強制海退體系域識別特征及其油氣意義

余燁，張昌民，朱銳，杜家元，黃儼然，王莉

1.湖南科技大學頁巖氣資源利用湖南省重點實驗室，湖南湘潭 411201 2.湖南科技大學資源環(huán)境與安全工程學院，湖南湘潭 411201 3.長江大學地球科學學院，武漢 430100 4.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000

0 引言

近年來，隨著層序地層學在巖性地層油氣藏勘探開發(fā)方面的廣泛應用，其理論得到了不斷豐富和完善。Huntetal.[1]在經(jīng)典層序地層學體系域三分(低位體系域LST、海侵體系域TST、高位體系域HST)的基礎上識別出了強制海退體系域(forced regressive wedge systems tract)，并對其識別特征進行了描述[2]。隨后，Plintetal.[3]、Catuneanu[4]對強制海退體系域概念進行了完善，指出該體系域發(fā)生在基準面下降時期，沉積濱線不受物源供給的變化而發(fā)生持續(xù)性地向海退卻，并稱之為下降期體系域(falling stage systems tract，F(xiàn)SST)。一般情況下，當可容納空間增長速率大于零，且沉積物供給速率大于可容納空間增長速率時，為正常海退沉積；當可容納空間增長速率小于零時，沉積物供給速率恒大于可容納空間增長速率，迫使沉積物不斷向沉積盆地發(fā)生進積，為強制海退沉積[2]。強制海退體系域概念的提出受到大多數(shù)學者的廣泛關注，并對強制海退沉積開展了大量的研究工作[5-9]。由于受強制海退下降期沉積時間顯著縮短所限，形成的多層進積海退砂體相對比較薄、甚至呈孤立分散狀態(tài)分布[10-11]，因此在強制海退體系域的識別和描述方面受到一定的限制，甚至導致部分學者將強制海退體系域誤識為低位體系域的楔狀體來開展研究工作[12-14]。珠江口盆地在新近紀珠江組下段約21 Ma時期，三角洲推進到陸架邊緣及陸坡地區(qū)，發(fā)育一套厚度較大、具陸架邊緣三角洲沉積的前積楔狀體[15-17]。前人對該套前積楔狀體開展了大量的層序地層學方面的研究工作，解釋其為陸架坡折帶控制下的低位楔狀體或低位三角洲沉積[18-20]，并發(fā)現(xiàn)了多個巖性油氣藏，但由于認識的局限性，近幾年來一直未發(fā)現(xiàn)新的油氣突破。雖然，陳維濤等[21]對該套前積楔狀體進行了重新識別，指出其為強制海退體系域沉積的新認識，但是沒有進行詳細的沉積學和層序地層學分析。為了正確認識和識別強制海退體系域的沉積層序特征及其在巖性油氣藏勘探中的重要作用，本文以珠江口盆地白云凹陷北坡21 Ma強制海退楔狀體為例，從地震反射剖面、地震屬性特征、鉆測井資料及濱線遷移軌跡等方面對強制海退體系域進行識別，討論強制海退體系域前積楔狀體的演化模式，分析強制海退驅(qū)動下的深水扇發(fā)育位置及規(guī)模，明確強制海退體系域的油氣地質(zhì)意義，以期為珠江口盆地白云凹陷的巖性油氣藏勘探提供指導。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

珠江口盆地位于華南大陸南緣、南海的北部，是在加里東、海西、燕山期褶皺基底上形成的中、新生代含油氣盆地，自北向南劃分為北部斷階帶、北部坳陷帶、中央隆起帶、南部坳陷帶和南部隆起帶等五個構造單元[22]。在新生代時期經(jīng)歷了神狐運動、珠瓊運動一幕、珠瓊運動二幕、南海運動、白云運動和東沙運動等六次構造事件，其中南海運動是盆地斷陷、斷拗向拗陷轉(zhuǎn)化時期，隨后沉積了珠海組、珠江組兩套碎屑巖系，使之成為珠江口盆地重要的油氣儲集層[23-24]。

研究區(qū)白云凹陷北坡位于中央隆起帶番禺低隆起的南部和南部坳陷帶白云凹陷的中北部位置(圖1)，自下而上發(fā)育有具勘探潛力的珠海組、珠江組和韓江組等地層。大約在23.8 Ma時期，受白云凹陷深部地幔上隆熱沉降的影響，陸架坡折帶從白云凹陷南側(cè)躍遷到北側(cè)，并一直維持在凹陷北部幾乎保持不變[12,24]，為白云凹陷形成大型陸架邊緣三角洲和深水重力流沉積體系提供古地形地貌基礎。已建立的地層等時格架在珠江組沉積時期確定了6個層序界面，經(jīng)古生物定年分別對應23.8、21、18、17.5、17.1和16.5 Ma，其間的5個三級層序命名為SQ1、SQ2、SQ3、SQ4和SQ5[20]。在21 Ma時期研究區(qū)大范圍海退，形成廣泛分布的SB21侵蝕不整合面，在地震剖面上該界面下部存在削截反射結(jié)構和下切谷特征，上部存在高角度斜交型前積反射和丘狀反射結(jié)構特征?；谶@種相對海平面下降在陸架坡折帶附近形成的高角度斜交型前積反射，具有陸架邊緣三角洲的特征，本文將其解釋為強制海退體系域沉積。

2 強制海退體系域識別特征

地震數(shù)據(jù)具有宏觀識別、整體把控的特點，在識別強制海退沉積方面是非常有用的，尤其是對強制海退沉積地層結(jié)構和平面展布的分析顯得尤為重要，且在獅子灣和墨西哥灣的陸架邊緣三角洲沉積識別中得到了廣泛的應用[25-26]，而鉆測井資料可以從小尺度上通過對沉積相帶的演化及其地層疊置關系的分析對強制海退體系域進行識別。通過地震數(shù)據(jù)的相關剖面反射特征及振幅屬性圖件，結(jié)合鉆井巖芯、測井曲線等資料，總結(jié)了強制海退體系域的識別特征。

2.1 平行物源方向特征

強制海退體系域在平行物源方向的地震剖面上反映出高角度的斜交前積反射結(jié)構特征，缺失頂積層的海岸平原相，而底積層則與下界面呈切線斜交模式(圖2,3)，這也是強制海退體系域發(fā)育的三角洲有別于其他體系域發(fā)育的三角洲的典型特征，反映一種高能三角洲沉積環(huán)境、相對海平面大幅快速下降和侵蝕作用不斷增強的特征。通過地震軟件層拉平技術，以SQ2層序中最大海泛面MFS18.5作為參考層位，計算求得研究區(qū)珠江組下段21 Ma強制海退體系域的前積反射結(jié)構地層的傾角為3.1°，而當時沉積時的實際陸坡坡度可能比這一值還要大。M?lleretal.[27]通過大量海相三角洲實例的測量研究，得出陸坡坡度大于3°就會發(fā)育大量的砂質(zhì)沉積的結(jié)論，并指出三角洲沉積時所在的陸坡坡度越大，預示著越容易發(fā)育富砂的三角洲沉積體系[28]。這也證實了白云凹陷北坡珠江組21 Ma發(fā)育的三角洲沉積具有富砂的特點。強制海退體系域底面(FSST底面)為浪蝕面，具有波浪侵蝕、水道下切沖刷等作用[2]，圖3中就可以看到強制海退體系域底面上浪蝕作用形成的沿岸砂壩。強制海退體系域頂面(FSST頂面)為相對海平面快速下降形成的頂超面，并伴隨著下切侵蝕作用的發(fā)生而形成一個廣泛發(fā)育的不整合面，由于受后期海侵侵蝕作用的影響以及海侵體系域在陸坡區(qū)發(fā)育極薄的凝縮段的特點，該不整合面在地震剖面上不好區(qū)分，甚至在局部地區(qū)發(fā)生強制海退體系域頂面與最大海泛面(MFS18.5)幾乎重疊的現(xiàn)象(圖2,3)?？拷璧刂行牡牡貐^(qū)強制海退體系域逐層向盆地方向收斂，呈切線斜交模式下超于前期的高位體系域沉積之上。由于沉積時的古地形坡度相對較大，尚未穩(wěn)定的強制海退體系域沉積物通常會發(fā)生滑動、滑塌現(xiàn)象，并在坡腳或盆地中心再一次沉積形成局部“凸起”的丘狀反射結(jié)構，表現(xiàn)為盆底扇的特征(圖2、圖4c)。

圖1 白云凹陷北坡構造區(qū)劃及研究資料分布Fig.1 Structure division of the northern Baiyun Depression and locations of research data

圖2 強制海退體系域在研究區(qū)西部平行物源方向的地震反射特征Fig.2 Seismic reflection features of falling stage systems tract in longitudinal profiles, western study area

圖3 強制海退體系域在研究區(qū)東部平行物源方向的地震反射特征Fig.3 Seismic reflection features of falling stage systems tract in longitudinal profiles, eastern study area

2.2 垂直物源方向特征

由于陸坡坡角在同一地區(qū)不同位置可能存在一定的差異性，加之受三角洲沉積主河道發(fā)育位置的影響，強制海退體系域在垂直物源方向的沉積差異性可能更明顯，這也是過去研究較少注意的地方。21 Ma強制海退體系域在研究區(qū)的西部地區(qū)發(fā)育4套前積楔狀體，厚度達到270 m，為中—細砂巖、含礫沉積，具明顯的前積反射結(jié)構特征(圖2)；東部地區(qū)僅發(fā)育2套前積楔狀體，厚度約為160 m，地震剖面上看不到大規(guī)模的前積反射結(jié)構特征，但陸坡坡角比研究區(qū)西部地區(qū)三角洲沉積時的陸坡坡角略有增大，且在強制海退體系域的下部可以看到浪蝕作用改造形成的沿岸砂壩(圖3、圖4a)。為了印證垂直物源方向沿岸砂壩的存在以及進一步確定陸架邊緣三角洲和盆底扇的發(fā)育范圍，以強制海退體系域頂面為界往下提取30 ms的均方根振幅屬性(圖4b)和以強制海退體系域底面為界往上提取30 ms的均方根振幅屬性(圖4c)。從圖4b中可以看出，研究區(qū)西部在B3井、B4井和B6井的周圍可以看到明顯的、大型的強振幅朵體，往東過渡為強振幅的條帶狀和小型的強振幅朵狀，說明該時期三角洲的主河道在研究區(qū)西部，而次河道在研究區(qū)東部，且東部波浪改造作用比較強烈。從圖4c中可以看出，在陸架坡折帶附近存在一個明顯均方根振幅屬性較弱的地帶，而在兩個陸架邊緣三角洲往盆地中心的方向上存在兩個相對振幅較強的區(qū)域，說明強制海退體系域靠近底面的前積層下部為前三角洲泥質(zhì)沉積，而靠近強制海退體系域頂面的前積層上部為富砂的三角洲前緣沉積，且在陸架邊緣三角洲前端靠近盆地中心的地區(qū)往往會發(fā)育重力流盆底扇沉積。

2.3 下切谷特征

強制海退體系域受相對海平面快速下降的影響造成河流下切作用，通常在陸架區(qū)靠近陸坡的邊緣表現(xiàn)下切谷的特征。下切谷主要有V型和U型這兩種特征，一般情況下靠近物源區(qū)為V型，而相對遠離物源區(qū)為U型，地震剖面上通常表現(xiàn)為底界面為雜亂的反射結(jié)構，而內(nèi)部存在充填反射的結(jié)構[27]。研究區(qū)珠江組21 Ma時期下切谷的特征非常明顯，在垂直物源的地震測線上可以看到大型下切的地震反射結(jié)構特征，外部形態(tài)為U型，而內(nèi)部具有平行充填的地震反射結(jié)構(圖5)，最大深度達90 m，寬1 km。該下切谷從強制海退體系域的頂面一直下切到強制海退體系域的底面(下切谷底面呈雜亂反射與FSST底面相交)，而后被海侵體系域沉積物充填，表現(xiàn)為內(nèi)部平行的地震反射特征。

2.4 鉆測井特征

鉆井巖芯和測井曲線具有遠高于地震資料垂向分辨率的特點，可以在相對微觀的尺度上對強制海退體系域進行識別。白云凹陷北坡珠江組21 Ma強制海退體系域沉積的巖性以局部含礫的中—細砂巖為主，發(fā)育大型楔狀交錯層理、板狀交錯層理和平行層理，測井曲線表現(xiàn)為漏斗形和箱型的組合特征(圖6)，具有三角洲河口砂壩和分流河道的典型特征(圖7)；平行物源方向的連井剖面顯示其具有明顯的前積現(xiàn)象，表現(xiàn)為3期前積層向沉積盆地發(fā)生進積的特征(圖8)。強制海退體系域在B3井由兩個反旋回沉積體構成，為2期砂質(zhì)含量較高的三角洲沉積疊置而成(圖9a)。其中，強制海退體系域三角洲沉積第1期下部為薄層泥巖，中上部為厚層的中—細砂巖，測井曲線以箱型為主體，說明在三角洲朵體的自旋回遷移過程中，B3井在該時期發(fā)育水下分流河道砂體；強制海退體系域三角洲沉積第2期具明顯的反旋回特征，但砂地比卻明顯比第1期三角洲沉積的低，認為此時水下分流河道在平面上已發(fā)生了遷移，B3井在該時期并沒有發(fā)育水下分流河道主砂體，而是分流間灣及前三角洲泥質(zhì)沉積，也有可能是強制海退體系域第3期或第4期的發(fā)育使第2期先前沉積的河道砂體受到強烈剝蝕的影響。強制海退體系域的頂面通常具有古土壤、鈣積層等暴露侵蝕或沉積間斷的典型特征[9]，指示層序邊界的存在。研究區(qū)強制海退體系域的頂面DT明顯偏低，指示鈣積層的存在，而頂面之上GR曲線的形態(tài)由箱型轉(zhuǎn)變?yōu)橹笭?，巖性為泥巖、粉砂巖的薄互層，砂地比明顯減小，為低位楔沉積(圖6和圖9a)，此時相對海平面開始上升，以重力流沉積為特征。

圖4 強制海退體系域相關的均方根振幅屬性圖Fig.4 Root mean square amplitude attribute associated with falling stage systems tract

圖5 垂直物源方向發(fā)育的下切谷Fig.5 Incised valley formed in the vertical source direction

圖6 強制海退體系域測井曲線和巖芯特征Fig.6 Well log and core characteristics of falling stage systems tract

圖7 強制海退體系域垂直物源方向的連井剖面Fig.7 Connected-well section of vertical source direction in the falling stage systems tract

圖9 強制海退體系域沉積特征和濱線遷移軌跡Fig.9 Depositional features and shoreline migration trajectory of falling stage systems tract

2.5 濱線遷移軌跡特征

濱線遷移軌跡是確定體系域類型的一種方法，Catuneanuetal.[4]以地震剖面資料為基礎通過對濱線遷移軌跡的恢復，提出了不同體系域的濱線遷移軌跡變化模式，并探討了在該模式下不同體系域的地層疊置樣式，同時指出沉積物供給的大小和可供沉積物堆積空間的變化是決定濱線遷移軌跡變化的主要控制因素。白云凹陷北坡珠江組21 Ma強制海退體系域中4期前積體的濱線遷移軌跡表現(xiàn)為向盆地方向逐級下降的趨勢(圖9c紅色圓圈所示)，說明在強制海退體系域時期相對海平面逐漸下降，沉積物的供給遠大于可供沉積物堆積空間的變化。值得注意的是，濱線遷移軌跡在強制海退體系域中并不是都呈這種明顯的向盆地方向下降的趨勢，有些可能呈水平或者趨勢不明顯的特征，這時需要綜合分析強制海退體系域的上、下地層準層序組的疊置關系及其濱線遷移軌跡，如強制海退體系域下部的高位體系域準層序組為加積和弱進積疊置關系，濱線遷移軌跡呈“凸”型上升的趨勢；而強制海退體系域上部的低位體系域準層序組為加積或弱退積的疊置關系，濱線遷移軌跡呈“凹”型上升的特點。

3 強制海退體系域演化模式

強制海退體系域的前積體沉積并不是隨著相對海平面的持續(xù)下降而連續(xù)進行的，而是在相對海平面總體下降的趨勢下，出現(xiàn)多次相對海平面快速短暫上升的同時沉積的。每一個前積體由1個準層序組構成，反映四級相對海平面變化控制下的四級層序演化過程(圖10)。在持續(xù)的三級層序控制的可供沉積物堆積空間較小的背景下，四級相對海平面發(fā)生下降、上升，每個四級層序(準層序組)表現(xiàn)為向上水體變淺，而在頂部則存在突然變深的特征，這一現(xiàn)象在B3井的強制海退體系域的2期前積體中都有所顯示(圖9a)。強制海退體系域中每期前積體的上界面(四級相對海平面控制)，既經(jīng)歷了暴露剝蝕作用，又遭受了后期快速海侵的浪蝕改造作用(圖9)，說明強制海退體系域通常表現(xiàn)為難保存和薄砂體的特點。

在三級層序相對海平面總體下降的趨勢下，依次形成1、2、3、4期前積體(準層序組)，并且后一期的前積體開始位置明顯低于前一期的前積體開始位置，呈“遞進式”疊瓦狀進積到陸坡地區(qū)沉積，直至三級相對海平面下降到最低點，完成強制海退體系域的沉積演變。隨后，由于強制海退體系域形成的高角度前積體存在不穩(wěn)定性，在重力作用下發(fā)生滑動、滑塌形成重力流機制的盆底扇，并在相對海平面緩慢上升的驅(qū)動下，在盆底扇之上沉積斜坡扇或低位楔狀體，完成低位體系域的沉積演化階段(圖10)。

4 強制海退驅(qū)動下的深水扇

白云凹陷北坡珠江組21 Ma在陸架邊緣存在砂體富集的三角洲沉積，其前端的盆地中心可見丘狀反射的盆底扇特征(圖2,10)。從圖4強制海退體系域相關的均方根振幅屬性圖可以看出，盆底扇發(fā)育位置位于陸架邊緣三角洲發(fā)育位置正前方朝盆地中心方向的位置，而地震測線bb′方向上盡管陸坡坡度(3.3°)大于地震測線aa′方向上的陸坡坡度(3.1°)，但由于陸架邊緣三角洲不發(fā)育，其下傾方向也未見明顯的強振幅反射，即很難發(fā)育盆底扇沉積。同時，也可以看出研究區(qū)西部陸架邊緣三角洲發(fā)育范圍明顯大于東部陸架邊緣三角洲發(fā)育范圍，而西部盆底扇發(fā)育范圍也相應的明顯大于東部盆底扇發(fā)育的范圍。這說明強制海退陸架邊緣三角洲的形成是驅(qū)動盆地深水扇發(fā)育的主要控制因素，即只有以陸架邊緣三角洲作為充足的物源供給才能形成大型深水扇沉積，而陸架上的三角洲砂體則很難在相對海平面快速下降的強制海退階段和隨后的緩慢上升時期搬運至盆地深處。因此，大規(guī)模的深水扇儲集層勘探應立足于“源”的發(fā)現(xiàn)，只有理清、識別了源頭，才能尋找“渠”和“匯”的軌跡，進而明確深水扇發(fā)育的位置和規(guī)模[29]。

5 強制海退體系域的油氣意義

強制海退體系域形成的前積砂體直接覆蓋在前一期層序發(fā)育的高位淺海泥巖之上，隨后被海侵和高位形成的暗色泥巖覆蓋，具備有利的生油條件、儲集場所和蓋層封堵，是形成大型油氣藏的有利場所[30]。以強制海退體系域頂面往下30 ms提取均方根振幅屬性(圖4b)，并得到了B3、B4和B6等多口井的鉆探證實(圖2,6、圖9a)，發(fā)現(xiàn)白云凹陷北坡珠江組21 Ma強制海退體系域的砂體非常發(fā)育，且以陸架邊緣三角洲砂體、沿岸砂壩砂體呈扇形和條帶狀分布，與上覆構造等值線圖圈閉較好(圖11)。同時該砂體離物源區(qū)相對較遠，其下部沉積了前期層序高位前三角洲泥和淺海陸棚泥，上部沉積了海侵和高位的半深海暗色泥巖，并受陸架坡折帶地層尖滅的控制，圈閉的封堵條件較好。此外，油田勘探開發(fā)的試油結(jié)果顯示，研究區(qū)西部強制海退體系域的1、2兩期前積砂體屬于本地區(qū)主力油層GAS1、GAS2砂層組，儲集條件較好，鉆井也揭示出砂體非常發(fā)育(圖9a)。同時強制海退砂體發(fā)育地區(qū)存在多條斷裂，可以通過這些斷裂將南部生油凹陷的油氣運移至強制海退砂體之中，具備良好的油源溝通條件(圖11)。因此，強制海退體系域的正確認識和識別對于指導陸架坡折帶地區(qū)的巖性油氣藏勘探具有積極的意義。

圖11 強制海退體系域砂體與構造形態(tài)的關系Fig.11 Relationship between sandbodies in falling stage systems tract and structural forms

6 結(jié)論

(1) 強制海退體系域在平行物源方向具有高角度斜交前積反射結(jié)構，缺乏頂積層的海岸平原相并形成大范圍的不整合面。其前積層在靠近陸架地區(qū)的下部容易受浪蝕作用改造形成沿岸砂壩，在靠近盆地中心地區(qū)則依次向盆地收斂突變?yōu)樯詈Ｄ噘|(zhì)沉積。前積體前端靠近盆地中心的地區(qū)通常發(fā)育具丘狀反射結(jié)構的盆底扇沉積。

(2) 白云凹陷北坡21Ma強制海退體系域發(fā)育時期的陸坡坡度大于3°，具有富砂的三角洲沉積背景。下切谷在垂直物源地震剖面上表現(xiàn)為“U”狀外形，底部呈雜亂沖刷的地震反射特征，內(nèi)部為平行充填的地震反射結(jié)構。濱線遷移軌跡表現(xiàn)為逐級下降向海推進的特點。

(3) 白云凹陷北坡21 Ma強制海退體系域共發(fā)育4期前積體，在B3井鉆遇了前2期前積體，表現(xiàn)為2個準層序組的反旋回，其中第1期以三角洲前緣水下分流河道厚層的中—細砂巖為主，第2期受三角洲自旋回的影響以前三角洲泥和河口砂壩細砂巖為主。這4期前積體受四級相對海平面升降旋回的控制，每個四級層序又表現(xiàn)為向上水體變淺和頂部突然變深的特征。

(4) 白云凹陷北坡21 Ma強制海退體系域在西部沉積厚度較大，是主河口陸架邊緣三角洲發(fā)育區(qū)，往東過渡為條帶狀展布的沿岸砂壩和次河口發(fā)育的小型陸架邊緣三角洲。圈閉條件分析和鉆探試油結(jié)果揭示表明強制海退體系域砂體的圈閉封堵條件和儲集油氣性能都較好，再加上斷裂系統(tǒng)油源的溝通，對于指導巖性油氣藏的勘探具有積極的意義。