2018, Vol.38
2 海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛 266071;
3 中海油研究总院有限责任公司, 北京 100028;
4 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083;
5 山东正元地球物理信息技术有限公司, 山东 济南 250101;
6 中海石油(中国)有限公司上海分公司, 上海 200335)
全球第四纪气候变化频繁，大约有20多个冷暖旋回，尤其是晚更新世晚期以来经历了末次冰期的冰盛期到冰后期的转变，中国东部沿海发生明显的海平面升降和气候的冷暖更替[1~7]。三角洲地区受控于海陆交互作用，对环境和气候变化极为敏感，其沉积物中记录了古气候演化序列和环境动态演化等重要信息[8~11]。
由于第四纪气候、地质、水文等研究的需要，以及油田、海港建设等的促进，黄河三角洲的晚第四纪沉积特征历来都是研究的热点。前人做了大量有益的工作，有研究记录的钻孔达数十个，其中以ZK228、ZK218、SD01、G-96、G-97等孔研究程度较高：ZK228和ZK218孔揭示了晚更新世以来的沉积地层和海平面升降关系，划分出3个海相层和陆相层交替出现的地层序列[12~13]；SD01孔提供了沉积物粒度、矿物和元素地球化学等信息，据此分析全新世的沉积环境、气候及海平面的演化特征，并将环境演化分为6个阶段[10, 14]；G-96和G-97孔的B元素及古盐度等精细刻画了全新世海侵中次一级的海水进退[15]。除此之外，黄河三角洲沉积特征的研究还涉及海陆交互地层格局[16~22]、河道贯通与迁移[23~25]、三角洲生长速度[26]、微体古生物[27~28]、植物孢粉[29]、古岸线位置[30~32]等多个方面，成果丰硕。但黄河三角洲地区面积巨大且成因复杂，以往的成果多以某单一钻孔为研究对象，进而推测全区特征，易形成“一孔之见”。本文以黄河三角洲义和庄地区均匀分布的14个浅层新钻孔为研究对象，从地层特征、沉积物特征、沉积相类型及其演化等多个角度详尽探讨义和庄地区晚第四纪沉积特征。
义和庄地区是胜利油田的重要产油区。近年来的勘探实践表明，油气勘探中地震资料品质的优劣明显受浅部激发层质量的影响。因此，在沉积特征研究的基础上，分析激发层选取原则，确定最佳的激发层位，对该区油气勘探具有重要的指导意义。
1 区域地质概况黄河三角洲义和庄地区位于山东省东营市河口区，黄河三角洲西北部，面积约350 km2(图 1a)。地表海拔2~5 m，地势自南西向北东逐渐降低，地表多农田、养殖区等，目前无大型河流穿过，北部距渤海湾约10 km。构造位置属渤海湾盆地济阳坳陷沾化凹陷的北部，新近纪以来主要是坳陷时期，无明显构造运动，整体沉降。
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图 1 义和庄地区地理位置 (a)义和庄地区在黄河三角洲的位置(据文献[10])；(b)义和庄地区浅层钻孔分布 Fig. 1 Location of Yihezhuang area. (a)The position of Yihezhuang area in the Yellow River delta(from reference[10]); (b)Shallow borehole distribution of Yihezhuang area |
研究区内2013年实施钻孔16个(图 1b)，有效钻孔14个，大致呈对角线均匀分布，深度在24.0~30.0 m。黄河三角洲地区全新世地层平均厚度约26.0 m，据义和庄地区东南部的SD01孔的6个14 C测年数据以及邻近的ZK228孔及G-96孔的测年数据分析，30.0 m深度处年龄约15 ka B.P.[13~15]，因此本次研究层位为晚更新世晚期以来的地层。
晚更新世晚期至今，受末次冰期到冰后期气候变化的影响，中国东部沿海地区经历了一次大规模的海水进退过程[6, 33]。在中全新世的7~6 ka B.P.形成最大海侵界限，海岸线到达沧州—信阳—博兴—广饶—寿光—昌邑一带，越过义和庄地区[34]。受海平面升降和河道迁移的影响，义和庄地区晚更新世晚期以来形成海陆交替的地层格局。
2 材料和方法研究区内有效钻孔14个，采用旋转机械钻取芯，岩芯管直径108 mm，总进尺351.0 m，取芯313.5 m，岩芯收获率89.3 % (表 1)。采样间隔0.1~0.5 m，利用丰富的样品进行沉积物岩芯观察描述、矿物成分鉴定、粒度测试、重矿物测试、微体古生物鉴定，为该区地层和沉积特征研究提供了扎实的资料基础。
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表 1 义和庄地区有效钻孔信息 Table 1 Effective borehole information in the Yihezhuang area |
岩芯观察描述基于碎屑岩粒度分类命名原则和沉积构造分类开展。矿物成分利用中国石油大学(华东)地球科学与技术学院OLYMPUS BX-41型偏光显微镜鉴定，尽量选择砂质和粉砂质样品磨制薄片。
粒度利用中国科学院海洋研究所激光粒度分析实验室的英国Malvern公司的Masterizer S型激光粒度仪测试，测量范围0.3~2000 μm，粒级数量100，相对误差 < 3 %。样品测试前用六偏磷酸钠((NaPO3)6)做分散处理，然后在超声波中振荡5 min，使样品充分分散，保证结果准确。本次共测试粒度样品140个(表 2)，均匀分布于各钻孔的各层位，具有代表性。
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表 2 义和庄地区粒度样品信息 Table 2 Grain sample information in the Yihezhuang area |
重矿物测试在河北省地质测绘院岩矿实验测试中心完成，取50 g以上的砂质样品，加清水和六偏磷酸钠((NaPO3)6)溶液浸泡搅拌，使样品中颗粒分离；通过0.05 mm和0.20 mm的双层套筛，经加压和水析分离出该粒级的矿物颗粒；颗粒烘干后用三溴甲烷重液(CHBr3，密度2.887)分离轻、重矿物，称重；经电选、磁选，结合矿物特征，确定矿物类别并计数、称重。鉴于YD8孔位于研究区中央(见图 1b)，具有一定的代表性，且该孔取样密集、样品丰富，因此，本次重矿物测试以YD8孔样品为主、YD13为辅，共测试重矿物样品7个(表 3-A~G)，以分析义和庄地区浅层的沉积物源及不同时期的沉积环境。
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表 3 义和庄地区重矿物样品信息 Table 3 Heavy mineral sample information in the Yihezhuang area |
微体古生物在中国石油大学(华东)地球科学与技术学院古生物实验室鉴定。为保证鉴定效果，选取重量超过50 g的砂泥质样品，经双氧水浸泡，用0.063 mm的孔筛进行冲洗，烘干，在实体显微镜下挑选鉴定。
测年数据引用义和庄地区东南部的SD01孔的6个14 C测年数据[14](表 4)及邻近的ZK228孔[13]及G-96孔[15]的测年数据。
3 结果 3.1 地层划分对比根据14个有效钻孔中沉积物类型、地层厚度、沉积背景等因素，识别该区浅层依次发育上更新统+垦利组、五号桩组一段、二段、三段、钓口组(表 5)地层。
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表 5 义和庄地区浅部地层 Table 5 Shallow stratum in the Yihezhuang area |
五号桩组地层厚度大、粒度细、颜色深，海相微体古生物丰度高、分异度大，是全新世的海侵层，构成区内晚第四纪地层的主体；底部垦利组和上更新统地层粒度最粗，主要为细砂，部分粉砂质沉积物中含钙质结核，陆相特征明显；顶部钓口组地层粒度较粗，无海相地层特征，是海退后黄河河道迁移至此形成的近现代三角洲。
在地层划分的基础上，通过横向地层对比，可以揭示区内晚更新世晚期以来地层的横向展布特征。北东方向(即垂直于古岸线的方向)除五号桩组三段减薄并尖灭外，其余地层分布较稳定(图 2)，五号桩组构成的海侵层整体厚度变化不大，各地层海拔由南西往北东逐渐降低，体现沉积物向海推进的方向；北西方向(即平行于古岸线方向)地层分布稳定，厚度基本无变化。
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图 2 义和庄地区NE向浅层对比(表层2~3 m未取芯，SD01孔据文献[14]) Fig. 2 Shallow stratigraphic correlation along NE direction in the Yihezhuang area. Samples from 2 to 3 meters of the wellhead were not obtained, SD01 was from reference[14] |
义和庄地区浅层沉积物粒度相对较细，主要发育黄褐色、灰黑色的粉砂、泥质粉砂和粉砂质泥，细砂和泥较少。据14个钻孔的密集取样分析，细砂约占11.6 %，主要分布在19.0 m以下深度的垦利组+上更新统地层中，黄褐色或棕黄色(图 3a)，石英含量偏低，长石含量较高，镜下可见碳酸盐和云母类矿物颗粒；粉砂含量最高，约占29.5 %，分布广泛，在各深度处均有发育，钻孔上部和下部的粉砂呈黄褐色、棕黄色(图 3b)，中部多呈灰色、灰黑色，部分粉砂中可见贝壳碎片；泥质粉砂约占23.5 %，分布与粉砂相似，部分含有贝壳碎片，底部少量泥质粉砂中含钙质结核(图 3c)；粉砂质泥约占24.0 %，多分布在五号桩组中，以灰色、灰黑色居多(图 3d)；泥约占11.4 %，分布较局限，多分布在研究区东北部的五号桩组二段中(图 3e)。
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图 3 义和庄地区浅层沉积物 (a)褐色细砂，YD8-20.2 m；(b)黄褐色粉砂，YD4-5.6 m；(c)黄褐色泥质粉砂，含钙质结核，YD10-23.7 m；(d)灰黑色粉砂质泥，YD9-5.5 m；(e)棕黄色泥，YD12-9.0 m；(f)贝壳层，YD8-18.0 m；(g)钙质结核，YD11-18.0 m；(h)方解石、铁方解石、云母，YD15-23.5 m(单偏光) Fig. 3 Sediments of shallow stratum in the Yihezhuang area. (a)Dark brown fine sand, YD8-20.2 m; (b)Light yellowish brown silt, YD4-5.6 m; (c)Light yellowish brown silty sand containing calcareous tuberculosis, YD10-23.7 m; (d)Gray silty mud, YD9-5.5 m; (e)Yellowish brown mud, YD12-9.0m; (f)Shell bed, YD8-18.0 m; (g)Calcareous tuberculosis, YD11-18.0 m; (h)Calcite, iron calcite and mica, YD15-23.5 m(single polarization) |
义和庄地区浅层发育两套贝壳层(图 3f)，分布在五号桩组三段和一段中，深度分别是5~7 m和18~20 m，多为双壳类和腹足类，平均直径约1.0 cm，最大可达3.0 cm，少数钻孔中部也零星发育贝壳层。贝壳层多形成于潮坪相或滨岸相，是海陆状态稳定时的产物，可指示地质历史时期的海岸线位置[32]，义和庄地区两套贝壳层表明全新世时期的海侵与海退。
粉砂和泥质粉砂中可见钙质结核(图 3g)，多集中在垦利组+上更新统地层中，直径0.5~3.0 cm，含量较少，是沉积物中的钙质在地下水或地表水的淋滤下富集形成[35~37]，多指示河湖相的河漫滩沉积。砂质沉积物中发育大量碳酸盐矿物，其成分多为方解石或铁方解石(图 3h)。黄河体系的特征矿物之一为方解石，含量3 % ~5 %，现代黄河三角洲沉积物也含有丰富的碳酸盐矿物，平均含量达14 %，钙质主要源于黄土高原的第四纪黄土[38]。义和庄地区高含量碳酸盐矿物表明，黄河系统的物源对该区的贡献，同时也阐明钻孔底部钙质结核的物质来源。
3.2.2 粒度特征(1) 粒度分布与粒度参数
义和庄地区浅层沉积物粒度分布和粒度参数如图 4和图 5所示。
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图 4 义和庄地区浅层沉积物不同粒度区间的百分含量 Fig. 4 Percentage content of different grain size interval of shallow stratum in the Yihezhuang area |
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图 5 义和庄地区浅层沉积物粒度参数 Fig. 5 Sediments grain size parameter of shallow stratum in the Yihezhuang area |
底部垦利组+上更新统地层沉积时期，即晚更新世晚期至早全新世早期，海平面大幅度低于现今水平，侵蚀基准面低于物理界面。河流侵蚀冲刷作用强烈，水动力强，沉积物粒度最粗，平均粒径Mz=4.37 ϕ，粒度集中分布在2.0~5.0 ϕ，占70.38 %，以细砂和粉砂为主。
中部五号桩组一段和二段地层沉积时正值海平面上升，并逐渐越过现今海岸线，基准面随之上升，水动力条件较弱，沉积物经黄河等鲁北乃至华北平原区的渤海湾沿岸河流携带入海，并经过潮汐和波浪作用改造，搬运距离较远，粒度最细，Mz分别为6.33 ϕ和6.16 ϕ。受次级海平面反复升降以及生物扰动等的影响，粒度分布较分散，在3~10 ϕ含量均较高，且分选系数(σI)在1.60左右，分选相对较差。该段地层沉积物粒度细，粘土矿物含量高，且埋藏深度较大，压实作用较强，沉积物较致密。
上部五号桩组三段和钓口组地层沉积时，受黄河体系物源相对较粗和水动力较强等因素影响，该段沉积物粒度较粗，Mz分别是5.59 ϕ和5.84 ϕ，粒度集中分布在3.0~6.0 ϕ，约占70 %，以粉砂和泥质粉砂为主。
(2) 粒度参数交会分析
偏度(SkI)是用来判别粒度分布的不对称程度，河道中常含有悬浮的泥质和粉砂，使粒度分布出现细的尾部，表现出正偏度；而海滩环境中波浪作用能将细粒物质筛选掉，粒度分布中不出现细尾，只保留粗尾，呈现负偏度。
分选系数(σI)和偏度都是反映沉积环境的重要粒度参数，晚更新世晚期至今，位于海陆交互地带的义和庄地区沉积演化复杂，偏度-分选系数交会图中多个时期的数据点分布散乱，未见明显的分区性(图 6a)，而五号桩组海相地层与其余陆相或过渡相地层差异明显，分区效果显著(图 6b和6c)。
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图 6 义和庄地区浅层沉积物偏度-分选系数交会图 (a)全部地层(all strata)；(b)河湖相和三角洲相(river and lake facies and delta facies stratum)；(c)海相层(marine facies stratum) Fig. 6 Sediments grain size parameter crossplot of shallow stratum in the Yihezhuang area |
垦利组+上更新统、钓口组的沉积物(图 6b)主要分布在SkI>0.3的正偏度范围内，反映明显的陆相或陆相继承性特征；同时钓口组沉积物分选系数σI是1.0~1.5，而垦利组+上更新统是1.0~2.1，正是由于晚更新世晚期至早全新世早期寒冷偏干的气候、较大的地形高差以及除黄河外华北平原近物源古河道的贡献致使河湖相沉积物分选更差[39~41]。五号桩组沉积物(图 6c)除在SkI>0.4范围内分布之外，在SkI为0.2~0.4的范围内也有分布，既表明沉积环境为海相，沉积物受一定的波浪作用影响，出现负偏度；同时也表明除波浪外，该地区更重要的地质营力为潮汐，将陆源物质搬运至此，分选淘洗不够彻底，保留较多的陆相沉积特征。
3.2.3 重矿物特征重矿物对于沉积物源和沉积环境有重要的指示意义，其分析指标主要是重矿物含量、种类、组合特征及重矿物指数[42]，其中ZTR指数(即锆石、电气石和金红石3种矿物在透明重矿物碎屑中所占的比例)表示成熟度，其值愈大，成熟度愈高。义和庄地区浅层重矿物分析结果表明(表 6)，以角闪石-绿帘石-石榴石-褐铁矿的组合为特征，磷灰石出现频率相对较高，同时该区云母类和碳酸盐类矿物含量也相对高(图 3h)，具有典型的黄河体系物源特点[43~44]，表明黄河搬运的沉积物是该区沉积的主要物源。
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表 6 义和庄地区浅层重矿物分析 Table 6 Heavy mineral analysis of shallow stratum in Yihezhuang area |
ATi、GZi和RuZi等重矿物指数具有重要的沉积环境指示意义[42]。A样品和E、F、G样品具有高ATi指数、低GZi指数、低RuZi指数的特点，而B、C、D样品具有低ATi指数、高GZi指数、高RuZi指数的特点(表 6)，表明五号桩组沉积时期，为温暖湿润的气候条件，风化作用较强；而垦利组+上更新统和钓口组沉积时期，气候寒冷干燥或温凉偏干，风化作用弱。
4 讨论 4.1 义和庄地区浅层沉积相类型与沉积演化在地层划分和对比的基础上，沉积物的岩石学特征、粒度特征和重矿物分析表明，义和庄地区浅层发育河湖相、潮坪相、浅海相和三角洲相等沉积类型。与5个沉积地层单元相对应，将该区晚更新世晚期以来的沉积演化划分为5个阶段(图 7)。
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图 7 义和庄地区浅层综合柱状图(测年及古气温资料据文献[10，14]) Fig. 7 Composite histogram of shallow stratum in the Yihezhuang area(dating and ancient temperature from references [10, 14]) |
(1) 晚更新世晚期至早全新世早期——河湖相
约12.0~9.0 ka B.P.，正值全球气候由末次冰期的冰盛期向冰后期过渡，温凉偏干，海平面低于现今30~50 m[24]。沉积物主要为黄褐色细砂和粉砂，粒度最粗，粒径集中在3.0~4.0 ϕ，细粒沉积物中发育钙质结核，垂向上见明显的正韵律特征。古生物多为腹足类和再沉积的双壳类和有孔虫；孢粉为草原植物花粉优势带，草本植物以蒿和番蒲占优，木本植物以桦、栎居多[10]。沉积物颗粒中石英含量较低，长石和碳酸盐矿物含量相对较高，砂质沉积物中重矿物含量较高，达0.20 % ~0.46 %，以绿帘石-石榴石-钛铁矿-角闪石组合为特征。根据沉积物特征、沉积相类型和发育的地质历史时期判断，该沉积阶段为鲁北晚第四纪浅层第三期古河道在北东方向的延伸[39~41]。
(2) 早全新世晚期——潮坪相
沉积物的供应量和潮汐作用是潮坪发育的重要条件[35]。晚更新世晚期至早全新世早期，黄河等鲁北的河流将大量沉积物搬运至研究区，为潮坪沉积提供充足的物源供应；同时，渤海沿岸波浪作用弱，潮汐作用强，现今潮差0.5~4.0 m，辽东湾和渤海湾最大可达5.0 m[45]，具备形成潮坪的地质条件。直至现今，渤海沿岸仍是中国潮坪的主要分布区[46]。
该阶段约9.5~8.0 ka B.P.，气候温凉湿润，年平均古气温约14.58 ℃[10]，海平面较之前升高。沉积物以灰黑色、黑色的泥、粉砂质泥为主，出现贝壳层，泥炭发育，整体粒度最细，粒径分散，在4.0~10.0 ϕ均有分布，可见明显的生物钻孔和脉状层理。古生物呈现海陆过渡相，如轮藻、腹足类、Quinqueloculina sp.(五玦虫)、Alocoponcythere sp.(卷转虫)等均有出现。孢粉为松栎混交林草原植被花粉优势带，草本植物中蒿减少，木本植物中出现大量松[10]。沉积物中粘土含量高，尤以伊蒙混层居多，重矿物以褐铁矿和绿帘石为主，沉积物较致密，孔隙不发育。
(3) 中全新世——浅海相
该阶段约8.0~3.0 ka B.P.，全球气候进入冰后期，温暖湿润[47~49]，年平均古气温约14.83~15.03 ℃[10]，海平面进一步升高，海岸线越过义和庄地区。沉积物较复杂，颜色以灰黑色、黑色为主，粉砂、泥质粉砂、粉砂质泥和泥均有发育，粒度较细，组成较分散，3.0~10.0 ϕ均有分布。微体古生物丰度高、分异度大，如Pistocythereis sp.(丽花介)、Neomonoceratina sp.(新单角介)、Alocoponcythere sp.、Ammonia sp.(卷转虫)、Spiroloculina sp.(抱环虫)、Elphidium sp.(希望虫)、Quinqueloculina sp.(五玦虫)、Sinocytheridea sp.(中华美花介)等均有发育，以海相为主。孢粉组合为阔叶林滨岸草原花粉优势带，木本植物以栎占优势，草本以蒿、藜为主[10]。沉积物中粘土矿物含量较高，尤以绿泥石居多，碳酸盐矿物含量低，重矿物以绿帘石、褐铁矿、辉石和石榴石为主。
(4) 晚全新世早期——潮坪相
约3.0~1.3 ka B.P.，气候由冰后期向现今条件过渡，温凉湿润，年平均古气温约13.88 ℃[10]，海平面比中全新世时降低，比现今高约2~3 m[20]。沉积物以灰黑色、黑色的粉砂、泥质粉砂为主，出现贝壳层，可见泥炭，受黄河河道迁移至此的影响，粒度较早全新世晚期的潮坪相粗，集中在3.0~5.0 ϕ。古生物也呈现海陆过渡相，轮藻、腹足类、Ilyocypris sp.(土星介)、Quinqueloculina sp.(五玦虫)等均有发育。孢粉组合类似于早全新世晚期的潮坪相[10]。沉积物中石英和绿泥石含量高，重矿物含量偏高，达0.27 %以上，以石榴石-角闪石-绿帘石-褐铁矿组合为特征。
(5) 晚全新世后期——三角洲相
该阶段即黄河自苏北改道鲁北的1855年至今，现代黄河三角洲逐渐发育形成，气候温凉偏干，海平面即现今的水平。沉积物以黄褐色、棕黄色的粉砂、泥质粉砂、粉砂质泥为主，粒度组成集中在4.0~6.0 ϕ，垂向上可见反韵律。沉积速率快，样品中未检出微体古生物。孢粉组合以草本花粉为主，其中蒿和藜占绝对优势[10]。碳酸盐矿物含量高，重矿物以角闪石、磷灰石、褐铁矿等为主。
该阶段地层与下伏地层存在不整合接触关系，尤其在距海岸线更近的YD12、YD13孔等处更明显，三角洲相直接覆于浅海相地层之上，表明黄河改道至此后冲刷作用强烈，约1150年间的沉积物被冲刷带走[14]。
5个阶段地层中重矿物含量存在差异，但主要矿物相似，多呈现绿帘石-褐铁矿-石榴石-角闪石等组合，轻矿物中石英含量低，长石含量偏高，云母类和碳酸盐类矿物丰富，黄河体系物源特征明显。自黄土高原起，途径黄河干流中下游、义和庄地区，至黄河口莱州湾止，重矿物含量逐渐降低，体现物源方向和沉积物搬运路径[50~52]。
值得注意的是，海平面的升降是多期次一级海平面反复升降叠加的结果，尤其中全新世的海侵在5.5~5.0 ka B.P.出现一次较明显的次一级海退。该事件在华北平原浅层有明显响应，如沧州沿海地区中全新世海相地层中存在陆相或海陆过渡相沉积[53]，海兴高湾孔同期海相地层中夹泥炭层，埋深12.1 m，年代约5.0 ka B.P.，黄河三角洲G-96和G-97孔B元素丰度曲线出现两个峰值，也指示大范围海侵中的短暂海退[15]，同时期在中国东部沿海以及日本沿海、俄罗斯远东沿海也有相应记录[54]。同样，该事件也对黄河三角洲义和庄地区晚更新世晚期以来的沉积特征产生了重要影响，根据测年资料，5.5~5.0 ka B.P.地层深度约14~17 m，YD6、YD8和YD12等孔在该深度的浅海相地层中发育薄层的贝壳层、泥炭层和脉状层理等，由浅海相变为海陆过渡相的特征明显。
4.2 对油气勘探中地震激发层选择的影响 4.2.1 激发层选取原则随中国东部油田勘探程度的提高，勘探的目标逐渐由构造油气藏向岩性油气藏过渡，需要高品质的地震资料支撑。在激发药量、接收方式等因素确定的情况下，激发层位的选择是决定地震信号质量优劣的关键因素[55]。义和庄地区的构造位置属济阳坳陷沾化凹陷北部，是胜利油田的重要产油区，在浅层沉积特征研究的基础上，探讨该区最佳激发层位的选取，对于油田实际生产有重要的指导意义。
激发层的选择一般兼顾两个方面：一是较大的激发深度，激发层处于潜水面以下，炸药爆炸产生的大部分能量向深部地层传播，减少能量散失；二是激发层的岩性(即沉积物类型)以及含水量，该因素决定爆炸产生的地震波的频带宽度，在多数情况下，激发层岩性的选择比激发深度及其与潜水面的关系更重要[56]。潍北、苏里格等地大量勘探实践表明，激发层的优劣与沉积物粒度、泥质含量、压实程度和含水量等因素直接相关，应选取潜水面以下、沉积物分布稳定、粒度较细、泥质含量高且压实较致密的层位作为激发层[57~58]。
晚更新世晚期以来的海平面升降和黄河河道迁移导致义和庄地区浅层沉积环境复杂多变，在确定激发层岩性和深度选取原则的基础上，应综合分析该区的实际影响因素，确定适宜该区的激发层。
炸药被激发后产生的上行波传播至强波阻抗界面(即虚反射面)会反向下行，激发点至虚反射面的距离越小，得到的地震信号品质越好。近地表的潜水面是最可能的虚反射面之一，义和庄地区地处河口区，且地势平坦，地表海拔2~5 m，潜水面位置较高，一般距地表 2 m左右。较高潜水面高度在本区激发层的选择中具有重要的参考价值，它决定激发层深度可较小，钻探炸药孔时能够节省生产成本，同时表明该区浅层沉积物中含水率较高。
地震波在浅层的疏松介质中传播速率很低，该疏松介质即低速带。地震波在低速带中能量散失严重，频率降低，同时其底界面是强反射面，会导致多次反射，扰乱地震信号，因此激发层应尽量避开低速带，并选在低速带下方。义和庄地区浅层的两期潮坪相地层中均发育贝壳层，贝壳碎片分布杂乱，碎片间孔隙发育，分选磨圆极差，且贝壳主要成分为碳酸钙，而沉积物颗粒主要为石英和长石，成分差异明显，构成了该区浅层的两个低速带，同时浅海相地层中由于多期次级海平面升降的影响，也零星发育贝壳层，对激发层的部署产生重要影响。
根据选取激发层的理论要求，结合义和庄地区浅层虚反射面和低速带的分布，确定了该区激发层选取的原则：1)选取含水的细粒沉积物层作为激发层，以泥质层为最佳，该原则是激发层选择的决定性因素；2)避开低速带，并在低速带下方激发；3)选取一定的激发深度，既能使大部分的能量向下传播(实际生产表明激发层深度应大于12 m)，又能离虚反射面(即潜水面)较近，得到较好的地震品质。
4.2.2 激发层选取结果和激发效果12 ka B.P.黄河三角洲地区及邻区的断层活动结束，并进入缓慢沉降时期[23]，因此义和庄地区浅层沉积物的形成以及分布主要受控于沉积作用。浅海相12~14 m深度的地层，以及浅海相与下部潮坪相交界处的16~18 m深度地层(图 7)，沉积时期正值末次冰期结束并过渡到冰后期，海平面上升，侵蚀基准面随之上升，水动力条件弱，沉积物经潮汐和波浪等作用搬运至此，粒度最细，Mz>6 ϕ，以泥和粉砂质泥为主，粘土矿物含量高，压实致密，孔隙不发育，且地层横向分布稳定，处于上部的低速带之下。综合多个因素分析，这两个层位是义和庄地区最佳的地震激发层位(图 8)。进一步分析，12~14 m层位的下部有零星的低速体分布，对地震波的下行有一定干扰，故16~18 m层位作为激发层更有优势。
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图 8 义和庄地区浅层地震激发层位 Fig. 8 The optimum seismic excitation horizons in the Yihezhuang area |
后经单炮试验证实，16~18 m深度激发收集到的地震资料频宽2~75 Hz，主频35 Hz；而其他层位激发得到的频宽2~48 Hz，主频15 Hz。显然16~18 m激发的地震资料主频更高，低频信息更丰富，能够反映更多的地下信息，分辨率更高，资料品质更优。
5 结论(1) 黄河三角洲义和庄地区浅层自下而上依次发育上更新统+垦利组、五号桩组一段、二段、三段、钓口组地层。其中，底部垦利组+上更新统是早期的河湖相沉积；五号桩组是全新世的海侵层，构成区内晚第四纪地层的主体，五号桩组三段在北东方向逐渐减薄并尖灭；顶部钓口组是海退后黄河河道迁移至此形成的近现代三角洲。
(2) 义和庄地区浅层主要发育黄褐色、灰黑色的粉砂、泥质粉砂和粉砂质泥，细砂和泥较少，自下而上呈现粗—细—较粗的粒度分布特征，垦利组+上更新统和钓口组的沉积物呈正偏度，而五号桩组沉积物在SkI为-0.2~0.9范围内均有分布，表明陆—海—三角洲的沉积环境变迁，在海相地层沉积时，潮汐是重要的地质营力。五号桩组三段和一段发育贝壳层，指示全新世的海侵与海退。重矿物以角闪石-绿帘石-石榴石-褐铁矿的组合为特征，磷灰石出现频率高，云母类和碳酸盐类矿物含量高，表明黄河搬运的沉积物是该区沉积的主要物源。
(3) 晚更新世晚期以来，受气候冷暖交替影响的海平面升降和黄河河道迁移是影响义和庄地区浅层沉积特征的主要因素。沉积演化经历5个阶段：晚更新世晚期至早全新世早期、早全新世晚期、中全新世、晚全新世早期和晚全新世后期，依次发育河湖相—潮坪相—浅海相—潮坪相—三角洲相，形成陆—海—过渡相的地层格局。
(4) 义和庄地区浅层的沉积特征对油气勘探中地震激发层的选择有重要影响，本区激发层应选取具有一定深度的含水泥质层，且避开贝壳层等低速带，最终确定五号桩组一段16~18 m深度的地层为最佳激发层位。
致谢: 感谢中国科学院海洋研究所激光粒度实验室王红莉老师协助完成沉积物粒度测试，中国石油大学(华东)地球科学与技术学院古生物实验室沈一新老师协助完成微体古生物鉴定，河北省地质测绘院岩矿试验测试中心的张佩萱老师协助完成重矿物测试!感谢审稿专家和杨美芳编辑对本文提出的修改建议!
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2 Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, Shandong;
3 CNOOC Research Institute Co., Ltd., Beijing 100028;
4 School of Earth Science and Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083;
5 Shandong Zhengyuan Geophysical Information Technology Limited Company, Jinan 250101, Shandong;
6 CNOOC(China) Co., Ltd. Shanghai Branch, Shanghai 200335)
Abstract
This paper focused on the sedimentary characteristics of shallow stratum in the Yihezhuang area of Yellow River Delta and its impact on choosing the seismic excitation layer. Global climate was transformed from Last Glacial Maximum to post glacial since the late stage of Late Pleistocene. Affected by sea level eustacy and channel migration of Yellow River, the sedimentary characters in the Yihezhuang area of Yellow River delta which located in continental-marine interaction zones was complicated. A comprehensive analysis of the sedimentary characteristics in this area were performed from the aspects of stratigraphic division and contrast, the characteristics of sediments and sedimentary evolution. The study showed that this area formed a continental-marine interaction stratum pattern affected by the paleogeographic condition. The stratum was divided into 5 units from bottom to top, including the Upper Pleistocene and Kenli Formation, the 1st Member of the Wuhaozhuang Formation, the 2nd Member, the 3rd Member, and the Diaokou Formation. The results also indicated that the sedimentary evolution experienced 5 stages:from the late stage of Late Pleistocene to the early stage of Early Holocene, the late stage of Early Holocene, the Middle Holocene, the early stage of Late Holocene, and the late stage of Late Holocene, respectively. Correspondingly, fluvio-lacustrine facies, tidal flat facies, neritic facies, tidal flat facies and delta facies were developed. Furthermore, this research provided effective guidance for the exploration and production in oil field. The selecting principle in oil-gas exploration of seismic excitation layer in Yihezhuang area was proposed by analyzing comprehensively the formation lithology, depth, ghost reflector and low velocity layer. The depth from 16 to 18 meters was confirmed the best excitation layer, and seismic data obtained from this layer had wider frequency band, higher frequency and more abundant low-frequency information.