松辽盆地苏家屯次洼初始裂陷期扇三角洲沉积特征

杨文杰，胡明毅，苏亚拉图，刘 昌，元 懿，李金池

（1.长江大学地球科学学院，武汉 430100；2.油气资源与勘探技术教育部重点实验室，武汉 430100；3.中国石油华北油田公司二连分公司，河北任丘 062550；4.兰州大学地质科学与矿产资源学院，兰州 730000）

0 引言

松辽盆地具有典型的“下断上坳”二元结构，盆地裂陷早期发育众多小型断陷，随着油气勘探的深入，证实断陷深层发育的扇三角洲储集体可以成为良好的油气勘探区域［1-2］。众多学者［3-5］围绕我国东部断陷盆地的构造活动、沉积充填演化、沉积主控因素以及油气聚集规律等展开了大量的研究，明确了断陷盆地的沉积演化主要受构造活动、气候和物源等因素影响。盆地断陷早期构造活动强烈、地形坡度较大，易于发育近源快速堆积的扇三角洲或水下扇沉积，控盆断裂开始控制盆地的构造格局，形成了断陷盆地的雏形。断陷盆地中后期主要经历深陷扩张和抬升萎缩等2 个阶段，沉积体系逐渐向辫状河三角洲演变，构造运动强度减弱，沉积填平补齐作用增强［6-10］。因断陷早期的地层埋藏较深、构造复杂，钻井资料有限，所以研究主要集中在断陷后期的浅部地层，而对断陷湖盆初始裂陷期的沉积体系发育特征和油气成藏条件未给予足够的关注，缺乏有针对性的研究。近年来，针对苏家屯次洼的研究也主要集中在快速裂陷期沉积的沙河子组至营城组［9-11］，对裂陷早期的构造和沉积特征缺乏深入的研究，尚未清晰认识控盆断裂对初始裂陷期沉积演化的控制作用。最新钻探资料表明，苏家2 和苏家20 等井在火石岭组砂砾岩体的钻探中取得了良好的油气显示，因此，对研究区初始裂陷期扇三角洲沉积特征的研究十分必要。

笔者在充分借鉴前人研究成果的基础上，通过对研究区7 口井的岩心和物性资料、27 口单井沉积相以及全区覆盖的三维地震资料的观察和分析，系统研究苏家屯次洼初始裂陷期的沉积古地貌、物源体系、岩相类型及其组合序列、沉积相测井-地震响应特征和沉积体系展布规律，探讨断陷湖盆初始裂陷期扇三角洲发育背景及其沉积特征，建立相应的扇三角洲沉积模式，以期为该区断陷深层油气勘探提供地质依据，并丰富盆地初始裂陷期扇三角洲沉积理论。

1 区域地质概况

苏家屯次洼位于松辽盆地梨树断陷西北部，面积约300 km2，为梨树断陷的二级构造单元（图1），西接双辽断陷，向东受皮家走滑断裂控制与断陷主体分割，从而形成了相对独立的次级洼陷。火石岭组沉积早期，梨树断陷开始发育多个小型断陷，断陷构造平缓、分割性强，苏家屯次洼则是其中重要的断陷。次洼内主要发育2 条同沉积控盆断裂，分别为西部桑树台断裂北段和东部曲家断裂，从而在研究区中部形成了主要的沉降中心，沉降中心东西两侧分别形成断阶带，而北部为构造隆起区域。

苏家屯次洼中央凹陷带发育一套完整的断陷地层（图1），由下至上依次为初始断陷期的火石岭组、快速断陷期的沙河子组和营城组、断坳转换期的登娄库组［10］。研究目的层为火石岭组，发育于盆地初始裂陷时期，地层岩性存在明显的二分性，下部火一段主要为火山活动产物，在全区稳定发育一套火山岩和火山碎屑岩，与上覆地层不整合接触；火二段发育时期则以断陷沉积为主，研究区受两侧控盆断裂的控制，形成一个相对统一的小型断陷湖盆，湖盆两侧地形较陡，物源供给充足，发育大套的近源粗粒碎屑岩沉积，为扇三角洲体系发育的主要时期。火二段为一个完整的三级层序，岩性以厚层杂色、灰色砂砾岩夹薄层灰色泥岩为主，在中央凹陷带地层岩性具有向上变细的正韵律，而两侧断阶带岩性在垂向上无明显变化，稳定发育一套砂砾岩沉积。火二段碎屑岩厚度主要在100～300 m，且在不同构造带厚度分布具有较大差异，研究区沉积中心位于中央凹陷带南部，沉积厚度可达320 m，而东、西部断阶带地层厚度较薄，与凹陷带内沉积厚度平均相差200 m，北部凸起区地层厚度较小且在后期遭受大面积剥蚀。

图1 松辽盆地苏家屯次洼构造位置图与断陷地层柱状图Fig.1 Tectonic location and faulted strata of Sujiatun sub-depression in Songliao Basin

2 古地貌恢复与物源体系分析

古地貌的恢复可以直观反映盆地断陷沉积前的地形特征，呈现控盆断裂早期的分布和活动规律。借鉴地震古地貌恢复技术［12-13］，通过精细的井-震标定建立等时地震层序格架，获取火石岭组残余地层厚度数据，运用地震资料的地层厚度趋势延伸法对剥蚀区地层进行恢复，最后通过三维可视化软件编制关键时期的古地貌图。通过对火石岭组沉积时期古地貌的恢复（图2），可以观察到该时期的古凸起、古凹陷、古坡折带、古沟谷等地貌单元，以桑树台断裂、曲家断裂和北部凸起区为界，在中部形成相对低洼的凹陷带，而西部和东部则是受同沉积断裂控制形成的断阶带。因此，根据研究区的古构造格局和地貌形态，可以将苏家屯次洼划分为中央凹陷带、西部断阶带、东部断阶带和北部凸起区等4 个次级构造带。火石岭组发育时期古地貌总体上呈现出中间低、四周高的格局，古地貌受控盆断裂作用显著，形成地堑式断陷湖盆，湖盆高差变化较大，古构造格局对物源体系发育及沉积物展布具有重要的控制作用［14］。

古地貌对断陷湖盆物源体系发育规律的研究能够起到宏观指导作用，一定程度上指示了研究区的高部位物源区和低部位沉积区，火石岭组形成时期苏家屯次洼内主要发育3 个构造高部位，且在次洼周边也发育有3 个古凸起，分别为西北部双辽西凸起、西南部桑树台凸起和东部杨大城子凸起（参见图1），可以作为研究区的主要物源区，从而与区内的构造高部位形成良好的匹配关系。结合砂地比和地震反射特征的研究，进一步明确区内物源体系的发育规律，发现高砂地比值主要分布在东部、西部断阶带和西北部斜坡带，并且向湖盆方向出现砂地比值逐渐变低的趋势；在两侧断阶带的地震反射剖面上，可以观察到明显的斜交前积反射结构［图2（b）—（c）］，反映沉积物顺水流向湖盆推进的沉积过程。由此判断苏家屯次洼沉积物源主要来自西北、西南和东部等3 个方向，这与研究区构造高部位和周边古凸起发育格局十分吻合。

3 沉积相类型及其特征

3.1 岩相划分

岩相是分析沉积环境的第一手资料，根据岩相及其组合类型可以较好解释松辽盆地苏家屯次洼的沉积环境［15］。通过对火二段7 口井岩心资料的观察和描述，认为火二段岩性变化较大，发育有砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩等4 种岩石类型，其中砂砾岩最为发育，依据岩石的粒度、沉积构造、支撑结构和颜色等特征又可进一步划分出若干小类（表1）。

表1 松辽盆地苏家屯次洼岩相类型及对应代码Table 1 Lithofacies types and corresponding codes in Sujiatun sub-depression，Songliao Basin

3.1.1 砾岩相

砾岩相是研究区主要的岩相类型，区内砾岩具有组分复杂、结构多样的特征，通过岩心观察共识别出4 类典型的砾岩相：泥质支撑漂浮砾岩相、砂质支撑漂浮砾岩相、同级颗粒支撑砾岩相和多级颗粒支撑砾岩相［16］。泥质支撑砾岩相中泥质杂基含量高、杂基颜色主要为褐色或紫红色，砾石分选性较差，以次棱角状为主，该岩相反映高泥质含量的碎屑流沉积［图3（a）］；砂质支撑漂浮砾岩相杂基主要为中—粗砂，砾石分选中等、磨圆较好，“漂浮”在砂质颗粒之中，该岩相反映富砂质的河道沉积，具有较好的物性特征［图3（b）］；多级颗粒支撑砾岩相的分选磨圆较差、颗粒大小混杂，可观察到砂—砾不同粒度级别的颗粒，反映突发性快速沉积的环境，主要发育在水道底部［图3（c）］；同级颗粒支撑砾岩相是砾岩相中砾石分选和磨圆较好的岩相类型，砾石大小均一，以细砾为主，砾石相互支撑，颗粒间孔隙度和孔喉连通性较好，是有利的储层类型，该岩相反映出水动力条件较强且稳定的沉积环境［图3（d）］。研究区内砾岩相主要为块状层理，少量发育粒序层理，无明显的定向排列特征，砾岩颜色多呈现杂色、紫红色或浅灰色，砾岩中杂基含量普遍较高，分选性和磨圆度总体较差，砾石一般以次棱角状为主，少量表现为次圆状，其成分成熟度和结构成熟度均较低，研究区砾岩相反映出沉积物搬运距离较短、沉积迅速的特征。

图3 松辽盆地苏家屯次洼火石岭组典型岩心照片（a）苏家2 井，2 967.6 m，泥质支撑漂浮砾岩相；（b）苏家5 井，2 361.8 m，砂质支撑漂浮砾岩相；（c）苏家4 井，2 420.5 m，多级颗粒支撑砾岩相；（d）苏家4 井，2 422.5 m，同级颗粒支撑砾岩相；（e）苏家10 井，2 105.6 m，含砾砂岩相；（f）苏家23 井，2 565.1 m，交错层理细砂岩相；（g）苏家2 井，2 887.6 m，槽状交错层理粉砂岩相；（h）苏家4 井，2 423.0 m，红褐色泥岩相；（i）苏家5 井，2 096.2 m，灰黑色泥岩相Fig.3 Typical core photos of Huoshiling Formation in Sujiatun sub-depression，Songliao Basin

3.1.2 砂岩相

砂岩相也是研究区较发育的一类岩相，砂岩相主要划分为含砾砂岩相和具有不同层理类型的砂岩相。含砾砂岩相是砂岩相中最为发育的类型，砂岩粒级从细砂到粗砂均有发育，砾石大小主要为细砾级，以颗粒支撑结构为主、杂基不发育，分选和磨圆均为中等—较好，主要发育块状层理，底部可见冲刷面，反映其主要发育在水动力较强的河道沉积环境中［图3（e）］；砂岩相岩性以较纯净的细砂岩为主，颜色主要为灰色或灰白色，砂岩分选和磨圆均较好，在研究区内主要发育块状层理、槽状交错层理和平行层理等层理类型［图3（f）］，该类砂岩相具有良好的储层物性特征，可作为优质的油气聚集场所。

3.1.3 粉砂岩相

研究区沉积物粒度总体较粗，粉砂岩相发育较少，仅在靠近研究区中央凹陷带的取心井可见。粉砂岩相岩性以纯净的灰色粉砂岩为主，未见泥质沉积，可见块状层理和大型交错层理［图3（g）］，粉砂岩相发育的水动力较细砂岩相弱，主要发育在水下河道末端水动力减弱的环境中。

3.1.4 泥岩相

泥岩颜色是反映沉积环境的重要指示特征，根据研究区观察到的不同泥岩颜色，将泥岩相划分为红褐色泥岩相和灰黑色泥岩相等2 类。2 类泥岩相岩性均以泥岩为主，主要发育块状层理，但是在红褐色泥岩相中可见粉砂质成分，该泥岩相水动力稍强、沉积更迅速。红褐色泥岩具有明显的氧化特征，代表陆上暴露沉积产物［图3（h）］，而灰黑色泥岩沉积环境则具有弱还原的特征，代表了水下还原性沉积环境［图3（i）］。因此，可以通过泥岩颜色对沉积物发育在陆上还是水下环境作出初步判断。

3.2 岩相组合与沉积相

基于不同岩相类型特征的研究和划分，根据其沉积机制的不同，总结出研究区内3 类6 种典型的岩相组合，分别代表3 种不同的沉积微相：泥石流沉积、辫状河道沉积和水下分流河道沉积（图4）。岩相组合序列能够较好地呈现某一沉积环境在垂向上的岩石组合特征和沉积水动力条件，可以为沉积相的判别及沉积特征的分析提供可靠的依据。因此，通过对岩相组合、测井-地震响应的分析，明确了研究区扇三角洲的沉积特征和识别标志。由于研究区前扇三角洲已经进入滨浅湖沉积区，其岩性特征与湖相不易区分，所以在本研究中仅将扇三角洲相划分为扇三角洲平原和扇三角洲前缘2 种亚相类型。

图4 松辽盆地苏家屯次洼火石岭组扇三角洲岩相组合类型Fig.4 Lithofacies association of fan delta of Huoshiling Formation in Sujiatun sub-depression，Songliao Basin

3.2.1 扇三角洲平原

通过对岩相的微观特征及其垂向组合序列的研究，表明扇三角洲平原兼具重力流和牵引流的成因特征，可在扇三角洲平原亚相中识别出泥石流、辫状河道和漫流沉积等3 种微相［16-17］。扇三角洲平原沉积物颜色主要为红褐色或杂色，反映沉积时为氧化环境；岩性以砂砾岩、含砾中—粗砂岩为主，砾岩总体上具有混杂堆积的特征，泥质杂基含量较高，砾石以中—细砾为主，分选磨圆均较差。泥石流岩相组合中可见红褐色泥岩相，表明其沉积时为陆上暴露环境，其上常发育厚层富砾石碎屑流。西部断阶带苏家4 井发育典型的泥石流岩相组合序列Mp-Gcm-Gms，单期砾岩沉积厚度在2.5～4.0 m，砾岩底部可见冲刷面构造，沉积物快速堆积、碎屑颗粒大小混杂，砾岩相以含泥质的多级颗粒支撑和砂质支撑结构为主［图4（a）］。平原辫状河道微相在苏家2井和苏家10 井上分别可见Gmm-Gms-Gcs，Gmg-Gcs-Sp-Gcs-Sm 的垂向组合序列［图4（b）—（c）］，总体上具有下粗上细的沉积特征，由下向上沉积物分选变好，顶部出现砂岩沉积。辫状河道沉积底部多见冲刷面，发育有厚层至块状的同粒级支撑细砾岩相或平行层理含砾砂岩相。陆上发育的褐色或紫红色泥质砂岩、粉砂岩、泥岩等细粒沉积物组合则解释为漫流沉积。

苏家屯次洼扇三角洲平原发育多期厚层砂砾岩体，以苏家4 井测井-地震标定为例，其辫状河道或泥石流沉积在测井曲线形态上呈现箱形或钟形；地震反射上，表现为平行连续的强振幅反射特征（图5）。在西部断阶带可观察到较多河道下切谷以及楔状前积反射结构（参见图2），反映火二段形成时期扇三角洲河道十分发育，在断阶带等高部位发生较强的侵蚀作用，并向湖盆中心方向发生强烈的进积或加积作用。

3.2.2 扇三角洲前缘

扇三角洲前缘亚相发育在湖盆水下环境，其沉积物粒度较平原亚相更细，砂岩和泥岩地层频繁交互，岩性以灰色、浅灰色含砾砂岩和粉砂岩为主，泥岩颜色明显有别于扇三角洲平原，主要为深灰色到灰黑色，多种沉积构造在前缘环境中发育良好。研究区扇三角洲前缘水下分流河道十分发育，主要呈现出以苏家23 井、苏家2 井为代表的前缘近端河道和苏家5 井前缘远端河道等2 类岩相组合序列［图4（d）—（f）］。前缘近端河道水动力较强，发育富细砾的多期河道叠置的厚层砂砾岩，下部可见粒度较粗的同粒级支撑或砂质支撑砾岩相，向上过渡为含砾砂岩、砂岩相，砂体叠置厚度多在5.5～7.0 m；前缘远端河道水动力减弱，以单期河道沉积为主，主要发育块状或槽状交错层理砂岩相，单砂体厚度一般小于2 m。水下分流河道底部常具冲刷面构造，与黑色泥岩突变接触，垂向上具有较明显的正韵律，其砂体成熟度较高，储层物性良好，且离湖相烃源岩较近，是有利的油气储集部位。

在井-震响应特征上，前缘水下分流河道砂体测井曲线形态以齿化箱形和齿化钟形为主，齿化程度较平原辫状河道砂体高，反映其水动力变化频繁，出现泥质沉积；地震反射特征上，断裂下部的苏4 井和苏家2 井表现为内部杂乱、外部楔形反射结构，苏家19 井表现为中—弱振幅丘状杂乱反射（图5），地震相内部杂乱反射结构反映了扇三角洲前缘沉积物在断裂坡折带下部快速混杂堆积的过程［18］。由于断陷深层钻井资料有限，可以通过单井相与地震相的标定，赋予地震相地质解释意义，从而能够充分利用三维地震资料对断陷深层展开研究。

4 扇三角洲分布特征

在松辽盆地苏家屯次洼古地貌恢复和物源分析的基础上，结合单井、连井沉积相分析和砂岩厚度、砂地比、地震属性等图件的编制，综合分析了火二段沉积相的空间展布特征。以均方根振幅属性作为研究区最优地震属性，并对单井砂岩厚度值和RMS 属性值作对比，发现其整体符合率达到86%，可以有效地预测沉积相带边界。高振幅值（红黄色）反映了砂砾岩体的分布范围［图6（a）］，主要分布在研究区西部和东部，反映了扇三角洲沉积物源的大致方向，与上述研究区物源方向研究相互印证，进而根据不同振幅值的分布区域，分析不同亚相的展布范围。由火二段沉积相平面展布图可以发现［图6（b）］，苏家屯次洼初始裂陷期扇三角洲十分发育，扇体主要从西北、西南和东部等3 个方向向湖盆推进，同时，北部和南部也有小范围的扇体发育，湖相沉积仅在断陷湖盆中央发育。火二段扇三角洲—湖相沉积体系在平面展布上形成中央凹陷带湖相沉积、四周坡折带扇三角洲沉积的格局。

图6 松辽盆地苏家屯次洼火二段RMS 属性图（a）和沉积相平面展布图（b）Fig.6 RMS attribute（a）and sedimentary facies distribution（b）of the second member of Huoshiling Formation in Sujiatun sub-depression，Songliao Basin

受研究区东、西部断裂差异活动的影响，两侧扇三角洲沉积体系也呈现出不同的发育特征。西部桑树台断裂活动时期较早，火二段形成初期西部断阶带大面积发育扇三角洲，随着断陷湖盆的持续扩张和水体加深，到火二段形成末期，西部扇三角洲体系略有萎缩，而次洼东部曲家断裂系统在火二段形成时期开始活动，伴随控陷作用的加强，东部扇三角洲体系呈现沉积物向上变粗、向湖盆方向持续进积的特征，由于西部断阶带扇体规模更大且发育时间长，仍是砂体主要发育部位。火二段砂体厚度主要为20～200 m，其中苏家20 井厚度达到239 m，梨2 和苏家2 井砂体厚度均超过190 m，通过地震剖面观察（参见图5），断裂坡折带下方多呈楔形杂乱反射结构，地层厚度明显增大，且沉积物快速堆积、分选较差［参见图3（a）］，表明研究区控盆断裂对扇三角洲沉积体系和砂体分布具有显著的控制作用［19］。研究区受多级断裂系统的影响［20］，在高位坡折带扇三角洲沉积较薄，且易产生河道下切作用，而在中—低位坡折带上，扇三角洲沉积作用明显，砂体快速堆积、厚度较大，扇三角洲前缘亚相也主要分布在断陷湖盆的边缘，即低位坡折带附近。

5 初始裂陷期扇三角洲发育模式

前人研究表明，在断陷湖盆初始裂陷期易发育粗粒的扇三角洲沉积，其形成与演化受构造活动、古地貌、湖平面变化、沉积物供给等多种因素的控制［21-23］。松辽盆地苏家屯次洼初始裂陷时期的构造活动对沉积体系影响最为显著，火一段形成时期，研究区西部桑树台断裂开始活动，次洼内地形整体比较平缓，以大规模火山作用为主，并未发育碎屑岩沉积；到火二段形成时期，研究区控盆断陷活动开始加强，开始形成统一的沉降中心，并在研究区形成一系列陡坡带，该时期研究区地形高差较大、物源供给充足，具有双断—多物源的特征，有利于发育扇三角洲沉积。断陷湖盆周围的古隆起为初始裂陷期扇三角洲的主要物源区，紧邻控盆断裂的陡坡带也可以发育小规模扇体，该时期扇三角洲具有近物源、快速沉积的特征。小型断陷湖盆初始裂陷期构造运动活跃且可容纳空间有限，湖盆中多呈现出沉积相带窄且相变较快的特征［4］，沉积相带的分布受断陷两侧控盆断裂的控制显著，扇三角洲平原亚相主要发育在断阶带之上，扇三角洲前缘亚相则主要发育在断阶带下部，前缘亚相的分布受断裂系统走向的控制，在断裂下部呈短轴、条带状分布，且砂体厚度明显增大（图7）。因此，断裂系统对砂体分布也具有明显的调节作用，在断裂下部有利于形成大套的砂岩储集层。

湖盆初始裂陷期构造活动开始控制研究区的沉降，但是较快速裂陷时期活动更缓慢，从盆地的整个断陷期来看，初始裂陷期可以近似地认为是湖盆沉积演化阶段中的低位体系域，该时期沉积物的沉积速率大于可容纳空间的增长速率、沉积物的砂/泥比值高、沉积体系具有加积或进积的特征［24］，因此，在初始裂陷期湖泊沉积范围十分局限。总体上，控制陆相断陷湖盆初始裂陷期沉积作用的主要因素为构造活动，构造活动制约着断陷湖盆的沉积速率、可容纳空间及沉积物源等因素的变化，从而对初始裂陷期湖盆的沉积充填产生主导性的控制作用。

断陷湖盆初始裂陷期扇三角洲也具有较好的油藏条件，湖盆两侧扇三角洲砂砾岩储层十分发育，湖盆中央和断陷后期广泛发育的成熟度高、生烃潜力大的烃源岩又可以为砂砾岩储层提供良好的油源基础［25］。火二段砂砾岩储层最主要的油气成藏类型为断裂主导的侧生侧储型，火二段形成时期，西部和东部断阶带以砂砾岩沉积为主，与湖盆烃源岩未直接接触，但由于同沉积断裂的持续活动，断阶带上的砂砾岩储层可以与凹陷带后期沙河子组和营城组等主力烃源岩地层侧向连接，为油气运移到砂砾岩储层中提供了有利通道，构成中部生烃、两侧储集的配置关系。火二段也可以形成自生自储的油藏类型，扇三角洲前缘沉积紧邻凹陷中心烃源岩沉积，前缘亚相中物性较好的砂岩储集层直接与烃源岩接触，油气可沿着连续分布的砂岩储层在横向上长距离运移，从而在构造高部位形成油气聚集。

图7 松辽盆地苏家屯次洼扇三角洲沉积模式图Fig.7 Sedimentary model of fan delta in Sujiatun sub-depression，Songliao Basin

6 结论

（1）松辽盆地苏家屯次洼初始裂陷期构造活动明显，桑树台断裂和曲家断裂为区内主要的控盆断裂，从而在研究区形成“中央凹陷、东西断阶、北部凸起”的沉积格局。火石岭组形成时期物源方向主要来自西北、西南和东部等3 个方向，物源体系受研究区古地貌和构造活动共同控制，具有近物源、快速沉积的特征。

（2）松辽盆地苏家屯次洼扇三角洲发育有砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩等4 种岩石类型，岩相类型复杂、变化较大，其岩相组合主要反映了扇三角洲平原辫状河道和前缘水下分流河道沉积环境。扇三角洲沉积的测井-地震响应特征明显，在常规测井曲线上，河道沉积常呈现中—高幅箱形或钟形形态；在地震反射上，表现出中—强振幅连续平行、楔状前积、丘状杂乱和楔状杂乱等反射特征。

（3）构造活动是控制断陷湖盆初始裂陷期扇三角洲沉积的主要因素，同时控制着断陷盆地的地貌和沉积体系的展布特征。由于控盆断裂的持续发育，沉积体系在凹陷带出现分异，形成中部湖相沉积、四周扇三角洲沉积的格局。同时，断裂系统对扇三角洲砂体也具有重要的调节作用，在断裂坡折带下方可发育大套的砂砾岩储层，与湖相烃源岩构成良好的生储配置关系。