南阳凹陷是中国东部典型的陆相断陷淡水湖盆,牛三门次凹为南阳凹陷东南部的一个次级凹陷,在古近系核桃园组发育厚层细粒沉积岩。核桃园组自上而下可以分为核一段(H₁)、核二段(H₂)、核三段(H₃),通过对岩心样品开展薄片、扫描电镜、矿物组分以及地球化学参数等实验分析,明确了细粒沉积岩相类型,揭示了核桃园组沉积环境,划分了A、B、C、D这4个演化阶段。结果表明:(1)核二段Ⅲ亚段—核三段Ⅰ亚段沉积环境以半深湖至深湖为主,古盐度整体偏低,呈现出淡水的特征,气候条件相对稳定,为湿润古气候。(2)依据矿物成分、沉积构造及粒度特征可将核二段Ⅲ亚段—核三段Ⅰ亚段细粒沉积岩划分为9种岩相,其中纹层状混合质页岩和纹层状长石石英页岩最为发育。(3)陆源输入和古生产力对岩相的垂向变化具有重要影响,云灰质含量主要受水体盐度影响,稳定的气候条件、较深的水体环境以及丰富的陆源输入有利于混合质纹层状细粒沉积岩发育。平面上牛三门次凹周缘为页岩油勘探有利区,纵向上阶段A和阶段C沉积地层是页岩油勘探有利层系。