斷陷湖盆異重流沉積特征與分布模式
——以歧口凹陷板橋斜坡沙一下亞段為例

周立宏 陳長偉 韓國猛 肖敦清 湯 戈 王錦程

（ 中國石油大港油田公司 ）

重力流沉積是深水區(qū)厚層砂巖發(fā)育的關鍵因素，也是石油地質(zhì)學家們關注的熱點[1-12]。Bouma提出的經(jīng)典“觸發(fā)型”濁流學說解釋了部分深海沉積物的成因[13]；Shanmugam砂質(zhì)碎屑流理論為深水區(qū)大量沉積物的快速堆積提供了理論依據(jù)[14]；Bates將一種與洪水期河流有關的高密度流稱為異重流(hyperpycnal flow)[15]，其沉積物稱為異重巖（hyperpycnite），這是一種既不同于砂質(zhì)碎屑流沉積，也不同于滑塌型濁流沉積的重力流沉積[16]，其成因是高密度洪水河流直接注入低密度水體底部[17]，并沿水底長距離運移的流體。與觸發(fā)型重力流沉積相比，異重流沉積持續(xù)時間更長，搬運距離更遠，碎屑顆粒也相對較粗[18]。這種特殊的重力流沉積已引起國內(nèi)外沉積學者極大的關注[19-22]，也是目前學術研究和爭論的焦點。Mulder等在觀察了全世界147條河流后，認為其中71%的河流可形成異重流[23]，說明異重流發(fā)育具有普遍性。然而，受資料及認識程度所限，異重流沉積砂體多發(fā)現(xiàn)于海相盆地和陸相坳陷型盆地[24-26]，陸相斷陷盆地尚未見相關報道。

本文在對渤海灣盆地歧口凹陷沙一下亞段沉積研究過程中，發(fā)現(xiàn)了典型異重流沉積建造，指示陸相斷陷盆地具備異重流砂體發(fā)育條件，改變了以往該區(qū)以觸發(fā)型重力流沉積為主的觀點，針對性預探部署已獲得良好的勘探成效，顯示了異重流沉積具有極大的油氣勘探前景。同時，異重流作為一種源于洪水期河流的持續(xù)性流體，其發(fā)現(xiàn)有效完善和發(fā)展了經(jīng)典的觸發(fā)型重力流理論，對于全面認識深水重力流沉積、中深層儲層預測以及巖性油氣藏勘探具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

歧口凹陷位于渤海灣盆地腹地，與燕山褶皺帶、滄縣隆起、港西凸起、孔店凸起、埕寧隆起及沙壘田凸起等相鄰[27-28]。受新生代陸內(nèi)伸展作用影響，歧口凹陷經(jīng)歷了古近紀裂陷和新近紀裂后熱沉降兩個構造演化期，形成了凹凸相間的構造格局，發(fā)育1個主凹（歧口主凹）、4個次凹（北塘次凹、板橋次凹、歧北次凹和歧南次凹）及多個斜坡構造單元（圖1）。板橋斜坡是夾持于滄東斷層和濱海斷層之間的箕狀斜坡構造（圖1），總體上呈西陡東緩特征，近滄東斷層一側(cè)為陡坡帶，近濱海斷層一側(cè)為緩坡帶[29]。沙一下亞段屬于歧口凹陷裂陷期Ⅱ幕構造期沉積地層，該時期構造活動強烈，斷層異常發(fā)育，并伴隨著盆地持續(xù)沉降，水體逐步加深，是古近紀最大湖泛期，盆地整體寬闊統(tǒng)一，但凸凹相間格局明顯，盆內(nèi)外物源發(fā)育，形成了多種沉積相類型，其中板橋斜坡整體處于半深湖—深湖背景，受滄縣隆起物源控制，大面積發(fā)育深水重力流沉積。

圖1 歧口凹陷板橋斜坡位置圖

2 異重流沉積主要證據(jù)

2.1 暗色泥巖與中細砂巖互層沉積

異重流是受洪水激發(fā)形成的持續(xù)性重力流，主要攜帶細粉砂—中砂以下級別的碎屑顆粒。板橋斜坡所發(fā)現(xiàn)的異重巖，總體呈下細上粗反旋回，表現(xiàn)為灰黑色泥巖夾薄厚不等的細—粉砂巖或中—細砂巖夾薄層泥巖特征。砂巖以中—細砂巖為主，見粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖，砂巖厚度在0.5～5m之間，顯示水動力條件多變。異重巖下部主要為中厚層泥巖夾薄層砂巖，水動力條件弱，碎屑物源輸入不穩(wěn)定；上部以中厚層砂巖夾薄層泥巖為主，厚層砂體呈多期疊置特征，可見層間微侵蝕面，水動力較強，碎屑物源輸入穩(wěn)定。泥巖顏色總體較深，以深灰色、灰黑色為主，指示整體處于半深湖—深湖還原環(huán)境。

2.2 正反粒序成對出現(xiàn)

異重流受洪水水動力變化控制，典型沉積特征包括多個成對出現(xiàn)的向上變粗的逆粒序（Ha）與向上變細的正粒序（Hb）巖性組合序列[22]。

Q1505井沙一下亞段巖心可識別出7次較大型洪水事件沉積，形成了7組成對出現(xiàn)的向上變粗逆粒序?qū)雍拖蛏献兗氄Ｐ驅(qū)樱▓D2），逆粒序?qū)拥撞颗家姾樗治g下伏泥巖所形成的微侵蝕面（C2—C3段），頂部發(fā)育洪峰期對其改造的層內(nèi)侵蝕面（C5—C6段），正粒序?qū)拥撞慷酁橹小毶皫r，向上漸變?yōu)榧殹凵皫r直至泥巖地層。成對出現(xiàn)的逆粒序?qū)雍驼Ｐ驅(qū)邮怯珊樗鰪娂八ネ藭r水流強度變化所引起，如洪峰期及衰減期持續(xù)時間較長，可直接將洪水增強期的逆粒序?qū)永砬治g殆盡，只保留正粒序?qū)永?，易誤認為砂質(zhì)碎屑流沉積；若洪水快速消退，沉積物粒度迅速變細，所形成的正粒序?qū)雍穸容^逆粒序?qū)颖。瑤r性由中砂巖—粉砂巖—粉砂質(zhì)泥巖迅速轉(zhuǎn)變（C5—C7）。此外，在一次較大型沉積事件中可觀察到多期的洪峰期水流強度變化，產(chǎn)生多期事件的沉積細層，在C5段下部長度僅5cm的巖心中，可識別出4期沉積細層，層內(nèi)可見微侵蝕面和負載構造，深灰色的泥巖代表滯水環(huán)境下的垂向加積層，灰色砂巖層可見成對的逆粒序?qū)雍驼Ｐ驅(qū)樱瑑?nèi)部沒有明顯的侵蝕面，中部顏色略淺，侵蝕垂向加積層可產(chǎn)生侵蝕面，甚至將超薄層泥巖（0.3cm）侵蝕殆盡。

圖2 Q1505井沙一下亞段異重巖巖心綜合柱狀圖

2.3 發(fā)育流水成因?qū)永順嬙?/h3>

受洪水水動力先增大后減小變化規(guī)律控制，異重巖發(fā)育典型流水成因的層理構造，是異重流沉積有別于其他重力流沉積的重要標志之一[14]。

在洪水增強初期與洪水減弱末期，水動力條件弱，能形成典型流水成因的爬升層理、粒序?qū)永?、交錯層理等；洪峰期水動力條件強，則會形成塊狀層理、平行層理現(xiàn)象。Q1505井沙一下亞段巖心可識別出塊狀層理、平行層理、爬升層理、粒序?qū)永?、交錯層理等典型流水成因?qū)永恚飻_動較少。C6段可見明顯厚層塊狀層理、平行層理砂巖，是典型的洪峰期沉積（圖3a）。洪峰期水動力條件強，輸送的碎屑顆粒粗，單期洪峰會沉積形成平行層理砂巖；多期洪峰疊加重復，會沉積形成厚層塊狀層理砂巖。C5段發(fā)育多組小型交錯層理，顯示較大型沉積中的多次流量變化引起的小型事件沉積細層。C5段沉積水動力總體較弱，流體密度與速度均較低，輸送的碎屑顆粒以細—粉砂為主，形成多套薄層粉—細砂巖交互沉積，可見多組典型的小型沙紋交錯層理（圖3b）。C2段可見典型的遞變層理，洪水增強期，水動力由弱增強，輸送的碎屑顆粒由細變粗，沉積形成典型的反向遞變層理；洪水減弱期，水動力由強變?nèi)?，輸送的碎屑顆粒由粗變細，沉積形成正向遞變層理（圖3c）。

圖3 Q1505井異重流沉積典型巖心照片

2.4 砂巖泥質(zhì)含量低

Q1505井砂巖泥質(zhì)含量均在1%～5%之間（20塊樣品），較其他觸發(fā)型重力流沉積砂巖的泥質(zhì)含量低。薄片觀察可見類似巖心特征的沉積細層，能觀察到多期的水流強度轉(zhuǎn)換所形成的成對發(fā)育的逆粒序—正粒序組合，每個組合代表一次異重流洪水水動力從增強到減弱的變化過程，并控制了泥質(zhì)含量的變化。鏡下鑒定顯示，水動力增強初期與水動力減弱末期，沉積物泥質(zhì)含量明顯增加，約占7%～10%，碎屑粒徑相對較細，多介于0.1～0.15mm之間，以細—粉砂級碎屑為主；水動力最大期，沉積物泥質(zhì)含量明顯降低，約占3%～5%，碎屑粒徑相對較粗，最大達0.35mm，以細砂巖為主。

2.5 儲集物性好

單次異重流沉積早期和晚期洪水水動力較弱，頂?shù)锥慰傮w以細—粉砂巖為主，泥質(zhì)含量相對較高，儲集物性較差，以低孔—特低滲儲層為主；洪峰期水動力條件強，異重巖中段以中—細砂巖為主，泥質(zhì)含量低，儲集物性好，以中孔—中滲儲層為主。異重巖的物性變化反映了洪水水動力強度變化對沉積物顆粒與泥質(zhì)含量的影響，并由此控制了異重巖的儲集物性變化。水動力強，碎屑顆粒粗、泥質(zhì)含量低、儲集物性好；水動力弱，碎屑顆粒細、泥質(zhì)含量高、儲集物性差。Q1505井異重流沉積段表現(xiàn)為7個物性差—好—差旋回，對應7次大的異重流沉積旋回，且單期洪水發(fā)育多個洪峰，使得異重巖內(nèi)物性存在差異，C5、C6段可見兩期物性差—好—差變化規(guī)律（圖2）。

3 異重流沉積體系

3.1 沉積相類型

異重流受洪水期激發(fā)沿盆底經(jīng)長距離運移，最終在深水區(qū)卸載形成條帶狀沉積體。陸相斷陷盆地可容納空間小，古地形凹凸變化較快，異重流進入湖盆后會形成多分支、多期次的長條形扇體，每期異重流所形成的扇體可劃分為上扇、中扇與外扇3個亞相類型，以及侵蝕水道、水道復合體、分支水道、近端沙壩、遠端沙壩、席狀朵體等6個微相。

3.1.1 上扇亞相

上扇亞相發(fā)育在陸相斷陷盆地邊緣地帶，是洪水向盆地輸送物質(zhì)的通道，以侵蝕水道為主，一般不沉積或沉積極薄的泥巖地層。3.1.2中扇亞相

中扇亞相發(fā)育在陸相斷陷盆地斜坡之下，是異重流沉積的主體，整體呈條帶狀展布，可細分為水道復合體、分支水道、近端沙壩及遠端沙壩等4種微相類型。水道復合體是條帶狀沉積體的主要組成部分，主要沉積厚層中—細砂巖(＞10m)，分選、磨圓好，泥質(zhì)含量低，垂向上具多期疊置特征，常見塊狀層理、平行層理及交錯層理（圖4a、b），測井相以齒化箱形為主。分支水道是水道復合體能量減弱分叉形成的多條細小分支，是水道復合體的前延部分，主要沉積中厚層細砂巖（5～10m），分選、磨圓極好，泥質(zhì)含量較低，垂向上也具多期疊覆特征，常見平行層理、爬升層理（圖4c、d），測井相以齒化箱形和鐘形為主。水道復合體凸岸發(fā)育近端沙壩，沉積中—薄層細—粉砂巖（3～5m），測井相表現(xiàn)為較高幅度的齒化舌形特征，巖心可見斜層理、沙紋交錯層理（圖4e）。水道復合體凹岸及近端沙壩外側(cè)發(fā)育遠端沙壩，沉積薄層粉砂巖（1～3m），測井相具低幅度的齒化舌形特征，巖心見波狀層理等(圖4f)。3.1.3外扇亞相

外扇亞相發(fā)育在異重流水道的外圍末梢，處于分支水道的末梢、前緣和側(cè)翼區(qū)域，以發(fā)育席狀朵體微相為主，沉積砂體薄而分布廣泛，包裹在厚層的泥巖之中，巖性以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，砂體厚度一般小于1m，巖心見水平層理、透鏡狀層理（圖4g、h），測井曲線具低幅度凸起舌形特征。

圖4 板橋斜坡區(qū)沙一下亞段異重流典型巖心沉積構造

3.2 沉積體系展布

異重流自河口注入后，在盆地邊緣以高速流動的順直水道為主，水道較少出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，以侵蝕過路為主；至斜坡之下的半深湖—深湖區(qū)，異重流流速降低，水道可見分叉匯合等特征，以中砂—細砂巖沉積為主；至深湖區(qū)，異重流流速繼續(xù)降低，水道逐漸發(fā)散形成多支次級水道，以細砂巖沉積為主，并在水道前端發(fā)育呈席狀形態(tài)的朵葉體，沉積泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖。異重流的沉積特征決定了沉積微相與砂體厚度存在正相關性，通過地震屬性及砂巖厚度圖可以準確反映異重流的沉積微相展布特征。

以濱Ⅰ油組為例，砂巖厚度變化顯示板橋斜坡發(fā)育兩支條帶狀砂體，分別呈近南北向及北東—南西向展布。近南北向砂體沿Q47井、Q37井向南延伸，在Q1505、Q37-23、P852-3、Q1502井區(qū)附近形成4個砂體富集區(qū)，砂巖厚度在35～45m之間，至Q17井分叉在P22-16井和Q1511井形成砂體帶，砂體厚度在25～40m之間，并分別向前推進形成兩支朵葉體。近北東—南西向砂體呈單支向Q82、Q41x1井區(qū)延伸，砂體厚度相對較薄，一般在15～25m之間，并向前推進形成一支朵葉體，可波及至P43-32井區(qū)（圖5）。

圖5 板橋斜坡沙一下亞段濱Ⅰ油組砂巖厚度圖

通過研究區(qū)15口井巖心的精細觀察，結合砂體展布與地震屬性特征分析，發(fā)現(xiàn)板橋斜坡沙一下亞段濱Ⅰ油組發(fā)育由滄縣隆起物源向板橋次凹注入的條帶狀異重流沉積體。異重流自河口注入后，在斜坡上部以高速流動的順直水道為主，水道較少出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，以侵蝕過路為主，地震主要表現(xiàn)為中頻—中強振幅反射特征。至半深湖—深湖區(qū)，異重流流速降低，發(fā)育中速流動的彎曲水道，水道可見分叉匯合等現(xiàn)象，形成兩支條帶狀異重流沉積體，分別呈近南北向及北東—南西向展布。近南北向展布的Q47井、Q37井異重流沉積體規(guī)模大，發(fā)育多個砂體富集區(qū)，Q47—Q37—Q1502—Q17—Q1511井區(qū)主要為水道復合體沉積，側(cè)翼發(fā)育越岸近端沙壩和遠端沙壩沉積；Q1510、Q25井區(qū)發(fā)育次級分支水道沉積，向前端推進形成Q16、Q27井區(qū)的席狀朵體沉積。近北東—南西向展布的異重流沉積體規(guī)模相對較小，近斜坡區(qū)以水道復合體沉積為主，側(cè)翼發(fā)育近端沙壩與遠端沙壩沉積，至Q82、Q41x1井區(qū)發(fā)育次級分支水道沉積，次級分支水道前端發(fā)育席狀朵體沉積（圖6）。

3.3 沉積模式

異重流作為一種源于河流洪水期的特殊類型重力流，其流體成因、沉積機理、沉積模式與儲集砂體分布規(guī)律均不同于斜坡失穩(wěn)形成的觸發(fā)型重力流。

異重流源于洪水期河流激發(fā)驅(qū)動，受地形坡度和水體密度控制沿水體底部向深水區(qū)運移，單次異重流持續(xù)時間長、搬運距離長、形成規(guī)模大。異重流沉積受河口位置限制，呈點物源分布，由洪水期水動力條件控制，是典型的持續(xù)型重力流，近河口端水動力強，以侵蝕充填作用為主，晚期沉積泥質(zhì)粉砂巖或泥巖；近斜坡以限制性水道沉積為主，多期水道疊加可形成厚層塊狀砂體；中遠斜坡區(qū)水動力條件減弱，以非限制性水道沉積、朵狀體沉積為主，非限制性水道可形成中厚層塊狀砂巖，朵狀體以厚層深灰色泥巖夾薄層粉砂質(zhì)泥巖沉積為主（圖7）。

4 陸相斷陷盆地異重流形成條件

異重流的形成與水體密度和洪水期次密切相關，需要一定的自然環(huán)境和氣候條件。以板橋斜坡為例，異重流形成需一定的地形坡度、穩(wěn)定的碎屑物源和洪水多發(fā)的氣候3個條件。

4.1 一定的地形坡度

一定的地形坡度是異重流形成的搬運基礎，控制了河流體系的水體流速、搬運規(guī)模和輸送距離。河流體系的水體流速隨地形坡度增大而增大，水體流速越大，越易侵蝕物源區(qū)地層；搬運規(guī)模越大，越有利于形成高速高密度的異重流；河流體系的輸送距離則隨水體流速和盆內(nèi)地形坡度的增大而增大，一般可長距離輸送至半深湖—深湖區(qū)，形成夾持于深水泥巖中的厚層塊狀砂體。

圖6 板橋斜坡沙一下亞段濱Ⅰ油組沉積微相圖

圖7 板橋斜坡沙一下亞段異重流沉積模式圖

4.2 穩(wěn)定的碎屑物源

穩(wěn)定的碎屑物源是異重流形成的物質(zhì)基礎，控制了河流體系的水體流量、水體密度和碎屑粒度。河流體系的水體流量越大，越有利于形成高密度水體，則更易形成異重流；河流體系所攜帶的碎屑顆粒以細—粉砂為主時，河流入湖處易頻繁形成異重流。板橋斜坡西鄰滄縣隆起，碎屑物源充沛，自板橋斜坡西側(cè)發(fā)育葛沽和小站兩個碎屑物源，平水期以三角洲—遠岸水下扇體系向盆內(nèi)輸送碎屑物質(zhì)，洪水期以異重流體系向盆內(nèi)長距離輸送大量碎屑。

4.3 洪水多發(fā)的氣候

洪水多發(fā)的氣候是異重流形成的環(huán)境基礎，控制了河流體系的發(fā)育與可容納空間變化。洪水期河流體系的流速和流量均明顯增強，向盆內(nèi)輸入大量碎屑，水體密度較大，易形成異重流；同時洪水多發(fā)的氣候一般為盆地的最大湖泛期，可容納空間大，利于異重流的長距離運移。

陸相斷陷盆地構造活動強烈，隆凹格局明顯，地形高差大，碎屑物源充沛，多物源輸砂，且季節(jié)性洪水多發(fā)，利于異重流的形成和發(fā)育[30]。

5 勘探實踐與油氣地質(zhì)意義

5.1 勘探實踐

目前，在異重流沉積認識的指導下，在板橋斜坡沙一下亞段實施預探評價一體化、增儲建產(chǎn)一體化，整體部署了22口鉆井，鉆遇了泥質(zhì)含量極低、儲集物性優(yōu)質(zhì)的厚層異重流沉積砂體（圖8），其中21口井獲工業(yè)油氣流（百噸井3口），形成了三級儲量約500萬噸級的規(guī)模效益增儲區(qū)，建成原油生產(chǎn)能力4×104t/a、天然氣生產(chǎn)能力0.48×108m3/a的產(chǎn)能新區(qū)，為大港油田效益增儲、規(guī)模建產(chǎn)奠定了堅實的基礎。

圖8 板橋斜坡沙一下亞段濱Ⅰ油組異重流剖面圖（位置見圖6）

板橋斜坡沙一下亞段勘探實踐證實，陸相斷陷湖盆具備發(fā)育深水異重流的地質(zhì)條件，所沉積的異重巖具有砂體厚度大、泥質(zhì)含量低、儲集物性好的特點，同時這種規(guī)模發(fā)育的異重巖與富含有機質(zhì)的深湖泥頁巖緊密接觸，具有顯著的近源成藏優(yōu)勢，油氣勘探潛力巨大，是斷陷湖盆下步勘探的重要領域。目前，國外已在新生代海相異重流研究中獲得了規(guī)模性油氣發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)僅鄂爾多斯盆地開展了異重流沉積研究，并取得了一定的油氣發(fā)現(xiàn)。相信隨著研究的不斷深入，認識的不斷提高，異重流必將引起國內(nèi)石油地質(zhì)工作者的廣泛關注，在未來深水儲層預測和油氣勘探中發(fā)揮更重要的作用。

5.2 油氣地質(zhì)意義

與常規(guī)重力流相比，異重流無需碎屑物質(zhì)的大量堆積和觸發(fā)機制，直接將碎屑物質(zhì)從源區(qū)向深水長距離搬運，形成大規(guī)模發(fā)育的優(yōu)質(zhì)儲集砂體。受水動力條件與沉降機制的變化，異重流沉積頂?shù)紫鄬^細，泥質(zhì)含量相對較高，儲集物性稍差；中部粒度相對較粗、泥質(zhì)含量低、儲集物性好，其含油性明顯好于頂?shù)走叢?。異重流在輸入大量碎屑物質(zhì)的同時也將大量陸源有機質(zhì)帶入深水盆地，沉積了大段富含有機質(zhì)的泥巖地層，與異重流砂體形成良好的生儲蓋匹配條件，使得夾持于泥巖之中的厚層異重流沉積砂體具有顯著的近源成藏優(yōu)勢。

6 結論與認識

(1）歧口凹陷板橋斜坡區(qū)沙一下亞段異重流巖性組合特征表現(xiàn)為灰黑色泥巖與砂巖互層沉積，砂巖段沉積粒序特征表現(xiàn)為一系列向上變粗的單元和向上變細的單元成對出現(xiàn)，見層內(nèi)侵蝕面現(xiàn)象，單砂層泥質(zhì)含量由高—低—高變化，與粒度和儲集物性變化一致，為典型的異重流沉積建造。

(2）較之砂質(zhì)碎屑流和經(jīng)典濁流，異重流成因砂巖具有單層厚度大、粒度粗、分選好、泥質(zhì)含量低等特點，其儲集物性較好，單井試油產(chǎn)量高，穩(wěn)產(chǎn)效果好，是半深湖—深湖區(qū)中深層尋找規(guī)模砂體及巖性油氣藏重要的勘探對象。

(3）板橋斜坡沙一下亞段異重流沉積的發(fā)現(xiàn)證實了陸相斷陷盆地具備發(fā)育異重流沉積的地質(zhì)條件，表明在地形高差大、碎屑物源充沛、季節(jié)性洪水多發(fā)的陸相斷陷盆地中異重流沉積更具有普遍性，此次發(fā)現(xiàn)為深水沉積儲層研究提供了新的思路，相信在未來深水深層油氣勘探中異重流將起關鍵的作用。