多物源体系控制下的沉积演化规律差异性——以渤海湾盆地渤南洼陷南斜坡沙三中上亚段为例

安天下

(中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院,山东 东营 257001)

前人针对渤南洼陷南部断阶带沙三中上亚段沉积体系已做过大量研究,多认为沙三中上亚段的沉积体系为来自东部孤岛及南部陈家庄凸起物源供给形成的重力流沉积体系。但该认识存在3个问题:一是将上述两个邻近凸起解释为物源供给区,物源区规模与沉积体系规模不匹配;二是前人未明确解释研究区垦西地垒形成时期及物源通道发育的特征;三是前人多以近源重力流对沉积相类型进行解释,与三级层序内低位体系域多发育重力流沉积,高位体系域多发育牵引流沉积的规律不符。

1 区域地质概况

渤南洼陷位于济阳坳陷北部沾化凹陷内,为北东走向、北陡南缓、东陡西缓、北断南超的典型箕状断陷湖盆。北以埕南断层为界与埕东凸起相连,西以义东断层为界与义和庄凸起相邻,南部紧邻陈家庄凸起,东部以孤西断层为界,与孤北洼陷相邻[1]。地层自下而上发育孔店组、沙河街组、东营组;其中,沙河街组自下而上可分为沙河街组四段、沙河街组三段、沙河街组二段和沙河街组一段[2]。沙三段为主力含油层系之一,内部各类沉积体勘探和认识程度不同,中部洼陷带浊积岩沉积体探明程度高,南部缓坡、北部陡坡沉积体发现储量少,存在大量储量空白区(图1)。

2 不同砂组物源体系判识

2.1 物源方向判识方法及思路

2.1.1 判识方法

陈家庄凸起出露地层为寒武系—奥陶系,主要为变质岩;而孤岛凸起出露中生界,主要为岩浆岩。两个凸起母岩出露岩性的差异将导致对应沉积区的碎屑矿物含量、重矿物组合类型等差异。结合各种物源判识方法所需资料在研究区的丰富程度,选取了岩屑含量和特征元素比值分布模式两种判识方法。

图1 渤南洼陷区域构造位置

2.1.2 判识思路

为实现渤南南部断阶带沙三中上亚段沉积体系物源分析指标与物源区的直接对比,选取东营北带代表陈家庄物源、孤北洼陷西部地区代表孤岛凸起物源;而对远源沉积主要选取与沾化凹陷相邻的东营凹陷沙三段东营三角洲沉积体系为代表。利用上述两种判识方法,分别将研究区与物源区代表进行对比,来判识物源方向。

2.2 岩屑含量特征

砂岩碎屑组分特征是物源判识较常用的方法之一[3-5]。碎屑组分及其组合特征与物源区关系密切,在搬运过程中,随距离增加,碎屑组分中的石英含量逐渐增加,长石和岩屑的含量逐渐减少,岩石的成分、结构成熟度增高,这是用碎屑组分特征分析物源区的理论基础。母岩区及渤南地区40余口井的岩心样品薄片,分别绘制了不同类型岩屑含量饼图(图2)。

2.2.1 母岩区不同类型岩屑含量特征

三个可能物源区代表区的不同类型岩屑含量特征可分为3类:第一类为东营北带—陈家庄物源型,整体以变质岩岩屑含量为主,含少量岩浆岩岩屑和沉积岩岩屑(图2模式a);第二类为孤北洼陷—孤岛物源型,主要以变质岩岩屑和岩浆岩岩屑为主,但二者含量相当,含少量沉积岩岩屑(图2模式b);第三类为东营三角洲—远源型,以变质岩岩屑为主,但与陈家庄物源型相比,其岩浆岩岩屑和沉积岩岩屑要多(图2模式c)。

模式a：东营北带-陈家庄物源；模式b：孤北洼陷-孤岛物源；模式c：东营三角洲-东南远源图2 3个可能物源区不同类型岩屑含量特征

2.2.2 渤南南部断阶带沙三中上亚段不同类型岩屑含量特征

图3 渤南洼陷南部断阶带不同类型岩屑百分含量

依据上述思路,对渤南洼陷南部断阶带沙三中上亚段各砂组岩屑含量进行系统分析,绘制出岩屑含量饼图(图3)。结果显示,研究区不同类型岩屑含量特征同样呈3种类型,并与3个可能物源区相似:第一种为9砂组出现较多的陈家庄物源型;第二种为沙三上亚段各砂组出现较多的孤岛物源型;第三种为沙三中亚段8、6+7两个砂组出现较多,与东营三角洲类似的远源型(图3)。

从3个可能物源区与渤南洼陷南部断阶带沙三中上亚段不同类型岩屑含量特征对比来看,研究区应发育3个物源方向,东部孤岛凸起物源、南部陈家庄凸起物源和东南方向远源。

2.3 特征元素特征

沉积物中的特征元素包括大部分主量元素和部分微量元素,某些特征元素化学性质较为稳定,主要受物源影响,相对独立于沉积环境和成岩作用,在风化剥蚀、搬运、沉积、成岩过程中其含量基本保持不变,在物源区和沉积区具有一定可比性,可作为良好的物源指示元素[6-8]。特征元素比值分布模式指通过选取多个可靠的特征元素含量比值作为物源示踪指标,绘制特征元素比值分布模式图,根据沉积区与物源区特征元素比值分布模式的相似程度,判断沉积物源方向。

2.3.1 特征元素含量比值的选取

特征元素化学性质稳定,在搬运和沉积过程中其含量基本保持不变,相关性较好的两种特征元素含量比值可作为物源对比的示踪指标。某些特征元素在搬运、沉积和成岩过程中绝对含量会发生变化,但化学性质相似性较好,具有一致的富集程度和富集规律,相对含量基本保持不变,选择相关性较好的两种元素求其含量比值同样可作为物源对比的示踪指标。

2.3.2 特征元素比值分布模式

利用40余口代表井所测的Co、Ni、Mn、Fe、Mg、V、Al、Sr、Ca、Ba、Na、K共12种特征元素含量,分别计算Ni/Co、V/Co、Mg/Mn、Mn/Sr、Ba/Mn、Fe/K、Mg/Ca、Al/Na、Ba/Sr、Al/Mg含量比值,绘制每块样品特征元素比值分布模式。

2.3.3 母岩区特征元素比值分布模式

3个可能物源区特征元素比值分布模式显示,可分为两种类型:第一类为近源型,包括陈家庄物源型和孤岛物源型,以东营北带盐100井和孤北地区孤北106井、孤北341井、义943井为例,两个物源区特征元素比值分布模式均为“三峰式”,3个峰值对应Mg/Mn、Ba/Mn、Al/Mg(图4(a))。第二类为远源型,类似于东营三角洲,特征元素比值分布模式为“两峰式”,与“三峰式”相比,缺少Ba/Mn对应的峰值(图4(b))。

图4 三个可能物源区特征元素比值分布模式

2.3.4 沉积区特征元素比值分布模式

从渤南南部断阶带沙三中上亚段特征元素比值分布模式分析来看,可分为3种类型。第一种为类似陈家庄物源和孤岛物源的“三峰式”,以9砂组义140井和2+3砂组义139井为例;第二种为类似远源型(东营三角洲),以8砂组的义140井和6+7砂组的义137井为例;第三种为“两峰、三峰混合式”,以4砂组垦625井为例(图5)。

对比分析不同凸起物源区与渤南南部断阶带沙三段特征元素含量可以看出,研究区除发育类似陈家庄和孤岛型的“三峰式”以外,还发育了类似远源型的“两峰式”,也进一步说明了研究区发育三个物源方向。

2.4 物源方向特征

依据上述方法和思路,对3个三级层序各砂组进行物源方向判识,明确了物源控制下各三级层序内部充填演化序列[9]。

2.4.1 各三级层序内物源特征

(1)沙三中亚段。9砂组为沙三中亚段三级层序的低位体系域,其不同类型岩屑含量特征主要为典型的陈家庄物源型,而特征元素比值分布模式为近源的“三峰式”,表明9砂组物源来自南部陈家庄凸起供给。

8、6+7砂组为沙三中亚段的湖侵和高位体系域,其内部不同类型岩屑含量特征和特征元素比值分布模式均有两种类型,一类是大面积砂体内部发育的远源型,特征元素比值分布模式为“两峰式”;另一类是靠近孤岛凸起发育的孤岛型,特征元素比值分布模式为“三峰式”,表明8、6+7两个砂组主力砂体来自东南方向远源供给,而在靠近孤岛凸起区域发育来自孤岛的小规模物源。

图5 各砂组特征元素比值分布模式

(2)沙三上亚段。5砂组为沙三上亚段三级层序的低位体系域,其不同类型岩屑含量主要为孤岛型,特征元素比值分布模式为近源“三峰式”,表明物源来自孤岛凸起。

4、2+3、0+1砂组作为沙三上亚段的湖侵和高位体系域,因受后期构造抬升影响,各砂组在南部发生了不同程度剥蚀;残留砂体的不同类型岩屑含量特征为远源和孤岛两种类型,而特征元素比值分布模式则发育了两峰式、三峰式和混合式3种,说明这3个砂组的物源为远源和孤岛复合物源供给特征。

2.4.2 各砂组物源演化规律

结合以上各三级层序各砂组物源方向判识结果分析可得,沙三中亚段沉积时期,低位域的9砂组沉积物源来自南部陈家庄物源,向上湖侵域和高位域的8、6+7砂组演化为东南方向远源供给,在靠近孤岛凸起区域,发育孤岛凸起的小规模物源;沙三上亚段沉积时期,低位域5砂组的物源来自东部孤岛凸起,湖侵域和高位域4、2+3、0+1砂组物源演化为东南方向远源和孤岛凸起物源复合供给。对于沙三中、上亚段,物源方向演化呈低位域为近源供给,湖侵和高位域多演化为远源或复合物源供给特征。

3 不同砂组沉积相展布及演化规律

研究区沙三中上亚段发育多类沉积相标志,从岩石类型来看,有含砾砂岩、细砂岩和灰色泥岩等;沉积构造有泥岩撕裂、包卷层理、块状层理等构造,粒度概率曲线以两段式为主,C-M图在R-P、P-O和O-N段均有分布。测井相标志包括指型、漏斗型和箱型等,总体反映出牵引流和重力流并存的沉积性质。

在物源认识基础上,综合各类沉积相标志,将研究区沙三中上亚段划分为4种沉积类型:带下切水道低位浊积扇、三角洲前缘亚相、近岸水下扇和浊积岩(图6)。

3.1 沙三中亚段(6+7-9砂组)

沙三中沉积时期发育3套砂组,分别为9、8和6+7砂组。前人研究认为,9砂组砂体为来自孤岛凸起的浊积扇体。笔者认为其为来自陈家庄凸起沿垦66井方向向北推进的具有明显下切水道的低位浊积扇体,发育冲刷面、递变层理、块状层理和砂纹层理等沉积构造,沿垦66井一带NW向狭长沟谷地形呈狭长状分布。由于后期构造抬升,垦西地垒带的砂体遭受剥蚀。

8、6+7砂组为沙三中顶部高位域砂体,从前面的物源体系分析认为两砂组有两套物源体系,一套为来自为孤岛凸起,在渤83、垦623井附近形成近岸水下扇;另一套则为来自东部的垦东凸起形成远源三角洲体系,该扇体从孤南216方向推进至三合村地区,沿罗353、义82方向向北推进,其前方发育滑塌浊积砂体。

3.2 沙三上亚段(0-5砂组)

5砂组沉积时期,湖水相对变浅,浅湖区明显扩大,南部为滨浅湖,北部为半深湖深湖相,主要物源方向为孤岛凸起区北段,沉积类型为低位浊积扇。

0-4砂组沉积时期,湖水继续变浅,深水区向北推进,物源方向主要来自东南方向远源和孤岛凸起复合物源供给。从残留砂体特征来看,砂体整体较薄,岩性较细,泥岩颜色为灰色,沉积类型为复合物源供给形成的滑塌浊积岩。南部由于后期构造抬升,主体部位剥蚀饴尽。

图6 渤南洼陷南部断阶带沙三中上亚段沉积体系特征

4 结 论

(1)渤南洼陷南部断阶带沙三中上亚段发育陈家庄凸起、孤岛凸起及东南方向远源3个物源方向。

(2)渤南洼陷南斜坡沙三中上亚段各砂组充填演化序列受物源方向控制:沙三中低位域9砂组为陈家庄凸起供给,高位体系域6-8砂组发育东南远源及小规模孤岛物源供给;沙三上低位域5砂组为孤岛物源供给,高位体系域0-4砂组为孤岛、远源复合物源供给。

(3)渤南南部断阶带沙三中上亚段主要发育带下切水道的低位浊积扇、三角洲前缘、浊积岩、及近岸水下扇等4类沉积相。砂体发育规律主要受古物源、沉积相类型及后期构造活动因素共同控制。

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