南黄海盆地中部隆起上古生界沉积环境探讨

蔡来星，郭兴伟，徐朝晖，张晓华，李文强，肖国林，朱晓青,侯方辉

1.中国地质调查局青岛海洋地质研究所，山东青岛 266071 2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东青岛 266237 3.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249

0 引言

许多国外的大型油气田都分布在源储条件较为优越的海相地层，也正因为这一点，有些外国学者在上个世纪错误地将中国认定为贫油国。实际上，中国是一个油气资源极为丰富的资源大国，而且海相地层十分发育，其中尤以扬子板块中—古生界最具代表性[1]。迄今为止，我国已在上扬子区的四川盆地发现了威远、普光、龙岗、元坝、罗家寨等多个大型天然气田或页岩气田[2-5]；在中扬子区下寒武统水井沱组、上奥陶统五峰组、下志留统龙马溪组等页岩层段内也相继探获多处工业油气流[6-9]。然而，地处下扬子板块东北缘的南黄海盆地虽与中、上扬子区具有相似的海相充填历史[10-11]，但至今仍未取得重大突破。因此，与油气成藏条件密切相关的沉积环境、沉积相研究业已成为南黄海油气地质条件研究中亟需解决的科学问题。

文献调研表明，受限于第一手地质资料的匮乏，目前关于南黄海盆地古生界沉积环境的认识基本局限在上部石炭纪、二叠纪时期[12-13]，而少有学者针对泥盆系及下古生界开展过相关讨论，同时，大部分研究、认识只能依靠陆上苏北盆地的露头和区域地球物理资料，而对沉积充填方面的研究缺乏具体数据支撑[14-15]。纪友亮等[16]以野外露头为主要资料，建立了南黄海盆地震旦纪—晚奥陶世、泥盆世和石炭纪两坳夹一隆型的克拉通盆地层序模式、晚奥陶世末到晚志留世的前陆盆地层序模式和中、晚奥陶世、晚二叠世—中三叠世的被动大陆边缘盆地层序模式。祁江豪等[11]通过岩性对比，认为南黄海盆地与上扬子四川盆地的海相中—古生界在印支运动前后均为以碳酸盐岩为主的稳定沉积，仅在构造运动改造时间、规模上存在着一定的差异。

2016年10月，青岛海洋地质研究所完钻了CSDP-2井。该井是大陆架科学钻探计划(CSDP)在南黄海盆地中部隆起实施的一口连续取芯井，完井深度2 843.18 m，综合取芯率高达97.7%[17-18]。在充分利用该井所获得的上古生界岩芯、测井、薄片及古生物化石资料的基础上，对该地区上古生界的岩石学特征和沉积环境开展详细研究，旨在补充露头资料的不足，以期得到对该区晚古生代沉积环境及其演化的合理认识。

1 区域地质背景

南黄海盆地位于下扬子板块东北部(图1)，属于多期、多类型盆地叠加的残留盆地。自新元古代之后，南黄海盆地受到扬子板块、华北板块及华夏板块的相互作用，先后经历了稳定台盆、克拉通盆地、断陷盆地、坳陷盆地共四个阶段演化而来[19-20]。晋宁运动形成盆地基底之后直至寒武纪—奥陶纪，南黄海盆地长期处于稳定台盆阶段，北部苏鲁洋及南部华南洋尚未关闭；晚奥陶世至晚志留世，盆地南部的华夏板块与扬子板块碰撞挤压强烈，随着华南洋的消减，盆地南缘转化为活动陆缘；之后的早泥盆世受到板块碰撞的影响，盆地内部隆起而缺失沉积。直到晚泥盆世—早三叠世，华北板块与扬子板块碰撞后北部苏鲁洋随之消减，盆地进入克拉通阶段。晚三叠世以来，受到特提斯和太平洋板块碰撞的影响，盆内先后经历了断陷阶段和坳陷阶段[21-23]。现今构造格局为白垩纪时期形成，主体呈现为“两坳夹一隆”，中部隆起带南北两侧分别为南部坳陷和北部坳陷[24-26]。另外在北部坳陷北侧和南部坳陷南侧的板块边界处分别发育千里岩隆起和勿南沙隆起，因此，也可称之为“三隆夹两坳”的格局[27]。与上扬子区及其他盆地相比，南黄海盆地中—古生界海相地层保存更为完整。目前，南黄海盆地已完钻27口探井，但仅有7口井钻至中生界，其中北部坳陷1口，南部坳陷5口，勿南沙隆起1口[28]；而在CSDP-2井之前，仅有CZ12-1-1井揭露了石炭系。因此，CSDP-2井是目前在勘探面积近3×104km2的南黄海盆地内钻遇地层时代最老、取芯最全的钻井，自下而上依次揭示了古生界志留系、泥盆系、石炭系、二叠系和中生界三叠系(图2)。

2 CSDP-2井上古生界地层特征

岩芯及薄片分析结果表明，南黄海盆地上古生界的沉积充填层序既包含碎屑岩也包含碳酸盐岩，以泥岩、砂岩、灰岩为主，部分发育粉砂岩、白云岩及少量角砾岩、硅质岩和煤。本文利用岩芯和薄片资料对碎屑岩和碳酸盐岩两大类岩石的颜色、成分、结构等方面进行了详细表征。

(1) 地层特征

CSDP-2井自上而下钻穿上古生界二叠系、石炭系、泥盆系(图2)，钻遇地层厚度近1 500.0 m。其中，最古老的地层泥盆系仅钻至五通群，地层厚度为337.0 m。除了下部钻遇的一套厚36.88 m的灰白色、深灰色白云岩外，其余以砂岩、粉砂岩和泥岩为主，泥岩颜色既存在还原色调的灰色、黑色，也存在氧化色调的紫红色、红褐色，且含植物根茎碎屑，但未钻遇下扬子区陆域常见的紫红色厚层石英砂砾岩。

图1 南黄海盆地构造分区及井位图[18]Fig.1 Map of structural features and well locations of the South Yellow Sea Basin[18]

图2 CSDP-2井上古生界沉积相综合柱状图 Fig.2 The column section of sedimentary facies for the Upper Paleozoic in Well CSDP-2

CSDP-2井钻遇的二叠系栖霞组、孤峰组、大隆—龙潭组地层厚度在上古生界中最大，约为884.0 m。栖霞组沉积厚度96.0 m，岩石类型主要为黑色泥岩、灰色灰岩、深灰色白云岩、黑灰色灰岩泥晶灰岩，局部存在薄的煤层，灰岩为区域上栖霞组皆有的臭灰岩，且发育多种化石，如蜓类及部分有孔虫；孤峰组残余厚度薄，仅钻遇12.0 m，地层以硅质岩沉积为典型特征，多产腕足类、菊石等化石；大隆—龙潭组钻遇地层最厚，为776.0 m，岩石类型以灰黑色和杂色泥岩、深灰色粉—细砂岩为主。下部龙潭组含有大量孢子化石，如Crassispora kosankei克桑克厚环孢和Dictyotriletes muricatus尖平网孢，还含有很多腕足类、头足类及蜓类化石，上部大隆组可见大量植物碎屑及菊石、腹足类化石[18]。

(2) 碎屑岩岩石学特征

上古生界的碎屑岩粒度较细，多以泥岩、粉砂岩为主，仅在泥盆系发育中—细粒砂岩，其累计厚度占到了整个地层厚度的49.0%左右，颜色以黑色、灰色和红褐色居多；岩性上以暗色泥岩为主(图3)，可见部分灰质或含灰质泥岩及少量粉砂质泥岩，黏土矿物含量较高，多以片状高岭石、片丝状伊利石和片状绿泥石为主，内含大量黄铁矿晶体或集合体。

粉砂岩含量约占到整套上古生界地层的10.0%，主要分布在二叠系龙潭组，其次是大隆组。颜色同样以灰色和深灰色为主，粒度较细，以细粒石英、长石和云母为主，颗粒定向排列特征明显(图3)；砂岩在上古生界比较发育，约占21.0%，其中石英砂岩主要集中在泥盆系五通群，分选较好；长石岩屑砂岩和岩屑石英砂岩主要分布在二叠系大隆组和龙潭组，分选较差，偶见海绿石颗粒，粒间常见方解石胶结和石英次生加大胶结(图3)。

(3) 碳酸盐岩岩石学特征

上古生界钻遇的碳酸盐岩以灰岩为主。灰岩主要分布在石炭系船山组、黄龙组及和州组，少量分布在高骊山组，其发育程度仅次于泥岩，约占到了13.0%，岩石类型主要为泥晶灰岩、亮晶灰岩和生物碎屑灰岩等，生屑则主要包括腕足类、头足类及蜓类，同时可见少量角砾状灰岩和鲕粒灰岩(图4)。

泥晶或粉晶白云岩的厚度与粉砂岩相当，仅占到5.0%左右，层数少但单层厚度较大，主要集中在二叠系栖霞组，部分岩性发生溶蚀后充填了细晶白云石(图4)。

3 沉积相类型划分

在总结前人对扬子板块古生界沉积特征研究的基础上，充分利用CSDP-2井上古生界1 500 m的连续取芯资料和测井数据对南黄海中部隆起区的沉积相类型进行了精细划分，结果表明，研究区上古生界沉积体系可划分为海相组和海陆过渡相组两大类，其中，海陆过渡相组包括三角洲相和潮坪相；海相组则主要为滨岸相、碳酸盐岩台地和浅海陆棚相相。

3.1 海陆过渡相组

研究区泥盆系顶部、石炭系底部和二叠系大隆组、龙潭组均发育海陆过渡相组，以碎屑岩为主，包括三角洲相和潮坪相。

(1) 三角洲相

三角洲相是研究区碎屑岩发育的主要沉积相类型，以岩性较细的砂岩和泥岩为主，可见典型的漏斗形测井曲线，岩芯上发育较厚的槽状交错层理，同时可见波痕、生物碎屑、生物扰动等岩相标志(图5)。在1 300 m处二叠系大隆组内发育典型的下细上粗的反韵律，为三角洲前缘亚相的河口坝微相(图2)，再向上即变化为正韵律，组成了三角洲典型的正反复合韵律特征。而平原亚相分支河道的测井相表现为典型的箱形或者钟形曲线(图2，6)，岩性以中—细砂岩为主，略粗于下部前缘且泥岩颜色偏黄绿色和棕色(图2)。

(2) 潮坪相

除了三角洲相和滨岸相两种海陆过渡相以外，研究区泥盆系五通群下部和二叠系中部还发育碎屑岩潮坪相，亚相包括潮上带、潮间带和潮下带。潮上带发育具有氧化色调的杂色泥岩，如五通群下部2 200～2 250 m处的红色泥岩(图2)，反映了暴露氧化的沉积环境。在潮下带—潮间带的潮汐通道内，因潮流作用强、能量高，沉积物以砂为主并形成水下砂坝，可见低角度双向交错层理(图5)。在潮间带—潮上带，从海向陆由较纯的砂质沉积过渡为泥质沉积，从而形成了砂泥混合坪，并间或发育潮间—潮上带的泥炭沉积和煤层(图5)。与此相符的是，潮坪相在相邻的苏北盆地也有发育，如南京地区二叠系龙潭组露头[16]。

图3 CSDP-2井上古生界碎屑岩岩石学特征a.泥岩，二叠系大隆组，993.5 m，单偏光，可见鳞片状颗粒，偶见黄铁矿晶体；b.泥岩，二叠系龙潭组，1 273.3 m，单偏光，见黄铁矿团粒；c.泥岩，二叠系大隆组，1 158.4 m，扫描电镜照片，片丝状伊利石；d.泥岩，二叠系大隆组，1 175.8 m，扫描电镜照片，片状绿泥石；e.粉砂岩，二叠系龙潭组，1 307.9 m，单偏光，大量片状云母呈定向排列，胶结物主要为泥质、微晶方解石和铁白云石；f.粉砂岩，二叠系龙潭组，1 293.3 m，单偏光，颗粒定向明显，水平层理发育；g.石英砂岩，石炭系和州组，1 945.4 m，正交偏光，中粒，分选较好，胶结物主要为微晶方解石，部分石英可见次生加大；h.长石岩屑砂岩，二叠系龙潭组，1 581.6 m，正交偏光，中粒，分选差，见少量褐色的泥质和褐黑色的沥青质充填于粒间孔隙；i.长石岩屑砂岩，二叠系龙潭组，1 544.7 m，单偏光，中粒，分选较好，岩屑多为酸性喷出岩；j.岩屑石英砂岩，石炭系和州组，1 933.4 m，正交偏光，中粒，分选较差，石英圆度较高；k.长石砂岩，二叠系大隆组，880.1 m，单偏光，中粒，分选较好，磨圆较好，方解石胶结强烈；l.长石岩屑砂岩，二叠系大隆组，874.9 m，单偏光，中粒，分选、磨圆较好，方解石胶结强烈，可见石英次生加大边Fig.3 Petrological characteristics of clastic rock in the Upper Paleozoic for Well CSDP-2

3.2 海相组

(1) 滨岸相

滨岸相发育在河流作用弱、无三角洲形成的海岸地区，水体深度位于浪基面之上。研究区的滨岸相为无障壁型滨岸，海水循环良好，主要发育宽而厚的砂质滩坝。例如二叠系栖霞组和泥盆系五通群(图2)，岩性以中等粒度且成熟度较高的石英砂岩为主，自下而上由临滨到前滨形成下细上粗的反韵律，测井曲线为漏斗形(图6)，反映了海平面下降的一种变化趋势。该类型的砂岩分选较好、层系平直，常见低角度相交的板状交错层理和双向水流成因的冲洗交错层理(图5)。

图4 CSDP-2井上古生界碳酸盐岩岩石学特征a.生物碎屑灰岩，石炭系船山组，1 724.5 m，生物碎屑颗粒发育，见清晰的腕足类化石，生物化石体腔充填泥灰质，生物化石碎片内充填泥灰质；b.生屑灰岩，石炭系船山组，1 735.7 m，生物碎屑之间发育亮晶胶结物；c.细晶白云岩，志留系，2 672.4 m，结构致密，白云石晶体呈细晶结构，溶孔中充填次生白云石晶体；d.泥晶灰岩，石炭系船山组，1 728.1 m，见大量泥晶方解石晶体，且泥晶方解石间充填细晶方解石；e.生屑泥晶灰岩，石炭系船山组，1 734.7 m，岩石由方解石泥晶组成，可见少量生物化石碎片；f.生屑泥晶灰岩，石炭系和州组，1 945.4 m，生物化石的圈层结构，其间充填泥晶方解石Fig.4 Petrological characteristics of carbonate rock in the Upper Paleozoic for Well CSDP-2

图5 CSDP-2井上古生界沉积构造特征a.双向交错层理细砂岩，1 935.5 m，石炭系和州组；b.水平层理灰岩，1 741.5 m，石炭系船山组；c.槽状交错层理细砂岩，1 350.4 m，二叠系龙潭组；d.潮汐层理，1 524.2 m，二叠系龙潭组；e.鸟眼构造含颗粒泥晶灰岩，1 705.12 m，二叠系栖霞组；f.砂屑灰岩，1 774 m，石炭系船山组；g.角砾灰岩，1 927.5 m，石炭系和州组；h.生屑灰岩，1 742.3 m，石炭系船山组Fig.5 Sedimentary structural characteristics of the Upper Paleozoic for Well CSDP-2

图6 CSDP-2井碎屑岩储层自然伽马曲线形态类型a.箱形曲线，泥盆系五通群三角洲平原分支河道砂岩；b.钟形曲线，二叠系龙潭组三角洲前缘水下分流河道砂岩；c.锯齿形曲线，泥盆系五通群三角洲平原泛滥平原砂泥岩；d.漏斗形曲线，二叠系栖霞组滩坝砂岩；e.平直曲线，志留系浅海陆棚相泥岩Fig.6 Well log patterns of GR for clastic rock in Well CSDP-2

(2) 碳酸盐岩台地相

本区的碳酸盐岩层段分布在石炭系船山组、黄龙组、和州组和高骊山组，以及二叠系大隆组、栖霞组的部分层段(图2)。不同层段的沉积环境主要为开阔台地—局限台地，岩性以泥晶灰岩为主，颗粒灰岩、生物碎屑灰岩及白云岩为辅，具体包括潮坪、潟湖和台内滩三类沉积亚相。

① 潮坪

此处的潮坪指的是碳酸盐岩潮坪，为碳酸盐岩台地比较靠近陆地的部分，主要发育在石炭系和州组与高骊山组(图2)，岩性包括灰色、紫红色灰岩、凝块灰岩和鲕粒灰岩，反映水体较浅的沉积环境；另外，本区还见到了细晶白云岩和鸟眼构造灰岩(图5)，表明当时的环境内盐度相对较高，应存在蒸发作用[29]。

② 潟湖

潟湖沉积是碳酸盐岩台地内分布较广和厚度较大的亚相类型，岩性主要以细粒的暗色泥晶灰岩和泥灰岩为主，反映水体较安静；另外，偶尔的陆源碎屑注入也可形成泥岩、灰质泥岩沉积。研究区总体以灰质潟湖为主而非蒸发环境下的咸化潟湖(图2，4)，因此可见到大量广盐性生屑灰岩和泥灰岩，但白云岩和膏盐岩不发育(图4)。

③ 颗粒滩

台地内和台地边缘机械搬运作用较强的环境中，会形成粒度较粗的颗粒灰岩，颗粒类型包括内碎屑、鲕粒、藻粒、生屑等，例如本区石炭系发育单层厚度超过3 m的生物碎屑灰岩(图2，4，5)。生屑既包括珊瑚、腕足类、腹足类等个体较大的生物、也包括层孔虫等浮游生物，而颗粒既有砾屑也有砂屑(图5)。

(3) 浅海陆棚相

浅海陆棚相位于浪基面以下，水体比浪基面以上更为安静，只有大的风暴可以影响和改造沉积物，水体盐度正常，为半还原—半氧化环境。本区浅海陆棚相发育中薄层灰岩、泥岩和粉砂岩及风暴成因的砾状灰岩。该沉积相主要发育在二叠系龙潭组、石炭系高骊山组(图2)，岩性以灰黑色泥岩夹薄层泥晶灰岩为主，偶尔夹陆棚粉砂岩、页岩及硅质岩；沉积构造主要发育平行层理，反映较弱的水动力；测井曲线平直并发育小锯齿[30]，整体以高伽马、低电阻为特征(图6)。浅海陆棚的暗色页岩往往与海泛面有关，是一套沉积速率较低的缓慢沉积段，这种缓慢沉积的页岩在相邻的苏北盆地高骊山组也有发育。

3.3 CSDP-2井沉积体系

CSDP-2井上古生界二叠系大隆组和龙潭组主要发育三角洲相和浅海陆棚相，岩性以中—细砂岩、粉砂岩和泥岩为主，测井曲线既有正韵律的钟形曲线，也有反韵律的漏斗形曲线，还可见平直的低幅度锯齿曲线；底部孤峰组和栖霞组发育暗色泥岩及部分泥晶灰岩和泥晶云岩，云岩中多见鸟眼构造，主要为浅海陆棚相和潮坪相沉积。石炭系主要为各种碳酸盐岩建造，包括船山组、黄龙组、和州组和高骊山组的生屑灰岩和泥晶灰岩，多为碳酸盐岩台地的潟湖、颗粒滩亚相，仅在高骊山组下部发育少量三角洲相的碎屑岩。泥盆系五通群均为碎屑岩沉积，稳定的石英砂岩和紫红色泥岩并存，其中下部为碎屑岩潮坪相，上部为三角洲相。

整体来看，该井上古生界岩性复杂，既有碎屑岩，又有碳酸盐岩，但少见蒸发岩；其中，碎屑岩粒度偏细，多以深色泥岩和粉—细砂岩为主，属于浅海—潮坪相碎屑岩沉积体系、三角洲沉积体系；碳酸盐岩以泥晶灰岩和生屑灰岩为主，发育潮坪—潟湖—颗粒滩沉积体系。

4 沉积环境演化

为了阐明南黄海盆地中部隆起区晚古生代沉积演化的完整性，本文基于整个扬子地台区域构造演化及邻区苏北盆地晚古生代沉积环境演变的特征，认为研究区自下而上经历了由海相沉积体系向海陆过渡相沉积体系逐渐演化的过程：下部志留纪—泥盆纪为一个完整的海侵—海退演化过程；石炭纪—二叠纪为另一个完整的海侵—海退演化过程(图2)。

(1) 志留纪阶段

受加里东运动的影响，扬子板块与古华夏板块在这个时期发生了第二次碰撞[31]，在下扬子地区西南部形成前陆盆地。南黄海盆地为一个被动大陆边缘盆地，向西南方向发育苏鲁洋，整个盆地发育了浅海陆棚相黑色页岩(图7)，而西邻的苏北盆地还发育深水藻类硅质岩[16]。CSDP-2井位于盆地中部，此时主要发育厚层暗色泥岩；伴随着陆源碎屑供给的增加，也可见厚层滨岸石英砂岩。到晚志留纪加里东运动末期，下扬子区抬升导致研究区遭受剥蚀[18]，早古生代末次海侵事件结束。

(2) 泥盆纪阶段

泥盆纪早期，华夏板块与扬子板块南缘碰撞，研究区继续抬升遭受剥蚀，因此未接受中、下泥盆统的沉积[18]。晚泥盆世，北部苏鲁洋逐渐关闭，南黄海盆地西南部的苏北盆地北缘形成苏鲁褶皱带，盆地再次沉降接受沉积，上泥盆统碎屑岩直接覆盖在志留系之上，至此进入克拉通盆地阶段[18]。CSDP-2井所钻遇的碎屑岩亦表明，南黄海盆地已由剥蚀阶段转入沉积阶段且发育海陆过渡相沉积体系，例如泥盆纪五通群—石炭纪高骊山组发育滨岸、三角洲、潮坪等沉积相类型，形成了浅海—潮坪海相沉积体系。

图7 南黄海盆地上古生界沉积体系演化图Fig.7 Sedimentary system evolution of the Upper Paleozoic for Well CSDP-2

(3) 石炭纪阶段

石炭纪盆地依旧处于克拉通阶段，但随着海平面逐渐升高，海水不断侵入，陆源沉积物的输入逐渐减少。因此，和州组至黄龙组、船山组时期，南黄海中央隆起区基本处于开阔碳酸盐岩台地沉积环境，区内海水通畅且生命活动较强，发育厚层的生物碎屑滩。相对于此，陆上苏北盆地不但发育颗粒滩相的生屑灰岩、潟湖相的泥晶灰岩和潮坪相的鸟眼构造灰岩，局部还可见局限台地相的白云岩沉积[32]，可见这一沉积体系稳定延展，而海侵方向是由南黄海向西逐渐扩大的。

(4) 二叠纪阶段

早二叠世，研究区继承了石炭纪的古地貌和古地理格局，只是陆源碎屑供给有所增加，碳酸盐岩发育变弱，基本以浅海碎屑岩沉积为主。孤峰组沉积时期，海侵达到高潮[11]，形成了浅水陆棚沉积；到晚二叠世大隆组晚期逐渐海退，研究区再次演变为三角洲沉积体系(图2，7)并可能延伸至南侧的南部凹陷内[13]。

5 结论

(1) CSDP-2井上古生界取芯资料分析结果表明，南黄海盆地中部隆起区上古生界自上而下依次钻遇了三叠系青龙组、二叠系、石炭系、泥盆系，沉积建造既包含碎屑岩也包含碳酸盐岩，岩性多以泥岩、粉—细砂岩和灰岩为主，同时还可见白云岩及少量的角砾岩、硅质岩和煤。

(2) 南黄海盆地上古生界包括海相组和海陆过渡相组两大类沉积体系，其中，海陆过渡相组包括三角洲相、滨岸相和潮坪相；海相组主要为浅海陆棚相和碳酸盐岩台地相。

(3) 南黄海盆地中部隆起区晚古生代经历了由海相向海陆过渡相演变的沉积充填过程，包含两套海侵—海退沉积旋回。志留纪—泥盆纪，南黄海盆地从被动大陆边缘盆地向克拉通坳陷盆地转化，中部隆起区发育浅海相—海岸带潮坪沉积体系，为一个海退旋回；石炭纪开始海侵，沉积体系随之演化为碳酸盐岩潮坪—潟湖—颗粒滩沉积体系；二叠纪早期海侵最强，之后逐渐海退，形成了三角洲沉积体系。