基準面變化對分流河道沉積特征的影響
——以鄂爾多斯盆地南部石盒子組為例

蘇東旭，于興河，李勝利，單 新，周進松，韓小琴，苗亞男，王 嬌

（1.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083； 2.陜西延長石油（集團）有限責任公司 研究院，陜西 西安 710075）

0 引言

基準面變化能夠引起可容納空間和沉積物供給量的相對變化，形成不同的地層疊置樣式［1］，它受全球海平面變化、構造、氣候及地貌綜合控制.人們研究基準面變化對河流類型的影響，提出多種沉積演化模式.Shanley K W等研究Kaiparowits高原河流沖積體系，認為低位體系域主要發育下切谷充填，且隨基準面變化，河流類型具有辮狀河—曲流河—網狀河的演化規律［2］.張周良研究賀蘭山北段二疊系山西組河流相地層，認為低位體系域主要發育以河谷下切和階地形成為特征的辮狀河；水進體系域發育以垂相加積作用為主的網狀河；高位體系域發育以側積作用為主的曲流河形態特征［3］.劉招君等采用體系域四分法研究松遼盆地泉頭組，認為低位體系域發育辮狀河；水進體系域早期因基準面上升速度較慢發育曲流河；水進體系域晚期和高位體系域因河道垂相加積作用較強發育網狀河；水退體系域因基準面緩慢下降，側向加積作用增強，重新發育曲流河［4］，與Wright V P等的觀點［5］一致.胡光明等研究蘇里格地區盒8段認為水退體系域主要為階地沉積，與河道充填物形成的時間不同［6］.目前，針對河流層序地層學的研究已經較為深入，提出多種演化模式，但基準面變化對三角洲分流河道類型和沉積特征的影響，以及與河流相是否存在區別的研究還不夠清楚.

文中以鄂爾多斯盆地南部石盒子組為例，綜合分析石盒子組不同階段分流河道的砂巖結構、沉積構造、巖相組合、砂地比、測井響應、河道垂向疊置樣式及平面形態等特征，以及分流河道河型的沉積演化特征，研究基準面變化對石盒子組三角洲分流河道沉積演化的影響，并總結成因和演化模式.石盒子組砂巖沉積特征研究對今后的勘探和開發具有指導意義.

1 區域地質概況

鄂爾多斯盆地為多旋回克拉通疊合盆地，總面積約為37×104km2，是我國第二大沉積盆地［7-8］，也是華北克拉通構造中最穩定的塊體，盆地構造面貌總體為東翼緩而長、西翼陡而短、南北翹起的不對稱大向斜.根據盆地構造形態和基底特征等，將鄂爾多斯盆地劃分為渭北隆起帶、西緣沖斷構造帶、陜北斜坡、晉西撓褶帶、天環坳陷和伊盟隆起等6個一級構造帶［9］.研究區位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡南部（見圖1），為綏德以南、環縣以東、鄉寧以西、正寧以北的區域，整體上為向西方向傾斜的單斜緩坡.研究層位為上古生界二疊系中二疊統石盒子組，地層巖性主要為灰白色、灰綠色砂巖和灰黑色、灰綠色、褐紅色泥巖，整體厚度為200～370m，是一套陸相三角洲沉積.鄂爾多斯盆地東南部石盒子組氣藏類型屬于致密砂巖氣藏，蘊含豐富的天然氣［10］.

2 基準面變化階段及分流河道特征

2.1 層序劃分

研究區中二疊統石盒子組為一個完整的二級層序［11-13］.根據地震、測井及巖心資料顯示，石盒子組與下伏山西組、上覆石千峰組均為不整合接觸，下部的不整合對應石盒子組早期南北物源區的強烈抬升，上部與石千峰組接觸處為區域性不整合面.地質年代上，石盒子組沉積期為270.0～253.5Ma，對應Vail的二級層序（3.0～50.0Ma）［14］.石盒子組底部為駱駝脖子砂巖底界，頂部為石千峰組平頂山砂巖底界，底頂界面上下的巖電特征差異明顯.石盒子組整體上底部和頂部發育砂巖，中部以泥巖為主，砂巖層數具有多—少—多、整體厚度具有大—小—大的趨勢，泥巖整體厚度具有小—大—小的趨勢（見圖2），對應一個由基準面上升和下降組成的完整旋回.因此，將石盒子組劃分為一個不整合控制型二級層序較為合理.

在石盒子二級層序中進一步劃分8個三級層序（見圖2），其中盒7、盒6和盒5段的底界面為區域性河道下切面，測井曲線呈箱型或鐘型突變；盒4段的底界面為區域性暴露面（桃花泥巖），測井曲線呈孤立的自然伽馬高尖峰；盒3、盒2和盒1段的底界面為區域性河流下切面，盒1段的頂界面為石千峰組底部的不整合面.根據層序地層學理論，初次洪泛面和最大洪泛面是將每個三級層序劃分低位體系域、水進體系域及高位體系域的重要標志［15］.根據石盒子組二級層序內基準面變化劃分基準面低位階段、上升階段和高位階段，分別對應石盒子組的盒8段（俗稱“駱駝脖子砂巖”）、盒7段—盒5段及整個上石盒子組，以討論相對基準面變化不同階段三角洲分流河道的特征.

2.2 沉積特征

以研究區延321井為例（露頭資料來源于文獻［16-17］），分別在基準面變化的低位階段、上升階段和高位階段選取代表性的盒8段、盒5段和盒2段，分析石盒子組不同階段三角洲分流河道沉積特征.

2.2.1 低位階段

盒8段整體以灰白色亞巖屑粗粒砂巖為主，其次為亞巖屑含礫粗砂巖和亞巖屑中粗粒砂巖，石英質量分數約為70%，長石質量分數為4%～5%，巖屑質量分數為25%～26%.顆粒分選為差—中等，磨圓以次棱狀為主，顆粒支撐，反映辮狀河型特征.在沉積構造特征方面，盒8段砂體標志性沉積構造為強水動力條件下形成的大規模槽狀交錯層理（見圖3（a）、（c））和高角度下截型板狀交錯層理（見圖3（b）），槽狀交錯層理的層系面上常見直徑為3～4mm的礫石略呈定向排列，礫石主要成分為石英，沖刷面發育，泥礫少見，最大粒徑多為1～2cm.典型的巖相組合序列為Gm—St—Gm—St—Sp—M.砂巖十分發育，常見10cm左右的泥巖夾層（見圖3）.

2.2.2 上升階段

上升階段包括盒7—盒5段，以盒5段為例，整體為淺灰色中粒、中細粒石英砂巖、亞巖屑砂巖，石英質量分數為86%，長石極少見，巖屑質量分數為13%～14%.顆粒分選較好，次圓狀，顆粒—雜基支撐，總體上與盒8段相比粒度較細，石英質量分數較大，長石和巖屑質量分數較少，反映遠離物源、水動力較弱的曲流河型沉積特征.同時，盒5段槽狀交錯層理的規模和板狀交錯層理的角度明顯變小（見圖3（e）、（f）），且沖刷面上泥礫增多，可見最大粒徑為9cm的橢球形泥礫（見圖3（d））.盒5段河道砂體為明顯正粒序，由下到上粒度逐漸減小，沉積構造變化為槽狀交錯層理、板狀交錯層理和流水沙紋層理.典型的巖相組合序列為St—Sp—Sr—M.泥巖厚度較大，整體上泥多砂少，砂泥比為1.0∶3.0～2.0∶3.0（見圖3）.

2.2.3 高位階段

高位階段包括整個上石盒子組，以盒2段為例，整體為中粗粒、中粒長石砂巖、長石巖屑砂巖，石英質量分數為52%，長石平均質量分數為7%，變化幅度較大，在2%～25%之間變動，巖屑質量分數為22%.顆粒分選為差—中等，磨圓以次棱狀為主，顆粒支撐，孔隙式膠結.盒2段河道砂體最顯著的特征為顆粒大小和顏色迅速變化，在20～30cm之間沉積物迅速由含礫粗砂變為細砂巖，且顏色在灰綠色和淺灰色間變動（見圖3（h）、（i）），反映網狀河次分叉河道季節性過水河道的特征［18］.同時，沖刷面上常見3～4cm的泥礫（見圖3（g）），與盒5段相比泥礫個數增多、規模減小，反映較高彎曲度和較低水動力的沉積環境.測井曲線常呈下部箱型、上部鐘型的組合樣式，體現網狀河型水道早期洪水沖刷的含礫粗砂、粗砂沉積和晚期水流穩定的中細粒沉積的疊加.典型的巖相組合序列為Gm—St—Sp（Sh）—M，其中板狀交錯層理砂巖相為低角度下切型的交錯層理.整體上呈砂泥互層，砂泥比為1.0∶2.5～2.0∶1.0（見圖3）.

2.3 垂向特征

為研究石盒子組不同階段三角洲分流河道河型變化和砂體疊置樣式，選取一條橫切物源方向的剖面AA′進行河道砂體剖面對比（見圖4），不同階段河道砂體間存在很大變化，下石盒子組由底到頂呈現河道連片—孤立—部分連通的特征.低位階段分流河道砂體縱向上相互疊置，橫向上連片分布，砂體總厚度大，單個砂體寬厚比大，具明顯的辮狀河型河道特征；上升階段分流河道砂體呈孤立狀分布，地層由下到上有河道減少的趨勢，單個河道砂體厚度較大，具明顯曲流河型河道特征；高位階段分流河道砂體較為發育，部分連通性較好，但單個砂體橫向上延伸范圍受局限，砂體厚度較小，向上粒度變細較為明顯，具遷移高彎曲度網狀河型河道特征.由于低位體系域和高位體系域時期物源供給充足，水進體系域時期可容納空間的增長遠大于沉積物的供給速率，使得盒8段—盒1段每段的頂底部，即石盒子組每個三級層序的低位體系域和高位體系域都發育較多河道；每段中部，即三級層序的水進體系域都以泥質為主，較少發育河道砂體.

2.4 平面特征

在研究區選取基準面低位階段的盒8段、上升階段的盒5段及高位階段的盒2段作為研究對象，利用砂體厚度［19-20］（見圖5）研究基準面變化不同階段三角洲分流河道在平面上的展布特征.人們認為石盒子組具有淺水三角洲的特征，盒7段—盒1段發育曲流河三角洲，盒8段發育辮狀河三角洲［21-23］，河口壩較少發育［24-25］.在測井曲線上砂體常呈箱型和鐘型，為河道沉積，河口壩反粒序形成的漏斗型少見，巖心上常見槽狀交錯層理、沖刷面和泥礫等構造，少見反粒序砂體，表明石盒子組三角洲以分流河道沉積為主，少見河口壩沉積.

石盒子組由下至上三角洲分流河道整體上呈辮狀河型—曲流河型—網狀河型的平面展布特征.盒8段砂體整體厚度大，主要發育分流河道（見圖6），河道較平直，發育較多心灘，具辮狀河型特征，泥質和粉砂質的分流間灣沉積較少；盒5段砂巖厚度整體偏小，主要發育三角洲分流間灣的泥質沉積，分流河道數量有限，呈孤立狀，具有一定曲流河型的特征；盒2段的整體厚度介于盒8段和盒5段的之間，分流河道數量增多，彎曲度大，但單個河道寬度較小，具網狀河型特征.

3 不同階段河型特征及演化模式

3.1 河型特征

Shumm S A認為基準面變化使曲流河河谷和河道梯度發生改變，從而使河流的彎曲度發生變化［26］.基準面下降時，下游河流產生向源侵蝕，河谷坡度變大，河流彎曲度增大，使河流的水面坡度保持穩定；基準面上升時，河流產生溯源侵蝕，彎曲度減小［27］.三角洲分流河道的長度有限且不受河谷的限制，它受基準面變化的影響與河流相的有所不同（見圖6）.

基準面處于低位階段時，河道下切作用明顯，形成較大的地形梯度；該時期物源供給非常大，但可容納空間增加速率有限，粗粒的砂礫巖充填河道，很難形成泥質沉積.隨著河道演化，不同的辮狀河型分流河道在側向上加寬［28］，河道在擺動的過程中形成以粗粒床沙載荷為主的片狀砂體.這些寬淺型的辮狀河型分流河道砂體間彼此切割，在縱向上互相疊置、橫向上互相連通，形成大面積分布的砂體.

基準面處于上升階段時，可容納空間增加速率較快；該時期氣候較干旱，沉積物的供給明顯小于可容納空間增加的速率.侵蝕作用減弱，沉積作用增強，沉積物在垂向上快速加積，使地形坡度變緩.較低的坡度使水動力條件減弱，對三角洲分流間灣的泥質沉積形成極為有利條件.大量的三角洲分流間灣細粒沉積及細粒物質限定的河道砂質沉積，構成以細粒沉積為主的分流間灣和彼此孤立的曲流型分流河道砂體，整體砂泥比很小，以懸浮負載的泥巖和粉砂巖為主.

基準面處于高位階段時，可容納空間的增加速率逐步降低，沉積物供給速率增長，沉積物的加積速率與可容納空間增加的速率相當，平衡剖面向湖方向移動，使分流河道加積作用增強；同時，較低的坡度使河道搬運能力降低，形成以加積作用為主的高彎曲度網狀河型分流河道.剖面上，沉積物由河床沙和懸浮載荷的物質混合組成.該時期分流河道的砂泥比低于基準面處于低位階段時的，但高于基準面處于上升階段時的.

三角洲坡度越大，分流河道的數量越少；坡度越小，分流河道的數量越多［29］.基準面處于高位階段時，分流河道下切作用與河流的溯源堆積一樣減弱，三角洲整體坡度減小，分流河道數量增多；基準面處于低位和上升階段時，分流河道下切作用相對較強，三角洲整體坡度增大，形成較少的復合辮狀河型和曲流河型分流河道.基準面處于高位階段時，物源供給充足，河道加積作用較強，易形成決口［30］和較多的網狀河型分流河道.

3.2 演化模式

一個完整的基準面旋回變化規律分3個階段，即低位階段、上升階段和高位階段；低位階段對應于基準面開始上升的早期，上升階段對應于基準面上升的晚期，高位階段對應于基準面下降的時期.在基準面變化的不同階段，沉積物供給與可容納空間不同，導致三角洲分流河道的流量和沉積物負載發生變化，從而使河道的類型發生變化［26］.

研究鄂爾多斯盆地南部石盒子組的分流河道沉積特征、河道砂體垂向疊置方式及平面展布特征，早期基準面低位階段到后期基準面高位階段，分流河道存在由連片辮狀河道到孤立曲流河道，再到連通性較好的網狀河道轉變的演化特征，同時分流河道彎曲度有逐漸增大的趨勢.平面上河型具有辮狀河型—曲流河型—網狀河型的演化模式（見圖7）；垂向上分流河道砂體具有連片分布—孤立分布—部分疊置的演化模式.

4 結論

（1）根據不整合面、區域下切面和區域性露頭資料，將鄂爾多斯盆地南部石盒子組劃分為1個二級層序和8個三級層序，為一個完整的基準面旋回.

（2）相對基準面變化引起石盒子組砂體沉積特征變化，在基準面處于低位階段—上升階段—高位階段時，分流河道砂體粒度具有粗—細—較粗的特征，測井曲線響應具有箱型—孤立鐘型—疊加鐘型的特征，砂泥比具有大—小—較大的特征.

（3）在基準面變化的不同階段，沉積物供給與可容納空間不同，導致河道的流量和沉積物負載發生變化，使河道的類型也相應發生變化.在基準面由低位階段到高位階段變化過程中，分流河道彎曲度逐漸增大，整體上呈連片辮狀河型—孤立曲流河型—部分疊置網狀河型的演化特征.

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