A/S 對斷陷湖盆三角洲時空演化的控制及數值模擬
——以珠江口盆地陸豐22 洼古近系文昌組為例

張 威，李 磊，邱欣衛(wèi)，龔廣傳，程琳燕，高毅凡，楊志鵬，楊 蕾

（1.西安石油大學地球科學與工程學院，西安 710065；2.陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，西安 710065；3.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，深圳 518000；4.中國石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北任丘062550）

0 引言

在斷陷湖盆演化的過程中，受同沉積斷層多期活動、可容空間和水深變化的共同影響，在湖盆內部會發(fā)育多種類型的三角洲沉積體系［1-3］。在我國多個陸相含油氣盆地的研究中均發(fā)現了大量的三角洲沉積體系，而且是重要的油氣聚集帶，勘探潛力巨大［4-7］。近年來，眾多學者對三角洲地震沉積學特征進行了研究，不同類型的地震反射特征反映了不同的三角洲沉積［8-9］。Liu 等［10］提出在湖相裂陷盆地中，構造活動與沉積物供應、可容空間及沉積區(qū)形態(tài)密切相關，并確定了3 種不同構造活動速率對三角洲發(fā)育的不同影響。三角洲的類型及沉積演化特征也是沉積學和石油地質學研究的熱點。

珠江口盆地陸豐凹陷早期的油氣勘探集中于新近系韓江組和珠江組，隨著勘探的深入，下部的古近系恩平組和文昌組逐漸成為勘探重點［11］。葛家旺等［12］以陸豐凹陷恩平組為例，指出在湖盆從發(fā)育到消亡的演變過程中，可容空間與沉積物供給的比值（A/S）及水深的變化可以表現在三角洲不同的地震反射結構、沉積特征和地震地貌中。近年來在陸豐凹陷恩平組發(fā)現多個油藏，油氣勘探潛力巨大［13］。陸豐凹陷古近系文昌組埋深超過3 000 m，勘探成本高，除陸豐13 洼勘探程度較高，為已證實的富烴洼陷外［13-14］，其余洼陷勘探程度均較低，且鉆井資料較少，斷陷湖盆三角洲時空演化與A/S的關系尚不明確。因此，以典型斷陷湖盆珠江口盆地陸豐凹陷陸豐22 洼文昌組為例，利用高分辨率三維地震資料和鉆測井資料，基于層序地層學、沉積學理論與技術，結合地震反射特征、巖電特征和沉積旋回特征，建立等時地層格架，并對前積地震相類型、三角洲沉積特征及時空演化規(guī)律進行分析，探索A/S對斷陷湖盆三角洲時空演化的控制作用，以期為珠江口盆地陸豐凹陷的油氣進一步精細勘探提供地質依據。

1 地質概況

珠江口盆地是在被動大陸邊緣發(fā)育起來的新生代裂陷盆地［15］，經歷了先斷后坳的構造演化過程［16］，由北向南分為5 個構造單元，分別是北部隆起帶、北部坳陷帶、中央隆起帶、南部坳陷帶和南部隆起帶。陸豐凹陷位于珠江口盆地北部隆起帶東部（圖1a），面積為7 760 km2，發(fā)育多個次級洼陷，其中陸豐13 洼和陸豐15 洼為已證實的富烴洼陷［11］。研究區(qū)陸豐22 洼位于陸豐凹陷最南部，勘探程度較低（圖1b）。珠江口盆地的構造演化經歷了裂陷、坳陷和塊斷活化3 個階段［10］，在新生代經歷珠瓊一幕和珠瓊二幕等大型構造運動（地震標志層分別為Tg 和T80），其中珠瓊一幕到珠瓊二幕為早期裂陷Ⅰ幕，文昌組由老到新經歷了強斷陷期和弱斷陷期2 個構造演化階段。珠江口盆地自下而上發(fā)育了神狐組、文昌組、恩平組、珠海組、珠江組、韓江組、粵海組和萬山組［11，14］，由于陸豐凹陷缺失神狐組，文昌組形成于強裂陷期，不整合或假整合于前古近系基底上。研究區(qū)文昌組巖性以厚層灰色泥巖為主，早期發(fā)育部分綠色玄武巖和砂巖，頂部為灰色泥巖夾砂巖（圖1c）。

研究區(qū)高精度三維地震資料覆蓋整個工區(qū)（圖1b），目標層位精細解釋網格為10×10（CDP），CDP 間隔為12.5 m，頻帶為8～60 Hz，主頻約25 Hz。目的層平均速度約2 400 m/s，垂向分辨率取1/4 波長，約25 m。該區(qū)巖性錄井資料、自然伽馬、聲波時差和密度測井曲線齊全，且質量均較好。

2 層序地層劃分與格架建立

不同級別層序地層界面識別是建立層序地層格架的基礎［1，17］。通過對珠江口盆地陸豐凹陷陸豐22 洼三維地震資料的精細解釋，利用識別出的上超、下超、削截、頂超等典型地震反射接觸關系，結合鉆測井、巖心、地球化學及古生物資料等，建立了該區(qū)文昌組層序地層格架。

在研究區(qū)文昌組識別出6 個層序界面，自下而上對應的反射標志層分別為Tg，T85，T84，T83，T82和T80。Tg 界面是陸豐22 洼的基底界面，為一級層序界面，是珠瓊一幕構造運動形成的區(qū)域不整合面［17］，分隔了基底和古近系沉積地層，在洼陷北部表現為中—強振幅、高連續(xù)性的反射特征，南部表現為中振幅、中連續(xù)性的反射特征；該界面之上的文昌組地層成層性較好，局部上超，界面之下地震相特征為弱振幅、中頻、低連續(xù)性的雜亂反射，可見明顯的削截現象。T80 界面將研究區(qū)裂陷期分為恩平組和文昌組，為二級層序界面，是構造幕的轉換界面，反映了盆地區(qū)域性的構造運動［17］，從地震剖面上可以看出T80 界面具有廣泛上超和明顯削截的特征（圖2a）。Tg 和T80 界面中間的文昌組整體呈楔狀，洼陷北部控洼斷層處地層較厚，向南部緩坡帶逐漸減?。▓D2b）。

T85，T84，T83 和T82 是研究區(qū)文昌組內部的4個三級層序界面，常受次級構造作用的影響［17］，不整合范圍有限，在地震剖面上表現為中—強振幅和較好的連續(xù)性，并存在上超和削截現象（圖2a），同時界面上下地震相存在差異。文昌組內部T85 界面之上存在上超現象，界面之下可見局部削截，地震相特征為弱—中振幅、低頻、中連續(xù)性反射。T84界面可見上超現象，局部有不整合接觸，GR測井曲線從漏斗形和高幅度箱形變?yōu)榈头绕街睜?，巖性由大段砂巖轉變?yōu)檎文鄮r。T83 界面之上可見上超，有不整合接觸，存在削截現象，在地震剖面上表現為中—強振幅、較為連續(xù)的反射特征。T82 界面之上可見上超，界面之下存在頂超，從測井巖性資料上（圖2c）可以看出，界面之下為薄層砂泥互層，界面之上為厚層砂巖夾藍色鈣質粉砂巖和灰色泥巖，差異明顯。

通過對以上層序界面的識別，結合研究區(qū)構造演化特征和測井曲線的變化特征等，將陸豐22洼文昌組從底部到頂部依次劃分為SQ1，SQ2，SQ3，SQ4和SQ5+6 層序，分別對應文昌組文六段至文一+二段，組成了文昌組完整的三級層序格架。

3 湖盆沉積體系演化規(guī)律

3.1 地震相類型及分布特征

地震相是指在某一范圍內分布的外部形態(tài)和內部結構均不同于相鄰單元的地震反射單元［18-19］。通過識別不同地震反射單元的結構和構型，在陸豐22洼古近系文昌組識別出4 種地震前積反射類型：雜亂前積相（FS1）（圖3a）、下超前積相（FS2）（圖3b）、斜交前積相（FS3）（圖3c）和疊瓦前積相（FS4）（圖3d），并分析了這4 種地震前積反射類型鉆井標定對應的三角洲沉積時空分布特征。

下文昌組沉積期，即SQ1，SQ2 和SQ3 層序沉積期，陸豐22 洼以發(fā)育FS1 和FS2 地震相為主。SQ1和SQ2 層序沉積期對應區(qū)內強斷陷早期階段，其中SQ1 層序沉積期，陸豐22 洼邊界斷層開始活動，在斷層下降盤發(fā)育FS1 地震相，洼陷西南部、南部緩坡帶及東南部均可見FS2 地震相大面積分布；SQ2 層序沉積期，控洼斷層活動速率增大，洼陷范圍擴大，在主干斷層下降盤發(fā)育FS1 地震相，洼陷南部緩坡帶發(fā)育大面積FS2 地震相，且延伸較遠。SQ3 層序沉積期，洼陷北部陡坡帶發(fā)育FS1 地震相，在均方根振幅地層切片上可見多個朵狀體，均方根振幅向前積方向逐漸增強，延伸距離可達4～5 km（圖4a）。

上文昌組沉積期，即SQ4 和SQ5+6 層序沉積期，陸豐22 洼以發(fā)育FS3 和FS4 地震相為主，有少量FS1 和FS2 地震相分布于洼陷北部。SQ4 層序沉積期，研究區(qū)進入弱斷陷期，裂陷作用開始減弱，洼陷東北部控洼斷層下降盤發(fā)育FS1 地震相，規(guī)模較?。晃鞅辈堪l(fā)育FS2 地震相，從均方根振幅地層切片上可以看出規(guī)模較大，延伸距離為5～6 km；東南部和南部緩坡發(fā)育FS3 和FS4 地震相，分布較大范圍的樹枝狀振幅異常體，且延伸距離遠（圖4b）。SQ5+6 層序沉積期為斷陷晚期，斷層基本停止活動，洼陷東北部發(fā)育FS2 地震相，南部發(fā)育大面積FS3 和FS4 地震相，向洼陷中心延伸較遠。

3.2 沉積體系展布特征

根據地震相分析，結合鉆測井和巖心資料，對陸豐22 洼文昌組沉積體系進行研究，分析并總結了文昌組沉積期三角洲演化規(guī)律。

下文昌組沉積期：SQ1 層序沉積期，陸豐22 洼處于強斷陷階段早期，北部邊界控洼斷層開始活動，洼陷可容空間大，同時被來自東沙隆起的物源迅速充填，在洼陷北部陡坡帶發(fā)育扇三角洲體系。SQ2 層序沉積期，邊界斷層活動速率增大，洼陷范圍擴大，扇三角洲規(guī)模增大，且向前延伸；東南側和西南側的東沙隆起供源能力強，辮狀河三角洲沉積發(fā)育，規(guī)模有所擴大，且延伸距離變遠；洼陷中央發(fā)育小范圍半深湖—深湖相沉積。SQ3 層序沉積期，斷層持續(xù)活動，形成較大的可容空間，物源供給減少，洼陷整體處于欠充填階段；三角洲向東沙隆起物源區(qū)后退，洼陷北部邊界斷層形成厚度較大的近源扇三角洲沉積；東南部緩坡辮狀河三角洲規(guī)模有所減小，面積較?。▓D4c），該時期研究區(qū)廣泛發(fā)育半深湖—深湖相沉積，鉆井巖性資料揭示SQ3 層序地層發(fā)育大段泥巖，是文昌組的優(yōu)質烴源巖。

上文昌組沉積期：SQ4 層序沉積期，裂陷作用減弱，斷層活動性逐漸變弱，洼陷可容空間減小，半深湖—深湖面積迅速減小，洼陷整體處于欠充填或平衡充填階段。洼陷北部控洼斷層陡坡區(qū)扇三角洲發(fā)育規(guī)模減小甚至不發(fā)育；西北部發(fā)育一定規(guī)模的辮狀河三角洲；在南部和東南部緩坡帶，來自東沙隆起的物源形成了大范圍的辮狀河三角洲沉積體系，水體較淺，向前延伸距離較遠（圖4d）。SQ5+6層序沉積期，洼陷處于弱斷陷后期，斷層活動接近停止，湖水深度變淺。該時期洼陷可容空間極低，處于過充填階段，砂體將洼陷逐漸填滿，洼陷內整體發(fā)育大規(guī)模的辮狀河三角洲沉積，南部緩坡三角洲向區(qū)內延伸最遠。

3.3 A/S 與湖盆演化的關系

在斷陷湖盆三角洲演化過程中，構造活動、湖平面波動和氣候變化等因素會對三角洲的形成產生影響，盆地沉積地層的形態(tài)與沉積樣式主要受構造活動控制，包括同沉積斷層活動、差異沉降等［20］。在斷陷湖盆中，A/S是湖盆三角洲演化重要的控制因素，其與地震前積結構及盆地形態(tài)存在響應關系［12］，控洼斷層空間活動的變化導致洼陷周緣地形的差異，造成充填樣式的不同，形成不同特征類型的前積反射，進而在湖盆的演化過程中形成不同的三角洲沉積體系。T83 轉換界面將陸豐22 洼文昌組分為下文昌組和上文昌組2 個部分，標志著湖盆由鼎盛發(fā)育走向逐漸萎縮。因此，通過分析T83 不整合界面上、下的SQ4 和SQ3 層序地層的構造形態(tài)與充填特征、沉積體系等方面差異，探討A/S的變化對斷陷湖盆三角洲時空演化的影響。

3.3.1 構造形態(tài)與充填特征差異

SQ3 層序沉積期，陸豐22 洼整體處于強斷陷期。對3 處控洼斷層F22 西、F22 中和F22 東各時期凈沉降量的統(tǒng)計結果（圖5）表明，該時期控洼斷層活動強度大，洼陷形成較大的可容空間，來自北部東沙隆起的物源在洼陷北部陡坡帶形成大套近岸扇三角洲體系，該時期A/S＞1。地層整體呈楔狀減薄，受斷裂控制，向斷裂方向增厚，表明為斷裂活動與沉積過程同時發(fā)生的斷陷沉積層。洼陷邊緣沉積體呈下超前積充填特征，以發(fā)育FS1 和FS2 地震相為主，表現為中—強振幅、低頻、連續(xù)性好的反射特征，局部表現為雜亂反射，且前積遷移軌跡具有向洼陷邊緣、向上遷移的特征。SQ4 層序沉積期，洼陷整體處于弱斷陷期，斷層活動減弱，可容空間較小，北部物源形成扇三角洲體系向前推進，南部和東部緩坡帶形成延伸距離遠、覆蓋范圍廣的辮狀河三角洲體系，該時期A/S≤1。地層從北部斷層根部到南部有減薄趨勢，但整體與SQ3 層序地層相比，地層厚度大幅減小，表明為弱斷陷期階段的沉積層。洼陷沉積體呈下超和斜交前積充填特征，以發(fā)育FS2 和FS3 地震相為主，表現為中弱振幅、中—高頻率、低連續(xù)的反射特征，且前積遷移軌跡具有向洼陷內部、向水平或向下遷移的特征。

3.3.2 沉積體系特征差異

A/S的變化對湖盆三角洲沉積體系發(fā)育特征具有重要影響。鉆井資料顯示，SQ3 層序發(fā)育大段灰褐色泥巖，為半深湖—深湖沉積。SQ4 層序底部為細砂巖夾粉砂質泥巖，為三角洲前緣亞相，中部發(fā)育半深湖—深湖相灰褐色泥巖沉積，頂部為大段砂泥互層，與SQ3層序相比，砂泥比逐漸增大，三角洲相發(fā)育。沉積巖中的黏土礦物含量及其組合的變化規(guī)律能夠指示盆地的古氣候特征［21］。SQ3 層序沉積期，伊利石含量較高，高嶺石和伊蒙混層含量低，古水深較大，說明該時期處于干燥寒冷氣候。SQ4層序沉積期，伊利石含量較前期有很明顯減少，高嶺石含量增多，湖水深度降低，氣候變得溫暖濕潤，洼陷范圍進一步擴大。

地震振幅屬性是刻畫沉積體系分布和演化的一種有效方法［8，12］。葛家旺等［12］對陸豐凹陷恩平組砂地比與均方根振幅屬性之間的關系進行統(tǒng)計后得出，當RMS 為低值時，含砂率較高，多為三角洲平原和前緣沉積；當RMS 為高值時，含砂率較低，為泥質較多的前三角洲亞相或半深湖—深湖相沉積。SQ3 層序沉積期，洼陷北部沿控洼斷層發(fā)育大段近源振幅異常朵體，延伸較短，洼陷東部及東南部發(fā)育遠源振幅異常朵體，向洼陷內部推進10～15 km，面積為200～240 km2，洼陷其余的大部分地區(qū)表現為中—強RMS 振幅（參見圖4a），說明該時期洼陷廣泛發(fā)育湖相泥巖沉積。SQ4 層序時期，洼陷東部近半區(qū)域發(fā)育大套低RMS 振幅異常朵體（參見圖4b），相比于SQ3 層序沉積期，其向洼陷中心延伸距離更遠，可達43 km，面積更大，約為800 km2，對應辮狀河三角洲沉積體系。

總體來說，SQ3 和SQ4 層序沉積體系具有明顯差異。SQ3 層序沉積期，A/S＞1，洼陷北部陡坡發(fā)育近岸扇三角洲體系，東部和東南部緩坡地區(qū)發(fā)育辮狀河三角洲體系，中心及南部地區(qū)以湖相沉積為主，發(fā)育大面積半深湖—深湖沉積。SQ4 層序沉積期，洼陷邊界斷層活動性減小，A/S≤1，洼陷北部扇三角洲范圍向物源區(qū)縮小，南部和東部地區(qū)辮狀河三角洲沉積體系發(fā)育規(guī)模增大，半深湖—深湖面積大幅度減小，濱淺湖體系廣泛發(fā)育。

4 沉積數值模擬

為了探索A/S對湖盆三角洲演化的控制作用，利用三維地層模擬軟件系統(tǒng)Dionisos 對陸豐22 洼古近系文昌組SQ3 和SQ4 層序地層開展數值模擬，進而分析該區(qū)文昌組三角洲時空演化規(guī)律。

4.1 模擬參數設置

選擇模擬工區(qū)長29 km，寬13 km，平面網格間距為0.2 km。模擬目的層段為文昌組SQ3 和SQ4層序，沉積時間為41.5～46.0 Ma，總時長為4.5 Ma，時間步長為0.05 Ma，巖性設置為砂巖、粉砂巖和泥巖。Dionisos 軟件的核心是用來描述非穩(wěn)態(tài)過程的Fick 第二定律，即沉積物搬運的擴散方程［22］。該定律可以在長時間跨度和大尺度下描述自然界的沉積過程，進而模擬盆地在沉積過程中充填樣式的演化［23］。模擬時在軟件中需要3 個主要參數：可容空間、沉積物供應和搬運方式。

4.1.1 可容空間

可容空間是指可供潛在沉積物充填的全部空間，包括沉積地層和初始可容空間，而且隨著年代發(fā)生變化，可容空間受控于盆地不同地質時期的基底沉降、抬升和湖平面的變化［24］?？扇菘臻g對沉積物進積、退積和加積的幅度具有控制作用，可以影響盆地沉積物的分布和沉積地層的疊置樣式。

斷陷湖盆可容空間的大小可以通過湖盆的構造沉降量和面積［10］來確定：

式中：AT為可容空間，km3；TS為構造沉降量，m；SA為面積，km2。

由式（1）可得出，研究區(qū)SQ3 層序沉積期的可容空間為674 km3，SQ4 層序沉積期的可容空間為401 km3。

斷陷湖盆中心充滿沉積物，中心地層較厚而邊緣較薄，因此厚度變化趨勢可以反映水深變化趨勢［25］。厚地層表示相對深水，砂泥比較??；薄地層表示淺水，砂泥比較大。結合陸豐22 洼古水深，最終得到該模型SQ3 層序的基底初始水深圖（圖6a）。湖平面變化對可容空間也有影響，研究區(qū)文昌組SQ3 到SQ4 層序沉積期湖平面變化頻繁，整體呈先上升后下降的變化趨勢（圖6b）。

4.1.2 沉積物供應

SQ3 層序沉積時期，在陸豐22 洼北部識別出扇三角洲沉積體系，同時東部和東南部發(fā)育辮狀河三角洲沉積體系；SQ4 層序沉積時期，構造活動減弱，洼陷北部和東部三角洲體系繼承性發(fā)育，南部緩坡帶物源體系增多，辮狀河三角洲沉積體系發(fā)育。因此，研究區(qū)沉積物供應主要來自北側和南側2 個方向（圖6c）。沉積物供給的總體積可由沉積地層厚度的平均值乘以沉積區(qū)面積得出，不同時期、不同位置的物源供給量難以獲取，主要是通過不斷調整模型物源參數，在沉積物供應總量不變的情況下，將模型與實際地震剖面進行對比，最終得到較為合理的結果。

4.1.3 搬運方式

湖盆三角洲沉積體的局部形態(tài)也受沉積物搬運方式的控制，扇三角洲沉積環(huán)境中顆粒的搬運方式以短期高能搬運為主，辮狀河三角洲沉積環(huán)境中存在長期低能搬運和短期高能搬運。在研究區(qū)這2種搬運方式共同作用，搬運參數由軟件自動估算。

4.2 模擬結果分析

根據對地震相和沉積相的分析，設置可容空間、沉積物供應和搬運方式等主要參數，經多次模擬且不斷優(yōu)化各項參數，最終得到陸豐22 洼文昌組SQ3 和SQ4 層序沉積數值模擬結果，其與實際地震資料所反映的地質現象和地震特征較為一致。模擬結果表明，文昌組SQ3 和SQ4 層序沉積期內，三角洲沉積體系演化存在顯著差異。

SQ3 層序沉積期，湖盆可容空間大，物源來自北部和東南部，供給相對充足，A/S＞1；洼陷北部發(fā)育三角洲，從邊界斷層向湖盆內部呈扇形分布，含砂量向洼陷內明顯降低，過渡為湖相泥巖（圖7a）；邊緣沉積體呈下超充填特征，且前積遷移軌跡表現為向湖盆內部、向上遷移的特征，砂體沉積厚度較大，模擬結果剖面與實際地震剖面特征具有較高的一致性（圖8）。SQ4 層序沉積期，湖盆逐漸被充填，構造活動減弱，可容空間變小，物源供給充分，A/S≤1，三角洲砂體分布范圍廣（圖7b），該時期三角洲砂體呈斜交充填特征，且前積遷移軌跡具有向水平、向下遷移的特征，三角洲砂體向前推進，厚度逐漸減?。▓D8）。

在斷陷湖盆沉積過程中，構造活動是最主要的控制因素，A/S的變化控制了三角洲的發(fā)育，包括層序結構和剖面上的疊置樣式等。結合模擬結果可以看出，當A/S＞1 時，三角洲砂體多為下超前積充填特征并向洼陷內部、向上遷移，在洼陷中心、遠離陡坡的位置可容空間大，物源供給極低，往往形成厚層穩(wěn)定的泥巖沉積；當A/S≤1 時，三角洲砂體呈斜交或疊瓦前積充填特征，并向洼陷內部、向水平或向下遷移。

A/S是斷陷盆地重要的控制因素，但湖平面的波動或氣候變化在某些時候能夠對三角洲砂體沉積樣式產生影響，這些因素對三角洲時空演化的影響還需進一步分析。

5 結論

（1）珠江口盆地陸豐凹陷陸豐22 洼古近系文昌組發(fā)育雜亂前積型、下超前積型、斜交前積型、疊瓦前積型等4 類三角洲沉積體系。SQ1，SQ2 和SQ3層序沉積期，主要發(fā)育雜亂前積型和下超前積型三角洲；SQ4 和SQ5+6 層序沉積期，廣泛發(fā)育斜交前積型和疊瓦前積型三角洲。

（2）SQ3 層序沉積期，研究區(qū)構造活動強烈，A/S＞1，陡坡帶發(fā)育近源扇三角洲沉積，邊緣前積體呈下超前積充填特征，前積遷移軌跡溯源向上遷移，深湖—半深湖相泥質沉積物分布范圍較大，湖水較深；SQ4 層序沉積期，構造活動減弱，A/S≤1，三角洲砂體呈斜交前積充填特征，前積遷移軌跡向水平、向下遷移，三角洲向洼陷內部推進，發(fā)育規(guī)模變大。

（3）沉積數值模擬結果顯示，研究區(qū)SQ3 層序沉積期，A/S＞1時，三角洲砂體在洼陷陡坡帶發(fā)育，泥質沉積物在洼陷中心大量沉積；SQ4 層序沉積期，A/S≤1 時，洼陷被沉積物充填，三角洲砂體向中心推進，且砂體厚度逐漸減小，細粒砂質沉積物在前端沉積。模擬結果與實際資料和地質認識較一致且相互印證。