沿岸流控湖泊三角洲沉積演化特征研究

邱隆偉，白立科，楊勇強(qiáng)，葛 君，韓曉彤

(1.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580； 2.海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071； 3.中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257077)

0 引 言

對于三角洲的分類方案，多數(shù)學(xué)者采用Galloway所提出的方案——根據(jù)河流、波浪和潮汐作用的相對強(qiáng)弱，將三角洲分為河控三角洲、潮控三角洲以及浪控三角洲的分類方案[1]。Fisk通過對密西西比鳥足狀三角洲的研究將河控三角洲分為深水型及淺水型2種類型[2]。目前，對于湖盆三角洲，國內(nèi)學(xué)者對其不同類型劃分、沉積特征研究、沉積模式和砂體充填模式的建立均有了重要研究進(jìn)展[3-7]，如邱隆偉根據(jù)成因及形態(tài)，將湖盆三角洲分為河控-水位控三角洲、浪控三角洲、湖流控三角洲以及過渡類型三角洲，且認(rèn)為湖流作用是決定湖泊三角洲形態(tài)及砂體分布的重要因素之一[8]。實(shí)際上，雖然近年來許多學(xué)者對湖泊三角洲研究發(fā)現(xiàn)沿岸流是湖泊三角洲形成中不容忽視的控制因素之一[9-11]，在形態(tài)上具有明顯特征，如宋春暉等認(rèn)為強(qiáng)大的風(fēng)浪作用產(chǎn)生的沿岸流及波浪限制了青海湖哈爾蓋河三角洲的入湖伸展[12]，但關(guān)于沿岸流對湖泊三角洲的發(fā)育及演化規(guī)律的具體控制作用和識別特征還鮮有報(bào)道，也未見沿岸流對不同沉積背景下湖泊三角洲的改造作用進(jìn)行總結(jié)。

不同學(xué)者對于孤北洼陷沉積研究方面比較成熟，如史文東等認(rèn)為沙三段西部陡坡帶與南部緩坡帶均發(fā)育扇三角洲，南部較為發(fā)育，且可劃分為退積型、進(jìn)積型、陡坡型和緩坡型4種[13]。實(shí)際上，對于湖盆緩坡帶三角洲的發(fā)育，波浪及沿岸流對于三角洲沉積相帶展布以及砂體發(fā)育有著重要作用，不僅在平面形態(tài)對其進(jìn)行改造，垂向上還影響著其內(nèi)部砂體發(fā)育演化及連續(xù)性，進(jìn)而影響有利儲層的發(fā)育規(guī)模。通過巖心觀察、粒度、測井、錄井以及地震等資料，對沾化凹陷孤北洼陷沙二—沙三中亞段南部三角洲發(fā)育演化及沉積地層進(jìn)行系統(tǒng)分析，認(rèn)為該區(qū)南部緩坡帶主要發(fā)育沿岸流控湖泊三角洲。研究結(jié)果對于提高三角洲有利區(qū)帶識別及劃分具有重要意義，也可為孤北洼陷下一步勘探提供新的認(rèn)識。

1 地質(zhì)概況

孤北洼陷位于渤海灣盆地東南部濟(jì)陽坳陷內(nèi)沾化凹陷東北部，北部與埕北斷層及樁西潛山相接，西以埕東斷層和埕子口凸起相鄰，東以長堤斷層與長堤潛山相鄰，向南以孤北斷層與孤島凸起相接，西南方以孤西斷層與渤南洼陷相連，呈半地塹形態(tài)，是中生代區(qū)域構(gòu)造背景下經(jīng)歷燕山運(yùn)動和喜馬拉雅運(yùn)動而發(fā)育的新生代斷陷湖盆[13-15]。孤北洼陷受控于埕東、樁西、五號樁-長堤斷裂帶，其北緣、東緣、西緣均為陡坡斷階帶，南部則為一個大型緩坡斷階帶，中部存在一個中央低凸起(鼻狀構(gòu)造帶)，總體呈現(xiàn)為馬蹄形的斷洼，具有北斷南超的特征[16]，南部緩坡帶沉積體系和相帶發(fā)育受多條次級斷裂控制(圖1)。

孤北洼陷已鉆穿部分中生界、沙河街組、東營組、館陶組、明化鎮(zhèn)組和平原組等地層[17]。此次研究的主要層段為沙二—沙三中亞段地層。在孔店組—沙四段快速充填沉積之后，末期出露地表經(jīng)過長期剝蝕，孤北洼陷作為一個穩(wěn)定內(nèi)陸湖泊已經(jīng)形成。古近系整個沾化凹陷水體分布范圍廣，總體為穩(wěn)定的深湖相沉積，而沙三段沉積期發(fā)生大幅度沉降，北東向構(gòu)造活動強(qiáng)烈，在沙四段淺湖沉積的背景上快速沉降形成湖盆深化沉積，從而形成了具有3期旋回的沙三段地層，包括沙三下亞段、沙三中亞段以及沙三上亞段，與下伏沙四段為不整合接觸，與上覆沙二段為沖刷或不整合接觸[18]。總體上，沙三段沉積時期，孤北洼陷整體構(gòu)造活動穩(wěn)定，且受孤北斷層構(gòu)造轉(zhuǎn)化帶及內(nèi)部次級斷裂的影響，為盆內(nèi)主要充填時期，物源供給充足[4]。結(jié)合測錄井資料，根據(jù)地震剖面中強(qiáng)反射振幅，將沙二—沙三中亞段總體分為1、2+3、4、5+6砂層組及7砂層組，各砂層組內(nèi)部較為連續(xù)，沙三下亞段多為泥巖段[19]，且2+3、5+6砂層組受沿岸流改造最為明顯，湖盆構(gòu)造穩(wěn)定，波浪作用較為強(qiáng)烈，物源供給充足，處于湖盆充填階段。經(jīng)研究，孤西斷層、五號樁-長堤斷裂帶是活動最早的控凹斷層，而由于NE向壓應(yīng)力和NW向張應(yīng)力的增強(qiáng)，NW向斷層活動性降低，埕東斷層和孤北斷層在沙三段沉積期活動強(qiáng)度增大[4,20]，逐漸成為該區(qū)控盆斷層，湖盆經(jīng)歷構(gòu)造反轉(zhuǎn)之后的湖平面上升及沉積充填階段，并且這種周邊及內(nèi)部斷裂發(fā)育在時空上的差異，也導(dǎo)致不同時期洼陷內(nèi)部沉積體系發(fā)育及沉積充填的不均一性。

2 三角洲沉積特征

對孤北洼陷南部緩坡帶Z391、Z394、Z399等9口井的巖心觀察及粒度特征進(jìn)行分析，并結(jié)合測井曲線特征及地震屬性認(rèn)為，孤北洼陷沙二段—沙三中亞段南部三角洲相主要發(fā)育三角洲平原、三角洲前緣及前三角洲亞相，并以三角洲前緣亞相最為發(fā)育。

圖1 孤北洼陷研究區(qū)及構(gòu)造位置(據(jù)文獻(xiàn)[13]修改)

2.1 三角洲平原亞相

三角洲平原亞相在研究區(qū)發(fā)育規(guī)模較小，靠近南部孤北斷層物源區(qū)，主要由分流河道、分流河道間以及泛濫平原微相組成，牽引流特征明顯。分流河道微相巖性以雜色砂巖及少量礫巖為主，粒度較粗，砂泥比高，分選性較好，測井曲線以鐘型或齒化箱型為主；分流河道間及泛濫平原微相主要以褐色泥巖及粉砂巖沉積為主。分流河道微相沉積構(gòu)造主要發(fā)育槽狀或板狀交錯層理，分流河道間及泛濫平原微相則以平行層理以及塊狀層理為主。

2.2 三角洲前緣亞相

三角洲前緣亞相為研究區(qū)三角洲沉積砂體主要儲集相帶，發(fā)育規(guī)模較大，研究區(qū)東部沙三段中期Z394、Z392、Z942等井以厚層砂巖沉積為主，測井曲線響應(yīng)特征明顯；而西部Z390、Z395等井缺失砂巖沉積，以半深湖—深湖相泥巖為主；北部Z26、Z898井及Z397井同樣砂質(zhì)含量較少，且沙三段沉積末期變化不大。該亞相主要發(fā)育水下分流河道以及河口壩微相，巖性主要以細(xì)砂巖及粉砂巖為主，粒度較細(xì)，分選較好，常見碳質(zhì)紋層，受波浪作用影響明顯，尤其以Z394井沙二段—沙三段中期厚層砂巖沉積為主，普遍發(fā)育浪成波痕及波狀交錯層理，并且出現(xiàn)滑塌變形構(gòu)造、泥巖撕裂屑等沉積構(gòu)造(圖2)。

三角洲前緣亞相以河口壩微相發(fā)育分布范圍較廣為特征，巖性主要以粒度較細(xì)的灰色、灰白色、暗紅色細(xì)砂巖及粉砂巖組成，厚度相對較大，偶見泥礫和礫石，呈反粒序或復(fù)合粒序特征，且受波浪改造作用明顯，常含炭屑及泥礫，沉積構(gòu)造主要發(fā)育浪成交錯層理、波狀復(fù)合層理、平行層理以及滑塌變形構(gòu)造，測井曲線以漏斗形或箱形特征為主。水下分流河道微相以含礫中砂巖、細(xì)砂巖為主，主要為正粒序，底部具有明顯的沖刷構(gòu)造，且偶見泥礫及細(xì)礫沉積，測井曲線呈中幅鐘形。席狀砂微相分布較少，粒度較細(xì)，局部可見遠(yuǎn)砂壩以及支流間灣微相。

圖2 孤北洼陷南部緩坡帶沙二—沙三中亞段主要沉積構(gòu)造

三角洲前緣亞相粒度概率曲線可分為低斜兩段式、中高斜兩段式和沖洗三段式3種類型。

(1)低斜兩段式：特點(diǎn)為跳躍次總體直線斜率相對較小，與懸浮次總體直線截點(diǎn)變化范圍不大，交截點(diǎn)?值在1.0左右。跳躍次總體含量為10%～50%，懸浮次總體含量為50%～85%，曲線斜率不高，分選中等。此類粒度特征主要指示灘壩沉積或者三角洲前緣河口壩沉積。

(2)中高斜兩段式：是由代表跳躍次總體的直線段和代表懸浮次總體的直線段組成，曲線斜率較高，分選較好，交截點(diǎn)?值在0.8左右。跳躍次總體含量變化較大，含量為20%～80%，對應(yīng)懸浮次總體含量變化幅度較大。此類粒度特征主要指示三角洲前緣水下分流河道沉積。

(3)沖洗三段式：即具沖刷回流點(diǎn)的多段式，在粒度概率曲線上表現(xiàn)為由多個斜率差距很小的跳躍次總體和一個懸浮次總體組成，一般2個跳躍次總體的含量約在80%左右，斜率較高，分選較好，通常含2個跳躍次總體之間的交截點(diǎn)為沖刷回流點(diǎn)。研究區(qū)此種粒度概率曲線反映淺水環(huán)境下，多方位水流對沉積物進(jìn)行多次沖刷改造，受物源供給影響，可指示砂泥混合坪的沉積環(huán)境。

2.3 前三角洲亞相

前三角洲亞相發(fā)育規(guī)模較為局限，巖性以深色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，沉積構(gòu)造發(fā)育不明顯，偶見平行層理及砂泥薄互層，局部可見滑塌砂體沉積。

3 沿岸流控湖泊三角洲相帶發(fā)育特征

3.1 沿岸流改造特點(diǎn)

3.1.1 波浪改造特征明顯

通過對研究區(qū)取心井段的巖心觀察、粒度分析測試以及測井相的分析，南部緩坡帶三角洲前緣具有明顯的湖浪改造特征。研究區(qū)2砂層組至5砂層組沉積期為湖盆主要沉積充填時期，三角洲前緣河口壩相明顯呈側(cè)向堆積，橫向連續(xù)性較好，可形成似沿岸砂壩，以較厚的細(xì)砂巖、粉砂巖沉積為沉積特征，夾有少量的泥巖條帶及泥巖、粉砂巖薄互層；垂向上表現(xiàn)為河口砂壩與水下分流河道的多期疊置，受沿岸流作用改造常發(fā)育較厚的分選較好的細(xì)砂—中砂巖，整體以復(fù)合韻律為主；測井曲線以齒化箱形或鐘箱形為主；厚層砂巖中常發(fā)育有大量以波浪作用為主的沉積構(gòu)造，如浪成交錯層理及波狀復(fù)合層理(圖2)；前緣中部及東北部泥巖撕裂屑及泥礫的存在反映出波浪對于水下分流河道以及河口砂壩砂體進(jìn)行強(qiáng)烈沖刷改造；順物源前緣前端粒度概率曲線以低斜兩段式及沖洗兩段式為主，東北部偏離物源方向則以低斜兩段式及中高斜兩段式為主，河口砂壩及水下分流河道亞相受波浪改造影響，跳躍組分及懸移組分含量變化較大，細(xì)截點(diǎn)范圍較大；前緣前端低斜兩段式及沖洗兩段式主要出現(xiàn)在灘壩沉積，同樣指示了水動力條件復(fù)雜，水流多期改造及湖平面的頻繁變化。

3.1.2 前緣砂體側(cè)向遷移

在沙三段中晚期，隨著孤北斷層活動強(qiáng)度增加，物源供給系統(tǒng)改變，對于孤北洼陷獨(dú)特的構(gòu)造形態(tài)，南部緩坡三角洲顯示出橫向發(fā)育面積擴(kuò)大的趨勢。

趙國祥等通過對廟西南凸起館陶組淺水三角洲研究發(fā)現(xiàn)，對于緩坡淺水三角洲而言，物源供給充足對于大面積淺水三角洲的形成有決定性作用[21]。但研究區(qū)水動力條件相對于之前的認(rèn)知可能更為復(fù)雜，因其受到湖流強(qiáng)烈的改造作用影響，三角洲沉積物由河流搬運(yùn)沉積下來或沉積過程中受到湖流侵蝕沖刷改造，繼續(xù)往湖流方向延伸形成似沿岸砂壩而難以繼續(xù)沿物源方向生長發(fā)育，導(dǎo)致其雖受古物源供給影響，但在沙二—沙三中時期三角洲前緣亞相縱向發(fā)育變化不大。研究區(qū)各砂層組連井剖面及平面相對比顯示(圖3、4)，沙三段晚期至沙二段沉積期，三角洲砂體向湖盆延伸距離較小，但橫向砂體側(cè)向遷移現(xiàn)象明顯。

圖3 孤北洼陷Z399—Zx792井連井剖面

3.2 沉積演化分析

對孤北洼陷湖盆演化的整體分析結(jié)果表明，孤北洼陷經(jīng)歷了從湖侵到高位體系域的演化過程，邊界斷層的活動性控制了湖盆內(nèi)部的物源供給體系，構(gòu)造活動強(qiáng)度、湖水位變化使得可容空間增加速率由快變緩，鼻狀構(gòu)造帶及南部緩坡控制了三角洲體系發(fā)育的位置。古構(gòu)造環(huán)境、古物源及古水深與三角洲體系的發(fā)育密切相關(guān)，而湖浪作用成為三角洲沉積體系后期形態(tài)改造的關(guān)鍵因素。

沙三中亞段時期，湖盆在經(jīng)歷了沙三下亞段時期湖盆強(qiáng)烈裂陷期，湖水位上升速率開始變緩，沉降速率下降，物源供給充足，可容空間上升緩慢，三角洲沉積體系發(fā)育不斷向湖盆方向推進(jìn)，但受湖盆內(nèi)部湖流(沿岸流)或波浪作用影響越來越明顯，自沙三上亞段各砂層組砂體均表現(xiàn)出向湖內(nèi)推進(jìn)距離有限或受到抑制，而有向東或東北部發(fā)育的趨勢。河口壩及分流河道微相較為發(fā)育，且沿湖流方向發(fā)育似沿岸沙壩沉積，已具有明顯的“斜前緣”特征。湖盆整體處于物源供給與可容空間平衡補(bǔ)償階段。

直至沙二段沉積期，三角洲沉積體系仍以前緣亞相最為發(fā)育，各砂層組順物源方向及橫向發(fā)育迅速，橫向展布面積逐步擴(kuò)大。到沙二段晚期，繼續(xù)受到物源體系影響，湖盆整體處于過補(bǔ)償階段，盆內(nèi)沉積物以進(jìn)積、加積充填為主。但三角洲沉積體系推進(jìn)距離變化很小，“斜前緣”特征依然明顯，湖流(沿岸流)或波浪作用對三角洲前緣發(fā)育依然存在強(qiáng)烈的改造作用，使得三角洲難以順物源方向繼續(xù)生長，而砂體具有明顯沿湖流方向的側(cè)向遷移加積趨勢，垂向上前緣亞相沿湖流方向以厚層砂巖沉積為主，沿岸砂壩發(fā)育趨于明顯，逐漸形成一種不對稱三角洲發(fā)育形態(tài)(圖5)。

圖4 孤北洼陷南部緩坡帶沙二—沙三中亞段2+3砂層組沉積相

圖5 沿岸流控湖泊三角洲演化模式

4 討論與思考

沿岸流控三角洲與浪控、河控三角洲在沉積相帶發(fā)育以及砂體演化等方面有很多不同之處。基于形態(tài)上明顯受沿岸流沖刷改造的三角洲沉積演化特征，可將孤北洼陷南部沙二—沙三中亞段三角洲沉積概括為沿岸流控三角洲。研究結(jié)果一方面對于古地貌的恢復(fù)以及湖泊三角洲沉積動力機(jī)制研究具有重要意義，在湖盆緩坡帶物源體系供給充足的背景下，湖流及沿岸流的強(qiáng)烈作用成為使得湖相三角洲演化具有特殊性的重要因素；另一方面，在中國大部分油田已進(jìn)入探明程度達(dá)70%以上的中、晚期階段背景下，為尋找新的勘探重點(diǎn)提出了新的思路。

對于湖泊三角洲的研究雖日益深入，但從成因角度探討湖泊三角洲的成因類型仍為研究的重點(diǎn)之一，從而完善三角洲沉積演化控制因素的認(rèn)識，更好地指導(dǎo)進(jìn)一步的勘探。湖流作用是使得湖盆三角洲沉積物再分配的主控因素之一，三角洲前緣席狀砂、側(cè)緣沙嘴等都是波浪作用對三角洲體系沉積物改造的結(jié)果。Gregers Dam等人就曾對三角洲前緣砂體改造進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合典型沉積構(gòu)造及巖相研究認(rèn)為，三角洲前緣砂體的沿岸分布受到多種沿岸流體的影響[22]；Ida L?nne等人通過分析指出，波浪作用可以使得砂體遷移造成在物源供給條件相對較弱的背景下三角洲前緣的加積，沿岸流作用使得扇緣砂體橫向展布及遷移[23]。國內(nèi)外學(xué)者在對于古地貌研究的同時，逐漸重視對于古氣候、古風(fēng)向以及古水流作用等多方面因素的考慮[10]。然而對于湖泊三角洲沉積體系，直接引用海相三角洲成因理論體系可能不太適當(dāng)，但在湖泊動力體系中，同樣會由于風(fēng)浪的作用而產(chǎn)生強(qiáng)大的湖流，使得湖盆內(nèi)湖流作用以及古地貌的恢復(fù)更加復(fù)雜化[10-11,24-25]。因此，在古地貌、古水深及古物源聯(lián)合控制湖泊三角洲沉積體系演化的同時，沿岸流等湖流作用成為湖泊三角洲演化改造的重要因素之一，而對于湖流及沿岸流的環(huán)流模式及動力學(xué)機(jī)制仍需進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)南部緩坡帶在穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境，物源條件充足，地形坡度較緩的背景下，經(jīng)歷了湖水位由快速上升到緩慢趨于穩(wěn)定的過程，發(fā)育大面積三角洲沉積，其沉積特征以發(fā)育大量浪成沉積構(gòu)造為主，三角洲前緣亞相砂體明顯有偏離物源方向，側(cè)向遷移沉積等特點(diǎn)。

(2) 物源供給充足的條件下，三角洲沉積向湖盆延伸受到強(qiáng)烈的沿岸流作用沖刷改造，難以繼續(xù)沿物源方向發(fā)育進(jìn)積或者加積砂體；而在斜交三角洲入湖方向的沿岸流作用對沉積物改造的情況下，使得三角洲前緣亞相發(fā)育似沿岸沙壩沉積，具有“斜前緣”的特征，同時成為砂體橫向變化較快且變化越來越復(fù)雜的原因，可總結(jié)為沿岸流控湖泊三角洲系統(tǒng)沉積。