黄骅坳陷缓坡带沙河街组物源体系分析

袁淑琴 刘子藏 李 勇 肖敦清 蒲秀刚

(1.大港油田勘探开发研究院,天津 300280;2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059;3.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029)

中国东部中、新生代陆相含油气盆地主要为断陷盆地,一般可将其划分为3个带,分别为缓坡带、深陷带和陡坡带。在陡坡带一侧低位扇发育,是油气资源良好储层和油气勘探的重要领域。近年来,在缓坡带一侧也逐渐进行了油气勘探和开发,开始探索缓坡带的构造样式和油气分布规律[1～3],分析了缓坡带的层序地层、沉积模式的特殊性[4～9]。研究成果表明缓坡带的沉积物粒度较细、物性较好、沉积类型多样,是油气勘探的有利地区。

虽然埕宁隆起是黄骅坳陷缓坡带最主要的物源区[10],但是黄骅坳陷缓坡带的缓坡型古地形对物源体系和水系模式具有明显控制作用,一方面它控制着外带至内带的碎屑岩类型、沉积体系和砂体类型在南北方向的变化,同时次级物源口又控制着每一个构造地貌单元内碎屑岩类型、沉积体系和砂体类型在东西方向的变化(图1)。鉴于此,本文采用砾石成分分析、砂岩成分分析、重矿物分析、砂体分散体系和沟-谷体系分析等方法对区内次级古物源口及古水系进行分解,分析埕宁隆起上次级物源口的分布位置,研究次级物源口对沉积物组分差异和储集性的影响,探索次级水系对砂体空间展布的控制作用,并为黄骅坳陷缓坡带古地形的恢复和古物源体系的重建提供最基本的材料。在此基础上,开展外带、中带、内带等不同构造地貌单元的物源体系的对比性研究,建立黄骅坳陷缓坡带物源体系格架,探讨该区缓坡带物源体系的特殊性。

1 地质背景

埕宁隆起位于渤海湾盆地中部黄骅坳陷的东南部。其西北侧依歧口凹陷,东南侧抵车镇凹陷,总体构造格局北缓南陡,呈NE-SW走向,面积约为800 km2。研究区就位于埕宁隆起北坡缓坡带(即埕北断阶带,图 1)。

图1 黄骅坳陷缓坡带的构造分区及井位分布图Fig.1 Distribution of the wells of the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

埕宁隆起形成于中生代燕山运动,古近纪强烈隆升,剥蚀作用强烈,成为区内主要物源区;新近纪构造活动减弱,隆升和剥蚀强度降低,大部分地区被馆陶组、明化镇组覆盖。据重磁资料推测,该隆起为向南东方向抬升、向北西方向倾斜的单斜构造,总体形态为一向北西凸出的弧形隆起带。从北向南、从西向东依次发育的基岩为中生界、石炭-二叠系、寒武-奥陶系与元古界。其母岩性质包括寒武-奥陶系碳酸盐岩、元古界变质岩、石炭-二叠系的海相与海陆过渡相沉积岩、中生界碎屑岩、火山碎屑岩与岩浆岩。

埕宁隆起显示为由南向北逐级下掉的多级断阶带,由埕宁隆起剥蚀区、缓坡区和深陷区(歧口凹陷)3个区块构成。在缓坡区内部由4条正断层将其分割成外带、中带、内带3个构造地貌单元(图1),古坡度在 0°～10°之间,总体属于多级低角度缓坡。其中最显著的特征之一就是其中发育较多的地层不连续面,表现为不整合面和上超面,并由北向南上超,形成逐级上超面,地层超覆、尖灭、剥蚀和不整合等圈闭均特别发育[8]。

在古近系沙河街组沉积时期,埕宁隆起始终处于隆升状态,歧口凹陷不断下沉,位于埕宁隆起向歧口凹陷过渡的埕北断阶带地层发育不完整,垂向上连续性差,各区块之间地形坡度较小,平均坡度 8°左右(其中外带 0°～ 5°,中带和内带 5°～10°),水动力条件变化大,具缓坡带特点。地层厚度介于0～1.6 km之间,由南向北逐步增厚,呈现为南薄北厚,并可被划分为5个层序[8](图2)。沉积物粒度较细,物性较好,发育一套近物源、相带宽、沉积物粒度相对较细的、以辫状河三角洲和滨浅湖滩坝为主的沉积,由南向北显示为辫状河三角洲沉积体系-滩坝沉积体系-湖泊沉积体系-浊积扇沉积体系的组合模式(赵瞻、李勇等,2007)。在外带发育辫状河三角洲平原,在中带发育辫状河三角洲内前缘及滨浅湖滩坝沉积,在内带发育辫状河三角洲外前缘及浊积扇沉积;未出现在陡坡带普遍发育的扇三角洲和近岸水下扇等沉积体系类型。

2 物源体系分析

埕宁隆起是黄骅坳陷缓坡带最主要的物源区。但是,黄骅坳陷缓坡带的缓坡型古地形对沙河街组物源体系和水系模式具有明显控制作用,因此,本次采用砾石成分分析、砂岩成分分析、重矿物分析、砂体分散体系和沟-谷体系分析等方法对区内次级古物源口及古水系进行分解,分析埕宁隆起沙河街组次级物源口的分布位置及其对沉积物组分差异和储集性的影响。

图2 黄骅坳陷缓坡带地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

2.1 砾石成分分析

砾岩主要分布在缓坡带的外带,是埕宁隆起物源区母岩成分最直接的反映。本次对区内砾岩中砾石成分进行了统计(表1),结果表明,该区的砾石成分可明显地分异出东部、中部和西部3个区块。在东部地区,砾石成分以岩浆岩为主,含变质岩和少量碳酸盐岩;中部地区以岩浆岩和变质岩为主,并含较多泥砾,表明东部和中部物源区性质相近,都以前寒武系花岗岩、侏罗系及石炭、二叠系火山岩及砂岩为主。在西部地区,砾石成分以碳酸盐岩为主,且泥砾含量相对较少,灰岩砾石所占比例较大,表明西部地区的母岩性质为寒武系、奥陶系灰岩及砂岩。

表1 黄骅坳陷缓坡带沙河街组砾石成分Table 1 The component of conglomerate in the Shahejie Formation on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

2.2 砂岩成分分析

研究区砂岩的碎屑组分主要是石英、长石和岩屑,总体含量(岩石薄片中的面积比)介于84%～98%之间,但砂岩的类型在东西方向上具有明显的变化。西部地区的砂岩主要为长石砂岩及岩屑长石砂岩,中部地区及东部地区的砂岩主要为岩屑长石砂岩。为了能更好地确定物源口,作者统计了砂岩的骨架成分,编制了平面分布图(图3),并将其划分为东部、中部和西部3个区块。

西部地区砂岩的骨架成分以石英含量高为特点,在岩石薄片中石英的面积比为40%～83%之间,平均为52%。长石颗粒主要为钾长石,在岩石薄片中的面积比为8%～35%;斜长石颗粒较少。岩屑主要为沉积岩岩屑,在岩石薄片中的面积比约为15%,成分主要为灰岩;岩浆岩岩屑平均为5%;变质岩岩屑约为2%：表明在西部地区砂岩的骨架成分以石英含量高、岩浆岩岩屑和变质岩岩屑含量低为特征。

东部地区砂岩的骨架成分具有低石英的特点,石英在岩石薄片中的面积比一般为9.8%～25%,平均约为20%。长石颗粒可分为钾长石和斜长石,斜长石颗粒含量相对较高,在岩石薄片中的面积比约为25%。岩屑类型以岩浆岩岩屑为主,在岩石薄片中的面积比达25%;其次为沉积岩岩屑(约5%)和变质岩岩屑(约3%)。表明在东部地区砂岩的骨架成分具有低石英、高岩浆岩岩屑和变质岩岩屑的特点,表现为低成分成熟度、近源供给。

图3 黄骅坳陷缓坡带沙河街组砂岩成分分布特征图Fig.3 Distribution of the sandstone components in the Shahejie Formation on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

中部地区砂岩的骨架成分石英含量介于西部和东部地区之间,在岩石薄片中石英的面积比为26%～43%,平均约为34.5%。其中岩浆岩岩屑较东部地区减少,而沉积岩岩屑则有所增加,表明沉积岩岩屑具有从东部地区向西部地区逐渐增加的特点。

此外,还选用了Q型相关系数进行砂岩成分的聚类分析,按6个变量(Q,P,K,Ls,Lm,Lv)对砂岩样品之间的相似性进行了对比,编制了谱系图(图4)。结果表明,在分异距离为15的时候,研究区的砂岩可被明显地分为西部地区、中部地区和东部地区3个区块。

2.3 重矿物组合分析

图4 黄骅坳陷缓坡带沙河街组砂岩成分聚类图Fig.4 Cluster analysis of the sandstone components in Shahejie Formation on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

对区内沙河街组11口钻井175个样品进行了0.125～0.063 mm粒级的重矿物分析。分析的结果表明,主要的重矿物类型有锆石、电气石、金红石、石榴子石、黑云母;但重矿物组合在东西方向具有明显的分异性,可明显地分为东部地区和西部地区。在东部地区,石榴子石含量相对较高,在岩石薄片中的面积比可达40%～50%;其次为锆石,含量低,晶体类型单一,棱平直清晰,多为无色及浅粉红色,并伴有少量的黑云母：表明东部地区以中酸性岩浆岩和变质岩来源的重矿物组合为特点。在西部地区,锆石含量相对较高,在岩石薄片中的面积比可达40%～50%,其中淡紫色或褐红色的锆石常具有环带构造;其次为石榴子石,含量(面积比)约为30%;磁铁矿及白钛矿含量也相对较高：表明西部地区以沉积岩母岩来源的重矿物组合为特点。而中部地区的重矿物组合则显示为东部和西部地区之间的过渡类型。

此外,作者利用重矿物ZT R指数对物源区进行了分析,所作出的重矿物ZT R指数等值线图能够看出物源区的大致趋势(图5)。区内主要受4个方向的物源影响,其中西部地区物源主要来自埕宁隆起及附近一些次级凸起,如孔店凸起、扣村-羊三木凸起等,另外可能还有来自西北部的沧县隆起和南大港潜山;中部地区物源主要来自埕宁隆起;东部地区物源主要来自埕宁隆起东部和海中隆起。

2.4 砂体分散体系分析

砂体分散体系是研究古物源和古水系的一个重要方法,其原理在于在水系通过的地区也是砂体最为发育的地区,具有砂岩厚度大、砂岩含量高的特点。鉴于此,本文试图通过对砂岩厚度及砂泥比的统计分析,探索缓坡带的古斜坡方向、物源口和古水流方向等问题。在对沙河街组6个层序的砂岩厚度及砂泥比分析的基础上,按砂泥比大于30%的砂岩条带作为划分古水系分布范围的标准,将研究区划分为东部、中部和西部3条砂体条带,作为该缓坡区古水系注入湖泊的三条主要通道(图6)。其中东部地区的砂体条带呈SSENNW向延伸,长度为20 km左右,砂体条带的宽度由南向北逐渐增加,平均宽度约为5 km;中部地区的砂体条带沿SSE-NNW 向延伸,长度为10 km左右,平均宽约为4 km;西部地区的砂体条带呈SSW-NNE向延伸,长度为16 km,宽度约为6 km。

以上研究成果表明,该缓坡带的物源体系以线状物源为特征(图7),3个物源口平行于主要构造线和埕宁隆起长轴方向,呈近东西方向展布。3条古水系以横向水系为特征,水系走向垂直于主要构造线,呈近南北方向展布。在同沉积断裂的控制下,每一条水系均呈多级断阶状,断阶上盘的砂体沉积厚度小、宽度小,断阶下盘的砂体沉积厚度大、宽度大。沿每一条水系,沉积相类型变化明显：在外带为辫状三角洲平原亚相发育区;在中带为辫状三角洲前缘亚相发育区,砂体沉积厚度大;在内带为深湖相细粒泥质沉积物、辫状三角洲前缘沉积物和前缘滑塌再搬运形成的浊积扇体。

2.5 沟-谷体系分析

图5 黄骅坳陷缓坡带沙河街组重矿物ZT R等值线图Fig.5 The ZTR isopach map of the Shahejie Formation on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

图6 黄骅坳陷缓坡带沙河街组砂泥比等值线图Fig.6 The isopach map of sandstone-mudstone ratio in Shahejie Formation on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

图7 黄骅坳陷缓坡带沙河街组砂体分散体系Fig.7 Dispersal pattern of sandstone bodies in Shahejie Formation on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

黄骅坳陷缓坡带的古地形属于埋藏型古地形,古近纪的古地表被新近纪的沉积物埋藏,并保存到现今。该缓坡带的古地形在平面上呈现为凹凸不平的起伏形态,其中凸起脊为分隔沉积物的主要界限带,洼槽(凹陷带)则为堆积沉积物的主要区域(图8)。鉴于此,在对该缓坡带的古构造和砂体分布图进行重点分析的基础上,作者对近东西方向的三维地震剖面进行了重点解释和井震对比,发现该缓坡带的中部和东部存在2条洼槽或冲沟,表明该区的中部和东部存在2个大的沟-谷体系(图6,图7)。该沟-谷体系垂直于主要构造线,呈近南北方向展布,与缓坡带上所发育的3条古横向水系相匹配。因此,我们推测沟-谷体系的位置就是古河道沉积物充填的地区,即古水系的河道沉积物就分布在洼槽或冲沟之中,形成了地震剖面上显示的沟-谷体系(图8)。

图8 黄骅坳陷缓坡带东部的冲沟(古河道)在地震剖面图上的显示Fig.8 The paleo-channel in seismic refraction profile on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

3 结论

a.黄骅坳陷缓坡带的物源主要是其南部的埕宁隆起。通过对砾石成分、砂岩成分、重矿物、砂体分散体系和沟-谷体系的分析(表2),可细分为3个次级物源口,从西到东分别为西部物源口、中部物源口和东部物源口。其中东部和中部物源区的性质相近,都以前寒武系花岗岩、侏罗系及石炭、二叠系火山岩及砂岩为主,只是东部物源区中含有海中隆起母岩成分(酸性、中性、基性喷出岩,片岩,千枚岩及碳酸盐岩);而西部物源区的母岩性质差异较大,主要为二叠系、奥陶系灰岩及砂岩。

b.西部物源主要影响扣村-后唐堡-张巨河地区,中部物源主要影响赵家堡-关家堡-张海15井地区,东部物源主要影响埕海1-张海9-歧东3-1井地区。由物源区至深陷区均发育辫状河三角洲沉积体系-浊积扇沉积体系-深湖沉积体系。

表2 黄骅坳陷缓坡带砂体及古水系特征Table 2 The characteristics of the paleo-channel and sandstone bodies on the gentle slope(ramp)of the Huanghua depression

c.研究区3个次级物源口呈东西方向线状分布于埕宁隆起的北侧缓坡带,平行于主要构造线,具有线状物源的特点。此外,在该缓坡带上所发育的3条古水系以横向水系为特征,古水系走向呈近南北方向展布,垂直于主要构造线;3个次级物源口和水系不仅控制了缓坡带上砾石成分、砂岩成分、重矿物组合在东西方向的分区和变化,同时也控制了砂体分散体系和沟-谷体系在空间上的展布形态。显然,本项研究成果为黄骅坳陷缓坡带的古地形恢复、古地理重建和有利砂体预测提供了最基本的材料。

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