李东伟, 龚承林, 王军, 李一超, 李虹, 戈道瑶. (2022). 河流相砂体识别预测及古气候响应: 以渤中坳陷石南地区明下段为例[J]. 古地理学报, 24(4): 742-758.
LI Dongwei, GONG Chenglin, WANG Jun, LI Yichao, LI Hong, GE Daoyao. (2022). Recognition and prediction of fluvial sand-bodies and their responses to paleoclimatic fluctuations: a case study in the Lower Member of Ming-huazhen Formation in southern Shijiutuo uplift,Bozhong Depression[J]. Journal Of Palaeogeography, 24(4): 742-758.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2022.04.047
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河流相砂体识别预测及古气候响应: 以渤中坳陷石南地区明下段为例
李东伟1, 龚承林1,2, 王军3, 李一超1, 李虹3, 戈道瑶1
1 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
2 油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京)),北京 102249
3 中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津 300459

通讯作者简介 龚承林,男,1983年生,中国石油大学(北京)教授,主要从事地震解释、深水沉积与层序地层方面的教学和科研工作。E-mail: chenglingong@cup.edu.cn。

第一作者简介 李东伟,男,1997年生,中国石油大学(北京)博士研究生,主要从事浅水—深水沉积体系研究。E-mail: dongweilip2p@hotmail.com。

收稿日期:2021-12-23 修回日期:2022-03-15
摘要

河流相砂体的识别预测及其发育演化对古气候变化的响应是当前河流相沉积研究的热点。基于地震沉积学方法,采用三步走的河流相砂体识别预测方法(井震结合建格架→ 90°相位调整标岩性→切片属性辨砂体),在渤海湾盆地渤中坳陷石臼坨凸起南部(石南)新近系明化镇组下段(简称“明下段”)识别出了顺直和蜿蜒河道砂、河道—堤坝复合体、点砂坝、河口坝、牛轭湖和决口扇 6种河流相砂体。依据明下段泥岩颜色,结合藻类种属记录和孢粉记录分析,认为石南地区明下段沉积早期到中期经历了干湿交替→湿润主导的湿润化气候演变; 而明下段沉积中期到晚期经历了湿润主导→干旱主导的干旱化气候演变。润湿化气候演变使得明下段沉积中期河流相砂体宽度和单层厚度减小、弯曲度增大,且带状孤立河道砂体更发育; 而干旱化气候演变使得明下段沉积晚期流相砂体宽度和单层厚度增大、弯曲度减小,且带状河道—溢岸复合带和河口坝砂更发育。研究成果可为其他断陷盆地河流相砂体识别、预测提供参考,对指导构造活动相对较弱的湖盆萎缩期油气勘探实践具有一定的实践价值。

关键词: 河流相砂体; 地震沉积学; 90°相位调整; 地层切片; 明化镇组; 渤海湾盆地
中图分类号:P618.13 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2022)04-0742-17
Recognition and prediction of fluvial sand-bodies and their responses to paleoclimatic fluctuations: a case study in the Lower Member of Ming-huazhen Formation in southern Shijiutuo uplift,Bozhong Depression
LI Dongwei1, GONG Chenglin1,2, WANG Jun3, LI Yichao1, LI Hong3, GE Daoyao1
1 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
2 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
3 CNOOC China Limited Tianjin Branch,Tianjin 300459,China

About the corresponding author GONG Chenglin,born in 1983,is a professor at the China University of Petroleum(Beijing). He is mainly engaged in teaching and research on seismic interpretation, deep-water sedimentology, and sequence stratigraphy. E-mail: chenglingong@cup.edu.cn.

About the first author LI Dongwei,born in 1997,is a Ph.D. candidate at the China University of Petroleum(Beijing). His research interests mainly focus on sedimentology and stratigraphy of shallow-to deep-water systems. E-mail: dongweilip2p@hotmail.com.

Abstract

The recognition and prediction of fluvial sand bodies and their responses to paleoclimatic fluctuations represent a hot topic of concern in fluvial sedimentology. Based on the seismic sedimentology approach,a three-step workflow used for delineation of fluvial sand bodies has been proposed( i.e.,seismic-well tie used for establishment of sequence stratigraphic framework,90° phase rotation to correlate with lithology to seismic events,and stratal slices used to identify sand bodies). This workflow was utilized to delineate fluvial sand bodies in the Lower Member of Neogene Minghuazhen Formation,southern Shijiutuo uplift,Bozhong Depression,Bohai Bay Basin,leading to the recognition of six main types of fluvial sand bodies(e.g.,straight and sinuous channel sandstones,channel-levee complexes,point bars,oxbows,river mouth bars,and crevasse splay). Paleoclimates during the deposition of the Lower Member of the Minghuazhen Formation were reconstructed,based on mudstone colours and records of algae species and sporopollens. Our results suggest that the early,middle,and late evolutionary stages of the Lower Member of the Minghuazhen Formation underwent humid-arid transition,dominantly humid,and predominantly arid conditions,respectively. The paleoclimatic evolution towards a humid condition led to the decrease in sandbody widths and channel sinuosity,and to the better development isolated channel fills characterized by ribbon-shape distribution patterns. The paleoclimatic evolution towards an arid condition led to the increase in sandbody widths and channel sinuosities,and to the better development of channel-levee complexes and river mouth bars characterized by band-shaped distribution patterns. The database and observations of this study provide reference for the recognition and prediction of fluvial sand bodies in other rift basins,and have practical implications for hydrocarbon exploration of fluvial sand bodies in the shrinking evolution period of lacustrine basins characterized by weak tectonic activities.

Key words: fluvial sand-bodies; seismic sedimentology; 90°-phase transition; stratal slices; Minghuazhen Formation; Bohai Bay Basin

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1 概述

河流相砂岩储集层是国外沉积盆地(如马来西亚半岛东侧近海的马来盆地等)和国内陆相沉积盆地(如渤海湾盆地、松辽盆地和鄂尔多斯盆地等)重要的油气储集层类型(Miall, 2002; 于兴河等, 2008; Ahamd and Rowell, 2012; Zhu et al., 2014; Raef et al., 2016; 岳大力等, 2018; Li et al., 2019; 吴胜和等, 2021)。据统计, 中国已探明和投入开发的油气储量中的接近一半(48%)赋存于河流相砂岩储集层中(徐安娜等, 1998)。

河流相储集层往往具有砂体形态多样、规模大小不一、内部结构错综复杂的特点, 从而导致准确识别和预测河流相砂体一直是河流相储集层研究的一个重要内容(Raef et al., 2016; 岳大力等, 2018; 牛博等, 2019)。在陆上相对密集井网条件下, 国内外学者已开展了河流相储集层预测与刻画相关研究(如曲流河点坝识别与三维储集层建模), 并取得了丰硕的研究成果(于兴河等, 2008; 吴胜和等, 2008, 2021; 岳大力等, 2018; 牛博等, 2019)。在海上相对稀疏井网条件下, 前人利用井间信息对河流相砂体进行了识别和预测(Hart, 2008; Ahmad and Rowell, 2012; Chopra and Marfurt, 2012; 黎祺和胡明毅, 2014; Zeng et al., 2016; Li et al., 2019)。但是正如岳大力等(2018)所指出的那样, 目前稀疏井网条件下, 基于“ 井震结合” 的河流相砂体识别、预测仍处于探索和发展阶段。

河流相砂体发育演化主控因素也一直备受关注(Shanley and McCabe, 1994; Olsen et al., 1995; Reynolds, 1999; Catuneanu, 2006; 吴因业等, 2010; 谈明轩等, 2020)。基于可容空间变化的二分层序模式为河流相砂体发育演化主控因素分析提供了重要理论依据, 研究认为低可容空间体系域河流相砂体具有高连片叠置样式; 而高可容空间体系域河流相砂体具有低连片叠置样式(谈明轩等, 2020; 陈彬滔等, 2021)。在湖盆萎缩期, 构造活动相对较弱、物源供给相对稳定、湖盆相对宽浅, 气候是影响基准面升降和可容空间变化的主要因素(赖维成等, 2009; Gong et al., 2019)。由此可见, 在构造活动相对较弱的湖盆萎缩期(如本研究目的层— — 渤中凹陷明下段沉积时期), 古气候变化是河流相砂体发育演化的主控因素。气候变化影响了湖盆中沉积颗粒由源到汇的搬运分散过程: 在湖平面上升的湿润气候期, 河流作用能力强、沉积物供给充沛, 更多沉积颗粒被搬运到湖盆深水区形成湖底扇; 而在湖平面下降的干旱气候期, 河流作用能力弱、沉积物供给匮乏, 仅有少量的粗碎屑颗粒被搬运到湖盆深水区(Gong et al., 2019; Liu et al., 2019; Chen et al., 2021)。然而, 河流相砂体发育演化与古气候的成因关联仍有待进一步深入研究(Gong et al., 2019; 李相博等, 2021)。

渤海湾盆地渤中坳陷石臼坨凸起南部(简称“ 石南” )明化镇组下段砂体单层厚度小(单层厚约5~15 m), 纵向上岩性表现为厚层泥岩夹薄层砂岩的“ 泥包砂” , 适合利用地震沉积学方法进行河流相砂体识别与预测(Zeng and Hentz, 2004; 曾洪流等, 2012; Zeng et al., 2016; Zeng, 2018; 朱筱敏等, 2019)。基于石臼坨凸起地震、岩心、测井、古生物等研究基础, 结合新处理高频地震资料, 依托地震沉积学的研究手段对石南地区明化镇组下段河流相砂体的发育特征进行刻画, 综合钻井岩性信息与前人古生物背景资料分析明下段河流相砂体发育演化对古气候的响应。

2 研究区概况

石南地区位于中国渤海湾盆地渤中坳陷渤中凹陷北部、石臼坨凸起南部(图1), 经历了古近系裂陷期和新近系拗陷期2大主要的构造演化阶段(图2)。其中裂陷和拗陷亦为阶段性活动, 古近系裂陷活动包括裂陷Ⅰ 幕(孔店组— 沙四段)、裂陷Ⅱ 幕(沙三段)、裂后热沉降拗陷(沙二段、沙一段)、裂陷Ⅳ 幕(东营组); 新近系拗陷活动包括裂后热沉降拗陷期(馆陶组— 明下段)和构造再活动期(明上段至今)(孙志强, 2011)。多期的裂陷活动叠加与走滑作用一起形成了石臼坨地区NNE、EW等多方向的断层。钻井揭示, 研究区内地层发育较为齐全, 其中沙三段遭受强烈剥蚀。岩性主要包括孔店组的洪积扇砂砾岩, 沙河街组的扇三角洲砂岩、碳酸盐岩, 东营组的河流三角洲砂岩和馆陶组— 明化镇组的河流— 三角洲砂岩(何仕斌等, 2001; 孙志强, 2011; 王德英等, 2012; 李虹等, 2020)。

图1 渤海湾盆地渤中坳陷石臼坨凸起构造位置Fig.1 Tectonic location of Shijiutuo uplift, Bozhong Depression, Bohai Bay Basin

图2 渤海湾盆地地层充填、古气候、古水深变化和构造演化综合柱状图(修改自薛永安等, 2020)Fig.2 Integrated histogram of stratigraphic filling, paleoclimate, paleo-water-depth changes and tectonic evolution of Bohai Bay Basin(modified from Xue et al., 2020).

中新统明下段沉积时期, 石臼坨凸起已被覆盖, 稳定的裂后热沉降及较为平坦的地貌背景为河流相砂体的广泛发育提供了有利条件。研究区内明下段平均厚度800~900 m, 岩性主要为河流相环境下的灰绿色、灰色、紫褐色泥岩夹中— 薄层粉砂、细砂岩(李伟等, 2017; 徐振华等, 2019), 整体地层起伏较小, 埋深在1000~2200 m(图2, 图3, 图5)。前人研究表明, 渤海湾地区明下段古气候在沉积初期继承馆陶组干凉气候背景, 之后有所回暖, 为偏暖湿的气候条件, 并在明下段沉积中期以后整体开始演变为干旱的古气候条件(赖维成, 2011; 张新涛等, 2014; 孙容艳等, 2015; 谈明轩等, 2019)。

图3 渤海湾盆地渤中坳陷石南地区明下段区域连井层序划分对比剖面及典型河流相砂体测井相特征(剖面的平面位置见图1)
明下段发育3个三级层序, 每个层序发育早期低可容空间体系域(LAST)和晚期高可容空间体系域(HAST)Fig.3 Sequence-stratigraphic correlation profile and logging facies of fluvial sand-bodies of the Lower Member of Minghuazhen Formation in southern Shijiutuo uplift, Bozhong Depression, Bohai Bay Basin(see Fig.1 for regional map-view location)

3 研究资料与方法

研究资料主要包括重处理三维地震资料(面积约500 km2, 主频40 Hz, 频宽10~100 Hz, 明下段的地层速度约2750 m/s, 地震资料垂向分辨率约15 m)和钻井资料(8口, 均钻穿目的层, 具有较为完整的录井岩性和常规测井曲线数据)。结合前人古生物、岩心等研究成果, 基于地震沉积学的基本原理和基本方法, 采用3项核心技术对石臼坨凸起南部中新统明化镇组下段进行砂体预测: (1)井震结合, 建立等时层序地层格架; (2)90° 相位转换, 联动钻井砂体与地震反射同相轴; (3)地层切片和属性优选预测河流相砂体。

3.1 井震结合, 建立等时层序地层格架

明下段的底部界面为T0, 与顶部明上段的分界面为 T01(图2至图4), 时间跨度约7 Ma。通过井震结合的层序地层分析, 在明下段内录井岩性中整体识别出了3个“ 砂泥互层— 富泥沉积” 的沉积旋回(图3), 以及与之可连井对比、并可在研究区内追踪对比的7个地层界面: 4个层序界面(SB1(T0)、SB2、SB3和 T01)和3个最大湖泛面(MFS1、MFS2和MFS3)(图2至图4), 依据前人对湖盆中层序界面级次判别依据和河流相层序划分标准(王英民, 2007; 吴因业等, 2010; 谈明轩等, 2020), 将明下段划分出3个三级层序(SQ1、SQ2、SQ3)、6个体系域(3个低可容空间体系域-LAST和3个高可容空间体系域-HAST)。

图4 渤海湾盆地渤中坳陷石南地区利用原始地震(零相位)剖面(A)获取的区域井-震结合层序划分对比剖面(B)(剖面的平面位置见图1)Fig.4 Regional well-seismic tie transect (A) and its interpretation(B) showing sequence stratigraphic development of the Lower Member of Minghuazhen Formation in southern Shijiutuo uplift, Bozhong Depression, Bohai Bay Basin(see Fig.1 for regional map-view location)

SQ1层序为明下段的第1个三级层序, 由于馆陶组— 明化镇组沉积时期, 渤中凹陷构造活动以坳陷沉降为主(孙志强, 2011), 因此其底界面SB1在地震上并没有大规模不整合特征; 而在录井岩性上该界面则可明显区分馆陶组厚层砂砾岩体和明下段厚层泥岩夹薄层砂岩的岩性组合。同时在测井响应上, SQ1层序GR曲线泥岩基线值最高, 高于SQ2层序与SQ3层序内的GR基线(图3; Q34-6-A、Q35-4-B井)。SQ1的顶界面SB2是岩性突变面: SQ1层序的大套泥岩转变为SQ2层序内的砂泥互层(图3; Q34-6-A、Q35-4-B井)。SQ1层序内部的体系域界面MFS1上下也有着较为明显的岩性组合变化, 上部高可容空间体系域以泥岩为主, 砂地比0.1~0.2, 下部低可容空间体系域底部发育有厚度较大的细砂岩, 自然伽马曲线上表现为突变接触, 体系域内砂地比可达0.3~0.5。且地震剖面上表现出低可容空间体系域振幅偏强、高可容空间体系域振幅偏弱的特点(图4)。

SQ2层序整体在录井岩性上也具有类似SQ1的旋回特征: 低可容空间体系域砂地比0.2~0.4, 整体高于高可容空间体系域0.05~0.25的砂地比, 且SQ2层序内高可容空间体系域的砂地比整体更加偏低, 最低值0.05。由录井岩性可见SQ2层序内泥岩颜色发生了较大的变化: 靠近凸起区的Q34-6-A井泥岩颜色由绿灰色转为灰色, Q34-3-B井绿灰色泥岩开始转变为黄褐色, 而更靠近渤中凹陷深凹区一侧的Q35-4-B和Q35-4-A井泥岩颜色由绿灰色开始转变为紫褐色(图3)。整个SQ2层序均以泥岩为主, 砂岩层厚度小、发育较少。地震剖面上SQ2层序整体表现为中— 弱振幅、连续性较差的特征(图4)。

SQ3层序是明下段厚度最大的三级层序, 泥岩颜色由北西向南东由灰色和绿灰色逐渐变为黄褐色和紫褐色。岩性特征上该层序内稍有不同, Q34-6-A和Q34-3-B井低可容空间体系域富砂程度高于高可容空间体系域, 而Q35-4-B和Q35-4-A井低可容空间体系域砂地比稍低于高可容空间体系域(图3)。SQ3层序的顶、底界面皆为岩性突变面, 其底界面以砂— 泥突变面为标志, 顶界面则为渤海区域内的标志界面 T01。SQ3层序内GR泥岩基线整体低于SQ2和SQ1层序(图3; Q35-4-A、Q35-4-B井)。在地震剖面上, SQ3层序的振幅、连续性整体强于SQ2和SQ1层序(图4)。

3.2 90° 相位转换, 联动钻井砂体与地震同相轴

依据地震沉积学的基本原理, 薄层砂体单层厚度低于地震资料垂向分辨率时, 通过90° 相位转换处理来建立地震同相轴与地质体的直接关系, 可以提高薄层砂体的解释便利性与可行度(曾洪流等, 2012; Zeng et al., 2016; Zeng, 2018; 朱筱敏等, 2019)。将研究区所使用的3D地震资料(区域位置见图1-B)进行90° 相位转换, 来建立薄层砂体与地震同相轴(波峰、波谷)的关系: 图4是利用零相位地震数据所获取的区域井-震对比地震剖面, 在该剖面上波峰或波谷往往对应于沉积地层的界面(如层序界面和最大湖泛面等); 图5是利用经过90° 相位转换地震数据所获取的区域井-震对比地震剖面, 在该剖面上原本反映地层界面信息的同相轴与地质体(砂、泥岩)对应关系更好。

图5 渤海湾盆地渤中坳陷石南地区明下段利用90° 相位转换后获取的区域井震结合层序划分对比剖面
A— 层序划分对比剖面; B— A图的局部放大。方框内所示为测井相与同相轴之间的对应关系, 黑色虚线所示为属性切片的具体位置; 剖面的平面位置见图1Fig.5 Regional well-seismic tie transect from 90° -phase transition database of the Lower Member of Minghuazhen Formation in southern Shijiutuo uplift, Bozhong Depression, Bohai Bay Basin

具体来说, 录井资料显示明下段主要发育薄层砂岩和灰色、褐色、绿色等颜色的泥岩, 岩性较为单一(图3)。未进行相位转换的原始地震(零相位)剖面上, 录井揭示的砂、泥岩在剖面上与地震反射同相轴的波峰、波谷反射无明显的对应关系(图4)。譬如, Q34-3-B和Q35-4-B井钻遇的砂岩在剖面上往往对应着振幅较强的峰— 谷交界处(图4)。将研究区内地震资料进行90° 相位转换之后, 以“ 蓝— 红— 黄色标” 进行显示(图5)。原始地震(零相位)剖面(图4)与90° 相位转换剖面(图5)对比发现: 连井地震剖面上砂岩(自然伽马曲线低值部分)与地震剖面内的亮黄色波谷反射对应关系更好(如图5中的红色矩形框所示), 泥岩大多与蓝色波峰段相匹配(如图5中的白色矩形框所示)。而基于原始地震资料所识别的层序界面、最大湖泛面解释同相轴变为峰— 谷之间的交界部位(图5)。因此剖面地震同相轴与砂体建立了联系, 进而进行层间振幅属性提取就可呈现砂体的平面展布特征。

3.3 地层切片和属性优选, 识别预测河流相砂体

基于“ 井震结合, 建立等时层序地层格架” 的基础, 在原始地震数据体中, 对4个层序界面(图4, 图5; SB1、SB2、SB3和 T01)和3个最大湖泛面(图4, 图5; MFS1、MFS2和MFS3)进行井-震联动的等时层序地层学界面闭合解释。解释精度为500 m× 250 m, 并进行单井、连井、任意线闭合检查, 确保在整个3D数据区内界面的等时性。结合相干、地层倾角等构造类属性, 解释断层平面展布(图6-A, 6-B), 并用地层解释结果制作各层序及整个明下段的时间域地层厚度图, 明确沉积期稳定的构造背景与相对平坦的地貌特征(图6-C, 6-D)。以SQ1层序为例(图6-D; 等值线间距为5 ms): 单层序内时间域地层厚度范围约120~200 ms, 厚度变化小, 南北最大厚度差约50 ms、70 m, 整体上研究区内的最大坡降小于0.03。同时整个明下段其他层序内(SQ2坡降小于0.005、SQ3坡降小于0.008)以及整个明下段(坡降小于0.02; 图6-C)均有此特征。

图6 渤海湾盆地渤中坳陷石南地区明下段相干地震属性提取结果(A)及断层平面解释(B)、时间域地层厚度(C)及SQ1层序时间域厚度(D)(示出明下段相对平坦的地貌背景, 图示的平面位置见图1)Fig.6 Result of coherent seismic attribute extraction(A) and fault plane interpretation(B), time domain stratigraphic thickness(C) and sequence SQ1(D) of the Lower Member of Minghuazhen Formation in southern Shijiutuo uplift, Bozhong Depression, Bohai Bay Basin (showing relatively smooth geomorphology; see Fig.1 for regional map-view location)

之后在90° 相位转换的数据体中, 以6个体系域为研究单元、以闭合解释的7个界面为格架, 利用Landmark地震资料解释平台中的DSG模块对90° 相位转换后的地震数据提取层间地层切片。每个体系域共计提取地层切片10张, 连续2张切片之间的时间间隔约10 ms(SQ1、SQ2层序)至15 ms(SQ3层序LAST3时期), 以此来近似将不同的层序内时间等分。并基于地层切片提取多种层间地震属性, 包括均方根振幅属性(RMS Amplitude)、最大波谷振幅属性(Maximum Trough Amplitude)和总绝对振幅属性(Total Absolute Amplitude)等。依据钻井所揭示的岩性、测井相特征(图3), 宏观河流相沉积背景和岩心研究基础(岳大力等, 2018)和砂泥岩波阻抗情况(如图3所示的DT曲线中砂岩速度与泥岩速度差别不大, 但密度曲线结果显示砂岩密度明显低于泥岩, 使得整体砂岩波阻抗低于泥岩), 优选后认为最大波谷振幅属性(Maximum Trough Amplitude)整体上对钻井岩性响应最为敏感, 在平面上可以较好地反映河流相砂体的平面地震地貌学特征(图7至图9)。结合相干属性提取结果(图6-A, 6-B)可知, 强振幅属性为岩性差异的显示, 砂岩在属性提取结果中表现为暖色的强波谷属性(图7至图9)。如测井相为箱状或正旋回特征的、在平面上呈蛇曲状强振幅属性的河道砂(图7); 发育于河道末端、测井相为反旋回、属性提取结果呈片状或朵状强响应的河口坝砂(图7, 图9); 发育于河道弯曲度较大处、呈小型扇状或朵状强属性的决口扇砂(图8); 发育于河道周缘并与河道纠缠一起的、测井相上具有正旋回多期次特征的、平面上呈条带状强属性的河道— 溢岸复合带砂(图7)。

图7 渤海湾盆地渤中坳陷石南地区明下段SQ1层序高可容空间体系域(HAST1; A, B)和低可容空间体系域(LAST1; C, D)沉积期典型最大波谷振幅属性提取结果及其所对应砂体识别和解释(切片位置见图4, 图5和图10)Fig.7 Reprehensive maximum trough amplitude attribute slice from high accommodation system tract(HAST1; A, B) and low accommodation system tract(LAST1; C, D) of SQ1 of the Lower Member of Minghuazhen Formation in southern Shijiutuo uplift, Bozhong Depression, Bohai Bay Basin and accompanying interpretations (see Fig.4, Fig.5 and Fig.10 for stratigraphic position)

图8 渤海湾盆地渤中坳陷石南地区明下段SQ2层序高可容空间体系域(HAST2; A, B)和低可容空间体系域(LAST2; C, D)沉积期典型最大波谷振幅属性提取结果及其所对应砂体识别和解释(切片位置见图4, 图5和图10)Fig.8 Reprehensive maximum trough amplitude attribute slice from high accommodation system tract(HAST2; A, B) and low accommodation system tract(LAST2; C, D) of SQ2 of the Lower Member of Minghuazhen Formation in southern Shijiutuo uplift, Bozhong Depression, Bohai Bay Basin and accompanying interpretations(see Fig.4, Fig.5 and Fig.10 for stratigraphic position)

图9 渤海湾盆地渤中坳陷石南地区明下段SQ3层序高可容空间体系域(HAST3; A, B)和低可容空间体系域(LAST3; C, D)沉积期典型最大波谷振幅属性提取结果及其所对应砂体识别和解释(切片位置见图4, 图5和图10)Fig.9 Reprehensive maximum trough amplitude attribute slice from high accommodation system tract(HAST3; A, B) and low accommodation system tract(LAST3; C, D) of SQ3 of the Lower Member of Minghuazhen Formation in southern Shijiutuo uplift, Bozhong Depression, Bohai Bay Basin and accompanying interpretations(see Fig.4, Fig.5 and Fig.10 for stratigraphic position)

4 基于地震沉积学的河流相砂体识别

依据如图7-A、7-C和图9-A、9-C所示的最大波谷振幅属性所揭示的平面地震地貌学特征, 结合测井相分析结果(图3), 对石南地区明下段发育的河流相砂体进行了识别和解释(图7-B, 7-D; 图9-B, 9-D)。识别出条带状的河道— 溢岸复合带砂、蛇曲状的河道砂、小型片状或裙带状的坝砂、河道弯曲处的决口扇和牛轭湖等多种类型的河流相砂体(图7至图9)。

4.1 SQ1层序砂体识别与解释

SQ1层序内自下部到上部砂体表现出厚度减小、砂地比降低(LAST1时期砂地比0.3~0.5, HAST1时期砂地比0.1~0.2)的特征(图3), 在属性特征上表现出低可容空间体系域发育大面积的“ 宽(几十到几百米不等)且较顺直的条带状最大波谷振幅属性区域” , 高可容空间体系域发育较多的“ 窄而蛇曲的强波谷属性” (图7)。砂体展布方向在低可容空间体系域为北东— 南西向, 高可容空间体系域为近南北向。

从体系域单元的角度分析, 在低可容空间体系域时期, 属性特征既有宽且相对顺直的带状强属性, 也有窄而蛇曲的长条状强属性(图7-C, 7-D)。结合地震属性所对应的测井相特征以及地震属性的地震地貌学特征, 在LAST1时期识别并解释出河道: 以Q34-3-B井2020 m处为例的测井相呈钟状、正旋回的砂岩(图3), 属性表现为强且连续、具蛇曲或相对顺直外形; 河口坝发育在河道末端附近, 属性表现为小型片状强属性; 河道— 溢岸复合带呈带状强属性, 内部发育长条状河道; 泛滥平原为稳定泥岩沉积, 测井相表现为平直的伽马曲线(图3; Q35-4-A井2010 m处), 属性表现为蓝色或偏黑色的区域。该时期内河道流向以北东— 南西向为主, 带状砂体发育面积占比较大。小型蛇曲河道在东部及南部较为发育, 大型带状河道— 溢岸带及相对较宽的河道在北部和西部较为发育。同时录井岩性表明该时期主要发育厚度较大的细砂岩, 粉砂岩与泥质粉砂岩较少(图3)。之后的高可容空间体系域时期, 研究区主要发育河道, 其表现为相对较窄(十余米到几十米)而蜿蜒的属性条带, 测井特征表现为指状或小型的正旋回薄砂层(图3; Q35-4-A井1900 m处)。局部可见发育在河道流向改变处的小规模朵状属性区域的小型决口扇, 与伴生在小型河道周缘、具有“ 弯月” 状或小规模带状属性特征的点砂坝(图7-A)。这些属性条带多数呈近乎南北向展布, 平面上相对顺直和蛇曲蜿蜒2种形态均有(图7)。钻井资料表明, HAST1阶段砂岩粒度整体偏小, 以粉砂岩、泥质粉砂岩占主导(图3)。

4.2 SQ2层序砂体识别与解释

SQ2层序内自下部到上部也具有砂体厚度减小、砂地比降低的特点(图3), 但却具有和SQ1层序几乎相反的平面属性特征(图8): 低可容空间体系域(图8-C, 8-D)主要发育窄(十余米到几十米)且蛇曲属性条带(河道砂体), 局部可见小规模的朵状属性区域(河口坝)以及环带状属性条带(牛轭湖), 高可容空间体系域(图8-A, 8-B)以条带状、片状强属性(河道)和朵状属性区域(河口坝或决口扇)兼而有之。钻井结果中, SQ2层序的砂体发育变化以Q34-6-A井最为明显: LAST2时期砂岩单层厚度大、以细砂占主导; HAST2时期砂岩单层厚度减小、粒度减小, 以粉砂岩占主导且砂地比变低。

SQ2层序低可容空间体系域属性提取结果显示(图8-C), 3条特征明显的蛇曲状且宽度较大的砂体由南北向展布贯穿研究区, 多条窄小、属性特征较弱的蛇曲状砂体相互交错分布, 泥岩的深蓝色— 黑色弱波谷属性集中分布在南半区(图8-C)。3条特征明显的砂体中, 最西侧的砂体宽度最大, 波谷属性最强, 且表现出高弯度的弧状, 并在南部地区砂体扩散为小范围的扇状(图8-C)。中间的砂体上半段属性特征要明显强于下半段, 均呈蛇曲状。最东侧砂体的属性特征显示其砂体边界与泥岩区分度较高, 表现出南北向、低弯度的特征。整体的河道砂体走向以南北向为主, 北东— 南西向为辅(图8-C, 8-D)。LAST2时期钻井揭示砂体整体偏少且以粉砂岩占主导, 在Q35-4-B井1730 m处可见反旋回测井相的河口坝砂出现(图3)。SQ2层序高可容空间体系域沉积时期, 蛇曲的条带状河道砂和小规模朵状、片状河口坝砂和决口扇砂均有发育(图8-A, 8-B)。其中西部以蛇曲状河道砂体为主, 砂体宽度较大、蛇曲程度较高、砂体之间的边界较为明显, 砂体展布方向为北西— 南东向(图8-A)。中部以复合河道带为主, 蛇曲状砂体复杂交错; 且北部多条蛇曲状砂体交错向南部聚集, 南部蛇曲状— 扇状砂体呈现出由中间向下方散开的特征(图8-A, 8-B)。东部砂体以小型扇状较多(决口扇), 蛇曲状砂体发育较少且特征不甚明显(图8-A, 8-B)。

4.3 SQ3层序砂体识别与解释

SQ3层序内自下部到上部, 无论钻井显示、还是平面属性提取结果, 均没有表现出以体系域为单元的强差异。虽然单砂体厚度在低可容空间体系域较大, 最厚可达20 m(图3; Q34-3-B井), 但砂地比在2个体系域内的差别也没有SQ1和SQ2层序那么明显。在属性特征上(图9-A, 9-C), 低可容空间体系域与高可容空间体系域强属性面积占比均可达研究区总面积的20%~30%, 不规则的、片状的和朵状的强属性在2个时期也都较为发育。

该层序低可容空间体系域沉积期片状砂体的发育面积较之SQ2层序进一步扩大, 且在北东— 南西边界处具有连片分布的特点(图9-C)。LAST3时期区内蛇曲状砂体发育方向以北西— 南东向为主, 以北西— 南东向的深色泥岩区域为界, 南部区域的蛇曲状砂体弯度大、边界较为清晰且宽度较大; 北部区域由中间向北东方向表现出片状砂体越来越少、蛇曲状砂体越来越多的特点, 且蛇曲状砂体边界较不明显, 具有一定的北西向南东向汇聚的特征(图9-C)。高可容空间体系域内, 片状强属性的河道— 溢岸复合带、朵状的河口坝砂与相对较窄的河道砂均较为发育(图9-A, 9-B)。平面上, 这些河流相砂体具有上、中、下三分的特点(图9-A)。北部蛇曲状、片状砂体交错分布; 中部呈片状、蛇曲状的强波谷属性占据中间部分及东侧区域, 西侧区域内泥岩广泛发育, 宽度小、弯曲度较高的砂体由北西向南东向展布; 南部泥岩较发育, 多条宽度小的蛇曲状砂体穿过泥岩区域, 而在北东— 南西向边界位置发育1片小有规模的河道— 溢岸复合带砂(图9-A)。测井相显示, SQ3时期砂体以指状和齿状测井响应为主, 部分砂体可见小规模钟状(Q35-4-B井1400 m处)等特征(图3)。

5 河流相砂体发育演化对古气候的响应
5.1 石南明下段沉积时期古气候变化

依据泥岩颜色对研究区明下段氧化还原环境进行分析, 认为“ 绿灰色、灰色和灰绿色泥岩(分别赋值1、2和3)” 反映了还原环境, “ 褐红色、红褐色和紫褐色泥岩(分别赋值5、6和7)” 体现了氧化环境, 而“ 黄色和黄褐色泥岩” 是介于氧化和还原之间沉积环境的响应(赋值为4)(图10)。依据泥岩颜色重构了明下段氧化还原环境变化曲线, 并结合孢粉和古植物记录的气候信息, 恢复了明下段的气候变化。

图10 渤海湾盆地渤中坳陷石南地区明下段区域连井层序划分对比剖面(示意了气候演化及其与如图7至图9所示的最大波谷振幅切片的对应关系, 剖面位置见图1)Fig.10 Sequence stratigraphic correlation of the Lower Member of Minghuazhen Formation in southern Shijiutuo uplift, Bozhong Depression, Bohai Bay Basin(showing paleoclimatic fluctuations and stratigraphic position of stratal slices shown in Fig.7 to Fig.9; see Fig.1 for regional map-view location)

5.1.1 明下段沉积初期(LAST1沉积期)气候干湿交替

在氧化还原环境变化曲线上, 明下段沉积初期(LAST1沉积期)出现了1~2个尖峰, 为氧化环境和还原环境的交替; 泥岩颜色上Q35-4-A、Q35-4-B、Q35-4-C和Q35-4-D 井在LAST1沉积期以绿灰色为主, 局部见紫褐色(图10)。

由此可见, 明下段沉积初期研究区古气候以氧化环境— 还原环境交替为主要特征, 推测是干湿交替气候的沉积响应。

黄河口、沙垒田及石臼坨地区藻类种属记录表明: 明下段沉积初期以淡水— 河流相的穴面藻属(Foveoinaperturites)、光对裂藻属(Psiloschizosporis)、克氏藻属(Cooksonella)、毛球藻属(Comasphaeridium)为主(余宏忠, 2009; 赖维成, 2011; 孙容艳等, 2015; 谈明轩等, 2019), 其中近岸沼泽及湿生分子较少, 说明其湖泊范围相对较小(赖维成, 2011), 气候相对较为干旱; 而石臼坨地区的藻类种属成分占比表示明下段沉积初期亚热带成分占比高, 后期地层沉积中温带成分比例有着较大的上升(谈明轩等, 2019), 说明了气候向暖湿变化。因而明下段沉积初期(LAST1沉积期)整体上是以干湿交替气候为主导(图10)。

5.1.2 明下段沉积中期(HAST1和LAST2沉积期)属于湿润主导气候期

明下段沉积中期(HAST1和LAST2沉积期)在氧化还原环境变化曲线上表现出整体上相对平直的稳定特点; Q35-4-A、Q35-4-B、Q35-4-C和Q35-4-D井HAST1和LAST2沉积期泥岩颜色均以绿灰色为主(图10)。由此可见, 明下段沉积中期还原环境主导, 推测是湿润主导气候的沉积响应。

在藻类种属记录上, 明下段沉积中期藻类的分异度和丰度明显增加, 以微咸水、滨浅湖藻类为主, 主要发育刺球藻(Baltisphaeridium)、弗罗姆藻(Fromea)、光面球藻(Leiosphaeridia)、粒面球藻(Granodiscus)等, 湖泊范围明显扩张、水域相对较广(赖维成, 2011), 气候也就相对较为湿润。在孢粉记录上, 明下段沉积中期湿生孢粉数量占据绝对优势, 旱生孢粉数量偏少(余宏忠, 2009; 孙容艳等, 2015); 因而明下段沉积中期为一“ 湿润主导” 气候期(图10)。

5.1.3 明下段沉积晚期(HAST2和SQ3沉积期)属于干旱主导气候期

氧化还原环境变化曲线在明下段沉积晚期(HAST2和SQ3沉积期)也表现为整体上相对平直的特征; 然而Q35-4-A、Q35-4-B、Q35-4-C和Q35-4-D井HAST2和SQ3沉积期泥岩颜色以紫褐色为主(图10)。由此可见, 明下段沉积晚期以氧化环境为主, 推测是干旱主导气候的沉积响应。

藻类种属记录显示明下段沉积晚期喜热、近岸沼泽类分子相对稀少, 主要发育卵形藻属(Ovoidites)、毛球藻属(Comasphaeridium)、褶皱藻属(Campenia), 湖泊范围明显萎缩、水域相对局限(余宏忠, 2009; 赖维成, 2011), 气候相对干旱。在邻区孢粉记录上, 明下段沉积晚期湿生孢粉分子明显减少, 旱生组分增多(孙容艳等, 2015); 也表明明下段沉积晚期为“ 干旱主导” 气候期(图10)。

5.2 河流相砂体发育演化对古气候的响应

在分析古气候演化的基础上, 建立了石南明下段河流相砂体发育演化与古气候变化之间的成因关联。

5.2.1 石南明下段河流相砂体发育演化

在砂体的发育演化上, 研究区明下段SQ1至SQ3的不同时期内, 砂体在纵向上的演化具有以下特点:

首先, 在剖面上, 石南SQ1层序LAST1沉积期砂体单层厚度最大(图3, 图10); 在平面上, LAST1沉积期砂体宽且顺直, 呈片状规模发育, 以河道— 溢岸复合带砂体为主(图7-C, 7-D)。

其次, 在剖面上, 研究区HAST1和LAST2沉积期砂体单层厚度最小(图3, 图10); 在平面上, HAST1和LAST2沉积期砂体窄而蛇曲, 呈带状孤立发育, 以河道砂体为主(图7-A, 7-B; 图8-C, 8-D)。

最后, 在剖面上, 石南HAST2和SQ3沉积期砂体单层厚度较大(图3, 图10); 在平面上, HAST2和SQ3沉积期砂体带状— 朵状展布, 以河道— 溢岸复合带和河口坝砂体为主(图8-A, 8-B; 图9)。

5.2.2 河流相砂体发育演化对古气候变化的响应

研究区明下段SQ1至SQ3沉积期, 气候经历了“ 干湿交替→ 湿润主导→ 干旱主导” 的演变过程, 砂体的形态和类型也相应地发生了明显的变化。

在砂体形态上, “ 干湿交替→ 湿润主导” 的气候演变(润湿化)使得河流相砂体宽度和单层厚度减小, 而弯曲度增大(图7; 图8-C, 8-D); 而“ 湿润主导→ 干旱主导” 的气候演变(干旱化)使得河流相砂体宽度和单层厚度增大, 而弯曲度有所减小(图8-A, 8-B; 图9)。

在砂体类型上, “ 干湿交替→ 湿润主导” 的气候演变(润湿化)使得带状孤立河道砂体更发育(图7; 图8-C, 8-D; 图10); 而“ 湿润主导→ 干旱主导” 的气候演变(干旱化)使得带状河道— 溢岸复合带和朵状河口坝砂更发育(图8-A, 8-B; 图9; 图10)。

6 结论

1)以地震沉积学的方法: “ 井震结合建格架→ 90° 相位转换标岩性→ 等时地层切片辨砂体” 3个步骤, 结合测井相分析在渤海湾盆地渤中坳陷石臼坨凸起南部明化镇组下段中识别出河流相的多种砂体, 取得了良好的运用效果。结果显示, 明下段主要发育顺直河道砂(相对顺直强属性条带)、蛇曲河道砂(窄而蜿蜒强属性条带)、牛轭湖砂、河口坝砂(河道前方的朵状强属性区域)、点砂坝(宽而蜿蜒强属性条带)、小型决口扇砂(河道伴生的朵状强属性区域)和河道— 溢岸复合带砂(片状属性区域)。

2)依据明下段泥岩颜色, 结合藻类种属记录和孢粉记录分析, 认为明下段经历了“ 干湿交替→ 湿润主导→ 干旱主导” 的气候演变。河流相砂体“ 宽度和单层厚度减小而弯曲度增大、带状孤立河道砂体更发育” 是气候润湿化(干湿交替→ 湿润主导)的沉积响应; 而“ 宽度和单层厚度增大而弯曲度减小、带状河道— 溢岸复合带和朵状河口坝砂更发育” 是气候干旱化(湿润主导→ 干旱主导)的沉积响应。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 李 攀)

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