王星星, 朱筱敏, 宋爽, 吴陈冰洁, 贺敬聪, 曹刚. (2016)渤海湾盆地车西洼陷陡坡带古近系沙河街组沙三下段“源-汇”系统[J]. 古地理学报, 18(1): 65-79
Wang Xingxing, Zhu Xiaomin, Song Shuang, Wu Chenbingjie, He Jingcong, Cao Gang. (2016)“Source-to-sink” system of the Lower Member 3 of Paleogene Shahejie Formation in steep slope zone of Western Chezhen sub-sag, Bohai Bay Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 18(1): 65-79. DOI:10.7605/gdlxb.2016.01.005  
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渤海湾盆地车西洼陷陡坡带古近系沙河街组沙三下段“源-汇”系统
王星星1,2,3, 朱筱敏1,2, 宋爽1,2, 吴陈冰洁1,2, 贺敬聪1,2, 曹刚4
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 浙江大学海洋学院,浙江舟山 316000
4 中国石化胜利油田地质科学研究院,山东东营 257015

第一作者简介: 王星星,男, 1991年生,浙江大学博士研究生,专业为层序地层学与沉积学。 E-mail: 312347272@163.com。

通讯作者简介: 朱筱敏,男, 1960年生,中国石油大学(北京)教授,博士生导师,研究方向为层序地层学、沉积学、储集层地质学和地震沉积学。 E-mail: xmzhu@cup.edu.cn。

收稿日期:2015-04-10
基金:国家油气重大专项子课题(编号：2011ZX05009-002,2012ZX05001-002)、国家自然科学基金项目(编号:41272133)、国家自然科学基金青年科学基金项目(编号:41202107)联合资助
摘要

依据渤海湾盆地车镇凹陷车西洼陷陡坡带古近系沙河街组沙三下段岩心、测井以及三维地震资料,对研究区的“源 -汇”系统进行了研究。结果表明:( 1)车西洼陷沙三下段为一个三级层序,并可进一步划分为低位、湖侵与高位 3个体系域,其陡坡带沙三下段发育杂基支撑中砾岩、碎屑支撑中砾岩、杂基支撑细砾岩、碎屑支撑细砾岩、砂质砾岩、含砾砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、递变层理砂岩、滑塌岩等 11种重力流成因岩石类型及深湖泥岩,表现为典型的近岸水下扇沉积;不同体系域时期扇体规模整体呈“由大变小,再变大”的演化趋势。( 2)车西洼陷陡坡带自西向东识别出 6套供源体系,可分为有沟道为主供源体系和滑塌为主供源体系,分别形成沟道供源为主近岸水下扇和滑塌供源为主近岸水下扇类型,其中滑塌供源为主近岸水下扇中的滑塌变形构造更发育、更普遍,但其扇体规模较沟道供源为主近岸水下扇小。( 3)进一步的“溯源”分析结果表明,沙三下段沉积时期,研究区物源区母岩以碳酸盐岩为主,其在强烈的构造活动、湿热气候作用下,易于发育石漠化古地貌,剥蚀作用较为强烈,由此形成的频发的季节性重力流进入湖盆,形成该地区的近岸水下扇沉积;不同体系域时期扇体规模的差异主要受物源区气候和植被覆盖的控制。

关键词: “源 -汇”系统; 沙三下段; 陡坡带; 车西洼陷; 车镇凹陷; 渤海湾盆地
中图分类号:P531 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2016)01-0065-15
“Source-to-sink” system of the Lower Member 3 of Paleogene Shahejie Formation in steep slope zone of Western Chezhen sub-sag, Bohai Bay Basin
Wang Xingxing1,2,3, Zhu Xiaomin1,2, Song Shuang1,2, Wu Chenbingjie1,2, He Jingcong1,2, Cao Gang4
1 State Key Laboratory of Peroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
2 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
3 Ocean College,Zhejiang University,Zhoushan 316000, Zhejiang
4 Geoscience Research Institute, Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongying 257015, Shandong;
Fund:Co-funded by the subproject of National Significant Petroleum Special Projects of China(No.2011ZX05009-002, No.2012ZX05001-002), the National Natural Science Foundation of China(No.41272133) and the Young Scientists Foundation of National Natural Science Foundation of China(No.41202107)]
Abstract

Based on core observation, well logs and 3-D seismic data, the research in the “source-to-sink” system of the Lower Member 3 of Paleogene Shahejie Formation in the steep slope zone of Western Chezhen sub-sag of Chezhen sag, Bohai Bay Basin, is conducted. The results show that:(1)The Lower Member 3 of Shahejie Formation is a third-order sequence which can be divided into three system tracts, including the lowstand system tract, transgressive system tract and highstand system tract, and in the steep slope zone, 11 gravity flow rock types and deep-lacustrine mudstone can be identified,and the gravity flow rock types include matrix-supported medium-grained conglomerates,clast-supported medium-grained conglomerates,matrix-supported fine-grained conglomerates,clast-supported fine-grained conglomerates,sandy conglomerate,conglomeratic sandstones,coarse sandstones,medium sandstones,fine sandstones,graded bedding sandstones and slumps,they are all the typical characteristics of the near-shore subaqueous fan. The evolution tendency of fan scales is from increasing to decreasing,and then increasing again as a whole. (2)Six provenance supplying systems can be identified in the steep slope zone of Western Chezhen sub-sag,and they can be divided into two types,namely,gully-dominated provenance supplying systems and slump-dominated provenance supplying system. The slump structure are much more widely developed in the fans associated with the slump-dominated provenance supplying systems than the fans associated with the gully-dominated provenance supplying systems,in addition,the scale of slump near-shore subaqueous fans is smaller than the fans associated with gully. (3)The further study on the “source”area’s characteristics shows that,the parent rock developed in the depositional period of the Lower Member 3 of Shahejie Formation of the source area was mainly the carbonate rocks; under the action of strong tectonic activities and warm-wet climate,the source area may developed stony desertification palaeogeomorphology and strong erosion,which would cause frequent seasonal gravity to be transported into the lacustrine and form the near-shore subaqueous fans; the scale difference of the fans developed in different system tracts were mainly controlled by the climatic variation and vegetation cover of the source area.

Key words: “source-to-sink” system; Lower Member 3 of Shahejie Formation; steep slope zone; Western Chezhen sub-sag; Chezhen sag; Bohai Bay Basin
1 概述

地球地表系统主要以地貌的形式表现, 根据地貌的成因差异, 地貌单元主要可分为剥蚀地貌及沉积地貌两类。但不论是剥蚀地貌的剥蚀作用, 还是沉积地貌的形态、规模以及后期的改造, 在根本上都受到构造作用和气候变化的共同控制(Philip, 2008a)。因而, 地貌的变化是地球内动力构造作用及外动力气候变化的直接响应。根据地貌特征分析, 可以推测相应时期的区域构造、气候等内、外动力学背景。剥蚀地貌和沉积地貌之间被沉积物路径系统(sediment routing system)联系在一起(Philip, 2008a; 解习农等, 2012; 林畅松等, 2015), 它们共同构成了地球地表的“ 源-汇” 系统。其中, “ 源” 区剥蚀地貌产生大量剥蚀产物, 这些剥蚀产物主要通过径流系统向下游方向输送, 最终在下游“ 汇” 区接受沉积形成沉积地貌。“ 源-汇” 是一个整一的系统, 其间具有紧密联系, “ 源” 区构造、气候变化所引起的剥蚀物产量、类型等变化, 都将在搬运区、下游“ 汇” 区沉积地貌、地层样式等特征中得到反映。因而, 通过对“ 源-汇” 系统的综合分析, 能够更全面地认识地球的演化历史。

近一二十年来, 从“ 源” 到“ 汇” 的现代地表动力学过程研究已成为当前国际地球科学领域中的重大研究课题之一, 其对理解地质历史的变迁具有重大意义(林畅松等, 2015)。20世纪90年代取得重大突破的“ 盆-山” 系统分析(李忠等, 2013)就体现有“ 源-汇” 思想; 近年来, 国际重大科学组织先后开展了“ 源-汇” 主题的相关研究计划, 如2004年美国国家自然基金会组织的“ 大陆边缘科学计划(MARGINS Program Science Plans 2004)” 中, “ 源-汇” 研究为该计划4大研究领域之一; 2005年欧洲自然科学基金会组织了“ ESF-EUROCORES TOPE EUROPE Source-sink” 研究计划(Liviu et al., 2007), 这2个团队均为国际多学科合作团队, 目前均取已得重要的成果认识(Liviu et al., 2007; MARGINS Office, 2008①)( ①MARGINS Office .2008 2008 MARGINS science research nuggets. US: Lamont Doherty Earth Observatory of Columbia University．)。

“ 源-汇” 系统研究需要选取“ 源-汇” 系统保存相对完整的地区来展开, 因而目前大多学者主要是选取第四系开展“ 源-汇” 系统研究(MARGINS Office, 2008①; Tor et al., 2011; Liviu et al., 2013)。而对于地质历史时期的“ 源-汇” 系统, 由于后期改造、测年数据误差以及目前较为局限的古环境变化识别精度等原因, 难以采用正常的“ 源-汇” 研究方法对其展开研究, 目前相关研究较少(Tor and Christopher, 2013), 目前对内陆湖盆“ 源-汇” 系统的相关报道也较少。

本次研究中笔者认为, 对于断陷湖盆:(1)陡坡带紧邻物源区, 搬运距离较短, “ 源” 区与“ 汇” 区的气候背景相似; (2)陡坡带水体较深, 沉积物进入湖盆后, 若后期无强烈的构造反转抬升作用, 陡坡带沉积物基本不会受到暴露侵蚀作用而保存完好, 进而可以较好地反映沉积期整个“ 源-汇” 系统的地球内、外动力学信息。据此, 笔者基于车镇凹陷车西洼陷陡坡带4口关键井共149, m岩心资料、57块铸体薄片、20口井测井数据以及约120, km2三维地震数据等资料, 对车西洼陷陡坡带沙三下段“ 源-汇” 系统进行剖析, 旨在揭示研究区沙三下段沉积时期的沉积内、外动力学背景。

图1 渤海湾盆地车镇凹陷构造单元划分与研究区位置Fig.1 Tectonic units division of Chezhen sag in Bohai Bay Basin and location of study area

2 地质背景

车镇凹陷位于渤海湾盆地济阳坳陷北部, 北靠埕宁隆起, 南至无棣凸起和义和庄凸起, 西接庆云凸起, 东临沾化凹陷, 面积约为2390, km2(朱筱敏等, 2014)。车镇凹陷始新世和渐新世沉积时期, 沉积背景格局表现为北断南超、北深南浅的箕状断陷盆地(鲜本忠等, 2007)。车镇凹陷自西向东依次可划分为车西、大王北及郭局子3个洼陷, 每个洼陷自北向南又分为陡坡带、中央洼陷带及缓坡带3个次级构造单元(图1)。

车镇凹陷自古近纪到新近纪, 先后经历了断陷、断坳和坳陷3个发育阶段, 其中断陷阶段又可划分为初始断陷阶段(沙四期)、强烈断陷阶段(沙三— 沙二下期)以及断陷萎缩阶段(沙二上— 东营期), 它们分别对应于渤海湾盆地幕式裂陷活动的裂陷Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ 幕(鲜本忠等, 2007; 郑四兵和鲜本忠, 2008; 冯有良等, 2010)(图 2)。裂陷Ⅲ 幕对应的沙三下亚段沉积时期, 盆地南北绝对伸展量达1779, m, 沉积速率可达335.6, m/Ma(郑四兵和鲜本忠, 2008)。

图2 渤海湾盆地车镇凹陷古近系与新近系综合柱状图(据鲜本忠等, 2007; 冯友良等, 2010; 修改)Fig.2 Comprehensive column of the Paleogene and Neogene in Chezhen sag of Bohai Bay Basin (modified from Xian et al., 2007; Feng et al., 2010)

车镇凹陷自下而上发育的地层依次有太古界、古生界、中生界、古近系、新近系以及第四系。其中太古界为变质岩基底; 下古生界为华北地台海相沉积, 主要以灰岩为主, 厚度约为1240~1450, m; 上古生界到中生界为海陆过渡相沉积, 主要发育砂、泥岩和煤层, 其厚度约为820~1230, m; 古近系和新近系为陆相湖盆沉积, 主要发育砂砾岩、暗色泥岩以及少量陆相灰岩沉积, 其厚度较大, 约为1390~4830, m(张本琪, 2005)。

本次研究区位于车镇凹陷西部的车西洼陷陡坡带(图 1), 沙三下段沉积时期, 在强烈的构造活动下, 物源供给充足, 紧邻边界断层发育连片的近岸水下扇沉积。由于沙三下段沉积时期暴露地表的物源区的剥蚀地貌受到后期构造、气候变化等因素的影响, 信息基本没有保存下来; 但是, 车镇凹陷在沙三下段沉积时期后期仅在东营末期的东营构造运动作用下发生微弱的抬升反转, 除此并无发育大的反转构造(邱楠生等, 2006; 冯有良等, 2010), 陡坡带深水区的沉积物得到了较好的保存。因而, 本次研究中, 笔者从“ 汇” 区的沉积层序特征入手, 进行“ 溯源” 分析, 对研究区的供源体系以及物源区的内、外动力学背景进行探讨。

图3 渤海湾盆地车西洼陷陡坡带典型地震反射剖面(剖面位置见图1)Fig.3 Typical seismic reflection profiles in the steep slope zone of Western Chezhen sub-sag, Bohai Bay Basin (Location of profiles in Fig. 1)

3 沉积层序特征
3.1 层序地层格架

根据三维地震数据、测录井数据等资料, 通过“ 井震结合” 分析方法, 依据前积、下超、削截等典型地震反射终止关系, 将车镇凹陷车西洼陷陡坡带沙三下段划分为一个三级层序以及低位体系域(LST)、湖侵体系域(TST)以及高位体系域(HST)。不同体系域之间的界面发育典型的下超反射结构(图 3)。研究区紧邻断层根部主要发育楔形杂乱不连续— 亚平行亚连续地震相, 为典型的快速堆积的近岸水下扇沉积(朱筱敏等, 1995; 苗长盛等, 2011; 梁官忠等, 2013)。垂向上, 不同体系域时期扇体的延伸距离具有较大的差异, 低位体系域(LST)时期, 扇体延伸距离最远可达6.7, km; 进入湖侵体系域(TST)时期, 扇体延伸距离明显缩短, 位于扇体之上的车58井声波时差曲线值明显较低位体系域时期高, 且曲线齿化程度较高(图 3-B), 该时期扇体最远延伸距离缩短为3.5, km; 晚期高位体系域(HST)时期, 扇体规模再次变大, 向湖盆中心延伸最远距离约为5, km。自低位体系域至高位体系域, 扇体整体表现为退积, 规模由大变小、再变大。

3.2 岩石类型特征

通过对车镇凹陷陡坡带车57、车58、车古25以及车63等4口关键井共计149, m岩心观察, 共识别出杂基支撑中砾岩、碎屑支撑中砾岩、杂基支撑细砾岩、碎屑支撑细砾岩、砂质砾岩、含砾砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、递变层理砂岩、滑塌岩等11种重力流岩石类型及深湖泥岩(图 4, 图5; 表1)。其中, 文中提到的粗砂岩、中砂岩和细砂岩等3种岩石类型, 笔者特指具块状层理和平行层理2种沉积构造的砂岩, 系砂质碎屑流成因; 而Sg特指发育鲍马序列, 可见递变层理, 系浊流成因。车西洼陷陡坡带砂砾岩中的杂基主要为灰泥质, 砾石和岩屑主要来自早期碳酸盐岩, 包括石灰岩和白云岩(图 4-A, 4-B; 图6-A, 6-B), 其含量可占到80%以上, 可见大量的鲕粒灰岩砾石(图 6-C)。通过对车西北带沙三下段沉积前古地貌进行恢复, 一共可以识别出6套供源体系, 并可将其划分为2类, 即滑塌为主供源体系及沟道为主供源体系, 其中车57井、车58井及车古25井分别位于②和④沟道为主供源体系中, 而车63井位于研究区西部的①号滑塌为主供源体系远端(图 7, 图8-A)。岩石类型分析结果表明, 2种不同供源体系所对应岩石类型分布特征具有显著的差异。

对于沟道为主供源体系, 沉积物入湖时多以物源区汇水系统所形成的山间泥石流形式为主, 随着泥石流沿断陷陡坡不断深入湖盆, 其速度逐渐加大且浓度不断得到稀释, 促使其发生流体转换(Felix and Peakall, 2006; 李存磊等, 2012), 使得自断层根的内扇向湖盆中心部位, 岩石类型的展布整体表现为由泥质碎屑流向砂质碎屑流、浊流及深湖相泥岩依次递变(鲜本忠等, 2013), 与此同时, 由于构造陡坡带构造活动频繁而易于发生滑塌作用, 因而在扇体内部常常伴生有滑塌构造(图 5-A, 5-B), 但其分布具有一定的随机性。

对于滑塌为主供源体系, 其沉积物多是在强烈的构造活动时期, 陡坡部位发生失稳滑塌而进入湖盆所形成的, 扇体整体形态多呈“ 舌状体” , 鲜有水道发育, 类似的现代沉积在美国太浩湖西缘麦金泥湾断层处有所发育(Shanmugam, 2012)。由于车西洼陷西部陡坡带发育板式边界断裂(鲜本忠等, 2007), 现今断面坡度大于30° (图 3-A), 陡坡面上风化形成的泥质产物难以长期堆积在坡面上, 从而造成陡坡面上植被不发育, 进而加剧了陡坡面岩石的风化剥蚀作用, 长期的风化剥蚀作用使得该部位的岩石结构松散, 边界断裂“ 脉冲式” 的构造活动极易触发其发生滑塌作用, 使该部位形成滑塌供源的近岸水下扇沉积。因而, 该成因的近岸水下扇中滑塌岩较为发育(图 5-C, 5-D), 在断层根部杂乱堆积, 因而在地震反射剖面上其同向轴的成层性相对沟道供源体系扇体根部的成层性更差(图 3); 与此同时, 由于滑塌作用呈“ 脉冲式” , 早期滑塌(除较大规模)多聚集在断层根部, 随着滑塌沉积物不断堆积而使得这些堆积物的坡度不断增大, 当达到滑塌休止角时, 这些早期滑塌沉积物再次发生滑塌, 向湖盆中心进一步搬运, 在此过程中同样伴随有重力流流体转换现象。因而, 常常在其远端也可见到大量具滑塌变形构造的碎屑流和浊流沉积(图 5-C, 5-D)。

图4 渤海湾盆地车西洼陷陡坡带主要岩石类型岩心照片Fig.4 Core photos of rock types in the steep slope zone of Western Chezhen sub-sag, Bohai Bay Basin

图5 渤海湾盆地车西洼陷陡坡带滑塌岩岩心照片Fig.5 Core photos of slumps in the steep slope zone of Western Chezhen sub-sag, Bohai Bay Basin

图6 渤海湾盆地车西洼陷陡坡带碳酸盐岩砾石微观镜下照片Fig.6 Micrographs of carbonate rock gravels in the steep slope zone of Western Chezhen sub-sag, Bohai Bay Basin

表1 渤海湾盆地车西洼陷陡坡带岩石类型 Table1 Rock types of the steep slope zone in Western Chezhen sub-sag, Bohai Bay Basin
3.3 沉积展布及其演化规律

车西洼陷陡坡带典型地震相(图 3)、岩石类型(图 4, 图5)及测井相等特征表明, 车西洼陷陡坡带沙三下段发育连片分布的近岸水下扇沉积, 但不同体系域时期扇体的展布范围有明显的变化(图 7)。低位体系域时期, 扇体展布范围最大, 向湖盆中心延伸距离最远可达约6.7, km, 扇体面积约为57.6, km2; 湖侵体系域时期, 扇体规模明显减小, 向湖盆中心最远延伸距离约为3.5, km, 扇体展布面积减小为41.5, km2; 进入高位体系域, 扇体规模有所恢复, 延伸距离增长为5, km, 展布面积变为50.7, km2。其中, 车西洼陷陡坡带的西部以发育滑塌供源为主的近岸水下扇为主(图 8-A, 8-B), 其扇体形态呈“ 舌状体” , 鲜有水道发育(Shanmugam, 2012)。此外, 不同时期的扇体远端均有滑塌扇发育, 尤其是研究区东部的车古25扇体远端滑塌扇的分布(车205、车401井区)相对稳定, 在不同体系域时期均有所发育, 形成了车镇凹陷陡坡带目前的有利勘探开发区带。

图7 渤海湾盆地车西洼陷陡坡带沙三下段不同体系域时期沉积相Fig.7 Sedimentary facies of the different system tracts of the Lower Member 3 of Shahejie Formation in the steep slope zone of the Western Chezhen sub-sag, Bohai Bay Basin

4 扇体分布与供源体系关系

沉积盆地分析一直重视对盆地古地貌和沉积物来源及沉积物分散体系的研究(林畅松等, 2015), 其中沉积古地貌背景对沉积物的展布具有直接的控制作用(Posamentier and Kolla, 2003; 加东辉等, 2007; 周路等, 2013)。近年来, 在断陷湖盆陡坡带的勘探过程中, 形成了“ 沟— 扇对应” 的勘探模式, 强调对古沟道的寻找, 但事实上, 并非所有的陡坡带扇体的发育均以沟道供源为主。笔者在本次研究过程中, 通过类比现代断陷湖盆贝加尔湖陡坡带的扇体发育类型及特征, 对研究区的扇体展布与古地貌的对应关系进行分析, 认为断陷湖盆陡坡带扇体发育有2种供源模式:沟道供源为主和滑塌供源为主(图 8)。其中, 滑塌供源为主的扇体所对应的沟道规模较小, 地质历史时期发育的这类供源体系中的沟道特征通常难以通过现今的地质资料进行识别。

通过对三维地震资料进行层拉平、去压实等处理, 对研究区沙三下段沉积前的沉积区古地貌进行了恢复(图 8-A, 8-B)。由于物源区遭受了长期的剥蚀作用, 目前无法对其进行恢复, 因而研究区古地貌恢复图中只有输送通道和沉积区地貌具有参考价值, 而源区地貌仅为示意图, 不具实际参考价值。本次研究对于物源区特征的分析, 主要是通过对沉积物和输送通道的“ 溯源” 分析来展开。车西洼陷陡坡带坡度整体较大, 平均坡度约为30° 左右(图 3); 自西向东一共识别出6套供源体系, 除①、⑥号供源体系无明显沟道特征外, 其余4套供源体系均显现有沟道特征(图 8-A)。

对于以沟道为主供源体系, 来自物源区的剥蚀产物主要通过这些沟道体系向湖盆输送运。暴雨期间, 物源区单个汇水系统形成的泥石流最终都汇集在主沟道内, 形成大规模泥石流, 其主要是顺主沟道入湖沉积, 形成近岸水下扇沉积; 而在间洪期, 若主沟道内有长期存在的山间水道发育, 则会有顺这些水道搬运的沉积物进入湖盆形成牵引流沉积, 但研究区地震剖面沿断层根部反射杂乱, 成层性较差, 且149, m的岩心观察中几乎未见到牵引流沉积构造(图 4, 图5), 故认为车西洼陷陡坡带在沙三下段沉积时期, 山间水道相对不发育, 间洪期主要以稳定的泥质沉积为主, 因而, 可以在重力流沉积中见到暗色泥岩夹层, 由于后期重力流的强烈冲刷作用, 使得泥质夹层厚度一般较小。此外, 进入湖盆的沉积物会优先沿着湖盆底形中的次级沟道搬运, 如②号沟道体系, 进入湖盆之后, 在紧邻断层根部发生分叉, 形成车57次级沟道和车71次级沟道, 使得自②号主沟道进入湖盆的沉积物分为2部分, 分别向车57井方向和车71井方向搬运。通过对②号沟道体系空间几何学特征进行测量分析表明, 断层根部的主沟道宽度约为0.85, km, 向车57井方向的延伸距离相对较大, 可达6, km左右, 且车57次级沟道的宽度逐渐由主沟道内的0.85, km拓宽为其末端的1.2, km, 沟道对沉积物的限制性明显减弱, 由于水下碎屑流在运动过程中会发生流体转换现象(Felix and Peakall, 2006; 李存磊等, 2012), 车57次级沟道相对较大的延伸距离以及末端明显减弱的沟道限制性为重力流流体转换提供了必要的地貌背景条件, 使得自主沟道内车58井处泥质杂基支撑碎屑流沉积向车57井处转变为砂质碎屑流、浊流沉积为主(图 4); 而车71次级沟道在向前延伸过程中, 由于地势增高, 从而使得车71井处沟道几乎消失, 延伸距离仅为3.7, km, 因而, 车71井仅在沉积物供应相对充足的低位域时期发育有中扇中— 远端沉积, 在湖侵和高位体系域时期, 由于车57次级沟道对进入湖盆沉积物的“ 袭夺” 作用, 使得车71次级沟道前端的车71井处主要以湖相沉积为主(图 3-B, 图7)。

对于①、⑥号供源体系, 其并无显著沟道特征, 但其前方也发育有扇体沉积特征。如过①号供源体系的地震剖面上显示, 陡坡带边界断层面坡度较大, 约为34.6° , 紧邻断层根部也发育有杂乱、亚连续的楔形地震反射结构(图 3-A), 并且在车63井处发育有大量具滑塌变形构造的碎屑流和浊流沉积(图 5)。因而, 研究区西侧的①号供源体系在强烈的构造活动背景下, 稳定性较差, 极易容易发生滑塌而向湖盆中心供源形成近岸水下扇沉积。相同的地貌单元在现代断陷湖盆贝加尔湖北西侧的陡坡带也可见到, 其不仅发育有沟道供源的扇体沉积, 也发育有滑塌供源为主的扇体沉积, 但后者扇体规模明显小于前者(图 8-B, 8-C, 8-D)。研究区②号有沟道供源体系所对应的扇体在向前延伸过程中发生分叉且延伸距离远, 所形成的扇体面积大于其西侧①号滑塌供源体系所形成的滑塌扇体面积; ③-⑤号有沟道供源体系相互邻近, 形成的扇体彼此之间相互叠置, 难以区分, 但其总体面积较其东部⑥号供源体系所对应的滑塌扇体大(图 7, 图8-B)。其原因主要是山前扇体发育面积与汇水系统面积呈正相关关系(Philip, 2008b)。有沟道的供源体系多与山间谷地相连接, 沿程发育有多个汇水系统, 长期以来, 这些单个汇水系统的剥蚀产物不断向主河谷汇聚, 因而在出山口处对应的扇体规模较大; 而物沟道供源体系多为单独的汇水系统, 其面积较小, 其对应的扇体面积也相对较小。值得注意的是, 陡坡滑塌的①号供源体系的扇体规模并未与区域性沉积相演化规律相吻合(图 3-A, 图7), 主要是由于①号陡坡滑塌供源体系沉积物供给量主要受控于“ 脉冲式” 的构造作用, 构造作用较强时发生失稳滑塌而进入湖盆沉积形成扇体, 演化规律性差。

图8 车西洼陷陡坡带古地貌及供源体系示意图(A)和古地貌及扇体分布图(B) 以及贝加尔湖陡坡带沟道供源为主的扇体与滑塌供源为主的扇体遥感图(C, D)Fig.8 Sketch map of palaeogeomorphology and provenance supplying systems(A), diagram of palaeogeomorphology and fans distribution in the steep slope zone of Western Chezhen sub-sag(B) and remote sensing map of different fans with gully-dominated provenance supplying system and slump-dominated provenance supplying system in the steep slope zone of Baikal Lake(C, D)

5 物源区特征

对于地质历史时期的物源区地貌, 在后期地球内、外动力的作用下, 不断发生剥蚀改造, 因而现今难以直接在地质记录中恢复物源区地貌(Michael, 2011; Tor and Christopher, 2013; 林畅松等, 2015)。物源区在不同的母岩、构造运动和气候条件背景下, 所产生的剥蚀产物类型及剥蚀量也有所差异, 这些剥蚀产物经沉积物散流系统搬运至湖盆、海洋等沉积区发生卸载, 其沉积地层样式和沉积特征响应于物源区的地球动力学背景(Cloetingh et al., 2007; Marr et al., 2010; Micheal, 2011; 解习农等, 2012; Philip and John, 2013)。因而, 通过对沉积区的地层记录的研究, 可以间接揭示对应物源区的母岩、构造及气候等地球动力学信息。断陷湖盆陡坡带以近源沉积为主, 且由于水体较深, 若后期无强烈的构造反转抬升作用, 来自物源区的剥蚀产物将在陡坡带的深湖区得到相对完整的保存, 其对相应物源区的地球动力学背景具有良好的地层记录。因而, 笔者在基于上述对车镇凹陷陡坡带沉积地层特征及扇体与输送通道的关系分析的基础上, 对研究区对应物源区在沙三下段时期母岩、构造活动以及气候背景进行探究, 进而揭示物源区在沙三下段沉积时期的剥蚀古地貌特征。

车西洼陷陡坡带砂砾岩中砾石成分多为碳酸盐岩砾石, 其含量可以达到80%以上, 砾石粒径多大于2, cm(图 4-A, 4-B); 其次为岩浆岩和碎屑岩砾石, 含量小于20%(图 4-B, 4-D), 砾石磨圆度多呈次棱— 次圆状。砾石之间若为杂基支撑, 杂基类型以灰泥质为主(图 4-A, 4-C); 若为砂质碎屑支撑砾岩或砂岩, 则常常发育显著的钙质胶结(图 4-B, 4-D, 4-F; 图6-B)。显然, 研究区在沙三下段沉积期, 其北部物源区埕宁隆起出露有大量的碳酸盐岩母岩。袁淑琴等(2010)研究也表明, 埕宁隆起在古近纪, 自北向南、自西向南母岩类型依次为中生界碎屑岩和岩浆岩、石炭— 二叠系海陆过渡相沉积、寒武— 奥陶系碳酸盐岩和元古界的变质岩。根据研究区陡坡带近岸水下扇的岩性特征, 车西洼陷陡坡带物源区出露遭受剥蚀的母岩主要为寒武— 奥陶系的碳酸盐岩和石炭— 二叠系、中生界的碎屑岩、岩浆岩, 且以前者为主。因而, 笔者认为在沙三下段沉积时期, 车西洼陷陡坡带物源区的母岩条件有利于其发育有一定程度的喀斯特地貌。

现代岩溶学的研究表明, 坚硬古老的碳酸盐岩、大幅的构造抬升、季风区水热配套等条件, 促进碳酸盐岩地区发生强烈的岩溶作用而形成喀斯特地貌(袁道先和章程, 2008; Richard, 2011)。不同学者利用孢粉资料对济阳坳陷的古气候研究均表明, 沙三下段时期济阳坳陷处于东亚季风气候区, 属于湿润的亚热带气候(张世奇和纪友亮, 1997; 李守军等, 2003; 王冠名和林国松, 2012), 表现为冬季低温少雨、夏季高温多雨, 具有显著季节性变化的气候特征。与此同时, 沙三下段时期处于渤海湾盆地的强烈断陷期, 构造活动强烈, 尤其是陡坡带边界断裂, 使得物源区岩石结构相对松散。在这样的岩性、气候及构造的配套条件下, 研究区对应的物源区岩溶作用强烈, 母岩剥蚀速率较高, 为陡坡带近岸水下扇的发育提供了必要的物源条件。此外, 碳酸盐岩地层较其他岩性地层更容易侵蚀, 其平均溶蚀速率可达60~87.88, mm/ka(朱学稳, 2010), 远高于碎屑岩、岩浆岩及变质岩的溶蚀速率, 这样的差异性侵蚀作用也是陡坡带沟道形成的一个重要原因。

虽然研究区在沙三下段时期处于湿润的亚热带气候, 植被相对发育, 但是对于碳酸盐岩发育地区, 由于碳酸盐岩的成土速率低、土壤抗溶蚀能力较弱, 生态系统极为脆弱, 一旦植被破坏, 水土流失, 林地便再难以恢复, 进入恶性循环, 最终形成湿润区石质荒漠化, 如中国目前的贵州山区(郑永春和王世杰, 2002; 王世杰和李阳兵, 2007)。石漠化地区岩石裸露, 在强烈的构造活动和季节性的温差变化条件下, 剥蚀作用增强, 也极易发生岩崩垮塌, 垮塌物和剥蚀产物常常暂时性地堆积在山间谷地(图 9)。平常降雨量难以冲刷起山间谷底常年堆积的剥蚀产物, 只能推动表层的剥蚀产物进行搬运, 一部分进入湖盆, 而另一部分仅搬运在山谷的下游地区, 该过程中, 砾石的磨圆度随之变好; 但在百年一遇或千年一遇的特大暴雨时期, 山间洪流的冲刷力极强, 将中、下层的剥蚀产物卷起, 形成大规模泥石流(康志成等, 2004), 砾、砂、泥混杂, 洪水携带其一并快速搬运进入紧邻的湖盆, 形成规模较大的近岸水下扇沉积, 研究区沙三下段沉积时期发育的近岸水下扇内扇相带的平均单层砂砾岩厚度约为15~20, m, 如车58井。

车镇凹陷陡坡带在沙三下段沉积时期, 由于断陷活动强烈, 沉降幅度相对较大, 因而自低位体系域至高位体系域时期, 扇体的演化呈退积样式(图 3-B), 但不同时期扇体规模变化明显, 整体表现为由大变小、再变大, 笔者认为其主要是受到物源区气候和植被覆盖的影响。济阳坳陷气候处于自沙四段的干旱气候转向潮湿的过渡阶段, 为整个沙三下段时期气候最干旱时期(张世奇和纪友亮, 1997; 李守军等, 2003; 王冠名和林国松, 2012), 植被覆盖率较低, 剥蚀作用强烈, 沉积物供给量随之较大, 因而进入湖盆形成的扇体规模较大; 进入湖侵体系域时期, 气候潮湿多雨, 植被覆盖率随之会增加, 水土流失减弱, 沉积物供给量随之减少, 因而扇体规模明显减小; 而进入高位体系域, 湖盆进入萎缩阶段, 蒸发量较大, 气候较湖侵体系域时期变得干旱, 生态系统脆弱的碳酸盐岩地区植被覆盖率再次减少, 剥蚀作用增强, 使得该时期进入湖盆的扇体规模再次变大(图 3-B, 图7)。

基于以上对车镇凹陷陡坡带“ 源-汇” 系统的综合分析, 笔者建立了车西洼陷陡坡带的“ 源-汇” 系统模式图(图 9), 其将对具有类似沉积背景地区的“ 源-汇” 系统分析起到协同预测作用, 也对该地区的下一步的油气勘探开发具有指导意义。

图9 车西洼陷陡坡带“ 源-汇” 系统综合模式图Fig.9 Comprehensive “ source to sink” system model for the steep steep zone in Western Chezhen sub-sag

6 结论

1)车西洼陷陡坡带沙三下段以近岸水下扇沉积为主, 不同体系域时期扇体规模有所差异, 整体呈“ 由大变小、再变大” 的演化趋势。

2)车西洼陷陡坡近岸水下扇沉积中共识别出杂基支撑中砾岩、碎屑支撑中砾岩、杂基支撑细砾岩、碎屑支撑细砾岩、砂质砾岩、含砾砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、递变层理砂岩、滑塌岩等11种重力流成因岩石类型及泥岩。

3)研究区陡坡带坡度较大, 现今平均坡度约为30° 左右; 自西向东一共识别出6套供源体系, 除①、⑥号供源体系无明显沟道特征外, 其余4套供源体系均显示有显著的沟道特征, 2种类型供源体系分别形成不同的近岸水下扇类型, 即滑塌供源为主的近岸水下扇和沟道供源为主的近岸水下扇; 2种类型扇体在沉积时均发生流体转换, 自内扇向外扇依次发育有泥质碎屑流、砂质碎屑流、浊流及暗色泥岩, 但滑塌供源近岸水下扇中的滑塌变形构造更发育、更普遍, 其扇体规模较沟道供源近岸水下扇更小。

4)对车镇凹陷陡坡带沙三下段沉积地层进行层序、沉积特征分析以及对该时期的供源体系进行“ 溯源” 分析表明, 沙三下段沉积时期, 研究区对应的物源区母岩以碳酸盐岩为主, 其在强烈的构造活动、湿热气候条件下易于发育石漠化地貌, 促使该地区剥蚀作用极为强烈, 易于发生季节性的泥石流, 其将剥蚀产物一并搬运进入湖盆沉积形成该地区的近岸水下扇沉积, 不同体系域时期扇体规模的差异主要受气候和植被覆盖的控制。

The authors have declared that no competing interests exist.

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