0 引言

水下沉积物重力流理论作为一种新的理论为沉积学注入了新的血液，解决了长期迷惑不解的深海砂体和递变层理成因等现象，也改变了人们对沉积学研究的传统思维模式^[1-5]。近六十年来，水下沉积物重力流沉积理论发展极为迅速，但由于重力流运动、沉积自身的复杂性及运动过程难以观察，导致重力流分类方案至今没有定论，重力流流体性质转换方式及转换机理尚不明确，现有的重力流沉积模式不断被质疑或否定^[6-12]，这直接影响了基于重力流沉积理论所进行的储层砂体展布预测，给油气勘探开发带来了极大困难^[13-15]。

从油气勘探的角度而言，重力流沉积理论研究的最终目的是通过局部(单井)沉积物分析实现区域上砂体分布的模拟与预测^[16-18]。根据岩相及岩相组合特征进行沉积物成因解释是进行古地理恢复的主要手段，只有准确判定沉积物的流体成因，才能根据流体的运动及沉积物的展布机理进行沉积物展布预测，从而有效指导油田勘探开发^[19-21]。

本文在重力流运动过程中沉积层序形成机理实验研究的基础上，结合重力流“流体性质转换”的沉积体系分析理论，通过建立岩石相分布模式，结合古物源方向对滨南油田沙三下亚段进行了精确的砂体展布预测，该方法具有科学性和理论性依据，且具有更高的精度，为整个东营凹陷北坡的砂砾岩储层油气勘探提供了新的理论基础。

1 地质背景

滨南地区位于东营凹陷北部陡坡带，构造上属于滨南—利津断裂带的西段，东邻利津生油洼陷，北为滨县凸起^[22]。滨县凸起作为剥蚀区紧邻沉积凹陷且受滨南—利津同生断裂的控制，大量的粗碎屑入湖后在靠近断层下盘的深水区沉积，形成近岸砂砾岩沉积体系^[23]。这些粗碎屑沉积物构成的砂砾岩扇体平面上沿滨县凸起平行走向，以物源近、规模小、沉积厚度较大、沉积相带变化快为特点^[24-26]。由于同生断层的存在，在扇体的前端，沉积物滑塌形成滑塌浊积扇体系。通过对这些扇砾岩体的空间分布关系、沉积类型和沉积微相的研究，明确了研究区的扇体沉积构成、发育规律、空间展布和储层分布特征。

碎屑岩成分成熟度参数(Q/F+R)显示沙三段从滨县凸起往凹陷方向表现出增大的趋势，同时稳定重矿物含量也表现出增大的趋势，结合岩性分布特征说明沙三下亚段时期物源方向主要来自滨县凸起。

沙三段薄片分析表明，研究区砂砾岩体沉积物中含中生界火山岩、碎屑岩和太古界花岗片麻岩碎屑，这有母岩风化剥蚀产生的大量碎屑物质直接入湖沉积，显示近源沉积特性。古近系中亚热带温湿气候为沉积物提供了条件，南北分断块、东西有沟梁的古地貌为碎屑物质的大规模运移创造环境，北部陡坡带沉积物供给量大，容易在边界断层的下降盘形成较大规模的砂砾岩体沉积体系。

2 岩石相成因分析

沙三下亚段时期滨南地区湖盆深陷，水体较深，陆相碎屑供应充分，在滨县凸起南坡一带广泛发育重力流沉积体系^[27-28]。50余口探井的岩性数据分析表明，灰黑色泥岩占42.59%，砾状砂岩含量21.67%，砾岩含量为22.05%，砂砾岩分选差、呈次棱角状－次圆状。在此基础上，根据岩心描述结果，总结出以下岩相类型并从流体性质转换的角度对岩石相成因进行分析。

(1) 杂基支撑杂乱砾岩相(Gmd)

杂基支撑砾岩相以砾石无序排列、杂基支撑的砾岩特征，垂向上通常为1~20 m厚。砾岩分选差，不等粒，泥质基质含量占体积的25%~35%。砾石磨圆度为棱角状—次棱角状。该岩相底部常出现刻蚀构造与下伏岩层表现为不均接触(图 1A)。这种岩相在所有的岩心剖面中大约占10%的比例。高基质比率、内部无序砾石排列，底部叠瓦状砾石构造显示该岩相形成于泥石流沉积^{[4, 29-30]}。

(2) 块状砂砾岩相(Gm)

块状砂砾岩相以杂基支撑—颗粒支撑的多杂质的砾岩以及不具层状构造为特征，砾石磨圆度为次棱角状—圆状为主(图 1F)。沉积物粒度大小从泥—沙砾级均有分布。块状砾岩相是典型的水下碎屑沉积物。水下碎屑流为非牛顿流体形成，流态为层流，颗粒支撑机制为碎屑支撑。块状砾岩相在垂向上通常分布在基质支撑杂乱砾岩相的前方，这种岩相分布指示了杂乱砾岩相向块状砾岩相的转变，换而言之，即体现了泥石流向碎屑流的转换。搬运过程中随着水的稀释作用造成大量碎屑流颗粒的卸载和流体粘度降低是岩相转变的主要因素。

(3) 反粒序层理砂砾岩相(Gr)

以颗粒支撑的多杂质的反粒序砾质及砂质沉积物为主要特征(图 1C)。实验研究表明，在砾质粗碎屑中，绝大多数较粗的砾石可能靠底层高浓度牵引毯层搬运，沉积形成反递变层理的粗碎屑体，Lowe将其定义为砾质高密度浊流的砾质牵引毯沉积。该岩相一般位于紊流沉积层序的下部，以反递变层理为主，但也可见槽状交错层理，从流体性质看，符合Middleton et al.^[6]定义的颗粒流特征。

(4) 正粒序层理砂砾岩相(Grl)

该岩相以颗粒支撑—杂基支撑正递变层理砂砾岩沉积为主，与鲍马层序Ta段相比，该岩相岩性较粗，但是从流态的角度分析，只有紊流才能够让沉积物按照比重依次沉降。该岩相等同于Lowe^[13]砾质高密度浊流的R₃段，但Shanmugam^[31]将此岩相形成于砂质碎屑流沉积(图 1B，G)。

(5) 平行层理砂岩相(Sh)

该岩相为平行层理砂岩，主要形成于牵引流沉积，偶见于岩相(Sg)之上。

(6) 块状层理砂岩相(Sm)

该岩相以块状层理粗砂—细沙为主(图 1E)。从流变学特征看主要属为典型的塑性流体沉积产物，从流体发育阶段看，由于岩性较细，多为滑塌阶段沉积。

(7) 正粒序层理含砾砂岩相(Sg)

该岩性以正粒序含砾砂岩为主，粒度相对较细，属于鲍马层序的Ta段，底部发育较为明显的底面槽模印痕，为典型的浊流沉积成因(图 1F)。

(8) 沙纹—波状层理砂岩相组合(Sw-Sr)

岩心观察中多出现在浊流层序顶部，属于牵引流成因。从沉积实验看，深水牵引流由重力流引发，是碎屑物在浊流沉积末期，沉积物继续以床底负载搬运，从而形成沙纹—波状纹层(图 1D，H)。

(9) 水平层理泥岩相(Fm)

为黑色水平层理泥岩，为静水环境中的泥质沉积。

3 沉积层序展布规律 3.1 实验装置与流体参数

本文用如图 2所示实验装置进行重力流运动与沉积的模拟实验，流体参数测定及沉积层序模拟实验管路为“2→3→4→5→6→7→8→9→13→14→15→16→17→1”；流体颗粒支撑机制及流体性质转换模拟实验管路为“2→3→4→5→6→7→8→9→10→11→12→16→17→1”。实验材料为清水、黏土和不同粒度的石英砂，实验流体参数如表 1所示。

重力流流体性质转换最重要的是碎屑流在运动过程中的被稀释，试验中发现，整个流体运动过程中，随着与水的不断稀释，流体体积不断扩大，但与水槽中水体始终存在明显的分界面，通过测量与流体运动方向所垂直的流体界面的面积来确定流体的膨胀倍数(膨胀系数)。试验流体(参数如表 1所示)以较低速度从管道出口流出，测得体积变化系数如图 3所示。同时可以观察到，不同距离值处由于流体体界面积的不同，流体性质也发生了截然不同的变化。这一稀释过程往往由地形条件和水体深度决定。坡度越陡，水体越深，流体稀释越充分(图 4)。

3.2 重力流层序展布规律实验

深水重力流的形成可归纳为两个类型：1)欠稳定的沉积物在一定触发机制条件下发生运动形成的重力流；2)断陷盆地陡坡带泥石流入水形成重力流沉积体系。我国断陷湖盆近岸沉积多以第二种类型为主^[32-33]。

在流体实验中，复杂的层序源于最初的单一流体，因此有理由相信，地质记录中的复杂重力流层序为流体性质转换的结果^{[14, 34-35]}。塑性流体在运动过程中被稀释，颗粒支撑机制发生复杂的变化，出现多种流态的流体，塑性流体被稀释到一定程度后会转换为液态流体。在流体实验的基础上，通过详细解剖分析研究区重力流沉积体系在垂向和横向上的沉积物变化特征，发现从物源区到湖盆中心，沉积物演化特征具有特定的规律性。一次重力流沉积事件所形成的沉积物层序可归纳为图 5所示模式，岩相平面分布如图 6所示。

(1) 沉积区根部区域

该区域与周围水体接触时间最短，颗粒支撑机制未发生变化，为流体的整体冻结式沉积为主，沉积物以杂基支撑杂乱砾岩相(Gmd)为主。

(2) 沉积区中部区域

该区域沉积前底部流体与周围水体混合相对充分，流体粘度较低，破坏基质支撑作用，导致颗粒发生沉降，由于颗粒密度较大，形成反粒序层理的颗粒流沉积物，LOWER将此称之为高密度浊流的牵引毯沉积；其上为高浓度碎屑流与低浓度碎屑流沉积物组合，上部为高浓度浊流与低浓度浊流组合。垂向层序的岩相组合为：反粒序层理砂砾岩相(Gr)—块状层理砂岩相(Sm)—正粒序层理砂砾岩相(Grl)—正粒序层理含砾砂岩相(Sg)。

(3) 沉积区末端区域

流体末端以下部浊流沉积物为主，上覆牵引流沉积物和湖相泥岩沉积。垂向层序岩相组合为：正粒序层理砂砾岩相(Grl)—平行层理砂岩相(Sh)—沙纹—波状层理泥质砂岩相(Sw-Sr)—水平层理泥岩相(Fm)。

4 岩石相分布

沙三下亚段时期湖盆处于断陷强烈期，气候湿润，降水量大，湖水持续加深，砂砾岩沉积体沿陡坡带的凸起边缘向湖盆中心呈带状分布，岩相以杂基支撑杂乱砂砾岩相、块状砂岩相、反粒序层理砂砾岩相为主，砂岩百分含量高值区一般50%~80%(即砂地比0.5~0.8)(图 6)。岩相分布图以岩相录井数据为基础，结合层序图解绘制。纵向上形成向上变细的正旋回。在大的同生断层下降盘的低台阶发育滑塌浊积扇等浊积岩体，砂岩含量较低，一般在10%~20%(即砂地比为0.1~0.2)(图 6)。

5 结论

(1) 流体实验表明，复杂的重力流沉积层序源于最初的单一流体。塑性流体在运动过程中被稀释，颗粒支撑机制发生复杂的变化，出现多种流态的流体，塑性流体被稀释到一定程度后会转换为液态流体。地质记录中的复杂重力流层序为流体性质转换的结果。

(2) 一次重力流沉积事件所形成的沉积物层序空间展布具有一定的规律性，层序的垂向演化及横向变化是流体性质演化的结果，重力流沉积层序是沉积物形成前流体性质转换的最后形态，一种类型的流体只能形成一种岩相，多种岩相组合形成的层序代表沉积层序形成于多种类型的流体。

(3) 重力流垂向层序与沉积模式的有机结合是进行砂体展布预测的关键，在该模式的指导下，明确了滨南油田沙三下亚段岩相的时空展布和变化规律。

致谢 感谢审稿专家的宝贵意见！