下切谷是相对海平面下降时期陆上河流体系向盆地方向延伸时侵蚀下切所形成的河谷或河道^[1], 是沉积物重要的搬运通道和沉积场所, 具有重要的学术和工业研究价值。为此, 国外许多学者^[2-9]对不同构造背景下下切谷的形态、结构、成因及控制因素开展了大量的研究, 取得了丰硕的成果, 尤其是在层序地层模式广泛应用之后。然而这些研究主要集中在海相或海岸平原相地层, 偏重于露头和现代沉积, 利用三维地震资料开展古代地层研究的报道并不多^{[4, 7]}。与海相地层相比, 利用三维地震资料在平面上清晰刻画陆相盆地下切谷地貌和沉积特征的研究较少。近年来, 随着岩性油气藏勘探的深入, 在我国陆相盆地中的下切谷内不断发现油藏^[10-13], 具有极大的勘探潜力。

塔河地区三叠系是塔里木盆地的重要油气产层, 经过几十年的勘探开发, 大型构造圈闭基本钻探完毕, 产量在逐步下降, 急需寻找新的圈闭类型。前人的大量研究^[14-16]认为，塔河地区三叠系主力产层为辫状河三角洲和湖底扇成因砂体, 未见有下切谷的相关报道。我们在塔河地区三叠系上油组中识别出了下切深度大、分布范围广、样式多、富砂型下切谷沉积体系, 并综合利用多种地球物理手段对其特征及成因机制进行了分析, 研究结果对完善本区的层序划分与对比以及重塑沉积体系的演化规律具有重要意义, 同时也为本区砂体分布预测及岩性油气藏勘探指明了新的方向。

沙雅隆起位于塔里木盆地北部, 处于库车坳陷与满加尔坳陷—顺托果勒低隆起之间。阿克库勒凸起为沙雅隆起上的一个重要构造单位, 其北邻雅克拉断凸, 东靠草湖凹陷, 西接哈拉哈塘凹陷, 是塔北地区的主要油气产区^[17-18]。研究区塔河地区位于阿克库勒凸起西南部(图 1), 其三叠系自下而上分别是下三叠统柯吐尔组、中三叠统阿克库勒组和上三叠统哈拉哈塘组, 且中上三叠统共发育下、中、上3个油组, 其中哈拉哈塘组依据钻测井、地震及岩心资料, 可划分为1个三级层序(SQ5, 其底界面是TSB5, 最大洪泛面为TMFS5, 顶界面为JSB1)^[19], 上油组发育于其低位体系域。当前该层段油气勘探的重点是低幅构造圈闭处发育的三角洲砂体。但近年来油气产量逐渐降低, 而非构造圈闭处砂体类型及分布规律却认识不清, 急需对其开展精细研究。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区位置

塔河地区发育的下切谷是湖平面下降时期形成的特殊侵蚀地貌, 造成沉积间断, 使得其与下伏地层呈明显的不整合接触。同时, 其内部充填结构复杂, 经过沉积、成岩作用后, 导致下切谷上、下地层特征差异明显, 在地震、钻测井以及岩心上均有显著响应。

相干体技术利用相邻地震道的相似性可突出刻画地质体的空间展布特征, 对河道和裂缝反映灵敏, 在岩性油气藏勘探中逐渐受到青睐^[20]。我们利用层拉平相干体切片技术在研究区上油组中发现了大型下切谷沉积体系(图 2a), 下切谷内部与外部相干性差异明显, 表现典型的下切河道特征。而从切片上可以发现本区发育3条主干下切谷, 分别朝向研究区西南部、南部以及东部, 其中南部下切谷在末端分叉, 并发育多条分支下切谷, 这与爪哇海西北部上新世下切谷的相干体切片特征极为相似(图 2b), 而POSAMENTIER^[4]指出在泛滥平原上多条小规模分支下切谷的发育是区分下切谷与河道的重要标志。而东部下切谷侧向迁移特征清楚, 弯曲度高, 与航拍照片中加拿大阿尔伯达省现代红鹿河下切谷的特征可类比(图 2c)。

图 2(Fig. 2)

图 2 塔河地区下切谷与国外典型下切谷特征对比 a 塔河地区三叠系上油组下切谷典型相干体切片(沿TMFS5向下50ms); b 爪哇海西北部上新世下切谷典型相干体切片[4]; c 加拿大阿尔伯达省红鹿河现代下切谷航拍照片[4]

下切谷由于其特有的下切和充填作用而导致在地震反射剖面上具有独特的反射外形。虽然在下切谷的不同位置地震剖面上所响应的外形存在一定差异, 但本区内下切谷总体表现为顶平底凸的“V”形或“U”形反射, 响应于强振幅高连续反射, 而下伏地层多表现为弱振幅中连续的反射特征, 两者之间削蚀特征清楚(图 3, 图 4), 存在明显的沉积间断。塔河地区下切谷内部充填结构地震响应特征复杂, 地震剖面上主要表现为强振幅高连续反射, 突出了其与下伏地层岩性特征的差异。同时, 内部地层不断向下切谷两侧超覆, 且具有变频、变振幅、弱连续的地震反射特征, 反映下切谷充填时水动力能量变化快, 形成明显的岩相差异。

图 3(Fig. 3)

图 3 研究区下切谷典型地震反射特征(剖面位置见图 2a)

图 4(Fig. 4)

图 4 沿哈拉哈塘组最大洪泛面拉平下切谷的井震对比剖面(剖面位置见图 2a)

以研究区东部下切谷为例说明下切谷的钻测井响应特征。从经过东部下切谷S118井和S1181井地震剖面合成记录的标定结果(图 4)可知, 下切谷内充填物的自然电位(U_SP)呈高幅微齿化箱型或钟形, 自然伽马(γ)呈低值齿化箱形, 而其下伏地层自然电位呈直线状或微齿状, 自然伽马特征变化不大, 下切谷界面处自然电位曲线出现明显的坎值, 反映岩相发生突变, 指示重要的层序界面。录井资料的结果也表明塔河地区三叠系上油组下切谷内充填物岩性较粗, 以含砾砂岩、粗砂岩以及中细砂岩为主(图 4), 垂向上多套正旋回砂体叠置, 反映了下切谷多期充填的特点。而下伏的阿克库勒组层序高位体系域沉积主要为细粒的湖相泥质沉积, 反映了下切谷上、下地层沉积环境的变化, 强调了下切谷对环境的塑造作用。

前人的大量研究结果表明下切谷主要发育于低位体系域时期, 早期下切谷沉积过路, 是碎屑物质的搬运通道, 晚期是碎屑物质沉积的场所, 其内部一般砂体发育^[21]。S118井附近的S113井同一层段4375.0~4383.7m取心井段大量的岩心观察结果(图 5)也表明, 塔河地区三叠系上油组下切谷内部充填物的岩性主要为灰色、浅灰色、黄灰色粗砂岩、中细砂岩, 含少量泥砾, 局部夹泥质条带, 发育块状层理、砂纹层理和波状层理, 岩性序列垂向上常见自下而上由粗砂岩、中砂岩逐渐向细砂岩和泥岩过渡的正旋回序列, 为典型的河道充填沉积。同时, 该井段岩心油气显示特征突出。

图 5(Fig. 5)

图 5 S113井下切谷典型岩心特征(钻井位置见图 2a)

塔河地区三叠系下切谷沉积体系规模大、类型多, 对强振幅下切谷体系进行区域范围的追踪对比解释后, 基于三维地震解释层位获得的相干体切片(图 2a)、古地形(图 6a)、地层厚度(图 6b)以及振幅属性(图 6c)均可清晰地显示下切谷体系的平面分布特征, 其发育3条朝着不同方向的主干下切谷。

图 6(Fig. 6)

图 6 塔河地区三叠系下切谷沉积体系平面分布特征 a 下切谷沉积古地形; b 下切谷地层厚度; c 下切谷沉积全能量振幅属性; d 下切谷平面沉积相

对这3条下切谷地貌形态基本参数进行了统计(表 1), 结果表明, 东部下切谷平均宽度为3.54km, 平均深度为59.9m, 宽深比59.0, 长度52.0km, 弯曲度为2.00, 并且平面上下切谷宽度具有自西向东逐渐变宽的特征, 指示水流的方向也是自西向东。南部下切谷平均宽度为2.99km, 平均深度为45.2m, 宽深比为66.2, 长度为37.0km, 弯曲度约为1.14, 且平面上多个小下切谷发育。而由于数据体范围限制, 研究区内西南部下切谷仅局部可见, 其平均宽度为3.54km, 平均深度为51.0m, 宽深比为69.5, 长度为23.8km, 弯曲度约为1.19。对比统计参数发现, 东部下切谷弯曲度高, 宽度、下切深度、长度均最大, 宽深比最低, 而西南部和南部下切谷特征类似, 宽深比和弯曲度均较相近。前人研究表明弯曲度与地形坡度密切相关, 坡度越陡弯曲度越小^[21]。因此, 推断古地形古地貌条件的差异导致了研究区同一下切谷体系在不同部位具有不同的形态和特征, 也说明东部地形坡度最缓, 利于下切谷的延伸与弯曲。

表 1(Tab. 1)

表 1 塔河地区三叠系下切谷沉积体系地貌参数特征 下切谷 最大宽度/km 平均宽度/km 最大深度/m 平均深度/m 宽深比 长度/km 弯曲度 东部 7.29 3.54 75.3 59.9 59.0 52.0 2.00 南部 4.49 2.99 50.8 45.2 66.2 37.0 1.14 西南部 5.05 3.54 63.0 51.0 69.5 23.8 1.19

表 1 塔河地区三叠系下切谷沉积体系地貌参数特征

多种地球物理技术手段的应用已成为沉积相分析的重要手段, 古地形的恢复表明本区总体表现北高南低的特点(图 6a), 下切谷发育于地势低洼部位。地层厚度则揭示了下切谷内沉积物厚度明显高于临近地层, 沉积中心位于研究区南部(图 6b)。从研究区三维地震数据体提取出的下切谷全能量振幅属性图中可以看出，下切谷发育部位主要对应于强振幅区(图 6c), 而前述的钻测井及岩心资料已揭示下切谷内部砂体发育(图 4, 图 5), 表明属性图上强振幅区对应于砂岩发育区。这说明本区下切谷内部充填物与湖相泥岩之间波阻抗差异显著, 砂泥岩界限在地震上表现为强振幅高连续的地震反射, 地震属性能较好地反映下切谷的平面相分布特征。

参照三维区振幅属性, 且利用大量的岩心和钻测井资料, 通过反复分析其岩电组合特征, 并结合相干体切片、古地形和地层厚度的分析成果, 对本区下切谷平面沉积相展布特征进行分析(图 6d)。研究区阿克库勒组晚期地形坡度缓, 沉积物供给速率小于可容纳空间增长速率, 以发育细粒的湖相泥质沉积为主(图 4)。哈拉哈塘组低位体系域早期, 研究区古地貌具有北陡南缓的特点, 构造活动强烈, 地形坡度陡、湖平面快速下降, 发育大型下切谷沉积体系。由于下伏地层抗侵蚀能力的差异导致沿着东部、南部和西南部3个方向发育, 在东部AT10井附近和南部S112-1和S114-1井附近下切谷所搬运的碎屑物质入湖形成粗粒的低位三角洲。低位晚期, 湖平面开始缓慢上升, 下切谷充填, 此时沉积物供给充足, 内部以砂质充填为主, 而泛滥平原整体表现为泥质沉积。

关于下切谷的成因机制, VAN WAGONER^[21]强调相对海平面下降是下切谷形成的首要因素。POSAMENTIER^[4]则指出海平面或基准面变化、构造活动以及流量变化是控制下切谷形成的3种主要因素。ARDIES等^[5]认为海平面下降诱发河流下切, 而构造活动则控制了下切谷发育位置及形态特征。BLUM等^[22]和WELLNER等^[6]对第四纪下切谷的研究则表明气候对下切谷的形成和充填有决定性影响。尽管其形成机理存在广泛争议, 但大多数学者的基本认识相同, 均认为由河流强烈下切而成, 海平面变化(基准面)、气候以及构造隆升是下切谷发育的主要成因机制, 只是每种因素的影响程度不同。然而, 大量研究结果表明, 构造活动是控制陆相盆地发育演化和沉积充填的首要因素。

三叠纪时期, 塔里木盆地受到强烈挤压作用, 进入前陆盆地演化阶段^[19], 而前陆盆地具有幕式活动的特点。上油组沉积时期, 研究区古地形北陡南缓(图 6a), 此时天山造山带再次活动, 库车坳陷沉降、雅克拉断凸隆升^[23], 导致阿克库勒地区地形坡度进一步变陡, 为下切谷的形成和发育提供了良好的构造背景。同时, 构造隆升导致湖平面持续下降, 河流向盆地方向进积, 造成强烈下切, 形成大规模长距离发育的下切谷, 这种由于构造隆升而形成的长距离延伸的下切谷在美国中部阿尔布阶Muddy组和宾夕法尼亚阶Morrow组中被详细记录^[24]。此外, 构造活动引起的坡度变化导致研究区发育的下切谷形态多样, 东部坡度缓, 下切谷易侧向迁移, 弯曲度高, 而南部和西南部由于地形坡度相对较高, 发育低弯曲度下切谷。

阿克库勒地区沉积物供给的岩性、规模以及湖平面升降变化也影响了该区下切谷内部的充填结构。由于构造隆升, 造山带遭受剥蚀, 研究区北部提供大量沉积物供给。早期湖平面下降, 大量粗粒碎屑物质沿下切谷搬运, 沉积过路, 其内部仅发育部分粗粒的滞留沉积, 下切谷前端入湖处则发育大规模富砂型低位三角洲(图 6d)。湖平面上升初期, 下切谷开始充填, 以粗粒砂质充填为主, 由于可容纳空间较小, 沉积物供给速率仍较高, 垂向上可见进积序列。同时, S118井和S1181井内测录井多期旋回性的特征也揭示了本区下切谷具有多期充填的特点(图 4)。之后, 湖平面快速上升, 可容纳空间迅速增大, 沉积物供给相对不足, 下切谷被厚层的湖相泥岩覆盖。

基于上述对塔河地区三叠系上油组下切谷沉积特征与成因机制的分析, 建立了塔河地区下切谷发育模式(图 7)。上油组沉积时期, 研究区的物源主要来自于北部的雅克拉断凸, 源于物源区的河流携带大量碎屑物质进入下切谷这一特殊的沉积物搬运和输送通道。由于该时期研究区表现单斜构造背景, 构造古地貌具有北高南低的特点, 因此沉积物可以沿下切谷长距离搬运, 并最终在地形平缓处发生卸载, 于下切谷前端形成三角洲。当湖平面上升时, 下切谷内部开始充填, 早期以砂质充填为主, 晚期被细粒泥岩所覆盖。

图 7(Fig. 7)

图 7 塔河地区三叠系下切谷发育模式

下切谷是层序地层学中的重要概念, 形成于海(湖)平面下降的低位体系域沉积时期^[1], 是低位早期碎屑物质搬运的通道, 也是低位晚期碎屑物质堆积的场所。下切作用导致下切谷强烈侵蚀下伏地层, 通常谷底对应于层序界面, 而谷顶响应于海(湖)泛面, 因而下切谷的识别成为层序界面划分和对比的重要标志。对于研究区, 在不利用地震资料相干体切片平面形态分析而仅利用地震剖面和钻测井资料的情况下, 由于其地震剖面上下切谷顶部地震反射同相轴的连续性, 极易将其顶部解释为层序界面(图 3), 造成层序划分对比的错误。因此, 本次下切谷的识别和解释对于准确建立本区层序地层格架有重要意义。

同时, 下切谷也是重要的沉积地貌单元, 其发育与构造活动、地形、沉积物供给、海平面变化以及气候等因素密切相关^[2-7]。本次大型下切谷的发现证实了晚三叠世早期阿克库勒地区存在重要的构造运动, 这为恢复该区古构造环境提供了一个重要的参考依据。同时, 下切谷沉积体系的识别间接证明了其上游砂岩为陆上的河流相而非许多研究者^[16-17]认为的处于水下的辫状河三角洲前缘砂体, 而湖盆可能位于下切谷前端, 这对重新认识本区的沉积体系、重塑其演化规律也具有重要的意义。此外, 目前世界上利用三维地震切片刻画下切谷平面特征的研究主要集中在浅层, 而本次塔河地区识别的下切谷深度超过4400m, 突出了下切谷这一特殊地貌单元与周围地层的巨大差异, 使得其深部埋藏、成岩作用改造后仍能保持其大部分原始平面形态特征。

大量的勘探实践结果表明，下切谷内部由于其充填的多期性和复杂性, 易发育多种不同类型的岩性圈闭, 其中包括砂岩透镜体圈闭、砂岩上倾尖灭圈闭等^{[10, 25]}。而研究区内下切谷也表现出多期充填的特点(图 4), 易侧向尖灭形成良好的岩性圈闭, 这对目前三叠系构造圈闭已基本钻探完毕、含水率快速上升、稳产难度大的塔河地区具有非常重要的现实意义。同时, 下切谷内钻遇的S113井4375.770~4376.319m层段孔隙度为24%~25%, 渗透率为(131~658)×10^-3 μm², 油浸特征明显, 显示下切谷具有较大的油气勘探潜力。而从研究区下切谷的平面分布特征可知, 西南部、南部下切谷将向研究区外进一步延伸, 东部下切谷末端前方也可能形成低位三角洲。因此, 除研究区内的下切谷外, 上述这些下切谷延伸方向都可作为下一步的勘探部署重点。

塔河地区三叠系上油组发育下切深度大、分布范围广、样式多、富砂型下切谷沉积体系。该下切谷体系在地震、钻测井以及岩心上响应特征明显。同时, 下切谷体系主要朝着3个方向发育, 其中东部下切谷弯曲度高，宽度、下切深度、长度均最大，宽深比最低, 而西南部和南部下切谷特征类似, 宽深比和弯曲度均较相近。研究区下切谷的形成与构造活动、沉积物供给和湖平面变化密切相关, 其中构造作用控制下切谷发育时间、形态和规模, 而沉积物供给和相对湖平面变化影响了下切谷的充填结构。本次下切谷的识别对塔河地区具有重要的理论和实际意义, 不仅有利于该区层序地层的划分与对比, 而且还可以为古地理、古构造环境的恢复提供参考依据, 同时, 也为该区油气勘探指明了新方向。