油气勘探

强制湖退期湖底扇沉积构型的多样性与砂体分布特征——以渤海湾盆地东营凹陷沙三段中亚段为例

  • 吴千然 , 1, 2 ,
  • 鲜本忠 , 1, 2 ,
  • 高先志 1, 2 ,
  • 田荣恒 2 ,
  • 张浩哲 2 ,
  • 刘建平 3 ,
  • 高钰坤 2 ,
  • 王鹏宇 2
展开
  • 1 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249
  • 2 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
  • 3 重庆科技学院石油与天然气工程学院,重庆 401331
鲜本忠(1973-),男,重庆涪陵人,博士,中国石油大学(北京)教授,主要从事沉积学、层序地层学研究。地址:北京市昌平区府学路 18 号,中国石油大学(北京)地球科学学院,邮政编码:102249。E-mail:

吴千然(1994-),男,湖北仙桃人,现为中国石油大学(北京)在读博士研究生,主要从事深水沉积学研究。地址:北京市昌平区府学路 18 号,中国石油大学(北京)地球科学学院,邮政编码:102249。E-mail:

Copy editor: 魏玮

收稿日期: 2022-10-24

  修回日期: 2023-04-21

  网络出版日期: 2023-07-25

基金资助

国家自然科学基金项目(41872113)

国家自然科学基金项目(42172109)

国家自然科学基金项目(42202170)

中国石油天然气集团有限公司-中国石油大学(北京)战略合作科技专项(ZLZX2020-02)

Diversity of depositional architecture and sandbody distribution of sublacustrine fans during forced regression: A case study of Paleogene Middle Sha 3 Member in Dongying Sag, Bohai Bay Basin, East China

  • WU Qianran , 1, 2 ,
  • XIAN Benzhong , 1, 2 ,
  • GAO Xianzhi 1, 2 ,
  • TIAN Rongheng 2 ,
  • ZHANG Haozhe 2 ,
  • LIU Jianping 3 ,
  • GAO Yukun 2 ,
  • WANG Pengyu 2
Expand
  • 1 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China
  • 2 College of Geosciences, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China
  • 3 School of Petroleum Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China

Received date: 2022-10-24

  Revised date: 2023-04-21

  Online published: 2023-07-25

摘要

针对目前关于陆相湖盆不同体系域内部重力流沉积的差异性研究薄弱的情况,以渤海湾盆地东营凹陷史深100地区古近系沙河街组三段中亚段为例,综合利用岩心、测井和三维地震等资料,分析强制湖退期湖底扇沉积构型特征及四级基准面变化对其发育的影响。研究表明,四级基准面上升期湖底扇以异重流成因为主,下降晚期滑塌成因比例逐渐上升。四级基准面从上升到下降,异重流成因湖底扇内部水道延伸距离持续减小,导致湖底扇的平面形态从高度沟道化的扇形向裙带状的扇形转变;此外湖底扇内部的分支水道复合体构型样式由垂向加积转为侧向迁移,单一水道的横向规模逐渐减小;朵叶体复合体的构型样式从侧向摆动型补偿叠置演变为加积型叠置,单一朵叶体的横向规模逐渐增大。该研究深化了高频层序地层中重力流沉积规律的认识,并为湖底扇油气藏精细开发提供了地质依据。

本文引用格式

吴千然 , 鲜本忠 , 高先志 , 田荣恒 , 张浩哲 , 刘建平 , 高钰坤 , 王鹏宇 . 强制湖退期湖底扇沉积构型的多样性与砂体分布特征——以渤海湾盆地东营凹陷沙三段中亚段为例[J]. 石油勘探与开发, 2023 , 50(4) : 782 -794 . DOI: 10.11698/PED.20220717

Abstract

Currently, the differences in gravity flow deposits within different systems tracts in continental lacustrine basins are not clear. Taking the middle submember of the third member of Paleogene Shahejie Formation (Sha 3 Member) in the Shishen 100 area of the Dongying Sag in the Bohai Bay Basin as an example, the depositional architecture of sublacustrine fans during forced regression and the impact of the fourth-order base-level changes on their growth were investigated using cores, well logs and 3D seismic data. Sublacustrine fans were mainly caused by hyperpycnal flow during the fourth-order base-level rise, while the proportion of slump-induced sublacustrine fans gradually increased during the late fourth-order base-level fall. From rising to falling of the fourth-order base-level, the extension distance of channels inside hyperpycnal-fed sublacustrine fans reduced progressively, resulting in the transformation in their morphology from a significantly channelized fan to a skirt-like fan. Furthermore, the depositional architecture of distributary channel complexes in sublacustrine fans changed from vertical aggradation to lateral migration, and the lateral size of individual channel steadily decreased. The lobe complex’s architectural patterns evolved from compensational stacking of lateral migration to aggradational stacking, and the lateral size of individual lobe steadily grew. This study deepens the understanding of depositional features of gravity flow in high-frequency sequence stratigraphy and provides a geological foundation for the fine development of sublacustrine fan reservoirs.

0 引言

湖底扇是由重力流作用在湖泊深水环境中形成的扇形沉积体[1],作为“源-汇”系统最末端的沉积单元,蕴藏着丰富的有机质,并记录了源区古环境信息[2-3],进而对油气勘探、地质灾害评估和气候预测等领域具有指导意义[4-5]。近年来随着重力流基础理论的快速发展,不断涌现出异重流[6-7]、底流[8]和混合事件层[9]等新的深水砂体成因。与海相盆地相比,淡水湖盆具有更低的水体密度,在洪水作用下容易触发异重流[6,10]。因此湖底扇的形成机制不仅局限于砂质碎屑流成因[11-12]等传统认识,更应该重视洪水型异重流成因[10]
目前已有大量学者从触发机制、沉积过程和沉积产物等方面建立了断陷盆地湖底扇沉积模式[5,12 -15],例如渤海湾盆地[5,12]、北部湾盆地[13]和滦平盆地[14]。前人也对断陷盆地砂质碎屑流主控的湖底扇开展了沉积构型解剖[5,13]。然而异重流成因湖底扇的构型研究还极为薄弱,前期众多研究实例仅仅揭示了沉积单元的类型[3,15],而其内部砂体的叠置样式目前尚不清楚,同时异重流成因湖底扇的定量表征和规模参数也鲜有报道。此外,针对体系域内部湖底扇沉积构型的差异性缺乏认识[16-18],加剧了湖底扇油气藏的注采矛盾。
本文以渤海湾盆地济阳坳陷东营凹陷史深100地区古近系沙河街组三段(简称沙三段)中亚段为研究对象,运用层序地层学、地震沉积学、沉积构型解剖等方法,分析强制湖退早期湖底扇的成因和内部沉积单元的空间分布,以此探讨四级基准面变化对异重流成因湖底扇沉积构型的控制规律,以期对湖底扇油气藏的井网部署和调整具有实践意义。

1 研究区概况

济阳坳陷是位于中国东部渤海湾盆地的一级构造单元;而东营凹陷是发育在济阳坳陷南部的箕状断陷湖盆,并可划分为陡坡带(郑家—盐家陡坡)、中央背斜带、缓坡带(金家—柳桥缓坡、广饶北缓坡)、利津洼陷、民丰洼陷、牛庄洼陷和博兴洼陷[5,17](见图1a)。史深100地区构造上位于东营凹陷的中央背斜带西段,并向西倾没于利津洼陷。研究区面积约为30 km2,共有开发井约280口,取心井10口,以及三维地震全覆盖,为分析湖底扇沉积构型特征奠定了扎实的资料基础。
图1 东营凹陷构造单元划分及沙河街组层序地层格架

LST—低位域;TST—湖侵域;HST—高位域;FSST—下降体系域

研究区古近系由孔店组、沙河街组和东营组组成,其中沙河街组从下往上分为4个亚段,而沙河街组三段进一步细分为下、中和上3个亚段(见图1b),本次研究的目的层为沙河街组三段中亚段(简称“沙三中亚段”),地层厚度为300~1 200 m,岩性以厚层灰色、深灰色泥岩夹薄层砂岩为主。
东营凹陷沙三中亚段沉积时期处于亚热带温湿气候,降雨充足,湖盆大幅度扩张、水体盐度不断降低。缓坡带发育多个三角洲沉积体系,其中东南部的东营三角洲的发育规模最大,沉积时间最长,并推进至民丰洼陷和利津洼陷[17]。史深100地区的沉积物供给主要来自东营三角洲[12],沙三中亚段沉积晚期东营三角洲快速向湖盆推进,前缘斜坡容易发生垮塌并形成块体搬运体;同时季节性洪水在淡水湖盆中容易触发异重流并直接越过滨—浅湖区,最终在研究区堆积了大量重力流沉积[17-18]

2 四级基准面变化

研究区古近系整体处于裂陷期,并可以划分为4个裂陷幕:Ⅰ幕、Ⅱ幕、Ⅲ幕和Ⅳ幕[17]。前人结合盆地构造和沉积演化背景,将裂陷Ⅲ幕细分为3个三级层序[17]:ESQ1、ESQ2和ESQ3(见图1b),本文在此基础上进行四级层序划分。

2.1 四级层序划分

东营凹陷沙三中亚段顶底分别对应于地震反射界面T4和T6(见图1b),两界面的上下均可见削截终止反射和上超终止反射现象(见图2a),因此分别作为三级层序ESQ2的边界。本次层序划分方案采用四分层序模式,可以与基准面变化事件紧密联系。ESQ2上部识别出多期高角度前积反射体,且具有保存良好的顶积层,对应于高位域(见图2a)。高位域之上发育多套缺失顶积层的前积同相轴,向湖盆中心呈退覆叠置,并与顶界面T4呈不整合接触,解释为下降体系域。高位前积体下超于全区厚度稳定分布的同相轴之上,该套同相轴在地震上表现为亚平行反射结构;并且在自然电位曲线上表现为高值特征(见图2b),响应于大套细粒沉积,因此解释为湖侵域。而湖侵域以下的低位域,其空间分布限制在断裂坡折带下降盘(见图2a)。
图2 东营凹陷Y77井沙三中亚段ESQ2层序内部四级层序解释方案(剖面位置见图1aGR—自然伽马;SP—自然电位)
采用井-震结合的方法完成了研究区四级层序的划分(见图2b)。Y77井上高位域的4个四级层序(PSS3—PSS6)和下降体系域的3个四级层序(PSS0—PSS2),分别在测井曲线上表现为向上含砂率增大的进积式沉积。此外,上述7个四级层序在地震上界面明显,具有典型的上超、顶超和削截特征(见图2a)。而低位域的3个四级层序(PSS8—PSS10),在地震上表现为沿底界面T6依次上超。
滨线迁移轨迹记录了不同时期滨线坡折拐点沿垂向和侧向迁移的位置,可以反演基准面的演变历史[19]。PSS6至PSS3的滨线迁移轨迹为上升型(见图2a),即坡折点向盆地中心和向上迁移[19],形成于三级基准面长期上升的高位正常湖退阶段(见图3a)。而PSS2至PSS0的滨线迁移轨迹为下降型(见图2a),以明显的进积和向下迁移为特征[19],形成于三级基准面快速下降的强制湖退阶段(见图3a)。
图3 Y545井ESQ2层序内部三级基准面变化(a)和PSS2内部五级层序划分及四级基准面变化(b)

2.2 PSS2内部四级基准面变化

由于前人针对湖底扇体系建立了比较成熟的构型级次划分方案[20],认为构成湖底扇的水道复合体或朵体复合体对应于准层序级次。因此本次研究利用稳定泥岩和自然伽马曲线高值等界面识别标志,将PSS2划分为PSS2-1—PSS2-10共10个五级层序(见图3b)。PSS2-10至PSS2-8反映了整体向上粒度变细的趋势,对应于四级基准面上升阶段[21];而PSS2-7至PSS2-1却表现为相反的变化过程,形成于四级基准面下降阶段[21]。根据上节分析可知,PSS2沉积于三级层序的强制湖退早期。基于不同级次基准面复合原理,四级基准面上升过程受到三级基准面下降的抑制。同时前人使用微量元素等地球化学分析数据证实PSS2处于半潮湿向干旱转变的古气候背景[18],干旱气候容易导致湖盆水体的蒸发量大于降雨量,所以PSS2整体以四级基准面下降过程为主(见图3b)。利用砂泥比和砂岩粒度,将长期下降过程划分为早期和晚期两个阶段,分别选取PSS2-9、PSS2-5和PSS2-2代表四级基准面上升期、下降早期和晚期进行湖底扇构型解剖。

3 湖底扇沉积特征与砂体分布

3.1 岩相组合

基于研究区约420 m的岩心资料,根据颜色、粒度、沉积结构和沉积构造等特征,共识别出9种重力流沉积砂岩岩相(见图4表1),并分析了各种岩相对应的流体属性和搬运机制。依据不同岩相的垂向组合样式以及与深湖暗色泥岩的接触关系,确定了LA1—LA6共6种岩相组合(见图5)。
图4 PSS2内部重力流砂岩典型岩心照片

(a)S102井,3 291.26 m,上部纯净块状细砂岩(S3),下部含定向泥砾块状细砂岩(S2),泥砾呈叠瓦状排列并紧邻冲刷面分布;(b)S103井,3 294.25 m,含漂浮泥砾块状细砂岩(S4),顶部可见层状植物碎屑;(c)S106井,3 411.67 m,交错层理细砂岩(S1)和平行层理细砂岩(S6),并被冲刷面分隔;(d)S102井,3 287.24 m,波纹层理粉砂岩(S7);(e)S102井,3 290.55 m,水平层理泥质粉砂岩(S8);(f)S3-12-12井,3 165.82 m,变形层理砂岩(S9),可见变形泥岩和不规则砂质团块;(g)S3-12-12井,3 163.60 m,含泥岩撕裂屑块状细砂岩(S5);(h)S3-12-12井,3 166.89 m,变形层理砂岩(S9),可见砂岩侵入体

表1 研究区重力流岩相类型划分
岩相 沉积特征 沉积过程 成因解释
交错层理细砂岩(S1) 交错层理,底部有时含少量植物碎屑和泥岩撕裂屑 底床载荷[6-7] 准稳态浊流[10,22]
含定向泥砾块状细砂岩(S2) 低泥质含量,底部少量泥岩撕裂屑沿层面分布,
内部紫红色泥砾沿冲刷面呈叠瓦状排列
底床载荷[6-7]、牵引毯[9] 准稳态浊流[10,22]
高密度浊流[9]
纯净块状细砂岩(S3) 低泥质含量,块状构造,有时可见大量植物碎屑 牵引毯[9] 高密度浊流[9]
含漂浮泥砾块状细砂岩(S4) 块状构造,含少量紫红色泥砾、泥岩撕裂屑,
顶部具有断续水平分布的植物碎屑层
牵引毯[9] 高密度浊流[9]
含泥岩撕裂屑块状细砂岩(S5) 块状构造,含大量暗色泥砾和亚垂直排列的泥岩撕裂屑 块体搬运[9,11,23] 砂质碎屑流[9,11,23]
平行层理细砂岩(S6) 平行层理 牵引毯[9]、悬浮载荷[6-7,9 -10,24] 高密度浊流[9];低密度浊流[9]
波纹层理粉砂岩(S7) 波纹交错层理,夹泥质纹层 悬浮载荷[6-7,9 -10,24] 低密度浊流[9]
水平层理泥质粉砂岩(S8) 水平层理,夹泥质纹层 悬浮载荷[6-7,9 -10,24] 低密度浊流[9]
变形层理砂岩(S9) 变形层理、包卷层理和砂岩侵入体 块体搬运[9,11,23] 滑塌块体[9,11,23]
图5 研究区重力流岩相组合模式图
岩相组合LA1由S1、S3或S4、S6组成(见图5a),底部侵蚀特征明显,其中岩相S1的厚度比例相对较大,一般占总厚度的30%~60%。LA1解释为准稳态高密度浊流的沉积产物[10,22],上覆浊流对底部高浓度沉积物的持续性剪切和拖曳,容易形成牵引构造[6-7]。而LA1上部块状砂岩和平行层理砂岩共存,与高密度浊流底部牵引毯的重复性垮塌有关[9]。LA1底部的冲刷侵蚀面和下部大套底床载荷沉积,共同指示了流体的高能属性[6],因此该组合可能发育在近端水道沉积环境。
岩相组合LA2表现为S2、S3或S4、S6、S7向上变细的正韵律序列(见图5b)。LA2底部同样存在侵蚀面,但与LA1相比,顶部发育悬浮载荷成因岩相S7,同时总厚度有所减小。LA2由高密度浊流沉积(S2、S3或S4、S6)和低密度浊流沉积(S7)两部分组成。LA2顶部的岩相S7指示了流体能量下降[6],因此该组合可能发育在LA1的下游位置。
岩相组合LA3从底到顶由S3或S4、S6、S7、S8组成(见图5c),底部无侵蚀特征,并与下伏暗色泥岩呈突变接触。LA3主要由低密度浊流沉积构成,整体表现为经典的鲍玛序列,形成于流体的能量衰弱阶段[9]。该组合底部缺失侵蚀面,并常与LA2相伴生,可能发育在远端水道翼部的沉积环境。
岩相组合LA4从下向上分别由S7、S6、S3或S4组成(见图5d),有时底部缺失岩相S6或S7,整体表现为向上变粗的反韵律序列。LA4主要由悬浮载荷成因的低密度浊流沉积组成,从S7到S6反映了洪水初始阶段的能量增强过程[6]。该组合向上变粗的反韵律序列通常指示远端的朵叶体沉积环境[25]
岩相组合LA5由S6、S7和S8以薄互层的形式产出(见图5e),是完全紊流流态的低密度浊流的沉积产物[24]。LA5中各种流水成因沉积构造的垂向叠置反映流体水动力条件不断发生变化[6],并且该组合内部夹杂薄层细粒沉积,指示重力流边缘沉积环境[18]
岩相组合LA6从下往上由S9和S5组成(见图5f)。该组合下部为沉积物垮塌形成的滑塌块体沉积,上部为砂质碎屑流沉积,垂向上反映由滑塌向砂质碎屑流的流体转化过程[5]

3.2 沉积单元类型及沉积特征

在岩相组合分析的基础上(见图4图5),认为PSS2沉积时期发育湖底扇沉积体系。参照水道末端朵叶体[20,25]和块体搬运沉积模式[23],研究区识别出主水道、分支水道、朵叶体、朵叶体侧缘、舌状体、水道/朵叶体间6种沉积单元类型(相当于3级构型单元或单一水道/单一朵叶体级别[20])(见图6)。
图6 研究区各类沉积单元的沉积序列及粒度概率累计曲线(GR—自然伽马;SP—自然电位)
主水道分布在湖底扇的内扇区域,是湖底扇沉积物补给的主要通道,也是重力流的主要沉积场所[25]。主水道在沉积剖面上由LA1构成(见图6a),底部常见冲刷侵蚀特征(见图4c),砂体的粒度概率曲线主要为二段式,其中跳跃组分占到85%(见图6d),反映了底床载荷主导的沉积过程。主水道砂体在垂向上表现为均质韵律(见图6a),厚度一般为7~14 m,自然伽马曲线呈巨厚的箱型响应特征。
分支水道是主水道向下游延伸时能量衰减和分叉形成的,作为物源输送枢纽向远端朵叶体供给沉积物[20],在沉积剖面上发育两种组合形式(见图6b):靠近水道中心以LA2产出,在水道侧缘以LA3产出。分支水道砂体在垂向上呈正韵律,厚度一般为2.5~7.0 m,自然伽马曲线表现为低幅度钟型(见图6b)。分支水道砂体的粒度概率曲线也以二段式为主,跳跃组分占比低于主水道,但仍然可以达到70%~80%(见图6d)。
朵叶体是重力流在分支水道末端失去地形限制的约束,在相对开阔环境下向四周快速扩散和减速形成的扇形沉积体[25]。朵叶体在沉积剖面上以LA4产出(见图6a),自然伽马曲线呈中低幅度漏斗型,砂体厚度一般为2~8 m。朵体砂体的粒度概率曲线有二段式和三段式(见图6d),但悬浮组分占比明显高于水道砂体,达到40%~50%。
朵叶体侧缘作为湖底扇最远端的沉积环境,分布在朵叶体的侧端或前端[25],沉积剖面由LA5构成(见图6a)。朵叶体侧缘砂体在垂向上呈反韵律或无明显的韵律变化,自然伽马曲线表现为中高幅度指状,粒度概率曲线为斜率较高的一段式(见图6d),指示悬浮载荷主导的沉积过程。
舌状体是滑塌块体和碎屑流的能量减弱而发生整体卸载和冻结式沉积,形成多期叠置的舌状沉积体[23]。舌状体在沉积剖面上以LA6产出(见图6c),垂向上呈反韵律或无明显的韵律特征,砂体厚度一般为2~5 m,自然伽马曲线呈中幅度漏斗状。
水道/朵叶体间形成于正常深湖原地沉积或者稀释的低密度浊流沉积[9],并由块状泥岩、粉砂质泥岩组成,代表低能沉积环境。该单元在垂向上无明显的韵律变化,自然伽马曲线表现为高幅度齿状(见图6b)。

3.3 湖底扇砂体分布特征

史深100地区钻井主要分布在梁11和河91断层之间(见图7),而北部区域钻井数量相对较少。本次研究利用地震沉积学方法[18],可以准确预测重力流砂体的平面展布。研究区沙三中亚段的地震资料主频约为30.5 Hz,最大垂直分辨率约为20 m,而测井解释的单砂层最大厚度约为15 m。因此将地震子波频率划分为5个中心频率(10~50 Hz、间隔10 Hz),然后对各分频数据体90°相位转换后变成测井岩性数据体,发现30 Hz的数据体可以识别薄层重力流砂岩,并且这些砂岩在地震剖面上大多数对应于波谷(见图7a)。以四级层序界线作为等时约束界面[18],沿着各五级层序边界提取振幅地层切片。通过标定振幅地层切片和取心井的岩性,发现切片上黄色和深绿色区域对应重力流砂岩,而浅绿色区域指示砂—泥过渡沉积,在此基础上圈定了重力流砂体边界(见图7b)。
图7 研究区90°相位转化地震剖面及振幅属性切片
在砂体边界约束下,结合开发井砂岩测井解释的结果,绘制了各五级层序砂体厚度分布图。PSS2-9阶段砂体呈高度沟道化的树枝状扇形展布(见图8a)。内扇区域沟道状砂体的厚度和横向规模最大,然后在中扇部位分叉成多条次级沟道状砂体,最后在外扇区域全部演变为席状砂体。PSS2-5阶段也发育树枝状扇形砂体,相比于PSS2-9,扇体分布范围减小,同时内部沟道状砂体的横向规模和延伸距离变小(见图8b)。PSS2-2阶段砂体分布与前两个阶段相比具有明显的差异。该阶段树枝状扇体分布范围继续萎缩,内部沟道状砂体的延伸距离较短,并快速向席状砂体转变;此外,树枝状扇体外围还存在多支小型的孤立舌状砂体(见图8c)。
图8 研究区PSS2内部各五级层序的砂体厚度分布图
在综合分析取心井各沉积单元沉积特征和测井响应的基础上,完成了所有单井沉积单元的识别和划分,并结合砂体分布最终确定了各五级层序的优势微相平面展布(相当于4级构型单元或水道复合体/朵叶体复合体级别[20],并由不同期次的单一水道/单一朵叶体构成)。PSS2-9至PSS2-2阶段,研究区水道复合体的延伸距离逐渐变短,并且水道复合体和朵叶体复合体的分布范围逐渐缩小。此外,PSS2-2阶段研究区还发育多支舌状复合体(见图9)。
图9 研究区PSS2内部各五级层序的优势沉积微相和取心井的岩相组合厚度占比

4 湖底扇沉积构型特征

4.1 同时期水道复合体和朵叶体复合体的沉积构型差异

沉积构型是指不同级次构型单元的形态、规模和叠置关系[20]。研究区树枝状湖底扇主要由水道复合体和朵叶体复合体构成,因此分别采用顶底泥岩标志层拉平、等高程差异和侧向砂体厚度变化等方法[16]进行构型单元对比,用来分析水道复合体和朵叶体复合体的沉积构型差异。以PSS2-9阶段树枝状湖底扇为例,中扇区域发育多套分支水道复合体,其底部深切泥岩基底,形成顶平底凸的形态(见图10a);而水道两侧的朵叶体复合体呈底平顶凸的形态,其形成过程可能与流体松弛机制有关[26]。当水道向下游生长时,重力流离开水道口并失去约束,造成流体底部的横向压力梯度和层剪切速度增加,从而水道口产生冲刷场[26],水道两侧发生沉积作用形成堤状朵叶体。外扇区域分支水道的水动力快速减弱,并且下切深度逐渐变浅;分支水道仅分布在朵叶体单元中上部,共同组成水道-朵叶体复合体;水道末端的朵叶体复合体厚度相对较薄,同样呈底平顶凸的形态(见图9a图10b)。
图10 四级基准面上升期(PSS2-9)树枝状湖底扇内部水道和朵叶体的构型剖面(剖面位置见图9a

4.2 不同时期湖底扇的内部沉积构型差异

PSS2-9阶段不同期次单一水道在横向上无侧向迁移,垂向上晚期水道深切早期水道(见图10a),形成切叠式构型样式[27]。外扇不同期次朵叶体呈不定向迁移,组成侧向摆动型补偿叠置样式[20](见图10b)。PSS2-5阶段不同期次单一分支水道在横向上呈不明显的单向迁移,垂向上呈叠加式叠置[27],即晚期水道浅切早期水道(见图11a);外扇朵叶体表现为侧向迁移型补偿叠置样式[20](见图11b)。相比于PSS2-9阶段,该时期单一水道的下切能力减弱,横向规模减小。PSS2-2阶段不同期次单一分支水道在横向上侧向迁移明显(见图12a),垂向上呈孤立式叠置[27],即晚期水道没有下切侵蚀早期水道,单一水道间发育稳定的泥质夹层;而外扇多期单一朵体构成加积型叠置样式[20](见图12b)。
图11 四级基准面下降早期(PSS2-5)树枝状湖底扇内部水道和朵叶体的构型剖面(剖面位置见图9b
图12 四级基准面下降晚期(PSS2-2)树枝状湖底扇内部水道和朵叶体的构型剖面(剖面位置见图9c

4.3 湖底扇的规模

借助于沉积单元分布和构型解剖的成果,统计了PSS2内部不同时期树枝状湖底扇及内部水道和朵体的定量参数。结果表明,单一水道和单一朵叶体的宽度具有相反的变化趋势,并可以划分为3个阶段(见图13a图13b)。四级基准面上升期单一水道的横向规模最大,宽度为710~1 623 m;单一朵叶体的横向规模最小,宽度仅为629~874 m。四级基准面下降早期单一水道、单一朵体的横向规模中等,宽度分别为423~684 m和773~1 024 m。四级基准面下降晚期单一水道的横向规模最小,宽度仅为326~580 m;单一朵叶体的横向规模最大,宽度为1 014~1 655 m。此外,从四级基准面上升期到下降晚期树枝状湖底扇的分布范围逐渐萎缩,沉积面积由13.64 km2减小到4.97 km2(见图13c),宽长比逐渐增大,从0.51转变为2.80(见图13d);湖底扇内部复合水道的最大长度从4.92 km减小到0.73 km(见图13e),水道与朵叶体的占比从1.13下降到0.28(见图13f)。
图13 各阶段树枝状湖底扇的定量表征参数

5 讨论

5.1 强制湖退早期湖底扇重力流沉积的触发机制

深水重力流的触发机制和发育规律一直是沉积学关注的热点[11-15],目前大部分学者普遍认为强制湖退阶段重力流沉积主要形成于三角洲斜坡失稳引起的沉积物垮塌[17-18,21,28]。本次研究利用沉积构造、岩相组合和粒度概率累计曲线等证据,证实强制湖退早期湖底扇仍然以洪水触发的持续供给异重流成因[6-7]为主,其次为沉积物垮塌触发的沉积物再搬运成因[5,13]
首先,异重流作为一种准稳态浊流,能够持续长达几天到数周的时间[22]。岩相S1和S7通常形成于长时间的波纹或沙丘稳定场状态[9,24](见图4c图4d),反映洪水持续性补给的异重流性质[6-7]。岩相S2中磨圆较好和大小均一的泥砾沿冲刷面呈叠瓦状排列(见图4a),指示上覆过路浊流的选择性搬运[6]以及长时间剪切拖曳作用[6-7]。其次,岩相S4中大量的棕红色泥砾和植物碎屑,通常是由洪水直接从盆地外部搬运进来的陆源碎屑[7](见图4b)。另外,湖相异重流沉积由底床载荷和悬浮载荷两部分组成[6,28]。研究区树枝状湖底扇内部重力流砂岩的粒度概率曲线以二段式和三段式为主(见图6d),其中跳跃组分可以占到70%~85%,反映底床载荷的牵引流性质;而岩相S4顶部的层状植物碎屑(见图4b),形成于悬浮载荷的快速沉降过程[6-7]。树枝状湖底扇从近到远由LA1至LA5组成(见图9),反映异重流能量逐渐减弱,即近端准稳态高密度浊流的底床载荷不断卸载,过渡到远端悬浮载荷为主的低密度浊流沉积。最后,湖相盆地重力流水道的形成与异重流有关,其底床载荷具有较强的侵蚀泥岩基底能力[7,28](见图4a图4c)。因此,上述各证据综合表明强制湖退早期PSS2内部各阶段树枝状湖底扇沉积为洪水触发的异重流成因。
在四级基准面下降晚期(PSS2-2),S3-12-12井位于孤立的舌状复合体边部(见图9c),岩心上可见滑塌褶皱(见图4g)、砂岩侵入体(见图4h)等同沉积变形构造,并形成于沉积物再搬运过程[5,11,23]。岩相S5中不规则的泥岩撕裂屑呈亚垂直排列(见图4g),指示碎屑流沉积的塑性流变性质[5]。LA6也反映滑塌块体向砂质碎屑流的流体转化过程[23]。这些证据揭示强制湖退早期发育少量沉积物垮塌触发的湖底扇沉积。

5.2 四级基准面变化对湖底扇平面形态的控制

四级基准面作为主要盆外因素[28-29]控制研究区重力流流体性质,而微地貌作为次级盆内因素[28,30]影响流体的搬运过程,共同决定湖底扇的平面分布特征。
湖相盆地的高频基准面变化主要受古气候驱动[31]。PSS2内部短暂的四级基准面上升过程对应于相对潮湿气候[18],而长期的四级基准面下降过程对应于干旱气候[18]。干旱气候条件下源区植被覆盖较少,常发生机械风化作用,使粗粒碎屑产量增加;而潮湿气候条件下源区更容易发生化学风化作用,形成更多的细粒碎屑[2]。四级基准面下降时三角洲前缘区域可容空间不断减小,粗粒碎屑容易沉积路过三角洲并被搬运至深湖环境[21]。因此,四级基准面从上升到下降,对应的古气候愈发干旱,异重流的流量以及携带盆外沉积物的泥质含量减少,共同导致异重流的流动效率降低[29],流体最大搬运距离变短[29],造成异重流成因湖底扇的平面形态从高度沟道化的扇形向裙带状的扇形转变(见图8图9),宽长比不断增大(见图13d)。
PSS2内部四级基准面下降过程受到三级基准面下降的增效而加强,进而东营三角洲向湖盆中心快速进积[18],使得未固结的三角洲前缘斜坡沉积更容易垮塌;大量滑塌块体和砂质碎屑流进入研究区,在梁11断裂坡折带附近区域发生冻结式沉积[5,23],形成孤立的舌状复合体(见图9c)。基准面下降晚期相对干旱的古气候又导致洪水频率以及洪水中沉积物规模降低[15],造成异重流成因树枝状湖底扇的沉积面积不断萎缩(见图13c);因此,滑塌成因舌状湖底扇的占比逐步上升。
此外,研究区梁11同沉积断层坡脚处容易形成低洼微地貌[5],而基准面变化不同阶段异重流水动力存在差异,受此古地貌的影响形成不同的沉积单元分布样式。四级基准面上升期,相对潮湿气候条件下洪水能量较强[15,18],异重流进入研究区后具有较强的水动力,近端位置发育LA1构成的主水道(见图9a)。高能流体容易越过低洼地貌继续向湖盆中心远距离侵蚀搬运,在远端位置仍然发育由LA2和LA3构成的分支水道,因此该阶段水道沉积占主导地位(见图13f)。四级基准面下降早期洪水能量开始减弱,异重流进入低洼微地貌后速度急剧下降,主水道快速向分支水道转变,近端位置发育由LA2构成的分支水道(见图9b);同时水道向下游短距离搬运后,过渡为LA4构成的朵叶体沉积。四级基准面下降晚期,相对干旱的气候条件下洪水能量较弱[15,18],如S101井上可见少量的LA4和LA5(见图9c);低能异重流进入坡折带后快速失去限制[15],在低洼地貌处向四周分散,形成大片由LA4构成的朵叶体沉积。

5.3 四级基准面变化对湖底扇沉积构型的控制

四级基准面控制异重流成因湖底扇水道的侧向叠置样式,其次不同阶段所对应的古气候条件又影响水道的垂向叠置样式。PSS2-9阶段处于四级基准面上升期(见图14a),研究区发育较多的可容纳空间,分支水道较为稳定、不易发生侧向迁移。该阶段对应相对潮湿的古气候,异重流携带较多的沉积物[2],形成横向规模较大的分支水道(见图13a)。在较强水动力条件下,晚期水道下切侵蚀早期水道(见图14d)。PSS2-5阶段处于四级基准面下降早期(见图14b),可容纳空间开始下降,分支水道发生侧向迁移;同时古气候开始干旱,洪水流速和流量降低[15],导致单一水道的规模以及下切深度减小(见图14f)。PSS2-2阶段处于四级基准面下降晚期(见图14c),可容纳空间急速下降,分支水道容易发生决口和改道。不同期次分支水道呈明显的侧向迁移,形成了宽阔的分支水道复合体(见图9c)。该阶段对应干旱的古气候,洪水中沉积物供给减少,湖底扇内部发育较窄的单一分支水道;此时洪水发生的频率降低[2],水道间泥岩沉积厚度增加。在弱水动力条件下,晚期水道侵蚀水道间泥岩不彻底,垂向上形成孤立式叠置样式(见图14h)。
图14 四级基准面变化控制湖底扇的平面形态和沉积构型
四级基准面从上升到下降,异重流成因树枝状湖底扇内部水道搬运距离逐渐变短(见图9图13e);水道末端朵体从开阔的深湖平原退积到梁11断裂坡折带(见图9),其沉积环境的限制性发生改变[20,29],从而影响沉积构型样式。基准面上升期水道末端朵叶体靠近湖盆中心,沉积地形相对开阔,侧向限制性较弱,容易形成宽度较小、厚度较大的单一朵叶体[20],并有利于发育侧向摆动型补偿叠置的朵叶体复合体[20](见图14e)。基准面下降早期水道向盆外方向萎缩,末端朵叶体处于半限制环境,单一朵叶体的厚度减小、宽度增大(见图14g)。基准面下降晚期末端朵叶体邻近梁11断层坡脚,该区域发育较多的低洼地貌[5]。朵叶体复合体在该限制性环境中常形成加积型叠置样式[20,29],其中单一朵叶体具有宽度大、厚度小的沉积特征(见图14i)。

5.4 湖底扇沉积构型表征对油田开发的指导意义

综上所述,基准面变化的不同阶段异重流成因湖底扇内部沉积单元的规模和叠置样式具有差异,需要针对不同时期湖底扇砂体分别制定合适的开发方案。
四级基准面上升期和下降早期,外扇补偿叠置的朵叶体复合体内部常发育侧向泥岩夹层(见图10b图11b),并且单一朵叶体的横向分布范围有限(见图13b),导致各单一朵叶体砂体间的侧向和垂向连通性变差。在朵叶体砂体注水未波及区域,可以开展局部井网加密,提高对未动用储量的控制程度。由于晚期水道对早期水道的下切侵蚀,水道砂体间泥质夹层不太发育(见图10a图11a),无法进行分层注水开发。该情况下水道砂体在侧向上可以实施注水井调剖,避免注入水在单一水道砂体内部形成优势窜流通道;此外,在水道砂体不同部位可以适当增加注水井,改变单一水道砂体内部注入水流动方向和增大水驱波及面积。
四级基准面下降晚期,不同期次单一水道侧向迁移、侵蚀形成连片分布的复合水道砂体,并具有较好的侧向砂体连通性(见图12a)。而垂向上水道复合体内部具有稳定的水道间泥质夹层。因此该阶段的水道复合体和横向上规模较大的单一朵叶体具有相似的泥质夹层发育样式(见图12),采用分层注水开发方式,可以解决吸水不均问题,提高纵向水驱程度。

6 结论

东营凹陷沙河街组三段中亚段的强制湖退早期,处于三级基准面下降过程;在此背景下四级基准面的上升受到抑制,而下降得到加强。因此,东营三角洲快速向湖盆推进,斜坡容易发生垮塌,形成块体搬运体。而古气候由半潮湿转化为干旱,洪水触发的异重流携带沉积物通量降低;最终导致研究区滑塌成因湖底扇的比例逐渐上升,异重流成因湖底扇的占比逐渐降低。
四级基准面变化控制湖底扇的平面形态。四级基准面从上升到下降,异重流搬运效率降低,导致异重流成因湖底扇的平面形态从高度沟道化的扇形向裙带状的扇形转变,宽长比不断增大。受异重流水动力和断裂坡折带古地貌的影响,水道最大搬运距离逐渐变小,朵叶体沉积成为主要的沉积单元。
四级基准面变化还控制异重流成因湖底扇的沉积构型特征。从四级基准面上升期到下降晚期,分支水道复合体的构型样式从垂向加积转变为侧向迁移,晚期水道下切早期水道的能力减弱,同时单一水道的横向规模和厚度逐渐减小;水道末端朵叶体复合体的构型样式从侧向摆动型补偿叠置演变为加积型叠置,单一朵叶体的横向规模逐渐增大,而厚度逐渐减小。
本研究揭示了强制湖退期高频基准面升降对重力流沉积构型样式具有重要的控制作用,也为湖底扇油气藏内部砂体连通性分析和井网部署提供了新的思路。
[1]
蒲秀刚, 赵贤正, 王家豪, 等. 渤海湾盆地滨海地区古近系沙河街组一段滑塌型湖底扇储集层特征及主控因素[J]. 石油勘探与开发, 2020, 47(5): 913-924.

DOI

PU Xiugang, ZHAO Xianzheng, WANG Jiahao, et al. Reservoirs properties of slump-type sub-lacustrine fans and their main control factors in first member of Paleogene Shahejie Formation in Binhai area, Bohai Bay Basin, China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2020, 47(5): 913-924.

[2]
DUCASSOU E, MIGEON S, MULDER T, et al. Evolution of the Nile deep-sea turbidite system during the Late Quaternary: Influence of climate change on fan sedimentation[J]. Sedimentology, 2009, 56(7): 2061-2090.

DOI

[3]
EVANGELINOS D, NELSON C H, ESCUTIA C, et al. Late Quaternary climatic control of Lake Baikal (Russia) turbidite systems: Implications for turbidite systems worldwide[J]. Geology, 2017, 45(2): 179-182.

DOI

[4]
NUGRAHA H D, JACKSON C A L, JOHNSON H D, et al. Extreme erosion by submarine slides[J]. Geology, 2022, 50(10): 1130-1134.

DOI

[5]
LIU J P, XIAN B Z, WANG J H, et al. Sedimentary architecture of a sub-lacustrine debris fan: Eocene Dongying Depression, Bohai Bay Basin, East China[J]. Sedimentary Geology, 2017, 362: 66-82.

DOI

[6]
ZAVALA C, ARCURI M. Intrabasinal and extrabasinal turbidites: Origin and distinctive characteristics[J]. Sedimentary Geology, 2016, 337: 36-54.

DOI

[7]
XIAN B Z, WANG J H, GONG C L, et al. Classification and sedimentary characteristics of lacustrine hyperpycnal channels: Triassic outcrops in the South Ordos Basin, central China[J]. Sedimentary Geology, 2018, 368: 68-82.

DOI

[8]
RODRIGUES S, HERNÁNDEZ-MOLINA F J, FONNESU M, et al. A new classification system for mixed (turbidite-contourite) depositional systems: Examples, conceptual models and diagnostic criteria for modern and ancient records[J]. Earth-Science Reviews, 2022, 230: 104030.

DOI

[9]
TALLING P J, MASSON D G, SUMNER E J, et al. Subaqueous sediment density flows: Depositional processes and deposit types[J]. Sedimentology, 2012, 59(7): 1937-2003.

DOI

[10]
MULDER T, SYVITSKI J P M, MIGEON S, et al. Marine hyperpycnal flows: Initiation, behavior and related deposits. A review[J]. Marine and Petroleum Geology, 2003, 20(6/8): 861-882.

DOI

[11]
操应长, 金杰华, 刘海宁, 等. 中国东部断陷湖盆深水重力流沉积及其油气地质意义[J]. 石油勘探与开发, 2021, 48(2): 247-257.

DOI

CAO Yingchang, JIN Jiehua, LIU Haining, et al. Deep-water gravity flow deposits in a lacustrine rift basin and their oil and gas geological significance in eastern China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2021, 48(2): 247-257.

[12]
鲜本忠, 王璐, 刘建平, 等. 东营凹陷东部始新世三角洲供给型重力流沉积特征与模式[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2016, 40(5): 10-21.

XIAN Benzhong, WANG Lu, LIU Jianping, et al. Sedimentary characteristics and model of delta-fed turbidites in Eocene eastern Dongying Depression[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2016, 40(5): 10-21.

[13]
LIU E T, WANG H, PAN S Q, et al. Architecture and depositional processes of sublacustrine fan systems in structurally active settings: An example from Weixinan Depression, northern South China Sea[J]. Marine and Petroleum Geology, 2021, 134: 105380.

DOI

[14]
DOU L X, HOU J G, SONG S H, et al. Sedimentary characteristics of hyperpycnites in a shallow lacustrine environment: A case study from the Lower Cretaceous Xiguayuan Formation, Luanping Basin, northeast China[J]. Geological Journal, 2020, 55(5): 3344-3360.

DOI

[15]
ZHANG X W, SCHOLZ C A. Turbidite systems of lacustrine rift basins: Examples from the Lake Kivu and Lake Albert rifts, East Africa[J]. Sedimentary Geology, 2015, 325: 177-191.

DOI

[16]
屈雪峰, 王武荣, 谢启超, 等. 坳陷湖盆湖底扇储层单砂体构型: 以鄂尔多斯盆地合水地区三叠系长6油层组为例[J]. 地球科学与环境学报, 2021, 43(5): 850-867.

QU Xuefeng, WANG Wurong, XIE Qichao, et al. Single sandbody architecture of sublacustrine fan in a depression lacustrine basin: Insights from Triassic Chang-6 oil-bearing interval in Heshui area of Ordos Basin, China[J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2021, 43(5): 850-867.

[17]
倪长宽, 苏明军, 袁成, 等. 基于地震沉积学的薄互层储集层分布预测方法[J]. 石油勘探与开发, 2022, 49(4): 741-751.

DOI

NI Changkuan, SU Mingjun, YUAN Cheng, et al. Thin-interbedded reservoirs prediction based on seismic sedimentology[J]. Petroleum Exploration and Development, 2022, 49(4): 741-751.

[18]
WU Q R, XIAN B Z, GAO X Z, et al. Differences of sedimentary triggers and depositional architecture of lacustrine turbidites from normal regression to forced regression: Eocene Dongying depression, Bohai Bay Basin, East China[J]. Sedimentary Geology, 2022, 439: 106222.

DOI

[19]
丛富云, 徐尚. 陆架边缘迁移轨迹研究现状及应用前景[J]. 地球科学进展, 2017, 32(9): 937-948.

DOI

CONG Fuyun, XU Shang. Research status and application prospect of shelf-edge trajectory analysis[J]. Advances in Earth Science, 2017, 32(9): 937-948.

DOI

[20]
张佳佳, 吴胜和. 海底扇朵叶沉积构型研究进展[J]. 中国海上油气, 2019, 31(5): 88-106.

ZHANG Jiajia, WU Shenghe. Research progress on the depositional architecture of submarine-fan lobes[J]. China Offshore Oil and Gas, 2019, 31(5): 88-106.

[21]
ZHANG J J, WU S H, HU G Y, et al. Sea-level control on the submarine fan architecture in a deepwater sequence of the Niger Delta Basin[J]. Marine and Petroleum Geology, 2018, 94: 179-197.

DOI

[22]
MULDER T, ALEXANDER J. The physical character of subaqueous sedimentary density flows and their deposits[J]. Sedimentology, 2001, 48(2): 269-299.

DOI

[23]
SHANMUGAM G. 50 years of the turbidite paradigm (1950s—1990s): Deep-water processes and facies models: A critical perspective[J]. Marine and Petroleum Geology, 2000, 17(2): 285-342.

DOI

[24]
SUMNER E J, AMY L A, TALLING P J. Deposit structure and processes of sand deposition from decelerating sediment suspensions[J]. Journal of Sedimentary Research, 2008, 78(8): 529-547.

DOI

[25]
POSAMENTIER H W, KOLLA V. Seismic geomorphology and stratigraphy of depositional elements in deep-water settings[J]. Journal of Sedimentary Research, 2003, 73(3): 367-388.

DOI

[26]
POHL F, EGGENHUISEN J T, TILSTON M, et al. New flow relaxation mechanism explains scour fields at the end of submarine channels[J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 4425.

DOI PMID

[27]
赵晓明, 刘丽, 谭程鹏, 等. 海底水道体系沉积构型样式及控制因素:以尼日尔三角洲盆地陆坡区为例[J]. 古地理学报, 2018, 20(5): 825-840.

ZHAO Xiaoming, LIU Li, TAN Chengpeng, et al. Styles of submarine-channel architecture and its controlling factors: A case study from the Niger Delta Basin slope[J]. Journal of Palaeogeography, 2018, 20(5): 825-840.

[28]
杨田, 操应长, 田景春. 浅谈陆相湖盆深水重力流沉积研究中的几点认识[J]. 沉积学报, 2021, 39(1): 88-111.

YANG Tian, CAO Yingchang, TIAN Jingchun. Discussion on research of deep-water gravity flow deposition in lacustrine basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2021, 39(1): 88-111.

[29]
LIU Q, KNELLER B, FALLGATTER C, et al. Tabularity of individual turbidite beds controlled by flow efficiency and degree of confinement[J]. Sedimentology, 2018, 65(7): 2368-2387.

DOI

[30]
吕奇奇, 付金华, 罗顺社, 等. 坳陷湖盆重力流水道-朵叶复合体沉积特征及模式: 以鄂尔多斯盆地西南部三叠系延长组长 7 段为例[J]. 石油勘探与开发, 2022, 49(6): 1143-1156.

DOI

LYU Qiqi, FU Jinhua, LUO Shunshe, et al. Sedimentary characteristics and model of gravity flow channel - lobe complex in a depression lake basin: A case study of Chang 7 Member of Triassic Yanchang Formation in southwestern Ordos Basin, NW China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2022, 49(6): 1143-1156.

[31]
朱筱敏, 陈贺贺, 葛家旺, 等. 陆相断陷湖盆层序构型与砂体发育分布特征[J]. 石油与天然气地质, 2022, 43(4): 746-762.

ZHU Xiaomin, CHEN Hehe, GE Jiawang, et al. Characterization of sequence architectures and sandbody distribution in continental rift basins[J]. Oil & Gas Geology, 2022, 43(4): 746-762.

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