Grain-size characteristics and sedimentary environmental significance of terrestrial red sandstone in the Dongying Depression with a gentle slope zone
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摘要:
东营凹陷古近系红层已被证实拥有巨大的勘探潜力。断陷盆地缓坡带广泛分布以砂、泥岩频繁互层为特征的红层沉积, 而这种沉积物究竟形成于何种环境尚未形成统一认识。为明确这种干旱气候背景下发育的大规模陆相红层的沉积类型, 以东营凹陷南部缓坡带王家岗地区W1、W2和W3井为例, 系统解剖了孔一段-沙四下亚段红层储层的粒度分布特征、粒度参数特征及粒度概率累计曲线特征。结果显示: 研究区红层储层砂岩具有单砂体厚度较薄(1~7.7 m)、粒度较细(平均粒径为2.24
ϕ ~4.73ϕ )的特点; 粒度频率曲线主要为单峰正偏态型, 表明沉积物以粗组分为主; 粒度参数判别函数和判别图解均指示河流沉积环境; 大多数样品的累计概率曲线具有显著的过渡组分(＞50%),C -M 图形与C =M 线平行, 表现出密度流特征。测井曲线主要为中-高幅箱型和钟型, 指示加积和侧积作用占主导地位; 岩心上常见反映快速堆积的块状层理、代表单向水流的平行层理和反映弱水流的小型交错层理等构造。基于研究区盆山相间的古地貌格局和炎热干旱的古气候背景的综合分析表明, 红层砂岩形成于分支河流体系, 其沉积特征表现为: 从上游至下游, 随着水动力条件的衰减, 河道分汊加强, 洪水侵蚀能力减弱, 单砂体厚度和沉积物粒度逐渐减小, 流体性质由密度流逐渐演变为牵引流。该研究的新认识为研究区红层油气勘探提供了新的思路, 在开展此类型储层预测工作时, 应重视古物源、古流向的分析, 并加强对单期水道的识别和刻画。Abstract:Objective In the gentle slope zone of the Dongying Depression, the first member of the Kongdian Formation and the lower part of the fourth member of the Shahejie Formation can be split by a distinctive assemblage of reddish sediments, which originated from both fluvial and lacustrine processes. Extensive research has substantiated the significant exploration potential of the Palaeogene red bed in the Dongying Depression. Nevertheless, the sedimentary facies type of the red bed remains a subject of debate among researchers.
Methods To address this issue, we present a comprehensive analysis of wells W1, W2, and W3, which are located in the Wangjiagang area within the southern gentle slope zone of the Dongying Depression. This analysis mainly focused on evaluating the grain size distribution, grain size parameters, and grain size probability accumulation curves of the red bed.
Results This study revealed the distinctive characteristics of the red sandstone reservoirs in the study area. These include thin single sand body thicknesses ranging from 1 to 7.7 m and fine particle sizes, changing from 2.24
ϕ to 4.73ϕ . The grain size distribution is mainly characterized by unimodal positive skewness curves, suggesting the dominance of the relatively coarse fraction. The grain-size parameter discriminant function and bivariate grain-size parameter plots suggest a fluvial environment. The grain size accumulation probability curves of most samples exhibit a significant transition component (over 50%), and the graphs in theC -M bivariate plot are parallel to theC =M baseline, reflecting the characteristics of density flow. Moreover, the logging curves mainly exhibit box and bell shapes with medium to high amplitudes, indicating that the sedimentary processes primarily involved vertical accretion and lateral accretion. The core analysis revealed the presence of blocky bedding indicative of rapid sediment accumulation, parallel bedding characteristic of unidirectional flow, and small cross-bedding suggestive of weak flow.Conclusion In conclusion, it is believed that the red sandstone resulted from distributive fluvial systems deposited with both palaeo-geomorphic features and hot-arid palaeo-climate factors in the study area. From upstream to downstream, the hydrodynamic conditions gradually weakened, the bifurcation of river channels strengthened, the flood erosion ability decreased, the single sand body thickness and sediment grain size decreased progressively, and the fluid properties transitioned from density flow to traction flow. The novel insights of this study offer a fresh perspective for the exploration of petroleum in the red sandstone of the study area. In forecasting such reservoirs, particular emphasis should be placed on analyzing palaeo-provenance and paleo-current while enhancing the identification and characterization of individual-stage flood channels.
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东营凹陷孔一段-沙四下亚段形成于断陷盆地裂陷初期，是干旱炎热气候背景下发育的一套以红色沉积为特色的河湖相地层，统称为“红层”。近年来的勘探实践证实，东营凹陷古近系红层拥有巨大的勘探潜力，是重要的勘探方向和储量接替层系。尽管干热气候下发育的红层本身并不具备生油能力，但却有一定的储集能力，正确判识红层沉积类型对于明确有利储层展布具有重要意义。
陆相红层因蕴含固体矿产、古生物化石和油气资源而备受关注，对红层的研究主要集中在成矿作用、颜色成因、地层古生物、沉积年代及形成环境厘定等方面[1-6]。研究表明，原生成因的陆相红层可形成于冲积扇、河流、三角洲、湖泊及沙漠等各种沉积环境中[7-10]。针对东营凹陷古近系红层，前人已经开展了大量的沉积学工作，通常认为洼陷带主要为半深湖-深湖环境，局部发育盐湖，陡坡带主要发育冲积扇、水下扇、扇三角洲等粗粒沉积[11-13]，但是对于缓坡带大面积分布的砂泥岩薄互层属于何种沉积类型尚未形成统一认识，主流观点包括漫湖砂坪或泥坪和浅水三角洲等[14-16]。近年来，随着深层红层勘探进程的推进，研究人员发现经典沉积模式指导下的储层分布规律与钻井揭示的情况差异较大，比如：红层储层横向变化很快，与砂泥岩坪和三角洲砂体连片展布的特征不符，因而难以有效指导储层预测工作。总的来说，缓坡带红层具有分布范围广、沉积厚度大、砂泥岩变化频繁但岩性单一、沉积构造丰富但不具有标志性以及缺乏指相化石等特征，容易与其他相带混淆，直接应用现有的陆相断陷湖盆经典沉积模式并不能完全解释其沉积现象。
粒度是碎屑沉积物的结构特征，同时也是沉积环境分析的重要标志之一，能够为明确搬运介质的性质、恢复沉积水动力条件、判定沉积物搬运方式及建立沉积模式提供重要依据[17-18]。随着理论研究和实验技术的不断发展和进步，粒度分析已经成为一种成熟的分析方法，并且被广泛应用于沉积学研究中[19-22]。
本研究选择东营凹陷缓坡带王家岗地区的W1、W2和W3井(图 1c)作为探究红层砂岩沉积类型的窗口，通过系统解剖粒度特征，并结合测井曲线、沉积构造等相标志，进一步加深对干旱气候下断陷湖盆缓坡带沉积环境的认识，以期为东营凹陷古近系深层红层有利储层预测提供理论依据。
1. 研究区地质概况
东营凹陷位于渤海湾盆地东南部(图 1a, b)，是一个“北断南超”的箕状断陷盆地，面积约为5 700 km2。凹陷内发育青城凸起、林樊家凸起、滨县凸起、陈家庄凸起、广饶凸起和青坨子凸起6个凸起，以及博兴洼陷、利津洼陷、牛庄洼陷和民丰洼陷4个洼陷(图 1c)。东营凹陷在构造上位于华北板块东部，先后经历了太古宙-中元古代时期基底形成、形变和固结阶段，新元古代及古生代时期稳定盖层发育阶段和中、新生代裂陷盆地发育阶段[26-27]。
新生界古近系是油气勘探的主要目的层，自下而上依次发育孔店组、沙河街组和东营组。以沙四上亚段与下亚段、沙二上亚段与下亚段为界，可以将古近系划分3个二级层序(图 1d)[24]。本研究的目的层孔一段-沙四下亚段为古近系第一个二级层序，形成于始新世早期，具有分布广、埋藏深、厚度大、构造复杂、岩性复杂的特点。受郯庐断裂转变的影响，盆地样式发生较大变化：孔店组沉积前，盆地主要活动断层为NW走向；而红层沉积时期，除NW向断裂继续活动之外，NE向和近EW向断层也开始发育。凹陷不同构造部位岩性差异较大：北部陡坡带主要发育深灰色砂砾岩；洼陷带主要为灰白色碳酸盐岩、膏盐岩和暗色泥岩、粉砂质泥岩；南部缓坡带以紫红色砂岩和泥岩频繁互层为特征，夹灰色、灰绿色砂岩、粉砂岩等。
2. 材料和方法
以东营凹陷王家岗地区W1、W2和W3井(井位置见图 1c)孔一段-沙四下亚段为研究对象进行粒度分析及沉积相研究。W1、W2和W3井位于东营凹陷南部缓坡带，构造部位一致且距离较近，均由广饶凸起供源，能够有效避免因物源不同引起的沉积差异，是缓坡带红层的典型代表。同时，W1、W2和W3井具有相对完整的钻井取心资料，为粒度分析和岩心观察提供了有利条件。选择10个储层集中段作为目的层，依次编号为A~J。其中目的层A、C和G属于沙四下亚段，目的层B、D、H属于孔一上亚段，目的层E和I属于孔一中亚段，目的层F和J属于孔一下亚段(图 2)。自然伽马(GR)和自然电位(SP)测井曲线及岩心照片引自胜利油田勘探开发研究院。粒度分析所用样品来自W1、W2和W3井岩心，包含A~J目的层共92块样品，样品为不等间距取样(图 3)，岩性以粉砂岩和细砂岩为主。
图 2 东营凹陷王家岗地区W1-W2-W3井连井剖面图(井位置见图 1c)Figure 2. Cross section along wells W1, W2 and W3 in the Wangjiagang area of the Dongying Depression
图 3 东营凹陷王家岗地区W1、W2、W3井各目的层岩性柱及岩心照片(岩性图例同图 1)a~j依次为目的层A~J的岩性柱及岩心照片，岩心长度均为1 mFigure 3. Lithologic column and core photograph of the target intervals in Wells W1, W2 and W3 in the Wangjiagang area of the Dongying Depression分析测试由胜利油田勘探开发研究院石油地质测试中心采用MS 2000激光粒度仪(湿法进样)完成。样品前处理过程如下：①使用地质锤和研钵将岩心样品破碎成小块；②称取5~10 g岩心样品，加入过量的质量分数为6% H2O2溶液，再将样品移至加热板进行加热并搅拌，去除有机质；③加入过量的质量分数为10%~15%盐酸溶液，直至无气泡产生，去除碳酸盐；④将酸处理后的样品加净化水反复冲洗，直至pH试纸显示中性；⑤加入净化水，用橡胶锤反复研磨至样品完全解散后等待上机。
本研究所述粒度参数包括平均粒径(Mz)、标准偏差(σ1)、偏度(SK1)和峰度(KG)，均由图解法计算获得，计算公式依据FOLK等[28]。标准偏差(σ1)的等级划分方案依据FRIEDMAN[29]，偏度(SK1)和峰度(KG)的等级划分方案依据FOLK等[28]。另外，为了便于进一步分析，还确定了样品的C值和M值，分别为粒度累计曲线上质量分数为1%的粒径值和质量分数为50%的粒径值。
3. 结果
3.1 测井曲线与岩心特征
目的层A主要由3套向上变粗的砂体构成，整体亦具有向上变粗的特征，单砂体厚度在1~4 m之间。GR测井值为67.6~93.5 API，曲线为低幅齿化漏斗型；SP测井值为164.4~121 mV，曲线形态为中-高幅漏斗型，指示地形突然开阔或坡度变陡时发生的前积作用。广泛发育小型平行层理和板状交错层理，局部见液化变形构造(图 3a)，总体反映水动力条件较弱。
目的层B具有向上变细的特征，砂体厚度约6 m。GR测井值为55~85.5 API，SP测井值为110.3~162.5 mV，曲线为中-高幅钟型。沉积构造主要为块状层理，局部见不明显纹层和泥砾(图 3b)，代表较强水动力条件下的快速沉积。
目的层C包含3套具有反粒序特征的砂体，单砂体厚度1.7~2.6 m。GR测井值为64~84 API，SP测井值为47.5~70.5 mV，曲线为低幅舌型。发育平行层理、板状交错层理、槽状交错层理和流水沙纹层理等(图 3c)，表明沉积水动力条件较弱，物源供给强度不高。
目的层D包含上、下2套砂体。下部砂体总厚度约6.7 m。GR测井值为48~96.5 API，SP测井值为18~75 mV，曲线形态为高幅齿化箱型。上部单砂体厚度1.8~2.2 m。GR测井值为54~111 API，SP测井值为25.5~71.8 mV，曲线形态为高幅指型。沉积构造以块状层理为主，局部发育平行层理(图 3d)。
目的层E砂体厚度约4.2 m。GR测井值为48~84 API，SP测井值为36~73 mV，曲线为中幅钟型。发育典型的平行层理，局部见定向排列的泥砾(图 3e)。
目的层F包含2套砂体，单砂体厚度5~7.7m。GR测井值为45~78.8 API，SP测井值为25.8~71 mV，曲线为高幅微齿箱型。岩心可见大量冲刷面、泥砾和炭化植物屑，主要发育块状层理(图 3f)，指示物源供给充足且稳定，水动力条件强，水流对下伏沉积物具有较强的侵蚀作用。
目的层G包含3套砂体，具有向上变粗的特征，单层厚度在1.5~4 m之间。GR测井值为66.5~113.8 API，SP测井值为-58.5~-32.5 mV，曲线为低-中幅指型、舌型、漏斗型。层理构造十分发育，包括平行层理、流水沙纹层理、板状交错层理和楔状交错层理等(图 3g)。
目的层H由2套砂体构成，单砂体厚度4~5 m，垂向上具有先变粗再变细的趋势。GR测井值为55.7~102.5 API，SP测井值为-39.7~-40 mV，曲线为中-高幅漏斗型、钟型。主要发育块状层理和典型的平行层理(图 3h)，反映单期水流水动力条件先增强后减弱的变化。
目的层I可分为3套砂体，单层厚度为4~7 m，整体具有先变粗再变细的特征。GR测井值为42.5~106.5 API，SP测井值为-96~-38.7 mV，曲线形态为中-高幅漏斗型、箱型、钟型。岩心上可观察到大量冲刷面和炭化植物屑，以发育块状层理为主(图 3i)。
目的层J砂体厚度约5.5 m。GR测井值为44.5~99 API，SP测井值为-69~-37 mV，曲线形态为中幅齿化箱型，主要发育块状层理，局部见泥砾(图 3j)。
3.2 粒度分布特征
研究区红层储层碎屑粒度以粉砂和细砂为主，中砂含量少，仅在目的层F、I和J的样品中占有少量比重(图 4)，整体缺乏粗砂及更粗粒碎屑。粒度频率曲线可以分为尖锐单峰正偏态曲线、单峰正偏态曲线和马鞍状曲线3种类型。
图 4 东营凹陷王家岗地区古近系红层砂岩粒度频率曲线图a~j依次为目的层A~J的粒度频率曲线图Figure 4. Grain-size frequency curves of the Paleogene red sandstone in the Wangjiagang area of the Dongying Depression目的层A和B的大部分样品(样品W1-13除外)为尖锐单峰正偏态曲线，表明沉积物粒度范围较窄，分选较好。目的层A样品众数峰所在的粒度集中在3.2ϕ~3.5ϕ(极细砂)内(样品W1-6除外)，体积分数为20%~31.5%(图 4a)。目的层B大部分样品众数峰所在的粒度范围在2.5ϕ~2.75ϕ(细砂)之间(样品W1-9除外)，体积分数为20%~28%(图 4b)。目的层C和G的大部分样品(样品W3-2除外)为马鞍状曲线，指示2种不同来源的混合或已经堆积的砂体受到改造[30]。该类曲线众数峰粒度较大，在3.5ϕ~5ϕ(粗粉砂-极细砂)之间，体积分数为10%~14%(图 4c, g)。其他目的层样品基本为单峰正偏态曲线(样品W3-22除外)。其中目的层D、E、H和J样品众数峰所在的粒度为2.85ϕ~3.5ϕ(极细砂-细砂)(图 4d, e, h, j)，目的层F和I样品众数峰所在的粒度为2.15ϕ~3ϕ (细砂) (图 4f, i)。
3.3 粒度参数特征
根据图解法计算了每个样品的平均粒径(Mz)、标准偏差(σ1)、偏度(SK1)和峰度(KG)，并从粒度累积计线上读取了C值和M值，结果显示，各目的层内样品的粒度参数值较为集中，目的层之间粒度参数有一定差异(表 1)。
表 1 东营凹陷王家岗地区古近系红层砂岩粒度参数范围和平均值Table 1. Range and average of grain-size parameter of the Paleogene red sandstone in the Wangjiagang area of the Dongying Depression目的层 平均粒径Mz /ϕ 标准偏差σ1 偏度SK1 峰度KG C值/ϕ M值/ϕ 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 A 3.20~4.10 3.59 0.79~1.58 1.10 0.54~0.73 0.63 1.67~3.11 2.26 1.49~2.67 2.14 2.99~3.54 3.30 B 2.63~3.27 2.94 0.55~0.87 0.71 0.37~0.68 0.49 1.23~2.01 1.57 1.26~2.50 1.83 2.50~3.12 2.79 C 3.76~4.73 4.23 1.08~1.71 1.43 0.37~0.58 0.48 1.30~1.97 1.73 1.14~2.66 2.37 3.64~4.16 3.88 D 3.03~4.13 3.54 1.10~1.70 1.38 0.35~0.54 0.45 1.56~1.98 1.82 1.57~2.27 1.87 2.92~3.70 3.29 E 2.95~3.28 3.10 1.03~1.29 1.10 0.32~0.41 0.35 1.66~1.74 1.70 1.49~1.77 1.64 2.87~3.10 3.00 F 2.24~3.24 2.65 0.88~1.25 1.01 0.19~0.39 0.30 1.24~1.90 1.63 0.71~1.92 1.23 2.18~3.20 2.59 G 3.59~4.38 3.93 1.10~1.49 1.26 0.35~0.47 0.41 1.42~1.87 1.71 1.95~2.47 2.31 3.34~4.01 3.73 H 2.99~3.19 3.06 0.85~1.07 0.96 0.28~0.35 0.31 1.73~1.80 1.77 1.71~1.82 1.78 2.94~3.11 3.01 I 2.30~3.19 2.74 0.85~1.27 1.05 0.24~0.38 0.32 1.42~1.74 1.63 0.78~1.74 1.31 2.27~3.08 2.65 J 2.47~4.19 3.20 1.02~1.63 1.41 0.32~0.52 0.42 1.41~1.55 1.50 0.99~2.14 1.37 2.37~3.80 2.91 研究区样品的Mz值范围为2.24ϕ~4.73ϕ，均值为3.30ϕ。W1井目的层B和A样品的平均Mz分别为2.94ϕ和3.59ϕ，W2井目的层F、E、D、C样品的平均MZ依次为2.65ϕ、3.10ϕ、3.54ϕ和4.23ϕ，W3井目的层J、I、H和G样品的平均粒径MZ依次为3.20ϕ、2.74ϕ、3.06ϕ和3.93ϕ，表明从孔一下亚段至沙四下亚段沉积物具有整体向上变细的趋势，指示水动力条件的衰减和物源供给的减弱。研究区样品的σ1值变化较大，在0.55~1.71之间，均值为1.14。目的层A和B样品的σ1值大多集中在0.55~0.94之间，均值为0.74，指示沉积物分选性较好。其他目的层样品的σ1值范围为0.84~1.71，表明分选性中等偏差，反映沉积物具有快速沉积特征。SK1值在0.19~0.73范围内波动，均值为0.42，属正偏至很正偏，表明较粗组分占主导地位。KG值在1.23~3.11之间，均值为1.72，绝大多数样品峰度为尖锐至很尖锐。C值范围为0.71ϕ~2.67ϕ，均值为1.78ϕ；M值范围为2.18ϕ~4.16ϕ，均值为3.11ϕ，C值、M值与Mz值具有明显的正相关关系，共同反映水动力条件的强弱变化。
4. 讨论
4.1 沉积环境判识
应用多元线性判别函数[31]进行沉积环境判识，结果表明：研究区样品Y浅海：河流判别值范围在-26.992 3~-3.431 7之内，其中17.4%大于-7.419 0，主要集中在目的层B，指示浅海环境; 82.6%小于-7.4190，指示河流环境。Y河流：浊流判别值范围为9.134 6~22.982 3，其中98.91%大于9.843 3，指示河流环境；仅样品W2-41的判别值为9.134 6，略小于9.843 3。
FRIEDMAN[29]用标准偏差、偏度(SK1)和平均粒径所作的散点图，能明显区分河流砂、海滩砂和湖滩砂。KANHAIYA等[32]在标准偏差(σ1)和平均粒径(Mz)散点图中进一步将河流沉积物区分为河道沉积和泛滥平原沉积。投图结果显示，研究区红层储层砂岩形成于河流沉积环境(图 5a)；目的层A、B、E、F、H和I的大多数样品属于河道沉积；目的层C、D、G、J的绝大多数样品属于泛滥平原沉积(图 5b)。
应用PASSEGA[33]提出的粒度C-M图解，将粒度累计曲线上含量为1%(C值)和50%(M值)处对应的粒径进行投图，显示研究区红层储层砂岩的C值与M值变化幅度较小，且二者呈显著的正相关关系，图形整体与C=M基线近平行(图 5c)，表现为密度流性质。与经典密度流相比，红层样品点的分散程度较低，C-M图形较窄且靠近C=M基线，表明分选性较好，更接近于砂质碎屑流的图形特征[34]。
考虑到SAHU[31]判别函数和粒度参数散点图都是来源于有限的现代沉积物样本，对古代碎屑岩环境分析存在局限性，为增强沉积环境解释的可靠性，进一步绘制了粒度概率累计曲线，通过分析滚动、跳跃、悬浮3个次总体的分布和变化特征来推测水动力条件及沉积物搬运方式。累计概率曲线参考VISHER[35]图版等比例绘制，即纵坐标累计概率0.01%~99.99%与横坐标粒度0~6ϕ线段长度比约为1.17。研究结果表明，研究区红层储层砂岩的粒度概率累计曲线有2种类型：类型1为“一跳一悬两段夹过渡式”或“一滚一跳一悬三段夹过渡式”，以跳跃组分占比最高，表现出明显的牵引流特征，该类型仅出现在目的层A和B(图 6a, b)；其他目的层样品均为类型2，以三段式曲线为特征，即: 粗组分占比较低、分选最好；中间组分占比最高、分选次之；细组分占比较低、分选最差(图 6c~j)。部分研究人员认为类型2中的粗组分和中间组分均为跳跃组分，指示双向水动力环境[36]。然而，双跳跃组分往往由特殊环境(如海滩砂)的冲刷-回流作用形成[17]，并且通常细粒段比粗粒段分选更好。笔者认为，类型2的三段式曲线解释为“一跳一悬夹过渡组分”更为合适，其中过渡组分含量通常超过50%，表明沉积物的搬运方式介于跳跃和悬浮之间，与重力流水道沉积具有相似的水动力条件[30, 37]。
图 6 东营凹陷王家岗地区古近系红层砂岩粒度概率累计曲线图a~j依次为目的层A~J的粒度概率累计曲线图Figure 6. Log-probability cumulative frequency curves of the Paleogene red sandstone in the Wangjiagang area of the Dongying Depression从粒度特征来看，SAHU[31]判别函数和粒度参数散点图均倾向于指示河流沉积环境，而C-M图形与C=M基线平行、粒度概率曲线含有显著的过渡组分，则指示了密度流的存在。此外，通常认为厚度大于14 m的储层可能与河道沉积有关[38]，而研究区红层单砂体厚度在1~7.7 m之间，与常规河流沉积相比厚度明显偏薄，反映河道可能发生了频繁迁移。测井曲线形态主要为中-高幅箱型和钟型，指示加积和侧积作用占主导地位，三角洲环境常见的反映前积作用的漏斗型曲线较少。岩心上常见反映快速堆积的块状层理和代表单向水流的平行层理以及反映弱水流的小型交错层理等构造。这种小型交错层理与干旱环境下沙漠沉积中普遍发育的大型高角度交错层理有显著差异。综合分析认为，研究区红层的沉积特征揭示了一种具有密度流性质的、河道频繁迁移改道的非典型河流环境。结合古近纪早期研究区盆山相间的古地貌格局和干旱炎热的古气候条件，认为红层沉积特征与我国西北地区广泛分布的现代内陆干旱盆地(如尕斯库勒盐湖[39]和苏干湖[40]等)十分相似，因此推测研究区红层砂体可能形成于分支河流体系。
分支河流体系是指河流从某一顶点开始进入盆地并呈放射状展布的沉积体系，包括大规模的巨型扇、中等规模的河流扇及小规模的冲积扇[41-42]。这一概念的提出和发展与现代地球信息技术的飞跃密切相关，高分辨率的卫星地图为人们观察地球表面地貌特征提供了关键条件。分支河流体系相关研究主要集中在对现代沉积的解剖，例如：几何形态、地貌要素、终止方式及垂向序列等[43-46]。研究人员对于古代分支河流体系的探讨则多从古地形地貌、古物源供给及古气候背景等角度出发，应用将今论古的思想来推测地质历史时期可能存在分支河流体系[47-49]。对研究区构造背景、气候条件及物源供给等因素的综合分析表明：①孔店组-沙四下亚段沉积时期，东营凹陷处于裂陷初期，构造活动强烈，地势高差较大，碎屑物质多沿湖盆周缘分布，主要发育短轴沉积体系[50-51]；②研究区位于南部斜坡带，靠近广饶凸起，主要发育机械成因的碎屑沉积物和代表长期暴露环境的红色泥岩，缺乏生物-化学成因的湖泊沉积物；③始新世早期，东营凹陷处于西风带气候区，具有干旱炎热的气候条件[52-54]，物理风化作用较强；④红层砂岩的岩石类型主要为长石砂岩、岩屑长石砂岩[13]，成分成熟度普遍偏低，表明物源区较近，物源供给充足。综合考虑以上因素，笔者认为红层沉积时期研究区具备分支河流体系的形成条件。
4.2 沉积成因解释
基于粒度分析结果，结合测井曲线及岩心特征，应用分支河流体系沉积模式对研究区古近系红层进行了沉积成因解释。研究发现，孔一下-沙四下亚段粒度特征表现出明显的垂向变化：在频率曲线中，众数峰所在的粒径范围逐渐减小；粒度概率累计曲线悬浮段的最大粒径逐渐减小；图解法计算的平均粒径亦逐渐减小(图 7)。此外，测井曲线形态由箱型、钟型变为指型、舌型，单砂体厚度和砂地比均逐渐减少，曲线幅度逐渐降低；下部地层岩心常见代表侵蚀作用的冲刷面和泥砾，向上侵蚀作用减弱，依次出现指示水浅流急的平行层理和反映较弱水流的小型交错层理(图 3)。分析认为，王家岗地区W1、W2和W3井孔一下-沙四下亚段记录了分支河流体系退积的过程，从上游到下游，砂岩粒度逐渐减小，水动力强度和物源供给逐渐减弱。
图 7 东营凹陷王家岗地区W1、W2和W3井红层砂岩粒度特征垂向变化Figure 7. Vertical variation in the grain size characteristics of red sandstone in wells W1, W2, and W3 in the Wangjiagang area of the Dongying Depression研究区古近系红层沉积成因可以总结为：干旱气候背景下，强烈的物理风化使凸起区形成大量碎屑物质，当山洪暴发时，洪水裹挟大量碎屑物向盆地内搬运，粗粒物质首先在出山口附近堆积，形成泥石流和下切河道，这种高能量、高密度的洪水对下伏沉积物具有强烈的侵蚀作用，形成丰富的冲刷面和泥砾，沉积物粒度分布表现为密度流性质；洪流溢出河道后，大面积流动形成片流沉积，发育典型的平行层理；洪水向下游流动的过程中，随着水动力条件的衰减，河道分汊加强，洪水携带碎屑物的能力减弱，粒度分布逐渐转变为牵引流性质；洪水高峰期，洪水冲裂河道形成反粒序决口扇，漫出河道形成河道间滩，与广泛分布的泛滥平原红色泥岩构成砂泥岩频繁互层的垂向序列(图 8)。
图 8 东营凹陷王家岗地区古近系红层分支河流体系沉积模式示意图Figure 8. Conceptual model of distributive fluvial systems of Paleogene red sandstone in the Wangjiagang area of the Dongying Depression分支河流体系新认识为研究区红层油气勘探提供了新的思路。例如：在分支河流体系中，洪水的冲裂作用会引起河流频繁改道，尽管河道呈分支状，但不一定为同时期活动，就单期次洪水活动而言，顺物源方向上砂体连续性要优于切物源方向，因此搞清楚古物源、古流向至关重要。另外，多期次的洪水事件造成砂体叠置，以亚段或砂组为单位开展储层预测容易出现“满盆含砂”的结果，所以必须加强对单期洪水水道砂体的准确识别和精细刻画，以明确有利储层空间展布情况。
本研究根据红层砂岩的粒度特征对其沉积时的流体流态和水动力条件进行了探讨，取得了一定的新认识。但是也应注意到粒度标志存在多解性，不同的沉积环境可以具有相同的水动力条件。因此利用粒度分析方法判断沉积环境时，须充分考虑沉积背景，应用多种粒度指标，并结合其他沉积学特征进行综合解释。
5. 结论
(1) 研究区红层储层砂岩具有单砂体厚度较薄(1~7.7 m)、粒度较细(平均粒径为2.24ϕ~4.73ϕ)的特点；SAHU判别函数和粒度参数散点图均指示河流环境；C-M图形与C=M基线平行，大多数样品的粒度概率曲线含有显著的过渡组分(＞50%)；测井曲线形态主要为中-高幅箱型或钟型；岩心上常见反映快速堆积的块状层理和反映单向水流的层理构造。总体上，研究区红层沉积特征揭示了一种具有密度流性质的、河道频繁迁移的非典型河流环境。
(2) 通过对构造背景、气候条件、物源供给及沉积体系分布等因素的综合分析表明，红层沉积时期研究区地势高差较大，古气候炎热干旱，物理风化强烈，沉积物成熟度较低，主要发育近源短轴沉积体系，证明研究区具备发育分支河流体系的条件。
(3) 应用分支河流体系沉积模式对研究区古近系红层进行了沉积成因解释，表明W1、W2和W3井孔一下-沙四下亚段记录了分支河流体系退积的过程。从上游到下游，随着水动力条件的衰减，洪水侵蚀能力减弱，河道分汊加强，单砂体厚度和沉积物粒度逐渐减小，流体性质由密度流逐渐演变为牵引流。
所有作者声明不存在利益冲突。 -
图 2 东营凹陷王家岗地区W1-W2-W3井连井剖面图(井位置见图 1c)
Figure 2. Cross section along wells W1, W2 and W3 in the Wangjiagang area of the Dongying Depression
图 3 东营凹陷王家岗地区W1、W2、W3井各目的层岩性柱及岩心照片(岩性图例同图 1)
a~j依次为目的层A~J的岩性柱及岩心照片，岩心长度均为1 m
Figure 3. Lithologic column and core photograph of the target intervals in Wells W1, W2 and W3 in the Wangjiagang area of the Dongying Depression
图 4 东营凹陷王家岗地区古近系红层砂岩粒度频率曲线图
a~j依次为目的层A~J的粒度频率曲线图
Figure 4. Grain-size frequency curves of the Paleogene red sandstone in the Wangjiagang area of the Dongying Depression
图 6 东营凹陷王家岗地区古近系红层砂岩粒度概率累计曲线图
a~j依次为目的层A~J的粒度概率累计曲线图
Figure 6. Log-probability cumulative frequency curves of the Paleogene red sandstone in the Wangjiagang area of the Dongying Depression
图 7 东营凹陷王家岗地区W1、W2和W3井红层砂岩粒度特征垂向变化
Figure 7. Vertical variation in the grain size characteristics of red sandstone in wells W1, W2, and W3 in the Wangjiagang area of the Dongying Depression
图 8 东营凹陷王家岗地区古近系红层分支河流体系沉积模式示意图
Figure 8. Conceptual model of distributive fluvial systems of Paleogene red sandstone in the Wangjiagang area of the Dongying Depression
表 1 东营凹陷王家岗地区古近系红层砂岩粒度参数范围和平均值
Table 1. Range and average of grain-size parameter of the Paleogene red sandstone in the Wangjiagang area of the Dongying Depression
目的层 平均粒径Mz /ϕ 标准偏差σ1 偏度SK1 峰度KG C值/ϕ M值/ϕ 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 A 3.20~4.10 3.59 0.79~1.58 1.10 0.54~0.73 0.63 1.67~3.11 2.26 1.49~2.67 2.14 2.99~3.54 3.30 B 2.63~3.27 2.94 0.55~0.87 0.71 0.37~0.68 0.49 1.23~2.01 1.57 1.26~2.50 1.83 2.50~3.12 2.79 C 3.76~4.73 4.23 1.08~1.71 1.43 0.37~0.58 0.48 1.30~1.97 1.73 1.14~2.66 2.37 3.64~4.16 3.88 D 3.03~4.13 3.54 1.10~1.70 1.38 0.35~0.54 0.45 1.56~1.98 1.82 1.57~2.27 1.87 2.92~3.70 3.29 E 2.95~3.28 3.10 1.03~1.29 1.10 0.32~0.41 0.35 1.66~1.74 1.70 1.49~1.77 1.64 2.87~3.10 3.00 F 2.24~3.24 2.65 0.88~1.25 1.01 0.19~0.39 0.30 1.24~1.90 1.63 0.71~1.92 1.23 2.18~3.20 2.59 G 3.59~4.38 3.93 1.10~1.49 1.26 0.35~0.47 0.41 1.42~1.87 1.71 1.95~2.47 2.31 3.34~4.01 3.73 H 2.99~3.19 3.06 0.85~1.07 0.96 0.28~0.35 0.31 1.73~1.80 1.77 1.71~1.82 1.78 2.94~3.11 3.01 I 2.30~3.19 2.74 0.85~1.27 1.05 0.24~0.38 0.32 1.42~1.74 1.63 0.78~1.74 1.31 2.27~3.08 2.65 J 2.47~4.19 3.20 1.02~1.63 1.41 0.32~0.52 0.42 1.41~1.55 1.50 0.99~2.14 1.37 2.37~3.80 2.91 
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