0 引言

从上世纪50年代Fisk在研究密西西比河三角洲时提出浅水三角洲认识以来^[1]，大量学者对浅水三角洲进行了深入的研究^[2-4]。国内对于浅水三角洲的研究开始于上世纪80年代，目前，主要的含油气盆地如松辽、渤海湾、鄂尔多斯、塔里木和准噶尔等都有浅水三角洲沉积的相关报道^[5-8]。针对不同地区浅水三角洲沉积背景、形成条件、砂体展布、沉积特征等方面进行详细分析，对于浅水三角洲发育条件，大多数学者认为应满足以下地质条件：1)较浅的水体环境，具有频繁多变的湖平面；2)相对稳定的构造环境，具备盆广坡缓的古地形；3)整体缓慢沉降的大型坳陷盆地环境，具备充足的古物源^{[5, 7, 9-11]}。与此同时越来越多的学者也开始关注气候变化对浅水三角洲沉积的影响，认为不同气候条件下三角洲砂体形态具有差异性。对于干旱气候条件而言，已有学者对松辽盆地^{[5, 12]}、柴达木盆地^[13-14]进行大量研究，认为其浅水三角洲与湿润气候下浅水三角洲具有以下几方面的差异：1)湖泊蒸发量大，湖盆发生收缩，以河流沉积作用为主，三角洲平原亚相大面积分布，而前缘亚相分布范围局限；2)干旱气候条件下由于水体的不稳定性导致泥岩频繁出露水面遭受氧化，因此导致氧化色泥岩与弱还原色泥岩的频繁交互出现；3)干旱气候引起的湖盆萎缩导致前三角洲发育较少，很少见大套前三角洲泥岩发育。

近年来渤海南部海域黄河口凹陷新近系油气勘探取得突破，不断有大型浅水三角洲油气藏的发现，相继发现了渤中25-1S、渤中28-34等浅水三角洲储层砂体的大中型油田，获地质储量超过10亿方^[6]。但以往对于海域内浅水三角洲的研究大多集中于明化镇组下段^[15-16]，虽然部分学者对海域内馆陶组浅水三角洲环境也有所论述^[17-18]，但与之相关的学术研究却少有报道。

庙西南凸起及其周缘是近几年海域内新近系研究的热点，该区周边蓬莱19-3、蓬莱25-6及蓬莱19-9油田均证实本区馆陶组为主要的油气富集层段，但对于该区馆陶组沉积类型存在不同的观点，部分学者认为本区以曲流河沉积为主^[19-20]，也有人认为以辫状河为主，还有学者认为该区以辫状河三角洲沉积为主^[21-22]，目前仍没有统一的认识。但显然，明确其馆陶组沉积体系类型及分布特征，有利于后期油气的精细勘探与开发。因此，本文利用庙西南凸起蓬莱20油田、渤南低凸起东部蓬莱19-3油田、蓬莱25-6油田已钻井资料结合地震资料及各项分析化验技术对庙西南凸起西南端馆陶组沉积相进行了详细分析，明确了该区馆陶组时期为干旱气候条件下浅水辫状河三角洲沉积体系，同时分析了不同时期沉积砂体沉积演化特征，为该区下一步勘探提供一定的借鉴意义。

1 区域地质背景

渤海海域作为渤海湾盆地在海上的区域，是陆上含油气盆地向海域的自然延伸。但与华北含油气盆地陆区新近系相比，海域新近系沉积有着明显的不同^{[17, 22]}。陆地区域由于其紧邻物源区，新近系整体以粗粒沉积为主，表现为冲积平原沉积；而新近系渤海海域作为渤海湾盆地沉积沉降中心，是陆源碎屑物质最终的归宿。

庙西南地区位于渤海海域东侧边界处，西边毗邻渤中凹陷，东边紧邻胶辽隆起，也是郯庐走滑断裂穿越的区域(图 1)。前人利用蓬莱19-3油田重矿物分析、粒度分析及地震资料认为馆陶组时期源岩主要来自东部胶辽隆起^[21]，后期对庙西南凸起蓬莱20-2油田重矿分析证实馆陶组时期同样以东部胶辽隆起物源为主，两者物源具有一致性。此外蓬莱19-3油田馆陶组大量古生物分析证实本区存在浅水湖泊，见有丰富的渤海藻属、副渤海藻属、锥藻属及角凸藻属等一系列滨浅湖沉积中常见的藻类属种，其含量一般介于25%~40%，个别含量高者可达45%，已有学者证实这些湖泊类化石不属于再沉积产物^{[6, 17, 22]}，胶辽隆起充足的古物源及浅水湖泊的发育为本区发育浅水辫状河三角洲奠定了基础。

2 浅水辫状河三角洲发育背景 2.1 古构造背景

相对稳定的构造环境，具备盆广坡缓的古地形是形成浅水三角洲的基本条件。湖底地形的坡度直接影响水体摩擦力的大小和波浪能量对河口沉积物的改造程度^[23-25]。渐新世末，受到印度板块与欧亚板块之间的碰撞，中国西部地区开始隆升而东部则整体开始沉降，同时由于裂陷作用的基本结束导致区域隆升，湖盆萎缩，盆地区先期沉积地层部分遭受剥蚀均夷，盆地进入了区域性坳陷特点的后裂陷阶段^[26]。渤海海域成为渐新世晚期以后的沉降中心。利用平衡剖面法对庙西南凸起及其周边地质历史上各个时期地质体空间形态、位置和相互关系进行了恢复(图 2)，从所绘制的平衡剖面来看，研究区自馆陶组沉积初期具有基底稳定均匀沉降的特点，地势平坦，地层的产状也接近水平，地形坡度小于1°，对研究区馆陶组地层厚度进行统计得出馆陶组时期地层厚度变化不大。由此可见，研究区在馆陶组时期具有盆浅湖阔的古地形，为大型浅水三角洲的发育提供了稳定沉降的盆地构造基础。

2.2 古水体背景

作为基于湖(海)水深度进行三角洲分类的一种三角洲类型，水体深度也是判别浅水三角洲的条件之一。对于古水深的确定，目前多基于以下几个方面：1)具有水深意义的生物标志^[27]，比如钙藻、介形虫与颗石藻等；2)能指示水深的沉积结构、自生矿物等^[28]；3)能够揭示古水深的地球化学特征^[29]，比如U/Th、V/Cr、Ni/Co和自生U含量。本次对研究区古水深的确定以古生物及微量元素分析为主。古生物方面：河流相藻类特征以绿藻和疑源类的毛球藻等为主；河湖过渡相以疑源类中光面球藻、粒面球藻常见为主要特征；湖相藻类沟鞭藻、疑源类、绿藻均有分布。蓬莱19-3油田及蓬莱20-2油田古生物分析资料证实馆陶组常见藻类以毛球藻、盘星藻、光面球藻、粒面球藻等为主，其中蓬莱20-2油田区以河流相及河湖交互相的绿藻及疑源类的毛球藻等为主，而蓬莱19-3油田馆陶组底部及顶部沟鞭藻、疑源类发育，且见有丰富的渤海藻属、副渤海藻属等滨浅湖沉积中常见的藻类属种，反映蓬莱19-3油田区在馆陶组沉积早期及晚期均存在有浅水湖泊(图 3)。元素分析古水深大多为定性的分析，但有学者^[30]利用沉积岩中钴(Co)含量来定量推算古水深，且取得了不错的效果。本次利用PL20-2-A井钴(Co)含量对蓬莱20-2油田区馆陶组最大古水深计算认为水深介于3~14 m，平均值10 m(表 1)。同时沉积构造也是反映水体深度及动力学的良好标志，由于浅水三角洲水体较浅、其层理的形成更多受控于河流作用，研究区大量取芯资料显示馆陶组发育大型交错层理、斜层理，显示其水体深度整体应小于20 m。综合考虑古生物、元素分析及沉积构造特征认为研究区整体处于浅水环境、水深应小于20 m，蓬莱19-3油田区馆陶组沉积早期及晚期水深较大、存在浅水湖泊，而蓬莱20-2油田区馆陶组沉积时期整体水深较蓬莱19-3油田浅。

2.3 古气候背景

对于在浅水缓坡沉积环境形成的三角洲而言，气候是浅水三角洲形成发育和展布形态的主要控制因素。在不同气候下形成的浅水三角洲沉积特征各不相同，特别是三角洲前缘分流河道的组合形态和三角洲前缘的面积可发生较大变化。现代实例观察及模拟实验证实对于干旱气候形成“大平原，小前缘”特征，而潮湿气候则形成“小平原，大前缘”的特征^{[5, 12-14]}。

孢粉资料是较易获得并能反映地质时期气候变化的直接证据，孢粉组合的纵向变化反映了古气候的变化与沉积环境的变迁。研究区暖温带落叶阔叶树种胡桃科丰富、榆粉属较为常见，暖温带桦科大量发育，喜湿的枫香粉属、伏平粉属等几乎绝迹，总体反映了偏干旱的暖温带气候。此外特征矿物组合及微量元素也可用来判别古气候，研究区已钻井显示馆陶组时期处于干旱的气候环境，表现为扫描电镜中见大量结晶形态完好的石盐晶体(图 4a，b)，此外还见有晶体结晶程度较高，晶形完好的钙芒硝晶体(图 4c)，作为干热气候指示矿物^[31]，该晶体的出现认为是在浓缩卤水的淡化阶段，直接从卤水中快速结晶出来^[32]。此外沉积岩中含有的常量元素、微量元素及其中某些元素的比值已经被广泛用于恢复古气候^[33]，如Sr /Ba值及Sr/Cu值，其计算比值越高代表气候相对干燥。研究区馆陶组Sr /Ba值较之东营组及明化镇组下段整体偏高，表明馆陶组时期气候干燥；Sr/Cu比值介于1~10指示温湿气候，而大于10指示干热气候^[34]，馆陶组Sr/Cu比值介于8.7~46.2，同样证实为干旱气候环境(表 1)。此外对沾化凹陷馆陶组陆相螺化石层同位素分析^[35]及孤东油田馆陶组微量元素分析^[36]证实区域上馆陶组存在一次重要的气候干热化事件，气候条件由湿温气候逐渐向干旱气候过渡。

综合分析，庙西南凸起及周缘馆陶组时期地形平缓，在蓬莱19-3油田区存在浅水湖泊特征，具有发育浅水三角洲沉积的背景，且干旱或半干旱的气候环境下东侧胶辽隆起母源区强烈的物理风化作用为大型浅水三角洲的形成提供了丰富的物质基础。

3 浅水辫状河三角洲沉积特征 3.1 粒度较粗、塑性岩屑较多、成熟度低，显示近源沉积

对庙西南凸起蓬莱20-2油田及周边蓬莱19-3油田、蓬莱25-6油田15口井岩芯、壁芯观察及岩石薄片鉴定进行统计认为，庙西南凸起馆陶组整体粒度较粗，岩芯及壁芯中均可见砾石(图 5a，b，c)，砾石主要粒径介于0.5~2 cm，最大粒径4.3 cm，以石英岩岩屑及其他变质岩岩屑为主。岩石薄片鉴定馆陶组岩石类型为长石岩屑中砂岩，其中石英颗粒含量占5%~46%，长石约占16.5%~43.5%，岩屑占16.5%~76.5%。岩屑组成上蓬莱20-2油田、蓬莱25-6油田及蓬莱19-3油田均以变质岩岩屑(变质石英岩为主)及少量火成岩岩屑(中酸性喷出岩)为主，反映出三者具有相似的物源供给，均来自南侧胶辽隆起。岩石成分成熟度Q/(F+R)较低，平均值为0.38，杂基含量较低，平均值为4.5%，颗粒分选较好，磨圆以次棱—次圆为主。低成分成熟度、较粗的粒度显示为南侧近源沉积，同时大量含砾砂岩证实以辫状河供源体系为主。此外蓬莱19-3油田某井在1 415~1 416 m取芯段见多套煤线发育(图 5e)，显示其浅水三角洲平原特征。

3.2 沉积水动力强，反映较强牵引流作用的粒度概率曲线

辫状河的物源体系导致研究区整体具有强的水动力强度，研究区所取岩芯中发育有丰富的、强水动力成因的沉积构造，如冲刷面(图 5d，f)、平行层理(图 5i)，槽状交错层理(图 5j，k，l)、楔状交错层理以及泥砾定向或叠瓦状排列等。同时也可见静水沉积环境下含钙粉砂岩沉积(图 5g)，显示水下沉积特征。粒度概率累积曲线表现为典型的两段式，跳跃总体和悬浮总体发育。垂向上多表现为多期次正韵律叠加，多期河道间可见明显冲刷面(图 5f)。

3.3 发育多叉的分流河道，但单层厚度薄，砂地比值低

水槽模拟实验^[37-38]、大量现代实例研究^[39-40]及中国西部地区大范围分布的辫状水系证实缓坡区域同样有可能发育有辫状河沉积，同时实验数据及Weissmann et al.^[41]运用Google Earth对全球700多个冲积河流沉积体系、张昌民等^[42]对中国西部沉积盆地发育的分支河流体系统计可以得出对于小于1度的地形其河流延伸范围仍可达到40~50 km。因此对于缓坡浅水三角洲而言，只要物源供给充足就有可能形成大面积浅水三角洲。但由于地形平缓导致分流河道不稳定，在平面上频繁改道，砂体横向变化快，单砂层厚度较薄，砂地比低，这也是浅水三角洲有别于其他三角洲的要素之一。研究区馆陶组沉积时期构造背景稳定，受干旱气候影响东侧胶辽隆起供源丰富，馆陶组沉积物总厚度约400 m，由于地形平缓分流河道不稳定，在平面上频繁改道、合并和废弃，砂体大面积分布，但横向变化快。单砂体厚度多集中在0~5 m间，最大砂层厚度可达21 m，整体砂地比低，在0~0.45间变化，平均值为0.32，随着向凹陷中心推进，水动力减弱，砂层厚度减薄，砂地比值降低(图 6)。

3.4 反映河流沉积的紫红色泥岩大面积展布

泥岩自生色是恢复古沉积环境氧化还原的重要标志，同时在缺少探井资料区也是简易划分亚相的手段之一。通过对研究区取芯资料及系统的岩屑观察发现，研究区馆陶组泥岩颜色自下而上整体呈现出紫红色—杂色—黄褐色—灰绿色的特征(图 5h、图 6)，显示出沉积时期水体的动荡变化特征，同时也反映了水体较浅的氧化—弱氧化环境。

4 馆陶组时期砂体特征及演化分析

浅水三角洲砂体由于其沉积特征与河流相具有的明显差异，具有优越的成藏条件。研究区蓬莱19-3油田馆陶组中段更是有砂便有油，显示了本区浅水辫状河三角洲砂体优越的成藏背景，因此对于其砂体的演化深入分析有助于进一步了解其特征。

前已述及，构造变化、气候、湖平面变化影响着浅水辫状河三角洲沉积，所以地形及气候是影响浅水三角洲砂体形态的关键因素。以蓬莱20油田为例，根据研究区气候的转变及与古地形的耦合关系，利用三维可视化、地震属性、地层切片等技术，结合区域内探井、评价井岩性资料，认为馆陶组不同时期浅水三角洲砂体的形态具有孤立式、多边式及切叠式三种砂体结构。

4.1 馆陶组时期砂体特征 4.1.1 馆陶组初期—孤立叠置式砂体样式

馆陶组初期，蓬莱20-2油田及蓬莱19-3油田整体以三角洲平原亚相为主，但在蓬莱19-3区由于发育浅水湖泊，局部存在浅水三角洲前缘亚相(图 5g)。沉积微相以辫状分流河道及河道间沉积为主，辫状分流河道由底部滞留沉积、废弃充填组成。钻井显示其单层砂体较厚，砂体最厚22.3 m，最小仅0.8 m，平均厚4.8 m，主要集中在3~7 m(图 6)。垂向上形成由多期次相互切割并连续叠置的河道砂体，沉积物粒度较粗，从底部往上形成细砾岩—含砾粗砂岩—粗砂岩—中砂岩的正旋回，呈多个次级正旋回叠置，这也是浅水辫状河三角洲最重要的识别标志。测井曲线呈尖锐锯齿状、GR曲线以中高幅光滑、齿化厚箱型为主，少量为钟型为特征；地震剖面上表现为低频、弱连续、短轴状、中强振幅反射特征。辫状分流河道间以泥岩为主，泥岩颜色以偏氧化色的红褐色及黄褐色为主。由于受古地形影响，河道与河道间在平面上相对孤立，蓬莱20-2油田馆陶组底部厚砂层油水关系矛盾也证实平面上河道相对孤立。

4.1.2 馆陶组中期—多边叠置式砂体样式

馆陶组中期多边式砂体是研究区重要的油气富集段。逐渐干旱的气候导致水体面积减少，泥岩颜色及取芯资料显示蓬莱20-2油田主要以浅水辫状河三角洲平原亚相为主，微相以辫状分流河道及河道间沉积为主，紫红色泥岩与灰色泥岩的不断交互反映出水体变化强烈，而蓬莱19-3油田区则主要为浅水辫状河三角洲前缘亚相为主，微相以辫状水下分流河道及水下分流河道间沉积为主，泥岩颜色多以灰绿色、浅灰色为主，岩芯中可识别出水下决口扇微相。受气候及地形的影响河道宽而浅，整个研究区馆陶组中部大部分河道砂体厚度小于2 m，而蓬莱19-3油田由于处于浅水三角洲前缘亚相，水下分流河道局部叠置导致部分单砂层最大厚度可达20 m，但取芯资料可识别出多期砂体叠置关系(图 6)。横向上由于河流频繁迁移形成广泛分布的分流河道(及水下分流河道)复合体，其平面形态具有与席状砂相类似的特点，平面呈放射状分布且叠置连片，但粒度较粗且发育典型交错层理是其与席状砂间的典型区别。同时大面积叠置连片的砂体分布也为油气横向运移提供路径，研究区馆陶组中段大套含油段证实砂体间连通性好。

4.1.3 馆陶组晚期—切叠连片式砂体样式

馆陶组晚期研究区气候由干旱气候逐渐向湿润亚热带转变，气候变化导致湖平面的升高，整个研究区沉积相整体以浅水辫状河三角洲前缘亚相为主，微相以辫状水下分流河道及水下分流河道间沉积为主。水动力的增强导致砂体厚度较大，一般介于11~21 m，最大砂体厚度35 m，尤其馆陶组顶部厚度在15~20 m的厚砂层，其测井相应表现为齿化厚箱型，地震剖面上表现为低频、强连续、强振幅反射特征，全区稳定分布(图 6)。但壁芯及岩芯资料显示厚砂层是以多期砂体相互叠合为主，不同河道间发育明显冲刷面，后期河道对前一期河道有明显的切割、侵蚀、冲刷破坏作用，如PL25-6-A井馆陶组顶部15 m厚砂层测井响应为一整套砂层，但其取芯段可见6期明显冲刷面(图 7)。泥岩颜色研究区整体以灰绿色为主，显示水下沉积。

4.2 砂体演化分析

馆陶组初期，海域内古近系到新近系断坳转化导致区域构造活动强烈，对古近系剥蚀顶面的填平补齐，该时期可容纳空间增长速率较低，但沉积物供给充足，粗粒沉积物快速堆积并强烈进积。而研究区又因次一级基准面下降，上升半旋回上部的细粒物质被冲刷侵蚀而仅保存下部的粗粒沉积，导致底部形成大套河道砂体与薄层泥岩互层特征^[43-44]，该时期由于物源供给充足，研究区整体岩性以砂砾岩、含砾中砂岩为主，向上呈正旋回。同时馆陶组底部砂岩百分含量显示从蓬莱20-2油田到蓬莱19-3油田砂岩含量逐渐减少，也证实了物源来自东北方向的胶辽隆起。

到馆陶组中期，在经历了馆陶组初期填平补齐作用之后，馆陶组中期研究区整体处于非常平缓的古地貌背景下，古气候从半干旱向干旱转变，由于气候的变化导致湖泊蒸发量大，湖盆发生收缩，河流沉积作用大范围发生，研究区仅在蓬莱19-3油田发育前缘亚相，形成典型的“大平原、小前缘”的特征，同时坡度的减缓，主河道不断分叉向四周散开，携带的碎屑物质快速沉积，易于形成宽阔但低浅的小型河道沉积。近几年国内外大量学者也证实不管是河流沉积还是三角洲沉积在干旱气候条件下平缓区域极易形成由某一点向四周扩散的河道类型，在平缓地形上形成发散状三角洲，在这种模式下由于河道极易改道在纵向上形成薄层砂体与薄层泥岩互层的特殊现象，平面上从近物源区向远物源区单砂层厚度逐渐减薄，砂岩百分含量也逐渐减少^{[41-42, 45-46]}。研究区从近物源的蓬莱20-2油田往远物源的蓬莱19-3油田同样呈现单砂层逐渐减薄的特征。

馆陶组晚期研究区气候由干旱气候逐渐向湿润亚热带转变，气候的变化导致水流的增大，而充足的沉积物供给造成砂体呈切叠式样式，反映了在基准面低幅上升过程中，可容纳空间的增长率远小于沉积速率，因此大部分的沉积物由于受到水动力改造无法保留下来。而当基准面再一次下降时，由于可容纳空间的再次减少导致河流冲刷作用加强，早期沉积下来的细粒物质被冲刷近残留底部部分，形成底部具冲刷面与单一向上变细的块状分流河道砂体。当基准面再一次升降时，重复上述过程，最终导致形成向PL25-6-A井顶部多期砂体相互叠合的特征。

综上所述，气候变化引起的湖平面变化是本区砂体叠置样式多样的原因。馆陶组早期虽物源供给充足，但受古地形影响河道砂体样式呈孤立式，砂体间难以有效连通，含油性整体以油水同层及含油水层为主；而馆陶组中期干旱气候下河道的频繁改道导致虽然单层厚度较薄但平面叠置连片利于横向连通，有助于油气横向运移；顶部切叠式砂体由于砂体厚度大横向展布广其油气主要受构造控制，在构造高部位成藏，但由于储层较厚，侧封性是影响其成藏的关键。因此馆陶组中部多边式及顶部切叠式砂体是本区下一步勘探的重点。

5 结论

(1) 渤海海域庙西南凸起馆陶组构造稳定，古地形坡度小于1°；气候分析证实该时期以半干旱—干旱气候为主，低的古地形及强风化作用为研究区形成浅水辫状河三角洲提供了基础。

(2) 干旱的气候条件造成研究区湖盆稳定，形成“大平原，小前缘”的特征，平原亚相则以河流沉积作用占据主要为主，表现为研究区馆陶组浅水辫状河三角洲岩性在不同时期具有差异性，馆陶组底部以分支河道砂砾岩、含砾粗砂岩为主，向上粒度逐渐变细；馆陶组中部及顶部以含砾中砂岩及中细砂岩为主，整体含砾特征反映近源沉积特征；紫红色泥岩与杂色、灰绿色泥岩交互沉积是干旱气候下浅水三角洲的典型特征，多变的泥岩颜色一方面反映本区水体的频繁变化，另一方面也是本区亚相划分的关键。

(3) 气候变化及古地形坡度是影响本区砂体形态的关键因素。在整体充足物源背景下馆陶组早期河道沉积，但受古地形的影响砂体形态以孤立叠置式为主，砂体单层厚度较大但横向连通差；中期干旱的气候及平缓的地形使得研究区发育类似辫状分支河道沉积，单砂层较薄但平面叠置连片沉积；晚期气候变的湿润，水动力增强，水体面积增加，导致前缘亚相水下分流河道发育，形成多期叠置连片的砂体沉积。