高分辨率层序地层划分在辫状河沉积相中的应用——以北京延庆硅化木国家地质公园剖面为例

吴　鹏，樊太亮，王红亮

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京　100083；2.中国地质大学“海相储层演化与油气富集机理”教育部重点实验室，北京　100083；3.中联煤层气有限责任公司，北京　100011)



高分辨率层序地层划分在辫状河沉积相中的应用
——以北京延庆硅化木国家地质公园剖面为例

吴鹏1,2,3，樊太亮1,2，王红亮1

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京100083；2.中国地质大学“海相储层演化与油气富集机理”教育部重点实验室，北京100083；3.中联煤层气有限责任公司，北京100011)

通过对延庆硅化木国家地质公园剖面的观察实测、剖面精细解剖及沉积观察描述，识别出了辫状河道、决口扇、泛滥平原三种辫状河沉积的微相类型，并分析了其沉积特征。利用高分辨率层序地层学的基准面旋回变化原理，在所测剖面中划分出了两个完整的中期旋回和多个构成中期旋回的短期旋回，在研究区建立了高分辨率层序地层格架。总结了辫状河野外露头基准面旋回转换面的两类识别标志：洪泛面及层序界面。洪泛面，包括河间潮湿泛滥平原泥岩发育段(需要具有一定厚度和分布范围)，河道之间叠置的决口扇(厚度较大处)及孤立的辫状河道层段。层序界面，包括泛滥平原泥岩段较少或不发育段，冲刷面之上具有相互叠置特征的河道沉积位置及在一定范围内具有可对比性且规模较大河道的位置。在低A/S比值条件下产生的横向上叠加成片、纵向上相互叠置的辫状河道砂体，其连通性相对较好，砂岩的厚度较大，泥质含量少，均质性较强，具有较强的可对比性。而在高A/S比值条件下产生的较少叠置或孤立河道砂岩，厚度较薄，横向上延伸范围有限，泥质含量高，可对比性较差。由此，初步形成了露头辫状河沉积相中高分辨率层序地层划分的方法，为辫状河沉积体系内高精度等时对比格架的建立、储层的识别与预测提供了依据。

辫状河；露头；高分辨率层序地层；基准面旋回；沉积相；延庆

0　引　言

自20世纪80年代层序地层学理论和分析技术提出并逐渐成熟之后，层序地层学分析方法就被国外的一些学者尝试着应用到河流相研究中，如POSAMENTIER、VAIL、JERVER和WEIMER等[1-3]通过对近海冲积-河流环境进行层序地层学研究，建立了冲积层序地层学模式；SAUCIER[4]对密西西比河沉积控制因素的研究；MITCHUM等[5]通过对阿根廷多个内陆盆地三叠纪和白垩纪的冲积地层进行层序地层学研究，识别出低水位、海侵和高水位体系域；在POSAMENTIER和VAIL等研究的基础上，WRIGHT等[6]提出了一个河流相层序地层模式，该模式与海平面变化、可容纳空间、冲积建造和古土壤发育相关，强调了冲积体系成因的复杂性。

国内陆相含油盆地中冲积-河流相层序地层学的研究越来越受到关注。张周良、罗立民、方石等[7-10]利用经典层序地层学原理，通过对河流相层序地层的相关概念以及河流类型的变化规律进行分析，总结出了与河流相地层相关的层序地层模式，并对不同层序演化时期、不同沉积体系域内河型的变化特点及其演化规律进行了相关探讨。陈代钊、罗立民等[11-12]对河流相地层的高频层序地层研究和应用开展了进一步的分析研究。邓宏文等[13-18]则通过对高分辨率层序地层学理论方法的运用，对冲积-河流相层序地层的构成样式和相关变化规律进行了探讨，并对河流相地层建立了高分辨率层序地层模式，进而对河流相储集砂体的发育和分布规律进行研究，并将相关研究应用于油气储层勘探与开发实践中，取得了显著成效并得到学界的一致认同。

目前国内外河流相层序地层分析研究思路和方法不一，层序地层界面的识别、级次划分各有所长，河流相层序地层构成与层序地层模式差异也不尽相同。尤其是针对不同成因类型河流沉积体系的层序对比与划分方法及技术还处在探索阶段。本文通过对北京延庆硅化木国家地质公园内发育的侏罗系辫状河沉积野外露头剖面进行观察实测研究，以基准面旋回作为参照面，通过对高分辨率层序地层学分析方法的运用，对小型断陷湖盆内辫状河沉积体系中高分辨率层序地层的划分依据及沉积特征和演化模式进行了初步探索，总结出了小型断陷湖盆内辫状河沉积体系层序地层界面识别标志和对比原则，为辫状河沉积体系内高精度等时对比格架的建立、储层的识别与预测提供了依据。

1　区域地质概况

研究区位于北京市延庆区千家店镇辛栅子村北坡的硅化木国家地质公园中心区及其附近，隶属于千家店盆地。千家店盆地位于赤城—古北口断裂南部，燕山褶皱带花盆—四海凹褶的东侧，沿白河两岸，盆地东西长26 km，南北宽6～8 km，总面积约226 km2，大致为北北东—南南西向的不规则四边形。出露地层主要为中元古代蓟县系雾迷山组和中生代侏罗系后城组。本次研究的延庆硅化木国家地质公园剖面处在延庆硅化木公园内，主要出露地层为第二成盆期的中侏罗系的后城组(图1)[19]。

图1　延庆硅化木国家地质公园剖面位置图(据北京市区域地质志修改，1991年)Fig.1　Location map of the Yanqing Silicified Wood National Geopark section (Modified from Regional Geology Record of Beijing, 1991)

2　微相类型

本次对延庆硅化木国家地质公园剖面研究以野外露头观察与实测为主，选取了3个出露好的地点进行了剖面精细解剖及沉积观察描述，并绘制了3条岩心柱子。通过对露头的岩性特征、构造特征、沉积特征和叠加样式的观察，共识别出辫状河道、决口扇、泛滥平原3种沉积微相。具体特征详述如下。

2.1辫状河道

辫状河道为本次的主要观测研究对象，野外工作中，对河道的岩性、粒度、厚度、延伸宽度、节理发育情况、沉积构造等方面进行了详细的观察描述。笔者认为，该剖面中河道沉积及心滩沉积是伴生发育的，所以可以统称为辫状河道。研究区辫状河道沉积物整体粒度较粗、分选较差；底部多为砂砾岩，河道冲刷现象明显，向上逐渐变为含砾粗砂岩、粗砂岩、中砂岩(较少见)；河道厚度从几十厘米到几米变化不等，河道相互切割叠置现象明显，侧向延伸较远；有节理发育；河道中发育大量大型槽状交错层理、小型槽状交错层理，常见板状交错层理及平行层理，笔者认为交错层理的如此发育可以作为区别冲积扇的主要标志之一(图2)。

图2　辫状河道沉积现象Fig.2　Deposition phenomenon of braided rivera.辫状河道多期叠加；b.平行层理；c.板状交错层理；d槽状交错层理

图3　冲积扇及泛滥平原沉积现象Fig.3　Deposition phenomenon of splay and floodplaina.大型决口扇；b.决口扇中的水平层理；c.泛滥平原；d.泛滥平原中的水平层理

2.2决口扇

在剖面靠下位置发育了大型的决口扇沉积，研究区决口扇沉积物总体表现粒度较细，呈向上变粗的反粒序，岩性以粉砂岩、细砂岩和中砂岩为主，偶尔可见一些砾石滞留沉积，但砾石的直径明显比辫状河道底砾沉积物要小，可见小型的槽状交错层理以及平行层理，笔者认为决口扇的发育可以作为区别冲积扇的标志之一(图3)。

需要特殊强调的一点是，国内很多学者认为辫状河沉积中不会发育决口扇，但是本次野外工作发现了辫状河沉积中有决口扇沉积，而且规模较大，类似情况在CROSS及MAILL等[20-21]的研究中也有出现。笔者认为由于辫状河与曲流河的在空间上的沉积演化是没有严格界限的，它们会同时存在于一个地质时期内，条件允许的情况下在地质历史的发展中二者是可以发生相互转化的；在可容纳空间相对较高且距离物源较近的位置，在二者的转化过程中，辫状河沉积中出现决口扇沉积是一种正常现象。

2.3泛滥平原

研究区泛滥平原整体为一套暗色的细粒沉积，但是不同地方颜色深浅不一，主要为泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩，多呈现黑色、灰黑色、灰绿色、灰白色和土黄色等，厚度从几十厘米到几米厚度不等，其间水平层理较发育(图3)。泛滥平原沉积物在所测剖面中普遍存在，与辫状河道相伴而生，厚度不等，其发育程度和展布范围由河道间的可容纳空间决定，高可容纳空间时，泛滥平原发育程度和范围较大，反之，厚度和展布范围较小。

3　基准面旋回的划分

3.1转换面的识别

3.1.1基准面上升到下降转换面的识别

通过野外观察实测、剖面精细解剖及沉积观察描述，总结出在辫状河沉积露头中识别基准面上升到下降的转换面(即最大可容纳空间位置)的标志如下。

(1)具有一定厚度且连续稳定分布的河间潮湿泛滥平原的泥岩发育段。在辫状河沉积剖面中，河间潮湿冲积平原泥岩段的发育常与基准面上升、可容纳空间的增大有关，而厚度足够大且分布范围稳定，说明基准面上升到一定高度，可容纳空间增加速率与沉积物供给速率(A/S值)趋于最大，形成最大洪(湖)泛面，因此该位置可以作为基准面上升与下降转换面的地层响应(图4和图5)。

图4　A/S值控制下的地层叠加样式图(据Audun，2008，修改)Fig.4　Stratigraphic superposition styles under the control of A/S ratio(Modified from Audun，2008)

(2)河道之间叠置的决口扇厚度较大的位置。决口扇的形成往往是因为基准面的上升引起的水量增大而形成的。高A/S比值(可容纳空间较高)时，形成的决口扇厚度相对较大，且邻近河道分布；低A/S比值(可容纳空间较低)时，形成的决口扇厚度较薄、坡度相对平坦。区域厚层决口扇发育是因持续基准面的上升造成的，故可以看作是最大基准面的发育位置，即基准面上升与下降的转换作用面[6](图4和图5)。

(3)孤立的辫状河道层段。由于辫状河道常发育于基准面较低、A/S值较低的位置，且相互切割叠置、厚度大、连片分布，因此如果河道较少叠置或孤立存在且厚度较薄，那此时基准面位置应该相对较高，可容纳空间相对较大，因此可以作为基准面上升与下降的转换作用面(图4和图5)。

3.1.2基准面下降到上升转换面的识别

通过野外观察和实测，总结出在辫状河沉积露头中识别基准面下降到上升的转换面(即旋回界面)的标志如下。

(1)对地层叠加样式具有控制作用、且具有地层意义的河道底部冲刷面。大型相互叠置、彼此切割的河道砂岩的发育是新的一期基准面上升的结果，这期河道往往在基准面下降到最低之后发育，从而对下部地层产生明显的侵蚀与冲刷，而这种明显的底部冲刷面正是层序界面的响应，即基准面下降到上升的转换面，笔者认为此类界面完全可以作为中期旋回的层序界面(图4和图5)。

(2)冲刷面之上具有相互叠置特征的河道沉积位置。基准面下降到上升的转换是一个时间过程段。在基准面下降过程中，A/S比值逐渐趋于最小。在辫状河沉积体系中，一定范围内明显的河道化作用和辫状河道的迁移可以看作是基准面下降的结果。基于此，沉积剖面中出现多期辫状河道相互切割时，认为是辫状河道迁移作用的结果，是层序界面的一种响应，可以作为基准面下降到上升的转换面。笔者认为这种界面可以作为短期旋回甚至中期旋回的层序界面(图4和图5)。

图5　辫状河剖面高分辨率层序地层格架Fig.5　High-resolution sequence stratigraphic framework of braided river section

图6　延庆硅化木国家地质公园剖面层序地层对比图Fig.6　Sequence stratigraphic correlation of Yanqing Silicified Wood National Geopark

(3)在一定范围内具有可对比性且规模较大河道的位置。在低A/S比值条件下通常产生的辫状河道砂体具有横向上叠加成片、纵向上相互叠置的特点。当侵蚀程度不断增加时，沉积物保留能力相对降低，河道砂体的叠置程度增加、连通性较好，砂岩厚度较大，泥质含量较少，均质性较强，沉积相的类型也减少，其一般形成于基准面处于较低位置，可以作为基准面下降到上升的转换面(图4和图5)。

3.2基准面旋回的识别

划分地层剖面多级次基准面旋回时，首先要从短期基准面开始，即要先识别构成地层旋回的最基本的成因地层单元，然后对连续的成因地层单元纵向上的叠加样式进行分析，之后将短期旋回合并成为中期旋回。换言之，在更长期基准面旋回中，可以通过短期旋回的叠加样式、旋回对称程度的变化、加厚或者减薄的变化趋势、地层不连续界面的性质和界面出现的频率、岩石与界面出现的位置和比例来反映A/S比值的变化趋势。

由于研究区为辫状河道沉积，自旋回作用[9]明显，而异旋回作用则控制着叠加样式的变化，从而形成具有时间地层对比意义的成因地层单元，即基准面变化旋回。因此，在建立辫状河相层序地层格架时，识别与基准面相关的异旋回[8]是关键，而识别自旋回是基础。

根据高分辨率层序地层学观点，通过对3条露头剖面的观察识别，可将该辫状河沉积地层划分为2个完整的中期旋回及多个组成中期旋回的短期旋回，并建立起了剖面的层序地层格架(详见图5)。

4　高分辨率层序地层对比

根据高分辨率地层对比原则与方法[7-8]，每一个中期基准面转换的位置均记录了基准面旋回变化中可容纳空间增加到最大值或减小到最小值单向变化的极限位置，即基准面旋回二分时间单元界线。因此，可以将基准面旋回上升到下降或下降到上升的转换点作为地层对比的优选位置，从而将识别出的2个中期旋回划分为4个在露头剖面上可追踪的时间地层单元，其中下部中期旋回由2个对称的短期旋回组成，上部中期旋回由1个对称旋回和5个上升半旋回组成(图6)。

露头观测显示，下部中期旋回的河道砂体可对比性相对较差，该时期的辫状河道形成于可容纳空间较高的时期，其河道沉积薄，侧向连续性较差，而泛滥平原较发育，泥质含量较高；上部中期旋回的河道砂体可对比性较好，其中下降半旋回是贯穿3个露头剖面的、受火山影响的变质砂岩，而上升半旋回是相互叠加的、多期辫状河道沉积，厚度大且侧向连续性好。

通过剖面对比可以得出：在低A/S比值条件下产生的横向上叠加成片、纵向上相互叠置的辫状河道砂体，其连通性相对较好，砂岩本身的厚度较大，泥质含量较少，均质性较强，具有较强的可对比性；而在高A/S比值条件下产生的较少叠置或孤立河道砂岩，厚度较薄，横向上延伸范围有限，泥质含量高，对比性较差。

5　结　论

本文通过对北京延庆硅化木国家地质公园剖面辫状河沉积露头的观察实测、剖面精细解剖及沉积观察描述，得出以下几点结论。

(1)研究区识别出了辫状河道、决口扇、泛滥平原3种辫状河沉积的微相类型。其中，辫状河道整体粒度较粗，底部冲刷现象明显，多期河道相互切割叠置，发育槽状和板状交错层理以及平行层理；决口扇的粒度整体比较细，呈现出反粒序的特点，发育了小型槽状交错层理和平行层理；泛滥平原整体粒度较细，是一套暗色沉积，水平层理发育。

(2)辫状河沉积体系内基准面上升到下降的转换面的识别标志：河间潮湿泛滥平原泥岩发育段(需要具有一定厚度和分布范围)，河道之间叠置的决口扇(厚度较大处)及孤立的辫状河道层段。辫状河野外露头基准面下降到上升的转换面的识别标志：对地层叠加样式具有控制作用、且具有地层意义的河道底部冲刷面；冲刷面之上具有相互叠置特征的河道沉积位置；在一定范围内具有可对比性且规模较大的河道的位置。

(3)利用高分辨率层序地层学的基准面旋回变化原理，在所测剖面中划分出了两个完整的中期旋回和构成中期旋回的多个短期旋回。在低A/S比值条件下产生的横向上叠加成片、纵向上相互叠置的辫状河道砂体，其连通性相对较好，砂岩的厚度较大，泥质含量少，均质性较强，具有较强的可对比性；而在高A/S比值条件下产生的较少叠置或孤立河道砂岩，厚度较薄，横向上延伸范围有限，泥质含量高，对比性较差。

通过以上研究结论初步形成了与露头辫状河沉积相有关的高分辨率层序地层划分方法，为辫状河沉积体系内高精度等时对比格架的建立，储层的识别与预测提供了依据。

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Application of High-resolution Sequence Stratigraphy to Braided River Facies：Taking the Yanqing Silicified Wood National Geopark Section in Beijing as An Example

WU Peng1,2,3, FAN Tailiang1,2, WANG Hongliang1

(1.SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;2.KeyLaboratoryofMarineReservoirEvolutionandHydrocarbonAccumulationMechanism,MinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China; 3.ChinaUnitedCoalbedMethaneCorporation,Ltd.，Beijing100011,China)

Through the observation and measurement on three braided river sedimentary outcrops of Yanqing Silicified Wood National Geopark Section in Beijing, three braided river microfacies of braided channel, floodplain and splay are been identified, and their sedimentary characteristics are analyzed. Two full medium-term cycles and some short cycles that constitute the medium-cycles are divided using the base-level cycles change principle of high-resolution sequence stratigraphy, and the stratigraphic framework is established. The cycle conversion surface identification of the braided river outcrop is summed up as the flooding surface and the sequence boundaries. Flooding surfaces include the wet floodplain shale development segments with a certain thickness and distribution, the splay stacked locations with a larger thickness and the isolated channel layers. Sequence boundaries include the locations with little or no development of flood plain mudstone, the locations of stacked river channel on the erosion surface and the positions of the river channel that can be correlated and has a big scale in a certain range. The braided channel sand bodies produced in low A/S ratio, are superimposed into a film horizontally and overlaid each other vertically, with good connectivity, big thickness, little mud, good heterogeneity and strong contractility. While the braided channel sand bodies that are produced in high A/S ratio, are isolated and less overlaid, with small thickness, limited range in horizon, high clay contain and poor connectivity. As a result, the high-resolution sequence stratigraphy of braided river facies is initially formed, which can provide the basis for the establishment of high accuracy correlation framework and the recognition and prediction of reservoir in outcrop braided river depositional system.

braided river; outcrop; high-resolution sequence stratigraphy; base-level cycle; facies; Yanqing

2015-10-15；改回日期：2016-01-15；责任编辑：孙义梅。

国家科技重大专项“复杂油气田地质与提高采收率技术”子课题“河流相层序地层技术规范及应用”(2009ZX05009-002)。

吴鹏，男，博士研究生，1988年出生，矿产普查与勘探专业，主要从事沉积学、层序地层学等方面的研究工作。Email：wupengcugb@163.com。

TE121.3；P618.130

A

1000-8527(2016)03-0635-08