辽中凹陷中北段重力流发育模式与控制因素

加东辉 周心怀 李建平 赖维成 祝春荣

(中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津 300452)

断陷湖盆重力流成因的岩性油气藏是中国东部各油区重要的勘探类型[1,2]。自20世纪50年代以来,国内外通过理论研究与勘探实践,对各类重力流的发育模式与沉积特征都取得了较深入的认识[3～5]。目前国内比较侧重单个重力流(群)的研究,从区域整体出发的分析较少。渤海海域辽中凹陷勘探程度低,钻井稀少,重力流类型多样,分布隐蔽,岩性油气藏勘探困难。本文在古地貌恢复的基础上,重建了工区古地理背景,以古物源供给系统为切入点,通过物源区与坡折带的耦合分析,指导并搜索出一批具有较大潜力的岩性圈闭。通过对上述岩性圈闭沉积类型、层序位置、发育部位和形成机制的研究,建立了工区各类重力流的发育模式。通过沉积要素比较分析,提出了重力流的发育是物源系统、坡折类型和湖平面变化耦合作用的结果,辽东凸起的形成演化及以其为主导的构造格局制约着重力流的发育特征及分布规律。该项研究对少井区岩性圈闭富集区带的选取和目标研究具有重要的指导意义。

1 区域概况

图1 辽东湾次级构造单元及古水系分布Fig.1 Substructural units and ancient river system distribution of the Liaodongwan Bay

辽东湾地区属于发育在华北克拉通上的裂陷盆地,南北分别与渤中凹陷和辽河断陷接壤,东西同胶辽隆起和燕山隆起交界,呈北东向线性展布(图1)。营潍走滑断裂(郯庐断裂带在海域的部分)影响着辽东湾东部地区的构造演化,主要经历了三期不同性质的力学运动,据此将新生代古近纪的构造演化分为3个阶段：古新世-始新世中期的伸展张裂陷阶段、始新世晚期-渐新世早期的第一裂后热沉降阶段和渐新世东营期的走滑拉分与地幔和上、下地壳的非均匀不连续伸展叠加的再次裂陷阶段[6]。辽东湾地区古近系呈现三凹夹两凸的构造格局,分为五个二级构造单元,其中辽中凹陷是其中部东断西超的一个箕状凹陷,西侧的辽西凸起为古近纪早期形成的凸起,东侧的辽东凸起由南北两个呈似菱形的基岩块体错列组成,以陡坡断裂坡折带与辽中凹陷过渡。工区古近系层序地层划分与构造幕相对应,东营组(32.8～24.6 Ma前)属于裂陷晚期的一个3级层序组(图2),包括东三段、东二段和东一段3个三级层序[7]。

2 古地貌恢复及古地形背景

古地貌恢复及分析近年来在储层预测领域得到了广泛的应用,并取得了显著的成果[8,9]。研究区为三维地震覆盖,但钻井较少。根据三维地震横向分辨率高这一特点,本次古地貌恢复以地震资料的研究为骨架,以钻井的恢复为补充,采用联合恢复的方法,在工区取得了较好的效果。具体步骤主要为：(1)对古近系东三段、东二段和东一段现今地层进行解释,并计算各地层的厚度。(2)利用地震资料,通过未剥蚀地层厚度趋势延伸法,对剥蚀区地层剥蚀厚度进行计算[10]。(3)有井钻遇的地区,利用泥岩声波时差法求取剥蚀地层厚度。(4)将现今残留地层厚度、地震剥蚀区的剥蚀厚度和井区的剥蚀地层厚度进行累加,求出相对原始地层厚度(未考虑压实校正)。按照沉积学原理,相对原始地层厚度可以相对反映古地貌的差异变化。即：地层薄的地方古地形高,一般为正向单元;地层厚的地方古地形低,一般为负向单元[8]。

图2 辽中凹陷中北段古近系综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of Paleogene System in the central-northern Liaozhong depression

重力流为陆上或水下由重力推动的一种水中含有大量弥散物质的高密度流体,它的形成是沉积物势能积累与释放的过程。因此,开展区域物源与有效坡折带的配置分析是搜索重力流的基础和前提。辽东凸起在古近系沙河街组属于早期辽中凹陷的一部分,为晚期形成的凸起[6]。从恢复的古地貌图可以看出,在东三段和东二段层序沉积时期,辽东湾地区营潍断裂带右旋走滑作用加强,辽东凸起南北两个块体和辽东凹陷已经形成,辽东带已具现今构造格局,西支断裂主要控制本地区的沉积沉降中心,东支两个凸起块体间的转换带为盆外物源的主要入口(图3)。到了东一段层序沉积时期,断裂活动减弱,辽东凸起为水下局部高地,工区逐渐进入热沉降阶段[7]。

图3 东三层序(A)和东二层序(B)时期辽中凹陷中北段及东侧的古地貌Fig.3 Palaeogeomorphology of Sequences D3 and D2 in study area

通过古地貌单元与沉积体系分析,东三段的古地理格局具有南北分段、东西分带的特征。南北方向上,辽东凸起的两个菱形块体和胶辽隆起边界断裂的差异将区域沉积分为不同的段。辽东凸起的北支遭受剥蚀,发育辫状三角洲和浊积扇沉积,南支则主要屏蔽东侧水系的输入。中部和南部,与沿胶辽隆起的墙角状断裂对应,分别发育斜坡扇和大型的辫状三角洲沉积,后者延伸范围很远。其他地区则主要发育湖泊沉积体系。东西方向上,隆起-同向构造转换断阶坡折-凹陷的古地貌配置,在平面上限制了辫状三角洲的相带分异。以平行断阶为界,东侧主要发育辫状三角洲平原,中间主要发育辫状三角洲前缘;西侧除断根附近发育辫状三角洲前缘外,主要发育辫状三角洲远源和湖底扇沉积(图4)。因此,在东三段层序沉积时期,有利区带主要为辽东凸起凸缘斜坡带和转换坡折带前方的洼陷带,是重力流勘探的优选方向。

图4 东三层序时期辽中凹陷中北段及东侧沉积体系分布Fig.4 Sedimentary system distribution in Sequence D3 of study area

东二段的古地理格局与东三段基本类似,但地势变缓,走滑断裂持续活动,西支断层的东侧地层厚度比东三段大得多(图2)。中部的古地貌配置为隆起-构造转换带-转换断阶坡折带-凹陷,为最大的物源体系,对应发育大型的三角洲沉积体系。断裂转换带的输砂能力明显较其他类型的沟谷强;同时,由于转换断阶坡折带的走滑错动,三角洲前缘不断横向迁移,从而增加了分布范围。北部和南部的古沟谷规模较小,在墙角状断裂交口沿斜坡发育较小的斜坡扇沉积。同时,由于走滑断裂的活动,辽中凹陷的北部发育长条状(长达40 km,宽仅 1 km左右)的泥岩底辟带,与坡折上部的转换带大型三角洲配置良好。因此,除凸缘斜坡带和转换坡折带前方的洼陷带外,泥拱坡折带前方的洼陷带也是重力流发育的有利区带。

到东一段沉积时期,地势趋于平缓,发育较大规模的三角洲、河流和沼泽沉积体系。辽中凹陷的沉积中心逐渐迁移到北部,在洼陷中心盆地长短轴方向均有水系注入,与四周的同沉积坡折带及断裂坡折带配置良好：因此,辽中凹陷北洼中心也是重力流发育的有利区带。

3 重力流发育模式

通过上述物源系统-同沉积坡折带耦合分析,在工区有利区带共搜索发现湖底扇、坡移浊积扇、斜坡扇、三角洲滑塌浊积扇和近岸水下扇共五种类型的重力流沉积,它们在沉积类型、层序位置、发育部位和形成机制上存在明显的差异(表1)。

3.1 湖底扇

工区内有无根型和有根型两种类型[11]。无根型湖底扇分布在东三层序辽中凹陷中部深陷中,为复州水系沿转换坡折带在低位体系域阶段的产物;在地震剖面上垂直物源方向为丘状外形,内部为断续杂乱反射,沿物源方向为楔状外形;钻井主要钻遇扇中亚相;在测井相上为齿状漏斗形-箱形的组合;岩性为发育在深灰色泥岩背景中微具反粒序的粉砂岩和泥质粉砂岩,厚度常超过百米。有根型湖底扇分布在东一层序北部洼陷,该时期辽西凸起没于水下,兴城水系沿西部斜坡带注入形成。上部以高位沉积坡折为界,下部以倾末端走滑断裂为界,在斜坡带发育“V”字形或“W”字形下切谷充填。沟谷底部为弱振幅低频率杂乱反射,中部和上部为中振幅高频率较平行反射,走向上见上超反射特征。因此,下切谷早期主要为低位域期浊流输导通道,发育较薄的滞留沉积;晚期为湖扩展域泥岩充填。洼陷内走滑断裂坡折带相当于低位坡折带,在洼陷内由西向东沿派生断层走向上发育3支规模较大的沟道充填,它们在走向上为楔状外形,内部呈强振幅低频率断续反射,可见由西向东的前积结构,轴向上为充填外形,内部断续杂乱反射清楚：为下扇水道沉积。由于相邻水道距离近,下扇水道间沉积不太发育[12]。

3.2 坡移浊积扇

分布在东二层序辽中中洼内,沿泥拱坡折带展布。通过钻井和地震综合分析,为线物源供给,由南到北沿斜坡共发育四支距离很近的沟道体系。其中扇根不太发育,沿坡角发育扇中沉积,可延伸较远;地震反射特征为具小幅下切,内部为蠕虫状断续反射。砂体精细描述和钻井结果表明,沟道间片流沉积不发育,为钙质胶结的湖相泥岩。通过层序地层和沉积学分析,沉积体为基准面上升期对泥拱坡折带上方三角洲改造的结果[13]。由于源头三角洲物源方向为由南向北,因此北部两条沟道规模较小,砂体间互不连通。而南部沟道砂体规模较大,在扇端叠合连通。扇中亚相在测井相上为多期锯齿状箱形的叠置,钻井地层厚度超过百米,纵向岩相组合具反旋回的特征,岩性主要为灰色的细砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩。

3.3 斜坡扇

发育在东二层序辽东凸起凸缘断阶带上,宏观形态为扇形。在地震剖面上,垂直物源方向为透镜状外形,中间较两侧厚,内部为断续蠕虫状反射。沿物源方向沉积体顺断阶展布,构造低部位厚度有变大的趋势;地震特征为弱振幅高频断续反射,向高部位逐渐演变为中强振幅低频较连续反射。结合区域地质和层序地层研究,该斜坡扇为低位体系域时期辽东凸起剥蚀作用在斜坡带的产物。此外,在东三和东二层序辽东凹陷南部的斜坡带上也有发育,为盆外胶辽隆起复州水系直接倾泻的产物。

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3.4 三角洲滑塌浊积扇

发育在东二层序具S形前积结构的高位三角洲前方[11],受同沉积坡折带或小型断裂坡折带控制,为三角洲进积滑塌形成。纵向上可叠置,横向上多个呈条带状孤零分布。地震响应为小型透镜状或楔形体,内部为杂乱断续反射,源头不发育沟道体系,无明显的横向迁移或进退,不具备典型的扇体外形,海底扇模式中主水道的内扇、辫状水道的中扇及外扇难以识别,内部很难细分,单个规模小,一般不超过0.5 km2,钻遇地层厚度为10～30 m,置于前三角洲灰色泥岩之中,测井相为指状-漏斗状的组合,岩性为细砂岩、粉砂岩或泥质粉砂岩,沿物源方向岩性变细,含砂率逐渐降低,岩相序列可以用Bouma序列的CDE或DE组合来描述[10]。

3.5 近岸水下扇

发育在东一层序辽中凹陷北洼靠近辽东凸起一侧,为复州水系在低位体系域时期沿陡坡断裂坡折带形成。近岸水下扇在斜坡带表现为沟道化沉积,地震反射在物源方向为楔状外形,内部为强振幅低频率断续反射。垂直物源方向为充填外形,形态为“V”字形或槽状,内部为强振幅低频率断续反射,相当于内扇水道和中扇水道沉积。在坡角和洼陷内见侧向加积特征,方向由南向北,相当于中扇水道沉积。洼陷更远处则发育外扇远端或水道间沉积,反射特征为强振幅中频率连续反射。

4 控制因素

前人研究表明,水下重力流的形成需要充足的物源供给、合适的坡度和一定的触发机制[14]。通过上面的分析比较,各类重力流发育的层序位置、构造部位以及物源系统有显著的区别,它们的发育特点与物源系统、同沉积坡折带和湖平面变化的耦合关系密切,如沉积类型、层序位置、发育部位和规模大小等。总体上讲,工区物源系统主要包括盆外水系、凸起的剥蚀以及三角洲等先期沉积物的后天改造三种类型,它们的规模、易风化程度和与围区地形的高差影响着重力流的规模和空间分布;同时,湖平面的周期性变化决定着重力流的基本类型及空间展布。在低位体系域阶段,可容纳空间主要局限于斜坡倾末区-洼陷带,有利于形成近岸水下扇、坡移扇和湖底扇沉积。在湖扩展体系域的早期,容易对早期三角洲改造形成坡移扇沉积[15],在高位体系域有利于高位滑塌浊积扇的形成。此外,断陷盆地自凸缘至凹陷边界都发育着各种类型的同沉积坡折带,它们的发育影响着重力流的沉积部位和平面分布。如凹陷长轴方向以同沉积缓坡坡折带为主,有利于大型三角洲的不断进积,进而在合适触发机制或自身建设作用下形成滑塌浊积扇;凸缘断裂坡折带毗邻凸起,有利于斜坡扇或近岸水下扇的形成;转换断裂坡折带是盆外水系的入口,在其前方有利于形成湖底扇或坡移扇沉积。物源系统、同沉积坡折带和湖平面变化的良好配置是个动态变化的过程,三者之间任何一方的变化必然导致其他两方有效配置的动态变化。因此,在湖平面变化过程中不断变化的物源系统和坡折带组合易于形成多沉积类型、多发育机制的重力流体系。

辽东凸起的形成演化及以其为主导的构造格局对工区重力流的发育影响很大。在裂陷早期的沙河街时期,由于辽东凸起尚未形成,古地貌发育隆起-斜坡带-凹陷的组合样式,在辽中凹陷的东斜坡仅发育小型的扇三角洲沉积。东营组时期,随着走滑断裂的活动和辽东凸起的形成,首先增加了工区物源系统的类型,能够沿凸缘斜坡形成斜坡扇,凸起垒块间转换坡折带的发育也增加了盆外水系输入的规模和分异状况,在洼陷中心形成湖底扇。同时,工区的地貌特征也得到了极大的丰富,多类型的同沉积断裂坡折带及其组合提供了良好的地形条件,如走滑断裂活动期的陡坡断裂坡折带、转换坡折带、断阶坡折带和泥拱坡折带等。此外,东一层序时期虽然断裂活动减弱,较高的沉降速度造成凹坡形态和位置不断迁移,辽东凸起凸缘继承性的断裂坡折带和周边同沉积坡折带也是有利的地形单元。最后,辽东凸起发育伴生的斜坡带、泥拱带给湖平面变化及物源系统的有效动态配置提供了契机。如低位体系域物源区域扩大,斜坡带较低部位的坡折带有利;湖扩展体系域的早期沉积物易改造,与三角洲配置好的坡折带较为有利等。

5 结论

a.辽中凹陷中北段东营组主要发育三角洲滑塌浊积扇、坡移浊积扇、近岸水下扇、湖底扇和斜坡扇五种类型的重力流。在古地理背景及沉积微观响应分析的基础上,建立了上述各种类型重力流的发育模式。

b.通过沉积要素分析比较,提出了上述重力流的发育是物源系统、坡折类型和湖平面变化耦合作用的结果。研究区内丰富多变的物源系统和坡折带组合在湖平面变化过程中易于形成多沉积类型、多发育机制的重力流体系。

c.辽东凸起的形成演化及以其为主导的构造格局对重力流的发育影响很大,主要表现为增加了物源系统的类型,极大地丰富了地貌特征,为物源系统、坡折带和湖平面变化的有效动态配置提供了契机。

d.在古地理重建的基础上开展物源及同沉积构造坡折带耦合研究是寻找重力流沉积的有效手段。

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