SPATIAL AND TEMPORAL VARIATION OF THE SEDIMENTATION RATES IN OKINAWA TROUGH SINCE THE LATE PLEISTOCENE AND THEIR CONTROLLING FACTORS
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摘要: 收集和分析了冲绳海槽内不同区域的33个站位柱状样的测年资料,计算了不同时段的沉积速率。结果表明,冲绳海槽内晚更新世以来的沉积速率有较大的时空差异,在空间上,由北向南有沉积速率增加的趋势,而靠近海槽西坡的站位沉积速率要大于东坡;在时间上,晚更新世期间的沉积速率要明显大于全新世。冲绳海槽内不同区域和不同时段沉积速率的差异反映了海槽内沉积环境和物质来源的复杂性,这种差异性主要是由不同区域沉积作用和物源供应变化的结果引起,末次冰消期以来的古海洋环境的变化、黑潮的摆动等因素也起到一定的作用,而事件沉积(如火山-热液作用和浊流沉积)的影响也不容忽视。Abstract: By using the collected chronological data of 33 sediment cores from Okinawa Trough, the sedimentation rates (SR) in different chronological sections of these cores were calculated. The results show very large spatial-temporal variations of the sedimentation rates in the trough. Spatially, there is an increasing trend of the SR from the north to the south, and the SR is much larger in the western slope of the trough than that in the eastern slope. Temporally, the SR increased greatly from late Pleistocene to Holocene. Owing to the result that the sediment in the trough was mainly composed of the terrigenous detritus, we suggest that the variability of the SRs in different parts and different chronological sections in the Okinawa Trough just reflected the complexity of the sedimentation environment and material origins, and mainly resulted from the variation of the sedimentation processes and sediment budget in different sites and ages. Meanwhile, the paleoceanological changes, the shifts of the Kuroshio Currents since the last deglaciation in this area also played an important role in this variation of the SRs. However, the event sedimentation, such as the volcanic event, and turbidites can also take great effect on the sediment accumulation in Okinawa Trough, thus, the effect of event sedimentation could not be less-estimated.
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西湖凹陷平湖斜坡带油气资源丰富，主要含油气层系为始新统平湖组和渐新统花港组[1]。其中，平湖组为一套海陆过渡的含煤地层，地层埋深大，砂、泥、煤岩性组合复杂[2-4]。在此背景下，平湖组沉积相研究往往局限于单个气田，趋于碎片化，对区域沉积形态的精细研究一直是本区的重点和难点。地震沉积学是研究沉积体形态、建立沉积演化模式的重要方法之一[5-6]。但鉴于本区岩性组合复杂，地震沉积学关键技术90°相位转换和地层切片法在此受到诸多限制，难以满足生产需求。
本文综合地震、岩芯、测井等资料，在高精度层序地层格架之下，基于地震沉积学原理，重点从3个方面对地震沉积学技术进行优化，重构区域沉积体系，深入探讨了斜坡带平湖组的沉积演化特征，对该区隐蔽油气藏的钻探具有重要的指导意义。
1. 地质概况
西湖凹陷构造演化经历了断陷期（古新世—始新世）、拗陷期（渐新世—中新世）和区域沉降期（上新世—第四纪）三个演化阶段[7-8]。地层由下向上为古新统，始新统宝石组、平湖组，渐新统花港组，中新统龙井组、玉泉组、柳浪组以及上新统三潭组和第四系东海群（图1）[9-10]。
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图 1 西湖凹陷平湖斜坡带综合地质图Figure 1. Comprehensive geological map of the Pinghu Slope, the Xihu Sag平湖斜坡带位于西湖凹陷平湖构造带中段，目前平湖斜坡带已勘探开发的气田主要包括北部的T气田和南部的P气田（图1）[11-12]。始新统平湖组为半封闭海湾环境，主要发育潮坪、受潮汐影响的三角洲沉积。前人将平湖组分为上、中、下三段，本次重点研究平湖组上段、中段，岩性组合为一套海陆过渡沉积体系的碎屑岩系，砂、泥、煤互层分布[13-14]。
2. 高精度层序地层格架
前人将西湖凹陷平湖组划分为3个三级层序SQ3、SQ2、SQ1，分别对应平湖组上、中、下三段（图1）[15]。笔者深入分析斜坡带平湖组煤系地层的井震响应特征，综合地震、岩芯、测井等资料建立平湖组上段、中段高精度等时地层格架。
2.1 层序界面识别
斜坡带平湖组煤层频繁发育，含煤系数约4%，其中在大范围内连续稳定发育的主煤层具有低密度、高中子、高声波、高电阻特征，常与碳质泥岩、暗色泥岩伴生，煤层厚度相对大（2～5 m），常表现为一套稳定的煤层、碳质泥岩及暗色泥岩组合，简称为“泥煤组合”。由于煤层与砂岩的反射系数差异大，泥煤组合在地震剖面上表现为强连续、强振幅、“两红夹一黑”的平行地震反射特征（图2、3），它形成于海平面持续上升、分布广泛的滨岸平原沼泽和废弃三角洲平原，代表某个时间段内的最大海侵沉积产物，易于全区追踪，可作为研究区良好的标志层进行等时地层对比。
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图 2 研究区连井层序地层图Figure 2. Sequence stratigraphic correlation of joint wells in the study area![]()
图 3 研究区地震层序地层图位置见图1中AA’。Figure 3. Seismic sequence stratigraphic map of the study areaSee Fig. 1 AA' for the position.2.2 层序地层划分
本次在平湖组SQ3和SQ2内部识别出MFS1/MFS2两套区域稳定“煤泥组合”标志层作为最大海泛面，由此将SQ2细分为海侵域（12—9砂组）和高位域（8砂组）；SQ3分为低位域（7下砂组）、海侵域（7上砂组）、高位域（6及以上砂组）（图2）。其中MFS2是SQ2内部的最大海泛面，为研究区稳定的海泛泥岩沉积，“两红夹一黑”地震反射明显；界面上下岩性组合变化大，界面之下为巨厚的泥包砂特征，砂地比约13%，以高频-强连续-中强振幅的平行反射为主；界面之上为SQ2高位域沉积，砂泥互层，砂地比约26%，以中频-中连续-中弱振幅的亚平行反射为主。SQ3沉积时期，物源供给增强，低位域多见块状砂岩，砂地比高达40%，地震上为低频-弱连续-中弱振幅特征；随后海平面快速上升，区域覆盖一套稳定洪泛泥岩沉积；高位域地层增厚，研究区北部富砂，以低频弱振幅、中差连续性反射特征为主，向南泥煤增多，地震反射增强（图3）。
3. 地震沉积学优化技术
地震沉积学已成为沉积学研究的重要技术手段，但随着研究对象的复杂化，研究手段也不再局限于90°相位转换和地层切片两项技术，特别是陆相盆地，等时地震标志层较少，岩性分布复杂，波阻抗呈多极分布，依靠90°相移体校定岩性很困难[16]。为了提高地层切片的岩性解释水平，本文加强研究区岩石物理分析，引入AVO 梯度体开展地震属性与岩性关系分析，并进一步探索振幅、相位、频率多属性融合分析技术。这些技术能深度挖掘地震信息的潜能，从而有效地改善地震属性的沉积相解释精度和准确性。并且，鉴于研究区南北气田间沉积背景的差异，采用将不同属性归一化处理再拼接的思路，将原本碎片化的沉积相逐步拼接在一起，实现本地区连片沉积精细解释。
3.1 多数据体迭代分析
研究区平湖组受多种水动力影响，储层相变快，油气层有效厚度平均不足20 m[17]，埋深主要位于3400～4500 m，对应地震资料主频为30 Hz左右，垂向分辨率较低（约25 m）。中浅层（3400～3900 m）纵波阻抗与岩性有较好的线性关系（图4），利用90°相移体瞬时振幅属性即可较好地表征岩性（图5b效果好于图5a）。深层（3900～4 500 m）受压实作用影响，砂岩和泥岩的纵波阻抗差异较小，90°相移体校定岩性比较困难（图4），但泥岩-砂岩界面的偏移距-振幅曲线通常表现为负梯度特征，因此，在深层地层中，AVO梯度体最小振幅属性能较好地指示砂体（5c效果好于图5d）。基于上述岩石物理分析，笔者在常规90°相移体的基础之上，结合AVO梯度体开展地层切片研究，并依据地质形态开展迭代分析，建立一套适用于本区的地层切片流程（表1）。
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图 4 研究区砂泥岩纵波阻抗分布图Figure 4. Distribution of longitudinal wave impedance of sand mudstone in the study area![]()
图 5 不同深度段AVO 梯度体切片与90°相移体切片对比Figure 5. Comparison of AVO gradient body slices with 90° phase-shifting body slices for different depth segments表 1 地层切片数据体选取与流程优化Table 1. Stratigraphic slice data set selection and procedure optimization常规地震 AVO梯度 物理意义 纵波阻抗变化率 纵波速度/横波速度变化率 岩性预测 浅层效果好，深层差 深层效果好 沉积等时性 稳定标志层表现稳定同相轴，代表等时界面 能较好反映复合砂体界面，不一定等时 储层内部非均质性 振幅、波形局部变化均能较好指示储层内部非均质变化 抗噪性和分辨率低，主要反映储层形态，细节敏感性偏低 技术优化 
3.2 多属性综合分析
常规地震沉积学分析主要利用地层切片技术沿目标层提取振幅类属性，振幅类属性反映的是纵波阻抗变化率，通常对应储层、流体的变化，易于识别地质体主体形态[18]。但在地震信号信噪比较低、目标层厚度薄时，单一振幅类属性难以得到清晰的地质细节，对研究区井位部署影响较大。笔者探索了多属性综合分析方法，在地层切片属性提取时从单一属性扩展到多属性，引入频率、相位、波形等属性，此类属性在刻画岩性边界、透镜体范围、窄水道形态上效果突出，通过融合多属性的特点和优势，刻画不同规模的砂体展布特征，建立以多地震属性为宏观约束的优势相带刻画方法。
以研究区SQ3高位域晚期2砂组为例，该时期整体以河道沉积为主，北部T气田砂体发育，呈现砂包泥特征，南部P气田地层增厚，泥岩含量明显增多（图2），结合地震资料进一步多属性综合分析2砂组储层特征：当储层厚度较大时（20～35 m），振幅类属性对砂体刻画效果好，最大振幅属性上河道呈南北向展布，宽度为1.2～2 km（图6a），反映2砂组沉积时期北北西方向物源为主物源，地震剖面上表现为低频、中强反射的冲刷充填特征；但当地质体规模小、储层厚度薄（20 m以下）时，振幅类属性难以得到清晰的地质细节，平均瞬时频率属性（频率类属性）和上循环周期属性（波形类属性）却清晰地识别出多条正西物源供给的小型分流河道沉积，自西侧地貌高势区向东汇入北西-南东向主河道，剖面上表现为同相轴相位的突变或者微幅下切和微幅丘型复波特征。综合多属性融合结果绘制2砂组沉积微相图，北部气田钻遇主水道，以块状砂岩为主，南部为次要物源供给区，以分支水道沉积为主，多属性融合分析明确了本区沉积展布特征（图6b-c）。
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图 6 2砂组地层切片及沉积学解释Figure 6. The 2nd sand group multi-attribute stratigraphic slicing and sedimentological interpretation3.3 地震相识别与拼接
鉴于研究区井位少、沉积环境复杂，地震相分析是沉积相研究的常用方法。但前人研究呈现“两极分化”现象：① 研究范围过大，宏观模式化，精度难以满足实际生产需求；② 单气田内研究精度高，但研究范围过小，认识碎片化，缺乏区域认识[19]。本次研究在层序格架控制下，以沉积体系为核心，在斜坡带优选适合各气田的数据体和属性进行拼接，井震结合重建区域沉积体系，明确优势相带分布，实现区域沉积相精细化研究。
以SQ3内5号砂组为例：南部P气田已钻井上储层欠发育，以泥岩为主（图2），测井相多见指状，岩芯上可见潮汐韵律层理及强烈生物扰动等构造（图7），富泥背景下砂岩透镜状反射突出，常规振幅属性上表现为典型潮坪沉积，东南部低带发育一系列垂直岸线的倒树枝状潮道沉积，根部较宽，向陆方向宽度变窄直至消亡，宽度为80～320 m（图8a），地震剖面背景相为高频、强振幅、平行反射，潮道为该背景下的小型透镜状反射（图8d）。相比之下，北部T地区储层更为富集，测井相以箱型块状砂岩为主（图2），地震背景相整体为低频弱振幅、波状反射特征（图8c），受压实作用影响，富砂及砂泥互层背景下常规振幅属性难以有效区分砂泥岩，AVO梯度体却可以很好表征储层，梯度属性上可见中等规模三角洲平原分流河道形态。在等时格架约束下，将南部常规振幅属性与北部AVO梯度振幅属性进行归一化处理后实现无缝拼接（图8a），有效解决原有沉积认识碎片化的问题：连片属性表明研究区南部受潮汐影响强，中小规模潮道频繁发育，垂直岸线方向近东西向展布，向北潮汐作用减弱，河控作用增强，发育受潮汐影响三角洲沉积体系（图8b）。
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图 7 研究区平湖组沉积相标志及演化特征Figure 7. Sedimentary facies markers and evolutionary characteristics of the Pinghu Formation in the study area![]()
图 8 地震背景相识别与拼接实例Figure 8. Recognition of earthquake background phase and the examples of splicing4. 斜坡带沉积相展布与演化
基于上述地震沉积学优化研究，结合古地貌、以及岩芯-测井相标定结果，辅以剖面地震相特征，对平湖组开展典型地层切片沉积学解释。
研究区地貌西北高、东南低，SQ2沉积时期（8—12砂组）整体物源供给相对弱，尤其海侵域砂地比低，以大段泥岩夹薄砂岩为主，测井曲线以指状居多，受多重水动力影响局部发育孤立箱型、钟型分流河道、潮道和沿岸沙坝等中厚砂体（图7）。10砂组AVO梯度切片（图9）显示受北西向物源影响，T气田发育三角洲平原分流河道沉积，自北向南展布，河道搬运的沉积物在断层下降盘入水堆积，受波浪改造发育沿岸沙坝，平行岸线分布。北部岩芯见块状砂岩、分选磨圆较差，局部可见冲刷面，指示受潮汐影响三角洲分流河道沉积（图7）。南部P气田为地貌低势区，水深相对较大，以潮间带-潮下带泥煤沉积背景为主，岩芯上潮汐韵律层理、双黏土层和生物扰动现象丰富（图7），常规振幅属性上可见孤立潮道自海向岸近东西向展布，边缘平直且清晰（图9），表明潮汐作用强烈，自海向陆宽度逐渐变窄直至消亡。
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图 9 SQ2海侵域多属性地层切片及沉积学解释（10砂组）Figure 9. Multi-attribute stratigraphic slicing of the SQ2 transgressive system tract and the sedimentological interpretation (the 10th sand group)SQ3低位域（7砂组）早期物源供给充足，以广阔连片的建设型三角洲沉积为主，测井相为典型箱型、钟型特征，岩芯以块状砂岩、含砾砂岩为主，局部可见冲刷面，反映分流河道充填特征（图7）；低位域晚期以广泛分布的泛滥平原泥煤沉积和孤立分流河道沉积为主。受北西物源影响，7砂组多属性地层切片（图10）显示孤立分流河道沿凹陷长轴方向展布，宽约500～800 m，地震剖面上以复波反射为主（图7），南部P气田分流河道凸岸一侧伴生树枝状决口水道沉积，形态清晰。随着海平面的升高，SQ3海侵域时期，发育一套区域稳定的海泛泥岩，地震剖面上为强振幅、中低频、强连续性的“两红夹一黑”反射特征（图3）。
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图 10 SQ3低位域多属性地层切片及沉积学解释（7下砂组）Figure 10. Multi-attribute stratigraphic slicing of the SQ3 low-stand systems tract and the sedimentological interpretation (the lower 7th sand group)SQ3高位域地层厚度较大，垂向上由受潮汐影响的三角洲-潮坪沉积体系逐渐演变为三角洲平原沉积为主。5砂组沉积时期，北部储层富集，发育受潮汐影响的三角洲平原分流河道，向南潮汐作用为主，发育一系列倒树枝状潮道沉积（图8）。随着海平面进一步下降，研究区河控作用增强，4砂组沉积时期以三角洲平原分流河道-决口扇沉积为主，北西方向物源供给充足，近物源区T气田发育稳定分布的厚层块状砂岩，向南砂地比降低（图2），发育南北向三角洲平原分流河道沉积，平面形态为弯曲窄长条状，宽度为800～1000 m，地震剖面上为典型微幅下切反射特征，分流河道凸岸一侧发育决口扇；正西方向存在次要物源，发育北西-南东向小型三角洲平原分流河道，宽度50～100 m。向东水深增大，可见小型三角洲前缘朵叶体；研究区东南部为潮间带—潮下带砂坪沉积，局部可见早期残存的断控三角洲砂体（图11）。平湖组晚期，地势平缓开阔，2砂组发育大规模的南北向展布的三角洲平原分流河道，局部见北西-南东向分流河道向低部位的主水道带汇聚（图6）。研究区北部已钻井位于平原主水道带，呈现砂包泥特征，南部井主要钻遇次要物源供给区，砂岩以薄箱型为主，局部可见潮汐韵律层理（图7）。
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图 11 SQ3高位域多属性地层切片及沉积学解释（4砂组）Figure 11. Multi-attribute stratigraphic slicing of the SQ3 high-stand systems tract and the sedimentological interpretation (the 4th sand group)5. 结论
（1）本文深入分析了斜坡带平湖组煤系地层的井震响应特征，建立了高精度层序地层格架，并基于地震沉积学原理，重点从3个方面对地震沉积学传统两项关键技术进行优化：① 用90°相位体和AVO梯度体迭代分析，替代单一90°相位体进岩性标定；② 融合振幅、频率、相位、波形等属性，针对性地刻画不同规模的砂体展布特征；③ 在地震地貌形态指引之下识别不同成因砂体地震相特征，进行“地震相-沉积相”的有效转化与气田间的地震背景相拼接。
（2）研究区以北西物源为主，正西物源为辅，北部物源供给充足，发育受潮汐影响的三角洲，向南潮汐作用增强，以潮坪沉积体系为主。平湖组SQ2为潮坪背景下的泥包砂特征，潮道垂直岸线方向近东西向发育，北部偶见受潮汐影响三角洲平原分流水道和前缘沙坝沉积；SQ3低位域发育早期建设性三角洲和晚期孤立分流河道，水道自北向南展布，海侵域为区域稳定沉积的海泛泥岩，高位域受次级海平面变化影响，垂向上由受潮汐影响的三角洲-潮坪沉积体系逐渐演变为三角洲平原分流河道-决口扇沉积体系。物源-古地貌-水体综合控制了平湖组沉积展布和纵向演化。
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