渤中凹陷东南缘东二下亚段扇体成因新认识

谢晓军 吴克强,2 张锦伟 廖计华 白海强 刘子玉 唐 武

(1. 中海油研究总院有限责任公司 北京 100028； 2. 海洋油气勘探国家工程研究中心 北京 100028；3. 中海石油(中国)有限公司 北京 100010)

中国近海随着浅层和构造油气藏的勘探程度增高，将向深层岩性、地层油气藏等领域拓展[1-2]。渤海海域东营组发育多个大中型湖相深水沉积岩性体，主要分布在辽东湾坳陷和渤中凹陷，前人认为是浊流或滑塌成因的湖底扇沉积[3-8]。研究区位于渤中凹陷东南缘，整体是一个缓坡。自下而上发育有前古近系的前寒武系、古生界、中生界和新生界的古近系、新近系、第四系。其中古近系包括孔店组、沙河街组、东营组，东营组又分为三段，自下而上为东三段、东二下亚段、东二上亚段、东一段，东二下亚段为本次研究的目的层。东二下亚段沉积时期，为一个完整的三级层序单元，本次研究的扇体位于该层序的高位体系域内。该时期，渤中凹陷整体为辫状河(扇)三角洲、深水沉积扇体、滨浅湖及半深湖—深湖沉积环境。其中辫状河三角洲主要位于渤中凹陷的北侧，扇三角洲主要位于凹陷西侧，深水沉积扇体主要位于渤南低凸起周缘及渤中凹陷的北侧。

目前，对扇体规模、分布范围、期次以及物源区的岩性等方面具有统一的认识。因无钻井揭示，依据地震反射特征识别出渤南低凸起东二下亚段发育5个扇体(A—E扇)，总面积约873 km2。通过周边钻井及地震相综合类比认为，该沉积期物源区面积约437 km2，为目标扇体提供物源的母岩岩性主要包括前寒武系花岗岩和中生代火山岩。结合物源区的分水岭、沉积物输送通道和岩性分布认为，A和E扇的物源主要来自前寒武系花岗岩、中生代近火山口相的安山岩和中生代远火山口相的火山碎屑沉积岩，并以前寒武系花岗岩和中生代近火山口相的玄武/安山岩为主；B扇物源主要来自中生代远火山口相的火山碎屑沉积岩；C和D扇物源主要为中生代近火山口相的安山岩(图1)。关于扇体成因，存在三角洲和湖底扇[9]两种观点。本文基于扇体周边钻井岩心层理构造、测井曲线特征和扇体的地震内幕结构，并综合类比被钻井揭示且有油气发现，位于埕北低凸起东南缘的东三段异重流沉积，探讨渤中凹陷东南缘东二下亚段扇体的沉积成因，为后续砂体的空间展布、主控因素和精细刻画等研究奠定良好的基础，进而指导下一步钻井部署。

图1 研究区位置及扇体分布Fig.1 Location of study area and fan distribution

1 异重流研究概况

异重流是深水沉积输送机制的类型之一，近几十年来，越来越受到国内外地质学家的关注。异重流是重力流的一种，河水携带比海水或湖水更高密度的流体直接进入海洋或湖泊中，并主要沿水体底部流动的流体；由异重流作用形成的岩石称为异重岩。异重流概念最早是由Forel[10-11]在研究Le’man湖时提出；Bates[12]在研究三角洲形成的合理理论时，认为异重流是一种含沉积物颗粒的高密度流体(与蓄水体相对而言)，沿蓄水体底部流动的浊流(或密度流)；Mulder等[13]进一步完善了Bates的异重流定义，认为异重流是一种河流直接供源、因密度远大于静水密度而沿盆地底部流动的流体，以递变悬浮搬运为特征。中外学者研究了全球230条河流认为，84%的河流都产生了周期性的异重流；多数学者认为[14-20]，湖泊比海洋更容易形成异重流，主要是因为湖相盆地的构造运动更加强烈和频繁、盆地面积小、盆地与周缘隆起的地形高差较大且小河流更发育；Mulder等[14]指出异重流发生频率和强度在以下条件下会增加：气候更加干旱(更冷或更暖)、减少植被覆盖和增加温度的变化会加剧侵蚀，窄陆架区的相对海平面下降使得河流与峡谷直接连接等。杨仁超 等[21]认为陆相淡水湖盆受气候和构造影响更大，地形陡峭、洪水频发、碎屑物质供给丰富、湖水密度较低等特征更容易满足异重流的形成条件。在海洋环境中，河流中的悬浮物浓度要大于35～45 kg/m3才可以形成异重流，而湖泊淡水环境中仅需要大于1 kg/m3即可形成异重流[22]。

全球现已有近30个异重流研究实例[23]，时代以现代沉积和中新生代为主；现代沉积的实例主要在法国alpine湖[24]、美国Mead 湖、俄罗斯Balkal湖[25]、加拿大Baffin岛的 Soper湖[26]等。Zavala Carlos 等[27]根据持续时间的长短可进一步区分为短期和长期的异重流；短期的异重流通常持续几个小时、几个星期至近百年，如2009年8月7—9号的莫拉克台风，3天时间里，台湾高坪地区西南海岸形成约180 km长的异重流沉积体[28]，日本中部TOYAMA扇形成时间大概是几天至3～4周[29]，美国加利福尼亚西海岸的Monterey扇由alinas和Pajaro等河流经约100年供源形成[30]。中新生代的研究实例主要分布在阿根廷特内乌肯盆地[15,31]、委内瑞拉新生代盆地[22]、加拿大西因蒂里厄海道[26]、美国北阿巴拉契亚盆地和中科罗拉多盆地[32,33]、松辽盆地[34]、鄂尔多斯盆地[21,35]等；在委内瑞拉特立尼达岛东南侧的Columbus盆地Oilbird油气田的上新世异重流砂岩[36]和委内瑞拉Maturin次盆晚渐新世—早中新世异重流砂岩[22]中均发现油气。这展示了异重流重要的研究意义和勘探实践作用。

目前，在异重流沉积物的粒度特征及沉积序列等方面还存在一定的争议，多数学者认为其沉积物主要为中砂岩到粉—细砂岩等粒度相对较细的沉积物或富含有机质的细粒沉积序列[14,37-38]，但Mutti 等[39]认为沉积粗粒和细粒沉积物都有可能，主要取决于“源—汇”系统,杨田 等[40]认为在物源充分的条件下，近源以厚层粗粒为主、中部发育层内突变或侵蚀面的逆—正粒序组合、远端形成薄层细粒沉积物；在物源不充分的条件下，以薄层细砂-粉砂沉积为主。

2 异重流典型特征

对比异重流与经典浊流沉积(鲍马序列)，两者具有很大的相似性但又有一定的区别(表1)。经典浊流属于“二次搬运”，即在一定触发机制的作用下，盆内沉积物通过重力流进行再次搬运并沉积到新的沉积区；异重流属于“一次搬运”，即途径盆缘峡谷/沟谷，盆外河流直接将盆外物质沿着盆地水体的中下部/底部搬运并直接沉积。经典浊流的流体移动较快，主要是流体的头部携带大量碎屑物进行再沉积或对下伏沉积物进行侵蚀；而持续的异重流沉积流体的移动较慢、流体的前端侵蚀能力较小，沉积的主体或对下伏沉积物的侵蚀主要位于流体中部的主体位置。

表1 异重流与浊流特征综合对比表(据文献[23]，有修改)Table 1 Similarities and differences between typical turbidites and hyperpycnal flow(modified from reference[23])

异重流最典型的特征是具有逆—正粒序组合、流水沉积构造和弯曲水道化等，从测井曲线和岩心等方面可以明显看出逆—正粒序组合的“二元结构(Ha—Hb)” (图2，转引自Mulder等[14]，2003；杨仁超 等[21]，2015)，该“二元结构”是由于持续的异重流因水流强度的增强和减弱形成的，即异重流是由洪水持续发育，整个沉积过程经历了洪水增大及衰弱的两个过程，通常形成底部向上变粗(洪水增强期)和上部逐渐变细(洪水衰弱期)的旋回

图2 异重流在岩心和测井曲线上的典型特征Fig.2 Typical characteristics of hyperpycnal flow on cores and logging curves

组合；异重流的沉积构造主要包括正粒序/反粒序层理、泄水与碟状构造、攀升波纹层理、平行层理和交错层理等；野外露头和地震剖面上可以见到多期水道叠置或侵蚀，水道具有曲流河特征，水道内部可见侧向加积。

3 渤中凹陷东二下亚段异重流模式的提出

对于渤中凹陷东南缘东二下亚段扇体的成因，近十多年来，存在三角洲和湖底扇[9]两种观点。随着渤海海域构造圈闭的勘探程度越来越高，构造—岩性及岩性圈闭是未来重要的勘探领域之一。对于东二下亚段岩性圈闭的勘探来说，扇体横向变化快且埋深较大，扇体边界及内部砂体的发育部分难以确定；通过成因的研究，可以为扇体边界的精细刻画、砂体的发育部位及富砂规律预测提供重要的成因机制支持。

埕北低凸起东缘东三段异重流沉积，被钻井证实且有油气发现[41]。本文从古气候、古物源、古地貌、流水沉积构造及水道化特征等5方面类比埕北低凸起东缘东三段异重流(图1)，结合本区周边钻井特征、扇体的地震内幕结构等，开展渤中凹陷东南缘东二下亚段扇体的成因与沉积模式研究。

1) 古气候。

前人通过孢子、花粉等资料研究认为[42-43]，东营凹陷和辽东湾坳陷东三段和东二段沉积时期均为亚热带偏湿润气候，东二段沉积期较东三段更为干热，且东二下亚段沉积晚期气候发生了快速转变，存在极端气候的可能性；因渤中凹陷的位置与东营凹陷及辽东湾坳陷相邻，推测渤中凹陷及其周缘亦具有相似的气候条件，即东二段整体偏湿热气候、晚期气候快速变化的，该气候背景有利于母岩区加速机械风化剥蚀，从而利于源区提供丰富的陆源碎屑物质。

2) 古物源。

渤中凹陷周缘和埕北低凸起周缘均为近源供给，其中渤南低凸起东二下亚段沉积期剥蚀区面积437 km2，对应扇体面积873 km2；埕北低凸起东三段沉积期相应的剥蚀区面积156 km2，扇体面积大于250 km2，二者剥蚀区与沉积扇体面积的比值均为1∶2左右；因此，从母岩剥蚀区的规模和沉积扇体的规模匹配度上来看，二者具有相似性。

3) 古地貌。

渤南低凸起东二下亚段扇体与埕北低凸起东三段异重流扇体均发育在低凸起向凹陷过渡的斜坡区(图3)。从斜坡结构及坡度来看，渤南低凸起与埕北低凸起斜坡区均表现为三级阶梯式结构，整体坡度均较缓，从靠近源区的第一阶梯到靠近深洼的第三阶梯坡度变化均呈现先增大后减少的趋势，二者具有相似的斜坡结构；渤南低凸起的第一阶梯坡度在1.04°～1.76°，第二阶梯坡度在1.22°～1.81°,第三阶梯坡度在0.32°～0.47°；埕北低凸起的第一阶梯坡度在0.52°～1.47°，第二阶梯坡度在1.76°～2.81°,第三阶梯坡度在0.36°～0.82°。此外，在凸起边缘与斜坡过渡区，均发育多条古沟槽，古沟槽表现为两个高地之间的狭长洼地；这些古沟槽可以为碎屑物质提供优势搬运通道。

图3 渤南低凸起与埕北低凸起斜坡结构Fig.3 Slope structure comparison between Bonan low uplift and Chengbei low uplift

4) 牵引流沉积构造。

钻遇渤南低凸起扇体边缘的1井(图2d，井位见图1)揭示，东二下亚段沉积时期为半深湖—深湖沉积环境；岩性为厚层泥岩夹薄层泥质砂岩，泥岩为厚层灰色泥岩与薄层灰褐色泥岩不等厚互层，泥岩岩性不纯，局部泥岩见页理；在该井3 500.42 m的岩心(图2a、图4a)中也观察到沙纹层理构造，说明该沉积构造是在深湖安静水体的条件下，受到外部流体的影响而形成的；而这种沉积构造与异重流扇体边部沉积构造特征相吻合。测井曲线呈现出漏斗型—钟型—漏斗型组合，具有典型的逆—正粒序组合的“二元结构(Ha—Hb)，同样也说明该部位受到异重流沉积的影响。在埕北低凸起异重流沉积的扇体内也发育类似的流水构造，如CBG4井2 990.8 m处的波状沙纹层理(图4b)，CBX820井3 921.3 m处的具有逆—正粒序组合的含砾砂岩(图4c)[41]。

图4 渤中凹陷东二下亚段与埕北低凸起东三段钻井岩心特征Fig.4 Cores characteristics of third Ed2 Formation of Well A in Bozhong Sag and the Ed3 Formation in Chengbei low uplift

5) 水道化特征。

本区扇体无钻井揭示，扇体内部的水道化特征只能通过地震反射结构进行推测。以本区A扇为例，从垂直物源方向的地震剖面上可以看出，扇体具有完整的复合水道外形特征，底部发育强烈侵蚀下切(图5)，由此可见扇体沉积时对下伏地层产生了强烈的侵蚀作用，表明沉积物具有较高的浓度。复合水道由靠近物源的“V”型，逐渐向远源区过渡为“W”型；内部发育多期水道叠置，靠近主水道的位置，侵蚀下切的强度更大，边缘部位下切强度较弱。多期水道以垂向叠置为主，呈侧向迁移分布或孤立分布，水道内可见明显侧向加积特征。平面上，水道复合体主体位于扇体的中间部位，靠近源区(东南侧)的水道复合体因受沉积地形的限制，表现为限制型水道的特点，具“顺直河”的平面形态；远离源区(西北侧)水道复合体受沉积地形的影响相对较小，则具有一定的“曲流河”平面形态(图6)。

图5 渤中凹陷东二下亚段异重流内幕结构Fig.5 Internal structure of hyperpycnal flow in lower Ed2 Formation of Bozhong Sag

图6 扇体A水道复合体分布立体图Fig.6 Stereograph distribution of river complex in fan A

综上所述，从古气候、古物源、古地貌、流水沉积构造及水道化特征等5方面类比埕北低凸起东斜坡带东三段异重流扇体，揭示了渤中凹陷东南缘东二下扇体与埕北低凸起东缘东三段异重流具有相似的沉积成因(图7)，即由渤南低凸起供源、河流经由连接物源区的5条古沟槽，直接将携带的大量碎屑物在斜坡上堆积，最终形成具异重流沉积成因的扇体；其中，第一台阶A、B、C三个扇体地震剖面上见多期水道相互叠置，推测以复合水道沉积为主；第二台阶D、E两个扇体的地震剖面上，水道规模变小且相互不叠置，推测以分支水道为主；最终构建了东二下亚段异重流扇体由近端复合水道和远端分支水道组成的沉积模式，该模式与湖底扇一般的沉积模式不同，常见的湖底扇沉积模式一般按照位置来划分(如内扇、中扇和外扇)，且不考虑内部沉积构成。本区异重流成因新认识的揭示，能更好地解释物源区规模较小的条件下，形成较大规模扇体的沉积成因，即在湿润气候条件下，物源区更容易发育洪水，洪水携带大量碎屑岩直接入湖/海，在湖/海底形成大规模扇体。

图7 渤中凹陷东二下亚段异重流沉积模式Fig.7 Sedimentary model of hyperpycnal flow of lower Ed2 Formation in Bozhong Sag

第一台阶扇体是异重流主体发育区和有利储层主要发育的位置。首先，从地层埋深来看，第一台阶的扇体埋深更浅，埋深3 600～4 400 m，第二台阶扇体埋深4 120～5 200 m；其次，从异重流携带沉积物的位置来看(表1)，第一台阶复合水道内的砂体富集程度和粒度应该比第二台阶分支水道的更富集和更粗粒。同时，由花岗岩和近火山口相安山岩提供物源的扇体(A扇、C扇、D扇和E扇)比远火山口相的凝灰质火山碎屑岩提供物源的扇体(B扇)更富砂。通过以上论述的扇体埋深、异重流携带的主体沉积物位置和物源区的母岩岩性，综合认为第一台阶的A扇和C扇更有可能发育有利砂体/储层。

4 结论与建议

1) 异重流是重力流的一种重要成因机制之一，是河水携带大量碎屑物直接沉积于海相和陆相环境中，属于“一次搬运”。与经典浊流的鲍马序列不同，异重流具有逆—正粒序组合、牵引流沉积构造和水道化等特点。

2) 从古气候、古物源、古地貌、流水沉积构造及水道化特征5个方面类比埕北低凸起东斜坡带东三段异重流，两者具有相似的古气候背景、源区/扇体面积比值和三级阶梯式斜坡结构，东二下亚段岩心揭示发育逆—反粒序组合和沙纹层理构造、扇体内部具有多期水道叠置地震反射特征；综合认为渤中东南缘东二下亚段扇体属于异重流成因，并提出了由近端复合水道和远端分支水道组成的沉积新模式。

3) 今后的异重流研究中，对于流体特征和沉积特征等存在争议的方面，建议加强水槽物理模拟实验和不同地质条件下的特征对比和总结；建议加强流态转化方面的研究，如不同条件下浊流和异重流流态相互转化、浊流发育的某段时间内异重流的形成条件等。实际工作中，在无(扇)三角洲供源的深水沉积情况下，若出现古沟谷/沟槽直接联通“小物源、大扇体”，则需考虑是否发育异重流的可能性。