渤中凹陷東南緣東二下亞段扇體成因新認(rèn)識(shí)

謝曉軍 吳克強(qiáng),2 張錦偉 廖計(jì)華 白海強(qiáng) 劉子玉 唐 武

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028； 2. 海洋油氣勘探國家工程研究中心 北京 100028；3. 中海石油(中國)有限公司 北京 100010)

中國近海隨著淺層和構(gòu)造油氣藏的勘探程度增高，將向深層巖性、地層油氣藏等領(lǐng)域拓展[1-2]。渤海海域東營組發(fā)育多個(gè)大中型湖相深水沉積巖性體，主要分布在遼東灣坳陷和渤中凹陷，前人認(rèn)為是濁流或滑塌成因的湖底扇沉積[3-8]。研究區(qū)位于渤中凹陷東南緣，整體是一個(gè)緩坡。自下而上發(fā)育有前古近系的前寒武系、古生界、中生界和新生界的古近系、新近系、第四系。其中古近系包括孔店組、沙河街組、東營組，東營組又分為三段，自下而上為東三段、東二下亞段、東二上亞段、東一段，東二下亞段為本次研究的目的層。東二下亞段沉積時(shí)期，為一個(gè)完整的三級(jí)層序單元，本次研究的扇體位于該層序的高位體系域內(nèi)。該時(shí)期，渤中凹陷整體為辮狀河(扇)三角洲、深水沉積扇體、濱淺湖及半深湖—深湖沉積環(huán)境。其中辮狀河三角洲主要位于渤中凹陷的北側(cè)，扇三角洲主要位于凹陷西側(cè)，深水沉積扇體主要位于渤南低凸起周緣及渤中凹陷的北側(cè)。

目前，對(duì)扇體規(guī)模、分布范圍、期次以及物源區(qū)的巖性等方面具有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。因無鉆井揭示，依據(jù)地震反射特征識(shí)別出渤南低凸起東二下亞段發(fā)育5個(gè)扇體(A—E扇)，總面積約873 km2。通過周邊鉆井及地震相綜合類比認(rèn)為，該沉積期物源區(qū)面積約437 km2，為目標(biāo)扇體提供物源的母巖巖性主要包括前寒武系花崗巖和中生代火山巖。結(jié)合物源區(qū)的分水嶺、沉積物輸送通道和巖性分布認(rèn)為，A和E扇的物源主要來自前寒武系花崗巖、中生代近火山口相的安山巖和中生代遠(yuǎn)火山口相的火山碎屑沉積巖，并以前寒武系花崗巖和中生代近火山口相的玄武/安山巖為主；B扇物源主要來自中生代遠(yuǎn)火山口相的火山碎屑沉積巖；C和D扇物源主要為中生代近火山口相的安山巖(圖1)。關(guān)于扇體成因，存在三角洲和湖底扇[9]兩種觀點(diǎn)。本文基于扇體周邊鉆井巖心層理構(gòu)造、測(cè)井曲線特征和扇體的地震內(nèi)幕結(jié)構(gòu)，并綜合類比被鉆井揭示且有油氣發(fā)現(xiàn)，位于埕北低凸起東南緣的東三段異重流沉積，探討渤中凹陷東南緣東二下亞段扇體的沉積成因，為后續(xù)砂體的空間展布、主控因素和精細(xì)刻畫等研究奠定良好的基礎(chǔ)，進(jìn)而指導(dǎo)下一步鉆井部署。

圖1 研究區(qū)位置及扇體分布Fig.1 Location of study area and fan distribution

1 異重流研究概況

異重流是深水沉積輸送機(jī)制的類型之一，近幾十年來，越來越受到國內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注。異重流是重力流的一種，河水?dāng)y帶比海水或湖水更高密度的流體直接進(jìn)入海洋或湖泊中，并主要沿水體底部流動(dòng)的流體；由異重流作用形成的巖石稱為異重巖。異重流概念最早是由Forel[10-11]在研究Le’man湖時(shí)提出；Bates[12]在研究三角洲形成的合理理論時(shí)，認(rèn)為異重流是一種含沉積物顆粒的高密度流體(與蓄水體相對(duì)而言)，沿蓄水體底部流動(dòng)的濁流(或密度流)；Mulder等[13]進(jìn)一步完善了Bates的異重流定義，認(rèn)為異重流是一種河流直接供源、因密度遠(yuǎn)大于靜水密度而沿盆地底部流動(dòng)的流體，以遞變懸浮搬運(yùn)為特征。中外學(xué)者研究了全球230條河流認(rèn)為，84%的河流都產(chǎn)生了周期性的異重流；多數(shù)學(xué)者認(rèn)為[14-20]，湖泊比海洋更容易形成異重流，主要是因?yàn)楹嗯璧氐臉?gòu)造運(yùn)動(dòng)更加強(qiáng)烈和頻繁、盆地面積小、盆地與周緣隆起的地形高差較大且小河流更發(fā)育；Mulder等[14]指出異重流發(fā)生頻率和強(qiáng)度在以下條件下會(huì)增加：氣候更加干旱(更冷或更暖)、減少植被覆蓋和增加溫度的變化會(huì)加劇侵蝕，窄陸架區(qū)的相對(duì)海平面下降使得河流與峽谷直接連接等。楊仁超 等[21]認(rèn)為陸相淡水湖盆受氣候和構(gòu)造影響更大，地形陡峭、洪水頻發(fā)、碎屑物質(zhì)供給豐富、湖水密度較低等特征更容易滿足異重流的形成條件。在海洋環(huán)境中，河流中的懸浮物濃度要大于35～45 kg/m3才可以形成異重流，而湖泊淡水環(huán)境中僅需要大于1 kg/m3即可形成異重流[22]。

全球現(xiàn)已有近30個(gè)異重流研究實(shí)例[23]，時(shí)代以現(xiàn)代沉積和中新生代為主；現(xiàn)代沉積的實(shí)例主要在法國alpine湖[24]、美國Mead 湖、俄羅斯Balkal湖[25]、加拿大Baffin島的 Soper湖[26]等。Zavala Carlos 等[27]根據(jù)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短可進(jìn)一步區(qū)分為短期和長(zhǎng)期的異重流；短期的異重流通常持續(xù)幾個(gè)小時(shí)、幾個(gè)星期至近百年，如2009年8月7—9號(hào)的莫拉克臺(tái)風(fēng)，3天時(shí)間里，臺(tái)灣高坪地區(qū)西南海岸形成約180 km長(zhǎng)的異重流沉積體[28]，日本中部TOYAMA扇形成時(shí)間大概是幾天至3～4周[29]，美國加利福尼亞西海岸的Monterey扇由alinas和Pajaro等河流經(jīng)約100年供源形成[30]。中新生代的研究實(shí)例主要分布在阿根廷特內(nèi)烏肯盆地[15,31]、委內(nèi)瑞拉新生代盆地[22]、加拿大西因蒂里厄海道[26]、美國北阿巴拉契亞盆地和中科羅拉多盆地[32,33]、松遼盆地[34]、鄂爾多斯盆地[21,35]等；在委內(nèi)瑞拉特立尼達(dá)島東南側(cè)的Columbus盆地Oilbird油氣田的上新世異重流砂巖[36]和委內(nèi)瑞拉Maturin次盆晚漸新世—早中新世異重流砂巖[22]中均發(fā)現(xiàn)油氣。這展示了異重流重要的研究意義和勘探實(shí)踐作用。

目前，在異重流沉積物的粒度特征及沉積序列等方面還存在一定的爭(zhēng)議，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為其沉積物主要為中砂巖到粉—細(xì)砂巖等粒度相對(duì)較細(xì)的沉積物或富含有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒沉積序列[14,37-38]，但Mutti 等[39]認(rèn)為沉積粗粒和細(xì)粒沉積物都有可能，主要取決于“源—匯”系統(tǒng),楊田 等[40]認(rèn)為在物源充分的條件下，近源以厚層粗粒為主、中部發(fā)育層內(nèi)突變或侵蝕面的逆—正粒序組合、遠(yuǎn)端形成薄層細(xì)粒沉積物；在物源不充分的條件下，以薄層細(xì)砂-粉砂沉積為主。

2 異重流典型特征

對(duì)比異重流與經(jīng)典濁流沉積(鮑馬序列)，兩者具有很大的相似性但又有一定的區(qū)別(表1)。經(jīng)典濁流屬于“二次搬運(yùn)”，即在一定觸發(fā)機(jī)制的作用下，盆內(nèi)沉積物通過重力流進(jìn)行再次搬運(yùn)并沉積到新的沉積區(qū)；異重流屬于“一次搬運(yùn)”，即途徑盆緣峽谷/溝谷，盆外河流直接將盆外物質(zhì)沿著盆地水體的中下部/底部搬運(yùn)并直接沉積。經(jīng)典濁流的流體移動(dòng)較快，主要是流體的頭部攜帶大量碎屑物進(jìn)行再沉積或?qū)ο路练e物進(jìn)行侵蝕；而持續(xù)的異重流沉積流體的移動(dòng)較慢、流體的前端侵蝕能力較小，沉積的主體或?qū)ο路练e物的侵蝕主要位于流體中部的主體位置。

表1 異重流與濁流特征綜合對(duì)比表(據(jù)文獻(xiàn)[23]，有修改)Table 1 Similarities and differences between typical turbidites and hyperpycnal flow(modified from reference[23])

異重流最典型的特征是具有逆—正粒序組合、流水沉積構(gòu)造和彎曲水道化等，從測(cè)井曲線和巖心等方面可以明顯看出逆—正粒序組合的“二元結(jié)構(gòu)(Ha—Hb)” (圖2，轉(zhuǎn)引自Mulder等[14]，2003；楊仁超 等[21]，2015)，該“二元結(jié)構(gòu)”是由于持續(xù)的異重流因水流強(qiáng)度的增強(qiáng)和減弱形成的，即異重流是由洪水持續(xù)發(fā)育，整個(gè)沉積過程經(jīng)歷了洪水增大及衰弱的兩個(gè)過程，通常形成底部向上變粗(洪水增強(qiáng)期)和上部逐漸變細(xì)(洪水衰弱期)的旋回

圖2 異重流在巖心和測(cè)井曲線上的典型特征Fig.2 Typical characteristics of hyperpycnal flow on cores and logging curves

組合；異重流的沉積構(gòu)造主要包括正粒序/反粒序?qū)永怼⑿顾c碟狀構(gòu)造、攀升波紋層理、平行層理和交錯(cuò)層理等；野外露頭和地震剖面上可以見到多期水道疊置或侵蝕，水道具有曲流河特征，水道內(nèi)部可見側(cè)向加積。

3 渤中凹陷東二下亞段異重流模式的提出

對(duì)于渤中凹陷東南緣東二下亞段扇體的成因，近十多年來，存在三角洲和湖底扇[9]兩種觀點(diǎn)。隨著渤海海域構(gòu)造圈閉的勘探程度越來越高，構(gòu)造—巖性及巖性圈閉是未來重要的勘探領(lǐng)域之一。對(duì)于東二下亞段巖性圈閉的勘探來說，扇體橫向變化快且埋深較大，扇體邊界及內(nèi)部砂體的發(fā)育部分難以確定；通過成因的研究，可以為扇體邊界的精細(xì)刻畫、砂體的發(fā)育部位及富砂規(guī)律預(yù)測(cè)提供重要的成因機(jī)制支持。

埕北低凸起東緣東三段異重流沉積，被鉆井證實(shí)且有油氣發(fā)現(xiàn)[41]。本文從古氣候、古物源、古地貌、流水沉積構(gòu)造及水道化特征等5方面類比埕北低凸起東緣東三段異重流(圖1)，結(jié)合本區(qū)周邊鉆井特征、扇體的地震內(nèi)幕結(jié)構(gòu)等，開展渤中凹陷東南緣東二下亞段扇體的成因與沉積模式研究。

1) 古氣候。

前人通過孢子、花粉等資料研究認(rèn)為[42-43]，東營凹陷和遼東灣坳陷東三段和東二段沉積時(shí)期均為亞熱帶偏濕潤氣候，東二段沉積期較東三段更為干熱，且東二下亞段沉積晚期氣候發(fā)生了快速轉(zhuǎn)變，存在極端氣候的可能性；因渤中凹陷的位置與東營凹陷及遼東灣坳陷相鄰，推測(cè)渤中凹陷及其周緣亦具有相似的氣候條件，即東二段整體偏濕熱氣候、晚期氣候快速變化的，該氣候背景有利于母巖區(qū)加速機(jī)械風(fēng)化剝蝕，從而利于源區(qū)提供豐富的陸源碎屑物質(zhì)。

2) 古物源。

渤中凹陷周緣和埕北低凸起周緣均為近源供給，其中渤南低凸起東二下亞段沉積期剝蝕區(qū)面積437 km2，對(duì)應(yīng)扇體面積873 km2；埕北低凸起東三段沉積期相應(yīng)的剝蝕區(qū)面積156 km2，扇體面積大于250 km2，二者剝蝕區(qū)與沉積扇體面積的比值均為1∶2左右；因此，從母巖剝蝕區(qū)的規(guī)模和沉積扇體的規(guī)模匹配度上來看，二者具有相似性。

3) 古地貌。

渤南低凸起東二下亞段扇體與埕北低凸起東三段異重流扇體均發(fā)育在低凸起向凹陷過渡的斜坡區(qū)(圖3)。從斜坡結(jié)構(gòu)及坡度來看，渤南低凸起與埕北低凸起斜坡區(qū)均表現(xiàn)為三級(jí)階梯式結(jié)構(gòu)，整體坡度均較緩，從靠近源區(qū)的第一階梯到靠近深洼的第三階梯坡度變化均呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)，二者具有相似的斜坡結(jié)構(gòu)；渤南低凸起的第一階梯坡度在1.04°～1.76°，第二階梯坡度在1.22°～1.81°,第三階梯坡度在0.32°～0.47°；埕北低凸起的第一階梯坡度在0.52°～1.47°，第二階梯坡度在1.76°～2.81°,第三階梯坡度在0.36°～0.82°。此外，在凸起邊緣與斜坡過渡區(qū)，均發(fā)育多條古溝槽，古溝槽表現(xiàn)為兩個(gè)高地之間的狹長(zhǎng)洼地；這些古溝槽可以為碎屑物質(zhì)提供優(yōu)勢(shì)搬運(yùn)通道。

圖3 渤南低凸起與埕北低凸起斜坡結(jié)構(gòu)Fig.3 Slope structure comparison between Bonan low uplift and Chengbei low uplift

4) 牽引流沉積構(gòu)造。

鉆遇渤南低凸起扇體邊緣的1井(圖2d，井位見圖1)揭示，東二下亞段沉積時(shí)期為半深湖—深湖沉積環(huán)境；巖性為厚層泥巖夾薄層泥質(zhì)砂巖，泥巖為厚層灰色泥巖與薄層灰褐色泥巖不等厚互層，泥巖巖性不純，局部泥巖見頁理；在該井3 500.42 m的巖心(圖2a、圖4a)中也觀察到沙紋層理構(gòu)造，說明該沉積構(gòu)造是在深湖安靜水體的條件下，受到外部流體的影響而形成的；而這種沉積構(gòu)造與異重流扇體邊部沉積構(gòu)造特征相吻合。測(cè)井曲線呈現(xiàn)出漏斗型—鐘型—漏斗型組合，具有典型的逆—正粒序組合的“二元結(jié)構(gòu)(Ha—Hb)，同樣也說明該部位受到異重流沉積的影響。在埕北低凸起異重流沉積的扇體內(nèi)也發(fā)育類似的流水構(gòu)造，如CBG4井2 990.8 m處的波狀沙紋層理(圖4b)，CBX820井3 921.3 m處的具有逆—正粒序組合的含礫砂巖(圖4c)[41]。

圖4 渤中凹陷東二下亞段與埕北低凸起東三段鉆井巖心特征Fig.4 Cores characteristics of third Ed2 Formation of Well A in Bozhong Sag and the Ed3 Formation in Chengbei low uplift

5) 水道化特征。

本區(qū)扇體無鉆井揭示，扇體內(nèi)部的水道化特征只能通過地震反射結(jié)構(gòu)進(jìn)行推測(cè)。以本區(qū)A扇為例，從垂直物源方向的地震剖面上可以看出，扇體具有完整的復(fù)合水道外形特征，底部發(fā)育強(qiáng)烈侵蝕下切(圖5)，由此可見扇體沉積時(shí)對(duì)下伏地層產(chǎn)生了強(qiáng)烈的侵蝕作用，表明沉積物具有較高的濃度。復(fù)合水道由靠近物源的“V”型，逐漸向遠(yuǎn)源區(qū)過渡為“W”型；內(nèi)部發(fā)育多期水道疊置，靠近主水道的位置，侵蝕下切的強(qiáng)度更大，邊緣部位下切強(qiáng)度較弱。多期水道以垂向疊置為主，呈側(cè)向遷移分布或孤立分布，水道內(nèi)可見明顯側(cè)向加積特征。平面上，水道復(fù)合體主體位于扇體的中間部位，靠近源區(qū)(東南側(cè))的水道復(fù)合體因受沉積地形的限制，表現(xiàn)為限制型水道的特點(diǎn)，具“順直河”的平面形態(tài)；遠(yuǎn)離源區(qū)(西北側(cè))水道復(fù)合體受沉積地形的影響相對(duì)較小，則具有一定的“曲流河”平面形態(tài)(圖6)。

圖5 渤中凹陷東二下亞段異重流內(nèi)幕結(jié)構(gòu)Fig.5 Internal structure of hyperpycnal flow in lower Ed2 Formation of Bozhong Sag

圖6 扇體A水道復(fù)合體分布立體圖Fig.6 Stereograph distribution of river complex in fan A

綜上所述，從古氣候、古物源、古地貌、流水沉積構(gòu)造及水道化特征等5方面類比埕北低凸起東斜坡帶東三段異重流扇體，揭示了渤中凹陷東南緣東二下扇體與埕北低凸起東緣東三段異重流具有相似的沉積成因(圖7)，即由渤南低凸起供源、河流經(jīng)由連接物源區(qū)的5條古溝槽，直接將攜帶的大量碎屑物在斜坡上堆積，最終形成具異重流沉積成因的扇體；其中，第一臺(tái)階A、B、C三個(gè)扇體地震剖面上見多期水道相互疊置，推測(cè)以復(fù)合水道沉積為主；第二臺(tái)階D、E兩個(gè)扇體的地震剖面上，水道規(guī)模變小且相互不疊置，推測(cè)以分支水道為主；最終構(gòu)建了東二下亞段異重流扇體由近端復(fù)合水道和遠(yuǎn)端分支水道組成的沉積模式，該模式與湖底扇一般的沉積模式不同，常見的湖底扇沉積模式一般按照位置來劃分(如內(nèi)扇、中扇和外扇)，且不考慮內(nèi)部沉積構(gòu)成。本區(qū)異重流成因新認(rèn)識(shí)的揭示，能更好地解釋物源區(qū)規(guī)模較小的條件下，形成較大規(guī)模扇體的沉積成因，即在濕潤氣候條件下，物源區(qū)更容易發(fā)育洪水，洪水?dāng)y帶大量碎屑巖直接入湖/海，在湖/海底形成大規(guī)模扇體。

圖7 渤中凹陷東二下亞段異重流沉積模式Fig.7 Sedimentary model of hyperpycnal flow of lower Ed2 Formation in Bozhong Sag

第一臺(tái)階扇體是異重流主體發(fā)育區(qū)和有利儲(chǔ)層主要發(fā)育的位置。首先，從地層埋深來看，第一臺(tái)階的扇體埋深更淺，埋深3 600～4 400 m，第二臺(tái)階扇體埋深4 120～5 200 m；其次，從異重流攜帶沉積物的位置來看(表1)，第一臺(tái)階復(fù)合水道內(nèi)的砂體富集程度和粒度應(yīng)該比第二臺(tái)階分支水道的更富集和更粗粒。同時(shí)，由花崗巖和近火山口相安山巖提供物源的扇體(A扇、C扇、D扇和E扇)比遠(yuǎn)火山口相的凝灰質(zhì)火山碎屑巖提供物源的扇體(B扇)更富砂。通過以上論述的扇體埋深、異重流攜帶的主體沉積物位置和物源區(qū)的母巖巖性，綜合認(rèn)為第一臺(tái)階的A扇和C扇更有可能發(fā)育有利砂體/儲(chǔ)層。

4 結(jié)論與建議

1) 異重流是重力流的一種重要成因機(jī)制之一，是河水?dāng)y帶大量碎屑物直接沉積于海相和陸相環(huán)境中，屬于“一次搬運(yùn)”。與經(jīng)典濁流的鮑馬序列不同，異重流具有逆—正粒序組合、牽引流沉積構(gòu)造和水道化等特點(diǎn)。

2) 從古氣候、古物源、古地貌、流水沉積構(gòu)造及水道化特征5個(gè)方面類比埕北低凸起東斜坡帶東三段異重流，兩者具有相似的古氣候背景、源區(qū)/扇體面積比值和三級(jí)階梯式斜坡結(jié)構(gòu)，東二下亞段巖心揭示發(fā)育逆—反粒序組合和沙紋層理構(gòu)造、扇體內(nèi)部具有多期水道疊置地震反射特征；綜合認(rèn)為渤中東南緣東二下亞段扇體屬于異重流成因，并提出了由近端復(fù)合水道和遠(yuǎn)端分支水道組成的沉積新模式。

3) 今后的異重流研究中，對(duì)于流體特征和沉積特征等存在爭(zhēng)議的方面，建議加強(qiáng)水槽物理模擬實(shí)驗(yàn)和不同地質(zhì)條件下的特征對(duì)比和總結(jié)；建議加強(qiáng)流態(tài)轉(zhuǎn)化方面的研究，如不同條件下濁流和異重流流態(tài)相互轉(zhuǎn)化、濁流發(fā)育的某段時(shí)間內(nèi)異重流的形成條件等。實(shí)際工作中，在無(扇)三角洲供源的深水沉積情況下，若出現(xiàn)古溝谷/溝槽直接聯(lián)通“小物源、大扇體”，則需考慮是否發(fā)育異重流的可能性。