渤海湾盆地中-晚二叠世河流相沉积演化特征及砂体展布规律

马 帅，王永诗，蒲秀刚，马立驰，，陈世悦，田 雯，孙沛沛

（1.中国石化胜利石油管理局有限公司博士后科研工作站，山东东营 257001；2.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257015；3.中国石化胜利油田分公司，山东东营 257001；4.中国石油大港油田分公司，天津 300270；5.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580）

渤海湾盆地是中国重要的含油气盆地之一，近年来深部层系的油气勘探陆续取得了重大突破，特别是冀中坳陷苏桥-文安潜山以及黄骅坳陷乌马营潜山、王官屯潜山等上古生界油气藏的发现，已逐步成为东部老区“增储上产”重要的储量接替领域［1-4］。中-晚二叠世河流相致密砂岩是渤海湾盆地上古生界最重要的储集层系，在同属华北克拉通的鄂尔多斯盆地早已发现了以该套砂岩为储层的含油气系统。目前研究成果表明，华北地区中-晚二叠世河流相沉积主要发育在下石盒子组—上石盒子组，自下而上包括黑山段、万山段及奎山段3个富砂层段［5］，单一河流相沉积序列垂向上发育块状砾岩、槽状交错层理砂岩、板状交错层理砂岩及平行层理砂岩等岩相类型［6-7］，根据其岩相组合特征可划分为近源砂砾质辫状河、远源砂砾质辫状河、远源砂砾质曲流河等不同类型［8］，空间上表现为河道、泛滥平原及河漫湖泊交互分布的古地理格局，发育典型曲流河—辫状河沉积模式［9］，干旱与潮湿气候的频繁交替变化是导致河流相砂体垂向厚度大、非均质性强和横向变化快的主控因素［10］。

在广泛的沉积盆地范围内受物源、古地貌及搬运距离等影响，不同地区河流沉积过程、水道发育特征不尽相同，同时受后期构造运动破坏改造作用及多种类型盆地叠加影响，砂体连续性较弱，且分布具有较强的分割性，这些均在一定程度上制约了油气勘探的进程［11］。笔者在渤海湾盆地周缘野外地质剖面精细描述、坳陷区近百口钻井的测井和录井及岩心资料分析基础上，对研究区中-晚二叠世河流相沉积特征进行了详细研究，明确了各富砂层段的沉积相、亚相及微相类型，探讨了河流沉积演化特征，建立了河流相沉积模式，揭示了河流相砂体展布规律，以期为渤海湾盆地上古生界油气勘探及目标优选提供技术支持。

1 区域地质概况

渤海湾盆地是发育在华北板块前中生界基底盖层之上的大型裂陷盆地，面积约为2.0×105km2，构造位置西起太行山断裂带，东至郯庐断裂带，北邻燕山褶皱隆起，南抵鲁西南隆起，由多个坳陷、隆起及凸起组成（图1a）。从区域构造背景来看，渤海湾盆地在漫长的地质演化历史中经历了多幕次的构造运动及盆地叠加作用［12］，特别是中生代以来，受太平洋动力体系影响发生强烈改造，形成了极其复杂的构造样式，部分地区前中生界剥蚀殆尽（图1b）。

研究区上古生界自下而上包括本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组及石千峰组（图1c），整体发育碳酸盐岩—碎屑岩沉积建造［13］，碎屑物质来自北部兴蒙构造带［14］，其沉积充填作用受控于海平面变化及古构造运动等，古地理环境经历了由海相向陆相的转变，并于中-晚二叠世进入河流-湖泊沉积旋回阶段［15-17］。

图1 渤海湾盆地区域地质概况Fig.1 Regional geological survey map of Bohai Bay Basin

2 沉积学特征

沉积岩的沉积学特征包括岩石的颜色、成分、结构、粒度及沉积构造等多个方面，这些均是反映沉积相类型及沉积环境的重要指示标志。渤海湾盆地中-晚二叠世河流相沉积砂体是良好的储集体，通过对渤海湾盆地多口钻井岩心详细的观察、描述以及周缘野外剖面的勘察、实测工作，结合镜下岩石薄片观察、测井和录井资料分析等，对研究区中-上二叠统下石盒子组及上石盒子组广泛发育的河流相沉积进行了详细研究。

2.1 岩矿特征

根据野外剖面及岩心资料，研究区河流相沉积岩石类型主要包括灰色、灰黄色、黄绿色砾岩、含砾粗砂岩、砂岩以及紫红色、杂色、黄绿色泥岩、粉砂质泥岩等。

2.1.1 砾岩及含砾粗砂岩

研究区中-晚二叠世河流相砾岩及含砾粗砂岩整体呈灰色、灰黄色，砾石成分复杂，包括石英砂岩、石英岩、燧石岩、英安岩等，砾石分选较差，粒径为0.2～3 cm，磨圆中等—较好，钙质或硅质胶结，颗粒支撑，呈层状定向排列（图2A-1）。该类岩石多发育于上石盒子组万山段（图2B-1）及奎山段（图2A-2），单一旋回厚度为2～6 m，垂向具正粒序特征，与下伏岩性多以冲刷面接触。

2.1.2 砂岩

渤海湾盆地中-晚二叠世河流相砂岩多呈灰色、灰黄色及棕黄色，其岩石类型、产出状态等特征在各个层段存在明显差异。其中下石盒子组黑山段砂岩岩石类型多样，包括岩屑质石英砂岩（图2C-1）、长石质岩屑砂岩（图2C-2）、岩屑质长石砂岩及长石质石英砂岩；上石盒子组万山段砂岩岩石类型以中细粒石英砂岩（图2A-3）、长石质石英砂岩、岩屑质石英砂岩及岩屑质长石砂岩（图2C-3）为主；上石盒子组奎山段砂岩岩石类型以中粗粒石英砂岩、岩屑质石英砂岩为主（图2B-2，图2C-4）。不同地区砂岩岩石类型及颗粒含量也有所差异，研究区中北部冀中坳陷东部—黄骅坳陷下石盒子组及上石盒子组万山段砂岩长石及岩屑含量较高，而东部济阳坳陷及西南部临清坳陷-东濮凹陷长石及岩屑含量明显降低，至上石盒子组奎山段全区砂岩中石英含量均较高（图3）。上石盒子组孝妇河段整体砂岩发育较少，粒度较细，砂岩颗粒组分常见燧石岩、硅质岩及变质岩岩屑，杂基含量为5%～20%，主要为黏土矿物及粉砂级碎屑颗粒，胶结物包括高岭石、伊利石、绿泥石、方解石、铁方解石等，分选较差，结构成熟度及成分成熟度中等。

图3 渤海湾盆地中-晚二叠世河流相砂岩岩石分类Fig.3 Classification of middle-late Permian fluvial sandstone in Bohai Bay Basin

2.1.3 泥岩及粉砂质泥岩

研究区中-晚二叠世河流相泥岩及粉砂质泥岩颜色为紫红色、黄绿色、灰黄色、灰色（图2A-4，图2B-3），成分以高岭石为主，含量在50%以上，其次为伊利石，含量为8%～15%，钙质胶结，发育波状层理及水平层理等，常见大量植物碎片（图2B-4），多发育于下石盒子组及上石盒子组孝妇河段，整体累积厚度较大。

图2 渤海湾盆地及其周缘中-晚二叠世河流相碎屑岩野外、岩心及镜下典型照片Fig.2 Field，coring，and SEM images of middle-late Permian fluvial clastic rocks in Bohai Bay Basin and its periphery

2.2 粒度特征

碎屑岩粒度特征是衡量沉积介质能量的良好尺度，同时也是判别沉积环境及水动力条件的重要标志［18］，渤海湾盆地中-晚二叠世河流相砂岩粒度概率累积曲线主要有4种类型。Ⅰ型曲线为两段式，跳跃组分粒度分布在0.5～2.5ϕ，含量为60%～70%，斜率为55°～80°，悬浮组分斜率为20°～35°（图4a），整体反映分选较好的河道砂岩沉积。Ⅱ型曲线呈中斜两段式，粒度整体分布在1～5ϕ，悬浮组分含量稍高，且跳跃组分及悬浮组分斜率相似（图4b），说明沉积具重力流特征，整体反映水浅流急、快速沉积的特点。Ⅲ型曲线为一跳一悬式，跳跃组分粒度分布在0.25～2.5ϕ，含量为75%～90%，斜率为60°～70°，悬浮组分斜率为10°～15°（图4c），曲线具单向水流作用特点。Ⅳ型曲线为三段式，粒度整体分布在-0.5～3.5ϕ，跳跃组分含量为50%～70%，斜率为65°～70°左右（图4c），反映分选中等-较差，以牵引流为主要搬运方式，对应具交错层理的中粗粒河道砂岩。

图4 渤海湾盆地中-晚二叠世河流相砂岩粒度概率累积曲线Fig.4 Grain-size probability curves of middle–late Permian fluvial sandstone in Bohai Bay Basin

2.3 沉积构造

沉积构造的形成与发育状况是沉积介质、水动力条件及沉积环境的直接体现，研究区中-晚二叠世河流相沉积主要发育冲刷面及各类层理构造。冲刷面构造属于层面构造，是介质流速的突然增加，导致流体对下伏沉积物冲刷、侵蚀而形成的起伏不平的岩性突变面。其体现的沉积特征在于冲刷面之上沉积环境的水动力条件较下伏沉积物有显著提高，且上覆沉积物粒度明显较粗，冲刷面附近见大量泥砾（图5A-1，图5A-2），是河道沉积产物的标志。层理构造属于流动成因沉积构造，研究区河流相主要发育槽状交错层理、斜层理、板状交错层理、平行层理、流水沙纹层理等沉积构造（图5A-3，图5A-4，图5B-1—图5B-4），为河流相典型层理构造。

图5 渤海湾盆地及其周缘中-晚二叠世河流相典型沉积构造Fig.5 Typical sedimentary structure of middle-late Permian fluvial facies in Bohai Bay Basin and its periphery

综上所述，渤海湾盆地中-晚二叠世河流相沉积碎屑岩颜色多变、岩石类型多样，多种类型砂岩粒度概率累积曲线及大型交错层理的发育表明碎屑岩沉积水动力条件较强，且稳定性较差，砂砾岩顶部常见氧化色泥岩，整体以陆相沉积环境为主。

3 沉积相特征及演化规律

通过对渤海湾盆地测井、录井及岩心资料、周缘野外剖面的深入研究，结合岩石类型、粒度、沉积构造、沉积相标志及沉积序列等特征的综合分析，认为研究区下石盒子组以曲流河沉积为主，上石盒子组万山段及奎山段以辫状河沉积为主。

3.1 曲流河沉积

下石盒子组沉积序列宏观上表现为下粗上细的典型二元结构特征，野外露头中发育由多个边滩—堤岸—泛滥盆地叠置组成的曲流河沉积序列（图6a）。单一沉积序列具正粒序特征，序列底部局部可见冲刷侵蚀下伏地层所形成的滞留层，主体部分由河道迁移而引起的沉积物侧向加积形成的边滩砂体相互叠置组成，发育槽状交错层理、板状交错层理及平行层理（图6b），自下而上层理规模逐渐变小，并过渡为具小型交错层理、砂泥韵律层理及水平层理的堤岸沉积，序列顶部则为洪泛时期大量细粒悬浮物质垂向加积而形成的泛滥盆地沉积。

3.1.1 河床亚相

研究区曲流河河床亚相以边滩沉积为主，部分地区可见洪泛期搬运至河床底部沉积的滞留砂砾岩层。岩石类型主要为粗—细砂岩，碎屑颗粒包括石英、长石、燧石岩屑、板岩岩屑及千枚岩岩屑等，呈次圆状—次棱角状，分选较差。单一沉积序列厚度约为3～5 m，垂向上发育槽状交错层理、板状交错层理及平行层理等沉积构造，局部可见砂泥韵律层理，序列底部常见明显冲刷充填现象及大量泥砾，整体具向上变细结构特点。沉积作用以侧向加积为主，整体反映复杂多样的水动力条件。测井响应具低自然伽马、高电阻率、低声波时差的特征，曲线形态多表现为齿化箱形和齿化钟形（图6c）。

3.1.2 堤岸亚相

研究区曲流河堤岸亚相主要由细粉砂岩、泥质粉砂岩构成，泥质含量较高，局部可见大量炭屑及沿层面富集的云母（图6c）。沉积构造以洪泛期河水漫溢砂岩与间歇期泥岩频繁薄互层形成的韵律层理为主，局部可见小型的流水沙纹层理和爬升层理，整体反映水动力条件相对较弱，悬浮组分含量较高。

3.1.3 泛滥盆地亚相

研究区曲流河泛滥盆地亚相以细粒底负载及悬浮质沉积物为主，其中干旱条件下发育以紫红色、杂色泥岩和粉砂质泥岩为特征的河漫滩沉积，受长期暴露及风化淋滤影响铝土质含量较高（图6c）。湿润气候下发育以灰色、灰黑色泥岩为特征的河漫湖泊及河漫沼泽沉积，岩心中保存大量菱铁矿结核及植物碎屑，常见水平层理及生物扰动构造，反映水动力条件较弱的缓慢沉积过程。测井曲线上表现为高自然伽马、低电阻率、中声波时差的特征。

图6 渤海湾盆地下石盒子组曲流河相野外及钻井典型特征Fig.6 Field and drilling characteristics of meandering river of Lower Shihezi Formation in Bohai Bay Basin

3.2 辫状河沉积

上石盒子组万山段—奎山段宏观上表现为二元结构特征不明显的正粒序沉积序列，垂向上具砂包泥的结构特征（图7a）。序列底部常见由砾岩或含砾粗砂岩构成的滞留层，冲刷侵蚀下伏地层。序列下部为发育槽状交错层理、板状交错层理的厚层心滩砂体，由于其沉积水动力条件强，河道宽泛且侧向迁移迅速，导致多期透镜状砂体频繁切割且相互叠置（图7b），心滩砂体之上及两侧发育以槽状交错层理及平行层理为特征的河道充填。顶部为洪泛时期大量细粒悬浮物质垂向加积而形成的泛滥盆地沉积，垂向上表现为砂体厚度及粒度逐渐变薄变细的沉积规律。

图7 渤海湾盆地上石盒子组辫状河相野外典型特征Fig.7 Field characteristics of braided river of Upper Shihezi Formation in Bohai Bay Basin

3.2.1 河床亚相

研究区辫状河河床亚相发育心滩及河道2种沉积微相，岩石类型包括砾岩、含砾粗砂岩及粗—细砂岩。心滩微相砂体厚度大、粒度粗，具底平顶凸形态，单一沉积序列厚度约为5～12 m，垂向上发育具槽状交错层理的滞留砂砾岩层以及具块状层理、板状交错层理、平行层理的砂岩层，沉积作用以侧向迁移和垂向加积为主，形成时水动力条件较强（图8a）。河道微相单砂体厚度及粒度均偏小，具顶平底凸形态，底部具冲刷充填构造，可见河道侧向侵蚀及对下伏地层冲刷而形成的泥砾，以发育槽状交错层理、板状交错层理和平行层理为特征，泥质夹层较为发育，水动力条件复杂多样（图8b）。测井曲线上整体具低自然伽马、高电阻率、低声波时差的特征，由于河道微相发育的水动力条件总体较心滩弱，砂岩中泥质含量较心滩高，砂体层薄且泥质夹层发育，因此河道砂岩表现出相对高自然伽马且局部形态齿化强烈的特征，自然电位曲线以钟形为主，而心滩砂体自然电位曲线以箱形、齿化箱形、箱形-钟形叠加为主（图8）。

3.2.2 泛滥盆地亚相

泛滥盆地亚相主要发育灰绿色、紫红色、杂色泥岩以及灰白色、杂色铝土岩，铝土岩中可见受铁质侵染形成的黑色和红色斑块，测井上具有高自然伽马、低电阻率、中高声波时差的特征（图8）。

图8 渤海湾盆地上石盒子组辫状河相钻井典型特征Fig.8 Drilling characteristics of braided river of Upper Shihezi Formation in Bohai Bay Basin

3.3 垂向剖面演化

从渤海湾盆地下石盒子组—上石盒子组连井沉积相对比剖面来看，研究区经历了曲流河—辫状河—湖泊沉积的古地理演化过程。从东—西2条横切物源方向剖面看，下石盒子组以曲流河沉积为特征，发育边滩、堤岸以及泛滥盆地沉积，砂体规模及砂岩粒度均较小；上石盒子组万山段沉积类型由曲流河向辫状河演化，发育辫状河道、心滩及泛滥盆地沉积，砂岩层数较下石盒子组增多，但单砂体厚度较小，一般为8～20 m，砂体规模较小且孤立；奎山段整体为辫状河沉积，垂向上发育3～4套厚层砂体，单砂体厚度较大，普遍为15～35 m，砂体规模较大且连片发育，整体反映物源区快速隆升—稳定隆升剥蚀的过程，碎屑物质供给能力不断增强（图9a，图9b）。从顺物源方向剖面看，砂体自北向南层数及规模逐渐减小，富集层位逐渐增高，直至上石盒子组孝妇河段沉积时期，发育紫红色泥岩夹孤立薄层细砂岩建造，为河流泛滥盆地-湖泊沉积环境（图9c）。

图9 渤海湾盆地中-晚二叠世河流相砂体连井沉积剖面Fig.9 Well-tie sedimentary profiles of the middle-late Permian fluvial sandstone in Bohai Bay Basin

4 砂体展布

砂体展布特征受物源供给强度、原始沉积相带分布及后期构造运动破坏改造作用等多因素影响。研究区中-晚二叠世物源供给能力逐渐增强，河流相砂体广泛分布，并发育3条主要河道沉积；中生代之后受太平洋动力体系影响强烈改造，前期克拉通盆地支离破碎，形成多个分割性明显、演化迅速、岩相多变的陆相盆地［19-20］，因此研究区中-晚二叠世河流相砂体残余展布具明显区带性。

通过对渤海湾盆地大量钻井资料的分析及统计，研究区下石盒子组—上石盒子组万山段、奎山段河流相逐渐发育，砂岩成熟度、粒度及厚度均逐渐增大。研究区河流相骨架砂岩在残留盆地广泛分布，其中下石盒子组累积厚度普遍小于80 m，上石盒子组万山段—奎山段累积厚度较大，普遍为40～120 m；从骨架砂岩残余厚度分布来看，渤海湾盆地存在3个厚度中心，分别位于济阳坳陷、冀中坳陷东部—黄骅坳陷以及临清坳陷中西部（图10）。

图10 渤海湾盆地中-晚二叠世河流相砂体残余厚度等值线Fig.10 Contour map of residual thickness of the middle-late Permian fluvial sandstone in Bohai Bay Basin

5 结论

渤海湾盆地中-晚二叠世发育一套紫红色硅质碎屑岩建造，岩石类型多样且颜色多变，沉积水动力条件强，稳定性差，各类层理发育，为河流相典型沉积特征。研究区下石盒子组为曲流河沉积，发育边滩、堤岸及泛滥盆地沉积，河道砂岩分布局限；上石盒子组万山段逐渐向辫状河演化，心滩、河道及泛滥盆地交互沉积，砂岩层数及砂体规模较下石盒子组有所增大；奎山段沉积时期物源碎屑物质供给增强，研究区以辫状河心滩及河道沉积为特征，形成满盆富砂的古地理格局。

研究区下石盒子组河流相残余骨架砂岩累积厚度小于80 m，上石盒子组万山段—奎山段累积厚度为40～120 m，并在济阳坳陷、冀中坳陷东部—黄骅坳陷以及临清坳陷中西部发育3个厚度中心。