板橋凹陷同沉積斷層主控的灘壩砂體沉積機制與分布樣式

商曉飛，侯加根，董 越，李 燕，唐 力，鄧孝亮，馬 克，程遠忠

(1.中國石油大學地球科學學院,北京102249；2.中海油研究總院,北京100028；3.大港油田有限責任公司第四采油廠,天津300280)

灘壩是波浪、湖流或風暴將周緣各處攜來的砂質沉積物重新改造后在有利場所再沉積而成[1],是湖泊中重要的沉積類型之一。灘壩多分布于湖灣、湖緣以及水下低隆處的緩坡帶,其沉積的砂體主要來源于近岸的三角洲、扇三角洲等沉積體[2-4]。目前,美國Uinta盆地Green River組[5]、中國渤海灣盆地沙河街組[6-9]等的灘壩儲層中均發現了大量的油氣地質儲量,顯現出良好的油氣資源與勘探開發潛力。綜合前人研究,陸相斷陷湖盆中灘壩砂體的發育程度和分布規律受湖盆古構造、物源供應及湖水動力條件等諸多因素的影響[10-13],然而同沉積斷層對灘壩沉積的控制作用目前并沒有涉及研究。板橋凹陷沙二段廣泛沉積灘壩砂體[14-15],相比于渤海灣盆地其他地區,該區同沉積斷層的發育對灘壩沉積起著至關重要的作用。筆者依據地震、鉆井、巖心等資料,在詳細對比斷層上、下兩盤灘壩沉積特征的基礎上,對同沉積斷層為主控因素的灘壩沉積模式進行研究,并總結斷層兩側灘壩砂體的規模、疊置關系和分布規律,為灘壩油氣藏的勘探和開發提供理論指導。

1 研究區地質概況

板橋凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷中北部,西北以滄東斷裂為界,東南與北大港潛山構造帶相接,為內部被一系列NE、NNE向斷層復雜化的西北斷、東南抬的箕狀斷陷。研究區位于板橋凹陷中東部,是斷裂構造帶的主體部位(圖1)。

圖1 板橋凹陷構造特征Fig.1 Structural characteristics of Banqiao Sag

研究區被三條二級斷層(板橋斷層、大張坨斷層和白水頭斷層)切割成為板北、板中、板南和白水頭4個地區,整體為由板北-板中-板南地區逐漸升高的斷階構造,面積約220 km2(圖1(a))。古近系沙河街組三段(以下簡稱沙三段)沉積時期,板橋凹陷強烈拉張斷陷[16],發展至沙河街組二段(以下簡稱沙二段,縱向上呈湖平面總體上升的三級層序)沉積初期,經沉積厚度和差異壓實校正恢復后的古地貌顯示,凹陷北陡南緩的斷陷結構已非常清晰(圖1(b))。沙二段沉積時期凹陷邊界斷裂活動有所減弱,二級斷層主要控制了研究區基底的差異沉降,使凹陷呈現出隆、洼相間的沉積格局。大張坨斷層為板中、板南地區的分界斷層,NE走向為主,形成于沙三段沉積末期,發育在整個沙河街時期,其活動時間較長、強度較大,對構造格局形成作用很大,且直接影響圈閉形態。白水頭斷層是板南與白水頭地區的分界斷層,NNE走向,是板橋凹陷東南部沿湖盆邊緣岸線分布的同沉積斷層,其斷裂活動始于沙三段沉積時期,一直延續至漸新世末期。大張坨和白水頭斷層強烈的同沉積斷裂活動對于板橋凹陷的沉積體系分布起著十分重要的控制作用。

2 灘壩砂體沉積特征

2.1 灘壩砂體區域分布

研究區沙二段沉積時期構造活動趨于穩定,總體上為開闊濱淺湖環境,灘壩沉積的砂質沉積物主要來源于沙三—沙二段沉積時期的扇三角洲和辮狀河三角洲沉積[17]。由于板橋凹陷北陡南緩的古構造特點和各斷塊沉積背景的差異性,造成灘壩砂體在形成機理、沉積特點和發育程度上都有明顯的不同。板北地區靠近整個凹陷的沉降中心,水體相對較深,灘壩沉積較少；板中的南部已轉至凹陷緩坡一側,灘壩砂體明顯增多且壩砂分布多集中在一些局部區域；板南地區位于板橋凹陷的緩坡帶,波浪作用影響范圍廣闊,形成大面積席狀的灘砂和頻繁遷移的壩砂沉積(圖2)。

圖2 板橋凹陷沙二段灘壩沉積剖面Fig.2 Sedimentary sections of beach-bar deposition in Banqiao Sag

2.2 灘壩砂體沉積特征及差異性

與其他地區相比,板橋凹陷沙二段灘壩砂體具有一些典型沉積特征,如單砂層厚度較大,內部夾層發育。在同沉積斷層的發育控制下,凹陷內部各地區沉積的灘壩砂體也有明顯的差異。根據灘壩砂體的巖性特點和不同沉積部位的差異性,將該區灘壩分為壩砂和灘砂兩個亞相,其中壩砂亞相是灘壩儲層最重要的構成單元,細分為壩中心和壩側翼微相(表1)。綜合研究區特殊的古構造和古地理特征分析,結合38口取心井資料,著重對大張坨同沉積斷層兩側(板中和板南地區)的灘壩沉積特征進行對比研究。

2.2.1 巖性、巖礦特征

板中地區灘壩砂體巖性主要為中砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖以及少量粗砂巖,可見同沉積斷層同生沖刷形成的泥礫,砂質組分占到88.2%。板南地區沉積的砂體巖性與板中相似,靠近白水頭斷層的東側以細砂巖、粉砂巖沉積為主,西南側砂質組分含量明顯減少,占72.6%,局部地區(如板64井附近,井位見圖1(b))含有細礫巖(圖3(e)),礫質組分含量約為12.3%。這說明兩個斷塊中水動力條件對物源改造的程度有所不同。

表1 板橋凹陷沙二段灘壩砂體亞相/微相特征Table 1 Beach-bar characteristics in different sub-facies or micro-facies of Es2in Banqiao Sag

對巖石礦物成分統計表明,板中地區灘壩儲層石英含量為20% ～40%,長石含量為40% ～55%,其中正長石與斜長石含量大致相當,巖屑含量約為17%,成分成熟度中等。板南灘壩砂體的石英含量平均高于板中地區,為38% ～55%,長石含量與板中相比有所減少,為20% ～35%,巖屑含量平均為15%,成分成熟度相對較高,反映了板南地區湖浪對砂體的長期簸選和更為充分的改造作用。

2.2.2 粒度特征

灘壩砂體粒度分布總體以跳躍組分為主,懸浮組分只占2% ～8%,反映了遠離河口的濱淺湖環境。板中灘壩砂體粒度概率曲線多呈現以跳躍、懸浮為主的具有過渡帶的兩段式,過渡帶含量約30%,粒度為2.7Φ～3.2Φ,砂體相對較厚的區域有時會呈滾動、跳躍、懸浮三段式,但滾動組分含量很少,一般為1%～5%,分選系數平均為2.45,分選中等偏好；板南沉積的灘壩砂體粒度概率曲線主要為跳躍、懸浮兩段式,跳躍次總體含量一般為70%～80%,往往由多個直線段組成,粒度中值一般為2.5Φ～5Φ,分選系數一般小于2,分選性好。對比認為,板中灘壩體現了較強的水動力特點,沉積較為集中,而板南灘壩砂體結構成熟度好于板中地區,表明波浪的長期沖刷作用。

2.2.3 沉積構造特征

圖3 板橋凹陷沙二段灘壩沉積構造特征Fig.3 Sedimentary structural features of beach-bar of Es2in Banqiao Sag

灘壩砂體沉積構造特征反映了淺水環境下的波浪、沿岸流對物源的沖刷、改造作用。在板中、板南地區均發育板狀交錯層理(圖3(b))、波狀交錯層理、波狀層理(圖3(c))、平行層理(圖3(d))等沉積構造,表明底流較強的沖刷能力。板中地區多見平行層理(圖3(d))、浪成波紋交錯層理(圖3(a))等,反映了強水動力作用；板南地區則更易出現紋層傾向具有明顯雙向性的沖洗交錯層理和斜層理(圖3(f))等,還可見豐富的生物鉆孔和擾動構造(圖3(g))、順層分布的植物炭屑(圖3(h))以及浪成波痕、剝離線理和干涉波痕等層面構造,指示出淺水的沉積特征。

3 同沉積斷層主控的灘壩砂體沉積機制

3.1 灘壩砂體沉積控制因素

在對灘壩砂體沉積特征及其差異性研究的基礎上,結合前人的研究[14-15],認為板橋凹陷灘壩沉積主要受物源、水動力、基準面旋回以及同沉積斷層的影響。

3.1.1 物源供應

板橋凹陷灘壩砂體物源來自近岸淺水沉積,主要有北西、北東和南東3個供給方向[17]。北西方向來自滄縣隆起扇三角洲沉積,以小站物源為代表；北東物源主要為燕山水系所攜帶的碎屑物質在板橋凹陷海河斷層附近形成的扇三角洲沉積；南東方向物源來自北大港潛山凸起辮狀河三角洲。充沛的物源在波浪的作用下不斷地被改造、搬運、再沉積,形成分布廣闊的灘壩砂體。

3.1.2 水動力條件

與海岸帶相比,湖泊中潮汐、裂流并不發育,向岸的風浪是湖泊中最主要的水動力作用。渤海灣盆地古近系主要盛行西北風或北風[18],在滄縣隆起前方形成較強的離岸流,在南部緩坡帶形成大范圍的波浪影響區。北部陡坡帶水體較深,浪基面之上的扇三角洲砂體分布局限,所形成的扇三角洲前緣灘壩沉積較少,且分布范圍較狹窄；而在緩坡一側,水動力影響范圍廣闊,強烈的水動力作用長時間反復淘洗砂體,是板中、板南地區灘壩發育的重要因素。

3.1.3 同沉積斷層發育

同沉積斷層控制著板橋地區的構造格局,造就了由板中、板南等多個地區組成的特殊斷階地貌形態,從根本上控制了灘壩砂體的發育部位和規模。另一方面,同沉積斷層還影響著物源、水動力等其他因素。例如北大港凸起帶來的辮狀河三角洲砂體受大張坨斷層的控制,斷層的局部調節樞紐會促使砂體進行沉積分配,使局部地區砂體可以一直向前推進,于大張坨斷層下降盤入湖[16],在斷階帶附近,呈現明顯的砂體加厚趨勢,為附近灘壩的沉積提供了物質基礎。另外,斷面陡坎部位會形成局部持續的水動力高能環境(圖4(a)),并且斷層活動會使各斷塊的短期基準面旋回難以一致,造成灘壩沉積時間上的差異,因此同沉積斷層的發育是板橋凹陷沙二段灘壩沉積最主要的控制因素,是造成不同斷塊灘壩沉積差異性的根本原因。

3.2 灘壩沉積機制與沉積模式

對比分析認為,板橋凹陷沙二段各地區灘壩沉積特征有明顯的不同,存在兩種不同的形成機制與沉積模式。結合主控因素的分析,建立了以同沉積斷層為主導,物源、水動力為輔的灘壩分類方案,將板橋凹陷發育的灘壩分為斷層下降盤原地式連續型灘壩沉積和斷層上升盤錯疊式間歇型灘壩沉積。

3.2.1 斷層下降盤原地式連續型灘壩沉積

同沉積斷層下降盤沉積的灘壩砂體主要發育在大張坨斷層和板橋斷層之間的板中地區,其沉積的控制因素主要是水動力能量分帶性與同沉積斷層活動性。這些控制因素在時間和空間上有機結合、共同作用,形成了斷層下降盤(板中地區)灘壩沉積模式,即原地式連續型灘壩沉積。

在板橋凹陷緩坡地區,不同水動力帶對沉積物的影響有所差異,形成不同的灘壩聚集發育區[12],如破浪帶能量高,是壩砂的主要沉積區。大張坨斷層其斷面在沉積時期始終是相對陡坎部位,陡坎會促使波浪能量帶急劇變化,使原本平面上延展距離較長的能量帶壓縮。波浪傳播至陡坎處時,迅速形成破浪甚至碎浪并大量卸載其所攜帶的沉積物。隨著同沉積斷層的斷裂,斷層下降盤附近灘壩砂體厚度不斷累加,在一定程度上抵消了因斷層活動而導致的水體加深,使大張坨斷層下降盤附近可以長時間接受波浪的改造,并產生持續的高能環境,逐漸形成厚度較大的灘壩沉積(圖4(a))。

沙二段沉積時期,大張坨斷層總體上活動較為緩慢,平均斷層生長指數為1.07,然而其斷裂具有明顯的分段性和分期性[17],如板14-20井區(井位見圖1(b)),層序Ⅰ和層序Ⅱ初期斷層活動則相對強烈,生長指數達到約1.75。由于同沉積斷層的活動性,其下降盤短期基準面的變化不僅受湖平面的影響,還受到斷層活動速率的控制。在同沉積斷層的調控下,形成更多的上升半旋回,增加了有利于灘壩沉積的時間[19],從而在層序Ⅰ和層序Ⅱ的底部促使灘壩連續沉積(圖4(b))。

圖4 板橋凹陷斷層下降盤原地式連續型灘壩沉積模式Fig.4 Autochthonous and continuous type of downthrow side beach-bar deposition in Banqiao Sag

3.2.2 斷層上升盤錯疊式間歇型灘壩沉積

板南地區“挾持”于大張坨斷層和白水頭斷層之間,構造上為一孤立地壘,具有淺水“臺地”形態。板南地區灘壩砂體受物源、古氣候和基準面旋回的控制,形成錯疊式間歇型灘壩沉積模式。

凹陷南東方向的北大港凸起自沙三段沉積時期就已經出露地表[20],其被剝蝕的產物向北以辮狀河三角洲沉積的形式進入板橋凹陷,是板南灘壩沉積的主要物源。隨著兩側同沉積斷層的發育,同是斷層上升盤的板南地區始終處于構造較為穩定且平緩的狀態。由于長時間處于淺水環境,并且靠近湖盆邊緣的北大港潛山物源區,持續的波浪作用不斷地篩選淘洗三角洲帶來的沉積物,較粗的礫質組分在近岸處就地磨圓分選,細粒的砂巖被再次搬運,形成灘壩沉積,這也是板南南部地區灘壩砂體含有石英細礫的原因。湖平面的升降變化造成波浪能量帶側向遷移,再加上強弱不同的間歇型波浪作用,各期沉積的灘壩砂體在垂向上相互錯疊(圖5)。

圖5 板橋凹陷斷層上升盤錯疊式間歇型灘壩沉積連井剖面Fig.5 Profile of staggered and intermittent type of up-throw side beach-bar deposition in Banqiao Sag

4 同沉積斷層主控的灘壩砂體演化特征與分布規律

4.1 垂向演化特征

4.1.1 沉積相序對比

板中地區灘壩砂體較厚,電測曲線異常幅度大,曲線底部有時呈突變,向上一般由粗粒到細砂巖、粉砂巖等漸變為湖相泥巖。受同沉積斷層的控制,在垂向上通常反映出多期灘壩連續疊加形成數十米厚、齒狀幅度有明顯差異的復合壩砂體的沉積特點(圖6(a))。板南灘壩砂體以反旋回居多,電測曲線頂部常與泥巖突變接觸,底部多漸變為漏斗形,壩中心微相同樣表現出厚度大的箱形曲線,齒狀幅度差異大,并以微齒居多,反映了水流持續反復沖刷的沉積特點(圖6(b))。

4.1.2 垂向演化特征

圖6 板橋凹陷灘壩砂體沉積相序特征Fig.6 Features of beach-bar sandbodies facies sequence in Banqiao Sag

在基準面變化的拐點附近,湖平面在一定時間內相對穩定,湖浪作用充分,容易形成灘壩沉積[21]。板中和板南地區的灘壩砂體主要沉積于中期旋回的基準面上升初期,如層序Ⅰ、層序Ⅱ和層序Ⅲ的底部。處于旋回開始的層序Ⅰ時期,大張坨斷層活動性于沙二段沉積期最為強烈,斷層生長指數平均約1.22,板中灘壩以壩砂為主,砂體厚度大,連通性好；板南灘壩砂體同樣發育,儲層分布面積廣。層序Ⅱ時期,斷層活動性有所減弱,板中地區壩砂的個數有所增加,但規模和儲層分布范圍逐漸變小。層序Ⅲ處于該旋回末期,斷層活動性最弱,斷層平均生長指數僅為1.02,整個板橋地區灘壩沉積較少,壩砂體在局部形成孤立土豆狀。

4.2 平面分布規律

板中地區整個沙二段灘壩砂體分布面積較廣,約30 km2,主要“依附”于斷塊南部大張坨斷層下降盤分布。壩砂多呈橢圓狀或長條狀排列,其長軸方向與大張坨斷層平行。斷層下降盤附近的斷層活動速率控制著厚層灘壩砂體的局部有利發育部位。如板14-20井附近,大張坨斷層活動性相對其他地區最強,是斷層下降盤灘壩砂體沉積的最主要區域。

板南地區因長期處于淺水環境,灘壩砂體主要受物源和湖浪作用的影響呈“條帶狀”展布。由于大張坨斷層的遮擋,板南地區的灘壩大多受控于碎浪帶沉積,砂體粒度較細。緩坡的古地貌形態使波浪能量損耗的距離延展較大,因此在板南地區形成極為廣泛的灘壩沉積條帶,帶寬平均約600 m,多個壩砂在其中呈不規則橢圓形(長軸多為NNE向)于湖盆邊緣平行展布(圖7)。

圖7 板橋凹陷灘壩分布樣式Fig.7 Distribution pattern of beach-bar sandbodies in Banqiao Sag

5 結論

(1)板橋凹陷沙二段發育有典型的厚層湖泊灘壩砂體,凹陷內部發育的多條同沉積斷層從根本上控制了灘壩砂體的發育部位和規模,是灘壩沉積最主要的控制因素。

(2)板中和板南地區的灘壩砂體在沉積特征上具有明顯的差異,前者砂質組分含量多,粒度及沉積構造均體現出較強的水動力作用；后者成分成熟度較高,反映了波浪對物源更為充分的沖刷改造和簸選作用。

(3)板橋凹陷灘壩砂體具有斷層下降盤原地式連續型灘壩沉積和斷層上升盤錯疊式間歇型灘壩沉積兩種沉積模式。前者主控因素是水動力能量分帶性和同沉積斷層活動性,后者主要受控于物源和古地貌形態。

(4)同沉積斷層下降盤發育的灘壩沉積更多體現出正旋回特征,平面上主要“依附”于斷階帶處分布；斷層上升盤灘壩砂體以反旋回居多,受物源和湖浪作用的影響呈“條帶狀”平行于湖盆邊緣展布。

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