從青海湖現(xiàn)代沉積看鄂爾多斯盆地延長組灘壩砂體的發(fā)育與保存

王 菁,劉元博，李相博,劉化清,張 平，張志杰,王宏波,黃軍平，完顏容

1中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院;2中國石油長慶油田公司第一采油廠；3中國石油勘探開發(fā)研究院

0 前言

灘壩砂體由于經(jīng)歷了湖浪作用的搬運(yùn)淘洗，物性良好，因而成為近年來中國沉積學(xué)界與石油勘探界關(guān)注的熱點(diǎn)之一［1-2］。

近年來，國內(nèi)很多與灘壩砂體有關(guān)的油氣藏相繼被發(fā)現(xiàn)，例如松遼盆地南部海坨子—大麻蘇湖灣區(qū)青山口組油藏［3］，四川盆地川西坳陷蓬萊鎮(zhèn)組氣藏［4］，以及東部諸多小型斷陷盆地中發(fā)現(xiàn)的油氣藏等［5-10］。同時(shí)，在現(xiàn)代湖盆中也發(fā)育有大規(guī)模的灘壩砂體，例如山東峽山湖東岸大片的灘砂［11］，鄱陽湖松門山島北坡的沿岸灘壩［12］，青海湖東岸和東南岸成排分布的灘砂和壩砂等［13-14］?？傮w而言，國內(nèi)外學(xué)者針對陸相盆地灘壩砂體的類型、沉積特征、分布規(guī)律、沉積模式等方面做了大量的工作，研究較為深入［5-7，10，15-16］。但在鄂爾多斯大型坳陷湖盆延長組的沉積相研究中，以往對濱淺湖灘壩砂體重視不夠，大部分研究者在編制延長組沉積相圖或砂體分布圖時(shí)都采用了“分流河道砂體”的觀點(diǎn)［17-21］；少部分研究者提出了“水下分流河道與河口壩復(fù)合成因”的認(rèn)識［22-25］，也只局限于三角洲范圍內(nèi)。幾乎所有研究者都忽視了三角洲沉積體系之外或者湖灣地區(qū)真正意義上的灘壩砂體的存在。那么，延長組沉積時(shí)究竟有無灘壩砂體沉積？它們分布在哪里？有無油氣勘探價(jià)值？基于這一科學(xué)問題，本文采用“將今論古”的思維和方法，試圖通過對現(xiàn)代沉積濱淺湖灘壩砂體分布規(guī)律的研究，建立古代灘壩砂體的分布預(yù)測模型。

1 青海湖灘壩砂體研究的認(rèn)識與啟示

青海湖是我國最大的內(nèi)陸高原湖泊，除發(fā)育三角洲沉積體系外，濱淺湖沉積也非常發(fā)育，其中灘壩砂大致沿平行湖岸線的方向成排成帶發(fā)育（圖1）。本文作者曾分析了青海湖灘壩砂體的沉積特征、形成與保存的地質(zhì)模式，認(rèn)為物源、風(fēng)動力-水動力、湖盆底形和湖岸線是決定青海湖灘壩形成的主控因素，其中物源為灘壩形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，風(fēng)動力-水動力為沉積物改造及灘壩形成提供了源動力，湖盆底形與湖岸線決定了灘壩形成的平面位置與規(guī)模［13］。同時(shí)，結(jié)合前人對青海湖的形成與演化［26］、現(xiàn)代沉積環(huán)境與沉積相特征的研究成果［27］，作者研究了更新世以來青海湖湖平面（基準(zhǔn)面）升降變化規(guī)律與灘壩砂體分布之間的關(guān)系［13］，得到了一個(gè)重要啟示，即陸源灘壩砂體的形成較為容易，但保存較難。只要具備物源、湖盆底形及風(fēng)動力-水動力等基本條件，低位域、高位域及湖侵域都可能形成灘壩砂體，但只有位于長期基準(zhǔn)面旋回早期或三級層序湖侵期的灘壩沉積才能得到較好的保存。

圖1 青海湖沉積體系展布及尕海古灘砂分布圖（據(jù)文獻(xiàn)［13］）Fig.1 Sedimentary system of Qinghai Lake and distribution of ancient beach sand in Gahai（cited from reference［13］）

2 鄂爾多斯盆地延長組灘壩砂體有利層段與地區(qū)分析

根據(jù)上述對現(xiàn)代青海湖灘壩砂體研究的認(rèn)識，本文從物源供給、湖盆底形、風(fēng)動力-水動力、湖岸線形態(tài)及湖平面變化（層序演化）等方面，對現(xiàn)代青海湖與鄂爾多斯盆地延長組的濱淺湖灘壩沉積進(jìn)行對比研究。

2.1 物源供給特征

灘壩是通過波浪作用對三角洲砂體改造而形成，因而常分布在三角洲前緣側(cè)翼或三角洲之間的湖灣處。注入青海湖的常年河流（非季節(jié)性河流）主要有5條:西岸的布哈河、北岸的烏哈阿蘭河和沙柳河、東北岸的哈爾蓋河及南岸的黑馬河（圖1a），這5條河入湖處均形成不同類型三角洲，為灘壩的形成提供了充足的物源［28］。其中，湖盆南岸與東北岸均為扇三角洲，物源主要為粗碎屑物質(zhì)，因而附近的灘壩以砂礫石等粗粒沉積為主；而位于西岸的布哈河為曲流河三角洲，其附近的湖灣地區(qū)灘壩以粗砂—中細(xì)砂石沉積為主［29-30］。

晚三疊世鄂爾多斯原型盆地周緣被古陸塊或褶皺造山帶所圍限（圖2），因而具有多物源供給的特點(diǎn)，其中阿拉善古陸從西北部向盆內(nèi)輸送物源，陰山褶皺帶從北部、東北部向盆內(nèi)供應(yīng)沉積物，而秦嶺—祁連造山帶是盆地東南部、南部和西南部沉積的物質(zhì)供給者［31-33］。上述物源體系并非同時(shí)、同等程度發(fā)育，而是此強(qiáng)彼弱、互為消長。作者最近的研究也表明［33］，延長組長9—長8時(shí)期的盆地主要發(fā)育東北、西北以及西部物源體系，不存在南部物源體系。由此看來，在延長組長9—長8沉積期，來自盆地3個(gè)方向的三角洲砂體有可能經(jīng)過波浪作用改造、搬運(yùn)在盆地南部地區(qū)（包括西南與東南）形成灘壩砂體。

圖2 晚三疊世鄂爾多斯原型盆地最大湖泛期沉積相圖（據(jù)參考文獻(xiàn)［33］）Fig.2 Sedimentary facies of Ordos prototype basin during the largest lacustrine flooding period in the Late Triassic（cited from reference［33］）

2.2 湖盆底形特征

湖盆底形對灘壩砂體的控制表現(xiàn)在2個(gè)方面：一是影響水動力的強(qiáng)弱，二是決定砂體沉積的規(guī)模。前人研究表明［34-35］，開闊平坦的地形地貌有利于沉積物的垂向加積，是灘壩沉積形成的有利場所。湖盆底形過緩，波浪作用弱，不容易形成高能水動力環(huán)境，難以對沉積物進(jìn)行充分改造，不利于灘壩的形成；湖盆底形太陡，砂體沉積的空間受到限制。顧家裕在“湖泊中的灘與壩”（個(gè)人多媒體材料，2015）中認(rèn)為灘壩砂體發(fā)育的有利坡度不宜超過70 m/km(4°)。青海湖的湖岸帶比較開闊，除部分地區(qū)坡度較陡外（10°±）［29］，大部分地段坡度平緩（小于5°）。

許多學(xué)者對鄂爾多斯盆地延長組沉積期的湖盆底形進(jìn)行過恢復(fù)：傅強(qiáng)等［35］認(rèn)為延長期湖盆東北部的底形坡度為1°～3°，西南部為3°～5°；楊仁超等［36］最新的研究表明盆地西南部坡度約為3.5°～5.5°，東北部約為1.5°～2.5°。上述不同學(xué)者的認(rèn)識基本一致，即延長期湖盆底形具有“北緩南陡”的特征，西南部湖盆底形在4°左右。由此看來，盆地西南部是鄂爾多斯盆地長8—長9灘壩砂體發(fā)育的有利地區(qū)。

2.3 風(fēng)動力-水動力特征

水動力是沉積物再改造及灘壩砂體形成的主要地質(zhì)營力，其大小、方向與風(fēng)力場有關(guān)［37］。風(fēng)不但具有侵蝕、搬運(yùn)和沉積的能力，還可以向水體傳輸能量和動量，營造波浪和風(fēng)生水流，成為盆地濱岸帶沉積物搬運(yùn)的源動力。

青海湖湖盆四周是海拔超過4 000 m的高大山地，屬于西北干旱、半干旱與青藏高寒氣候的交匯之地，常年盛行西北風(fēng)［38-39］，其下風(fēng)區(qū)（迎風(fēng)面）位于盆地東岸的海晏灣到東南岸的耳海一帶。目前的研究資料表明［13］，青海湖現(xiàn)代灘壩砂體沉積也主要分布在這一地區(qū)，從根源來看，顯然這種分布特征與青海湖地區(qū)的風(fēng)力場有關(guān)。在常年西北風(fēng)的作用下，波浪由西（北）向東（南）傳播，沉積物被再改造搬運(yùn)到了下風(fēng)區(qū)的迎風(fēng)面一帶，這是決定青海湖灘壩砂體分布位置的主要原因。

就鄂爾多斯盆地延長組沉積而言，晚三疊世時(shí)季風(fēng)可能對其影響不大，原因是包括鄂爾多斯盆地在內(nèi)的整個(gè)華北地區(qū)當(dāng)時(shí)位于泛大陸東側(cè)古特提斯北部的長條形孤島上［40］，周圍被泛大洋包圍，類似于現(xiàn)今南半球的澳洲，大陸與大洋之間溫度差異不大，氣壓基本上呈帶狀。由于晚三疊世鄂爾多斯盆地古緯度介于北緯25.40°～31.03°［41-42］，處于低緯度信風(fēng)帶上，所以東北信風(fēng)可能對湖盆波浪起重要控制作用，波浪的傳播方向應(yīng)該由東北指向西南方向?？紤]到晚三疊世—中侏羅世期間鄂爾多斯地塊發(fā)生了至少45°的大角度逆時(shí)針構(gòu)造旋轉(zhuǎn)［43］，當(dāng)時(shí)東北信風(fēng)的下風(fēng)區(qū)（迎風(fēng)面）應(yīng)該位于現(xiàn)今盆地的南部地區(qū)（包括西南與東南）。由此說明，從風(fēng)動力-水動力條件看，盆地西南部也是灘壩分布的有利位置。

2.4 湖岸線形態(tài)特征

湖岸線的位置與形態(tài)（凹岸與凸岸）影響水動力能量變化，從而決定灘壩砂體的發(fā)育和分布。從青海湖現(xiàn)代沉積來看，在上風(fēng)區(qū)（背風(fēng)面）波浪改造作用較弱，凹岸（湖岸線向陸地凹進(jìn)）與凸岸（湖岸線向湖內(nèi)凸出）位置均不利于大規(guī)模灘壩的發(fā)育；在下風(fēng)區(qū)（迎風(fēng)面），波浪作用改造較強(qiáng)，在凸岸位置容易形成沙嘴和沙壩沉積（如二郎劍地區(qū)），而在凹岸位置（湖灣）以成排分布的灘沙為主（如東岸海晏灣地區(qū)和耳海地區(qū)）［13］。在鄂爾多斯盆地延長組沉積時(shí)期，現(xiàn)今盆地的西南部整體處于下風(fēng)區(qū)的湖灣背景，因此有利于灘壩砂體（尤其是灘砂）的發(fā)育。

2.5 湖平面變化（層序演化）特征

不論是陸相還是海相環(huán)境，目前發(fā)現(xiàn)的有一定規(guī)模的灘壩體系主要分布在海（湖）侵體系域中［6，44］。以青海湖現(xiàn)代沉積為例，規(guī)模較大的灘壩砂體分布在中上更新統(tǒng)二郎尖組中［13］，從青海湖5 Ma以來的湖平面升降變化規(guī)律看，二郎尖組恰好為湖平面（基準(zhǔn)面）上升旋回即湖侵期的沉積（圖3a）。形成于湖侵背景的古灘壩（二郎尖組）砂體能夠不斷被新的濱岸沉積所覆蓋而得以很好保存，尤其當(dāng)湖平面快速湖侵時(shí)，位于湖岸線附近的早期灘壩砂體及時(shí)被隨后沉積的淺湖泥巖所覆蓋，波浪難以對其持續(xù)改造，因而保存較好［13］。

圖3 湖平面變化與灘壩砂體保存關(guān)系圖Fig.3 Relationship between the change of lake level and the preservation of beach and bar sand bodies

鄂爾多斯盆地延長組組成了一個(gè)完整的二級構(gòu)造層序旋回（超長期基準(zhǔn)面旋回）［45-47］，進(jìn)一步可以劃分出5個(gè)三級層序(長期基準(zhǔn)面旋回)（圖3b）。其中，長10—長7屬于二級構(gòu)造層序早期的沉積，與青海湖灘壩發(fā)育條件相類比，可以看出長10—長7是整個(gè)延長組沉積時(shí)期灘壩砂體得以保存的最有利層位。然而，由于長10期鄂爾多斯盆地主要為河流相沉積［48］，缺少湖泊相沉積，因此不可能發(fā)育灘壩砂體；長81沉積期為淺水湖泊三角洲環(huán)境，湖盆底形平坦，湖浪作用相對較弱［49］，因而也不具備灘壩砂體沉積的條件。對比分析表明，只有長9、長82和長7沉積期既處于二級構(gòu)造層序早期，同時(shí)又位于三級層序湖侵體系域，有利于陸源碎屑灘壩保存。

3 延長組灘壩砂體的確認(rèn)

基于上述灘壩砂體發(fā)育有利地區(qū)、有利層段的研究，重點(diǎn)對鄂爾多斯盆地南部延長組長9—長82—長7的砂體成因進(jìn)行了重新認(rèn)識。在盆地南部地區(qū)（包括東南與西南）延長組長9—長82露頭上，砂體普遍呈席狀或面狀分布，橫向延伸穩(wěn)定，如宜川剖面和旬邑山水河剖面的砂體延伸1 km以上（圖4a，4b）；常見交錯(cuò)層理、沙紋層理以及平行層理等（圖4c）；砂體內(nèi)部不具有單向水流的河道沉積構(gòu)造，砂體底面平坦無沖刷、無滯留沉積（圖4d），垂直蟲孔和原地植物根莖發(fā)育（圖4d）。露頭的綜合特征揭示為濱淺湖相沉積。

圖4 鄂爾多斯盆地東南部延長組露頭剖面照片F(xiàn)ig.4 Outcrop photos of Yanchang Formation in southeastern Ordos Basin

從鉆井巖心看，研究區(qū)長82上部疊置的砂巖沉積構(gòu)造類型多樣，主要表現(xiàn)為底部發(fā)育低角度交錯(cuò)層理（圖5a）、沙紋層理（圖5b,5c）和平行層理，向上多為塊狀層理（圖5d）和板狀交錯(cuò)層理。

圖5 鄂爾多斯盆地環(huán)縣—合水地區(qū)長82典型井巖心沉積構(gòu)造特征Fig.5 Sedimentary structural characteristics of cores of Chang 82 in typical wells in Huanxian-Heshui area,Ordos Basin

從單井沉積相綜合柱狀圖來看，自西向東不同地區(qū)長8砂體特征表現(xiàn)出一定的規(guī)律性（圖6）。以靠近盆地西部強(qiáng)物源區(qū)的H84井、位于東部遠(yuǎn)離強(qiáng)物源區(qū)的Z91井和X171井為例說明。

圖6 鄂爾多斯盆地環(huán)縣—合水地區(qū)典型井長82取心段沉積相綜合柱狀圖(井位見圖8)Fig.6 Comprehensive column of sedimentary facies of coring interval of Chang 82 in typical wells in Huanxian-Heshui area,Ordos Basin（the well positions are shown in Fig.8）

H84井長82取心井段顯示出河道砂巖與灘壩砂巖共存（河壩共生型）的特征（圖6a），河道砂體以中砂巖和細(xì)砂巖為主，垂向顯示為正粒序特征，砂體底部可見沖刷面和泥礫，自然伽馬曲線形態(tài)呈箱形或鐘形；而上部疊置的單砂體為下細(xì)上粗的反粒序，底界面平整，在測井曲線上又表現(xiàn)為漏斗形，顯示為灘壩沉積。Z91井和X171井取心井段巖性多為分選和成熟度較高的粉砂巖和細(xì)砂巖，單層砂體以下細(xì)上粗的反旋回（粒序）居多（圖6b，6c）；由于其厚度較大，在測井曲線上又表現(xiàn)為漏斗形或鋸齒狀，以往生產(chǎn)中多解釋為分流河道沉積。本文研究認(rèn)為這些砂體由于缺少典型河道沉積標(biāo)志，應(yīng)該屬于灘壩成因。多個(gè)灘壩砂體在垂相上疊置（灘壩疊置型），厚度可達(dá)數(shù)十米。對盆地西南部多口井的長82砂體粒度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其粒度概率累積曲線主要有“高斜兩跳一懸夾過渡”式和“高斜兩跳一懸”三段式（圖7）兩種類型，這與前人在松遼盆地和渤海灣盆地發(fā)現(xiàn)的典型灘壩砂體特征非常相似［3，15］，指示長82砂體為灘壩成因。

圖7 鄂爾多斯盆地環(huán)縣—合水地區(qū)長82典型井灘壩砂體粒度概率累積曲線圖（井位見圖8）Fig.7 Probability cumulative grain size curves of beach and bar sand bodies of Chang 82 in typical wells in Huanxian-Heshui area,Ordos Basin（the well positions are shown in Fig.8）

4 延長組灘壩砂體沉積特征及沉積模式

由于鉆遇長8油層組的井較多，資料較為豐富，本文以長82段為例解剖灘壩沉積的空間展布以及含油氣性。在大量鉆井巖心觀察等實(shí)際資料分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人有關(guān)物源及湖盆底形等的研究成果［50-51］，繪制了全盆地延長組長82砂體分布圖（圖8）。圖中顯示盆地西南部湖灣地帶主要發(fā)育2期灘壩沉積，一期位于環(huán)縣—合水一帶，另一期位于華池一線。前人研究證實(shí)，長82沉積時(shí)在環(huán)縣—合水和華池一線存在2期與湖岸線相平行的坡折帶［51］，2期灘壩砂體的展布方向大致與2期（個(gè)）坡折帶相一致，也大致與2期湖岸線相平行。

圖8 鄂爾多斯盆地長82砂體及油藏平面分布Fig.8 Plane distribution of sand bodies and oil reservoirs of Chang 82 in Ordos Basin

從砂體構(gòu)型看，延長組的灘壩沉積并非如青海湖那樣典型的灘壩砂體，而是表現(xiàn)為如前所述的河壩共生型與灘壩疊置型的砂體在平面上的有規(guī)律分布，顯示了該地區(qū)受到三角洲與湖浪作用的雙重影響。正如紀(jì)友亮等［52］認(rèn)為在陸相盆地中，不同時(shí)期的分流河道、河口壩和灘壩砂體可以交織疊加在一起形成“三角洲-灘壩復(fù)合砂體”沉積體系，作者認(rèn)為盆地西南部是以西北阿拉善古陸及西部隴西古陸物源為代表的相對短距離的辮狀河三角洲-灘壩復(fù)合砂體沉積模式（圖9），主要砂體類型為分流河道砂、水下分流河道砂以及灘壩砂。其中，灘壩砂體主要分布在盆地西南部的湖灣處，總體沿著湖岸線呈環(huán)帶狀展布，分布面積為5 800 km2；單個(gè)灘壩砂體多呈不規(guī)則狀分布，厚5～16 m，最厚可達(dá)16 m。

圖9鄂爾多斯盆地長82灘壩砂體沉積模式Fig.9 Sedimentary model of beach and bar sand bodies of Chang 82 in Ordos Basin

盆地西南部的一些高產(chǎn)井均與灘壩砂體有關(guān)。典型的例子是位于研究區(qū)的X171井、H84井等生產(chǎn)井，長82試油日產(chǎn)量分別為35.36 t和13.43 t，巖心觀察與測井解釋證實(shí)產(chǎn)油層段均為灘壩砂體。事實(shí)上，在研究區(qū)長8油層組，目前所發(fā)現(xiàn)的油氣田或高產(chǎn)井大多沿平行于湖岸線的灘壩砂體分布（圖8），由此可見，灘壩砂體直接控制了油氣藏的富集與高產(chǎn)。需要說明的是，從形成與保存條件看，長9—長82在鄂爾多斯盆地東南部有利于灘壩砂體的發(fā)育，但限于勘探程度，目前還不能夠精確描述其平面分布。由于盆地東南部地區(qū)發(fā)育長9期烴源巖系，與同期灘壩砂體構(gòu)成有效生儲蓋組合，因此這一地區(qū)是今后尋找灘壩型油氣藏的有利地區(qū)。

5 結(jié)論

（1）基于對現(xiàn)代青海湖灘壩砂體形成和保存條件研究的認(rèn)識，通過物源供給、湖盆底形、風(fēng)動力-水動力、湖岸線形態(tài)及湖平面變化（層序演化）等方面的對比分析，認(rèn)為晚三疊世延長期鄂爾多斯盆地的西南部是灘壩砂體發(fā)育的有利區(qū)。

（2）通過野外露頭、鉆井巖心、測井曲線等資料的分析，確認(rèn)了鄂爾多斯盆地長9—長82—長7期沉積既處于二級層序的早期，同時(shí)又位于三級層序湖侵體系域，十分有利于陸源碎屑灘壩的保存，并由此編制延長組長82期濱淺湖灘壩砂體分布圖，指出盆地南部（包括西南部與東南部）長9—長82期是灘壩砂體發(fā)育與保存的有利地區(qū)。

（3）建立了盆地西南部以西北阿拉善古陸及西部隴西古陸物源為代表的相對短距離的辮狀河三角洲-灘壩復(fù)合砂體沉積模式，認(rèn)為長82不同時(shí)期的分流河道、河口壩和灘壩砂體交織疊加在一起形成“三角洲-灘壩復(fù)合砂體”沉積體系。指出勘探程度較低的東南部是今后尋找長9—長82灘壩型油氣藏的有利地區(qū)。