松遼盆地嫩江組層序構型及其沉積演化①

黃 薇 張 順 張晨晨 魏 巍

(1.中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發研究院 黑龍江大慶 163712;2.北京大學地球與空間科學學院 北京 100087)

層序內部結構、沉積充填樣式及對盆地構造活動的響應一直是含油氣盆地研究的重點，但這多集中于陸相斷陷盆地或海相盆地中［1，2］。松遼盆地經過半個多世紀的系統研究及勘探開發實踐，積累了豐富的資料，在層序與沉積地質學方面取得了多項創新性認識［3，4］。因此，本文通過對松遼大型陸相坳陷盆地嫩江組不同類型層序結構及其動力學機制的深入分析，闡明不同類型層序結構及其動力學機制控制下的沉積充填響應，對深入認識大型陸相坳陷湖盆沉積過程具有極其重要的意義。

1 地質背景

松遼盆地位于中國東北，面積26×104km2，屬于中、新生代大型陸相坳陷型盆地。根據地層分布及結構特征劃分6個一級構造單元，31個二級構造單元。盆地蓋層厚度超過10 000 m，由斷陷期、坳陷期及反轉期3個一級構造層序11個二級層序和31個三級層序所構成［5，6］。斷陷層序具有斷陷湖盆、沖積扇、扇三角洲形成的泥巖、砂礫巖、火山巖夾煤系地層構成的巖性組合，坳陷層序具有大型河流與大型湖泊—三角洲沉積的砂、泥巖及油頁巖交互形成的巖性組合，其中青山口組及嫩江組兩個湖泛期形成的廣泛分布的兩套油頁巖既是地層劃分對比的標準層和層序識別的典型界面，又是優質烴源巖和良好蓋層。嫩江組是第二個湖泛期形成的一套大型湖泊—三角洲相沉積地層，上覆小型淺水湖泊與河流相沉積形成的砂巖、砂礫巖及泥巖構成的反轉期地層。

2 嫩江組層序構型

2.1 層序界面

層序界面的識別主要通過地震、測井和巖相特征來進行，這也是層序地層學確定各級層序界面的常規技術手段［7～9］。根據上述方面的特征嫩江組共識別出1個二級層序界面、2個三級層序界面及8個能夠記錄湖平面變化的四級層序界面(圖1，2)。二級層序界面常常是區域構造階段性演化的直接產物，表現為典型的構造不整合［10，11］。SB03是嫩江組頂界面，在地震剖面上可見明顯上超下削反射特征，表明松遼盆地經歷了一次強烈擠壓抬升過程，屬于二級層序界面。三級層序界面多為低角度和微角度不整合，其成因常因基準面下降引起侵蝕不整合，不整合面向凹陷中心延伸多變為整合面［10］。嫩江組發育2個三級層序界面SB04和SB1，其中SB04是松遼盆地嫩江組五段底界面，在盆地西部斜坡區界面之上表現為向西的不斷前積和下超，而界面之下則表現為對下伏地層的削截，在盆地中部界面上下仍然表現為下超和削截。SB1是嫩江組底界面，在盆地中部和東部地層成平行接觸關系，僅在盆地西部地層以低角度上超到該界面之上，在東西向沉積剖面上發現SB1完全分隔了上覆半深湖—深湖沉積體系和下部的三角洲—濱淺湖沉積體系(圖2)。

圖1 松遼盆地嫩江組綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive stratigraphic column of the Nenjiang Formation in the Songliao Basin

圖2 松遼盆地嫩江組東西向層序地層與沉積相剖面(位置見圖3)Fig.2 The profile of the K2n east-west orientation sequence stratigraphyic and sedimentary facies in the Songliao Basin(location in figure 3)

四級層序只是時限更短一些的三級層序，層序結構沒有根本性差異，主要是看三級層序劃分尺度，以湖泛面或局部侵蝕面及對應的整合面為界面［12］。嫩江組四級層序界面主要是在三級層序地層單元內次一級的短期水進界面，共識別出8個四級層序界面，其中SB07為嫩江組二段油頁巖底界面，其它6個四級層序界面將三級層序Ⅱ2-2分隔為7個四級層序，各對應一個向盆地西側推進的前積體，上部被SB04不整合面所削截，下部底超在SB07界面上。界面是SB03和SB04之間的一個四級界面，是嫩江組沉積末期河流相沉積環境基準面發生小的波動所形成界面(圖2)。

2.2 嫩江組層序地層格架

嫩江組是以SB03及SB1為頂底界面、以SB07為對稱界面的水進—水退型層序，嫩江組一段是水進體系域形成的退積型層序，嫩江組二、三、四、五段是高位及低位體系域形成的進積型層序。SB04界面將嫩江組分為2個三級層序，其中嫩江組一、二、三、四段為一個三級層序，嫩江組五段為一個三級層序。依據各級界面結構特征及所代表地質事件將嫩江組劃分10個四級層序，其中四級層序N2～N6均具有向SB07收斂的空間展布特征，并且形成由東向西依次前積的疊瓦狀結構。因此，每一個四級層序界面代表一次等時的物源供應，在每一套四級層序內部由東到西橫向上表現出三角洲前緣砂體—前三角洲—湖相的相遷移。縱向上由下至上表現出前三角洲—三角洲前緣—三角洲平原的相連續或者前三角洲—三角洲平原的相躍遷(圖2)。

3 嫩江組沉積演化

3.1 水進層序控制下的沉積響應

嫩江組一段N1層序沉積時期，是松遼盆地晚白堊世發生的第二次大規模湖侵，地層最大厚度超過150 m。初期湖盆迅速擴張湖水覆蓋了大部分湖盆，物源主要來自盆地北部(圖3)，最大水深超過150 m。N1層序沉積末期湖盆面積進一步擴大，最大時期超過20×104km2［13］。N1層序主要發育南北向低角度退積型三角洲，其前緣相帶分布較寬，具有前緣相帶寬大、平原相帶窄小的特點。利用16 000 km2三維地震在盆地中央坳陷區三角洲前緣發現了大型湖底濁積水道系統。這一水道系統來自盆地北部三角洲前緣部位，水道末端發育規模不等的濁積扇(圖3，圖4)。濁積水道總體由北向南延伸，直線延伸最大距離超過70 km，水道最大寬度超過600 m，一般為300 m。在水道末端深湖區形成濁積扇，濁積扇沉積厚度在0.5～8 m，巖性上小型濁積水道末端形成的扇體以泥質為主，較大型濁積水道末端形成的濁積扇以砂質為主。這些濁積水道形成的觸發機制目前尚不清楚，推測可能是地表河流由于洪水作用直接進入深湖區形成［13，14］。

圖3 松遼盆地嫩江組一段沉積相圖Fig.3 The distribution of the K2n1sedimentary facies in the Songliao Basin

3.2 水退層序控制下的沉積響應

圖4 松遼盆地大慶長垣N1層序濁積水道三維地震振幅屬性解釋圖(位置見圖3)Fig.4 Daqing Placanticline N1 sequence turbidite channels by using the 3-D seismic amplitude attribute interpreting in the Songliao Basin(location in figure 3)

嫩江組N2～N10層序發育時期，松遼盆地進入反轉階段，最初由于盆地東部抬升，導致盆地開始大規模持續湖退，沉積范圍由東向西逐漸減小，沉積中心也隨之逐漸向西遷移，此時物源方向發生了90°重大變化，由原來南北向轉變為東西向，在盆地東部抬升影響下沉積物快速向湖區推進，形成一系列高角度進積型三角洲(圖2，5)。此時在N2～N6層序底部形成了厚度10～15 m全盆地分布的油頁巖密集段覆蓋在SB07界面之上，測井曲線表現為大段泥巖中的鐘形高電阻值特征，地震上為強振幅連續的T07反射軸，是全盆地地層對比的標志。利用三維地震振幅屬性分析技術及測井資料在N5層序發現沿著三角洲前緣走向在湖相區南北向發育眾多的滑塌扇體(圖5，6)，分析是因為快速進積形成的高角度三角洲沉積體由于重力作用發生滑動而形成。這些滑塌扇體規模大小不等，單體面積分布在20～150 km2，但總體具有由南向北規模逐漸增大的特點。N8層序沉積時期三角洲沉積體系延伸范圍較遠，河流作用明顯加強，泛濫平原分布范圍比較大。N9～N10層序沉積時期盆地整體萎縮，沉積規模明顯減小，此時盆地主要發育大型河流沉積體系，河流一直延伸到西部超覆帶，大型湖相—三角洲相沉積消失。總體上嫩江組水退層序東部物源體系對盆地沉積影響最大，始終是主要物質供給區，隨著沉積基準面下降和沉積中心向西遷移，沉積物逐漸向西推進，最后湖泊消失河流相覆蓋全盆地，但局部存在零星小型淡水湖泊，整體屬于河流相環境。嫩江組之后盆地發生了一次構造活動，發育了T03不整合界面，由此進入盆地新演化階段。

圖5 松遼盆地嫩江組N5層序沉積相圖Fig.5 N5 sequence sedimentary facies of the K2n in the Songliao Basin

4 層序結構與沉積演化的動力學機制

圖6 松遼盆地LMD滑塌扇三維地震振幅屬性分析圖(位置見圖5)Fig.6 LMD sluming fans of 3D-seismic amplitude attributes analysis in the Songliao Basin(Location in figure 5)

松遼盆地嫩江組層序結構與沉積演化受盆地反轉擠壓構造活動以及湖平面變化和物源供給三個主要因素的控制。由于伊澤奈奇(Izanagi)板塊消亡及庫拉(Kula)板塊形成，板塊脈動式俯沖加強［15，16］，松遼盆地受幕式擠壓應力作用使東部反轉幅度大，西部反轉幅度小，反轉擠壓應力的幕式活動控制了三級及四級層序界面發育。嫩江組一段沉積時期板塊俯沖作用減弱，盆地應力松弛轉為下沉水進時期，進入第二次湖泛期，在姚家組與嫩江組之間形成了SB1界面，屬于初始湖泛面。SB03 形成于 73 Ma［4，17］，由于太平洋板塊俯沖加強，使松遼盆地由于強烈擠壓產生東西差異隆升，使SB03界面產生削截，并在盆地邊部產生角度不整合。SB07界面位于SB03與SB1之間，是湖盆進入最大湖泛期形成的最大湖泛面，以油頁巖為標志層。層序N2到N8沉積時期由于大洋板塊向歐亞板塊俯沖形成較低級別幕式擠壓作用，使盆地東部抬升產生的豐富物源快速供給及西部較小的構造沉降速率，導致在SB04界面之下發育下超于SB07界面之上的進積型層序，于是在盆地范圍內形成了可追蹤的四級層序界面 SB06［1～6］。

5 水退層序構型的意義

5.1 油頁巖凝縮層的等時性

松遼盆地嫩江組水退型四級層序N2～N7依次由東向西向SB07界面收斂，在底部形成厚度約10～15 m以油頁巖為標志的凝縮層。從水退層序的前積結構分析，這套油頁巖凝縮層是進積型三角洲向深水延伸部分，相序為深湖相油頁巖凝縮層—濱淺湖相泥巖—三角洲前緣相粉砂巖及河口壩砂巖—三角洲平原點壩相砂巖。因此，油頁巖凝縮層底界面SB07具有等時性，而頂部邊界具有穿時性。這與一些地質學家認為凝縮層頂底界面都不具有等時性觀點有所不同［18］。

5.2 海侵觀點的討論

有關松遼盆地晚白堊世青山口組及嫩江組發生過兩次“海侵事件”的觀點一直存在爭論［19～28］。本文認為嫩江組油頁巖是在水退層序控制下盆地逐漸萎縮過程中形成的，隨著水退層序的發育及三角洲每一次進積，都伴隨水體濃縮并使鹽度增加，在深湖區形成強還原環境并形成了油頁巖濃縮層。因此，嫩江組油頁巖的形成在時間范圍內幾乎占據了湖盆整個抬升萎縮過程的水退旋回。另外以東部物源為主的水退層序結構也阻隔了“海侵事件”通道，這也從層序地層和沉積地質學方面提出了松遼盆地嫩江組發生過“海侵事件”觀點的反證。

5.3 水退層序的石油地質意義

水退層序存在最大湖泛面和疊瓦狀前積結構，在地震剖面上易于識別，因此，在層序與沉積研究中可操作性強。同時層序底部沉積的湖相泥巖及油頁巖既可成為良好的烴源巖又是區域性有效蓋層，而水退層序內部的三角洲前緣席狀砂體及河口壩砂體是油氣良好儲集層。松遼盆地勘探實踐及理論研究均表明有90%石油資源蘊藏在水退層序內部及其下部地層中［3］，因此，水退型層序可作為陸相含油氣盆地優選的結構性標志，在油氣勘探中具有重要的石油地質意義。

6 結論

(1)松遼盆地嫩江組具有以初始湖泛面和構造返轉界面為邊界、以最大湖泛面為對稱面的水進—水退型層序結構，2級和3級層序受太平洋構造域板塊活動的控制，四級層序受短期幕式構造活動所控制的湖平面變化和物源因素的控制。水退層序具有東部削截、西部上超、底部下超的特點。

(2)嫩江組水進—水退型層序的結構特點控制了深湖—半深湖相、三角洲相及河流相沉積環境的有序分布。水進型層序控制了退積型三角洲、大型濁積水道及濁積扇的發育，三角洲具有低角度、大前緣多水下分流河道的特點。水退型層序控制了進積型三角洲、大型滑塌扇體的發育，三角洲具有高角度、小前緣水下分流河道不發育的特點。

(3)嫩江組發育的油頁巖凝縮層是在水退層序的遠端深湖—半深湖環境形成的，包含了湖盆萎縮的整個時間跨度，其頂部邊界不具等時性，但其底部最大湖泛面SB07為等時界面。因此，這也說明嫩江組油頁巖并不是“海侵事件”的產物。

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