渤海灣盆地南堡凹陷古近系重力流沉積特征及模式

張景軍，李凱強(qiáng)，王群會(huì)，王志坤，韓江波

1.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶 163318 2.中國(guó)石油冀東油田勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004

渤海灣盆地南堡凹陷古近系重力流沉積特征及模式

張景軍1，李凱強(qiáng)1，王群會(huì)2，王志坤2，韓江波1

1.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶 163318 2.中國(guó)石油冀東油田勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004

利用巖芯微觀描述、宏觀觀察，三維地震資料解譯處理等技術(shù)并參考前人研究成果對(duì)南堡凹陷古近系重力流沉積特征、模式及影響因素進(jìn)行了研究。結(jié)果表明凹陷主要發(fā)育滑塌巖、砂質(zhì)碎屑流沉積、濁積巖三種重力流沉積物，其中砂質(zhì)碎屑流沉積發(fā)育程度最高，單井鉆遇累計(jì)厚度達(dá)220 m、單層厚可達(dá)30 m，粒度概率累積曲線大都呈現(xiàn)兩段式，C-M圖與QR段平行，顯示沉積的非牽引流成因；濁積巖具有多期發(fā)育的特征，單層厚多小于1 m，具有正粒序?qū)永?，發(fā)育不完整鮑馬序列Tc段常見Td段少見，常見于砂質(zhì)碎屑流沉積外圍及上部；滑塌巖顆粒粒級(jí)較細(xì)，揉皺構(gòu)造和包卷層理極為發(fā)育，在4號(hào)構(gòu)造發(fā)育程度較高。沙壘田、馬頭營(yíng)等凸起，古近系活躍的火山、斷層活動(dòng)及地震，東營(yíng)組及沙河街組發(fā)育期深水環(huán)境、坡折帶的存在為重力流沉積的形成提供了條件。綜合各種因素為研究區(qū)建立了扇三角洲—短陡坡型(1號(hào)、4號(hào)構(gòu)造)及辮狀河三角洲—長(zhǎng)緩坡型(2號(hào)、3號(hào)構(gòu)造)重力流沉積模式并對(duì)其沉積規(guī)律進(jìn)行了分析。

南堡凹陷；重力流；古近系；沉積特征及模式；渤海灣盆地

0 引言

20世紀(jì)中期前，絕大多數(shù)地質(zhì)學(xué)家們都認(rèn)為深海是幽深靜謐之地，沉積物的形成是緩慢的，來源主要為懸浮沉積物且僅存在泥質(zhì)沉積[1]，直至《濁流是遞變層理的形成原因？》一文[2]的發(fā)表才結(jié)束了人們對(duì)深海沉積物的片面認(rèn)識(shí)，標(biāo)志著濁流理論的正式建立，也拉開了深水重力流研究的序幕。20世紀(jì)60年代著名的Bouma序列的建立和廣泛應(yīng)用進(jìn)一步推動(dòng)了深水重力流的發(fā)展[3]，隨后在Bouma序列的基礎(chǔ)上多種深水沉積扇模式的建立意味著濁流理論的逐漸發(fā)展完善[4-7]。各種關(guān)于深水重力流理論和模式的建立及應(yīng)用使深海沉積勘探取得重大突破，如東地中海列維坦盆地、墨西哥灣深水盆地、北海Horda臺(tái)地、印度東海岸KG盆地和澳大利亞西北大陸架等[8-11]。雖然其后隨著研究的深入Bouma序列及建立在其基礎(chǔ)上的各類扇模式受到質(zhì)疑甚至嚴(yán)厲批評(píng)、徹底否定[12]，但從現(xiàn)有的勘探實(shí)例來看Bouma序列有其存在的實(shí)際意義，它可被不斷完善但不可完全否定。地質(zhì)學(xué)家們關(guān)于深水重力流理論的不斷質(zhì)疑和完善逐步提高了對(duì)其的理解和認(rèn)識(shí)，同時(shí)也從一個(gè)側(cè)面反映出深水沉積領(lǐng)域已成為當(dāng)前全球油氣勘探與研究的前緣和重點(diǎn)，深水重力流因其潛在的巨大油氣資源成為地質(zhì)學(xué)家追逐的熱點(diǎn)[13-14]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者王德坪[15-16]最早提出塊體砂質(zhì)碎屑流沉積理論，Shanmugam[12]的研究成果于90年代末引入我國(guó)[17]，國(guó)內(nèi)的相關(guān)學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了針對(duì)性的研究[18-20]。近些年來，深水重力流沉積理論在對(duì)鄂爾多斯、松遼、渤海灣、珠江口等盆地的油氣勘探開發(fā)過程中得到了廣泛應(yīng)用[21-22]，其中最為成功的案例是對(duì)鄂爾多斯盆地深水沉積塊體的勘探。2013年，渤海灣盆地南堡凹陷構(gòu)造湖盆深水區(qū)發(fā)現(xiàn)極具油氣勘探意義的沉積砂體，引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，然而對(duì)該類砂體的沉積特征、影響因素、沉積模式等問題認(rèn)識(shí)程度還較低，制約了該區(qū)深部油氣的勘探開發(fā)，本文在仔細(xì)調(diào)研前人研究成果的基礎(chǔ)上采用大量巖芯、測(cè)井、地震和分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用沉積巖石學(xué)、儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)等相關(guān)學(xué)科理論、通過巖芯微觀鑒定和宏觀描述、儲(chǔ)層砂體反演等方法對(duì)研究區(qū)重力流沉積的相關(guān)問題進(jìn)行了深入研究，以期對(duì)其取得更清楚的認(rèn)識(shí)，為進(jìn)一步勘探開發(fā)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤海灣盆地是發(fā)育在我國(guó)東部華北地臺(tái)上的中新生代含油氣盆地，盆地整體呈仿錘狀，長(zhǎng)軸近北東向、短軸近南西向，區(qū)域構(gòu)造上北鄰燕山褶皺帶，東接遼東、膠東隆起區(qū)，南依魯西隆起區(qū)，西靠太行山隆起帶，行政范圍包括京、津、冀全部魯、豫、遼局部及部分渤海海域。研究區(qū)位于盆地東北部，長(zhǎng)軸近東西向，北部以西南莊斷層、柏各莊斷裂為界與老王莊、柏各莊、馬頭營(yíng)凸起相鄰，南以沙北斷層為界與沙田壘凸起相接，西以澗東斷裂與北塘凹陷相隔，為一典型的北斷南超、東斷西超的箕狀凹陷[23]。南堡凹陷面積約1 932 km2，其中灘海面積近1 000 km2，發(fā)育有5個(gè)有利構(gòu)造帶：南堡斷裂構(gòu)造帶(南堡1號(hào))、老堡斷裂構(gòu)造帶(南堡2號(hào))、老堡南斷裂構(gòu)造帶(南堡3號(hào))、蛤坨潛山披覆構(gòu)造帶(南堡4號(hào))、北堡背斜構(gòu)造帶(南堡5號(hào))；5個(gè)次凹：拾場(chǎng)次凹、林雀次凹、柳南次凹、曹妃甸次凹、新四場(chǎng)次凹[24](圖1)。凹陷經(jīng)歷了先斷后拗的演化過程，斷裂持續(xù)活動(dòng)廣泛發(fā)育，地層發(fā)育較為完整，自上而下依次發(fā)育第四系平原組、上第三系明化鎮(zhèn)組和館陶組、古近系東營(yíng)組(東一段—東三段)和沙河街組(沙一段—沙三段)，中生界侏羅系和古生界奧陶系地層，而古近系孔店組和沙四段地層普遍缺失[25]。本次研究主要集中在凹陷南部灘海部分，目的區(qū)塊為南堡1～4號(hào)有利構(gòu)造，目的層主要為古近系東營(yíng)組(東二段、東三段)和沙河街組(沙一段、沙三段)。目前區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)高尚堡、老爺廟、柳贊、北堡油田(陸地)和南堡油田(灘海)。根據(jù)現(xiàn)有的資料來看對(duì)南堡凹陷進(jìn)行詳盡研究具有較高的價(jià)值，隨著研究程度不斷深入、理論的逐漸成熟、三維地震等相關(guān)資料的不斷完善對(duì)其開展更深一步的研究也變得越來越有可行性與迫切性。

2 重力流沉積物特征

關(guān)于重力流的分類是一個(gè)具有爭(zhēng)議的問題，不同的學(xué)者從不同的角度出發(fā)提出了不同的分類方案，如Dott[26]以流體的流動(dòng)機(jī)制為依據(jù)將沉積物重力流分為塑性流和黏性流體流；Middletonetal.[27]以顆粒的支撐機(jī)制為依據(jù)將其劃分為泥石流、顆粒流、液化沉積物流和濁流；Lowe[28-29]將前兩者的分類方式結(jié)合起來把沉積物重力流分為流體流和碎屑流，進(jìn)而又細(xì)分為濁流、流體化流、液化流、顆粒流、黏性碎屑流；Mulderetal.[30]依據(jù)沉積物顆粒的黏結(jié)性將沉積物重力流分為黏性流和摩擦流，后又將摩擦流分為超高密度流、高密度流和濁流；Shanmugam[31]則將沉積物重力流分為濁流、顆粒流、砂質(zhì)碎屑流和泥質(zhì)碎屑流四類；其中Shanmugam[31]的四分類法因其簡(jiǎn)潔、明了、實(shí)用而被我國(guó)學(xué)者廣泛接受、運(yùn)用，同時(shí)塊體搬運(yùn)沉積體系(MTDs)及塊體流理論對(duì)滑動(dòng)、滑塌和碎屑流等重力流成因及沉積特征具有較好的解釋[32-33]。因此本文以Shanmugam[31]的重力流分類方式和塊體流理論為理論基礎(chǔ)將研究區(qū)重力流沉積劃分為塊體搬運(yùn)體系(滑塌和砂質(zhì)碎屑流)和濁流等兩種類型、將重力流成因巖石分為滑塌巖、砂質(zhì)碎屑流沉積巖及濁積巖進(jìn)行研究。

圖1 南堡凹陷區(qū)域地質(zhì)概況圖Fig.1 Regional geological setting of Nanpu sag

2.1 砂質(zhì)碎屑流沉積特征

砂質(zhì)碎屑流是介于顆粒流和泥質(zhì)碎屑流之間的中間產(chǎn)物，具有流變學(xué)特征，Shanmugam認(rèn)為是流變學(xué)特征而非粒度分布對(duì)其起到主要控制作用，漂浮的石英顆粒和泥質(zhì)撕裂屑是其鑒別的明顯標(biāo)志[34-35]。研究區(qū)砂質(zhì)碎屑流發(fā)育程度較高，在1～4號(hào)構(gòu)造26口取芯井不同層段中發(fā)現(xiàn)大量砂質(zhì)碎屑流沉積(表1)，其中南堡3號(hào)構(gòu)造PG2井鉆遇累積厚度達(dá)220 m、NP306X3井鉆遇單層厚度達(dá)30 m的砂質(zhì)碎屑流沉積砂體，如此厚度的沉積砂體為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的形成提供了優(yōu)越的物質(zhì)基礎(chǔ)。

表1 南堡凹陷砂質(zhì)碎屑流沉積發(fā)育狀況

2.1.1 巖石類型及特征

研究區(qū)砂質(zhì)碎屑流沉積砂體巖石類型以巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，巖性主要為灰色的含礫粗砂巖，中砂巖、礫巖及細(xì)砂巖含量也較高，同時(shí)也可見黑深灰色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及黑色泥巖，整體來說粒度較粗，砂巖中石英含量為43.7%，長(zhǎng)石含量為29.3%，巖屑含量為18.8%，成分成熟度較低。砂體顆粒分選差，磨圓度級(jí)別以次棱角—次圓狀為主，接觸方式為點(diǎn)—線接觸，呈孔隙式膠結(jié)類型。

2.1.2 沉積特征

通過對(duì)NP3-27、NP288、NP306X1等井涉及砂質(zhì)碎屑流沉積的巖芯段仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域砂質(zhì)碎屑流沉積具有下述特征：1)砂質(zhì)碎屑流與下伏泥巖成簡(jiǎn)單的線性接觸關(guān)系，其在運(yùn)移過程中未對(duì)下伏巖層形成沖刷侵蝕作用，頂部常常表現(xiàn)出砂泥突變關(guān)系(圖2A)；2)呈現(xiàn)出漂浮狀的尖棱角不規(guī)則泥巖碎屑和磨圓的紫紅色、淺黃、淺褐色泥礫常發(fā)育在砂質(zhì)碎屑流塊狀砂體中上部(圖2B，C，D)，泥巖撕裂屑長(zhǎng)軸方向與層面呈現(xiàn)出平行或近平行狀，其不規(guī)則尖棱狀形態(tài)說明運(yùn)移距離近，極有可能是原地或近源沉積，磨圓度較好的泥礫則是遠(yuǎn)距離搬運(yùn)而來；3)在砂質(zhì)碎屑流沉積塊體的細(xì)砂巖中上部發(fā)育有漂浮狀的石英細(xì)礫和生物碎屑，且整體具有逆粒序性和逆粒序?qū)永砼c逆—正粒序?qū)永砉泊娴奶卣?圖2E)；4)存在定向分布的、板條狀等面狀碎屑組構(gòu)和易碎頁(yè)巖碎屑，塊狀砂巖頂部發(fā)育向上變細(xì)的較薄粒序?qū)?，砂質(zhì)碎屑流塊狀砂巖常與濁流沉積相伴生；5)砂質(zhì)碎屑流砂體平面上呈聯(lián)合扇狀展布、連接性較好，剖面上呈丘狀或透鏡狀砂體多期發(fā)育、相互疊置(圖2F)。

2.1.3 粒度分析特征

粒度概率累計(jì)曲線分析：NP306X1、PG2井樣品的概率累積曲線呈現(xiàn)出兩段式和三段式(圖3)，其中除NP306X1井4 225.60 m段之外，其余均為兩段式，表明沉積物以懸浮組分和跳躍組分為主，存在部分滾動(dòng)組分，而曲線斜率普遍較低表明各組分次總體分選較差，說明其沉積的非牽引流成因。樣品C-M圖：由NP306X1井C-M圖看出(圖4)，該井C-M圖呈現(xiàn)出兩種特征：一種與牽引流C-M圖中的QR段類似，與C-M基線大致平行，具有典型的重力流特征，另一種與OP段相似近乎水平，說明沉積物頂部具有漂礫。分選系數(shù)：通過對(duì)PG2井4 250～4 256.44 m段、NP306X3井4 225.6～4 228.7 m段8個(gè)樣品的粒度分選情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果為分選性差，砂體是在快速沉積的環(huán)境下發(fā)育，具有顆粒大小不等、堆積混雜的特點(diǎn)。

圖2 砂質(zhì)碎屑流沉積特征A.NP306X1井，4 235.9 m，砂質(zhì)碎屑流沉積與泥巖呈線性接觸關(guān)系；B.NP3-27井，4 689.5 m，砂質(zhì)碎屑流沉積中大量泥巖撕裂屑；C.NP4-31井，3 939.35 m，磨圓較好的較大礫石；D.NP306X6井，4 410.78 m，漂礫特征；E.PG2井，4 255.46 m，反粒序特征；F.NP3-80井，砂質(zhì)碎屑流剖面上呈丘狀疊置發(fā)育，平面上連通性好。Fig.2 Features of sandy debris flow deposits

圖3 粒度概率累積曲線Fig.3 Cumulative grain-size distribution curve

圖4 砂質(zhì)碎屑流沉積C-M圖Fig.4 C-M diagram of the sandy debris flow deposits

2.2 濁流沉積特征

濁流是呈湍動(dòng)狀態(tài)具有牛頓流體性質(zhì)的沉積物流，顆粒由湍流支撐且懸浮沉降，不具有任何屈服強(qiáng)度，受到外力作用就發(fā)生運(yùn)動(dòng)而外力逐漸降低時(shí)通過懸浮沉降方式卸載沉積顆粒形成濁積巖[26]。關(guān)于濁積巖的共識(shí)有下述幾點(diǎn)：1)真正的濁積巖是在且僅在濁流作用下形成的；2)正遞變層理是濁積巖最可靠的識(shí)別標(biāo)志；3)漂礫和泥巖撕裂屑等碎屑顆粒不會(huì)出現(xiàn)在濁積巖中；其地震響應(yīng)具有內(nèi)部平行—波狀，振幅較低，但延續(xù)較遠(yuǎn)的特征(圖5B)。筆者根據(jù)濁積巖具有的上述特征，結(jié)合巖芯觀察對(duì)研究區(qū)濁積巖進(jìn)行分析與研究。

從對(duì)巖芯觀察分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來看，研究區(qū)濁積巖以灰色、灰黑色粉砂巖、細(xì)砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，灰色或灰黑色砂礫巖、含礫砂巖等粗碎屑沉積也有發(fā)現(xiàn)(發(fā)育于流水強(qiáng)度較大的沉積環(huán)境)；巖石類型主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖，顆粒分選性中—差，磨圓度以次棱角為主，成分成熟度較低。

通過對(duì)多口取芯井所得巖芯的觀察可知研究區(qū)濁積巖發(fā)育程度較高，在區(qū)內(nèi)沙三上段、沙一段及東營(yíng)組等古近系地層中廣泛發(fā)育具有正遞變層理的砂巖。同時(shí)區(qū)內(nèi)濁積巖巖層具有單層厚度小、多期發(fā)育的特征，單層濁積巖巖層厚度大都小于1 m，極個(gè)別情況下甚至小于0.1 m，但多期發(fā)育累積疊置現(xiàn)象明顯說明研究區(qū)濁流沉積作用頻繁發(fā)育。

從NP3-82井沙三上段4 731.76～4 729.06 m段長(zhǎng)2.7 m的巖芯中發(fā)現(xiàn)鮑馬序列的存在(圖6)，同時(shí)依據(jù)巖性及粒序變化可將該段劃分出Ta、Tb、Tc和Te四段。Ta段：發(fā)育正遞變層理，灰黑色含礫粗砂巖、不等粒砂巖，礫石大小不一見砂質(zhì)團(tuán)塊，分選差；Tb段：發(fā)育近平行層理或小型交錯(cuò)層理，正粒序狀，灰色鈣質(zhì)中砂巖—細(xì)砂巖，分選性差—中；Tc段：該段上部見小型波狀層理，灰色粉砂巖—細(xì)砂巖，分選性中等；Te：塊狀層理，黑色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，含有介形蟲。

圖5 不同類型重力流沉積地震響應(yīng)特征A.滑塌巖地震響應(yīng)特征；B.濁流沉積地震響應(yīng)特征。Fig.5 Seismic response characteristics of different types of gravity flow deposits

圖6 不完整的鮑馬序列(4 931.76～4 929.06 m)Fig.6 Incomplete Bouma sequence(4 931.76～4 929.06 m)

圖7 多期濁流疊置發(fā)育A.NP3-19井,4 134.66 m，兩起濁流發(fā)育；B.NP306X1井，4 246.92 m，三期濁流發(fā)育Fig.7 Superposed multi-period turbidity deposits

從NP306X1井、NP3-19井、NP3-82井巖芯特征均可看出多期濁積巖巖層疊置發(fā)育，說明有多層濁流發(fā)育。NP306X1井4 246.86 m段巖芯顯示發(fā)育三期濁流(圖7B)，其中第一、二期都發(fā)育Ta、Tb、Tc三段，各段具有其各自特征，Ta段：正遞變層理、灰色含礫中—細(xì)砂巖；Tb段：近平行層理、灰色細(xì)粉砂巖；Tc段：發(fā)育小型波紋層理或交錯(cuò)層理、灰色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主。而第三期則只可見Ta段。NP3-19井4 134.66 m見兩期濁流發(fā)育(圖7A)，均只見Tc、Te段，Tc段：波狀層理，與底部沖刷突變、灰色泥質(zhì)粉砂巖，紋層是快速堆積的產(chǎn)物；Te段：塊狀層理、泥巖，其形成于濁流尾部稀薄的霧狀懸浮黏土沉積。

2.3 滑塌巖沉積特征

滑塌巖是指已沉積塊體在某種觸發(fā)機(jī)制下沿上凹滑動(dòng)面運(yùn)移，經(jīng)歷旋轉(zhuǎn)變形或崩塌掉入正在沉積的異地沉積物中的重力流沉積[36]，其完全由水下重力滑動(dòng)和滑塌作用形成[37]，顯著特征是包卷層理和滑塌變形等同沉積形變，地震剖面上呈丘狀、透鏡狀反射，邊界包絡(luò)明顯，內(nèi)部蠕蟲狀、紡錘狀中—強(qiáng)振幅短軸疊置(圖5A)。

研究區(qū)滑塌巖發(fā)育較多，空間分布范圍較廣，在扇三角洲前緣、辮狀河三角洲前緣和深湖區(qū)均有發(fā)育，其發(fā)育受地形坡度及坡折帶影響在斜坡的中部及附近較為常見，通過對(duì)取得的巖芯觀察發(fā)現(xiàn)南堡1～4號(hào)構(gòu)造均有滑塌巖發(fā)育，其中由于南堡4號(hào)構(gòu)造地形坡度較大、扇三角洲前緣沉積發(fā)育，滑塌巖的發(fā)育條件更為有利，因此滑塌巖發(fā)育程度最高。

通過對(duì)研究區(qū)NP43-X4805井、NP43-X4830井、NP206井、NP3-27井取得的巖芯樣品的觀察分析知研究區(qū)滑塌巖顆粒粒級(jí)以砂—泥級(jí)為主，偶爾可見細(xì)—中礫級(jí)顆粒，巖性以灰色細(xì)砂巖和粉砂巖為主，沉積厚度較薄的泥質(zhì)粉砂巖也可見，巖芯中觀察到較多的直徑大小不一的砂礫和泥礫(圖8A)，同時(shí)各種沉積體內(nèi)部滑塌變形構(gòu)造和包卷構(gòu)造極為發(fā)育(圖8B,D)。從NP43-X4830井、NP1-80井、NP206井和NP3-27井沙一段到東營(yíng)組地層的巖芯觀察描述可知，滑塌巖在南堡1～4號(hào)構(gòu)造不同層位均有發(fā)育，且具有滑塌變形構(gòu)造發(fā)育、顆粒分選較差的特征。在NP3-27井巖芯可見球枕構(gòu)造、泄水構(gòu)造和火焰構(gòu)造等重力流構(gòu)造類型(圖8C)。

3 重力流形成條件

廣泛認(rèn)可的重力流沉積發(fā)育所需的條件為：湖盆古地形及滯水環(huán)境(較大水深)、物源供給、觸發(fā)機(jī)制[38-39]。但隨著對(duì)重力流研究的不斷深入，某些條件必需性和具體量度引起較大爭(zhēng)議。拿“較大水深”而言，1 500～1 800 m的水深被認(rèn)為是重力流發(fā)育的合適深度，但從已知的案例來看重力流發(fā)育的最大水深可達(dá)8 000 m，而最小水深被認(rèn)為僅為80 m(Klein，1978)，前后相差100倍，而近些年有學(xué)者研究則認(rèn)為深度對(duì)重力流的形成沒有直接影響。對(duì)“地形坡度”來說，具體的坡度臨界值為多少具有較大爭(zhēng)議，國(guó)外眾多學(xué)者對(duì)這個(gè)問題做了大量研究[40-43]，其中Leeetal.[43]認(rèn)為在0.1°～1.7°最適宜重力流的發(fā)生，地形坡度大于0.1°重力流即可形成。王穎等[44]認(rèn)為斜坡梯度值為6 m/km即可發(fā)生重力流沉積，且該值并非最小值，辛仁臣等[45]對(duì)松遼盆地青山口組—姚家組砂質(zhì)碎屑流的研究中估算出斜坡帶的斜坡梯度值約為9.09 m/km，而劉忠保等[46]認(rèn)為重力流發(fā)生所需的地形坡度受多重因素影響，其值變化較大。質(zhì)疑與爭(zhēng)議總是隨著研究的深入不斷發(fā)生，為便于探討本次研究認(rèn)為重力流發(fā)育的四個(gè)因素均為必需，從上述四個(gè)方面盡可能深入的對(duì)該區(qū)重力流的成因進(jìn)行解析。

圖8 滑塌巖的沉積特征A.NP1-80井、3 686.4 m，深灰色泥巖、粉細(xì)砂巖，分選差，粒度大小混雜，砂質(zhì)漂礫發(fā)育；B.NP43-X4830井、3 853.21 m，深灰色粉砂質(zhì)泥巖，粉砂呈透鏡、條帶狀，滑塌變形構(gòu)造；C.NP3-27井、4 318.38 m，火焰狀構(gòu)造及重荷模；D.NP206井、2 962.48 m 灰色泥質(zhì)粉砂巖，包卷層理及揉皺變形構(gòu)造。Fig.8 Sedimentary characteristics of the slump deposits

地形坡度是重力流形成的前提[38]，在平坦的區(qū)域不會(huì)形成重力流沉積。由坡折帶形成的地形坡度變化是重力流形成的關(guān)鍵因素，而且斜坡的坡度越大越有利于重力流的形成。南堡凹陷斜坡帶和坡折帶發(fā)育程度高，以南堡凹陷3號(hào)構(gòu)造為例，從其沙一段和東一段底三維構(gòu)造圖可看出，3號(hào)構(gòu)造沙一段發(fā)育期地形起伏較大高低點(diǎn)相差近1 100 m，從圖中可明顯看出三個(gè)低洼區(qū)和較陡的斜坡存在，加上充足的物源供給，致使重力流大量發(fā)育，沿斜坡向下運(yùn)動(dòng)最終沉積充填在在低洼區(qū)，出現(xiàn)類似于“削高填低”的現(xiàn)象；東一段構(gòu)造活動(dòng)減弱，盆地快速充填、整體地貌深淺變化不大，以微負(fù)地貌和微正地貌為主，東一段底三維構(gòu)造圖未看出明顯的低洼區(qū)且斜坡也較平緩、地形起伏程度較低，不利于重力流的發(fā)育(圖9)。

圖9 湖盆古地形構(gòu)造圖Fig.9 Tectonic map of ancient lake basin terrain

深水環(huán)境下重力流沉積更易于發(fā)生，深水區(qū)是一定范圍內(nèi)最低洼區(qū)，是流態(tài)物質(zhì)最可能的自然匯聚區(qū)，且一般而言深水區(qū)具有安靜的環(huán)境有利于沉積物的留存，而淺水區(qū)雖然也可能發(fā)育重力流沉積，但動(dòng)蕩的淺水環(huán)境會(huì)對(duì)沉積物產(chǎn)生破壞[38]，因此較大的水深是重力流沉積物形成和保存的重要條件。在沙三段、沙一段時(shí)期南堡凹陷古近紀(jì)古湖泊分別達(dá)到最大深度[47]，在巖芯中可見螺類、腕足類化石，顯示較深水的沉積環(huán)境，在研究區(qū)沙一段厚層塊狀砂巖中廣泛發(fā)育的大套暗色泥巖中也從一個(gè)側(cè)面說明了這一點(diǎn)。東營(yíng)組東三段盆地邊緣扇三角洲、辮狀河三角洲發(fā)育，東二段為東營(yíng)組最大水侵期，沉積了厚的湖相泥巖，東一段湖泊開始萎縮水深降低，因此東二段為重力流發(fā)育的有利階段。筆者認(rèn)為深水環(huán)境和斜坡存在是因果關(guān)系，有深水區(qū)必然就有淺水區(qū)，而深淺水之間的過渡帶即為斜坡，深淺之間的高差與過渡帶的長(zhǎng)短造就了兩種不同的斜坡：長(zhǎng)緩坡與短陡坡。

對(duì)ZTR指數(shù)分析可知研究區(qū)存在三個(gè)主要物源：南部的沙壘田凸起、西部的澗南物源和東部的馬頭營(yíng)突起。1號(hào)、4號(hào)構(gòu)造分別受西部和東部物源的控制發(fā)育扇三角洲—湖泊—重力流沉積體系，2號(hào)、3號(hào)構(gòu)造受控于南部物源發(fā)育辮狀河—湖泊—重力流沉積體系。沉積演化過程中三角洲前緣不斷向前擴(kuò)展，為重力流的形成提供了充足的物源，沙一段屬于深湖—半深湖環(huán)境，經(jīng)歷了湖侵期—最大湖侵期的沉積旋回，沙一下段豐富的前積—加積型辮狀河三角洲砂體為上段最大湖侵砂質(zhì)碎屑流的形成提供充足的物質(zhì)來源。從凹陷3號(hào)構(gòu)造沙一上亞段順物源方向的反演剖面可看出研究區(qū)沙壘田凸起物源砂體非常豐富，辮狀河三角洲前緣砂體向湖盆內(nèi)部不斷延伸，形成多期疊置規(guī)模較大的前積體，在其前方形成了豐富的砂質(zhì)碎屑流沉積砂體，同時(shí)快速沉積于前緣砂體之上的欠壓實(shí)的半固結(jié)—未固結(jié)的沉積物也可為重力流的形成提供物質(zhì)供給(圖10)。

誘發(fā)重力流沉積的因素較多，地震、斷層、火山、海洋風(fēng)暴、隕石撞擊等影響為外力誘發(fā)，三角洲前緣不斷加積致使前緣斜坡角超過休止角可引發(fā)自然滑塌。相對(duì)而言外部因素對(duì)其的影響更重要，地震、火山噴發(fā)、斷層活動(dòng)為最常見且高效的誘發(fā)因素，室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)證實(shí)了觸發(fā)機(jī)制對(duì)重力流形成的重要性[48]。東營(yíng)組沉積期研究區(qū)斷層活動(dòng)普遍而強(qiáng)烈，斷層活動(dòng)速率高達(dá)500～1 200 m/Ma[49]，同時(shí)南堡凹陷古近系火山活動(dòng)具有多期性，在不同層位地層中均可找到巖漿巖發(fā)育的證據(jù)，前人研究表明無論在沙河街組還是東營(yíng)組沉積時(shí)期火山活動(dòng)期次都大于5次[50]。

在對(duì)PG2井沙一段4 249.80 m、NP1-80井東三段3 654.40 m和3 686.30 m、NP280井東三段3 745.57 m巖芯的觀察中均發(fā)現(xiàn)火山巖的存在，通過地震剖面反射特征在南堡3號(hào)構(gòu)造帶識(shí)別出清晰的火山機(jī)構(gòu)(圖11)。頻繁的斷層活動(dòng)及多期的火山運(yùn)動(dòng)是該區(qū)域重力流沉積的重要觸發(fā)機(jī)制，而自然滑塌也是研究區(qū)重力流發(fā)育不可忽略的影響因素。

圖10 南堡3號(hào)構(gòu)造沙一上亞段順物源方向反演剖面Fig.10 Inversion profile along the source direction of the upper of Es1 in Nanpu structure 3

圖11 南堡3號(hào)構(gòu)造火山機(jī)構(gòu)地震反射特征及巖芯樣品Fig.11 Seismic reflection characteristics of volcanic institutions in Nanpu structure 3 and Core sample

4 重力流沉積模式

Shanmugametal.[51]在對(duì)北海白堊系和古新統(tǒng)深水塊狀砂巖的長(zhǎng)期研究中認(rèn)為：沉積物在深水環(huán)境中經(jīng)歷滑動(dòng)、滑塌、碎屑流及濁流等重力驅(qū)動(dòng)作用從陸架邊緣沿斜坡向下運(yùn)動(dòng)至深海斜坡和盆地平原等處二次沉積。重力流沉積物的物質(zhì)源頭為泥、砂、礫等物質(zhì)，在原始沉積位置由某些因素引起運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)能量和水對(duì)流態(tài)物質(zhì)進(jìn)行改造進(jìn)而在斜坡不同位置形成不同類型的重力流沉積物。

4.1 沉積模式建立

南堡凹陷1～4號(hào)構(gòu)造中典型的構(gòu)造樣式有4號(hào)和3號(hào)構(gòu)造，南堡2號(hào)、3號(hào)構(gòu)造地形坡度相對(duì)較緩，發(fā)育辮狀河三角洲—湖泊—重力流沉積體系，為長(zhǎng)緩坡型重力流沉積模式(圖12B)，向湖盆推進(jìn)較遠(yuǎn)的辮狀河三角洲前緣砂體為深水區(qū)重力流沉積提供物質(zhì)補(bǔ)給，觸發(fā)機(jī)制最有可能為活躍的火山及斷層活動(dòng)；1號(hào)、4號(hào)構(gòu)造地形坡度較陡，發(fā)育扇三角洲—湖泊—重力流沉積體系，為短陡型的重力流沉積模式(圖12A)，扇三角洲前緣砂體為主要物質(zhì)來源，砂體更易發(fā)生自然滑塌，滑塌巖發(fā)育程度較高。三角洲前緣砂體在的斜坡上不斷前積，為重力流的發(fā)育提供充足的物質(zhì)來源，向湖盆不斷加積的前緣砂體在誘發(fā)因素作用下發(fā)生斷裂，前緣砂體與主體砂體脫離在自身重力的作用下沿勢(shì)能減弱方向運(yùn)動(dòng)。砂體剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)能量較高運(yùn)動(dòng)劇烈流體流態(tài)復(fù)雜，常在前緣斜坡中上部及附近形成滑塌巖沉積，流體不斷向前運(yùn)動(dòng)能量逐漸降低內(nèi)部呈現(xiàn)均一化趨勢(shì)，隨之流體呈整體塊狀沉積在斜坡收尾處(斜坡與深湖平原過渡處)及附近形成砂質(zhì)碎屑流沉積，此時(shí)流體能量、流速已變的極低，流體中所攜帶的沙、泥等在重力的作用下由粗到細(xì)逐漸沉積形成具有正粒序的濁積巖。

圖12 南堡凹陷重力流沉積模式圖A.短陡坡型沉積模式；B.長(zhǎng)緩坡型沉積模式Fig.12 Gravity flow sedimentation model in Nanpu sag

4.2 沉積規(guī)律分析

以4號(hào)構(gòu)造為代表的短陡坡型重力流沉積規(guī)律：1)由于斜坡短而陡，坡折帶具有又窄又陡的特點(diǎn)，扇三角洲前緣砂體更易因快速沉積失衡而引發(fā)滑動(dòng)、滑塌而形成重力流，物源以線性補(bǔ)給為主，無固定補(bǔ)給水道，常隨三角洲的推進(jìn)而推進(jìn)；2)重力流沉積經(jīng)過滑動(dòng)、滑塌、砂質(zhì)碎屑流及濁流4個(gè)形成階段，滑塌巖更為發(fā)育，分布范圍多局限于深水坡折斜坡上部或斜坡角，以液化滑塌而形成的同生變形構(gòu)造為特征；砂質(zhì)碎屑流分布范圍較廣，在深水斜坡及深湖湖盆均有發(fā)育，常發(fā)育厚層塊狀砂巖；濁流沉積則常見于湖盆平原，沉積具有單層厚度薄多層疊置發(fā)育的特征，底部的遞變層理為典型識(shí)別標(biāo)志；3)單次重力流事件形成的砂體規(guī)模較小，在剖面上呈透鏡狀平面上呈片狀、舌狀，在縱向上深水坡折帶之下多個(gè)透鏡狀砂體疊置分布，在橫向上基本連片，近于平行于坡折帶展布。

以3號(hào)構(gòu)造為代表的長(zhǎng)緩坡型重力流沉積規(guī)律：1)由于斜坡長(zhǎng)而緩，深水坡折帶具有寬緩的特征，辮狀河三角洲前緣砂體向湖盆推進(jìn)較遠(yuǎn)，為深水區(qū)重力流沉積提供豐富、穩(wěn)定的物源補(bǔ)給，有利于砂質(zhì)碎屑流的形成與發(fā)育；2)三角洲前緣砂體在頻繁的火山、斷層活動(dòng)及地震等誘發(fā)機(jī)制下發(fā)生滑動(dòng)滑塌而形成重力流，物源為線—面性補(bǔ)給；3)由于寬緩的斜坡，重力流的形成演化更為充分，滑動(dòng)、滑塌、砂質(zhì)碎屑流及濁流4個(gè)形成階段展現(xiàn)的更為完美。其中，滑塌巖分布范圍多局限于深水坡折斜坡上，但是延伸距離有所增加，砂質(zhì)碎屑流成為重力流沉積的主體，濁流沉積常分布于砂質(zhì)碎屑流的上部及外緣；4)重力流沉積的范圍和厚度較大，在平面上，重力流沉積砂體垂直坡折帶方向延展，從斜坡到深湖平原，由條帶狀展布逐漸演變舌狀或扇體形狀；在縱向上，砂質(zhì)碎屑流、濁積巖及滑塌巖等三種類型重力流沉積?；映霈F(xiàn)，其中以砂質(zhì)碎屑流與濁流或者砂質(zhì)碎屑流與滑塌巖兩種互層組合方式最為常見。

5 結(jié)論

(1) 南堡凹陷灘海地區(qū)發(fā)育砂質(zhì)碎屑流沉積物、濁積巖和滑塌巖三種重力流沉積物，砂質(zhì)碎屑流為重力流沉積的主體，在鉆探過程中鉆遇幾率較高，厚度較大，巖石以巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，整體粒度較粗，成分成熟度較低，分選磨圓差；沉積砂體頂?shù)酌孑^平整，內(nèi)部含有泥巖碎屑和礫石，平面上聯(lián)通度較高，剖面上呈丘狀多期發(fā)育。濁積巖以灰色細(xì)粒砂巖為主，偶見含礫砂巖，分選中—差，磨圓程度低，成分成熟度低，區(qū)內(nèi)濁積巖發(fā)育程度較高，具有發(fā)育層數(shù)多、層厚低的特征，濁積巖見明顯的正遞變層理，發(fā)現(xiàn)不完整鮑馬序列，多發(fā)育在砂質(zhì)碎屑流前端也可見于其上端；滑塌巖顆粒粒級(jí)以砂—泥級(jí)為主，含有較多的礫石，分布范圍廣，沉積砂體內(nèi)滑塌變形、包卷構(gòu)造發(fā)育。

(2) 研究區(qū)周圍的沙壘田、柏各莊等凸起是重力流沉積重要的物質(zhì)來源，三角洲前緣砂體及未固結(jié)的沉積物是重力流的直接物質(zhì)來源，古近系活躍的火山運(yùn)動(dòng)和斷層活動(dòng)為重力流啟動(dòng)提供了動(dòng)力，自然滑塌也是重力流形成的常見原因。1號(hào)、4號(hào)構(gòu)造坡度較大的斜坡為重力流運(yùn)動(dòng)和發(fā)生沉積提供有利條件，沙三、一段，東二段較大的水深為重力流沉積物的形成保存提供了適宜的環(huán)境。

(3) 結(jié)合各種因素建立了兩種重力流沉積模式：1號(hào)、4號(hào)構(gòu)造的扇三角洲—短陡坡型重力流沉積模式，2號(hào)、3號(hào)構(gòu)造的辮狀河三角洲—長(zhǎng)緩坡型重力流沉積模式。重力流發(fā)育演化經(jīng)歷滑動(dòng)、滑塌、砂質(zhì)碎屑流及濁流四個(gè)階段，沿斜坡下行方向發(fā)育滑塌巖、砂質(zhì)碎屑流沉積、濁積巖，不同類型沉積具有不同的發(fā)育規(guī)模，沉積砂體常見丘狀、透鏡狀，剖面上疊置發(fā)育，平面上連片分布。2號(hào)、3號(hào)構(gòu)造觸發(fā)機(jī)制最可能為火山、斷層活動(dòng)及地震，以線性補(bǔ)給物源為主；1號(hào)、4號(hào)構(gòu)造自然滑塌也是重要的誘發(fā)機(jī)制，以線—面補(bǔ)給物源為主。

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SedimentaryCharacteristicsandModelofPaleogeneGravityFlowinNanpuSag,BohaiBayBasin

ZHANG JingJun1, LI KaiQiang1, WANG QunHui2, WANG ZhiKun2, HAN JiangBo1

1.SchoolofGeosciences,NortheastPetroleumUniversity,Daqing,Heilongjiang163318,China2.ExplorationandDevelopmentResearchInstitutionofPetroChinaJidongOilfield,Tangshan,Hebei063004,China

Based on the microscopic description of core, macroscopic observation, 3D seismic data interpretation and previous research results, this paper studied the sedimentary characteristics, patterns and influencing factors of the gravity flow in Paleogene of Nanpu sag. Research results show that: Slump rock, Sandy debris flow, Turbidity flow is the mainly types of gravity flow deposit in Nanpu sag. Among them,the development degree of sandy debris flow is the highest. Cumulative thickness of single well drilling is 220 m, single layer thickness is up to 30 m. Cumulative grain-size distribution curve largely present two stages, C-M diagram is parallel to the QR segment,this Shows the origin of the deposited non-traction flow; Turbidity flow develops positive grading. Single layer thickness is less than 1 m but it has characteristic of multiple stage development. Incomplete BaoMa sequence can be seen in it and Tc Period is easier to see but Td Period is rare. Turbidity flow is commonly found in the outer and upper parts of sandy debris flow deposit; the size of slump rock particle is smaller, crumpled structure and convolute bedding are extremely developed, the development degree of slump rock is higher in structure 4. Shaleitian, Matouying and other uplifts, active volcano, fault activity and earthquake in Paleogene, deep water environment of Dongying Formation and Shahejie Formation, as well as slope break zone provide the conditions for gravity flow deposition. Finally, considering the various factors we establish gravity flow sedimentation model of fan delta-short steep slope type (structure 1,4) and Braided River Delta-long ramp type(structure 2,3) for Nanpu sag, and then this paper analyzes different deposition rules of them.

Nanpu sag; gravity flow; Paleogene; sedimentary characteristics and model; Bohai Bay Basin

2016-10-27；收修改稿日期2017-06-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41472125)[FoundationNational Natural Science Foundation of China, No.41472125]

1000-0550(2017)06-1241-13

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.06.015

張景軍，男，1973年出生，副教授，沉積巖與開發(fā)地質(zhì)，E-mail: renyuanky@sohu.com

王志坤，男，高級(jí)工程師，E-mail: 93878795@qq.com

TE122.1

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