塔南凹陷下白垩统南屯组砂体展布特征及分散机制

闫 磊,刘招君,方 石,张 革,张君龙,胡 菲

1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083 2.吉林大学地球科学学院，长春 130061 3.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712



塔南凹陷下白垩统南屯组砂体展布特征及分散机制

闫 磊1,刘招君2,方 石2,张 革3,张君龙3,胡 菲2

1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083 2.吉林大学地球科学学院，长春 130061 3.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712

通过对研究区下白垩统南屯组沉积时期重矿物组合、砂岩组合和地震反射特征资料的综合研究,确定了沉积物的物源方向和砂体展布特征。研究发现同生断裂组合对砂体起到了分散及阻挡的作用，根据同生断裂的组合以及与砂体的制约关系，划分出掀斜型阶梯状、未掀斜型阶梯状和极性3种类型的控砂断裂组合。并根据物源特征和砂体展布特征，将控砂断裂组合分为“横向砂体”和“纵向砂体”2种砂体展布类型；综合各类断裂组合对砂体的控制作用，总结出“诱导型”和“遏制型”两种控砂机制模式。本次研究对在断陷湖盆开展构造对沉积控制作用及分散机制研究提供一个实例。

塔南凹陷；南屯组；砂体展布特征；控砂断裂；分散机制；砂岩

0 前言

陆相湖盆物源近、构造作用复杂、湖平面变化频繁，因此造成储集砂体类型多、沉积岩性物性变化快、砂体非均质性强、古地貌起伏大等特点。同沉积构造的活动及其产生的构造古地貌对沉积体系的发育分布起到极其重要的控制作用：长期活动的同沉积断裂及其组合制约着盆地内的沉积物分散体系和砂体的分布样式，构造活动形成的古地形对沉积物的搬运，特别是对砂体的分布产生制约[1-7]。

塔南凹陷是塔木察格盆地一个重要的次级构造单元，在南屯组沉积时期构造活动强烈，凹陷内部形成了一系列的同沉积断层，具有多凸多凹、凹隆相间的构造格局，具有多物源、多沉积中心的特点，并影响了对盆地油气分布富集规律的认识[8-13]。笔者通过重矿物分析、地震前积反射、砂岩厚度等资料综合地分析了南屯组沉积时期凹陷的物源方向，结合物源方向、断裂特征分析了塔南凹陷南屯组沉积分散体系,以期为断陷湖盆构造控制沉积的研究起到一定的借鉴作用。

1 研究区概况

塔木察格盆地位于蒙古国东部, 向北延伸进入中国, 与海拉尔盆地属于同一沉积盆地,盆地面积35 400 km2。塔南凹陷是塔木察格盆地的次级构造单元，为东断西超的复式断陷结构，内部可划分：东部斜坡带、东次凹、中央低隆带、中次凹、西部斜坡带、西次凹和西部缓坡带,见图1。

塔南凹陷下白垩统发育地层从下到上依次为：铜钵庙组(K1t)、南屯组(K1n)、大磨拐河组(K1d)和伊敏组(K1y)。研究目的层南屯组形成于构造断陷活动剧烈时期，地层与下伏铜钵庙组为角度不整合,该二级层序内部可划分为2个三级层序，即南一段和南二段(SQn1,SQn2),根据其地层内部旋回性，进一步可划分为南一段下、南一段上、南二段下和南二段上[14]，如图2所示。

2 物源分析

物源分析在确定沉积物物源位置和性质及沉积物搬运路径, 甚至整个盆地的沉积作用和构造演化等方面意义重大[15]。笔者应用重矿物分析、地震前积反射、砂岩厚度等资料从不同的角度对塔南凹陷物源体系进行了精细研究，为研究区沉积分散体系研究奠定了基础。

2.1 重矿物特征分析

重矿物具有稳定性高、抗风化能力强的特点，在搬运过程中能够较好地保留源岩区特征，所以对重矿物的研究始终是物源分析的重要手段之一[15]。选取工区内28口钻井岩心的重矿物资料，数据点覆盖了南屯组所有层位及各主要沉积区。重矿物数据资料统计(表1)表明, 研究区重矿物质量分数较小，以金属矿物、极稳定矿物(锆石)含量高为特点。将全部的重矿物类型作为变量进行聚类分析，参考不同类型重矿物的分布特点，选出10 种代表性较强、质量分数较高的矿物作为分类依据，即: 锆石、菱铁矿、磁黄铁矿、白钛石、钛铁矿、黄铁矿、磷灰石、绿泥石、黑云母、电气石，这10种矿物类型占重矿物总量的92.8%。使用专业统计分析软件SPSS，采用Q型聚类法进行分析，将研究层段所有数据划10种重矿物含量组合类型。并将聚类结果以点类的方式进行平面投影，图中不同位置的重矿物的组合类型以“G(A，F)”的方式标出，括号外为主要的重矿物组合类型，括号内为次要的重矿物组合类型(图3)。

图1 塔南凹陷区域位置图和内部构造单元划分图Fig.1 Territorial tectonic location of Tanan depression and the division of its inner structure

图2 塔南凹陷铜钵庙组-大磨拐河组综合柱状图Fig.2 Sequence characteristics of Tongbomiao Formation-Damoguaihe Formation in Tanan depression

矿物聚类结果显示，研究区南屯组沉积时期重矿物组合类型以G类、A类、B类3种矿物组合为主。G类组合(锆石、菱铁矿含量高，且两者含量接近)分布广泛，主要分布在凹陷的东部及南部；A类组合(菱铁矿含量较高)、B型组合(锆石含量相对较高)在凹陷的西部及中部地区分布最多；凹陷北部局部可见C类组合(锆石、钛铁矿含量相对较高)。聚类结果分析表明，塔南凹陷内存在西北部、北部、东部和南部4个物源方向，其中西北物源以A、B类组合为主，北部物源为A、F类(磁黄铁矿含量较高)组合，东部物源主要为G、F类组合，南部物源则以G、A类组合为主。值得注意的是，中央次凹中部同时存在西北部与东部两大物源的主要重矿物组合类型。井上分析表明，西北部物源重矿物组合类型见于南屯组层序II的晚期地层之中，东部物源重矿物组合类型则出现于南屯组层序I地层及层序II早期地层之中。这表明，中央次凹可能在不同时期接受了不同方向物源的供给，早期由东部物源供给，晚期东部物源供给消失转变为接受西北物源供给。

2.2 地震反射特征分析

根据地震剖面上前积反射的几何关系,可以定量地确定古水流方向。图4为塔南凹陷常规地震剖面，可以明显看到在东部控陷断裂下降盘沉积了很明显的楔状体，靠近控陷断裂一侧地层厚度明显较厚，向凹陷中央快速减薄，表明在凹陷东部控陷断裂有明显物源进入的痕迹。对研究区多口钻井的岩心进行观察及镜下分析，结果表明，塔南凹陷南屯组主要发育近岸水下扇、远岸水下扇及缓坡三角洲3种沉积相;东次凹发育近岸水下扇，中次凹主要发育近岸水下扇，西次凹发育三角洲沉积[16-18]。在平行于水下扇砂体前进的方向上，可以识别出水下扇砂体的反射结构，近岸水下扇表现为紧邻断裂的楔形反射结构;内扇表现为中强振幅，断续杂乱反射结构，反映了水下泥石流滑塌快速堆积的特征；中扇表现为中--弱振幅断续杂乱反射和中振幅较连续-断续波状透镜状反射结构；外扇表现为较连续的弱反射。远岸水下扇在垂直于其靠近断层的走向上表现为楔形反射地震相，内部呈较连续-断续反射地震相，不容易识别出内扇、中扇和外扇亚相(图4)，推测该期的远岸扇由东部近岸扇的砂体越过中部断裂继续搬运而形成。

表1 研究区重矿物数据统计表

注：样品数为170。

2.3 砂体分散体系

砂体分散体系可以有效地揭示物源的影响范围，指示物源方向。对于同一沉积体系而言，通常距离物源区越近，其砂地比越大、砂体厚度越大，它们通常作为沉积物的主要搬运通道。

对研究区多口钻井的镜下分析表明:东次凹近岸水下扇砂岩类型为岩屑砂岩;石英体积分数为15%～30%，平均为 27.5%;长石体积分数较少，多为斜长石;岩屑体积分数较高，平均为 60%，以中酸性火山岩屑为主;颗粒分选差--中等，磨圆次棱角状，反映出近源堆积的特征(图5)。中次凹远岸水下扇砂岩类型为长石岩屑砂岩，石英体积分数较小，平均为20%;长石体积分数平均为44%;岩屑体积分数平均为17%～33%;以酸性火山岩屑及凝灰质岩屑为主，颗粒分选中等，磨圆次棱角状，支撑类型主要为颗粒支撑(图6)。西次凹缓波三角洲砂岩类型为岩屑长石砂岩，石英体积分数为27%～40%，长石体积分数为35%～45%，风化程度中等，岩屑体积分数通常小于30%，成分以岩浆岩为主，分选中--好，磨圆为次圆--圆。相对而言，远岸水下扇砂岩的岩石学特征与西部缓坡三角洲砂岩差别较大，而与东部近岸水下扇相似;远岸水下扇岩心中未见任何浅水沉积标志的特征，同时结合地震反射结构特征，认为其为缓坡物源供给的可能性不大，应与近岸水下扇同源。

通过井约束地震反演，以砂岩等厚图为基础，结合层序内的古构造格架、砂岩成分及沉积相类型绘制了塔南凹陷南屯组沉积时期的砂体分散图(图7)，图中黑色箭头线代表砂体的分散路线。

南一段下沉积时期，砂体主要靠近东部边界控陷断裂一侧，具有从凹陷东部向中央汇聚的特征，表明该时期存在2个强物源(图7a)。南一段上沉积时期，凹陷主要有3个强物源，凹陷东部方向和东南方向具有继承性，西南方向物源为陡坡短轴物源，凹陷西北方向物源为次要物源(图7b)。

南二段下沉积时期，砂体表现为由东部和西北部向中央汇聚，表明该时期凹陷主要有2个强物源，凹陷西南方向及东南方向物源萎缩(图7c)。南二段上沉积时期，砂体凹陷西北部最厚，该时期主要有一个强物源,凹陷西南方向物源为次要物源，东部物源仍有继承性，东南方向物源基本消失(图7d)。

综上所述，塔南凹陷在南屯组沉积时期主要共有4个大的物源体系，研究区南屯组初期主要是发育东南方向和东部方向物源，后期西北方向物源发育；与南一段相比，南二段的地层沉积范围更大，物源体系逐渐转变成长轴物源为主的供应模式，短轴物源逐渐萎缩。

图4 塔南凹陷水下扇地震反射结构Fig.4 Seismic reflection of subaqueous fans in Tanan depression

图5 东次凹近岸水下扇镜下照片Fig.5 Microscopic photos of nearshore subaqueous fan

图6 中次凹远岸水下扇镜下照片Fig.6 Microscopic photos of far-shore subaqueous fan

a.南一段下;b.南一段上;c.南二段下;d.南二段上。图7 塔南凹陷南屯组砂体分散体系图Fig.7 Dispersion systerm map of Nantun Formation in Tanan Depression

3 砂体分散机制

砂体分布的控制因素有很多个，但在盆地内主要受沉积物供给和同生断层的影响。在沉积物供给一定的情况下，构造低地是沉积物的卸载场所，同生断层发育的程度控制砂体规模大小，同生断层的走向和倾向影响砂体走向。

3.1 控砂断裂组合

从砂体分散体系图可以看出，塔南凹陷南屯组沉积时期，沉积砂体严格受断裂及其组合的控制。在研究区根据同生断层的组合以及与砂体的制约关系，总结出4类控砂断裂组合，分别是未掀斜型阶梯状、掀斜型阶梯状、短轴极性断裂组合和长轴极性断裂组合(图8)。

图8 塔南凹陷主要的控砂断裂及其组合类型Fig.8 Combine styles of sand-control fault in Tanan depression

未掀斜型阶梯状断裂组合 平面上由平行的主干断裂与次级断裂组成，剖面上为多米诺从式半地堑特征，断裂呈阶梯状下降。此类断裂组合物源方向与断裂倾向相同或相近，在南一段上到南二段下沉积时期均有发育，主要分布在凹陷的短轴方向，各级断层均起到逐级分砂卸载的作用。

掀斜型阶梯状断裂组合 平面上由平行的主干断裂与次级断裂组成，剖面上为多米诺半地堑特征，断裂呈阶梯状下降。此类断裂组合物源方向与断裂倾向相同或相近，发育在南二段上沉积时期，主要分布在凹陷的短轴方向，主干断裂起卸载砂体的作用，而由于断块翘倾作用，砂体无法搬运到次级断裂的下降盘。

短轴极性断裂组合 平面上由平行的主干断裂与次级断裂或同一级别断裂组成，剖面上为极性半地堑特征，主干断裂与次级断裂倾向相反。当物源方向与断裂倾向相同或相近，主干断裂起卸载砂体的作用，次级断裂对砂体搬运起限制作用，此类型断裂组发育在南一段下沉积时期，主要分布在凹陷的短轴方向，位置凹陷东南部。

长轴极性断裂组合 平面上由平行的主干断裂与次级断裂或同一级别断裂组成，剖面上为极性半地堑特征，主干断裂与次级断裂倾向相反。当物源方向与断裂倾向垂直或高角度相交时，主干断裂与次级断裂对砂体搬运均起限制作用，此类型断裂组合发育在南屯组沉积晚期和大磨拐河组沉积时期，分布在凹陷的长轴方向，位于凹陷西北部。

3.2 控砂断裂机制研究

研究区砂体的展布与断裂密切相关，同时受物源供给、古地形及构造运动等多方面因素的综合控制。

塔南凹陷南屯组沉积初期，凹陷西次凹不发育，凹陷构造格局主要受东部控盆断裂及中部断裂控制， 由于东部控盆断裂活动强烈形成了大规模的近岸水下扇砂体，物源供给充足，随着这些“填平补齐”式沉积的发育，东次凹原本较为平坦的古地形逐渐变为由东向西倾斜，因此砂体越过中央隆起带断裂继续搬运，为陡坡远岸水下扇的形成创造了条件；盆地东南局部受控于极性正断层的发育，部分砂体绕过断层继续搬运(图7a)。南一段沉积后期，在重力均衡及构造运动的影响下，东次凹开始整体旋转掀斜，陡坡近岸水下扇向盆地边缘逐渐退积,受此影响，远岸水下扇发育规模也逐渐减小(图7b)。南二段沉积初期，在东部物源的快速供给下，东次凹内被进积式近岸水下扇沉积所充填，远岸水下扇的发育条件再次被满足，但受掀斜阶梯状断裂的控制，只在局部地区发育远岸水下扇沉积砂体(图7c)。南二段沉积后期，东次凹旋转掀斜程度加剧，东部物源供给不充分，中次凹远岸水下扇砂体不发育；西部地区由于构造活动剧烈，形成了极性断裂组合，三角洲砂体发育于极性断裂之内(图7d)。

图9 塔南凹陷断裂组合控砂模式图Fig.9 Model of sand-control fault style

根据物源特征和砂体展布特征，可将控砂断裂组合分为“横向砂体”和“纵向砂体”两种类型。其中“横向砂体”断层面倾向与沉积物运移方向相同或近似，断裂组合包括未掀斜型阶梯状断裂组合、掀斜型阶梯状断裂组合和短轴极性断裂组合；“纵向砂体”是断层面的倾向与沉积物运移方向垂直或高角度相交，断裂组合类型为长轴极性断裂组合(图9)。

综合各类断裂组合对砂体的控制作用，认为塔南凹陷断裂组合对砂体的分散及控制机制可分为以下两种模式：“诱导型”和“遏制型”。其中“诱导型”控砂模式指物源方向与断层面倾向相同，砂体沿断层倾向方向搬运，断裂对砂体无遏制作用；其断裂组合类型为未掀斜型阶梯状断裂组合。“遏制型”控砂模式指当物源方向与某一断层面倾向相反或者物源方向与断层面倾向垂直，断裂对砂体的搬运起阻挡作用，砂体的搬运和展布被限制在两个断层之间；其断裂组合类型有掀斜型阶梯状断裂组合、长轴极性断裂组合和短轴极性断裂组合(图9)。

4 结论

1)塔南凹陷南屯组沉积时期同沉积断裂及其组合对沉积物的分散起到了限制和疏导的作用，总结出未掀斜型阶梯状、掀斜型阶梯状、短轴极性和长轴极性4种控砂断裂组合。

2)根据物源特征和砂体展布特征，可将控砂断裂组合分为“横向砂体”和“纵向砂体”两种类型。其中“横向砂体”类型的断裂组合包括未掀斜型阶梯状断裂组合、掀斜型阶梯状断裂组合和短轴极性断裂组合；“纵向砂体”类型的断裂组合类型为长轴极性断裂组合。

3)综合各类断裂组合对砂体的控制作用，总结出塔南凹陷断裂组合对砂体控制的两种模式：“诱导型”和“遏制型”； 未掀斜型阶梯状断裂组合为“诱导型”，掀斜型阶梯状断裂组合、长轴极性断裂组合和短轴极性断裂组合为“遏制型”。

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吉林大学学报(地球科学版)

荣获 “第五届中国高校精品科技期刊”称号

由教育部科技司主办、中国高校科技期刊研究会承办的“第五届中国高校精品·优秀·特色科技期刊”评比活动结果日前公布，我刊荣获“第五届中国高校精品科技期刊”称号。这是我刊首次获此殊荣，标志着我刊在提升学术影响力和竞争力，加强期刊的整体实力方面取得了一定的进展。

据了解，全国800多家高校科技期刊参与了此次评比，经专家评审，共评出中国高校精品科技期刊49种，优秀科技期刊108种，特色科技期刊30种。

本刊编辑部

2015-03-12

Sandstone Distribution Characteristics and Dispersal Mechanism of the Lower Cretaceous Nantun Formation,Tanan Depression

Yan Lei1, Liu Zhaojun2, Fang Shi2, Zhang Ge3, Zhang Junlong3, Hu Fei2

1.ResearchInstituteofPetroleumExploration&Dvelopment,PetroChina,Beijing100083,China2.CollegeofEarthSciences,JilinUniversity,Changchun130061,China3.ExplorationandDevelopmentResearchInstitute,DaqingOilfieldCompanyLtd.Daqing163712,Heilongjiang,China

The source direction and sand distribution characteristics of Nantun Formation are concluded by heavy mineral analysis, isopach maps of sandstone and seismic reflection in Tanan depression. The study result shows that the fault system played a role in scattering and blocking of the sediments. According to the relationship between the fault assemble and sandstone distribution characteristics, the fault assemble can be divided into three types, “tilting ladder type”, “non-tilting ladder type”, and “polar type”. Based on the source and sand distribution characteristics, the fault assemble can be divided into “horizontal sand type” and “vertical sand type”. To integrate the fault assemble control effect on sand distribution, the two models of sand control mechanism can be concluded, “induced model” and “contained model”. This study provides a typical example for the research on the structurally controlled deposition and sand disperse machanism in a rift basin.

Tanan depression; Nantun Formation;sandstone distribution characteristics;sand-control fracture; dispersal mechanism；sandstone

10.13278/j.cnki.jjuese.201502114.

2014-06-03

全国油气资源战略选区项目(2009GYXQ12-04-1);吉林大学创新团队建设项目(201004001)

闫磊(1985--)，男，讲师，主要从事构造沉积学，层序地层学方面研究，E-mail:yanlei2011@petrochina.com.cn

刘招君(1951--)，男，教授，博士生导师，主要从事层序地层学、含油气盆地分析、油页岩成矿理论、油页岩资源评价与综合利用研究，E-mail:liuzj@jlu.edu.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201502114

P544.4

A

闫磊,刘招君,方石,等. 塔南凹陷下白垩统南屯组砂体展布特征及分散机制.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(2):507-517.

Yan Lei,Liu Zhaojun, Fang Shi, et al. Sandstone Distribution Characteristics and Dispersal Mechanism of the Lower Cretaceous Nantun Formation,Tanan Depression.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(2):507-517.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201502114.