石臼坨凸起西南缘陡坡带东三段古地貌对沉积的控制

王启明， 李 瑾， 周晓光， 刘 睿， 王改卫

( 中海石油(中国)有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452 )

石臼坨凸起西南缘陡坡带东三段古地貌对沉积的控制

王启明， 李 瑾， 周晓光， 刘 睿， 王改卫

( 中海石油(中国)有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452 )

为解决渤海海域石臼坨凸起西南缘陡坡带东三段沉积体系展布规律及控制因素等问题，综合利用钻井、测井和地震资料，恢复石臼坨凸起西南缘的古地貌，研究古凸起、古沟谷、沉积区底型等地貌单元，解析陡坡带不同位置扇体分布规律的差异性，阐明古地貌格局对沉积的控制作用。结果表明：东三段物源区古地貌呈西部高隆、中部过渡、南部阶地、东部平缓的地貌格局，沟谷大量发育，且发育类型自西向东由深V型向宽缓的U型和W型演化。沉积区古地貌受同沉积断裂控制形成4类沉积底型，并形成洼槽与脊梁相间格局，西部和东部洼槽可容纳空间比中部的大。扇三角洲主要沿古凸起发育的沟谷进入湖盆，在可容纳空间较大的洼槽带分布，具有西部极富集、东部相对富集、中部贫砂的规律。物源区宏观古地貌对应的供给方式控制扇体的发育样式，沟谷规模和数量控制扇体的展布范围，沉积区底型控制扇三角洲富集程度。剥蚀区古沟谷发育且边界断层活动性强形成的洼槽带，是陡坡带寻找富砂沉积体的有利方向。

古沟谷； 古地貌； 沉积底型； 控砂作用； 石臼坨凸起西南缘； 陡坡带

0 引言

随着渤海海域浅层勘探程度的不断提高，油气储量接替压力的不断增大，急需找到新的储量增长点，勘探层系逐步从浅层转移到中深层领域。陡坡带是中国东部断陷盆地中油气勘探的重要构造带，成为中深层油气储量发现重要的勘探领域[1-2]。陡坡带的形成多与断裂活动相关，同沉积断裂活动塑造的古地貌形态控制可容纳空间变化和砂分散体系形成[3]。近源背景下，陡坡带具有构造复杂、沉积相带迁移变化快等特点，砂体在空间分布上具有差异性，进而导致砂体难以精细预测，给油气勘探带来难度。近年来，构造—古地貌对沉积的控制是人们研究含油气盆地分析的热点[4-10]。根据构造—古地貌，向淑敏等研究不同古地貌背景控制沉积相带发育类型及砂体分布规律[5-7]；徐长贵等总结古地貌分析技术在储集层预测中的应用[8]；黄胜兵等总结不同沟谷与坡折带等物源通道对储层分布的控制[9]；周东红等探讨由边界断裂活动差异形成的古地貌特征对砂体分布的控制[10]。因此，根据构造—古地貌研究可以揭示物源区和沉积区空间配置关系，明确富砂沉积体系的分布和控制因素。

渤海海域石臼坨凸起西南缘具有典型的陡坡带特征，断裂与古地貌背景复杂，受地震资料品质及钻井资料少等因素的影响，古近系东营组三段(东三段)沉积体系展布规律不清，制约该区的勘探进程。人们对该区沉积体系的认识多为区域宏观研究[11-12]，缺少对砂体展布规律和控制因素的分析；构造—古地貌格局方面仅针对边界断裂组合样式及特征进行研究[13-15]，缺少对古地貌形态的精细刻画。笔者综合利用研究区的地震及钻井、测井资料，根据构造—古地貌特征，分析剥蚀区和沉积区的精细地貌，首次恢复古近系东三段沉积时期古地貌；综合研究物源区地貌形态、沟谷类型及宽深比、沉积底型等，结合边界断裂特征，揭示东三段沉积时期石臼坨凸起西南缘陡坡带构造—古地貌格局对沉积的控制作用，明确砂体差异发育的控制因素，对陡坡带寻找有利储集层发育区具有指导意义。

1 区域地质概况

石臼坨凸起西南缘陡坡带位于渤海海域西北部，处于石臼坨凸起西段南部边界断裂下降盘及邻近围区，为近东西走向的构造带(见图1)。研究区北靠石臼坨凸起，南处渤中凹陷西次洼，东至427倾末端，西邻沙垒田凸起，成藏位置十分有利[13-15]。

图1 研究区位置及地层Fig.1 Map of location study area and strata histogram

受蓬莱—张家口左旋走滑断裂和黄骅—德州右旋走滑断裂双重影响[13], 石臼坨凸起西南缘陡坡带发育北西向、北东向边界断裂和北西向、北东向、近东西向三组次生断裂，形成明显的共轭剪切关系。其中,边界断裂是张性与剪张性复合、平直形与弧形交互，具有张扭性断裂的特征，受断层活动差异影响，具有明显的分段性。该区古近系主要发育沙河街组及东营组，其中,东营组进一步划分为东一段、东二段和东三段[11](见图1)。东三段沉积时期，研究区自北向南可以分为凸起带、陡坡带、洼陷带等3个构造古地貌单元。其中，北东向和北西向边界断裂分割凸起区与沉积区，控制整个陡坡带的形成和演化，自西向东地形坡度较陡，东三段地层厚度较大。北东向和近东西向次生断裂将陡坡带与洼陷带分开，受次生断裂雁列状展布的影响，地层格架进一步被复杂化，地层向洼陷带逐步加厚。

古近系东三段沉积时期对应裂陷Ⅳ幕早期，断裂活动增强，发育近源扇三角洲沉积；在东二段—东一段沉积时期，断裂活动逐渐减弱，湖盆逐渐萎缩，水体变浅，三角洲大规模快速向湖区充填。

2 古地貌特征

构造运动形成的剥蚀区古地貌和沉积区古地貌直接或间接控制沉积体的类型、规模及分布特征样式。只有真实再现地质历史时期的物源区和沉积区地貌，才能精确分析古地貌对沉积体系的控制作用，进而精确预测砂体的分布。目前，古地貌恢复方法主要有地层厚度趋势法、泥岩声波时差法、砂岩孔隙度法、镜质体反射率法、古地温法、沉积速率法等[16]。由于凸起区钻井少，难以真实恢复地层剥蚀厚度，可以通过恢复残留地貌形态代表历史时期古地貌。根据钻井、测井及地震资料，以三维地震层位解释成果为基础，利用地层厚度趋势法，分析网络状的地震剖面控制或连井对比追踪不整合下伏地层削蚀点的分布，并对潜山顶界面地层起伏形态进行精细刻画，可恢复古物源的分布范围和残留面貌。同时，应用层序界面拉平进行古水平面恢复，通过去压实校正，结合断裂活动特征，进行时深转换，对沉积区古地貌进行恢复。根据古地貌特征分析，识别研究区的正向古凸起、负向古沟谷和沉积区洼槽等地貌单元。根据石臼坨凸起基底和沉积区东三段顶底地震数据解释成果，基于Petrel软件合成，得到古近系东三段凸起区和沉积区完整的古地貌形态(见图2)。

图2 石南陡坡带东三段古地貌恢复Fig.2 Paleo-geomorphic restoration of Shinan steep slope zone in Ed3

2.1 剥蚀区

物源区地貌高低起伏变化控制山间水系的流向和输砂能力的强弱。可以根据风化剥蚀程度划分物源区地貌形态，进而判别古水系流向和物源供给能力[17-18]。由图2可以看出，物源区发育一系列高低相间的地貌单元，地形起伏较大,地貌上呈现西高东缓、北高南低的构造格局。物源区古地貌由高到低依次划分为西部高隆区、中部过渡区、南部阶地区、东部平缓区。研究区西侧为高隆地貌，地形高差大，起伏明显，沟谷大量发育。高隆区继续被剥蚀成为沟谷化低隆区，向东逐渐由高隆区转变为过渡区和平缓区，地形高差弱化，沟谷较发育，向南受早期断裂影响，转变为阶地区，地形平缓，表现为“宽缓斜坡”特征。

物源区地表遭受侵蚀而形成古沟谷，是沉积物向盆地内搬运与堆积的古地貌低势区。石臼坨凸起为寒武—奥陶系灰岩叠加中生界火成岩复合基底，局部地区残留前寒武花岗岩地层[19]，基岩在断层发育区易形成破碎带，发育多个古沟谷。沟谷类型与凸起部位、基岩岩性、剥蚀时间有关。沟谷下切深度不同，导致古凸起地貌起伏变化不同，在地震剖面上形态也存在差异[20]。距离物源近及水动力条件强，携砂能力足，一般形成V型沟谷；随着搬运距离的增加，水动力条件减弱，坡度降低，一般形成U型或W型沟谷。东三段沉积时期，西部高隆区发育6条规模大、延伸距离远、近北西向和北东向展布的古沟谷，平面上沿北东向断裂分布(见图2和图3)。为研究方便，将它分别命名为1、2、3、4、5、6号沟谷，其中1号和6号沟谷位于西部高隆区，构造活动强烈，形成沟谷规模较大，表现为深V型特征，水动力最强。2、3、4、5号沟谷处于高隆区向南部阶地区过渡部位，以宽V型为主，水动力强度次之。南部阶地区西侧发育4条沟谷，分别命名为7、8、9、10号。当物源水系从高隆区向南部过渡区搬运过程中，随着搬运距离的增加，在地震剖面上表现为宽缓的U型沟谷，成为低势区，输砂能力有所增强。中部低隆区沿北东向断裂发育6条沟谷，分别命名为11、12、13、14、15、16号沟谷，其中11、12、13号沟谷以V型为主，下切深度大。14、15、16号沟谷以U型为主，沟谷宽度明显增大，这与中部过渡区地势自西向东逐步变缓有关。东部平缓区沿北东向断裂发育8条沟谷，分别命名为17、18、19、20、21、22、23、24号沟谷，17—22号沟谷在地震剖面上多呈深V型，沟谷规模与11、12、13号沟谷相当。22—24号沟谷以宽缓U型和W型为主，揭示地貌坡度进一步减缓，水动力强度逐渐减弱。总体上，自西向东，物源区地貌形态由高隆变为平缓，地形坡度由陡变缓，沟谷发育类型从深V型向宽缓的U型和W型演化，与地貌高低形态具有较好匹配性，直接影响沉积物供给总量及水动力强弱的变化。同时，物源区古沟谷的存在，也为东三段沉积时期陡坡带的物源供给提供优越的输砂通道。

图3 古沟谷发育特征(剖面1位置)Fig.3 Development characteristics of the ancient valleys(Section 1 position)

2.2 沉积区

石臼坨凸起西南缘陡坡带东三段地层整体受边界主干断裂控制[13]。在东三段裂陷Ⅱ幕强烈的活动下，对渤中凹陷西次洼基底古地貌改造作用强烈，自西向东形成多个洼槽与脊梁，洼槽与脊梁之间受多个与主干断裂近于垂直的次级断裂所分割。平面上，西部和东部洼槽规模大，中部规模较小。根据研究区陡坡带边界断层的剖面形态及其与沉积区地貌形态的组合关系，沉积区在不同位置的古地貌形态特征有差异[21-22]，可以分为铲式上凸、铲式下凹、铲式下倾、坡坪式等4种类型(见图4)。CFD6-4-4井区主断裂倾角较小，沉积底型为古地貌高地，整体边界断层坡度缓、宽度大，表现为坡坪式特征，导致沉积地层厚度较小(见图2和图4(a))。CFD6-4-2井区古地貌以铲式下凹为特征，边界主断裂倾角大，断层断距最大，沉积底型表现为下凹形态，位于石臼坨凸起北侧边界断层活动性最强部位(见图2和图4(b))。CFD6-4-1井区古地貌为铲式上凸类型，处于北西向断裂和北东向断裂的交汇处，边界断裂倾角大，沉积底型上凸，逐渐向湖盆中心超覆减薄(见图2和图4(c))。CFD6-4-5D和BZ2-1-2井区受断阶带影响，沉积底型向湖盆中心呈下倾，地层厚度依次逐渐增大(见图2和图4(d))。由图4(d)可以看出，边界断裂样式对沉积区地貌具有明显的控制作用。其中，受断层活动性及坡度等因素影响，铲式断层形成的洼槽可容纳空间大，来自剥蚀区的碎屑物质易快速堆积，并在垂向上可以多期叠加，形成砂体厚度和规模大。坡坪式断裂样式形成的可容纳空间有限，不利于碎屑物质汇聚，形成的砂体规模小。

图4 沉积区不同位置底型特征(剖面位置见图2)Fig.4 Bottom type characteristics with differentPosition of deposit zone(Section position as shown in fig.2)

研究区主要发育石臼坨凸起物源体系。靠近西侧物源区以高隆为特征，大量发育V型沟谷，可以推测它经历较强的构造活动，风化剥蚀时间长，物源供给强，为陡坡带扇三角洲砂砾岩体的发育提供有利条件。中部及东部物源区以过渡区和平缓区为特征，自西向东古凸起地形逐渐变缓，坡度变小，也可为东部的陡坡带扇三角洲沉积体的发育提供物源。剥蚀区古凸起、古沟谷及沉积区洼槽等古地貌单元的良好匹配，决定物源的优势输砂方向和卸载场所。

3 古地貌格局对沉积的控制

综合钻井、测井及地震相分析，石臼坨凸起西南缘陡坡带东三段主要发育近源扇三角洲沉积，洼陷中心发育浅—半深湖相沉积。扇体主要沿边界断裂呈裙带状分布(见图5)，但展布范围和发育规模有较大差异，具有西部、东部较富集，中部相对贫砂的特点，扇体发育样式、分布和富集程度明显受古地貌的控制。

图5 石南陡坡带东三段扇体展布特征Fig.5 Distribution characteristics ofthe fan body of Shinan steep slope zone in Ed3

3.1 剥蚀区砂体发育样式

剥蚀区古地貌特征决定物源供给方式，进而影响沉积体系类型和砂体发育样式的差异。研究区自西向东为由边界断裂控制形成的陡坡带，但陡坡带之上物源区古地貌特征差异较明显。东三段沉积时期，受北东向和北西向共轭走滑断裂的挤压和拉张，造成物源区西高东缓、北高南低的古地貌背景，南侧为优势输砂方向。西部以高隆区为特征，沟谷发育，表现以沟谷为线物源的供给方式，物源供给量大且集中，形成沉积厚度大、相变快、岩性粗而杂的多期扇三角洲沉积，CFD6-4-2井岩性主要以砂砾岩、砾岩、含砾粗砂岩为主，泥岩不发育，含砂率可达98%(见图6(a-b))。岩心为混杂堆积，可见灰色含砾粗砂岩，砾石局部有少量定向排列，底部砾石含量为30%(体积分数)，平均粒径为5 mm，砾石整体为次棱角—次圆状，测井曲线主要为微齿化箱型，反映近源快速堆积特征。过渡区古地貌以沟谷和阶地为特征，地貌起伏程度降低，碎屑物质通过高隆区上的沟谷倾泻而下，再沿阶地上发育的宽缓沟谷进行搬运，由于经历一定距离的搬运和水动力条件的改变，沉积物相对富集，垂向上具有旋回性，CFD6-4-1井和CFD6-4-5D井表现多期扇三角洲沉积(见图6(a))，含砂率在50%～70%之间，厚层砂体之间有稳定的泥岩发育，且图6(c)井壁取心揭示砾石杂乱分布，杂基支撑结构，形成时搬运沉积物流体黏度、密度较大，为碎屑流沉积特征;砾石磨圆度高，颗粒分选较好，表明阵发性水流经历一定搬运距离后快速堆积的特点。东部古地貌表现为平缓特征，沟谷发育较少，以面物源供应为特征，碎屑物质经过较长距离搬运，在陡坡带之下发育小型扇三角洲沉积，BZ2-1-2井揭示储层以砂泥互层为特征，粒度明显变细，以中细砂岩为主，含砂率在30%～50%之间，旋回间泥岩较发育，测井曲线以齿化漏斗型—箱型为特征(见图6(a))，为受长距离搬运、地形坡降变小影响形成的扇三角洲前缘沉积。显然，不同位置扇体发育样式的差异与剥蚀区地貌形态及其物源供给方式有关(见图6)。

图6 不同位置扇体发育样式差异Fig.6 Fan development style differences of different positions

3.2 古沟谷展布范围

受石臼坨凸起形成的北西向断层和北东向断层的相互切割，在构造运动中易遭受剥蚀的薄弱部位，形成多种类型的古沟谷，通过连接物源区和沉积区控制主要的古水流方向。来自石臼坨凸起的碎屑物质，自北向南通过古沟谷流入湖盆，陡坡带为主要的沉积物卸载区，并在其前端形成规模不等的砂砾岩扇体沉积。对石南陡坡带西段物源区古沟谷进行统计，计算宽深比，半定量研究沟谷发育的规模与扇体发育的关系(见表1)。

表1 沟谷发育规模与扇体大小的关系

CFD6-4-4井区对应1条V型古沟谷(V2)，宽深比为7.1，发育一个小型扇体，沉积体的展布范围为8.59 km2。东部BZ2-1-2井区对应2条W型和U型古沟谷(V23、V24)，宽深比虽然达到15.8，但沟谷输砂能力弱化，沉积体的展布范围仅为6.06 km2。CFD6-4-2、CFD6-4-1、CFD6-4-5D井区对应4条V型古沟谷(V3、V4、V5、V6)，以及南部的V7、V8、V9、V10等4条宽缓沟谷，沟谷数量多，宽深比为13.8，总输砂能力强，形成3个大型扇体，其展布范围平均达22.81 km2，具有“大沟”对“大扇”的沉积规律(见图5)。由剥蚀区上发育的古沟谷数量可知，西部和东部沟谷数量比中部的要多，扇体平面展布范围西部和东部明显要大于中部的。

3.3 沉积区地貌富集程度

断陷湖盆的边界大断裂及其伴生台阶断裂对陡坡带地貌特征和沉积充填样式具有重要的控制作用。边界断裂活动的强弱程度和边界断裂结构形态控制断陷盆地沉积区古地貌形态，从而直接影响断陷湖盆内砂砾岩扇体的发育规模和展布[23-25]。断层同一时期活动性差异造成湖盆内地形的变化，水动力条件发生改变，从而导致在断陷湖盆陡坡带的不同位置沉积不同规模的砂砾扇体。石臼坨凸起西南缘陡坡带西段边界断裂东三段长期活动，且具有分段性，控制沉积区发育多个洼槽，但洼槽形态和可容纳空间大小有差异。CFD6-4-2井区、CFD6-4-1井区、BZ2-1-2井区东西两侧沉积区古地貌为铲式下凹或铲式上凸的形态，处于研究区最大的洼槽发育地带，可容纳空间大，成为北部物源区供给碎屑物质的主要汇集区；同时，受近距离和坡度陡等因素的影响，碎屑沉积物通过沟谷输送入湖沉积，在垂向上形成多期叠加、沉积厚度巨大的扇三角洲沉积，洼槽中心位置砂体厚度明显增加，扇体展布范围较大(见图5)。CFD6-4-5D井区和BZ2-1-2井区沉积区古地貌为下倾式，砂体厚度次之，仅在垂向呈加积和退积的叠加样式，横向难以推进较远距离。在中部地区，由于沉积区地貌的洼槽规模小，受早期古地形的影响，构造幅度较平缓，可容纳空间有限，加上受阶地区面物源供给较为分散的影响，砂体发育程度远不如西部富集(见图5)。因此，受边界断裂活动性影响的沉积区古地貌，控制扇体向前推进的距离、规模和展布样式。陡坡带断层活动性强越强，对应的沉积区古地貌可容纳空间越大，成为砂体卸载的有利区，往往能形成厚层富集的砂体。

4 结论

(1)石臼坨凸起西南缘陡坡带东三段物源区古地貌整体呈现西部高隆、中部过渡、南部阶地、东部平缓、沟谷发育的地貌格局，沟谷类型自西向东由深V型向U型和W型演化。沉积区古地貌受同沉积断裂控制形成4类沉积底型，洼槽与脊梁相间，西部和东部洼槽的可容纳空间较东部的大。古凸起、古沟谷及沉积区洼槽等古地貌单元组成良好的空间匹配关系，构成良好的源汇输砂通道，并决定陡坡带为物源的优势输砂方向和卸载场所。

(2)东三段沉积时期，扇三角洲主要沿石臼坨凸起西南缘发育的沟谷进入湖盆。其中，西部受高隆区物源和多条V型沟谷供给，扇三角洲在洼槽带分布，具有厚层多期叠置极富砂特征；东部洼槽带可容纳空间大，但受平缓区物源和多条宽缓U型和W型沟谷控制，形成的扇三角洲砂体相对富集；中部受过渡区物源和多条V型、宽缓U型沟谷控制，但受可容纳空间制约，砂体发育规模较小。

(3)石臼坨凸起西南缘物源区宏观古地貌对应的物源供给方式控制扇体的发育样式，沟谷规模和数量控制扇体的展布范围，沉积底型控制扇三角洲富集程度，三者共同控制东三段扇三角洲在不同位置发育规模的差异性。剥蚀区古沟谷发育、边界断层活动性强形成的洼槽带，是陡坡带寻找富砂沉积体的有利方向。

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2016-07-13；编辑：陆雅玲

国家科技重大专项 (2011ZX05023-002)

王启明(1984-)，男，硕士，工程师，主要从事石油地质勘探方面的研究。

TE122.1

A

2095-4107(2016)06-0053-09

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.06.007