砂礫巖物源供給能力定量評(píng)價(jià)
——以濟(jì)陽(yáng)坳陷車鎮(zhèn)凹陷郭局子洼陷為例

王延章，林紅梅，馮建偉，栗寶鵑，曹曉莉，蔡宏興，胡秋媛

[1.中國(guó)石油大學(xué) 勝利學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061; 2.中國(guó)石化 勝利油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257015;3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580; 4. 中海石油 環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司，天津 300450; 5.中國(guó)石化 地球物理公司 勝利分公司，山東 東營(yíng) 257093； 6. 中國(guó)石化 勝利油田分公司現(xiàn)河采油廠，山東 東營(yíng) 257068]

斷陷盆地陡坡帶具有良好的源巖和運(yùn)移條件，具備較好的勘探潛力。車鎮(zhèn)凹陷位于濟(jì)陽(yáng)坳陷北部，具有典型中國(guó)中新生代陸相斷陷湖盆特征，其物源和油源都十分豐富(圖1)[1-4]。陡坡帶各種類型扇體具有構(gòu)造背景特殊、物源多、沉積速率快、沉積厚度大和多期疊置的特征[5-6]，其物源供給能力是控制砂礫巖規(guī)模和沉積體系的主要因素之一，而目前關(guān)于物源供給能力的定量化特別是陡坡帶砂礫巖物源供給能力的定量化，僅有部分學(xué)者做過(guò)研究[7-8]。物源供給能力的定量化研究一直是約束沉積體系研究的薄弱環(huán)節(jié)。

本文結(jié)合渤海灣盆地車鎮(zhèn)凹陷郭局子地區(qū)陡坡帶砂礫巖體的展布規(guī)律，系統(tǒng)闡述了砂礫巖體發(fā)育的物源供給能力的定量化研究方法，闡明了物源供給能力對(duì)砂礫巖和沉積體系的控制作用。

1 物源供給指數(shù)求取原理

物源供給能力控制了砂礫巖的規(guī)模。較強(qiáng)的物源供給能力往往能夠形成較大規(guī)模、疊合連片分布的砂礫巖，而物源供給能力較小，往往形成較小規(guī)模、單獨(dú)分布的砂礫巖。因此，可以應(yīng)用物源供給指數(shù)來(lái)表征物源供給能力。

物源供給表征參數(shù)是指能夠反映斷陷湖盆物源供給能力，與物源供給具有較好的相關(guān)關(guān)系的參數(shù)，主要有含砂率、礫巖含量、粒度、分選系數(shù)、層理、隔夾層的發(fā)育程度、巖性、重礦物分布和礦物分布等[3,8]，可以采用這些參數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均求取物源供給指數(shù)，以期定量表征陸相湖盆陡坡砂礫巖沉積的物源供給情況。

1.1 與物源供給速率成正比的參數(shù)

1) 砂地比

即砂巖總厚度與地層厚度之比，是判斷沉積相、表征物源供給能力和判斷物源方向的依據(jù)。砂地比越高，物源的供給能力越強(qiáng)[8]。

2) 礫巖含量

礫巖是由從母巖上破碎下來(lái)的，顆粒直徑大于2 mm的碎屑，經(jīng)過(guò)搬運(yùn)、沉積、壓實(shí)、膠結(jié)而形成的巖石。礫巖的形態(tài)和含量反映陸源區(qū)的母巖成分和沉積速度，并能反映物源供給能力。礫巖中礫石成分和直徑變化是反映物源供給能力的直接證據(jù)。利用礫石中不同成分的含量、粒徑大小及所占百分比等統(tǒng)計(jì)資料，能區(qū)分源巖的主要巖性、供給能力和搬運(yùn)距離[9-11]。

圖1 車鎮(zhèn)凹陷構(gòu)造區(qū)劃Fig.1 Tectonic division of Chezhen Sag

3) 粒度參數(shù)

指顆粒直徑大小，主要包括粒度中值、C值和粒度方差，是顆粒或礦物大小的度量[12]。粒度分析結(jié)果可指示沉積物物源供給能力、形成條件和環(huán)境。粒度越粗物源供給速率越高、粒度越細(xì)供給速率越低；粒度方差越大分選越差，供給速率越高[13]。粒度中值是一個(gè)樣品的累計(jì)粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑。粒度方差是度量隨機(jī)變量和其數(shù)學(xué)期望(即均值)之間的偏離程度， 是每個(gè)樣本值與全體樣本值的平均數(shù)之差的平方值的平均數(shù)。C值是累積曲線上含量為1%的粒徑值代表近似的最大粒徑[13]。

4) 層理類型

指在巖石形成過(guò)程中產(chǎn)生的由成分、顏色、顆粒大小、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等的差異表現(xiàn)出的巖石成層構(gòu)造[12]。一般情況下層理規(guī)模越大物源供給速率越高，交錯(cuò)層理物源供給速率高而水平層理供給速率低[14]。

5) 巖性參數(shù)

巖性是指巖石的一些屬性，如顏色、成分、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物及膠結(jié)類型、特殊礦物等[15]。巖性參數(shù)表示各類巖石分布情況及其相互關(guān)系。巖性越粗供給速率越高，越細(xì)供給速率越低。

6) 不穩(wěn)定重礦物分布

重礦物一般穩(wěn)定性強(qiáng)，能較多地保留其母巖的特征，在物源分析中占有重要地位，分為不穩(wěn)定重礦物和穩(wěn)定重礦物。碎屑沉積物中重礦物的總體特征取決于母巖的性質(zhì)、水體的動(dòng)力條件和重礦物的搬運(yùn)距離。在礦物碎屑搬運(yùn)的過(guò)程中，不穩(wěn)定的重礦物逐漸發(fā)生機(jī)械磨蝕或化學(xué)分解，因而隨著搬運(yùn)距離的增加，性質(zhì)不穩(wěn)定的重礦物逐漸減少，而穩(wěn)定重礦物的相對(duì)含量逐漸升高[16-17]。

不穩(wěn)定礦物有黑云母、綠泥石、綠簾石、磷灰石、白云母等[16-17]。不穩(wěn)定重礦物抗風(fēng)化能力弱，遠(yuǎn)離母巖區(qū)含量相對(duì)減少。物源供給能力越大，不穩(wěn)定重礦物含量越高，反之則不穩(wěn)定重礦物含量越小。

7) 礦物分布

碎屑砂巖組分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造受控于大地構(gòu)造背景，其主要碎屑顆粒為石英、長(zhǎng)石和巖屑[18]。

碎屑沉積物在其沉積成巖之前，會(huì)經(jīng)歷一定時(shí)期的搬運(yùn)，隨著搬運(yùn)時(shí)間和距離的增加，沉積物中相對(duì)穩(wěn)定的成分越來(lái)越多，不穩(wěn)定的成分越來(lái)越少，物源的方向大體上是由成熟度低的地方指向高的地方，因此可以通過(guò)穩(wěn)定礦物單晶石英與不穩(wěn)定礦物長(zhǎng)石和巖屑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比(成分成熟度) 來(lái)反演物源的方向和物源供給能力[19-20]。

巖屑一般指示快速侵蝕、靠近母巖區(qū)的沉積[21]。巖屑顆粒多呈橢圓狀，沉積巖巖屑主要為泥巖巖屑，變質(zhì)巖巖屑主要為云母片巖、千枚巖巖屑等[21]。巖屑的類型及含量能夠準(zhǔn)確地反映物源區(qū)的巖性、物源供給能力、風(fēng)化作用的類型、程度及搬運(yùn)距離[22]。因此，通過(guò)對(duì)碎屑組分中的巖屑類型及其含量的分析，可得到有關(guān)物源方向、物源供給能力和母巖性質(zhì)的直接信息。

長(zhǎng)石顆粒呈短柱狀或次圓狀等，在礫巖、粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖中長(zhǎng)石含量變化較大。長(zhǎng)石的含量一般與地形高差、侵蝕速率、物源供給能力以及氣候條件等因素有關(guān)[23]。

1.2 與物源供給速率成反比的參數(shù)

包括分選系數(shù)、穩(wěn)定重礦物含量、隔夾層發(fā)育程度(頻數(shù)、頻率、厚度比例)、石英含量及穩(wěn)定系數(shù)。

1) 分選系數(shù)

指粒度累積曲線上25%和75%處所對(duì)應(yīng)的顆粒直徑的比值，是表示碎屑沉積物(巖)分選性的一種參數(shù)[13]。分選系數(shù)越大代表物源供給能力越小，反之則代表物源供給能力越高。

2) 穩(wěn)定重礦物含量

即鋯石、金紅石和電氣石的總數(shù)，是重礦物組合成熟度的度量[24-25]。穩(wěn)定重礦物抗風(fēng)化能力強(qiáng)、分布廣，遠(yuǎn)離母巖區(qū)含量相對(duì)升高[26]。穩(wěn)定重礦物含量越低供給速率越高。

3) 隔夾層發(fā)育程度

隔夾層指在一定壓差范圍內(nèi)能阻止流體在層組之間互相滲透的非滲透巖層。夾層是指單砂層(單油氣層)之間或內(nèi)部分布不穩(wěn)定的不滲透或極低滲透的薄層。隔夾層的發(fā)育程度是指隔夾層的厚度與地層厚度或砂體厚度的比值，本區(qū)主要指泥質(zhì)隔夾層，主要為灰色、深灰色泥巖,其次為紋層狀泥巖及粉砂質(zhì)泥巖,為砂礫巖沉積間斷期半深湖或深湖正常沉積條件下形成的[27]。

4) 石英含量及穩(wěn)定系數(shù)

石英顆粒呈錐狀、橢圓狀、溶蝕狀、次圓狀等形態(tài)。在細(xì)砂巖中單晶石英含量較高，在中砂至粗砂級(jí)的砂巖中單晶石英含量一般較低[23]。石英分布具有一定規(guī)律，距離物源較遠(yuǎn)，礦物搬運(yùn)距離大，物源供給能力較低，石英含量高；距離物源近，物源供給能力高，沉積物分選差，石英含量低。

穩(wěn)定系數(shù)為穩(wěn)定礦物與不穩(wěn)定礦物的比值，是石英與長(zhǎng)石和巖屑含量總和的比值。物源供給能力越大，長(zhǎng)石和巖屑含量高，穩(wěn)定系數(shù)較低。

2 各參數(shù)平面分布

2.1 礫巖含量

礫巖含量代表了沉積過(guò)程中的粗碎屑含量和物源的母源特征，也代表了物源供給能力和水動(dòng)力能量。

從郭局子洼陷沙三中下段(沙河街組三段中下段)砂礫巖等值圖可以看出(圖2)，砂礫巖厚度中心主要分布在北部靠近埕南斷層下降盤(pán)處，主要呈裙?fàn)钛卮髷鄬臃植?，其余部位厚度較薄。

2.2 砂地比

砂地比等值線圖能反映物源的方向和特征，其含義為砂巖或礫巖與地層厚度的相對(duì)比值，其受古地形、后期的剝蝕和構(gòu)造抬升作用是均等的[28]。砂地比反映物源供給能力大小。含砂率高值區(qū)主要分布在北部郭4、郭2和郭6井周緣，南部砂地比較低。

2.3 巖性指數(shù)

巖性指數(shù)是將巖性進(jìn)行量化的方法。根據(jù)其與物源供給的關(guān)系，研究中角礫巖取1.4，礫巖取1.2，含礫砂巖取1,粗砂巖取0.8，細(xì)砂巖取0.6，泥質(zhì)砂巖取0.5，粉砂巖取0.4，泥質(zhì)粉砂巖取0.3，灰?guī)r取0.2，粉砂質(zhì)泥巖取0.1，泥灰?guī)r取0.1，泥巖取0。

郭局子洼陷沙三上巖性指數(shù)高值區(qū)主要分布在西北部大354，北部郭4、郭2、郭6井周緣，分布在北部靠近埕南大斷層周緣，其余部位巖性指數(shù)較低(圖3)。

2.4 隔夾層發(fā)育程度(頻數(shù)、厚度、百分比)

泥巖隔夾層頻數(shù)是砂礫巖內(nèi)部泥巖隔夾層的數(shù)量，反映了砂礫巖的期次性和砂礫巖的物源供給能力。隔夾層發(fā)育程度越高，代表物源供給能力越差，從沙河街組泥巖隔夾層頻數(shù)看，北部隔夾層厚度為0，不發(fā)育，代表物源供給能力高；南部隔夾層頻數(shù)超過(guò)100，隔夾層發(fā)育，代表物源供給能力低(圖4)。

泥巖隔夾層厚度也反映了砂礫巖的物源供給能力。北部隔夾層厚度為0，南部隔夾層厚度超過(guò)400 m，說(shuō)明了北部和南部物源供給能力的差異。泥巖隔夾層厚度百分比北部為0，南部厚度百分比超過(guò)80%，說(shuō)明南部物源供給能力遠(yuǎn)小于北部。

圖3 郭局子洼陷巖性指數(shù)等值線Fig.3 Lithologic index contour map of the upper section of S3 in Guojuzi subsag

2.5 石英、長(zhǎng)石和巖屑含量

長(zhǎng)石的穩(wěn)定性較差，距離物源區(qū)較遠(yuǎn)含量較低，距離物源區(qū)越近含量越高。巖屑的穩(wěn)定性也較差，距離物源區(qū)越遠(yuǎn)，巖屑的含量越低，距離物源區(qū)越近，巖屑的含量越高。

石英的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，石英含量和穩(wěn)定系數(shù)高則指示距離物源區(qū)遠(yuǎn)，物源供給速率差，低值指示物源供給速率較高。

石英含量低值區(qū)主要分布在郭局子洼陷北部郭4、郭2和郭6井周緣，其余部位石英含量較高。長(zhǎng)石、巖屑含量高值區(qū)主要分布在郭局子洼陷北部靠近斷層區(qū)域，其余部位長(zhǎng)石、巖屑含量較低(圖5a,b)。

2.6 粒度中值和C值

粒度中值高值區(qū)主要分布在郭局子洼陷北部，其余部位粒度中值較低。C值高值區(qū)主要分布在北部郭4、郭2和郭6井周緣，其余部位C值較低。

3 物源供給指數(shù)

3.1 歸一化方法

與綜合指數(shù)成正比的參數(shù)，根據(jù)最大值與最小值之間的差值，采用(樣本值-最小值)/(最大值-最小值)進(jìn)行歸一化。與綜合指數(shù)呈反比的參數(shù)，根據(jù)(最大值-樣本值)/最大值進(jìn)行歸一化。

對(duì)礫巖及含礫砂巖、砂地比、巖性指數(shù)、隔夾層頻數(shù)、隔夾層厚度、泥巖百分比、石英含量、長(zhǎng)石含量、巖屑含量、粒度中值、C值參數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，求得了物源供給指數(shù)。

根據(jù)以上方法，確定了物源供給指數(shù)，來(lái)表征物源供給能力[29]。如果物源供給速率< 沉降速率，則形成溝扇對(duì)應(yīng)，各扇體相間分布；如果沉積物供給速率≥沉降速率，也發(fā)育溝扇對(duì)應(yīng)，但是各砂礫巖體疊合連片。

圖4 郭局子洼陷沙河街組泥巖隔夾層頻數(shù)及泥巖百分比等值線Fig.4 Contour map showing the frequency of mudstone interbeds and their mudstone percentage in the Shahejie Formation in Guojuzi Saga.郭局子洼陷沙河街組泥巖隔夾層頻數(shù)等值線;b.郭局子洼陷沙河街組泥巖百分比等值線

圖5 郭局子洼陷沙河街組石英、長(zhǎng)石、粒度中值和C值含量等值線圖Fig.5 Contour map showing quartz,feldspar,granularity medium,and C value of the Shahejie Formation in Guojuzi Saga.石英含量;b.長(zhǎng)石含量;c.粒度中值;d.C值

3.2 物源供給指數(shù)分布

從沙三中下段物源供給指數(shù)等值圖看，指數(shù)高值區(qū)主要分布在北部大354、郭4、郭2和郭6井周緣，靠近埕南斷層下降盤(pán)處，主要呈裙?fàn)钛卮髷鄬臃植?。其余部位物源供給指數(shù)較低(圖6)。

沙二和沙三上段物源供給指數(shù)高值區(qū)主要分布在北部郭4和郭2井周緣，其余部位物源供給指數(shù)較低。砂礫巖的物源供給能力明顯小于沙三中下沉積時(shí)期。

圖6 郭局子洼陷沙三中下段物源供給指數(shù)等值線Fig.6 Provenance supply index contour map of the lower section of Sha 3 member in Guojuzi Sag

4 物源供給能力對(duì)砂礫巖扇體類型的控制作用

4.1 物源供給能力控制砂礫巖規(guī)模

車鎮(zhèn)凹陷及郭局子洼陷陡坡帶邊界斷層類型可以劃分為板式、鏟式、階梯式和坡坪式[30-31]。北部邊界斷層自中生界末期開(kāi)始活動(dòng)，在沙四沉積時(shí)期斷層活動(dòng)增強(qiáng)，形成濱淺湖沉積，為斷陷初始期；在沙三下沉積時(shí)期斷層活動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)，在沙三中沉積時(shí)期進(jìn)入斷陷鼎盛期，斷層活動(dòng)強(qiáng)度最大；在沙三上和沙二沉積時(shí)期斷層活動(dòng)減弱，碎屑物源供給能力增強(qiáng)，盆地進(jìn)入充填期。邊界斷層在沙二、沙三沉積時(shí)期均為同沉積斷裂，對(duì)砂礫巖沉積具有控制作用。

隨著物源供給能力的變化，不同類型邊界斷層的砂礫巖分布模式和分布規(guī)模不同。

1) 鏟式斷層斷面上陡下緩，物源供給能力控制近岸水下扇的扇體規(guī)模。物源供給能力較小時(shí)，近岸水下扇扇體規(guī)模小，濁積砂體不發(fā)育；隨著物源供給能力增強(qiáng)，形成的近岸水下扇規(guī)模加大。即使在地層產(chǎn)狀為凸型情況下，物源供給能力強(qiáng)的近岸水下扇扇體也能夠越過(guò)凸形地層的最高點(diǎn)邊界，形成近岸水下扇和滑塌濁積沉積。

2) 板式斷層傾角大，坡陡水深，主要發(fā)育近岸水下扇沉積。在物源供給能力較低時(shí)，近岸水下扇的扇體規(guī)模小，滑塌濁積扇不發(fā)育，泥巖隔夾層較多；隨著物源供給能力的增加，扇體規(guī)模增大，前方滑塌濁積扇也逐漸發(fā)育，泥質(zhì)隔夾層規(guī)模變小。

3) 階梯式斷層由兩條以上互相平行形成階梯狀的主斷裂構(gòu)成，常發(fā)育近岸水下扇和濁積扇體，有時(shí)也發(fā)育沖積扇和扇三角洲。在物源供給能力較低時(shí)，近岸水下扇的扇體規(guī)模小，泥巖隔夾層較多，滑塌濁積扇不發(fā)育；隨著物源供給能力的增加，扇體規(guī)模增大，除了在高臺(tái)階發(fā)育近岸水下扇外，也可能發(fā)育扇三角洲和沖積扇等，在低臺(tái)階處也可能發(fā)育近岸水下扇、深水濁積扇和滑塌濁積扇，前方滑塌濁積扇數(shù)量增加、規(guī)模增大(圖7)。

4) 坡坪式斷層是在階梯式邊界斷的斷剝面上殘留前古近系潛山。在物源供給能力較低的時(shí)候，僅在高臺(tái)階主斷面與潛山的溝谷內(nèi)發(fā)育沖積扇和扇三角洲，在靠近前方的斷層下降盤(pán)不發(fā)育近岸水下扇和濁積扇。隨著物源供給能力的增加，除了在高臺(tái)階主斷面與潛山的溝谷內(nèi)發(fā)育規(guī)模更大的沖積扇和扇三角洲外，在靠近前方的斷層下降盤(pán)發(fā)育近岸水下扇和濁積扇，物源供給能力越大，近岸水下扇的規(guī)模越大，濁積砂體的數(shù)量和規(guī)模也增大。

4.2 物源供給能力控制沉積類型

物源供給能力與水深聯(lián)合控制沉積相類型。在陸上沉積物源供給能力較低時(shí)，主要發(fā)育曲流河沉積，在物源供給能力中等時(shí)變化為辮狀河沉積，在物源供給能力較高時(shí)演變?yōu)闆_積扇沉積。在淺湖沉積物源供給能力極低時(shí)，主要發(fā)育碳酸鹽巖沉積；在物源供給能力較低的時(shí)候，主要發(fā)育砂巖灘壩和曲流河三角洲沉積；物源供給能力中等時(shí)發(fā)育辮狀河三角洲沉積;在物源供給能力較高時(shí)發(fā)育扇三角洲沉積。在半深湖和深湖沉積物源供給能力極低時(shí)，主要發(fā)育泥晶碳酸鹽巖沉積；在物源供給能力較低的時(shí)候，主要發(fā)育滑塌濁積扇沉積，在物源供給中等的時(shí)候主要發(fā)育湖底扇沉積;在物源供給能力較高的時(shí)候發(fā)育近岸水下扇沉積。隨著物源供給能力的增加，泥質(zhì)隔夾層的厚度、數(shù)量變少(圖8)。

5 結(jié)論

1) 應(yīng)用物源供給指數(shù)來(lái)表征物源供給能力，與物源供給速率成正比的參數(shù)主要有：砂地比、粒度中值、粒度方差、層理類型、巖性系數(shù)。與物源供給速率成反比的參數(shù)主要有：隔夾層的發(fā)育程度(頻數(shù)、頻率、厚度比例)、分選系數(shù)、穩(wěn)定重礦物的含量、石英長(zhǎng)石巖屑含量及其比值。

圖7 物源供給能力對(duì)砂礫巖規(guī)模的控制模式Fig.7 Control of provenance supply capacity on scale of sandy conglomerates

圖8 物源供給能力、水深與沉積類型的關(guān)系Fig.8 Relationship of provenance supply capacity,water depth and sedimentary types

2) 礫巖含量代表了沉積過(guò)程中的粗碎屑含量，代表了物源的母源特征，也代表了物源供給能力和水動(dòng)力能量。含砂率反映物源供給能力大小，巖性指數(shù)是將巖性進(jìn)行量化的方法。隔夾層的發(fā)育程度(頻數(shù)、厚度、百分比)反映了砂礫巖的期次性，也反映了砂礫巖的物源供給能力。石英分布隨著距離物源越遠(yuǎn)，礦物搬運(yùn)距離越大，石英含量越高；距離物源近，沉積物分選差，石英含量低。長(zhǎng)石、巖屑分布距離物源區(qū)較遠(yuǎn)穩(wěn)定性較差因而含量較低，距離物源區(qū)越近含量越高。粒度中值和C值高值區(qū)也代表了物源供給能力的大小，高值區(qū)主要分布在北部，其余部位較低。

3) 沙河街組物源供給指數(shù)高值區(qū)主要分布在北部靠近埕南斷層下降盤(pán)處，主要呈裙?fàn)钛卮髷鄬臃植迹溆嗖课晃镌垂┙o指數(shù)較低。

4) 物源供給能力對(duì)砂礫巖扇體類型具有明顯的控制作用，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是物源供給能力控制砂礫巖規(guī)模，隨著物源供給能力的變化，板式、鏟式、階梯式、坡坪式邊界斷層的砂礫巖的分布模式和分布規(guī)模不同；二是物源供給能力與水深聯(lián)合控制沉積相類型，隨著水深和物源供給能力的變化，依次發(fā)育河流相、沖積扇、碳酸鹽巖、三角洲、扇三角洲、濁積扇、湖底扇、近岸水下扇等沉積類型。