分割体现最优的原则，将含有 个样品 ! 个变量)进行了 分割运算，结果如下(表 、表 、 @5 " " ! 的数据段 ( ， ，) $ % & & & 图 )。 ( ，) " & " 6*C 地学前缘 张守鹏，刘成东，贺振建，等 ( ) ， ( ) B J, 7? K ;/2 / E 127;/ 9 $##" !# $ 根据上述运算结果，可以归纳出如下几点解释: 号样品所代表的井段 " "# % " 6# ’ 分别确定为沙 ( 四下和沙四中上的分界点、孔一段和孔二段的分界 )高级分割点为 号样品所代表的 ! "# " #$$ % 点、孔二段和孔三段的分界点、中生界王氏组和其它 " #&$ ’ 井段和 号样品所代表的 井 $ " && % " *& ’ 组之间的分界点。 段。此二界限由低段数分割至高段数分割均反复出 现，代表着差异最大的两个分界点，分别确定为沙四 段和孔店组、孔店组和中生界的界限。 表 东风 井沙四下至中生界(红层) ! " 岩石化学最优分割表 6 ( ) +,-./ ! 01234/23 * 5/.. #! 71 8/91:1; / -/ 9 “ ” .;7?1 ?/’;97 @ -/97 ;A;9;12 7,-./ 设计分段 分割点(样品号) 分割界线 $:孔店组 中生界; B ， " $ "# :沙四段 孔店组 "# B ， ， :孔店组内部 6 $ 6C "# 6C ， ， ， :沙四段下亚段 & $ &# "# !* !* &#:孔店组内部; ， ， ， ， * $ &# "# !* * *:沙四段内部 ， ， ， ， ， :孔店组内部 C $ C6 6C "# !* * C6 图 东风 井沙四下至中生界(红层) ! * ， ， ， ， ， ， :中生界内部 !!& $ C6 6C "# !* * !!& 岩石化学最优分割图解 6 ( ) E;3 F ! 01234/23 * 5/.. #! 71 8/91:1; / -/ 9 表 东风 井沙四段至中生界(红层)分层沿革表 $ " “ ” 6 .;7?1 ?/’;97 @ -/97 ;A;9;12 ;..G97 ,7/ ( ) +,-./ $ 01234/23 * 5/.. #! 71 8/91:1; / -/ 9 ( )若干个低级分界点均代表着各亚段内岩石化 97 ,7;3 ,D?; ;A;9;12 ?;971 ; ,7, 7,-./ " 学特征的差异，是更次一级层序界面的体现。 6 古生物、古环境、古气候及岩石地层 对分割层的吻合性分析 % H ! 古生物分布特征的吻合性 〔 〕 " 根据前人 对全区孢粉化石的统层研究资料对 比，各“分割层”所确定的层属均见到了相吻合的孢粉 化石组合，进一步印证了“分割”的科学性。( )最优 ! 分割所确定的沙 四下亚段见有火红美星介组合、潜江 扁球轮藻组合、麻黄粉属 小榆粉 漆树粉属 希指蕨 孢属组合。( $)最优分割所确定的孔店组一段未见到 古生物化石。( )最优分割所确定的孔店组二段见脊 " 榆粉属 拟榛粉属 三角孢属组合、五图培克轮藻组 I I 合。( )最优分 割所确定的孔店组三段未见古生物化 6 )最优分 割所确定的王氏组见有大假伟女星介 石。(& 小尖假伟女星 介组合、希指蕨孢属 皱极粉属 榆粉 属组合。( )最 优分割所确定的深部其它组段中见有 * ( )中级分割点 号样品所代表的井段 $ !* $ "& % 零星分布的精致女星介 斜女星介组合、三褶奇异轮 、 号和 号样品所代表的井段 $ 66 ’ 6C &# " !"# % " 藻 整洁真开口轮藻组合、无突肋纹孢属 纵肋单沟粉 、 号样品所代表的井段 、 !*# ’ C6 " 6 $ % " &## ’ !!& 属组合、克拉梭粉属 苏铁粉属组合等。 "# 地学前缘 张守鹏，刘成东，贺振建，等 ( ) ， ( ) * +,-./ 0123413 5-64.23-7 &88’ $8 & 运用上述古生物化石分布特征对最优分割所确 )中生界。以灰、灰绿色安山岩、凝灰岩夹棕红 ($ 定的层系进行吻合性校正，以使分割的层系准确定 色泥岩、紫红色泥质砂岩、粉砂岩为特征。火山活动 位。 与河流作用相伴生，在不同的地貌条件下发生岩浆冷 古环境、古气候单元的吻合性 ! !" 凝和其碎屑物的沉积。地层亲氧元素偏高，常见典型 综合岩石化学及古生物资料可以推测:中生代白 凝 灰结构，纹层构造。与标准剖面岩性特征完 的沉 % 垩纪早期，东营凹陷地处华北高地，属北方潮湿温热 全相符。 带和华南半干旱亚热带之间的过渡型气候，火山活动 ( &)孔三段。以灰紫色、紫红色泥岩、砂岩，夹少 增多，以山间断陷盆地中堆积的灰色湖相碎屑岩沉积 量灰色、杂色泥岩、粉砂岩、砂质砾岩为特征。以较干 和中基性火山岩、凝灰岩为主。孢粉中，希指蕨孢属 旱的河流相沉积环境为主，伴有少量火山活动。沉积 含量开始增加，表明气候开始向干旱转变。到了晚白 岩的正粒序层和交错沙纹构造较常见。与标准剖面 垩世，干旱气候扩大，红色河流相碎屑沉积发育，火山 的岩性特征基本相符。 活动大幅减弱，中基性火山岩零星分布。此时的孢 粉 )孔二段。灰色泥岩、白云质泥岩夹炭质泥岩、 (’ 含量中，希指蕨孢属和麻黄粉属等指示干旱气候的类 钙质砂岩为主。底部见灰色含砾砂岩和砾岩。该期 型大大增加。 湖泊和沼泽广泛分布，河流入湖口较多，沉积岩的化 进入新生代古新世后，气候逐渐变得湿润，由河 学胶结结构、碳酸盐的韵律分布和三角洲附近的叠合 流相沉积向湖泊相沉积逐渐过渡。孔三段形成时期， 层理构造较常见。与标准剖面岩性特征基本相符。 )孔一段。岩性为紫红色、灰紫色泥岩和白云 ( 形成了大量的河道砂砾岩，色调较中生界偏淡，生物 " 质、钙质泥岩、粉砂岩，夹少量灰白色硬石膏质泥岩、 化石稀少。孔二段形成时期，气候变得潮湿温和，湖 灰色泥岩和粉砂岩，下部见少量炭质泥岩。该期气候 泊广泛分布，沉积岩性以暗色泥岩为主，局部还见有 开始转入炎热，地势有所抬升，河流作用渐趋频繁，湖 煤层和油页岩。孢粉组合所反映的古植被地理景观 水蒸发造成局部膏岩沉积。沉积岩的干裂纹及交错 为:柔花序植物发育，有一定量的古老被子类，榆、桦、 层理构造常见。与标准剖面岩性特征吻合。 胡桃、杨梅、山毛榉和木兰等科植物组成林块，还有少 )沙四下亚段。下部为灰色、紫红色泥岩和白 ( 量银杏、苏铁和炎热气候带中生长的拟樟、棕榈夹杂 云质、钙质泥岩夹灰白色含膏泥岩和硬石膏，中部紫 其中。林下或一度广布的滨湖沼泽地带，桦科、杉科 红色钙质泥岩和白云质粉砂岩;上部紫红色泥岩、钙 植物茂盛，有少量水龙骨科、紫箕、石松等蕨类植物分 质粉砂岩与灰白色含膏泥岩和盐岩互层。这一时期， 布。眼子菜等水生被子类植物也开始出现于湖水中。 湖水蒸发，河流干枯，偶有季节性河流作用或形成浅 总之，这一时期的孢粉具有高分异度、低优势度的特 水域。亲氧元素丰度值较高，潜山区剥蚀程度大。风 点，所有植物组成了常绿、落叶阔叶和针叶林的混交 和瞬时雨水是主要的搬运营力。 林。 进入孔一段，气候开始向干旱转变，河流作用增 多，沉积岩色调由灰、灰黑向紫红过渡。到了沙四下 结论 亚段沉积时期，水体蒸发作用明显，干旱程度更高，部 深埋于地下的中国东部红色地层由于缺少必要 分地区出现了大量的膏盐沉积，麻黄粉属和杉科的含 的古生物化石资料，长期以来地层划分与对比不能有 量逐渐增多，这也说明这一时期该区地势有所升高， 效地实施，致使东部油气资源及相关矿产的分布规律 低地逐渐缩小，湖盆干枯，一度繁茂的大规模森林消 认识受到了局限。由于钻探揭露程度低、取芯少，许 失，杉、榆、山毛榉等在残留低地四周生长，组成稀疏 多除古生物地层划分以外的新方法，如磁性地层学 的林地。 (连续、有序岩芯资料的局限)、地震、层序地层学(深 ! !# 岩石地层的吻合性 层地震反射特征及层序地层学研究方法的局限)、同 标准地层剖面所反映的岩石地层特征在某一区 位素年代地层学(岩石风化造成的测试误差过大)、旋 域具有基本一致的、可对比的岩性组合规律。与本地 〔 〕 " 回地层学(天文数据的追溯与沉积体环境、气候指标 区前人 所建立的标准地层岩性剖面比较，东风 井 # 的提取局限)等也难以实现。本文利用了东营凹陷东 最优分割的层段所反映的岩性特征与标准剖面具有 风 井连续钻屑样品的岩石化学分析数据，引用了赵 一定的吻合性。 # N!A 地学前缘 张守鹏，刘成东，贺振建，等 ( ) ， ( ) a S/;:. OK+9,K9 Y;6,:+9;@ B$$L "$ B 〔王秉海，钱凯 胜利油区地质研究与勘探实践〔 〕东营:石油 3 4 D 鹏大等人提出的定量岩石地层学分析方法，有效地结 大学出版社， 〕 "AAB D 合了古生物和岩矿鉴定资料，成功地对东风 ! 井红色 〔 B 〕 EF’ /,-G+/,，H1 I+7+,- 3 96 -232 238" :32,# 2* 23%* 1,& 地层进行了划分，经后期勘探证实，划分的结论是科 〔 〕 : ， ( 4 3 & ./, C.+,/ ,+?9;@+:7 6J 96@K+9,K9@ 8;9@@ "AA"DLAMN# +, 学的、正确的，并在之后钻探的东营凹陷最深井――― C.+,9@9) 〔张光前，李继英 定量岩石地层学〔 〕武汉:中 3 3 4 D 郝科 " 井(近! #$$ %)中再次应用，取得了理想的效 国地质大学出版社， 〕 "AA"3 LAMN# 3 〔 〕 ， 果。该方法为缺少古生物化石的“哑地层”划分对比 L OF1 F /+- /,- H1 I+,-;6,- 3 ;"#%"-" 4 $ "#-2#$#%& *#7 〔 〕 : ， ( ;#*2, # 5, -.#-% 4 3 *9+P+,- 89:;6 9 % 1,Q @:;7 8;9@@ "AAR +, 提供了一种新思路。 ) 〔单怀广，李经荣 山东北部新第三纪古生物群 C.+,9@9 3 3 〔 〕北京:石油工业出版社， 〕 4 D "AAR D 〔参考文献〕: !"#"$"%&"’ 〔 〕 ， N CFS O.6 T/,- &’ I+/,%+, 3 52 -. *. " 3%- #* !"#$# 〔 〕 : %& *3$$3-% 3- 2," 5,"-%$3 4"2*#$"67 4*#83-+" 4 3 *9+P+,- 〔 〕 ， " &’ *+,-./+ 01’ 2/+ 3 !"#$#%& ’" " *+, -. /01$#* 23#- 4* +23+" ， ( ) 89:;6 9 % 1,Q @:;7 8;9@@ "AA! +, C.+,9@9 3 〔 〕 : 3- 2," 5,"-%$3 4"2*#$"67 4*#83-+" 4 3 56,-7+,- 89:;6 9 % ,+?9;@+:7 〔陈寿康，王建民 胜利油气区钻井地质标准设计〔 〕 3 4 D 8;9@@， ( ) "AAB +, C.+,9@9 3 北京:石油工业出版社， 〕 "AA! 3 OUV’U1 V’8F1C 51W1O1X XY VS5*S5O 1 5SS8 5X Z1 5S8VSOO1X ，S’OU CF1 ’ ， " B " B L EF’ O.6 M[9,- ，H1 C.9,-MQ6,- ，FS E.9,MP+/, ，EF’ F6,-M%/6 ( ， ， ， ; "? /-"*%& ’" #6*+" "1 *27"-2 @,3- A-38"* 32& # !"# +3"-+" B"3C 3-% "$$$\L @,3- B ? !"#$#%3+ $ 5+3"-23 3+ ’" " *+, D- 23262" # 5,"-%$3 E3$ F3"$. D-+， #-%&3-% B#R$"#，@,3- ) N : ， ’*$+&* ’KK6;Q+,- :6 :.9 Q+JJ9;9,K9 +, ;6KT K.9%+K/ [;6[9;:7 :.9 ;9Q]9Q@ J;6% ,! :6 49@6^6+K +, 56,-7+,- 59[;9@M “ ” @+6, _.+K. ./?9 ,6: ]99, Q+?+Q9Q J6; / 6,- :+%9 ]9K/ @9 6J /KT 6J J6@@+ /;9 ]9@: Q+?+Q9Q ]7 @9 6J :.9 ]9@: Q+?+@+6, , %9;+K/ K/ K /:+6, +, [9:;6@:;/:+-;/[.7 3 C6%]+,+,- :.9 [/ /96,:6 6-+K J6@@+ +,J6;%/:+6, J;6% / J9_ @:;/: % /,Q ;6KT ， ， [;6[9;:7 J;6% @:/,Q/;Q @:;/:+-;/[.+K [;6J+ 9 :.9 Q+?+Q9Q @:;/: % +@ Q9:9;%+,9Q J6; / @:/,Q/;Q @:;/: % /,Q :.9 @ ]M@:;/: % +@ / @6 Q+?+Q9Q 3 U.9 @K+9,:+J+K /,Q ;/:+6,/ %9:.6Q ./@ ]99, [;6?9Q ]7 J6 6_+,- 9‘[ 6;/:+6, 3 49/,:+%9，:.9 %9:.6Q ./@ ]99, /[[ +9Q :6 @:;/:+-;/[.+K Q9?+@+6, 6J :.9 Q99[9@: 9‘[ 6;/:+6, _9 ―F/6T9 " +, 56,-7+,- 59[;9@@+6, 3 U.9 %9:.6Q +@ / ,9_ :.6 -.: J6; Q+?+Q+,- / ]/;;9,M]9Q _.+K. /KT@ J6@@+ +,J6;%/:+6, 3 : ; ; ; -". /0$1’ 56,-7+,- 59[;9@@+6, ;9Q]9Q@ @:;/:+-;/[.+K Q+?+@+6, %9:.6Q