刘招君,胡 菲,孙平昌,孟庆涛,柳 蓉
1.吉林大学地球科学学院,长春 130061
2.吉林省油页岩及共生能源矿产重点实验室,长春 130061
层序地层学是从20世纪70年代的地震地层学发展而来,起初只是被用于海相地层。1987年,Vail[1-2]发表了他的著名层序地层构型,并在世界各地都得到了广泛的应用。在这个模式中,层序的上、下界面均为不整合面或相应整合面,一个层序由3个体系域组成,即低水位体系域(LST)、水进体系域(TST)和高水位体系域(HST),称为Ⅰ型层序;或由陆架边缘体系域(SMST)、水进体系域和高水位体系域组成,称为Ⅱ型层序。I型层序形成在海平面下降速率大于沉积滨线坡折处盆地构造沉降下降速率时,层序界面主要以河流下切作用和回春作用为特征,沉积相和海岸上超朝盆地方向迁移,以及与上覆地层相伴生的陆上暴露或陆相侵蚀作用为特征。II型层序由于是在海平面下降速率小于沉积滨线坡折处盆地的沉降速率时形成,未发生海平面的相对下降。低位体系域由充填的深切谷、低位进积楔、低位斜坡扇和低位盆底扇组成。低位和海侵体系域之间由初始海泛面所隔,海侵体系域与高位体系域之间由最大海泛面所隔。I型层序边界包括了以重要的侵蚀和穿越陆架的区域分布为特征的主要陆上不整合面,而II型层序边界包括了以较少的侵蚀和有限的区域分布为特征的较小的陆上不整合面。当时,Vail[3-4]等提出层序地层学理论的时候基于一个假设:全球海平面变化是形成地层旋回的主要驱动力。
很多学者延用对海相地层经典层序地层学的研究,通过海陆夹层或海陆交互相来揭示陆相地层的层序地层特征,从而对陆相层序地层学仍保持海相体系域三分的观点[5-8],李思田等[9]、解习农等[10-11]认为将一个层序三分的做法仅适合一定条件,不能作为一种模式推广到所有不同类型的盆地。而陆相环境与海相环境相比存在许多不容忽视的差别:①陆相盆地的规模有限,更容易受构造、气候变化和一些突变事件的影响;②陆相盆地在沉积地形上很少有类似被动大陆边缘的那种坡折;③陆相盆地沉积物供给充足,常具有多物源、多沉积中心,相带窄、相变快等特点;④陆相盆地还会受地质背景、地理位置等的影响;⑤陆相盆地彼此孤立、隔绝,具有类型多样、结构复杂的特点[12]。特别是对于我国,以中小型陆相盆地居多,海相层序地层学的直接延用对于具体的陆相盆地研究起不到明显的效果,甚至由于生搬硬套常常会给生产实际带来较多的误导。因此,很多学者也发现真正控制陆相层序发育的因素主要为构造沉降、湖平面和沉积物供给,而控制海相层序地层学发育的海平面变化对陆相层序的影响退居到次要地位,而且陆相三级层序的发育具有明显的四分性,由此,很多学者提出了四分体系域的观点(表1)。
在以上四分方案中:纪友亮等[16-17]通过构造活动和气候的不同,划分了构造和气候2种层序,分别考虑了构造或气候对层序发育的影响;池英柳等[18]根据对辽河坳陷、冀中坳陷、黄骅坳陷下第三系和二连盆地白音查干凹陷下白垩统的层序地层学研究结果,认为层序内体系域的发育取决于构造沉降增加的沉积空间(ΔVa)与周期供给的沉积物体积(ΔVss)的关系,从而由二者的关系将体系域划分为4个体系域,同时强调了体系域的形成主要与构造沉降及物源供给密切相关;王存志[19]通过对渤海湾盆地下第三系层序地层的研究,认为层序中除了顶、底界面之外还存在3个重要界面,即首次泛滥面、最大泛滥面和Ⅱ类层序界面,并以此为界,将层序划分为4个体系域;郑荣才[20]以四川盆地下侏罗统大安寨段为研究对象,认为由中期旋回叠加组成的2个长期基准面半旋回分别代表水位的长期上升和下降周期,构成了完整的湖进-湖退沉积旋回,强调了基准面旋回的作用;胡受权[21-22]在对泌阳断陷的研究中,将一个层序根据一个基准面旋回中的拐点划分为4个体系域;操应长[23-24]应用了下降体系域(FSST)[25]的概念,将“经典”的低水位体系域一分为二,从而将一个层序分为4个体系域。
这些方案虽然对各个体系域成因机制解释和使用的术语体系有所不同,但均采用了四分的原则。相信,随着陆相层序地层学理论的不断发展,陆相体系域的四分方案体系将更加完善。
近年来,海相层序地层学的研究也呈现出了四分体系域的趋势。基于Plint[26]提出强迫海退概念之后,国际层序地层学界开始提出海相层序地层学四分模型,人们在原三分模型低位体系域分解出一个新的体系域(强制海退(楔)体系域(FRWST)[27-28]),后来将其改为强制海退体系域(FRST)[29],现在流行称为下降期体系域,加上原有的三分体系域,构成FSST、LST、TST和HST 4个体系域。这4个体系域分别相应地被赋予基准面(相对海平面)曲线对应的强制海退、低位正常海退、海侵和高位正常海退。O.Catuneanu等[30-32]和 A.D.Miall[33]对这4个体系域进行了详细的描述:下降期体系域发育于基准面下降期;低位体系域发育于基准面缓慢上升阶段,但在基准面上升速率小于沉积速率时形成,对应于低位正常海退时期;海侵体系域形成于基准面快速上升时期;高位体系域形成于基准面上升的晚期阶段,是在基准面上升速率小于沉积速率时形成,对应于高位正常海退时期。他们认为基准面变化的完整旋回应该由这4个连续的滨线转换的不同时期组成(2个正常海退、1个海侵和1个强制海退),因此在层序演化过程中划分出4个阶段是有价值和具有逻辑性的,而且在应用过程中,这种分法经过实践证明是合理的。
表1 不同学者对陆相层序体系域的四分方案Table1 Four division schemes about continental sequence stratigraphy of different scholars
经典层序地层学理论认为叠加在长期构造变化之上的短期海平面变化是控制层序的基本原因,从而强调了海平面变化对层序旋回的作用。低水位底为层序界面,顶为首次海泛面。低水位体系域早期,海平面快速下降,形成低水位扇复合体(盆底扇和斜坡扇);在低水位体系域晚期,海平面下降缓慢或缓慢上升,形成低水位楔。水进体系域形成于海平面快速上升期,其底为首次海泛面,顶为最大海泛面或下超面。高水位体系域形成于海平面相对稳定期和下降早期,其底界面为下超面,顶界面为层序界面。
笔者通过对中国东北地区中、新生代湖相层序地层学的研究成果,结合现代湖泊作用的特点认为,陆相层序的发育受构造沉降、基准面变化和沉积速率共同控制,并提出一个发育完整的三级层序应包括4个体系域[12-13]:低水位体系域、水进体系域、高水位体系域和水退体系域,构成I型层序(SB1)(图1)。其中:低水位体系域发生在强制性湖平面(基准面)快速下降时期,或盆地发育初期,这时主要表现为河流的下切作用,底界面为层序界面;水进体系域出现在首次主湖泛面到最大湖泛面之间,以退积式准层序组为主;高水位体系域形成在高水位时期的湖平面相对静止期,并以加积式准层序组为主;水退体系域形成在湖平面缓慢下降期,它往往与充足的沉积物供给有关,并以进积式准层序组为特征,相当于“经典”理论中的高水位晚期。当水退体系域之后不出现湖平面的快速下降期时,一个三级层序可以缺少低水位体系域,在水退体系域之后湖平面直接上升,形成水进体系域,从而形成水进体系域、高水位体系域和水退体系域组合,构成II型层序(SB2)。
图1 体系域与基准面升降、构造沉降、沉积物供给的关系[12]Fig.1 Relationship among systems tracts and base-level change,tectonic subsidence and sediments supply[12]
海相地层的发育以海平面变化为主导,构造沉降和沉积物供给一般为次要因素,沉积体叠置关系的控制因素比较单一,且变化相对缓慢稳定。与海相地层不同,陆相地层中构造沉降、基准面与沉积供给成了主控因素,由ΔA(可容空间的增加速率)与ΔS(沉积物供给的速率)的关系决定了沉积趋势下的体系域类型。在基准面的快速下降期和低位稳定期,可容空间快速减少,沉积物向盆地中心进积,形成低水位体系域;在基准面快速上升期,沉积供给速率小于可容空间增长速率,沉积物向湖岸退积,形成水进体系域;在基准面的高位稳定期,沉积供给速率与构造沉降产生的可容空间增长速率近于持平,形成补偿型的加积型准层序组,形成高水位体系域;在基准面开始缓慢下降的时候,此时,较强的沉积物供给速率将构造沉降产生的可容空间快速充填,沉积趋势向湖盆方向迁移,形成向盆地方向的下超面,构成水退体系域的底界面,这种进积型的沉积楔状体下超在高水位沉积体系之上,为水退体系域的主要组成。随着一个基准面旋回后期的基准面快速下降,在陆上才开始形成区域性侵蚀的最大不整合面,构成了水退体系域的顶界面,同时也是层序底界面。从水退体系域的形成机制上看,陆相层序的水退体系域大致相当于Hunt和Tucker等[27]提出的海相层序的高位正常海退晚期,此时,相对海(湖)平面的上升速率小于沉积物供给速率,滨线向海(湖)方向迁移,形成高位正常海(湖)退,沉积物向湖盆方向进积。而之后基准面快速下降时期,相当于强制海退时期,形成不整合面和相应整合面。
这样,一个完整的三级层序由4个体系域组成,这个由2个过程(水进、水退)和2个状态(低水位、高水位)所构成的水进-水退旋回控制了沉积体系的时空配置,反映了一个湖盆层序地层发育的全过程。
按照层序地层四分原则,一个完整的层序应由低水位体系域、水进体系域、高水位体系域及水退体系域4个单元组成。这4个单元在岩性、测井和地震上都具有明显的识别标志。
体系域是同期形成的沉积体系组合,在层序分级中大体与准层序组相当。准层序组是由以主要湖泛面及相应面为界的一套有成因联系的准层序组成,每个准层序都是由一个水体突然变深,然后缓慢变浅的沉积相带组成。准层序组有3种叠加方式,即退积式、加积式及进积式。退积式准层序组水体向上明显加深,在岩性组合上,一般粒度向上变细,砂泥岩厚度比向上减小,单个准层序厚度向上变薄;进积式准层序组特征与退积式相反,向上水体深度明显变浅,在岩性组合上,一般粒度向上变粗,砂泥岩厚度比向上增大,单个准层序厚度增大;加积式准层序组水深总体无大的变化,一般粒度、砂泥岩厚度比、每个准层序厚度变化均不大。
一般低水位体系域纵向沉积环境变浅,发育小型进积式准层序组;水进体系域沉积环境自下而上明显变深,发育退积式准层序组;高水位体系域纵向沉积环境变化不大且多为静水沉积,发育加积型准层序组。如松辽盆地ZK0833井上白垩统青山口组某层序体系域:低水位体系域为一套紫红色泥岩,沉积环境变浅,其顶界面为首次湖泛面,之上发育一套水进砂沉积,由湖浪改造湖泊砂体和三角洲砂体形成;水进体系域表现为退积式叠加方式,泥岩颜色逐渐加深,砂泥比向上逐渐减小,水进体系域顶部以最大湖泛面为界;最大湖泛面之上为高水位体系域的深水凝缩段沉积,主要为一套暗色的油页岩沉积,表现为加积型的准层序叠加方式(图2);水退体系域沉积环境自下而上明显变浅,发育大型进积式准层序组,如伊舒地堑汤原断陷汤1井古近系达连河组某层序中的水退体系域,每个准层序自下而上泥岩颜色逐渐变浅、砂岩粒度逐渐变粗、砂泥比逐渐增大,表明水体越来越浅、能量越来越强,为典型的进积型准层序组叠加特征(图3)。
在测井剖面上:一般水进体系域的视电阻率值向上逐渐减小,自然电位曲线总体幅值向正值方向偏移;水退体系域的视电阻率值向上逐渐增大,自然电位曲线幅值向负值方向偏移;高水位体系域和低水位体系域的视电阻率和自然电位曲线总体幅值变化不大。如伊舒地堑汤原断陷汤D7井下白垩统穆棱组层序XIII的测井曲线具有典型的上述特征:低水位体系域测井曲线表现为小型加积式的中幅指状交互特征,齿中线近于垂直,幅值变化不大;水进体系域测井曲线表现为退积式的中低幅指状组合的钟型,为退积型;高水位体系域测井曲线表现为低幅微齿型特征;水退体系域则表现为明显的大型进积式中高幅指状组合的漏斗型,为进积型特征(图4)。
在地震剖面上,各个体系域的反射特征也有差异。一般情况下:低水位体系域以弱振幅断续乱岗状反射结构地震相为主,可见小型前积反射结构地震相;水进体系域以中强振幅较连续平行反射结构地震相为主,可见上超点或退积型的前积反射结构地震相;高水位体系域常以中强或强振幅连续平行反射结构地震相为主,与其他体系域相比,分布广泛,特征明显,易于识别;水退体系域则以弱振幅断续乱岗状反射结构地震相为主,可见大型前积反射结构地震相。
经典层序地层学的高水位体系域在准层序叠加方式上表现为早期加积、晚期进积的形式,四分体系域将早期加积型准层序划为高水位体系域,而将进积型准层序划分为水退型体系域。水退体系域在岩性、岩相、测井和地震方面与高水位体系域有着明显的差别(前已述及),因此,将一个完整的三级层序划分为4个体系域,具有明显的理论依据。同时,将体系域进行四分,在实践中也具有较高的适用性。
4.1.1 低水位体系域(LST)
LST与基准面快速下降有关,是位于层序底部的沉积体系集合体。由于基准面相对较低,盆地缺乏水体较深的还原环境,所以LST往往不发育品质良好的烃源岩。LST内的油气和盖层主要来自上部的TST。LST储集层发育,主要发育(扇)三角洲前缘储集砂体和深水重力流储集砂体。
图3 伊舒地堑汤原断陷汤1井古近系达连河组进积型准层序组岩性特征Fig.3 Lithologic characteristics of progradational parasequence sets in Paleogene Dalianhe Formation in well Tang 1,Tangyuan fault of Yishu graben
4.1.2 水进体系域(TST)
TST时期烃源岩发育,由于基准面快速上升,产生了足够的可容纳空间,在缺乏大量陆源碎屑供给的情况下,发育了良好的烃源岩。TST储集层常发育较好,体系域中湖岸砂体和(扇)三角洲前缘砂体受到波浪的淘选,形成分选、磨圆较好、储集物性好的水进砂体,其连续性较好,是最有利的储层。同时,在TST发育期间,由洪水作用形成的重力流也可在深水区形成浊积砂体,该砂体呈孤立的透镜状被泥岩分隔,自身储集性较好,易于形成岩性油气藏。TST中的盖层与烃源岩一致,其顶部是最主要的盖层,也是下伏层序的区域性盖层。
4.1.3 高水位体系域(HST)
HST形成于基准面缓慢上升和相对静止的高水位期,可容空间仍旧很大;主要发育色暗质纯、有机质含量高、分布相对较广、厚度较大的暗色泥岩,可形成良好的烃源岩和盖层。
HST的储层总体发育不好,因为水体稳定,一般不发育重力流,缺少重要的深水储集体。HST底部凝缩层是主要的盖层,顶部盖层封堵性较差。体系域内泥岩发育较好,侧向封堵性好,各准层序间的湖侵泥岩可形成局部盖层。
图4 伊舒地堑汤原断陷汤D7井下白垩统穆棱组层序综合分析柱状图Fig.4 Comprehensive columnar section of sequence in Muling Formation of Upper Cretaceous in well Tang D7,Tangyuan fault of Yishu graben
4.1.4 水退体系域(RST)
RST形成于基准面缓慢下降时期,该时期沉积物的供给速率明显加大,湖岸线逐步向湖盆中央退却,沉积物不断以进积的方式下超在高水位体系域之上,形成进积式准层序组。仅在湖盆中央区残留半深湖沉积区,可形成具有一定生油气能力的暗色泥岩;但烃源岩厚度较小,分布范围局限,向上烃源岩逐渐变差。RST总体上生油气条件较差。
RST发育期,由于可容空间明显减少,体系域顶部是层序中储层砂体最为发育、储集物性最好、油气资源量最多的层段:主要是(扇)三角洲前缘砂体和(扇)三角洲平原分流河道砂体连续性好、储集物性好,其中尤以(扇)三角洲前缘砂体受河流、湖浪的改造作用,细粒沉积物被淘洗干净,从而形成储集物性良好的储集体,是最有利的储集层。同时由于进积(扇)三角洲不断向湖盆中央推进,(扇)三角洲前缘沉积界面不断变陡,其沉积物易向前滑塌进入深水区形成重力流;这种重力流砂体,规模虽然不大,但其储集物性良好,形成较有利的储集层,又被深水区烃源岩包围,易形成砂岩透镜体岩性油气藏。如塔木察格盆地塔南凹陷南屯组层序II中体系域具有上述典型特征:HST主要发育烃源岩,而RST储集体发育,油气主要来自于下部的HST中烃源岩(图5)。
图5 塔木察格盆地塔南凹陷南屯组层序II不同体系域生储盖特征及含油性综合图Fig.5 Characteristics of source-reservoir-caprock assemblage and columnar map of oiliness in different system tracts of sequence II in Nantun Formation in Ta’nan depression of Tamuchage basin
油气在层序中的分布是有一定规律的。这是因为形成油气藏的生储盖等各要素在层序地层格架中有一定的分布规律。高水位体系域和水进体系域主要发育烃源岩,而低水位体系域和水退体系域主要发育储集层,因此,它们在形成油气藏时的作用和地位都存在着较大的差异。聚集油气的能力和规律也不尽相同,笔者结合对松辽盆地的实例研究,探讨4个不同的体系域内的油气聚集规律。松辽盆地沉积盖层由中、新生界组成,总厚度可达万米以上,其中以白垩系发育厚度最大,也最完整。松辽盆地中生代时期裂谷盆地的发育经历了断陷、坳陷、萎缩3个主要演化阶段:断陷阶段主要与下白垩统火石岭组-营城组相对应;在营城组沉积之后,盆地经历了一次较大的构造运动,盆地转化为坳陷期,主要与下白垩统登娄库组-上白垩统嫩江组相对应;而盆地的萎缩期主要为上白垩统四方台组和明水组时期。下面主要以松辽盆地断陷期和坳陷期为例探讨断陷盆地和坳陷盆地的油气藏分布规律。
4.2.1 断陷盆地油气藏分布规律
综合各体系域内各种油气藏的形成特点,总结出松辽盆地断陷期盆地油气藏分布模式(图6)。由模式图可以看出:在紧邻断陷盆地控盆断裂的部位,在LST的顶部、TST的底部及RST的顶部扇三角洲前缘与湖相泥岩过渡带易形成上倾尖灭型岩性油气藏;LST、TST和RST在盆地的深水中心地带,可形成水下的透镜状岩性油气藏。LST和TST在缓坡边缘可形成地层超覆油气藏。在LST中,连续分布的砂体侧向封堵较差,需与构造配合形成构造-岩性、构造-地层复合型油气藏。RST在靠近控盆断裂部位,由于同生断层的逆牵引作用,常形成同生背斜圈闭,当油气沿断层发生运移时,油气可充注到背斜构造中,形成背斜油气藏。在断陷盆地缓坡一侧,当斜坡带翘起的地层经过风化剥蚀,上部被非渗透性盖层覆盖,可形成地层不整合遮挡油气藏。RST内连续性好的砂体与构造相配合,可形成岩性-构造油气藏。
根据油气藏在平面上的分布特征,由于断陷盆地沉积中心和生油中心靠近陡坡一侧分布,因此陡坡一侧靠近生油中心的部位是油气聚集的最有利部位。该部位形成的扇三角洲前缘水下分流河道砂体、河口坝、席状砂砂体直接与半深湖-深湖相烃源岩接触。砂体呈透镜状或与烃源岩呈互层状,具有较好的盖层条件和充足的油源条件,是油气富集的最有利部位。另外,在此部位形成的重力流浊积砂体直接进入半深湖-深湖亚相烃源岩中,形成被烃源岩分隔包围的透镜状砂体,具有较好的生储盖配置关系,只要埋深不是很大,储集物性条件较好,可形成油气充满程度高的油气藏。在靠近盆缘边界断裂带部位,断层较发育,同生断层活动形成的逆牵引背斜具有较好的圈闭条件,断层和不整合面为油气运移的良好通道,易于形成断层-岩性油气藏和背斜-岩性油气藏,也是油气富集的较好部位。在断陷盆地缓坡一侧,常形成地层超覆圈闭和地层不整合遮挡圈闭,当油气沿不整合面和断层面运移时,可形成油气藏。但由于缓坡一侧距生油中心相对较远,影响了油气的富集程度。
4.2.2 坳陷盆地油气藏分布规律
从松辽盆地坳陷期盆地油气藏分布规律模式图(图7)可以看出:在斜坡带的边缘部位,LST和TST的顶部砂岩体直接超覆于不整合面上,形成地层超覆型油气藏;在LST、TST和RST的较深水和深水环境中,(扇)三角洲前缘砂体形成岩性油气藏,重力流形成的水下扇砂体分布于半深湖-深湖相泥岩中,形成砂岩透镜状岩性油气藏,HST在三角洲前缘远端部位常形成孤立砂体,砂体被烃源岩包围形成透镜状岩性油气藏;TST在斜坡带上,砂体向上倾方向尖灭形成上倾尖灭型油气藏;RST在水下局部隆起靠近湖岸一侧可形成上倾尖灭型油气藏;在RST和HST顶部,连续沉积的砂体常需要构造配置,形成岩性-断层油气藏、岩性-背斜油气藏及构造油气藏。
图6 断陷盆地层序地层格架中油气藏分布模式图[12]Fig.6 Hydrocarbon reservoir distribution model within sequence stratigraphic framework of fault basin[12]
图7 坳陷盆地层序地层格架中油气藏分布模式图[12]Fig.7 Hydrocarbon reservoir distribution model within sequence stratigraphic framework of depression basin[12]
油气在平面上以深坳陷为中心,呈环带状分布,靠近坳陷中心的部位油气较富集。生油中心是生油强度最大区,它是烃源岩厚度、有机质丰度、有机质类型及成熟度的综合体现。生油中心及其周缘不仅可以源源不断获得高丰度的油气源,而且运移距离短,避免了油气在长途运移中的大量散失,易于油气的富集而形成大中型油气田。各体系中的(扇)三角洲前缘砂体,因向盆内延伸较远,靠近该部位,且盖层条件较好,具良好的生储盖配置条件,易形成良好的油气藏。
1)在三分理论的基础上,将一个发育完整的陆相三级层序细分为4个体系域:低水位体系域、水进体系域、高水位体系域和水退体系域,为I型层序,将经典理论中易形成烃源岩的高水位体系域早期定义为高水位体系域,将易形成储集层的高水位晚期定义为水退体系域。当水退体系域之后不发生湖平面的快速下降期时,一个三级层序可以缺少低水位体系域,从而形成水进体系域、高水位体系域和水退体系域组合,构成II型层序。
2)低水位体系域发育小型进积式准层序组,纵向沉积环境变浅,在盆地边缘形成河流下切作用;水进体系域发育退积式准层序组,沉积环境自下而上明显变深;高水位体系域发育加积型准层序组,纵向沉积环境变化不大且多为静水沉积;水退体系域发育大型进积式准层序组,沉积环境自下而上明显变浅,沉积体系向盆地中心推进。
3)断陷盆地4个体系域油气分布规律不同:低水位体系域主要发育陡坡侧透镜状岩性油气藏,其次为缓坡边缘的地层超覆油气藏;水进体系域主要发育陡坡侧地层上倾尖灭型油气藏和缓坡侧的地层超覆油气藏;高水位体系域主要发育烃源岩;水退体系域主要发育地层不整合遮挡油气藏,其次为岩性油气藏以及背斜、断块等构造油气藏。
4)坳陷盆地低水位体系域主要在深水区发育透镜状岩性油气藏,其次为斜坡上发育的地层超覆油气藏;水进体系域主要为斜坡上的地层超覆油气藏,其次为深水区的透镜状岩性油气藏;高水位体系域主要以深水区透镜状岩性油气藏为主;而水退体系域主要以构造油气藏为主,包括断块油气藏、断层遮挡油气藏以及背斜油气藏,其次在水下局部隆起靠近湖岸一侧可形成地层上倾尖灭型油气藏。
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