遼中凹陷中北段重力流發育模式與控制因素

加東輝 周心懷 李建平 賴維成 祝春榮

(中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津 300452)

斷陷湖盆重力流成因的巖性油氣藏是中國東部各油區重要的勘探類型[1,2]。自20世紀50年代以來,國內外通過理論研究與勘探實踐,對各類重力流的發育模式與沉積特征都取得了較深入的認識[3～5]。目前國內比較側重單個重力流(群)的研究,從區域整體出發的分析較少。渤海海域遼中凹陷勘探程度低,鉆井稀少,重力流類型多樣,分布隱蔽,巖性油氣藏勘探困難。本文在古地貌恢復的基礎上,重建了工區古地理背景,以古物源供給系統為切入點,通過物源區與坡折帶的耦合分析,指導并搜索出一批具有較大潛力的巖性圈閉。通過對上述巖性圈閉沉積類型、層序位置、發育部位和形成機制的研究,建立了工區各類重力流的發育模式。通過沉積要素比較分析,提出了重力流的發育是物源系統、坡折類型和湖平面變化耦合作用的結果,遼東凸起的形成演化及以其為主導的構造格局制約著重力流的發育特征及分布規律。該項研究對少井區巖性圈閉富集區帶的選取和目標研究具有重要的指導意義。

1 區域概況

圖1 遼東灣次級構造單元及古水系分布Fig.1 Substructural units and ancient river system distribution of the Liaodongwan Bay

遼東灣地區屬于發育在華北克拉通上的裂陷盆地,南北分別與渤中凹陷和遼河斷陷接壤,東西同膠遼隆起和燕山隆起交界,呈北東向線性展布(圖1)。營濰走滑斷裂(郯廬斷裂帶在海域的部分)影響著遼東灣東部地區的構造演化,主要經歷了三期不同性質的力學運動,據此將新生代古近紀的構造演化分為3個階段：古新世-始新世中期的伸展張裂陷階段、始新世晚期-漸新世早期的第一裂后熱沉降階段和漸新世東營期的走滑拉分與地幔和上、下地殼的非均勻不連續伸展疊加的再次裂陷階段[6]。遼東灣地區古近系呈現三凹夾兩凸的構造格局,分為五個二級構造單元,其中遼中凹陷是其中部東斷西超的一個箕狀凹陷,西側的遼西凸起為古近紀早期形成的凸起,東側的遼東凸起由南北兩個呈似菱形的基巖塊體錯列組成,以陡坡斷裂坡折帶與遼中凹陷過渡。工區古近系層序地層劃分與構造幕相對應,東營組(32.8～24.6 Ma前)屬于裂陷晚期的一個3級層序組(圖2),包括東三段、東二段和東一段3個三級層序[7]。

2 古地貌恢復及古地形背景

古地貌恢復及分析近年來在儲層預測領域得到了廣泛的應用,并取得了顯著的成果[8,9]。研究區為三維地震覆蓋,但鉆井較少。根據三維地震橫向分辨率高這一特點,本次古地貌恢復以地震資料的研究為骨架,以鉆井的恢復為補充,采用聯合恢復的方法,在工區取得了較好的效果。具體步驟主要為：(1)對古近系東三段、東二段和東一段現今地層進行解釋,并計算各地層的厚度。(2)利用地震資料,通過未剝蝕地層厚度趨勢延伸法,對剝蝕區地層剝蝕厚度進行計算[10]。(3)有井鉆遇的地區,利用泥巖聲波時差法求取剝蝕地層厚度。(4)將現今殘留地層厚度、地震剝蝕區的剝蝕厚度和井區的剝蝕地層厚度進行累加,求出相對原始地層厚度(未考慮壓實校正)。按照沉積學原理,相對原始地層厚度可以相對反映古地貌的差異變化。即：地層薄的地方古地形高,一般為正向單元;地層厚的地方古地形低,一般為負向單元[8]。

圖2 遼中凹陷中北段古近系綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive column of Paleogene System in the central-northern Liaozhong depression

重力流為陸上或水下由重力推動的一種水中含有大量彌散物質的高密度流體,它的形成是沉積物勢能積累與釋放的過程。因此,開展區域物源與有效坡折帶的配置分析是搜索重力流的基礎和前提。遼東凸起在古近系沙河街組屬于早期遼中凹陷的一部分,為晚期形成的凸起[6]。從恢復的古地貌圖可以看出,在東三段和東二段層序沉積時期,遼東灣地區營濰斷裂帶右旋走滑作用加強,遼東凸起南北兩個塊體和遼東凹陷已經形成,遼東帶已具現今構造格局,西支斷裂主要控制本地區的沉積沉降中心,東支兩個凸起塊體間的轉換帶為盆外物源的主要入口(圖3)。到了東一段層序沉積時期,斷裂活動減弱,遼東凸起為水下局部高地,工區逐漸進入熱沉降階段[7]。

圖3 東三層序(A)和東二層序(B)時期遼中凹陷中北段及東側的古地貌Fig.3 Palaeogeomorphology of Sequences D3 and D2 in study area

通過古地貌單元與沉積體系分析,東三段的古地理格局具有南北分段、東西分帶的特征。南北方向上,遼東凸起的兩個菱形塊體和膠遼隆起邊界斷裂的差異將區域沉積分為不同的段。遼東凸起的北支遭受剝蝕,發育辮狀三角洲和濁積扇沉積,南支則主要屏蔽東側水系的輸入。中部和南部,與沿膠遼隆起的墻角狀斷裂對應,分別發育斜坡扇和大型的辮狀三角洲沉積,后者延伸范圍很遠。其他地區則主要發育湖泊沉積體系。東西方向上,隆起-同向構造轉換斷階坡折-凹陷的古地貌配置,在平面上限制了辮狀三角洲的相帶分異。以平行斷階為界,東側主要發育辮狀三角洲平原,中間主要發育辮狀三角洲前緣;西側除斷根附近發育辮狀三角洲前緣外,主要發育辮狀三角洲遠源和湖底扇沉積(圖4)。因此,在東三段層序沉積時期,有利區帶主要為遼東凸起凸緣斜坡帶和轉換坡折帶前方的洼陷帶,是重力流勘探的優選方向。

圖4 東三層序時期遼中凹陷中北段及東側沉積體系分布Fig.4 Sedimentary system distribution in Sequence D3 of study area

東二段的古地理格局與東三段基本類似,但地勢變緩,走滑斷裂持續活動,西支斷層的東側地層厚度比東三段大得多(圖2)。中部的古地貌配置為隆起-構造轉換帶-轉換斷階坡折帶-凹陷,為最大的物源體系,對應發育大型的三角洲沉積體系。斷裂轉換帶的輸砂能力明顯較其他類型的溝谷強;同時,由于轉換斷階坡折帶的走滑錯動,三角洲前緣不斷橫向遷移,從而增加了分布范圍。北部和南部的古溝谷規模較小,在墻角狀斷裂交口沿斜坡發育較小的斜坡扇沉積。同時,由于走滑斷裂的活動,遼中凹陷的北部發育長條狀(長達40 km,寬僅 1 km左右)的泥巖底辟帶,與坡折上部的轉換帶大型三角洲配置良好。因此,除凸緣斜坡帶和轉換坡折帶前方的洼陷帶外,泥拱坡折帶前方的洼陷帶也是重力流發育的有利區帶。

到東一段沉積時期,地勢趨于平緩,發育較大規模的三角洲、河流和沼澤沉積體系。遼中凹陷的沉積中心逐漸遷移到北部,在洼陷中心盆地長短軸方向均有水系注入,與四周的同沉積坡折帶及斷裂坡折帶配置良好：因此,遼中凹陷北洼中心也是重力流發育的有利區帶。

3 重力流發育模式

通過上述物源系統-同沉積坡折帶耦合分析,在工區有利區帶共搜索發現湖底扇、坡移濁積扇、斜坡扇、三角洲滑塌濁積扇和近岸水下扇共五種類型的重力流沉積,它們在沉積類型、層序位置、發育部位和形成機制上存在明顯的差異(表1)。

3.1 湖底扇

工區內有無根型和有根型兩種類型[11]。無根型湖底扇分布在東三層序遼中凹陷中部深陷中,為復州水系沿轉換坡折帶在低位體系域階段的產物;在地震剖面上垂直物源方向為丘狀外形,內部為斷續雜亂反射,沿物源方向為楔狀外形;鉆井主要鉆遇扇中亞相;在測井相上為齒狀漏斗形-箱形的組合;巖性為發育在深灰色泥巖背景中微具反粒序的粉砂巖和泥質粉砂巖,厚度常超過百米。有根型湖底扇分布在東一層序北部洼陷,該時期遼西凸起沒于水下,興城水系沿西部斜坡帶注入形成。上部以高位沉積坡折為界,下部以傾末端走滑斷裂為界,在斜坡帶發育“V”字形或“W”字形下切谷充填。溝谷底部為弱振幅低頻率雜亂反射,中部和上部為中振幅高頻率較平行反射,走向上見上超反射特征。因此,下切谷早期主要為低位域期濁流輸導通道,發育較薄的滯留沉積;晚期為湖擴展域泥巖充填。洼陷內走滑斷裂坡折帶相當于低位坡折帶,在洼陷內由西向東沿派生斷層走向上發育3支規模較大的溝道充填,它們在走向上為楔狀外形,內部呈強振幅低頻率斷續反射,可見由西向東的前積結構,軸向上為充填外形,內部斷續雜亂反射清楚：為下扇水道沉積。由于相鄰水道距離近,下扇水道間沉積不太發育[12]。

3.2 坡移濁積扇

分布在東二層序遼中中洼內,沿泥拱坡折帶展布。通過鉆井和地震綜合分析,為線物源供給,由南到北沿斜坡共發育四支距離很近的溝道體系。其中扇根不太發育,沿坡角發育扇中沉積,可延伸較遠;地震反射特征為具小幅下切,內部為蠕蟲狀斷續反射。砂體精細描述和鉆井結果表明,溝道間片流沉積不發育,為鈣質膠結的湖相泥巖。通過層序地層和沉積學分析,沉積體為基準面上升期對泥拱坡折帶上方三角洲改造的結果[13]。由于源頭三角洲物源方向為由南向北,因此北部兩條溝道規模較小,砂體間互不連通。而南部溝道砂體規模較大,在扇端疊合連通。扇中亞相在測井相上為多期鋸齒狀箱形的疊置,鉆井地層厚度超過百米,縱向巖相組合具反旋回的特征,巖性主要為灰色的細砂巖、粉砂巖和泥質粉砂巖。

3.3 斜坡扇

發育在東二層序遼東凸起凸緣斷階帶上,宏觀形態為扇形。在地震剖面上,垂直物源方向為透鏡狀外形,中間較兩側厚,內部為斷續蠕蟲狀反射。沿物源方向沉積體順斷階展布,構造低部位厚度有變大的趨勢;地震特征為弱振幅高頻斷續反射,向高部位逐漸演變為中強振幅低頻較連續反射。結合區域地質和層序地層研究,該斜坡扇為低位體系域時期遼東凸起剝蝕作用在斜坡帶的產物。此外,在東三和東二層序遼東凹陷南部的斜坡帶上也有發育,為盆外膠遼隆起復州水系直接傾瀉的產物。

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3.4 三角洲滑塌濁積扇

發育在東二層序具S形前積結構的高位三角洲前方[11],受同沉積坡折帶或小型斷裂坡折帶控制,為三角洲進積滑塌形成。縱向上可疊置,橫向上多個呈條帶狀孤零分布。地震響應為小型透鏡狀或楔形體,內部為雜亂斷續反射,源頭不發育溝道體系,無明顯的橫向遷移或進退,不具備典型的扇體外形,海底扇模式中主水道的內扇、辮狀水道的中扇及外扇難以識別,內部很難細分,單個規模小,一般不超過0.5 km2,鉆遇地層厚度為10～30 m,置于前三角洲灰色泥巖之中,測井相為指狀-漏斗狀的組合,巖性為細砂巖、粉砂巖或泥質粉砂巖,沿物源方向巖性變細,含砂率逐漸降低,巖相序列可以用Bouma序列的CDE或DE組合來描述[10]。

3.5 近岸水下扇

發育在東一層序遼中凹陷北洼靠近遼東凸起一側,為復州水系在低位體系域時期沿陡坡斷裂坡折帶形成。近岸水下扇在斜坡帶表現為溝道化沉積,地震反射在物源方向為楔狀外形,內部為強振幅低頻率斷續反射。垂直物源方向為充填外形,形態為“V”字形或槽狀,內部為強振幅低頻率斷續反射,相當于內扇水道和中扇水道沉積。在坡角和洼陷內見側向加積特征,方向由南向北,相當于中扇水道沉積。洼陷更遠處則發育外扇遠端或水道間沉積,反射特征為強振幅中頻率連續反射。

4 控制因素

前人研究表明,水下重力流的形成需要充足的物源供給、合適的坡度和一定的觸發機制[14]。通過上面的分析比較,各類重力流發育的層序位置、構造部位以及物源系統有顯著的區別,它們的發育特點與物源系統、同沉積坡折帶和湖平面變化的耦合關系密切,如沉積類型、層序位置、發育部位和規模大小等。總體上講,工區物源系統主要包括盆外水系、凸起的剝蝕以及三角洲等先期沉積物的后天改造三種類型,它們的規模、易風化程度和與圍區地形的高差影響著重力流的規模和空間分布;同時,湖平面的周期性變化決定著重力流的基本類型及空間展布。在低位體系域階段,可容納空間主要局限于斜坡傾末區-洼陷帶,有利于形成近岸水下扇、坡移扇和湖底扇沉積。在湖擴展體系域的早期,容易對早期三角洲改造形成坡移扇沉積[15],在高位體系域有利于高位滑塌濁積扇的形成。此外,斷陷盆地自凸緣至凹陷邊界都發育著各種類型的同沉積坡折帶,它們的發育影響著重力流的沉積部位和平面分布。如凹陷長軸方向以同沉積緩坡坡折帶為主,有利于大型三角洲的不斷進積,進而在合適觸發機制或自身建設作用下形成滑塌濁積扇;凸緣斷裂坡折帶毗鄰凸起,有利于斜坡扇或近岸水下扇的形成;轉換斷裂坡折帶是盆外水系的入口,在其前方有利于形成湖底扇或坡移扇沉積。物源系統、同沉積坡折帶和湖平面變化的良好配置是個動態變化的過程,三者之間任何一方的變化必然導致其他兩方有效配置的動態變化。因此,在湖平面變化過程中不斷變化的物源系統和坡折帶組合易于形成多沉積類型、多發育機制的重力流體系。

遼東凸起的形成演化及以其為主導的構造格局對工區重力流的發育影響很大。在裂陷早期的沙河街時期,由于遼東凸起尚未形成,古地貌發育隆起-斜坡帶-凹陷的組合樣式,在遼中凹陷的東斜坡僅發育小型的扇三角洲沉積。東營組時期,隨著走滑斷裂的活動和遼東凸起的形成,首先增加了工區物源系統的類型,能夠沿凸緣斜坡形成斜坡扇,凸起壘塊間轉換坡折帶的發育也增加了盆外水系輸入的規模和分異狀況,在洼陷中心形成湖底扇。同時,工區的地貌特征也得到了極大的豐富,多類型的同沉積斷裂坡折帶及其組合提供了良好的地形條件,如走滑斷裂活動期的陡坡斷裂坡折帶、轉換坡折帶、斷階坡折帶和泥拱坡折帶等。此外,東一層序時期雖然斷裂活動減弱,較高的沉降速度造成凹坡形態和位置不斷遷移,遼東凸起凸緣繼承性的斷裂坡折帶和周邊同沉積坡折帶也是有利的地形單元。最后,遼東凸起發育伴生的斜坡帶、泥拱帶給湖平面變化及物源系統的有效動態配置提供了契機。如低位體系域物源區域擴大,斜坡帶較低部位的坡折帶有利;湖擴展體系域的早期沉積物易改造,與三角洲配置好的坡折帶較為有利等。

5 結論

a.遼中凹陷中北段東營組主要發育三角洲滑塌濁積扇、坡移濁積扇、近岸水下扇、湖底扇和斜坡扇五種類型的重力流。在古地理背景及沉積微觀響應分析的基礎上,建立了上述各種類型重力流的發育模式。

b.通過沉積要素分析比較,提出了上述重力流的發育是物源系統、坡折類型和湖平面變化耦合作用的結果。研究區內豐富多變的物源系統和坡折帶組合在湖平面變化過程中易于形成多沉積類型、多發育機制的重力流體系。

c.遼東凸起的形成演化及以其為主導的構造格局對重力流的發育影響很大,主要表現為增加了物源系統的類型,極大地豐富了地貌特征,為物源系統、坡折帶和湖平面變化的有效動態配置提供了契機。

d.在古地理重建的基礎上開展物源及同沉積構造坡折帶耦合研究是尋找重力流沉積的有效手段。

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