楊保良， 邱隆偉， 楊勇強， 王曄磊， 南佳盟， 徐寧寧， 徐 爽， 張華鋒

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 山東青島 266580； 2.中國石油大學(xué)(華東)深層油氣重點實驗室，山東青島 266580； 3.中國石化石油物探技術(shù)研究院, 江蘇南京 211103； 4.中國石化勝利油田分公司東辛采油廠，山東東營 257061; 5.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257000)

1 地質(zhì)概況

東營凹陷呈東北—西南走向，位于渤海灣盆地濟陽坳陷東南部，具有北斷南超、盆地基底北陡南緩的典型箕狀凹陷特征[7-8]。利津地區(qū)位于東營凹陷北部陡坡帶中段、濱南—利津斷裂帶的東端，北鄰陳家莊凸起，西鄰濱縣凸起，勘探面積近300 km2(圖1)；控盆斷層為一條沿陳家莊凸起南側(cè)古斷剝蝕面發(fā)育的陳南斷裂帶，斷距一般為200～400 m[9-10]。利津洼陷在構(gòu)造應(yīng)力和基底斷裂系統(tǒng)的控制下，經(jīng)歷了張扭斷陷和壓扭坳陷演化階段，古近系沉積時期可劃分為初始沉降期、加速沉降期、湖盆萎縮期[11]。地層自東向西、從南向北逐漸抬升，超覆在陳家莊凸起太古界基底上；古近系自下而上依次發(fā)育孔店組、沙河街組和東營組地層，沙河街組分為沙四段、沙三段、沙二段、沙一段；沙四段分為沙四上亞段和沙四下亞段兩個亞段，沙四上亞段進一步分為純上和純下兩個次亞段。目的層段沙四上亞段純下次亞段時期，利津洼陷處于初始沉降期，受區(qū)域性拉張作用的影響，利津洼陷整體呈北陡南緩、北深南淺的趨勢，主要以濱淺湖淺水為沉積背景，深湖區(qū)局限在利津沉積區(qū)及其東側(cè)[12]；該時期氣候由半干旱向半濕潤轉(zhuǎn)變[13]，沉積物源主要由陳家莊凸起方向的洪水及山區(qū)河流攜帶大量粗碎屑沉積進入湖盆, 在利津斷裂帶下降盤形成砂礫巖扇體群，成因類型主要為近岸水下扇[10,14-16]。

圖1 東營凹陷利津地區(qū)位置(據(jù)文獻[15]，有修改) 及井位圖Fig.1 Regional location(After citation[15], modified)and wells location of Lijin area in Dongying depression

2 地球物理特征

依據(jù)地震軸的疊置組合樣式及傾斜角度等特征，識別出高角度退積反射相、低角度退積反射相、前積反射相等3種地震相類型。圖2為利津地區(qū)順物源方向地震剖面及地震正演模擬(SP為自然電位，AC為聲波時差),剖面位置見圖1。如圖2(a)，在過L95-L94井順物源方向剖面中，底部旋回Ⅰ為低角度退積反射相-前積反射相組合(L94井2 928～3 150 m)，上部旋回Ⅱ為低角度退積反射相(L95井，2 709～2 875 m)；低角度退積反射相對應(yīng)SP曲線為鐘形組合。如圖2(b)，過L563-L565井順物源方向剖面中發(fā)育高角度退積反射相-前積反射相組合(L565井，2 810～3 050 m；L563井，2 500～2 930 m)，高角度退積反射相，地震軸傾角較大，垂向上呈退積式疊置，近源端L563井下部(2 755～2 930 m)SP曲線形態(tài)為箱型，發(fā)育厚層礫巖；遠源端L565井上部(2 810～2 900 m)SP曲線形態(tài)為鐘形，底部為礫巖夾薄層砂巖，上部為含礫砂巖、砂巖，夾薄層泥巖。前積反射相振幅強，連續(xù)性好，頂積層產(chǎn)狀平緩，沉積于前期退積地震相之上；對應(yīng)L563井上部(2 500～2 755 m)SP曲線形態(tài)為漏斗形，錄井上巖性為砂礫巖。據(jù)此本文中設(shè)計了研究區(qū)砂礫巖地震模型(圖2(c))，其中沙四上純下亞段泥巖、砂礫巖平均速度分別是5 880和2 602 m/s，砂礫巖體速度隨深度增加而增大。對沉積模型進行地震正演模擬(圖2(d))，可以看出兩條相鄰地震軸之間至少對應(yīng)一期的砂礫巖扇體，與研究區(qū)地震資料相符。依據(jù)地層疊置樣式將利津地區(qū)沙四上純下亞段分為3個旋回，旋回界面之上地震軸上超，界面之下地震軸下超；在圖2(a)中，剖面上部旋回Ⅱ、旋回Ⅲ均為退積式組合的扇體反射特征，每個旋回頂部地震軸振幅強于下部地震軸反射。

圖2 利津地區(qū)順物源方向地震剖面及地震正演模擬Fig.2 Seismic profile and seismic forward modeling along source direction in Lijin area

3 沉積特征

3.1 巖相類型及特征

依據(jù)巖性、粒度、沉積結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等特征，開展了研究區(qū)巖相類型的識別，共劃分出11種主要巖相類型(圖3、4；表 1)，包括碎屑流、濁流、滑塌以及洪水成因的重力流等4大成因類型。

3.1.1 碎屑流

包括顆粒/基質(zhì)支撐礫巖相、塊狀含礫砂巖相、塊狀砂巖相。顆粒/基質(zhì)支撐礫巖相，塊狀構(gòu)造，礫石為中礫—細礫，呈棱角狀—次棱角狀，分選差，無明顯定向性，砂質(zhì)基質(zhì)含量高(圖3(a)～(c))。塊狀含礫砂巖相、塊狀砂巖相(圖3(d))，巖性為細砂巖—含礫砂巖，塊狀構(gòu)造，分選好，為砂質(zhì)碎屑流沉積[17]。

3.1.2 濁 流

Lowe[18]依據(jù)沉積物顆粒、流體密度、沉積物支撐機制將濁流分為礫質(zhì)高密度濁流、砂質(zhì)高密度濁流和低密度濁流。粒序?qū)永淼[巖—砂巖、含礫砂巖相—砂巖相、砂巖相均為高密度濁流。粒序?qū)永淼[巖相—砂巖發(fā)育正粒序?qū)永砗头戳Ｐ驅(qū)永恚环戳Ｐ驅(qū)永淼[巖相(圖3(e))由底部細礫巖向上過渡為含中礫細礫巖，礫石呈疊瓦狀排列，為牽引毯沉積。粒序?qū)永砩皫r相發(fā)育正粒序?qū)永砗头戳Ｐ驅(qū)永?。反粒序?qū)永砩皫r相(圖3(f))，底部為細砂巖向上過渡為粗砂巖、含礫砂巖，發(fā)育牽引毯構(gòu)造和內(nèi)部侵蝕，為高密度濁流；正粒序?qū)永砩皫r(圖3(g)、(h))由底部含礫砂巖或粗砂巖向上過渡為細砂巖、粉砂巖，為砂質(zhì)高密度濁流重力作用下懸浮沉降。

3.1.3 滑 塌

包括變形層理砂巖相。扇體遠源端與泥巖互層或者夾于厚層泥巖中砂巖可見變形構(gòu)造發(fā)生揉皺變形(圖3(i)～(k))，層內(nèi)小斷裂(圖3(h))，側(cè)向侵入泥巖(圖3(l))等。

3.1.4 洪水成因重力流

(1)牽引負載搬運。疊瓦狀礫巖相，礫石為中礫—細礫，呈次棱角—次圓狀，塊狀構(gòu)造，疊瓦狀排列，礫質(zhì)支撐、砂質(zhì)支撐均發(fā)育，并侵蝕下伏砂巖(圖4(a)、(b))，洪水能量增強時以推移負載的方式進行搬運，為牽引負載牛頓流體成因。含礫砂巖相中礫石在砂質(zhì)基質(zhì)中呈“漂浮”狀，順層疊瓦狀排列，磨圓較高(圖4(e)、(f))，表明碎屑可以在提供剪切力的持續(xù)流動的基礎(chǔ)上自由旋轉(zhuǎn)地流體流動，隨著洪水能量減弱，運載力和剪切力減小，過路紊流搬運來的礫石逐個排列沉積[19]；礫石分布于逆正粒序組合含礫砂巖—砂巖巖相的中部，頂部砂巖夾泥質(zhì)紋層(圖4(f))，反映洪水能量的先增強后減弱的過程。

(2)懸浮載荷搬運。正粒序?qū)永淼[巖—砂巖相(圖4(c)、(d))由底部細礫巖向上過渡為含礫砂巖、砂巖，礫石呈次圓狀，疊瓦狀排列，按照重力分異作用而依次沉積形成正粒序，反映洪水能量減弱過程，為洪水成因懸浮載荷搬運，與高密度濁流沉積機制類似[18]。砂巖分選較好，發(fā)育較多流動成因沉積構(gòu)造。平行層理(圖4(g))在細砂巖、中砂巖中常見，分選好，夾泥質(zhì)紋層；低角度交錯層理(圖4(h))發(fā)育于細砂巖底部，夾泥質(zhì)紋層，紋層傾角不超過20°，向底部漸進收斂，呈上凸?fàn)睿y層組界面侵蝕早期紋層界面，為高懸浮載荷準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流沉降形成底部呈漸近收斂的交錯層理[20]；爬升沙紋層理(圖4(i)、(j))，發(fā)育在細砂巖中，沉積于持續(xù)沉積物供給，且沉積速率大于搬運速率條件下[21]。

圖3 利津地區(qū)沙四上純下亞段碎屑流主控重力流典型沉積特征Fig.3 Typical characteristics of debrite dominated gravity flow of in Lijin area

表1 利津地區(qū)沙四上純下亞段巖相類型描述及解釋

圖4 利津地區(qū)沙四上純下亞段洪水成因重力流典型沉積特征Fig.4 Typical characteristics of flood-induced gravity flow of in Lijin area

3.1.5 巖相組合特征

在巖相類型識別基礎(chǔ)上，劃分出10種主要巖相組合類型(圖5)。巖相組合 LA1-LA3主要由礫巖相組成，巖相組合LA4、LA5為砂巖相、礫巖相共同組成，巖相組合LA6-LA9主要由砂巖相組成，巖相組合LA10主要由泥巖相組成。

巖相組合LA1包括塊狀基質(zhì)/顆粒支撐礫巖相，夾薄層砂巖相，礫石分選差，棱角狀—次棱角狀，定向性差，為砂礫質(zhì)碎屑流。

巖相組合LA2包括疊瓦狀礫巖相，粒序特征不明顯，基質(zhì)/顆粒支撐，礫石磨圓好，呈疊瓦狀排列，夾薄層砂巖相，為洪水能量增強的階段底載搬運。

巖相組合LA3由下塊狀礫巖向上過渡為粒序?qū)永淼[巖—砂巖，內(nèi)部發(fā)育沖刷、侵蝕，反映洪水能量逐漸減弱的洪水成因重力流底載搬運組分與懸浮搬運組分組合，或者為礫質(zhì)碎屑流與砂礫質(zhì)高密度濁流組合。

巖相組合LA4為粒序?qū)永淼[巖—砂巖，包括反粒序?qū)永淼[巖相、正粒序砂巖相，底部為礫質(zhì)高密度濁流牽引毯層，上部為懸浮沉積。

巖相組合LA5為粒序?qū)永淼[巖—砂巖，包括正粒序?qū)永淼[巖—砂巖相、正粒序含礫砂巖—砂巖相，為礫質(zhì)高密度濁流懸浮沉積。

巖相組合LA6逆正粒序砂巖—含礫砂巖，內(nèi)部不發(fā)育沖刷侵蝕，逆粒序與正粒序轉(zhuǎn)換處沉積疊瓦狀排列礫石，為洪水成因底載和懸浮共同作用沉積。

巖相組合LA7包括正粒序?qū)永砩皫r、逆正粒序組合層理砂巖、平行層理砂巖，為洪水成因懸浮載荷搬運組分。

巖相組合LA8包括爬升層理砂巖、低角度交錯層理砂巖，為洪水成因重力流懸浮載荷搬運組分。

巖相組合LA9為正粒序?qū)永砩皫r夾薄層泥巖組合，為砂質(zhì)高密度濁流成因或為洪水能量減弱階段懸浮搬運組分。

巖相組合LA10為泥巖夾薄層砂巖，發(fā)育正粒序砂巖、變形構(gòu)造砂巖，為沉積末期的低密度濁流沉積，伴隨發(fā)生沉積物失穩(wěn)。

圖5 利津地區(qū)沙四上純下亞段巖相組合類型Fig.5 Lithofacies associations of in Lijin area

3.2 沉積成因類型及沉積單元劃分

3.2.1 高角度退積扇

高角度退積扇主要發(fā)育重力流沉積，可劃分為主水道、分支水道、扇體側(cè)緣等沉積單元。主水道為厚層巖相組合LA1，包括厚層塊狀顆粒/基質(zhì)支撐礫巖組合(圖6(a)、(b))，厚度大。分支水道為巖相組合LA4和LA9，由底部LA4向上過渡為LA9，即由底部礫質(zhì)高密度濁流向上過渡為砂質(zhì)高密度濁流。扇體側(cè)緣(圖6(c))發(fā)育巖相組合LA10，為泥巖夾薄層砂巖組合，變形構(gòu)造砂巖、砂巖傾斜側(cè)向侵入黑色泥巖現(xiàn)象常見，表明扇體側(cè)緣發(fā)生滑塌沉積。

3.2.2 低角度退積扇

低角度退積扇發(fā)育大量牽引流作用沉積，可識別出主水道、分支水道等微相沉積單元。主水道(圖6(d))為巖相組合LA2，發(fā)育疊瓦狀礫巖，為洪水底載搬運。分支水道(圖6(d)、(e))為巖相組合LA5和LA6，包括正粒序?qū)永砗[砂巖—砂巖相組合、逆正粒序?qū)永砗[砂巖—砂巖組合，礫石呈次圓狀、疊瓦狀排列，砂巖分選好，懸浮組分砂巖中可見碳屑，為洪水底載搬運組分和懸浮搬運組分組合。

3.2.2 進積扇

進積扇中重力流和牽引流均發(fā)育，可識別出主水道、分支水道和席狀砂等沉積單元。主水道(圖6(f)、(g))發(fā)育巖相組合LA1、LA2，為礫質(zhì)碎屑流、洪水牽引負載組分組合。分支水道(圖6(f)、(g))發(fā)育巖相組合LA3、LA6，包括粒序?qū)永砗[砂巖—砂巖，為洪水牽引負載搬運、洪水懸浮載荷搬運組分組合。水道外圍席狀砂巖相組合LA7和LA8，發(fā)育逆正粒序?qū)永砩皫r及流動成因沉積構(gòu)造砂巖組合(圖6(h)、(i))，為洪水懸浮載荷搬運組分。

圖6 利津地區(qū)沙四上純下亞段沉積單元劃分及巖相組合特征Fig.6 Sedimentary unit division and lithofacies associations characteristics of in Lijin area

3.3 砂礫巖分布特征

如圖7(a)，在順物源方向上，砂礫巖水下扇垂上一個完整沉積序列具有二元結(jié)構(gòu)，即底部發(fā)育退積扇，上部發(fā)育進積扇。如圖7(b)，在垂直物源方向地震剖面上，旋回Ⅰ早期古地貌起伏大，為砂礫巖填平補齊階段，橫向主要分布于L565-L567井區(qū)，而在L94井區(qū)物源供給弱；底部晚期古地貌相對平緩，進積扇體橫向展布范圍擴大，在L94區(qū)物源供給逐漸充足。旋回Ⅱ主要在靠近東側(cè)凸起處沉積高角度退積扇，橫向展布范圍又縮小。

圖7 利津地區(qū)沙四上純下亞段沉積相連井剖面Fig.7 Well-logging section of sedimentary facies of in Lijin area

如圖8所示，在地震資料解釋基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆井資料獲取東營凹陷北帶利津地區(qū)沙四上純下亞段砂地比平面分布圖及平面沉積相圖。研究區(qū)沙四上純下亞段旋回Ⅰ早期發(fā)育退積扇，晚期發(fā)育進積扇，以L563-L565井區(qū)沉積厚度大。旋回Ⅱ時期發(fā)育退積扇；旋回Ⅱ晚期L95-L94井區(qū)沉積退積扇，以L563-L565井區(qū)沉積進積扇，由早期至晚期沉積中心向東移動。

圖8 利津地區(qū)沙四上純下亞段砂地比平面分布圖及平面沉積相圖Fig.8 Plane distribution of sand/strata ratio and sedimentary facies distribution of in Lijin area

4 砂礫巖搬運過程及發(fā)育規(guī)律

4.1 砂礫巖搬運過程

結(jié)合前人異重流研究成果[19,21-22]，綜合對砂礫巖巖相類型、流體特征、典型沉積序列及其分布規(guī)律的認識，明確了利津地區(qū)沙四上純下亞段砂礫巖搬運機制(圖9)。研究區(qū)砂礫巖垂向序列典型特征是底部發(fā)育厚層塊狀中礫巖，礫石呈角礫狀，混雜堆積，垂向上多期疊置，并沖刷下伏砂巖；指示了瞬時能量增強，表明其可能與地震活動相關(guān)；缺少反映洪水能量由弱逐漸增強的反粒序沉積序列，與前人描述的地震活動相關(guān)的突發(fā)性洪水觸發(fā)的異重流相符[21]。牽引負載搬運的疊瓦狀礫巖相，懸浮成因和底載成因共同作用形成的逆正粒序含礫砂巖—砂巖相，懸浮成因搬運的低角度交錯層理砂巖相、爬升層理砂巖相等流水成因沉砂巖相；這些特征與前人描述正常洪水異重流相符[22]。扇體末端發(fā)育低密度濁流與湖相沉積，伴隨少量滑塌沉積。

圖9 利津地區(qū)沙四上純下亞段砂礫巖搬運機制(據(jù)文獻[21],有修改)Fig.9 Transport mechanism of sandy conglomerate of in Lijin area(After citation[21],modified)

4.2 控制因素

4.2.1 構(gòu)造活動及其控制的古地貌

斷陷湖盆中構(gòu)造活動是控制砂礫巖地層發(fā)育的主要因素[1,3,23]；斷層活動控制古地貌演化，將直接影響沉積物堆積及分布規(guī)律[23-24]。利津洼陷沙四上純下亞段時期陳南斷層活動速率約為250 m/Ma[5]。利用高精度三維地震資料結(jié)合Geoframe軟件，通過對粗碎屑巖扇體內(nèi)部結(jié)構(gòu)解剖基礎(chǔ)上，在順物源方向地震剖面上，結(jié)合東營時深關(guān)系公式及三角函數(shù)公式D=tan-1(Δy/Δh)(Δy為兩個相鄰轉(zhuǎn)折點間y坐標(biāo)軸方向距離，Δh為兩個地形轉(zhuǎn)折點間高程差)，計算現(xiàn)今陡坡帶不同位置斜坡坡度變化。

如圖2(a)，過L94-L95井地震剖面旋回Ⅰ底部退積扇對應(yīng)邊界斷層傾角約為32.07°，上部進積扇對應(yīng)斷層傾角為15.87°；旋回Ⅱ和Ⅲ對應(yīng)邊界斷層傾角平均為18.73°，僅發(fā)育退積扇(圖3(a))。如圖2(b)邊界斷層傾角在26～29°，進積扇上覆于前期退積扇之上，表明幕式構(gòu)造活動期，陡峭古地貌，發(fā)育退積扇,隨著沉積物不斷堆積，地貌逐漸變緩，發(fā)育進積扇。對比研究區(qū)西側(cè)過L94-L95井地震剖面和東側(cè)過L565-L563井地震剖面計算的邊界斷層傾角，可以推斷出研究區(qū)東側(cè)陳南邊界斷層活動強度強于西側(cè)，導(dǎo)致了兩個剖面處砂礫巖垂向疊置樣式存在差異。

4.2.2 洪水注入強度

沙四上純下亞段時期半濕潤氣候保證了充足的入湖水體[13]。含砂率可以反映物源供給的強弱[25]；通過測井、錄井資料求得東段過L563-L565井剖面區(qū)平均砂地比約為93.34%，西段過L95-L94井剖面區(qū)平均砂地比約為64.18%，可知東段區(qū)域物源供給強度大于西段。旋回Ⅱ時期晚期，東段過L563-L565井剖面發(fā)育進積扇，西段過L95-L94井剖面僅發(fā)育退積扇；由于東段斷層活動強度更大，即可容空間增加速率更快，扇體進積疊置樣式表明東段可容空間增加速率小于沉積物供給速率，可以認為東段洪水?dāng)y帶沉積物注入速率大于西段。研究區(qū)砂礫巖地層發(fā)育除受斷層控制外，還受洪水注入強度影響。

4.3 沉積模式

如圖10所示，利津斷陷陡坡帶沙四上純下亞段砂礫巖發(fā)育受控于斷層幕式構(gòu)造活動和洪水注入強度。構(gòu)造旋回初期，構(gòu)造活躍，伴隨邊界斷裂幕式活動，基底快速沉降，湖平面快速上升，可容空間迅速增大，形成落差大的古地形；可容空間增加速率遠大于沉積物供給速率，發(fā)育高角度退積扇。構(gòu)造旋回中期—晚期構(gòu)造衰退至穩(wěn)定，隨著早期沉積物填充陡峭古地形，地形變平緩，洪水?dāng)y帶的沉積物注入速率大于容空間增加速率，發(fā)育進積扇。下一個構(gòu)造旋回開始，邊界斷層低強度活動，若季節(jié)性洪水?dāng)y帶的沉積物注入速率小于可容空間增加速率，主要發(fā)育低角度退積扇(同L95-L94地震剖面Ⅱ)；若邊界斷裂強烈活動，可容空間增加速率遠大于沉積物供給速率，則發(fā)育高角度退積扇(同L563-L565地震剖面旋回Ⅱ)。

圖10 利津地區(qū)沙四上純下亞段砂礫巖沉積模式Fig.10 Sedimentary model of in Lijin area

5 結(jié) 論

(1)利津地區(qū)砂礫巖存在高角度退積反射相、前積反射相、低角度退積反射相等地震相類型。高角度退積反射相對應(yīng)SP曲線近源端呈箱型，遠源端為鐘形組合；前積反射相對應(yīng)SP曲線為漏斗形組合；低角度退積反射相對應(yīng)SP曲線為鐘形組合。

(2)利津地區(qū)砂礫巖主要發(fā)育地震活動相關(guān)的突發(fā)性洪水觸發(fā)的異重流，特征是底部發(fā)育厚層塊狀礫巖組合，指示了瞬時能量增強；缺少反映洪水能量由弱逐漸增強的反粒序沉積序列。其上發(fā)育正常洪水重力流沉積，其特征是發(fā)育牽引負載疊瓦狀礫巖相，礫石磨圓較好，疊瓦狀排列；逆正粒序組合砂巖相發(fā)育，分選較好；發(fā)育平行層理砂巖相、波狀層理砂巖相、交錯層理砂巖相等流動成因巖相類型。

(3)研究區(qū)砂礫巖發(fā)育受控于斷層幕式構(gòu)造活動和洪水注入強度；早期伴隨邊界斷裂幕式活動，基底沉降速率快，砂礫巖垂向上呈退積式疊置；邊界斷層傾角約為26°～32°。晚期構(gòu)造活動減弱至穩(wěn)定，隨著早期扇體沉積，地形逐漸變緩，陡坡面斜坡角度小于18°，洪水注入強度影響砂礫巖垂上疊置樣式。