松辽盆地徐家围子断陷沙河子组沉积相类型及演化模式

关键词 沉积相；沉积演化模式；测井相；地震相；徐家围子断陷；沙河子组

0 引言

徐家围子断陷是位于松辽盆地北部具有西断东超结构的箕状断陷，多年来，徐西北地区深层天然气勘探主要以营城组火山岩为目的层进行研究[1⁃3]。沙河子组位于营城组之下，以致密砂砾岩为主，发育大量煤层、煤线，此前重点开展了其作为烃源岩的生烃研究而忽略了其丰富的致密气资源[4]。随着宋深9H、达深21HC、徐深1等井在沙河子组获得高产工业气流，沙河子组成为大庆油田深层火山岩气藏的重点接替领域[5⁃6]。

近几年徐家围子断陷沙河子组关于层序划分、沉积相分析、成藏特征等方面取得了一些认识，但受限于钻井深度、地震资料品质等，众多研究者对沙河子组的沉积相及沉积演化模式的认识还存在异议。刘庆辉[7]根据地震相并结合构造地质背景分析，将沙河子组划分为扇三角洲、辫状河三角洲、湖泊相等；蔡全升等[8]运用岩心、录井、测井以及地震资料，将沙河子组划分为扇三角洲、辫状河三角洲、湖泊相、火山碎屑岩、近岸水下扇等；赵福海等[9]则根据测井、地震相标志并结合单井相划分，确定沙河子组发育扇三角洲、辫状河三角洲及湖泊相等。对于徐家围子断陷沙河子组的沉积相划分，诸多学者都同意辫状河三角洲相和扇三角洲相的存在，但对其分布范围仍有不同的见解，蔡全升等[8]、王志宏等[10]认为扇三角洲于徐西陡坡带和徐东缓坡带均有发育，而吕鹏佶等[11]则认为扇三角洲仅发育于徐西陡坡带。

本文在前人研究的基础上，对徐家围子断陷的22口钻井取心进行了详细的观察与描述，绘制了22口井的单井沉积相分析剖面图，统计了91口井的测井与录井数据，以沙河子组SQ1～SQ4的砂体厚度和砂地比等地质资料为约束，结合单井相分析、连井沉积相分析以及地震反射特征等对徐家围子断陷沙河子组的沉积特征展开研究，明确其沉积相的类型、分布范围和展布规律，建立沉积演化模式，以期为徐家围子断陷致密气藏勘探区带的目标优选及勘探工作提供地质依据。

1 区域地质概况

徐家围子断陷位于松辽盆地北部的东南断陷区内，西以宋西断裂、徐西断裂与中央隆起带相接，东与肇东—朝阳沟背斜带呈斜坡过渡，整体具有西断东超、西陡东缓的特点[12]，内部可划分出徐西凹陷、安达凹陷、徐东凹陷、肇州凹陷以及徐东斜坡带等次级构造单元[10]（图1a）。徐家围子断陷碎屑物源来自于西部中央隆起带和东部肇东—朝阳沟背斜，表现为双向物源并存、沉积继承发育的特征[13]。

前人研究表明，徐家围子断陷主要形成于晚侏罗—早白垩世早期，徐家围子断陷经历了孕育、发展和萎缩三个构造演化阶段，分别对应火石岭组沉积时期、沙河子组沉积时期、营城组沉积时期，断陷的整个构造演化阶段明显受到徐西、宋西、徐东等深大断裂带的控制[12，14]。火石岭组主要发育火山岩，此时徐家围子地区因西太平洋板块向东亚板块的斜向俯冲运动，表现为东西向拉张环境，深部断裂广泛发育。沙河子组沉积时期，俯冲运动进一步增强，徐家围子断陷进入强烈断陷阶段，具有“近物源、相变快、岩性杂”的特点，形成了大套灰黑色、黑色泥岩/煤层与粗粒碎屑岩互层的沉积岩相组合。营城组沉积期，由于板块俯冲方向发生了转变，研究区的应力状态也发生变化，表现为挤压应力环境，研究区进入断陷萎缩阶段[15]。

沙河子组是形成于徐家围子强烈断陷期的一套以砾岩、含砾砂岩、粗砂岩为主，含炭质泥岩、暗色泥岩的湖泊相沉积，自下而上可分为SQ1、SQ2、SQ3和SQ4四个三级层序[16⁃17]（图1b）。

2 岩石学特征

根据研究区110余块岩样的岩石薄片和铸体薄片统计资料，沙河子组岩石类型主要为砾岩、砂质砾岩、砂岩、含砾砂岩以及泥岩等。

沙河子组砾岩和砂质砾岩主要为中细砾岩，多具砂质砾状或砾状结构，砾径分布区间主要为2～10 mm，最大可达18 mm，颗粒分选性偏差，但磨圆度较好，主要为次圆状。风化程度中等偏深，接触方式主要为点接触，部分为点—线和线接触。胶结类型主要为孔隙胶结和孔隙—薄膜胶结。砾石成分主要为流纹岩和安山岩等中酸性喷发岩、凝灰岩等火山碎屑岩以及片岩、千枚岩、石英岩等变质岩类，砾石间多充填泥质、凝灰质以及碳酸盐质填隙物（图2）。

按福克分类，沙河子组砂岩、含砾砂岩主要为长石岩屑质砂岩和岩屑长石质砂岩，少量为岩屑质砂岩和长石质砂岩（图2i）。碎屑中石英含量介于10%～50%，平均为21.02%；长石含量介于10%～53%，平均为32.29%，包括正长石、斜长石、钾长石三种；岩屑含量介于13%～66%，平均为46.70%，主要包括火成岩岩屑、沉积岩岩屑、变质岩岩屑等（图2）。砂岩中胶结物主要有黏土矿物、碳酸盐、石英等（图2），还包括少量的云母、黄铁矿、菱铁矿、硬石膏、重晶石、浊沸石等。杂基含量高，主要为泥质（平均含量7.1%）。

3 沉积特征

通过详细的岩心观察与描述，结合测井资料、地震反射特征和砂体分布特征的判别，徐家围子断陷沙河子组发育辫状河三角洲、扇三角洲、具供给水道的远岸浊积扇、近岸水下扇、扇三角洲前端滑塌浊积扇等沉积相，断陷中心以浅湖—半深湖、深湖相沉积为主。

3.1 辫状河三角洲沉积

辫状河三角洲是辫状河流推进到稳定水体中形成的粗碎屑三角洲[18⁃19]。徐家围子断陷沙河子组沉积时期，安达、徐东以及肇州凹陷东侧缓坡带接受来自肇东—朝阳沟基底古隆起的碎屑物质而发育辫状河三角洲沉积，沉积序列中强牵引流与弱重力流沉积层序并存，可细分为辫状河三角洲平原、辫状河三角洲前缘和前三角洲亚相，徐家围子断陷沙河子组主要见辫状河三角洲平原和辫状河三角洲前缘亚相。

3.1.1 辫状河三角洲平原

辫状河三角洲平原主要由辫状河道、河道砂坝、河漫滩（泛滥平原）以及河道间、沼泽等沉积微相组成[20]。辫状河道以发育冲刷—侵蚀构造和滞留砾石层为特征（图3a），常见多期河道叠覆冲刷形成的砂砾质复合韵律层、碎屑流等[21]，砾石颗粒分选差，呈叠瓦状排列，磨圆度较好（图3b），砾石层之上覆盖以底负载形式搬运的大型槽状交错层理（图3c）或斜层理砂砾岩、含砾砂岩和粗砂岩或块状层理粗砂岩、含砾砂岩（图4），自然伽马曲线表现为箱形和钟形（图5）；河道砂坝常覆盖于辫状河道滞留层之上，以发育侧向加积的板状交错层理细砾岩、含砾砂岩、粗砂岩和顶部垂向加积的平行层理砂岩为特征（图3d），河漫滩和沼泽以粉砂岩、砂质泥岩、泥岩和煤层为主（图3e、图4）。

3.1.2 辫状河三角洲前缘

辫状河三角洲前缘主要发育水下分流河道、河口砂坝、远砂坝、席状砂以及河道间、浅湖泥等沉积微相[22]。水下分流河道岩性主体为砂质砾岩、含砾粗砂岩和粗砂岩，砂砾岩层理发育不典型，以块状或板状层理为主，见多期河道的叠覆冲刷现象（图3f，g、图4），自然伽马曲线呈典型的箱形[23]（图5）。河口砂坝和远砂坝沉积在沙河子组不发育，仅部分井段见反韵律的砂坝沉积（图4），测井曲线显示中幅漏斗形特征[24]（图5），反映了较弱的湖盆水动力环境，其位于水下辫状河道的前缘和侧缘，底部与下伏泥岩呈突变接触，向上可出现板状交错层理中粗砂岩（图3h）、平行层理砂岩和沙纹层理粉细砂岩。席状砂主要分布于辫状河三角洲前缘的末端，是在沿岸流或回流影响下形成的薄层平行层理或沙纹层理细砂岩、粉砂岩[25]（图3i）。

3.2 扇三角洲沉积

徐家围子断陷西侧受徐西断裂控制形成断控陡坡带，且同沉积断裂活动强烈[26]，致使安达凹陷、徐东凹陷、徐西凹陷以及肇州凹陷等西部陡坡带接受来自中央隆起区粗碎屑物而发育扇三角洲沉积体系，以近源短流为基本特征。扇三角洲主要划分为扇三角洲平原、扇三角洲前缘以及前扇三角洲亚相，在徐家围子沙河子组主要观察到扇三角洲平原和扇三角洲前缘两个亚相。

3.2.1 扇三角洲平原

徐西陡坡带扇三角洲平原以多期次、多旋回、相互叠加的砾石质辫状河道最为常见，河道滞留沉积和砂砾质河道砂坝是其主要的沉积组合，沉积层序呈下粗上细的正韵律或复合韵律[27]，自下而上可依次出现河道滞留砾岩、槽状交错层理砂砾岩（图3j）、板状交错层理（图3k）或块状层理的含砾砂岩（图3l）、砂岩以及平行层理粉细砂岩等（图6），钻井取心见扇体近端大规模的叠瓦状混杂砾岩相泥石流或碎屑流沉积（图3m、图6），自然伽马曲线呈典型钟形和箱形（图7）。泛滥平原则主要包括粉砂岩和极细砂岩相河漫滩以及河漫沼泽，具沙纹层理和小型冲刷—侵蚀构造，煤层较发育。

3.2.2 扇三角洲前缘

扇三角洲前缘发育水下分流河道、河口砂坝、远砂坝、席状砂以及浅湖泥等沉积微相[28]。近端扇三角洲前缘水下分流河道为砂质砾岩、砂砾岩和粗砂岩组合，向扇体远端逐渐变为细砂岩和粉砂岩等，发育向上变细的正韵律层序，自下而上可出现河道滞留砾石层（图3n）、槽状交错层理的含砾砂岩或粗砂岩、板状交错层理或块状层理或平行层理的含砾砂岩或细砂岩等，多期河道叠加砂体厚达数十米（图6）；河口砂坝主要为分选较好的反韵律砂砾岩和砂岩层序，自然伽马曲线呈典型的漏斗形（图7）；远砂坝主要为厚1～2 m 的薄层反韵律细砂岩和粉砂岩（图6）；席状砂主要为薄层的平行层理或沙纹层理细砂岩和粉砂岩（图6），自然伽马曲线呈典型的高幅指状。

3.3 滑塌浊积扇沉积

滑塌浊积扇多是由浅水区各类砂体，如扇三角洲等，在外力作用下沿沉积陡坡发生滑动再搬运从而在深水区形成的浊积岩沉积体，然而众多学者在浅水区也发现了滑塌浊积扇[29⁃31]。徐家围子断陷西部陡坡带坡度陡且同沉积断裂活动强烈[26]，湖盆边缘发育的扇三角洲沉积体不稳定，在扇三角洲前缘极易发生沉积块体的滑塌再搬运，从而在扇三角洲沉积体前方的浅湖—半深湖处形成滑塌浊积扇沉积。对肇深6等井扇三角洲前缘的岩心观察中发现了大量典型的滑塌变形构造（图3o），结合地震相剖面，在徐家围子断陷达深303井扇三角洲前缘前端至达深2井区（SQ3～SQ4层序）、徐深801井扇三角洲前缘至徐深401井区（SQ3～SQ4层序）以及肇深6井扇三角洲前缘前端至深洼带（SQ2～SQ3层序），均观察到滑塌浊积扇沉积。

以达深303井区地震剖面为例（图8），扇三角洲主要表现为弱振幅、中等连续的S型和复合型前积反射特征单元，在其前端SQ3层序内部发育两期滑塌浊积扇体，分别表现为弱振幅、中等连续的丘状反射单元和弱振幅、低连续的杂乱块状反射，而在SQ4层序内部则发育一期滑塌浊积扇沉积体，表现为中强振幅、中低连续的丘状反射特征[32]。

3.4 具供给水道的远岸浊积扇沉积

沙河子组沉积时期，徐家围子断陷裂陷活动达到顶峰。徐东斜坡带的中南段发育大量NE、NNE向的次级断裂，且断裂纵横交错发育[33]，导致其极易发育与湖泊岸线垂直或斜交的断槽，进而成为沟通物源区与深水盆地的浊流搬运通道，因此在盆地深洼带沉积了离岸较远的浊积扇体。远岸浊积扇（湖底扇）可进一步划分为供给水道、内扇、中扇和外扇等沉积相带[34]。

辫状供给水道岩性以含砾粗砂岩和粗砂岩为主，局部为砂质砾岩，常见大型槽状交错层理（图9a）；过达深28井的地震剖面揭示了湖底扇体系近物源端的大型供给水道特征，该下切水道呈V型，内部层状充填，与阶梯状断层相伴生，显示了断裂沟槽在湖底扇体系发育过程中的关键作用（图10）。

内扇区岩性为巨厚的混杂砾岩、碎屑支架砾岩、泥支架砾岩（图9b）和砂砾岩，常见砾质高密度浊流层序的R2R3组合，向中扇方向可出现R3S1和R3Tt组合（图11）；中扇区主要发育纵横向叠置的辫状水道，主要为砾质至砂质高密度浊流沉积（图9c～f），可显示R2R3、R3S1S3、R3Tt、S1 S2Tt以及S1Tt组合（图11）。外扇区主要为薄层砂岩和深灰黑色泥岩互层，以低密度浊流沉积层序的Tb-Te和Tb-Te段为主。

3.5 近岸水下扇沉积

徐家围子断陷沙河子组西部陡坡带沉积了多个近岸水下扇体系。过达深401井的地震测线显示近岸水下扇主要为中弱振幅、低连续的前积反射结构特征，浅部呈不规则、近源短流的斜交前积地震相，而深部受徐西断裂改造表现为杂乱状的丘形前积反射波组（图12）。近岸水下扇平面形体为扇形，倾向剖面上呈楔状，扇体根部紧贴基岩断裂面，由近源至远源可细分为内扇、中扇和外扇等亚相[35]。

内扇主要由充填水道的杂基支撑砾岩、碎屑支架砾岩、砂砾岩和泥支架砾岩组成（图9g）[36]。杂基支撑的砾岩常具有漂砾结构，砾石杂乱排列甚至直立，层理不发育，顶底突变接触（图9h）或具底部冲刷。碎屑支架砾岩和砂砾岩多为砂砾质高密度浊流的沉积产物，可显示砾质高密度浊流R2R3段和砂质高密度浊流的S1S2段，或者为二者的叠加。

中扇沉积微相类型有辫状水道、水道间和中扇前缘等[37]，岩性主要为砂砾岩、粗砂岩（图9i）以及砾岩与灰黑色泥岩的互层（图9j、图13），中扇辫状水道以砾质至砂质高密度浊流沉积层序为特色，常见序列为R3S1和S1S2段，底部R2段发育较差或缺失，自然伽马曲线表现为典型的齿化箱形。向盆地方向，中扇前缘微相水道化特征逐渐减弱，粒度变细，分选变好，以砂质高密度浊流到低密度浊流的S2S3Tt 或S3TtTdTe组合为主，中间夹两层厚约0.2 m的深水风暴成因的丘状交错层理细砂岩（图9k、图13），印证了宋深2井近岸水下扇的深水沉积环境条件。

外扇主要为灰黑色泥岩夹薄层粉细砂岩，砂层可见平行层理和沙纹层理，以低密度浊流的TbTcTdTe段为特征。

4 沉积相展布及沉积演化模式

4.1 沉积相横向连通性

在单井沉积微相划分和沉积体系平面展布特征研究的基础上，利用小波多尺度分解技术对测井曲线进行了高分辨率沉积旋回分解和对比分析[38⁃39]，选取多条连井剖面，解剖沙河子组沉积相的横向展布特征及纵向上不同时期砂体的叠加演化特征。

以芳深901—徐深401—徐深25—徐深26连井剖面为例（图14），该剖面位于徐东和徐西凹陷南段连接部位，走向平行于物源方向。芳深901井和徐深401井为扇三角洲沉积，近物源的芳深901井主要为扇三角洲平原，远物源的徐深401井为扇三角洲前缘，发育的沉积微相类型主要为厚层辫状河道，显示为多期箱形正韵律河道砂砾岩体的叠加，砂砾岩体总沉积厚度变化不大，且横向连通性非常好，向盆地中心逐渐过渡为深湖相；徐深26井和徐深25井为辫状河三角洲平原沉积，由徐深26井向徐深25井，SQ4沉积地层厚度急剧增大，主要的沉积微相类型有辫状河道、河漫滩以及河道间沼泽，透镜状的辫状河道砂体横向连通性很差，徐深26井的辫状河道砂体显示为多期河道层序的叠加，向徐深25井则逐渐演变为河漫滩与河道间沼泽微相，而徐深25井中下部主要为垂向分隔性明显、横向延伸距离有限的下三角洲平原辫状分支河道砂体，砂体的纵横向连通性均较差。

4.2 沉积相平面分布特征

基于研究区的钻井资料，综合分析单井沉积相、连井沉积相以及地震相剖面，以砂砾岩厚度、砂地比等地质资料为约束，利用多因素成图方法[40]绘制沙河子组SQ1～SQ4 层序的沉积相平面展布图（图15）。

SQ1沉积时期，徐家围子断陷内部发育多个沉积中心。徐东缓坡带发育辫状河三角洲沉积相，三角洲向湖盆推进距离短，多小于7 km，最远可达10 km；徐东缓坡带局部发育具供给水道的远岸浊积扇沉积；徐西陡坡带主要发育扇三角洲沉积，扇体多相互孤立，纵向延伸距离多小于5 km，横向连通性一般；徐西陡坡带局部发育近岸水下扇体系，系局部深水陡坡构造地形条件下形成的重力流扇体；湖盆中心主要发育浅湖—半深湖、深湖相泥质沉积。

SQ2沉积时期，徐家围子断陷东西向扩张，沉积继承发育，仍存在多个沉积中心，但彼此间分割性开始减弱。徐东缓坡带辫状河三角洲沉积范围扩大且横向连片发育，向盆地内部推进超过10 km，最大可达15 km，远岸浊积扇体继承发育；徐西陡坡带扇三角洲沉积和近岸水下扇沉积继承发育，扇三角洲沉积体以近源短流为特征，向盆地内部推进距离变化较小，但发生了一定程度的横向迁移，达深2井区近岸水下扇转变为扇三角洲沉积，徐西凹陷北端扇三角洲沉积开始广泛发育。

SQ3沉积时期，徐家围子断陷持续扩张，盆地内部沉积中心逐渐汇聚。徐东缓坡带辫状河三角洲沉积横向连片，平原横向叠接成大型复合三角洲体系，前缘砂体交叉叠置造成沉积体之间的界限不清晰；徐家围子断陷东部湖盆边缘辫状供给水道将碎屑物质直接注入深水盆地内部，形成离岸较远的舌形湖底扇体；徐西陡坡带扇三角洲沉积和近岸水下扇沉积继承发育。

SQ4沉积时期，徐家围子裂陷作用开始减弱，但盆地继续东西向扩张，受徐西控陷断裂的影响，沉积地层逐渐向两侧超覆，沉积中心连成一体沿轴向深洼带展布，肇州凹陷与徐东凹陷、徐西凹陷重新分隔开来。该时期，徐家围子湖盆广阔，水体变浅，徐东缓坡带辫状河三角洲体系快速向盆地内部推进，横向堆积11～18 km，局部发育三个远岸浊积扇体，舌形扇体前端多进入深湖相带；徐西陡坡带扇三角洲沉积体分布范围较SQ3时期明显扩大，推进距离多介于5～10 km，沉积体多孤立发育，横向连通性不好，但均发育扇三角洲平原亚相，反映该时期沉积水体变浅，湖盆水退导致沉积物大量向盆地堆积；近岸水下扇扇体分布面积也逐渐扩大。

4.3 沉积演化模式

沙河子组早期，徐家围子断陷东西向沉积范围较小，此时徐家围子断陷主体凹陷未与南部肇州凹陷相接，两者独立接受沉积充填。徐东缓坡带由辫状河流携带的来自肇东—朝阳沟古物源区的砂砾质粗碎屑物质逐渐向盆地内部推进，形成多个辫状河三角洲沉积体系，但沉积体向盆地内部延伸距离有限。在安达凹陷东部缓坡带辫状河三角洲沉积体之间局部形成远岸浊积扇沉积，系供给水道将碎屑物质直接输送至断陷盆地深洼带而形成的湖底扇；而在徐西侧陡坡带，来自中央隆起古物源区的粗碎屑物质快速推进至湖盆内部形成扇三角洲沉积体系，湖盆岸线边缘发育相带非常窄的泛滥平原相。在安达凹陷的南端和肇州凹陷，陡坡带断裂与物源山区直接毗邻，来自山前的携带粗碎屑物质的洪流还未演变为辫状河流既已推进至盆地内部，深湖相条件、断裂带及源区的有效配置为近岸水下扇的发育提供了良好的构造地貌和物源条件，局部形成近岸水下扇沉积（图16a）。

沙河子组晚期，盆地持续张裂，断陷分布范围明显扩大，裂陷沉降速率减弱，湖盆水体变浅。徐东缓坡带的辫状河三角洲和徐西陡坡带的扇三角洲沉积体均逐渐向盆地内部进积，在安达凹陷东西两侧的辫状河三角洲和扇三角洲沉积体甚至已经开始对接连片。徐东缓坡带辫状河三角洲沉积体之间新沉积了远岸浊积扇体系，推测其是由徐东断裂带的次级NE、NNE向断裂构成的沟槽水道将粗碎屑物质输送至深水盆地形成的舌形湖底扇，近岸水下扇沉积继承发育，扇体面积逐渐扩大（图16b）。

5 结论

（1） 根据岩石薄片和铸体薄片统计资料，沙河子组砂砾岩储层主要为砾岩、砂质砾岩、砂岩、含砾砂岩以及泥岩等。依据岩心、测井和地震等资料的判别，徐家围子断陷沙河子组主要发育辫状河三角洲、扇三角洲、具供给水道的远岸浊积扇、近岸水下扇及扇三角洲前端滑塌浊积扇等沉积相，断陷中心以浅湖—半深湖、深湖相沉积为主。

（2） 徐东缓坡带接受来自肇东—朝阳沟基底的碎屑物质发育辫状河三角洲，沉积序列中强牵引流与弱重力流沉积层序并存，碎屑物搬运距离大，分选磨圆程度高；徐西陡坡带受徐西断裂的控制接受来自中央隆起区的沉积物而发育扇三角洲沉积，以近源短流为基本特征，沉积物分选差；盆地东部边缘辫状供给水道将碎屑物直接注入盆地内部，局部形成舌型湖底扇体；徐西陡坡带局部坡陡水深形成多个近岸水下扇体系；扇三角洲前缘沉积体不稳，局部形成滑塌浊积扇沉积。

（3） 沙河子组SQ1～SQ4时期，盆地持续东西向扩张，内部沉积中心逐渐汇聚成一体，东部缓坡带辫状河三角洲体系横向连片发育，西部陡坡带扇三角洲多孤立发育，两者沉积体均逐渐向盆地内部进积；远岸浊积扇、近岸水下扇多继承发育，且扇体分布面积也逐渐扩大。