引言

陆相盆地下切侵蚀河谷受到越来越多学者的关注，从前寒武纪到第四纪及现代都有下切侵蚀河谷的存在^[1-7]，早在19世纪50年代，为了估算地球的年龄，Lyell C就开始研究下切侵蚀河谷(Incised Valley)^[8]。其概念最早由Fisk R提出，并于1995年对密西西比河三角洲第四纪晚期古河谷进行了描述^[1]。Zaitlin B A等^[2]认为，下切侵蚀河谷是河流侵蚀成因的长条状负地形，通常比单个河道大，其底部穿过层序界面，以沉积体向海突然迁移为特点。充填物常于下一次基准面抬升时开始堆积，也可包括随后的高位以及海平面变动旋回的沉积物。Van Wagoner J C等^[9]则将下切侵蚀河谷定义为由河流体系响应于海平面相对下降而向盆地方向延伸，并侵蚀下伏地层所形成的河道或河谷，其宽度可从几公里到数十公里，深度可从十几米到上百米，谷底起伏，高差可达10~20 m，具有向湖(海)倾斜的自然坡度。

由于河流的下切侵蚀导致下切侵蚀河谷的形成，内部由河流沉积物充填而构成优良的储集层。世界上大约25%的非构造碎屑岩储集层的油气资源来自低位至海侵的下切侵蚀河谷中，据估算，整个北美几十亿桶的石油和上万亿立方英尺的天然气存储其中^[10]。

本文通过岩芯观测、地震解释和测井分析，结合粒度资料等，对渤海湾盆地秦皇岛H油田新近系中上新统明化镇组沉积特征进行深入研究，认为在Nm^Ⅱ和Nm^Ⅳ油组底部发育下切侵蚀河道。结合盆地沉积背景及其演化规律，探讨了下切侵蚀河道的成因机制，详细论述了下切侵蚀河道的沉积特征以及分布规律，建立了研究区下切侵蚀河道沉积模式，对于指导河流相砂体类型和小层划分以及岩性油气藏的开发具有极其重要的意义。

1 区域概况

秦皇岛H油田是1996年发现的储量过亿吨级的大型复杂河流相油田，位于渤海中部海域，地处石臼坨凸起，周边被渤中、秦南和南堡3大富油凹陷环绕，是在潜山披覆构造背景上形成的、并被断裂复杂化的受岩性和构造双重因素控制的河流相大型油田，是渤海海域有利的油气富集区之一^[11]。该油田构造幅度比较平缓，主要含油层系为新近系明化镇组下段和馆陶组，油藏埋深浅(海拔-900~-1 600 m)，储层油水关系非常复杂。

明化镇组下段进一步细分为Nm⁰、Nm^Ⅰ、Nm^Ⅱ、Nm^Ⅲ、Nm^Ⅳ和Nm^Ⅴ共6个油组，以曲流河沉积为主，岩性主要为中—细砂岩及粉砂岩，泥岩呈灰绿色。储层物性良好，孔隙度为25%~45%，平均为35%；渗透率100~11 487 mD，平均3 000 mD，属高孔高渗储层。

2 下切侵蚀河谷的沉积特征

下切侵蚀河谷是由河道强烈的冲刷、侵蚀作用所形成的一种U形地貌，横向上与河道间的短期暴露面相连构成了层序的界面^{[2-3, 12-14]}。下切侵蚀河谷内的砂体一般呈进积侵蚀切割叠置样式，同时充填砂体上超于两侧的河谷侧壁，表明了河流溯源沉积的特点。

下切侵蚀河谷深度一般10~25 m，有的仅13 m，而河道的规模一般较小，厚度一般小于10 m。大型河流下切深度可以为50~70 m，最大可逾百米，谷底起伏，具有向湖盆倾斜的自然坡度。河流下切宽度可从几公里到数十公里，其长度可以超过200 km，有时甚至可以达到300 km。

2.1 岩芯特征

下切侵蚀河谷是低位体系域的主要搬运通道，也是该时期的主要沉积场所，横向与河道间沉积类型有差异。由于河流在演化过程中的多期垂向切割充填和侧向侵蚀迁移，使得在下切侵蚀河谷内主要发育冲刷充填型砂体和侧向加积型砂体沉积结构。

明下段Nm^Ⅱ油组的底部发育冲刷界面，界面起伏不平，界面上下岩性、岩相均有明显差异。界面之下，为浅灰绿色粉砂质泥岩和泥岩，内部见灰绿色泥砾，粉砂质泥岩内见波形纹理，泥岩中可见少量结核。界面之上，发育中~细砂岩，富含油，如A井下切侵蚀河道下部下切到泥岩中(图 1a)。下切侵蚀河道沉积物粒度较粗，以中、细砂岩为主，有时会发育含砾粗砂岩，分选较差、磨圆度中等。颜色以浅灰色、灰白色、绿灰色为主。砂岩内发育楔状和槽状交错层理(图 1b)，中细砂岩与灰色泥岩呈不等厚互层，局部可见泥岩撕裂屑及红褐色泥岩层。纵向上表现为多套正韵律的砂体叠置特征。

由于搬运介质及水动力条件的差异，不同的沉积环境其粒度分布不同，因此，通过研究沉积物粒度分布可了解沉积物所处的沉积环境。粒度中值代表粒度分布的集中趋势，反映沉积介质的平均动能(速度)^[15]。下切侵蚀河谷内充填的砂体粒度较粗，一般为含砾粗砂岩、中砂岩，由图 2中可以看出，在Nm^Ⅱ底部粒度中值发生跳跃性变化。粒度中值由0.15~0.20 mm变化为0.20~0.25 mm，反映在Nm^Ⅱ底部水动力的突然增加。表明在渤海湾盆地秦皇岛H油田Nm^Ⅱ油组发育有下切侵蚀河道。此外，粒度概率图主要表现为典型的两段式和少量细粒两段式特征，总体以跳跃总体为主，反映中~强牵引流的沉积特征。

2.2 地震反射特征

下切侵蚀河谷因河道水动力增强，下切侵蚀作用加剧，从而在地震的反射上具有独特的充填特征。在河谷不同位置，下切河道在地震剖面上表现出的几何外形有一定差别，充填砂体内部表现出河道的迁移摆动。在渤海海域通常表现为与上、下相邻的近于水平的同相轴明显不协调，主要表现为平坦的弱振幅和强连续的地震反射，呈现为透镜状地震反射的特征(图 3)。在下切强烈的区域，下切侵蚀河谷在地震上表现出明显的上超充填地震相特征或发散充填地震相特征，呈现对称或不对称的倒钟形、U形和V形。

在下切侵蚀河道底部，由于河道切入到有细密纹层的细粒沉积物中，充填河道变的更为复杂。测井曲线由漏斗形变成钟形，反映了水动力的突然增强，沉积物由细粒变成粗粒的沉积特征。随着湖平面的上升，在下切侵蚀河道内部充填物逐渐变细，构成了很多厚2~5 m的薄板状河道充填物。地震反射表现为近平行的强振幅、弱连续反射特征。

2.3 沉积特征

国内外下切侵蚀河谷研究的例子很多，中国长江在第四系上部沉积期形成下切侵蚀河谷，下切深度近百米, 下切侵蚀河谷宽度可达75~150 km。美国密西西比河下切深度为80 m，下切侵蚀河谷宽度达200 km^[16]。随着湖平面的变化，河流相沉积物的形成是一个复杂的过程，包括河流的下切、河流过路和古土壤的形成^[14]。河道充填结构具有多期次砂泥复合充填的特征，下切侵蚀河谷下部充填物以粗粒砂岩为主，同时，伴有砾石和泥砾。底部含有砾石、泥砾，向下游和侧向增生普遍，砂体厚度较大，说明下切侵蚀速率很高，水动力相对较大的特点。这一点在现代河流沉积中也得到印证，河流流量和输砂量变化较大，季节变化为2~5倍以上，年内变化可达3~30倍以上^[17]。下切侵蚀河谷上部充填物中砂岩规模减少、粒度变细，泥岩逐渐增多。

下切侵蚀河道结构以下切充填河道为主，岩芯上表现为重要冲刷面或沉积间断面，界面起伏不平，界面上下岩性、岩相均有明显差异，一般是上粗下细。测井上表现为测井曲线的截然变化面或者叠置样式转换面，界面之下地层加积序列或退积序列沉积，界面之上演变为一进积地层序列。地震反射通常表现下切的透镜体特征。

下切侵蚀河道砂体具有一定的迁移方向，呈现冲刷充填结构，表现为叠瓦状。这种河道充填砂体在下切河谷内频繁摆动迁移，填充粗粒物质，形成孤立河道砂体结构类型(图 4)。在连井剖面H1— H2—H3—H4—H5上可以看出，下切河谷内至少发育有3期河道填充，且具有从H4井向H5井方向迁移的趋势(图 4)。下切侵蚀河道充填变化较大，在H2井下切侵蚀厚度为4.6 m，在H4井下切侵蚀厚度变化为17.8 m，下切侵蚀最厚处位于H10井附近，达到36.0 m左右，砂体宽度达到3 500 m左右。

下切河道充填垂向变化反映了河流水动力变化，局部湖平面的上升大于沉积物的供给^[18]。砂体为薄板状、底平、顶部微凹、宽/厚约为30~50。砂体内部包含有一系列倾斜岩层，一般顺古河流方向。砂体发育槽状交错层理、楔状交错层理和砂纹层理。每一套下切充填砂体是相对完整的河道沉积，反映了一次大的洪水事件，侧向上见河道的迁移和沉积物的侵蚀。河道砂体一般底部粒度较大，有时含有泥砾，反映每一次河流面上升微小的河道侵蚀，向上粒度变小，反映了河流流量由强变弱的过程。下切河道的两侧为泛滥平原形成的古土壤层(图 5)。

3 下切侵蚀河谷的沉积模式

下切侵蚀河谷具有侵蚀下切的U或V形的充填结构，下切侵蚀河谷系统^[2]包含侵蚀河谷和河道充填结构两部分。下切侵蚀河谷，由于河流响应湖平面的下降，产生强烈的冲刷、侵蚀作用，从而形成冲刷界面。河道充填结构，伴随连续的湖平面上升沉积物开始大量堆积，在下切侵蚀河谷内部中进行充填，砂体叠置连片，形成复合河道砂体^[19-20](图 6)。下切侵蚀河谷比单个河道规模大，侵蚀面具有一定的区域延伸，反映了湖平面的变化^{[19, 21-22]}。

下切河道结构以下切充填河道为主，在横剖面上，下切侵蚀河谷充填的砂体具有冲刷充填结构(图 4，图 5)。砂体呈透镜状下切镶嵌于下切侵蚀河谷的底部，早期砂体主要发育于相对深谷部位，高部位则以细粒充填为主，后期砂体不受原始深谷限制。由于下切侵蚀河谷提供的潜在可容纳空间比相邻其他地方要大，因而河道砂体往往优先堆积在这些沟谷带中。在基准面下降期间，下切侵蚀河谷形成，河流沉积物向湖盆中心方向运移的过程中，主要是沿着沟谷卸载。下切侵蚀河道砂体的前积主要是由于气候或者沉积物供给增加，导致沉积物顺源堆积；下切侵蚀河道砂体的退积则是由于基准面上升导致，随着湖平面的上升，沉积物向上游变薄楔状体形成退积沉积样式；进积是大量的粗粒物质以向湖盆方向变薄的楔状体沉积在下切侵蚀河谷内。下切侵蚀河谷内砂体的横向迁移摆动，构成了下切叠置河道的主体。由于相对湖平面的瞬时静止，在此阶段也会伴随有幕式的河流加积发生。这种河道充填砂体在下切侵蚀河谷内频繁摆动迁移，填充粗粒物质，砂体彼此切割，相互叠置，形成广阔的相互叠置复合河道砂体结构类型，构成各类储集砂体和岩性圈闭(图 6)。

4 下切侵蚀河谷的成因分析

陆相盆地下切侵蚀河谷被认为是由于可容纳空间急剧减小后河流平衡剖面下降造成的河流的下切，Wesccot W A^[20]甚至断言，没有不下切的河流。下切侵蚀河谷内部完全由河流沉积物充填，主要是由基准面下降导致河流侵蚀作用形成的。Schumm和Thoren等认为河流的下切归结于以下几个因素：湖平面的下降、构造的抬升、气候的变化以及河流的袭夺等，但同时，又指出不限于这些方面，还受其他因素影响^[23-24]。Posamentier H W^[13]等认为，河流下切受上游因素的控制，如抬升、气候、坡度、卸载流量、沉积物供给变化等，下游的影响因素如局部湖平面变化等。

渤海湾盆地在新近纪处于拗陷期，加之受新构造运动^[21]的影响，地形高差较大，海拔大于1 000 m^[14]，明化镇组处在拗陷阶段后期，此后出现裂后加速沉降^[25-27]。宏观背景上存在一定的坡度，同时，湖平面下降、上升波动较大，导致河流下切的潜在条件(图 7)。另一方面，由于水动力的突然增加，河流携带沉积物的增加，导致河道产生下切。湖平面变化时，河道可以产生侵蚀和充填，也可以通过河道形态或河道类型的变化，适应湖平面升降引起的河床坡度的变化和可容纳空间的变化^[28]。在这种可容纳空间减小的条件下，伴随河道沉积物的增加以及水动力的增强，河道发生侵蚀；在湖平面下降、上升交替的沉积背景下，下切侵蚀河谷内河道砂体多期叠置。

5 结论

(1) 渤海湾盆地秦皇岛H油田新近系明化镇组明下段Ⅱ油组和Ⅳ油组存在下切侵蚀河谷体系。

(2) 详细论述了渤海湾盆地秦皇岛H油田新近系明化镇组下切侵蚀河谷的沉积特征，探讨了下切侵蚀河谷的成因机制，建立了下切侵蚀河谷的沉积模式。