鄂尔多斯盆地延安组河流沉积类型及演变——来自典型露头精细解剖的证据

王科，赵俊峰，薛锐，闫占冬，李旋，李一凡

1.西北大学大陆动力学国家重点实验室/地质学系，西安 710069

2.中国石油长庆油田分公司第十二采油厂，甘肃合水 745400

3.中国石油长庆油田分公司第七采油厂，西安 710200

0 引言

河流沉积是沉积学研究的重要领域。近年来研究关注河流类型划分、河床演变与河型转换、砂体构型与分布预测、分支河流体系、沉积相模式的建立以及相关的模拟和建模方法等[1-2]。河流相砂岩是陆相含油气盆地重要的油气储集单元，以河流相储层作为主力储层的油田多数进入开发的后期阶段，单砂体和构型单元内部精细刻画显得更加重要。前人针对现代河流沉积[3]、野外露头[4-8]、密井网[9-11]、物理和数值模拟[12-13]以及河流相储层构型与剩余油的分布关系等开展了多方面的研究[14-17]。露头剖面能够提供较连续、完整的沉积实体二维或三维信息，是地下储层建模和预测的重要依据，发挥着其他手段不可代替的作用，因而成为储层沉积学关注的重点内容[18-19]。然而，目前针对典型辫状河、曲流河的内部构型特征及河流类型的转换等研究仍然较为薄弱，制约了河流相储层预测相关工作。

鄂尔多斯盆地侏罗系延安组下部河流沉积发育，在延安市区一带出露典型沉积剖面，是剖析河流沉积构型的难得窗口。本文选取该地区4 处典型剖面，运用沉积学和构型要素分析相关理论，通过露头实测、沉积构型分析、古河道参数计算等，剖析总结了延安组沉积早期辫状河、曲流河的沉积构型特征及其演变，为河流沉积提供了典型素材，也可为不同类型河流相储层表征与预测提供借鉴。

1 研究区概况

延安地区位于鄂尔多斯盆地东南部（图1a），出露地层自下而上依次为上三叠统延长组、下侏罗统富县组、中侏罗统延安组、直罗组和安定组以及下白垩统洛河组[20-21]。受三叠纪末印支运动影响，盆地整体抬升，延长组顶部地层遭受不同程度剥蚀，形成了起伏不平的古地貌，之后盆地沉降，接受早—中侏罗世富县组和延安组的沉积，造成三叠系延长组在盆地不同部位分别与侏罗系富县组或者延安组呈区域不整合接触[22]，不整合面之上侏罗系的沉积特征受延长组地层的剥蚀程度和早侏罗纪古地貌特征控制[23]。延安地区延安组为一套以河流—湖泊相为主的含煤、含油层系，厚度120～360 m，可划分为四个岩性段、10 个油层组[24-25]。延10 期主要为辫状河沉积体系；伴随盆地沉降和基准面升高，延9 沉积期逐渐由河流沉积演变为三角洲沉积体系，延安—富县—吴起一带，延8 以上湖泊相发育，为沉积中心所在部位[21,26-27]。本次研究的露头剖面分别位于延安市区宝塔山下（剖面I、II，延10油层组）、杨家岭大桥南公路边（剖面III，延10油层组）以及市区西北李家洼公路边（剖面IV，延9油层组）（图1c）。

图1 研究区位置图（a）鄂尔多斯盆地地质简图（据文献[20]修改）；（b）周邻对比井位分布图；（c）露头剖面位置图Fig.1 Location map of the study area(a)geological sketch map of the Ordos Basin(modified from reference[20]);(b)distribution of borehole locations in neighboring area;(c)distribution of the anatomized sections

2 沉积特征

2.1 岩相类型

岩相主要通过岩石类型及沉积构造等加以表征，反映物源特征、沉积时的水动力条件及能量大小。通过分析露头剖面岩性、粒度、沉积构造等特征，共识别出9 种岩相类型（表1）：块状砂质砾岩相（Gm）、槽状交错层理砂岩相（St）、板状交错层理砂岩相（Sp）、平行层理砂岩相（Sh）、块状砂岩相（Sm）、水平层理粉砂岩相（Fl）、沙纹层理粉砂岩相（Fr）、块状泥岩相（Mm）以及碳质页岩相（Mc）。

表1 研究区延安组露头主要岩相类型Table 1 Typical lithofacies types of the Yan'an Formation from outcrops in the study area

2.2 构型单元

通过对露头剖面岩相组合、砂体形态特征及相标志分析，共识别出7种构型单元（表2）。

表2 研究区延安组构型单元划分Table 2 Typical architectural elements of the Yan'an Formation in the study area

（1）河道（CH）：主要构型单元之一，在4 处剖面均有发育，横剖面形态为下凸的透镜体，典型的岩相组合为Gm—St—Sp，底部为冲刷面，分布有砾石或泥质沉积物，代表河道底部滞留沉积。垂向上为自下而上变细的正旋回，代表一个完整的河道发育周期。

（2）顺流加积体（DA）：辫状河心滩沉积的主体部分。河流携带的沉积物在地形开阔或坡度变大的区域，开始卸载并逐渐向下游发生加积生长。形态一般为底部平坦、顶部上凸的透镜体或板状体，主要发育于河道中心部位。典型的岩相组合为St—Sp，砂体内部以大型下切型板状、槽状交错层理为主。加积体之间的泥质夹层不发育，砂体纵向上相互叠置，横向上为多边交互。单期砂体厚度介于0.8～2.5 m。

（3）侧向加积体（LA）：曲流河边滩沉积的主体部分。在河道弯曲部位，主流线偏转，发生凹岸侵蚀和凸岸加积。岩相组合为St—Sp，典型形态为顶平底凸的透镜体或侧列式透镜体，砂体内部发育槽状、板状交错层理及平行层理，但层理规模及发育程度较顺流加积体减小，砂体侧向叠置于河道冲刷面之上，砂体间伴有泥质或细粒沉积。实测厚度介于1～4 m，宽度介于5～30 m。

（4）废弃河道（ACH）：呈顶平底凸透镜状，岩相组合主要为Fl—Fr—Mm。厚度3.5 m，宽28 m 左右。可能由于洪水期河道被充填或高流速下的决口河道废弃后被泥质细粒物充填形成。

（5）沙质坝（SB）：露头上主要叠置于顺流或侧向加积体之上，岩相类型主要为平行层理砂岩相，呈板状，横向延伸较稳定。

（6）决口扇（CS）：呈透镜状，岩性主要为中—细砂岩，发育小型板状交错层理。

（7）河泛平原（FF）：为洪水泛滥时期水流漫溢堤岸流速降低形成的细粒悬浮沉积物，剖面上整体呈板状分布于两期河道之间，岩相主要为块状泥岩相及沙纹层理粉细砂岩相，局部可见碳质页岩相沉积。

2.3 界面等级划分

为进一步剖析内部沉积层次及构型，对各剖面进行界面等级识别及划分，由小到大共识可别出5级界面。

（1）一级界面：交错层系界面，为一系列相同纹层组成的界面，剖面上主要表现为槽状、板状及平行层理内的界面，指示相同水动力作用下的沉积产物。

（2）二级界面：层系间界面，为砂体中不同岩相的分界面，在剖面中为槽状、板状及平行层理间的界面，指示界面上下的水动力条件发生了改变。

（3）三级界面：大底形内的横切侵蚀面，为单一侧积体之间的界面，其上通常覆盖薄的泥质夹层，但砂体内部的沉积方式未发生变化，指示水位的变化，辫状河沉积中表现为各期顺流加积体间的界面，曲流河中表现为各期侧向加积体间的界面。

（4）四级界面：大底形的上界面，剖面上表现为多期顺流或侧向加积体形成的复合体的顶底界面。

（5）五级界面：位于河道底部，代表一期河流的侵蚀作用，界面起伏不平，上下岩性发生突变，界面之上为河道底部滞留沉积，界面之下为泛滥平原细粒沉积。

3 典型露头精细解剖

3.1 宝塔山下剖面

为便于制图，将宝塔山下连续露头分为剖面I、II（图2），对应层位为延10下部（未见底），剖面整体走向近SW—NE 向。剖面I 可识别出2 期河道充填（图2b），其在横向上相互切割，沿5级界面为河道底部冲刷面，起伏不平，界面之上有砾石分布（Gm），砂体呈下凸的透镜状砂体，为河道沉积（CH），岩性主要为黄绿色中粒长石石英砂岩，砂体底部局部可见粒径1～2 cm的铁质结核。河道砂体之上为厚层板状的顺流加积体（DA），其上部为沙质坝（SB），横向延伸稳定。剖面II 位于剖面I 南侧，总体上表现为顺流加积体（DA）在垂向上的多期叠加（图2d），砂体内部发育大型槽状、板状交错层理，向上逐渐变为平行层理，各砂体间泥质夹层不发育。顺流加积体内部交错层理的发育类型及规模反映了该时期河流物源供给充足、水动力强的特点，由交错层理确定的古水流优势方向为80°左右，反映了侏罗纪早—中期甘陕古河主河道的优势古流向[28]。河道、顺流加积体、沙质坝单元垂向多期叠加，砂体横向稳定分布，砂体间泥质沉积不发育，反映该剖面为典型辫状河沉积。

图2 宝塔山下（剖面I、II）延10 辫状河沉积构型解剖（a，c）剖面拼接照片；（b，d）内部构型解释；剖面位置见图1cFig.2 Architectural anatomy of braided river deposits from the Yan10 interval in the study area(a,c)outcrop photomosaic;(b,d)internal architecture interpretation;location of this section is shown in Fig.1c

3.2 杨家岭大桥南剖面

剖面III 位于杨家岭大桥以南，沿公路出露（图3），层位为延10 油层组上部，走向为SE—NW 向，岩性为黄绿色中—细砂岩夹深灰色泥岩。该剖面可识别出3～4期河道沉积（CH），砂体多呈透镜状，底部发育冲刷面，砂体内发育槽状和板状交错层理。砂体横向连续性变差，砂体间发育泥质夹层。剖面中上部可见在河道沉积之上发育的侧向加积体（LA）。剖面东侧为泥岩充填的废弃河道（ACH），形态呈下凸的透镜状，内部充填薄层状粉—细砂岩和泥岩，并向两侧减薄尖灭。其成因是由于河道弯曲度增加，发生截弯取直，而将原河道废弃，后被溢岸洪水长期充填所致。由侧向加积体增生方向推测的古水流方向为30°左右。结合河道内充填砂体类型、砂体的加积方式、泥质含量增加、河流弯曲度增加导致废弃河道的形成，表明该剖面河流类型已转变为曲流河。

图3 杨家岭大桥南（剖面III）延10 曲流河沉积构型解剖（a）剖面拼接照片；（b）内部结构解释；剖面位置见图1cFig.3 Architectural anatomy of meandering river deposits from the Yan 10 interval in the study area(a)outcrop photomosaic;(b)internal architecture interpretation;location of this section is shown in Fig.1c

3.3 李家洼剖面

剖面IV 位于延安市区西北部李家洼村公路旁（图4），层位对应于延9油层组底部，剖面走向NW—SE 向。剖面底部岩性为蓝灰色泥岩夹薄层黄绿色粉砂岩，发育沙纹交错层理，局部见碳质页岩，指示河泛平原（FF）沉积。河泛平原之上为多期呈斜列叠置的透镜状侧向加积体（LA）共同组成的复合体，岩性主要为黄绿色中砂岩。各侧向加积体的底界面为起伏不平的冲刷面，冲刷面上分布有植物茎干碎屑，代表了河道底部滞留沉积。砂体内部发育指示牵引流的槽状交错层理、平行层理，以及平行于侧向加积边界的侧向加积面。侧向加积体是由于河道弯曲度增加，河流凹岸侵蚀，凸岸加积而成。多期侧向加积指示河道发生频繁废弃和迁移。通过侧积体内部2级界面所反映的增生方向推测古水流优势方向为70°。复合河道砂体上部为中薄层状的砂岩夹泥岩组合，可识别出小规模的河道沉积（CH），岩性为黄绿色细砂岩，发育槽状交错层理、平行层理。该期河道与主河道相比岩性粒度、层理规模均减小，反映了河道在摆动迁移过程中逐渐废弃。此外，剖面中上部还发育多个横向上延伸较稳定的薄层砂体，岩性为粉砂岩，发育平行层理，解释为决口扇（CS）沉积，其四周为代表河泛平原（FF）沉积的深灰色泥岩。该剖面下部为典型的侧向加积体构成的复合河道沉积，上部为小型河道、决口扇、河泛平原沉积，垂向上表现为正旋回，指示了曲流河沉积特征。

图4 李家洼（剖面IV）延9 曲流河沉积构型解剖（a）剖面拼接照片；（b）内部结构解释；剖面位置见图1cFig.4 Architectural anatomy of meandering river deposits from the Yan 9 interval in the study area(a)outcrop photomosaic;(b)internal architecture interpretation;location of this section is shown in Fig.1c

4 河道规模重建

通过地层剖面无法直接获取古代河流河道沉积的规模。前人根据大量现代河流沉积的统计分析，建立了不同类型河流沉积砂体与河道规模之间的关系和经验公式[29-30]，据此可进行河道规模重建。

4.1 辫状河河道规模恢复

对于辫状河沉积，可以利用露头上测量的交错层组厚度预测辫状河河道带宽度。首先，根据砂层交错层层组厚度的平均值与平均沙丘高度间的统计关系，计算平均沙丘高度。其计算公式为[31]：

式中：hm为平均沙丘高度，m；Sm为砂层交错层组厚度平均值，m。

再根据辫状河平均满岸水流深度与平均沙丘高度之间的统计关系，计算辫状河平均满岸水流深度。其计算公式为：

式中：dm为辫状河平均满岸水流深度，m。

之后根据河道宽度与河道深度间的统计关系，计算河道宽度。计算公式如下：

式中：wc为平均河道宽度，m；dm为平均河道深度，m。

最后根据辫状河河道带宽度与其平均满岸水流深度之间的统计关系，计算辫状河河道带宽度。其计算公式为：

式中：Chw为辫状河河道带宽度，m；dm平均单河道满岸深度，m。

4.2 曲流河河道规模恢复

曲流河属单河道沉积，河道宽度相对比较固定，可根据前人建立的相对固定的宽厚比范围，计算曲流河沉积砂体的宽度[32]。其计算公式为：

式中：h为水深，m；l为河道沙坝的厚度，m。

式中：w为河道宽度，m。

曲流河河道带宽度Wm为多期河道迁移的总宽度，当曲率大于1.7 时，其与河流的满槽河流深度有以下的统计关系[33]：

式中：Wm为最大河道带宽度，m；D为平均河道深度，m。

用上述计算方式，对研究区露头剖面砂体进行定量刻画，计算出不同河流类型河道、河道带宽度（表3）。

表3 研究区露头砂体沉积规模定量恢复结果Table 3 Quantified geometric properties of sand bodies from outcrops in the study area

根据野外实际测得砂体内交错层理的厚度以及露头上识别出的河流类型，计算出延10 辫状河及延9曲流河河道宽度以及河道带宽度。延10辫状河河道宽度为19.34～373.22 m，延9 下部曲流河河道宽度16.81～99.21 m；延10辫状河河道带宽度为129.33～2 415.25 m，延9 下部曲流河河道带宽度为86.86～512.59 m。计算结果表明，辫状河河道及河道带宽度都大于曲流河，主要由于辫状河河道多且频繁摆动造成，但曲流河单期砂体厚度大，主要由于曲流河为单河道沉积，河道相对固定。

延安地区位于甘陕古河中、下游，前人依据地震、钻井资料确定的甘陕古河河道宽度为25～35 km[28,34],该宽度代表了富县组至延安组沉积早期，10多个百万年时间范围内甘陕古河反复迁移和叠加的结果。本次研究的3 处露头仅代表甘陕古河中侏罗世一个短暂沉积阶段的河道宽度，其与现今地表典型的辫状河如加拿大育空河（平均宽约2.8 km），布拉马普特拉河（宽度约为8～10 km）河道规模相比属于中等规模。宝塔山下剖面主要为中砂岩，砾石含量较少且结构和成分成熟度均较高。因此推测研究区延10时期辫状河为受古河谷控制的中等规模的砂质辫状河。

5 沉积演化

影响河流类型演化的因素主要包括：基准面旋回、物源供给、地形坡度及古气候等[35-36]。受印支运动影响，延安组早期继承了早侏罗世富县期的古构造—古地理格局，处于构造抬升之后的沉降时期，盆地经历了填平补齐、地势拓宽的过程[37]，延10 沉积期，地形坡度大，物源供给充足，沉积物粒度较粗，河流频繁摆动，有利于发育辫状河沉积。河道内部充填以顺流加积体为主的心滩沉积，河漫滩及决口扇不发育。随着填平补齐的发展和完成，至延9沉积早期，地形坡度变缓、物源供给减弱，沉积物粒度降低，河流的弯曲度逐渐加大，河流侧蚀作用加强，形成以侧向加积为主的边滩沉积，同时河道不断决口、泛滥，形成以决口扇、河泛平原等薄层砂岩和泥岩为主的上部旋回，具有曲流河沉积特征。延安组早期河流类型的演变在鄂尔多斯盆地内具有普遍性和区域可对比性。参考研究区西部高桥地区钻井资料可见（图5，井位见图1b），延安组延10油层组自然伽马曲线多呈叠加箱形组合特点，多期河道砂体垂向上相互叠置，横向上延伸稳定，形成了连通性好的厚层砂体，指示辫状河沉积；延9 油层组自然伽马曲线多呈钟形或齿化箱形响应特征，河道砂体横向可对比性较差，相对孤立，砂体间连通方式表现为侧向上的相互切割，泥质夹层发育，指示曲流河沉积。

图5 延安组下部河流沉积区域对比（井位见图1b）Fig.5 Regional correlation of the fluvial deposits developed in the lower Yan’an Formation(location of the boreholes is shown in Fig.1b)

6 结论

（1）研究区延安组河流沉积主要发育块状砂质砾岩相、槽状交错层理砂岩相、板状交错层理砂岩相等9 种岩相类型；可识别出5 级沉积界面；通过沉积相标志，岩相组合以及砂体形态等分析，识别出河道、顺流加积体、侧向加积体、沙质坝、决口扇、废弃河道及河泛平原等7种河流沉积构型单元。

（2）延10沉积期辫状河发育，主要由河道、顺流加积体和沙质坝等单元组成，多期砂体叠置，呈厚层板状分布，泥质隔夹层不发育；延9 时期演变为曲流河，主要发育河道、侧向加积体、废弃河道、泛滥平原及决口扇等构型单元，砂体连续性较差，泥质隔夹层较发育。延10 辫状河河道宽度为19.34～373.22 m，延9 曲流河河道宽度16.81～99.21 m。结合构造背景及露头沉积特征，认为研究区延10 辫状河为受古河谷控制的中等规模的砂质辫状河。

（3）延安组继承了富县期古构造—古地理格局，早期沉积地貌高差较大，物源供应充分，随着盆地填平补齐作用的进行，地形坡度逐渐减小，物源供给减弱，导致河流类型由延10 沉积期的辫状河演变为延9沉积早期的曲流河沉积。

致谢 感谢两位评审专家和编辑部老师提出的宝贵意见。