古地貌恢复及其对滩坝沉积的控制作用——以辽河西部凹陷曙北地区沙四段为例

高　艺，姜在兴，李俊杰，刘圣乾，吴明昊，王夏斌

（中国地质大学（北京）能源学院，北京100083）

古地貌恢复及其对滩坝沉积的控制作用
——以辽河西部凹陷曙北地区沙四段为例

高艺，姜在兴，李俊杰，刘圣乾，吴明昊，王夏斌

（中国地质大学（北京）能源学院，北京100083）

古地貌是控制滩坝沉积的重要因素，决定了滩坝发育的规模与特征。运用印模法与层序地层学相结合的方法，通过残余厚度求取、真厚度校正、压实恢复、潜山剥蚀区确定和古水深恢复5个步骤，恢复辽河西部凹陷曙北地区沙四段层序2低位体系域主要滩坝砂体沉积时期的古地貌，据此分析研究区古地貌对滩坝沉积的控制作用。研究区古地貌总体上呈西高东低，西部为斜坡带，东部为洼陷带，斜坡带中部为古隆起区。根据古地貌特征将曙北地区分为沿岸带、潜山带、北部斜坡带、南部斜坡带和洼陷带5个地貌单元，滩坝砂体主要分布在沿岸带与古隆起周围。古地貌控制了湖盆水体的范围与相对深度、水动力的强弱分带、滩坝沉积的地形坡度、物源的搬运通道与卸载场所等滩坝沉积的影响因素，进而控制滩坝砂体的发育。

古地貌恢复滩坝控制作用沙四段曙北地区

滩坝是断陷湖盆初陷期滨浅湖地区常见的一种沉积类型，具有薄互层的特征，横向连续性差，在地震上识别和追踪困难，勘探难度大［1-2］。滩坝砂体主要受古地貌、物源和盆地构造等因素的控制，其中古地貌作为影响滩坝沉积的一个重要因素，决定了滩坝的发育规模和展布特征［3-4］。

随着勘探程度的深入，河流、三角洲等大型储集体的发现越来越少，滩坝砂体作为勘探目标日益受到重视［5］。由于断陷湖盆构造运动频繁、盆底地形复杂、滩坝砂体难以识别追踪等原因，目前对断陷湖盆不同类型滩坝的控制因素、控制机制、沉积模式、预测方法研究较少，影响了下一步对滩坝砂体的大规模勘探。作为控制滩坝沉积的重要因素，前人对古地貌的研究通常限于古地貌恢复方法、滩坝发育区地貌特征、地貌与滩坝对应关系等方面［6-7］，对于地貌控制下的水体相对深浅，地貌对水动力的影响，地貌对物源搬运与卸载的影响等方面研究很少。为此，笔者在研究区古地貌恢复的基础上，对地貌、水体和物源特征进行综合分析，探讨了古地貌直接与间接作用对滩坝砂体的控制机制。

1　区域地质概况

曙北地区位于辽河西部凹陷西斜坡北部，包括曙北斜坡和兴冷构造带、陈家洼陷、盘山洼陷的部分区域［8］，面积约为420 km2。古近纪为西部凹陷的主要发育期，经历了拱张、初陷、深陷、再陷和萎缩等构造发育阶段，自下而上沉积房身泡组、沙河街组和东营组，其中沙河街组自下而上划分为沙四段、沙三段、沙二段和沙一段［9］。沙四段为裂陷初期的沉积产物，主要发育三角洲—滨浅湖沉积体系［8］，其中三角洲沉积受主力物源供给的控制，在远离主力物源的滨浅湖地区主要发育滩坝沉积。沙四段沉积时期，研究区以南为凹陷外供源形成的三角洲沉积体系，以北为雷家地区广泛发育的碳酸盐岩沉积，而研究区并无主体物源供给，以滩坝沉积为主。

2　古地貌恢复

古地貌恢复包括构造恢复与地层恢复2方面，常用的恢复方法有残余厚度法、印模法、回剥和填平补齐法、沉积学分析法及层序地层学法（包括高分辨率层序地层学法）等，大部分方法只能定性地恢复古地貌［6］。所能获得的研究资料中三维地震资料具有较高的横向分辨率，而测井和地质资料具有较高的纵向分辨率，将三者合理地结合起来用于古地貌恢复，可以提高准确性。印模法是常用的古地貌恢复方法，其基本假设为某一期沉积后沉积物填平整个盆地，因此沉积物的厚度可以反映沉积前盆底的形态，即沉积古地貌。印模法包括求取残余厚度、压实恢复等步骤［7］，但并未强调目标层的选取标准，其缺陷在于：①选择恢复的目标层顶、底界面容易出现穿时现象；②选取目的层的规模不易确定；③若目标层内存在大范围剥蚀现象，则残余厚度不能反映古地貌形态。针对以上缺陷，采取将层序地层学法与印模法相结合的方式，根据层序地层学理论选取目标层进行古地貌恢复，通过对目标层的地层倾角校正、压实恢复、潜山剥蚀区确定和古水深恢复等步骤，最终得到目标层沉积时期的古地貌。

2.1目标层的选取及残余厚度的求取

根据印模法的原理，目标层在沉积过程中不能出现大规模的抬升剥蚀现象，沉积完成后基本填满整个盆地，其顶、底界面具有等时性且可以追踪。以一个层序的底界面至其最大水泛面间的地层作为目标层可以较好地满足这些条件［10］。

谢玉华等研究发现，辽河西部凹陷沙四段只发育上亚段，可划分为2个层序［11］。层序1（SQ1）位于沙四段上亚段下部，仅发育在盘山洼陷及其北部地区，大致对应牛心坨油层组和高升油层组；层序2 （SQ2）位于沙四段上亚段上部，发育范围广，大致对应杜家台油层组。在研究区层序界面识别的基础上，由于地震资料品质较差，主要依据测井、录井和地质资料，对研究区多口井的SQ2内部体系域进行了划分。研究区SQ2仅发育低位体系域和湖侵体系域，未见高位体系域，其中滩坝砂体主要发育在低位体系域（图1）。因此以SQ2底界面至其最大湖泛面（MFS）之间地层作为目标层，用以反映SQ2主体滩坝沉积时期的古地貌，同时层内不存在大规模的剥蚀作用，不需考虑剥蚀恢复。

受地震资料解释精度的限制，以及钻井分布不均的影响，仅根据单井资料会降低横向准确性，因此须将二者结合起来求取残余厚度。参考冯磊等利用井间古地貌趋势补偿的方法［12］，将单井划分目标层厚度补偿到地震解释层位厚度中，最终得到目标层残余厚度。

2.2真厚度校正

由于盆地的差异沉降和压实作用，目标层延伸方向往往与水平面存在一定夹角，井轨迹与目标层斜交，导致钻遇地层厚度总是大于其真厚度。因此，在确定目标层残余厚度的基础上，须进行真厚度校正。钻遇厚度与真厚度的关系为

图1　辽河西部凹陷沙四段上亚段层序地层划分Fig.1　Sequence stratigraphic division of the Es4in the Liaohe Western Sag

式中：h为真厚度，m；h′为钻遇厚度，m；α为地层倾角，（°）。

式（1）中α值与顶面倾角相等，可利用地震资料求取目标层顶面倾角，换算成余弦值，网格化后与残余厚度相乘即可得到目标层真厚度。

2.3压实方程的建立与目标层的压实恢复

沉积物在地表沉积后，由于上覆沉积物的覆盖和盆地沉降作用，逐渐被深埋，所受孔隙压力随埋深的增加而增大，导致孔隙流体排出，孔隙度变小，地层厚度变薄，即产生压实作用。由于印模法依据的是沉积物厚度与盆底地形之间的镜像关系恢复古地貌，因此恢复目标层沉积完成时的地层厚度，即去除压实效应的影响对恢复古地貌十分重要。

郭秋麟等研究发现，地层孔隙度与埋深的指数关系式［13］为

式中：ϕ为深度Z处的孔隙度；ϕ0为地表孔隙度；C为压实系数；Z为深度，m。

式（2）中的C和ϕ0均与岩性有关。求取压实系数时，须利用孔隙度数据拟合不同岩性的压实方程。依据辽河西部凹陷62口井的实测孔隙度，拟合出砂岩、泥岩和粉砂岩的压实曲线（图2），其表达式分别为

压实方程确定后，运用分层回剥技术对目标层进行压实恢复，其原理为：假设地层在深埋过程中遵循质量守恒原理，即地层厚度的减小只是因为地层孔隙体积的减小，地层骨架颗粒的体积始终保持不变。实际应用过程中须考虑不同岩性压实方程的差异，一般采用盆地模拟方法。笔者恢复了研究区61口井的单井埋藏史，得到单井压实率，将其网格化后对目标层进行压实恢复合并，最终得到经过压实校正的地层恢复厚度（表1）。

图2　砂岩、泥岩、粉砂岩孔隙度与深度的关系Fig.2　Variations of sandstone，mudstone and siltstone porosity with depth

2.4潜山剥蚀区的确定

曙光古潜山位于研究区西北部，为前新生界受构造活动影响形成的古潜山。由于基岩古潜山的存在和继承性活动，对上覆新生界产生了很大影响。古近纪早期研究区普遍发育1套房身泡组火山岩地层。在沙四段上亚段沉积时期，研究区沉积厚度与砂体分布明显受古潜山地形的控制，地层向潜山高部位层层超覆，厚度明显变薄，甚至出现缺失［14］。

shg11井位于曙光古潜山，其钻遇沙四段厚度仅为98 m，岩性为泥灰岩夹薄层白云质灰岩（图3）。地层沉积特征和层序划分结果显示，shg11井仅发育SQ2湖侵体系域，缺失SQ1和SQ2低位体系域，湖侵体系域泥页岩直接覆盖在房身泡组火山岩之上。地层的缺失是由于沙四段沉积早期，湖盆初始断陷，盆地水体较浅，古潜山暴露于水上，直至SQ2低位体系域沉积末期才没于水下开始接受沉积。通过对研究区单井层序划分、连井剖面分析、地震解释追踪和物源分析，确定SQ2低位体系域沉积时期古潜山剥蚀区的范围。

表1　曙北地区部分井目标层压实数据Table1　Compaction data of the target formation drilledat some wells in the Shubei area

图3　shg11井综合柱状图Fig.3　Synthetical histogram of Well shg11

2.5古水深的恢复

经过压实校正的地层厚度实际上只能反映相对古地貌，因为目标层沉积完成后其顶面并非水平，从湖盆边缘至湖盆中心存在地形起伏，这种起伏关系可用古水深来反映。根据研究区以滩坝沉积为主的特征，采用波痕法和坝砂厚度法恢复古水深。

2.5.1波痕法

根据Diem的研究资料［15-16］，用浪成波痕恢复古水深的公式为

其中

式中：hmax为恢复古水深，m；u为水质点运动轨道速度，m/s；λ为波痕波长，m；D为沉积物颗粒直径，m；ρ为水体密度，g/cm3；ρs为沉积物密度，g/ cm3。

以sh66井3 130 m处岩心为例，识别出的波痕波长为5.11 cm（图4），水体密度取1 g/cm3，沉积物密度取2.26 g/cm3，平均沉积物颗粒直径取1.2×10-4m，代入式（6）、式（7）计算得到的古水深为7.12 m。

图4　sh66井综合柱状图Fig.4　Synthetical histogram of Well sh66

2.5.2坝砂厚度法

不同的水动力带控制着不同类型滩坝的发育［17］。假定在具有充足物源供给的前提下，不同类型滩坝砂体的厚度可以反映其所在水动力带的深度。准确识别出一个滩坝发育期次（即一个准层序）及其中不同类型的滩坝，即可恢复古水深。

以sh66井3 130 m处岩心所在的准层序为例，识别出远岸坝、近岸坝和沿岸坝砂体，岩心所在位置为近岸坝砂体底部（图4）。沿岸坝、近岸坝和远岸坝砂体厚度分别为1，3.49和2.5 m，正常浪基面以上坝砂总厚度为6.99 m，该井目标层压实率为59%，因此经压实校正后的正常浪基面水深为11.85 m。岩心所在位置距沿岸坝顶部的砂体厚度约为4.42 m，则压实恢复后的砂体厚度为7.49 m，相当于此处古水深为7.49 m。

波痕法和坝砂厚度法计算得到的同一点的古水深相近，说明2种方法均可有效进行古水深恢复。利用2种方法恢复研究区多点处古水深，结合目标层恢复地层厚度的变化趋势和潜山剥蚀区范围，可得到盆地古水深等值线平面分布（图5）。

图5　曙北地区沙四段恢复古水深等值线平面分布Fig.5　Contour map of paleo-water depth in Es4of the Shubei area

通过以上5个步骤，将经过压实校正的地层厚度与古水深网格化后叠加，结合所确定的潜山剥蚀区范围，恢复研究区沙四段SQ2低位体系域时期古地貌（图6）。

图6　曙北地区沙四段SQ2低位体系域沉积时期古地貌Fig.6　Paleogeomorphology of the LST of SQ2 in the Es4，Shubei area

3　古地貌特征及其对滩坝沉积的控制作用

3.1古地貌特征与滩坝砂体分布

研究区古地貌特征为：总体上呈西高东低，西部为斜坡带，再向西到达沿岸剥蚀区；东部为洼陷带，包括一个面积较小的次级洼陷和一个范围较广的深洼陷，2个洼陷被水下低潜山分隔。洼陷带与水下低潜山均呈北东走向，与西部凹陷整体走向一致。西斜坡带中部为曙光古潜山隆起区，斜坡带地貌明显受古潜山的影响。古潜山以西地势平缓，水体较浅；以东在洼陷区急剧下沉为次级洼陷，其间斜坡陡而狭窄，而在洼陷区两侧则为宽缓的斜坡直接与水下低潜山相连。曙光古潜山在SQ2低位体系域沉积时期暴露于水上，对湖盆水体产生阻隔作用，同时遭受风化剥蚀，可以作为物源区。根据地貌特征将研究区分为沿岸带、潜山带、北部斜坡带、南部斜坡带和洼陷带5个地貌单元（图6）。

研究区滩坝砂体主要分布在沿岸带南部、古潜山的周缘与南、北两侧斜坡带，不同地区滩坝砂体的发育特征与展布范围不同。沿岸带发育2列滩坝砂体，一列位于岸边，一列围绕古潜山西岸分布。南部斜坡带发育2列砂体，砂体呈北东向近似平行展布。北部斜坡带发育一列砂体，其规模最小。不同地区滩坝砂体发育特征也有所差异，sh606井位于岸边一列砂体，其低位体系域地层厚度约为88 m（图7a），滩坝砂体十分发育，砂地比为0.41。shg99井位于古潜山西侧砂体，其低位体系域地层厚度约为86 m（图7a），滩坝砂体较发育，砂地比为0.26。sh56井与sh103井分别位于南部斜坡带的2列砂体发育区，低位体系域地层厚度均超过150 m（图7b），砂地比在0.32左右。北部斜坡带的一列滩坝砂体发育极差，仅在低位体系域沉积中期见到极少量砂体，砂地比小于0.1。

3.2对滩坝沉积的控制作用

古地貌对滩坝沉积的控制作用主要体现在地貌形态及其对湖盆水体、水动力、供源通道与卸载场所的控制。对于某一时期水面高度，盆底地貌决定了水体的分布范围与相对深度，也决定了各水动力带的分布范围。滩坝砂体主要由波浪改造作用形成，波浪能量的强弱与其改造能力的大小密切相关，而波浪的形成主要是由于风的作用。在风浪关系中除了风力外，另一个影响波浪能量的重要因素是风区长度［18］。对于盆底形态复杂的区域，古隆起的存在可以阻挡风浪的传播，通过影响风的吹程控制水动力的大小，进而影响滩坝的发育。物源是影响滩坝砂体发育的另一个重要因素，除了供给量与供给速率外，古地貌决定了物源的供给通道与有利卸载区，也会对滩坝发育产生影响。

具体分析研究区古地貌对滩坝沉积的控制作用。以2条斜交的剖面为例，从沿盆地长轴方向的沉积剖面（图7a）可以看出，滩坝砂体在沿岸带较发育，向潜山方向砂体逐渐减薄尖灭，至潜山之上已不发育低位体系域。湖侵体系域沉积时期无砂质滩坝发育，在潜山区发育碳酸盐岩滩坝。沿盆地短轴方向的沉积剖面（图7b）显示，低位体系域沉积时期滩坝砂体广泛发育，在潜山西侧砂体少而薄，越过潜山到达南部斜坡带明显变多，单期砂体较厚。至湖侵体系域沉积时期砂质滩坝几乎不发育，潜山带发育碳酸盐岩滩坝。研究区的物源供给来自于其南方三角洲发育区与曙光古潜山，以南部供源为主。总体上看，受潜山的阻隔作用，沿岸带北部大部分区域水体较浅且范围较窄，导致风区长度短，水动力弱，相当于一个半封闭泻湖环境，地貌由南向北逐渐抬升。由于水动力弱和物源无法到达，沿岸带北部滩坝砂体不发育。沿岸带南部潜山的阻隔作用消失，水体开阔，水动力较强；发育2条供源通道，2支物源分别在岸边一侧与古潜山南缘卸载，受波浪改造形成滩坝砂体。由于沿岸带北部水体深度较浅，以发育沿岸坝与近岸坝为主。潜山南部斜坡带水体开阔，水动力强，地势宽缓，有2条物源通道提供的物源卸载，从潜山东侧至水下低潜山水体逐渐加深，各水动力带都存在，发育多种类型滩坝，规模明显超过潜山西缘的滩坝砂体。北部斜坡带与南部斜坡带在地形、水深、水动力条件上类似，然而由于次级洼陷的阻挡，南部物源无法到达，只存在古潜山提供物源，物源供给的不足是限制其滩坝发育的主要因素，在低位体系域沉积时期仅发育极少的滩坝砂体。洼陷带已到达半深湖—深湖区域，波浪能量不能触及湖底，砂体不发育，以深湖相泥页岩为主。其间水下低潜山虽然地势较高，但夹在2个洼陷区中间，物源供给很难到达，因此滩坝砂体不发育。

图7　曙北地区沙四段SQ2沉积体系剖面Fig.7　Sedimentary cross-sections of the SQ2 in the Es4，Shubei area

4　结论

运用印模法与层序地层学相结合的方法，根据层序地层学理论选取目标层，通过残余厚度求取、真厚度校正、压实恢复、潜山剥蚀区确定、古水深恢复等步骤，恢复曙北地区沙四段SQ2主要滩坝沉积时期的古地貌。根据恢复古地貌的特征，将研究区分为沿岸带、潜山带、北部斜坡带、南部斜坡带和洼陷带5个地貌单元。滩坝砂体主要分布在沿岸带和南、北部斜坡带，以南部斜坡带最为发育。古地貌通过沉积地貌形态及其所控制的水体分布与相对水深、水动力、物源搬运通道和卸载场所等因素控制滩坝砂体的发育。研究区砂质滩坝主要发育于SQ2低位体系域沉积时期，至湖侵体系域沉积时期水体加深，在潜山带发育碳酸盐岩滩坝。

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编辑常迎梅

Restoration of paleogeomorphology and its controlling effect on deposition of beach-bar sand bodies：a case study of the fourth member of Shahejie Formation，Shubei area，Liaohe Western Sag

Gao Yi，Jiang Zaixing，Li Junjie，Liu Shengqian，Wu Minghao，Wang Xiabin
（School of Energy Resources，China University of Geosciences（Beijing），Beijing City，100083，China）

Paleogeomorphology is an important controlling factor on deposition of beach-bar sand bodies.It determines the size and characteristics of beach-bars.In order to analyze its controlling effect on beach-bar deposits，we restored the paleogeomorphology of the LST of SQ2 in the fourth member of Shahejie Formation in Shubei area of Liaohe Western Sag using sequence stratigraphic analysis and impression method by five steps：residual thickness obtaining，true thickness correction，compaction restoration，determination on denudation area of buried hill and paleo-water depth reconstruction.In general，the paleogeomorphology in the study area is high in the west and low in the east.The slope is in the west and the sag is in the east，and the paleo-uplift is in the middle of the slope zone.According to the paleogeomorphology，the Shubei area was divided into five units：coastal zone，buried hill zone，north slope，south slope and sag area.Beach-bars developed mainly along the coastal zone and at the margins of the paleo-uplift.The paleogeomorphology controls the water distribution range and its relative depth，hydrodynamic intensity，sedimentation topography，provenance transport channel and unloading places，all of which affect the deposit of beach-bar sand bodies and further control the development of beach-bar sand bodies.

paleogeomorphology restoration；beach-bar；controlling effect；the fourth member of Shahejie Formation；Shubei area

TE111

A

1009-9603（2015）05-0040-07

2015-07-07。

高艺（1991—），男，陕西西安人，在读硕士研究生，从事沉积学、层序地层学方面的研究。联系电话：15210870552，E-mail：gaoyi1232968@163.com。

国家科技重大专项“重点油气勘探新领域储层地质与评价”（2011ZX05009-002）。