牛莊洼陷沙三中亞段三角洲—重力流體系沉積特征與模式

周學(xué)文，姜在興，湯望新，許文茂，胡晨林，賈超塵

1.海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100083 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京　100083 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)科學(xué)研究院，北京　100083

0　引言

深水重力流沉積擁有巨大的油氣勘探前景，目前研究主要基于對(duì)現(xiàn)代海床未固結(jié)巖芯的描述、古代露頭實(shí)測觀察和水槽模擬實(shí)驗(yàn)研究[1]。不斷進(jìn)步的物理、數(shù)值模擬和海底實(shí)地監(jiān)測等手段[2]為研究深水重力流沉積過程，流體性質(zhì)及其對(duì)儲(chǔ)層性質(zhì)的影響提供了便利[3]。如今，在中國深水沉積領(lǐng)域，砂質(zhì)碎屑流[4]，黏結(jié)、弱黏結(jié)和非黏結(jié)性碎屑流[5]等新概念與新模式已廣泛運(yùn)用于解釋陸相湖盆深水塊狀砂巖搬運(yùn)與沉積過程，如鄂爾多斯盆地延長組砂質(zhì)碎屑流向濁流轉(zhuǎn)化[6]，渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷水下重力流成因研究[7]，東營凹陷三角洲供給型重力流沉積模式[8]等。大量研究證實(shí)，我國陸相湖盆深水重力流的沉積特征與分布規(guī)律和大型湖泊三角洲密切相關(guān)。然而，針對(duì)陸相斷陷湖盆三角洲—重力流體系，一方面對(duì)重力流類型，沉積過程與控制因素的研究仍不夠深入；另一方面，三角洲砂體對(duì)深水沉積單元沉積特征與分布規(guī)律的影響尚缺乏深入認(rèn)識(shí)；此外，不同分類方案所確定的重力流類型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不明確，容易造成術(shù)語冗余，從而阻礙不同地區(qū)深水沉積單元的對(duì)比研究。

本文以東營凹陷牛莊洼陷沙三中亞段三角洲—重力流體系為例，綜合運(yùn)用地震、測井和巖芯，在明確該區(qū)層序格架的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究三角洲砂體發(fā)育規(guī)律，重力流類型，沉積特征，分布規(guī)律和控制因素。旨在統(tǒng)一該區(qū)重力流的分類方案，完善大型湖泊三角洲—重力流沉積模式，以期為陸相斷陷湖盆深水沉積研究提供借鑒。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

牛莊洼陷位于我國東部渤海灣盆地東營凹陷東部，東西長約40 km，南北寬約15 km，面積約600 km2[9]。其北面與民豐洼陷、利津洼陷以中央斷裂背斜帶相隔，南面以陳官莊—王家崗斷裂構(gòu)造帶為界并與南部斜坡相接，西面與博興洼陷純化草橋斷裂鼻狀構(gòu)造帶相隔，向東延至廣利南洼陷，形成一個(gè)南北界受東西向斷裂所控制的似菱形沉積單元(圖1)。

牛莊洼陷構(gòu)造演化主要經(jīng)歷四個(gè)階段：裂陷初期(E1-2k)、裂陷中期(E2s1-3)、裂陷晚期(E2s4～E3d)以及后裂谷期(N)[10]。

牛莊洼陷古近紀(jì)地層自下至上依次發(fā)育孔店組(E1-2k)、沙河街組(E2-3s)和東營組(E3d)。沙河街組細(xì)分為沙四段(E2s4)、沙三段(E2s3)、沙二段(E2-3s2)和沙一段(E3s1)，其中沙三段又進(jìn)一步細(xì)分為沙三上(E2s3上)、沙三中(E2s3中)、沙三下(E2s3下)三個(gè)亞段。沙三中亞段(E2s3中)沉積時(shí)期，三角洲砂體多期次進(jìn)積，重力流砂體分布廣泛于洼陷斜坡與深陷帶。

2　層序地層格架

沙三中亞段(E2s3中)時(shí)期，東營三角洲主力砂體進(jìn)積到了牛莊洼陷內(nèi)。為了精細(xì)刻畫各期三角洲砂體的展布規(guī)律，前人對(duì)東營三角洲層序格架進(jìn)行了大量研究，但至今仍沒有形成統(tǒng)一的方案。邱桂強(qiáng)等[11]認(rèn)為沙三中亞段高位體系域的發(fā)育程度遠(yuǎn)超低位和湖侵體系域；方勇等[12]將東營三角洲劃分為7 個(gè)短期基準(zhǔn)面旋回；操應(yīng)長等[13]提出將東營凹陷沙三段內(nèi)缺失穩(wěn)定湖平面階段的層序稱為T—R層序；陳秀艷等[14]認(rèn)為整個(gè)沙三中亞段是一個(gè)T—R層序，并將東營三角洲劃分為8 個(gè)期次。劉建平等[15]則將東營凹陷沙三中亞段劃分為一個(gè)完整的三級(jí)層序，其中細(xì)分出10 個(gè)準(zhǔn)層序組。

通過分析牛莊洼陷地震反射終止樣式(圖2A)，68 口鉆井的巖性和測井曲線特征(圖2B,C)，筆者認(rèn)為該區(qū)湖平面的變化確實(shí)缺乏相對(duì)穩(wěn)定的階段，所以將牛莊洼陷沙三中段劃分為一個(gè)T—R層序，即發(fā)育快速湖侵和湖退兩個(gè)體系域，并進(jìn)一步細(xì)分為6 個(gè)準(zhǔn)層序組，分別對(duì)應(yīng)研究區(qū)6 期三角洲砂體。湖侵體系域?qū)?yīng)準(zhǔn)層序組PS6，湖退體系域包括準(zhǔn)層序組PS1—PS5(圖3)。

圖1　東營凹陷大地構(gòu)造位置及研究區(qū)位置圖Fig.1　Tectonic setting of Dongying depression and location of the study area

圖2　牛莊洼陷層序格架劃分依據(jù)A.層序劃分地震反射終端識(shí)別標(biāo)志；B.準(zhǔn)層序組界面識(shí)別標(biāo)志(褐色油頁巖)；C.準(zhǔn)層序組界面識(shí)別標(biāo)志(灰色泥巖向上突變?yōu)榫G色泥巖)Fig.2　Identifications of dividing sequence stratigraphy in Niuzhuang sag

圖3　王24井層序地層格架劃分Fig.3　Column of sequence stratigraphy division of Well Wang 24

3　三角洲和重力流砂體沉積特征

沙三中亞段時(shí)期，牛莊洼陷古地勢東南部較西北部高，在物源體系和該古地貌背景控制下，三角洲砂體自東南向西北多期次進(jìn)積，使得洼陷內(nèi)沉積了豐富的三角洲和重力流砂體。

3.1 三角洲砂體特征

基于工區(qū)地震、測井和巖芯特征，認(rèn)為牛莊洼陷三角洲砂體主要屬于三角洲前緣亞相，砂體類型主要為水下分流河道和河口壩砂體。水下分流河道砂體多具正粒序，巖性為分選好的中細(xì)砂巖至泥質(zhì)粉砂巖，且發(fā)育塊狀層理(圖4A)，槽狀交錯(cuò)層理，沖刷充填構(gòu)造，反映遠(yuǎn)物源、長距離搬運(yùn)沉積作用，自然電位曲線上表現(xiàn)為鐘型和箱型(圖4C)。河口壩砂體多具反粒序，巖性為砂質(zhì)純、分選好的細(xì)砂巖和粉砂巖，發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理，浪成砂紋層理和生物鉆孔等沉積構(gòu)造(圖4B)，反映湖水波浪沖刷改造和簸選作用，自然電位曲線上表現(xiàn)為漏斗形(圖4D)。

3.2　重力流砂體特征

三角洲前緣砂體滑動(dòng)、滑塌形成重力流沉積是三角洲建設(shè)—破壞作用的典型過程。迄今為止，在洼陷斜坡和深陷帶的沙三中亞段，尤其是湖退體系域中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量與重力流相關(guān)的巖性油氣藏。早期對(duì)該地區(qū)重力流的研究主要集中在濁積扇類型[16-17]和儲(chǔ)層特征[17-20]。

3.2.1存在的問題

近幾年，在砂質(zhì)碎屑流，砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積(SMTD)，黏結(jié)—弱黏結(jié)—非黏結(jié)性碎屑流等深水沉積新概念與模式的引領(lǐng)下，眾多學(xué)者對(duì)渤海灣盆地東營凹陷重力流體系提出了新的觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)[8,21-23]。然而，大量重力流新類型和新模式的建立卻容易造成術(shù)語的冗余，這不但會(huì)給后續(xù)的研究者增添困惑，而且一定程度上會(huì)阻礙不同區(qū)深水沉積單元的對(duì)比研究。

圖4　三角洲砂體巖芯沉積構(gòu)造和測井曲線特征A.牛106井，2 596.91 m，水下分流河道砂體塊狀層理構(gòu)造；B.牛85井，2 800.8 m，河口壩砂體浪成沙紋層理和生物鉆孔；C.牛106井水下分流河道箱型測井曲線；D.牛85井河口壩漏斗形測井曲線Fig.4　Characteristics of sedimentary structure and well logs of deltaic sand body

目前，國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)重力流的分類方案仍沒有達(dá)成統(tǒng)一的共識(shí)。最具代表性的爭論在于高密度濁流與砂質(zhì)碎屑流的區(qū)別[4,24-25]。表1中列舉了近幾年國內(nèi)學(xué)者對(duì)東營凹陷沙三中亞段重力流沉積的分類方案。陳秀艷等[14]的分類方案中將具滑塌構(gòu)造的深水沉積單元也納入了濁積巖范疇，這與濁流沉積典型沉積特征相矛盾；楊田等[21]和鮮本忠等[8]分類方案都比較注重流體成因，他們都接受了Shultz[26]將碎屑流細(xì)分為砂質(zhì)碎屑流與泥質(zhì)碎屑流的觀點(diǎn)，但是在泥流沉積(含有漂浮礫石的塊狀泥巖[8])的歸屬上卻產(chǎn)生了分歧，楊田等[21]認(rèn)為泥質(zhì)碎屑流包含泥流，鮮本忠等[8]則更傾向于將泥流沉積與泥質(zhì)碎屑流和砂質(zhì)碎屑流沉積區(qū)分開。然而，泥流和泥質(zhì)碎屑流沉積的不同主要體現(xiàn)在黏土含量的細(xì)微差別上，在實(shí)際研究中往往較難區(qū)分；陳杰等[22]和王偉峰等[23]將三角洲或扇三角洲前緣斜坡帶以滑動(dòng)、滑塌或碎屑流的形式在斜坡帶內(nèi)發(fā)生再搬運(yùn)形成的一種事件性砂質(zhì)沉積體定義為坡移扇，這種命名的問題在于：1)運(yùn)用相模式術(shù)語來描述深水沉積類型；2)無法準(zhǔn)確反映深水砂體的成因；3)造成術(shù)語的冗余。

在實(shí)際研究中，重力流沉積的分類和命名應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：1)避開與相模式相關(guān)的術(shù)語；2)能夠直接表征深水沉積的成因；3)在不同的地區(qū)具備可操作性。基于上述幾點(diǎn)原則，結(jié)合牛莊洼陷沙三中亞段深水背景下鉆井巖芯，測井和錄井特征，劃分出4 種不同成因的重力流砂體：滑動(dòng)沉積、滑塌沉積、碎屑流沉積和濁流沉積(圖5)。筆者不建議對(duì)滑塌和泥質(zhì)碎屑流成因的深水沉積進(jìn)一步細(xì)分，原因在于過于精細(xì)的分類方案在復(fù)雜多變的深水沉積領(lǐng)域往往不具備可操作性，在空間上也不便于對(duì)深水砂體展布特征的刻畫和預(yù)測。

3.2.2滑動(dòng)沉積

滑動(dòng)沉積是指塊體在自身重力或一定外界條件(地震、火山噴發(fā)、海嘯、氣旋、快速沉積作用等)的觸發(fā)下，沿著滑動(dòng)剪切面向下滑動(dòng)形成的塊體流沉積[27-28]。砂質(zhì)滑動(dòng)沉積自身由于彈性形變的力學(xué)特性，往往保留塊體滑移前的原始沉積結(jié)構(gòu)而不發(fā)生明顯的內(nèi)部變形，但是其底部的剪切作用會(huì)使下伏半固結(jié)的沉積物發(fā)生變形。牛莊洼陷滑動(dòng)沉積頂?shù)锥紴樯钏瞪鄮r，巖性主要為灰色或灰白色的粉砂巖和細(xì)砂巖，在巖芯上可見明顯的滑移面，底部剪切帶和下伏沉積物變形等現(xiàn)象(圖6)。一些砂質(zhì)滑動(dòng)沉積內(nèi)部可見交錯(cuò)層理，波狀層理等淺水沉積沉積構(gòu)造，在自然伽馬測井曲線上特征為中高幅指形和漏斗形，推測來自三角洲前緣。

3.2.3滑塌沉積

滑塌沉積是指沉積物在斜坡沿下凹的滑移面運(yùn)動(dòng)時(shí)，在重力和剪切力的作用下，內(nèi)部發(fā)生了明顯旋轉(zhuǎn)變形的黏結(jié)塊體[8,27-28]?；瑒?dòng)沉積具備塑性形變的力學(xué)特性，常發(fā)育大量的變形和滑塌構(gòu)造。牛莊洼陷滑塌沉積巖性主要為灰色粉砂巖和具棕色氧化色泥質(zhì)粉砂巖；巖芯上常見包卷層理，砂巖脈，旋轉(zhuǎn)火焰狀構(gòu)造，砂巖中變形泥礫，砂巖中的變形層，滑塌褶皺等變形構(gòu)造(圖7)；在自然伽馬測井曲線上特征為中高幅齒化鐘型。

3.2.4碎屑流沉積

碎屑流是一種塑性流變，層流態(tài)，且通過整體“凍結(jié)”的方式發(fā)生沉積的非牛頓流體[24,28]。碎屑流沉積中研究最熱的屬砂質(zhì)碎屑流沉積，其流動(dòng)特征介于黏性和非黏結(jié)性碎屑流之間[4]?！吧百|(zhì)碎屑流”最早由Hampton[29]基于水下碎屑流模擬實(shí)驗(yàn)提出，隨后Shanmugam[28]對(duì)砂質(zhì)碎屑流的概念和模式進(jìn)行完善和推廣。如今，砂質(zhì)碎屑流和深水塊體搬運(yùn)模式已被國內(nèi)眾多學(xué)者接受并用于解釋我國陸相湖盆深水塊狀砂巖成因[8,21,27,30-32]。

表1　東營凹陷深水重力流分類方案對(duì)比Table 1　Comparison of different classifications of deep-water gravity flow in Dongying depression

圖5　牛莊洼陷沙三中亞段重力流類型Fig.5　Types of gravity flow in the middle Member 3 of Shahejie Formation in Niuzhuang sag

圖6　牛莊洼陷滑動(dòng)沉積巖芯照片A.塊狀細(xì)砂巖，內(nèi)部高角度次級(jí)滑移面，牛33井，3 110.4 m；B.塊狀粉砂巖，滑動(dòng)砂體底部主滑移面使下伏泥質(zhì)粉砂巖褶皺變形，牛33井，3 063 m；C.波狀層理粉細(xì)砂巖，底部剪切帶使下伏泥質(zhì)粉砂巖發(fā)生變形，牛33井，3 084.5 m；D.粉砂質(zhì)泥巖，具擦痕的滑移面，牛22井，3 213.45 mFig.6　Cores of slide deposits in Niuzhuang sag

牛莊洼陷沙三中亞段也發(fā)育了一定規(guī)模的碎屑流沉積，且主要為砂質(zhì)碎屑流沉積。其巖性為與暗色或棕色泥巖伴生的塊狀中細(xì)砂巖、細(xì)砂巖和粉砂巖；巖芯上可見大量泥巖撕裂屑，砂巖頂部常有漂浮泥礫，發(fā)育面狀碎屑結(jié)構(gòu)，與底面常突變接觸(圖8)；在自然伽馬曲線上主要呈中高幅齒化箱形和齒形，也有少數(shù)呈鐘形，可能是由塊狀細(xì)砂巖頂部富集泥礫造成。

圖7　牛莊洼陷滑塌沉積巖芯照片A.泥質(zhì)粉砂巖中腸狀的砂巖脈，牛22井，3 206.5 m；B.粉細(xì)砂巖中的變形層，牛22井，3 228.5 m；C.具滑塌構(gòu)造的泥質(zhì)粉砂巖，牛22井，3 208.0 m；D.粉砂質(zhì)泥巖中的包卷層理，牛22井，3 225.9 m；E.泥質(zhì)粉砂巖中旋轉(zhuǎn)火焰狀構(gòu)造，牛22井，3 207.10 m；F.粉砂巖中變形泥礫，牛33井， 3 125.7 m；G.粉砂巖中變形層，牛116井，3 101.2 m；H.粉砂巖中的滑塌褶皺，牛116井，3 101.4 mFig.7　Cores of slump deposits in Niuzhuang sag

圖8　牛莊洼陷碎屑流沉積巖芯照片A.頂部具有泥巖撕裂屑?jí)K狀砂巖，牛33井，3 079.8 m；B.含大量泥巖撕裂屑的灰白色塊狀砂巖，牛85井，3 066 m；C.含兩種顏色泥巖撕裂屑的灰色塊狀砂巖，牛22井，3 211.2 m；D.具面狀碎屑結(jié)構(gòu)的塊狀砂巖，泥礫的長軸與層面平行，牛22井，3 215.85 mFig.8　Cores of debris flow deposits in Niuzhuang sag

3.2.5濁流沉積

濁流是一種遵循牛頓流變學(xué)的，紊態(tài)的非均質(zhì)沉積物重力流，其沉積物靠紊流支撐，懸浮搬運(yùn)，并且以懸浮沉降的方式沉積[27-28,33-34]。Lowe[35]基于顆粒粒度，濃度和支撐機(jī)理將濁流分為低密度濁流和高密度濁流，且認(rèn)為高密度濁流以紊流、顆粒碰撞和流體逃逸混合支撐。高密度濁流最初被Kuenen[36]用于解釋深水粒序?qū)永硇纬?，隨后又被用于解釋深水塊狀砂巖的成因[37-38]。然而，高密度濁流概念自提出以來就一直是深水沉積領(lǐng)域爭論的焦點(diǎn)。最具代表性的爭論在于高密度濁流和砂質(zhì)碎屑流這兩個(gè)概念都可用于解釋深水塊狀砂巖[39]。Haughtonetal.[24]認(rèn)為碎屑流是按整體凍結(jié)的方式沉積，而濁流是按持續(xù)加積的方式沉積，兩者的沉積方式有著顯著差別。Shanmugam[28]認(rèn)為所謂的“高密度濁流”實(shí)際上就是砂質(zhì)碎屑流，同時(shí)指出濁流不可能存在于高濃度值的情況下，因?yàn)楫?dāng)顆粒濃度超過30%時(shí)，濁流會(huì)轉(zhuǎn)化為層流。Zouetal.[6]提出紊流態(tài)沉積物流的顆粒體積分?jǐn)?shù)大于20%時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒碰撞方式，從而形成弱黏結(jié)性碎屑流。在高密度濁流問題上，筆者更贊同Haughton[24]的觀點(diǎn)，建議從成因上識(shí)別區(qū)分砂質(zhì)碎屑流和高密度濁流。砂質(zhì)碎屑流和高密度濁流沉積在巖芯上都可以含有漂浮的泥礫和泥巖撕裂屑，但是整體凍結(jié)方式沉積的砂質(zhì)碎屑流不會(huì)形成高密度濁流沉積中的粒序?qū)永砗蜖恳龢?gòu)造。

牛莊洼陷沙三中亞段的濁流沉積是由低密度濁流形成，巖芯上未見典型高密度濁流沉積特征。低密度濁流沉積的巖性為灰色薄層粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖；巖芯上主要發(fā)育鮑馬序列和火焰狀構(gòu)造(圖9)；在自然伽馬曲線上常呈低幅的指形和齒形。

圖9　牛莊洼陷濁流沉積巖芯照片A.火焰狀構(gòu)造，牛116井，3 102.1 m；B.鮑馬序列Tc、Td和Te段，牛33井，3 071.0 m；C.鮑馬序列Ta、Tc和Td段，牛106井，3 205.4 mFig.9　Cores of turbidites in Niuzhuang sag

4　砂體分布規(guī)律和控制因素

4.1　砂體分布規(guī)律

牛莊洼陷沙三中亞段時(shí)期，三角洲自東南向西北方向多期次進(jìn)積。為了總結(jié)各期三角洲砂體與不同成因重力流沉積的平面分布規(guī)律，在地震資料的約束下，結(jié)合巖芯觀察和不同成因砂體在測井上的響應(yīng)特征，分析各準(zhǔn)層序組的砂體展布特征(圖10)。

PS6—PS1沉積時(shí)期三角洲主要發(fā)育水下分流河道和河口壩兩種砂體，砂體平面分布的范圍逐漸擴(kuò)大，與此同時(shí)，在濱淺湖和半深湖—深湖亞相中形成了滑動(dòng)—濁流沉積等一系列不同成因的重力流砂體。重力流砂體在湖退體系域即PS5—PS1準(zhǔn)層序組中分布廣泛，但在湖侵體系域PS6分布局限。平面上，滑動(dòng)—濁流沉積的分布具有一定規(guī)律性，滑動(dòng)沉積距離三角洲前緣近，呈帶狀平行于三角洲前緣砂體分布；滑塌和碎屑流沉積距離三角洲前緣較遠(yuǎn)，主要分布于洼陷斜坡和斜坡角；濁流沉積發(fā)育的距離最遠(yuǎn)，呈席狀分布于洼陷的深湖相中。

4.2　控制因素

牛莊洼陷沙三中亞段重力流沉積主要來自快速進(jìn)積的三角洲前緣砂體，其形成主要受沉積，構(gòu)造和古氣候這3 大因素的控制。

4.2.1沉積因素

三角洲在沙三中亞段湖退體系域PS5—PS1準(zhǔn)層序組時(shí)期，從洼陷東南部的斜坡向西北方向洼陷的深陷部位依次進(jìn)積。邱桂強(qiáng)等[11]對(duì)牛莊洼陷三角洲的沉積速率進(jìn)行過研究，認(rèn)為該三角洲的進(jìn)積速率可達(dá)200 m/萬年，且在400 萬年時(shí)間內(nèi)進(jìn)積超過80 km。高進(jìn)積速率必然造成其三角洲前緣的砂體在垂向上迅速地疊置，尚未固結(jié)的前緣砂體容易在地震、風(fēng)暴等因素的誘發(fā)下，沿斜坡向半深湖—深湖發(fā)生塊體搬運(yùn)。

4.2.2構(gòu)造因素

東營凹陷是受斷層控制的伸展半地塹，其南部斜坡主要受八面河斷裂帶控制。牛莊洼陷北接中央斷裂帶，西臨石村斷裂帶，南部邊界與陳官莊—王家崗斷裂帶相接(圖1)。在古近紀(jì)時(shí)期，整個(gè)東營凹陷經(jīng)歷了強(qiáng)烈的伸展活動(dòng)[40]。通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算東營凹陷新生代北西向和北東向斷層的活動(dòng)速率(圖11)，認(rèn)為牛莊洼陷周緣八面河斷裂帶、中央斷裂帶和石村斷裂帶等控洼斷裂的活動(dòng)高峰主要出現(xiàn)在沙三段(E2s3)時(shí)期。對(duì)洼陷南部斜坡陳官莊—王家崗斷裂帶不同地質(zhì)時(shí)期生長斷層斷層落差的計(jì)算結(jié)果顯示(表2)，該反向調(diào)節(jié)式斷裂帶在沙三中亞段時(shí)期斷層落差最大，斷裂活動(dòng)明顯加強(qiáng)[40,42]。如此頻繁的地震和斷裂活動(dòng)會(huì)促使三角洲前緣砂體失穩(wěn)向洼陷深處發(fā)生滑動(dòng)，滑塌，形成一系列不同成因的重力流砂體。方勇等[12]對(duì)洼陷東南部的構(gòu)造坡折帶進(jìn)行了研究，認(rèn)為沙三中亞段時(shí)期，發(fā)育兩種構(gòu)造坡折帶：與陳官莊—王家崗斷裂密切相關(guān)的斷裂坡折帶和受基底撓曲控制的同沉積地形坡折帶。順三角洲物源方向發(fā)育的構(gòu)造坡折帶有利于三角洲前緣重力流砂體的搬運(yùn)與再沉積作用。

圖10　牛莊洼陷沙三中亞段三角洲—重力流砂體展布圖Fig.10　Distribution of deltaic and gravity flow sand bodies in the middle Member 3 of Shahejie Formation in Niuzhuang sag

4.2.3古氣候因素

溫暖潮濕的氣候條件下，三角洲平原河流水系茂盛，物源供給充足，三角洲的進(jìn)積速率較高，有助于重力流沉積的形成。前人對(duì)渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷和東營凹陷進(jìn)行了大量的古氣候分析工作(表3)，結(jié)果一致顯示沙三中亞段時(shí)期，氣候溫暖潮濕，主要屬亞熱帶溫濕氣候類型。

圖11　牛莊洼陷周邊斷裂帶斷層活動(dòng)率隨地質(zhì)年代變化直方圖(數(shù)據(jù)來自趙延江[41])Fig.11　Histogram of fault movement rate versus geologic time in the peripheral fault zone of Niuzhuang sag(data from Zhao[41])

地質(zhì)時(shí)期E2s3下E2s3中E2s3上～E2?3s2下E2?3s2上～E3s1E3d下E3d上斷層落差/m508050302030

表3　渤海灣盆地沙三中亞段古氣候研究結(jié)果對(duì)比表Table 3　Comparison of the results of paleoclimate studies of the middle Member 3 of Shahejie Formation in Bohai Bay Basin

沉積巖中不同類別的孢粉組合可以直接反映古植物群落特征，它易于保存，常用于恢復(fù)古溫度，地史時(shí)期干燥度或降水量和古地形[46]，是對(duì)古氣候重建最有利的證據(jù)之一。對(duì)東營凹陷沙三中亞段孢粉組合的鑒定統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖12)表明，該時(shí)期亞熱帶植物含量遠(yuǎn)大于山地植物和旱生植物。亞熱帶植物具有地質(zhì)溫度計(jì)作用，其含量與氣溫的變化密切相關(guān)，含量越高則指示古氣溫越高。旱生植物多為灌木或草本植物，其含量的縱向變化可反映古濕度變化[46]。

圖12　東營凹陷沙三中亞段孢粉生態(tài)組合餅狀圖(數(shù)據(jù)來自朱宗浩等[46])Fig.12　Pie charts of sporopollen biotic associations of the middle Member 3 of Shahejie Formation in Dongying depression(data from Zhu et al.[46])

所以，沙三中亞段時(shí)期亞熱帶植物尤為發(fā)育，旱生植物極其匱乏的孢粉組合特征指示該時(shí)期的古氣候條件溫暖潮濕，有利于河流三角洲發(fā)育。

湖泊沉積物地球化學(xué)記錄是恢復(fù)古環(huán)境的有效手段之一，湖泊沉積碳酸鹽碳氧穩(wěn)定同位素作為重要的古環(huán)境變化指標(biāo)，常用于研究古湖水化學(xué)(鹽度)和古氣候(溫度、降水及季節(jié)變化)[48-49]。東營凹陷沙河街組湖泊沉積碳酸鹽的δ13CPDB和δ18OPDB值在沙三段時(shí)期均發(fā)生了明顯的負(fù)偏移(圖13)。δ18O值主要受控于湖水的蒸發(fā)作用，當(dāng)氣候濕潤，降水充沛，湖水蒸發(fā)量小于水體的補(bǔ)給量時(shí)，流域河流與地下水會(huì)為湖泊帶來大量貧18O的水體，從而造成δ18O值減小[50-51]。δ13C值與湖泊水體深度和水體與大氣CO2交換程度相關(guān)[50-51]。表層水體易與大氣溝通，使δ13C值升高。深層水體相對(duì)封閉，死亡有機(jī)質(zhì)的沉降和降磷作用使水體相對(duì)富集12C，從而導(dǎo)致δ13C值降低[51]?；谏鲜鲈?，沙三段時(shí)期，東營凹陷δ13CPDB和δ18OPDB值的負(fù)漂移現(xiàn)象表明該時(shí)期氣候條件相對(duì)濕潤，降水較充足，湖水的補(bǔ)給量大于蒸發(fā)量，水深相對(duì)增加，這與孢粉組合分析結(jié)果相吻合。

在此溫暖潮濕古氣候條件的控制下，研究區(qū)沙三中亞段半深湖相的巖芯中多見含植物碎片塊狀細(xì)砂巖和棕褐色的泥巖(圖14)，推測是季節(jié)性洪水將來自陸地或淺水區(qū)的沉積物同三角洲前緣砂體沿構(gòu)造斜坡一起帶入半深湖—深湖相的泥巖中。

5　沉積模式

基于地震、測井、巖芯和各準(zhǔn)層序組三角洲—重力流砂體的平面分布特征，結(jié)合重力流沉積的控制因素，總結(jié)研究區(qū)三角洲—重力流體系的沉積模式(圖15)。

圖13　東營凹陷沙河街組湖泊沉積碳酸鹽δ13CPDB、δ18OPDB變化曲線(數(shù)據(jù)來自蔡觀強(qiáng)等[50])Fig.13　Variations of δ13CPDB and δ18OPDB values of carbonates for lacustrine sediments in Shahejie Formation, Dongying depression(data from Cai et al.[50])

牛莊洼陷三角洲主體位于洼陷東南緩坡帶，且主要受陳官莊—王家崗斷裂構(gòu)造帶控制。沙三中亞段時(shí)期，氣候溫暖潮濕，三角洲砂體從洼陷的東南緩坡不斷地向洼陷內(nèi)進(jìn)積，在PS6—PS1準(zhǔn)層序組時(shí)期，三角洲多期次進(jìn)積使得水下分流河道和河口壩砂體不斷在洼陷東南斜坡堆積。在地質(zhì)歷史演化的過程中，三角洲前緣砂體在自身重力和外部構(gòu)造作用力的影響下，內(nèi)部沉積物發(fā)生移動(dòng)和垮塌，順著前緣斜坡向洼陷內(nèi)搬運(yùn)，形成一系列不同成因的重力流砂體?；瑒?dòng)沉積主要呈帶狀分布在三角洲前緣砂體外側(cè)；在自身重力、外部構(gòu)造，風(fēng)暴，季節(jié)性洪水等因素的影響下，沉積物會(huì)順斜坡繼續(xù)向洼陷深處搬運(yùn)，一部分沉積物會(huì)在斜坡上發(fā)生變形、旋轉(zhuǎn)并堆積下來，形成滑塌沉積；另一部分沉積物則會(huì)在斜坡角附近形成碎屑流沉積；而粒度最細(xì)的粉砂、泥質(zhì)粉砂的沉積物最終在洼陷深陷部位懸浮沉降形成席狀的濁流沉積。

圖14　牛莊洼陷沙三中亞段半深湖相中含植物碎屑?jí)K狀砂巖和棕褐色泥巖A.含植物碎屑?jí)K狀細(xì)砂巖，牛22井，3 220.7 m；B.含植物碎屑?jí)K狀中砂巖，牛22井，3 208.9 m；C.半深湖亞相中的棕褐色泥巖段，牛22井，3 221.0 mFig.14　Massive sandstones with plant detritus and brown mudstones in the middle Member 3 Shahejie Formation semi-deep lake facies, Niuzhuang sag

圖15　牛莊洼陷沙三中亞段三角洲—重力流體系沉積模式Fig.15　Depositional model of delta and gravity flow system of the middle Member 3 of Shahejie Formation in Niuzhuang sag

6　結(jié)論

(1) 牛莊洼陷沙三中亞段可劃分為一個(gè)T—R層序，其中包括一個(gè)快速湖侵體系域和一個(gè)湖退體系域，并進(jìn)一步細(xì)分為6 個(gè)準(zhǔn)層序組，分別對(duì)應(yīng)6 期三角洲砂體。

(2) 牛莊洼陷沙三中亞段發(fā)育四種成因的重力流砂體：滑動(dòng)沉積，滑塌沉積，碎屑流沉積和濁流沉積。重力流砂體在湖退體系域即PS5—PS1準(zhǔn)層序組中分布廣泛，但在湖侵體系域分布局限。平面上，滑動(dòng)沉積主要呈帶狀臨近三角洲前緣砂體分布；滑塌和碎屑流沉積分布于洼陷斜坡和斜坡角附近；濁流沉積呈席狀分布于洼陷深陷部位。

(3) 三角洲高速的進(jìn)積速率，頻繁的地震與斷裂活動(dòng)，順物源方向發(fā)育的構(gòu)造坡折帶和溫暖潮濕的古氣候條件控制著牛莊洼陷重力流砂體的形成與分布。

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