亞間冰期以來長江入海口下切河谷充填型沉積體系與生物氣聚集＊

徐振宇，方朝剛，殷啟春

（中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，南京 210016）

下切河谷充填型沉積體系可容納空間大，蘊(yùn)藏豐富的碳?xì)浠衔?，河谷底部地下水系統(tǒng)活躍，而中上部的粉細(xì)砂是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，頂部的漫灘相和淺海相粘土層漫灘相是有效的隔擋層，這樣的三維疊置關(guān)系有利于油氣聚集，是油氣勘探潛在的重要新領(lǐng)域［1－3］。在錢塘江地區(qū)冰后期地層中已發(fā)現(xiàn)了一批淺層天然氣田［4］，研究已證實(shí)淺層天然氣廣泛分布于冰后期下切河谷的海侵體系域中［5－12］。長江三角洲冰后期下切河谷地層中也有淺層天然氣分布的報(bào)道［13，14］，但由于受開發(fā)成本和開發(fā)技術(shù)的限制，目前還未取得較好的勘探效果，對(duì)于油氣的成藏條件也未開展過系統(tǒng)研究。因此，筆者對(duì)冰后期長江古河道的淺層天然氣開展靜力觸探、鉆探和物探等工作，探討研究區(qū)氣藏形成的有利地質(zhì)條件，以期對(duì)本研究區(qū)及東南沿海第四系沖積平原的淺層氣勘探提供依據(jù)和借鑒。

1 地質(zhì)背景

長江三角洲地區(qū)是廣闊的沖積平原，地勢西高東低，面積約5．2×104km2。該區(qū)可劃分為主體和南北兩翼［15－17］。末次盛冰期以來（約15000年），長江三角洲地區(qū)經(jīng)歷了一次海侵旋回，被稱為“（PG）海侵旋回”［17］。該時(shí)期的長江三角洲地區(qū)形成巨大河谷，寬度為50～60km，深度達(dá)60～90m，自鎮(zhèn)江向東南方向延伸［17］。到了末次間冰期，長江的下切河谷經(jīng)歷了3個(gè)階段：早期海侵與下切河谷充填階段、晚期海侵與河口灣發(fā)育階段和河口灣充填及三角洲發(fā)育階段［15，17－19］。早期海侵與下切河谷充填階段的主要特征是回水和溯源堆積作用導(dǎo)致的下切河谷充填，早期海侵結(jié)束于9000～10000年前。晚期海侵與河口灣發(fā)育階段，海水漫出古河谷，形成早期河口灣，至7000～7500年，河口灣移至現(xiàn)今三角洲頂部，海侵達(dá)最大范圍，形成鎮(zhèn)江、揚(yáng)州一帶為頂?shù)木薮蠛涌跒常?6，17］。隨著海平面上升速率減慢，河口沉積速率超過海平面上升速度，進(jìn)入了河口灣充填和三角洲發(fā)育階段，相繼發(fā)育了紅橋期、黃橋期、金沙期、海門期、崇明期等河口砂體［16，17，20－23］。本研究區(qū)位于海門期河口壩東側(cè)（圖1），地理位置在江蘇省啟東市北新鎮(zhèn)附近。

圖1 研究區(qū)位置及鉆孔分布圖（據(jù)文獻(xiàn)［19］修改）Fig．1 Location of studied area and distribution of drill holes

2 典型鉆孔沉積特征

2．1 NTZK01孔地層特征及環(huán)境

NTZK01孔（圖2）位于江蘇省啟東市北新鎮(zhèn)民新村（圖1），孔深112m，獲得無擾動(dòng)巖心97．5m，巖心采取率87%，除中下部砂礫石層取芯率較低外，其余基本連續(xù)。該孔分為19層（圖2、圖3），自下而上依次為：

（1）110～112 m：灰色、灰綠色粉細(xì)砂，主要成分為細(xì)砂（含量約60%），粉砂（含量約38%），巖心松散，含白云母碎片等片狀礦物，具水平紋理。該層與下伏地層接觸不明，推測為河床沉積。

（2）106．75～110m：灰—灰黃色含礫粗砂夾粉細(xì)砂。礫石含量達(dá)25%，成分不一，呈次磨圓－次棱角狀，分選性差，直徑1～5cm。粉細(xì)砂含量約20%，呈夾層狀，單層厚5～7cm。該層可見兩套砂礫石相對(duì)較富集的層位（圖3－a），發(fā)育沖刷面構(gòu)造。該層與下伏地層呈突變接觸，推斷本層為河床沉積。

（3）88～106．75m：灰綠色、青灰色粉細(xì)砂與灰色中細(xì)砂為主，夾薄層粘土與粉砂（圖3－b）。發(fā)育透鏡狀層理、單斜紋理、水平紋理、脈狀層理和槽狀交錯(cuò)層理。粘土與粉砂互層，組成“千層餅狀”。在101．7m 處，發(fā)育黑褐色木屑層（圖3－c）。在94．4～94．6m 處，發(fā)育20cm 寬的姜結(jié)石層（圖3－d）。該層與下伏地層呈漸變接觸，推測本層以河床沉積為主，而粉砂與粘土夾層推測為漫灘相沉積。

（4）86．7～88m：灰、青灰色含礫粗砂，底部夾2 cm 粘土。礫石含量約5%，直徑約2～5mm 不等，次圓狀或扁平狀，分選性一般，分布不均勻，含少量生物殼碎屑?？傮w上，上—中部為含礫石（以石英巖、砂巖、脈石英等）粗砂，下部－底部多為粘土泥礫和薄層粘土，泥礫0．2～3cm 不等，呈不規(guī)則狀，有搬運(yùn)現(xiàn)象，發(fā)育沖刷面構(gòu)造（圖3－e）。該層與下伏地層呈突變接觸，推測本層為河床沉積。

（5）83．4～86．7 m：灰—灰褐色粘土夾粉細(xì)砂薄層，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，富含有機(jī)質(zhì)，具輕微臭味。發(fā)育水平層理，水平紋理。85．3～86 m 處發(fā)育灰－青灰色粉細(xì)砂夾層，含量約85%以上，粉砂10%左右，偶見少量礫石，呈次圓狀或扁平狀，分選差。礫石成分主要為石英砂巖，石英巖等，發(fā)育水平層理和平行層理。該層與下伏地層呈漸變接觸，推測本層為河漫灘沉積。

（6）74．6～83．4m：灰—灰白色含礫中粗砂（圖3－f）夾灰－灰黃色細(xì)砂，中粗砂占主要成分，含較多礫石（圖3－g），礫石含量約15%～20%，礫徑為0．5～5 mm，呈次圓狀，分選性較好，且礫石含量從該層底部到頂部具有明顯增多的趨勢。該層發(fā)育灰—灰黃色細(xì)砂夾層，見水平層理，韻律層理；局部夾炭屑薄層，厚度約1cm，發(fā)育沖刷面構(gòu)造。該層與下伏地層呈突變接觸關(guān)系，推測該層為河床沉積。

（7）72．1～74．6m：灰黃色—灰白色粉細(xì)砂，可分為三段：上段72．1～73 m，灰黃色粉細(xì)砂與灰色粘土互層（圖3－h(huán)），以粉細(xì)砂為主，粉細(xì)砂單層厚度約20mm。粘土層單層厚度約3 mm，該層發(fā)育水平層理，水平紋理；中段73～73．9m，灰黃—灰白色粉細(xì)砂，以粉砂為主，約80%～85%，細(xì)砂約15%～20%，炭屑呈層狀和透鏡狀分布，含少量生物碎屑；下段73．9～74．6m，灰黑色粉砂質(zhì)粘土，主要為粘土，粉砂含量約20%～30%。該層與下伏地層呈漸變接觸，推測該層為河漫灘沉積。

（8）70．4～72．1 m：灰白—青灰色含礫中細(xì)砂夾青灰色粉砂，礫石含量約5%，粒徑約2mm，次圓狀，分選性較好，中砂約50%，細(xì)砂約40%，粉砂約5%。發(fā)育沖刷面構(gòu)造，平行層理，炭屑呈層狀和透鏡狀，含生物屑碎片。青灰色粉砂夾層，粉砂狀結(jié)構(gòu)，見水平紋理。該層與下伏地層呈突變接觸，推測該層為河床沉積。

（9）68．9～70．4 m：以青灰色粘土與灰白—青灰色粉細(xì)砂為主。青灰色粘土泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，發(fā)育水平紋理，水平層理?；野住嗷疑奂?xì)砂主要成分為細(xì)砂，含量約80%，其余為粉砂，見平行層理。該層與下伏地層呈漸變接觸，推測該層為河床沉積和河漫灘沉積交替發(fā)育。

（10）68．1～68．9m：灰黃、青灰色含礫中粗砂，礫石約5%～10%，大小為2～5 mm，次圓狀，分選性一般，礫石成分主要為石英巖和石英砂巖。粗砂約40%，中砂約30%，粉細(xì)砂約20%。68．7m 處見少量貝殼，類型分別為螺和牡蠣，螺大?。?×4×3）mm，螺紋不清晰，牡蠣大?。?5×5×5）mm，紋飾不清晰。偶見貝殼碎片，貝殼較破碎，紋理清晰，殼壁厚約2mm。該層與下伏地層呈突變接觸，推測該層為河床沉積。

圖2 啟東地區(qū)NTZK01孔綜合地層柱狀圖Fig．2 Comprehensive stratigraphic column of drill hole NTZK01in Qidong area

圖3 啟東地區(qū)NTZK01孔主要巖心照片F(xiàn)ig．3 Photos showing the main drilling cores of drill hole NTZK01in Qidong area

（11）65～68．1m：深灰色粘土夾灰白色粉細(xì)砂薄層。深灰色粘土呈泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，富含有機(jī)質(zhì)，具輕微臭味?；野咨奂?xì)砂含少量生物殼碎屑，頂部含炭屑斑塊，發(fā)育水平層理和水平紋理，夾少量粘土薄層。該層與下伏地層呈漸變接觸，推測該層為受潮汐影響的河漫灘沉積。

（12）64～65 m：深灰—灰黑色含泥礫含粘土細(xì)—粉砂，具水平紋理。該層含5%泥礫，呈不規(guī)則狀，分布不均勻，多為扁平狀。該層粘土約20%，細(xì)砂15%～20%，粉砂55%～60%，在砂層中含少量生物殼碎屑。該層與下伏地層呈漸變接觸，推測該層為受潮汐影響河漫灘沉積。

（13）58．8～64m：深灰色粘土夾深灰色含粘土粉砂，局部夾粉細(xì)砂與粘土互層。深灰色粘土呈泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，富含有機(jī)質(zhì)，具輕微臭味，具有水平紋理。深灰色含粘土粉砂具水平層理和水平紋理，底部有鐵錳結(jié)核。粉細(xì)砂與粘土互層呈透鏡狀和脈狀分布，具有水平層理和波狀層理。該層與下伏地層呈漸變接觸，推測該層為受潮汐影響的河漫灘沉積。

（14）58～58．8 m：青灰色含泥礫細(xì)砂，粘土含量＜10%，含少量生物碎屑，見泥礫，分布不均，大小一般0．5～2cm。該層與下伏地層呈突變接觸關(guān)系，推測該層為受潮汐影響的河床沉積。

（15）38～58 m：灰色粘土夾青灰色粉砂薄層，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖心整體夾大量粉砂薄層和粉砂透鏡體（圖3－i）。粉砂薄層單層厚1～5 mm，局部達(dá)1cm左右，發(fā)育水平層理（圖3－j）、脈狀層理、波狀層理和透鏡狀層理，富含有機(jī)質(zhì)。該層與下伏地層呈漸變接觸，推測該層為河漫灘－河口灣沉積。

（16）19．4～38 m：深灰色淤泥質(zhì)粘土夾粉砂（圖3－k），富含有機(jī)質(zhì)，有輕微臭味，具水平紋理、透鏡狀層理、脈狀層理與波狀層理，局部有輕微的鐵錳侵染，見0．1cm 大小的鐵錳小結(jié)核，見貝殼層（圖3－l）。該層與下伏地層呈漸變接觸，推測為浪基面之下的前三角洲淺海沉積。

（17）4～19．4m：黃綠色含粘土粉砂夾粘土。淺黃綠色含粘土粉砂夾細(xì)砂透鏡體，發(fā)育水平紋理，包卷層理（圖3－m），水平層理（圖3－n），波狀砂紋層理（圖3－o），韻律層理。該層發(fā)育1cm 左右寬的炭屑夾層，可見少量生物碎屑，發(fā)育粘土質(zhì)粉砂與粘土互層，組成“千層餅狀”，兩者單層厚粉砂為0．3～0．5cm，粘土為0．2～0．5cm，沙泥比2：1。該層與下伏地層呈漸變接觸，推測該層為三角洲前緣的河口壩沉積。

（18）2～4 m：青灰色含粘土粉砂，間夾黃褐色粘土，局部具鐵錳侵染現(xiàn)象，含少量生物殼碎屑，粘土夾層寬約1cm。該層與下伏地層呈漸變接觸，推測該層為三角洲平原潮坪沉積。

（19）0．5～2 m：棕黃色含粉砂粘土，具水平紋理，含少量鐵錳結(jié)核，發(fā)育鐵錳結(jié)核小斑塊。該層與下伏地層呈漸變接觸，推測該層為三角洲平原潮坪沉積。

2．2 NTZK01孔主要界面和層序結(jié)構(gòu)

2．2．1 亞間冰期（LG）海侵旋回的底部侵蝕面和層序界面

亞間冰期（LG）海侵旋回之前的低海面時(shí)期（即氧同位素4期或包括3期的早期），距今約60000年前，現(xiàn)今的長江三角洲地區(qū)可劃分為古河谷和古河間地兩個(gè)古地貌單元。古河谷內(nèi)缺少硬粘土層，其底部為侵蝕面，古河谷及其底部的侵蝕面主要形成于氧同位素4期最低海平面。古河谷北界大致在江都—泰州一線，南部在瓜州—揚(yáng)州—靖江—福山—上海的崇明一線［15］。因此，NTZK01孔發(fā)育的啟東地區(qū)正處于亞間冰期（LG）海侵旋回時(shí)古河谷之內(nèi)。層1發(fā)育灰色、灰綠色粉細(xì)砂，頂部具侵蝕面，缺失細(xì)粒河漫灘層理，是一個(gè)不完整的河流層序。層2發(fā)育的灰色含礫粗砂巖夾青灰色粉細(xì)砂，同樣是不完整的河流層序，層3發(fā)育灰綠色、青灰色粉細(xì)砂與灰色中細(xì)砂為主，夾薄層粘土與粉砂，是河床相和河漫灘相構(gòu)成的河流二元結(jié)構(gòu)，但由于下切河谷的侵蝕作用強(qiáng)，因此二元結(jié)構(gòu)不典型。在長江古河道區(qū)，亞間冰期（LG）海侵旋回的底界面是砂礫石沉積，因此該孔1～3層沉積物是河床底部侵蝕的一部分，但并未到河床最底部，推斷NTZK01孔底界面不是亞間冰期（LG）海侵旋回的底部侵蝕面。

亞間冰期（LG）海侵發(fā)生在氧同位素3期的海平面上升之時(shí)，海侵首先波及河谷，溯源堆積形成河流相沉積。由保存下來的河床相含礫砂巖判斷，當(dāng)時(shí)的河流沉積是相當(dāng)厚的，后期的侵蝕改造使該海侵旋回大部分被破壞［17］。NTZK01孔3～5層發(fā)育的受海侵影響的河流相沉積，以灰色中細(xì)砂和粉細(xì)砂為主，夾薄層粘土，厚約24m。

最大海泛面（MFS）是海侵達(dá)到最大范圍的侵蝕面，在河口地區(qū)取決于底部坡度、河流泥沙來量、海平面上升速率等多種因素［19］。由于亞間冰期（LG）海侵旋回受后期侵蝕以及包括在海退時(shí)期沉積下來的三角洲沉積在NTZK01孔都沒有保留下來。

2．2．2 冰后期（PG）海侵旋回的底部侵蝕面和層序界面

冰后期（PG）海侵旋回是發(fā)育于亞間冰期（LG）海侵旋回之上的一套沉積旋回，距今約15000年左右。在末次盛冰期（氧同位素2期），亞間冰期（LG）海侵旋回在現(xiàn)今的長江三角洲地區(qū)形成巨大河谷，寬度50～60km，深度達(dá)60～90m。古河谷的底部侵蝕面和河流間地的古土壤層構(gòu)成區(qū)域不整合面，冰后期（PG）海侵旋回即在該不整合面上沉積［17］。NTZK01孔由于位于古河谷發(fā)育區(qū)，第5層頂部為灰綠色砂泥質(zhì)沉積物，結(jié)構(gòu)較致密，頂部為侵蝕面，上覆第6層是遭氧化的黃灰色砂礫層和含礫砂層，兩者之間可定為末次冰期下切河谷的底部侵蝕面，與區(qū)域大體一致。

此后冰消期開始，海平面上升，基面抬高，出現(xiàn)回水?；厮斐闪魉贉p慢，發(fā)生沉積。溯源堆積依次疊置從而形成厚的海侵河谷充填層序。NTZK01孔第7～10層發(fā)育灰白色含礫中砂與粉細(xì)砂即是海侵河谷充填的沉積物，且向上沉積物整體具有變細(xì)的趨勢。

海平面繼續(xù)上升，海侵?jǐn)U展，岸線西移，海水漫出河床進(jìn)入河流間地，距今約10000～12000年（即全新世），開始晚期海侵［17］。NTZK01孔在36～58 m 層段發(fā)育深灰色淤泥質(zhì)粘土夾粉砂，海相有孔蟲大量增加，是受后期潮汐影響的河漫灘沉積。

依據(jù)實(shí)際情況并遵循以下原則確定研究區(qū)最大海泛面：最大海泛面位于冰后期（PG）海侵旋回下切河谷層序中的海相性程度最高的細(xì)粒沉積層中。全新世長江三角洲海侵達(dá)到最大范圍時(shí)約在7ka BP［17］。依據(jù)該原則，NTZK01孔在34～36m 沉積的淤泥質(zhì)粘土不含粉砂夾層，且顏色最深，出現(xiàn)大量微生物殼體。在靜力觸探曲線上（圖2）該位置的側(cè)壁摩擦力（Fs）和錐尖阻力（Qc）都處于最小值。因此最大海泛面就應(yīng)該在該段的33．8 m 處，該層為浪基面之下的前三角洲淺海沉積。

冰后期最大海侵時(shí)，現(xiàn)今三角洲形成巨大河口灣，當(dāng)海平面上升速率與河口沉積趨于平衡后三角洲開始沉積，形成冰后期（PG）海侵旋回的海退層序。NTZK01孔在4～18 m 發(fā)育青灰色—灰色粉砂為主，在靜力觸探曲線上（圖2）呈現(xiàn)一個(gè)多回次河口壩疊置的沉積組合。在0～4m 層段發(fā)育青灰色含粉砂粘土夾紅褐色粘土為主，為三角洲平原亞相潮坪沉積。

3 沉積相帶與生物氣聚集的關(guān)系

3．1 生物氣的烴源巖

豐富的有機(jī)質(zhì)來源是生物氣大量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。淺海相深灰—灰黑色淤泥質(zhì)粘土層有機(jī)碳含量0．19%～0．52%，平均0．34%（表1），且海相有孔蟲富集，說明淺海相深灰—灰黑色淤泥質(zhì)粘土層形成時(shí)水深最深，是一個(gè)還原沉積環(huán)境。殘留有機(jī)質(zhì)在全區(qū)分布廣且穩(wěn)定，形成于晚期海侵結(jié)束階段，沉積速率慢，研究區(qū)殘留厚度15～20m 左右。受海侵影響的漫灘－河口灣相粘土層有機(jī)碳含量0．19%～0．65%，平均0．46%（表1），海相有孔蟲的數(shù)量隨海平面上升增加，形成于晚期海侵的開始階段，沉積速率快，有機(jī)質(zhì)保存好，研究區(qū)殘留厚度達(dá)30m 左右。

表1 NTZK01孔不同沉積環(huán)境泥質(zhì)沉積物有機(jī)質(zhì)豐度Table．1 Organic matter abundance of muddy sediments in drill hole NTZK01at different sedimentary environment

3．2 生物氣的儲(chǔ)集層

河床相的砂礫石層連通性好，底水活躍，驅(qū)趕生物氣到河床頂部的細(xì)砂和河漫灘粉細(xì)砂體富集，且上部粘土層封閉性好，如遇古河床地貌的高部位則形成大型氣藏。

對(duì)NTZK01孔14個(gè)滲透率樣品（表2）統(tǒng)計(jì)可知，該區(qū)在孔深70m 附近孔孔出氣且氣感很強(qiáng)，粉細(xì)砂的滲透率＞100Md，說明粉細(xì)砂連通性好，儲(chǔ)集性能優(yōu)越。河口灣—淺海相的砂、粉砂透鏡體，多以頻繁夾層出現(xiàn)，含氣飽和度高，蓋層條件良好，呈現(xiàn)自生自儲(chǔ)的狀態(tài)。該儲(chǔ)層的橫向與縱向連續(xù)性都較差，難以形成較大氣藏。三角洲相的粉砂、粉細(xì)砂以及含粘土粉砂，厚度大，儲(chǔ)集性能好，但蓋層條件差，含氣飽和度低，很難使生物氣達(dá)到富集狀態(tài)。

表2 NTZK01孔滲透率檢測結(jié)果Table．2 Results of permeability about drill hole NTZK01

3．3 生物氣的蓋層

受海侵影響的河漫灘粘土層和淺海相的淤泥質(zhì)粘土層是良好的蓋層，尤其是淺海相的軟塑—可塑性淤泥質(zhì)粘土最佳。由表2可以看出，粘土和淤泥質(zhì)粘土的滲透率都﹤1mD，其中淤泥質(zhì)粘土滲透率最低，樣品NTZK01－K1僅為0．0450mD，表明粘土層連通性差，封堵作用好。鉆孔附近區(qū)域的蓋層累計(jì)厚度達(dá)50m，對(duì)下部生物氣儲(chǔ)集形成很好的封堵。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)（鉆孔附近區(qū)域）由于在亞間冰期（LG）海侵旋回末期，海平面快速下降，河床下切和擴(kuò)寬，亞間冰期LG 海侵旋回地層遭受侵蝕，僅保留了部分河床粗粒沉積，其最大海泛面也未保留下來。

（2）研究區(qū)在冰后期（PG）海侵旋回期間，發(fā)育了一套完整的海侵—海退旋回，下切河谷區(qū)自下而上依次發(fā)育河流相、淺海相和三角洲相。

（3）研究區(qū)冰后期（PG）旋回底部的侵蝕面為該沉積層序的底界面，最大海泛面發(fā)育在淺海相中的沉積物最細(xì)、海相性最強(qiáng)的淤泥質(zhì)粘土層。最大海泛面以下為海侵旋回，最大海泛面以上為海退旋回。生物氣主要富集于冰后期（PG）旋回的砂體中，淺海相深灰—灰黑色淤泥質(zhì)粘土層和漫灘相粘土層是優(yōu)質(zhì)的烴源巖，河床相頂部及漫灘相連續(xù)性好的粉細(xì)砂是良好的儲(chǔ)層，受海侵影響的河漫灘粘土層和淺海相的淤泥質(zhì)粘土層是有效的蓋層。

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