断陷湖盆异重流沉积特征与分布模式——以歧口凹陷板桥斜坡沙一下亚段为例

周立宏 陈长伟 韩国猛 肖敦清 汤 戈 王锦程

（ 中国石油大港油田公司 ）

重力流沉积是深水区厚层砂岩发育的关键因素，也是石油地质学家们关注的热点[1-12]。Bouma提出的经典“触发型”浊流学说解释了部分深海沉积物的成因[13]；Shanmugam砂质碎屑流理论为深水区大量沉积物的快速堆积提供了理论依据[14]；Bates将一种与洪水期河流有关的高密度流称为异重流(hyperpycnal flow)[15]，其沉积物称为异重岩（hyperpycnite），这是一种既不同于砂质碎屑流沉积，也不同于滑塌型浊流沉积的重力流沉积[16]，其成因是高密度洪水河流直接注入低密度水体底部[17]，并沿水底长距离运移的流体。与触发型重力流沉积相比，异重流沉积持续时间更长，搬运距离更远，碎屑颗粒也相对较粗[18]。这种特殊的重力流沉积已引起国内外沉积学者极大的关注[19-22]，也是目前学术研究和争论的焦点。Mulder等在观察了全世界147条河流后，认为其中71%的河流可形成异重流[23]，说明异重流发育具有普遍性。然而，受资料及认识程度所限，异重流沉积砂体多发现于海相盆地和陆相坳陷型盆地[24-26]，陆相断陷盆地尚未见相关报道。

本文在对渤海湾盆地歧口凹陷沙一下亚段沉积研究过程中，发现了典型异重流沉积建造，指示陆相断陷盆地具备异重流砂体发育条件，改变了以往该区以触发型重力流沉积为主的观点，针对性预探部署已获得良好的勘探成效，显示了异重流沉积具有极大的油气勘探前景。同时，异重流作为一种源于洪水期河流的持续性流体，其发现有效完善和发展了经典的触发型重力流理论，对于全面认识深水重力流沉积、中深层储层预测以及岩性油气藏勘探具有重要的理论和现实意义。

1 区域地质概况

歧口凹陷位于渤海湾盆地腹地，与燕山褶皱带、沧县隆起、港西凸起、孔店凸起、埕宁隆起及沙垒田凸起等相邻[27-28]。受新生代陆内伸展作用影响，歧口凹陷经历了古近纪裂陷和新近纪裂后热沉降两个构造演化期，形成了凹凸相间的构造格局，发育1个主凹（歧口主凹）、4个次凹（北塘次凹、板桥次凹、歧北次凹和歧南次凹）及多个斜坡构造单元（图1）。板桥斜坡是夹持于沧东断层和滨海断层之间的箕状斜坡构造（图1），总体上呈西陡东缓特征，近沧东断层一侧为陡坡带，近滨海断层一侧为缓坡带[29]。沙一下亚段属于歧口凹陷裂陷期Ⅱ幕构造期沉积地层，该时期构造活动强烈，断层异常发育，并伴随着盆地持续沉降，水体逐步加深，是古近纪最大湖泛期，盆地整体宽阔统一，但凸凹相间格局明显，盆内外物源发育，形成了多种沉积相类型，其中板桥斜坡整体处于半深湖—深湖背景，受沧县隆起物源控制，大面积发育深水重力流沉积。

图1 歧口凹陷板桥斜坡位置图

2 异重流沉积主要证据

2.1 暗色泥岩与中细砂岩互层沉积

异重流是受洪水激发形成的持续性重力流，主要携带细粉砂—中砂以下级别的碎屑颗粒。板桥斜坡所发现的异重岩，总体呈下细上粗反旋回，表现为灰黑色泥岩夹薄厚不等的细—粉砂岩或中—细砂岩夹薄层泥岩特征。砂岩以中—细砂岩为主，见粉砂岩及泥质粉砂岩，砂岩厚度在0.5～5m之间，显示水动力条件多变。异重岩下部主要为中厚层泥岩夹薄层砂岩，水动力条件弱，碎屑物源输入不稳定；上部以中厚层砂岩夹薄层泥岩为主，厚层砂体呈多期叠置特征，可见层间微侵蚀面，水动力较强，碎屑物源输入稳定。泥岩颜色总体较深，以深灰色、灰黑色为主，指示整体处于半深湖—深湖还原环境。

2.2 正反粒序成对出现

异重流受洪水水动力变化控制，典型沉积特征包括多个成对出现的向上变粗的逆粒序（Ha）与向上变细的正粒序（Hb）岩性组合序列[22]。

Q1505井沙一下亚段岩心可识别出7次较大型洪水事件沉积，形成了7组成对出现的向上变粗逆粒序层和向上变细正粒序层（图2），逆粒序层底部偶见洪水侵蚀下伏泥岩所形成的微侵蚀面（C2—C3段），顶部发育洪峰期对其改造的层内侵蚀面（C5—C6段），正粒序层底部多为中—细砂岩，向上渐变为细—粉砂岩直至泥岩地层。成对出现的逆粒序层和正粒序层是由洪水增强及衰退时水流强度变化所引起，如洪峰期及衰减期持续时间较长，可直接将洪水增强期的逆粒序层理侵蚀殆尽，只保留正粒序层理，易误认为砂质碎屑流沉积；若洪水快速消退，沉积物粒度迅速变细，所形成的正粒序层厚度较逆粒序层薄，岩性由中砂岩—粉砂岩—粉砂质泥岩迅速转变（C5—C7）。此外，在一次较大型沉积事件中可观察到多期的洪峰期水流强度变化，产生多期事件的沉积细层，在C5段下部长度仅5cm的岩心中，可识别出4期沉积细层，层内可见微侵蚀面和负载构造，深灰色的泥岩代表滞水环境下的垂向加积层，灰色砂岩层可见成对的逆粒序层和正粒序层，内部没有明显的侵蚀面，中部颜色略浅，侵蚀垂向加积层可产生侵蚀面，甚至将超薄层泥岩（0.3cm）侵蚀殆尽。

图2 Q1505井沙一下亚段异重岩岩心综合柱状图

2.3 发育流水成因层理构造

受洪水水动力先增大后减小变化规律控制，异重岩发育典型流水成因的层理构造，是异重流沉积有别于其他重力流沉积的重要标志之一[14]。

在洪水增强初期与洪水减弱末期，水动力条件弱，能形成典型流水成因的爬升层理、粒序层理、交错层理等；洪峰期水动力条件强，则会形成块状层理、平行层理现象。Q1505井沙一下亚段岩心可识别出块状层理、平行层理、爬升层理、粒序层理、交错层理等典型流水成因层理，生物扰动较少。C6段可见明显厚层块状层理、平行层理砂岩，是典型的洪峰期沉积（图3a）。洪峰期水动力条件强，输送的碎屑颗粒粗，单期洪峰会沉积形成平行层理砂岩；多期洪峰叠加重复，会沉积形成厚层块状层理砂岩。C5段发育多组小型交错层理，显示较大型沉积中的多次流量变化引起的小型事件沉积细层。C5段沉积水动力总体较弱，流体密度与速度均较低，输送的碎屑颗粒以细—粉砂为主，形成多套薄层粉—细砂岩交互沉积，可见多组典型的小型沙纹交错层理（图3b）。C2段可见典型的递变层理，洪水增强期，水动力由弱增强，输送的碎屑颗粒由细变粗，沉积形成典型的反向递变层理；洪水减弱期，水动力由强变弱，输送的碎屑颗粒由粗变细，沉积形成正向递变层理（图3c）。

图3 Q1505井异重流沉积典型岩心照片

2.4 砂岩泥质含量低

Q1505井砂岩泥质含量均在1%～5%之间（20块样品），较其他触发型重力流沉积砂岩的泥质含量低。薄片观察可见类似岩心特征的沉积细层，能观察到多期的水流强度转换所形成的成对发育的逆粒序—正粒序组合，每个组合代表一次异重流洪水水动力从增强到减弱的变化过程，并控制了泥质含量的变化。镜下鉴定显示，水动力增强初期与水动力减弱末期，沉积物泥质含量明显增加，约占7%～10%，碎屑粒径相对较细，多介于0.1～0.15mm之间，以细—粉砂级碎屑为主；水动力最大期，沉积物泥质含量明显降低，约占3%～5%，碎屑粒径相对较粗，最大达0.35mm，以细砂岩为主。

2.5 储集物性好

单次异重流沉积早期和晚期洪水水动力较弱，顶底段总体以细—粉砂岩为主，泥质含量相对较高，储集物性较差，以低孔—特低渗储层为主；洪峰期水动力条件强，异重岩中段以中—细砂岩为主，泥质含量低，储集物性好，以中孔—中渗储层为主。异重岩的物性变化反映了洪水水动力强度变化对沉积物颗粒与泥质含量的影响，并由此控制了异重岩的储集物性变化。水动力强，碎屑颗粒粗、泥质含量低、储集物性好；水动力弱，碎屑颗粒细、泥质含量高、储集物性差。Q1505井异重流沉积段表现为7个物性差—好—差旋回，对应7次大的异重流沉积旋回，且单期洪水发育多个洪峰，使得异重岩内物性存在差异，C5、C6段可见两期物性差—好—差变化规律（图2）。

3 异重流沉积体系

3.1 沉积相类型

异重流受洪水期激发沿盆底经长距离运移，最终在深水区卸载形成条带状沉积体。陆相断陷盆地可容纳空间小，古地形凹凸变化较快，异重流进入湖盆后会形成多分支、多期次的长条形扇体，每期异重流所形成的扇体可划分为上扇、中扇与外扇3个亚相类型，以及侵蚀水道、水道复合体、分支水道、近端沙坝、远端沙坝、席状朵体等6个微相。

3.1.1 上扇亚相

上扇亚相发育在陆相断陷盆地边缘地带，是洪水向盆地输送物质的通道，以侵蚀水道为主，一般不沉积或沉积极薄的泥岩地层。3.1.2中扇亚相

中扇亚相发育在陆相断陷盆地斜坡之下，是异重流沉积的主体，整体呈条带状展布，可细分为水道复合体、分支水道、近端沙坝及远端沙坝等4种微相类型。水道复合体是条带状沉积体的主要组成部分，主要沉积厚层中—细砂岩(＞10m)，分选、磨圆好，泥质含量低，垂向上具多期叠置特征，常见块状层理、平行层理及交错层理（图4a、b），测井相以齿化箱形为主。分支水道是水道复合体能量减弱分叉形成的多条细小分支，是水道复合体的前延部分，主要沉积中厚层细砂岩（5～10m），分选、磨圆极好，泥质含量较低，垂向上也具多期叠覆特征，常见平行层理、爬升层理（图4c、d），测井相以齿化箱形和钟形为主。水道复合体凸岸发育近端沙坝，沉积中—薄层细—粉砂岩（3～5m），测井相表现为较高幅度的齿化舌形特征，岩心可见斜层理、沙纹交错层理（图4e）。水道复合体凹岸及近端沙坝外侧发育远端沙坝，沉积薄层粉砂岩（1～3m），测井相具低幅度的齿化舌形特征，岩心见波状层理等(图4f)。3.1.3外扇亚相

外扇亚相发育在异重流水道的外围末梢，处于分支水道的末梢、前缘和侧翼区域，以发育席状朵体微相为主，沉积砂体薄而分布广泛，包裹在厚层的泥岩之中，岩性以泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主，砂体厚度一般小于1m，岩心见水平层理、透镜状层理（图4g、h），测井曲线具低幅度凸起舌形特征。

图4 板桥斜坡区沙一下亚段异重流典型岩心沉积构造

3.2 沉积体系展布

异重流自河口注入后，在盆地边缘以高速流动的顺直水道为主，水道较少出现分叉现象，以侵蚀过路为主；至斜坡之下的半深湖—深湖区，异重流流速降低，水道可见分叉汇合等特征，以中砂—细砂岩沉积为主；至深湖区，异重流流速继续降低，水道逐渐发散形成多支次级水道，以细砂岩沉积为主，并在水道前端发育呈席状形态的朵叶体，沉积泥质粉砂岩和粉砂质泥岩。异重流的沉积特征决定了沉积微相与砂体厚度存在正相关性，通过地震属性及砂岩厚度图可以准确反映异重流的沉积微相展布特征。

以滨Ⅰ油组为例，砂岩厚度变化显示板桥斜坡发育两支条带状砂体，分别呈近南北向及北东—南西向展布。近南北向砂体沿Q47井、Q37井向南延伸，在Q1505、Q37-23、P852-3、Q1502井区附近形成4个砂体富集区，砂岩厚度在35～45m之间，至Q17井分叉在P22-16井和Q1511井形成砂体带，砂体厚度在25～40m之间，并分别向前推进形成两支朵叶体。近北东—南西向砂体呈单支向Q82、Q41x1井区延伸，砂体厚度相对较薄，一般在15～25m之间，并向前推进形成一支朵叶体，可波及至P43-32井区（图5）。

图5 板桥斜坡沙一下亚段滨Ⅰ油组砂岩厚度图

通过研究区15口井岩心的精细观察，结合砂体展布与地震属性特征分析，发现板桥斜坡沙一下亚段滨Ⅰ油组发育由沧县隆起物源向板桥次凹注入的条带状异重流沉积体。异重流自河口注入后，在斜坡上部以高速流动的顺直水道为主，水道较少出现分叉现象，以侵蚀过路为主，地震主要表现为中频—中强振幅反射特征。至半深湖—深湖区，异重流流速降低，发育中速流动的弯曲水道，水道可见分叉汇合等现象，形成两支条带状异重流沉积体，分别呈近南北向及北东—南西向展布。近南北向展布的Q47井、Q37井异重流沉积体规模大，发育多个砂体富集区，Q47—Q37—Q1502—Q17—Q1511井区主要为水道复合体沉积，侧翼发育越岸近端沙坝和远端沙坝沉积；Q1510、Q25井区发育次级分支水道沉积，向前端推进形成Q16、Q27井区的席状朵体沉积。近北东—南西向展布的异重流沉积体规模相对较小，近斜坡区以水道复合体沉积为主，侧翼发育近端沙坝与远端沙坝沉积，至Q82、Q41x1井区发育次级分支水道沉积，次级分支水道前端发育席状朵体沉积（图6）。

3.3 沉积模式

异重流作为一种源于河流洪水期的特殊类型重力流，其流体成因、沉积机理、沉积模式与储集砂体分布规律均不同于斜坡失稳形成的触发型重力流。

异重流源于洪水期河流激发驱动，受地形坡度和水体密度控制沿水体底部向深水区运移，单次异重流持续时间长、搬运距离长、形成规模大。异重流沉积受河口位置限制，呈点物源分布，由洪水期水动力条件控制，是典型的持续型重力流，近河口端水动力强，以侵蚀充填作用为主，晚期沉积泥质粉砂岩或泥岩；近斜坡以限制性水道沉积为主，多期水道叠加可形成厚层块状砂体；中远斜坡区水动力条件减弱，以非限制性水道沉积、朵状体沉积为主，非限制性水道可形成中厚层块状砂岩，朵状体以厚层深灰色泥岩夹薄层粉砂质泥岩沉积为主（图7）。

4 陆相断陷盆地异重流形成条件

异重流的形成与水体密度和洪水期次密切相关，需要一定的自然环境和气候条件。以板桥斜坡为例，异重流形成需一定的地形坡度、稳定的碎屑物源和洪水多发的气候3个条件。

4.1 一定的地形坡度

一定的地形坡度是异重流形成的搬运基础，控制了河流体系的水体流速、搬运规模和输送距离。河流体系的水体流速随地形坡度增大而增大，水体流速越大，越易侵蚀物源区地层；搬运规模越大，越有利于形成高速高密度的异重流；河流体系的输送距离则随水体流速和盆内地形坡度的增大而增大，一般可长距离输送至半深湖—深湖区，形成夹持于深水泥岩中的厚层块状砂体。

图6 板桥斜坡沙一下亚段滨Ⅰ油组沉积微相图

图7 板桥斜坡沙一下亚段异重流沉积模式图

4.2 稳定的碎屑物源

稳定的碎屑物源是异重流形成的物质基础，控制了河流体系的水体流量、水体密度和碎屑粒度。河流体系的水体流量越大，越有利于形成高密度水体，则更易形成异重流；河流体系所携带的碎屑颗粒以细—粉砂为主时，河流入湖处易频繁形成异重流。板桥斜坡西邻沧县隆起，碎屑物源充沛，自板桥斜坡西侧发育葛沽和小站两个碎屑物源，平水期以三角洲—远岸水下扇体系向盆内输送碎屑物质，洪水期以异重流体系向盆内长距离输送大量碎屑。

4.3 洪水多发的气候

洪水多发的气候是异重流形成的环境基础，控制了河流体系的发育与可容纳空间变化。洪水期河流体系的流速和流量均明显增强，向盆内输入大量碎屑，水体密度较大，易形成异重流；同时洪水多发的气候一般为盆地的最大湖泛期，可容纳空间大，利于异重流的长距离运移。

陆相断陷盆地构造活动强烈，隆凹格局明显，地形高差大，碎屑物源充沛，多物源输砂，且季节性洪水多发，利于异重流的形成和发育[30]。

5 勘探实践与油气地质意义

5.1 勘探实践

目前，在异重流沉积认识的指导下，在板桥斜坡沙一下亚段实施预探评价一体化、增储建产一体化，整体部署了22口钻井，钻遇了泥质含量极低、储集物性优质的厚层异重流沉积砂体（图8），其中21口井获工业油气流（百吨井3口），形成了三级储量约500万吨级的规模效益增储区，建成原油生产能力4×104t/a、天然气生产能力0.48×108m3/a的产能新区，为大港油田效益增储、规模建产奠定了坚实的基础。

图8 板桥斜坡沙一下亚段滨Ⅰ油组异重流剖面图（位置见图6）

板桥斜坡沙一下亚段勘探实践证实，陆相断陷湖盆具备发育深水异重流的地质条件，所沉积的异重岩具有砂体厚度大、泥质含量低、储集物性好的特点，同时这种规模发育的异重岩与富含有机质的深湖泥页岩紧密接触，具有显著的近源成藏优势，油气勘探潜力巨大，是断陷湖盆下步勘探的重要领域。目前，国外已在新生代海相异重流研究中获得了规模性油气发现，国内仅鄂尔多斯盆地开展了异重流沉积研究，并取得了一定的油气发现。相信随着研究的不断深入，认识的不断提高，异重流必将引起国内石油地质工作者的广泛关注，在未来深水储层预测和油气勘探中发挥更重要的作用。

5.2 油气地质意义

与常规重力流相比，异重流无需碎屑物质的大量堆积和触发机制，直接将碎屑物质从源区向深水长距离搬运，形成大规模发育的优质储集砂体。受水动力条件与沉降机制的变化，异重流沉积顶底相对较细，泥质含量相对较高，储集物性稍差；中部粒度相对较粗、泥质含量低、储集物性好，其含油性明显好于顶底边部。异重流在输入大量碎屑物质的同时也将大量陆源有机质带入深水盆地，沉积了大段富含有机质的泥岩地层，与异重流砂体形成良好的生储盖匹配条件，使得夹持于泥岩之中的厚层异重流沉积砂体具有显著的近源成藏优势。

6 结论与认识

(1）歧口凹陷板桥斜坡区沙一下亚段异重流岩性组合特征表现为灰黑色泥岩与砂岩互层沉积，砂岩段沉积粒序特征表现为一系列向上变粗的单元和向上变细的单元成对出现，见层内侵蚀面现象，单砂层泥质含量由高—低—高变化，与粒度和储集物性变化一致，为典型的异重流沉积建造。

(2）较之砂质碎屑流和经典浊流，异重流成因砂岩具有单层厚度大、粒度粗、分选好、泥质含量低等特点，其储集物性较好，单井试油产量高，稳产效果好，是半深湖—深湖区中深层寻找规模砂体及岩性油气藏重要的勘探对象。

(3）板桥斜坡沙一下亚段异重流沉积的发现证实了陆相断陷盆地具备发育异重流沉积的地质条件，表明在地形高差大、碎屑物源充沛、季节性洪水多发的陆相断陷盆地中异重流沉积更具有普遍性，此次发现为深水沉积储层研究提供了新的思路，相信在未来深水深层油气勘探中异重流将起关键的作用。