侯中帥 ，梁 釗 ，陳世悅

（1.河北省戰(zhàn)略性關(guān)鍵礦產(chǎn)資源重點實驗室, 河北 石家莊 050031；2.河北地質(zhì)大學(xué) 能源研究所, 河北 石家莊 050031；3.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266580）

0 引 言

華北東部晚古生代過渡相煤系地層分布廣泛，在經(jīng)歷了中新生代多期構(gòu)造活動的疊加改造后，在其中仍發(fā)現(xiàn)有多個“新生古儲”和“古生古儲”型的潛山油氣藏[1-3]，展現(xiàn)出該層系巨大的油氣勘探潛力和廣闊的開發(fā)前景，其已成為我國東部油氣增儲上產(chǎn)和儲量接替的現(xiàn)實領(lǐng)域。在相關(guān)的勘探開發(fā)過程中，發(fā)現(xiàn)該層系部分層段在測井上常表現(xiàn)出低阻的特征，不僅增加了烴源巖和儲層解釋的難度，同時也阻礙了油氣資源評價和勘探部署的進(jìn)行。研究表明，全世界不同油氣田在勘探開發(fā)過程中普遍發(fā)現(xiàn)有低阻層段，其成因包括高黏土礦物含量、高束縛水體積、顆粒表面親水、高陽離子交換量、導(dǎo)電礦物發(fā)育、過成熟有機質(zhì)、砂泥巖薄互層、復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)、高礦化度的地層水、油氣充注不足和鉆井液侵入等因素[4-12]，但相關(guān)研究主要集中在海相和陸相含油氣層系中，針對過渡相煤系地層中低阻層段的研究相對較少，同時多數(shù)研究均側(cè)重于低阻層段成因分析和定量評價解釋，對于其發(fā)育的控制因素以及地質(zhì)意義等方面的綜合研究較為匱乏。

研究綜合利用巖心、薄片、掃描電鏡、碳氧同位素、常規(guī)測井、成像測井、核磁測井和錄井等資料，分析華北東部晚古生代過渡相煤系地層中低阻層段的成因，明確其形成的控制因素與地質(zhì)意義，不僅可以豐富和完善對低阻地層成因機制的認(rèn)識，還能充分揭示其中所包含的地質(zhì)信息，對于相關(guān)層系的油氣資源評價和勘探部署也能起到借鑒作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

晚石炭-早二疊世，晚古生代冰川活動達(dá)到鼎盛期[13]，岡瓦納大陸冰川的動態(tài)消長造成冰川型的全球海平面變化[14]，對低緯度近海盆地中的沉積作用有著深遠(yuǎn)影響。在此背景下，華北東部發(fā)育了大型克拉通陸表海聚煤盆地[15]，形成的過渡相煤系地層自下而上包括太原組和山西組（圖1），太原組主要發(fā)育障壁海岸相和碳酸鹽巖臺地相，其中障壁海岸相由潮坪、潮道、潟湖和障壁島亞相組成，山西組則主要發(fā)育三角洲相，包括三角洲平原和前緣亞相[16]。

圖1 華北東部晚古生代煤系地層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of Late Paleozoic coal measures in Eastern North China

華北東部太原組的地層時代為晚石炭-早二疊世，巖性主要包括砂巖、凝灰?guī)r、泥巖、碳酸鹽巖和煤層（圖1）。太原組底部以晉祠砂巖底面為與下伏本溪組的分界面，頂部以北岔溝砂巖底面為與上覆山西組的分界面（圖1）。位于太原組中部的8+9 號煤在整個華北板塊穩(wěn)定分布，其底面不僅為太1 段和太2 段的分界面，同時也是華北板塊石炭系和二疊系的分界面[17]。8+9 號煤的發(fā)育指示著一次區(qū)域性的泥炭沼澤化事件，是對石炭-二疊紀(jì)界線附近全球海平面快速下降的響應(yīng)[18]。8+9 號煤之上常直接發(fā)育保德灰?guī)r或其等效海相泥巖層（圖1），代表了一次事件性的海侵活動，是對早二疊世最早期的一次脈沖式的全球變暖事件的響應(yīng)[18-20]。

山西組的地層時代為早二疊世，巖性主要包括砂巖、泥巖和煤層（圖1），其頂部以駱駝脖子砂巖的底面與上覆下石盒子組分界。位于山西組中部的3號煤的底面將山西組分為山1 段和山2 段，在3 號煤不發(fā)育的地區(qū)則以船窩砂巖的底面為山1 段和山2 段的分界面（圖1）。

2 低阻層段的分布

為了能精確地分析地層的電阻率特征，本次研究統(tǒng)一采用能夠反映原狀地層電阻率的RT（真電阻率）和RD（深電阻率）曲線來開展相關(guān)工作。通過對測井曲線觀察分析可知，華北東部晚古生代煤系地層中低阻層主要發(fā)育在太1 段和山2 段（圖1）。太1 段中低阻層主要分布在保德灰?guī)r或其等效海相泥巖層之上，除了局部發(fā)育的鈣質(zhì)砂巖和煤層外，地層表現(xiàn)出整體低阻的特點，電阻率曲線呈現(xiàn)低平的形態(tài)，與太2 段嚴(yán)重齒化的曲線形態(tài)對比明顯（圖1）。山2 段中除煤層外整體具有低阻的特點，電阻率曲線形態(tài)與太1 段低阻層類似，呈整體低平狀，與山1段的電阻率曲線形態(tài)具有顯著差異（圖1）。通過觀察相關(guān)層段的電阻率曲線數(shù)值，發(fā)現(xiàn)低阻層段的電阻率普遍不超過10 Ω·m。

3 低阻層段成因

3.1 潮汐成因的砂泥巖薄互層

通過巖心和薄片觀察發(fā)現(xiàn)，華北東部太1 段低阻層中潮汐成因?qū)永順O為發(fā)育，包括透鏡狀層理（圖2a）、波狀層理（圖2b）、脈狀層理（圖2c）和潮汐韻律層理。不同類型層理中砂泥巖薄互層發(fā)育的尺度多樣，可見泥巖中厚度約為0.5～2 mm 的砂質(zhì)條帶和透鏡體頻繁出現(xiàn)，形成透鏡狀層理（圖2a、2d）；呈近似等厚狀的砂質(zhì)薄層和泥質(zhì)薄層組成的頻繁互層也較為發(fā)育，單個薄層的厚度在5～9 cm，砂質(zhì)和泥質(zhì)薄層的接觸面呈緩波狀，構(gòu)成波狀層理（圖2b）；同時也可見厚度2～8 cm 的砂質(zhì)薄層與厚度0.5～20 mm 的泥質(zhì)條帶互層，構(gòu)成脈狀層理（圖2c、圖2e）。不同尺度的砂泥巖薄互層在垂向上頻繁交替出現(xiàn)，使得太1 段低阻層形成以潮汐成因砂泥巖薄互層為特點的層系。

圖2 太1 段沉積與巖性特征Fig.2 Sedimentary and lithological features of Tai 1 Member

電阻率測井具有一定的縱向分辨率[21]，當(dāng)砂泥巖薄互層中單層砂質(zhì)層和泥質(zhì)層的厚度都小于電阻率測井儀器的縱向分辨率時，所測量的視電阻率就不能反映地層的真實情況，通常測量的電阻率大大低于地層真實電阻率[22]。普通深探測電阻率測量儀的縱向分辨率為0.6 m，側(cè)向測井以及陣列感應(yīng)測井的縱向分辨率可以提高到0.3 m[21,23]。華北東部太1 段低阻層中觀察到的砂質(zhì)和泥質(zhì)薄層的厚度均遠(yuǎn)小于0.3 m，通常不超過0.1 m，造成其相對于太2 段表現(xiàn)出低阻的特征（圖1、圖3、圖4），成像測井上其主要呈褐色，而太2 段則主要呈橙紅色和亮黃色（圖3）。

圖3 太1 段與太2 段電阻率測井和成像測井特征對比Fig.3 Comparison of resistivity and imaging logging between Tai 1 Member and Tai 2 Member

圖4 太1 段與太2 段電阻率測井和核磁測井特征對比Fig.4 Comparison of resistivity and NMR logging between Tai 1 Member and Tai 2 Member

3.2 高束縛水體積

束縛水是指在一定生產(chǎn)壓差下儲層孔隙中不可流動的水[24]。束縛水主要由毛細(xì)管束縛水和薄膜束縛水2 部分組成，毛細(xì)管束縛水是由于毛細(xì)管壓力的存在而形成的，主要滯留在微小毛細(xì)管中和顆粒接觸處；薄膜束縛水指由于表面分子力的作用而滯留在親水巖石孔壁上的薄膜殘留水[25]，包括非黏土顆粒表面由于潤濕性引起的吸附水和黏土顆粒吸附水[22]，由于黏土礦物的比表面積遠(yuǎn)大于其他非黏土礦物顆粒，故薄膜束縛水主要由黏土束縛水組成。束縛水具有較好的導(dǎo)電能力，束縛水體積越高時，其導(dǎo)電能力越強，從而降低地層的電阻率形成低阻層[24]。

通過對華北東部太原組進(jìn)行電阻率測井和核磁測井聯(lián)合分析可知，高束縛水體積段與低阻段同時出現(xiàn)在太1 段的相同層位中，在垂向上表現(xiàn)出良好的耦合關(guān)系（圖4），指示著高束縛水體積在研究區(qū)也是造成地層低阻的重要原因之一。通過核磁測井分析顯示，太1 段低阻層的毛細(xì)管束縛水體積明顯高于太2 段，而黏土束縛水體積變化不明顯，毛細(xì)管束縛水體積的顯著升高造成太1 段低阻層的束縛水體積明顯高于太2 段（圖4）。

太1 段低阻層和太2 段孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性決定了二者束縛水體積的差異。核磁共振T2譜顯示太1 段低阻層的T2譜分布范圍明顯寬于太2 段，且T2譜的分布面積明顯高于太2 段，指示著太1 段低阻層中孔隙度和孔徑分布范圍均高于太2 段。同時太1 段低阻層中T2譜形態(tài)以不對稱的前高雙峰型為主，指示著太1 段低阻層中孔隙主要為微細(xì)孔。這些因素綜合指示太1 段低阻層相對于太2 段具有更為發(fā)育的微細(xì)孔隙，使得太1 段低阻層中毛細(xì)管束縛水體積明顯高于太2 段，最終導(dǎo)致太1 段低阻層的形成。

3.3 導(dǎo)電礦物的發(fā)育

根據(jù)巖石物理研究表明，沉積巖中的長石、石英和方解石等礦物是通過礦物晶體的離子導(dǎo)電，導(dǎo)電性極其微弱[26]，但當(dāng)?shù)貙又谐霈F(xiàn)一些具有導(dǎo)電性的礦物，且達(dá)到一定含量并呈層狀或條帶狀分布時，就能夠在地層中形成高導(dǎo)電路徑，導(dǎo)致地層的電阻率顯著降低。

菱鐵礦是常見的具有較高導(dǎo)電性的礦物，其在華北東部晚古生代過渡相煤系地層中分布廣泛，但在不同層段中的豐度和發(fā)育形式具有一定差異。通過巖心觀察發(fā)現(xiàn)，華北東部晚古生代過渡相煤系地層中菱鐵礦最發(fā)育的層段為山2 段（圖5）。在山2段的泥巖中，菱鐵礦主要呈條帶狀產(chǎn)出，次為透鏡狀，顏色主要為褐紅色（圖5a、圖5b）。條帶狀菱鐵礦呈水平-近水平分布，厚度在0.5～4 cm（圖5a、圖5b）；透鏡狀菱鐵礦具壓扁的橢圓狀外形（圖5b）。泥巖中的菱鐵礦節(jié)理發(fā)育，與圍巖形成鮮明對比（圖5a、圖5b）。在山2 段的砂巖中，可見褐紅色的菱鐵礦顆粒呈彌散狀分布，顆粒粒徑在細(xì)砂級別，在局部可以發(fā)生明顯富集（圖5c），同時也可見褐紅色的菱鐵礦顆粒呈條帶狀分布在砂巖中（圖5d）。菱鐵礦在砂巖中的不均勻分布使砂巖顯現(xiàn)出砂紋交錯層理（圖5c、圖5d）。通過薄片觀察發(fā)現(xiàn)，泥巖中的菱鐵礦結(jié)核多由粉晶菱鐵礦顆粒組成，其中常夾有少量粉砂級別的長石、石英等陸源碎屑物質(zhì)，也可見黑色的植物炭屑（圖5e）；砂巖中的菱鐵礦多以粉晶菱鐵礦團(tuán)塊的形式產(chǎn)出，常與黑色的植物炭屑緊密共生（圖5f、圖5g）。

圖5 山2 段沉積與巖性特征Fig.5 Sedimentary and lithological features of Shan 2 Member

利用測井資料可以表征地層中菱鐵礦的發(fā)育程度和分布特征。由于菱鐵礦的PE 值（光電吸收截面指數(shù)）為14.69～14.51，明顯高于石英的1.81 和長石的1.76～3.13[27]，當(dāng)?shù)貙又辛忤F礦大量發(fā)育時，會顯著提高地層的PE 值。研究區(qū)山1 段的PE 值主要分布在2.7～3.9，僅在局部層段表現(xiàn)出尖峰狀的高值，使得曲線具有強烈齒化的特點（圖6）；山2 段的PE值明顯高于山1 段，主要分布在3.1～4.7，且曲線總體的形態(tài)較為平緩光滑，呈微齒化的箱形（圖6）；這些特征指示著山2 段中菱鐵礦的發(fā)育程度明顯高于山1 段，且菱鐵礦在地層中的分布較為均勻，而山1段中僅在局部層段中富集了菱鐵礦。山2 段中菱鐵礦的大量發(fā)育同時也導(dǎo)致地層中陸源碎屑物質(zhì)的含量受到稀釋，自然伽馬能譜測井中的TH（釷）含量可以指示地層中陸源碎屑輸入的強度[28]，測井上可見山2 段的TH 含量受到稀釋后明顯低于山1 段（圖6）。

圖6 山1 段與山2 段測井響應(yīng)特征對比Fig.6 Comparison of logging responses between Shan 1 Member and Shan 2 Member

通過礦物巖石學(xué)和地球物理學(xué)的分析可知，山2 段中菱鐵礦的富集與低阻的發(fā)育表現(xiàn)出良好的耦合關(guān)系（圖6），指示著菱鐵礦的大量發(fā)育是造成山2段低阻的原因。山2 段砂巖和泥巖中豐富的菱鐵礦構(gòu)建了一個高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，最終導(dǎo)致該層段在測井上的電阻率明顯低于山1 段。

4 低阻層段發(fā)育的控制因素

綜合華北東部晚古生代過渡相煤系地層低阻層段的地質(zhì)特征與成因類型，認(rèn)為低阻層段形成的主控因素包括沉積作用和成巖作用。

4.1 沉積作用

沉積作用控制了研究區(qū)地層中沉積構(gòu)造、孔隙結(jié)構(gòu)以及自生礦物的發(fā)育，為低阻層發(fā)育的首要控制因素。

通過巖心觀察發(fā)現(xiàn)，太1 段中發(fā)育了豐富的潮汐成因?qū)永恚▓D2a—圖2c），指示著太1 段主要形成于障壁海岸相中的潮坪亞相。潮坪環(huán)境中水動力條件發(fā)生頻繁的周期性交替變化，在垂向上形成砂泥巖薄互層，從而控制了太1 段低阻的形成。

由于潮坪沉積主要形成于波浪作用受到限制的地區(qū)，故其發(fā)育時的水動力條件較弱[29]，造成沉積過程中砂質(zhì)和泥質(zhì)的分異作用也隨之衰退。薄片觀察可見太1 段潮坪沉積砂質(zhì)薄層中常含有較多的泥質(zhì)（圖2e），同時由于泥質(zhì)薄層在沉積期受到周期性潮汐水流作用的影響，其中常發(fā)育有較為豐富的細(xì)砂和粉砂級的陸源碎屑物質(zhì)（圖2d）。這種砂質(zhì)和泥質(zhì)的混雜沉積有利于微細(xì)孔隙的發(fā)育，通過掃描電鏡觀察可見太1 段泥巖中陸源碎屑顆粒與黏土礦物接觸界面附近常發(fā)育有管束狀的微細(xì)孔隙（圖7a），而太2 段泥巖中砂質(zhì)混雜的程度明顯減弱（圖7b），泥巖中微細(xì)孔隙的數(shù)量也隨之降低（圖4）。潮汐作用導(dǎo)致的微細(xì)孔隙差異性發(fā)育造成太1 段的束縛水體積明顯高于太2 段，從而促進(jìn)了太1 段低阻的形成。

圖7 太1 段與太2 段泥巖對比Fig.7 Comparison of mudstones between Tai 1 Member and Tai 2 Member

山2 段中菱鐵礦的富集與均勻分布的形成需要穩(wěn)定發(fā)育的弱還原環(huán)境，華北東部山西組沉積期主要發(fā)育陸表海背景下的淺水三角洲沉積[16]，其中三角洲前緣環(huán)境中發(fā)育穩(wěn)定的覆水弱還原環(huán)境，可為菱鐵礦的形成提供環(huán)境基礎(chǔ)。通過薄片觀察發(fā)現(xiàn)，無論在砂巖還是泥巖中，山2 段中菱鐵礦與植物炭屑均表現(xiàn)出緊密伴生的特征（圖5e—圖5g），指示著二者應(yīng)該具有成因上的關(guān)聯(lián)性。利用4 塊山2 段菱鐵礦樣品開展碳氧同位素分析（表1），將測試數(shù)據(jù)投影到同位素判別圖解中發(fā)現(xiàn)，同位素數(shù)據(jù)分布在海相碳酸鹽巖和沉積有機物的過渡區(qū)域，同時也在沉積有機物脫羧基作用影響的區(qū)域內(nèi)（圖8），指示著菱鐵礦在形成過程中有沉積有機物的參與。三角洲前緣中沉積有機物的發(fā)育受沉積作用控制，在山西組沉積期，位于三角洲前緣上游位置的三角洲平原上植物發(fā)育繁盛，在局部地區(qū)還可以形成泥炭沼澤，為三角洲前緣中植物炭屑的發(fā)育提供了來源。三角洲平原上的植物殘體進(jìn)入分流河道中后隨水流搬運至三角洲前緣沉積，為菱鐵礦的發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。綜上可知，山西組淺水三角洲的沉積背景為山2 段菱鐵礦的密集均勻發(fā)育提供了環(huán)境和物質(zhì)基礎(chǔ)，最終促進(jìn)了山2 段低阻的形成。

表1 山2 段菱鐵礦碳氧同位素數(shù)據(jù)Table 1 Carbon and oxygen isotope data of siderite in Shan 2 Member

圖8 山2 段菱鐵礦碳氧同位素特征Fig.8 Carbon and oxygen isotope characteristics of siderite in Shan 2 Member

4.2 成巖作用

山2 段菱鐵礦的形成與成巖作用密切相關(guān)。在同沉積期和早成巖階段，在細(xì)菌作用的參與下，三角洲前緣中的沉積有機物不斷發(fā)生分解，從沉積至埋藏過程中依次經(jīng)歷了異化鐵還原細(xì)菌分解作用、硫酸鹽還原細(xì)菌厭氧分解作用和甲烷菌厭氧發(fā)酵作用[30]，但不同生物化學(xué)過程中的產(chǎn)物具有較大差異。甲烷菌厭氧發(fā)酵作用產(chǎn)生的CO2具有較高的碳同位素值（δ13C>10‰）[31]，與菱鐵礦碳同位素特征不符；硫酸鹽還原細(xì)菌厭氧分解作用會產(chǎn)生一定量的黃鐵礦，而通過巖心和薄片觀察未在山2 段中發(fā)現(xiàn)黃鐵礦，說明其不是菱鐵礦形成的主要控制因素；異化鐵還原細(xì)菌在氧化分解沉積有機物的同時，還會將環(huán)境水體中的Fe3+還原成Fe2+，之后Fe2+與沉積有機物分解形成的和環(huán)境水體中無機成因結(jié)合形成菱鐵礦[30]，其為控制菱鐵礦發(fā)育的主要成巖因素。因此，同沉積期至早成巖階段三角洲前緣沉積有機物的成巖演變對于菱鐵礦的發(fā)育以及山2 段低阻的形成起著決定性作用。

5 低阻層段發(fā)育的地質(zhì)意義

由于華北東部晚古生代煤系地層為盆地深部層系，在油氣勘探過程中取心較少，故通過測井資料來判斷沉積相類型是開展沉積特征研究的關(guān)鍵所在。研究區(qū)相關(guān)層系中低阻層段的發(fā)育與沉積作用密切相關(guān)，故利用其可以指示一些特定的沉積相類型，從而為沉積特征的研究提供有利條件。

華北東部太原組主要發(fā)育障壁海岸相，包括潮坪、潟湖、障壁島和潮道亞相[16]。通過本次研究發(fā)現(xiàn)，太原組中潮坪沉積作用造成地層中砂泥巖薄互層和微細(xì)孔隙的發(fā)育，導(dǎo)致了相關(guān)層段中電阻率的低值和毛細(xì)管束縛水體積的高值，其中潮汐弱水動力條件下砂泥混雜造成的高束縛水體積是潮坪沉積區(qū)別于障壁海岸背景中其他亞相的特征標(biāo)志，故可以利用測井上的低電阻率與高毛細(xì)管束縛水體積的同時發(fā)育來指示潮坪沉積。研究區(qū)太1 段在測井上總體具有低阻且高束縛水體積的特征（圖4），指示著太1 段主要發(fā)育潮坪沉積，而潟湖、障壁島和潮道沉積則主要發(fā)育在太2 段，說明太原組自下而上存在明顯的優(yōu)勢沉積相的分異，其在沉積期總體為一個海侵強度減弱的海退過程，這也與早二疊世早期岡瓦納大陸冰川活動增強導(dǎo)致全球海平面下降的特征相符[32]。

華北東部山西組發(fā)育三角洲相，主要由三角洲平原和前緣亞相組成[16]。通過本次研究發(fā)現(xiàn)，山西組中三角洲前緣穩(wěn)定的覆水還原環(huán)境為菱鐵礦的密集均勻發(fā)育提供了有利條件，三角洲前緣中沉積有機物的發(fā)育為菱鐵礦的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，二者綜合作用導(dǎo)致三角洲前緣中菱鐵礦的相對富集。菱鐵礦高導(dǎo)電性和高光電吸收截面指數(shù)的特征導(dǎo)致菱鐵礦發(fā)育層段具有低電阻率和高PE 的特點，故根據(jù)這兩種測井響應(yīng)特征綜合分析可以指示三角洲前緣沉積。山2 段總體具有低電阻率和高PE 的特征（圖6），指示著其為三角洲前緣沉積，而山1 段則發(fā)育三角洲平原亞相。山西組自下而上的沉積演變指示了三角洲向盆地內(nèi)部的進(jìn)積作用，代表了一期三角洲的發(fā)育過程。

6 結(jié) 論

1）華北東部晚古生代過渡相煤系地層中低阻層主要發(fā)育在太1 段和山2 段，成因類型包括3 種：砂泥巖薄互層、高束縛水體積和導(dǎo)電礦物的發(fā)育。太1 段低阻的成因為砂泥巖薄互層和高束縛水體積，山2 段低阻的成因為導(dǎo)電礦物菱鐵礦的大量發(fā)育。

2）華北東部晚古生代過渡相煤系地層中低阻的形成受沉積作用和成巖作用的控制。潮汐活動導(dǎo)致了太1 段中砂泥巖薄互層和高束縛水體積的發(fā)育；三角洲前緣環(huán)境中的覆水弱還原條件和植物炭屑的發(fā)育為山2 段中菱鐵礦的形成提供了環(huán)境和物質(zhì)基礎(chǔ)。同生期至早成巖階段三角洲前緣中植物炭屑的分解作用對菱鐵礦的發(fā)育和山2 段低阻的形成起著決定性作用。

3）華北東部太1 段的低阻和高束縛水體積的同時發(fā)育可以用來指示潮坪沉積，反映了太原組自下而上總體為一個海退的過程，是對早二疊世早期岡瓦納大陸冰川的迅速擴張和全球海平面快速下降的響應(yīng)。山2 段低阻和高PE 的同時發(fā)育指示著其主要形成于三角前緣環(huán)境，與山1 段構(gòu)成一期三角洲的沉積序列。