一种辫状河、曲流河复合沉积体层序特征及其成因

郭 岭,姜在兴,李瑞锋

(中国地质大学(北京)能源学院,北京 100083)

一种辫状河、曲流河复合沉积体层序特征及其成因

郭 岭,姜在兴,李瑞锋

(中国地质大学(北京)能源学院,北京 100083)

为了探讨辫状河、曲流河复合沉积体系的层序地层分析方法,以哈萨克斯坦南图尔盖盆地南部下白垩统沉积体为例,在确定河流成因类型和相构成的基础上,考虑沉积地质、测井和地震资料,对下白垩统沉积体进行层序地层划分.结果表明:研究区下白垩统层序1主要发育低位体系域和湖侵体系域,高位体系域发育局限.低位体系域主要为辫状河沉积,包括河床滞留沉积和心滩;湖侵体系域主要为曲流河沉积,包括曲流河河道和泛滥平原.辫状河与曲流河复合沉积层序主要受古气候、古构造和沉积物供给因素控制.该复合沉积层序的形成为认识和对比地下复杂河流相地层提供了较好的实例.

南图尔盖盆地;下白垩统;辫状河;曲流河;复合沉积;层序特征

0 引言

河流相储层是陆相盆地中油气存储的重要单元,探讨河流砂体的层序形成机制以及沉积特征对在纵向和横向上预测砂体展布具有重要意义.关于河流相沉积层序的类型,Vail P R等认为与Ⅰ型层序有关的河流相沉积主要有2种类型:一种是在全球海平面下降期所形成的下切河谷中河流相充填物,表现为线状及弯曲的展布模式;另一种是形成于高水位后期宽阔的河流平原上,分布广泛,侧向上不受限制[1].W right V P等在Vail P R研究基础上,提出一个较为简洁的包括低位体系域、水进体系域和高位体系域的河流相层序模式[2].国内学者也对河流沉积和层序做了大量的研究[3-5],但对曲河流和辫状河的复合沉积体研究相对较少,笔者基于沉积地质资料和地震资料,对哈萨克斯坦南图尔盖盆地下白垩统河流复合沉积体进行了层序地层分析.

1 地质背景

哈萨克斯坦南图尔盖盆地为典型的中生代断陷盆地,地处乌拉尔山—天山缝合线的转折端,整体呈南北向长轴状分布,面积约为8.0×104km2.研究区位于南图尔盖盆地南部,受南部特提斯洋关闭的挤压应力作用,沿盆地西缘伴有走滑构造运动,形成近南北走向的Karatau挤压—走滑断裂.该断裂造就盆地向东南部收敛、向西北部发散的隆—拗相间的构造格局[6].研究区由西向东依次为阿雷斯库姆地堑、阿克塞凸起、阿克沙布拉克地堑、阿希塞凸起、萨雷兰地堑、塔巴克布拉克凸起和鲍金根地堑(见图1).

图1 南图尔盖盆地构造分区

南图尔盖盆地基底固结于早古生代末,中—晚古生代形成碎屑岩、碳酸盐岩过渡层.Karatau大断层和次级断层在晚三叠世—早侏罗世形成.地堑经历强烈的差异沉降,沉积了厚层陆相地层[7].早侏罗世拗陷沉降幅度大,晚侏罗世拗陷沉降幅度逐渐降低,侏罗—白垩纪交接期结束裂谷沉积,地堑停止强烈活动,整个盆地转为缓慢拗陷,并逐渐停止沉积,河流相沉积广泛分布,有些地区遭受剥蚀,形成白垩系底部砂砾岩.

2 层序界面特征

2.1 层序界面

2.1.1 岩性剖面标志

泥岩颜色变化处可以作为层序的界面.根据Walther相律,在整合的沉积序列中,只有横向上紧密相邻出现的相,才能在垂向层序中连续叠加而没有间断.横向上相距较远的相类型在垂向上相邻出现,意味着地层之间存在沉积间断.研究区常出现横向上相距较远的相类型在垂向上相邻出现,如AR-26井1 250 m处,底部为灰色滨浅湖泥岩,上部出现杂色的辫状河砂砾岩(其中泥岩为棕红色)沉积体(见图2),一般滨浅湖泥岩和辫状河砂砾岩沉积中间有过渡相的三角洲沉积等,但是在研究中没有发现过渡相沉积,这反映沉积环境突然变化或者过渡相沉积体遭到后期的剥蚀,因此可以作为层序界面.

图2 AR-26井岩性综合柱状图

河床滞留沉积是留在河床底部、集中堆积成不连续透镜体的砾石等粗粒碎屑物质(见图3).这些粗碎屑物质由上游河流搬来或近侧向侵蚀河岸形成,细粒物质被选择性搬运走,河床滞留沉积底部常具有明显的冲刷界面,是层序边界的标志(见图2).

图3 AR40层序1底部辫状河河道砂砾岩沉积体

滨岸上超的向下迁移可以作为层序界面,在钻井剖面中常表现为沉积相向盆地方向移动,如浅水沉积物甚至陆相沉积体直接覆于较深水沉积物之上,河流砂砾岩直接覆于深水泥岩之上,两类沉积之间往往缺乏过渡环境沉积,研究区多处可见陆上沉积的辫状河、曲流河河道砂体直接覆盖在下部层序2(上白垩统顶部沉积,图2未显示,下同)滨浅湖灰色泥岩之上(见图2),这也反映沉积相向盆地的迁移.

2.1.2 测井标志

在理想条件或正常埋藏压实条件下,沉积地层中泥岩的声波时差对数与埋深关系图表现为一条具有一定斜率的直线.地层间断造成间断面上下沉积物特征和沉积物的压实作用效果出现明显差异,这种差异可体现为泥岩的声波时差随深度变化曲线发生错断(见图2).沉积环境的变化在SP测井曲线上也有所反应,由于层序界面上下沉积相类型、岩性、泥岩颜色等有明显的变化,其在SP曲线上的响应表现为明显的曲线突变(见图2),测井曲线的特征变化可作为层序界面的识别标志[8].除此之外,研究中还使用声波时差曲线和电阻率曲线交汇法[9],该方法利用测井曲线的重迭法,把刻度合适的孔隙度曲线(一般为声波时差曲线)迭加在电阻率曲线上,在富含有机细粒烃源岩中,2条曲线存在幅度差,定义为Δlog R.在一般情况下Δlog R与烃源岩中的有机碳总量(TOC)成正比关系,层序边界对应于Δlog R低值段(见图2).

2.1.3 地震标志

不整合面表明存在指示重大沉积间断的陆上侵蚀或陆上暴露现象.地层不整合在地震剖面上表现为地震不整合现象,故利用地震剖面可以识别不整合.基准面下降过程中,河道产生下切作用.在地震地层学上,河道下切反映地层沉积表面的年代地层界面,因此可以将其作为层序的界面[10-13].研究区下白垩统地层发育大量的河道下切谷,下切谷沉积体为杂色的砂砾岩(见图3).研究区层序1与下部层序2沉积特征不同,层序1低位体系域为一套砂砾岩辫状河沉积体,而下部层序2为一套滨浅湖泥质沉积和部分曲流河泛滥平原泥质沉积,这就造成层序1和层序2界面上下波阻抗不同(底部泥岩,上部砂砾岩),在地震剖面上出现一个较强振幅的同相轴,同时在部分地区还可以看到河道下切现象,结合岩心和测井资料,能够保证这条强振幅的地震同相轴就是层序1和层序2中间的层序界面(见图4).

图4 研究区SQ1底部地震层序界面特征(河道下切,冲刷面)(单位:m)

2.2 层序内部体系域

南图尔盖盆地下白垩统曲流河、辫状河复合沉积体中,下部层序主要为复合河道砂体(见图5),沉积物粒度较大,以砂砾岩沉积为主,反映辫状河向盆地迁移并切割下伏地层的过程;上部层序沉积物粒度向上变细,主要为细砂岩和泥岩沉积,是低弯度的曲流河沉积,在细粒的泥质沉积体中偶尔夹有孤立河床,同时点坝的侧向加积形态和细粒的泥质沉积保存较好,侵蚀面明显减少,可能还会有湖泊水体的间歇性进入.

图5 研究区层序序列构成

南图尔盖盆地下白垩统曲流河、辫状河复合沉积体中,低位体系域主要由辫状河河床滞留沉积组成,同时部分地区还可见明显的河道下切谷,其中河道充填物也多为砂砾岩(见图3);湖侵体系域中,河流体系中由潜水面、构造运动等造成基准面上升,低位体系域的辫状河沉积转变为曲流河沉积,如果基准面上升过快,可能还会导致河流体系决口,进而形成大面积的泛滥平原沉积.层序1的湖侵体系域主要发育曲流河泛滥平原沉积.通常情况下,在高位体系域中,河流体系晚期由于潜水面缓慢下降,造成基准面下降,河流体系主要为曲流河.研究区中,高位体系域的河流沉积较为局限,只在部分钻井中出现.

3 层序控制因素

3.1 气候变化

气候的周期性变化对河流层序的形成与构成影响也较大.潮湿气候条件下,河流常年具有较大的水流量,对源区具有较强的侵蚀作用,此时碎屑物质被携带到下游地区沉积下来,形成较多的泛滥平原和河漫沉积体.从早白垩世开始,研究区气候由半干旱进一步变化到炎热干旱气候(见图6),造成出现间歇性水流,容易对下伏地层造成侵蚀,进而形成较多的河道下切谷.

图6 南图尔盖盆地南部J2-J3-K1构造、古气候、沉积综合耦合图

3.2 构造运动

构造对沉积有重要控制作用,河流相研究中,古构造的分析尤为重要.通过构造演化分析,可以判断物源的方向和变化,确定古地貌的高低,从而在宏观上确定河流的发育范围和大致流向.在研究区,通过分析构造演化和古地貌,可以确定物源主要来自南部,河流的主流向是从南往北.

断层在河流发育过程中起到至关重要的作用,通常“逢沟必断”.在断层发育区,岩性较为疏松,容易被河水侵蚀,下切形成河道.

南图尔盖盆地南部地区经历晚侏罗世断拗转换期后,从白垩世开始进入差异热沉降为主的拗陷阶段.基底沉降速率相对于断陷强烈活动时期明显降低,但构造运动作为制约陆相盆地可容纳空间变化的主要因素,仍控制着河流相层序界面的形成与层序构成.基底明显抬升导致河道下切作用的增强、层序界面形成;沉积可容纳空间的变化引起河型改变,进而导致层序结构与沉积相构成变化.可容纳空间较低时,河道砂体横向上连通性较好,如AR-26井底部的辫状河河道砂砾岩体(见图2),平面上分布较为广泛,河道在横向上的迁移具有连续性;可容纳空间较大时,河道砂体在地层中比较孤立,河道在横向上的迁移具有很大的不确定性.层序1低位体系域时期,可容纳空间小,横向上发育连续性较好的砂砾岩;到湖侵体系域时基准面上升,可容纳空间增大,河道砂体不发育,此时仅见到一些孤立的河道砂体.

3.3 沉积物补给

沉积物补给作为气候和构造运动的反映,补给量的变化在可容纳空间较小的河流相环境中控制层序地层结构特征,表现为河道沉积准层序(准层序组)叠加样式的变化.呈进积叠加样式的河流准层序(准层序组)常形成于沉积物补给量增大、河道化作用逐渐增强的阶段,如AR-26井层序1低位体系域3个进积式准层序组的叠加(见图2);呈退积叠加样式的河流准层序(准层序组)常形成于沉积物补给量减少、河道化作用减弱的阶段.

研究区辫状河、曲流河复合沉积层序主要受到古构造、古气候和沉积物补给因素的控制,且3种因素有较好的耦合关系(见图6).

4 结束语

南图尔盖盆地南部下白垩统沉积体是由辫状河与曲流河组成的复合沉积体,层序主要发育低位体系域和湖侵体系域,高位体系域发育局限.低位体系域主要发育一套辫状河沉积体,岩性以粗粒的砂砾岩为主,夹少量薄层棕红色泥岩和粉细砂岩;湖侵体系域主要发育一套以棕红色泥岩为主的曲流河泛滥平原沉积体.通过对南图尔盖盆地晚侏罗世到早白垩世的构造、古气候和沉积特征耦合关系的分析,认为研究区辫状河与曲流河复合沉积体层序的形成主要受古气候、古构造和沉积物供给因素的控制,其中构造起主要的作用,特别是下部的隐伏断裂.

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Characteristics of com posite sedimen tary sequence of braided and meandering river and their genetic in terpretation/2011,35(2):29-33

GUO Ling,JIANG Zai-xing,L IRui-feng
(School of Energy Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

A composite stratigraphy of depositional system of braided and meandering river in South Turgai Basin in Kazakhstan is analyzed.The causes of river type and phase composition are determined,it includes the meandering river channel,flood p lain,riverbed detention sediment and bar of braided river.According to sedimentary geology,logging and seismic data,the sedimentary sequence of Lower Cretaceous sedimentary body is divided.Low stand system tract and transgrasive system tract developed in sequence 1,and high stand system tract poo rly developed.Braided river developed in LST and meandering river mostly developed in TST.The composite sedimentary sequence of braided river and meandering river is controlled by paleoclimate,palaeotectonic and sediment supp ly.This composite sedimentary sequence of braided and meandering river p rovides a good examp le of comparison fo r understanding the fo rmation of underground strata of river.

South Turgai Basin;Low er Cretaceous;braided river;meandering river;composite sedimentation;sequence character

TE121.3

A

1000-1891(2011)02-0029-05

2010-05-25;审稿人:张云峰;编辑:张兆虹

国家科技重大专项(2009ZX05009-002);高校博士点基金(200804910004)

郭 岭(1983-),男,博士,主要从事沉积学和非常规天然气储层地质学方面的研究.