渤中坳陷位于渤海湾盆地渤海海域, 是渤海湾盆地新生代沉降幅度最大的地区, 沉积厚度达10 km(侯贵廷等, 2000)。新近纪以来渤中坳陷主体上经历了4个构造时期, 分别为早期— 强烈裂陷期(孔店组— 沙河街组三段沉积时期)、断— 拗转化期(沙河街组二段— 东营组二段沉积时期)、拗陷期(东营组一段— 明化镇组下段沉积时期)和新构造运动期(明化镇组上段沉积时期至今)。沙垒田凸起区位于渤中坳陷的西部, 基底为太古宇花岗变质岩, 顶部为新近系河湖相沉积物所披覆。沙垒田凸起是渤海湾盆地海域部分的重要凸起, 为渤中、歧口、沙南及南堡等4个富油气凹陷所环绕, 具有长期性和继承性发育的特征(彭文绪等, 2012; 黄雷, 2015; 刘强虎等, 2016)。晚中生代NE向走滑断层将其左旋错开为东、西2段, 新近纪发育的NE向右行走滑断裂对研究区进行走滑改造, 形成了现今的构造格局(图 1)。

图 1

Fig.1

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	图 1 渤海湾盆地沙垒田凸起区构造格局及新近系发育特征Fig.1 Regional settings and the Neogene characteristics of Shaleitian Uplift area, Bohai Bay Basin

新近纪进入拗陷阶段以来, 沙垒田凸起被逐渐填平, 呈现为准平原化的地貌特征。明化镇组沉积时期, 凸起区新近系河流相沉积较为发育, 是研究断陷盆地拗陷期河流层序的理想地区。明化镇组明下段整体归属于上中新统, 岩性为灰绿色、棕红色泥岩夹浅灰色粉细砂岩及中砂岩, 地层厚度范围为450~650 m, 由下伏凸起区向四周逐渐增大(图 1)。沙垒田凸起区东段是油气勘探开发重点地区, 除大量钻井钻遇明化镇组外, 还被三维地震勘探全覆盖, 其地震频带范围为10~110 Hz, 主频约为58 Hz。在河流四级层序格架约束下, 基于钻井岩性刻度及地震沉积学综合研究, 揭示研究区新近系明化镇组明下段以曲流河体系为主, 并在明下段上亚段存在辫状河与曲流河共存的地貌现象(谈明轩等, 2019)。

远离滨岸的河流体系的河道下切规模小, 生物标志匮乏, 地层岩性横向变化大。这使得利用钻测井、地震资料识别、对比与追踪渤海湾盆地沙垒田凸起区新近系明下段河流相层序界面及体系域界面变得尤为困难。本次河流层序研究参考渤海湾盆地新近系河流研究成果(李勇等, 2014), 充分结合地震、钻测井和分析化验资料进行综合研究, 将沉积间断面、宽浅下切谷及复合连片河道砂体, 作为研究区新近系明化镇组明下段河流层序界面的主要识别标志, 层序界面自下而上为SB0至SB5。

2.1 沉积间断面

沉积间断面处于基准面下降阶段, 地层长期暴露于地表并遭受风化淋滤形成古土壤层, 因此层序界面之上古土壤层通常较为发育(魏钦廉等, 2006; 郑文波和邓宏文, 2012)。与普通泥岩相比, 古土壤层中碎屑高岭石含量相对较高, 碎屑伊利石含量相对较低, 整体反映了温暖潮湿环境下的风化淋滤特征(曹珂等, 2008)。一般认为, 地层埋藏深度超过1500 m时, 蒙脱石开始向伊利石转化(Chamley, 1989)。由于明化镇组明下段实际埋深整体介于600~1400 m, 高岭石含量保持相对稳定, 没有明显降低, 因此在本次研究中结合镜下观察, 认为大部分埋藏相对较浅的高岭石、伊利石属于碎屑黏土成因。

沙垒田凸起区SLT11-2-1井明下段所发育的古土壤层以棕红色、紫红色、灰黄色泥岩及粉砂质泥岩为主, 表明其主要形成于氧化暴露环境中(图 2)。这种具有氧化色特征、较高高岭石含量、低伊利石含量的地层可能对应于层序界面, 在SB1和SB3层序界面, 这种地层特征相对显著。随着埋深的增大(超过1100 m), 高岭石含量变化程度显著降低, 这可能与高岭石埋藏转化相关。由于黏土矿物X衍射数据相对有限, 在实际利用古土壤识别层序界面过程中, 仍然需要同时借助钻测井及地震反射等资料进行相互检验。

图 2

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	图 2 渤海湾盆地沙垒田凸起区SLT11-2-1井新近系明下段四级层序及体系域发育特征Fig.2 Fourth-order sequences and systems tracts of the Lower Member of Neogene Minghuazhen Formation of Well SLT11-2-1 in Shaleitian Uplift area, Bohai Bay Basin

2.2 宽浅下切谷

与单一下切河道相比, 区域性下切谷表现为大规模的冲积下切特征。沉积背景分析表明, 明下段沉积时期, 研究区距离最近的古大湖尚远, 泛滥平原地区受河流回春作用下切的程度有限, 使其大型下切谷的识别变得相对困难。在钻井上岩性以及叠置样式、测井形态突变并不是河流下切谷发育的充要条件, 然而地震剖面和地层切片能够直接反映下切谷的剖面和平面形态。研究区新近系明下段的下切谷主体呈浅“ U” 型的宽浅下凹形态, 其间充填的下切谷沉积物在垂向上继承性发育。下切谷之下的地震同相轴表现为典型的削蚀地震反射终止关系, 下切谷内的地震同相轴则表现为显著的上超现象(图 3)。

图 3

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	图 3 渤海湾盆地沙垒田凸起区SLT11-2井区新近系明下段SQm3层序地震反射、地层切片及其充填沉积物特征Fig.3 Seismic reflection, stratal slice of incised valley and its associated deposits in SQm3 of the Lower Member of Neogene Minghuazhen Formation in Well SLT11-2 area of Shaleitian Uplift area, Bohai Bay Basin

其中, 以SB2界面处下切谷地震反射特征最为显著, 在地震剖面上揭示其下切深度可达30 m, 通过地层切片的河谷形态分析确定下切谷宽度为2~4 km, 宽深比为66~130, 反映了下切谷具有宽且浅的形态特征(图 3)。该层序界面上地震反射具有底平顶凸的地震外部形态, 地震同相轴具有中— 弱振幅蠕虫状反射结构。SLT11-2井在SB3层序界面上钻遇下切谷充填沉积, 在钻井岩性上表现为厚层中细砂岩垂向叠置的特征(最大厚度可达50 m), 反映了下切谷内大型辫状砂坝的充填特征(图 3)。

2.3 复合连片河道砂体

复合连片砂体是河道反复侵蚀、沉积所形成的叠置性复合沉积体, 具有较大的堆砌密度和连接度, 主要为基准面上升初期或下降末期的短周期高频升降阶段形成的(李勇等, 2014; 陈蓉等, 2016)。基准面上升阶段所形成的连片砂体保存程度更高, 分布面积更广, 在地震剖面上表现为密集分布的短轴状地震反射特征, 在测井上则表现为大型箱形响应特征。因此, 复合河道砂体在垂向上所表现的频次变化有助于河流层序界面的识别与追踪, 并能够明确基准面的升降变化。

在过SLT12-1— SLT11-5井的地震剖面上, 层序界面附近河道复合叠置特征十分显著, 表现为弱振幅、不连续、短轴状地震反射特征, 其层序内部地震振幅整体增大, 连续性变好, 河道砂体相互叠置现象明显减少(图 4), 反映了基准面逐渐上升的过程。地震剖面上各口井的自然伽马曲线在层序界面附近表现为典型的箱形结构。综合岩屑录井和测井曲线形态分析, 大多数复合河道砂体厚度为20~40 m。

图 4

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	图 4 渤海湾盆地沙垒田凸起区过SLT12-1与SLT11-5井新近系明下段地震层序界面及地震反射特征Fig.4 Sequence boundaries of the Lower Member of Neogene Minghuazhen Formation and their seismic reflection characteristics across Wells SLT12-1 and SLT11-5 in Shaleitian Uplift area, Bohai Bay Basin

根据上述大型宽浅下切谷、复合河道砂体及沉积间断面等河流层序界面的重要识别标志, 并参考层序级别的时间跨度及周边地区新近系明化镇组层序研究方案(孙容艳, 2015), 认为渤海湾盆地沙垒田凸起区新近系明化镇组明下段划分为4个四级层序(SQm1至SQm4), 整体相当于一个三级层序(图 5)。因此, 本次河流层序研究主体聚焦于研究区四级层序的体系域类型及其相关特征。

图 5

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	图 5 渤海湾盆地沙垒田凸起区过SLT10-2井新近系明下段地震层序界面、体系域界面的地震反射特征及其钻测井响应Fig.5 Seismic reflection characteristics of sequence boundaries and systems tracts with their responses in well logs of the Neogene Lower Minghuazhen Member of Well SLT10-2 in Shaleitian Uplift area, Bohai Bay Basin

3.2 体系域类型与河流地貌的响应

河流地貌演变与可容空间变化密切相关。河流地震沉积学研究成果表明, 研究区明化镇组明下段沉积时期主要发育曲流河体系(谈明轩等, 2019)。除此之外, 明下段SQm3和SQm4层序界面附近低可容空间体系域地层切片亦可表现为辫状河干流、曲流河支流的地貌特征, 向高可容空间体系域则转化为曲流河体系(谈明轩等, 2019)。由此可见, 低可容体系域有利于辫状河地貌发育, 高可容空间体系域则更有利于曲流河地貌发育(图 6)。

图 6

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	图 6 渤海湾盆地沙垒田凸起区新近系明下段曲流河、辫— 曲地貌变化的地层切片响应、相应解释及其与体系域类型的关系(切片位置见图 5)Fig.6 Responses and interpretations of strata slices of meandering fluvial and variation between braided-meandering fluvial geomorphy and their relations to systems tracts in the Neogene Lower Minghuazhen Member of Shaleitian Uplift area, Bohai Bay Basin(see location of slices in Fig.5)

对研究区新近系明化镇组明下段SQm1— SQm4层序2种类型体系域8张地层切片共计43条曲流河进行地貌学参数定量统计, 确定河流弯曲度范围为1.18~1.83(图 7)。

图 7

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	图 7 渤海湾盆地沙垒田凸起区新近系明下段典型地层切片河流弯曲度分布(切片位置见图 5)Fig.7 River sinuosity of typical stratal slices in the Lower Member of Neogene Minghuazhen Formation of Shaleitian Uplift area, Bohai Bay Basin(see location of slices in Fig.5)

除SQm3层序Ss140及Ss175切片之外, 剩余3个层序高可容空间体系域地层切片中曲流河的平均弯曲度, 整体上高于低可容空间体系域切片中曲流河的平均弯曲度(图 7)。在SQm3层序低可容空间体系域地层切片(Ps140)中, 辫状河主河道发育, 属于低弯度河流。曲流河以支流汇入辫状河主河道内, 其弯曲度为1.29~1.83(均值约为1.57), 整体上比高可容体系域地层切片中河流的弯曲度(均值约为1.31)高。这说明河流弯曲度的高低与体系域类型并非完全对应, 同时也受局部坡度变化及河流流量的控制(谈明轩等, 2019)。

基于可容空间变化的体系域划分方案在国内外河流层序研究中已获得了较多应用(Pü spö ki et al., 2013; Scherer et al., 2015; 张云等, 2016; 陈容涛等, 2018)。与高分辨率层序地层学原理相似, 河流相可容空间大小主要受控于河流基准面变化(Holbrook et al., 2006), 低可容空间、高可容空间体系域分别具有高连片砂体叠置和低连片砂体叠置的特征(图 8)。

图 8

Fig.8

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	图 8 基于可容空间变化的层序模式(据Catuneanu, 2019; 有修改)Fig.8 Schematic sequence model based on the variation of accommodation(modified from Catuneanu, 2019)

前人在渤海湾盆地新近系明化镇组河流砂体构型研究中亦提出了基准面变化与不同砂体构型(堆叠型和孤立型)的对应关系(胡光义等, 2014; 陈飞等, 2015)。然而河流地层样式并不仅受控于可容空间变化, 同时也受控于沉积物供给速率的变化, 因此河流砂体叠置样式更为复杂多样(Colombera et al., 2015)。在单井河流相层序研究中, 2种类型体系域砂体叠置特征的多变性即是该观点很好的体现(图 5)。

由此可见, 在河流层序发育模式的研究中, 应当充分考虑新增可容空间与沉积物供给速率变化的关系(即δ A/δ S值)。基准面下降阶段(δ A/δ S值为负值)在沙垒田凸起区主要发育沉积过路河道、下切河道及宽浅下切河谷。基准面初始上升阶段, 可容空间相对较小, 对应于低可容空间体系域。在靠近主河道的地区δ A/δ S≤ 1, 相当于经典层序地层学理论中的低位体系域。其垂向上含砂率相对较高, 表现为多期河道垂向叠置、侧向拼接的特征, 亦可能发育辫状河多河道砂体。在远离主河道的泛滥平原沉积环境中, 垂向上含砂率相对较低, 岩性组合在垂向上亦可表现为低砂体叠置样式(图 9)。

图 9

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	图 9 渤海湾盆地沙垒田凸起区新近系明下段河流相可容空间变化的层序地层发育及岩性叠置模式Fig.9 Sequence stratigraphic characteristics and lithological stacking patterns of the fluvial system in the Lower Member of Neogene Minghuazhen Formation in Shaleitian Uplift area, Bohai Bay Basin

在基准面快速上升和缓慢上升阶段, 可容空间相对较大, 对应于高可容空间体系域, 相当于经典层序地层学中的洪泛体系域和高位体系域。基准面初始上升和快速上升转换界面为扩张面(或相当于经典层序地层学中的初始洪泛面)。高可容空间体系域中存在2种岩性叠置样式。一种情况是基准面上升减缓, 河流供源相对有限, δ A/δ S> 1, 表现为低砂体叠置样式。另一种情况是基准面上升减缓, 河流供源较为充足, δ A/δ S≤ 1, 表现为低砂体叠置向高砂体叠置样式转化的特征(图 9)。这种体系域二分层序模式表明, 对于断陷盆地拗陷期河流而言, 尽管可容空间具有逐渐增大的趋势, 河道发育区与泛滥平原发育区不同体系域的砂体堆叠样式亦可存在较大差异。这种层序地层学模式与高分辨率河流层序地层学中— 短期基准面旋回下不同河流微相的空间表现形式是一致的(郑荣才等, 2004; 邓宏文等, 2007), 同时也是低— 高可容空间环境下河道复杂堆砌样式的反映(芮志锋等, 2019)。

虽然研究区新近系明化镇组河流下切能力弱、过路河道发育, 且基准面下降阶段泛滥平原部分保存也较为完好(陈蓉等, 2016), 但局部区域仍发育宽浅的下切河谷, 从而造成不同体系域中砂体叠置样式的多样性和复杂性。气候变化、植被差异及河流改道等内在或外在因素均会造成局部δ A/δ S值变化, 形成不同河流层序发育模式。

河流沉积同时受控于内在因素与外在因素控制, 造成了河流沉积环境中δ A/δ S显著的空间差异。由此可见, 简单的低可容空间或高可容空间环境下的河流层序发育模式并不能完全适用于复杂河流层序地层学解释需要。在河流层序界面识别和体系域划分研究中, 要充分考虑研究区域构造背景, 结合地震、钻测井、岩性及相关分析测试开展综合层序地层学研究, 基于典型层序界面标志进行逐一分析。基于地层切片技术, 河流三维地震地貌演变揭示了河流沉积类型的演变、空间沉积微相的差异及砂体叠置样式的转化, 是揭示河流空间δ A/δ S变化特征及划分体系域类型的重要参考和有力依据。

基于以上河流层序研究方法, 在渤海湾盆地沙垒田凸起区新近系明化镇组明下段河流层序研究中主要获得以下4点结论:

1)明下段对应于1个完整的三级层序和4个四级层序。每个四级层序分别由低可容空间体系域和高可容空间体系域组成。

2)沉积间断面、宽浅下切谷及复合连片砂体是明下段河流层序界面重要的识别标志。在基准面上升过程中, 低可容空间体系域多发育高连片叠置砂体, 高可容空间体系域多发育低连片叠置砂体。同时, δ A/δ S值的变化, 会造成2种类型体系域内砂体叠置样式呈现复杂多样的特点。

3)曲流河地貌广泛分布于明下段4个四级层序内, 辫状河地貌发育于低可容空间体系域中。河流弯曲度定量分析与统计表明, 低弯度河流(曲流河与辫状河)在低可容空间体系域的地层切片中相对发育, 高弯度曲流河则在高可容空间体系域的地层切片中相对发育。

4)气候变化、植被差异以及河流改道等内在或外在因素所引起局部δ A/δ S值变化, 会造成研究区河流体系中的河道主体区和泛滥平原主体区发育了不同的河流层序构型。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 朱世发)