黄河口凹陷明化镇组下段网状浅水三角洲沉积

2021-01-27刘文超沈孝秀王少鹏来又春缪飞飞

西南石油大学学报(自然科学版) 2021年1期

刘文超，沈孝秀，王少鹏，来又春，缪飞飞

中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津塘沽300459

引言

自浅水三角洲的概念[1]提出以后，国内外学者在其形成动力学、微相构成及内部结构等多个方面做了大量研究工作[2-9]。不少学者认为渤海明化镇组下段存在浅水三角洲沉积体系，其沉积砂体已经成为渤海海域油气勘探的重点对象[10-15]。代黎明等认为黄河口凹陷新近系存在浅水湖泊沉积，并找到了浅水三角洲存在的证据[10]；加东辉等研究了渤中25-l 南油田浅水三角洲各微相的粒度特征[11]；朱伟林等对渤海新近系浅水三角洲进行了系统总结，并认为浅水三角洲砂岩储层由于受河流作用的控制，砂体具有明显的方向性，存在明显的分叉现象[14]；张新涛等将黄河口凹陷新近纪明化镇组下段划分为一个三级层序、3 个体系域，认为低位域时期（对应明化镇组下段底部地层）发育分流河道型浅水三角洲，湖侵域时期（对应明化镇组下段中部地层）发育砂坝型浅水三角洲，高位域时期（对应明化镇组下段上部地层）发育席状型浅水三角洲[15]。虽然前人对于渤海海域明化镇组下段浅水三角洲已取得一系列认识，但仍乏细致，尤其是对低位域期的浅水三角洲认识不够清楚，钻后证实，低位域浅水三角洲沉积体在平面上呈网状、交织状，且具有垂向加积的特征，与之前认识的进积特征不同[15]，因此，该时期可能存在一种新的沉积体系。

Schumm 最早提出网状河的概念[16]。Smith 将网状河解释为低坡降、较深而窄的、顺直或弯曲的交织河道[17]。随后，学者们对古、今网状河的特征也有了诸多认识，普遍认为平原地区地势平坦、开阔，有足够的空间供河流分叉和在横向上扩展，为网状河发育的有利地带[18-30]。三角洲平原地区也可发育网状河流体系[22-24]：马维俊认为，黔西纳雍地区龙潭组上三角洲平原上存在网结型分流河道沉积[25]；彭苏萍指出，淮南煤田二益系第四含煤段复合型三角洲上有网状河存在[26]；张周良等认为，珠江三角洲西北部的三水盆地范围内发育典型的网状河体系[27]。总体来看，目前关于网状河的发育位置仍缺乏细致认识。

传统研究认为，渤海海域新近系以河流相沉积为主，局部发育滨浅湖沉积[31]，明化镇早期，在经历了馆陶组的准平原化作用之后，地形平坦，湖区范围扩大，发育了一套浅水三角洲沉积[10，14，32-35]，也同样满足网状河流体系发育的基本条件[16-18]，进一步认识其沉积特征和沉积模式，对于加快该类砂岩储层的油气勘探和开发具有重要意义。为此，以黄河口凹陷明化镇组下段低位域地层为例，在前人研究成果的基础上，结合测井、录井、取芯、粒度及地震资料，对湖盆萎缩期网状浅水三角洲沉积特征及沉积模式进行了深入研究，以期为该类沉积储层的勘探和开发提供地质理论依据。

1 区域地质背景

黄河口凹陷位于渤海湾盆地东南部，夹持在垦东凸起、渤南凸起和莱北低凸起之间，具有为西深东浅、北陡南缓、凹中有隆的构造格局，断裂系统发育[12，15，32]（图1）。

图1 黄河口凹陷区域位置图Fig.1 The tectonic location of Huanghekou Sag

该区新近纪周边水系非常发育，为渤海湾盆地的汇水中心，新近纪馆陶期沉积了一套以含砾砂岩为主的地层，准平原化作用将盆地填平补齐，进入明化镇期，盆地沉降更加缓慢，地形更加平缓[33]，气候以偏湿润亚热带到暖温带为主（图2）。明化镇组下段低位域时期，气候相对干燥，坡度小于1°，基准面上升缓慢，可容空间较小，物源供给较为充分[15，34]，具备发育网状浅水三角洲的条件。

图2 明化镇组下段地层综合柱状图Fig.2 The comprehensive stratigraphic column of the Lower Member of Minghuazhen Formation

2 网状浅水三角洲沉积证据

2.1 岩性及组合特征

黄河口凹陷明化镇组下段网状浅水三角洲岩性组合为泥岩与细砂岩、粉砂岩不等厚互层，不同于明化镇组下段中部大套泥岩夹薄层粉细砂岩的特点。泥岩整体表现为氧化色和还原色交替（图2），反映了湖平面的周期性升降，沉积环境半氧化半还原[14]。GR 曲线形态呈现多样化，包括齿化箱形、齿化钟形、指形及小型漏斗形。测井相组合以反映加积作用的响应组合为主，底部为箱形，中部为钟形，上部为指形，说明沉积以河流作用为主（图2）。

2.2 沉积构造特征

通过对研究区岩芯的观察与描述，黄河口凹陷明化镇组下段网状浅水三角洲发育多种沉积构造，包括冲刷构造、平行层理、交错层理、波状层理及水平层理，这些典型的沉积构造对于解释沉积环境具有重要意义。

冲刷构造一般反映水动力较强的河道地底部环境，界面之上常发育有泥砾，代表新一期河道沉积的开始（图3a）。交错层理、平行层理同样指示河道沉积，多与冲刷构造和泥砾层伴生，以沉积物的快速堆积为特征，是垂向加积作用的产物（图3a，图3b）。波状层理和水平层理在研究区非常普遍，多见于粉砂质泥岩或泥质粉砂岩（图3c），代表弱水动力条件下的天然堤、河漫滩。沙纹层理在研究区也较为普遍，可见于河道间的单砂层或河道砂体顶部（图3d），为河流和波浪共同改造的结果，多为席状砂沉积。不显层理的泥岩代表极弱水动力条件下的河漫湖泊或分流间湾沉积，其中与紫红色泥岩伴生的水平层理代表水上河漫湖泊沉积（图3e），与灰绿色泥岩伴生的代表水下的分流间湾沉积（图3f）。

图3 明化镇组下段网状浅水三角洲典型岩芯照片及垂向层序Fig.3 Typical core photographs of reticulated shallow water deltas and the vertical sequence of the Lower Member of Minghuazhen Formation

垂向层序多为正韵律，且具有不明显粒序变化、向上变细的二元结构特征（图3g），河道层序中平行层理的数量多于板状交错层理，反映以垂向加积作用，侧向侵蚀作用不强，细砂岩的比例占80%∼90%，冲刷面之下含砾少，说明水流流速较缓，河道比较稳定。也可见反韵律特征，顶、底与细粒沉积呈突变接触，为决口扇沉积。泥质粉砂岩中含丰富碳屑，植物根系较为发育，反映了天然堤植被较丰富，起到加固河道的作用。

2.3 沉积微相特征

通过岩芯观察、测井及录井资料的综合分析，认为黄河口凹陷网状浅水三角洲发育平原和前缘两种亚相，三角洲平原亚相泥岩颜色为紫红色，三角洲前缘亚相泥岩颜色为灰绿色，但由于地势平缓，平原和前缘相带分界不明显。平原亚相沉积微相类型包括网状河道、天然堤、决口扇、河漫湖泊和河间漫滩，前缘亚相沉积微相类型包括水下网状河道、水下天然堤、水下决口扇、分流间湾和席状砂。

（水下）网状分支河道是各相带骨架砂体的构成单元，主要为一套灰色细、粉砂岩沉积，由多期河道叠置而成，每期河道底部常见冲刷构造或泥砾层，普遍发育块状层理、板状交错层理和平行层理（图3a，图3b），GR 曲线为齿化箱形或低幅钟形（图2）。天然堤一般为波状层理、水平层理粉砂岩和泥质粉砂岩（图3c），含植物碎片，韵律不明显（图3g），GR 曲线为齿形（图2）。（水下）决口扇一般为向上变粗的反韵律，底部为水平层理泥质粉砂岩，向上过渡为交错中、细砂岩，顶部可见小型冲刷面，GR 曲线为小型漏斗型（图2）。河间漫滩或席状砂多为平行层理粉砂岩、泥质粉砂岩（图3c，图3d），顶底为紫红色或灰绿色泥岩，GR 曲线为指型，单层厚度薄，一般小于2 m（图2）。河漫湖泊或分流间湾岩性以泥岩、粉砂质泥岩为主，多不显纹层（图3e，图3f，图3g）。

2.4 砂岩粒度特征

黄河口凹陷网状浅水三角洲砂岩总体以岩屑长石砂岩为主，粒度偏细，主要为细砂岩、粉砂岩，反映经历了较长距离的搬运。分流河道砂岩粒径主要分布在0.05∼0.25 mm，粒度概率曲线主要为两段式，跳跃总体较为发育，含量一般大于50%，细截点粒径φ 值在2∼4，可少量见到滚动组分（图4a，图3b）。河漫滩或席状砂粒度概率曲线仍具“两段式”特征，悬浮总体增多，细截点粒径φ 值约为5.0，颗粒分选性较好（图4c）。由于湖水的改造作用较弱，粒度概率曲线较少见到“三段式”。

图4 明化镇组下段砂岩粒度概率曲线图Fig.4 Grain size cumulative probability curves of the Lower Member of Minghuazhen Formation

2.5 河道砂体发育特征

黄河口凹陷明化镇组下段低位域网状浅水三角洲细粒沉积仍占绝大多数，砂地比20%∼40%，砂体井间对比关系和河道叠置程度较湖侵域砂坝浅水三角洲好，但较高位域曲流河差（图5）。单河道平均厚度在8 m 左右，最厚达25 m，此种厚度异常的砂体一般认为是垂向加积而非侧积[17]。地震剖面显示，明化镇组下段底部地震相多为短轴状中强振幅反射（图6a），连续性较差，体现了网状浅水三角洲河道较为发育，但相对孤立。

利用地震沉积学理论对砂体的平面特征进行了研究。研究表明，振幅属性能够较好地反映砂体的展布，砂体发育程度越好，振幅属性值越高，相反，砂体发育程度越差，振幅属性值越差。沿层地震属性显示颜色呈梯度变化，网状河道清晰可见，河道两侧属性依次变弱（图6b），沉积微相类型由河道—天然堤（席状砂）—河漫滩—河漫湖泊（分流间湾）（图6c）。河道形态呈现较为明显的网状、交织状，不同河道分叉之后又重新交汇，窄且杂乱，主河道的宽度200∼700 m，次级河道宽度60∼300 m，河道交汇处的宽度可达400∼1 000 m，河网系统分叉系数较小，一般为2∼5，宽深比一般小于30，与现代嫩江齐齐哈尔段网状河流系统相似[24]。河道的总体方向为北东南西向，且北东向的浅水三角洲平原相带河道规模更大，南西向的浅水三角洲前缘相带河道变窄（图6c）。

图5 明化镇组下段砂体对比图Fig.5 Sand contrast relationships of the Lower Member of Minghuazhen Formation

图6 明化镇组下段地震剖面、沿层振幅属性及平面沉积相图Fig.6 The seismic section,amplitude attributes tract and sedimentary facies map in the Lower Member of Minghuazhen Formation

3 网状浅水三角洲的沉积模式及形成机理

3.1 沉积模式

关于网状河的沉积模式，前人已有研究，认为网状河发育的共同特点为低坡降、垂向加积、河道交织成网状、宽深比低、溢岸沉积物比例高等[20-29]。

基于地震、录井、测井、取芯等资料，结合前人已有浅水三角洲的认识[10-15]，通过对黄河口凹陷明化镇组下段低位域砂体沉积特征的研究，系统建立了网状浅水三角洲的沉积模式。其物源主要来自北东方向，在三角洲平原相带发育多条水系，河道宽且厚，水流作用强，在黄河口凹陷入湖，河道变窄，河流携带泥砂下切或冲开未固结的细粒物质，形成窄深型河道，河道未固结处冲裂决口又发生新河道，不同河道相交并口成网状，发育了大量的天然堤、河漫滩等，同时，由于湖泛期波浪和湖水顶托共同作用，席状砂化作用明显，亦发育了大量席状砂（图7a）。网状河浅水三角洲的特点是网状河道呈花状，沉积微相类型中天然堤、河漫滩、席状砂等溢岸沉积物占绝大多数，因此，网状浅水三角洲的形成过程可归纳为以溢岸沉积物为主的“河道花”模式（图7b）。

图7 明化镇组下段低位域网状浅水三角洲沉积模式图Fig.7 Sedimentary models of anastomosed shallow-water delta in low stand systems tract of the Lower Member of Minghuazhen Formation

3.2 形成机理

前人认为，网状河流体系可形成于多种气候条件下[17-22]，其形成是沉降速率、沉积速率、一定的河流规模、低坡降及黏结性河岸等因素共同起作用的结果[22-29]。黄河口凹陷明化镇组下段网状浅水三角洲为河湖交互相沉积，在沉积模式研究的基础上，结合前人的认识，对其形成机理进行了探讨。

首先，该区偏湿润的气候条件保证了一定的降雨量、沉积物供给和沉积速率。其次，该区沉积背景为经馆陶组填满且平原化的沉积盆地，早已结束了湖盆快速演化阶段，处于低坡降条件，沉降相对缓慢，可容纳空间同样增加缓慢。因此，沉积速率与可容空间增加速率近乎相等，为河流的垂向加积提供了条件。古水深8 m 以下[15]，为湖盆萎缩期浅水三角洲沉积，平原相带加积速率较大，前缘相带加积速率变小，由于水深浅，湖浪改造作用弱，前缘相带少见砂坝。

河道两侧均发育天然堤是网状河流体系的典型特征[22-24]，该区网状浅水三角洲沉积不仅在平原相带河道两侧广泛发育天然堤，而且在前缘相带河道两侧广泛发育席状砂（图6b，图6c，图7），细粒物质黏结性高，保证了河道的侧向稳定性，使得河道弯度较低。

在网状浅水三角洲的形成和演变过程中，特大洪水起至关重要的作用，若河漫滩长期不接受洪水的漫溢，河床面高过河漫滩容易发生决口，决口分叉作用发生的新河道与老河道汇合形成新的河漫滩或分流间湾，从而引起河型的改变。因此，决口改道是形成网状浅水三角洲新河道的主要机理。

4 网状浅水三角洲独有的沉积特点

4.1 与多数网状河沉积的相同点

黄河口凹陷明化镇组下段低位域网状浅水三角洲处于河湖交互背景，具有多数网状河流体系的共有特点[10-15]。

（1）形成于宽缓的古地形背景。渤海新近纪进入一致拗陷期，盆地沉降缓慢，构造稳定，馆陶期的准平原化作用使得盆地变得十分平缓[33]。地震剖面显示，明化镇组下段底部很少找到前积反射，同相轴平缓，地层倾角多小于1°（图6a），宽缓的地势为网状浅水三角洲沉积创造了得天独厚的条件。

（2）沉积微相类型多样，溢岸沉积物的比例高。曲流河沉积体系中所发育的沉积微相类型在网状河流沉积体系皆可发育，而该区网状浅水三角洲在平原和前缘相带均有网状河道体系发育，因此，沉积微相类型更加丰富（图7）。其中，天然堤、河漫滩、席状砂等溢岸沉积物比例高，区域钻井及地震资料综合揭示其比例为60%∼90%。

（3）河道以垂向加积为主，稳定性强，宽深比小。由于网状浅水三角洲沉积速率与可容空间增加速率近乎相等，河流下切作用较强，主要体现为垂向加积作用，证据比如粒度概率曲线跳跃总体所占比例达到80%以上，河道沉积具有不明显粒序的二元结构等。另外，由于坡降低，地形平坦，水流速度相对缓慢，对河岸的冲击力较小，河道固定而较难迁移，加之，河道两侧天然堤极为发育，增加了河道的侧向稳定性。河道宽深比一般小于30，小于一般曲流河和辫状河等河流相沉积的宽深比[29，36]。

4.2 与渤海明化镇组下段其他沉积的不同

黄河口凹陷明化镇组下段网状浅水三角洲沉积形成于低位域时期，是一种特殊的浅水三角洲沉积体，与同在明化镇组下段发育的曲流河沉积（发育于高位域时期）和砂坝浅水三角洲沉积（发育于湖侵域时期）[15]相比（图2），网状浅水三角洲沉积具备独有的沉积特点。

（1）河道层序具有不明显粒序的二元结构。网状浅水三角洲水体深度一般小于8 m，水流较缓，主要体现为河道的加积作用，垂向层序为正韵律，具有不明显粒序的二元结构，粒度概率曲线具有“两段式”特征。曲流河为水上沉积，物源供给充分，可容空间小，河道沉积垂向层序也是正韵律，但具有明显粒序的二元结构，底部为含砾砂岩，上部几乎突变为泥质粉砂岩。砂坝浅水三角洲水体深度8∼12 m，河道层序正韵律和反韵律同时存在，粒度概率曲线既有“两段式”又有“三段式”，体现了湖泛期较为强烈的波浪改造作用和砂体退积发育特点。

（2）天然堤和决口扇相对发育。与曲流河只在凹岸一侧发育天然堤不同，网状浅水三角洲河道两侧天然堤均较为发育，网状河道决口改道能力较强，决口作用是形成网状河道的主要机理，因此，其决口扇也较曲流河发育。由于河道两侧天然堤具有较高的黏结性，且水流速度较小，河道较难被侧向侵蚀，点坝规模并不大，基于河道侧向较难被侧向侵蚀，因此也很少见到废弃河道，因此，网状河道在有些河段虽有一定的弯曲度，但弯曲度较小，一般小于1.5。砂坝浅水三角洲天然堤、决口扇数量较浅水三角洲少的多，反而是河口坝有一定的规模。

（3）砂体发育程度中等，河道呈网状。网状浅水三角洲砂地比在20%∼40%，砂层发育程度差于曲流河，砂地比为20%∼50%，但好于砂坝浅水三角洲，砂地比一般小于25%；砂体井间对比关系和河道叠置程度较砂坝浅水三角洲好，但较曲流河差；单砂体厚度在2∼25 m，较砂坝浅水三角洲大，与曲流河相当（图5）。河道平面上呈网状、交织状，河道之外的砂体呈席状（图6b），曲流河砂体平面上呈朵状、坨状，平面地震属性显示河道现象不明显，砂坝浅水三角洲平面上主要呈现单一河道特征，网结现象较少[15]。