李顺利, 许磊, 于兴河, 侯国伟, 胡勇, 高照普. (2018)东海陆架盆地西湖凹陷渐新世海侵作用与潮控体系沉积特征* [J]. 古地理学报, 20(6): 1023-1032
Li Shun-Li, Xu Lei, Yu Xing-He, Hou Guo-Wei, Hu Yong, Gao Zhao-Pu. (2018)Marine transgressions and characteristics of tide-dominated sedimentary systems in the Oligocene,Xihu sag,East China Sea Shelf Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 20(6): 1023-1032.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2018.06.075
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东海陆架盆地西湖凹陷渐新世海侵作用与潮控体系沉积特征*
李顺利1, 许磊2, 于兴河1, 侯国伟3, 胡勇4, 高照普5
1 中国地质大学(北京)能源学院,北京 100083
2 中海油研究总院有限责任公司,北京 100028
3 中海油研究中心东海研究所,上海 200030
4 长江大学资源与环境学院,湖北武汉 430100
5 中国石化华北油气分公司勘探开发研究院,河南郑州 450000
通讯作者简介 于兴河,男,1958年生,现为中国地质大学(北京)能源学院教授、博士生导师,主要从事含油气盆地沉积学、储层地质学及其建模技术的科研与教学工作。E-mail: billyu@cugb.edu.cn。

第一作者简介 李顺利,男,1987年生,博士、博士后,现为中国地质大学(北京)能源学院讲师,主要从事碎屑岩沉积储集层研究与教学工作。E-mail: lishunli@cugb.edu.cn。

收稿日期:2018-09-20
基金资助:*国家自然科学基金青年项目(编号: 41802129),中央基本科研业务费专项资金(编号: 2-9-2017-295)及国家科技重大专项(编号: 2016ZX05024-002)共同资助
摘要

西湖凹陷位于东海陆架盆地东部坳陷带,是该盆地规模最大的富油气凹陷。然而,西湖凹陷渐新世沉积环境与沉积体系类型一直存在较大争议。本文以井、震为基础,岩心为核心,结合地球化学指标,通过泥岩甾烷与自生海绿石的特征,明确了渐新世西湖凹陷南部整体处于海陆交互的过渡环境,且发生 5次主要的海侵事件。西湖凹陷南部渐新统以厚层砂岩与薄层泥岩互层为特征,发育典型的双向交错层理、双黏土层、透镜状层理及泥质披覆,共识别出 4种主要的岩相类型: 含泥砾块状中粗粒砂岩相、交错层理中细粒砂岩相、沙纹层理粉细砂岩相、纹层状泥岩相。渐新世,西湖凹陷南部主要发育潮控河口湾体系,其中包括潮汐水道、潮汐沙坝、沙质潮坪及泥质潮坪等多个沉积微相,其沉积地形在 SW向逐渐变为开阔的展布特征,说明研究区河流供源来自东北部,而潮汐水流来自西南部。渐新世西湖凹陷南部与开阔海连通,受到海侵作用下潮汐水流的强烈改造,且由于地形坡度较缓,无大规模的河流携带碎屑物质注入,易形成潮汐作用为主的河口湾体系。

关键词: 海侵作用; 潮控河口湾; 沉积序列; 西湖凹陷; 东海陆架盆地
中图分类号:P512.32 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2018)06-1023-10
Marine transgressions and characteristics of tide-dominated sedimentary systems in the Oligocene,Xihu sag,East China Sea Shelf Basin
Li Shun-Li1, Xu Lei2, Yu Xing-He1, Hou Guo-Wei3, Hu Yong4, Gao Zhao-Pu5
1 School of Energy Resources,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083
2 CNOOC Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100028
3 CNOOC Research Institute Shanghai Branch Co.,Ltd.,Shanghai 200030
4 College of Resources and Environment,Yangtze University,Wuhan 430100,Hubei
5 Research Institute of Exploration and Production in SINOPEC North Branch,Zhengzhou 450000,Henan;
About the corresponding author Yu Xing-He,born in 1958,is a professor and Ph.D. supervisor at School of Energy Resources,China University of Geosciences,Beijing,mainly engaged in researching and teaching sedimentology in hydrocarbon-bearing basins,reservoir geology and modelling technology. E-mail: billyu@cugb.edu.cn.

About the first author Li Shun-Li,born in 1987,Ph.D. and Post-doctor,is a lecturer at School of Energy Resources,China University of Geosciences,Beijing,mainly engaged in researching and teaching sedimentology and reservoir geology of clastic rocks. E-mail: lishunli@cugb.edu.cn.

Fund:[Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(No.41802129),Special Funds for Basic Scientific Research Services(No.2-9-2017-295),and National Science and Technology Major Project(No.2016ZX05024-002)]
Abstract

The Xihu sag is located in the eastern depression of the East China Sea Shelf Basin,which is the largest hydrocarbon-bearing sag. This study was mainly based on well-log,seismic,and core data,combining with geochemical parameters. Characteristics of sterane in mudstone and autogenous glauconites indicate that the southern Xihu sag was in a transitional environment between marine and terrestrial in the Oligocene,which experienced five major marine transgressions. The Oligocene in the Xihu sag was characterized by thick-bedded sandstone and thin-bedded mudstone,developing typical bidirectional cross-beddings,double mud layer,flaser beddings,and mud drapes. Four types of lithofacies were identified: Structureless medium-to-coarse grained sandstone with mudclasts,cross-bedded fine-to-medium grained sandstone,rippled siltstone and fine-grained sandstone,laminated mudstone. During the Oligocene,tide-dominated estuary systems were mainly developed in the southern Xihu sag,which was comprised of sedimentary units of tidal channel,tidal bar,sand flat,and mud flat. The estuary systems widened toward SW,which suggests feeding fluvial systems were from northeast,and the tidal currents were from southwest. In the Oligocene,the southern Xihu sag was connected with the open marine,strongly reworked by tidal currents on the gentle slope gradients without large volume of fluvial sediment flux during marine transgressions,forming tide-dominated estuary systems.

Key words: marine transgressions; tide-dominated estuary; sedimentary sequences; Xihu sag; East China Sea Shelf Basin

西湖凹陷位于东海陆架盆地的东北部, 是该盆地中规模最大的古近系富生烃凹陷, 其主力产气层段为渐新统花港组。目前, 针对渐新统花港组沉积环境的研究存在较大争议: 陈琳琳(1988)通过岩石学特征、古生物及微量元素等研究, 认为西湖凹陷整体为遭受海侵的陆相湖盆, 发育冲积扇、河流及湖泊沉积体系; 武法东等(1997)通过对西湖凹陷花港组海绿石的研究, 认为西湖凹陷花港组总体为不同程度受到海水或咸水— 半咸水影响的滨岸湖泊三角洲— 河流体系; 王果寿等(2002)认为渐新统花港组以陆相沉积为主, 发育近岸湖泊沉积与河流沉积体系, 其中花下段为海侵湖相; 孙思敏(2006)认为西湖凹陷花港组为一套辫状河与曲流河交互沉积体系; 胡明毅等(2010)认为西湖凹陷西部缓坡带为正常河流和三角洲沉积, 东部陡坡带为扇三角洲与湖泊沉积体系; 张绍亮等(2014)认为西湖凹陷渐新统花港组主要发育4种沉积相类型, 包括曲流河三角洲、辫状河三角洲、曲流河扇及辫状河扇; 于兴河等(2017)认为西湖凹陷渐新世整体表现为“ 东西短轴三角洲” 、“ 南部潮控河口湾” 、“ 东北缓岸滩坝” 的沉积体系展布格局。西湖凹陷渐新世沉积环境争议关键在于海陆相判别问题上, 不论是微量元素与微体古生物均显示出花港组不同于常规陆相沉积, 即花港组曾受到明显海侵影响(于兴河等, 2017)。作者在利用精细写实的岩心描述与解释, 结合地化特征、测井解释及地震剖面, 明确了渐新世西湖凹陷南部沉积环境, 划分了西湖凹陷渐新统花港组沉积微相类型, 对比分析不同沉积微相在空间上的叠置样式与展布规律, 并最终建立渐新世西湖凹陷南部潮控河口湾体系的沉积模式。

1 区域地质概况

东海陆架盆地是中国近海主要的中新生代沉积盆地, 位于欧亚、太平洋和菲律宾板块的聚合带, 为典型的俯冲型板块边缘(Cukur et al., 2011; Cukur et al., 2012; 张国华与张建培, 2015)。西湖凹陷位于东海陆架盆地东部坳陷带(图 1), 西侧以海礁隆起、渔山东低隆为界, 东部以东海陆架外缘隆起区为界, 南部以钓北凹陷为界, 北部与福江凹陷、虎皮礁隆起毗邻, 面积约为4.6× 104ikm2, 西湖凹陷的构造单元可进一步划分为西部斜坡带、西部次凹、中央反转带、东部次凹及东部断阶带。

图 1 东海陆架盆地构造单元划分与地层综合柱状图Fig.1 Subdivision of structural units and integrated stratigraphic column in the East China Sea Shelf Basin

自新生代以来, 西湖凹陷经历了构造演化的4个阶段: 裂谷期、压缩期、构造反演期和热沉降期。始新世, 西湖凹陷发育一系列东北向地堑和半地堑(Zhou et al., 2001), 玉泉运动结束了其同裂谷期(Cukur et al., 2011); 渐新世, 西湖凹陷整体处于后裂谷期; 早中新世, 花港运动使西湖凹陷局部形成挤压环境(张国华与张建培, 2015), 并在晚中新世发生广泛的抬升和剥蚀(Yang et al., 2004)。上新世以来, 西湖凹陷进入了区域性沉降阶段(Cukur et al., 2011)。渐新世花港组岩性主要为灰色、深灰色泥岩, 灰白色、浅灰色中细砂岩及含砾粗砂岩, 夹薄煤线。花港组与下伏平湖组呈不整合接触, 共分2段: 花港组上段与花港组下段, 进一步细分为12个小层, 总厚度分布在200~2000im之间, 在东次凹与中央反转构造带最厚, 向西部斜坡带逐渐减薄、尖灭, 整体呈北厚南薄的特征。

2 西湖凹陷渐新世海侵作用识别标志
2.1 泥岩甾烷

甾烷来源于真核生物中的甾醇, 其种类较多且结构简单, 地质体中丰度大。地球化学研究应用最广的甾烷是规则甾烷(C27-C28-C29)。现代有机地球化学研究表明: 浮游生物中C27胆甾烷含量高, 其相对含量可达57%~86%, 而高等植物中的C27胆甾烷含量仅仅在1%左右, 但是C29豆谷甾烷的含量却恰恰相反, 在浮游生物中相对含量最高不超过30%, 而在高等植物中C29豆谷甾烷的含量高达86%~95%(朱纯等, 2005)。因此, 可以据此认为浮游生物以C27胆甾烷为主, 而高等植物则以C29豆谷甾烷为主。对于中新生界, 水生生物富含C27和C28甾醇。与C27和C28甾烷比较, 高等植物富含C29甾烷。因此, 可以利用C27, C28和C29甾烷的相对比例确定特定环境的生物来源(Huang and Meinschein, 1979)。

C27, C28和C29甾烷三角图可用于区分陆生、湖泊及海洋环境下的生物类型。研究区渐新统花港组泥岩甾烷类型表明, 该沉积时期生物来源分布在陆生、海洋及其过渡环境(图 2)。其中, 开阔海洋环境的浮游生物与陆生高等植物来源较少, 而多为海湾环境下的生物来源, 说明研究区在渐新世整体处于海陆过渡环境。同时, 花港组不同层位(H11、H8、H6、H5、H3)的泥岩甾烷类型表明西湖凹陷渐新世至少发生5次主要的海侵事件, 形成典型的海陆过渡沉积环境。

图 2 西湖凹陷花港组泥岩甾烷C27-C28-C29三角图(图版据Huang and Meinschein, 1979)Fig.2 Ternary diagram of sterane in mudstone (C27-C28-C29)in the Huagang Formation of Xihu sag (Plate from Huang and Meinschein, 1979)

2.2 自生海绿石

西湖凹陷花港组发育不同类型与特征的海绿石, 常富集于细砂岩、极细砂岩中, 含量低(< 1%)。 研究区海绿石特征主要分2种: 一是呈颗粒状, 具有明显的磨圆与颗粒边界, 多为来自母岩区的继承性碎屑; 二是呈团粒状或胶结物状, 颗粒边界不明显或呈他形, 为自生海绿石颗粒的集合体(图 3), 其单偏光下为绿色、浅绿色, 多色性明显, 正交偏光下干涉色为二级蓝绿, 呈集合消光。

图 3 西湖凹陷渐新世花港组海绿石类型及其特征
A, B— 团粒状绿泥石, NB22-1-3, 3617im, 单偏光呈深绿色(A), 正交偏光墨绿色(B); C, D— 具碎屑假象海绿石, TT12-1-1, 2488im, 单偏光呈绿色(C), 正交偏光呈浅墨绿色(D); E, F— 胶结物状海绿石, NB17-1-1, 3462.5im, 单偏光呈浅绿色(E), 正交偏光呈浅绿色(F)Fig.3 Types and characteristics of glauconites in the Oligocene Huagang Formation, Xihu sag

通常认为, 自生海绿石的形成需要以下3个条件: (1)沉积速率低; (2)弱氧化— 弱还原环境; (3)钾离子浓度高(> 560浓度高-5)。西湖凹陷受海侵作用的影响, 局部地区发育潮汐影响的河口湾、海湾以及滨岸沉积环境, 在无大量碎屑物质供给体系(如三角洲)中, 沉积速率较低(Li et al., 2018), 有利于海绿石的形成。花港组沉积时期的整体特征为滨岸或者过渡环境, 西湖凹陷东部陡坡部位水深较大, 有利于形成弱氧化— 弱还原的环境; 西湖凹陷东部花港组砂岩中火山碎屑含量较高, 为海绿石的形成提供充足的钾离子。综上所述, 渐新世西湖凹陷具备形成海绿石的条件。西湖凹陷花港组自生海绿石在垂向上主要发育在各层序洪泛面附近(图 4), 表明可能与海侵作用有关; 而在平面上主要分布在东部宁波井区与南部黄岩、春晓井区, 反映了渐新世海侵作用主要发生在西湖凹陷的中东部与南部。

图 4 西湖凹陷花港组海绿石分布及其与海泛面的关系Fig.4 Distribution of glauconites in the Huagang Formation and their relationship with flooding surfaces in the Xihu sag

3 潮控体系沉积特征
3.1 岩相特征

潮控沉积体系通常发育与潮汐水流作用密切相关的沉积构造, 其中潮汐水道通常具有强水动力条件与双向水流运动特征, 通常在其底部会发育大量泥砾或双向交错层理; 潮汐沙坝则发育多组(不同方向)的交错层理, 通常上部的交错层理会切割下部的交错层理, 形成再作用面; 而沙质与泥质潮坪由于潮汐水流能量骤减, 多形成脉状、波状及透镜状层理, 生物遗迹化石较为常见, 多为半咸水环境下的窄盐生物遗迹。西湖凹陷南部渐新统花港组以厚层砂岩夹泥岩为特征, 根据其粒度与沉积构造特征, 主要发育4种岩相。(1)含泥砾块状中粗粒砂岩相: 灰色、浅灰色砂岩呈块状, 底部具有明显的冲刷面, 冲刷面之上常发育大量的泥砾, 泥砾多呈撕裂状, 分选和磨圆均较差(图 5-A), 反映了高能潮汐水流强烈的侵蚀作用, 且沉积速率高, 易形成厚层含泥砾砂岩。(2)交错层理中细粒砂岩相: 浅灰色砂岩中发育多组叠置的板状交错层理, 局部出现双向交错层理(图 5-B)及双黏土层(图 5-C), 反映了潮汐规律性水流与双向运动的特征。(3)沙纹层理粉细砂岩相: 灰色粉细砂岩中通常发育(双向)流水沙纹层理(图 5-D, 5-E)、脉状层理(图 5-F)以及透镜状层理, 局部生物潜穴发育, 以居住迹为主, 生物扰动程度中等, 代表了水动力条件较弱的沙质潮坪沉积。(4)纹层状泥岩相: 以灰色、深灰色泥岩、粉沙质泥岩为主, 纹层发育(图 5-G), 纹层厚度1~2imm, 偶见生物潜穴发育, 主要为泥质潮坪沉积。

图 5 西湖凹陷花港组下段潮控河口湾体系岩心特征
A— 泥质披覆与泥砾, W-3井, 3072.55~3072.73im, 花下段; B— 双向交错层理与泥质纹层, W-1井, 2907.24~2907.46im, 花上段; C— 双黏土层, W-2井, 3234.69~3234.90im, 花下段; D— 流水沙纹与针管迹, W-2井, 2688.84~2689.13im, 花上段; E— 双向流水沙纹, W-3井, 3075.85~3075.97im, 花下段; F— 脉状层理, W-3井, 3076.43~3076.64im, 花下段; G— 纹层状泥岩, W-3井, 2903.16~2903.32im, 花下段Fig.5 Core characteristics of the tide-dominated estuary system in the lower member of Huagang Formation, Xihu sag

3.2 沉积序列

西湖凹陷花港组主要发育多套向上变细的砂泥岩组合, 厚度为285~583im, 其平均含砂率为73.6%。每套砂泥岩组合自下而上通常发育块状或交错层理中粗粒砂岩相、沙纹层理粉细砂岩相及纹层状泥岩相, 分别代表了潮控河口湾体系的潮汐水道、潮汐沙坝、沙质潮坪及泥质潮坪沉积。

潮汐水道: 以灰色厚层块状中粗砂岩为主, 砂岩成分成熟度高, 以泥质披覆、块状及双向交错层理为主。水道底部常见冲刷面, 并发育分选与磨圆均较差的泥砾, 反映潮汐流短时间内能量变化较大, 泥砾大量形成并就近堆积在水道底部。潮汐水道整体呈块状或弱的正粒序, 测井曲线上通常表现为底部突变的箱型特征(图 6-A)。

图 6 西湖凹陷渐新统花港组典型沉积序列Fig.6 Typical sedimentary sequences of Oligocene the Huagang Formation, Xihu sag

潮汐沙坝: 以灰色至浅灰色厚层状中细砂岩为主, 粒度比潮汐水道略细, 砂岩成分成熟度同样较高, 通常发育多组板状交错层理, 常见泥质披覆或泥质纹层, 整体为弱的正粒序特征, 通常与潮汐水道叠置。砂岩厚度较大, 最厚可达30im, 在测井曲线上表现为锯齿箱型(图 6-A)。

沙质潮坪: 以浅灰色薄层状粉细砂岩相与泥岩相为主, 多发育流水沙纹、韵律层理及脉状层理, 其中流水沙纹中可出现爬升流水沙纹与双向流水沙纹2种类型, 反映潮汐水流末端低能及双向水流的特征。沙质潮坪中生物潜穴发育, 以居住迹为主多为针管迹、U型迹等, 整体呈正粒序, 在测井上表现为高幅锯齿状(图 6-B)。

泥质潮坪: 以灰色、深灰色薄层纹层状泥岩为主, 偶见浅褐色泥岩, 夹极薄层的透镜状粉砂岩与煤线, 生物扰动明显, 多为漫游迹、通心粉迹等觅食迹, 垂向上粒序不明显, 测井上为低幅锯齿状(图 6-C)。

3.3 沉积展布

从西湖凹陷南部春晓井区的连井剖面来看, 潮控河口湾体系的潮汐水道与沙坝相互叠置, 形成巨厚的叠置砂体, 最厚可达50im以上, 并与沙质、泥质潮坪沉积互层(图 7), 反映了研究区遭受多次海侵作用, 形成多期潮控河口湾充填。横向上, 潮汐水道与沙坝的转换叠置, 表明了潮汐水道与沙坝的侧向迁移特征, 受到沉积充填与可容纳空间变化的限制, 潮控河口湾体系在平面上不断地迁移。由于河口湾迁移摆动过程中具有一定的下切侵蚀能力, 易将海退过程中形成的沉积体系如弯头三角洲(Bayhead delta)侵蚀掉, 形成多期潮汐水道与沙坝叠置的特征。

图 7 西湖凹陷南部春晓井区花下段潮控河口湾沉积对比剖面Fig.7 Sedimentary correlation profile of the tide-dominated estuary in the lower member of Huagang Formation, Chunxiao well area, southern Xihu sag

图 8 西湖凹陷南部春晓井区花港组潮控河口湾沉积展布Fig.8 Sedimentary distribution of the tide-dominated estuary in the Huagang Formation, Chunxiao well area, southern Xihu sag

从均方根振幅属性来看, 研究区主要发育受边界断裂控制的河口湾体系, 中心轴向沉积微相主要为潮汐水道与沙坝, 宽度为1~2ikm, 长度为3~5ikm; 两翼为边缘沉积微相, 包括沙质与泥质潮坪, 分布在河口湾体系的侧缘, 是低能潮汐水流作用的产物。河口湾轴向整体为NE-SW向, 且向西南方向逐渐变得开阔, 说明河流供源来自北东向, 潮汐水流来自南西向, 进而表明研究区的海侵作用也主要来自西湖凹陷的西南部。

4 西湖凹陷南部渐新世潮控体系沉积模式

潮控河口湾体系发育在地形较缓的海陆过渡带, 海水与淡水共同作用的近岸半封闭环境(Pritchard, 1967)。因此, 河口湾通常具有2种互为消长的作用: 河流作用与潮汐作用。河流将沉积物向海方向搬运, 且河流作用逐渐减弱; 潮汐将沉积物向陆方向搬运, 且潮汐作用逐渐减弱, 二者在河口湾中间部位交汇, 形成兼具河流与潮汐作用的河口湾沉积体系。根据海侵— 海退层序地层学理论(Embry, 2009), 滨岸带潮控河口湾通常形成于相对海平面上升的海侵时期, 而相对海平面下降时期则会受到河流与波浪的改造(Dalrymple, 1991)。

早渐新世, 全球海平面上升, 发育广泛的海侵作用(Miller et al., 2005), 而西湖凹陷南部与开阔海连通, 受到海侵作用下的潮汐水流强烈改造, 且由于西湖凹陷南部地区地形坡度较缓, 无大规模的河流携带碎屑物质注入, 易形成潮汐作用为主的河口湾体系。潮汐作用最为活跃的区域是高潮线与低潮线之间的潮间带, 碎屑物质主要受周期性的双向水流作用, 形成平行或近平行于潮汐水流的纵向沙坝与水道。潮汐水流受地形坡度影响, 在河口湾两翼侧缘能量骤减, 易形成低能环境下的沙质与泥质潮坪(图 9)。

图 9 西湖凹陷南部早渐新世潮控河口湾沉积体系模式Fig.9 Depositional model of tide-dominated estuary in the Early Oligocene, southern Xihu sag

5 结论

1)西湖凹陷南部渐新统中泥岩甾烷类型显示开阔海洋环境的浮游生物与陆生高等植物来源较少, 而多为海湾环境下的生物来源, 表明渐新世西湖凹陷整体处于海陆过渡沉积环境。渐新统花港组自生海绿石在垂向上主要发育在海泛面附近, 表明至少发生5次主要的海侵作用。

2)渐新世西湖凹陷南部主要发育潮控河口湾沉积体系, 发育典型的双向交错层理、双黏土层、透镜状层理及泥质披覆, 形成潮汐水道、潮汐沙坝、沙质潮坪、泥质潮坪4种沉积微相。河口湾轴向整体为NE-SW向, 且向西南方向逐渐变得开阔, 说明河流供源来自北东向, 而潮汐水流来自南西向, 说明研究区的海侵作用也主要来自西湖凹陷的西南部。

3)渐新世西湖凹陷南部与开阔海连通, 受到海侵作用下的潮汐强烈改造, 且由于西湖凹陷南部地区地形坡度较缓, 无大规模的河流携带碎屑物质注入, 易形成潮汐作用为主的河口湾体系。

致谢 感谢中海油上海分公司勘探开发研究院给予的研究资料支持, 尤其要感谢曹冰总地质师、江翰工程师等给予研究过程中的指导与大力支持, 感谢王亚风、皇甫致远及何玉林等在岩心观察工作中提供的帮助和支持。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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