遼中凹陷古近系東三段湖底扇沉積特征及控制因素

馬正武，官大勇，王啟明，劉堯均，李曉輝

（中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459）

0 引言

遼中凹陷面積約為4 300 km2，整體呈近北東—南西走向帶狀分布，東部為陡坡斷裂坡折帶與遼東凸起相接，西部為同沉積緩坡向遼西凸起過渡。在“晚期成藏”理論的指導(dǎo)下，本區(qū)的油氣勘探一直以遼西凸起上的構(gòu)造圈閉為主要研究對象，相繼發(fā)現(xiàn)了綏中36-1、旅大4-2，旅大5-2 等一大批新近系大中型油氣田群。隨著勘探的深入，研究區(qū)亟需開拓新的勘探層系，為油氣的增儲上產(chǎn)提供保障。西斜坡一直被認(rèn)為是油氣運移的重要通道，因缺乏大的構(gòu)造圈閉并未引起重視。在斜坡區(qū)各類坡折帶較為發(fā)育，具備尋找湖底扇巖性圈閉的先天條件。湖底扇作為深水重力流沉積的一種類型，這一概念最早是由海底扇引申出來的，借鑒了Walker 的海底扇沉積模式［1］，泛指三角洲前緣尚未完全固結(jié)的碎屑沉積物，在一定的觸發(fā)機制下，沉積物在重力作用下以重力流（滑塌、碎屑流、濁流等）的方式搬運到湖泊深水區(qū)而形成的扇形碎屑巖體［2-3］。得益于優(yōu)良的儲集物性，湖底扇是理想的油氣勘探目標(biāo)。針對湖底扇巖性體的研究工作一直是勘探熱點［4-6］。國內(nèi)的眾多學(xué)者從沉積類型、發(fā)育背景、地震響應(yīng)、儲層描述等方面對湖底扇展開研究，湖底扇的研究方法日趨成熟［7-9］。在渤海海域，對湖底扇的研究工作開展的也比較早。前期學(xué)者系統(tǒng)梳理總結(jié)了渤海古近系湖底扇成因類型、形成機制，指出了斷陷盆地不同類型坡折帶對相應(yīng)沉積體系的控制作用［10-14］，將渤海海域的湖底扇研究推向了新高潮。

當(dāng)前針對遼中凹陷東營組東三段湖底扇砂體勘探取得了一定的成果，但在湖底扇的沉積特征、分類、控制因素方面仍存在一些爭議，制約了下一步的勘探進(jìn)程。綜合分析巖心及巖石學(xué)特征、測井響應(yīng)、地震響應(yīng)等，對遼中凹陷東三段湖底扇的沉積特征，發(fā)育控制因素及沉積展布特征進(jìn)行了研究，以期對該區(qū)下一步的勘探工作提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

遼東灣坳陷位于渤海海域東北部，屬于下遼河坳陷的海域部分，為渤海灣盆地的一個次級單元［15］，面積約2.6×104km2，整體呈NE 走向，其形成明顯受郯廬斷裂帶控制，可劃分為“三凹三凸”共6個次級構(gòu)造單元，分別為遼西凹陷、遼西南凸起、遼西凸起、遼中凹陷、遼東凸起和遼東凹陷，各構(gòu)造單元均呈北東—南西向展布且近似相互平行，形成凸凹相間的構(gòu)造格局（圖1a）［16］。

遼中凹陷表現(xiàn)為東斷西超，是典型的半地塹箕狀斷陷，是遼東灣坳陷重要的富生烴凹陷，可以進(jìn)一步劃分為北、中、南等3 個洼陷［17］。遼中南洼位于遼中凹陷最南部，受郯廬斷裂的走滑與轉(zhuǎn)型、地幔上涌產(chǎn)生的水平拉張、太平洋板塊的俯沖強度與方向改變等諸多因素的影響與控制，其新生代盆地演化具有走滑與拉伸并存的多動力源區(qū)域地質(zhì)背景［18］，其中古近紀(jì)構(gòu)造演化可劃分為3 個階段：①古新世—始新世中期的伸展裂陷階段（裂陷Ⅰ幕，38～65 Ma），此期間揚子板塊受菲律賓板塊作用向北運動，郯廬斷裂左旋走滑；②始新世晚期—漸新世早期的裂后熱沉降拗陷階段（32.8～38.0 Ma），此期間太平洋板塊俯沖由北北西轉(zhuǎn)為北西西，日本群島裂離，印度板塊向歐亞板塊碰撞，郯廬斷裂右旋走滑；③漸新世東營期的走滑拉分再次裂陷階段（裂陷Ⅱ幕，24.6～32.8 Ma），此期間右旋走滑拉分伴隨幔隆和上、下地殼的非均勻不連續(xù)伸展［19-20］。遼中南洼基底為太古宇變質(zhì)巖、花崗巖，古生界碳酸鹽巖和中生界火成巖。古近系包括沙河街組和東營組，其中沙河街組自下而上依次為沙四段（Es4）、沙三段（Es3）、沙二段（Es2）和沙一段（Es1），發(fā)育湖相、扇三角洲、辮狀河三角洲和灘壩等沉積類型；東營組自下而上依次為東三段（Ed3）、東二段（Ed2，分為東二下亞段和東二上亞段）和東一段（Ed1），以湖相、扇三角洲、辮狀河三角洲、曲流河三角洲、湖底扇等沉積為主（圖1b）。本次研究的主要層位是東三段（Ed3），沉積厚度約為800 m，研究工區(qū)面積約為400 km2，發(fā)育有A，B，C 共3 個構(gòu)造，有10 口探井鉆遇東三段地層（圖1a）。根據(jù)遼中凹陷西斜坡構(gòu)造演化特征及沉積充填特征，研究區(qū)東三段劃分為一個三級層序，湖平面經(jīng)歷了一個從上升到下降的完整沉積旋回，整體上可分為早期—低位體系域、中期—湖侵體系域、晚期—高位體系域（圖1b）。

圖1 遼中凹陷區(qū)域構(gòu)造位置（a）和地層綜合柱狀圖（b）Fig.1 Regional tectonic location（a）and comprehensive stratigraphic column（b）of Liaozhong Sag

2 湖底扇沉積特征

2.1 巖石學(xué)特征

遼中凹陷古近系東三段儲層主要為砂巖，通過對4 口取心井巖心觀察及41 塊砂巖巖心薄片鑒定資料統(tǒng)計，研究區(qū)東三段的砂巖粒徑主要為0.1～1.0 mm，最大粒徑可達(dá)1.0～5.0 mm。巖石類型主要為碎屑巖，包括含礫砂巖、砂巖、粉砂巖和泥巖，主要為砂巖，巖性以巖屑長石砂巖為主，長石巖屑砂巖次之，石英體積分?jǐn)?shù)為21%～38%，長石體積分?jǐn)?shù)為32%～48%（鉀長石占優(yōu)勢，斜長石含量相對較低），巖屑體積分?jǐn)?shù)為15%～43%，其中，巖塊組合以巖漿巖和變質(zhì)巖巖塊為主。分選中等—好；磨圓度較差，以棱角—次棱為主；顆粒支撐類型主要為顆粒支撐，顆粒間接觸關(guān)系以線接觸為主；膠結(jié)類型主要是接觸型。綜上分析，研究區(qū)東三段砂巖的成分成熟度中等，結(jié)構(gòu)成熟度較高。

2.2 沉積構(gòu)造特征

沉積構(gòu)造是指沉積巖的各組分在空間上的分布和排列方式所表現(xiàn)出的總體特征，是沉積物沉積時或沉積之后，因物理作用、化學(xué)作用及生物作用而形成的。通過研究沉積構(gòu)造，可以快速判斷沉積環(huán)境及沉積相。巖心觀察表明，研究區(qū)東三段可以識別出水平層理、泥礫、泥巖撕裂屑、滑塌變形構(gòu)造、突變面、變形層理等多種沉積構(gòu)造（圖2），表現(xiàn)出典型的水下重力流沉積特點，具有明顯滑塌、二次搬運的特征。

圖2 遼中凹陷東三段湖底扇巖心特征（a）水平層理，B2 井，3 229.54～3 229.58 m；（b）泥礫，B2 井，3 229.86～3 229.96 m；（c）泥巖撕裂屑，B2 井，3 230.72～3 231.22 m；（d）滑塌變形構(gòu)造，B1 井，3 392 m；（e）突變面，A1 井，2 811.20 m；（f）泥巖撕裂屑，B2 井，3 147.5 m；（g）變形層理，B2 井，3 226.52～3 226.65 mFig.2 Core characteristics of sublacustrine fans of Ed3in Liaozhong Sag

2.3 測井響應(yīng)特征

不同的沉積體系類型在測井資料中會表現(xiàn)出不同的特征，因此可以通過巖心觀察與測井曲線的精細(xì)標(biāo)定，建立巖-電對應(yīng)關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)10 口已鉆井的測井資料對非取心井段進(jìn)行沉積相研究［21］。湖底扇內(nèi)扇亞相受控于較強水動力沉積環(huán)境，巖性以厚層砂巖夾薄層泥巖為主，自然伽馬與電阻率曲線表現(xiàn)為微齒化的箱形、鐘形和指形，齒化程度反映了沉積時的水動力強度。湖底扇在縱向一般是多期疊置的，測井曲線上多表現(xiàn)為多個齒化箱形疊加組合。中扇亞相巖性為厚層砂巖夾灰色泥巖，測井曲線多表現(xiàn)為中低幅鐘形、齒形、指形、漏斗形及其組合。外扇亞相沉積時水動力明顯減弱，砂體沉積厚度較薄，測井曲線常以指形、齒形低幅齒化漏斗形及其組合為主（圖3）。

圖3 遼中凹陷東三段湖底扇沉積測井相特征Fig.3 Logging facies characteristics of sublacustrine fans of Ed3in Liaozhong Sag

2.4 地震響應(yīng)特征

研究區(qū)的湖底扇在垂向上具有多期疊置的特點，單砂體厚度一般為5～20 m，最厚可達(dá)31.2 m。湖底扇在研究區(qū)A，B，C 等3 個構(gòu)造內(nèi)均有發(fā)育，但在不同地區(qū)地震反射特征各不相同。A 構(gòu)造在地震剖面上可識別出4 期湖底扇，地震反射特征為中低頻，中—好連續(xù)性、強振幅，整體具有一定的強反射結(jié)構(gòu)，與湖相泥巖的弱振幅空白反射存在明顯差異，向高部位減薄尖滅。B 構(gòu)造在地震上可識別出①，②，③，④共4 期湖底扇，①和②期湖底扇地震反射特征表現(xiàn)為短軸、中頻、連續(xù)強振幅反射特點；③和④期湖底扇具有丘狀外形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為中弱振幅或頂部強振幅反射，從中間向兩側(cè)逐漸變薄直至尖滅。C 構(gòu)造在地震上可識別出縱向疊置的3 期湖底扇，①和②期展布面積較小，地震相表現(xiàn)為丘形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為中強振幅反射；③期湖底扇具有“蠕蟲狀”反射結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為雜亂反射（圖4）。

圖4 遼中凹陷東三段湖底扇沉積井-震特征Fig.4 Drilling-seismic characteristics of sublacustrine fans of Ed3in Liaozhong Sag

2.5 沉積相類型及特征

通過綜合分析各類沉積相特征，依據(jù)巖心觀察、錄井資料、測井資料，結(jié)合地震相研究及遼中凹陷西斜坡區(qū)域構(gòu)造演化分析，認(rèn)為研究區(qū)在東三段沉積時期發(fā)育有多期湖底扇沉積體系，可進(jìn)一步劃分為內(nèi)扇、中扇和外扇3 個沉積亞相及若干沉積微相（表1）。從內(nèi)扇到外扇，水動力強度逐步減弱，沉積物的粒度逐步變細(xì)。

2.5.1 內(nèi)扇亞相

內(nèi)扇亞相主要發(fā)育在湖底扇根部，以重力碎屑流沉積為主，沉積物粒度較粗，巖性主要為厚層中—細(xì)砂巖和含礫砂巖，礫石直徑最大可達(dá)5 mm，顆粒支撐，分選較差，磨圓度較差，以棱角—次棱為主，表明沉積物快速堆積的特點。在底部發(fā)育沖刷面，平行層理及滑塌變形構(gòu)造，可見到泥巖撕裂屑，向上沉積物粒度逐漸變細(xì)，為正遞變粒序（參見圖2a）。測井曲線表現(xiàn)為頂?shù)淄蛔兊凝X化箱形（圖3）。內(nèi)扇亞相可進(jìn)一步劃分為主水道和主水道堤2 種微相（表1）。

表1 遼中凹陷東三段湖底扇沉積微相類型及特征Table 1 Sedimentary microfacies types and characteristics of sublacustrine fans of Ed3in Liaozhong Sag

2.5.2 中扇亞相

中扇亞相主要發(fā)育辮狀水道，受控于水動力強度減弱，沉積物粒度相比內(nèi)扇亞相的主水道沉積變細(xì)。巖性主要為不等厚互層的厚層細(xì)砂巖、含礫砂巖與灰色泥巖，分選磨圓較好，垂向上表現(xiàn)為多期正韻律疊置構(gòu)成的、由粗變細(xì)的正旋回，反映重力流沉積特點，旋回底部與下伏泥巖間可見沖刷面，局部可見交錯層理及泥巖撕裂屑。測井曲線多呈齒化狀鐘形或箱形，中高幅。地震相表現(xiàn)為“蠕蟲狀”反射結(jié)構(gòu)，內(nèi)部特征為雜亂反射（圖3、圖4）。中扇亞相可進(jìn)一步劃分為辮狀水道和辮狀水道間2種微相（表1）。

2.5.3 外扇亞相

外扇亞相位于湖底扇的最前端，向盆地方向過渡為深湖—半深湖泥巖沉積，水體環(huán)境穩(wěn)定，水動力強度很弱，多以細(xì)粒沉積為主。巖性主要為厚層泥巖夾薄層粉砂巖，偶見細(xì)砂巖，常見炭屑；發(fā)育水平層理、變形層理等沉積構(gòu)造；在縱向上發(fā)育不完整的鮑馬序列，為BCD 或CDE。測井曲線多表現(xiàn)為高幅度單一指形或細(xì)齒形。在地震剖面上多表現(xiàn)為明顯的平行反射特征（圖3、圖4、表1）。

3 湖底扇發(fā)育控制因素及沉積展布特征

3.1 湖底扇發(fā)育控制因素

湖底扇屬于一種事件性沉積，其形成需要具備一些特定的地質(zhì)條件。綜合分析遼中凹陷古近系東三段構(gòu)造發(fā)育特征、區(qū)域沉積特征，認(rèn)為該區(qū)內(nèi)湖底扇的發(fā)育主要受控于物源供給、古地貌以及坡折帶。

3.1.1 物源供給

充足的物源供給是形成湖底扇的先決條件，研究區(qū)湖底扇的發(fā)育受控于遠(yuǎn)源三角洲。東營組沉積時期，渤海海域逐步成為渤海灣盆地的沉積沉降中心。通過對遼西凸起的形成與演化［22］及古地貌進(jìn)行分析，東三段沉積時期，遼西凸起北段主干斷層活動減弱，此時已經(jīng)沒入水下接受沉積；遼西凸起南段主干斷層的活動依舊活躍，只有部分凸起沒入水下。遼西凸起主要表現(xiàn)為“鏈狀島”式構(gòu)造樣式，凸起只有部分高點露出水面，這也意味著凸起剝蝕區(qū)提供的物源有限，斜坡沉積主要依靠盆外的燕山褶皺帶提供遠(yuǎn)源沉積。“島與島”之間的輸砂通道控制了三角洲進(jìn)入斜坡區(qū)的沉積位置，進(jìn)而控制了湖底扇的發(fā)育位置（圖5）。

圖5 遼中凹陷西斜坡典型古溝谷特征（剖面位置見圖1）Fig.5 Characteristics of typical paleo-ravine in the western slope of Liaozhong Sag

3.1.2 古地貌

古地貌的樣式反映了外源三角洲沉積體系的發(fā)育規(guī)模及沉積位置，能夠影響湖底扇的沉積過程及展布形態(tài)，是湖底扇發(fā)育的主控因素之一。結(jié)合東三段古地貌圖及地震資料，遼西凸起發(fā)育有3 個大型溝谷，其中溝谷1、溝谷2 對應(yīng)著B，C 等2 個構(gòu)造區(qū)，溝谷3 對應(yīng)著A 構(gòu)造區(qū)（圖6）。物源砂體通過溝谷進(jìn)入斜坡區(qū)，隨著水體變深，水動力減弱，沉積物發(fā)生卸載進(jìn)而形成湖底扇。

圖6 遼中凹陷東三段古地貌圖Fig.6 Paleogeomorphic map of Ed3in Liaozhong Sag

3.1.3 坡折帶

坡折帶是斜坡上地形坡度突然發(fā)生變化的地帶，坡度變化就會引起地層厚度的變化，可以通過地震剖面進(jìn)行識別。坡折帶對沉積體系的控制機理主要有3 個方面：①構(gòu)造差異活動形成的構(gòu)造坡折帶控制著沉降剖面的斜率，從而影響水動力的大小及方向，進(jìn)而控制沉積物的供給速率及粒度粗細(xì)等；②坡折帶坡度的大小差異反映了物源區(qū)地勢的高低及沉積物性質(zhì)，決定了物源與沉積區(qū)勢能的大小，進(jìn)而控制了沉積物的供給量和沉積體系展布；③坡折帶坡降可以產(chǎn)生可容納空間，提供沉積物發(fā)生卸載的場所［23-24］。

根據(jù)發(fā)育位置及成因機制的不同，研究區(qū)可以識別出2 種類型的坡折帶：斷裂坡折帶和沉積坡折帶（圖7）。

圖7 遼中凹陷東三段坡折帶分類Fig.7 Classification of slope break zone of Ed3in Liaozhong Sag

（1）斷裂坡折帶

斷裂坡折帶是指由同沉積構(gòu)造長期活動引起的斜坡厚度發(fā)生突變的地帶，斷裂構(gòu)造的持續(xù)活動是形成該坡折帶的主要原因，對盆地充填的可容納空間和沉積作用產(chǎn)生了重要影響［25-26］。研究區(qū)的斷裂坡折帶主要發(fā)育在B，C 構(gòu)造區(qū)，坡折帶走向為NEE 向。根據(jù)坡折帶傾向與物源方向，可劃分為順向斷裂坡折帶和反向斷裂坡折帶。

順向斷裂坡折帶是指斷裂的傾向與物源方向一致，斷層下降盤厚度明顯大于上升盤，這表明順向斷裂坡折帶提供了較大的可容空間，有利于沉積物的卸載。坡折帶的坡度為20°～30°，斷層的生長指數(shù)為1.2～2.6。

反向斷裂坡折帶是指斷裂的傾向與物源方向相反，坡折帶阻擋了沉積物的搬運和沉積，沉積物只能進(jìn)行側(cè)向遷移，起到了“限流阻砂”的作用，受斷層活動影響，下降盤的厚度大于上升盤。坡折帶的坡度為15°～22°，斷層的生長指數(shù)為1.1～2.0。

（2）沉積坡折帶

沉積坡折帶通常是指在斜坡的不同位置由于沉積速率不同造成地形坡度發(fā)生變化或大規(guī)模的物源供給造成地層加厚而形成的一類坡折帶。坡折帶坡度較小，一般為3°～5°。研究區(qū)廣泛發(fā)育沉積坡折帶（參見圖6），提供了可容納空間且坡度的變化直接影響到沉積物的沉積速率及沉積類型，對湖底扇的展布具有重要的控制作用［27-28］。

3.2 沉積展布特征

東三段沉積早期（圖8a），湖平面較低，提供的可容納空間有限，遼西凸起物源出露面積大，南寬北窄，呈北東向條帶狀展布，來自西部的盆外辮狀河三角洲受到遮擋難以進(jìn)入遼中凹陷，斜坡帶和洼陷區(qū)大部分地區(qū)處于饑餓狀態(tài)，主要發(fā)育湖相沉積。僅在B，C 構(gòu)造所處的斜坡區(qū)發(fā)育辮狀河三角洲沉積，三角洲沉積體發(fā)生滑塌，進(jìn)而在坡腳發(fā)育湖底扇沉積。C 構(gòu)造發(fā)育反向斷裂坡折帶，滑塌沉積物在此處受到反向斷裂遮擋，發(fā)育1 期湖底扇沉積，呈北東向展布，與坡折帶走向大致相同。B 構(gòu)造受順向斷裂的影響發(fā)育2 期湖底扇沉積，呈南北向展布，與斷裂坡折帶走向近于垂直。此外在B，C 構(gòu)造之間還發(fā)育1期湖底扇沉積，呈朵葉狀分布。

東三段沉積中期（圖8b），湖平面逐漸上升，可容納空間變大，研究區(qū)遼西凸起的主干斷層活動減弱，凸起整體沉入水下，西部盆外物源形成的大型辮狀河三角洲可通過凸起之上的古溝谷進(jìn)入斜坡帶，自南向北大規(guī)模的發(fā)育了3 支面積較大的三角洲沉積朵葉體。其中南部和北部三角洲面積較大，中部面積較小。沉積物供給充足，有利于湖底扇沉積的發(fā)育。在C 構(gòu)造發(fā)育有1期湖底扇，在B 構(gòu)造發(fā)育有3 期湖底扇，受控于斷裂坡折帶和沉積坡折帶的繼承性活動，湖底扇的展布規(guī)律相比東三段早期變化不大，且與早期的湖底扇垂向疊合性較好。通過已鉆井可知，北部A 構(gòu)造區(qū)發(fā)育6 期湖底扇沉積，展布面積較大，呈北東向條帶狀分布，與沉積坡折帶走向大致相同，垂向疊合性較好。

東三段沉積晚期（圖8c），湖平面進(jìn)一步升高，西部的盆外物源供給持續(xù)增強，受古地貌影響，研究區(qū)北部發(fā)育一支大型辮狀河三角洲朵葉體沉積，越過沉積坡折帶，直至凹陷中央完成沉積物的卸載，這種情況不利于發(fā)育湖底扇沉積。因此，A 構(gòu)造區(qū)并未形成湖底扇沉積。在研究區(qū)中部，三角洲供給相對較弱，通過地震相分析認(rèn)為在沉積坡折帶下發(fā)育了9 期湖底扇砂體，規(guī)模大，但疊合性差，整體呈北東向分布，與沉積坡折帶走向相同。B 構(gòu)造區(qū)受控于古地貌，僅發(fā)育湖相泥巖沉積。研究區(qū)南部的C 構(gòu)造發(fā)育2 期湖底扇沉積，展布特征相較之前變化不大，只是湖底扇面積變大，垂向疊合性較好。

4 結(jié)論

（1）遼中凹陷古近系東三段主要發(fā)育湖底扇沉積體系，可進(jìn)一步劃分為內(nèi)扇、中扇和外扇等3 個沉積亞相及主水道、辮狀水道等若干微相。

（2）遼中凹陷古近系東三段湖底扇沉積特征受物源供給、古地貌及坡折帶分布的影響。其中遠(yuǎn)源的三角洲是湖底扇的發(fā)育先決條件；古地貌提供了可容納空間，控制了湖底扇的發(fā)育位置及規(guī)模；坡折帶控制沉積物的沉積速率及湖底扇的調(diào)節(jié)與再分配。

（3）遼中凹陷古近系東三段劃分為早中晚3期，東三段沉積早期僅在B，C 構(gòu)造區(qū)發(fā)育有3 期湖底扇沉積；東三段沉積中期辮狀河三角洲體系發(fā)育，大規(guī)模發(fā)育湖底扇沉積；東三段沉積晚期，僅在研究區(qū)中部和B 構(gòu)造區(qū)發(fā)育湖底扇沉積，B 構(gòu)造區(qū)湖底扇展布面積大，砂體厚度大，儲層物性好，垂向疊合性好，是有利的勘探目標(biāo)。