蘇北東臺坳陷阜寧組沉積演化數(shù)模物源分析

韓元紅，徐旭輝，陸建林，朱建輝，彭金寧，武英利，邱岐，王東燕

1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無錫 214151 2.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，西安 710021

0 引言

蘇北盆地是我國南方陸上重要的含油氣盆地，古近系阜寧組是蘇北盆地重要生油層系和勘探目的層[1]。對于蘇北盆地油氣勘探及研究工作早在上世紀五十年代已經(jīng)展開，在近半個世紀的研究中取得顯著進展和豐富成果[2-7]。但是，由于阜寧組湖盆邊緣相缺失，加之阜寧期原型盆地是受控凹邊界斷裂所制約的箕狀斷陷，還是更廣闊發(fā)育的統(tǒng)一陸相湖盆，一直存在爭議，使得對于阜寧組物源的研究十分困難。目前，對于蘇北盆地東臺坳陷古近系碎屑巖物源一直存在爭議。邱旭明等[8]認為來自北或北東區(qū)域。徐田武等[9-10]通過重礦法和碎屑巖類分析法指出提出主物源來自于魯蘇隆起和通楊隆起，次級物源來自于建湖隆起。周健等[11]通過對高郵凹陷古近系戴南組物源分析認為低凸起提供物源。王軍等[12]通過碎屑巖巖屑類型分析，認為張八嶺隆起為古近系碎屑巖主要物源區(qū)。

層序地層學相關(guān)理論的得出和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展為數(shù)值模擬研究奠定了基礎(chǔ)。20世紀70年代以來，地層沉積演化數(shù)值模擬技術(shù)得到大力發(fā)展，2000年以后，出現(xiàn)了以法國石油研究院研發(fā)的DIONISOS和澳洲聯(lián)邦科學與工業(yè)組織Griffiths團隊研發(fā)的SEDISIM為代表的三維地層沉積演化模擬軟件。三維地層沉積演化數(shù)值模擬技術(shù)的優(yōu)勢在于不僅可以重現(xiàn)一定時期地層沉積演化過程，精細刻畫地層和巖相的時空展布，還可以驗證地質(zhì)模型及地質(zhì)推論的合理性。

本次研究嘗試運用三維地層沉積演化模擬技術(shù)，優(yōu)化選取各類模擬參數(shù)，以目前各流派物源觀點為依據(jù)，建立多組物源單因素對比模擬實驗，驗證各類物源觀點的合理性，討論蘇北盆地東臺坳陷阜寧組物源位置、方向及可能源區(qū)。

1 研究區(qū)概況

蘇北盆地位于江蘇省東北部，屬蘇北—南黃海盆地西部的陸上部分(圖1a)，總體走向北東，延伸長度大于260 km，面積約38 000 km2。蘇北盆地南北分別由東臺和鹽阜兩大坳陷組成，西北臨魯蘇隆起，南鄰?fù)〒P隆起(圖1b)，北部的濱海隆起與南黃海盆地的中部隆起相連。陸上的鹽阜坳陷、東臺坳陷向海域延伸與南黃海盆地南部坳陷相接。這些隆起、坳陷與海域的北部坳陷及陸上的建湖隆起共同組成了統(tǒng)一的蘇北—南黃海盆地。控制盆地發(fā)育演化的斷裂與隆起主要為嘉山響水斷裂、楊村斷裂、六合斷裂、江都—吳堡斷裂、海安—南港斷裂和建湖隆起。

圖1 蘇北盆地構(gòu)造位置與格架圖Fig.1 Map showing regional location and tectonic framework of Subei Basin

阜寧組位于泰州組之上，戴南組之下，并進一步劃分為四 個巖性段，自下而上分別為阜寧組一段(E1f1)、二段( E1f2) 、三段( E1f3) 和四段( E1f4) ，各巖性段之間大都為整合接觸。阜寧組整體由下而上呈砂—泥—砂—泥的韻律變化。

2 模擬方法及參數(shù)

先進可靠模擬方法的使用和優(yōu)化合理模擬參數(shù)的選取是搭建理想模型，獲取可靠結(jié)果的基礎(chǔ)。

2.1 模擬方法

本次研究借助DIONISOS展開對蘇北盆地東臺坳陷阜寧期的沉積演化模擬。 DIONOSOS是目前國際上最成熟的3D地層沉積演化正演模擬軟件，可以按照勘探或地質(zhì)評價的尺度，定量描述各類積環(huán)境下的碎屑巖系統(tǒng)盆地三維層序地層格架。它的優(yōu)點在于在層序地層分析的過程中，可以采用實驗的方法去考慮更多控制層序發(fā)育的因素，這有助于研究在地層概念模擬中體現(xiàn)不出來的或被假設(shè)的一些因素對層序的控制作用。DIONISOS中控制地層和巖相展布的因素主要包括三個方面，每一方面又由若干要素控制。第一方面為可容空間變化，主要受控于水平面變化和沉降。第二方面為沉積物供應(yīng)，要素包括物源位置、物源供應(yīng)速率、河流流量、碳酸鹽產(chǎn)率和剝蝕率。第三方面沉積物搬運，包括河流搬運、波浪搬運和重力流搬運三方面。近年來，利用DIONISOS 定量分析控制地層和沉積相展布的主控因素的論著十分常見[13-18]。

2.2 參數(shù)獲取

模擬成果的可靠性取決于地質(zhì)模型的合理性以及模擬參數(shù)的可靠性，本次研究經(jīng)過多次調(diào)試，多組對比模擬實驗的調(diào)試，選取合適合理的數(shù)據(jù)參數(shù)搭建模型，獲得最終模擬成果并進行討論。數(shù)據(jù)參數(shù)主要包括可容空間、沉積物供應(yīng)和沉積物搬運三方面。

本次研究選取了E1f2～E1f4為模擬層段。E1f1與E1f2之間的界面為構(gòu)造界面，是從地震剖面明顯識別所得的界面，而E1f2、E1f3、E1f4之間的界面為巖性界面，在地震剖面上沒有明顯可識別的界面，是由研究人員根據(jù)地質(zhì)錄井分層所得。因此，以E1f2～E1f4作為模擬研究層段，內(nèi)部連續(xù)性更強，可使模擬結(jié)果更可靠。以E1f2、E1f3和E1f4為主要目的層系討論物源，不影響結(jié)果分析。

2.2.1 可容空間

可容空間是指沉積物表面與沉積物基準面之間可供沉積物充填的所有空間。此次研究所用地層沉積演化模型中，可容空間主要參數(shù)包括起始水深、沉降和相對湖平面變化。

(1) 起始水深

起始水深決定著起始可容空間的大小，是模擬開始的關(guān)鍵。目前，對于古水深恢復(fù)大多是水深相對趨勢或半定量水深的嘗試。常用恢復(fù)方法：1)根據(jù)沉積相圖[19]；2)根據(jù)地層厚度圖[20]；3)根據(jù)古生物分布特征[21]；4)根據(jù)錄井資料，如自然伽馬[22]；5)元素地球化學方法[23]。本次研究模擬E1f2～E1f4的沉積演化過程，模擬起始水深即為E1f2沉積開始前湖泊水深。此次模擬所用的水深數(shù)據(jù)以地層厚度圖、前人研究所得沉積相圖(圖2a)、地球化學指標(V/V+Ni)面上等值線圖(圖2b)為依據(jù)，設(shè)置了東深西淺的水深(圖2c)。

(2) 阜寧組二段—阜寧組四段沉降

一定時期內(nèi)，沉降是影響盆地可容空間變化最重要的因素，控制著盆地內(nèi)沉積物供應(yīng)和搬運，從而決定著地層構(gòu)架和沉積演化。沉降包括構(gòu)造沉降和壓實沉降，本次模擬的層段為E1f2～E1f4，層內(nèi)部為巖性界面，沒有明顯的不整合面(剝蝕界面)，因此用壓實恢復(fù)過的原始地層厚度來表示盆地演化沉降。前期數(shù)據(jù)準備過程中，分別統(tǒng)計了E1f2(275口)、E1f3(514口)、E1f4(462口)鉆井殘余地層厚度(圖3)，并根據(jù)壓實曲線(圖4)進行壓實恢復(fù)作為沉降數(shù)據(jù)。

(3) 相對湖平面變化

相對湖平面變化是影響可容空間的另一重要因素。本次研究借鑒前人通過古生物等手段對湖平面升降和氣候周期性變化的分析[8]：E1f2和E1f4是全盆相對湖平面最大上升期，E1f4發(fā)生的湖平面上升(亦稱湖侵)的規(guī)模比E1f2大，E1f3中期具有局部性的或湖平面相對上升幅度較小的湖平面上升。模擬設(shè)置E1f2、E1f3和E1f4時間間隔分別是60.5～58 Ma，58～56 Ma和為56～55 Ma，設(shè)置相對湖平面變化如圖5。

圖2 模擬起始水深及其依據(jù)圖件a.阜二段沉積相圖[8]；b .V/V+Ni等值線圖；c.模擬起始水深Fig.2 Sedimentary facies(a), isoline of V/V+Ni(b) and its indicating inital bathymetry(c) of E1f2 in Dongtai depression, Subei Basin

圖3 蘇北盆地東臺坳陷E1f2、E1f3 和E1f4 殘余地層厚度圖Fig.3 Map showing stratum thickness of E1f2、E1f3 and E1f4 in Dongtai depression, Subei Basin

圖4 蘇北盆地東臺坳陷阜寧組孔深曲線Fig.4 Relation between porosity and depth of Funing Formation in Dongtai depression, Subei Basin

圖5 蘇北盆地E1f2 ～ E1f4相對湖平面變化[8]Fig.5 Changes of lacustrine level during E1f2 to E1f4, Subei Basin[8]

2.2.2 沉積物供應(yīng)

沉積物供應(yīng)是沉積演化過程的物質(zhì)基礎(chǔ)，主要包括物源供應(yīng)量、物源供應(yīng)位置和物源砂體組成三部分內(nèi)容。

(1) 物源供應(yīng)位置

本次模擬物源位置最終設(shè)定是在文獻資料的查閱、常規(guī)方法物源研究的基礎(chǔ)上，還進行了對比模擬，優(yōu)選選取，具體可見下文第三部分內(nèi)容的分析。最終模型設(shè)置了北東區(qū)域和西南張八嶺區(qū)域兩支物源，且模擬過程中E1f2～E1f4整個過程中物源供應(yīng)位置的設(shè)置保持不變。

(2) 物源供應(yīng)量

本次模擬按照E1f2、E1f3和E1f4三個階段進行物源輸入設(shè)置。上文統(tǒng)計所得E1f2、E1f3、E1f4的地層厚度，并經(jīng)過壓實矯正，得出原始地層厚度，并經(jīng)過“供應(yīng)量=平均地層厚度×面積”計算，得出每一時期總供應(yīng)量。同時，上文提到此次模擬設(shè)置物源兩支(北偏東一支和南西一支)，物源總供應(yīng)量按照常規(guī)方式研究所得扇體大小進行分配，西南支占35%，北東一支占65%。

(3) 物源巖性(砂體)組成

本次研究根據(jù)面上多口井阜寧組各層段巖性觀察，得出阜二、阜四泥巖為主，含少量粉砂和細砂巖。阜三段以砂巖為主，包括粉砂、細砂和中砂，泥巖含量少于阜二、阜四段。因此，本次模擬研究設(shè)置了砂，粉砂和泥三種碎屑巖類型。同時，此次模擬運用的是碎屑巖和砂巖混合系統(tǒng)，除了物源設(shè)置的碎屑巖物源外，還有自生灰?guī)r的生成。

碎屑巖組成隨著時間的不同設(shè)置不同。整體而言，阜三段砂巖含量最高，阜二和阜四泥巖含量相對較高。整個阜二段起始砂巖含量最高，隨后慢慢開始降低，阜四段僅在起始段含砂巖，后期基本全為泥巖。阜三段按照三分法的原則，分為三個旋回。

2.2.3 沉積物搬運

沉積物搬運由搬運系數(shù)、流量和坡度共同決定的。坡度是工區(qū)和地形的參數(shù)。流量是濃度的參數(shù)，在中國，濃度最小的河流在阿爾泰山脈，在旱季濃度為0.1 g/L。由于湖泊的擴散效應(yīng)，水下分流河道濃度應(yīng)低于0.1 g/L。因此，我們此次取值濃度為0.065 g/L。搬運系數(shù)由沉積物組成決定，沉積物組成參考各層段沉積相分析[8]。本次研究，物源供應(yīng)速率為0.36 km3/Ma，因此，河流流量為3.6 m3/s。

3 結(jié)果及驗證

在其他參數(shù)一定的條件下，通過不同物源方向的設(shè)定，模擬各流派物源方向條件的砂體展布特征，從而討論物源方向。同時，建立了以北部濱海隆起為物源的全盆地層沉積演化模型，討論中央建湖隆起是否為南部東臺坳陷提供物源。最終，以物源位置單因素對比模擬和全盆濱海物源模擬結(jié)果為參考，建立了以北偏東和南西兩支沉積物輸入的三維地層沉積演化模型，并將模擬結(jié)果進行了驗證。

3.1 物源位置單因素對比模擬

建立多組物源單因素對比模擬，模擬不同觀點物源設(shè)置下的沉積相展布特征，并將其與常規(guī)方法做出的沉積相展布圖對比分析，選擇最正確的物源作為本次模擬的物源方向，驗證物源。 以不同學者研究主張的不同物源方向為依據(jù)， 共設(shè)計了如表1所示的4組對比模擬，分別設(shè)定物源來自于N、SW、NE和NW方向的區(qū)域，且每組分別選用物源寬度為50 km和90 km進行模擬，各組對比模擬之間除物源方向有差異之外，其余參數(shù)均相同。

對比模擬得出砂體展布圖(圖6)，對應(yīng)上述表1中各組模擬，自左至右分別為物源來自于N、SW、NE和NW模擬所得，第一列均為物源寬度為50 km模擬所得砂巖展布圖，第二列則為物源寬度為90 km模擬所得砂巖展布圖。

表1 對比模擬設(shè)計一覽表

3.2 濱海隆起供源模擬

東臺坳陷阜寧組源區(qū)的確定一直是本區(qū)研究的難點問題，有部分研究者認為阜寧期東臺坳陷與鹽阜凹陷為統(tǒng)一的盆地，物源來自于北、北東區(qū)域，濱海隆起可能提供物源[8]，也有研究者[9-10]則認為建湖隆起提供物源。因此，建湖隆起在古近系對蘇北盆地鹽阜坳陷和東臺坳陷的分割作用大小，建湖隆起是否為其南部東臺坳陷就近提供物源，尚未得到有利的解釋。本研究設(shè)計了以濱海隆起作為物源區(qū)的全盆模擬，以期為這一爭議的問題提供依據(jù)。

全盆模擬所用參數(shù)獲取方式與東臺坳陷所獲參數(shù)一致， 模型設(shè)定建湖隆起和其他低凸起為水下隆起，設(shè)定物源來自于北部濱海隆起。

模擬得出若使得南部東臺坳陷有砂體的展布，物源量設(shè)置須不斷調(diào)試增大，使得足夠物源供應(yīng)。北部鹽阜坳陷將演變?yōu)殛懮喜糠?，阜三段水深演變?nèi)鐖D7所示。且砂體展布沿著湖盆北邊緣展布，很難得出與沉積相圖一致的砂體展布圖。

圖6 對比模擬所得蘇北盆地東臺坳陷阜三段砂巖展布Fig.6 Sandstone distribution of E1f3 in Dongtai depression, Subei Basin from the comparative simulation

圖7 濱海隆起為物源模擬得出全盆水深演化Fig.7 Bathymetry evolution of Subei Basin from simulation when material sources from Binhai uplift

3.3 北偏東和南西雙物源模擬

以物源位置單因素對比模擬和全盆濱海物源模擬結(jié)果為參考，模擬最終建立了以北偏東、南西兩支物源供應(yīng)的模型。最終模擬得到蘇北東臺坳陷E1f2～E1f4三維地層構(gòu)架(圖8)、剖面(圖8)、單層巖相圖(圖9a)和單井巖性柱狀圖(圖10)等。

3.4 模型驗證

鑒于沉積演化模擬一些參數(shù)本身存在一定的不確定性，例如水深只能基于沉積環(huán)境和沉積相分析等給出的相對特征值。目前國際上對于模擬結(jié)果的驗證多采用單井巖性對比和地層厚度而展開[19]。

選取自東至西6口井模擬所得單井巖性與實際錄井巖性進行對比(圖10)，得出單井巖性模擬所得與錄井巖性較為一致，模擬設(shè)置水深特征與實際錄井和測井特征匹配較好。拉平連井對比分析，得出地層厚度和旋回性也與實際地質(zhì)模型十分一致。另外，通過對模擬與實測單井地層厚度對比，得出地層厚度誤差值均在±10%以內(nèi)(表2)，在誤差范圍以內(nèi)。同時，模擬所得巖相圖(圖9a)與實測沉積相圖(圖9b)十分一致。綜合驗證了模擬的合理性。

表2 單井模擬與錄井地層厚度對比

圖8 模擬所得蘇北東臺坳陷E1f2～E1f4三維地層構(gòu)架Fig.8 3D strata structure of E1f2～E1f4 in Dongtai depression, Subei Basin

圖10 蘇北東臺坳陷E1f2～E1f4水深、巖性連井圖Fig.10 Bathymetry and lithology features of wells of E1f2～E1f4 in Dongtai depression, Subei Basin

4 討論

通過分析物源位置單因素對比模擬得出的砂體展布特征(圖6)，得出同位置方向的兩組模擬設(shè)置的物源寬度都足夠大，使得砂體可以在垂直物源流向方向上擴散到最大，故寬度只在較小程度上影響砂體展布特征，砂體整體展布特征主要由物源位置和方向控制。同時，分別將四組模擬所得阜三段砂巖展布特征(圖6)與前人常規(guī)分析研究所得阜三段沉積相圖(圖9b)對比分析，得出模擬所得第一(N)、三組(NE)砂體展布與沉積相圖北部三角洲前緣相較為符合，第三組最為相似，西南區(qū)域砂體展布規(guī)模小于第二組(SW)模擬所得砂體展布。第四組(NW)砂體展布與沉積相圖存在很大差異，故物源來自于北西區(qū)域的觀點不合理。因此，推測這一時期沉積物源主要來自于北偏東或北區(qū)域，另有部分來自于西南區(qū)域。

全盆以北部濱海隆起為物源，將中央建湖隆起作為水下隆起模擬，得出北部鹽阜坳陷逐漸被砂巖填充，演變?yōu)殛懮喜糠?。這與北部鹽阜坳陷阜寧組地層厚度與南部東臺坳陷較為一致，泥巖廣泛展布的沉積事實不符合。因此反證推測沉積物可能就近來自于中央建湖隆起。

基于物源位置單因素模擬和濱海隆起作為物源的模擬結(jié)果分析，最終建立了北偏東和南西雙物源模擬模型，得出模擬結(jié)果指示與地質(zhì)模型地層沉積特征吻合度高，且模型驗證顯示良好。

綜合上述三類模擬，推測蘇北盆地東臺坳陷阜寧組物源可能主要來自建湖隆起和西南區(qū)域張八嶺隆起。東臺坳陷阜三段砂巖沉積物粒度較細，整體以粉砂巖為主，可能與建湖隆起原始沉積物細粒有關(guān)。建湖隆起整體缺少阜寧組地層，以往對于其形態(tài)、規(guī)模及隆起時間等一無所知。由于蘇北盆地阜寧組砂體展布顯示出東部區(qū)域?qū)捛移希鞑空移碧卣?，誤導(dǎo)有人認為物源來自于湖盆北東部的南黃海區(qū)域，而結(jié)合本次模擬過程及結(jié)果認為砂體的這一展布特征可能與建湖隆起的位置、形態(tài)和規(guī)模有關(guān)，推測建湖隆起東部位置偏南，寬度較大，中西部位置偏北，寬度較窄，建湖隆起中西部高度較小，東部隆起高度遠大于中西部。蘇北盆地北部鹽阜坳陷物源來自于北部濱海隆起，而此次研究認為南部東臺坳陷物源來自于中央建湖隆起，推測當時蘇北盆地的構(gòu)造格局為建湖隆起分割南北，鹽阜坳陷和東臺坳陷在阜寧期相對獨立，各自有著相對獨立的物源供應(yīng)系統(tǒng)。

5 結(jié)論

通過三維地層沉積演化模擬驗證東臺坳陷阜寧組物源，認為蘇北盆地東臺坳陷阜寧組物源來自于坳陷北部建湖隆起和西南區(qū)域張八嶺隆起。蘇北盆地在阜寧期被建湖隆起分割，鹽阜坳陷和東臺坳陷相對獨立，各自有著相對獨立的物源供應(yīng)系統(tǒng)。