断陷湖盆水下扇沉积特征：以南大港断层下降盘典型断块为例

刘 圣，李胜利，程 涛，周新茂，曹 睿，章 巧，巩 强

(1.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083；2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

0 引 言

水下扇是指邻近高地的沉积物直接进入湖泊深水沉积区并紧邻断层面沉积的重力流沉积扇体[1-2]，分为内扇、中扇和外扇3个亚相[3]，以粒度粗、分选磨圆差、沉积快速为主要特征。

中国陆相环境广泛发育断陷型湖盆，且伴随着断层的发育，在断层边缘发育着大量的水下扇沉积。南大港构造带，作为典型断陷湖盆——渤海湾盆地中的一个构造单元，前人对其沉积相进行了许多研究，对始新统沙河街组沙三段已有一些沉积方面的认识。如，杜民等[4]认为在南大港构造带发育近岸水下扇和扇三角洲沉积；张跃等[5]认为在孔店—羊三木区块发育滩坝沉积；文沾等[6]认为在孔店地区发育辫状河三角洲沉积；于杰杰[7]认为可能还发育远岸水下扇沉积。南大港构造带下降盘部分断块曾经是大港油田的重要产油区[8]，而对其沉积特征的深入认识，对该区域后续油气勘探开发有重要意义。本文结合前人的研究，以下降盘典型区块五断块和歧南9X1断块为例，综合分析岩心、测井、地震等信息的基础上，明确了南大港构造带下降盘发育近源和远源水下扇沉积，并总结了它们的沉积特征和沉积模式，为该区域沉积储层研究提供了新的见解。

1 区域地质概况

南大港构造带位于渤海湾盆地黄骅坳陷歧口凹陷，它北临歧北斜坡，南靠歧南次凹，西与孔店潜山相望，东接羊三木—扣村潜山断阶带，工区面积约140 km2[9]。研究区内发育一条南西—北东向的南大港断层，该断层是倾向南东的正断层，将南大港构造带分为上下两盘。本文主要研究南大港构造带下降盘的五断块与歧南9X1断块沙河街组沙三段水下扇的沉积特征与差异(图1)。

图1 研究区构造分区图Fig.1 Tectonic subdivision map of the study area

在物源方面，充足的物源为水下扇发育的必要条件[10]。在沙河街组沙三段时期，西部边界的孔店潜山(图1)为南大港上升盘提供了大量的物源，在上升盘的沉积物沿南大港断层滑塌，为五断块的远源水下扇提供物源。南部的扣村—羊三木潜山紧邻歧南9X1断块，为歧南9X1断块近源水下扇的发育提供了物源。在沙三段时期，南大港断层和扣村—羊三木潜山都处于剧烈的活动状态，为南大港构造带沙三段沉积物的搬运提供了通道[11-12]。

在古气候方面，首先，潮湿多雨气候有利于水下扇的发育[13]；其次，由于水下扇形成于近源的山间入湖区域，多雨的条件可以加速物源进入湖盆就近形成水下扇。经查证，研究区在沙河街组沙三段时期气候温暖湿润多雨，为水下扇的形成提供了良好的气候条件。

在构造方面，研究区发育有多种局部圈闭，如背斜、断鼻、断块、单斜、断层夹角圈闭等[14]。其中，南大港断层在沙河街组沙三段时期活动频繁、落差大，为水下扇的形成提供了断层条件和坡度条件；羊三木—扣村潜山为南部物源区，其边缘断层也为水下扇的形成提供了构造条件。另外，在地震剖面上可以看到与水下扇发育相关的大断层[6,15-7]。

2 沉积特征

本文利用南大港构造带的岩心、地震、测井以及分析化验资料(薄片鉴定、粒度分析等)，对研究区五断块和歧南9X1断块的沉积特征进行分析。歧南9X1断块的沉积物直接来自羊三木—扣村潜山，其沉积物粒度较粗(图2)；五断块的沉积物从上升盘沿断层滑塌而来，其沉积物粒度较细，为二次搬运的产物(图3)，二者存在较大差异。

2.1 岩相特征

2.1.1 岩性构造特征

综合两个区块中典型的岩心沉积构造特征以及粒度概率累计曲线，对五断块和歧南9X1断块的沉积相类型进行初步判断。

图2 qn5-16井沉积相划分综合柱状图Fig.2 Stratigraphic column of well qn5-16

q637井位于五断块靠近南大港断层地区(图1)，该井的岩性为灰色和深灰色含油砾岩，其砾石成分复杂，分选和磨圆不好，可见泥砾、火成岩岩砾等，反映快速堆积、泥砂砾混杂的特征(图4(a))。岩石类型三角图显示为亚长石砂岩和长石砂岩(图5(a))。在五断块稍远离南大港断层的地区，q123井在2 955.18～2 955.38 m处的岩性主要为灰褐色块状含油细砂岩、浅灰色泥质细砂岩(图3和图4(b)、(d)、(e))，分选和磨圆较好，岩石类型三角图显示为亚岩屑砂岩(图5(b))。在五断块远离断层的边缘区域，q19井岩性主要为灰色含泥细砂岩、含泥粉砂质细砂岩等。从南大港断层到南部扇体边缘，沉积物粒度由粗变细，分选和磨圆由差变好，反映水动力从物源区到边缘逐渐减弱。另外，五断块岩心颜色整体呈灰色和褐色，反映当时整个五断块区域处于还原环境，属于水下沉积。

图3 q123井沉积相划分综合柱状图Fig.3 Stratigraphic column of well q123

通过薄片鉴定可知，五断块从南大港断层附近区域到南部扇体边缘区域，石英平均含量从50%～60%增加到65%以上，长石含量从40%～50%降低到30%，岩屑含量也逐渐降低，反映随着搬运距离的增大，沉积物更加趋于稳定。

在五断块地区，可见牵引流成因的块状构造、低角度板状交错层理、水平层理、季节性纹层等，重力流成因的滑塌构造、泄水构造等。另外，植物炭屑、同生小断层、水道冲刷面(图4(a)和(b))较为发育。结合上述构造沉积组合特征，五断块为重力流和牵引流共同作用的地区，在靠近南大港断层区域以重力流为主，在南部扇体边缘地区以牵引流为主。

在歧南9X1断块靠近扣村—羊三木潜山附近， qn5-16井在2 693.00～2 693.25 m和2 692.89～2 693.00 m处可见杂色砾岩，砾石大小不一，磨圆中—差，成分复杂，含灰砾、泥砾和岩砾，且岩石呈拼接状(图2、图4(c)和(f))，可见大量小型冲刷面、块状构造、植物茎干、炭屑和结晶方解石等。在歧南9X1区块远离扣村—羊三木潜山区块，qn1-8井和q124井主要发育灰色长石岩屑细砂岩、岩屑细砂岩、含岩屑粉砂岩等，可见块状层理、交错层理等。但是，歧南9X1断块的沉积物颗粒粒径都较五断块更大，分选和磨圆都更差，表明其为直接邻近物源形成的沉积体。

图4 五断块与歧南9X1断块典型岩心特征Fig.4 Photos of the typical core features of 5th fault block and Qinan 9X1 fault block(a)q637井，2 851 m，浅灰绿色含砾不等粒砂岩，砾石磨圆中等，成分复杂，含泥质团块和泥砾，胶结疏松；(b)q123井，2 956.7 m，浅灰色细砂岩，具板状交错层理，炭屑顺层面分布；(c)qn5-16井，2 693.2 m，灰色含砾中—粗砂岩，砾石成分复杂，大小不一;(d)q123井，2 970.3 m，同生小断层；(e)q123井，2 958.99 m，滑塌构造；(f)qn5-16井,2 693.15 m，杂色砾岩，砾石大小不一，磨圆差—中等，成分复杂，灰砾、泥砾、岩砾都见，碎屑颗粒呈拼接转状

通过薄片鉴定可知，石英平均含量为30%～40%，长石含量40%左右，岩屑含量20%～30%。与五断块相比，其岩屑含量明显升高，进一步表明其为临近物源的沉积体。

2.1.2 粒度特征

粒度分析资料可以从微观角度来对沉积特征进行研究[18-21]。通过对研究区qn5-16井和q124井粒度资料的分析，做出相应的粒度概率累计曲线(图6)，发现在南大港构造带存在如下两种类型的粒度概率累计曲线。

(1)一段式

一段式粒度概率累计曲线在形态上为一条向上倾的直线。歧南9X1断块的qn5-16井在2 692.85～2 693.25 m段为一段式，在粒度概率累计曲线上其粒度范围分布比较广，在1～8φ之间，其曲线斜率比较小，反映分选差、泥砂砾混杂、快速堆积的特点(图6(a))。

(2)二段式

二段式粒度概率累计曲线分为斜率不同的两部分，可以识别出跳跃次总体和悬浮次总体两个部分。研究区歧南9X1断块的q124井和五断块的q19井都属于二段式，在粒度概率曲线上明显为两段，跳跃搬运组分粒径为1～4φ，占总体含量的55%～60%，斜率较大，可达40°以上，表明以中砂—细砂为主的沉积；悬浮搬运组分粒径为4～7φ，占总体含量的35%～40%，斜率较小，大约为20°～25°，反映更细粒沉积(图6(b))。

图5 典型井岩石类型三角图Fig.5 Ternary classification diagram of sandstones in typical wells

图6 典型区块粒度概率累计曲线Fig.6 Grain-size cumulative probability curve of typical block

2.2 电性特征

通过对研究区下降盘五断块和歧南9X1断块自然电位测井曲线的分析观察，总结出了水下扇的测井曲线形态以及测井相模板。可分为箱形、钟形、漏斗形和平直形4种类型。箱形还可分为平滑形和锯齿形两类，主要为韵律不明显的块状，反映内扇主水道沉积；钟形可见平滑形和齿化钟形两类，主要为下粗上细的正韵律，反映中扇分支水道沉积；漏斗形也可分为平滑形和锯齿形两类，主要为下细上粗的反韵律，反映水道前端朵体和水下天然堤和漫溢沉积；平直型只有一种，主要为韵律不明显的平直状，反映深湖沉积(图7)。

图7 水下扇测井相模板Fig.7 Electrofacies pattern of subaqueous fan

2.3 地震特征

在南大港构造带顺物源的地震剖面上(图8中d-d′和f-f′)，可以识别出明显的断层。在地震剖面上，从陡坡向深湖区，整体为一个楔状体。五断块在垂直物源的剖面可见内扇主水道在靠近南大港断层处开始发育(图8中a-a′)，随着剖面远离南大港断层(图8中b-b′)，主水道发生分叉，中扇分支水道开始发育。在扇体南部边缘区(图8中c-c′)，分支水道消失，开始进入深湖区。歧南9X1断块同样也可识别出下切主水道(图8中e-e′)，通过顺物源和垂直物源的地震剖面，为研究区沉积体的类型和水下扇扇体的展布提供了良好的佐证。

图8 水下扇典型地震反射特征(剖面线a-a′、b-b′、c-c′、d-d′、e-e′、f-f ′的位置见图1)Fig.8 Typical seismic reflection characteristics of subaqueous fans

2.4 亚相微相划分

结合上述岩相、电性和地震特征，可以得出在沙河街组沙三段时期，南大港构造带下降盘发育水下扇沉积，可识别出内扇、中扇亚相，其中内扇可分为内扇主水道微相；中扇可分为中扇分支水道、分支水道间和中扇分支水道前端朵叶体微相；另外，在内扇和中扇都发育有水下天然堤和决口扇微相。

2.4.1 内扇主水道微相

内扇主水道为水下扇内扇的主要部分。在五断块，主要见于q15-5井、q15-8井附近，岩性为灰白色和灰色含砾粗—中砂岩、粗砂岩，发育块状层理、变形层理、同生断层、冲刷面。可见植物茎干化石、炭屑等(图4(a))。粒度概率累计曲线为一段式。测井曲线上，内扇主水道自然电位曲线以大段箱形为特征，其上部和下部一般为平直状，可推测其为深湖泥微相，偶尔夹杂着呈指形的测井曲线，推测为主水道边缘的水下天然堤微相(图7)，在垂向上多表现为深湖泥微相—内扇水道微相—水下天然堤微相叠置。地震剖面上以杂乱反射、振幅强为主要特征，见明显的水道下切现象(图8、图9(a)和(b))。

因为歧南9X1断块距物源更近，所以沉积物相对较粗，分选、磨圆更差，岩性为灰色砾岩、砂砾岩、含砾粗砂岩等。发育块状层理、滑塌构造等。可见植物茎干、炭屑、砂岩中的泥质条带等(图4(c)和(f))。在测井曲线上，曲线形态大致与五断块相同，但是曲线齿化更严重(图7)。

2.4.2 水下天然堤和决口扇微相

水下天然堤指内扇水道水流流速变慢时，富含悬浮物质的河水溢出堤岸，较细粒物质沿着河道边缘沉积而形成的沉积体。水下决口扇是指水下天然堤决口后，水流从河道向外溢出，细粒物质向外扩散形成的沉积体[22]。在研究区，水下天然堤和决口扇发育于内扇主水道边缘和中扇分支水道边缘，岩性为灰色细砂岩、灰色泥质粉砂岩等。发育平行层理、波状层理等(图4(b)和(d))。测井曲线上与内扇主水道叠置。在歧南9X1断块此相带不发育。

2.4.3 中扇分支水道微相

随着迁移距离的增大，由于水流速度降低，坡度变缓，内扇主水道分叉形成中扇分支水道。中扇分支水道内接内扇主水道，外连外扇区域，是整个水下扇的主体部分。在五断块，中扇水道主要在q668-3井和q636井附近最为发育，可以延伸至qx638井。岩性主要为灰色中—细砂岩、粉砂岩等。发育低角度交错层理、块状层理、季节性纹层等，可见炭屑及方解石充填等(图4(b)、(d)和(e))。粒度概率累计曲线为二段式。测井曲线上，中扇亚相自然电位曲线主要以多个钟形夹平直形为特征(图7)，在垂向上多表现为中扇分支水道间—中扇分支水道—中扇分支水道间叠置(图9(a)和(b))。中扇分支水道地震反射特征为杂乱反射、振幅较弱，可见水道分叉和下切现象。

在歧南9X1区块，中扇水道可见于qn1-5井和qn1-8井处，岩石分选和磨圆为中等—好。沉积物粒径相较于五断块稍粗，主要为灰色中砂岩、细砂岩等，发育块状层理、交错层理等。

2.4.4 中扇分支水道间微相

中扇水道间是指发育于中扇分支水道之间的细粒物质沉积区。在五断块，其主要发育于q668井和q123-13井。岩性为灰色和深灰色泥质粉砂岩等(图4(b))，发育水平层理、波状层理等。在歧南9X1断块，其主要发育于qn1-9井、qn1-11井，其岩性主要为灰色粉砂岩、泥质粉砂岩、黑色泥岩等，发育水平层理。

2.4.5 水道前端朵叶微相

水道前端朵叶体是指沉积物搬运到水道前端后，由于水动力减小而不能继续向前搬运在水道前端堆积所形成的沉积体[23]。这种沉积类型主要见于五断块，在歧南9X1断块很少出现。在五断块，水道前端朵叶在q19井比较典型，岩性为灰色含泥细砂岩、含泥粉砂质细砂岩等，发育水平层理、波状层理(图4(b))。在测井曲线上，中扇分支水道前端朵叶体在自然电位曲线上主要为上下的平直段夹中间的微齿化钟形(图7)，在垂向上多表现为深湖—中扇分支水道前端朵叶体—深湖叠置(图9(a)和(b))。

2.4.6 沉积相连井分析

结合各类微相的沉积特征，在五断块和歧南9X1断块取典型的连井剖面进行分析，发现五断块水下扇沉积早期，沉积物搬运距离近，在q15-17井和q637井发育内扇主水道微相，大片主水道砂体叠置，夹杂漫溢砂和内扇天然堤；随着水下扇的发育与扩展，在q636井主要发育中扇分支水道，为厚度减薄和变小的砂体叠置；在水下扇发育末期，在q668-5井主要为水道前端朵体，反映水道的终止(图9(a))。歧南9X1断块与五断块相比，水下扇相变加剧，在qn11-18井和qn5-16井处发育内扇主水道，夹杂着漫溢砂；在qn1-9井和qn1-11井处发育中扇分支水道，未见外扇发育(图9(b))。总体上，水下扇沉积在早期主要发育主水道微相，在中期主要为中扇分支水道，在末期，可能发育水道前端朵体，漫溢砂贯穿整个沉积期。

3 沉积模式

沉积模式是对沉积环境的发展特征、发展演化及其空间组合形式的全面概括，通过图形或文字方式表现的一种理想的、概括的沉积相格局，并能有助于了解复杂的自然现象及其作用过程[24-26]。南大港构造带下降盘水下扇沉积分别位于五断块和歧南9X1断块，属于两种类型的水下扇沉积体。其中，五断块沉积物颗粒明显较歧南9X1断块更细，可以推测其应该是离物源较远或是二次搬运所形成的远源水下扇。反之，歧南9X1断块与羊三木—扣村潜山相邻，可能为近物源直接滑塌形成的近源水下扇。

3.1 远源水下扇沉积模式

五断块在沙河街组沙三段时期，南大港断层处于活动状态，位于上升盘水下隆起的沉积物通过断层运移到五断块地区形成远源水下扇(图10)。在q637井以内，发育内扇主水道沉积(图9(a))，主要表现为粒度较粗，分选磨圆较差，砾、砂、泥混杂堆积。在q636井以外，由于水动力的减弱和坡度的减小，内扇主水道向外扩展发生分叉形成中扇分支水道(图9(a))，主要表现为粒度变细，分选磨圆变好，沉积物砾石含量减少，砂质含量升高。在q668-5井处，由于水动力进一步的减弱，中扇分支水道开始消失，形成水道前端朵叶体(图9(a))，主要表现为大片泥夹砂，泥多砂少。在沙三段后期，沉积体无法在向前推进，直接在深湖区沉积，主要沉积大段泥岩。

3.2 近源水下扇沉积模式

歧南9X1断块在沙河街组沙三段时期，羊三木—扣村潜山的大量沉积物进入歧南9X1断块形成多个近源水下扇沉积(图11)。在qn5-16井内部地区，发育内扇主水道沉积(图9(b))。由于直接与物源区相邻，沉积物直接入湖快速堆积，主要表现为砾石含量较多，分选磨圆极差，块状层理极其发育。在qn1-9井，内扇主水道发生分叉形成中扇分支水道(图9(b))，主要表现为砾石含量减少，粗砂、中砂占主导地位。歧南9X1断块由于井数较少，未见外扇沉积。

图10 五断块沉积模式Fig.10 Sedimentary pattern of 5th fault block

图11 歧南9X1断块沉积模式Fig.11 Sedimentary pattern of Qinan 9X1 fault block

3.3 近源水下扇与远源水下扇的差异

南大港构造带五断块发育的远源水下扇和歧南9X1断块发育的近源水下扇属于水下扇的一种，二者在形态、物源、岩性、测井曲线、地震反射特征上都存在一定的差异。在形态上，远源水下扇以分支水道分叉为主，近源水下扇以扇形为主；在物源上，远源水下扇物源主要为三角洲或水下隆起供源，属二次搬运沉积，近源水下扇临近物源，为物源区直接供源；岩性上，近源水下扇相较于远源水下扇，岩屑含量较高，分选和磨圆较差，岩石粒度较粗，反映近源快速堆积的特征；在测井曲线上，近源水下扇自然电位曲线为大段箱形叠置，可见明显的冲刷面，GR曲线呈现箱形和指形，远源水下扇自然电位曲线为漏斗形和钟形的叠置，GR曲线多为指状，且齿化明显。地震剖面上，近源水下扇和远源水下扇都表现为杂乱反射，但是近源水下扇的振幅更强(表1)。

表1远源水下扇和近源水下扇的差异

Table1Differencebetweendistal-andproximal-subaqueousfans

水下扇类型物源粒度电性地震形态近源水下扇 古潜山、古隆起较粗SP钟形、GR指形、齿化严重杂乱反射、振幅强扇形小而多 远源水下扇 三角洲前缘、水下隆起较细SP箱形、GR箱型、指形交替杂乱反射、振幅较弱朵叶形大而少

4 结 论

(1)通过岩心、构造、测井、地震等方面的资料的分析，认为研究区水下扇可分为内扇、中扇和外扇三个亚相，其中内扇又可分为内扇主水道、水下天然堤和决口扇微相；中扇可分为中扇分支水道和水道间及中扇前端朵叶体微相。

(2)南大港构造带在沙三段时期发育2种类型的水下扇，五断块发育二次搬运所形成的远源水下扇，歧南9X1断块发育临近物源区的近源水下扇。

(3)南大港构造带两种类型的水下扇在形态、物源、岩性、电性和地震剖面上都明显不同。近源水下扇以扇形为主，规模小而数量多，以古隆起物源、沉积物粒度粗、电性整体箱形、地震反射杂乱振幅强为特征；远源水下扇以朵叶形为主，规模大而数量少，以三角洲前缘物源、沉积物粒度细、电性整体钟形、地震反射杂乱振幅弱为特征。