基于地震沉積學(xué)的古河道展布特征與演變過程
——以川東北通南巴背斜中下侏羅統(tǒng)為例

孫少川， 李令喜， 劉 懿， 袁 波， 尹 青， 張 斌

(1. 中國(guó)石化中原油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001； 2. 中國(guó)石化中原油田分公司 油氣勘探管理部，河南 濮陽(yáng) 457001； 3. 中國(guó)石油青海油田分公司 采油三廠，青海 海西州 816499 )

0 引言

地震沉積學(xué)將層序地層學(xué)、沉積學(xué)與地球物理學(xué)進(jìn)行有效的結(jié)合[1]，能夠?qū)Τ练e現(xiàn)象、沉積體系及沉積演化進(jìn)行研究與質(zhì)控，具有高分辨率與良好的地震成像效果[2]。地震沉積學(xué)研究是利用地震水平分辨率開展多種沉積體系的平面展布研究，特別是地層切片的使用，使地震沉積學(xué)對(duì)沉積體系的精細(xì)研究進(jìn)入新階段[3-4]，在傳統(tǒng)的地震切片技術(shù)基礎(chǔ)上，地震沉積學(xué)逐漸發(fā)展RGB地震屬性融合[5-7]、頻譜分解與分頻融合[8]、分頻振幅主因子分析(PCA)[9]等技術(shù)與方法，為海陸相沉積特征刻畫、三維地震成像、定量沉積學(xué)解釋與儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方面提供技術(shù)支持。

地震沉積學(xué)理論與技術(shù)方法廣泛應(yīng)用于被動(dòng)大陸邊緣的深水水道體系[10-13]，陸相古河道研究較少，主要由于水道體系的下切深度存在較大差異。深水水道主要表現(xiàn)為同向軸的下切反射特征，水道下切深度大[14-16]，地震剖面上常呈“V”型谷或“U” 型谷的下切特征；陸相河道體系的河床切割深度一般在10～40 m之間，在地震剖面上僅占半個(gè)相位左右；陸相古河道在地震剖面上未出現(xiàn)明顯的“V”型谷的下切特征，一般僅有振幅增強(qiáng)。因此，陸相古河道研究相較于被動(dòng)大陸邊緣水道體系研究較為困難，導(dǎo)致陸相古河道研究較少。

四川盆地東北部(川東北)地區(qū)毗鄰米倉(cāng)山與大巴山造山帶，構(gòu)造復(fù)雜，地層受到不同方向應(yīng)力體系的強(qiáng)烈作用，斷裂極為發(fā)育，沉積相帶的認(rèn)識(shí)不清晰。由于川東北地區(qū)沉積相研究主要依靠區(qū)域沉積相研究成果，缺少高精度沉積體系展布與演化認(rèn)識(shí)，通南巴背斜侏羅系未作為油氣勘探的重點(diǎn)目的層，勘探程度低，基礎(chǔ)地質(zhì)資料少。以地震沉積學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用三維地震資料較高的橫向分辨率，研究川東北地區(qū)通南巴背斜中下侏羅統(tǒng)古河道體系，分析古河道體系類型與展布特征，研究古河道演變過程，為川東北地區(qū)陸相侏羅系勘探提供技術(shù)支持。

1 地質(zhì)概況

川東北地區(qū)通南巴背斜位于米倉(cāng)山?jīng)_斷構(gòu)造帶和大巴山弧形沖斷構(gòu)造帶的構(gòu)造疊合區(qū)，由通南巴背斜、池溪凹陷與通江凹陷構(gòu)成(見圖1)，是四川盆地僅次于威遠(yuǎn)背斜的第二大背斜構(gòu)造帶[17-19]。通南巴背斜構(gòu)造帶極為復(fù)雜，自印支運(yùn)動(dòng)晚期以來，受米倉(cāng)山構(gòu)造帶近S—N向和大巴山逆沖推覆帶近NE—SW向的多次構(gòu)造擠壓，形成一系列的斷層、裂縫和褶皺。米倉(cāng)山構(gòu)造帶的擠壓主要形成通南巴背斜NEE—SWW向主體構(gòu)造，大巴山逆沖推覆帶的擠壓導(dǎo)致通南巴背斜形成一系列NNW—SSE向的斷層和褶皺[20]，后期形成通南巴背斜構(gòu)造帶現(xiàn)今的構(gòu)造格局。

圖1 通南巴背斜構(gòu)造帶地理位置、地貌與地層特征Fig.1 Geographical location, geomorphology and stratigraphic characteristics of Tongnanba Structural Belt

川東北地區(qū)鄰近造山帶，侏羅系整體為一套以河流—三角洲沉積為主的典型陸源碎屑沉積。早侏羅世，受燕山運(yùn)動(dòng)Ⅰ幕影響，南秦嶺碰撞造山帶發(fā)生逆沖推覆，大巴山構(gòu)造帶劇烈隆升，在萬(wàn)源一通江一巴中一線，川東北地區(qū)由北東向南西方向發(fā)育河流沖積平原一辮狀河三角洲一濱淺湖沉積體系[21]。四川盆地北部邊緣廣泛發(fā)育以河流沉積為主的沖積平原，巖性主要為灰色、灰綠色的石英砂巖、泥巖及深灰色砂巖，至千佛崖組沉積晚期，出現(xiàn)紫紅色砂泥巖，砂巖的成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度低，交錯(cuò)層理、底沖刷構(gòu)造常見，為明顯的河流相特征[22]。晚侏羅世，受燕山運(yùn)動(dòng)Ⅱ幕影響，龍門山北段進(jìn)入造山帶巖漿活動(dòng)高峰期，龍門山北段進(jìn)入劇烈構(gòu)造階段[23]，盆地北緣大巴山在構(gòu)造大背景下繼續(xù)逆沖推覆，盆緣兩大造山帶同時(shí)隆升向盆內(nèi)提供物源。川東北北緣南江—通江—萬(wàn)縣一帶發(fā)育寬闊的河流沖積平原，往南西方向在巴中地區(qū)一帶發(fā)育三角洲[24]。

2 體系域劃分

2.1 頻譜屬性趨勢(shì)分析

基于由基準(zhǔn)面變化(海、湖平面)形成的經(jīng)典層序地層學(xué)理論，VAIL P R等[25]建立一套預(yù)測(cè)性的體系域模型。體系域是基準(zhǔn)面變化周期中連續(xù)速度變化的響應(yīng)?；鶞?zhǔn)面變化(海、湖平面)周期與沉積物的垂向旋回、古水深旋回具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[26]。根據(jù)陸相湖盆層序地層學(xué)原理，一個(gè)實(shí)際沉積層序的形成來自多個(gè)旋回性外力的復(fù)合驅(qū)動(dòng)，具有分級(jí)嵌套性，因此采用常規(guī)測(cè)井曲線難以直觀識(shí)別層序地層的演化趨勢(shì)與過程。頻譜屬性趨勢(shì)分析技術(shù)INPEFA(Integrated Prediction Error Filter Analysis)是以米蘭科維奇旋回理論為基礎(chǔ)的半定量地層旋回分析技術(shù)方法[27]。路順行等[28]、朱紅濤等[29]、袁野等[30]、YUAN Rui等[31]等在渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地、蘇北盆地、準(zhǔn)噶爾盆地等進(jìn)行層序地層劃分與演化分析，通過常規(guī)基礎(chǔ)地質(zhì)資料與分析化驗(yàn)資料驗(yàn)證，具有較高的可行性與準(zhǔn)確率。該方法利用測(cè)井曲線的縱向高分辨率特征，采用滑動(dòng)時(shí)窗譜分解法挖掘原始測(cè)井曲線中隱藏的地層發(fā)育趨勢(shì)和模式，可以有效識(shí)別基準(zhǔn)面變化(海、湖平面)周期。INPEFA 曲線負(fù)趨勢(shì)代表水進(jìn)過程，氣候逐漸濕潤(rùn)；正趨勢(shì)代表逐漸干旱的水退過程；負(fù)向拐點(diǎn)表征湖泛面；正向拐點(diǎn)表征層序界面。通南巴背斜勘探程度低，缺少基礎(chǔ)地質(zhì)資料，根據(jù)測(cè)井資料，應(yīng)用INPEFA技術(shù)分析基準(zhǔn)面的旋回變化并確定體系域的劃分。根據(jù)測(cè)井地質(zhì)學(xué)原理，自然伽馬曲線相較于其他測(cè)井曲線最能敏感反映泥質(zhì)含量變化，頻譜屬性趨勢(shì)分析采用自然伽馬曲線。

2.2 體系域劃分

川東北地區(qū)通南巴背斜中下侏羅統(tǒng)INPEFA曲線呈明顯的旋回特征(見圖2)。由圖2可知，自流井組表現(xiàn)為基準(zhǔn)面緩慢上升的水進(jìn)特征，至自流井組頂部時(shí)，湖平面持續(xù)上升并形成最大湖泛面。四川盆地中下侏羅統(tǒng)的層序劃分以自流井組頂部介殼灰?guī)r為標(biāo)志層，標(biāo)志層廣泛發(fā)育于四川盆地，向四川盆地邊緣造山帶逐步過渡為介殼砂巖、砂巖。自流井組頂部沉積時(shí)期形成四川盆地侏羅系最大湖泛面。通南巴背斜自流井組頂部主要以介殼砂巖、砂巖為標(biāo)志，在地震反射結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為砂巖上部發(fā)育全區(qū)穩(wěn)定分布的連續(xù)強(qiáng)振幅反射特征。巖性由自流井組底部粗碎屑雜色砂礫巖向上逐漸變細(xì)，過渡為最大湖泛面的深色泥頁(yè)巖、介殼砂巖。千佛崖組基準(zhǔn)面由最大湖泛面開始快速下降，沉積巖顏色由深色向淺色、棕色、棕紅色轉(zhuǎn)變，表明沉積環(huán)境由還原環(huán)境向氧化環(huán)境轉(zhuǎn)變[20,24]。研究區(qū)中下侏羅統(tǒng)基準(zhǔn)面變化呈現(xiàn)一個(gè)完整的基準(zhǔn)面升降旋回，自流井組表現(xiàn)為基準(zhǔn)面的上升形成湖侵體系域(TST)，千佛崖組表現(xiàn)為基準(zhǔn)面的下降形成高位體系域(HST)，最大湖泛面(MFS)為兩套地層的分界線。地震反射特征上，體系域的識(shí)別也較為明顯，INPEFA曲線顯示最大湖泛面處為一連續(xù)強(qiáng)振幅反射界面，上部高位體系域千佛崖組與下部低位體系域自流井組被最大湖泛面分開，地震反射差異明顯。

3 古河道刻畫及分布特征

近年來，分頻RGB融合技術(shù)在古水道沉積體系的刻畫與成像方面取得成果，采用分頻RGB融合技術(shù)可以提高對(duì)地質(zhì)異常體的識(shí)別與分辨能力。川東北地區(qū)通南巴背斜為一緊鄰米倉(cāng)山的山前構(gòu)造帶，斷裂體系極為發(fā)育并對(duì)古河道的識(shí)別與刻畫產(chǎn)生干擾。為降低斷層信息的干擾，采用基于沉積相巖性體的頻譜特征，進(jìn)行分頻RGB融合刻畫沉積體展布范圍與幾何形態(tài)?？v向上共刻畫4套(湖侵體系域兩期曲流河河道、高位體系域早期順直型河道與晚期辮狀河河道)古河道體系，河道體系形態(tài)清晰，河道縱向演化差異明顯，并對(duì)4套古河道體系的古河道長(zhǎng)度、河面平均寬度、河道彎曲因數(shù)、河網(wǎng)密度與河道面積進(jìn)行定量化表征(見表1)，確定古河道類型。研究古河道體系展布的同時(shí),確定米倉(cāng)山并非川東北地區(qū)中下侏羅統(tǒng)物源供給的來源，該時(shí)期米倉(cāng)山尚未形成，與米倉(cāng)山磷灰石裂變徑跡年代學(xué)數(shù)據(jù)證實(shí)的米倉(cāng)山形成于晚侏羅世的認(rèn)識(shí)一致[32]。

圖2 研究區(qū)INPEFA曲線與地震反射特征的連井體系域特征(最大湖泛面拉平)Fig.2 INPEFA cycle variation and seismic reflection characteristics of well-connecting in study area(flattening the MFS)

3.1 地震反射特征

同一沉積時(shí)期的巖性組合具有相同或相近的地震頻譜特征。采用分頻RGB融合技術(shù)獲得地震反射特征：首先，分析沉積相的地震頻譜響應(yīng)特征，確定巖性組合的有效頻帶分布與主頻；其次，采用譜分解技術(shù)建立目標(biāo)巖性組合不同頻率的振幅調(diào)諧體；最后，將目標(biāo)巖性組合不同頻率振幅調(diào)諧體進(jìn)行融合混色，形成具有通頻信息的融合數(shù)據(jù)體，突出不同主頻數(shù)據(jù)體對(duì)沉積體的分辨能力，尤其對(duì)具有明顯幾何形態(tài)的特殊地質(zhì)異常體(如鹽丘、河道、斷裂等)具有良好的分辨效果。地震頻率主要根據(jù)不同沉積亞相巖性組合厚度的差異描述沉積相，對(duì)于河流相沉積，河床亞相砂巖厚度大，采用低頻資料描述更為清晰，堤岸亞相、河漫亞相的砂巖厚度較河床亞相的低，采用有效帶寬內(nèi)的高頻資料更容易描述識(shí)別。地震主頻是能量最強(qiáng)的波動(dòng)對(duì)應(yīng)的頻率，對(duì)沉積現(xiàn)象的描述更具有宏觀性。以湖侵體系域早期(slice1)為例，河道砂巖地震反射表現(xiàn)為強(qiáng)振幅特征，河道砂巖主頻為20 Hz時(shí)，振幅最大；低頻為10 Hz時(shí)，振幅為0.6，反映河床亞相；高頻為45 Hz時(shí)，振幅為0.6，主要反映堤岸沉積或河漫亞相(見圖3)。通過3個(gè)頻率的RGB融合，避免沉積現(xiàn)象刻畫的片面性，提升沉積現(xiàn)象刻畫的準(zhǔn)確度，使河流沉積體系的邊界更加清晰(見圖4)。地震響應(yīng)表現(xiàn)為垂直河道同向軸強(qiáng)振幅、不連續(xù)反射，河道與周圍沉積體巖性存在差異；河道內(nèi)部表現(xiàn)為同向軸的強(qiáng)振幅、連續(xù)反射，反映河道的連續(xù)性沉積(見圖5)。

圖3 研究區(qū)河道砂巖地震頻譜響應(yīng)Fig.3 Seismic spectrum response of sandstone in the study area

圖4 10、20、45 Hz頻率的研究區(qū)古河道展布特征Fig.4 Resolution characteristics of ancient river channels at 10, 20 and 45 Hz in the study area

圖5 研究區(qū)古河道地震反射特征Fig.5 Seismic reflection characteristics of ancient river channels in the study area

3.2 古河道分布與類型

根據(jù)分頻RGB融合技術(shù)與地震切片的高分辨率縱向演化，川東北地區(qū)通南巴背斜帶中下侏羅統(tǒng)自下而上發(fā)育4套古河道。河道類型(河型)是指河流流路的形態(tài)，通常把河型分為曲流、辮流、順直3種，可以根據(jù)河道彎曲因數(shù)區(qū)分河道類型[33-34]。

曲流型河道呈蜿蜒曲折的流路，是沖擊平原河流最常見的一種河型。湖侵體系域自流井組沉積時(shí)期發(fā)育兩套曲流型古河道(見圖6)，一套為早期形成的古河道(slice1)，主要發(fā)育于池溪凹陷與通南巴背斜，自流井組沉積早期，古河道主要為北部池溪凹陷的NE—SW向展布，規(guī)模大，切片RGB屬性融合顯示河道在研究區(qū)內(nèi)延伸44.033 km，河面(河曲帶)平均寬度為1 091.536 m，河道面積為73.429 3 km2，河道彎曲因數(shù)為1.49，河道凹岸具有明顯的側(cè)向遷移特征，為一大型曲流型河道，是自流井組沉積早期研究區(qū)內(nèi)最主要的古河道。研究區(qū)南部通江凹陷在同一時(shí)期發(fā)育一條局限的曲流型河道，彎曲因數(shù)為1.47，河道長(zhǎng)度為20.852 km，表現(xiàn)為延伸穩(wěn)定的高彎度曲流型河道，在研究區(qū)內(nèi)分布局限。自流井組第二套古河道(slice2)體系發(fā)育于自流井組沉積末期，切片RGB屬性融合顯示兩條河道分布于通南巴背斜帶與南部通江凹陷。該時(shí)期古河道分布特征比早期河道分布的規(guī)模小，兩條河道長(zhǎng)度在30.00 km左右，河面寬度為600 m，河道平均彎曲因數(shù)為1.31。在通南巴背斜帶河道鉆遇30 m厚層砂巖。湖侵體系域自流井組沉積時(shí)期，兩套古河道河網(wǎng)密度很小，為0.061、0.056 km/km2(見表1)，古河道體系表現(xiàn)為典型的高彎度、低密度、彼此孤立穩(wěn)定分布的曲流型河道特征，即單流路蜿蜒擺動(dòng)(meandering)特征。

高位體系域千佛崖組沉積時(shí)期，發(fā)育早期(slice3)與晚期(slice4)兩套古河道體系(見圖7)，古河道主要分布于北部的池溪凹陷與南部的通江凹陷。切片RGB屬性融合顯示兩套古河道體系物源方向相同，北部池溪凹陷古河道物源供給來自東北方向，南部通江凹陷河道物源供給來自東南方向。高位體系域早期，河道為湖侵體系域向高位體系域轉(zhuǎn)變的過渡型河道帶，發(fā)育7條主干河道，河網(wǎng)密度大，為0.247 km/km2(見表1)；古河道體系存在明顯的南北差異，南部通江凹陷古河道平面形態(tài)表現(xiàn)為較順直的單一型河道，河道延伸穩(wěn)定，彎曲因數(shù)明顯低于北部池溪凹陷與通南巴背斜帶的。高位體系域早期發(fā)育的古河道規(guī)模大、順直且穩(wěn)定，古河道彎曲因數(shù)低，表現(xiàn)為典型順直型河道。千佛崖組沉積晚期，南部河道彎曲度增加，彎曲因數(shù)增大，河道分汊現(xiàn)象明顯，河道間彼此交叉、互相切割形成高密度曲流型河網(wǎng)。

圖6 研究區(qū)湖侵體系域古河道體系展布Fig.6 The distribution of the ancient channel system of TST in the study area

表1 通南巴背斜主要古河道參數(shù)

根據(jù)研究區(qū)古河道體系的展布特征，湖侵體系域與高位體系域古河道體系具有差異，主要表現(xiàn)為河網(wǎng)密度與河道類型的差異。高位體系域兩套河道體系的河網(wǎng)密度分別為0.247(slice3)、0.263 km/km2(slice4)，遠(yuǎn)高于湖侵體系域0.061(slice1)、0.056 km/km2(slice2)的河網(wǎng)密度；湖侵體系域主要為彼此孤立的穩(wěn)定河流體系，高位體系域河網(wǎng)密度高，形成交叉疊置的多河道系統(tǒng)。河流類型方面，湖侵體系域古河道體系為曲流型河道；高位體系域早期為順直型古河道，晚期為網(wǎng)狀曲流型古河道。

圖7 研究區(qū)高位體系域古河道體系展布Fig.7 The distribution of the ancient channel system of HST in the study area

4 古河道演變過程

由基準(zhǔn)面差異性升降引起可容空間與物源供給速率的變化導(dǎo)致沉積動(dòng)力響應(yīng)的差異，進(jìn)而在不同沉積體系域內(nèi)發(fā)生沉積物差異體積分配，在河流沉積演化過程中形成不同的河道類型與平面展布形態(tài)。INPEFA曲線的升降代表基準(zhǔn)面的變化，斜率變化表征基準(zhǔn)面的升降速度，根據(jù)米蘭科維奇旋回理論，對(duì)INPEFA曲線進(jìn)行高頻干擾抑制與低頻背景消除[35-36]，得到基準(zhǔn)面旋回變化曲線。

研究區(qū)早侏羅統(tǒng)自流井組沉積時(shí)期處于基準(zhǔn)面上升的湖擴(kuò)期，物源供給減少，可容空間增大，可容空間增加速率(ΔA)大于沉積物供給速率(ΔS)；河道垂向加積速度大于河道側(cè)向加積遷移速度，河道處于欠補(bǔ)償狀態(tài)，發(fā)展成為湖侵體系域彼此孤立的曲流河古河道沉積(見圖8)。隨基準(zhǔn)面上升，湖盆持續(xù)擴(kuò)大，發(fā)育形成自流井組沉積末期的區(qū)域性最大湖泛面；至千佛崖組沉積早期，基準(zhǔn)面由升轉(zhuǎn)降，物源供給速率增加緩慢；可容納空間快速減小，河網(wǎng)密度增加，河道以垂向加積為主、側(cè)向加積為輔，形成多河道體系的順直河道。隨基準(zhǔn)面持續(xù)下降，沉積物供給速率快速增加，可容空間持續(xù)減小，河道由以垂向加積為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詡?cè)向加積和側(cè)向侵蝕、遷移為主，形成高位體系域晚期高彎度的曲流河網(wǎng)體系。>

圖8 研究區(qū)古河道演變過程Fig.8 Evolution process of ancient river channel in the study area

5 結(jié)論

(1)川東北地區(qū)通南巴背斜帶自流井組沉積時(shí)期基準(zhǔn)面處于上升旋回(湖侵體系域)，千佛崖組沉積時(shí)期基準(zhǔn)面處于下降旋回(高位體系域)。

(2)研究區(qū)古河道類型包括3類：湖侵體系域曲流型河道、高位體系域早期順直型河道與高位體系域中晚期網(wǎng)狀曲流型河道。湖侵體系域曲流型河道為高彎曲度孤立河道系統(tǒng)，河道體系穩(wěn)定。高位體系域早期順直型河道具有彎曲因數(shù)低、河網(wǎng)密度高的特點(diǎn)。高位體系域中晚期河道交叉、切割現(xiàn)象明顯，發(fā)育辮狀河網(wǎng)系統(tǒng)，河網(wǎng)密度大。

(3)基準(zhǔn)面上升期，研究區(qū)物源供應(yīng)速度小于可容空間增加速度，河道垂向加積速度大于側(cè)向加積速度，形成基準(zhǔn)面上升期的孤立高彎度曲流河體系?；鶞?zhǔn)面下降早期，物源供給速率增加緩慢，可容納空間快速減小，沉積動(dòng)力響應(yīng)以河道的垂向加積為主、側(cè)向遷移為輔，形成多河道體系的順直型河道。隨基準(zhǔn)面持續(xù)下降，沉積物供給快速增加，可容空間持續(xù)減小，河道側(cè)向加積與遷移加強(qiáng)，河道由順直河網(wǎng)體系轉(zhuǎn)變?yōu)榍骱泳W(wǎng)體系。