三角洲—淺海沉積體系泥質沉積規律模擬實驗
——以瓊東南盆地崖南凹陷為例

屈 童，高 崗，徐新德，王 瑞，甘 軍，梁 剛，游君君

（1.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；2.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249；3.中海石油（中國）有限公司 湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

泥質沉積物的沉積對烴源巖的發育有重要意義，大量研究表明有機質通常以吸附態附著在沉積物顆粒表面，所吸附的量與沉積物的比表面積有關［1-3］，而單位質量所具有的總面積與沉積物的粒度成反比，即有機碳含量與沉積物碎屑粒度呈負相關關系［4-6］。因此，深入研究泥質沉積物的沉積規律十分重要。關于細粒沉積規律主要集中在對現代表層沉積的研究上［4，7-9］，主要是由于地質歷史時期沉積特征的研究缺少樣品，僅鉆井處可以取樣。沉積模擬實驗技術是目前地質研究工作中少有的“正演”模擬研究方法，前人利用沉積模擬實驗技術主要對砂體發育規律、儲層甜點預測及其影響因素進行了較多研究［10-12］，本次將該方法應用于細粒沉積物沉積規律的研究中，觀察沉積物沉積過程，分析泥質沉積規律。

瓊東南盆地是我國南海深水區重要的油氣勘探領域之一［13］，目前已在陵水、寶島、長昌凹陷等取得重要勘探成果，勘探前景樂觀［14-15］，而崖南凹陷自崖城13-1 凸起上發現崖城13-1 氣田外，勘探成果極少，說明該區成藏地質條件較為復雜［16］。近年來，南海深水區油氣勘探研究發現了陸源有機質的貢獻［17］，崖南凹陷崖城組陸源海相泥巖具有巨大的生烴潛力，但由于深水區崖城組氣源巖鉆遇較少，且都受油基泥漿污染，很難對烴源巖進行準確的分析，因此，泥質沉積物沉積規律的研究不僅對南海地區烴源巖優勢發育區的預測有重要的意義，更對未來油氣勘探方向有重要的指導意義。

1 區域地質概況

崖南凹陷［圖1（a）］［18-19］位于瓊東南盆地北部坳陷帶的西南部，平面上呈喇叭狀，剖面上為箕狀斷陷。瓊東南盆地的基底由古近系的火成巖、變質巖及沉積巖組成，盆地主要發育古近系、新近系和第四系沉積蓋層［圖1（b）］［20］。漸新統早期崖城組處于斷陷晚期階段，主要為海陸過渡相沉積，之后逐漸轉變為海洋沉積環境，整體經歷了水體由淺變深再變淺、沉積物由粗變細再變粗的完整層序演化過程，至崖城組中晚期以濱淺海相沉積為主，是盆地重要的烴源巖層段，由上到下依次可分為崖一段、崖二段和崖三段［21-22］。

圖1 瓊東南盆地區域構造單元劃分與地層發育柱狀圖Fig.1 Regional tectonic unit division and stratigraphic column of Qiongdongnan Basin

崖城組作為盆地重要的烴源巖層一直是學者們研究的熱點層段，崖城組底部普遍發育礫巖或含礫砂巖，向上粒度逐漸變細，主要發育灰白色、淺灰色粗砂巖及含礫砂巖，局部夾薄層深灰色粉砂質泥巖；向上至崖二段以灰白色薄層砂巖為主，由于水深逐漸增大，至崖二段上部發育深灰色厚層泥巖；至崖一段沉積時期，水深逐漸變淺，發育灰白色砂巖、深灰色泥巖、砂質泥巖夾煤層和炭質泥巖［23］。本次實驗的模擬區為崖南凹陷西北部的崖13-1 氣田區，近物源處崖城組崖一段及崖二段地層缺失，僅發育崖三段地層，以辮狀河三角洲沉積為主，向深水方向逐漸過渡為濱淺海沉積環境［24-25］。崖南凹陷在崖城組時期持續水進，古地形整體呈東南傾向，物源方向由西北向東南方向，近物源處坡度約0.1°，向深水方向平均坡度約為0.06°［24，26］。

2 實驗設計與方法

本次研究以瓊東南盆地崖南凹陷崖13-1 氣田區崖城組地質背景為實驗原型，實驗設計遵循幾何相似、動力相似、運動相似等理論原則［27］。實驗模擬的工區范圍長50 km，寬30 km，根據實驗室設備條件確定實驗水槽有效范圍為長5 m，寬3 m，幾何比尺為λ=LH/Lm≈10 000∶1（H 為原型，m 為沉積模型，L為長度，m）。由于實際研究區古地形坡度小于0.1°，坡度過緩不利于短時間實驗室模擬條件下三角洲沉積體的發育，因此分別設計底型坡度為1°～3° 和3°～5° 的2 次坡度相對較陡的對比實驗，2 次實驗僅坡度不同，其他條件均一致。

根據崖城組巖心粒度分析資料，崖城組沉積物粒度整體較粗，各沉積物粒級體積分數如表1 所列，據此設計實驗用砂的粒度配比。研究區崖城組為整體水進期，崖三段沉積根據三級旋回劃分為3期水進，為了避免底型砂對實驗取樣結果的影響，在水進之前首先進行1 期辮狀河三角洲沉積作為底型，記為第1 期，崖城組實際沉積期次分別記為第2 期，第3 期，第4 期，每期均經歷2 次“中水期—洪水期—中水期—枯水期”持續性供水模式，根據自然界洪水期、中水期和枯水期大致持續時間比例為1∶3∶6，對應設計洪水期、中水期和枯水期持續時間為1∶3∶6。供砂量與供水量需匹配，當供水量遠大于供砂量時，沉積物將在近物源區無法沉積，而當供砂量遠大于供水量時沉積物則大量堆積無法搬運，因此需通過預沖水實驗確定不同供水階段的水-砂比例，設計洪水期、中水期和枯水期的供水量為6∶3∶1，物源供給量對應為6∶3∶1，結合研究區崖三段持續海侵伴隨短期海退的特征，設計各實驗期次水體整體上漲，并伴隨著間斷性水退，實驗設計參數見表2。

表1 瓊東南盆地崖南凹陷已有鉆井崖城組沉積物粒度統計Table 1 Grain size of drilling sediments in Yanan Sag，Qiongdongnan Basin %

表2 實驗設計參數Table 2 Experimental parameters

實驗對沉積物搬運及沉積過程進行分析，精細刻畫最終沉積體切片并采取樣品（圖2），記錄取樣位置坐標、層位、特征等信息，最終采取樣品210 樣次，其中實驗1（坡度3°～5°）139 樣次，實驗2（坡度1°～3°）71 樣次。樣品粒度分析由Malvern Master‐sizer 3000 型激光粒度儀測定。

3 實驗結果分析

3.1 實驗定性觀察與分析

實驗1 和實驗2 分別進行約200 h，均分為4期。實驗過程中，泥質沉積物通常不會在水流直接流經的部位沉積，通常在河道間［圖3（a）—（b）］、河道側緣的河漫部位及沖溝、凹槽等部位［圖3（c）］易于沉積，這是由于水流直接流經的部位水動力較強、泥質沉積物粒度過細難以懸浮搬運的方式沉積，而河道間低洼部位及河漫部位水流量較小，水動力較弱，沖溝、凹槽及下切部位由于地勢較低，這里的水流流速極小或完全處于停滯狀態，且后期易被掩埋保存，利于泥質沉積物的沉積與保存。

圖3 沉積模擬實驗過程照片Fig.3 Photos of sedimentary simulation experiment process

在三角洲平原兩側的漫溢部位，水流漫出呈面狀溢流，水動力強度弱，泥質沉積物易于沉積［圖4（a）］，但沉積過程是動態的，當河道擺動時，先前漫溢沉積的部位發育河道會使得早期沉積的泥質沉積物被破壞；在洪水期，物源供給充分，快速堆積使得泥質沉積物在近物源處得以保存。三角洲前緣河漫部位，水流呈漫溢狀態流動，水動力強度極弱，泥質沉積物極易保存［圖4（b）］，但與平原區一致。在后期河道擺動時，會將前期已經沉積的泥質沉積物沖刷到水體中去；在快速水退—水進過程中，沉積界面處會由于可容納空間迅速增大使得沉積物快速堆積從而形成連續性較好的層狀泥質沉積物。

圖4 沉積模擬實驗泥質沉積物分布剖面圖（剖面位置見圖2）Fig.4 Distribution profile of argillaceous sediments in sedimentary simulation experiment

3.2 粒度分析測試結果

對采取的210 樣次樣品進行粒度分析，結果顯示，坡度較陡條件下，實驗1 第2 期三角洲平原—前緣泥質體積分數可達0.51%，遠高于實驗2 同期的0.02%，但實驗1 前三角洲—淺海區泥質體積分數為43.87%，明顯低于實驗2 的50.68%。表明相同供水流量情況下，陡坡條件水動力更強，使得三角洲前緣—淺海礫石和粗砂沉積物滑塌，泥質沉積物可以搬運到更遠的地方沉積，因此陡坡條件下前三角洲—淺海范圍泥質沉積物含量較低（表3）。

表3 不同粒徑組分的占比統計Table 3 Proportion of components with different particle sizes %

4 泥質沉積物分布規律

4.1 泥質沉積物分布特征

對沉積物粒度分布進行分析可得，自三角洲平原向前緣、淺海方向，粒度總體逐漸變細，河流一旦入海，河流與海水交匯能量抵消，水動力強度快速減弱，粒度將快速變細［圖5（a）—（d）］。實驗1（地形坡度較陡，水動力強度較強）條件下河道及砂壩更為發育，三角洲平原中部及側緣常出現粒度中值的高值區［圖5（a）］，這是由于在三角洲平原發育河道，河道附近常發育縱向砂壩與斜砂壩，在河口及側緣常發育河口壩，河道及砂壩部位粒度均較粗，且泥質沉積物難以沉積［圖5（b）—（c）］，較強的水動力條件同樣導致深水區泥質沉積物具有非均一性的沉積特征［圖5（b）］，而實驗2（地形坡度較緩，水動力強度較弱）條件下，河道及砂壩相對不發育，沉積物粒度及泥質含量變化趨勢相對較為單一，呈單調遞減趨勢［圖5（d）—（e）］，水動力較弱的條件使得三角洲前緣河道相對較寬，河道沉積物呈面狀展布較為明顯，三角洲平原—前緣河漫、河道間等部位易于沉積泥質沉積物，前三角洲—淺海區泥質沉積規律相對更為單一［圖5（f）］。

圖5 沉積模擬實驗粒度分布特征平面圖Fig.5 Grain size distribution characteristics of sedimentary simulation experiment

實驗中粒度中值與物源距離的相關性均較強，淺海區粒度明顯減小，平原區河道或斜坡地區常富集礫石而粒度最大。坡度較陡時，河流水動力衰減更慢，使得沉積物可以搬運至更遠處，因此實驗2擬合公式的系數大于實驗1（圖6），即：坡度越大，沉積物粒度減小越慢，沉積物搬運距離越遠，這與實驗觀察特征一致。

圖6 實驗中沉積物粒度中值隨物源距離變化圖Fig.6 Variation of sediment grain size median with provenance distance in the experiment

實驗條件下沉積物粒度中值向遠離物源方向呈快速減小趨勢，這與研究區崖城組沉積物粒度變化趨勢一致，崖城組Y5 井為三角洲平原沉積，至Y2，Y3 井的三角洲平原-前緣沉積向Y6 井的淺海沉積方向，沉積物粒度中值呈明顯減小趨勢［圖7（a）］。研究區崖城組沉積時期為持續水進過程，垂向上沉積物粒度呈持續減小趨勢［圖7（b）］，實驗模擬條件下，垂向上沉積物粒度也呈持續減小趨勢［圖7（c）］，與研究區沉積特征一致。

圖7 崖南凹陷崖城組與沉積模擬實驗粒度分布特征對比Fig.7 Comparison of grain size distribution characteristics between sedimentary simulation experiment and Yacheng Formation in Yanan Sag

4.2 泥質沉積物的搬運特征

泥質沉積物隨河流搬運過程中多呈懸浮搬運，隨著搬運距離的增大，河流水動力強度逐漸減小，懸浮總體的最大粒徑也逐漸減小。因此，當懸浮總體最大粒徑衰減為0 時，即河流運載力消減殆盡，泥質沉積物無法被搬運而達到了最大搬運距離，因此可利用該關系確定泥質沉積物搬運的極限距離。沉積物懸浮總體與跳躍總體的界限值（即該水動力條件下可懸浮搬運的最大粒徑）可利用粒度分析資料進行確定［圖8（a）］，對2 次實驗及研究區崖城的沉積物懸浮總體最大界限進行統計，結果顯示，沉積物懸浮總體最大界限與搬運距離呈明顯的指數型遞減趨勢，相關性好。周迅等［28］以粒徑0.45 μm作為懸浮態和溶解態區分界限，認為當粒徑小于0.45 μm 時為非顆粒態沉積物。因此，以0.45 μm確定泥質沉積物可搬運的最大距離，經計算實驗1（坡度3°～5°）條件下泥質沉積物最大可搬運8.39 m［圖8（b）］，實驗2（坡度1°～3°）條件下泥質沉積物最大可搬運7.18 m［圖8（c）］，崖城組（坡度約0.1°）條件下泥質沉積物最大可搬運63.94 km［圖8（d）］。將實驗尺度按比例尺等比例放大10 000 倍時，即坡度3°～5°時泥質沉積物最大可搬運83.9 km，坡度1°～3°時泥質沉積物最大可搬運71.8 km，坡度0.1°時泥質沉積物最大可搬運63.94 km，隨著坡度的減小，泥質沉積物的搬運距離逐漸減小，沉積范圍也相應縮小。

圖8 懸浮顆粒界限粒徑的確定及其隨搬運距離變化關系圖Fig.8 Determination of boundary particle size of suspended particles and its relationship with transport distance

對實驗1 和實驗2 的沉積物沉積厚度統計發現，沉積厚度與搬運距離之間存在較好的相關性，三角洲前緣部位是沉積厚度最大的部位［圖9（a）—（b）］，同時，沉積物泥質含量隨搬運距離的增大呈指數型增長，在前三角洲—淺海區泥質含量突然增多，這是由于河流入海后與海水交鋒，水動力突然降低所致［圖9（c）—（d）］。河流入海后，水動力強度驟降，導致泥質含量的快速增大，但同時也使得沉積物總量快速的持續減少，因此泥質沉積物的優勢沉積區應為沉積厚度和泥質含量均相對較大部位，即前三角洲—淺海范圍的近岸海域，遠離海岸方向雖然泥質含量的百分比持續增大，但沉積物的總量在不斷減少，從而使得泥質沉積物的總量依然呈減少趨勢。

圖9 沉積物沉積厚度及泥質含量與搬運距離關系圖Fig.9 Relationships of transportation distance with sedimentary thickness and argillaceous content

5 結論

（1）將沉積模擬實驗應用于泥質沉積物分布規律的研究中，通過實驗過程觀察可得，泥質沉積物主要沉積于水動力較弱、地勢較低的部位，如三角洲分流河道之間、早期沖溝與凹槽、河漫灘及三角洲前緣等。

（2）實驗分析結果顯示，地形坡度較陡條件下河道及砂壩更為發育，這些部位粒度均較粗，且泥質沉積物難以沉積，深水區泥質沉積物具有非均一性的沉積特征，而地形坡度較緩條件下，沉積物粒度及泥質含量變化趨勢相對較為單一。坡度越緩，水動力越弱，沉積物搬運距離越小，沉積范圍越小。

（3）利用粒度資料對泥質沉積物的最大搬運距離進行計算，實驗1（坡度3°～5°）條件下泥質沉積物最大可搬運8.39 m，實驗2（坡度1°～3°）條件下最大可搬運7.18 m，崖城組（坡度約0.1°）條件下沉積物最大可搬運63.94 km，將實驗條件按比例尺等比例放大與研究區崖城組計算結果對比可得，隨著坡度的減小，泥質沉積物的搬運距離逐漸減小，沉積范圍也相應縮小，但泥質沉積物沉積厚度更大，泥質沉積物沉積中心位于前三角洲—淺海過渡區，這也是陸源海相泥巖發育的位置，對陸緣盆地烴源巖的研究有重要指導意義。