西湖凹陷中北部花港组物源及沉积相分析

2018-11-08董春梅赵仲祥张宪国段冬平林建力孙小龙

东北石油大学学报 2018年5期

董春梅，赵仲祥，张宪国，于申，黄鑫，段冬平，林建力，孙小龙

( 1. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东青岛 266580； 2. 中国石油大学(华东) 山东省油藏地质重点实验室，山东青岛 266580； 3. 中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海 200000 )

0 引言

东海陆架盆地是中国海上面积最大的沉积盆地，西湖凹陷是其中规模最大的含油气凹陷。研究区位于西湖凹陷中北部，目的层为花港组。研究区具有面积广、井点稀少的特点，导致物源及沉积相类型认识存在争议。分析研究区物源及沉积相类型，能够为西湖凹陷中北部地区下一步勘探和开发奠定基础。

西湖凹陷花港组物源认识主要有两种观点：郝乐伟等[1]、徐艳霞等[2]采用砂岩百分含量和重矿物分析等方法，认为西湖凹陷同时存在东部和西部的物源，且以西部的海礁凸起物源为主；秦兰芝等[3]、万延周等[4]采用重矿物分析和锆石测年等方法，认为西湖凹陷以北部虎皮礁凸起物源为主，东西两侧物源为辅。前者年代较早，钻井资料有限，主要依靠定性分析判断物源；在新钻井资料的基础上，后者主要依靠定量分析，可信度较高。研究区距离西部物源区较远，主流观点认为物源来自北部虎皮礁凸起，至于东部钓鱼岛隆褶带是否也有影响有待商榷。

西湖凹陷花港组沉积相类型存在多种认识：王丽顺等认为，花港组以陆相沉积为主，花港组早期至中期，沉积相类型以网状河复合体、网状分流河道为主，花港组晚期表现为泛滥盆地沉积[5]；胡明毅等认为，西湖凹陷西部边缘主要发育河流及三角洲沉积，东部边缘主要发育扇三角洲沉积，凹陷中央主要发育滨浅湖沉积[6]；刘金水等认为，西湖凹陷花港组上段主要发育三角洲前缘亚相沉积，以河口坝微相为主[7]；陈琳琳等认为，西湖凹陷花港组发育湿地扇—扇三角洲—湖泊沉积体系[8]；于兴河等认为，西湖凹陷东北部发育滩坝相[9]。

笔者采用岩石粒度、砾石成分、岩屑类型、石英阴极发光特征、重矿物组合类型和ZTR指数等分析方法，判断研究区物源主要来自北部的虎皮礁凸起，局部混入东部钓鱼岛隆褶带的物源。根据岩心、薄片、测井、地震和古生物等资料和地质背景，识别沉积相标志，推断研究区花港组主要发育辫状河三角洲前缘亚相，包括水下分流河道、河口坝和水下分流间湾3种微相类型，其中以水下分流河道微相为主。

1 地质背景

西湖凹陷面积约为5.18×103km2，为东海陆架盆地面积最大、勘探程度最高的凹陷[10]。西湖凹陷北侧以虎皮礁凸起为界，与福江凹陷相邻；西侧以海礁凸起为界，与钱塘凹陷为邻；西南与渔山凸起相靠；东临钓鱼岛隆褶带[11]。其中，北部虎皮礁凸起主要为变质石英岩基底，东部钓鱼岛隆褶带为中酸性岩浆岩基底。在构造上，西湖凹陷具有“东西分带、南北分块”的特点[12]，凹陷自东向西依次划分为西部斜坡带、中央反转构造带、东部断阶带3个构造单元。其中，中央反转构造带自北向南依次分为嘉兴、宁波、玉泉、黄岩4个次一级构造带，研究区位于西湖凹陷中北部地区(见图1)。

图1 西湖凹陷构造分区示意Fig.1 Structural division diagram of Xihu sag

研究目的层为古近系花港组。西湖凹陷花港组是在始新世断陷作用后向坳陷转变阶段沉积充填的产物，属于陆相背景下的河流—三角洲—浅水湖泊沉积体系。始新世末期，太平洋板块进一步向亚欧板块俯冲，东海陆架盆地由强烈断陷逐步向坳陷转变，海水退去，陆架外缘隆起，进入典型的沿海陆相盆地沉积阶段[13]。盆地外缘大片隆起区为凹陷提供充足的物源，大量沉积物由隆起区直接进入河流—三角洲—湖泊沉积体系，形成花港组巨厚的砂岩沉积。

2 物源分析

传统的物源研究主要包括沉积学、岩石学、重矿物、元素地球化学、地质年代学、化石及生物标志化合物，以及黏土矿物学、地球物理学等方法[14-15]。随新技术应用于地学领域，物源分析又出现磁性矿物学和矿物颗粒微形貌分析等方法[16]。基于研究区现有资料，采用砾石成分、岩屑类型、石英阴极发光特征、重矿物组合类型、ZTR指数、倾角测井和地震前积层反射结构特征等方法，判断研究区花港组物源以北部虎皮礁凸起为主，局部混入东部钓鱼岛隆褶带的物源。

2.1 物源区母岩类型

砂砾岩或砾岩中的砾石成分反映基底和物源区母岩的类型，是判断物源区的直接标志[14]。研究区取心段砾石中的石英岩体积分数约占50%，岩浆岩体积分数约占30%，燧石体积分数约占10%，泥砾体积分数约占10%。砂砾岩中的砾石主要为变质石英岩；岩石中的岩屑类型对物源区母岩恢复也有一定的指导作用[15]。研究区主要发育岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩，岩屑类型包括玉髓(见图2(a))、酸性喷出岩岩屑(见图2(b))、变质石英岩岩屑(见图2(c、f))、千枚岩岩屑(见图2(d))和燧石岩屑(见图2(e))等。其中变质岩岩屑体积分数约占10%，岩浆岩岩屑体积分数约占7%，沉积岩岩屑体积分数约占3%，以变质岩岩屑为主。

图2 西湖凹陷中北部花港组岩屑特征Fig.2 Characteristics of lithic fragment of Huagang formation in the north central of Xihu sag

岩石中主要造岩矿物发光性研究有助于判别岩石的成因[16-17]，碎屑岩中常见的石英、长石和岩屑随物源变化而具有不同的发光特征，可以根据碎屑颗粒在阴极光激发下的颜色特征分析物源。来自深成岩、火山岩、接触变质岩的石英以蓝色、紫色为主，来自变质岩的石英主要以棕色为主，自生石英不发光[17]。研究区石英的阴极发光特征显示，大部分石英发蓝紫色、紫棕色光(见图2(g-i))，说明石英主要来自变质岩和岩浆岩，且两者体积分数相当。

不同的重矿物组合类型代表不同的物源区母岩类型[18]。研究区重矿物类型包括石榴石、锆石、金红石、白钛矿、黄铁矿、磁铁矿和重晶石等。重矿物组合类型主要是石榴石—黄铁矿—白钛矿—锆石(见图3)，并且石榴石体积分数超过50%，占主导地位，反映母岩以变质岩为主。

研究区花港组物源母岩以变质岩为主，含有部分火成岩母岩。结合西湖凹陷周边物源区母岩性质[18]，推断研究区物源主要来自北部的虎皮礁凸起及部分钓鱼岛隆褶带的火成岩。

图3 西湖凹陷中北部花港组重矿物体积分数Fig.3 Heavy mineral content of Huagang formation in the north central of Xihu sag

2.2 ZTR指数

ZTR指数可以反映沉积物搬运距离，一般情况下，距离物源区越远，ZTR指数越高[17]。研究区ZTR指数自北向南先增大后减小，分别由3井的46.50、1井的53.18、4井的58.66到2井的31.31，说明研究区不仅受北物源影响，还受其他方向的物源影响。

2.3 倾角测井

倾角测井能够指示古水流方向。研究区倾角测井玫瑰花图显示，古水流以南向为主，其次为西向(见图4)，说明主体水流为自北往南向，部分层位受自东往西向水流的影响。研究区以自北往南向的水系为主，受自东往西向水系影响，东部水系对不同层位影响程度不同。

图4 西湖凹陷中北部花港组倾角玫瑰花图Fig.4 Rose diagrams of dipmeter logging of Huagang formation in the north centrol of Xihu sag

2.4 地震反射特征

地震前积层可以反映古水流方向。受海上地震品质较低的限制，研究区花港组明显的前积层反射结构较少，发育少量自北东往南西向和自东往西向的前积层发射结构(见图5)，说明研究区发育自北东往南西向和自东往西向的古水流，证明研究区有来自北部和东部的物源。

图5 西湖凹陷中北部花港组前积层反射特征

3 沉积相类型及特征

关于研究区沉积相类型的观点主要有辫状河、辫状河三角洲或滩坝相3种。利用现有资料，通过岩心观察识别沉积相标志，研究区主要发育辫状河三角洲前缘沉积，包括水下分流河道、河口坝、水下分流间湾3种沉积微相。其中以水下分流河道微相为主，河口坝微相偶有发育。

3.1 沉积相标志

3.1.1 岩心岩性及颜色

研究区发育泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩、中细砂岩、中砂岩、粗砂岩、含泥砾砂岩及砂砾岩等(见图6)，以中砂岩为主。砂岩为灰色和灰白色，粒径较细，分选中等，颗粒呈次棱角状。取心段泥岩厚度为0.3～2.0 m，颜色为深灰色、灰黑色(见图6(b))，植物化石基本不发育，只在极个别的层位中发现破碎的植物叶片化石(见图6(a))，说明研究区水深不大，离岸线不远。另外，部分层位发育泥砾，颜色为灰色、灰黑色(见图6(c-d))。

3.1.2 沉积构造特征

研究区发育多种沉积构造现象，可见底冲刷、块状及各种层理构造等(见图6)。

(1)底冲刷构造。底冲刷构造(见图6(e))属于层面构造，主要表现为一个起伏不平的岩性突变面。底冲刷构造的发育与水动力条件突发性地由弱变强的过程有关，冲刷面上沉积环境的水动力条件显著增强，不但使冲刷面发育前堆积的沉积物在底冲刷过程中得到不同程度的下切侵蚀改造，而且使冲刷面之上岩石粒度明显粗于下部(或包含来自下伏地层的泥砾)的。在冲刷面之上的砂岩中，常含有大量的砾石或泥砾及撕裂状泥屑，泥砾、泥屑形态不规则，排列无明显定向性。底冲刷构造是水道的典型特征。

(2)块状构造。块状构造(见图6(f))是研究区比较常见的沉积构造，在厚层砂岩中广泛发育。它是一种呈现大致均质外貌、不具备任何纹层和层理的沉积构造，是三角洲快速沉积的产物，常发育于辫状河三角洲前缘的水下分流河道底部。

(3)层理构造。层理构造类型丰富多样，主要包括反映较强水动力快速堆积形成的平行层理和交错层理，以及反映弱水流作用形成的波状层理和水平层理。典型的沉积构造有平行层理、交错层理、波状层理及水平层理等。

1)平行层理(见图6(g))。研究区中细砂岩、粉砂岩多发育平行层理。平行层理是由一种纹层彼此平行的砂质沉积物组成的，常形成于水浅流急的水动力条件，由颜色、粒度、成分和炭屑层分布显示出来，研究区主要见于较强水动力条件的水下分流河道沉积。

图6 西湖凹陷中北部花港组岩心特征Fig.6 Core features of Huagang formation in the north central of Xihu sag

2)交错层理(见图6(h))。岩性由灰色、浅灰色中细粒砂岩组成，在较强水动力条件下形成，常出现于水下分流河道沉积环境。由于受岩心尺度的影响，交错层理的类型不能被识别。

3)波状层理(见图6(i))。形成于水动力条件强弱交替的环境，层内的细层一般呈连续或断续的波状。常发育于席状砂和水下分流间湾，通常由砂岩中的炭质泥岩纹层显现。

4)水平层理(见图6(j))。常见于泥岩、粉砂质泥岩，单层厚度小，形成于浪基面之下或封闭低能环境的低流态，主要由悬浮物质缓慢垂向加积而形成。沉积构造主要发育于水下分流间湾沉积环境。

3.1.3 粒度概率累积曲线特征

研究区粒度概率累积曲线主要形态为两段式(见图7)，以跳跃组分为主，表明水动力较强、分选中等—较差，体现水下分流河道的沉积特征。另外，可见三段式概率累积曲线(见图7(d))，滚动组分、跳跃组分、悬浮组分发育，表明水动力增强，可带动粗粒颗粒(粒径大于1 mm)呈滚动状态向前移动，常见于水下分流河道底部沉积。

3.1.4 泥砾

研究区多发育泥砾及泥岩撕裂屑。泥砾及泥岩撕裂屑分为两种类型：第一种类型尺寸分布差异较大，岩心观察最大粒径可达10 cm，形态多不规则，排列无明显定向性(见图6(c))，是受风暴影响而形成的；第二种类型尺寸小，同一期泥砾之间尺寸差异也较小，具有一定磨圆，定向性排列明显(见图6(d))，是受牵引流影响而形成的。

图7 西湖凹陷中北部花港组粒度概率累积曲线

3.2 沉积相类型

3.2.1 判别

研究区砂、泥岩的颜色指示弱还原环境。花港组沉积时期，研究区为浅水—较深水的水下沉积。此外，风暴作用形成的泥砾等证据显示研究区为水下沉积环境，从而排除辫状河沉积相。录井及测井资料显示，花港组为大套厚层砂岩与泥岩的互层，砂岩厚度在100 m左右，大套砂岩内部存在多期次的厚层砂岩叠加及厚层砂岩与薄层泥岩的互层(见图1)。岩心观察显示，沉积序列以正粒序为主，偶有反粒序和复合粒序发育。底部常发育底冲刷，但上部端元少见泥岩，以粒度较细的砂岩为主(见图8)。定向性泥砾等证据显示河道沉积特征，从而排除滩坝相的可能。根据岩心岩性、沉积构造特征和粒度概率累积曲线，研究区花港组沉积时水动力较强、堆积速度比较快、分选中等—偏差。因此，研究区为辫状河三角洲前缘亚相，可以划分微相为水下分流河道、河口坝和水下分流间湾，其中主要发育水下分流河道(见图8)。

3.2.2 微相

(1)水下分流河道。水下分流河道是陆上分流河道的水下延伸部分，是辫状河三角洲前缘沉积的主体部分，沉积物以中砂、粗砂为主，局部含砾石，泥质极少，分选中等—较好，粒度概率累积曲线以两段式为主。水下分流河道常发育底冲刷构造，常见块状构造、平行层理、板状交错层理和楔状交错层理[19-21]。水下分流河道呈典型的下粗上细的正旋回，并且河道上部单元发育较差或基本不发育，GR曲线呈箱形或钟形(见图8)。水下分流河道微相由数个单一河道复合而形成，在垂向上表现为多个小韵律层叠置成较厚的复合韵律层，厚度较大，较厚的砂体叠加超过100 m。

图8 西湖凹陷中北部花港组典型沉积微相柱状图

(2)河口坝。河口坝形成于分流河道入湖后，砂质物质流速降低，在河口处堆积而形成。由于辫状三角洲通常由湍急洪水控制，分流河道迁移性较强，河口不稳定，河口坝大多发育于离岸线较远处、水下分流河道的末端。河口坝微相常发育块状层理、小型板状交错层理，沉积物以中砂、细砂为主，局部含砾石，分选较好[22]。河口坝微相呈典型的下细上粗的反旋回，GR曲线呈中—高幅漏斗形。研究区钻井取心段中反韵律较少，说明河口坝较少发育，也间接说明研究区所处位置靠近陆地、沉积水体浅(见图8)。

(3)水下分流间湾。水下分流间湾为水下分流河道之间相对低洼的地区，沉积物以粉砂、泥质为主，分选较好，具水平层理[23-24]。岩性一般为暗色泥岩、含粉砂泥岩及含泥粉砂岩，由于分流河道迁移频繁，分流间湾泥质沉积保存较差(见图8)。

3.3 沉积相展布

研究区井点少，井间距离较大，根据地震振幅属性，采用井—震资料结合的方法，绘制沉积相平面图(见图9)。剖面上，辫状三角洲前缘沉积由多期河道垂向叠加而形成，多期河道之间可见泥岩隔层，表现出多旋回、间歇性和较强的周期性。平面上，研究区主要由北部虎皮礁凸起提供物源，局部地区混入东部钓鱼岛隆褶带的物源。研究区整体处于主水道，水下分流河道砂体多期叠置发育，分流间湾主要分布于研究区的边部。