渤中凹陷東南緣東二下亞段扇體成因新認識

謝曉軍 吳克強,2 張錦偉 廖計華 白海強 劉子玉 唐 武

(1. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028； 2. 海洋油氣勘探國家工程研究中心 北京 100028；3. 中海石油(中國)有限公司 北京 100010)

中國近海隨著淺層和構造油氣藏的勘探程度增高，將向深層巖性、地層油氣藏等領域拓展[1-2]。渤海海域東營組發育多個大中型湖相深水沉積巖性體，主要分布在遼東灣坳陷和渤中凹陷，前人認為是濁流或滑塌成因的湖底扇沉積[3-8]。研究區位于渤中凹陷東南緣，整體是一個緩坡。自下而上發育有前古近系的前寒武系、古生界、中生界和新生界的古近系、新近系、第四系。其中古近系包括孔店組、沙河街組、東營組，東營組又分為三段，自下而上為東三段、東二下亞段、東二上亞段、東一段，東二下亞段為本次研究的目的層。東二下亞段沉積時期，為一個完整的三級層序單元，本次研究的扇體位于該層序的高位體系域內。該時期，渤中凹陷整體為辮狀河(扇)三角洲、深水沉積扇體、濱淺湖及半深湖—深湖沉積環境。其中辮狀河三角洲主要位于渤中凹陷的北側，扇三角洲主要位于凹陷西側，深水沉積扇體主要位于渤南低凸起周緣及渤中凹陷的北側。

目前，對扇體規模、分布范圍、期次以及物源區的巖性等方面具有統一的認識。因無鉆井揭示，依據地震反射特征識別出渤南低凸起東二下亞段發育5個扇體(A—E扇)，總面積約873 km2。通過周邊鉆井及地震相綜合類比認為，該沉積期物源區面積約437 km2，為目標扇體提供物源的母巖巖性主要包括前寒武系花崗巖和中生代火山巖。結合物源區的分水嶺、沉積物輸送通道和巖性分布認為，A和E扇的物源主要來自前寒武系花崗巖、中生代近火山口相的安山巖和中生代遠火山口相的火山碎屑沉積巖，并以前寒武系花崗巖和中生代近火山口相的玄武/安山巖為主；B扇物源主要來自中生代遠火山口相的火山碎屑沉積巖；C和D扇物源主要為中生代近火山口相的安山巖(圖1)。關于扇體成因，存在三角洲和湖底扇[9]兩種觀點。本文基于扇體周邊鉆井巖心層理構造、測井曲線特征和扇體的地震內幕結構，并綜合類比被鉆井揭示且有油氣發現，位于埕北低凸起東南緣的東三段異重流沉積，探討渤中凹陷東南緣東二下亞段扇體的沉積成因，為后續砂體的空間展布、主控因素和精細刻畫等研究奠定良好的基礎，進而指導下一步鉆井部署。

圖1 研究區位置及扇體分布Fig.1 Location of study area and fan distribution

1 異重流研究概況

異重流是深水沉積輸送機制的類型之一，近幾十年來，越來越受到國內外地質學家的關注。異重流是重力流的一種，河水攜帶比海水或湖水更高密度的流體直接進入海洋或湖泊中，并主要沿水體底部流動的流體；由異重流作用形成的巖石稱為異重巖。異重流概念最早是由Forel[10-11]在研究Le’man湖時提出；Bates[12]在研究三角洲形成的合理理論時，認為異重流是一種含沉積物顆粒的高密度流體(與蓄水體相對而言)，沿蓄水體底部流動的濁流(或密度流)；Mulder等[13]進一步完善了Bates的異重流定義，認為異重流是一種河流直接供源、因密度遠大于靜水密度而沿盆地底部流動的流體，以遞變懸浮搬運為特征。中外學者研究了全球230條河流認為，84%的河流都產生了周期性的異重流；多數學者認為[14-20]，湖泊比海洋更容易形成異重流，主要是因為湖相盆地的構造運動更加強烈和頻繁、盆地面積小、盆地與周緣隆起的地形高差較大且小河流更發育；Mulder等[14]指出異重流發生頻率和強度在以下條件下會增加：氣候更加干旱(更冷或更暖)、減少植被覆蓋和增加溫度的變化會加劇侵蝕，窄陸架區的相對海平面下降使得河流與峽谷直接連接等。楊仁超 等[21]認為陸相淡水湖盆受氣候和構造影響更大，地形陡峭、洪水頻發、碎屑物質供給豐富、湖水密度較低等特征更容易滿足異重流的形成條件。在海洋環境中，河流中的懸浮物濃度要大于35～45 kg/m3才可以形成異重流，而湖泊淡水環境中僅需要大于1 kg/m3即可形成異重流[22]。

全球現已有近30個異重流研究實例[23]，時代以現代沉積和中新生代為主；現代沉積的實例主要在法國alpine湖[24]、美國Mead 湖、俄羅斯Balkal湖[25]、加拿大Baffin島的 Soper湖[26]等。Zavala Carlos 等[27]根據持續時間的長短可進一步區分為短期和長期的異重流；短期的異重流通常持續幾個小時、幾個星期至近百年，如2009年8月7—9號的莫拉克臺風，3天時間里，臺灣高坪地區西南海岸形成約180 km長的異重流沉積體[28]，日本中部TOYAMA扇形成時間大概是幾天至3～4周[29]，美國加利福尼亞西海岸的Monterey扇由alinas和Pajaro等河流經約100年供源形成[30]。中新生代的研究實例主要分布在阿根廷特內烏肯盆地[15,31]、委內瑞拉新生代盆地[22]、加拿大西因蒂里厄海道[26]、美國北阿巴拉契亞盆地和中科羅拉多盆地[32,33]、松遼盆地[34]、鄂爾多斯盆地[21,35]等；在委內瑞拉特立尼達島東南側的Columbus盆地Oilbird油氣田的上新世異重流砂巖[36]和委內瑞拉Maturin次盆晚漸新世—早中新世異重流砂巖[22]中均發現油氣。這展示了異重流重要的研究意義和勘探實踐作用。

目前，在異重流沉積物的粒度特征及沉積序列等方面還存在一定的爭議，多數學者認為其沉積物主要為中砂巖到粉—細砂巖等粒度相對較細的沉積物或富含有機質的細粒沉積序列[14,37-38]，但Mutti 等[39]認為沉積粗粒和細粒沉積物都有可能，主要取決于“源—匯”系統,楊田 等[40]認為在物源充分的條件下，近源以厚層粗粒為主、中部發育層內突變或侵蝕面的逆—正粒序組合、遠端形成薄層細粒沉積物；在物源不充分的條件下，以薄層細砂-粉砂沉積為主。

2 異重流典型特征

對比異重流與經典濁流沉積(鮑馬序列)，兩者具有很大的相似性但又有一定的區別(表1)。經典濁流屬于“二次搬運”，即在一定觸發機制的作用下，盆內沉積物通過重力流進行再次搬運并沉積到新的沉積區；異重流屬于“一次搬運”，即途徑盆緣峽谷/溝谷，盆外河流直接將盆外物質沿著盆地水體的中下部/底部搬運并直接沉積。經典濁流的流體移動較快，主要是流體的頭部攜帶大量碎屑物進行再沉積或對下伏沉積物進行侵蝕；而持續的異重流沉積流體的移動較慢、流體的前端侵蝕能力較小，沉積的主體或對下伏沉積物的侵蝕主要位于流體中部的主體位置。

表1 異重流與濁流特征綜合對比表(據文獻[23]，有修改)Table 1 Similarities and differences between typical turbidites and hyperpycnal flow(modified from reference[23])

異重流最典型的特征是具有逆—正粒序組合、流水沉積構造和彎曲水道化等，從測井曲線和巖心等方面可以明顯看出逆—正粒序組合的“二元結構(Ha—Hb)” (圖2，轉引自Mulder等[14]，2003；楊仁超 等[21]，2015)，該“二元結構”是由于持續的異重流因水流強度的增強和減弱形成的，即異重流是由洪水持續發育，整個沉積過程經歷了洪水增大及衰弱的兩個過程，通常形成底部向上變粗(洪水增強期)和上部逐漸變細(洪水衰弱期)的旋回

圖2 異重流在巖心和測井曲線上的典型特征Fig.2 Typical characteristics of hyperpycnal flow on cores and logging curves

組合；異重流的沉積構造主要包括正粒序/反粒序層理、泄水與碟狀構造、攀升波紋層理、平行層理和交錯層理等；野外露頭和地震剖面上可以見到多期水道疊置或侵蝕，水道具有曲流河特征，水道內部可見側向加積。

3 渤中凹陷東二下亞段異重流模式的提出

對于渤中凹陷東南緣東二下亞段扇體的成因，近十多年來，存在三角洲和湖底扇[9]兩種觀點。隨著渤海海域構造圈閉的勘探程度越來越高，構造—巖性及巖性圈閉是未來重要的勘探領域之一。對于東二下亞段巖性圈閉的勘探來說，扇體橫向變化快且埋深較大，扇體邊界及內部砂體的發育部分難以確定；通過成因的研究，可以為扇體邊界的精細刻畫、砂體的發育部位及富砂規律預測提供重要的成因機制支持。

埕北低凸起東緣東三段異重流沉積，被鉆井證實且有油氣發現[41]。本文從古氣候、古物源、古地貌、流水沉積構造及水道化特征等5方面類比埕北低凸起東緣東三段異重流(圖1)，結合本區周邊鉆井特征、扇體的地震內幕結構等，開展渤中凹陷東南緣東二下亞段扇體的成因與沉積模式研究。

1) 古氣候。

前人通過孢子、花粉等資料研究認為[42-43]，東營凹陷和遼東灣坳陷東三段和東二段沉積時期均為亞熱帶偏濕潤氣候，東二段沉積期較東三段更為干熱，且東二下亞段沉積晚期氣候發生了快速轉變，存在極端氣候的可能性；因渤中凹陷的位置與東營凹陷及遼東灣坳陷相鄰，推測渤中凹陷及其周緣亦具有相似的氣候條件，即東二段整體偏濕熱氣候、晚期氣候快速變化的，該氣候背景有利于母巖區加速機械風化剝蝕，從而利于源區提供豐富的陸源碎屑物質。

2) 古物源。

渤中凹陷周緣和埕北低凸起周緣均為近源供給，其中渤南低凸起東二下亞段沉積期剝蝕區面積437 km2，對應扇體面積873 km2；埕北低凸起東三段沉積期相應的剝蝕區面積156 km2，扇體面積大于250 km2，二者剝蝕區與沉積扇體面積的比值均為1∶2左右；因此，從母巖剝蝕區的規模和沉積扇體的規模匹配度上來看，二者具有相似性。

3) 古地貌。

渤南低凸起東二下亞段扇體與埕北低凸起東三段異重流扇體均發育在低凸起向凹陷過渡的斜坡區(圖3)。從斜坡結構及坡度來看，渤南低凸起與埕北低凸起斜坡區均表現為三級階梯式結構，整體坡度均較緩，從靠近源區的第一階梯到靠近深洼的第三階梯坡度變化均呈現先增大后減少的趨勢，二者具有相似的斜坡結構；渤南低凸起的第一階梯坡度在1.04°～1.76°，第二階梯坡度在1.22°～1.81°,第三階梯坡度在0.32°～0.47°；埕北低凸起的第一階梯坡度在0.52°～1.47°，第二階梯坡度在1.76°～2.81°,第三階梯坡度在0.36°～0.82°。此外，在凸起邊緣與斜坡過渡區，均發育多條古溝槽，古溝槽表現為兩個高地之間的狹長洼地；這些古溝槽可以為碎屑物質提供優勢搬運通道。

圖3 渤南低凸起與埕北低凸起斜坡結構Fig.3 Slope structure comparison between Bonan low uplift and Chengbei low uplift

4) 牽引流沉積構造。

鉆遇渤南低凸起扇體邊緣的1井(圖2d，井位見圖1)揭示，東二下亞段沉積時期為半深湖—深湖沉積環境；巖性為厚層泥巖夾薄層泥質砂巖，泥巖為厚層灰色泥巖與薄層灰褐色泥巖不等厚互層，泥巖巖性不純，局部泥巖見頁理；在該井3 500.42 m的巖心(圖2a、圖4a)中也觀察到沙紋層理構造，說明該沉積構造是在深湖安靜水體的條件下，受到外部流體的影響而形成的；而這種沉積構造與異重流扇體邊部沉積構造特征相吻合。測井曲線呈現出漏斗型—鐘型—漏斗型組合，具有典型的逆—正粒序組合的“二元結構(Ha—Hb)，同樣也說明該部位受到異重流沉積的影響。在埕北低凸起異重流沉積的扇體內也發育類似的流水構造，如CBG4井2 990.8 m處的波狀沙紋層理(圖4b)，CBX820井3 921.3 m處的具有逆—正粒序組合的含礫砂巖(圖4c)[41]。

圖4 渤中凹陷東二下亞段與埕北低凸起東三段鉆井巖心特征Fig.4 Cores characteristics of third Ed2 Formation of Well A in Bozhong Sag and the Ed3 Formation in Chengbei low uplift

5) 水道化特征。

本區扇體無鉆井揭示，扇體內部的水道化特征只能通過地震反射結構進行推測。以本區A扇為例，從垂直物源方向的地震剖面上可以看出，扇體具有完整的復合水道外形特征，底部發育強烈侵蝕下切(圖5)，由此可見扇體沉積時對下伏地層產生了強烈的侵蝕作用，表明沉積物具有較高的濃度。復合水道由靠近物源的“V”型，逐漸向遠源區過渡為“W”型；內部發育多期水道疊置，靠近主水道的位置，侵蝕下切的強度更大，邊緣部位下切強度較弱。多期水道以垂向疊置為主，呈側向遷移分布或孤立分布，水道內可見明顯側向加積特征。平面上，水道復合體主體位于扇體的中間部位，靠近源區(東南側)的水道復合體因受沉積地形的限制，表現為限制型水道的特點，具“順直河”的平面形態；遠離源區(西北側)水道復合體受沉積地形的影響相對較小，則具有一定的“曲流河”平面形態(圖6)。

圖5 渤中凹陷東二下亞段異重流內幕結構Fig.5 Internal structure of hyperpycnal flow in lower Ed2 Formation of Bozhong Sag

圖6 扇體A水道復合體分布立體圖Fig.6 Stereograph distribution of river complex in fan A

綜上所述，從古氣候、古物源、古地貌、流水沉積構造及水道化特征等5方面類比埕北低凸起東斜坡帶東三段異重流扇體，揭示了渤中凹陷東南緣東二下扇體與埕北低凸起東緣東三段異重流具有相似的沉積成因(圖7)，即由渤南低凸起供源、河流經由連接物源區的5條古溝槽，直接將攜帶的大量碎屑物在斜坡上堆積，最終形成具異重流沉積成因的扇體；其中，第一臺階A、B、C三個扇體地震剖面上見多期水道相互疊置，推測以復合水道沉積為主；第二臺階D、E兩個扇體的地震剖面上，水道規模變小且相互不疊置，推測以分支水道為主；最終構建了東二下亞段異重流扇體由近端復合水道和遠端分支水道組成的沉積模式，該模式與湖底扇一般的沉積模式不同，常見的湖底扇沉積模式一般按照位置來劃分(如內扇、中扇和外扇)，且不考慮內部沉積構成。本區異重流成因新認識的揭示，能更好地解釋物源區規模較小的條件下，形成較大規模扇體的沉積成因，即在濕潤氣候條件下，物源區更容易發育洪水，洪水攜帶大量碎屑巖直接入湖/海，在湖/海底形成大規模扇體。

圖7 渤中凹陷東二下亞段異重流沉積模式Fig.7 Sedimentary model of hyperpycnal flow of lower Ed2 Formation in Bozhong Sag

第一臺階扇體是異重流主體發育區和有利儲層主要發育的位置。首先，從地層埋深來看，第一臺階的扇體埋深更淺，埋深3 600～4 400 m，第二臺階扇體埋深4 120～5 200 m；其次，從異重流攜帶沉積物的位置來看(表1)，第一臺階復合水道內的砂體富集程度和粒度應該比第二臺階分支水道的更富集和更粗粒。同時，由花崗巖和近火山口相安山巖提供物源的扇體(A扇、C扇、D扇和E扇)比遠火山口相的凝灰質火山碎屑巖提供物源的扇體(B扇)更富砂。通過以上論述的扇體埋深、異重流攜帶的主體沉積物位置和物源區的母巖巖性，綜合認為第一臺階的A扇和C扇更有可能發育有利砂體/儲層。

4 結論與建議

1) 異重流是重力流的一種重要成因機制之一，是河水攜帶大量碎屑物直接沉積于海相和陸相環境中，屬于“一次搬運”。與經典濁流的鮑馬序列不同，異重流具有逆—正粒序組合、牽引流沉積構造和水道化等特點。

2) 從古氣候、古物源、古地貌、流水沉積構造及水道化特征5個方面類比埕北低凸起東斜坡帶東三段異重流，兩者具有相似的古氣候背景、源區/扇體面積比值和三級階梯式斜坡結構，東二下亞段巖心揭示發育逆—反粒序組合和沙紋層理構造、扇體內部具有多期水道疊置地震反射特征；綜合認為渤中東南緣東二下亞段扇體屬于異重流成因，并提出了由近端復合水道和遠端分支水道組成的沉積新模式。

3) 今后的異重流研究中，對于流體特征和沉積特征等存在爭議的方面，建議加強水槽物理模擬實驗和不同地質條件下的特征對比和總結；建議加強流態轉化方面的研究，如不同條件下濁流和異重流流態相互轉化、濁流發育的某段時間內異重流的形成條件等。實際工作中，在無(扇)三角洲供源的深水沉積情況下，若出現古溝谷/溝槽直接聯通“小物源、大扇體”，則需考慮是否發育異重流的可能性。