北黃海盆地東部坳陷中生界沉積特征及演化①

王改云 劉金萍 王后金 簡曉玲 杜 民

(國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣州 510075)

北黃海盆地是發(fā)育于中朝板塊東南部的中新生代小型疊合斷陷盆地，是我國近海唯一未獲得油氣突破且勘探程度較低的一個(gè)含油氣盆地［1］。近幾年來，我國和朝鮮都在該盆地進(jìn)行了大量的油氣勘探工作，獲得了一批實(shí)鉆資料，為該盆地諸多地質(zhì)認(rèn)識(shí)提供了依托。東部坳陷是北黃海盆地最具勘探前景的一個(gè)坳陷［2］，其內(nèi)發(fā)育巨厚的中新生代地層，具備一定的生油氣能力，且多口鉆井已在中生界見油氣顯示及工業(yè)油氣流［3-4］。目前已有部分學(xué)者在構(gòu)造、烴源巖、油氣成藏等方面進(jìn)行了較為深入的研究［5-8］，但在沉積特征及沉積演化方面的研究還比較薄弱，這在一定程度上制約了該區(qū)油氣勘探的進(jìn)展。筆者依據(jù)近年獲取的20余口探井及三維地震資料，在巖芯觀察與巖礦測試的基礎(chǔ)上，通過地質(zhì)與地球物理資料的綜合分析，系統(tǒng)總結(jié)了東部坳陷中生界的沉積相類型及分布特征，并分析了其沉積演化，為該區(qū)的油氣勘探提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

北黃海盆地處于膠東半島、遼東半島和朝鮮半島之間的半封閉海域，構(gòu)造上位于中朝板塊東南部，其西為郯廬斷裂和渤海灣盆地，北面為遼東隆起，東接朝鮮北部地塊，南鄰膠東隆起和蘇膠—臨津江碰撞造山帶?，F(xiàn)今的北黃海盆地呈隆坳相間的構(gòu)造格局，包括4坳2隆共6個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元(圖1)，其中東部坳陷和中部坳陷中生代地層發(fā)育。

東部坳陷經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地層發(fā)育和展布復(fù)雜［9］。其基底主要為太古宇—下元古界石英巖、片巖、片麻巖、板巖等中—深變質(zhì)的結(jié)晶巖系和中上元古界—寒武系的碳酸鹽巖、板巖等。自中侏羅世以來開始沉降并接受沉積，自下而上形成多旋回的構(gòu)造—沉積組合(中生界的中侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)、新生界的漸新統(tǒng)—第四系)(圖2)，最大沉積厚度超過8 000 m［9］。

侏羅系為一套暗色碎屑巖組合，是烴源巖和有利儲(chǔ)層的發(fā)育層段。其中中侏羅統(tǒng)分布局限，以深灰色泥巖為主，夾薄層粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，局部有火成巖侵入［6-7］，厚度介于0～2 000 m;上侏羅統(tǒng)巖性主要為粉細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、深灰色泥巖，自下而上組成水體變深的正旋回沉積序列(圖2)，鉆井揭示厚度介于350～1 960 m。下白堊統(tǒng)與下伏地層呈角度不整合接觸，總體為一套以紅色色調(diào)為主的雜色碎屑巖組合，是有利儲(chǔ)層的重要發(fā)育層段。底部為砂礫巖、含礫砂巖、粗砂、粉細(xì)砂巖組合，向上漸變?yōu)榧t褐色泥巖夾粉細(xì)砂巖［6］。受燕山晚期抬升剝蝕作用的影響，現(xiàn)今的下白堊統(tǒng)厚度和巖性橫向上變化較大，鉆井揭示地層厚度介于0～1 000 m。

圖1 北黃海盆地地理位置及構(gòu)造區(qū)劃(據(jù)劉振湖等［3］，略修改)Fig.1 Diagram of geographic location and geotectonic map of North Yellow Sea Basin(modified after Liu et al.，2007)

2 主要沉積相類型及特征

通過鉆井巖芯觀察、單井沉積序列綜合分析、地震反射特征等研究，對(duì)研究區(qū)中生界的沉積相類型進(jìn)行了厘定，認(rèn)為主要發(fā)育陸相沉積，以扇三角洲、三角洲、辮狀河三角洲、湖泊沉積為主。

2.1 扇三角洲

扇三角洲在各層位均有發(fā)育，平面上主要分布在控坳斷裂的下降盤，多沿?cái)嗔炎呦虺识嗥诏B加連片分布，包括扇三角洲平原及扇三角洲前緣亞相。

(1)扇三角洲平原 具有沖積扇的沉積特征，以突發(fā)災(zāi)變事件產(chǎn)生的重力流與牽引流沉積共存為特點(diǎn)［10］，研究區(qū)平原相帶分布窄，由泥石流、辮狀河道及河道間等微相組成，垂向序列具有明顯的正韻律。X6井中侏羅統(tǒng)底部的取芯資料顯示(圖3)，巖性以深灰色、灰綠色礫巖、砂質(zhì)礫巖為主，礫石成分復(fù)雜，以火山巖塊為主，少量泥礫及石英礫，礫徑2～8 mm，最大20 mm，分選差，磨圓呈次棱角—次圓狀，發(fā)育塊狀構(gòu)造及遞變層理，伽馬曲線呈中幅箱形，聲波時(shí)差曲線為低值，為泥石流沉積。辮狀河道巖性以砂質(zhì)礫巖、砂礫巖、含礫砂巖、中粗砂巖為主，見多個(gè)沖刷面，揭示洪水的多次沖刷和充填。測井曲線整體呈正旋回特征，伽馬曲線以中低幅齒化箱形、鐘形及箱形—鐘形復(fù)合型為主，垂向?yàn)槎鄠€(gè)鐘形或箱形的疊合組合。河道間巖性主要為紅褐色、棕色、淺灰色泥巖夾含礫泥巖、砂質(zhì)泥巖，測井曲線多呈薄層低幅微齒狀。

(2)扇三角洲前緣 為扇三角洲的主體，據(jù)巖石組合、測井響應(yīng)，可細(xì)分為水下分流河道、水下河道間及河口壩等微相。水下分流河道以灰色雜基支撐的含礫砂巖、中粗砂巖為主要巖性，發(fā)育高角度的交錯(cuò)層理及沖刷構(gòu)造，局部見礫石定向排列，伽馬曲線呈箱形、鐘形。水下河道間缺乏穩(wěn)定的泥巖沉積，主要為灰色、深灰色具水平層理的粉砂質(zhì)泥巖、泥巖夾薄層砂巖，由于水下分流河道沖刷能力強(qiáng)，改道頻繁，河道間的沉積物多以夾層的形式出現(xiàn)［11］。河口壩位于水下分流河道的前緣和側(cè)緣，研究區(qū)僅在北部斜坡帶鉆遇，沉積物粒度變細(xì)，主要由細(xì)粉砂巖、含礫細(xì)砂巖組成，垂向呈向上變粗的反粒序，分選相對(duì)較好，巖芯剖面可見平行層理及交錯(cuò)層理，在測井曲線中表現(xiàn)為指狀、高幅漏斗形(圖3)。

2.2 三角洲

這里的三角洲指正常三角洲，主要發(fā)育在上侏羅統(tǒng)及中侏羅統(tǒng)中，包括三角洲平原和三角洲前緣亞相(圖4)。

(1)三角洲平原 指河道分流點(diǎn)至枯水期岸線之間區(qū)域內(nèi)的沉積。由于此區(qū)間地勢平緩、開闊，洪水期湖水淹沒，河流不穩(wěn)定性增加，導(dǎo)致洪水不斷泛濫，河道頻繁決口和改道，形成多條分流河道、河道間等微相，以砂質(zhì)沉積與泥炭共生為特征。巖芯觀察及錄井剖面中，分流河道巖性以中砂巖、細(xì)砂巖、含礫中砂巖為主，垂向表現(xiàn)為向上變細(xì)的正粒序，見交錯(cuò)層理、波紋層理、沖刷—充填構(gòu)造，伽馬曲線呈齒化箱形、鐘形(圖4)。河道間則以灰綠色、棕紅色等雜色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，局部夾薄煤層，見植物根莖、碳質(zhì)碎屑等，具波狀及水平層理。

圖3 X6井扇三角洲地震、鉆井、巖芯綜合特征Fig.3 Synthetical characteristic of seismic，well drilling and core of fan delta of Well X6

圖4 上侏羅統(tǒng)三角洲和湖泊沉積特征(X1井)Fig.4 Delta and lacustrine sedimentary characteristics of Late Jurassic of Well X1

(2)三角洲前緣 以下細(xì)上粗的反旋回砂巖沉積為特征，包括水下分流河道、水下河道間及河口壩等微相。如X1井的上侏羅統(tǒng)，巖性以粉砂巖、灰質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾灰色泥巖為主，垂向?yàn)槎鄠€(gè)反旋回疊加，伽馬曲線呈齒化漏斗形、鐘形、指狀，為多期河口壩—水下河道間—水下分流河道的疊加沉積(圖4)。

2.3 辮狀河三角洲

辮狀河三角洲是介于粗碎屑的扇三角洲與細(xì)碎屑的正常三角洲之間的具獨(dú)特屬性的三角洲［12］，多發(fā)育在古構(gòu)造高地的斜坡部位或遠(yuǎn)離斷裂帶的古隆起周圍［13-14］，早白堊世構(gòu)造活動(dòng)較弱，研究區(qū)盆廣坡緩，水體相對(duì)較淺，為北部緩坡帶發(fā)育辮狀河三角洲提供了有利條件。

(1)辮狀河三角洲平原 整個(gè)序列厚度最大約200 m，可進(jìn)一步分為辮狀河道和河道間兩個(gè)微相。其中辮狀河道為該亞相的沉積主體，巖性由砂礫巖、含礫砂巖、粗中砂巖組成，局部夾薄層紅褐色泥巖及泥質(zhì)粉砂巖，組成若干向上變細(xì)的正粒序，巖芯中見大型交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理、平行層理等，粒度概率累計(jì)曲線以兩段式為主，跳躍總體占主體，伽馬及電阻率曲線呈高幅箱形、齒化箱形、鐘形疊置(圖5)。受辮狀河道往復(fù)遷移擺動(dòng)的影響，河道間多以紅褐色泥巖夾薄層泥質(zhì)粉砂巖為主，局部夾煤層，煤層底部的砂巖和泥質(zhì)粉砂巖中見植物根莖化石。辮狀河三角洲平原在地震上呈中振幅、中連續(xù)亞平行反射結(jié)構(gòu)。

(2)辮狀河三角洲前緣 是下白堊統(tǒng)主要的沉積類型，包括水下分流河道、河口壩、水下河道間等微相。水下分流河道形成于“坡淺流急”的沉積背景下，以含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖為主，垂向上常見多期河道相互疊置。河口壩位于水下分流河道的末端或側(cè)緣，由粉砂巖、細(xì)砂巖組成向上變粗的反韻律，伽馬曲線多為中幅漏斗形(圖5)。如X1井下白堊統(tǒng)的取芯井段2 618～2 624.45 m，巖芯中見兩個(gè)反旋回，下部旋回由粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖組成，見水平層理及生物擾動(dòng)構(gòu)造，為河口壩、水下河道間沉積;上部旋回由泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、含礫粗砂巖組成，發(fā)育大型交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)層理，見沖刷—充填構(gòu)造，為河口壩—水下分流河道沉積序列。

圖5 下白堊統(tǒng)辮狀河三角洲沉積特征(X1井)Fig.5 Sedimentary characteristics of braided-river delta of Lower Cretaceous of Well X1

2.4 湖泊

湖泊沉積在各層位中均有分布，包括濱湖、淺湖、半深湖—深湖亞相。由于湖盆小、水位經(jīng)常波動(dòng)，濱湖、淺湖沉積難以區(qū)分，故將濱湖、淺湖亞相合并，稱之為濱淺湖亞相。侏羅系坳陷內(nèi)部以半深湖—深湖亞相為主，邊緣則發(fā)育濱淺湖沉積，而下白堊統(tǒng)主要為濱淺湖亞相。

(1)濱淺湖 下白堊統(tǒng)中上部的濱淺湖亞相具有厚度大、橫向分布穩(wěn)定的特點(diǎn)，其巖性細(xì)，主要以灰綠色、灰色夾雜紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，夾薄層粉細(xì)砂巖，發(fā)育水平層理、透鏡狀—波狀—脈狀復(fù)合層理，見垂直蟲孔等生物擾動(dòng)構(gòu)造，電測曲線以低阻、中高伽馬為特征(圖4)。在地震剖面上多表現(xiàn)為中—弱振幅、中—低連續(xù)亞平行或楔狀發(fā)散反射結(jié)構(gòu)。灘壩是在陸源粗碎屑供應(yīng)較充分，湖浪和湖流作用較強(qiáng)的濱淺湖地帶形成的，多見于上侏羅統(tǒng)的中部及下白堊統(tǒng)的上部，巖石類型主要為中砂巖、細(xì)砂巖和粉砂巖，局部可見含礫中砂巖，伽馬及電阻率曲線呈齒化鐘形、漏斗形和箱形。

(2)半深湖—深湖 主要發(fā)育于上侏羅統(tǒng)中上部及中侏羅統(tǒng)，巖性以灰黑色、深灰色厚層泥巖為特征，多夾薄層粉砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r，局部見零星細(xì)砂巖透鏡體，水平層理發(fā)育。伽馬及電阻率曲線呈大套低幅度平直、微齒狀(圖4)。地震上為強(qiáng)振幅、高連續(xù)平行反射結(jié)構(gòu)。

3 沉積演化

在綜合分析北黃海盆地東部坳陷中生界沉積相類型及沉積體系發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合構(gòu)造演化特征及區(qū)域地質(zhì)背景，對(duì)研究區(qū)中生界的沉積演化進(jìn)行了歸納總結(jié)。陸相斷陷盆地的拉張斷陷作用多表現(xiàn)為不連續(xù)的幕式沉降過程［15］，中生代處于斷陷發(fā)育階段，可細(xì)分為3個(gè)時(shí)期:中侏羅世初始斷陷期、晚侏羅世斷陷擴(kuò)展期及早白堊世斷陷萎縮期［9］，不同時(shí)期具有不同的沉積發(fā)育特征(圖6)。

3.1 中侏羅世初始斷陷期

中侏羅世處于初始斷陷期，呈南北雙斷的非對(duì)稱地塹式斷陷的構(gòu)造格局［9，16］，主體沉降速率超過200 m/Ma。由于沉降速率快而處于欠補(bǔ)償狀態(tài)，該時(shí)期巖性主要為深灰色泥巖夾淺灰色薄層粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖。其中以暗色泥巖沉積建造為主的半深湖—深湖亞相占據(jù)了研究區(qū)的大部分區(qū)域，垂向最大沉積厚度達(dá)1 000 m以上。坳陷邊緣受斷裂控制，發(fā)育少量小型扇三角洲、三角洲沉積(圖6)，物源主要來自南北兩側(cè)的隆起區(qū)。

3.2 晚侏羅世斷陷擴(kuò)展期

晚侏羅世構(gòu)造活動(dòng)減弱并趨于穩(wěn)定，構(gòu)造面貌稍有變化，呈南斷北超的構(gòu)造格局［9，16］。基底沉降速率減緩，沉降速率約100 m/Ma，沉積物向盆內(nèi)進(jìn)積。垂向整體上為一個(gè)完整的湖進(jìn)—湖退旋回。早期在北部緩坡區(qū)發(fā)育三角洲沉積體系，三角洲前緣亞相非常發(fā)育，陸源碎屑物主要從北部輸入分多支向南部和西南部延伸，控制了坳陷的主體沉積格局。在南部控坳斷裂的下降盤及東部陡坡區(qū)，見多個(gè)小型扇三角洲沉積。中后期湖平面上升，湖水向隆起區(qū)擴(kuò)展，水域面積擴(kuò)大，發(fā)育暗色泥巖為主的半深湖—深湖沉積，在北部緩坡區(qū)見三角洲前緣沉積(圖6)。

3.3 早白堊世斷陷萎縮期

早白堊世繼承晚侏羅世的構(gòu)造格局持續(xù)發(fā)展，由斷陷逐漸演變?yōu)閿噗杲Y(jié)構(gòu)［9，16］。該時(shí)期氣候干熱［17］，巖性整體為以紅色色調(diào)為主的雜色碎屑巖組合，垂向發(fā)育兩套辮狀河三角洲—濱淺湖正旋回沉積序列。其中下部旋回全區(qū)普遍分布，沉積物呈下粗上細(xì)的正旋回，旋回早期北部緩坡區(qū)發(fā)育大型辮狀河三角洲沉積，物源來自北部隆起區(qū)。南部及東部斷裂的下降盤，則發(fā)育多個(gè)扇三角洲沉積。晚期湖泊水體范圍相對(duì)擴(kuò)大，三角洲向坳陷邊緣退去，主要以濱淺湖沉積為主。受燕山晚期抬升剝蝕作用的影響［16］，上部旋回僅分布在研究區(qū)的西北部，主要發(fā)育雜色砂礫巖、細(xì)砂巖為主的辮狀河三角洲沉積。

4 結(jié)論

圖6 中生界連井沉積相剖面Fig.6 Section of sedimentary facies in Mesozoic

(1)北黃海盆地東部坳陷中生界發(fā)育扇三角洲、辮狀河三角洲、三角洲及湖泊等4種沉積相類型。

(2)中生界沉積演化受構(gòu)造發(fā)育階段控制，中侏羅世處于初期斷陷期，半深湖—深湖亞相發(fā)育，僅在邊緣見少量、小規(guī)模的扇三角洲沉積。晚侏羅世處于斷陷擴(kuò)展期，早期北部緩坡發(fā)育三角洲沉積，南部及東部陡坡見扇三角洲沉積，中后期則由于湖平面上升，形成暗色泥巖為主的半深湖—深湖沉積，晚期在北部緩坡區(qū)見三角洲前緣沉積。早白堊世處于斷陷萎縮期，垂向?yàn)?個(gè)正旋回沉積序列，其中旋回下部以扇三角洲、辮狀河三角洲相為主，向上漸變?yōu)闉I淺湖沉積。

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