渤海灣盆地東營凹陷南坡沙四上亞段灘壩沉積特征及控制因素

高 亮，孫 波，王延章

(1.中國石油大學(xué) 勝利學(xué)院 教學(xué)科研處，山東 東營 257061； 2.中國石化 勝利油田 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257015；3.中國石油大學(xué) 勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院，山東 東營 257061)

對于“灘砂”和“壩砂”沉積砂體，國外進行過深入研究，并逐步建立了灘壩體系的沉積模式[1-5]。多年來，國內(nèi)學(xué)者對灘壩砂體也進行了大量研究[6-15]，采用不同的手段，對其分類[6-8]、沉積特征[6,9-10,16-17]、地球物理特征[6,11-12,18]、分布發(fā)育規(guī)律[9-10,19]、成藏特征[13-14,19]等方面做了詳盡的研究，積累了豐富的經(jīng)驗。前人從古地貌、古物源、古水深和古水動力等因素入手，對灘壩砂體的成因進行了研究[6-7,13,20-21]，但從波浪與沿岸流的控制下研究灘壩成因的成果較少，論述也相對比較簡單[22]。本文結(jié)合前人的成果，以東營凹陷南坡東段沙河街組四段上亞段為目的層位，對灘壩的沉積特征及其控制因素展開研究，以期對陸相斷陷湖盆的灘壩成因研究提供借鑒。

1 地質(zhì)概況

東營凹陷為渤海灣盆地中一個受陳南斷裂控制的二級構(gòu)造單元，總體呈“北斷南超”的中新生代箕狀斷陷盆地(圖1)。凹陷南部緩坡帶南接廣饒凸起和濰北凸起，北部與牛莊、利津洼陷相接，東部為青坨子凸起，西部跨過青城凸起與惠民洼陷相接。純化草橋斷裂把牛莊洼陷和博興洼陷分開，該構(gòu)造帶東部(現(xiàn)河地區(qū))即為東營凹陷南斜坡東段，這是向東南方向抬起、向西北方向傾沒的大型斜坡。古近系沙四段，主要分為沙四上亞段和沙四下亞段，其中沙四上亞段是研究區(qū)灘壩主要發(fā)育層系，又可以分為純上、純下2個次亞段。根據(jù)其沉積特征及空間展布，純上進一步劃分為6個砂組，純下劃分為3個砂組。

2 灘壩砂體的沉積特征

2.1 灘壩砂體的區(qū)域展布

東營凹陷沙四段沉積中、晚期，南坡為濱淺湖沉積環(huán)境，湖泊面積逐漸增大，來自南部隆起河流攜帶的大量沉積物，或已經(jīng)沉積的三角洲相等近岸沉積物，經(jīng)湖浪和湖流改造，搬運至濱淺湖或水下高地的周圍形成灘壩。

在沙四上亞段純上、純下均有碎屑巖灘壩的發(fā)育，縱向上呈相互疊置現(xiàn)象。在西南部碎屑物物源較為匱乏的通40井區(qū)，則主要以碳酸鹽巖灘壩為主，且碳酸鹽巖灘壩的發(fā)育范圍自純下至純上有逐漸擴大的趨勢，與碎屑巖灘壩有此消彼長的現(xiàn)象。

2.2 灘壩砂體沉積特征及差異性

2.2.1 巖石學(xué)特征

碎屑巖灘壩以巖屑質(zhì)長石砂巖為主，局部可見長石質(zhì)巖屑砂巖、長石砂巖(圖2)；砂巖粒度以中—細砂和粉砂最常見，兼有泥巖、碳質(zhì)頁巖以及含生物碎屑的泥質(zhì)和灰質(zhì)，其中，重礦物含量較高，砂體儲層較發(fā)育，孔、滲性好。壩砂單層厚度大，一般在2 m以上，中—細粒；巖性以長石砂巖、巖屑質(zhì)長石砂巖居多，植物化石較少。灘砂的砂體單層厚度薄，一般在2 m以下，粒度以細砂、粉砂巖為主；巖性主要為巖屑質(zhì)長石砂巖、長石質(zhì)巖屑砂巖，泥巖夾層數(shù)量多，且砂泥巖頻繁互層，植物碎屑發(fā)育，炭屑可成層分布。

圖1 渤海灣盆地東營凹陷構(gòu)造簡圖Fig.1 Structural diagram of Dongying Sag,Bohai Bay Basin

圖2 渤海灣盆地東營凹陷南坡沙四上亞段砂巖分類三角圖解Fig.2 Trigonometric diagram of sandstones from the upper section of the fourth member of Shahejie Formation on the southern slope of Dongying Sag,Bohai Bay Basin

對巖石礦物成分的統(tǒng)計表明，研究區(qū)石英含量較高，一般在28%～61%，平均為43.7%，其中，凹陷邊緣沙四段石英含量較低，深洼陷區(qū)石英含量相對較高；長石含量一般在13%～47%，平均為34.1%；巖屑含量一般在5%～31%，平均為22.2%；重礦物有電氣石、鋯石、石榴石、金紅石、綠簾石等，種類較多。砂巖成分成熟度中等，結(jié)構(gòu)成熟度較高，反映了灘壩砂體近物源以及反復(fù)簸選的沉積特點。

碳酸鹽巖灘壩巖性主要有生物云巖、顆粒云巖、泥晶云巖、生物灰?guī)r、鮞?；?guī)r、微晶灰?guī)r、隱晶灰?guī)r、泥灰?guī)r等。其中，泥晶云巖、陸屑混雜白云巖、生物灰?guī)r、泥灰?guī)r等發(fā)育最好，分布最廣。

研究區(qū)還存在混積巖灘壩，因數(shù)量極少，本文不作論述。

2.2.2 粒度特征

碎屑灘壩砂體的粒度概率圖以斜率高，分選好，跳躍組分可分為2～3個次總體為特點(圖3)。與灘砂相比，壩砂粒度概率圖斜率更高，φ值更小，每段φ值跨度更窄。

研究區(qū)灘壩砂體的粒度概率曲線可以分為滾動、跳躍加懸浮式(圖3a)、高截點兩跳一懸式(圖3b)、低截點兩跳一懸式(圖3c)和多段式(圖3d)4種類型，其中前3種常見，多段式較少見。滾動、跳躍加懸浮式和低截點兩跳一懸式反映了強水動力條件下灘壩的沉積特征；多段式反映強水動力多向流沉積特征；高截點兩跳一懸式為水動力相對較弱、沉積水深最深時的沉積特征；高截點兩跳一懸式和低截點兩跳一懸式則是雙向水流條件下灘壩沉積特征。

2.3 灘壩砂體沉積特征識別

2.3.1 碎屑灘砂體的識別

發(fā)育于濱湖地帶的灘砂，常與岸線平行，平面上呈寬而薄的條帶狀或席狀，泥巖夾層發(fā)育，粒序多為向上變細的反韻律，但有時特征不明顯。低角度交錯層理、水流沙紋層理、浪成沙紋層理和潮汐層理常見，可見成層分布的炭屑。灘砂的近岸端，水動力弱處，常見成層分布的貝殼及完整的螺化石。測井曲線以指形為特征，幅度較高，反旋回；地震反射特征為振幅弱、主頻相對較高的復(fù)合波，呈席狀強反射。

圖3 渤海灣盆地東營凹陷南坡沙四上亞段灘壩砂巖粒度概率曲線Fig.3 Probability curves of particle size of beach-bar sandstones from the upper section of the fourth member of Shahejie Formation on the southern slope of Dongying Sag,Bohai Bay Basin

2.3.2 碎屑壩砂體的識別

常平行于湖岸發(fā)育的壩砂，形態(tài)以長條形或不規(guī)則橢圓形居多。剖面上多為反韻律，為幾米甚至更厚的砂巖與泥巖的互層，呈底平頂凸或雙凸型的透鏡體，粒序變化復(fù)雜。沉積構(gòu)造以發(fā)育浪成沙紋層理、脈狀層理、波狀層理、透鏡狀層理等多種波浪成因構(gòu)造為特征，亦常見楔狀交錯層理、平行層理、生物潛穴等。測井曲線呈反旋回，多為寬幅正向指形或齒化的漏斗形；地震反射特征為振幅相對較強、頻率相對較低的單波。

2.3.3 碳酸鹽巖灘壩的識別

沉積構(gòu)造以水平層理和生物層理為主，多見與泥巖或粉砂巖的薄互層現(xiàn)象。巖性主要有生物云巖、顆粒云巖、泥晶云巖、生物灰?guī)r、鮞?；?guī)r、微晶灰?guī)r、隱晶灰?guī)r和泥灰?guī)r等。其中，泥晶云巖、陸屑混雜白云巖、生物灰?guī)r和泥灰?guī)r等發(fā)育最好，分布最廣。生物灰?guī)r或生物云巖中的介形蟲以南星介最為典型，受藻類沉積成巖作用環(huán)境的影響，介形蟲殼壁已被方解石或白云石交代，石化較早，生物間孔極發(fā)育，經(jīng)溶蝕后形成高孔隙度儲集巖，含油性較好。巖性較為致密且微裂縫不發(fā)育的泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r的含油性較差。

3 灘壩砂體控制因素研究

3.1 古地貌對灘壩的控制作用

灘壩形成和發(fā)育程度取決于波浪作用的強弱。在岬角或水下高地發(fā)育地帶，波向線向岬角或水下高地轉(zhuǎn)彎，波能集中于岬角或高地周圍，流速快，搬運能力強，粒度粗、分選好的碎屑物質(zhì)大量搬運和沉積，有利于發(fā)育厚度大、分選好的壩砂和高能灘砂體；在峽谷或其他凹陷的相對深水區(qū)域，波浪發(fā)生折射而輻散，流速降低，搬運能力減弱，往往發(fā)育細粒沉積。

古地貌控砂作用主要表現(xiàn)在兩方面。一是斷陷湖盆緩坡帶坡度寬緩的宏觀地貌背景是大規(guī)模發(fā)育灘壩的底形條件，古坡度是影響灘壩大規(guī)模發(fā)育的主要因素。經(jīng)統(tǒng)計，該區(qū)灘壩多分布在坡度0.5°～2°間。二是微觀古地形高地及周緣有利于厚層灘、壩沉積。一些地區(qū)的古地貌特征為單一斜坡伴隨一系列低起伏，如東營凹陷南坡東段；另一些地區(qū)為多條同生斷層控制下形成的多個階地，表現(xiàn)為不同規(guī)模古地形隆起與洼槽相間的分布特征。這種復(fù)雜的地貌割據(jù)控制了灘、壩沉積平面上的厚度變化以及粒度、分選性的差異(圖4)。

圖4 渤海灣盆地東營凹陷王家崗構(gòu)造帶沙四上沉積時期古地貌與沉積體系分布Fig.4 Paleo land form and depositional system distribution during the deposition of the upper section of the fourth member of Shahejie Formationin Wangjiagang Tectonic Belt,Dongying Sag,Bohai Bay Basin

3.2 古物源提供灘壩沉積的物質(zhì)保障

3.2.1 碎屑顆粒類型及含量

通過統(tǒng)計全區(qū)22口井上百塊鑄體薄片所測得的石英、長石、巖漿巖巖屑、變質(zhì)巖巖屑和沉積巖巖屑的相對含量，繪制了每口井的平均含量分布柱狀圖。根據(jù)碎屑顆粒類型及含量的分析，觀察其在平面上的分布特點及相似性，可以大體劃分為2個區(qū)域范圍：南部魯西隆起和東北部青坨子凸起。魯西隆起物源區(qū)存在東南部和西南部2個物源供給方向，青坨子凸起物源區(qū)有一個物源供給方向。

3.2.2 物源供給指數(shù)的計算及其對沉積類型的控制

根據(jù)研究區(qū)的資料情況，采用砂地比、粒度分布、穩(wěn)定重礦物的含量、石英、長石和巖屑等礦物的含量這4個指標(biāo)，分別賦權(quán)重為2，1，-1，-2，進行加權(quán)平均，可求得物源供給指數(shù)。由于各個指標(biāo)存在較大的差別，其絕對值、數(shù)量級也存在不同，首先采用歸一化方法對其進行統(tǒng)計。在此基礎(chǔ)上，進一步研究沉積盆地物源供給指數(shù)的分配關(guān)系及其對沉積的控制作用。通過物源供給指數(shù)與古地貌匹配對沉積的控制作用可以看出，在湖平面之上由于物源供給指數(shù)的不同，主要發(fā)育河流和沖積扇。在水下隆起，當(dāng)物源供給指數(shù)小于0.6時以發(fā)育碳酸鹽巖灘壩為主，在大于0.6的區(qū)域以發(fā)育三角洲為主。在水下斜坡區(qū)和水下洼地，當(dāng)物源供給指數(shù)大于0.6時以發(fā)育三角洲為主，介于0.4～0.6時主要發(fā)育砂巖灘壩，介于0.2～0.4時發(fā)育混合灘壩，小于0.2時發(fā)育碳酸鹽巖灘壩。

3.3 古水深與古水動力影響灘壩分布范圍

3.3.1 古水深恢復(fù)

古水深恢復(fù)工作主要采用了元素分析法與錄井、巖心觀察相結(jié)合來確定。

K、Ca、Sr等元素在淺水區(qū)處于過飽和，含量較高；在深水區(qū)處于不飽和而含量較低，因此這些元素從淺水向深水含量逐漸減少。從沙四上亞段元素的平面分布情況看(圖5a)，中南部王35—王100井區(qū)Ca含量較高，反映了這些地區(qū)水體較淺；北部Ca的含量較低，說明這些區(qū)域水體較深。從沙四上亞段純上鍶的平面分布情況來看(圖5a)，中南部含量較高，水體較淺，北部含量較低，水體較深；純下沉積時期，水深特征與之類似(圖5b)。

結(jié)合錄井資料，濱湖泥巖顏色以淺綠色為主，淺湖泥巖顏色以灰色和淺灰色為主，半深湖泥巖顏色以深灰色為主。半深湖地區(qū)沙四下亞段大多存在鹽膏沉積。從巖性標(biāo)志來看，濱淺湖層理較發(fā)育，以交錯層理、浪成沙紋層理、波狀層理為主，在半深湖則主要以水平層理為主。

根據(jù)灘壩砂體的厚度確定沖刷—回流帶為水深0～2 m，校正后為0～4.5 m；碎浪帶水深為2～4 m，校正后為4.5～12.5 m；破浪帶水深為4～5.5 m，校正后為12.5～17 m；正常浪基面水深為17 m，風(fēng)暴浪基面水深為20 m，東營凹陷王家崗斷裂帶及南部在沙四上沉積時期總體屬于濱淺湖環(huán)境。

3.3.2 古水動力控制灘壩橫向展布

向岸流、沿岸流、向湖流、濱岸流構(gòu)成了濱岸環(huán)流系統(tǒng)。向岸流發(fā)育區(qū)是灘壩砂體的沉積區(qū)域，厚層粗粒的壩砂主要形成于破浪帶；沿岸流發(fā)育區(qū)是薄層細粒灘砂沉積區(qū)；垂直岸線的溝槽或低洼地帶是攜帶細粒沉積物的向湖流回流深水區(qū)域的通道，以沖刷作用為主。

根據(jù)東營凹陷南坡東段沙四上亞段純下3砂組沉積時期古水流特征、沉積物分布、湖盆形態(tài)等綜合分析，利用地層傾角測井方法推測古水流方向及沉積物分布區(qū)域(圖6)。位于碎屑巖灘壩沉積區(qū)中部的王94井古水流存在多個方向，反映了復(fù)雜的濱岸環(huán)流特征，其中SE向的一組為向岸方向，推測為向岸流的作用方向；NE-SW向的兩組與湖盆岸線的走向大致平行，推測為沿岸流和濱岸流作用方向；NNW、NWW的兩組為向湖方向，推測為向湖流作用方向。又如王112井和面5井，灘壩砂體走向與沿岸流的方向基本一致。在距離湖盆較近且遠離物源供給地的井區(qū)，如官101、王107和王126井，其恢復(fù)的古水流方向大多比較簡單一致，為1～2個方向，以向岸流和濱岸流為主。在遠離湖盆且距離物源供給地較近的井區(qū)，如王94、萊深1井，其恢復(fù)的古水流方向大多比較復(fù)雜，這反映了距岸較近的區(qū)域多個水流方向相互作用的現(xiàn)象，有利于碎屑巖灘壩砂體的疊置發(fā)育。

圖5 渤海灣盆地東營凹陷南坡沙四上亞段鈣、鍶元素含量平面分布Fig.5 Calcium and strontium contents of the upper section of the fourth member of Shahejie Formation on the southern slope of Dongying Sag,Bohai Bay Basin

圖6 渤海灣盆地東營凹陷南坡沙四上亞段純下3砂組沉積期古水流方向與沉積體系分布Fig.6 Distribution of paleo currents and depositional systems of the no.3 sand group in Chunxia time on the southern slope of Dongying Sag,Bohai Bay Basin

斷陷盆地緩坡帶是大規(guī)模的平緩地形，古坡度多分布在0.5°～2°之間，深水區(qū)微觀古地形高地發(fā)育，古物源供給充足，持續(xù)的強水動力濱岸環(huán)流系統(tǒng)，這些條件的良好匹配，使沙四上亞段成為東營凹陷灘壩最發(fā)育的層段。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)灘壩砂體粒度以中—細砂和粉砂最常見，重礦物含量高。壩砂的砂巖沉積厚度大，粒度較粗；灘砂的砂體沉積厚度薄、粒度細，泥巖夾層數(shù)量較多。

(2)研究區(qū)灘壩主要發(fā)育在古地貌的水下高地位置，受水動力作用控制砂體橫向分異，在物源供給較充足的地區(qū)發(fā)育碎屑巖灘壩，平面上呈連片分布，縱向上呈相互疊置現(xiàn)象；在物源較為匱乏的地區(qū)則主要以碳酸鹽巖灘壩為主，其發(fā)育范圍自純下至純上有逐漸擴大的趨勢，與碎屑巖灘壩有此消彼長的現(xiàn)象。

(3)古地貌控砂作用主要表現(xiàn)為：①斷陷湖盆緩坡帶坡度寬緩的宏觀古地貌背景是大規(guī)模發(fā)育灘壩的底形條件。其中古坡度是影響灘壩大規(guī)模發(fā)育的主要因素，研究區(qū)灘壩多分布在古地形坡度0.5°～2°之間；②微觀古地形高地及周緣有利于厚層灘、壩沉積。

(4)古物源是灘壩沉積的物質(zhì)保障，在水下斜坡區(qū)和水下洼地，當(dāng)物源供給指數(shù)介于0.4～0.6時主要發(fā)育砂巖灘壩，0.2～0.4時發(fā)育混合灘壩，小于0.2時發(fā)育碳酸鹽巖灘壩。