扇三角洲作为断陷盆地一种主要的沉积体系类型，由于其砂体通常与湖相烃源岩具有较好的空间配置关系，因而也是油气勘探的重点目标^[1-5]，但在以往的勘探工作中，人们对于扇三角洲的研究更多集中于大中型断陷盆地，而对于面积小、物源近且沉积速率大的深部小型断陷扇三角洲沉积特征则关注较少^[6-10]。随着油气勘探的不断深入，人们发现小型断陷湖盆扇三角洲储集体也可以聚集大量油气^[11-12]，可作为断陷盆地油气勘探的新着力点，因而加强小型断陷湖盆扇三角洲沉积学研究意义重大。松辽盆地作为我国东部典型的断坳双重结构盆地，其下部发育多个小规模的断陷区，近年来的油气勘探表明，这些小型断陷湖盆扇三角洲储集体同样富集了大量油气，是松辽盆地深层油气勘探新的重要接替领域^[11-12]。以最新完钻的徐家围子北部小型窄断陷区的宋深9H井为例，其深层沙河子组扇三角洲砂砾岩储层获得了日产20.8万m³的工业气流，但由于针对小型断陷盆地的地质研究相对较少，人们对盆地深层小型断陷的扇三角洲沉积认识还存在争议，如王志宏等^[13]认为徐家围子北部小型窄断陷区扇三角洲在陡、缓坡带均发育，而吕鹏佶等^[14]认为该区扇三角洲主要发育于陡坡带。这使得当前大庆探区的深层天然气勘探受到了严重制约，而随着三维地震数据的采集和钻井资料的丰富，深化该区小型断陷湖盆扇三角洲的沉积地质认识也已经成为可能。因此，本文以松辽盆地徐家围子北部沙河子组为例，在总结前人研究成果的基础上，综合运用岩心、录井、常规测井、成像测井以及地震资料，通过精细刻画和地球物理资料标定及对比分析，明确该区扇三角洲沉积特征与分布规律，并进一步总结小型断陷湖盆扇三角洲发育模式，以期为该区和类似小型断陷湖盆扇三角洲的油气勘探提供地质依据。

松辽盆地是我国东部大型中新生代陆相沉积盆地，总面积约26万km²，盆地具有典型的断坳双重结构，其深层为断陷盆地，浅层为坳陷盆地，经历了早期张裂、中期整体沉陷和后期褶皱3个阶段，依次发育3套构造层，即下部断陷层、中部坳陷层和上部构造反转层^[15-16]。下部断陷层主要由上侏罗统火石岭组和下白垩统沙河子组及营城组构成，中部坳陷层由下白垩统登娄库组—嫩江组构成，上部构造反转层由上白垩统四方台组—新生界构成，沉积地层厚度普遍大于5 000 m。

徐家围子断陷位于松辽盆地北部东南断陷区西侧，毗邻中央古隆起，为近南北向展布的箕状断陷构造单元（图 1），面积约4 000 km²，内部构造主要可划分为安达凹陷、杏山凹陷、薄荷台凹陷、徐西断裂带和徐东斜坡带等（图 1）。前人研究表明，徐家围子断陷主要形成于晚侏罗世—早白垩世早期，其形成演化过程根据裂陷活动强度可分为初始断陷、强烈断陷以及断陷萎缩等3个阶段，分别对应于下部断陷层的火石岭组沉积期、沙河子组沉积期以及营城组沉积期^[17-18]。其中，强烈断陷期对应的沙河子组主要为一套厚度差异较大的粗粒碎屑岩沉积，其与上部营城组火山岩以及下部火石岭组火山岩均呈区域角度不整合接触，为1个二级层序单元，内部根据岩性以及地震反射特征自下而上可划分为Sq1，Sq2，Sq3与Sq4等4个三级层序^[19]。本次研究的主要目的层为徐家围子北部断陷区的沙河子组，区域上主要包括安达凹陷、宋站低凸起以及徐东斜坡的一部分，其长轴方向长约50 km，短轴方向长约12 km，属于南北向条带状展布的小型箕状断陷盆地（图 1），在沙河子组沉积过程中主要受徐西断裂的控制。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 徐家围子断陷北部构造位置（a）及沙河子组地层厚度分布（b） Fig. 1 Tectonic location of the northern Xujiaweizi Fault Depression(a)and thickness distribution of Shahezi Formation(b)

通过对徐家围子断陷北部沙河子组7口取心井岩心的精细观察与描述，发现研究区扇三角洲岩石类型主要为砾岩、砂岩和泥岩，粉砂岩较少见，又根据颜色、粒度、支撑结构、沉积构造，又可以进一步细分为若干小类，分别代表着不同的沉积环境。

（1）砾岩

砾岩是扇三角洲沉积中最重要的岩石类型，砾石通常大小混杂，以次圆状—次棱角状为主，并具有泥质含量高和颜色杂乱的特征。岩心观察发现，徐家围子断陷北部沙河子组砾岩主要为杂色或褐色中—细砾岩，根据砾石粒度以及支撑形式可划分为5类：泥质支撑漂浮砾岩、砂质支撑漂浮砾岩、砾石支撑漂浮砾岩、等粒级颗粒支撑砾岩和多粒级颗粒支撑砾岩。泥质支撑漂浮砾岩以砾石“漂浮”于泥岩等杂基之上为特征，砾石通常大小不一，棱角明显，物性极差，为扇三角洲根部高泥质含量的泥石流沉积产物[图 2(a)]；砂质支撑漂浮砾岩中砾石“漂浮”于砂岩之上，砂质含量高且多以中粗砂岩为主，粒度直方图上常具有双峰特征，物性较好，为辫状河道沉积[图 2(b)]；砾石支撑漂浮砾岩多表现为粗砾石“漂浮”于细砾石之上，砾石含量高，多为平原富砾石的碎屑流沉积[图 2(c)]；等粒级颗粒支撑砾岩砾石分选较好，颗粒之间相互支撑接触，储层物性较好，为水动力条件相对稳定的辫状河道沉积[图 2(d)]；多粒级颗粒支撑砾岩表现为砾石大小混杂，分选与磨圆均差，储层物性极差，多为扇三角洲平原洪流沉积产物，常见于扇体根部和辫状河道底部[图 2(e)]。以上这些砾岩中，较少发育沉积构造，以冲刷侵蚀面最为常见[图 2(f)]，局部可见粒序层理。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 徐家围子断陷北部沙河子组典型岩心照片 （a）褐色泥质支撑漂浮砾岩，砾石大小不一，以次圆—次棱角状为主，为扇三角洲泥石流沉积，宋深4井，3 154.26 m；（b）灰色砂质支撑砾岩，可见次棱角状砾石，为扇三角洲前缘河道砂质碎屑流沉积，达深302井，3 447.83 m；（c）杂色细砾石支撑漂浮中砾石，砾石直径可达4 cm，为扇三角平原辫状分流河道砾石质碎屑流沉积，达深3井，3 514.33 m；（d）杂色等粒级颗粒支撑砾岩，砾石直径普遍小于1 cm，为扇三角平原辫状分流河道砾石质碎屑流沉积，达深3井，3 513.39 m；（e）杂色多粒级颗粒支撑砾岩，砾石大小混杂，磨圆差，以次圆—次棱角状为主，为扇三角洲平原砾石质碎屑流沉积，达深3井，3 512.87 m；（f）褐色砂砾岩中见冲刷面构造与岩性突变面，为扇三角洲平原辫状分流河道沉积，达深3井，3 618.94 m；（g）褐色粗砂岩，见滞留沉积，为扇三角洲平原辫状分流河道沉积，宋深2井，3 353.47 m；（h）灰色粗砂岩与黑色泥岩突变接触，见冲刷面构造，为扇三角洲前缘水下分流河道沉积，达深4井，3 348.75 m；（i）灰褐色含砾砂岩，底部见植物化石，为扇三角洲平原漫滩沉积，达深3井，3 618.94 m；（j）灰黑色泥质粉砂岩，砂纹层理，为扇三角洲前缘水下分流间湾沉积，达深2井，3 864.64 m；（k）黑色炭质泥岩，为扇三角洲前缘水下分流间湾沉积，达深3井，3 619.74 m；（l）褐色泥岩，见贝壳状断面，为扇三角洲平原漫滩沼泽沉积，宋深4井，3 226.76 m Fig. 2 Typical photos of cores from Shahezi Formation in the northern Xujiaweizi Fault Depression

（2）砂岩

工区内砂岩以褐色或灰色粗砂岩为主，局部可见少量中细砂岩和含砾砂岩，多为扇三角洲河道沉积产物[图 2(g)~(i)]。其中，褐色或褐灰色砂岩多发育块状层理，底部可见滞留沉积，为扇三角洲平原稳定水动力条件下的辫状分流河道沉积[图 2(g)]；灰色块状砂岩底部常见冲刷侵蚀面，砂岩与下部黑色泥岩为突变接触，多属于扇三角洲前缘河道或河口坝沉积[图 2(h)]。此外，在岩心上还可见到发育粒序层理的灰色含砾砂岩和发育平行层理的细砂岩，部分砂岩底部可见快速掩埋的植物化石[图 2(i)]。由于扇三角洲砂岩形成时的水动力条件比砾岩形成时稳定，砂质颗粒分选性较好，其储层物性也普遍较好，因而通常是断陷湖盆扇三角洲油气勘探的重要目标。

（3）粉砂岩

由于扇三角洲属于近源快速堆积的粗粒碎屑岩沉积，粉砂岩沉积在研究区较少发育。在岩心上只见到部分褐色的发育沙纹层理的粉砂岩和深灰色夹暗色纹层的泥质粉砂岩[图 2(j)]，前者多为扇三角洲平原末端漫流沉积的产物，而后者应属于扇三角洲前缘水下分流间湾沉积。

（4）泥岩

泥岩岩性特征是划分扇三角洲相显著的标志之一。由于扇三角洲形成时地形坡度通常较陡，扇三角洲平原与前缘泥岩颜色通常分别为典型的氧化色与还原色。岩心观察发现，工区内扇三角洲泥岩颜色主要为褐色与黑色[图 2(k)~(l)]。其中，黑色泥岩中常见大量植物化石碎片，且部分碳化现象明显，多为扇三角洲前缘水下分流间湾沉积，但部分也可见于扇三角洲平原的泥炭沼泽[图 2(k)]；块状褐色泥岩代表着暴露氧化环境，为扇三角洲平原沉积[图 2(l)]。

通过岩心观察，结合录井资料以及断陷盆地特征，工区扇三角洲可以划分为扇三角洲平原和前缘2种亚相和若干种微相类型，它们在沉积序列上具有不同的响应特征。

扇三角洲平原主要可划分为辫状分流河道与漫滩沼泽等2种沉积微相。辫状分流河道微相为扇三角洲平原砂砾岩体的主要构成单元，岩性以杂色砾岩与褐色粗砂岩为主，其中砾岩多为泥质支撑漂浮砾岩、砂质支撑漂浮砾岩和多粒级颗粒支撑砾岩，砾岩中砾石颗粒大小混杂，个别粒径可达6 cm，磨圆较差，泥质杂基含量高。这些砾岩既有形成于扇三角洲平原的泥石流沉积，也有辫状分流河道沉积，它们在纵向沉积序列上表现为大套厚层的砂砾岩夹泥岩组合[图 3(a)]。在岩心上，由于这些沉积物相对较粗，观察到的沉积构造多为冲刷侵蚀面[图 2(f)]。漫滩沼泽微相以细粒沉积物为主，岩性主要有褐色或灰色粉砂岩和泥岩[图 2(l)]，部分形成于泥炭沼泽的泥岩可呈黑色[图 2(k)]，并可见到碳化植物化石碎片。

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 扇三角洲平原（a）与扇三角洲前缘（b）沉积序列以及测井响应特征 Fig. 3 Sedimentary succession and well logging response of delta plain(a)and delta front(b)within Shahezi Formation in the northern Xujiaweizi Fault Depression

扇三角洲前缘根据岩心观察可划分为水下分流河道、水下分流间湾以及河口坝等3种微相类型。其中，水下分流河道沉积规模与扇三角洲平原辫状分流河道相比明显减小（图 3），沉积产物主要为灰色砂砾岩，底部多见冲刷面构造且多与黑色泥岩突变接触[图 2(h)]，砾岩中砾石直径普遍偏小，分选中等。由于该类沉积砂体通常具有较好的储层物性，因而水下分流河道也是扇三角洲沉积最有利的储集相带。水下分流间湾属于扇三角洲前缘沉积水体相对安静的沉积环境，岩性以灰黑色或黑色泥岩为主，局部发育薄层灰色泥质粉砂岩或粉砂岩沉积，在岩心观察中可见到波状层理、沙纹层理以及大量植物化石碎片[图 2(j)~(k)]。河口坝微相在本研究区发育规模较小，岩性以灰色粉砂岩—含砾粗砂岩为主，部分可见反粒序层理。

扇三角洲沉积物由于属于近源堆积，通常具有厚度变化大和岩性变化快的特征，且砂砾岩在常规测井与成像测井上均有特殊的响应特征。在研究区，由于盆地范围小，来自短轴物源方向的砂砾岩沉积普遍具有低成熟度和高泥质含量的特征，它们在常规测井曲线上的箱型特征有时候不明显，其GR曲线可呈中幅齿状或齿化箱状特征（图 3）。统计数据显示，研究区扇三角洲砾岩GR值为80~ 110 API，部分砾岩甚至与泥岩的GR数值相近。在成像测井上，扇三角洲平原粗粒沉积物通常具有暗色背景下的亮斑响应，亮色斑块大小不一，表现出亮色高阻和暗色低阻相混杂的特征[图 3(a)]。在扇三角洲前缘，由于水下分流河道沉积物搬运距离较远，分选稍好，其测井响应往往与扇三角洲平原沉积相比具有明显的差异，可见到典型的箱状和相对规则的成像条带响应特征[图 3(b)]。

地震相是沉积体较直观的地球物理响应特征之一，它对于判别沉积类型、分析无井区沉积相具有重要作用^[20-22]。从徐家围子北部沙河子组东西向地震剖面来看，不同单井标定的扇三角洲沉积物在地震相响应特征上存在一些差异，但总体以典型的中低频楔状前积反射、丘状或楔状杂乱反射为特征，与研究区代表辫状河三角洲和湖泊沉积物的平行—亚平行连续反射结构明显不同（图 4）。如汪深1井，在单井上表现为褐色砂砾岩与泥岩互层沉积，测井曲线箱状响应不明显，属于典型的扇三角洲沉积环境，而在地震剖面上该井就表现为丘状杂乱反射特征，属于扇三角洲沉积体的横截面典型响应。由此通过单井沉积相-地震相标定与对比，明确了扇三角洲的地震响应特征，即以丘状、楔状杂乱反射或楔状前积反射为主。

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 徐家围子断陷北部沙河子组不同沉积环境的地震响应特征 Fig. 4 Seismic responses to different sedimentary environments of Shahezi Formation in the northern Xujiaweizi Fault Depression

根据沙河子组扇三角洲的地质-地球物理响应，对徐家围子断陷北部地震剖面上的扇体发育特征进行了刻画（图 5）。以研究区南北各一条东西向地震剖面为例，北部line2525测线地震剖面东部缓坡带下部地层整体以杂乱反射为特征，而向上逐渐过渡为平行连续反射的地震相，说明该剖面东部早期发育扇三角洲沉积，并随着盆地扩张逐渐向辫状河三角洲过渡[图 5(a)]。南部Line1881测线地震剖面中可见到典型的楔状前积和丘状杂乱反射分布于下部地层，而且Sq1内的楔状前积结构与宋深4井的代表泥石流沉积的岩心[图 2(a)]则证实了在研究区南部的东侧缓坡带早期确实发育扇三角洲沉积[图 5(b)]。此外，南部丘状杂乱反射结构主要分布于剖面的西侧，临近徐西控盆断裂且向上呈逐渐向西迁移趋势，而东部缓坡带在后期随着盆地范围的扩大则开始表现为席状亚平行反射，代表湖泊与辫状河三角洲沉积，表明徐西断层的持续活动和盆地范围的扩展对研究区沉积体系的分布具有明显的控制作用。

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 徐家围子断陷北部沙河子组地震反射特征与沉积解释（剖面位置见图 1） Fig. 5 Sedimentary interpretation of seismic facies of Shahezi Formation in the northern Xujiaweizi Fault Depression

通过单井沉积相分析，结合地震标定和地震相解释，分析了徐家围子北部扇三角洲的平面展布规律（图 6）。在沙河子组沉积初期（Sq1~Sq2），研究区进入强烈断陷初始阶段，裂陷活动大规模发生^[16-18]，但由于主控断裂（徐西断层）为近南北向展布，裂陷区分布较窄，盆地范围小，来自短轴方向的物源供给充足，在该时期东部相对缓坡区和西部陡坡带均广泛发育扇三角洲沉积[图 6(a)~(b)]；沙河子组沉积中期（Sq3），徐西断裂持续活动，沉积中心逐渐向西迁移，东部缓坡带地貌单元不断扩张，盆地范围进一步扩大，在不同的构造部位，沉积相带开始出现分异，西部陡坡带以扇三角洲沉积为主，东部缓坡带则逐渐出现辫状河三角洲沉积[图 6(c)]；沙河子组沉积晚期（Sq4），盆地范围继续扩大并在Sq4—TST沉积期达到最大，该时期盆地东部缓坡带整体为辫状河三角洲沉积，扇三角洲则主要出现在西部断裂陡坡带，不同构造带的沉积相分异特征明显[图 6(d)]，表明扇三角洲沉积体系在不同盆地充填阶段的分布特征存在较大差异。

图 6

Fig. 6

下载eps/tif图 图 6 徐家围子断陷北部沙河子组层序格架内扇三角洲沉积展布特征 Fig. 6 Distribution of fan deltas within the sequence stratigraphic framework of Shahezi Formation in the northern Xujiaweizi Fault Depression

前人研究表明，扇三角洲的形成通常和构造活动、地形坡度、物源供给等因素密切相关^{[9, 23]}，并且在陆相断陷湖盆中，扇三角洲沉积多发育于盆地的初始断陷阶段和构造上的陡坡带^{[4, 7-9]}，然而通过分析徐家围子北部沙河子组扇三角洲沉积特征及分布规律发现，强烈断陷阶段小型断陷盆地的扇三角洲沉积不仅可以发育于陡坡带还可以发育于构造相对缓坡区（图 7），如沙河子组沉积期，整个徐家围子地区均处于强烈断陷阶段，裂陷活动剧烈、频繁，徐家围子北部在南北向徐西大断裂的持续活动下形成了一个条带状分布且西陡东缓、地层沉积厚度差异巨大的小型断陷区。在沙河子组沉积早期，受单一控盆断层的影响，断陷区范围小且窄，西部陡坡带以扇三角洲沉积为主并随着断裂的不断活动逐渐发育，而该时期来自东部的物源由于搬运距离较短且东部缓坡地形的坡度相对偏大，沉积物也表现为扇三角洲的沉积响应特征，在岩心记录中可见到明显的泥石流沉积[参见图 2(a)]，地震剖面中可见到典型的杂乱反射。随着断裂的持续活动，盆地范围逐渐增大，不同构造带上的沉积相开始出现分异，西部断裂陡坡带仍以发育扇三角洲沉积为主，东部缓坡带则由扇三角洲沉积转变为辫状河三角洲沉积，地震同相轴也逐渐由早期的杂乱反射转变为连续亚平行反射[参见图 5(a)]。这表明强烈断陷期小型断陷湖盆的扇三角洲发育特征与盆地范围以及构造特征均密切相关，且小型断陷湖盆的相对缓坡区同样可以发育扇三角洲沉积，只是随着盆地范围的扩大和地形坡度的进一步变缓，缓坡区扇三角洲会逐渐被辫状河三角洲取代（图 7）。在这种沉积模式中，由于扇三角洲较为发育且其砂砾岩多与深湖相泥岩直接接触，因而也是油气勘探的有利目标。

图 7

Fig. 7

下载eps/tif图 图 7 强烈断陷期小型湖盆扇三角洲发育模式 Fig. 7 Development model of fan delta in small-scale fault basins during intensive rifting stage

（1）徐家围子北部沙河子组扇三角洲沉积主要为褐色、灰色砂砾岩和褐色、黑色泥岩。其中，砾岩根据砾石粒度以及支撑形式可进一步划分为泥质支撑漂浮砾岩、砂质支撑漂浮砾岩、砾石支撑漂浮砾岩、等粒级颗粒支撑砾岩以及多粒级颗粒支撑砾岩等5类，它们分别代表不同的沉积水动力环境。

（2）徐家围子断陷北部沙河子组扇三角洲沉积地球物理响应特征明显。在常规测井曲线上，河道沉积的砂砾岩常呈中幅齿状或齿化箱状特征；在成像测井上厚层砂砾岩显示为暗色背景下大小不一的亮斑响应；在地震剖面上，扇三角洲沉积物多表现为中低频楔状前积反射、丘状或楔状杂乱反射特征。

（3）小型断陷湖盆扇三角洲的发育与盆地范围及构造活动特征密切相关。在盆地强烈断陷早期，由于盆地范围小、沉积物供给充足且搬运距离短，东部相对缓坡区和西部陡坡带均可发育扇三角洲沉积；随着控盆断裂的持续活动和盆地范围的不断扩大，东部缓坡带的扇三角洲沉积会逐渐向辫状河三角洲沉积转变，表现为不同构造带上的沉积相开始出现分异的特征。