南海北部崖13-1气田古近系渐新统陵水组地震响应的高分辨率层序地层研究

南海北部崖13-1气田古近系渐新统陵水组地震响应的高分辨率层序地层研究

1相关地质研究琼东南盆地位于南海海域油气分布区。它是一个拉张断裂盆地。具有两个横截面盆地的构造特征。古近系陆相和海陆过渡相的古近系沉积物广泛被海相重新世沉积物覆盖（陆军等人，2011）。琼东南盆地大部分地区在晚渐新世陵水组沉积时期发育一套海陆过渡相沉积,包括三角洲、河口湾、障壁海岸沉积等,这套沉积为琼东南盆地油气聚集提供了良好的储集体。国内外油气勘探证明,海陆过渡相沉积体系以其独特的沉积组合模式极易形成良好的生储盖组合,进而引起油气的聚集(DalrympleandChoi,2007;张功成等,2007;Martiniusetal.,2012),因此,加强此类项目的研究对于南海油气勘探具有重要的指导意义。琼东南盆地崖13-1气田以1号断层为隔(图1),处于琼东南盆地崖南凹陷和莺歌海盆地之间的生长背斜低凸起带上,是中国新生代中的高效天然气田(史建南等,2006)。本次研究目的层段为渐新统陵水组三段及二段(简称“陵三段”及“陵二段”),是崖13-1气田的主要储气层段。前人对崖13-1气田陵三段及陵二段的认识主要集中于物源分析、成藏机理、流动单元划分及测井评价(吴洪深等,2007;白振华等,2011;曾少军等,2011)等方面,而对于高精度层序地层划分及层序格架内沉积相特征及沉积体系演化的探讨(王香增和杜海峰,2009;李胜利等,2010)相对较少。笔者以高分辨率层序地层学理论为指导,结合测井、钻井、岩心、地震等资料,根据对基准面旋回性的识别将研究区陵三段及陵二段共划分为10个中期旋回,每个中期旋回厚度在20~30ue00fm之间。根据大量岩心资料分析以及遗迹化石特征总结,认为目的层段发育海陆过渡相,其中陵三段发育海湾辫状河三角洲,自下而上受潮汐作用影响越来越明显;陵二段发育以潮汐作用为主的河口湾—潮坪沉积,主要由潮道、潮坪和潮汐砂坝沉积组成。本次研究还首次探讨了海平面升降变化对于研究区沉积相演化的影响,以及在不同演化阶段中储集层格架的展布特征。2更新后的沉积体系研究区构造演化经历了古近纪断陷及新近纪—第四纪拗陷2个阶段。始新世发育陆相湖泊沉积,到渐新世崖城组沉积末期,随着区域海平面上升,研究区由湖泊逐渐演化为封闭海湾。陵水组沉积早期,研究区保持半封闭海湾沉积格局,但随着海侵范围扩大,其逐渐过渡为开阔的滨海、浅海沉积环境。新近系和第四系主要为盆地拗陷阶段的广阔陆表海和陆架陆坡体系沉积(解习农等,1996)。古近系渐新统陵三段及陵二段为崖13-1气田的主要生产层位,以海陆过渡相沉积为主。上覆地层陵一段为开阔滨海、浅海泥质沉积,下伏崖城组以冲积扇及扇前冲积平原沉积为主,间夹煤系地层(解习农等,1996)。陵三段介于地震反射界面T70和T62之间,地层厚度在40~220ue00fm之间,平均约为180ue00fm,岩性以砾状砂岩、中—粗砂岩、细砂岩及薄层泥岩为主。陵二段介于地震反射界面T62和T61之间,研究区内地层沉积厚度较小,在30~100ue00fm之间,并且被剥蚀严重,以细砂岩、粉砂岩及厚层泥岩为主(图2)。3中期基准面旋回特征崖13-1气田陵二段及陵三段沉积时代为23.0~29.3ue00fMa,持续地质年代分别为2.5ue00fMa和3.8ue00fMa,对应于上、下2个三级层序(蔡佳和王华,2011)。本次研究依据高分辨率层序地层划分方法,将陵二段及陵三段分别划分为1个长期基准面旋回,层序界面自下而上分别对应于地震反射同相轴T70、T62及T61(图2),均为不整合界面(王根发等,1998;米立军等,2010)。鉴于地震资料分辨率的限制,研究区中期基准面旋回的识别主要依据岩性的韵律性特征,通过岩心和测井资料来判定。结合钻井资料的完备性和井点在研究区的位置,文中选取A2井为典型单井进行层序地层和沉积相分析。A2井陵三段主要由含砾砂岩、中粗砂岩、细砂岩及泥岩组成,粒度从下到上由粗变细再变粗,为粗粒辫状河三角洲沉积,可根据地层岩性的韵律性及测井曲线叠加方式的改变细分为8个中期基准面旋回(S1—S8)。陵二段岩性明显较陵三段细,主要由细砂岩、粉砂岩和泥岩组成,从下到上指示海相沉积的孢粉含量逐渐增加,可细分为2个中期基准面旋回(S9—S10)(图2)。4钟志洪等在充分了解研究区构造背景、物源供给、气候特征等(陆永潮等,1999;钟志洪等,2004;白振华等,2011)的基础上,结合岩心观察、测井相分析及地震反射特征研究,认为崖13-1气田陵三段及陵二段发育于海陆过渡环境,沉积相类型有海湾辫状河三角洲和河口湾—潮坪。4.1海洋作用对?海湾辫状河三角洲沉积在陵三段广泛发育,受海水作用影响范围具有明显的分带性,可划分为辫状河三角洲平原、内前缘、外前缘及前三角洲4个亚相。三角洲平原亚相主要以河流控制为主,其岩相及沉积构造与湖泊辫状河三角洲沉积相似,而三角洲内、外前缘及前三角洲亚相则明显遭受到海洋作用的再改造,形成独特的岩相和成因相类型(解习农等,1996)。研究区受海洋作用影响的海湾辫状河三角洲相的突出特点为:(1)富含泥质条带、泥披盖及泥质纹层,这些泥质沉积物赋存于不同粒级砂岩的纹层或纹层组界面中;(2)遗迹化石丰富,不仅在细粒沉积物中见到,在粗粒砂岩中也常见,其中指示近岸快速沉积环境的遗迹化石Ophiomorpha(蛇形迹)较为常见;(3)发育独特的层理构造,如羽状交错层理、潮汐层理等。研究表明,研究区内影响辫状河三角洲的海洋作用主要为潮汐作用,且自下而上潮汐作用明显增强。以下将会对研究区海湾辫状河三角洲发育的沉积亚相及微相进行介绍,并重点讨论辫状河三角洲沉积体系中遭受海洋作用影响的成因相及其沉积特征。4.1.1栈型铸造山片三角洲平原亚相主要发育在陵三段底部S1、S2及顶部S8旋回内,包括辫状河道和沼泽2种沉积微相。辫状河道沉积物粒度粗,主要为细砾岩(图3-A)、含砾粗砂岩及粗砂岩,砾石成分复杂,含泥砾,呈块状构造,单个砂层厚2~5ue00fm。发育完整的辫状河道沉积序列构成为:底部冲刷界面依次出现含泥砾的块状砾岩或砂砾岩,之上为具大型槽状、板状或楔状交错层理的砂砾岩或粗砂岩,上部为含泥质条带的砂岩和具波纹交错层理的细砂岩。由于辫状河道的不稳定性,导致辫状河道序列顶部的泥岩夹层很难保存下来,常形成多个间断正韵律的叠加(图4)。辫状河道沉积GR测井曲线呈高幅锯齿箱形,顶底突变(图5-A)。沼泽沉积以碳质泥页岩为主(图3-F),常含有植物根茎或植物碎片,可形成具有一定开采价值的煤层。4.1.2水下分流河道沉积相三角洲内前缘沉积主要发育在陵三段S3、S4及S7旋回内,可分为水下分流河道、水下分流河道间及河口坝微相。水下分流河道岩性以含砾粗砂岩、粗砂岩及细砂岩为主,发育槽状、板状交错层理及冲刷构造(图3-B,3-C)。纵向上可见多个3~5cm厚的小型分流河道砂体叠置,形成具有间断性正韵律的复合砂体(图3-D)。单个水下分流河道沉积序列厚度一般为0.5~0.8m,大多小于1m。垂向序列构成具有明显的二分性,即下部为具块状层理的含砾砂岩和具交错层理的中粗砂岩,上部为富含泥质条带、波纹交错层理的中细砂岩(图4),反映明显的潮汐改造作用。水下分流河道沉积的GR测井曲线呈中高幅锯齿状钟形(图5-B)或多个正韵律的叠加。水下分流河道间沉积物主要为灰色和灰黑色泥岩、泥质粉砂岩,发育水平层理,多被水下分流河道冲刷(图3-E),因此保存较少,GR测井曲线呈高值异常突变(图5-B)。河口坝位于水下分流河道前端,沉积物粒度比水下分流河道细,主要为具波纹交错层理的中粗砂岩和细砂岩。由于辫状河三角洲水下分流河道迁移频繁,河口坝沉积物多被冲蚀,常夹杂泥砾,具有向上变粗的沉积序列(图3-G;图4)。GR测井曲线为典型的中幅漏斗形,顶部突变底部渐变,反韵律特征明显(图5-C)。与湖泊辫状河三角洲相比,海湾辫状河三角洲内前缘亚相遭受海洋作用改造明显,富含泥质条带和波状泥质纹层,生物扰动强烈,常见的遗迹化石有Ophiomorphanodosa(蛇形迹)和Skolithoslinearis(线形石针迹)(图6-A,6-B)。4.1.3反韵律沉积特征三角洲外前缘及前三角洲沉积主要发育在陵三段S5和S6旋回内,包括远砂坝、席状砂和前三角洲泥3种沉积微相。远砂坝发育规模小于河口坝,垂向上通常位于河口坝之上,平面上更靠近海盆方向(李胜利等,2010)。其沉积物岩性以中砂岩、细砂岩及粉砂岩为主,富含泥质纹层,发育波状交错层理(图3-H),具有向上变粗的反韵律沉积特征。GR测井曲线变为中低幅漏斗形(图5-D),幅度低于河口坝。席状砂是先期形成的分流河道和河口坝沉积被波浪及潮汐作用改造后,发生横向迁移并连接成片的砂体。其沉积物岩性较细,以细砂岩、粉砂岩及泥质粉砂岩为主,分选好,具波纹层理、平行层理和块状层理构造(图3-I),GR测井曲线呈低幅锯齿状、单指状,无明显韵律特征(图5-D)。前三角洲泥岩性主要为灰色及深灰色泥岩,夹一些具有递变层理和变形层理的薄层粉砂质条带,受海洋作用影响强烈,常发育风暴沉积(图3-J)。与辫状河三角洲内前缘相比,外前缘更靠近海盆,受海洋作用影响更加强烈,具体表现为:(1)沉积序列岩性细,泥质纹层及泥披盖更加丰富(图7);(2)生物扰动强烈,常见Planolitesmontanus(山地漫游迹),Ophiomorphanodosa(蛇形迹)和Palaeophycustubularis(古藻迹)(图6-C,6-D,6-E);(3)前三角洲沉积具粒序层理、泄水构造及生物逃逸构造等,推测为风暴成因。4.2河口湾阶地生物成因河口湾沉积是一个受潮汐、波浪和河流作用共同影响的具有河道形态的沉积复合体,常常形成在相对海平面上升时期(齐永安,1999;王英国,2000;邓宏文和郑文波,2009)。研究区内河口湾—潮坪沉积主要发育在陵二段,以潮汐作用为主,主要识别标志有:(1)特殊的岩相配置关系。下部为河道切割充填沉积,中部为海侵河口湾沉积,上部为高水位的滨岸或潮坪沉积。(2)独特的生物成因构造及遗迹化石。在河口湾上游,生物以低分异度和高丰度为特征,但由于河流改造而难以保存(Richardetal.,2003);在河口湾中游,河流与海水交替作用明显,生物具有极低的分异度,可见能指示盐度变化的极不稳定遗迹化石Planolites和Palaeophycus;在河口湾下游,底栖生物十分发育,生物成因构造以正常海相造迹生物的居住潜穴为特征,常见遗迹化石Ophiomorphanidosa(蛇形迹)。(3)特殊的沉积构造。既有河道与砂坝中常见的粗粒滞积层、槽状和板状交错层理,又有潮汐沉积中常见的双向交错层理、透镜状层理、脉状层理、再作用面和泥披盖等。通过对岩心及测井资料分析,认为研究区内河口湾沉积体系由潮道、潮坪及潮汐砂坝组成。4.2.1石英面和砾石主要发育由含砾砂岩、中粗砂岩组成的复合砂体,厚度为2~4m。根据沉积物特征及序列构成特征,可划分为底部滞留沉积、活动潮道沉积和废弃潮道沉积(赵霞飞等,2013)。底部滞留沉积发育冲刷界面(图8),砾石由石英和泥砾组成,呈棱角状,分选差。活动潮道的岩相构成从下往上依次为:具块状层理的含砾砂岩或粗砂岩,具槽状交错层理、羽状交错层理(图9-A)及变形构造的中细砂岩。废弃潮道沉积由粉砂岩和粉砂质泥岩组成,发育水平层理,生物扰动十分剧烈,常见的遗迹化石有Planolites,Palaeophycus和Ophiomorphanidosa(图10-A,10-B,10-G),部分泥岩被潮汐打碎呈泥砾分布。总体来看,潮道沉积的岩性及沉积构造与水下分流河道相似,但是前者中泥质条带或泥披盖更丰富,生物活动更明显,可见羽状或青鱼刺状交错层理。4.2.2垂直潜穴形成的培训在河口湾侧翼或水道间地区发育潮坪沉积,由砂坪和砂泥混合坪组成。砂坪由细砂岩及少量的中砂岩组成,发育平行层理和板状交错层理,其中板状交错层理的前积层常具有极薄的泥披盖,砂岩中发育大量的垂直潜穴Skolithos(图10-C)。砂泥混合坪由粉砂岩和粉砂质泥岩组成,发育波状层理、透镜状层理(图9-B)及变形构造(图9-C),遗迹化石由代表低能条件的沉积进食潜穴组成,包括Palaeophycus,Planolites,Zoophycusisp.和Taenidium(图10-D,10-E,10-F)。潮坪沉积垂向岩相构成自下向上依次为:具波纹交错层理或中小型交错层理的细砂岩、粉砂岩,具脉状或透镜状层理的砂泥岩薄互层以及具水平层理的粉砂质泥岩或泥岩(图8)。4.2.3河口湾—潮汐砂坝主要由中—极细砂岩组成,分选磨圆好,发育槽状交错层理、板状交错层理和双向交错层理。潮汐砂坝的沉积构成与物源区远近密切相关,其中毗邻河口区,序列岩性粗、由于遭受潮汐和波浪的双重作用导致坝砂缺乏泥质纹层及泥披盖、生物扰动微弱,而远离河口区,序列岩性细、生物扰动强烈、且常见由于坝间潮道侧向迁移而形成的再作用面(图9-D)。潮汐砂坝单层厚度一般为1~2m,通常显示总体向上变粗的沉积序列(图8)。研究区常见的河口湾—潮坪沉积体系岩相纵向构成为:含Planolites-Palaeophycus遗迹化石、具有典型潮汐层理、变形构造或液化泥石流特征的泥质粉砂岩或粉砂质泥岩;具羽状交错层理、含Skolithos遗迹化石组合、具有向上变粗反韵律特征的粉—细砂岩;具羽状交错层理及泥披覆、含Ophiomorpha遗迹化石组合的中砂岩、细砂岩(图11)。这种沉积构成特征可被解释为潮坪(混合坪—砂坪)—潮汐砂坝—潮汐水道沉积序列。5主要形成时期崖13-1气田陵三段整体为一个完整的三级层序(长期基准面旋回),其内部可划分为8个中期基准面旋回,从下而上编号为S1—S8。陵三段沉积时期,研究区内主要发育海湾辫状河三角洲沉积,其物源主要是来自西北部早期基底花岗岩、变质岩的隆升剥蚀产物(白振华等,2011),从物源区向海盆方向依次发育三角洲平原、三角洲内前缘、三角洲外前缘及前三角洲。该辫状河三角洲沉积相空间演化及空间配置具有以下特点:(1)辫状河三角洲相中每个中期基准面旋回自西北向东南方向略有增厚,主要是沿崖城脊斜坡方向沉积差异所致。(2)陵三段总体形成于海侵背景,因此从下到上辫状河三角洲朵体不断向崖城脊方向退积,S1—S2中期旋回形成时期以河流作用为主,主要发育以辫状水道充填为主的三角洲平原亚相;S3—S4中期旋回形成时期,海平面逐渐上升,潮汐作用增强,但河流作用仍占主导,三角洲朵体向崖城脊方向退积,发育以水下分流河道充填为主的三角洲内前缘亚相;S5—S6中期旋回形成时期,海平面上升到最高,并在S5中期旋回形成时期达到最大海泛面,受河流作用及潮汐作用共同影响,发育以水下分流河道充填为主的三角洲内前缘及以远砂坝为主的外前缘亚相;S7—S8中期旋回形成时期,海平面略有下降,但仍保持在一个较高的海平面水平上,潮汐作用占据优势地位,发育以潮控河道复合体、指状坝砂为主的潮控三角洲(图12)。研究区陵二段沉积厚度较小,整体为1个长期基准面旋回,可进一步细分为2个中期基准面旋回(S9—S10)。陵二段沉积时期,来自西北崖城脊的河流物源明显减弱,海平面持续上升,海岸线向陆后退。由于海平面的快速上升,研究区开始出现欠补偿沉积,钻井揭示发育大套的厚层泥岩沉积。研究区沉积环境演化为河口湾—潮坪相,沉积充填特征以潮汐水道、潮汐砂坝及潮坪砂为主(图12)。6陵中段及陵片段特点的海陆过渡相崖13-1气田所处的崖南凹陷从崖城组沉积时期的陆相湖泊沉积背景过渡为陵水组沉积早、中期的海陆过渡沉积,最后过渡为陵水组沉积晚期的开阔浅海沉积(解习农等,1996)。研究区陵三段及陵二段发育的海陆过渡相包括海湾辫状河三角洲和河口湾—潮坪沉积。该海陆过渡相形成于总体的海侵背景下,随着海平面逐渐上升,河口区不断被淹没,导致潮汐作用对海陆过渡相沉积的影响越来越明显。根据河流作用与潮汐作用强度,将研究区海陆过渡相的垂向演化划分为4个阶段,从下而上分别为:以河流作用占优势阶段、河流与潮汐混合作用阶段、潮汐作用占优势阶段及海洋作用阶段,并建立了相应的沉积模式。6.1沉积相展布特征陵三段底部S1和S2中期旋回形成时期,海平面较低,海湾辫状河三角洲沉积受河流控制作用较强,三角洲平原亚相相对发育(图13),沉积相展布形态呈朵叶状(李胜利等,2010)。随着海平面逐渐升高,海水逐渐侵入到研究区,至S3和S4中期旋回形成时期,研究区辫状河三角洲逐渐向西北物源方向后退,但河流作用仍占主导地位,三角洲朵叶状特征明显。研究区大部分地区为辫状河三角洲平原及内前缘亚相组合带,多数钻孔揭示煤层发育,三角洲外前缘亚相组合仅分布于S4旋回内。6.2海亚亚相组合组构S5、S6中期旋回形成时期,海平面持续上升,并在S5旋回形成期间达到最高水平,海湾辫状河三角洲向崖城脊方向退积,研究区主要为三角洲内前缘、外前缘及前三角洲(滨浅海)亚相组合。该阶段潮汐作用明显,为河流与潮汐混合作用阶段,具体表现为:(1)三角洲内前缘水下分流河道具有低弯曲度、近于直流的特征(图13);(2)三角洲外前缘远砂坝微相较为发育,并且远砂坝砂体厚度明显增大;(3)前三角洲泥岩中可见风暴沉积;(4)沉积序列表现为以反韵律为主导的复合韵律,同时具有河流影响形成的槽状、板状交错层理和潮汐影响形成的波纹层理、双向交错层理,富含泥质条带和波状泥质纹层;(5)生物扰动明显,常见的遗迹组合有Ophiomorpha和Skolithos。6.3潮控和潮砂坝阶段即S7、S8中期旋回形成时期,海平面略有下降,但仍保持较高水平,研究区发育以潮汐作用占主导的潮控三角洲。三角洲形态表现为漏斗状,其中三角洲平原不再为连片状,而是表现为由潮控河道切割而形成的岛屿状,三角洲前缘主要由分流潮控河道及潮汐砂坝组成,潮汐砂坝呈长条状展布(图13)。该阶段沉积岩性较细,以粉砂岩及细砂岩为主,发育泥质纹层、潮汐层理、羽状交错层理等典型的潮汐作用层理。生物扰动强烈,常见的遗迹化石有Ophiomorphanidosa、Planolites和Palaeophycus。6.4沉积体系及沉积相即S9、S10中期旋回形成时期,研究区南部盆地边缘隆起区经过构造抬升