勝利灘海地區館上段—明化鎮組底部河流類型及演變

袁靜，吳兵，王永詩，馬立馳，楊貴麗

1.中國石油大學（華東）地球科學與技術學院，山東青島 266580

2.中國石油化工有限公司勝利油田分公司，山東東營 257000

0 引言

作為勝利油田最早發現的重要含油氣層系之一，灘海地區新近系館陶組發育河流相沉積[1-2]。其中館下段主體為辮狀河沉積[3]，館上段經前人研究認為其下部系辮狀河沉積，上部則以曲流河沉積為主[4]。筆者在對勝利灘海地區館上段河流相砂體沉積特征進行研究過程中，發現該地區館上段自南向北不同沉積時期發育不同的河流類型，除辮狀河和曲流河之外，還常發育一種介于辮狀河和曲流河之間的過渡河型。此前筆者已將館上段這類過渡河型定義為分汊河[5]。分汊河在長江中下游有典型分布區域，在水利學界和地貌學界被普遍接受[6-7]。王隨繼等[8]將分汊河加入河流分類系統，將河流分為辮狀河、分汊河、曲流河、網狀河、直流河五種類型。在河道形態上王隨繼等[9]認為單河道和分汊河道是Brice[10]所稱的分汊河中不可缺少的兩種地貌單元，前人對分汊河沉積特征和形成機制也進行過較多研究[11-13]。河型的演變也是河流研究的熱點之一，河流類型從辮狀河演變為曲流河的情況比較常見[14-18]，由穩定河型轉化為不穩定河型的現象在現代沉積中也有發現[19]。河型的演變是漸變的過程，多河道低彎度的辮狀河如何演變為單河道高彎度的曲流河？古代河流是否存在反向轉化，其機制如何？對這些問題的探尋，不僅對河流沉積學研究具有理論意義，對油氣勘探開發方案的制定也具有重要的實踐意義。

本文以勝利油田灘海地區新近系館陶組館上段及明化鎮組底部沉積為研究對象，通過精細觀察描述（密閉）巖心、綜合分析粒度資料和密井網測井資料，結合區域地質研究成果，確定河流類型，研究河流演化規律及主控因素。

1 區域地質概況

勝利灘海地區位于濟陽坳陷東北部的埕島—樁西—長堤—孤東—墾東潛山披覆構造帶（圖1）[20-21]，是濟陽坳陷與渤中坳陷及郯廬斷裂帶之間的分界體系，其構造格局受東南方向郯廬斷裂帶影響較大。新生代以來，該構造帶先后經歷了斷陷—拗陷的演化過程[22]。在東營組末期地殼抬升運動以及斷裂活動的背景下，館陶組早期濟陽坳陷內地勢起伏不平[1]，各次級凹陷分隔性較強；由于填平補齊作用，至館陶組上段濟陽坳陷內四個凹陷連為一體；至館陶組末期全區河流泛濫平原廣布[23]，形成了統一的沉積盆地。館上段早中期，濟陽坳陷北部以埕寧隆起為主要物源區，南部物源來自魯西隆起[24]。館陶組晚期，魯西隆起為全區主要物源區[25]。灘海地區油源充足，成藏條件十分有利，主要有前古近系、古近系和新近系3 套含油層系。新近系自下而上發育館陶組和明化鎮組。本研究主要針對館陶組上段（下文簡稱為館上段，自上而下劃分為Ngs(1+2)、Ngs3、Ngs4、Ngs5、Ngs6和Ngs7砂組），兼顧明化鎮組（Nm）底部。

圖1 研究區構造位置圖和剖面圖（據文獻[20￣21]修改）Fig.1 Structural location map and profile of study area (modified from references [20￣21])

2 沉積特征

選取墾東、孤東、埕北地區作為研究區南部、中部、北部地區的典型區塊進行精細解剖，以點帶面研究灘海地區河型及其時空演化。在精細觀察描述

KD12-53、KD123、KD124、KDG2、KD261、KD34、KD342、KD48、GD6-25-J474、GD7-29-J246、GD7-29-J254、CB22共12口井館上段各砂組和明化鎮組底部共計342 m（密閉）巖心基礎上，結合粒度分析和測井資料分析，對館上段及明化鎮組底部巖心進行沉積學精細研究，認為研究區新近系發育辮狀河、分汊河和曲流河三種河流沉積。

研究區館上段及明化鎮組泥巖顏色以反映陸上暴露和淺水成因的紫紅色、灰綠色為主，巖心觀察以及粒度統計結果表明，工區內巖石類型主要有砂礫巖、砂巖、粉砂巖及泥巖，中細砂巖為主要儲集砂體。與顏色和成分相比，結構、構造和垂向沉積序列更能反映研究區河流類型和演化規律。

2.1 結構特征

作為碎屑巖重要的結構特征，顆粒的粒度其及分布特征是判別沉積環境和水動力條件的良好標志，是分析碎屑巖沉積過程的重要手段[26]。本文在巖心精細觀察和巖石薄片鏡下鑒定的基礎上，對各典型區塊樣品粒度分析數據進行了細致統計和圖解。

2.1.1 C值與M值

C 值是粒度累積曲線上1%處對應的粒徑，代表最粗的粒徑，M值是50%處對應的粒徑，代表粒度中值[27]。粒度分析數據表明，館上段沉積時期，從墾東12 塊經孤東七區西到埕北22 塊，C 值平均值從0.50 mm 減小到0.25 mm 以下，M 值平均值從大于0.18 mm 減小到0.15 mm 以下，反映研究區從南向北具有水體能量減弱的趨勢，可能發生河型的演變。各區塊垂向上也存在C 值和M 值的變化，意味著從館上段早期到明化鎮組早期，河流能量也存在演變的過程。

2.1.2 粒度概率累積曲線

對研究區48 口井1 938 個粒度樣品分別繪制了粒度概率累積曲線，按形態將其分為具有重力流成因特征的寬緩上拱弧形和低斜率一段式（重力流型）、牽引流成因的兩段式和三段式（牽引流型），以及反映重力流向牽引流轉化的具過渡段兩段式和低斜率兩段式（混合型）[28]三大類（圖2）。其中“重力流型”曲線（圖2a，b）反映沉積物主要由懸浮總體組成，流體類型一般為泥石流（碎屑流）和顆粒流，在研究區主要見于辮狀河心灘、分汊河的河道砂壩底部和決口扇、曲流河決口扇等微相。“混合型（過渡型）”曲線（圖2c，d）對應于洪水型重力流向牽引流轉化的早期，流體能量有所降低[28]，常見于見于辮狀河心灘中上部、分汊河河道砂壩及決口扇、曲流河決口扇沉積中?！盃恳餍汀鼻€（圖2e，f）反映較典型的牽引流沉積特點，是曲流河邊灘（點砂壩）的典型粒度分布特征。

從勝利灘海地區館上段至明化鎮組底部粒度累積概率曲線類型直方圖（圖3）中可以看出，從Ngs7到Ngs3 具有Ngs7~Ngs5 和Ngs4~Ngs3 兩個“重力流型”和“混合型（過渡型）”曲線占比減少而“牽引流型”曲線占比增多的旋回，反映垂向上研究區河流能量具有上述2 個旋回性演變過程。同時可以看到，Ngs(1+2)~Nm 沉積時期“重力流型”曲線占比相較于Ngs3 顯著增加，反映在此階段河流能量明顯增強。粒度概率累積曲線類型在垂向上的上述變化暗示著研究區館上段至明化鎮組底部沉積時期河流類型的演變具有旋回性變化，而非從高能量河流向低能量河流的單一演變過程。

圖3 勝利灘海地區館上段至明化鎮組底部粒度累積概率曲線類型直方圖Fig.3 Granularity probability histograms for the upper member of the Guantao Formation and the bottom of the Minghuazhen Formation in Shengli offshore area

2.2 沉積構造特征

沉積構造可以反映沉積介質的性質、強度及沉積物的搬運和沉積方式等情況，具有重要的指相意義。巖心觀察表明研究區反映單向水流成因的各種規模的板狀交錯層理（圖4a）和槽狀交錯層理（圖4b）構造極為發育，其次是平行層理（圖4c）、上攀砂紋層理（圖4d），也可見波狀層理（圖4e）和水平層理（圖4f）。此外還常見沖刷面構造（圖4g），以及洪水期間快速沉積作用形成的塊狀層理和由此引起的同生變形構造（圖4h）。其中，板狀交錯層理、槽狀交錯層理和沖刷面是河道砂體的典型沉積構造，上攀砂紋層理、波狀層理等常出現在河道砂體頂部和天然堤沉積中，塊狀層理和同生變形構造則與決口扇沉積密切相關。

圖4 勝利灘海地區區館上段至明化鎮組底部典型沉積構造（a）細砂巖，板狀交錯層理，KD12￣53，Nm84，890.7 m；（b）細砂巖，槽狀交錯層理，GD7￣29￣J246，Ngs5，1 287.8 m；（c）粉細砂巖，平行層理，GD7￣29￣J246，Ngs6，1 328.9 m；（d）粉砂巖，上攀砂紋層理，GD7￣29￣J246，Ngs5，1 264.25 m；（e）細砂巖，波狀層理，GD7￣29￣J246，Ngs62，1 315.8 m；（f）粉砂巖，水平層理，CB22，Ngs6，1 473.7 m；（g）下部泥巖，上部中粗砂巖，沖刷面，GD7￣29￣J246，Ngs6，1 320.3 m；（h）粉砂質泥巖，變形構造，GD7￣29￣J254，Ngs45，1 241.9 mFig.4 Typical sedimentary structures of the upper member of the Guantao Formation and the bottom of the Minghuazhen Formation in the Neogene Shengli offshore area

2.3 垂向沉積序列及測井響應特征

2.3.1 垂向沉積序列

不同河流由于沉積發育過程存在差異，在垂向沉積序列上具有明顯區別。通過對研究區巖心沉積序列的精細觀察（圖5），總結出三種河流垂向沉積層序（圖6），結合筆者前期及前人研究成果[5,14,29]，認為其分別為辮狀河、分汊河和曲流河的垂向沉積序列。分汊河沉積學特征總體上介于辮狀河和曲流河之間，是兩者的過渡河型，兼具辮狀河與曲流河的某些特征，但又有獨特之處。其突出特點是決口扇比較發育，在垂向巖性組合上常見河道砂壩與決口扇頻繁互層現象（圖5b），河道內發育類似心灘的河道砂壩；在平面形態上，常表現為單雙河道交替出現，連通砂體規模與曲流河接近，但長度大于曲流河。

圖5 勝利灘海地區新近系辮狀河、分汊河和曲流河典型垂向序列特征（a）CB22井，曲流河“二元結構”；（b）GD7￣29￣J246，分汊河決口扇與河道砂壩互層；（c）GD7￣29￣J246，辮狀河“二元結構”的底層單元Fig.5 Characteristic vertical sedimentary sequences of Neogene rivers in Shengli offshore area(a)braided river;(b)meandering river;and(c)anabranching river

從圖6可以看出，研究區辮狀河與曲流河垂向序列與其相應河型的經典垂向層序相近或一致。分汊河與辮狀河相比，沉積物粒度較細，二元結構較為發育，有時表現為“泥包砂”；與曲流河相比，天然堤發育稍差，決口扇較為發育，河道砂壩頂部經常突變為洪泛沉積物，植物碎屑豐富，可形成炭質膜/薄層。統計結果表明，曲流河連通砂體厚度最厚，平均在6~7 m之間，分汊河相對最薄，平均約4~5 m。

圖6 勝利灘海地區新近系辮狀河、分汊河和曲流河垂向沉積序列Fig.6 Vertical sedimentary sequences of (l to r) braided river,meandering river and anabranching river in Neogene Shengli offshore area

2.3.2 測井響應特征

不同河型主要砂體測井響應特征也有差異（圖7）。辮狀河心灘砂體SP 曲線常為齒化箱形，反映多期河道的沖刷疊置。分汊河河道砂壩與曲流河邊灘砂測井曲線一般為鐘形，其中，分汊河河道砂壩垂向上常與決口扇共生，構成下扇上砂組合或下砂上扇組合，SP曲線表現為復合韻律。

圖7 勝利灘海地區新近系辮狀河、分汊河和曲流河主要砂體測井響應特征對比Fig.7 Comparison of logging response characteristics of the main sandbodies from (l to r) braided river,meandering river and anabranching river in Neogene Shengli offshore area

3 河型時空發育特征

在巖心沉積相標志研究的基礎上，結合流體類型、單井沉積學特征、測井響應特征，在資料稀缺的部分層段結合筆者前期和前人在區域上的總體認識以及河型的空間演化規律[2,5,14-19]，確定了灘海地區各典型區塊館上段和明化鎮組底部河流類型及演化特征。

墾東地區Ngs7~Ngs6 下發育辮狀河，Ngs6 中上~Ngs3以分汊河為主，Ngs（1+2）為辮狀河，Nm底為分汊河。孤東地區Ngs4 砂組以下與墾東地區相近，但Ngs3發育曲流河，Ngs（1+2）和Nm底發育分汊河。埕北區塊Ngs7 為辮狀河，Ngs6~Ngs56、Ngs（1+2）及Nm底部為分汊河，其余層段為曲流河（表1）。

表1 勝利灘海地區館上段—明化鎮組底部典型地區河流類型Table 1 Fluvial types in typical blocks of Neogene in Shengli offshore area (including the upper member of the Guantao Formation and the bottom of the Minghuazhen Formation)

從平面上看，灘海地區南部館上段—明化鎮組底部除了Ngs7和Ngs（1+2）砂組發育辮狀河以外，其他層段均為分汊河沉積，具有辮狀河—分汊河—辮狀河—分汊河的演變特征，整體為中高能河流沉積。灘海地區中部河流類型在垂向上表現為辮狀河—分汊河—曲流河—分汊河的演變過程，高、中、低能河流類型均有發育；而研究區北部河流類型垂向上的演變特征盡管與中部類似，但曲流河發育層位從Ngs55-1~Ngs3，明顯比中部增多，反映其河流能量為灘海地區中最低的，是研究區總體上由魯西隆起供源的沉積響應。

4 河型演變控制因素及演變規律

綜上所述，灘海地區館上段至明化鎮組底部發育三種的河流類型，既有高能不穩定辮狀河和低能相對穩定的曲流河，亦有二者之間的過渡河型分汊河，即存在辮狀河到分汊河再到曲流河的正向演變關系，也有分汊河到辮狀河、曲流河到分汊河的反向演變過程。

河流體系對外部異旋回和內部自旋回均可產生沉積響應。其中，異旋回作用可以河道發育類型的旋回性變化呈現[30]。影響河流發育的異旋回控制因素主要有三種：構造、氣候和海（湖）平面升降，這三種控制因素可以在沉積盆地中的任何時間起作用[31]。當構造作用、氣候、沉積基準面變化等因素發生變化時，河型即可能發生演變[16,32-34]；因此本文從構造運動（古地形）、古氣候變化和基準面變化三個方面探討其對灘海地區新近系上部河型演變的控制和影響作用。

4.1 河型演變的控制因素

4.1.1 構造運動

構造運動是影響河型轉化最重要的因素，控制了河流類型及其演變特征的大趨勢。構造隆升及沉降導致地形坡度變化時，河流沉積樣式會做出相應調整[35-37]。坡度變大有利于高能量寬淺型河流的發育，坡度減緩則有利于低能量窄深型河流的形成。同時，構造隆升及沉降也會影響剝蝕區和沉積區的分布，從而影響沉積物供給；而沉積相的結構特征也會響應于沉積物供應的周期性變化[38]，最終導致河型發生轉化。

在斷—拗轉換期的區域性構造運動以及斷層活動的背景下，館陶組沉積早期濟陽坳陷內隆凹相間的地貌格局比較明顯，在南部諸如墾東—青坨子凸起前麓等物源供應充足的墾東地區，坡降大、水流急的辮狀河沉積廣泛發育。經過館下段的填平補齊作用，至館陶組沉積晚期，北北東走向斷層及及北東走向斷層停止活動[39]，盆地凹凸相間的格局消亡，地形變緩，有利于發育較低能量的河流類型如分汊河和曲流河。區域上沉降沉積中心向北移至渤中坳陷[40]，形成統一的、緩慢沉降的沉積盆地，館陶組上部至第四系沉積時期，斷層的活動性進一步減弱，南部一般至館上段上部消失，北部至明化鎮組上部消失[41-42]，因此河流類型主要為分汊河與曲流河。

4.1.2 氣候變化

氣候通過引起溫度、濕度、降雨、風和日照等變化，影響植被覆蓋、風化和侵蝕模式以及沉積物供給[31]，Ikeda et al.[43]通過定量化的數學模型研究表明，河岸有植被覆蓋時，會引起河道深度增加但寬度減??；同時植被可以提高河岸穩定性[44-46]，從而影響河道的類型。Leigh[47]認為全球氣候變暖以及潮濕的氣候條件，會使植被覆蓋密集，進而導致沉積物量減少，影響河流演化的進程。

濟陽坳陷東營組沉積時期位于北亞熱帶，溫涼濕潤[48]，館陶組早中期仍以北亞熱帶為主，但溫度增高，濕度變大，館陶組沉積中晚期以中亞熱帶溫濕氣候為主，末期向干熱氣候轉變[30]。館陶組早中期溫度增高和濕度變大的氣候條件，有利于源區風化剝蝕作用，提供大量的沉積物，而突然增多的降雨使地表徑流快速增大，物源區剝蝕的產物被急劇增大的水流攜帶，此時植被不甚發育，河岸的抗沖性差，河道不穩定，有利于形成辮狀河。在館陶組沉積中后期，隨著植被的發育，河岸的抗沖性增強，辮狀河逐漸向分汊河、曲流河轉變。而館陶組末期干熱氣候一方面易于發生季節性洪水，形成高能急流，同時植被覆蓋變差，導致抗沖性變差，因此在灘海地區形成南部從分汊河向辮狀河轉化，中北部從曲流河向分汊河轉變的反向演變過程。

4.1.3 基準面變化

在構造相對穩定的環境下，基準面的變化控制著可容納空間的變化，可容納空間增加速率與沉積物供應速率的比值（A/S 值）控制著河道砂體的疊置模式[49]，也即河流的類型。苗小龍等[50]通過對Miall總結的部分典型辮狀河類型進行量化以A/S 值來劃分基準面旋回，發現辮狀河基準面以上升旋回類型為主。研究區進入坳陷階段后，基準面上升，館陶組早期可容納空間較低，低A/S 值導致辮狀河道發育，且單層砂體厚度較大。隨著基準面上升，砂巖單層厚度向上減薄，泥巖增多[51]，河流下蝕和側蝕作用增強，逐漸向分汊河演變；隨著側向侵蝕作用進一步加強，河流彎度加大，河流向曲流河演變。

研究區館陶組經歷了一個完整的基準面旋回變化過程，其中基準面上升半旋回與下降半旋回的分界線位于Ngs4 沉積時期。在研究區中部，Ngs7~Ngs4 沉積時期河流類型以辮狀河和分汊河為主，河流寬而淺，側向遷移迅速，辮狀河垂向上發育厚層河道砂體；Ngs3~Nm 早期河流類型以曲流河與分汊河為主，洪泛平原分布面積增大，砂體疊置層數明顯減小，并且層序頂部泥巖增多。灘海北部地區在基準面上升時期由于多方水系均經過該區域匯入渤中凹陷，河道下蝕作用比較強，該區域曲流河在Ngs5 中上沉積期便有出現。Ngs(1+2)沉積時期，基準面下降到最低位置，可容空間的減小使研究區南部的分汊河向辮狀河轉化，研究區北部的曲流河向分汊河轉化。

由上述論述可知，構造、氣候和沉積基準面變化三種因素共同影響著河流發育、演變的方向。其中，構造作用為河流發育類型的主要控制因素，它控制著河道的延伸形態、上下游的高程差和流體侵蝕方式等河流基本發育要素，影響了河流整體的演變方向。氣候因素主要通過引起沉積物供應、河水能量和河岸植被覆蓋等方面而對河流類型和演化具有重要控制作用。沉積基準面的變化是區域內構造和氣候兩種因素綜合作用的表現，其相對于地表位置的可容納空間大小控制了可堆積沉積物的潛力，進而控制著河道砂體的疊置模式，即河流的垂向沉積層序。

4.2 河型的時空演變模式

在上述研究基礎上，總結出灘海地區館上段—明化鎮組底部河流類型演變模式（圖8，9）。

在Ngs7沉積時期，研究區地形高差相對較大，氣候溫濕，處于長期基準面上升的中期以及中期旋回基準面上升的初期，灘海地區廣泛發育辮狀河沉積，砂體垂向上相互切疊（圖8）。隨著基準面上升，在Ngs6 沉積早期，研究區可容空間增大而沉積物供給減少，且由于沉積物體積分配作用，即離物源由近到遠沉積物粒度由粗變細，砂體厚度逐漸減薄，南部仍以辮狀河沉積為主，心灘砂體相互切疊連片，中部和北部主要發育分汊河沉積，砂體以切疊或孤立為主（圖8，9）。

Ngs5~Ngs3沉積時期，研究區氣候繼續向溫濕轉化，源區持續夷平，且Ngs4沉積末期處于長期以及中期基準面上升和下降的轉換時期，可容空間達到最大，垂向上砂體主要呈孤立型。南部和中部（Ngs3時期發育曲流河）主要發育分汊河，北部主要發育曲流河（圖8，9）。

圖8 灘海地區新近系館上段—明化鎮組底部河流縱向演變模式圖Fig.8 Model of vertical fluvial pattern transformation in the upper member of Neogene Guantao Formation and the bottom of Minghuazhen Formation in Shengli offshore area

圖9 勝利灘海地區館上段—明化鎮組底部河流平面演變模式圖（a）灘海地區館上段Ngs6沉積早期河流橫向演化模式圖；（b）灘海地區館上段Ngs4沉積末期河流橫向演化模式圖；（c）灘海地區Ngs~Nm轉換期河流橫向演化模式圖Fig.9 Model of lateral fluvial pattern transformation of the upper member of Guantao Formation and the bottom of Minghuazhen Formation in Shengli offshore area

Ngs（1+2）~Nm 沉積時期，灘海地區處于長期旋回以及中期旋回基準面下降到上升的轉換時期，可容空間減小，同時氣候轉為干熱，河道側蝕能力增強，受距離物源的遠近控制，南部地區由分汊河向辮狀河轉化，砂體相互切疊；中部和北部地區由曲流河向分汊河演變，相應的孤立型砂體向切疊型砂體轉化（圖8，9）。

5 結論

（1）勝利油區灘海地區館上段—明化鎮組底部發育辮狀河、分汊河、曲流河三種河流類型。其中辮狀河主要發育在7砂組、南部和中部的6砂組下部和南部的1+2砂組；曲流河主要發育在研究區中部3砂組和北部5砂組上部到3砂組；分汊河比較廣泛地發育于其余砂組。

（2）分汊河盡管是介于辮狀河與曲流河之間的過渡河流類型，但在沉積特征、垂向層序、連通砂體規模和在區域上的發育位置等方面均具有獨特之處，尤其以發育的決口扇、豐富的植物碎屑等特征區別于辮狀河與曲流河。

（3）勝利油區灘海地區從館上段—明化鎮組底部，既存在辮狀河到分汊河（再到曲流河）的正向演變關系，也有分汊河到辮狀河、曲流河到分汊河的反向演變關系，而非持續地從高能量河流向低能量河流演變的過程。構造運動為研究區河流發育類型的主要控制因素，其控制了河流類型及其演變的大方向。