开展高分辨率层序地层学研究的前提是低频层序地层格架已经确立。在前人针对松辽盆地青山口组所展开的层序地层学研究中, 关于二级和三级层序的划分方案仍存在争议(表 1)。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 松辽盆地南部青山口组二级至三级层序地层划分历史沿革 Table1 History of division of low-frequency sequence stratigraphy of the Qingshankou Formation of south Songliao Basin

表1 松辽盆地南部青山口组二级至三级层序地层划分历史沿革 Table1 History of division of low-frequency sequence stratigraphy of the Qingshankou Formation of south Songliao Basin

在二级层序的划分上, 虽然存在其他划分方案, 但主流方案是以青山口组顶界面为二级层序界面, 将下伏青山口组与泉头组划分为一个二级层序, 将界面之上的姚家组划分为另一个二级层序。青山口组与姚家组之间界面为晚期燕山运动第2幕开始阶段, 根据郑荣才等(2001)提出的层序界面级次划分和基本特征, 二级层序受构造演化阶段的应力场转换控制。作者同意目前关于二级层序划分的主流方案, 认为青山口组属于下部拗陷期二级层序。

图1

Fig.1

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	图1 松辽盆地南部乾安地区区域构造位置图Fig.1 Regional tectonic location of Qian'an area of south Songliao Basin

三级层序的划分方案则存在较大分歧, 前人研究中由于缺乏统一标准的划分尺度, 因此划分结果不尽相同。三级层序为构造幕式性强弱变化控制的一套具较大水深变化幅度的、彼此间具成因联系的地层所组成的区域性湖进— 湖退沉积序列。而松辽盆地拗陷期共经历了2次大规模的湖进— 湖退旋回, 其中, 青山口组一段— 二段中后期为第一次大规模湖进, 青山口组三段— 姚家组二、三段为随后的大规模湖退。因此本次研究中采用梁江平等(2005)、辛仁臣等(2008)的三级层序划分方案, 将青三段与青二段上部共划为2个三级层序, 其中青三段上部为一个三级层序, 青三段下部及青二段上部为另一个三级层序。

建立高分辨率层序地层格架的基础是高分辨率层序地层界面的识别。根据目前层序地层学界普遍认可的陆相层序划分级别方案, 陆相沉积层序被划分为6个级别(Vail et al., 1991; 郑荣才等, 2001; 吴因业等, 2015)。其中一级至三级层序成因为构造或全球海平面变化, 四级至六级层序成因为米兰科维奇旋回所引起的局部构造、气候或湖平面升降变化。高分辨率层序地层学研究对象正是常规地震资料难以识别的四级及更高频层序, 这类层序界面分为高频湖泛面和高频层序界面, 一般在岩心测井资料上才能很好地识别, 研究区主要表现为冲刷面及河道底部滞留沉积、泥岩颜色转换、滑塌沉积和含油性变化(图 2)。

图2

Fig.2

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	图2 乾安地区青三段层序界面识别及特征Fig.2 Recognition marks and characteristics of high-resolution sequence stratigraphic surface of the Member 3 of Qingshankou Formation of Qian'an area

1)冲刷面及河道底部滞留沉积。研究区青三段分流河道沉积中发育的冲刷面及底部滞留沉积, 是由于河流均衡剖面下降到地表之下发生侵蚀作用而形成的高频层序界面, 代表湖平面高频变化过程中上升阶段的开始。在测井响应上, 由于底部滞留沉积常见钙质胶结, 在电阻率曲线上呈明显尖峰状。

2)泥岩颜色转换。泥岩颜色的转换可以定性地反映沉积环境和水深变化, 进而反映可容纳空间的变化, 转换过渡期杂色泥岩的出现代表短期的湖平面下降, 杂色泥岩中下部往往是高频层序界面, 可作为层序界面识别的辅助标志。在测井响应上, 受局部构造运动引起的上下地层可容纳空间、沉积相发生变化时, 测井曲线的泥岩基值就会发生明显改变, 如乾深18井Ⅶ 砂组, 杂色泥岩之下灰色泥岩表现为低电阻、高伽马, 上覆灰绿色、紫红色泥岩表现为高电阻、低伽马。

3)滑塌沉积。滑塌沉积是指已沉积的沉积层在重力作用下发生运动和位移所产生的各种同生变形构造的总称, 通常伴随着快速沉积而产生, 在层序边界之上发育滑塌沉积, 代表湖平面上升初期快速水进, 可作为层序界面识别标志。

4)含油性变化。碎屑岩储集层含油性变化的受控因素较多, 若与岩石粒度和钙质、泥质隔档层的发育相联系则可作为层序界面识别的辅助性证据。以粒度正韵律变化的底部或反韵律变化的顶部界面为分隔, 上下2套储集层的含油性通常发生变化, 此时含油性变化的界线可识别为层序界面; 由于储集层之间发育的泥质或钙质夹层所造成的上下2套储集层含油性的变化, 指示2套储集层为非同期砂体所形成, 此时含油性变化的界线可作为层序界面。

在低频层序地层格架确立的基础上, 根据上述各高频层序界面岩心及测井识别标志, 对乾安地区青山口组三段进行高分辨率层序地层划分(图 3), 共划分为2个三级层序(SQ1-SQ2), 其中SQ1在青三段仅发育湖退体系域, SQ2在青三段上部发育湖退和湖侵体系域; 2个三级层序内划分出13个四级层序(HFSQ1-HFSQ13), 其中SQ1内包含6个四级层序(HFSQ1-HFSQ6), SQ2内包含7个四级层序(HFSQ7-HFSQ13)。

图3

Fig.3

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	图3 乾安地区青山口组三段高分辨率层序地层划分图(乾107井)Fig.3 Division of high-resolution sequence stratigraphy of the Member 3 of Qingshankou Formation of Qian'an area(Well Q107)

2.4.1 四级层序体系域内地层叠加样式 四级及以上层序的层序结构主要依靠相或相序的变化来界定, 即可由一系列成因上相联系的岩性组合加界面组成, 也可由单一岩性加界面组成, 即可代表具二分时间单元分界线的完整体系域结构, 亦可代表仅发育湖平面上升期或下降期沉积的单一层序结构(郑荣才等, 2000)。因此乾安地区青三段四级层序的层序结构可划分为3种类型体, 即单向加深型(A型)、单向变浅型(B型)和复合对称型(C型)。

单向加深型四级层序结构是乾安地区青三段最为发育的层序结构类型, 这类结构代表湖平面缓慢上升和快速下降的强烈非均衡地层堆积过程, 层序中仅保存湖侵体系域沉积记录, 湖退体系域则表现为冲刷侵蚀特征。根据岩性组合和测井曲线形态特征, 可进一步划分为A1型和A2型。其中A1型结构内以分流河道砂体为主, 测井曲线上呈箱型, 岩性主要为粉砂岩、泥质粉砂岩, 与上覆层序间为河道底部冲刷面分隔, 细粒沉积物一般不发育(图 4-a); A2型层序结构由分流河道粉砂岩和分流河道间湾泥岩、粉砂质泥岩叠置组成一个向上加深变细的沉积序列, 测井曲线主要为钟型, 与上覆层序间有细粒沉积物分隔(图 4-b)。

单向变浅型四级层序结构在研究区内比较少见, 仅在SQ1湖退体系域早期发育, 这类层序结构形成于中长期湖平面变化上升至最高点后向下降期转换背景下沉积物补给远小于可容纳空间, 其顶部为整一界面, 底部为代表湖侵体系域缺失的饥饿面。从下至上发育水下分流河道间湾泥岩、粉砂质泥岩— 远砂坝粉砂岩沉积序列, 地层叠置表现出向上变粗变浅的特征, 测井曲线为漏斗型(图 4-c)。

图4

Fig.4

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	图4 乾安地区青白口组三段中的四级层序体系域内地层叠置样式Fig.4 Strata stacking pattern in system tract of 4th-order sequences of the Member 3 of Qingshankou Formation of Qian'an area

复合对称型四级层序结构是研究区另一种常见的四级层序地层结构。按其成因类型可进一步划分为2种类型: C1和C2型。C1型由三角洲平原沉积环境内分流河道粉砂岩、天然堤泥质粉砂岩与泥岩互层、分流河道间湾泥岩、决口扇粉砂岩从下至上相互叠置而成, 呈现出由粗变细复变粗的完整层序结构(图 4-d); C2型为三角洲前缘— 前三角洲沉积环境内水下分流河道粉砂岩、前三角洲暗色泥岩、远砂坝薄层粉砂岩叠置而成的完整层序结构, 对应测井曲线特征为钟型— 低幅平直— 漏斗型组合形态(图 4-e)。

2.4.2 三级层序内高频层序地层组合模式

由于湖平面升降变化过程中各阶段可容纳空间与沉积物供给速率比值各不相同, 将研究区湖平面升降曲线划分为湖侵体系域早期、湖侵体系域晚期、湖退体系域早期以及湖退体系域晚期4个阶段(图 5-a), 各阶段内发育独特的高频层序地层组合模式。

三级层序湖侵体系域早期, 湖平面快速上升, 沉积物供给速率远小于可容纳空间增长速率, 因此体系域内地层叠置特征以退积为主, 整体表现为多个A2型四级层序垂向叠加, 对应的沉积相演化过程为多期连续叠置的分流河道间湾泥岩夹少量分流河道粉砂岩, 组成向上逐渐加深变细的沉积序列(图 5-b)。

图5

Fig.5

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	图5 三级层序体系域内四级层序叠置样式Fig.5 Strata stacking pattern of 4th-order sequence stratigraphy in system tract of 3rd-order sequence

湖侵体系域晚期, 湖平面上升速度放缓, 此时可容纳空间达到最大, 体系域内地层叠置特征以加积为主, 整体表现为多个C1或C2型复合对称型四级层序叠加, 沉积演化过程为多期分流河道粉砂岩— 分流河道间湾泥岩— 天然堤砂泥岩互层或决口扇薄层粉砂岩组合而成的沉积序列(图 5-c)。

湖退体系域早期, 湖平面开始逐渐下降, 可容纳空间仍大于沉积物供给速率, 此时体系域内地层叠置以进积和加积为主, 自下而上表现为B型单向变浅型及C1或C2型复合对称型四级层序叠加, 对应的沉积演化过程为水下分流河道间湾泥岩— 远砂坝薄层砂岩— 水下分流河道粉砂岩— 前三角洲泥岩— 远砂坝薄层砂岩— 三角洲平原分流河道粉砂岩— 分流河道间湾泥岩— 决口扇薄层粉砂岩或天然堤砂泥岩互层(图 5-d)。

湖退体系域晚期, 湖平面缓慢下降至升降曲线拐点处结束, 可容纳空间逐渐减小至最小, 该阶段体系域内地层叠置以进积为主, 表现为多个A1型单向加深型四级层序自下而上叠置而成, 沉积演化过程为多期分流河道纵向叠置, 河道间由冲刷面分隔, 河道之间细粒沉积物不发育(图 5-e)。

泥岩颜色作为沉积岩最直观、最醒目的特征, 是鉴别岩石、分析判定古地理环境的重要依据之一(李存磊等, 2014)。灰色泥岩可指示洪水面以下三角洲前缘环境, 灰绿色、紫红色、红色泥岩代表洪水面以上三角洲平原环境。图4中三角洲前缘横向上发育于乾112、乾114井、乾188井和乾223井处, 纵向上发育于HFSQ1-HFSQ2内; HFSQ2上部以上层序则发育三角洲平原沉积。

以图6中SQ1层序湖退体系域为例, 对研究区高分辨率层序地层格架内的砂体展布特征进行阐述。HFSQ1-HFSQ4四级层序期间为SQ1层序湖退体系域早期, 由于该时期湖平面缓慢下降, 可容纳空间仍然相对较大, 因此砂体展布横向上表现出整体分区、局部交切叠置的特点, 同时随着可容纳空间逐渐减小, 纵向上多期河道间细粒沉积物保存程度越来越差, 同时河道规模、宽厚比也相对增大, 仅在HFSQ3和HFSQ4四级层序的湖退体系域时期, 由于发育决口扇粉砂岩或天然堤砂泥岩互层, 砂体较薄, 且发育位置为河道边缘, 因而相对于所属高频层序内湖侵体系域时期砂体规模、宽厚比有所减小。

图6

Fig.6

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	图6 乾安地区青三段高分辨率层序地层格架及砂体展布特征Fig.6 Characteristics of sand distribution in framework of high-resolution sequence stratigraphy of the Member 3 of Qingshankou Formation of Qian'an area

HFSQ5-HFSQ6四级层序沉积时期为SQ1层序内湖退体系域晚期, 该时期湖平面快速下降, 导致可容纳空间迅速减小, 沉积物供给速率变大, 多期河道砂体快速堆叠, 晚期河道下切作用导致前期河道上覆细粒沉积物无法保存, 四级层序组合模式为A1-A1型组合。砂体规模较大, HFSQ6时期达到最大, 此时河道宽厚比大, 横向延伸远且相互交切叠置。

通过单井高分辨率层序地层划分、高分辨率层序地层结构分析和连井剖面砂体对比, 以研究区SQ1层序湖退体系域中6个四级层序(HFSQ1-HFSQ6)为例, 对松南乾安地区青三段高分辨率层序地格架内的沉积充填演化规律进行总结。

HFSQ1时期仅发育LRST体系域, 由于青三段沉积初期正处于青二段大型湖泛之后的湖平面下降期, 因此该层序内以发育三角洲前缘沉积为主, 包含水下分流河道、水下天然堤和水下分流河道间湾微相, 岩性组合以泥岩夹砂岩为主。沿Q171、Q106、Q115、Q15-14、Q114、Q128井靠北一侧为洪水面, 在研究区西南部洪水面之上则发育三角洲平原沉积, 包含分流河道、分流河道间湾和天然堤微相, 岩性组合以粉砂岩夹泥岩为主(图 7-a)。

HFSQ2时期发育LRST体系域, 该期沉积湖平面相对于HFSQ1时期进一步下降, 层序内主要发育三角洲平原沉积, 分流河道间湾较为发育, 分流河道呈分支树杈状, 岩性组合以粉砂岩、泥岩互层为主; 亦发育三角洲前缘沉积, 洪水面位于Q162-2、Q174、Q207、Q15-14、Q114、Q128附近靠北一侧(图 7-b)。

HFSQ3-HFSQ4时期由一套完整的LTST和LRST体系域组成, 该期湖平面经历了先升后降的过程。LTST时期以三角洲平原沉积为主, 三角洲前缘沉积在HFSQ3早期仍发育, 洪水面位于Q162-2、Q118、Q207、Q15-14、Q188附近靠北一侧, 河道纵向延伸相对前期高频层序更远, 分流河道间湾较为发育; 至HFSQ3层序LRST时期, 洪水面退至研究区以外, 本区青三段随后仅发育三角洲平原沉积, 平面上部分分流河道砂体相互叠置, 呈分支树杈状分布, 河道砂体规模较HFSQ1-HESQ2时期增大、连续性更好, 岩性组合以粉砂岩— 砂泥岩互层为主(图 7-c, 7-d)。

HFSQ5-HFSQ6时期由一系列湖侵体系域叠加而成, 区内发育三角洲平原沉积, 该时期自下而上分流河道规模逐渐变大, 河道形态由前期湖体系域早期分支树杈状变为网状交织状, 河道间横向交切叠置, 孤立河道减少, 分流河道间湾呈零星点状分布, 岩性组合由粉砂岩为主( 图 7-e, 7-f)。

图7

Fig.7

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	图7 高分辨率层序地层格架内青山口组三段沉积相特征Fig.7 Characteristics of sedimentary facies in framework of high-resolution sequence stratigraphy of the Member 3 of Qingshankou Formation

松辽盆地青山口组三段沉积时期湖平面整体表现为水退过程, 但在整体水退背景下又出现了一系列短期水进。青三段沉积早期水体较深, 区内可见三角洲前缘、滨浅湖沉积; 青三段沉积晚期水体变浅, 仅发育三角洲平原沉积。

受湖平面升降过程中A/S值不断变化以及成因类型不同等因素的影响, 研究区青三段高分辨率层序地层格架中沉积演化模式可划分为4类, 分别为湖退体系域早期沉积模式、湖退体系域晚期沉积模式、湖侵体系域早期沉积模式和湖侵体系域晚期沉积模式。

湖退体系域早期沉积模式以HFSQ1-HFSQ4、HFSQ11等层序为代表, 是在湖平面缓慢下降期可容纳空间减小速率较慢的背景下发育的沉积类型。其中, HFSQ1-HFSQ3层序发育三角洲平原— 前缘沉积体系, HFSQ4、HFSQ11则主要发育三角洲平原沉积体系, 自下而上沉积演化序列为前三角洲— 远砂坝— 水下分流河道— 远砂坝— 水下分流河道— 天然堤— 远砂坝— 分流河道— 分流河道间湾— 天然堤或决口扇。纵向横剖面上河道砂体间呈分区叠置的特征, 河道间湾较为发育, 早期以泥岩夹砂岩为主, 向上砂体逐渐增多。纵剖面上河道延伸距离逐渐增大, 整体呈现出向上变粗的反旋回, 河道远端发育远砂坝沉积; 平面上河道形态表现为分支树杈状, 随着湖侵体系域逐渐向晚期演化, 河道规模逐渐增大, 河道间连网交汇逐渐增多(图 8)。

湖退体系域晚期沉积模式以HFSQ5-HFSQ6、HFSQ12-HFSQ13层序为代表, 是在湖平面快速下降A/S≫1的条件下发育的沉积类型。此时湖盆急剧收缩, 物源区扩大, 物源供给相对增加, 河流沉积作用大范围发生, 平原区范围大幅增加, 沉积演化序列表现为多期分流河道快速堆叠, 前期河道上部细粒沉积物受后期河道强烈的下切冲刷作用而难以保存, 岩性以粉砂岩为主。因此, 河道砂体横剖面上呈现出宽厚比大、整体连片叠置的特点。纵剖面上河道延伸距离达到最远, 自下而上仍表现为反旋回; 平面上河道砂体规模大, 河道间相互交切叠置, 分流河道间湾在河道间呈零星点状分布, 河道形态呈网络交织状(图 8)。

湖侵体系域早期沉积模式以HFSQ7-HFSQ8为代表, 是在湖退体系域结束后湖平面缓慢回升的条件下发育的沉积类型。此时可容纳空间增大, 物源供给速率相对减少, 所沉积的分流河道规模较小, 受湖平面上升后湖水改造作用增强, 河道改道、分叉情况增多, 因此河道平面形态由网络交织状逐渐演变为分支树杈状; 纵向上, 河道间叠置较少, 河道砂体呈孤立状分布, 宽厚比较小, 岩性主要为泥岩夹粉砂岩(图 8)。

图8

Fig.8

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	图8 乾安地区青三段高分辨率层序地层格架内沉积演化模式图Fig.8 Models of sedimentary facies evolution in framework of high-resolution sequence stratigraphy of the Member 3 of Qingshankou Formation of Qian'an area

湖侵体系域后期沉积模式以HFSQ9-HFSQ11为代表, 是在湖平面快速上升的背景下发育的沉积类型。此时可容纳空间最大, 因此沉积作用以河道及河道边缘沉积互层为主, 主要岩性为泥岩、粉砂质泥岩。该模式河道砂体规模最小, 横剖面上砂体薄且窄, 分布范围十分有限。纵剖面上延伸距离近, 且自下而上呈现出正旋回的特点; 平面上, 河道呈弯曲状— 分支树杈状形态(图 8)。