多物源體系控制下的沉積演化規(guī)律差異性
——以渤海灣盆地渤南洼陷南斜坡沙三中上亞段為例

安天下

(中國石化勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院,山東 東營 257001)

前人針對渤南洼陷南部斷階帶沙三中上亞段沉積體系已做過大量研究,多認(rèn)為沙三中上亞段的沉積體系為來自東部孤島及南部陳家莊凸起物源供給形成的重力流沉積體系。但該認(rèn)識存在3個問題:一是將上述兩個鄰近凸起解釋為物源供給區(qū),物源區(qū)規(guī)模與沉積體系規(guī)模不匹配;二是前人未明確解釋研究區(qū)墾西地壘形成時期及物源通道發(fā)育的特征;三是前人多以近源重力流對沉積相類型進(jìn)行解釋,與三級層序內(nèi)低位體系域多發(fā)育重力流沉積,高位體系域多發(fā)育牽引流沉積的規(guī)律不符。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤南洼陷位于濟(jì)陽坳陷北部沾化凹陷內(nèi),為北東走向、北陡南緩、東陡西緩、北斷南超的典型箕狀斷陷湖盆。北以埕南斷層為界與埕東凸起相連,西以義東斷層為界與義和莊凸起相鄰,南部緊鄰陳家莊凸起,東部以孤西斷層為界,與孤北洼陷相鄰[1]。地層自下而上發(fā)育孔店組、沙河街組、東營組;其中,沙河街組自下而上可分為沙河街組四段、沙河街組三段、沙河街組二段和沙河街組一段[2]。沙三段為主力含油層系之一,內(nèi)部各類沉積體勘探和認(rèn)識程度不同,中部洼陷帶濁積巖沉積體探明程度高,南部緩坡、北部陡坡沉積體發(fā)現(xiàn)儲量少,存在大量儲量空白區(qū)(圖1)。

2 不同砂組物源體系判識

2.1 物源方向判識方法及思路

2.1.1 判識方法

陳家莊凸起出露地層為寒武系—奧陶系,主要為變質(zhì)巖;而孤島凸起出露中生界,主要為巖漿巖。兩個凸起母巖出露巖性的差異將導(dǎo)致對應(yīng)沉積區(qū)的碎屑礦物含量、重礦物組合類型等差異。結(jié)合各種物源判識方法所需資料在研究區(qū)的豐富程度,選取了巖屑含量和特征元素比值分布模式兩種判識方法。

圖1 渤南洼陷區(qū)域構(gòu)造位置

2.1.2 判識思路

為實(shí)現(xiàn)渤南南部斷階帶沙三中上亞段沉積體系物源分析指標(biāo)與物源區(qū)的直接對比,選取東營北帶代表陳家莊物源、孤北洼陷西部地區(qū)代表孤島凸起物源;而對遠(yuǎn)源沉積主要選取與沾化凹陷相鄰的東營凹陷沙三段東營三角洲沉積體系為代表。利用上述兩種判識方法,分別將研究區(qū)與物源區(qū)代表進(jìn)行對比,來判識物源方向。

2.2 巖屑含量特征

砂巖碎屑組分特征是物源判識較常用的方法之一[3-5]。碎屑組分及其組合特征與物源區(qū)關(guān)系密切,在搬運(yùn)過程中,隨距離增加,碎屑組分中的石英含量逐漸增加,長石和巖屑的含量逐漸減少,巖石的成分、結(jié)構(gòu)成熟度增高,這是用碎屑組分特征分析物源區(qū)的理論基礎(chǔ)。母巖區(qū)及渤南地區(qū)40余口井的巖心樣品薄片,分別繪制了不同類型巖屑含量餅圖(圖2)。

2.2.1 母巖區(qū)不同類型巖屑含量特征

三個可能物源區(qū)代表區(qū)的不同類型巖屑含量特征可分為3類:第一類為東營北帶—陳家莊物源型,整體以變質(zhì)巖巖屑含量為主,含少量巖漿巖巖屑和沉積巖巖屑(圖2模式a);第二類為孤北洼陷—孤島物源型,主要以變質(zhì)巖巖屑和巖漿巖巖屑為主,但二者含量相當(dāng),含少量沉積巖巖屑(圖2模式b);第三類為東營三角洲—遠(yuǎn)源型,以變質(zhì)巖巖屑為主,但與陳家莊物源型相比,其巖漿巖巖屑和沉積巖巖屑要多(圖2模式c)。

模式a：東營北帶-陳家莊物源；模式b：孤北洼陷-孤島物源；模式c：東營三角洲-東南遠(yuǎn)源圖2 3個可能物源區(qū)不同類型巖屑含量特征

2.2.2 渤南南部斷階帶沙三中上亞段不同類型巖屑含量特征

圖3 渤南洼陷南部斷階帶不同類型巖屑百分含量

依據(jù)上述思路,對渤南洼陷南部斷階帶沙三中上亞段各砂組巖屑含量進(jìn)行系統(tǒng)分析,繪制出巖屑含量餅圖(圖3)。結(jié)果顯示,研究區(qū)不同類型巖屑含量特征同樣呈3種類型,并與3個可能物源區(qū)相似:第一種為9砂組出現(xiàn)較多的陳家莊物源型;第二種為沙三上亞段各砂組出現(xiàn)較多的孤島物源型;第三種為沙三中亞段8、6+7兩個砂組出現(xiàn)較多,與東營三角洲類似的遠(yuǎn)源型(圖3)。

從3個可能物源區(qū)與渤南洼陷南部斷階帶沙三中上亞段不同類型巖屑含量特征對比來看,研究區(qū)應(yīng)發(fā)育3個物源方向,東部孤島凸起物源、南部陳家莊凸起物源和東南方向遠(yuǎn)源。

2.3 特征元素特征

沉積物中的特征元素包括大部分主量元素和部分微量元素,某些特征元素化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定,主要受物源影響,相對獨(dú)立于沉積環(huán)境和成巖作用,在風(fēng)化剝蝕、搬運(yùn)、沉積、成巖過程中其含量基本保持不變,在物源區(qū)和沉積區(qū)具有一定可比性,可作為良好的物源指示元素[6-8]。特征元素比值分布模式指通過選取多個可靠的特征元素含量比值作為物源示蹤指標(biāo),繪制特征元素比值分布模式圖,根據(jù)沉積區(qū)與物源區(qū)特征元素比值分布模式的相似程度,判斷沉積物源方向。

2.3.1 特征元素含量比值的選取

特征元素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,在搬運(yùn)和沉積過程中其含量基本保持不變,相關(guān)性較好的兩種特征元素含量比值可作為物源對比的示蹤指標(biāo)。某些特征元素在搬運(yùn)、沉積和成巖過程中絕對含量會發(fā)生變化,但化學(xué)性質(zhì)相似性較好,具有一致的富集程度和富集規(guī)律,相對含量基本保持不變,選擇相關(guān)性較好的兩種元素求其含量比值同樣可作為物源對比的示蹤指標(biāo)。

2.3.2 特征元素比值分布模式

利用40余口代表井所測的Co、Ni、Mn、Fe、Mg、V、Al、Sr、Ca、Ba、Na、K共12種特征元素含量,分別計(jì)算Ni/Co、V/Co、Mg/Mn、Mn/Sr、Ba/Mn、Fe/K、Mg/Ca、Al/Na、Ba/Sr、Al/Mg含量比值,繪制每塊樣品特征元素比值分布模式。

2.3.3 母巖區(qū)特征元素比值分布模式

3個可能物源區(qū)特征元素比值分布模式顯示,可分為兩種類型:第一類為近源型,包括陳家莊物源型和孤島物源型,以東營北帶鹽100井和孤北地區(qū)孤北106井、孤北341井、義943井為例,兩個物源區(qū)特征元素比值分布模式均為“三峰式”,3個峰值對應(yīng)Mg/Mn、Ba/Mn、Al/Mg(圖4(a))。第二類為遠(yuǎn)源型,類似于東營三角洲,特征元素比值分布模式為“兩峰式”,與“三峰式”相比,缺少Ba/Mn對應(yīng)的峰值(圖4(b))。

圖4 三個可能物源區(qū)特征元素比值分布模式

2.3.4 沉積區(qū)特征元素比值分布模式

從渤南南部斷階帶沙三中上亞段特征元素比值分布模式分析來看,可分為3種類型。第一種為類似陳家莊物源和孤島物源的“三峰式”,以9砂組義140井和2+3砂組義139井為例;第二種為類似遠(yuǎn)源型(東營三角洲),以8砂組的義140井和6+7砂組的義137井為例;第三種為“兩峰、三峰混合式”,以4砂組墾625井為例(圖5)。

對比分析不同凸起物源區(qū)與渤南南部斷階帶沙三段特征元素含量可以看出,研究區(qū)除發(fā)育類似陳家莊和孤島型的“三峰式”以外,還發(fā)育了類似遠(yuǎn)源型的“兩峰式”,也進(jìn)一步說明了研究區(qū)發(fā)育三個物源方向。

2.4 物源方向特征

依據(jù)上述方法和思路,對3個三級層序各砂組進(jìn)行物源方向判識,明確了物源控制下各三級層序內(nèi)部充填演化序列[9]。

2.4.1 各三級層序內(nèi)物源特征

(1)沙三中亞段。9砂組為沙三中亞段三級層序的低位體系域,其不同類型巖屑含量特征主要為典型的陳家莊物源型,而特征元素比值分布模式為近源的“三峰式”,表明9砂組物源來自南部陳家莊凸起供給。

8、6+7砂組為沙三中亞段的湖侵和高位體系域,其內(nèi)部不同類型巖屑含量特征和特征元素比值分布模式均有兩種類型,一類是大面積砂體內(nèi)部發(fā)育的遠(yuǎn)源型,特征元素比值分布模式為“兩峰式”;另一類是靠近孤島凸起發(fā)育的孤島型,特征元素比值分布模式為“三峰式”,表明8、6+7兩個砂組主力砂體來自東南方向遠(yuǎn)源供給,而在靠近孤島凸起區(qū)域發(fā)育來自孤島的小規(guī)模物源。

圖5 各砂組特征元素比值分布模式

(2)沙三上亞段。5砂組為沙三上亞段三級層序的低位體系域,其不同類型巖屑含量主要為孤島型,特征元素比值分布模式為近源“三峰式”,表明物源來自孤島凸起。

4、2+3、0+1砂組作為沙三上亞段的湖侵和高位體系域,因受后期構(gòu)造抬升影響,各砂組在南部發(fā)生了不同程度剝蝕;殘留砂體的不同類型巖屑含量特征為遠(yuǎn)源和孤島兩種類型,而特征元素比值分布模式則發(fā)育了兩峰式、三峰式和混合式3種,說明這3個砂組的物源為遠(yuǎn)源和孤島復(fù)合物源供給特征。

2.4.2 各砂組物源演化規(guī)律

結(jié)合以上各三級層序各砂組物源方向判識結(jié)果分析可得,沙三中亞段沉積時期,低位域的9砂組沉積物源來自南部陳家莊物源,向上湖侵域和高位域的8、6+7砂組演化為東南方向遠(yuǎn)源供給,在靠近孤島凸起區(qū)域,發(fā)育孤島凸起的小規(guī)模物源;沙三上亞段沉積時期,低位域5砂組的物源來自東部孤島凸起,湖侵域和高位域4、2+3、0+1砂組物源演化為東南方向遠(yuǎn)源和孤島凸起物源復(fù)合供給。對于沙三中、上亞段,物源方向演化呈低位域?yàn)榻垂┙o,湖侵和高位域多演化為遠(yuǎn)源或復(fù)合物源供給特征。

3 不同砂組沉積相展布及演化規(guī)律

研究區(qū)沙三中上亞段發(fā)育多類沉積相標(biāo)志,從巖石類型來看,有含礫砂巖、細(xì)砂巖和灰色泥巖等;沉積構(gòu)造有泥巖撕裂、包卷層理、塊狀層理等構(gòu)造,粒度概率曲線以兩段式為主,C-M圖在R-P、P-O和O-N段均有分布。測井相標(biāo)志包括指型、漏斗型和箱型等,總體反映出牽引流和重力流并存的沉積性質(zhì)。

在物源認(rèn)識基礎(chǔ)上,綜合各類沉積相標(biāo)志,將研究區(qū)沙三中上亞段劃分為4種沉積類型:帶下切水道低位濁積扇、三角洲前緣亞相、近岸水下扇和濁積巖(圖6)。

3.1 沙三中亞段(6+7-9砂組)

沙三中沉積時期發(fā)育3套砂組,分別為9、8和6+7砂組。前人研究認(rèn)為,9砂組砂體為來自孤島凸起的濁積扇體。筆者認(rèn)為其為來自陳家莊凸起沿墾66井方向向北推進(jìn)的具有明顯下切水道的低位濁積扇體,發(fā)育沖刷面、遞變層理、塊狀層理和砂紋層理等沉積構(gòu)造,沿墾66井一帶NW向狹長溝谷地形呈狹長狀分布。由于后期構(gòu)造抬升,墾西地壘帶的砂體遭受剝蝕。

8、6+7砂組為沙三中頂部高位域砂體,從前面的物源體系分析認(rèn)為兩砂組有兩套物源體系,一套為來自為孤島凸起,在渤83、墾623井附近形成近岸水下扇;另一套則為來自東部的墾東凸起形成遠(yuǎn)源三角洲體系,該扇體從孤南216方向推進(jìn)至三合村地區(qū),沿羅353、義82方向向北推進(jìn),其前方發(fā)育滑塌濁積砂體。

3.2 沙三上亞段(0-5砂組)

5砂組沉積時期,湖水相對變淺,淺湖區(qū)明顯擴(kuò)大,南部為濱淺湖,北部為半深湖深湖相,主要物源方向?yàn)楣聧u凸起區(qū)北段,沉積類型為低位濁積扇。

0-4砂組沉積時期,湖水繼續(xù)變淺,深水區(qū)向北推進(jìn),物源方向主要來自東南方向遠(yuǎn)源和孤島凸起復(fù)合物源供給。從殘留砂體特征來看,砂體整體較薄,巖性較細(xì),泥巖顏色為灰色,沉積類型為復(fù)合物源供給形成的滑塌濁積巖。南部由于后期構(gòu)造抬升,主體部位剝蝕飴盡。

圖6 渤南洼陷南部斷階帶沙三中上亞段沉積體系特征

4 結(jié) 論

(1)渤南洼陷南部斷階帶沙三中上亞段發(fā)育陳家莊凸起、孤島凸起及東南方向遠(yuǎn)源3個物源方向。

(2)渤南洼陷南斜坡沙三中上亞段各砂組充填演化序列受物源方向控制:沙三中低位域9砂組為陳家莊凸起供給,高位體系域6-8砂組發(fā)育東南遠(yuǎn)源及小規(guī)模孤島物源供給;沙三上低位域5砂組為孤島物源供給,高位體系域0-4砂組為孤島、遠(yuǎn)源復(fù)合物源供給。

(3)渤南南部斷階帶沙三中上亞段主要發(fā)育帶下切水道的低位濁積扇、三角洲前緣、濁積巖、及近岸水下扇等4類沉積相。砂體發(fā)育規(guī)律主要受古物源、沉積相類型及后期構(gòu)造活動因素共同控制。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王艷忠,操應(yīng)長,李永新,等.渤南洼陷古近系深層有效儲層控制因素研究[J].天然氣地球科學(xué),2012,23(6):996-1003.

[2] 宋明水,張學(xué)才.濟(jì)陽坳陷渤南洼陷深層天然氣的地球化學(xué)特征及成因探討[J].天然氣地球科學(xué),2004,15(6):646- 675.

[3] 楊勇強(qiáng),邱隆偉,張博明,等.民豐洼陷古近系沙三中亞段物源體系研究[J].新疆石油地質(zhì),2009,30(3):307-310.

[4] 劉鵬,宋國奇,張揚(yáng),等.饒陽凹陷館陶組物源方向及其地質(zhì)意義[J].油氣地質(zhì)與采收率,2013,20(5):15-18.

[5] 李忠,王道軒,林偉,等.庫車坳陷中—新生界碎屑組分對物源類型及其構(gòu)造屬性的指示[J].巖石學(xué)報(bào),2004,20(3):655- 666.

[6] 劉杰,操應(yīng)長,樊太亮,等.東營凹陷民豐地區(qū)沙三段中下亞段物源體系及其控儲作用[J].中國地質(zhì),2014,41(4):1399-1410.

[7] 趙偉,邱隆偉,姜在興,等.濟(jì)陽坳陷民豐洼陷古近系沙河街組三段中亞段沉積相展布與演化[J].沉積學(xué)報(bào),2011,29(2):255-267.

[8] 操應(yīng)長,王艷忠,徐濤玉,等.特征元素比值在沉積物物源分析中的應(yīng)用:以東營凹陷王58井區(qū)沙四上亞段研究為例[J].沉積學(xué)報(bào),2007,25(2):230-238.

[9] 焦鵬,郭建華，張向濤，等.陸豐地區(qū)古近系思平組沉積演化特征及沉積模式[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,41(5):9-19.