利用上超點法重建渤海灣盆地遼中凹陷漸新世湖平面變化①

吳 偉 林暢松 劉景彥 賴維成 李 全 呂家康

(1.河南理工大學 河南焦作 454003;2.中國地質大學 北京 100083;3.中國海洋石油有限責任公司天津分公司 天津 300452)

利用上超點法重建渤海灣盆地遼中凹陷漸新世湖平面變化①

吳 偉1林暢松2劉景彥2賴維成3李 全2呂家康1

(1.河南理工大學 河南焦作 454003;2.中國地質大學 北京 100083;3.中國海洋石油有限責任公司天津分公司 天津 300452)

標準層序是指同時包含高位體系域HST、湖侵體系域TST、下降體系域FSST和低位體系域LST的三級層序。通過對標準三級層序各類體系域中上超特征的分析,將一個標準層序的上超點分為5大類,即LST上超點、TST上超點、早期HST上超點、晚期HST上超點和FSST上超點,提出了通過統計層序內各類上超點來反演湖平面變化史的方法。利用這種方法,結合渤海灣盆地遼中凹陷漸新統地層剖面特征,在劃分三級層序的基礎上,統計上超點并繪制岸線遷移和湖平面升降幅度曲線,并將漸新世劃分為4個湖平面升降旋回,對比鉆遇沉積物的縱向變化特征,認為湖平變化曲線可信度很高,同時也證實了上超點方法反演湖平面變化在陸相古湖泊學研究中的可行性。

上超點 湖平面變化 漸新世 遼中凹陷

0 前言

海平面變化分析是海相層序地層動力學研究的重要內容之一,也是陸相層序地層學者效仿的主要方法。早在層序地層學發展的第二階段——地震地層學階段,Vail和Mitchum等先行者均以海平面升降作為沉積旋回和層序劃分的核心依據[1～3],Vail等人首次以地震剖面中的濱岸上超點概念繪制了相對海平面變化曲線,并引發上世紀80年代國外學者對海平面變化研究的熱潮[4～8],其中的杰出人物Haq將濱岸上超點的方法進行全面推廣,并繪制了250 Ma至今全球海平面變化歷史圖表[9]。另外,Haq經過20多年的努力,將海平面升降歷史擴展到550 Ma[10]。陸相湖盆與海相盆地在盆地規模、盆地動力學背景、影響因素等方面存在很大的差異,而且陸相湖盆常因內部斷裂系統復雜造成地震資料品質較差且上超點難于識別,但是盡管如此,仍有不少學者進行了嘗試。賈愛林、Bartov等學者對湖盆露頭剖面進行分析,并利用上超點的概念重建了不同湖盆的湖平面變化歷史,從理論上支撐了地震剖面上超點反演湖平面變化的可行性[11,12]。王躍等在對上超點方法及接觸關系類型(上超、下超、頂超、削截、退覆等)分析的基礎上,開發Motif軟件開發平臺,利用該軟件對地震剖面上超點進行分析,并制作了相對湖平面變化曲線[13]。然而,這項研究中沒有注重地震剖面的篩選,從而降低了成果的精度;同時沒有對上超點進行分類,將濱岸上超和盆內上超混為一談,造成研究成果可信性降低。鑒于陸相湖平面變化研究存在諸多難點且沒有比較完美的研究成果[14],筆者擬在精選高精度地震剖面的基礎上,對不同的上超點進行分類識別,嘗試使用濱岸上超點方法分析渤海灣盆地遼中凹陷漸新世的湖平面變化特征,分析這種方法是否適用于古湖泊研究,進而為遼東灣地區價格昂貴的近海隱蔽油氣藏勘探提供幫助。

1 方法-上超點重建湖平面變化

對地震剖面地層結構的詳細解剖是進行湖平面變化分析的基礎。首先,一個標準的三級層序中包含低位體系域(LST)、湖侵體系域(TST)、高位體系域(HST)和下降體系域(FSST)四個體系域,盡管不是所有的三級層序均有所有的體系域類型。相對于繼承性沉積剖面的湖平面正弦變化的作用,會產生可容空間供沉積物充填,不同的湖平面變化趨勢會產生不同沉積疊加序列的充填響應(圖1):(1)LST底部,湖平面位于旋回的最低位置時,易形成盆底疊加的低位扇沉積,這種沉積充填類型對于劃分層序界面有用,但對湖平面變化的反演不起作用;(2)LST頂部,湖平面緩慢上升,但是由于沉積物供給量超過湖平面上升產生的可容空間,湖盆坡折以下繼承性沉積斷面之上形成進積(progradation)和加積(aggradation)并存的充填模式,坡折之上可以識別連續上超的地震反射終端響應特征,這些都是湖平面上升的指示;(3)TST體系域中,湖平面快速上升,產生的可容空間遠遠超過沉積物的供給量,湖岸越過坡折帶且快速后退,形成退積(retrogradation)的沉積充填疊加模式,同時可以在湖盆邊緣識別連續上超的地震反射終端響應特征,這些上超點是岸線后退及湖平面上升的證據;(4) HST體系域內部,湖平面上升速率明顯下降,物源供給速率由弱增強,初期物源供給速率小于可容空間的建造速率時沉積充填模式以加積為主,坡折以下有明顯的進積現象,此時湖盆邊緣上超點仍然可以辨別并推測湖平面變化,而晚期物源供給速率明顯增加并大大超過可容空間的建造速率,沉積充填疊加序列以明顯的頂超和前積為特征,此時岸線繼續向湖盆推進但湖平面基本沒有變化;(5)FSST體系域內,湖平面出現明顯的下降導致沉積物可容空間減小,同時物源供給速率仍然較大,形成呈退覆特征的進積沉積疊加序列,上超點呈向盆地方向推進且縱向上不斷降低的特征,是湖平面下降的標志。

根據地震剖面地震反射終端特征識別層序界面和體系域界面是分辨不同類型上超點的基礎。本次研究將上超點分為5種類型(圖1不同顏色點表示):LST上超點、TST上超點、早期HST上超點、晚期HST上超點和FSST上超點。LST上超點在坡折帶以下,上超過程向岸方向遷移慢,而向上遷移速度較快; TST上超點向岸和向上遷移的速度均比較快;早期HST上超點仍向岸和向上遷移,但是沉積前端響應轉變為向湖盆方向的進積;晚期HST上超點遷移方向開始轉變,轉為向湖盆方向遷移且速度很快,而縱向上高度基本沒有變化;FSST上超點繼續向岸方向遷移且速度有所減緩,縱向上轉變為向下遷移。識別不同類型上超點之后,需要記錄關于上超點的沉積時間、距岸線某一基準點的橫向距離、距某一基準點的縱向距離三個要素。沉積時間的確定需要各種定年手段來實現,而內部連續時間可以根據湖盆中心泥巖段厚度的百分比來確定。

2 實例-遼中凹陷漸新世湖平面變化

圖1 上超點方法重建湖平面變化示意圖Fig.1 Outlinemap of lake level reconstruction by onlap points

遼東灣坳陷位于渤海灣盆地的東北部,東西分別為膠遼隆起和燕山隆起,南部與渤中坳陷相鄰,北部與遼河斷陷接壤,呈北東向條帶狀展布。遼東灣坳陷東西向呈三凹夾兩凸的構造格局(圖2),遼中凹陷位于其中部,是面積最大的次級構造單元,具有東斷西超特征的不對稱箕狀特征。遼中凹陷3D地震資料品質較好,覆蓋面積大,適宜作為上超法研究的研究區。

圖2 研究區位置圖Fig.2 Location map of the Study area

圖3 遼中凹陷漸新統上超點識別分析剖面Fig.3 Seismic profile showing onlap points of the Oligocene in Liaozhong depression

2.1 地震層序的劃分

為適應油田勘探生產的需要,有關遼中凹陷層序地層研究將漸新統劃分為5個三級層序,分別與地層單元中的沙二段、沙一段、東三段、東二段、東一段大致對應[14,15]。本文在對地震反射終端響應細致分析的基礎上,根據濱岸上超的變化情況,將遼中凹陷漸新統劃分為4個三級層序(SQd1、SQd2、SQs1、SQs2) (圖3)。三級層序對應的6個層序界面分別為SBNg、SBd1、SBd2、SBs1、SBs2,均具有區域性不整合或局部侵蝕不整合的特征。界面SBNg為一全區不整合界面,在地震剖面上對應標志反射層T2,表現為多軌強振幅高連續反射軸,界面之下常見高角度削截現象,界面之上局部可見河道下切沖刷現象。界面SBd1為一局部不整合及其對應的整合面,在地震剖面對應標志反射層T3u,表現為大型三角洲-辮狀河三角洲的頂超面,且頂超傾末端常見上超現象。界面SBd2為一區域性不整合,大致對應地質分層東營組地層的底部,地震剖面上相當于標志反射層T3,界面之上具有普遍上超的特征,在局部地區為一低位三角洲的下超面。界面SBs1對應T4反射標志層,在地震剖面上表現為高連續強振幅反射,局部可以看到上超現象。界面SBs2是漸新統地層的底部,對應標志反射層T5,其下部有明顯的削蝕特征,上部有連續上超現象。

2.2 湖平面變化曲線的繪制

在三級層序內識別層序界面上部的上超點向上遷移(LST上超點、TST上超點、早期HST上超點)和界面下部的上超點向下遷移(晚期HST上超點、FSST上超點),記錄各類上超點的三個要素,包括對應的沉積時間、橫向相對距離和縱向深度。關鍵界面點的沉積時間由渤海石油研究院研究提供,而其間內插點的沉積時間根據盆地內部對應等時點與關鍵界面間泥巖厚度占上下關鍵界面間泥巖總厚度的百分比來確定。橫向相對距離是相對于橫向某一基準點的位移,記錄中以地震剖面道號與道間距的乘積進行記錄。縱向深度以雙程時間與鄰近鉆井的VSP時深數據轉換得到。

制作湖平面變化曲線過程中選取盆底第一個上超點(漸新統的初始上超)為基準點,以沉積時間為縱軸,分別以橫向相對距離和縱向深度為橫軸繪制兩條曲線(圖4),一條曲線反映了岸線隨時間的遷移情況,另一條曲線則反映了湖平面升降幅度。

圖4 遼中凹陷古近紀漸新世湖平面變化Fig.4 Lake level changes of the Oligocene in Liaozhong depression

2.3 相對湖平面變化分析

遼中凹陷在漸新世存在四個比較明顯的湖平面升降旋回:38～36 Ma是第一個升降旋回,湖平面經過長時間的反復上升在中晚期達到最高水位,同時岸線后撤較多,湖盆擴大,后期在較短的時間內湖平面大幅回落,而岸線向前小規模推進;36～32.8 Ma是第二個湖平面升降旋回,早期湖平面在低位震蕩徘徊,中期湖平面迅速大幅上升達到一個很高的位置,同時岸線大幅后退,晚期湖平面小幅震蕩回落,而岸線向前推進很小;32.8～28.1 Ma是第三個湖平面升降旋回,也是沉積時間最長且沉積記錄最豐富的,早期湖平面突然上升到一個臺階之后轉為反復震蕩上升并達到漸新世最高水位和最大湖盆范圍,到30.3 Ma左右湖平面持續下降,岸線向前快速推進,反映了物源供給充足;28.1～25 Ma是第四個湖平面升降旋回,由于地層中頂部沉積大部分被剝蝕,地層記錄的湖平面只有一個緩慢上升的過程。

在對地震剖面濱岸上超點分析的基礎上,將湖平面變化曲線與遼中凹陷湖盆中心某鉆孔實測數據、沉積環境研究結果進行對比分析,可以得到湖平面變化趨勢與鉆遇的沉積相遷移密切相關(圖5)。

第一個湖平面升降旋回(38～36 Ma)在鉆孔中對應了SQs2層序中的辮狀河三角洲前緣沉積,但是前緣的推進情況與湖平面升降密切相關:低位期沉積物以砂體為主,顆粒粒徑較大,以前緣亞相中河口壩等微相砂體為主;湖侵期沉積物泥質含量明顯增高,砂體減少且主要為遠砂壩、席狀砂等微相砂體;高位期及湖平面下降期對應的沉積物砂體明顯增多、灰質成分有所增加,顆粒變粗,以河口壩等砂體為主。SQs2層序中沉積物從下向上的轉變過程,反映了沉積環境中沉積物進積-退積-加積-進積的過程,反映沉積物供給變化不大情況下湖泊水位從低位-水進-高位-水退的整體變化特征,與從地震上超點得出的相對湖平面變化規律一致。

第二個湖平面升降旋回(36～32.8 Ma)在鉆孔中對應了SQs1層序的中濱淺湖沉積。沉積物從下向上的轉變特征表現為灘壩為主-濱淺湖泥為主-灘壩、濱淺湖泥互層;且沉積物中灰質含量比較高,灰質含量變化表現為高-低-高,沉積物的微相變化和灰質含量變化均表現了湖泊水位從低位-水進-高位或水退的變化特征,與地震上超點得出的相對湖平面變化規律一致。

圖5 湖平面變化與沉積相變化對比柱狀圖Fig.5 Comparison histogram of lake level change and sedimentary facies

第三個湖平面升降旋回(32.8～28.1 Ma)在鉆孔中對應了三級層序SQd2的沉積。沉積物底部表現為一套低位發育的大型三角洲沉積,前緣砂體含量很高,而且這套低位三角洲在地震剖面上的前積、盆底下超現象特別明顯;沉積物中部以深湖-半深湖泥巖為主,泥巖中常夾厚度不等砂體,主要為濁積扇沉積;沉積物頂部為另一套三角洲前緣沉積,砂體以遠沙壩、河口壩微相為主。沉積物的縱向變化代表了沉積物的進積-退積-加積-進積特征,與相對湖平面變化曲線的總體特征低位-水進-高位、下降基本一致。另外,沉積物中的濁積扇沉積與湖平面變化中的次級波動對應很好,整個湖平面升降旋回中次級下降-低位期分別對應一套規模不等的濁積扇沉積,進一步反映了湖平面變化曲線的可信度較高。

第四個湖平面升降旋回(28.1～25 Ma)在曲線上表現為湖平面整體上處于低水平狀態,在鉆孔中對應的SQd1層序沉積物也主要為三角洲平原的河道沉積和三角洲前緣的水下分流河道沉積為主,三角洲沉積物向湖盆推進也從側面反映了湖平面整體低的特征。

綜上所述,通過對比重建的湖平面變化曲線和鉆井鉆遇沉積物的縱向變化,認為曲線真實地反映了遼中凹陷漸新世的湖平面變化特征,同時證明利用濱岸上超點反演湖平面變化的方法在陸相湖盆研究中是可行的。

3 結論

陸相盆地中,在地震數據精度較高的情況下,利用地震剖面上超點遷移方法重建相對湖平面變化是行之有效的方法,探討和實例研究得出以下結論:

(1)上超點類型分為5種,即LST上超點、TST上超點、早期HST上超點、晚期HST上超點和FSST上超點,通過記錄這些上超點上下遷移情況,可以繪制出湖盆岸線和湖平面升降幅度歷史;

(2)通過對渤海灣盆地遼中凹陷漸新統地層上超點統計,繪制了漸新世相對湖平面變化曲線,并將湖平面變化分為4個升降旋回,這些旋回與鉆遇沉積物縱向變化特征一致,可信度較高。同時4個湖平面升降旋回分別對應了漸新統4個三級層序,與前人層序劃分方案不同。

對相對湖平面變化分析過程中也發現了一些問題的存在:剝蝕作用造成濱岸上超點缺失,構造運動和壓實作用嚴重改造上超點信息,造成湖平面變化幅度過大、高頻湖平面變化難以體現等問題。因此在進一步研究中應充分考慮剝蝕上超點恢復、構造沉降和下部地層的去壓實作用。

References)

1 Sloss L L,Krumbein W C,Dapples E C.Integrated facies analysis [C]∥Longwell C R.ed.Sedimentary Facies in Geologic History.Memoir.Geological Society of America,1949,39:91-124

2 Vail PR,Mitchum RM Jr,Thompson S。Ⅲ,Seismic stratigraphy and global changes of sea level,Part4,Global cycles of relative changes of sea level[C]∥Payton C E.ed.Seismic stratigraphy;applications to hydrocarbon exploration.AAPG Memoir,1977,26:83-97

3 Mitchum R M Jr,Vail P R。,Thompson S.III,Seismic stratigraphy and global changesof sea level,Part2,The depositional sequence asa basic unit for stratigraphic analysis[C]∥Payton C E.ed.Seismic stratigraphy;applications to hydrocarbon exploration.AAPG Memoir, 1977,26:53-62

4 Posamentier H W,Vail P R.Eustatic controls on clastic deposition II-Sequence and systems tractmodels[C]∥Wilgus C K,etal。,eds.Sea-level changes:An integrated approach:Society of Economic Paleontologists and Mineralogists Special Publication,1988,42:47-69

5 Posamentier HW,Allen G P,James D P,etal.Forced regressions in a sequence stratigraphic framework:Concepts,examples,and exploration significance[J]。AAPG Bulletin,1992,76:1687-1709

6 Embry A F.Transgressive-regressive(T-R)sequence analysis of the Jurassic succession of the Sverdrup Basin[J]。Canadian Arctic Archipelago:Canadian Journal of Earth Sciences,1993,30:301-320

7 Plint A G,Nummedal D.The falling stage systems tract:Recognition and importance in sequence stratigraphic analysis[C]∥Hunt D,Gawthorpe R L,eds.Sedimentary response to forced regression.Geological Society of London Special Publication,2000,172:1-17

8 Catuneanu O,Abreu V,Bhattacharya JP,etal.Towards the standardization of sequence stratigraphy[J]。Earth-Science Reviews,2009, 92:1-33

9 Haq B U,Hardenbol J,Vail PR.Chronology of fluctuating sea levels since the Triassic(250 million years ago to present)[J]。Science, 1987,235:1156-1166

10 Bilal U Haq,Stephen R Schutter.A chronology of Paleozoic sea-level changes[J]。Science,2009,322:64-68

11 Yuval Bartov,Yehouda Enzel,Maomi Porat,et al.Evolution of the Late Pleistocene-Holocene dead sea basin from sequence stratigraphy of fan deltas and lake-level reconstruction[J]。Journal of Sedimentary Research,2007,77:680-692

12 賈愛林,何東博,郭建林,等。扇三角洲露頭層序演化特征及其對砂巖儲集層的控制作用[J]。石油勘探與開發,2004,31(增刊):103-105[Jia Ailin,He Dongbo,Guo Jianlin,et al.Sequence evolution of fan-delta outcropsand its controlling on the sandstone reservoirs[J]。Petroleum Exploration and Development,2004,31(suppl。):103-105]

13 王躍,戴春秋,楊紅霞,等。年代地層和海(湖)平面相對升降變化的映射聯動解釋分析[J]。石油物探,2000,39(3):92-99 [Wang Yue,DaiChunqiu,Yang Hongxia,etal.Linkage interpretation between chronostratigraphy and relative change of sea(lake)level[J]。Geophysical Prospecting for Petroleum,2000,39(3):92-99]

14 吳偉,林暢松,董偉,等。遼中凹陷古近系東營組高精度層序地層及沉積體系分析[J]。地質科技情報,2011,31(1):63-70[Wu Wei,Lin Changsong,Dong Wei,et al.High-resolution sequence stratigraphy and depositional system analysis of Dongying Group,Pa-leogene,in Liaozhong Depression[J]。Geological Science and Technology Information,2011,31(1):63-70]

15 朱筱敏,董艷蕾,楊俊生,等。遼東灣地區古近系層序地層格架與沉積體系分布[J]。中國科學D輯:地球科學,2008,38(增刊):1-10[Zhu Xiaomin,Dong Yanlei,Yang Junsheng,et al.Paleogene sequence stratigraphic framework and distribution of depositional systems in Liaodong Bay[J]。Science in China,Series D:Earth Sciences,2008,38(Suppl。):1-10]

Reconstruction of O ligocene Lake Level Change through Onlap Points: A case from Liaozhong Depression,Bohai Bay Basin

WUWei1LIN Chang-song2LIU Jing-yan2LAIWei-cheng3LIQuan2LüJia-kang1
(1.Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454003; 2.China University of Geosciences,Beijing 100083; 3.Tianjin Branch of CNOOC.Tianjin 300452)

Standard sequence involve HST,TST,FSST and LST.Through analyzing the features of onlap points in the systems of standard third-order sequences,the onlap points of a standard sequence can be divided into five kinds, which are onlap points of LST,onlap points of TST,onlap points of early HST,onlap points of late HST and onlap points of FSST;and bring forward the way of inverting lake level change history by counting onlap points in the sequence.Use thismethod,which can be used in conjunction with the features of stratigraphic section in Liaozhong depression,the Bohai Bay Basin;on the basis of dividing third-order sequences,count the onlap points and plot a coastal process curve and a lake level eustasy extent curve,and divide Oligocene into four lake level eustasy cycle,then, through contrasting the vertical variation of drilling sediment,we find that the lake level is highly confident curve,it also proves that the way of inverting lake level change by counting onlap points is practicable in the study of continental paleolimnology.

onlap points;lake level change;Oligocene;Liaozhong Depression

吳偉 男 1979年出生 博士 講師 含油氣盆地分析 E-mail:wei@hpu.edu.cn

P618.13

A

1000-0550(2011)06-1115-07

①國家自然科學基金項目(批準號:41102059)與河南理工大學博士基金(編號:B2011-073)聯合支助。

2010-11-20;收修改稿日期:2011-03-14