松遼盆地嫩江組層序構(gòu)型及其沉積演化①

黃 薇 張 順 張晨晨 魏 巍

(1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院 黑龍江大慶 163712;2.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院 北京 100087)

層序內(nèi)部結(jié)構(gòu)、沉積充填樣式及對盆地構(gòu)造活動(dòng)的響應(yīng)一直是含油氣盆地研究的重點(diǎn)，但這多集中于陸相斷陷盆地或海相盆地中［1，2］。松遼盆地經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的系統(tǒng)研究及勘探開發(fā)實(shí)踐，積累了豐富的資料，在層序與沉積地質(zhì)學(xué)方面取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性認(rèn)識［3，4］。因此，本文通過對松遼大型陸相坳陷盆地嫩江組不同類型層序結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制的深入分析，闡明不同類型層序結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制控制下的沉積充填響應(yīng)，對深入認(rèn)識大型陸相坳陷湖盆沉積過程具有極其重要的意義。

1 地質(zhì)背景

松遼盆地位于中國東北，面積26×104km2，屬于中、新生代大型陸相坳陷型盆地。根據(jù)地層分布及結(jié)構(gòu)特征劃分6個(gè)一級構(gòu)造單元，31個(gè)二級構(gòu)造單元。盆地蓋層厚度超過10 000 m，由斷陷期、坳陷期及反轉(zhuǎn)期3個(gè)一級構(gòu)造層序11個(gè)二級層序和31個(gè)三級層序所構(gòu)成［5，6］。斷陷層序具有斷陷湖盆、沖積扇、扇三角洲形成的泥巖、砂礫巖、火山巖夾煤系地層構(gòu)成的巖性組合，坳陷層序具有大型河流與大型湖泊—三角洲沉積的砂、泥巖及油頁巖交互形成的巖性組合，其中青山口組及嫩江組兩個(gè)湖泛期形成的廣泛分布的兩套油頁巖既是地層劃分對比的標(biāo)準(zhǔn)層和層序識別的典型界面，又是優(yōu)質(zhì)烴源巖和良好蓋層。嫩江組是第二個(gè)湖泛期形成的一套大型湖泊—三角洲相沉積地層，上覆小型淺水湖泊與河流相沉積形成的砂巖、砂礫巖及泥巖構(gòu)成的反轉(zhuǎn)期地層。

2 嫩江組層序構(gòu)型

2.1 層序界面

層序界面的識別主要通過地震、測井和巖相特征來進(jìn)行，這也是層序地層學(xué)確定各級層序界面的常規(guī)技術(shù)手段［7～9］。根據(jù)上述方面的特征嫩江組共識別出1個(gè)二級層序界面、2個(gè)三級層序界面及8個(gè)能夠記錄湖平面變化的四級層序界面(圖1，2)。二級層序界面常常是區(qū)域構(gòu)造階段性演化的直接產(chǎn)物，表現(xiàn)為典型的構(gòu)造不整合［10，11］。SB03是嫩江組頂界面，在地震剖面上可見明顯上超下削反射特征，表明松遼盆地經(jīng)歷了一次強(qiáng)烈擠壓抬升過程，屬于二級層序界面。三級層序界面多為低角度和微角度不整合，其成因常因基準(zhǔn)面下降引起侵蝕不整合，不整合面向凹陷中心延伸多變?yōu)檎厦妫?0］。嫩江組發(fā)育2個(gè)三級層序界面SB04和SB1，其中SB04是松遼盆地嫩江組五段底界面，在盆地西部斜坡區(qū)界面之上表現(xiàn)為向西的不斷前積和下超，而界面之下則表現(xiàn)為對下伏地層的削截，在盆地中部界面上下仍然表現(xiàn)為下超和削截。SB1是嫩江組底界面，在盆地中部和東部地層成平行接觸關(guān)系，僅在盆地西部地層以低角度上超到該界面之上，在東西向沉積剖面上發(fā)現(xiàn)SB1完全分隔了上覆半深湖—深湖沉積體系和下部的三角洲—濱淺湖沉積體系(圖2)。

圖1 松遼盆地嫩江組綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive stratigraphic column of the Nenjiang Formation in the Songliao Basin

圖2 松遼盆地嫩江組東西向?qū)有虻貙优c沉積相剖面(位置見圖3)Fig.2 The profile of the K2n east-west orientation sequence stratigraphyic and sedimentary facies in the Songliao Basin(location in figure 3)

四級層序只是時(shí)限更短一些的三級層序，層序結(jié)構(gòu)沒有根本性差異，主要是看三級層序劃分尺度，以湖泛面或局部侵蝕面及對應(yīng)的整合面為界面［12］。嫩江組四級層序界面主要是在三級層序地層單元內(nèi)次一級的短期水進(jìn)界面，共識別出8個(gè)四級層序界面，其中SB07為嫩江組二段油頁巖底界面，其它6個(gè)四級層序界面將三級層序Ⅱ2-2分隔為7個(gè)四級層序，各對應(yīng)一個(gè)向盆地西側(cè)推進(jìn)的前積體，上部被SB04不整合面所削截，下部底超在SB07界面上。界面是SB03和SB04之間的一個(gè)四級界面，是嫩江組沉積末期河流相沉積環(huán)境基準(zhǔn)面發(fā)生小的波動(dòng)所形成界面(圖2)。

2.2 嫩江組層序地層格架

嫩江組是以SB03及SB1為頂?shù)捉缑?、以SB07為對稱界面的水進(jìn)—水退型層序，嫩江組一段是水進(jìn)體系域形成的退積型層序，嫩江組二、三、四、五段是高位及低位體系域形成的進(jìn)積型層序。SB04界面將嫩江組分為2個(gè)三級層序，其中嫩江組一、二、三、四段為一個(gè)三級層序，嫩江組五段為一個(gè)三級層序。依據(jù)各級界面結(jié)構(gòu)特征及所代表地質(zhì)事件將嫩江組劃分10個(gè)四級層序，其中四級層序N2～N6均具有向SB07收斂的空間展布特征，并且形成由東向西依次前積的疊瓦狀結(jié)構(gòu)。因此，每一個(gè)四級層序界面代表一次等時(shí)的物源供應(yīng)，在每一套四級層序內(nèi)部由東到西橫向上表現(xiàn)出三角洲前緣砂體—前三角洲—湖相的相遷移。縱向上由下至上表現(xiàn)出前三角洲—三角洲前緣—三角洲平原的相連續(xù)或者前三角洲—三角洲平原的相躍遷(圖2)。

3 嫩江組沉積演化

3.1 水進(jìn)層序控制下的沉積響應(yīng)

嫩江組一段N1層序沉積時(shí)期，是松遼盆地晚白堊世發(fā)生的第二次大規(guī)模湖侵，地層最大厚度超過150 m。初期湖盆迅速擴(kuò)張湖水覆蓋了大部分湖盆，物源主要來自盆地北部(圖3)，最大水深超過150 m。N1層序沉積末期湖盆面積進(jìn)一步擴(kuò)大，最大時(shí)期超過20×104km2［13］。N1層序主要發(fā)育南北向低角度退積型三角洲，其前緣相帶分布較寬，具有前緣相帶寬大、平原相帶窄小的特點(diǎn)。利用16 000 km2三維地震在盆地中央坳陷區(qū)三角洲前緣發(fā)現(xiàn)了大型湖底濁積水道系統(tǒng)。這一水道系統(tǒng)來自盆地北部三角洲前緣部位，水道末端發(fā)育規(guī)模不等的濁積扇(圖3，圖4)。濁積水道總體由北向南延伸，直線延伸最大距離超過70 km，水道最大寬度超過600 m，一般為300 m。在水道末端深湖區(qū)形成濁積扇，濁積扇沉積厚度在0.5～8 m，巖性上小型濁積水道末端形成的扇體以泥質(zhì)為主，較大型濁積水道末端形成的濁積扇以砂質(zhì)為主。這些濁積水道形成的觸發(fā)機(jī)制目前尚不清楚，推測可能是地表河流由于洪水作用直接進(jìn)入深湖區(qū)形成［13，14］。

圖3 松遼盆地嫩江組一段沉積相圖Fig.3 The distribution of the K2n1sedimentary facies in the Songliao Basin

3.2 水退層序控制下的沉積響應(yīng)

圖4 松遼盆地大慶長垣N1層序濁積水道三維地震振幅屬性解釋圖(位置見圖3)Fig.4 Daqing Placanticline N1 sequence turbidite channels by using the 3-D seismic amplitude attribute interpreting in the Songliao Basin(location in figure 3)

嫩江組N2～N10層序發(fā)育時(shí)期，松遼盆地進(jìn)入反轉(zhuǎn)階段，最初由于盆地東部抬升，導(dǎo)致盆地開始大規(guī)模持續(xù)湖退，沉積范圍由東向西逐漸減小，沉積中心也隨之逐漸向西遷移，此時(shí)物源方向發(fā)生了90°重大變化，由原來南北向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|西向，在盆地東部抬升影響下沉積物快速向湖區(qū)推進(jìn)，形成一系列高角度進(jìn)積型三角洲(圖2，5)。此時(shí)在N2～N6層序底部形成了厚度10～15 m全盆地分布的油頁巖密集段覆蓋在SB07界面之上，測井曲線表現(xiàn)為大段泥巖中的鐘形高電阻值特征，地震上為強(qiáng)振幅連續(xù)的T07反射軸，是全盆地地層對比的標(biāo)志。利用三維地震振幅屬性分析技術(shù)及測井資料在N5層序發(fā)現(xiàn)沿著三角洲前緣走向在湖相區(qū)南北向發(fā)育眾多的滑塌扇體(圖5，6)，分析是因?yàn)榭焖龠M(jìn)積形成的高角度三角洲沉積體由于重力作用發(fā)生滑動(dòng)而形成。這些滑塌扇體規(guī)模大小不等，單體面積分布在20～150 km2，但總體具有由南向北規(guī)模逐漸增大的特點(diǎn)。N8層序沉積時(shí)期三角洲沉積體系延伸范圍較遠(yuǎn)，河流作用明顯加強(qiáng)，泛濫平原分布范圍比較大。N9～N10層序沉積時(shí)期盆地整體萎縮，沉積規(guī)模明顯減小，此時(shí)盆地主要發(fā)育大型河流沉積體系，河流一直延伸到西部超覆帶，大型湖相—三角洲相沉積消失?？傮w上嫩江組水退層序東部物源體系對盆地沉積影響最大，始終是主要物質(zhì)供給區(qū)，隨著沉積基準(zhǔn)面下降和沉積中心向西遷移，沉積物逐漸向西推進(jìn)，最后湖泊消失河流相覆蓋全盆地，但局部存在零星小型淡水湖泊，整體屬于河流相環(huán)境。嫩江組之后盆地發(fā)生了一次構(gòu)造活動(dòng)，發(fā)育了T03不整合界面，由此進(jìn)入盆地新演化階段。

圖5 松遼盆地嫩江組N5層序沉積相圖Fig.5 N5 sequence sedimentary facies of the K2n in the Songliao Basin

4 層序結(jié)構(gòu)與沉積演化的動(dòng)力學(xué)機(jī)制

圖6 松遼盆地LMD滑塌扇三維地震振幅屬性分析圖(位置見圖5)Fig.6 LMD sluming fans of 3D-seismic amplitude attributes analysis in the Songliao Basin(Location in figure 5)

松遼盆地嫩江組層序結(jié)構(gòu)與沉積演化受盆地反轉(zhuǎn)擠壓構(gòu)造活動(dòng)以及湖平面變化和物源供給三個(gè)主要因素的控制。由于伊澤奈奇(Izanagi)板塊消亡及庫拉(Kula)板塊形成，板塊脈動(dòng)式俯沖加強(qiáng)［15，16］，松遼盆地受幕式擠壓應(yīng)力作用使東部反轉(zhuǎn)幅度大，西部反轉(zhuǎn)幅度小，反轉(zhuǎn)擠壓應(yīng)力的幕式活動(dòng)控制了三級及四級層序界面發(fā)育。嫩江組一段沉積時(shí)期板塊俯沖作用減弱，盆地應(yīng)力松弛轉(zhuǎn)為下沉水進(jìn)時(shí)期，進(jìn)入第二次湖泛期，在姚家組與嫩江組之間形成了SB1界面，屬于初始湖泛面。SB03 形成于 73 Ma［4，17］，由于太平洋板塊俯沖加強(qiáng)，使松遼盆地由于強(qiáng)烈擠壓產(chǎn)生東西差異隆升，使SB03界面產(chǎn)生削截，并在盆地邊部產(chǎn)生角度不整合。SB07界面位于SB03與SB1之間，是湖盆進(jìn)入最大湖泛期形成的最大湖泛面，以油頁巖為標(biāo)志層。層序N2到N8沉積時(shí)期由于大洋板塊向歐亞板塊俯沖形成較低級別幕式擠壓作用，使盆地東部抬升產(chǎn)生的豐富物源快速供給及西部較小的構(gòu)造沉降速率，導(dǎo)致在SB04界面之下發(fā)育下超于SB07界面之上的進(jìn)積型層序，于是在盆地范圍內(nèi)形成了可追蹤的四級層序界面 SB06［1～6］。

5 水退層序構(gòu)型的意義

5.1 油頁巖凝縮層的等時(shí)性

松遼盆地嫩江組水退型四級層序N2～N7依次由東向西向SB07界面收斂，在底部形成厚度約10～15 m以油頁巖為標(biāo)志的凝縮層。從水退層序的前積結(jié)構(gòu)分析，這套油頁巖凝縮層是進(jìn)積型三角洲向深水延伸部分，相序?yàn)樯詈嘤晚搸r凝縮層—濱淺湖相泥巖—三角洲前緣相粉砂巖及河口壩砂巖—三角洲平原點(diǎn)壩相砂巖。因此，油頁巖凝縮層底界面SB07具有等時(shí)性，而頂部邊界具有穿時(shí)性。這與一些地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為凝縮層頂?shù)捉缑娑疾痪哂械葧r(shí)性觀點(diǎn)有所不同［18］。

5.2 海侵觀點(diǎn)的討論

有關(guān)松遼盆地晚白堊世青山口組及嫩江組發(fā)生過兩次“海侵事件”的觀點(diǎn)一直存在爭論［19～28］。本文認(rèn)為嫩江組油頁巖是在水退層序控制下盆地逐漸萎縮過程中形成的，隨著水退層序的發(fā)育及三角洲每一次進(jìn)積，都伴隨水體濃縮并使鹽度增加，在深湖區(qū)形成強(qiáng)還原環(huán)境并形成了油頁巖濃縮層。因此，嫩江組油頁巖的形成在時(shí)間范圍內(nèi)幾乎占據(jù)了湖盆整個(gè)抬升萎縮過程的水退旋回。另外以東部物源為主的水退層序結(jié)構(gòu)也阻隔了“海侵事件”通道，這也從層序地層和沉積地質(zhì)學(xué)方面提出了松遼盆地嫩江組發(fā)生過“海侵事件”觀點(diǎn)的反證。

5.3 水退層序的石油地質(zhì)意義

水退層序存在最大湖泛面和疊瓦狀前積結(jié)構(gòu)，在地震剖面上易于識別，因此，在層序與沉積研究中可操作性強(qiáng)。同時(shí)層序底部沉積的湖相泥巖及油頁巖既可成為良好的烴源巖又是區(qū)域性有效蓋層，而水退層序內(nèi)部的三角洲前緣席狀砂體及河口壩砂體是油氣良好儲集層。松遼盆地勘探實(shí)踐及理論研究均表明有90%石油資源蘊(yùn)藏在水退層序內(nèi)部及其下部地層中［3］，因此，水退型層序可作為陸相含油氣盆地優(yōu)選的結(jié)構(gòu)性標(biāo)志，在油氣勘探中具有重要的石油地質(zhì)意義。

6 結(jié)論

(1)松遼盆地嫩江組具有以初始湖泛面和構(gòu)造返轉(zhuǎn)界面為邊界、以最大湖泛面為對稱面的水進(jìn)—水退型層序結(jié)構(gòu)，2級和3級層序受太平洋構(gòu)造域板塊活動(dòng)的控制，四級層序受短期幕式構(gòu)造活動(dòng)所控制的湖平面變化和物源因素的控制。水退層序具有東部削截、西部上超、底部下超的特點(diǎn)。

(2)嫩江組水進(jìn)—水退型層序的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)控制了深湖—半深湖相、三角洲相及河流相沉積環(huán)境的有序分布。水進(jìn)型層序控制了退積型三角洲、大型濁積水道及濁積扇的發(fā)育，三角洲具有低角度、大前緣多水下分流河道的特點(diǎn)。水退型層序控制了進(jìn)積型三角洲、大型滑塌扇體的發(fā)育，三角洲具有高角度、小前緣水下分流河道不發(fā)育的特點(diǎn)。

(3)嫩江組發(fā)育的油頁巖凝縮層是在水退層序的遠(yuǎn)端深湖—半深湖環(huán)境形成的，包含了湖盆萎縮的整個(gè)時(shí)間跨度，其頂部邊界不具等時(shí)性，但其底部最大湖泛面SB07為等時(shí)界面。因此，這也說明嫩江組油頁巖并不是“海侵事件”的產(chǎn)物。

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25 黃福堂，遲元林，黃清華.松遼盆地中白堊世海侵事件質(zhì)疑［J］.石油勘探與開發(fā)，1999，26(3):104-108［Huang Futang，Chi Yuanlin，Huang Qinghua.Songliao Basin in Cretaceous transgressive event questioned［J］.Petroleum Exploration and Development，1999，26(3):104-108］

26 崔同翠.松遼盆地白堊紀(jì)葉肢介化石［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1987:3-34［Cui Tongcui.Songliao Basin Cretaceous Conchostracon Fossils［M］.Beijing:Petroleum Industry Press，1987:3-34］

27 寧維坤，付麗，霍秋立.松遼盆地松科1井晚白堊世沉積時(shí)期古湖泊生產(chǎn)力［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2010，40(5):1020-1026［Ning Weikun，F(xiàn)u Li，Huo Qiuli.Productivity of Paleo-Songliao lake during the Late Cretaceous in well Songke-1，Songliao Basin［J］.Journal of Jilin University(Earth Science Edition)，2010，40(5):1020-1026］

28 高瑞祺，何承全，喬秀云.松遼盆地白堊紀(jì)兩次海侵的溝鞭藻類新屬種［J］.古生物學(xué)報(bào)，1992，31(1):17-29［Gao Ruiqi，He Chengquan，Qiao Xiuyun.The Songliao Basin Cretaceous twice transgression Dinoflagellates new species［J］.Acta Palaeontologica Sinica，1992，31(1):17-29］