Sedimentary features and depositional model of the submarine fan of Mingyuefeng Formation in the Western Lishui Sag, East China Sea
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摘要: 东海陆架盆地丽水凹陷古新统明月峰组发育典型的海底扇沉积，且已获得工业油气发现。该文利用现有地震地质资料，运用层序地层学理论方法，总结出丽水凹陷的海底扇沉积模式。海底扇沉积相标志包括：岩心主要表现为滑塌揉皱、包卷层理、泄水构造、块状砂岩、黑色泥岩撕裂屑、漂砾、砂注等构造；C-M图主要表现为重力流沉积特征；结构成熟度和成分成熟度中等—差。扇体地震反射结构主要为顺物源方向双向下超，垂直物源方向丘状反射特征，平面地震属性显示为典型扇形。丽水凹陷明月峰组由低位体系域、水进体系域和高位体系域组成，其中海底扇发育在低位体系域，在扇体近端发育多个下切谷，下切谷下切规模较大；坡折主要划分为断裂坡折和沉积坡折，其中断坡坡度较大，坡度7.2°左右，沉积坡折坡度较小，一般在5°左右，与下切谷相对应在谷口形成一系列的扇体，沟–坡–扇耦合关系良好。扇体规模较大，单个扇体面积最大124 km2，整个低位域由6个扇体组成，展示了丽水凹陷良好的岩性圈闭勘探前景。本次研究根据扇体的成因特点建立明月峰组低位域时期沟–坡–扇沉积模式，对指导勘探寻找出岩性圈闭和开创丽水凹陷油气勘探新局面具有一定意义。Abstract: The Mingyuefeng Formation of Paleocene in the Lishui Sag of East China Sea Shelf Basin is characterized by typical submarine fan deposits,in which industrial hydrocarbon has been discovered. In this paper, a depositional model for the Sag is summarized based upon the existing seismic-geological data under the guidance of sequence stratigraphy. Sedimentary facies features of the submarine fan observed from cores include collapse and crumpling structures, entrapment beddings, drainage structures, massive sandstone, tear debris of black mudstone, drifting gravel structures, sand injection and other structures. The C-M diagrams show a typical pattern of gravity flow deposits with moderate to poor component and textural maturities. The seismic reflection of the fan body is characterized by two-way dipping along source direction, hill-like reflection in cross sections, and typical fan-shaped seismic attributes in plane views. The Mingyuefeng Formation in the Lishui Sag is composed of lowstand system tract, transgressive system tract and highstandl system tract of a sequence, in which submarine fans occur in the lowstand system tract. Multiple incised large valleys develop in the proximal end of the fan body. Both the fault breaks and sedimentary breaks are observed and the fault breaks are always in large scale with a slope of about 7.2 degrees, while the sedimentary slope breaks are relatively smaller with a slope around 5 degrees. Most of the depositional fans occur at the mouth of the incised valleys in a pattern including valley, slope and submarine fans. The largest fan covers an area of 124 km2, and the lowstand system tact is composed of six fans, showing good prospects for lithologic traps in the Lishui Sag. According to the genesis of the fan bodies, we established in this paper a ditch-slope-fan depositional model for the lowstand system tract of the Mingyuefeng Formation as a guide for exploration of lithologic traps in the sag.
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Keywords:
- Lishui Sag /
- lowstand system tract /
- submarine fan /
- depositional models /
- Mingyuefeng Formation
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丽水凹陷是东海陆架盆地一个重要的油气勘探区[1-2]。随着勘探程度的提高，构造圈闭在丽水凹陷已难以发现，岩性圈闭勘探正逐渐提上日程。对于丽水凹陷明月峰组海底扇沉积，前人做了大量工作，观点包括轴向重力流[3]、滑塌重力流[4-5]、低位扇[6]、远岸水下扇[7]，共同点均认为是重力流沉积。作者根据当时所掌握的材料重点从沉积特征、平面分布特征等方面进行讨论，多是单独从地质方面或地震方面对扇体特征进行描述，少有提及沟谷、扇体的发育规模，建立的沉积模式包括轴向浊积水道和三角洲–浊积扇模式[3-7]，和本次建立的沉积模式也有所不同。随着勘探进程的推进，三维地震数据以及钻井数量的增加，掌握的基础资料越来越多，逐渐对海底扇的宏观微观沉积特征、沉积成因、发育规模、演化期次有了更清晰的认识。目前丽水凹陷唯一的油气田产层就是明月峰组海底扇储层，本次研究对海底扇的沉积物粒度、结构成熟度、成分成熟度、岩心特征、下切谷和海底扇的规模进行了较详细的描述，明确了丽水凹陷明月峰组海底扇为低位域时期沟–坡–扇沉积模式，以此指导勘探寻找出一批类似的岩性圈闭，开创丽水凹陷油气勘探新局面。
1. 区域地质概况
丽水凹陷位于东海陆架盆地西南部，北部与椒江凹陷相邻；东部以雁荡凸起与福州凹陷相隔；西部与浙闽隆起区相接，是在中生代残留盆地基础上发育起来的新生代断陷盆地，面积约12 500 km2。丽水凹陷基底由中生代火山岩、花岗岩与元古代变质岩组成。上覆地层为上白垩统石门潭组、古新统月桂峰组、灵峰组和明月峰组、下始新统瓯江组、中始新统温州组、中新统、上新统和第四系，缺失始新统上部及渐新统。丽水凹陷呈北东—南西向展布，可划分为4个构造单元：西次凹、东次凹、南次凹、灵峰潜山带[8-11]（图1）。东次凹面积约2 100 km2，南次凹约1 850 km2，西次凹面积约6 900 km2，是本文研究的目标区。
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图 1 丽水凹陷区域地质背景及沉积充填序列（据侯国伟，2019修改）Figure 1. Geological background and filling sequence of Lishui Sag （revised from Hou Guowei, 2019）2. 明月峰组海底扇沉积特征
2.1 岩性与沉积构造特征
明月峰组海底扇砂岩粒度偏细，主要为灰色细砂岩和灰色粉砂岩，岩石学特征为岩屑砂岩、长石岩屑砂岩（图2），成分成熟度较低，岩屑含量高，达到60%左右，其中岩屑以中酸性喷发岩为主，占绝对优势；结构成熟度中等—差，表现在两方面：①分选差—中等，磨圆次棱为主，次圆—次棱居中，其次次棱—次圆（图3，图4）；②杂基含量相对较高，不同岩性的砂岩泥质杂基含量也不同，粉砂岩泥质杂基含量普遍较高，φB一般均在15%以上，最高可达45%。粉细砂岩泥质杂基的φB为10%～12%，而细砂岩、中细砂岩泥质杂基的φB一般低于5%，仅在局部达10%[3]。成分成熟度低、结构成熟度差—中等反映近距离搬运和快速堆积的沉积特征。C-M图主要反映重力流的递变悬浮沉积（图5）。概率粒度曲线以两段式为主，显示搬运方式为跳跃和悬浮，并且以悬浮搬运为主，含量在50%以上（图6）。
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图 2 丽水凹陷明月峰组海底扇砂岩岩石学特征Figure 2. Petrological characteristics of fan sandstone of Mingyuefeng Formation in Lishui Sag![]()
图 3 丽水凹陷明月峰组海底扇砂岩分选统计直方图（N为样品个数）Figure 3. Statistical histogram of fan sandstone sorting of the Mingyuefeng Formation in Lishui Sag（N is the number of samples）![]()
图 4 丽水凹陷明月峰组海底扇磨圆统计直方图（N为样品个数）Figure 4. Statistical histogram of fan sandstone roundness in Mingyuefeng Formation in Lishui Sag（N is the number of samples）![]()
图 5 丽水凹陷明月峰组海底扇砂岩C-M图Figure 5. C-M diagram of the fan sandstone in Mingyuefeng Formation in Lishui Sag![]()
图 6 丽水凹陷明月峰组海底扇砂岩概率粒度曲线Figure 6. Probability cumulative curve of the fan sandstone in Mingyuefeng Formation in Lishui Sag明月峰组海底扇泥岩主要为黑色、深灰色泥岩，泥质纯净，深灰色泥岩夹在灰色砂岩储层中，黑色大套泥岩覆盖在灰色砂岩储层之上（图7）。泥岩颜色是深水沉积环境的判别标志之一，钻井中两种不同颜色泥岩的出现同样反映是深水沉积环境，庞雄[12]对这一深水判别标志的描述较为清楚，重力流沉积的顶底围岩属于深水悬浮沉积，它保留了深水的环境记录，但在重力流多次发生叠加沉积的位置深水环境的信息就会减少，甚至导致反映深水环境标志的缺失。
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图 7 岩心沉积构造图版（岩心宽度均为0.15 m）Figure 7. Core plates for sedimentary structures（Core diameter 0.15 m）岩心反映的沉积构造比较丰富，主要包括块状层理、泄水构造、包卷层理、滑塌构造、碟状构造、漂砾构造、黑色泥岩撕裂、鲍玛序列等，反映出砂体垮塌形成的重力流快速堆积特征。丽水凹陷海底扇鲍玛序列主要发育A、C、D段，B、E段不发育（图7）。
2.2 测井特征
目前钻井钻遇的丽水凹陷海底扇位置包括扇中和扇端，从电测曲线上来看，反映微相的测井相主要为箱型、钟型和漏斗型，都在一定程度上具有齿化现象，顶底界面多为突变型。对于海底扇来说，箱型和钟型主要反映水道微相，漏斗型主要反映沉积朵体微相（图8）。对于整个海底扇自下而上为3个由细变粗的反韵律组成，岩性组合从泥岩到粉砂岩再到细砂岩，伽玛曲线表现为向上变粗的反韵律，曲线呈漏斗型，顶部与上覆岩层具突变接触关系。单一反韵律（漏斗型）内部泥包砂，泥多砂少（图9）。
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2.3 海底扇地震反射特征
古新统明月峰组层序划分方案前人做了大量工作[13-19]，整体上划分为一个三级层序，地层年代间隔为2.2 Ma，底界T85为上超界面，并且在凹陷边缘西部斜坡带发育明显的下切侵蚀现象，形成一系列下切谷，顶界T80在凹陷边缘为削截，在斜坡和洼陷过渡带开始出现顶超，形成一套前积反射层。明月峰组内部可识别出初始海泛面（FFS）和最大海泛面（MFS）。FFS在钻井揭示为厚层砂岩的顶面，有孔虫的丰度和分异度表现为向上变小和向上变大的转换面（图9），在地震上表现为明显的上超（图10）；MFS表现为有孔虫丰度和分异度向上变大和向上变小的转换面，自然伽玛位于最高值（图9），同时是地震前积反射的底超面，位于大套泥岩的内部。整体上低位域（LST）由3套灰色细砂岩、灰色粉砂岩与深灰色、黑色泥岩组成，古生物丰度和分异度相对较低（图9），向斜坡上超或双向底超的低频连续强反射；水进域（TST）为一套灰色泥岩、粉砂岩，地层厚度变化较大，古生物丰度和分异度最大，地震相为中频连续弱反射，上超在层序底界面T85上；高位体系域（HST）以灰色细砂岩为主，由两个向上变粗的进积准层序组组成，古生物丰度和分异度中等，地震相为高频连续弱反射，具有明显的前积反射特征（图9，图10）。明月峰组海底扇发育于明月峰组低位体系域。
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明月峰组海底扇位于坡折带之下，下切谷出口处，为典型的扇体反射特征，顺物源方向为楔状体，呈多期上超在层序界面T85上，垂直物源方向为丘状外形，内部为丘状反射，双向下超，显示出侧向尖灭的特征。以丽水凹陷西次凹多个海底扇中钻井较多的一个扇体为例，对其进行地震反射特征解剖，不同亚相横测线和纵测线表现出不同的特征：扇根位置丘状反射特征明显，地震双向下超；扇中位置丘状幅度减小，地层扁平；扇端位置，丘状反射消失，地层水平展布；顺物源方向，地层呈上超反射特征，下切谷发育，并且杂乱充填（图11）。
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2.4 沟–坡–扇对应关系及平面展布特征
下切谷、坡折和扇体通常呈伴生关系，当海平面下降到坡折点之下时，由于坡折带的存在，地貌发生明显变化，河流下切作用增强，地层遭受剥蚀形成下切谷，并在下切谷谷口对沉积物卸载形成海底扇。丽水凹陷西次凹海底扇正是如此。
（1）下切谷
丽水凹陷明月峰组低位体系域主要发育6个位置相对固定的下切谷，主要为U型展布特征，宽度为2.7～3.7 km，深度为37～220 ms，受三维地震边界的限制，目前能测量到的长度为3.3～6.91 km，其中沟5和沟6最大，下切谷宽深比大，下切能力强反应沉积期水动力强、供源能力强。下切谷内部的充填特征多样，王红岩根据下切谷的充填特征将下切谷分为3种类型：孤立水道型、侧积型、杂乱复合型[7]，研究认为下切谷内充填沉积物为水进期或高位期三角洲沉积，充填样式反应水进期或高位期三角洲的水流方向和能量大小。
（2）坡折带
坡折带具有上缓、中陡、下缓的特点，是沉积物厚度发生明显变化的地貌单元。这一概念最早由国外学者提出，主要指的是沉积坡折，在层序地层学引入国内后结合国内陆相断陷盆地的特点又将其内涵和外延进行了扩展，最早由林畅松等[20]提出构造坡折带，其中构造坡折又细分为断裂坡折和绕曲坡折。丽水凹陷西次凹坡折主要分为两种类型（图12）：断裂坡折和沉积坡折，两种坡折对砂体的富集具有建设性作用。本次研究也尝试性的对坡折坡度进行恢复，具体方法为将最大海泛面拉平计算坡折点与坡脚两点的垂直距离和水平距离，然后通过三角函数计算出坡折坡度。其中断裂坡折坡度为7.2°，沉积坡折坡度为4.9°（图13）。两种类型的坡折在平面上连接在一起，形成坡折带，在坡折带之下形成明显的低洼区，是可容纳空间增大的沉积物汇聚区，控制着低位域海底扇的发育范围和形态。
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图 12 丽水凹陷西次凹明月峰组初期古地形图Figure 12. Paleotopographic map of lower Mingyuefeng Formation in the west of Lishui Sag![]()
（3）沟—坡—扇对应关系
地层切片和地震属性分析结果表明，丽水凹陷西次凹海底扇物源方向主要来自西部闽浙隆起带，并非向前人所说具有灵峰潜山物源，主要原因为灵峰潜山基底钻井证实为元古代片麻岩，而海底扇砂体岩屑以中酸性喷发岩占绝对优势，两者母岩类型不同。
丽水凹陷西次凹海底扇呈近东西向扇状展布，共由6个扇体组成，扇体面积为28～124 km2不等，其中二号扇体面积最大，三号扇体面积最小，沟扇对应关系基本上是常说的“大沟对大扇、小沟对小扇”（图14）。
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3. 海底扇沉积模式
从层序地层学扇模式的角度来说，丽水凹陷海底扇模式更符合Vail经典的低位扇模式[21-22]，在低位域时期海平面下降到坡折以下，河流泛滥，下切能力增强，在坡折之下形成一系列扇体，不同之处在于丽水凹陷缺乏低位进积复合体。也不同于Octavian Catuneanu的四分体系域模式[23]里强制海退体系域或低位体系域里的三角洲—海底扇的沉积体系，丽水凹陷明月峰组低位沉积时期没有三角洲或三角洲不发育。
丽水凹陷海底扇在低位域沉积时期，接受西部闽浙隆起带物源，经河流搬运，下切侵蚀在断裂坡折和沉积坡折之下形成一系列的海底扇，并且受到灵峰潜山的阻挡，形成源–沟–坡–扇的沉积模式，并且扇体规模的大小与下切谷的大小成正比（图15）。
4. 结论
（1）丽水凹陷西次凹明月峰组发育一个三级层序，进一步划分为低位体系域、水进体系域和高位体系域，其中海底扇发育在低位体系域，是岩性圈闭发育的重要层段。
（2）海底扇相标志主要包括：低成分成熟度、低结构成熟度，概率粒度曲线显示搬运方式以悬浮为主；泥岩颜色为黑色和深灰色；沉积构造包括块状层理、泄水构造、包卷层理、滑塌构造、碟状构造、漂砾构造、黑色泥岩撕裂、鲍玛序列等反应重力流沉积的典型构造；地震相标志为顺物源楔状体、垂直物源方向丘状体，平面呈扇形。
（3）海底扇由6个大小不等的扇体组成，扇体面积为28～124 km2，与扇体对应的下切谷下切深度为37～220 ms、宽度为2.7～3.7 km、长度为3.3～6.91 km，基本上表现为“大沟对大扇，小沟对小扇”。
（4）丽水凹陷西次凹海底扇沉积模式是低位体系域时期的源–沟–坡–扇的沉积模式。
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图 1 丽水凹陷区域地质背景及沉积充填序列（据侯国伟，2019修改）
Figure 1. Geological background and filling sequence of Lishui Sag （revised from Hou Guowei, 2019）
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图 2 丽水凹陷明月峰组海底扇砂岩岩石学特征
Figure 2. Petrological characteristics of fan sandstone of Mingyuefeng Formation in Lishui Sag
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图 3 丽水凹陷明月峰组海底扇砂岩分选统计直方图（N为样品个数）
Figure 3. Statistical histogram of fan sandstone sorting of the Mingyuefeng Formation in Lishui Sag（N is the number of samples）
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图 4 丽水凹陷明月峰组海底扇磨圆统计直方图（N为样品个数）
Figure 4. Statistical histogram of fan sandstone roundness in Mingyuefeng Formation in Lishui Sag（N is the number of samples）
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图 5 丽水凹陷明月峰组海底扇砂岩C-M图
Figure 5. C-M diagram of the fan sandstone in Mingyuefeng Formation in Lishui Sag
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图 6 丽水凹陷明月峰组海底扇砂岩概率粒度曲线
Figure 6. Probability cumulative curve of the fan sandstone in Mingyuefeng Formation in Lishui Sag
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图 7 岩心沉积构造图版（岩心宽度均为0.15 m）
Figure 7. Core plates for sedimentary structures（Core diameter 0.15 m）
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图 12 丽水凹陷西次凹明月峰组初期古地形图
Figure 12. Paleotopographic map of lower Mingyuefeng Formation in the west of Lishui Sag
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图 14 沟-扇对应关系（据王红岩，2019修改，剖面位置见图11③，属性图位置见图1，属性图是明月峰组下段切片±5 ms开时窗计算RMS）
Figure 14. Corresponding relationship between trench and fan （modified from Wang Hongyan, 2019，the section position is shown in Fig. 11 ③, and the attribute map shown in Fig. 1. The attribute map is the lower section of Mingyuefeng Formation with ±5 ms time window to calculate RMS）
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