單斷箕狀湖盆可容空間樞紐帶地質(zhì)內(nèi)涵分析
——以烏爾遜斷陷南屯組為例

王 江，王 杰，趙傳軍

（1.大慶油田勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶163712；2.大慶油田井下作業(yè)分公司，黑龍江大慶163712）

單斷箕狀湖盆可容空間樞紐帶地質(zhì)內(nèi)涵分析
——以烏爾遜斷陷南屯組為例

王 江*1，王 杰1，趙傳軍2

（1.大慶油田勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶163712；2.大慶油田井下作業(yè)分公司，黑龍江大慶163712）

在單斷箕狀湖盆的發(fā)育過(guò)程中,控盆邊界斷層的幕式構(gòu)造活動(dòng)不但控制盆地的差異沉降，而且也導(dǎo)致湖盆相對(duì)湖平面和可容空間的變化。隨著湖水的重新分配,湖盆不同位置處的相對(duì)湖平面變化也不一致,由此產(chǎn)生的準(zhǔn)層序組的疊加方式也不相同?；趩螖嗷詈璧牡刭|(zhì)學(xué)幾何特征，分析斷陷湖盆可容空間樞紐帶,推導(dǎo)可容空間樞紐帶的數(shù)學(xué)計(jì)算方法,定量分析可容空間樞紐帶的分布位置和影響因素。在箕狀湖盆緩坡帶可容空間樞紐帶下部,相對(duì)湖平面上升、湖水變深,形成退積型準(zhǔn)層序組;反之,相對(duì)湖平面下降、湖水變淺,形成進(jìn)積型準(zhǔn)層序組;在可容空間樞紐帶處則形成加積型準(zhǔn)層序組?？扇菘臻g樞紐帶理論的提出,為定量認(rèn)識(shí)單斷湖盆相對(duì)湖平面的空間變化,以及復(fù)雜勘探目標(biāo)區(qū)隱蔽油氣藏的勘探具有一定的指導(dǎo)意義。

單斷箕狀湖盆；幕式構(gòu)造活動(dòng)；可容空間樞紐帶；準(zhǔn)層序組

1 可容空間平衡樞紐帶

可容空間（accommodation space）的概念是由Jervey在1985年最早提出的，是指可供沉積的、潛在的沉積物堆積空間。根據(jù)湖平面及基準(zhǔn)面的位置,可以將陸相斷陷湖盆可容空間劃分為兩類:即沉積基準(zhǔn)面到湖平面之間的水上Ⅰ類可容空間;湖平面到湖盆底面之間的水下Ⅱ類可容空間。構(gòu)造的幕式活動(dòng)不但控制陸相斷陷湖盆的大小、絕對(duì)深度和基底地貌形態(tài),而且對(duì)湖盆可容空間的變化也有極其重要的影響。同時(shí)由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)本身的復(fù)雜性,使得它對(duì)可容空間的影響也極其復(fù)雜。

在單斷箕狀湖盆的發(fā)育過(guò)程中,層序地層的形成主要受構(gòu)造活動(dòng)控制[1-3]?？嘏柽吔鐢鄬拥哪皇綐?gòu)造活動(dòng)不但控制盆地的差異沉降[4-5]，而且也導(dǎo)致湖盆水體重新分配、相對(duì)湖平面不均一的上升和下降以及可容空間的變化。在斷層的快速幕式活動(dòng)過(guò)程中,由湖盆基底沉降新形成的可容空間體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同時(shí)期內(nèi)的沉積物供給體積和水體補(bǔ)給體積的總和。但是對(duì)于單斷式斷陷湖盆來(lái)說(shuō),在構(gòu)造的幕式活動(dòng)作用下，基底會(huì)產(chǎn)生不均勻的升降,即在湖盆的不同位置基底的升降幅度是不同的,這就導(dǎo)致不同湖盆位置相對(duì)湖平面會(huì)出現(xiàn)不同的變化,可容空間也會(huì)相應(yīng)的增大或減小[6-12]?？偟膩?lái)說(shuō),絕對(duì)湖平面上升Ⅰ類可容空間減小甚至消失,絕對(duì)湖平面下降Ⅰ類可容空間增大或出現(xiàn);相對(duì)湖平面上升會(huì)導(dǎo)致Ⅱ類可容空間增大,相對(duì)湖平面下降使得Ⅱ類可容空間減小。當(dāng)盆地基底發(fā)生差異沉降之前，在穩(wěn)定的沉積湖盆之中存在一個(gè)位置，此位置湖盆兩側(cè)水體體積是相同的，即水下可容空間是相等的，一旦盆地基底發(fā)生差異沉降，此位置兩側(cè)的平衡首先被打破，一側(cè)相對(duì)湖平面下降、可容空間減小，而另一側(cè)相對(duì)湖平面上升、可容空間增加，從下降到上升的轉(zhuǎn)換點(diǎn)既沒有下降也沒有上升，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)湖平面不變的平衡點(diǎn)（圖1），也就是說(shuō)在箕狀斷陷緩坡帶上必定存在一O點(diǎn)（變化后為O′點(diǎn)）,在變化前后水深保持不變（DO=D′O′）。O點(diǎn)外側(cè)水體深度變小、相對(duì)湖平面下降、可容空間減小;O點(diǎn)內(nèi)側(cè)水深增大,相對(duì)湖平面上升、可容空間增加。此點(diǎn)即為可容空間平衡轉(zhuǎn)化的樞紐點(diǎn)。陡坡帶的C′C段是控盆斷層活動(dòng)下滑過(guò)程中的新生基底,為控盆斷層活動(dòng)而新增的可容空間, CB′段上各點(diǎn)水深減小。

湖盆緩坡帶上的O點(diǎn)為水體深度和可容空間發(fā)生平衡轉(zhuǎn)化的點(diǎn),在斷陷湖盆的整個(gè)幕式發(fā)育過(guò)程中,該平衡轉(zhuǎn)化點(diǎn)位置不斷發(fā)生變化,對(duì)于整個(gè)盆地來(lái)說(shuō)，在某一時(shí)刻平面上表現(xiàn)為一條線,而在整個(gè)地層層序演化過(guò)程中則表現(xiàn)為一個(gè)帶,因此稱之為可容空間平衡樞紐帶。

2 可容空間平衡樞紐帶數(shù)學(xué)模型

為了建立可容空間平衡樞紐帶位置的數(shù)學(xué)模型，特作以下2點(diǎn)假設(shè)：

（1）假設(shè)在斷層的幕式活動(dòng)期間的沉積物供給量和水體補(bǔ)給量為零,也就是說(shuō)在湖盆基底差異沉降過(guò)程中湖盆中水體總量在變化前后保持不變。

（2）假設(shè)在湖盆的差異沉降過(guò)程中,陡坡帶的坡角不變,也就是說(shuō)湖盆基底的差異沉降主要是緩坡帶一端沿著控盆斷層的剛性下滑所引起的。

在單斷箕狀湖盆幾何結(jié)構(gòu)模型中（圖1），假定此湖盆湖水體積為V,垂直于剖面方向上的湖面寬度為l,在湖盆差異沉降的發(fā)育過(guò)程中湖水的體積始終保持不變，控盆斷層（即陡坡帶）傾角為β,箕狀湖盆緩坡帶傾角為α,當(dāng)斷點(diǎn)C剛性滑至C′時(shí)滑距為x,緩坡帶傾角變化量Δα，湖盆變化前最大深度為h,變化后最大深度為h′,湖盆深度變化為Δh。

圖1 可容空間平衡樞紐示意圖

假定某個(gè)地層沉積時(shí)刻緩坡帶平衡樞紐點(diǎn)與盆底距離在發(fā)生沉降前為CD,發(fā)生沉降后平衡樞紐點(diǎn)距離盆底的距離為C′D′。

根據(jù)湖盆沉降模型，在△ABC中存在一點(diǎn)O，O點(diǎn)即盆地基底沿?cái)嗝娌町惓两迪禄瑫r(shí)，此點(diǎn)右邊可容納空間增加，而O點(diǎn)左側(cè)可容納空間開始減小，在垂直于剖面方向上的湖面寬度為l一定時(shí)，此點(diǎn)滿足OD兩側(cè)可容空間面積（體積）相等，即：

則：

由O點(diǎn)在湖盆變化前后水體深度不變可知：

根據(jù)變化前后水體的體積不變可知，即：

將（4）代入（3）中得：

湖盆水體變化深度為：

從（5）、（6）兩式可以知道:發(fā)生沉降后平衡樞紐點(diǎn)距離盆底的距離C′D′與滑移距x沒有關(guān)系,它是α,β, h和Δα的函數(shù),即是由原型湖盆的結(jié)構(gòu)（α,β,h）和后來(lái)緩坡角度的變化值Δα所決定的,故可表示為:

C′D′=f(α,β,h,Δα)

湖盆深度變化量Δh與α,β,h,Δα,x都有關(guān)系,故可表示為:

Δh=f(α,β,h,Δα,x)

3 烏爾遜斷陷南屯組可容空間平衡樞紐帶特征

烏爾遜斷陷位于海拉爾盆地中部,具有西斷東超、南陡北緩的基本構(gòu)造格局，總體上是由一系列近南北或北北西向控制盆地沉降差異和層序—體系域發(fā)育的斷層控制，形成近南北向展布的箕狀斷陷湖盆。凹陷的南端由貝東斷隆帶所限定，西部的烏西斷裂和巴彥塔拉斷裂強(qiáng)烈沉降形成近南北向的沉降帶，這種古構(gòu)造背景決定了凹陷總體的層序結(jié)構(gòu)和沉積充填樣式。烏爾遜斷陷鉆遇的地層從上到下依次為第四系，第三系，白堊系青元崗組、伊敏組、大磨拐河組、南屯組、銅缽廟組和基底。主要勘探目的層南屯組自上向下又分為南二段、南一段,南屯組是烏爾遜凹陷白堊系湖盆主要斷陷期,也是湖盆最大擴(kuò)張期。

根據(jù)烏爾遜斷陷原型盆地恢復(fù)，確定原型湖盆的結(jié)構(gòu)（α,β,h）和湖盆差異沉降后緩坡角度的變化值Δα，然后依據(jù)公式（2）、（5）即可計(jì)算出烏爾遜斷陷可容空間平衡樞紐帶的位置，且具有如下特征：

（1）可容空間平衡樞紐帶不但控制烏爾遜斷陷南屯組沉積時(shí)期湖平面的升降,而且控制南屯組沉積層序內(nèi)部的巖性組合特征。

烏爾遜斷陷南屯組劃分為2個(gè)完整的三級(jí)沉積層序,在烏爾遜東部緩坡帶準(zhǔn)層序進(jìn)積式疊加,主要表現(xiàn)為一套泥巖、砂礫巖組合,并且向上泥巖含量減少，砂礫巖含量增多,自然電位曲線向上幅度增大、厚度增加。向盆地中心方向,進(jìn)積疊加，具有明顯的三角洲進(jìn)積特征,雖然存在構(gòu)造沉降,但是由于沉積物供給速率大于構(gòu)造沉降,湖盆處于敞流狀態(tài),絕對(duì)湖平面不變,相對(duì)湖平面減小,但是水深和可容空間減小。烏南次洼的準(zhǔn)層序退積式疊加,主要以泥巖為主,并夾有砂巖、粉砂巖，表現(xiàn)為深灰色泥巖中,從下到上砂巖含量減少，泥巖含量增加,自然電位曲線也具有明顯的低幅度指狀和直線型組合,厚度增大,形成退積疊加模式。在烏南洼槽構(gòu)造沉降和沉積物供給相互作用,絕對(duì)湖平面不變,構(gòu)造沉降大于沉積物供給,從而相對(duì)湖平面增加,水深和可容空間相應(yīng)增加。

在相對(duì)湖平面增加與減小區(qū)之間,存在一相對(duì)湖平面穩(wěn)定不變區(qū)域。該區(qū)域巖性組合為深灰色粉砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖組合,自然電位為低幅度齒狀,表現(xiàn)為砂泥交互的加積特征。在絕對(duì)湖平面不變的情況下,構(gòu)造沉降量與沉積物供給量基本平衡,是一種補(bǔ)償沉積狀態(tài),從而相對(duì)湖平面增加,水深和水下可容空間不變。

在盆地的陡坡帶,巴彥塔拉斷層與烏西斷層形成的臺(tái)階帶上,來(lái)自西部嵯崗隆起上的近源沉積物快速堆積,巖性主要為扇三角洲前緣沉積的砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖,從下向上砂巖厚度和含量增加,形成進(jìn)積式疊加。在該地區(qū)絕對(duì)湖平面不變的情況下,構(gòu)造沉降形成的新的可容空間小于沉積物供給量,因此相對(duì)湖平面增加,但水深和水下可容空間減小。而在巴彥塔拉斷層上升盤巖性組合特征為深灰色泥巖夾薄層砂巖的加積式組合,構(gòu)造沉降形成的可容空間與沉積物供給持衡,相對(duì)湖平面增加,但水體深度和可容空間不變。

因此,在南屯組沉積層序中,并不是在其沉積的所有時(shí)期可容空間的變化都是一致的。在湖退體系域沉積時(shí)期,雖然湖盆處于敞流條件,絕對(duì)湖平面不變,由于構(gòu)造沉降、沉積物供給和水體的關(guān)系在湖盆的不同地區(qū)具有不同的關(guān)系,所以可容空間在盆地的不同地區(qū)形成了差異性變化,在盆地中部可容空間增加,在盆地邊緣物源方向可容空間減小,其間形成過(guò)渡帶,可容空間穩(wěn)定不變。由于烏爾遜斷陷湖盆的多物源特征,在湖盆的各個(gè)方向基本都存在不同規(guī)模的物源,這樣平面上的可容空間變化就形成了一種環(huán)形特征，即在盆地中部形成可容空間增加區(qū),在盆地斜坡形成可容空間減小區(qū),兩者之間形成可容空間穩(wěn)定帶,即可容空間平衡樞紐帶。受沉積物供給的影響,在物源供給豐富的烏東斜坡地區(qū),形成的可容空間平衡樞紐帶比較寬,主要是因?yàn)樵诘刭|(zhì)歷史時(shí)期內(nèi),可容空間不變的點(diǎn)隨沉積物快速前積而向盆地方向遷移。在烏東緩坡帶扇三角洲的快速供給,使該地區(qū)的可容空間平衡樞紐帶比西部斷階帶要寬。從構(gòu)造特征上來(lái)看,緩坡帶可容空間平衡樞紐帶分布在盆傾斷層之上的地區(qū),陡坡帶分布在巴彥塔拉斷層之上的構(gòu)造臺(tái)階帶上。

（2）可容空間平衡樞紐帶不但控制層序演化和體系域分布,而且控制沉積準(zhǔn)層序組的疊置類型和沉積相帶的展布。

水下可容空間的體積變化與同期沉積物供給體積間的關(guān)系決定斷陷湖盆內(nèi)地層層序沉積特征和沉積相類型。在烏爾遜斷陷平衡樞紐帶內(nèi)為補(bǔ)償沉積環(huán)境,沉積物相帶基本保持不變,形成加積型沉積序列；平衡樞紐帶外側(cè)為超補(bǔ)償沉積環(huán)境,水下可容空間變小,且水下可容空間遠(yuǎn)小于沉積物供給體積空間,發(fā)育有進(jìn)積型序列的低位扇相和斜坡扇沉積,近源沉積相向盆地方向推進(jìn),一般構(gòu)成低水位體系域沉積，到低水位沉積晚期,水下可容空間增量大約與沉積物供給體積增量相等。隨著構(gòu)造沉降活動(dòng)的持續(xù),平衡樞紐帶內(nèi)側(cè)水下可容空間不斷增加,水下可容空間增量大于同期沉積物供給體積時(shí),相對(duì)湖平面不斷上升,形成穩(wěn)定的水體,為欠補(bǔ)償沉積環(huán)境,近源沉積相向物源方向推進(jìn),發(fā)育退積型沉積序列的湖相沉積,構(gòu)成湖進(jìn)體系域；最后,由于構(gòu)造沉降速率的變小,湖盆進(jìn)入萎縮階段,形成湖泊高水位體系域沉積。湖泊高水位體系域早期,水下可容空間增量趨于等于同期沉積物供給體積,發(fā)育加積式湖相沉積;湖泊高水位體系域晚期,水下可容空間增量小于同期沉積物供給體積,水下可容空間不斷減小,發(fā)育進(jìn)積型湖相沉積或河流泛濫平原沉積。

（3）可容空間平衡樞紐帶不但控制可容空間變化和砂體分布,而且控制油氣藏的類型和分布。

由于烏爾遜斷陷沉積物供給和構(gòu)造沉降的關(guān)系導(dǎo)致可容空間變化具有非統(tǒng)一性，平面上沉積物及其特征差異也比較大，導(dǎo)致可容空間平衡樞紐帶與油藏類型、分布的關(guān)系與不同區(qū)帶可容空間變化形成的沉積物差異存在密切關(guān)系。

①緩坡帶可容空間平衡樞紐帶外側(cè)水體變淺,是層序界面所對(duì)應(yīng)的不整合面分布區(qū),發(fā)育低水位體系域淺水砂體沉積，由于可容空間減小，辨狀河三角洲的快速進(jìn)積，在該帶上砂巖比例比較高，泥巖含量減少，分布面積局限，保存相對(duì)條件差，油氣藏類型以構(gòu)造油藏為主。

②緩坡帶可容空間平衡樞紐帶內(nèi)側(cè)水體變深,可容空間增大，沉積物供給滯后，盆地處于欠補(bǔ)償狀態(tài)，沉積一套暗色泥巖，形成了區(qū)域性生油巖。主要發(fā)育三角洲前緣滑塌濁積砂巖等深水成因砂體，粒度細(xì)，在剖面中呈孤立砂體存在，成為可容空間增加帶的儲(chǔ)集體，周邊烴源巖中的油氣向濁積砂體運(yùn)移聚集，形成巖性油氣藏。

③緩坡帶可容空間平衡樞紐帶主要是三角洲前緣砂體發(fā)育的地區(qū)，形成良好的油氣運(yùn)移和聚集的砂泥組合，為油氣聚集提供良好的儲(chǔ)集場(chǎng)所，是油氣最富集的地區(qū)，油氣藏類型以巖性、構(gòu)造—巖性油氣藏為主。

南屯組一段、二段是烏爾遜斷陷主要儲(chǔ)集層系之一，提交三級(jí)石油地質(zhì)儲(chǔ)量11147.36×104t，主要為巖性、構(gòu)造-巖性和斷塊油藏，其中巖性、構(gòu)造—巖性油藏儲(chǔ)量最大，為9772.57×104t，占87.7%。油藏在平面上的分布具有一定的規(guī)律性，并與南屯組一、二段可容空間平衡樞紐帶的分布具有一定的相關(guān)性，特別是構(gòu)造—巖性油藏的分布。南屯組一、二段的巖性、構(gòu)造—巖性油藏主要分布在可容空間增加帶和可容空間平衡樞紐帶上，且以可容空間平衡樞紐帶為主?？扇菘臻g平衡樞紐帶上分布有烏南洼陷東部斜坡帶中的烏30、烏27、烏31、烏33、烏38和烏51油藏，巴彥塔拉構(gòu)造帶上的巴16油藏，其總地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)9815.11×104t，占南屯組總地質(zhì)儲(chǔ)量的88.0%，而巖性、構(gòu)造-巖性油藏的儲(chǔ)量為9545.11×104t，占南屯組總地質(zhì)儲(chǔ)量的85.6%；可容空間增加帶內(nèi)巖性油藏地質(zhì)儲(chǔ)量為133×104t，占南屯組巖性油藏總地質(zhì)儲(chǔ)量的1.2%，主要分布在烏南洼陷烏34井區(qū)；可容空間減小帶巖性油藏的分布零散，含油面積比較小，地質(zhì)儲(chǔ)量只有1199.25×104t，占南屯組巖性油藏總地質(zhì)儲(chǔ)量的10.8%，但是，該帶是構(gòu)造斷塊油藏的主要分布區(qū)，主要分布在烏南洼陷烏55和烏59井區(qū)。說(shuō)明可容空間平衡樞紐帶是巖性和構(gòu)造—巖性油藏形成的主要地區(qū)，可容空間減小帶是構(gòu)造斷塊油藏形成的主要地區(qū)。

4 結(jié)論

（1）在單斷箕狀湖盆發(fā)育過(guò)程中,可容空間平衡樞紐帶距離湖盆底部的位置只與原型湖盆的結(jié)構(gòu)有關(guān)（同單斷湖盆陡坡傾角、緩坡傾角以及緩坡傾角變化值皆成反比,與湖盆水體深度成正比）,而與湖盆的幕式沉降活動(dòng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

（2）在單斷箕狀湖盆發(fā)育過(guò)程中,控盆邊界斷層的幕式構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致湖盆相對(duì)湖平面和可容空間的變化。構(gòu)造沉降和沉積物快速供給導(dǎo)致了盆地內(nèi)部相對(duì)湖平面和水下可容空間在不同地區(qū)不僅具有統(tǒng)一變化的時(shí)期,同時(shí)也具有非統(tǒng)一變化的時(shí)期。而且隨著湖水的重新分配,湖盆不同位置處的相對(duì)湖平面變化也不一致,存在可容空間平衡樞紐。在可容空間平衡樞紐內(nèi)側(cè),相對(duì)湖水深度變深,形成退積型準(zhǔn)層序組；在可容空間平衡樞紐外側(cè),相對(duì)湖水深度變淺,形成進(jìn)積型準(zhǔn)層序組,在可容空間平衡樞紐帶形成加積型準(zhǔn)層序組。 （3）在單斷箕狀湖盆發(fā)育過(guò)程中,控盆邊界斷層的幕式構(gòu)造活動(dòng)不但控制盆地的差異沉降，而且也導(dǎo)致湖盆相對(duì)湖平面和可容空間的變化，平面上由盆地內(nèi)部向盆地邊緣依次形成可容空間增加帶、平衡樞紐帶和減小帶?？扇菘臻g的分布特征控制了油藏的類型和分布?？扇菘臻g增加帶是巖性油藏形成的最有利地區(qū)，可容空間減小帶則主要以構(gòu)造油藏為主，而可容空間平衡樞紐帶則是巖性、構(gòu)造—巖性油氣藏發(fā)育的最有利部位。

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A

1004-5716（2015）08-0083-05

2014-08-22

2015-07-01

中國(guó)石油天然氣股份有限公司重大科技專項(xiàng)“海拉爾-塔木察格盆地綜合地質(zhì)研究及勘探配套技術(shù)”（編號(hào)2011E-1202）資助。

王江（1966-），男（漢族），黑龍江安達(dá)人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事石油勘探生產(chǎn)部署、石油地質(zhì)研究以及三維地震解釋與方法研究工作。