基準(zhǔn)面變化對(duì)分流河道沉積特征的影響
——以鄂爾多斯盆地南部石盒子組為例

蘇東旭，于興河，李勝利，單 新，周進(jìn)松，韓小琴，苗亞男，王 嬌

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083； 2.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 研究院，陜西 西安 710075）

0 引言

基準(zhǔn)面變化能夠引起可容納空間和沉積物供給量的相對(duì)變化，形成不同的地層疊置樣式［1］，它受全球海平面變化、構(gòu)造、氣候及地貌綜合控制.人們研究基準(zhǔn)面變化對(duì)河流類(lèi)型的影響，提出多種沉積演化模式.Shanley K W等研究Kaiparowits高原河流沖積體系，認(rèn)為低位體系域主要發(fā)育下切谷充填，且隨基準(zhǔn)面變化，河流類(lèi)型具有辮狀河—曲流河—網(wǎng)狀河的演化規(guī)律［2］.張周良研究賀蘭山北段二疊系山西組河流相地層，認(rèn)為低位體系域主要發(fā)育以河谷下切和階地形成為特征的辮狀河；水進(jìn)體系域發(fā)育以垂相加積作用為主的網(wǎng)狀河；高位體系域發(fā)育以側(cè)積作用為主的曲流河形態(tài)特征［3］.劉招君等采用體系域四分法研究松遼盆地泉頭組，認(rèn)為低位體系域發(fā)育辮狀河；水進(jìn)體系域早期因基準(zhǔn)面上升速度較慢發(fā)育曲流河；水進(jìn)體系域晚期和高位體系域因河道垂相加積作用較強(qiáng)發(fā)育網(wǎng)狀河；水退體系域因基準(zhǔn)面緩慢下降，側(cè)向加積作用增強(qiáng)，重新發(fā)育曲流河［4］，與Wright V P等的觀(guān)點(diǎn)［5］一致.胡光明等研究蘇里格地區(qū)盒8段認(rèn)為水退體系域主要為階地沉積，與河道充填物形成的時(shí)間不同［6］.目前，針對(duì)河流層序地層學(xué)的研究已經(jīng)較為深入，提出多種演化模式，但基準(zhǔn)面變化對(duì)三角洲分流河道類(lèi)型和沉積特征的影響，以及與河流相是否存在區(qū)別的研究還不夠清楚.

文中以鄂爾多斯盆地南部石盒子組為例，綜合分析石盒子組不同階段分流河道的砂巖結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造、巖相組合、砂地比、測(cè)井響應(yīng)、河道垂向疊置樣式及平面形態(tài)等特征，以及分流河道河型的沉積演化特征，研究基準(zhǔn)面變化對(duì)石盒子組三角洲分流河道沉積演化的影響，并總結(jié)成因和演化模式.石盒子組砂巖沉積特征研究對(duì)今后的勘探和開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義.

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地為多旋回克拉通疊合盆地，總面積約為37×104km2，是我國(guó)第二大沉積盆地［7-8］，也是華北克拉通構(gòu)造中最穩(wěn)定的塊體，盆地構(gòu)造面貌總體為東翼緩而長(zhǎng)、西翼陡而短、南北翹起的不對(duì)稱(chēng)大向斜.根據(jù)盆地構(gòu)造形態(tài)和基底特征等，將鄂爾多斯盆地劃分為渭北隆起帶、西緣沖斷構(gòu)造帶、陜北斜坡、晉西撓褶帶、天環(huán)坳陷和伊盟隆起等6個(gè)一級(jí)構(gòu)造帶［9］.研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡南部（見(jiàn)圖1），為綏德以南、環(huán)縣以東、鄉(xiāng)寧以西、正寧以北的區(qū)域，整體上為向西方向傾斜的單斜緩坡.研究層位為上古生界二疊系中二疊統(tǒng)石盒子組，地層巖性主要為灰白色、灰綠色砂巖和灰黑色、灰綠色、褐紅色泥巖，整體厚度為200～370m，是一套陸相三角洲沉積.鄂爾多斯盆地東南部石盒子組氣藏類(lèi)型屬于致密砂巖氣藏，蘊(yùn)含豐富的天然氣［10］.

2 基準(zhǔn)面變化階段及分流河道特征

2.1 層序劃分

研究區(qū)中二疊統(tǒng)石盒子組為一個(gè)完整的二級(jí)層序［11-13］.根據(jù)地震、測(cè)井及巖心資料顯示，石盒子組與下伏山西組、上覆石千峰組均為不整合接觸，下部的不整合對(duì)應(yīng)石盒子組早期南北物源區(qū)的強(qiáng)烈抬升，上部與石千峰組接觸處為區(qū)域性不整合面.地質(zhì)年代上，石盒子組沉積期為270.0～253.5Ma，對(duì)應(yīng)Vail的二級(jí)層序（3.0～50.0Ma）［14］.石盒子組底部為駱駝脖子砂巖底界，頂部為石千峰組平頂山砂巖底界，底頂界面上下的巖電特征差異明顯.石盒子組整體上底部和頂部發(fā)育砂巖，中部以泥巖為主，砂巖層數(shù)具有多—少—多、整體厚度具有大—小—大的趨勢(shì)，泥巖整體厚度具有小—大—小的趨勢(shì)（見(jiàn)圖2），對(duì)應(yīng)一個(gè)由基準(zhǔn)面上升和下降組成的完整旋回.因此，將石盒子組劃分為一個(gè)不整合控制型二級(jí)層序較為合理.

在石盒子二級(jí)層序中進(jìn)一步劃分8個(gè)三級(jí)層序（見(jiàn)圖2），其中盒7、盒6和盒5段的底界面為區(qū)域性河道下切面，測(cè)井曲線(xiàn)呈箱型或鐘型突變；盒4段的底界面為區(qū)域性暴露面（桃花泥巖），測(cè)井曲線(xiàn)呈孤立的自然伽馬高尖峰；盒3、盒2和盒1段的底界面為區(qū)域性河流下切面，盒1段的頂界面為石千峰組底部的不整合面.根據(jù)層序地層學(xué)理論，初次洪泛面和最大洪泛面是將每個(gè)三級(jí)層序劃分低位體系域、水進(jìn)體系域及高位體系域的重要標(biāo)志［15］.根據(jù)石盒子組二級(jí)層序內(nèi)基準(zhǔn)面變化劃分基準(zhǔn)面低位階段、上升階段和高位階段，分別對(duì)應(yīng)石盒子組的盒8段（俗稱(chēng)“駱駝脖子砂巖”）、盒7段—盒5段及整個(gè)上石盒子組，以討論相對(duì)基準(zhǔn)面變化不同階段三角洲分流河道的特征.

2.2 沉積特征

以研究區(qū)延321井為例（露頭資料來(lái)源于文獻(xiàn)［16-17］），分別在基準(zhǔn)面變化的低位階段、上升階段和高位階段選取代表性的盒8段、盒5段和盒2段，分析石盒子組不同階段三角洲分流河道沉積特征.

2.2.1 低位階段

盒8段整體以灰白色亞巖屑粗粒砂巖為主，其次為亞巖屑含礫粗砂巖和亞巖屑中粗粒砂巖，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為70%，長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～5%，巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～26%.顆粒分選為差—中等，磨圓以次棱狀為主，顆粒支撐，反映辮狀河型特征.在沉積構(gòu)造特征方面，盒8段砂體標(biāo)志性沉積構(gòu)造為強(qiáng)水動(dòng)力條件下形成的大規(guī)模槽狀交錯(cuò)層理（見(jiàn)圖3（a）、（c））和高角度下截型板狀交錯(cuò)層理（見(jiàn)圖3（b）），槽狀交錯(cuò)層理的層系面上常見(jiàn)直徑為3～4mm的礫石略呈定向排列，礫石主要成分為石英，沖刷面發(fā)育，泥礫少見(jiàn)，最大粒徑多為1～2cm.典型的巖相組合序列為Gm—St—Gm—St—Sp—M.砂巖十分發(fā)育，常見(jiàn)10cm左右的泥巖夾層（見(jiàn)圖3）.

2.2.2 上升階段

上升階段包括盒7—盒5段，以盒5段為例，整體為淺灰色中粒、中細(xì)粒石英砂巖、亞巖屑砂巖，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86%，長(zhǎng)石極少見(jiàn)，巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%～14%.顆粒分選較好，次圓狀，顆?！s基支撐，總體上與盒8段相比粒度較細(xì)，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，長(zhǎng)石和巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少，反映遠(yuǎn)離物源、水動(dòng)力較弱的曲流河型沉積特征.同時(shí)，盒5段槽狀交錯(cuò)層理的規(guī)模和板狀交錯(cuò)層理的角度明顯變小（見(jiàn)圖3（e）、（f）），且沖刷面上泥礫增多，可見(jiàn)最大粒徑為9cm的橢球形泥礫（見(jiàn)圖3（d））.盒5段河道砂體為明顯正粒序，由下到上粒度逐漸減小，沉積構(gòu)造變化為槽狀交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)層理和流水沙紋層理.典型的巖相組合序列為St—Sp—Sr—M.泥巖厚度較大，整體上泥多砂少，砂泥比為1.0∶3.0～2.0∶3.0（見(jiàn)圖3）.

2.2.3 高位階段

高位階段包括整個(gè)上石盒子組，以盒2段為例，整體為中粗粒、中粒長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%，長(zhǎng)石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%，變化幅度較大，在2%～25%之間變動(dòng)，巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%.顆粒分選為差—中等，磨圓以次棱狀為主，顆粒支撐，孔隙式膠結(jié).盒2段河道砂體最顯著的特征為顆粒大小和顏色迅速變化，在20～30cm之間沉積物迅速由含礫粗砂變?yōu)榧?xì)砂巖，且顏色在灰綠色和淺灰色間變動(dòng)（見(jiàn)圖3（h）、（i）），反映網(wǎng)狀河次分叉河道季節(jié)性過(guò)水河道的特征［18］.同時(shí)，沖刷面上常見(jiàn)3～4cm的泥礫（見(jiàn)圖3（g）），與盒5段相比泥礫個(gè)數(shù)增多、規(guī)模減小，反映較高彎曲度和較低水動(dòng)力的沉積環(huán)境.測(cè)井曲線(xiàn)常呈下部箱型、上部鐘型的組合樣式，體現(xiàn)網(wǎng)狀河型水道早期洪水沖刷的含礫粗砂、粗砂沉積和晚期水流穩(wěn)定的中細(xì)粒沉積的疊加.典型的巖相組合序列為Gm—St—Sp（Sh）—M，其中板狀交錯(cuò)層理砂巖相為低角度下切型的交錯(cuò)層理.整體上呈砂泥互層，砂泥比為1.0∶2.5～2.0∶1.0（見(jiàn)圖3）.

2.3 垂向特征

為研究石盒子組不同階段三角洲分流河道河型變化和砂體疊置樣式，選取一條橫切物源方向的剖面AA′進(jìn)行河道砂體剖面對(duì)比（見(jiàn)圖4），不同階段河道砂體間存在很大變化，下石盒子組由底到頂呈現(xiàn)河道連片—孤立—部分連通的特征.低位階段分流河道砂體縱向上相互疊置，橫向上連片分布，砂體總厚度大，單個(gè)砂體寬厚比大，具明顯的辮狀河型河道特征；上升階段分流河道砂體呈孤立狀分布，地層由下到上有河道減少的趨勢(shì)，單個(gè)河道砂體厚度較大，具明顯曲流河型河道特征；高位階段分流河道砂體較為發(fā)育，部分連通性較好，但單個(gè)砂體橫向上延伸范圍受局限，砂體厚度較小，向上粒度變細(xì)較為明顯，具遷移高彎曲度網(wǎng)狀河型河道特征.由于低位體系域和高位體系域時(shí)期物源供給充足，水進(jìn)體系域時(shí)期可容納空間的增長(zhǎng)遠(yuǎn)大于沉積物的供給速率，使得盒8段—盒1段每段的頂?shù)撞?，即石盒子組每個(gè)三級(jí)層序的低位體系域和高位體系域都發(fā)育較多河道；每段中部，即三級(jí)層序的水進(jìn)體系域都以泥質(zhì)為主，較少發(fā)育河道砂體.

2.4 平面特征

在研究區(qū)選取基準(zhǔn)面低位階段的盒8段、上升階段的盒5段及高位階段的盒2段作為研究對(duì)象，利用砂體厚度［19-20］（見(jiàn)圖5）研究基準(zhǔn)面變化不同階段三角洲分流河道在平面上的展布特征.人們認(rèn)為石盒子組具有淺水三角洲的特征，盒7段—盒1段發(fā)育曲流河三角洲，盒8段發(fā)育辮狀河三角洲［21-23］，河口壩較少發(fā)育［24-25］.在測(cè)井曲線(xiàn)上砂體常呈箱型和鐘型，為河道沉積，河口壩反粒序形成的漏斗型少見(jiàn)，巖心上常見(jiàn)槽狀交錯(cuò)層理、沖刷面和泥礫等構(gòu)造，少見(jiàn)反粒序砂體，表明石盒子組三角洲以分流河道沉積為主，少見(jiàn)河口壩沉積.

石盒子組由下至上三角洲分流河道整體上呈辮狀河型—曲流河型—網(wǎng)狀河型的平面展布特征.盒8段砂體整體厚度大，主要發(fā)育分流河道（見(jiàn)圖6），河道較平直，發(fā)育較多心灘，具辮狀河型特征，泥質(zhì)和粉砂質(zhì)的分流間灣沉積較少；盒5段砂巖厚度整體偏小，主要發(fā)育三角洲分流間灣的泥質(zhì)沉積，分流河道數(shù)量有限，呈孤立狀，具有一定曲流河型的特征；盒2段的整體厚度介于盒8段和盒5段的之間，分流河道數(shù)量增多，彎曲度大，但單個(gè)河道寬度較小，具網(wǎng)狀河型特征.

3 不同階段河型特征及演化模式

3.1 河型特征

Shumm S A認(rèn)為基準(zhǔn)面變化使曲流河河谷和河道梯度發(fā)生改變，從而使河流的彎曲度發(fā)生變化［26］.基準(zhǔn)面下降時(shí)，下游河流產(chǎn)生向源侵蝕，河谷坡度變大，河流彎曲度增大，使河流的水面坡度保持穩(wěn)定；基準(zhǔn)面上升時(shí)，河流產(chǎn)生溯源侵蝕，彎曲度減?。?7］.三角洲分流河道的長(zhǎng)度有限且不受河谷的限制，它受基準(zhǔn)面變化的影響與河流相的有所不同（見(jiàn)圖6）.

基準(zhǔn)面處于低位階段時(shí)，河道下切作用明顯，形成較大的地形梯度；該時(shí)期物源供給非常大，但可容納空間增加速率有限，粗粒的砂礫巖充填河道，很難形成泥質(zhì)沉積.隨著河道演化，不同的辮狀河型分流河道在側(cè)向上加寬［28］，河道在擺動(dòng)的過(guò)程中形成以粗粒床沙載荷為主的片狀砂體.這些寬淺型的辮狀河型分流河道砂體間彼此切割，在縱向上互相疊置、橫向上互相連通，形成大面積分布的砂體.

基準(zhǔn)面處于上升階段時(shí)，可容納空間增加速率較快；該時(shí)期氣候較干旱，沉積物的供給明顯小于可容納空間增加的速率.侵蝕作用減弱，沉積作用增強(qiáng)，沉積物在垂向上快速加積，使地形坡度變緩.較低的坡度使水動(dòng)力條件減弱，對(duì)三角洲分流間灣的泥質(zhì)沉積形成極為有利條件.大量的三角洲分流間灣細(xì)粒沉積及細(xì)粒物質(zhì)限定的河道砂質(zhì)沉積，構(gòu)成以細(xì)粒沉積為主的分流間灣和彼此孤立的曲流型分流河道砂體，整體砂泥比很小，以懸浮負(fù)載的泥巖和粉砂巖為主.

基準(zhǔn)面處于高位階段時(shí)，可容納空間的增加速率逐步降低，沉積物供給速率增長(zhǎng)，沉積物的加積速率與可容納空間增加的速率相當(dāng)，平衡剖面向湖方向移動(dòng)，使分流河道加積作用增強(qiáng)；同時(shí)，較低的坡度使河道搬運(yùn)能力降低，形成以加積作用為主的高彎曲度網(wǎng)狀河型分流河道.剖面上，沉積物由河床沙和懸浮載荷的物質(zhì)混合組成.該時(shí)期分流河道的砂泥比低于基準(zhǔn)面處于低位階段時(shí)的，但高于基準(zhǔn)面處于上升階段時(shí)的.

三角洲坡度越大，分流河道的數(shù)量越少；坡度越小，分流河道的數(shù)量越多［29］.基準(zhǔn)面處于高位階段時(shí)，分流河道下切作用與河流的溯源堆積一樣減弱，三角洲整體坡度減小，分流河道數(shù)量增多；基準(zhǔn)面處于低位和上升階段時(shí)，分流河道下切作用相對(duì)較強(qiáng)，三角洲整體坡度增大，形成較少的復(fù)合辮狀河型和曲流河型分流河道.基準(zhǔn)面處于高位階段時(shí)，物源供給充足，河道加積作用較強(qiáng)，易形成決口［30］和較多的網(wǎng)狀河型分流河道.

3.2 演化模式

一個(gè)完整的基準(zhǔn)面旋回變化規(guī)律分3個(gè)階段，即低位階段、上升階段和高位階段；低位階段對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)面開(kāi)始上升的早期，上升階段對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)面上升的晚期，高位階段對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)面下降的時(shí)期.在基準(zhǔn)面變化的不同階段，沉積物供給與可容納空間不同，導(dǎo)致三角洲分流河道的流量和沉積物負(fù)載發(fā)生變化，從而使河道的類(lèi)型發(fā)生變化［26］.

研究鄂爾多斯盆地南部石盒子組的分流河道沉積特征、河道砂體垂向疊置方式及平面展布特征，早期基準(zhǔn)面低位階段到后期基準(zhǔn)面高位階段，分流河道存在由連片辮狀河道到孤立曲流河道，再到連通性較好的網(wǎng)狀河道轉(zhuǎn)變的演化特征，同時(shí)分流河道彎曲度有逐漸增大的趨勢(shì).平面上河型具有辮狀河型—曲流河型—網(wǎng)狀河型的演化模式（見(jiàn)圖7）；垂向上分流河道砂體具有連片分布—孤立分布—部分疊置的演化模式.

4 結(jié)論

（1）根據(jù)不整合面、區(qū)域下切面和區(qū)域性露頭資料，將鄂爾多斯盆地南部石盒子組劃分為1個(gè)二級(jí)層序和8個(gè)三級(jí)層序，為一個(gè)完整的基準(zhǔn)面旋回.

（2）相對(duì)基準(zhǔn)面變化引起石盒子組砂體沉積特征變化，在基準(zhǔn)面處于低位階段—上升階段—高位階段時(shí)，分流河道砂體粒度具有粗—細(xì)—較粗的特征，測(cè)井曲線(xiàn)響應(yīng)具有箱型—孤立鐘型—疊加鐘型的特征，砂泥比具有大—小—較大的特征.

（3）在基準(zhǔn)面變化的不同階段，沉積物供給與可容納空間不同，導(dǎo)致河道的流量和沉積物負(fù)載發(fā)生變化，使河道的類(lèi)型也相應(yīng)發(fā)生變化.在基準(zhǔn)面由低位階段到高位階段變化過(guò)程中，分流河道彎曲度逐漸增大，整體上呈連片辮狀河型—孤立曲流河型—部分疊置網(wǎng)狀河型的演化特征.

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