三角洲—淺海沉積體系泥質(zhì)沉積規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)
——以瓊東南盆地崖南凹陷為例

屈 童，高 崗，徐新德，王 瑞，甘 軍，梁 剛，游君君

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；3.中海石油（中國(guó)）有限公司 湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

泥質(zhì)沉積物的沉積對(duì)烴源巖的發(fā)育有重要意義，大量研究表明有機(jī)質(zhì)通常以吸附態(tài)附著在沉積物顆粒表面，所吸附的量與沉積物的比表面積有關(guān)［1-3］，而單位質(zhì)量所具有的總面積與沉積物的粒度成反比，即有機(jī)碳含量與沉積物碎屑粒度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［4-6］。因此，深入研究泥質(zhì)沉積物的沉積規(guī)律十分重要。關(guān)于細(xì)粒沉積規(guī)律主要集中在對(duì)現(xiàn)代表層沉積的研究上［4，7-9］，主要是由于地質(zhì)歷史時(shí)期沉積特征的研究缺少樣品，僅鉆井處可以取樣。沉積模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是目前地質(zhì)研究工作中少有的“正演”模擬研究方法，前人利用沉積模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要對(duì)砂體發(fā)育規(guī)律、儲(chǔ)層甜點(diǎn)預(yù)測(cè)及其影響因素進(jìn)行了較多研究［10-12］，本次將該方法應(yīng)用于細(xì)粒沉積物沉積規(guī)律的研究中，觀察沉積物沉積過程，分析泥質(zhì)沉積規(guī)律。

瓊東南盆地是我國(guó)南海深水區(qū)重要的油氣勘探領(lǐng)域之一［13］，目前已在陵水、寶島、長(zhǎng)昌凹陷等取得重要勘探成果，勘探前景樂觀［14-15］，而崖南凹陷自崖城13-1 凸起上發(fā)現(xiàn)崖城13-1 氣田外，勘探成果極少，說(shuō)明該區(qū)成藏地質(zhì)條件較為復(fù)雜［16］。近年來(lái)，南海深水區(qū)油氣勘探研究發(fā)現(xiàn)了陸源有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)［17］，崖南凹陷崖城組陸源海相泥巖具有巨大的生烴潛力，但由于深水區(qū)崖城組氣源巖鉆遇較少，且都受油基泥漿污染，很難對(duì)烴源巖進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，因此，泥質(zhì)沉積物沉積規(guī)律的研究不僅對(duì)南海地區(qū)烴源巖優(yōu)勢(shì)發(fā)育區(qū)的預(yù)測(cè)有重要的意義，更對(duì)未來(lái)油氣勘探方向有重要的指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

崖南凹陷［圖1（a）］［18-19］位于瓊東南盆地北部坳陷帶的西南部，平面上呈喇叭狀，剖面上為箕狀斷陷。瓊東南盆地的基底由古近系的火成巖、變質(zhì)巖及沉積巖組成，盆地主要發(fā)育古近系、新近系和第四系沉積蓋層［圖1（b）］［20］。漸新統(tǒng)早期崖城組處于斷陷晚期階段，主要為海陸過渡相沉積，之后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｑ蟪练e環(huán)境，整體經(jīng)歷了水體由淺變深再變淺、沉積物由粗變細(xì)再變粗的完整層序演化過程，至崖城組中晚期以濱淺海相沉積為主，是盆地重要的烴源巖層段，由上到下依次可分為崖一段、崖二段和崖三段［21-22］。

圖1 瓊東南盆地區(qū)域構(gòu)造單元?jiǎng)澐峙c地層發(fā)育柱狀圖Fig.1 Regional tectonic unit division and stratigraphic column of Qiongdongnan Basin

崖城組作為盆地重要的烴源巖層一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)層段，崖城組底部普遍發(fā)育礫巖或含礫砂巖，向上粒度逐漸變細(xì)，主要發(fā)育灰白色、淺灰色粗砂巖及含礫砂巖，局部夾薄層深灰色粉砂質(zhì)泥巖；向上至崖二段以灰白色薄層砂巖為主，由于水深逐漸增大，至崖二段上部發(fā)育深灰色厚層泥巖；至崖一段沉積時(shí)期，水深逐漸變淺，發(fā)育灰白色砂巖、深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾煤層和炭質(zhì)泥巖［23］。本次實(shí)驗(yàn)的模擬區(qū)為崖南凹陷西北部的崖13-1 氣田區(qū)，近物源處崖城組崖一段及崖二段地層缺失，僅發(fā)育崖三段地層，以辮狀河三角洲沉積為主，向深水方向逐漸過渡為濱淺海沉積環(huán)境［24-25］。崖南凹陷在崖城組時(shí)期持續(xù)水進(jìn)，古地形整體呈東南傾向，物源方向由西北向東南方向，近物源處坡度約0.1°，向深水方向平均坡度約為0.06°［24，26］。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

本次研究以瓊東南盆地崖南凹陷崖13-1 氣田區(qū)崖城組地質(zhì)背景為實(shí)驗(yàn)原型，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)遵循幾何相似、動(dòng)力相似、運(yùn)動(dòng)相似等理論原則［27］。實(shí)驗(yàn)?zāi)M的工區(qū)范圍長(zhǎng)50 km，寬30 km，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備條件確定實(shí)驗(yàn)水槽有效范圍為長(zhǎng)5 m，寬3 m，幾何比尺為λ=LH/Lm≈10 000∶1（H 為原型，m 為沉積模型，L為長(zhǎng)度，m）。由于實(shí)際研究區(qū)古地形坡度小于0.1°，坡度過緩不利于短時(shí)間實(shí)驗(yàn)室模擬條件下三角洲沉積體的發(fā)育，因此分別設(shè)計(jì)底型坡度為1°～3° 和3°～5° 的2 次坡度相對(duì)較陡的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，2 次實(shí)驗(yàn)僅坡度不同，其他條件均一致。

根據(jù)崖城組巖心粒度分析資料，崖城組沉積物粒度整體較粗，各沉積物粒級(jí)體積分?jǐn)?shù)如表1 所列，據(jù)此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用砂的粒度配比。研究區(qū)崖城組為整體水進(jìn)期，崖三段沉積根據(jù)三級(jí)旋回劃分為3期水進(jìn)，為了避免底型砂對(duì)實(shí)驗(yàn)取樣結(jié)果的影響，在水進(jìn)之前首先進(jìn)行1 期辮狀河三角洲沉積作為底型，記為第1 期，崖城組實(shí)際沉積期次分別記為第2 期，第3 期，第4 期，每期均經(jīng)歷2 次“中水期—洪水期—中水期—枯水期”持續(xù)性供水模式，根據(jù)自然界洪水期、中水期和枯水期大致持續(xù)時(shí)間比例為1∶3∶6，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)洪水期、中水期和枯水期持續(xù)時(shí)間為1∶3∶6。供砂量與供水量需匹配，當(dāng)供水量遠(yuǎn)大于供砂量時(shí)，沉積物將在近物源區(qū)無(wú)法沉積，而當(dāng)供砂量遠(yuǎn)大于供水量時(shí)沉積物則大量堆積無(wú)法搬運(yùn)，因此需通過預(yù)沖水實(shí)驗(yàn)確定不同供水階段的水-砂比例，設(shè)計(jì)洪水期、中水期和枯水期的供水量為6∶3∶1，物源供給量對(duì)應(yīng)為6∶3∶1，結(jié)合研究區(qū)崖三段持續(xù)海侵伴隨短期海退的特征，設(shè)計(jì)各實(shí)驗(yàn)期次水體整體上漲，并伴隨著間斷性水退，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表1 瓊東南盆地崖南凹陷已有鉆井崖城組沉積物粒度統(tǒng)計(jì)Table 1 Grain size of drilling sediments in Yanan Sag，Qiongdongnan Basin %

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Experimental parameters

實(shí)驗(yàn)對(duì)沉積物搬運(yùn)及沉積過程進(jìn)行分析，精細(xì)刻畫最終沉積體切片并采取樣品（圖2），記錄取樣位置坐標(biāo)、層位、特征等信息，最終采取樣品210 樣次，其中實(shí)驗(yàn)1（坡度3°～5°）139 樣次，實(shí)驗(yàn)2（坡度1°～3°）71 樣次。樣品粒度分析由Malvern Master‐sizer 3000 型激光粒度儀測(cè)定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)定性觀察與分析

實(shí)驗(yàn)1 和實(shí)驗(yàn)2 分別進(jìn)行約200 h，均分為4期。實(shí)驗(yàn)過程中，泥質(zhì)沉積物通常不會(huì)在水流直接流經(jīng)的部位沉積，通常在河道間［圖3（a）—（b）］、河道側(cè)緣的河漫部位及沖溝、凹槽等部位［圖3（c）］易于沉積，這是由于水流直接流經(jīng)的部位水動(dòng)力較強(qiáng)、泥質(zhì)沉積物粒度過細(xì)難以懸浮搬運(yùn)的方式沉積，而河道間低洼部位及河漫部位水流量較小，水動(dòng)力較弱，沖溝、凹槽及下切部位由于地勢(shì)較低，這里的水流流速極小或完全處于停滯狀態(tài)，且后期易被掩埋保存，利于泥質(zhì)沉積物的沉積與保存。

圖3 沉積模擬實(shí)驗(yàn)過程照片F(xiàn)ig.3 Photos of sedimentary simulation experiment process

在三角洲平原兩側(cè)的漫溢部位，水流漫出呈面狀溢流，水動(dòng)力強(qiáng)度弱，泥質(zhì)沉積物易于沉積［圖4（a）］，但沉積過程是動(dòng)態(tài)的，當(dāng)河道擺動(dòng)時(shí)，先前漫溢沉積的部位發(fā)育河道會(huì)使得早期沉積的泥質(zhì)沉積物被破壞；在洪水期，物源供給充分，快速堆積使得泥質(zhì)沉積物在近物源處得以保存。三角洲前緣河漫部位，水流呈漫溢狀態(tài)流動(dòng)，水動(dòng)力強(qiáng)度極弱，泥質(zhì)沉積物極易保存［圖4（b）］，但與平原區(qū)一致。在后期河道擺動(dòng)時(shí)，會(huì)將前期已經(jīng)沉積的泥質(zhì)沉積物沖刷到水體中去；在快速水退—水進(jìn)過程中，沉積界面處會(huì)由于可容納空間迅速增大使得沉積物快速堆積從而形成連續(xù)性較好的層狀泥質(zhì)沉積物。

圖4 沉積模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)噘|(zhì)沉積物分布剖面圖（剖面位置見圖2）Fig.4 Distribution profile of argillaceous sediments in sedimentary simulation experiment

3.2 粒度分析測(cè)試結(jié)果

對(duì)采取的210 樣次樣品進(jìn)行粒度分析，結(jié)果顯示，坡度較陡條件下，實(shí)驗(yàn)1 第2 期三角洲平原—前緣泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)可達(dá)0.51%，遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)2 同期的0.02%，但實(shí)驗(yàn)1 前三角洲—淺海區(qū)泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為43.87%，明顯低于實(shí)驗(yàn)2 的50.68%。表明相同供水流量情況下，陡坡條件水動(dòng)力更強(qiáng)，使得三角洲前緣—淺海礫石和粗砂沉積物滑塌，泥質(zhì)沉積物可以搬運(yùn)到更遠(yuǎn)的地方沉積，因此陡坡條件下前三角洲—淺海范圍泥質(zhì)沉積物含量較低（表3）。

表3 不同粒徑組分的占比統(tǒng)計(jì)Table 3 Proportion of components with different particle sizes %

4 泥質(zhì)沉積物分布規(guī)律

4.1 泥質(zhì)沉積物分布特征

對(duì)沉積物粒度分布進(jìn)行分析可得，自三角洲平原向前緣、淺海方向，粒度總體逐漸變細(xì)，河流一旦入海，河流與海水交匯能量抵消，水動(dòng)力強(qiáng)度快速減弱，粒度將快速變細(xì)［圖5（a）—（d）］。實(shí)驗(yàn)1（地形坡度較陡，水動(dòng)力強(qiáng)度較強(qiáng)）條件下河道及砂壩更為發(fā)育，三角洲平原中部及側(cè)緣常出現(xiàn)粒度中值的高值區(qū)［圖5（a）］，這是由于在三角洲平原發(fā)育河道，河道附近常發(fā)育縱向砂壩與斜砂壩，在河口及側(cè)緣常發(fā)育河口壩，河道及砂壩部位粒度均較粗，且泥質(zhì)沉積物難以沉積［圖5（b）—（c）］，較強(qiáng)的水動(dòng)力條件同樣導(dǎo)致深水區(qū)泥質(zhì)沉積物具有非均一性的沉積特征［圖5（b）］，而實(shí)驗(yàn)2（地形坡度較緩，水動(dòng)力強(qiáng)度較弱）條件下，河道及砂壩相對(duì)不發(fā)育，沉積物粒度及泥質(zhì)含量變化趨勢(shì)相對(duì)較為單一，呈單調(diào)遞減趨勢(shì)［圖5（d）—（e）］，水動(dòng)力較弱的條件使得三角洲前緣河道相對(duì)較寬，河道沉積物呈面狀展布較為明顯，三角洲平原—前緣河漫、河道間等部位易于沉積泥質(zhì)沉積物，前三角洲—淺海區(qū)泥質(zhì)沉積規(guī)律相對(duì)更為單一［圖5（f）］。

圖5 沉積模擬實(shí)驗(yàn)粒度分布特征平面圖Fig.5 Grain size distribution characteristics of sedimentary simulation experiment

實(shí)驗(yàn)中粒度中值與物源距離的相關(guān)性均較強(qiáng)，淺海區(qū)粒度明顯減小，平原區(qū)河道或斜坡地區(qū)常富集礫石而粒度最大。坡度較陡時(shí)，河流水動(dòng)力衰減更慢，使得沉積物可以搬運(yùn)至更遠(yuǎn)處，因此實(shí)驗(yàn)2擬合公式的系數(shù)大于實(shí)驗(yàn)1（圖6），即：坡度越大，沉積物粒度減小越慢，沉積物搬運(yùn)距離越遠(yuǎn)，這與實(shí)驗(yàn)觀察特征一致。

圖6 實(shí)驗(yàn)中沉積物粒度中值隨物源距離變化圖Fig.6 Variation of sediment grain size median with provenance distance in the experiment

實(shí)驗(yàn)條件下沉積物粒度中值向遠(yuǎn)離物源方向呈快速減小趨勢(shì)，這與研究區(qū)崖城組沉積物粒度變化趨勢(shì)一致，崖城組Y5 井為三角洲平原沉積，至Y2，Y3 井的三角洲平原-前緣沉積向Y6 井的淺海沉積方向，沉積物粒度中值呈明顯減小趨勢(shì)［圖7（a）］。研究區(qū)崖城組沉積時(shí)期為持續(xù)水進(jìn)過程，垂向上沉積物粒度呈持續(xù)減小趨勢(shì)［圖7（b）］，實(shí)驗(yàn)?zāi)M條件下，垂向上沉積物粒度也呈持續(xù)減小趨勢(shì)［圖7（c）］，與研究區(qū)沉積特征一致。

圖7 崖南凹陷崖城組與沉積模擬實(shí)驗(yàn)粒度分布特征對(duì)比Fig.7 Comparison of grain size distribution characteristics between sedimentary simulation experiment and Yacheng Formation in Yanan Sag

4.2 泥質(zhì)沉積物的搬運(yùn)特征

泥質(zhì)沉積物隨河流搬運(yùn)過程中多呈懸浮搬運(yùn)，隨著搬運(yùn)距離的增大，河流水動(dòng)力強(qiáng)度逐漸減小，懸浮總體的最大粒徑也逐漸減小。因此，當(dāng)懸浮總體最大粒徑衰減為0 時(shí)，即河流運(yùn)載力消減殆盡，泥質(zhì)沉積物無(wú)法被搬運(yùn)而達(dá)到了最大搬運(yùn)距離，因此可利用該關(guān)系確定泥質(zhì)沉積物搬運(yùn)的極限距離。沉積物懸浮總體與跳躍總體的界限值（即該水動(dòng)力條件下可懸浮搬運(yùn)的最大粒徑）可利用粒度分析資料進(jìn)行確定［圖8（a）］，對(duì)2 次實(shí)驗(yàn)及研究區(qū)崖城的沉積物懸浮總體最大界限進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，沉積物懸浮總體最大界限與搬運(yùn)距離呈明顯的指數(shù)型遞減趨勢(shì)，相關(guān)性好。周迅等［28］以粒徑0.45 μm作為懸浮態(tài)和溶解態(tài)區(qū)分界限，認(rèn)為當(dāng)粒徑小于0.45 μm 時(shí)為非顆粒態(tài)沉積物。因此，以0.45 μm確定泥質(zhì)沉積物可搬運(yùn)的最大距離，經(jīng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)1（坡度3°～5°）條件下泥質(zhì)沉積物最大可搬運(yùn)8.39 m［圖8（b）］，實(shí)驗(yàn)2（坡度1°～3°）條件下泥質(zhì)沉積物最大可搬運(yùn)7.18 m［圖8（c）］，崖城組（坡度約0.1°）條件下泥質(zhì)沉積物最大可搬運(yùn)63.94 km［圖8（d）］。將實(shí)驗(yàn)尺度按比例尺等比例放大10 000 倍時(shí)，即坡度3°～5°時(shí)泥質(zhì)沉積物最大可搬運(yùn)83.9 km，坡度1°～3°時(shí)泥質(zhì)沉積物最大可搬運(yùn)71.8 km，坡度0.1°時(shí)泥質(zhì)沉積物最大可搬運(yùn)63.94 km，隨著坡度的減小，泥質(zhì)沉積物的搬運(yùn)距離逐漸減小，沉積范圍也相應(yīng)縮小。

圖8 懸浮顆粒界限粒徑的確定及其隨搬運(yùn)距離變化關(guān)系圖Fig.8 Determination of boundary particle size of suspended particles and its relationship with transport distance

對(duì)實(shí)驗(yàn)1 和實(shí)驗(yàn)2 的沉積物沉積厚度統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，沉積厚度與搬運(yùn)距離之間存在較好的相關(guān)性，三角洲前緣部位是沉積厚度最大的部位［圖9（a）—（b）］，同時(shí)，沉積物泥質(zhì)含量隨搬運(yùn)距離的增大呈指數(shù)型增長(zhǎng)，在前三角洲—淺海區(qū)泥質(zhì)含量突然增多，這是由于河流入海后與海水交鋒，水動(dòng)力突然降低所致［圖9（c）—（d）］。河流入海后，水動(dòng)力強(qiáng)度驟降，導(dǎo)致泥質(zhì)含量的快速增大，但同時(shí)也使得沉積物總量快速的持續(xù)減少，因此泥質(zhì)沉積物的優(yōu)勢(shì)沉積區(qū)應(yīng)為沉積厚度和泥質(zhì)含量均相對(duì)較大部位，即前三角洲—淺海范圍的近岸海域，遠(yuǎn)離海岸方向雖然泥質(zhì)含量的百分比持續(xù)增大，但沉積物的總量在不斷減少，從而使得泥質(zhì)沉積物的總量依然呈減少趨勢(shì)。

圖9 沉積物沉積厚度及泥質(zhì)含量與搬運(yùn)距離關(guān)系圖Fig.9 Relationships of transportation distance with sedimentary thickness and argillaceous content

5 結(jié)論

（1）將沉積模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于泥質(zhì)沉積物分布規(guī)律的研究中，通過實(shí)驗(yàn)過程觀察可得，泥質(zhì)沉積物主要沉積于水動(dòng)力較弱、地勢(shì)較低的部位，如三角洲分流河道之間、早期沖溝與凹槽、河漫灘及三角洲前緣等。

（2）實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果顯示，地形坡度較陡條件下河道及砂壩更為發(fā)育，這些部位粒度均較粗，且泥質(zhì)沉積物難以沉積，深水區(qū)泥質(zhì)沉積物具有非均一性的沉積特征，而地形坡度較緩條件下，沉積物粒度及泥質(zhì)含量變化趨勢(shì)相對(duì)較為單一。坡度越緩，水動(dòng)力越弱，沉積物搬運(yùn)距離越小，沉積范圍越小。

（3）利用粒度資料對(duì)泥質(zhì)沉積物的最大搬運(yùn)距離進(jìn)行計(jì)算，實(shí)驗(yàn)1（坡度3°～5°）條件下泥質(zhì)沉積物最大可搬運(yùn)8.39 m，實(shí)驗(yàn)2（坡度1°～3°）條件下最大可搬運(yùn)7.18 m，崖城組（坡度約0.1°）條件下沉積物最大可搬運(yùn)63.94 km，將實(shí)驗(yàn)條件按比例尺等比例放大與研究區(qū)崖城組計(jì)算結(jié)果對(duì)比可得，隨著坡度的減小，泥質(zhì)沉積物的搬運(yùn)距離逐漸減小，沉積范圍也相應(yīng)縮小，但泥質(zhì)沉積物沉積厚度更大，泥質(zhì)沉積物沉積中心位于前三角洲—淺海過渡區(qū)，這也是陸源海相泥巖發(fā)育的位置，對(duì)陸緣盆地?zé)N源巖的研究有重要指導(dǎo)意義。