鄂爾多斯盆地延安組河流沉積類型及演變
——來自典型露頭精細解剖的證據(jù)

王科，趙俊峰，薛銳，閆占冬，李旋，李一凡

1.西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室/地質(zhì)學(xué)系，西安 710069

2.中國石油長慶油田分公司第十二采油廠，甘肅合水 745400

3.中國石油長慶油田分公司第七采油廠，西安 710200

0 引言

河流沉積是沉積學(xué)研究的重要領(lǐng)域。近年來研究關(guān)注河流類型劃分、河床演變與河型轉(zhuǎn)換、砂體構(gòu)型與分布預(yù)測、分支河流體系、沉積相模式的建立以及相關(guān)的模擬和建模方法等[1-2]。河流相砂巖是陸相含油氣盆地重要的油氣儲集單元，以河流相儲層作為主力儲層的油田多數(shù)進入開發(fā)的后期階段，單砂體和構(gòu)型單元內(nèi)部精細刻畫顯得更加重要。前人針對現(xiàn)代河流沉積[3]、野外露頭[4-8]、密井網(wǎng)[9-11]、物理和數(shù)值模擬[12-13]以及河流相儲層構(gòu)型與剩余油的分布關(guān)系等開展了多方面的研究[14-17]。露頭剖面能夠提供較連續(xù)、完整的沉積實體二維或三維信息，是地下儲層建模和預(yù)測的重要依據(jù)，發(fā)揮著其他手段不可代替的作用，因而成為儲層沉積學(xué)關(guān)注的重點內(nèi)容[18-19]。然而，目前針對典型辮狀河、曲流河的內(nèi)部構(gòu)型特征及河流類型的轉(zhuǎn)換等研究仍然較為薄弱，制約了河流相儲層預(yù)測相關(guān)工作。

鄂爾多斯盆地侏羅系延安組下部河流沉積發(fā)育，在延安市區(qū)一帶出露典型沉積剖面，是剖析河流沉積構(gòu)型的難得窗口。本文選取該地區(qū)4 處典型剖面，運用沉積學(xué)和構(gòu)型要素分析相關(guān)理論，通過露頭實測、沉積構(gòu)型分析、古河道參數(shù)計算等，剖析總結(jié)了延安組沉積早期辮狀河、曲流河的沉積構(gòu)型特征及其演變，為河流沉積提供了典型素材，也可為不同類型河流相儲層表征與預(yù)測提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

延安地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南部（圖1a），出露地層自下而上依次為上三疊統(tǒng)延長組、下侏羅統(tǒng)富縣組、中侏羅統(tǒng)延安組、直羅組和安定組以及下白堊統(tǒng)洛河組[20-21]。受三疊紀(jì)末印支運動影響，盆地整體抬升，延長組頂部地層遭受不同程度剝蝕，形成了起伏不平的古地貌，之后盆地沉降，接受早—中侏羅世富縣組和延安組的沉積，造成三疊系延長組在盆地不同部位分別與侏羅系富縣組或者延安組呈區(qū)域不整合接觸[22]，不整合面之上侏羅系的沉積特征受延長組地層的剝蝕程度和早侏羅紀(jì)古地貌特征控制[23]。延安地區(qū)延安組為一套以河流—湖泊相為主的含煤、含油層系，厚度120～360 m，可劃分為四個巖性段、10 個油層組[24-25]。延10 期主要為辮狀河沉積體系；伴隨盆地沉降和基準(zhǔn)面升高，延9 沉積期逐漸由河流沉積演變?yōu)槿侵蕹练e體系，延安—富縣—吳起一帶，延8 以上湖泊相發(fā)育，為沉積中心所在部位[21,26-27]。本次研究的露頭剖面分別位于延安市區(qū)寶塔山下（剖面I、II，延10油層組）、楊家?guī)X大橋南公路邊（剖面III，延10油層組）以及市區(qū)西北李家洼公路邊（剖面IV，延9油層組）（圖1c）。

圖1 研究區(qū)位置圖（a）鄂爾多斯盆地地質(zhì)簡圖（據(jù)文獻[20]修改）；（b）周鄰對比井位分布圖；（c）露頭剖面位置圖Fig.1 Location map of the study area(a)geological sketch map of the Ordos Basin(modified from reference[20]);(b)distribution of borehole locations in neighboring area;(c)distribution of the anatomized sections

2 沉積特征

2.1 巖相類型

巖相主要通過巖石類型及沉積構(gòu)造等加以表征，反映物源特征、沉積時的水動力條件及能量大小。通過分析露頭剖面巖性、粒度、沉積構(gòu)造等特征，共識別出9 種巖相類型（表1）：塊狀砂質(zhì)礫巖相（Gm）、槽狀交錯層理砂巖相（St）、板狀交錯層理砂巖相（Sp）、平行層理砂巖相（Sh）、塊狀砂巖相（Sm）、水平層理粉砂巖相（Fl）、沙紋層理粉砂巖相（Fr）、塊狀泥巖相（Mm）以及碳質(zhì)頁巖相（Mc）。

表1 研究區(qū)延安組露頭主要巖相類型Table 1 Typical lithofacies types of the Yan'an Formation from outcrops in the study area

2.2 構(gòu)型單元

通過對露頭剖面巖相組合、砂體形態(tài)特征及相標(biāo)志分析，共識別出7種構(gòu)型單元（表2）。

表2 研究區(qū)延安組構(gòu)型單元劃分Table 2 Typical architectural elements of the Yan'an Formation in the study area

（1）河道（CH）：主要構(gòu)型單元之一，在4 處剖面均有發(fā)育，橫剖面形態(tài)為下凸的透鏡體，典型的巖相組合為Gm—St—Sp，底部為沖刷面，分布有礫石或泥質(zhì)沉積物，代表河道底部滯留沉積。垂向上為自下而上變細的正旋回，代表一個完整的河道發(fā)育周期。

（2）順流加積體（DA）：辮狀河心灘沉積的主體部分。河流攜帶的沉積物在地形開闊或坡度變大的區(qū)域，開始卸載并逐漸向下游發(fā)生加積生長。形態(tài)一般為底部平坦、頂部上凸的透鏡體或板狀體，主要發(fā)育于河道中心部位。典型的巖相組合為St—Sp，砂體內(nèi)部以大型下切型板狀、槽狀交錯層理為主。加積體之間的泥質(zhì)夾層不發(fā)育，砂體縱向上相互疊置，橫向上為多邊交互。單期砂體厚度介于0.8～2.5 m。

（3）側(cè)向加積體（LA）：曲流河邊灘沉積的主體部分。在河道彎曲部位，主流線偏轉(zhuǎn)，發(fā)生凹岸侵蝕和凸岸加積。巖相組合為St—Sp，典型形態(tài)為頂平底凸的透鏡體或側(cè)列式透鏡體，砂體內(nèi)部發(fā)育槽狀、板狀交錯層理及平行層理，但層理規(guī)模及發(fā)育程度較順流加積體減小，砂體側(cè)向疊置于河道沖刷面之上，砂體間伴有泥質(zhì)或細粒沉積。實測厚度介于1～4 m，寬度介于5～30 m。

（4）廢棄河道（ACH）：呈頂平底凸透鏡狀，巖相組合主要為Fl—Fr—Mm。厚度3.5 m，寬28 m 左右?？赡苡捎诤樗诤拥辣怀涮罨蚋吡魉傧碌臎Q口河道廢棄后被泥質(zhì)細粒物充填形成。

（5）沙質(zhì)壩（SB）：露頭上主要疊置于順流或側(cè)向加積體之上，巖相類型主要為平行層理砂巖相，呈板狀，橫向延伸較穩(wěn)定。

（6）決口扇（CS）：呈透鏡狀，巖性主要為中—細砂巖，發(fā)育小型板狀交錯層理。

（7）河泛平原（FF）：為洪水泛濫時期水流漫溢堤岸流速降低形成的細粒懸浮沉積物，剖面上整體呈板狀分布于兩期河道之間，巖相主要為塊狀泥巖相及沙紋層理粉細砂巖相，局部可見碳質(zhì)頁巖相沉積。

2.3 界面等級劃分

為進一步剖析內(nèi)部沉積層次及構(gòu)型，對各剖面進行界面等級識別及劃分，由小到大共識可別出5級界面。

（1）一級界面：交錯層系界面，為一系列相同紋層組成的界面，剖面上主要表現(xiàn)為槽狀、板狀及平行層理內(nèi)的界面，指示相同水動力作用下的沉積產(chǎn)物。

（2）二級界面：層系間界面，為砂體中不同巖相的分界面，在剖面中為槽狀、板狀及平行層理間的界面，指示界面上下的水動力條件發(fā)生了改變。

（3）三級界面：大底形內(nèi)的橫切侵蝕面，為單一側(cè)積體之間的界面，其上通常覆蓋薄的泥質(zhì)夾層，但砂體內(nèi)部的沉積方式未發(fā)生變化，指示水位的變化，辮狀河沉積中表現(xiàn)為各期順流加積體間的界面，曲流河中表現(xiàn)為各期側(cè)向加積體間的界面。

（4）四級界面：大底形的上界面，剖面上表現(xiàn)為多期順流或側(cè)向加積體形成的復(fù)合體的頂?shù)捉缑妗?/p>

（5）五級界面：位于河道底部，代表一期河流的侵蝕作用，界面起伏不平，上下巖性發(fā)生突變，界面之上為河道底部滯留沉積，界面之下為泛濫平原細粒沉積。

3 典型露頭精細解剖

3.1 寶塔山下剖面

為便于制圖，將寶塔山下連續(xù)露頭分為剖面I、II（圖2），對應(yīng)層位為延10下部（未見底），剖面整體走向近SW—NE 向。剖面I 可識別出2 期河道充填（圖2b），其在橫向上相互切割，沿5級界面為河道底部沖刷面，起伏不平，界面之上有礫石分布（Gm），砂體呈下凸的透鏡狀砂體，為河道沉積（CH），巖性主要為黃綠色中粒長石石英砂巖，砂體底部局部可見粒徑1～2 cm的鐵質(zhì)結(jié)核。河道砂體之上為厚層板狀的順流加積體（DA），其上部為沙質(zhì)壩（SB），橫向延伸穩(wěn)定。剖面II 位于剖面I 南側(cè)，總體上表現(xiàn)為順流加積體（DA）在垂向上的多期疊加（圖2d），砂體內(nèi)部發(fā)育大型槽狀、板狀交錯層理，向上逐漸變?yōu)槠叫袑永恚魃绑w間泥質(zhì)夾層不發(fā)育。順流加積體內(nèi)部交錯層理的發(fā)育類型及規(guī)模反映了該時期河流物源供給充足、水動力強的特點，由交錯層理確定的古水流優(yōu)勢方向為80°左右，反映了侏羅紀(jì)早—中期甘陜古河主河道的優(yōu)勢古流向[28]。河道、順流加積體、沙質(zhì)壩單元垂向多期疊加，砂體橫向穩(wěn)定分布，砂體間泥質(zhì)沉積不發(fā)育，反映該剖面為典型辮狀河沉積。

圖2 寶塔山下（剖面I、II）延10 辮狀河沉積構(gòu)型解剖（a，c）剖面拼接照片；（b，d）內(nèi)部構(gòu)型解釋；剖面位置見圖1cFig.2 Architectural anatomy of braided river deposits from the Yan10 interval in the study area(a,c)outcrop photomosaic;(b,d)internal architecture interpretation;location of this section is shown in Fig.1c

3.2 楊家?guī)X大橋南剖面

剖面III 位于楊家?guī)X大橋以南，沿公路出露（圖3），層位為延10 油層組上部，走向為SE—NW 向，巖性為黃綠色中—細砂巖夾深灰色泥巖。該剖面可識別出3～4期河道沉積（CH），砂體多呈透鏡狀，底部發(fā)育沖刷面，砂體內(nèi)發(fā)育槽狀和板狀交錯層理。砂體橫向連續(xù)性變差，砂體間發(fā)育泥質(zhì)夾層。剖面中上部可見在河道沉積之上發(fā)育的側(cè)向加積體（LA）。剖面東側(cè)為泥巖充填的廢棄河道（ACH），形態(tài)呈下凸的透鏡狀，內(nèi)部充填薄層狀粉—細砂巖和泥巖，并向兩側(cè)減薄尖滅。其成因是由于河道彎曲度增加，發(fā)生截彎取直，而將原河道廢棄，后被溢岸洪水長期充填所致。由側(cè)向加積體增生方向推測的古水流方向為30°左右。結(jié)合河道內(nèi)充填砂體類型、砂體的加積方式、泥質(zhì)含量增加、河流彎曲度增加導(dǎo)致廢棄河道的形成，表明該剖面河流類型已轉(zhuǎn)變?yōu)榍骱印?/p>

圖3 楊家?guī)X大橋南（剖面III）延10 曲流河沉積構(gòu)型解剖（a）剖面拼接照片；（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)解釋；剖面位置見圖1cFig.3 Architectural anatomy of meandering river deposits from the Yan 10 interval in the study area(a)outcrop photomosaic;(b)internal architecture interpretation;location of this section is shown in Fig.1c

3.3 李家洼剖面

剖面IV 位于延安市區(qū)西北部李家洼村公路旁（圖4），層位對應(yīng)于延9油層組底部，剖面走向NW—SE 向。剖面底部巖性為藍灰色泥巖夾薄層黃綠色粉砂巖，發(fā)育沙紋交錯層理，局部見碳質(zhì)頁巖，指示河泛平原（FF）沉積。河泛平原之上為多期呈斜列疊置的透鏡狀側(cè)向加積體（LA）共同組成的復(fù)合體，巖性主要為黃綠色中砂巖。各側(cè)向加積體的底界面為起伏不平的沖刷面，沖刷面上分布有植物莖干碎屑，代表了河道底部滯留沉積。砂體內(nèi)部發(fā)育指示牽引流的槽狀交錯層理、平行層理，以及平行于側(cè)向加積邊界的側(cè)向加積面。側(cè)向加積體是由于河道彎曲度增加，河流凹岸侵蝕，凸岸加積而成。多期側(cè)向加積指示河道發(fā)生頻繁廢棄和遷移。通過側(cè)積體內(nèi)部2級界面所反映的增生方向推測古水流優(yōu)勢方向為70°。復(fù)合河道砂體上部為中薄層狀的砂巖夾泥巖組合，可識別出小規(guī)模的河道沉積（CH），巖性為黃綠色細砂巖，發(fā)育槽狀交錯層理、平行層理。該期河道與主河道相比巖性粒度、層理規(guī)模均減小，反映了河道在擺動遷移過程中逐漸廢棄。此外，剖面中上部還發(fā)育多個橫向上延伸較穩(wěn)定的薄層砂體，巖性為粉砂巖，發(fā)育平行層理，解釋為決口扇（CS）沉積，其四周為代表河泛平原（FF）沉積的深灰色泥巖。該剖面下部為典型的側(cè)向加積體構(gòu)成的復(fù)合河道沉積，上部為小型河道、決口扇、河泛平原沉積，垂向上表現(xiàn)為正旋回，指示了曲流河沉積特征。

圖4 李家洼（剖面IV）延9 曲流河沉積構(gòu)型解剖（a）剖面拼接照片；（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)解釋；剖面位置見圖1cFig.4 Architectural anatomy of meandering river deposits from the Yan 9 interval in the study area(a)outcrop photomosaic;(b)internal architecture interpretation;location of this section is shown in Fig.1c

4 河道規(guī)模重建

通過地層剖面無法直接獲取古代河流河道沉積的規(guī)模。前人根據(jù)大量現(xiàn)代河流沉積的統(tǒng)計分析，建立了不同類型河流沉積砂體與河道規(guī)模之間的關(guān)系和經(jīng)驗公式[29-30]，據(jù)此可進行河道規(guī)模重建。

4.1 辮狀河河道規(guī)?；謴?fù)

對于辮狀河沉積，可以利用露頭上測量的交錯層組厚度預(yù)測辮狀河河道帶寬度。首先，根據(jù)砂層交錯層層組厚度的平均值與平均沙丘高度間的統(tǒng)計關(guān)系，計算平均沙丘高度。其計算公式為[31]：

式中：hm為平均沙丘高度，m；Sm為砂層交錯層組厚度平均值，m。

再根據(jù)辮狀河平均滿岸水流深度與平均沙丘高度之間的統(tǒng)計關(guān)系，計算辮狀河平均滿岸水流深度。其計算公式為：

式中：dm為辮狀河平均滿岸水流深度，m。

之后根據(jù)河道寬度與河道深度間的統(tǒng)計關(guān)系，計算河道寬度。計算公式如下：

式中：wc為平均河道寬度，m；dm為平均河道深度，m。

最后根據(jù)辮狀河河道帶寬度與其平均滿岸水流深度之間的統(tǒng)計關(guān)系，計算辮狀河河道帶寬度。其計算公式為：

式中：Chw為辮狀河河道帶寬度，m；dm平均單河道滿岸深度，m。

4.2 曲流河河道規(guī)?；謴?fù)

曲流河屬單河道沉積，河道寬度相對比較固定，可根據(jù)前人建立的相對固定的寬厚比范圍，計算曲流河沉積砂體的寬度[32]。其計算公式為：

式中：h為水深，m；l為河道沙壩的厚度，m。

式中：w為河道寬度，m。

曲流河河道帶寬度Wm為多期河道遷移的總寬度，當(dāng)曲率大于1.7 時，其與河流的滿槽河流深度有以下的統(tǒng)計關(guān)系[33]：

式中：Wm為最大河道帶寬度，m；D為平均河道深度，m。

用上述計算方式，對研究區(qū)露頭剖面砂體進行定量刻畫，計算出不同河流類型河道、河道帶寬度（表3）。

表3 研究區(qū)露頭砂體沉積規(guī)模定量恢復(fù)結(jié)果Table 3 Quantified geometric properties of sand bodies from outcrops in the study area

根據(jù)野外實際測得砂體內(nèi)交錯層理的厚度以及露頭上識別出的河流類型，計算出延10 辮狀河及延9曲流河河道寬度以及河道帶寬度。延10辮狀河河道寬度為19.34～373.22 m，延9 下部曲流河河道寬度16.81～99.21 m；延10辮狀河河道帶寬度為129.33～2 415.25 m，延9 下部曲流河河道帶寬度為86.86～512.59 m。計算結(jié)果表明，辮狀河河道及河道帶寬度都大于曲流河，主要由于辮狀河河道多且頻繁擺動造成，但曲流河單期砂體厚度大，主要由于曲流河為單河道沉積，河道相對固定。

延安地區(qū)位于甘陜古河中、下游，前人依據(jù)地震、鉆井資料確定的甘陜古河河道寬度為25～35 km[28,34],該寬度代表了富縣組至延安組沉積早期，10多個百萬年時間范圍內(nèi)甘陜古河反復(fù)遷移和疊加的結(jié)果。本次研究的3 處露頭僅代表甘陜古河中侏羅世一個短暫沉積階段的河道寬度，其與現(xiàn)今地表典型的辮狀河如加拿大育空河（平均寬約2.8 km），布拉馬普特拉河（寬度約為8～10 km）河道規(guī)模相比屬于中等規(guī)模。寶塔山下剖面主要為中砂巖，礫石含量較少且結(jié)構(gòu)和成分成熟度均較高。因此推測研究區(qū)延10時期辮狀河為受古河谷控制的中等規(guī)模的砂質(zhì)辮狀河。

5 沉積演化

影響河流類型演化的因素主要包括：基準(zhǔn)面旋回、物源供給、地形坡度及古氣候等[35-36]。受印支運動影響，延安組早期繼承了早侏羅世富縣期的古構(gòu)造—古地理格局，處于構(gòu)造抬升之后的沉降時期，盆地經(jīng)歷了填平補齊、地勢拓寬的過程[37]，延10 沉積期，地形坡度大，物源供給充足，沉積物粒度較粗，河流頻繁擺動，有利于發(fā)育辮狀河沉積。河道內(nèi)部充填以順流加積體為主的心灘沉積，河漫灘及決口扇不發(fā)育。隨著填平補齊的發(fā)展和完成，至延9沉積早期，地形坡度變緩、物源供給減弱，沉積物粒度降低，河流的彎曲度逐漸加大，河流側(cè)蝕作用加強，形成以側(cè)向加積為主的邊灘沉積，同時河道不斷決口、泛濫，形成以決口扇、河泛平原等薄層砂巖和泥巖為主的上部旋回，具有曲流河沉積特征。延安組早期河流類型的演變在鄂爾多斯盆地內(nèi)具有普遍性和區(qū)域可對比性。參考研究區(qū)西部高橋地區(qū)鉆井資料可見（圖5，井位見圖1b），延安組延10油層組自然伽馬曲線多呈疊加箱形組合特點，多期河道砂體垂向上相互疊置，橫向上延伸穩(wěn)定，形成了連通性好的厚層砂體，指示辮狀河沉積；延9 油層組自然伽馬曲線多呈鐘形或齒化箱形響應(yīng)特征，河道砂體橫向可對比性較差，相對孤立，砂體間連通方式表現(xiàn)為側(cè)向上的相互切割，泥質(zhì)夾層發(fā)育，指示曲流河沉積。

圖5 延安組下部河流沉積區(qū)域?qū)Ρ龋ň灰妶D1b）Fig.5 Regional correlation of the fluvial deposits developed in the lower Yan’an Formation(location of the boreholes is shown in Fig.1b)

6 結(jié)論

（1）研究區(qū)延安組河流沉積主要發(fā)育塊狀砂質(zhì)礫巖相、槽狀交錯層理砂巖相、板狀交錯層理砂巖相等9 種巖相類型；可識別出5 級沉積界面；通過沉積相標(biāo)志，巖相組合以及砂體形態(tài)等分析，識別出河道、順流加積體、側(cè)向加積體、沙質(zhì)壩、決口扇、廢棄河道及河泛平原等7種河流沉積構(gòu)型單元。

（2）延10沉積期辮狀河發(fā)育，主要由河道、順流加積體和沙質(zhì)壩等單元組成，多期砂體疊置，呈厚層板狀分布，泥質(zhì)隔夾層不發(fā)育；延9 時期演變?yōu)榍骱樱饕l(fā)育河道、側(cè)向加積體、廢棄河道、泛濫平原及決口扇等構(gòu)型單元，砂體連續(xù)性較差，泥質(zhì)隔夾層較發(fā)育。延10 辮狀河河道寬度為19.34～373.22 m，延9 曲流河河道寬度16.81～99.21 m。結(jié)合構(gòu)造背景及露頭沉積特征，認(rèn)為研究區(qū)延10 辮狀河為受古河谷控制的中等規(guī)模的砂質(zhì)辮狀河。

（3）延安組繼承了富縣期古構(gòu)造—古地理格局，早期沉積地貌高差較大，物源供應(yīng)充分，隨著盆地填平補齊作用的進行，地形坡度逐漸減小，物源供給減弱，導(dǎo)致河流類型由延10 沉積期的辮狀河演變?yōu)檠?沉積早期的曲流河沉積。

致謝 感謝兩位評審專家和編輯部老師提出的寶貴意見。