遼河盆地東部凹陷古近系沙河街組層序地層及沉積相研究

劉曉晶， 謝慶賓,2， 徐 翔， 李 軍， 王旅麗， 宋一帆

(1. 中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249； 2. 中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 3. 中國石油遼河油田分公司 勘探開發研究院，遼寧 盤錦 124010 )

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遼河盆地東部凹陷古近系沙河街組層序地層及沉積相研究

劉曉晶1， 謝慶賓1,2， 徐 翔1， 李 軍3， 王旅麗1， 宋一帆1

(1. 中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249； 2. 中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 3. 中國石油遼河油田分公司 勘探開發研究院，遼寧 盤錦 124010 )

根據巖心、測井和地震資料綜合分析結果，研究遼河盆地東部凹陷沙河街組層序地層劃分、沉積相類型及展布特征,東部凹陷沙河街組層序地層格架中識別出3個三級層序界面(SB1、SB2和SB3)，劃分2個三級層序(SQ1和SQ2)；識別出沖積扇相、扇三角洲相、辮狀河三角洲相、濁積扇相和湖泊相等沉積相類型.基于層序地層格架的劃分和層序格架沉積砂體的特征研究，結合巖心相、測井相及地震相分析，繪制東部凹陷沙河街組不同層序的沉積相平面展布圖.根據東部凹陷沙河街組沉積相空間展布及演化規律，結合沉積相分布控制因素分析，提出東部凹陷沙河街組沉積相模式,盆地陡坡帶短距離搬運的沉積物質在陸上堆積形成沖積扇，進入水體發育扇三角洲、濁積扇體等；緩坡帶沉積物搬運距離相對較遠，多發育辮狀河—辮狀河三角洲等遠源沉積體系.

層序地層； 沉積相； 沉積模式； 沙河街組； 古近系； 東部凹陷； 遼河盆地

0 引言

遼河坳陷位于渤海灣盆地的東北部，是在古隆起背景上發育起來的中、新生代疊復大陸裂谷盆地.在新生代構造作用影響下，渤海灣盆地形成以北東、北北東向為主的斷裂體系和凹凸相間的裂谷型構造系統，控制盆地“三凹三凸”的構造格局和發育特征.其中研究區東部凹陷北抵頭臺子，南至遼東灣，呈北東—南西向窄條形展布在東部凸起和中央凸起之間，為東陡西緩的不對稱箕狀斷陷，長度約為140 km，寬度為18～30 km，面積約為3 300 km2.

隨著勘探程度的逐步提高，東部凹陷純粹的由構造控制的油氣藏愈來愈少，勘探難度更大，其中遼河坳陷在裂陷過程中既發育背斜等構造油氣藏，也發育大量的受地層和巖性控制的地層巖性油氣藏.杜金虎等提出互補論觀點，認為含油氣盆地(或凹陷)在油氣資源量一定的條件下，在不同構造帶、不同構造部位發育的隱蔽油藏與構造油藏，在資源總量和油氣分布上具有明顯的互補性[1]；林暢松等在研究渤海灣盆地時指出，構造坡折帶是巖性油氣藏形成的極有利部位[2]；馮有良提出，盆緣溝谷和構造坡折帶控制的層序低位域、高位域砂體是巖性油氣藏的主要儲集體[3]；李丕龍等建立斷陷盆地“斷坡控砂”模式，即陡坡帶為“溝—扇對應”控砂，緩坡帶為“坡折帶”控砂，提出“相勢控藏”的理論認識[4]；劉震等認為大型的巖性油氣藏主要分布在3種儲集相中，即濁積扇、(扇)三角洲和近岸水下扇[5]；李建平、武繼躍、姜濤等認為，渤海灣盆地、松遼盆地層序凸起邊緣及斜坡帶三角洲前緣砂體、濁積扇和湖底扇是形成隱蔽油氣藏的有利區帶[6-8].

田繼軍、董偉等應用層序地層學方法，通過不整合面、各級水進或水退面分析，劃分體系域，識別沉積體系，圈定砂體分布是進行巖性地層圈閉研究的有效途徑[9-10]；袁井菊等將古近系劃分為7個中期基準面旋回[11].王華等認為構造因素在斷陷盆地層序形成中具有主要控制作用[12]；季東民、李宏偉等認為郯廬斷裂走滑活動控制盆地的發育演化[13-14]；樊愛萍、高華麗、回雪峰等認為，東部凹陷控制性邊緣斷裂內側的陡坡帶、對側的緩坡帶，以及洼陷帶顯示的層序構成樣式、沉積體系特征一般明顯不同[15-17].對東部凹陷的研究多將盆地分南北段進行分段層序及沉積體系分析，且主要針對西部緩坡帶，未見盆地沉積體系的平面分布研究.筆者結合斷陷盆地層序地層研究成果，探討其陡坡帶、緩坡帶和洼陷帶沉積體系類型及分布、演化規律，確定油氣勘探的有利區帶，為東部凹陷巖性油氣藏勘探開發提供地質依據.

1 地質概況

圖1 遼河盆地東部凹陷地理位置

遼河盆地東部凹陷位于渤海灣盆地的東北部(見圖1)，以區域性的張性裂陷為主，經歷盆地的伸展裂陷和裂谷走滑兩個階段，古近紀以斷陷為主，新近紀以坳陷為主.東部凹陷沙河街組的構造演化可分為2個期次，即沙三的斷陷期和沙一、沙二的斷坳轉換期[18].在區域隆起的背景上，盆地形成以正斷層為主的地塹、半地塹組成的復雜地塹系[19]，斷裂十分發育，北東向、北西向和近東西向三組斷裂交織、組合，構成復雜斷裂系統.主干斷裂系在研究區一般呈北東向展布，以主要斷裂為界，結合沉積充填及地層發育特征，東部凹陷由西向東可劃分為3個構造帶：西部緩坡帶、中央深陷帶和東部陡坡帶.凹陷基底巖性為上太古界至元古界變質巖系、古生界和中生界沉積巖系.古近系自下而上為房身泡組、沙河街組、東營組地層，其中沙河街組為沉積充填的主體，沉積一套巨厚的陸相碎屑巖，分布范圍廣，且伴有火山巖沉積.由于區域構造運動強烈，東部凹陷地層分布具有厚度變化大、分割強、縱橫向變化快等特征.

2 層序地層格架

2.1 層序地層劃分

陸相盆地層序的形成和演化主要受控于區域性構造事件或幕式構造旋回，斷陷湖盆主要受盆緣斷裂控制[20].根據層序地層學，利用巖心、鉆井和測井等資料，結合三維地震剖面反射終止特征，識別研究區沙河街組三級層序界面.三級層序界面上常見巖性突變或沖刷侵蝕面及暴露標志(見圖2)，代表沉積環境的突變；測井曲線上可見進積—退積組合樣式變化的測井相轉化面、突變面，體現沉積旋回疊加樣式的變化(見圖3)；地震剖面上見限于盆地邊緣的構造削截、削蝕面或沉積超覆面，具明顯上超、削截等地震反射終止關系[21].在東部凹陷沙河街組識別出3個三級層序界面(SB1、SB2和SB3)，將東部凹陷沙河街組劃分成2個三級層序(SQ1和SQ2)，分別相當于沙河街組沙三段和沙一、二段，并進一步把沙河街組沙三段(SQ1)劃分為低位體系域(LST)、湖侵體系域(TST)、高位體系域(HST)(見圖4).

圖2 東部凹陷沙河街組巖心照片

圖3 東部凹陷沙河街組測井曲線特征

圖4 東部凹陷沙河街組層序地層劃分

2.2 層序特征

SB1對應于沙三段底界，具有區域性不整合面的性質.在鉆井剖面上對應于一個巖性的突變面，沙三段底部砂巖或深灰色泥巖段與房身泡組玄武巖或暗紫紅色砂泥巖互層段接觸，或直接與前震旦系花崗片麻巖、中生代安山巖接觸，測井曲線上表現為明顯的電性曲線幅值突變.SB2為沙一、二段與沙三段的分界面，是一個區域性不整合面，沙三段砂礫巖相與沙二段泥巖相之間呈巖性與電性突變.SB3為東營組與沙一、二段的分界面，在盆地內大部分地區呈平行不整合，沙一段頂部泥質沉積與東營組底部的砂礫巖體之間存在巖性突變，且測井曲線明顯突變.層序界面在地震剖面上對應于強振幅、連續性好的同相軸，可區域性追蹤對比，界面之上為上超現象，界面之下為局部削截(見圖5(a)).

SQ1層序是層序界面SB1與SB2界定的層序單元，對應于沙三段，為盆地裂谷發育的主要時期，斷裂構造運動活躍，伸展構造體系發育.SQ1層序下部低位體系域時期，盆地初始沉降，可容空間增大，形成進積式準層序組.地震剖面上同相軸連續性較差，常出現楔形雜亂相、透鏡狀相、河道充填相等低位體系域的典型地震相(見圖5(b)).將首次越過斷裂坡折帶的同相軸對應的界面定為初始湖泛面，界面之上可見明顯的上超現象，鉆井剖面上可見一套塊狀砂礫巖體與深灰色泥巖的突變面.初始湖泛面之上為湖進體系域，此時盆地劇烈深陷，可容空間的增長速率大于沉積物供應速率，盆地處于欠補償狀態，湖平面上升，廣大陸上環境處于水下.湖進體系域上段可見厚層暗色泥巖，是湖平面相對上升到最大時即最大湖泛面處的穩定沉積.在該界面處表現出自然伽馬高值和電阻率低值，地震剖面上表現為一個中強振幅、連續性好的同相軸，在盆地內分布穩定且可連續追蹤.最大湖泛面之上為高位體系域，處于盆地裂谷伸展的晚期，盆地斷裂活動趨向減緩，沉積物供應速率大于可容空間的增長速率，湖盆水體明顯變淺.高位體系域在地震剖面上同相軸呈中強振幅、連續性較好等特征，盆地內可連續追蹤.

SQ2層序是層序界面SB2與SB3界定的層序單元，對應于沙一、二段，其中沙二段分布局限，僅在北部和中部部分地區發育.SQ2層序時期為東部凹陷古近系由裂谷伸展作用轉向以走滑作用為主的過渡階段，以穩定沉降為特征.地震剖面上同相軸呈弱振幅、連續性差反射特征，該層序連續性一般，頂部可見削截現象(見圖5(c)).圖5中黃色實線代表斷層線，紅色、藍色、綠色虛線代表三級層序界面，橙色、紫色實線代表體系域界面.

圖5 東部凹陷沙河街組層序邊界地震反射特征

3 沉積相類型及特征

根據巖心、測錄井及地震剖面等資料，東部凹陷沙河街組識別出沖積扇相、扇三角洲相、辮狀河三角洲相、濁積扇相、風暴巖相和湖泊相等沉積相類型.

3.1 沖積扇相

東部凹陷古近紀構造活動強烈，物源充足時在東、西兩側斜坡帶較陡部位廣泛發育沖積扇相，主要發育在SQ1的LST和HST時期，盆地西部斜坡上多個扇體平面上連片發育，東部陡坡帶中南段發育的扇體規模較小.研究區扇根沉積物多為洪水期泥石流雜色礫巖(見圖6(a))和辮狀礫質河道砂礫巖，礫巖底部具沖刷面(見圖6(b))，常見篩積物或充填礫石之間的黏土、粉砂和砂等基質，扇根相電阻率和自然電位曲線呈齒化漏斗形或齒化箱形.研究區扇中辮狀河道沉積巖性以礫巖、含礫砂巖為主，夾有灰綠色泥巖和粉砂質泥巖，礫石多呈疊瓦狀排列，可見辮狀河流形成的平行層理和交錯層理，視電阻率曲線常表現為高幅鋸齒狀，顯示正韻律組合特征，曲線為箱形或鐘形(見圖7(a)).扇端與辮狀河的泛濫平原交互出現形成廣泛的沖積平原，沉積物主要為細粉砂巖，測井曲線表現為低幅齒形，呈指狀.沿物源方向地震剖面上，可識別沖積扇相，整體呈丘形雜亂反射，內部呈空白或斷續狀(見圖8(a)).

3.2 扇三角洲相

扇三角洲是東部凹陷陡坡帶的主要沉積相類型，在SQ1的TST時期，盆地劇烈裂陷且湖平面上升，來自東部凸起和中央凸起的碎屑物直接推進到洼陷區形成扇體，陡坡帶扇體多緊鄰物源區直接入湖，斜坡帶扇體緊鄰陸上沖積扇發育，多在水下形成連片的沖積平原及朵葉體.研究區扇三角洲平原亞相廣泛發育分流河道微相，巖性以灰色或雜色礫巖、砂礫巖為主(見圖6(c))，自然伽馬曲線形態表現為齒化箱形、齒化鐘形，電阻率曲線以齒化鐘形最為常見.扇三角洲前緣以水下分流河道微相為主，巖性由成分成熟度低的砂礫巖、含礫砂巖和砂巖組成，其上多含泥礫等滯留沉積物，常見粒序層理、槽狀交錯層理、砂紋層理等(見圖6(d))，底部可見沖刷現象，電性特征多表現為齒化箱形或鐘形(見圖7(b)).水下分流河道間由灰、深灰色細砂、粉砂及灰綠色泥巖組成，發育波狀層理、透鏡狀層理及壓扁層理等，電測曲線呈指狀.河口砂壩主要巖石類型為粉—細砂巖及泥巖，砂巖粒度相對較細、分選性好，電測曲線呈中—高阻漏斗形.前扇三角洲亞相巖性主要為灰黑色泥巖夾薄層粉砂巖，前端為半深湖的暗色泥巖.地震剖面上，可見一系列清晰的前積層分別與頂積層和底積層呈頂超和下超的接觸關系的扇三角洲沉積特征(見圖8(b)).

圖6 東部凹陷沙河街組巖心照片

圖7 東部凹陷沙河街組沉積相特征

圖8 東部凹陷沙河街組典型地震相剖面

3.3 辮狀河三角洲相

辮狀河三角洲在SQ1的HST和SQ2時期廣泛發育，西部緩坡帶地形寬緩，沖積扇上的辮狀溝道不斷發育演化形成辮狀河，攜帶陸源碎屑物質進入湖泊后，在西部緩坡帶形成廣泛分布的辮狀河三角洲沉積體系.辮狀河三角洲平原亞相上辮狀河道沉積以含礫砂巖、中—粗粒砂巖為主，分選較差，垂向上為正韻律的疊置層，底部發育沖刷充填構造，辮狀河道垂直水流方向剖面呈透鏡狀，可見大型板狀、槽狀交錯層理及平行層理(見圖6(e-f)).辮狀河道的遷移擺動形成沖積平原，以氧化色泥質沉積為主.辮狀河三角洲平原亞相自然電位曲線多呈箱形、鐘形，電阻率曲線呈高值尖峰狀(見圖7(c)).水下分流河道是辮狀河三角洲前緣亞相的主體部分，是平原辮狀河道在水下的延伸，沉積物粒度較細，以中細砂巖為主.前緣亞相還發育席狀砂微相，巖性以粉砂巖為主，發育小型的波狀層理、波狀交錯層理等.順物源方向，地震反射具有典型的三層結構，即頂積層、前積層和底積層，可見S型—斜交復合型前積反射、疊瓦狀前積反射、弱幅斷續丘狀反射；垂直物源方向，扇體呈席狀反射，內部為平行結構(見圖8(c)).

3.4 濁積扇

研究區盆地中央在SQ1的TST時期尤為發育深水濁積扇體，巖性由深灰色泥巖夾中細砂巖，分選和磨圓差，砂巖厚度小，鮑瑪序列發育(見圖6(g)).研究區主要發育鮑馬序列A-C段，A段正遞變粒序清楚，B段可見平行層理，C段常出現小型流水型波紋層理，粉砂巖或泥質粉砂巖中可見包卷層理(見圖6(h))、滑塌構造等.自然電位曲線呈齒化箱形、鐘形，視電阻率曲線上多見齒狀高阻尖峰(見圖7(d)).地震剖面上，濁積扇體常發育在同生正斷層的下降盤，順物源方向可見外形呈丘形，內部為弱振幅、連續性差的雜亂前積反射結構；垂直物源方向，可見雙向前積反射特征(見圖8(d)).

3.5 湖泊相

東部凹陷為典型斷陷盆地，在盆地的整個發育期存在湖泊相的沉積環境，在SQ1的LST時期凹陷內呈長條狀分布數個孤立的積水湖，在TST和LST時期凹陷內廣泛發育湖泊相沉積，且以半深湖—深湖為主，濱淺湖在西部緩坡帶和茨榆坨基底凸起帶、三界泡基底凸起帶及東部凸起的邊緣地帶發育；SQ2早期湖盆明顯萎縮，晚期湖盆范圍擴大，廣泛發育湖泊相沉積.研究區濱淺湖亞相自然電位曲線呈低中幅齒狀的箱形或漏斗形，視電阻率曲線多呈低至中幅的箱形或漏斗形，同相軸呈中高振幅、連續性好的平行—亞平行狀.半深湖—深湖亞相沉積物以含豐富有機質的暗色泥巖為主，常夾有粉砂質泥巖及油頁巖，可見結核狀黃鐵礦.主要發育水平層理，可見生物擾動，偶見風暴沉積(見圖6(i)).電測曲線較平直，砂巖層可見鋸齒狀尖峰，自然伽馬曲線也較平直.地震剖面上，湖泊相沉積地層具有中高振幅、連續性好的平行—亞平行反射結構，局部可見弱振幅、低連續性的空白反射結構.在SQ2時期西部緩坡帶的開闊湖岸處發育灘壩沉積，自然電位曲線多為齒化漏斗形和寬幅對稱指形，地震反射同相軸呈中振幅、中連續的短軸狀.

4 沉積演化序列及沉積相模式

根據巖性、沉積構造、測井曲線特征進行單井沉積相劃分，結合地震相邊界約束，建立沉積相剖面并分析剖面相體系，由區域構造演化和物源體系的控制模式確定研究區沉積相帶的平面展布.

4.1 沉積相縱向分布特征

斷陷盆地控制性邊緣斷裂內側的陡坡帶、對側的緩坡帶，以及洼陷帶顯示的層序構成樣式、沉積體系特征一般明顯不同.根據巖心觀察結果，結合巖性、電性特征，選取不同構造部位單井，對關鍵井進行單井沉積相的劃分.董1井位于東部凹陷西部斜坡地帶，鉆遇層位從沙三中亞段到沙一段，缺失沙二段，發育的沉積相以扇三角洲、沖積扇和辮狀河為主(見圖9(a)).駕15井位于東部凹陷東部陡坡帶附近，鉆遇層位為沙三上亞段和沙一段，缺失沙二段，鉆遇主體為沖積扇和扇三角洲(見圖9(b)).

4.2 沉積相平面展布特征

根據關鍵井單井相和連井相剖面分析結果，結合地層厚度、砂巖厚度、砂地比和沉積構造分布特征等，繪制東部凹陷沙河街組不同層序的沉積相平面展布圖.

沙三段沉積期是伸展裂陷的主要發育時期，盆地強烈斷塊活動導致劇烈沉降，形成廣泛的淺湖—半深湖—深湖環境，沉積分布較廣的沙三段中下部大套泥巖，沙三段沉積早期在凹陷的西部緩坡發育沖積扇、扇三角洲相，東部的陡坡帶多發育沖積扇相，且為粗粒扇體沉積(見圖10(a))；其后，盆地沉降幅度減慢，周緣物源區的多條水系注入湖盆，經過長期的沉積充填作用，沙三段沉積晚期，先前存在的溝谷縱橫、高差明顯的裂谷已基本填平，充填三角洲到辮狀河三角洲過渡類型沉積(見圖10(b))；沙三段沉積末期，全區抬升，局部地區甚至露出水面而遭受剝蝕，水體范圍較廣，為濱淺湖的沉積環境，以濱淺湖、遠源辮狀河—辮狀河三角洲沉積為主(見圖10(c)).沙二段—沙一段是在沙三段末期抬升的背景上新一次擴張、斷陷，沙一段沉積期是本區古近紀湖盆范圍最廣闊的時期，是在沙三段末期準平原化背景下形成的廣泛淺水環境，以淺湖環境的扇三角洲及水陸交替環境沉積為主(見圖10(d)).

圖9 東部凹陷單井相

圖10 東部凹陷沙河街組沉積相

4.3 沉積相模式

東部凹陷沙河街組主要發育的沉積相類型有沖積扇相、扇三角洲相、辮狀河三角洲相、濁積扇相和湖泊相等，控制沉積相分布的因素包括：首先，構造運動在箕狀斷陷盆地層序的形成中起重要的控制作用，遼河盆地東部凹陷在古近系構造活動復雜、期次多，斷陷盆地的主要斷裂體系控制沉降中心的形成和沉積空間的大小，盆地次級斷裂體系影響沉積體的平面展布及演化過程.在SQ1和SQ2時期，東部凹陷經歷盆地開裂、斷陷、斷坳、坳陷階段，各階段盆地內部層序和體系域的發育受其構造演化的控制，具有明顯的差異性.其次，由于構造作用產生的局部地貌對沉積作用的控制較明顯，東部凹陷局部地貌主要指東部陡坡帶斷裂組合、西部緩坡帶斷裂組合，以及潛山分布對沉積體系分布的控制作用，決定沉積物的沉積作用發生地點、搬運形式與搬運方向.盆地陡坡帶短距離搬運的沉積物質在陸上堆積形成沖積扇，進入水體發育扇三角洲，推進到湖平面以下深水處而形成濁積扇體等.盆地緩坡帶沉積物搬運距離相對較遠，多發育辮狀河—辮狀河三角洲等遠源沉積體系.另外，物源供給影響沉積相類型及分布，遼河盆地東部凹陷呈狹長狀，主要是沿短軸方向的物源供給，中央凸起和東部凸起為湖盆的主要物源供給區；在北部抬升的構造背景下，北部長軸方向也可以成為沉積物源；由于不同時期氣候、古地貌、沉積環境存在差異，同一沉積相類型在不同沉積時期也具有不同的沉積特征.

根據東部凹陷沙河街組沉積相空間展布及演化規律，結合沉積相分布控制因素，提出東部凹陷沙河街組沙三段各時期的沉積相模式(見圖11).

圖11 東部凹陷沙河街組沉積模式

5 結論

(1)遼河盆地東部凹陷沙河街組層序地層格架識別出3個三級層序界面(SB1、SB2和SB3)，劃分2個三級層序(SQ1和SQ2)，其中SQ1層序可劃分為低位、湖侵和高位體系域.

(2)根據巖心、錄井、測井資料和地震反射特征，結合區域構造演化和其他輔助資料，東部凹陷沙河街組主要發育沖積扇相、扇三角洲相、辮狀河三角洲相、濁積扇相、風暴巖相和湖泊相等沉積相類型.盆地陡坡帶發育沖積扇—扇三角洲等近源沉積體系；緩坡帶沉積物搬運距離相對較遠，多發育辮狀河—辮狀河三角洲等遠源沉積體系.

(3)東部凹陷沙河街組沉積相類型和展布受盆地構造演化階段、局部地貌特征和物源供給等因素控制.

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2015-09-22；編輯：張兆虹

國家自然科學基金項目(ZX20120090 )

劉曉晶(1991-)，女，碩士研究生，主要從事沉積與儲層地質學方面的研究.

謝慶賓,E-mail: xieqingbin@cup.edu.cn

TE122.3

A

2095-4107(2015)06-0001-11

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.06.001