濟陽坳陷青東凹陷新近系沙河街組沉積體系研究

溫宏雷，侯中健，林孝先

(成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059)

近幾年來，圍繞青東凹陷的研究逐漸增多，但前人的研究主要集中在區(qū)域構(gòu)造演化［1～2］、石油地質(zhì)特征及油氣資源潛力［3～4］等方面，針對古近系的沉積相帶、沉積體系以及沉積環(huán)境［5］方面的相關(guān)研究比較少。研究區(qū)目前尚沒有對有利沉積相帶和沉積體系進行過系統(tǒng)深入的研究，極大地制約了該地區(qū)有利儲層的預(yù)測及進一步的油氣勘探。

本文以沉積學(xué)、地層學(xué)理論為指導(dǎo)，綜合巖芯、錄井、測井及地震等資料，對研究區(qū)開展了沉積體系的精細研究，確定了青東凹陷沙河街組沉積相的發(fā)育類型及其特征，為青東凹陷地區(qū)有利儲層的預(yù)測以及進一步的油氣開發(fā)提供重要依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

圖1 青東凹陷構(gòu)造綱要及位置圖Fig.1 Structural outline and location of the Qingdong depression

青東凹陷位于渤海南部海域濟陽坳陷東部與郯廬斷裂帶的結(jié)合部位，其西北以青坨子凸起、墾東凸起為界與沾化凹陷相隔，西南通過青南洼陷與東營凹陷相連，東部通過郯廬斷裂西南支與萊南-濰北凸起相接(圖1)。青東凹陷北部邊界以墾東南斷層及墾東12南斷層與墾東凸起相隔，南部以青東南部邊界斷層與濰北凸起相接，東部邊界為郯廬斷裂的一支［6］。綜合鉆井和地震資料，并與渤海海域及濟陽坳陷對比，青東凹陷形成于太古界結(jié)晶變質(zhì)巖之上，發(fā)育了古生界、中生界、新生界及第4系四套沉積巖系。研究區(qū)目前已完鉆探井及滾動井，自下而上鉆遇了中生界，新生界古近系孔店組、沙河街組，新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組及第四系平原組。由于本文主要目的層段在新生界古近系沙河街組，因此僅對沙河街組及其上覆下伏地層進行簡要描述(表 1)。

表1 青東凹陷沙河街組及其上覆、下伏地層劃分及特征Table 1 Division of the Shahejie Formation and its overlying and underlying strata in the Qingdong depression

2 沉積體系識別標志

沉積體系分析是從詳細觀察和描述相標志開始的。確定沉積體系的標志主要包括沉積學(xué)標志、古生物學(xué)標志、地球化學(xué)標志和地球物理學(xué)標志。它們是沉積巖在沉積過程中對應(yīng)沉積環(huán)境的地質(zhì)記錄和物質(zhì)表現(xiàn)［9］。

本文對沉積相的研究是在巖石學(xué)、地層學(xué)的研究以及巖芯資料收集的基礎(chǔ)上，通過測井、錄井資料并結(jié)合地震剖面成果，綜合分析了青東凹陷沙河街組的沉積體系，研究了其沉積特征。

2.1 沉積學(xué)標志

確定沉積體系的沉積學(xué)標志包括了沉積巖的全部特征，諸如巖石的顏色、成分、巖石類型組合、結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造、粒度分布、剖面結(jié)構(gòu)等，這些特征是反映沉積環(huán)境的重要標志。

1.巖石顏色

沉積巖的顏色取決于其成分，尤其是所含的染色物質(zhì)—色素，并與形成的環(huán)境密切相關(guān)［8］。

研究區(qū)沙河街組巖石的顏色以淺灰色、灰色、深灰色為主(圖3a-b)，其次為灰綠色、紫紅色、棕紅色、灰黑色、黑色、黃色，說明其沉積環(huán)境以弱氧化-弱還原過渡環(huán)境為主，強還原、強氧化環(huán)境為輔。

2.巖石類型

研究區(qū)沙河街組的巖石類型主要為泥巖、砂巖(以細砂巖、粉砂巖為主)、含礫(細-中-粗)砂巖、礫巖(圖3a-d)，其次為碳酸鹽巖(以白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r為主)、泥膏巖等。含礫砂巖、細礫巖主要分布在研究區(qū)邊緣，反映近物源的特點，推測主要為扇三角洲平原、近岸水下扇的沉積;研究區(qū)內(nèi)部的少量含礫的粗粒沉積，推測為湖底扇、(水下)分流河道沉積等;而大面積的細砂巖、粉砂巖沉積，推測為水動力條件強的過渡相沉積，如(扇)三角洲前緣、灘壩、濱-淺湖等。

3.巖石結(jié)構(gòu)-粒度分布特征

巖芯結(jié)構(gòu)-粒度分析(主要利用粒度概率曲線及C-M圖)表明，研究區(qū)沙河街組具有(扇)三角洲、灘壩、近岸水下扇的沉積環(huán)境。

青東斜6井沙四上亞段(2191.46～2193.96m)巖性為綠灰色粗砂巖、綠灰色礫狀砂巖，碎屑巖成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較低，碎屑粒度為次棱角狀，分選系數(shù)為 1.68 ～2.99，分選差，孔隙度為 9.7～19.2%，具有近源沉積的特征。從粒度概率曲線上看(圖2)，主要由懸浮和跳躍組分組成，懸浮總體含量大，但是分選很差，屬跳躍搬運的粗組分，分選較好，推測其為近岸水下扇環(huán)境。

4.沉積構(gòu)造

研究區(qū)沙河街組常見的具有沉積環(huán)境特征意義的沉積構(gòu)造主要有沖刷面、平行層理、(板狀、楔狀、波狀、槽狀)交錯層理、遞變粒序、韻律構(gòu)造等(圖3a-d)。這些沉積構(gòu)造反映出了研究區(qū)具有較高的水動力條件、具雙向水流，另外還有重力流的沉積，判斷其為湖(海)岸相的沉積。

5.剖面結(jié)構(gòu)特征

不同沉積環(huán)境具有各自特殊的水動力條件及變化特點，因之在剖面上表現(xiàn)出特定的巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、古生物學(xué)等組合，形成特有的剖面結(jié)構(gòu)特征［8］。在青東凹陷鉆井剖面分析中，剖面結(jié)構(gòu)綜合研究對沉積體系的識別劃分有重大意義。在研究區(qū)，遠砂壩具有向上變粗的剖面結(jié)構(gòu)，而三角洲(水下)分流河道向上變細的剖面結(jié)構(gòu)較為常見(圖5ab)。

圖2 青東斜6井沙四上亞段Ⅰ油組粒度概率曲線(據(jù)勝利油田，2010，修改)Fig.2 Grain size probability accumulation curves for I oil measures in the upper submember of the 4th member of the Shahejie Formation through the Xie-6 well in the Qingdong depression

圖3 青東凹陷沙河街組巖性及沉積構(gòu)造圖Fig.3 Lithology and sedimentary structures in the Shahejie Formation in the Qingdong depression

2.2 古生物學(xué)標志

研究區(qū)沙河街組巖芯中常見腹足類化石和植物碎片(圖4a-b)，特別是腹足類化石常呈層富集，以化石形成類平行層理的構(gòu)造，這指示了高能的灘壩相沉積。

另外，孢粉和藻類可以分別用以指示盆地周邊陸地的溫度和濕度和盆地內(nèi)的水深、鹽度等古環(huán)境條件。畢立剛［7］等根據(jù)孢粉類群和藻類的含量的相對變化，重建了墾利構(gòu)造的古近紀沉積環(huán)境，其中沙河街組主要為濱-淺湖環(huán)境沉積。

圖4 青東凹陷沙河街組古生物學(xué)相標志Fig.4 Palaeontological indicators for the Shahejie Formation in the Qingdong depression

2.3 地球化學(xué)標志

沉積巖中化學(xué)元素的分析可以用來判斷古水介質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)、古氣候及物源區(qū)。沉積環(huán)境的地球化學(xué)標志主要是指利用常、微量元素對古鹽度、古氧相等沉積環(huán)境進行判別。

1.古鹽度分析

古鹽度是指記錄在古代沉積物中的古代水體的鹽度，可作為分析地質(zhì)歷史時期沉積環(huán)境特征的一個重要標志。

針對研究區(qū)地質(zhì)、化學(xué)背景和研究任務(wù)，選取常用的、較為成熟的Sr/Ba法對研究區(qū)沙河街組古鹽度進行了分析。

參照前人研究成果［10］并結(jié)合研究區(qū)實際情況，選取劃分標準為:Sr/Ba＜0.6，為淡水環(huán)境;0.6≤Sr/Ba＜1，為半咸水環(huán)境;Sr/Ba≥1，為咸水環(huán)境。研究區(qū)沙河街組古鹽度數(shù)據(jù)見表2。

對研究區(qū)沙河街組具有代表性的11個砂、泥巖樣品微量元素測試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，Sr/Ba平均值為0.88，其中8個樣品指示淡水環(huán)境，1個樣品指示半咸水環(huán)境，2個樣品指示咸水環(huán)境。

2.古氧相

為了確定研究區(qū)的水體環(huán)境，引進了古氧相的概念及其研究方法。有國外相關(guān)研究指出［11-12］，在判別古氧相地球化學(xué)時微量元素比值最可靠，且它們之間有一定的對比關(guān)系。本次研究選取U/Th、V/Cr、Ni/Co比值研究為主。

根據(jù)選取的11個樣品的微量元素測試、分析資料(表2)發(fā)現(xiàn)，沙四段地層的 U/Th的平均值為0.22，均指示常氧環(huán)境;V/Cr的平均值為1.11，均指示常氧環(huán)境;而Ni/Co的平均值為2.21，均指示常氧環(huán)境。

分析以上古氧相結(jié)果，這種沉積環(huán)境主要在內(nèi)陸咸化湖泊中出現(xiàn)，所以古氧相分析佐證了研究區(qū)沙河街期為內(nèi)陸咸化湖泊沉積環(huán)境。

通過古鹽度與古氧相的綜合對比分析，認為研究區(qū)沙河街期為內(nèi)陸咸化湖泊環(huán)境，其中沙四亞期鹽度最高，為鹽湖沉積;沙三至沙一亞期，鹽度有所下降，為半咸水或淡水-半咸水沉積。

2.4 地球物理學(xué)標志

地球物理相標志主要用于鉆井(測井)和地震資料豐富的探區(qū)，是在綜合已有資料的基礎(chǔ)上，抽取和提煉適用于研究區(qū)的地球物理相標志，再將這些相標志應(yīng)用于缺少相關(guān)資料的沉積相研究中。在此次研究中，主要采用了測井相標志作為重點研究對象。

表2 研究區(qū)沙河街組古鹽度及古氧相數(shù)據(jù)(原始數(shù)據(jù)據(jù)勝利油田，2010)Table 2 Palaeosalinity and fossil oxygen facies data for the Shahejie Formation

據(jù)已有測井資料的巖-電轉(zhuǎn)換對比關(guān)系分析，以自然伽瑪曲線(簡稱GR曲線)和視電阻率曲線的測井相分析結(jié)果與取芯井段的巖性、巖性組合以及沉積相序列的分析結(jié)果擬合性最好，因而選取此兩類曲線的測井相與取芯段的沉積相分析結(jié)果的擬合關(guān)系，建立不同沉積相類型和層序級別的測井相-沉積相的巖-電轉(zhuǎn)換模型［13］，用以指導(dǎo)非取芯井段測井曲線的沉積相解釋和層序劃分。

據(jù)此對研究區(qū)測井曲線形態(tài)與沉積相類型進行了分析，識別出了水下分流河道(圖5a)、遠砂壩(圖5b)、河口壩、灘壩等沉積微相。

表3 青東凹陷沙河街組沉積體系劃分Table 3 Classification of the depositional systems in the Shahejie Formation in the Qingdong depression

圖5 沙河街組剖面結(jié)構(gòu)及測井曲線-沉積相轉(zhuǎn)化圖Fig.5 Profile architectures，well logs and sedimentary facies transition in the Shahejie Formation

圖6 研究區(qū)沙河街組扇三角洲沉積組合特征Fig.6 Sedimentary subfacies and microfacies associations in the fan delta facies in the Shahejie Formation

圖7 研究區(qū)沙河街組三角洲沉積組合特征(圖例同圖6)Fig.7 Sedimentary facies associations in the delta facies in the Shahejie Formation(symbols as in Fig.6)

3 沉積體系及其特征

根據(jù)區(qū)域沉積格局和沉積作用特點，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，通過對研究區(qū)31口鉆井測井、錄井數(shù)據(jù)的詳細分析，并結(jié)合15口鉆井巖芯資料以及地震資料等，對研究區(qū)沙河街組沉積體系進行了劃分，識別出了三角洲體系和湖泊體系兩類沉積體系，并進一步劃分出不同的相、亞相和微相(表3)。

3.1 三角洲體系

本文的三角洲體系是指湖泊沉積背景下形成的扇三角洲和湖泊三角洲，即包括了扇三角洲相和三角洲相。

研究區(qū)三角洲相與扇三角洲相主要以距離物源遠近、進入沉積盆地的地形坡度等因素區(qū)分。扇三角洲距離物源近、進入沉積盆地的地形陡峭;而三角洲一般距離物源較遠，經(jīng)過河流的長距離搬運，進入沉積盆地的地形較緩。

3.1.1 扇三角洲

扇三角洲系指從山口直接推進到湖泊內(nèi)的沖積扇，除扇體的水上部分仍保留有沖積扇沉積特征，其前緣受到河流與湖泊的雙重改造作用。按水動力狀況和沉積特征，扇三角洲可劃分為扇三角洲平原、扇三角洲前緣和前扇三角洲3個亞相及與其對應(yīng)的的微相類型，其中前扇三角洲亞相與灘壩、濱-淺湖位置重疊、不易區(qū)分，在本次沉積環(huán)境研究中未作進一步區(qū)分。

(1)扇三角洲平原

扇三角洲平原系指此類三角洲的水上沉積部分，可細分為分流河道、天然堤、決口扇、洪泛湖泊、支間沼澤等微相(圖6a)。

(2)扇三角洲前緣

扇三角洲前緣系指進入湖泊的沖積扇扇中前緣部分，可細分為水下分流河道、水下天然堤、水下決口扇、河口壩、遠砂壩、前緣席狀砂、分流間灣等微相(圖6b)。

(3)前扇三角洲

圖8 研究區(qū)沙河街組灘壩沉積組合特征(圖例同圖6)Fig.8 Sedimentary subfacies and microfacies associations in the beach bar facies in the Shahejie Formation(symbols as in Fig.6)

前扇三角洲亞相系指完全進入湖泊并被完全淹沒的扇端較深水的細粒沉積部分，主要由薄互層的深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖組成，水平層理發(fā)育。

3.1.2 三角洲

按水動力狀況和沉積特征，三角洲可劃分為三角洲平原、三角洲前緣和前三角洲3個亞相及眾多的微相類型，其中前三角洲亞相與灘壩、濱-淺湖位置重疊、不易區(qū)分，在本次沉積環(huán)境研究中，未作進一步區(qū)分。

(1)三角洲平原

三角洲平原亞相是三角洲沉積的水上部分，位于三角洲沉積層序的最上部，俗稱頂積層，可以細分為分流河道、天然堤、決口扇、洪泛湖泊、支間沼澤等微相(圖7a)。

(2)三角洲前緣

三角洲前緣亞相位于三角洲平原前方河流入湖的部位，也是三角洲體沉積作用最活躍的部位，又細分為水下分流河道、水下天然堤、水下決口扇、河口壩、遠砂壩、前緣席狀砂、分流間灣等微相(圖7b)。

(3)前三角洲

位于三角洲前緣的濱-淺湖過渡的寬廣平緩地帶，與灘壩、濱-淺湖位置重疊。總體上該亞相與淺湖泥呈過渡關(guān)系，有時二者很難區(qū)分，水平層理、紋層發(fā)育，在相序上與席狀砂或遠砂壩互層。

3.2 湖泊體系

研究區(qū)沙河街組的湖泊體系主要包括灘壩、近岸水下扇、湖底扇、湖泊等4個沉積相。

3.2.1 灘壩

圖9 研究區(qū)近岸水下扇沉積亞相、微相組合特征(青東斜6井，圖例同圖6)Fig.9 Sedimentary subfacies and microfacies associations in the nearshore submarine fan facies in the Shahejie Formation(Qdx-6 well)(symbols as in Fig.6)

圖10 研究區(qū)湖底扇沉積亞相、微相組合特征(青東12井，圖例同圖6)Fig.10 Sedimentary subfacies and microfacies associations in the sublacustrine fan facies in the Shahejie Formation(Qd-12 well)(symbols as in Fig.6)

灘壩為灘和壩的總稱，灘壩相沉積一般形成于開闊的濱-淺湖地區(qū)，與前(扇)三角洲亞相等位置重疊。

灘壩相為研究區(qū)重要的沉積相類型，可細分為砂壩、砂灘、碳酸鹽巖灘等3種亞相類型。

(1)砂壩

砂壩發(fā)育在濱-淺湖地帶，研究區(qū)的砂壩沉積以細砂巖、粉砂巖為主，常由多個旋回疊置組成。砂壩亞相可以進一步劃分為壩主體、壩側(cè)緣、壩間等3種微相類型(圖8a)。

(2)砂灘

砂灘亞相是在較平坦地形上由湖浪、湖流作用形成的砂體，與砂壩亞相相比，水動力能量較弱，泥巖和砂巖之間為漸變接觸。砂灘亞相可進一步劃分灘脊、灘席、灘間等三種微相類型(圖8b)。

(3)碳酸鹽巖灘

碳酸鹽巖灘發(fā)育在緩坡帶，多出現(xiàn)于鄰近物源區(qū)、碳酸鹽巖發(fā)育、附近無攜帶大量陸源碎屑砂泥的河流注入的、比較安靜的地區(qū)。碳酸鹽巖灘亞相可進一步劃分為灘主體、灘間兩種微相類型(圖8c)。

3.2.2 近岸水下扇

近岸水下扇是由山地洪水直接進入湖盆堆積，形成全部沒于水下的扇形砂礫巖體。就單個近岸水下扇扇體而言，其平面形態(tài)一般呈扇狀。巖性以分選差的礫巖、礫狀砂巖、含礫砂巖及砂巖為主，部分夾泥巖層。按水動力狀況和沉積特征，可進一步細分為扇根、扇中、扇端3個亞相及眾多微相類型(圖9)。

3.2.3 湖底扇

湖底扇(濁積扇)系指由濁流作用于湖底快速堆積而成的扇形沉積體，主要發(fā)育于近物源、沉積物供給充沛、坡度陡和同沉積斷裂活動頻繁的半深、深湖區(qū)。單個深水湖底扇主體水道旋回厚度一般在1～3m之間，按水動力狀況和沉積特征，可進一步細分為重力流水道、內(nèi)扇、中扇、外扇等4個亞相及眾多微相類型(圖10)。

3.2.4 湖泊

研究區(qū)沙河街期主要為碎屑型湖泊沉積，在研究區(qū)中部發(fā)育，僅在局部地方發(fā)育碳酸鹽沉積。湖泊相按其水深和地理位置可劃分為濱-淺湖及半深-深湖兩個亞相及若干微相類型(圖11)，其中濱-淺湖亞相與(扇)三角洲前緣、前(扇)三角洲、灘壩等位置重疊。

圖11 研究區(qū)湖泊沉積亞相、微相組合特征(青東12井，圖例同圖6)Fig.11 Sedimentary subfacies and microfacies associations in the lake facies in the Shahejie Formation(Qd-12 well)(symbols as in Fig.6)

濱-淺湖亞相系指位于遠離河口的湖岸線附近及(扇)三角洲前方向湖心方向延伸的過渡帶，為洪水期水位與枯水期浪基面之間的沉積產(chǎn)物。

半深-深湖亞相系指位于浪基面之下和無明顯波浪作用的半深-深水沉積環(huán)境，主要發(fā)育于研究區(qū)中部，與區(qū)內(nèi)濱、淺湖亞相構(gòu)成了連續(xù)沉積。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)沉積學(xué)、古生物學(xué)、地球化學(xué)和地球物理學(xué)相標志特征，結(jié)合青東凹陷區(qū)域地質(zhì)特征，分析了青東凹陷古近系沙河街組的沉積環(huán)境，認為古近系沙河街組主要發(fā)育扇三角洲、三角洲、湖泊、灘壩、近岸水下扇和湖底扇等沉積相。

(2)綜合沉積相的研究，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，建立了青東凹陷古近系沙河街組以三角洲體系和湖泊體系兩種體系為主的完整的沉積體系，填補了青東凹陷地區(qū)沉積體系研究的空白。

(3)對青東凹陷沙河街組開展了沉積體系的精細研究，確定了各沉積相的發(fā)育類型及其特征，并對各沉積相、亞相及微相進行了比較詳細的描述，為青東凹陷地區(qū)有利儲層的預(yù)測以及進一步的油氣開發(fā)提供了重要依據(jù)。

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