基于地震沉积学的古河道展布特征与演变过程——以川东北通南巴背斜中下侏罗统为例

孙少川， 李令喜， 刘 懿， 袁 波， 尹 青， 张 斌

(1. 中国石化中原油田分公司 勘探开发研究院，河南 濮阳 457001； 2. 中国石化中原油田分公司 油气勘探管理部，河南 濮阳 457001； 3. 中国石油青海油田分公司 采油三厂，青海 海西州 816499 )

0 引言

地震沉积学将层序地层学、沉积学与地球物理学进行有效的结合[1]，能够对沉积现象、沉积体系及沉积演化进行研究与质控，具有高分辨率与良好的地震成像效果[2]。地震沉积学研究是利用地震水平分辨率开展多种沉积体系的平面展布研究，特别是地层切片的使用，使地震沉积学对沉积体系的精细研究进入新阶段[3-4]，在传统的地震切片技术基础上，地震沉积学逐渐发展RGB地震属性融合[5-7]、频谱分解与分频融合[8]、分频振幅主因子分析(PCA)[9]等技术与方法，为海陆相沉积特征刻画、三维地震成像、定量沉积学解释与储层预测方面提供技术支持。

地震沉积学理论与技术方法广泛应用于被动大陆边缘的深水水道体系[10-13]，陆相古河道研究较少，主要由于水道体系的下切深度存在较大差异。深水水道主要表现为同向轴的下切反射特征，水道下切深度大[14-16]，地震剖面上常呈“V”型谷或“U” 型谷的下切特征；陆相河道体系的河床切割深度一般在10～40 m之间，在地震剖面上仅占半个相位左右；陆相古河道在地震剖面上未出现明显的“V”型谷的下切特征，一般仅有振幅增强。因此，陆相古河道研究相较于被动大陆边缘水道体系研究较为困难，导致陆相古河道研究较少。

四川盆地东北部(川东北)地区毗邻米仓山与大巴山造山带，构造复杂，地层受到不同方向应力体系的强烈作用，断裂极为发育，沉积相带的认识不清晰。由于川东北地区沉积相研究主要依靠区域沉积相研究成果，缺少高精度沉积体系展布与演化认识，通南巴背斜侏罗系未作为油气勘探的重点目的层，勘探程度低，基础地质资料少。以地震沉积学理论为基础，利用三维地震资料较高的横向分辨率，研究川东北地区通南巴背斜中下侏罗统古河道体系，分析古河道体系类型与展布特征，研究古河道演变过程，为川东北地区陆相侏罗系勘探提供技术支持。

1 地质概况

川东北地区通南巴背斜位于米仓山冲断构造带和大巴山弧形冲断构造带的构造叠合区，由通南巴背斜、池溪凹陷与通江凹陷构成(见图1)，是四川盆地仅次于威远背斜的第二大背斜构造带[17-19]。通南巴背斜构造带极为复杂，自印支运动晚期以来，受米仓山构造带近S—N向和大巴山逆冲推覆带近NE—SW向的多次构造挤压，形成一系列的断层、裂缝和褶皱。米仓山构造带的挤压主要形成通南巴背斜NEE—SWW向主体构造，大巴山逆冲推覆带的挤压导致通南巴背斜形成一系列NNW—SSE向的断层和褶皱[20]，后期形成通南巴背斜构造带现今的构造格局。

图1 通南巴背斜构造带地理位置、地貌与地层特征Fig.1 Geographical location, geomorphology and stratigraphic characteristics of Tongnanba Structural Belt

川东北地区邻近造山带，侏罗系整体为一套以河流—三角洲沉积为主的典型陆源碎屑沉积。早侏罗世，受燕山运动Ⅰ幕影响，南秦岭碰撞造山带发生逆冲推覆，大巴山构造带剧烈隆升，在万源一通江一巴中一线，川东北地区由北东向南西方向发育河流冲积平原一辫状河三角洲一滨浅湖沉积体系[21]。四川盆地北部边缘广泛发育以河流沉积为主的冲积平原，岩性主要为灰色、灰绿色的石英砂岩、泥岩及深灰色砂岩，至千佛崖组沉积晚期，出现紫红色砂泥岩，砂岩的成分成熟度和结构成熟度低，交错层理、底冲刷构造常见，为明显的河流相特征[22]。晚侏罗世，受燕山运动Ⅱ幕影响，龙门山北段进入造山带岩浆活动高峰期，龙门山北段进入剧烈构造阶段[23]，盆地北缘大巴山在构造大背景下继续逆冲推覆，盆缘两大造山带同时隆升向盆内提供物源。川东北北缘南江—通江—万县一带发育宽阔的河流冲积平原，往南西方向在巴中地区一带发育三角洲[24]。

2 体系域划分

2.1 频谱属性趋势分析

基于由基准面变化(海、湖平面)形成的经典层序地层学理论，VAIL P R等[25]建立一套预测性的体系域模型。体系域是基准面变化周期中连续速度变化的响应。基准面变化(海、湖平面)周期与沉积物的垂向旋回、古水深旋回具有良好的对应关系[26]。根据陆相湖盆层序地层学原理，一个实际沉积层序的形成来自多个旋回性外力的复合驱动，具有分级嵌套性，因此采用常规测井曲线难以直观识别层序地层的演化趋势与过程。频谱属性趋势分析技术INPEFA(Integrated Prediction Error Filter Analysis)是以米兰科维奇旋回理论为基础的半定量地层旋回分析技术方法[27]。路顺行等[28]、朱红涛等[29]、袁野等[30]、YUAN Rui等[31]等在渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地、苏北盆地、准噶尔盆地等进行层序地层划分与演化分析，通过常规基础地质资料与分析化验资料验证，具有较高的可行性与准确率。该方法利用测井曲线的纵向高分辨率特征，采用滑动时窗谱分解法挖掘原始测井曲线中隐藏的地层发育趋势和模式，可以有效识别基准面变化(海、湖平面)周期。INPEFA 曲线负趋势代表水进过程，气候逐渐湿润；正趋势代表逐渐干旱的水退过程；负向拐点表征湖泛面；正向拐点表征层序界面。通南巴背斜勘探程度低，缺少基础地质资料，根据测井资料，应用INPEFA技术分析基准面的旋回变化并确定体系域的划分。根据测井地质学原理，自然伽马曲线相较于其他测井曲线最能敏感反映泥质含量变化，频谱属性趋势分析采用自然伽马曲线。

2.2 体系域划分

川东北地区通南巴背斜中下侏罗统INPEFA曲线呈明显的旋回特征(见图2)。由图2可知，自流井组表现为基准面缓慢上升的水进特征，至自流井组顶部时，湖平面持续上升并形成最大湖泛面。四川盆地中下侏罗统的层序划分以自流井组顶部介壳灰岩为标志层，标志层广泛发育于四川盆地，向四川盆地边缘造山带逐步过渡为介壳砂岩、砂岩。自流井组顶部沉积时期形成四川盆地侏罗系最大湖泛面。通南巴背斜自流井组顶部主要以介壳砂岩、砂岩为标志，在地震反射结构上表现为砂岩上部发育全区稳定分布的连续强振幅反射特征。岩性由自流井组底部粗碎屑杂色砂砾岩向上逐渐变细，过渡为最大湖泛面的深色泥页岩、介壳砂岩。千佛崖组基准面由最大湖泛面开始快速下降，沉积岩颜色由深色向浅色、棕色、棕红色转变，表明沉积环境由还原环境向氧化环境转变[20,24]。研究区中下侏罗统基准面变化呈现一个完整的基准面升降旋回，自流井组表现为基准面的上升形成湖侵体系域(TST)，千佛崖组表现为基准面的下降形成高位体系域(HST)，最大湖泛面(MFS)为两套地层的分界线。地震反射特征上，体系域的识别也较为明显，INPEFA曲线显示最大湖泛面处为一连续强振幅反射界面，上部高位体系域千佛崖组与下部低位体系域自流井组被最大湖泛面分开，地震反射差异明显。

3 古河道刻画及分布特征

近年来，分频RGB融合技术在古水道沉积体系的刻画与成像方面取得成果，采用分频RGB融合技术可以提高对地质异常体的识别与分辨能力。川东北地区通南巴背斜为一紧邻米仓山的山前构造带，断裂体系极为发育并对古河道的识别与刻画产生干扰。为降低断层信息的干扰，采用基于沉积相岩性体的频谱特征，进行分频RGB融合刻画沉积体展布范围与几何形态。纵向上共刻画4套(湖侵体系域两期曲流河河道、高位体系域早期顺直型河道与晚期辫状河河道)古河道体系，河道体系形态清晰，河道纵向演化差异明显，并对4套古河道体系的古河道长度、河面平均宽度、河道弯曲因数、河网密度与河道面积进行定量化表征(见表1)，确定古河道类型。研究古河道体系展布的同时,确定米仓山并非川东北地区中下侏罗统物源供给的来源，该时期米仓山尚未形成，与米仓山磷灰石裂变径迹年代学数据证实的米仓山形成于晚侏罗世的认识一致[32]。

图2 研究区INPEFA曲线与地震反射特征的连井体系域特征(最大湖泛面拉平)Fig.2 INPEFA cycle variation and seismic reflection characteristics of well-connecting in study area(flattening the MFS)

3.1 地震反射特征

同一沉积时期的岩性组合具有相同或相近的地震频谱特征。采用分频RGB融合技术获得地震反射特征：首先，分析沉积相的地震频谱响应特征，确定岩性组合的有效频带分布与主频；其次，采用谱分解技术建立目标岩性组合不同频率的振幅调谐体；最后，将目标岩性组合不同频率振幅调谐体进行融合混色，形成具有通频信息的融合数据体，突出不同主频数据体对沉积体的分辨能力，尤其对具有明显几何形态的特殊地质异常体(如盐丘、河道、断裂等)具有良好的分辨效果。地震频率主要根据不同沉积亚相岩性组合厚度的差异描述沉积相，对于河流相沉积，河床亚相砂岩厚度大，采用低频资料描述更为清晰，堤岸亚相、河漫亚相的砂岩厚度较河床亚相的低，采用有效带宽内的高频资料更容易描述识别。地震主频是能量最强的波动对应的频率，对沉积现象的描述更具有宏观性。以湖侵体系域早期(slice1)为例，河道砂岩地震反射表现为强振幅特征，河道砂岩主频为20 Hz时，振幅最大；低频为10 Hz时，振幅为0.6，反映河床亚相；高频为45 Hz时，振幅为0.6，主要反映堤岸沉积或河漫亚相(见图3)。通过3个频率的RGB融合，避免沉积现象刻画的片面性，提升沉积现象刻画的准确度，使河流沉积体系的边界更加清晰(见图4)。地震响应表现为垂直河道同向轴强振幅、不连续反射，河道与周围沉积体岩性存在差异；河道内部表现为同向轴的强振幅、连续反射，反映河道的连续性沉积(见图5)。

图3 研究区河道砂岩地震频谱响应Fig.3 Seismic spectrum response of sandstone in the study area

图4 10、20、45 Hz频率的研究区古河道展布特征Fig.4 Resolution characteristics of ancient river channels at 10, 20 and 45 Hz in the study area

图5 研究区古河道地震反射特征Fig.5 Seismic reflection characteristics of ancient river channels in the study area

3.2 古河道分布与类型

根据分频RGB融合技术与地震切片的高分辨率纵向演化，川东北地区通南巴背斜带中下侏罗统自下而上发育4套古河道。河道类型(河型)是指河流流路的形态，通常把河型分为曲流、辫流、顺直3种，可以根据河道弯曲因数区分河道类型[33-34]。

曲流型河道呈蜿蜒曲折的流路，是冲击平原河流最常见的一种河型。湖侵体系域自流井组沉积时期发育两套曲流型古河道(见图6)，一套为早期形成的古河道(slice1)，主要发育于池溪凹陷与通南巴背斜，自流井组沉积早期，古河道主要为北部池溪凹陷的NE—SW向展布，规模大，切片RGB属性融合显示河道在研究区内延伸44.033 km，河面(河曲带)平均宽度为1 091.536 m，河道面积为73.429 3 km2，河道弯曲因数为1.49，河道凹岸具有明显的侧向迁移特征，为一大型曲流型河道，是自流井组沉积早期研究区内最主要的古河道。研究区南部通江凹陷在同一时期发育一条局限的曲流型河道，弯曲因数为1.47，河道长度为20.852 km，表现为延伸稳定的高弯度曲流型河道，在研究区内分布局限。自流井组第二套古河道(slice2)体系发育于自流井组沉积末期，切片RGB属性融合显示两条河道分布于通南巴背斜带与南部通江凹陷。该时期古河道分布特征比早期河道分布的规模小，两条河道长度在30.00 km左右，河面宽度为600 m，河道平均弯曲因数为1.31。在通南巴背斜带河道钻遇30 m厚层砂岩。湖侵体系域自流井组沉积时期，两套古河道河网密度很小，为0.061、0.056 km/km2(见表1)，古河道体系表现为典型的高弯度、低密度、彼此孤立稳定分布的曲流型河道特征，即单流路蜿蜒摆动(meandering)特征。

高位体系域千佛崖组沉积时期，发育早期(slice3)与晚期(slice4)两套古河道体系(见图7)，古河道主要分布于北部的池溪凹陷与南部的通江凹陷。切片RGB属性融合显示两套古河道体系物源方向相同，北部池溪凹陷古河道物源供给来自东北方向，南部通江凹陷河道物源供给来自东南方向。高位体系域早期，河道为湖侵体系域向高位体系域转变的过渡型河道带，发育7条主干河道，河网密度大，为0.247 km/km2(见表1)；古河道体系存在明显的南北差异，南部通江凹陷古河道平面形态表现为较顺直的单一型河道，河道延伸稳定，弯曲因数明显低于北部池溪凹陷与通南巴背斜带的。高位体系域早期发育的古河道规模大、顺直且稳定，古河道弯曲因数低，表现为典型顺直型河道。千佛崖组沉积晚期，南部河道弯曲度增加，弯曲因数增大，河道分汊现象明显，河道间彼此交叉、互相切割形成高密度曲流型河网。

图6 研究区湖侵体系域古河道体系展布Fig.6 The distribution of the ancient channel system of TST in the study area

表1 通南巴背斜主要古河道参数

根据研究区古河道体系的展布特征，湖侵体系域与高位体系域古河道体系具有差异，主要表现为河网密度与河道类型的差异。高位体系域两套河道体系的河网密度分别为0.247(slice3)、0.263 km/km2(slice4)，远高于湖侵体系域0.061(slice1)、0.056 km/km2(slice2)的河网密度；湖侵体系域主要为彼此孤立的稳定河流体系，高位体系域河网密度高，形成交叉叠置的多河道系统。河流类型方面，湖侵体系域古河道体系为曲流型河道；高位体系域早期为顺直型古河道，晚期为网状曲流型古河道。

图7 研究区高位体系域古河道体系展布Fig.7 The distribution of the ancient channel system of HST in the study area

4 古河道演变过程

由基准面差异性升降引起可容空间与物源供给速率的变化导致沉积动力响应的差异，进而在不同沉积体系域内发生沉积物差异体积分配，在河流沉积演化过程中形成不同的河道类型与平面展布形态。INPEFA曲线的升降代表基准面的变化，斜率变化表征基准面的升降速度，根据米兰科维奇旋回理论，对INPEFA曲线进行高频干扰抑制与低频背景消除[35-36]，得到基准面旋回变化曲线。

研究区早侏罗统自流井组沉积时期处于基准面上升的湖扩期，物源供给减少，可容空间增大，可容空间增加速率(ΔA)大于沉积物供给速率(ΔS)；河道垂向加积速度大于河道侧向加积迁移速度，河道处于欠补偿状态，发展成为湖侵体系域彼此孤立的曲流河古河道沉积(见图8)。随基准面上升，湖盆持续扩大，发育形成自流井组沉积末期的区域性最大湖泛面；至千佛崖组沉积早期，基准面由升转降，物源供给速率增加缓慢；可容纳空间快速减小，河网密度增加，河道以垂向加积为主、侧向加积为辅，形成多河道体系的顺直河道。随基准面持续下降，沉积物供给速率快速增加，可容空间持续减小，河道由以垂向加积为主转变为以侧向加积和侧向侵蚀、迁移为主，形成高位体系域晚期高弯度的曲流河网体系。>

图8 研究区古河道演变过程Fig.8 Evolution process of ancient river channel in the study area

5 结论

(1)川东北地区通南巴背斜带自流井组沉积时期基准面处于上升旋回(湖侵体系域)，千佛崖组沉积时期基准面处于下降旋回(高位体系域)。

(2)研究区古河道类型包括3类：湖侵体系域曲流型河道、高位体系域早期顺直型河道与高位体系域中晚期网状曲流型河道。湖侵体系域曲流型河道为高弯曲度孤立河道系统，河道体系稳定。高位体系域早期顺直型河道具有弯曲因数低、河网密度高的特点。高位体系域中晚期河道交叉、切割现象明显，发育辫状河网系统，河网密度大。

(3)基准面上升期，研究区物源供应速度小于可容空间增加速度，河道垂向加积速度大于侧向加积速度，形成基准面上升期的孤立高弯度曲流河体系。基准面下降早期，物源供给速率增加缓慢，可容纳空间快速减小，沉积动力响应以河道的垂向加积为主、侧向迁移为辅，形成多河道体系的顺直型河道。随基准面持续下降，沉积物供给快速增加，可容空间持续减小，河道侧向加积与迁移加强，河道由顺直河网体系转变为曲流河网体系。