黃驊坳陷緩坡帶沙河街組物源體系分析

袁淑琴 劉子藏 李 勇 肖敦清 蒲秀剛

(1.大港油田勘探開發研究院,天津 300280;2.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059;3.中國科學院地質與地球物理研究所,北京100029)

中國東部中、新生代陸相含油氣盆地主要為斷陷盆地,一般可將其劃分為3個帶,分別為緩坡帶、深陷帶和陡坡帶。在陡坡帶一側低位扇發育,是油氣資源良好儲層和油氣勘探的重要領域。近年來,在緩坡帶一側也逐漸進行了油氣勘探和開發,開始探索緩坡帶的構造樣式和油氣分布規律[1～3],分析了緩坡帶的層序地層、沉積模式的特殊性[4～9]。研究成果表明緩坡帶的沉積物粒度較細、物性較好、沉積類型多樣,是油氣勘探的有利地區。

雖然埕寧隆起是黃驊坳陷緩坡帶最主要的物源區[10],但是黃驊坳陷緩坡帶的緩坡型古地形對物源體系和水系模式具有明顯控制作用,一方面它控制著外帶至內帶的碎屑巖類型、沉積體系和砂體類型在南北方向的變化,同時次級物源口又控制著每一個構造地貌單元內碎屑巖類型、沉積體系和砂體類型在東西方向的變化(圖1)。鑒于此,本文采用礫石成分分析、砂巖成分分析、重礦物分析、砂體分散體系和溝-谷體系分析等方法對區內次級古物源口及古水系進行分解,分析埕寧隆起上次級物源口的分布位置,研究次級物源口對沉積物組分差異和儲集性的影響,探索次級水系對砂體空間展布的控制作用,并為黃驊坳陷緩坡帶古地形的恢復和古物源體系的重建提供最基本的材料。在此基礎上,開展外帶、中帶、內帶等不同構造地貌單元的物源體系的對比性研究,建立黃驊坳陷緩坡帶物源體系格架,探討該區緩坡帶物源體系的特殊性。

1 地質背景

埕寧隆起位于渤海灣盆地中部黃驊坳陷的東南部。其西北側依歧口凹陷,東南側抵車鎮凹陷,總體構造格局北緩南陡,呈NE-SW走向,面積約為800 km2。研究區就位于埕寧隆起北坡緩坡帶(即埕北斷階帶,圖 1)。

圖1 黃驊坳陷緩坡帶的構造分區及井位分布圖Fig.1 Distribution of the wells of the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

埕寧隆起形成于中生代燕山運動,古近紀強烈隆升,剝蝕作用強烈,成為區內主要物源區;新近紀構造活動減弱,隆升和剝蝕強度降低,大部分地區被館陶組、明化鎮組覆蓋。據重磁資料推測,該隆起為向南東方向抬升、向北西方向傾斜的單斜構造,總體形態為一向北西凸出的弧形隆起帶。從北向南、從西向東依次發育的基巖為中生界、石炭-二疊系、寒武-奧陶系與元古界。其母巖性質包括寒武-奧陶系碳酸鹽巖、元古界變質巖、石炭-二疊系的海相與海陸過渡相沉積巖、中生界碎屑巖、火山碎屑巖與巖漿巖。

埕寧隆起顯示為由南向北逐級下掉的多級斷階帶,由埕寧隆起剝蝕區、緩坡區和深陷區(歧口凹陷)3個區塊構成。在緩坡區內部由4條正斷層將其分割成外帶、中帶、內帶3個構造地貌單元(圖1),古坡度在 0°～10°之間,總體屬于多級低角度緩坡。其中最顯著的特征之一就是其中發育較多的地層不連續面,表現為不整合面和上超面,并由北向南上超,形成逐級上超面,地層超覆、尖滅、剝蝕和不整合等圈閉均特別發育[8]。

在古近系沙河街組沉積時期,埕寧隆起始終處于隆升狀態,歧口凹陷不斷下沉,位于埕寧隆起向歧口凹陷過渡的埕北斷階帶地層發育不完整,垂向上連續性差,各區塊之間地形坡度較小,平均坡度 8°左右(其中外帶 0°～ 5°,中帶和內帶 5°～10°),水動力條件變化大,具緩坡帶特點。地層厚度介于0～1.6 km之間,由南向北逐步增厚,呈現為南薄北厚,并可被劃分為5個層序[8](圖2)。沉積物粒度較細,物性較好,發育一套近物源、相帶寬、沉積物粒度相對較細的、以辮狀河三角洲和濱淺湖灘壩為主的沉積,由南向北顯示為辮狀河三角洲沉積體系-灘壩沉積體系-湖泊沉積體系-濁積扇沉積體系的組合模式(趙瞻、李勇等,2007)。在外帶發育辮狀河三角洲平原,在中帶發育辮狀河三角洲內前緣及濱淺湖灘壩沉積,在內帶發育辮狀河三角洲外前緣及濁積扇沉積;未出現在陡坡帶普遍發育的扇三角洲和近岸水下扇等沉積體系類型。

2 物源體系分析

埕寧隆起是黃驊坳陷緩坡帶最主要的物源區。但是,黃驊坳陷緩坡帶的緩坡型古地形對沙河街組物源體系和水系模式具有明顯控制作用,因此,本次采用礫石成分分析、砂巖成分分析、重礦物分析、砂體分散體系和溝-谷體系分析等方法對區內次級古物源口及古水系進行分解,分析埕寧隆起沙河街組次級物源口的分布位置及其對沉積物組分差異和儲集性的影響。

圖2 黃驊坳陷緩坡帶地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

2.1 礫石成分分析

礫巖主要分布在緩坡帶的外帶,是埕寧隆起物源區母巖成分最直接的反映。本次對區內礫巖中礫石成分進行了統計(表1),結果表明,該區的礫石成分可明顯地分異出東部、中部和西部3個區塊。在東部地區,礫石成分以巖漿巖為主,含變質巖和少量碳酸鹽巖;中部地區以巖漿巖和變質巖為主,并含較多泥礫,表明東部和中部物源區性質相近,都以前寒武系花崗巖、侏羅系及石炭、二疊系火山巖及砂巖為主。在西部地區,礫石成分以碳酸鹽巖為主,且泥礫含量相對較少,灰巖礫石所占比例較大,表明西部地區的母巖性質為寒武系、奧陶系灰巖及砂巖。

表1 黃驊坳陷緩坡帶沙河街組礫石成分Table 1 The component of conglomerate in the Shahejie Formation on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

2.2 砂巖成分分析

研究區砂巖的碎屑組分主要是石英、長石和巖屑,總體含量(巖石薄片中的面積比)介于84%～98%之間,但砂巖的類型在東西方向上具有明顯的變化。西部地區的砂巖主要為長石砂巖及巖屑長石砂巖,中部地區及東部地區的砂巖主要為巖屑長石砂巖。為了能更好地確定物源口,作者統計了砂巖的骨架成分,編制了平面分布圖(圖3),并將其劃分為東部、中部和西部3個區塊。

西部地區砂巖的骨架成分以石英含量高為特點,在巖石薄片中石英的面積比為40%～83%之間,平均為52%。長石顆粒主要為鉀長石,在巖石薄片中的面積比為8%～35%;斜長石顆粒較少。巖屑主要為沉積巖巖屑,在巖石薄片中的面積比約為15%,成分主要為灰巖;巖漿巖巖屑平均為5%;變質巖巖屑約為2%：表明在西部地區砂巖的骨架成分以石英含量高、巖漿巖巖屑和變質巖巖屑含量低為特征。

東部地區砂巖的骨架成分具有低石英的特點,石英在巖石薄片中的面積比一般為9.8%～25%,平均約為20%。長石顆粒可分為鉀長石和斜長石,斜長石顆粒含量相對較高,在巖石薄片中的面積比約為25%。巖屑類型以巖漿巖巖屑為主,在巖石薄片中的面積比達25%;其次為沉積巖巖屑(約5%)和變質巖巖屑(約3%)。表明在東部地區砂巖的骨架成分具有低石英、高巖漿巖巖屑和變質巖巖屑的特點,表現為低成分成熟度、近源供給。

圖3 黃驊坳陷緩坡帶沙河街組砂巖成分分布特征圖Fig.3 Distribution of the sandstone components in the Shahejie Formation on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

中部地區砂巖的骨架成分石英含量介于西部和東部地區之間,在巖石薄片中石英的面積比為26%～43%,平均約為34.5%。其中巖漿巖巖屑較東部地區減少,而沉積巖巖屑則有所增加,表明沉積巖巖屑具有從東部地區向西部地區逐漸增加的特點。

此外,還選用了Q型相關系數進行砂巖成分的聚類分析,按6個變量(Q,P,K,Ls,Lm,Lv)對砂巖樣品之間的相似性進行了對比,編制了譜系圖(圖4)。結果表明,在分異距離為15的時候,研究區的砂巖可被明顯地分為西部地區、中部地區和東部地區3個區塊。

2.3 重礦物組合分析

圖4 黃驊坳陷緩坡帶沙河街組砂巖成分聚類圖Fig.4 Cluster analysis of the sandstone components in Shahejie Formation on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

對區內沙河街組11口鉆井175個樣品進行了0.125～0.063 mm粒級的重礦物分析。分析的結果表明,主要的重礦物類型有鋯石、電氣石、金紅石、石榴子石、黑云母;但重礦物組合在東西方向具有明顯的分異性,可明顯地分為東部地區和西部地區。在東部地區,石榴子石含量相對較高,在巖石薄片中的面積比可達40%～50%;其次為鋯石,含量低,晶體類型單一,棱平直清晰,多為無色及淺粉紅色,并伴有少量的黑云母：表明東部地區以中酸性巖漿巖和變質巖來源的重礦物組合為特點。在西部地區,鋯石含量相對較高,在巖石薄片中的面積比可達40%～50%,其中淡紫色或褐紅色的鋯石常具有環帶構造;其次為石榴子石,含量(面積比)約為30%;磁鐵礦及白鈦礦含量也相對較高：表明西部地區以沉積巖母巖來源的重礦物組合為特點。而中部地區的重礦物組合則顯示為東部和西部地區之間的過渡類型。

此外,作者利用重礦物ZT R指數對物源區進行了分析,所作出的重礦物ZT R指數等值線圖能夠看出物源區的大致趨勢(圖5)。區內主要受4個方向的物源影響,其中西部地區物源主要來自埕寧隆起及附近一些次級凸起,如孔店凸起、扣村-羊三木凸起等,另外可能還有來自西北部的滄縣隆起和南大港潛山;中部地區物源主要來自埕寧隆起;東部地區物源主要來自埕寧隆起東部和海中隆起。

2.4 砂體分散體系分析

砂體分散體系是研究古物源和古水系的一個重要方法,其原理在于在水系通過的地區也是砂體最為發育的地區,具有砂巖厚度大、砂巖含量高的特點。鑒于此,本文試圖通過對砂巖厚度及砂泥比的統計分析,探索緩坡帶的古斜坡方向、物源口和古水流方向等問題。在對沙河街組6個層序的砂巖厚度及砂泥比分析的基礎上,按砂泥比大于30%的砂巖條帶作為劃分古水系分布范圍的標準,將研究區劃分為東部、中部和西部3條砂體條帶,作為該緩坡區古水系注入湖泊的三條主要通道(圖6)。其中東部地區的砂體條帶呈SSENNW向延伸,長度為20 km左右,砂體條帶的寬度由南向北逐漸增加,平均寬度約為5 km;中部地區的砂體條帶沿SSE-NNW 向延伸,長度為10 km左右,平均寬約為4 km;西部地區的砂體條帶呈SSW-NNE向延伸,長度為16 km,寬度約為6 km。

以上研究成果表明,該緩坡帶的物源體系以線狀物源為特征(圖7),3個物源口平行于主要構造線和埕寧隆起長軸方向,呈近東西方向展布。3條古水系以橫向水系為特征,水系走向垂直于主要構造線,呈近南北方向展布。在同沉積斷裂的控制下,每一條水系均呈多級斷階狀,斷階上盤的砂體沉積厚度小、寬度小,斷階下盤的砂體沉積厚度大、寬度大。沿每一條水系,沉積相類型變化明顯：在外帶為辮狀三角洲平原亞相發育區;在中帶為辮狀三角洲前緣亞相發育區,砂體沉積厚度大;在內帶為深湖相細粒泥質沉積物、辮狀三角洲前緣沉積物和前緣滑塌再搬運形成的濁積扇體。

2.5 溝-谷體系分析

圖5 黃驊坳陷緩坡帶沙河街組重礦物ZT R等值線圖Fig.5 The ZTR isopach map of the Shahejie Formation on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

圖6 黃驊坳陷緩坡帶沙河街組砂泥比等值線圖Fig.6 The isopach map of sandstone-mudstone ratio in Shahejie Formation on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

圖7 黃驊坳陷緩坡帶沙河街組砂體分散體系Fig.7 Dispersal pattern of sandstone bodies in Shahejie Formation on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

黃驊坳陷緩坡帶的古地形屬于埋藏型古地形,古近紀的古地表被新近紀的沉積物埋藏,并保存到現今。該緩坡帶的古地形在平面上呈現為凹凸不平的起伏形態,其中凸起脊為分隔沉積物的主要界限帶,洼槽(凹陷帶)則為堆積沉積物的主要區域(圖8)。鑒于此,在對該緩坡帶的古構造和砂體分布圖進行重點分析的基礎上,作者對近東西方向的三維地震剖面進行了重點解釋和井震對比,發現該緩坡帶的中部和東部存在2條洼槽或沖溝,表明該區的中部和東部存在2個大的溝-谷體系(圖6,圖7)。該溝-谷體系垂直于主要構造線,呈近南北方向展布,與緩坡帶上所發育的3條古橫向水系相匹配。因此,我們推測溝-谷體系的位置就是古河道沉積物充填的地區,即古水系的河道沉積物就分布在洼槽或沖溝之中,形成了地震剖面上顯示的溝-谷體系(圖8)。

圖8 黃驊坳陷緩坡帶東部的沖溝(古河道)在地震剖面圖上的顯示Fig.8 The paleo-channel in seismic refraction profile on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

3 結論

a.黃驊坳陷緩坡帶的物源主要是其南部的埕寧隆起。通過對礫石成分、砂巖成分、重礦物、砂體分散體系和溝-谷體系的分析(表2),可細分為3個次級物源口,從西到東分別為西部物源口、中部物源口和東部物源口。其中東部和中部物源區的性質相近,都以前寒武系花崗巖、侏羅系及石炭、二疊系火山巖及砂巖為主,只是東部物源區中含有海中隆起母巖成分(酸性、中性、基性噴出巖,片巖,千枚巖及碳酸鹽巖);而西部物源區的母巖性質差異較大,主要為二疊系、奧陶系灰巖及砂巖。

b.西部物源主要影響扣村-后唐堡-張巨河地區,中部物源主要影響趙家堡-關家堡-張海15井地區,東部物源主要影響埕海1-張海9-歧東3-1井地區。由物源區至深陷區均發育辮狀河三角洲沉積體系-濁積扇沉積體系-深湖沉積體系。

表2 黃驊坳陷緩坡帶砂體及古水系特征Table 2 The characteristics of the paleo-channel and sandstone bodies on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

c.研究區3個次級物源口呈東西方向線狀分布于埕寧隆起的北側緩坡帶,平行于主要構造線,具有線狀物源的特點。此外,在該緩坡帶上所發育的3條古水系以橫向水系為特征,古水系走向呈近南北方向展布,垂直于主要構造線;3個次級物源口和水系不僅控制了緩坡帶上礫石成分、砂巖成分、重礦物組合在東西方向的分區和變化,同時也控制了砂體分散體系和溝-谷體系在空間上的展布形態。顯然,本項研究成果為黃驊坳陷緩坡帶的古地形恢復、古地理重建和有利砂體預測提供了最基本的材料。

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