高精度层序格架下湖底扇沉积特征及演化:以鄂尔多斯盆地庆北长7段为例^*

Sedimentary characteristics and evolution of sublacustrine fan in high-resolution sequence stratigraphic framework: a case study of the Chang 7 Member in Qingbei area,Ordos Basin,China

摘要

湖底扇是近年来鄂尔多斯盆地油气勘探的热点目标之一,具有重要的油气勘探价值。湖底扇发育受到多种因素的影响,不同地质背景下的湖底扇沉积演化特征差异性明显。本次研究以鄂尔多斯盆地延长组7段湖底扇为研究对象,综合利用岩心、测井及地震等资料,在高精度层序格架内对庆北地区长7₁层序单元的湖底扇展开沉积演化分析。研究表明,依据四级层序长7₁内部岩性突变面,长7₁层序单元可划分出5个五级层序单元,重点五级层序单元7₁-5及7₁-4可进一步划分出10个六级层序单元。本次研究识别出重力流水道、水道天然堤复合体、天然堤、朵体和朵体边缘等不同的湖底扇沉积单元。研究表明,研究区湖底扇主要由辫状河三角洲前缘供源,在湖平面持续下降及温暖潮湿的气候背景下,陆源碎屑输入量高,辫状河三角洲前缘物源供给增强,湖盆可容纳空间下降,湖底扇向东北方向进积,朵体范围变大,具有横向连片、纵向叠置的沉积特征。

Abstract

In recent years,sublacustrine fans have emerged as a prime focus for oil and gas exploration in the Ordos Basin due to their immense potential. However,their development is influenced by multiple factors,leading to distinct sedimentary evolution patterns under varying geological settings. This study focuses on the sublacustrine fan in the Chang 7 Member of Yanchang Formation in the Ordos Basin. By integrating core,well logs,and seismic data,a detailed analysis of the sedimentary evolution of the Chang 7₁ sequence unit's sublacustrine fan in the Qingbei area was conducted within a high-resolution sequence framework. The results show that the Chang 7₁ sequence unit can be systematically divided into five distinct fifth-order sequence units,based on lithological discontinuity surfaces within the fourth-order sequence. Notably,the crucial fifth-order sequence units,7₁-5 and 7₁-4,can be further subdivided into 10 sixth-order sequences. The present study successfully distinguished various sedimentary units within the sublacustrine fan,including gravity flow channel,channel-levee complex,levee,lobe,and lobe edge. Given the sedimentary background,the sublacustrine fan in the study area is interpreted to be mainly sourced from the braided river delta front. The results indicate that during periods of lake-level fall under warm and humid climatic conditions,increased terrigenous clastic input enhanced sediment suppy from the braided river delta front,and the accommodation space of the lake basin decreased,facilitating northeastward progradation of the sublacustrine fan,with expanding depositional lobes showing distinct lateral migration patterns.

Graphical abstract

关键词

长7段 / 重力流 / 湖底扇 / 沉积特征 / 鄂尔多斯盆地

Key words

Chang 7 Member / gravity flow / sublacustrine fan / sedimentary characteristics / Ordos Basin

随着国内油气勘探逐渐向更复杂领域探索,中国陆相湖盆深水重力流沉积储集层也引起人们的重视(邹才能等,2022;谢晓军等,2024)。湖底扇借鉴了经典海底扇模式,认为其形成大多为三角洲前缘砂体在一定的触发机制下,以沉积物重力流的搬运方式进入湖泊深水区而形成的扇形碎屑沉积(王颖等,2009)。近年来,众多研究人员在湖底扇岩性特征、内部沉积单元构成、形成演化及沉积模式方面取得了丰富的研究成果(王颖等,2009;龚承林等,2023;官大勇等,2023;王启明等,2023;游富粮等,2023; 刘明成等,2024),指导了国内松辽盆地、渤海湾盆地、二连盆地、北部湾盆地、鄂尔多斯盆地等湖底扇的勘探开发(Zou et al., 2012;张庆石等,2014;Ma et al., 2017;Yang et al., 2018;宫立园等,2022;邹才能等,2022;刘显阳等,2023)。

鄂尔多斯盆地上三叠统延长组7段(简称长7段)沉积时期为强烈拗陷期,水体较深,前人研究表明鄂尔多斯盆地长7段发育大规模湖底扇砂体,但受地震数据精度、层序格架精度不够高等因素的制约,对该区湖底扇沉积特征及演化规律的认识尚浅,严重制约了下一步的勘探进程(刘显阳等,2023)。前人对鄂尔多斯盆地层序格架研究主要集中在三级和四级层序单元(陈洪德和倪新锋,2006;冯烁等,2022;游富粮等,2023),而对更高精度层序格架内湖底扇的演化特征研究不足。伴随着研究区勘探工作进一步推进,此前的层序格架精度已经不能满足当前油气开发要求。因此,本次研究在前人的三、四级层序格架基础之上,依据研究区广泛的钻井资料,划分更高精度的层序格架单元,在高精度层序格架内,精细刻画湖底扇砂体时空展布范围,查明其沉积演化过程,为下一步油气勘探提供依据。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是中国第二大沉积盆地,面积约为25×10⁴ km²。大地构造位置位于秦岭北侧、华北地台西部,是在中生代华北稳定克拉通上发育起来的多期次、多旋回大型叠合盆地。盆地边缘构造作用较强,盆地主体构造较简单,主体呈现为向西倾的平缓大单斜(李相博等,2010)。依据现今的构造形态特征和基底性质,可把鄂尔多斯盆地的二级构造单元划分为伊盟隆起、伊陕斜坡、渭北隆起、晋西挠褶带、天环坳陷及西缘冲断带6个构造单元(图1-A),其中伊陕斜坡面积最大,是近年来盆地开发的主要位置。盆地内部主要发育小型鼻状褶曲三级构造类型。本次研究区位于伊陕斜坡内的庆北地区,面积约为1070 km²。

鄂尔多斯盆地上三叠统延长组发育了一套1000多米厚的湖相碎屑岩系,在此过程中盆地经历了初始拗陷、强烈拗陷、回返抬升、萎缩消亡4个完整的沉积阶段(付金华等,2013;姚泾利等,2018)。延长组自下而上可划分为长10至长1共10个段(图1-B)。其中,受印支运动影响,长7段沉积时期处于湖盆强烈拗陷阶段,为整个延长组沉积期的最大湖泛期,水深最大,湖盆面积也达到最大(武富礼等,2004;杨华等,2010)。在西南和东北两大物源体系的影响下,湖盆内半深湖—深湖环境下发育了大规模湖底扇沉积。

2 层序地层格架

等时层序地层格架能有效揭示格架内沉积充填过程、时空分布特征及成因机制,基于层序地层学的高精度层序地层学分析方法可以有效应用于油气勘探(解习农等,2017;朱筱敏等,2023)。四级层序是高精度层序地层格架的基本单元,是三级层序内相对容易识别的次一级沉积基准面变化形成的沉积旋回,与高频的海或湖平面变化、物源供给和构造沉降的叠加相关(赵建华等,2014)。同时,有研究表明,层序级别越低、精度越高的界面,构造作用对层序界面的直接影响越低,沉积作用对层序界面的影响更加明显(夏景生等,2017)。

为了更精细地刻画湖底扇的沉积演化过程,本次研究建立了研究区内的高精度层序地层格架。结果表明,鄂尔多斯盆地长7段共发育3个四级层序单元,从下至上为长7₃、长7₂和长7₁。在地震上可以清楚追踪识别出四级层序界面,长7₃层序顶界面表现为强振幅、连续性较好; 长7₂层序顶界面为中强振幅、连续性较好(图2)。在庆北地区长7₁层序发现有大套砂岩,是页岩油有利储集层的发育层系。因此,本次研究将长7₁层序作为研究区的重点研究层段。

在长7₁四级层序中,划分出5个五级层序,从下往上为7₁-5至7₁-1五级层序。依据测井曲线及岩心特征,主要以泥岩为五级层序界面标志(表1)。在7₁-5至7₁-1这5个五级层序中,7₁-5和7₁-4层序单元相比于其他3个层序单元发育大规模厚层重力流砂体。为了在更高的层序格架精度下研究湖底扇沉积特征,对于7₁-5和7₁-4重点层序单元,依据岩心观察和测井曲线特征,识别更精细的岩性测井特征突变面,将7₁-5和7₁-4层序分别划分出5个六级层序单元,从下往上为7₁-5-5至7₁-4-1共10个六级层序单元(图3)。

3 湖底扇沉积特征

3.1 沉积构造特征

对鄂尔多斯盆地长7段14口单井岩心观察发现,研究区湖底扇砂岩有不同的流体类型,主要有高密度浊流、低密度浊流及碎屑流3种类型,不同类型砂岩之间沉积构造表现出明显的差异(张自力等,2023)。

高密度浊流沉积物整体显示微弱正粒序,粗粒块状沉积物中可见砾石呈叠瓦状定向排列或牵引毯作用形成的分层构造,指示流体分层搬运和垂向叠置的卸载特征(鲜本忠等,2016)。高密度浊流在研究区主要表现为典型的内部均一、无明显沉积构造、无显著粒序变化的砂岩,或块状构造夹少量泥质撕裂碎片的砂岩(图4-A,4-B);低密度浊流少见完整的鲍马序列,研究区可见典型的交错层理、沟模及不完整的鲍马序列(图4-C至4-E);碎屑流可分为砂质碎屑流和泥质碎屑流(Pickering et al., 2015;McHargue et al., 2021),在鄂尔多斯盆地广泛发育砂质碎屑流沉积,岩性以细砂岩、粉砂岩为主,整体呈块状,无层理,单层砂体厚度大,一般大于0.5 m,可见变形构造、包卷构造或含有较多砾石的含砾构造等典型碎屑流沉积构造(图4-F至4-L)。

3.2 沉积相类型及特征

系统的湖底扇沉积特征分析表明,研究区长7段主要发育朵体根部有重力流水道的非水道化型浊积朵体叠置而成的湖底扇系统(杨仁超等,2014;谈明轩等,2016)。根据经典的海底扇模型结合重力流沉积单元划分方案,本研究认为在庆北长7段湖底扇中,重力流成因的补给水道与湖底扇朵叶体为湖底扇沉积体基本构成单元。整体而言,与湖底扇水道—天然堤沉积类似,湖底扇扇体沉积也包含不同级次的朵叶构型单元。湖底扇朵叶体系细分为内扇、中扇及外扇; 在内扇、中扇及外扇中,还细分不同沉积特征的沉积单元,内扇有重力流水道沉积单元,中扇有水道—天然堤复合体、天然堤、朵体沉积单元,外扇为朵体边缘沉积单元。

3.2.1 内扇亚相

重力流水道发育于湖底扇根部,以重力碎屑流沉积为主,自然伽马曲线表现为低自然伽马值(<70 API)、宽幅箱型(图5-A),岩性以厚—中层块状细砂岩和含砾细砂岩为主,内部无显著粒序变化,颗粒支撑,分选较差,磨圆度一般,体现出沉积物快速沉积的特点,发育砂岩侵蚀砂岩构造,部分含有少量泥质撕裂碎片,偶见砂岩侵蚀泥岩。

3.2.2 中扇亚相

水道—天然堤复合体沉积物粒度较重力流水道细,以块状细砂岩夹粉砂岩或少量泥岩薄层为主,分选一般,自然伽马曲线表现为中低值(70~110 API)、低幅齿化箱型+钟型(图5-B),发育砂岩侵蚀泥岩构造,偶见砂岩侵蚀砂岩。

天然堤岩性组合表现为以粉砂岩夹泥岩为主,分选好,自然伽马曲线表现为中低值(110~150 API)、低幅齿化钟型(图5-C),发育平行层理、交错层理。

朵体岩性组合表现为纯粉砂岩或夹少量泥岩,分选、磨圆度较好,自然伽马曲线表现为中值(120~160 API)、低幅齿化窄幅箱型+钟型(图5-D),可见平行层理、交错层理。

3.2.3 外扇亚相

朵体边缘发育于湖底扇最前端,向盆地方向过渡为半深湖—深湖泥岩沉积,水动力较弱,多为细粒沉积。岩性组合表现为以泥质粉砂岩与粉砂质泥岩为主,自然伽马曲线表现为中高值(>150 API)、低幅齿化弓型(图5-E),常见炭屑,发育水平纹理,偶见小型变形构造。

研究区还发育深湖泥岩沉积,岩性组合表现为以黑色泥岩为主,自然伽马曲线表现为高值 (>150 API)、低幅齿化箱型(图5-F)。

不同的沉积体系类型在测井及岩性上有不同的特征,因此可以通过对钻井岩心和测井资料的研究,建立相应的岩—电沉积相识别模板,并据此对未取心段沉积体系展开研究(图6)。

4 湖底扇演化特征

在高精度层序地层格架内,本次研究发现不同时空位置上,湖底扇内部砂体表现出不同的特征。本次研究从侧向对比和垂向演化2个维度上,详细研究了研究区内湖底扇的沉积演化特征。

4.1 横向特征对比

连井沉积断面图对于了解沉积相空间发育特征具有重要意义。以贯穿研究区南北向连井剖面为例(图7),在南北向剖面上,长7₁层序地层南部厚,向北逐渐减薄,呈现进积超覆趋势。长7₁沉积时期砂体集中在7₁-5和7₁-4层序单元内发育,7₁-3至7₁-1层序主要沉积大套泥岩和少量薄层砂岩。7₁-5层序地层向北超覆,在B6井处尖灭,其内部砂体南部较北部厚,侧向上延伸稳定、连片展布、连通性较好。7₁-4层序沉积期,地层向北超覆较7₁-5层序沉积时期更远,在B2井处尖灭,其内部砂体在偏南部较薄,在偏北部地区发育有厚层砂体,侧向上砂体由南向北延伸进积,连通性好。7₁-5层序沉积时期南部砂体较厚,7₁-4层序沉积时期北部砂体较厚,7₁-5至7₁-4层序沉积时期重力流水道向北逐渐迁移,反映了此时沉积中心向北移动。

4.2 垂向演化特征

庆北地区湖底扇整体砂体相对较薄,主要分布在研究区西南部。根据图8-A至8-C砂体厚度图可知,在7₁-5层序沉积时期有2个沉积中心,均表现为向北东向延伸。其中北侧沉积规模相对较大,向湖盆中央延伸,最长可达20 km,单层砂岩厚度最大可达6 m左右。由图8-D至8-F砂体厚度图可知,7₁-4层序沉积时期明显发育有3个沉积中心,均位于研究区西南方向,沉积展布方向也为北东向。此时期砂体展布范围与7₁-5层序沉积时期相比扩大很多,砂体向东北方向进积到了湖盆中央,单层砂体厚度最大可达7 m左右,砂体厚度向边缘逐渐减小。

依据研究区砂体厚度和沉积相展布特征,湖底扇物源主要来自西南部地区,7₁-5层序沉积时期为双物源沉积供应(图9-A至9-C),7₁-4层序沉积时期则是三物源沉积供应,不同物源供给强弱期次并不一致(图9-D至9-F);湖底扇自西南部逐渐向东北方向进积,在7₁-5层序双物源供给时期,西部偏北物源与偏南物源分期次增强与减弱,偏北物源先增强,砂体加厚并不断进积,且进积速度随着物源供给减弱而变慢,偏南物源持续增强,砂体持续扩大进积至与偏北砂体连通,剖面上(图7)砂体呈多期叠置关系。7₁-4层序三物源供给时期,偏北与中部物源持续加强,砂体不断进积扩大且砂体逐渐变厚,而偏南物源供给先减弱后增强,砂体展布范围逐渐扩大,砂体堆积厚度加大。从7₁-5-4层序沉积时期至7₁-4-1层序沉积时期,湖底扇展布范围逐渐变大(图9),从7₁-5-4层序初期(图9-A)的2个独立湖底扇朵体变成7₁-4-1层序晚期(图9-F)横向相互连通的大规模湖底扇。

4.3 湖底扇发育的控制因素

湖底扇作为一种事件性沉积,受到物源供给体系、湖平面变化、古地貌格局等因素控制。在庆北地区,湖底扇发育主要受控于物源供给、湖平面变化及气候波动,但物源的控制作用更加明显。作为湖底扇主要物源之一的三角洲的沉积过程对其形成演化具有很重要的控制作用(王颖等,2009;Zou et al., 2012;杨仁超等,2014;邹才能等,2022)。鄂尔多斯盆地西南部长7段发育的大规模辫状河三角洲沉积为庆北地区湖底扇提供物源,其具有“小平原、大前缘”沉积特征(朱筱敏等,2013)。供源三角洲的规律性摆动控制了湖底扇各期扇体的摆动,三角洲和湖底扇整体都表现为由南向北摆动。同时供源三角洲的物源通道对湖底扇朵体个数和展布范围具有控制作用,7₁-5层序沉积期发育有2个物源通道,在湖盆中形成2个湖底扇朵体(图10-A);7₁-4层序沉积期三角洲前缘物源供给充足,沉积物不断在三角洲前缘斜坡处堆积,在一定的触发机制下发生重力失稳,形成第3个物源通道,在湖盆中发育3个朵体,湖底扇展布范围向北扩大(图10-B)。

研究区7₁-5和7₁-4层序沉积期湖底扇处于湖平面下降早期,湖平面下降导致湖盆范围缩小,可容纳空间减小,三角洲前缘砂体可以向坡折带方向进积更远,为湖底扇提供物源基础; 同时湖平面下降造成湖底扇在垂向上向湖盆方向迁移,具有多期叠加的发育特征。

陆源碎屑输入量受气候影响,在温暖潮湿的气候背景下,风化作用强度大,河流作用更明显,导致大量陆源碎屑向湖盆输入。鄂尔多斯盆地延长组7段处于卡尼期Julian 1-Julian 2亚期,是典型的温暖潮湿气候(李相博等,2023)。在长7₁砂组沉积期,温度和湿度逐渐升高(刘翰林等,2023),7₁-4层序沉积期的气候环境相比于7₁-5更温暖潮湿,河流作用强、径流量大,致使更多的陆源碎屑物质向西南部辫状河三角洲前缘输入,湖盆发育更大规模的湖底扇。

5 结论

1)通过对岩心、测井资料及地震剖面综合分析,建立了庆北地区湖底扇发育区高精度层序地层格架,在长7段识别出3个四级层序,重点层段长7₁层序中划分出5个五级层序,其中7₁-5和7₁-4重点五级层序进一步划分出10个六级层序。

2)根据沉积构造、岩性组合和和测井资料特征,建立了庆北地区湖底扇不同沉积单元识别图版。研究区湖底扇扇体沉积包含不同级次的朵叶构型单元,湖底扇朵叶体系细分为内扇、中扇及外扇; 依据不同沉积特征,内扇细分出重力流水道沉积单元,中扇为水道-天然堤复合体、天然堤及朵体,外扇则为朵体边缘。

3)庆北地区7₁-5层序沉积时期和7₁-4层序沉积时期湖底扇表现出明显的差异性特征,7₁-5层序沉积时期为双物源供给,其范围相对较小,7₁-4层序沉积时期则是三物源供给,湖底扇发育范围相对较大,其砂体横向上连通性好,是更有利的储集层。湖底扇的演化受到辫状河三角洲物源、湖平面变化及气候波动的影响; 从7₁-5到7₁-4层序沉积期温暖潮湿的气候提高陆源碎屑输入量,辫状河三角洲物源供给增强,湖平面下降导致湖盆可容纳空间减小,使湖底扇向湖盆进积,具有砂体横向连片展布、纵向多期砂体叠置的特征。

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基金资助

*国家自然科学基金项目(41502102)

国家自然科学基金项目(42072137)