北部湾盆地位于中国大陆南缘, 是南海北部裂谷系中诸盆地之一, 其构造由北向南呈三坳两隆格局, 依次为北部坳陷、企西隆起、中部坳陷、临高—灯楼角隆起(或徐闻隆起)、南部坳陷。北部坳陷包括海中、涠西南、纪家等凹陷。北部湾盆地经历了古近纪古新世长流组、始新世流沙港组及渐新世涠洲组建造的三期裂陷构造旋回以及新近纪坳陷构造旋回和第四纪反转收缩构造旋回5个构造演化阶段, 具多期成盆的构造演化过程^[1-2]。不同地质时期, 盆地的沉积建设、地层结构及构造演化存在较大差异, 尤其是古近纪裂陷期是北部湾盆地湖相烃源岩发育期, 但由于古近纪断裂活动对盆地产生不同程度的改造, 断裂活动的差异及不均衡造成了沉积沉降中心的迁移^[3-5], 因而对北部坳陷中的海中凹陷地层结构认识不清, 主要烃源岩层流二段发育情况一直存在诸多争论。

北部坳陷涠西南凹陷是该盆地沉积建造最发育的凹陷, 属持续沉降型凹陷, 流沙港组、涠洲组均较厚, 流二段烃源岩发育, 油气资源丰富, 已发现油田或含油构造34个。有人认为与其紧邻的海中凹陷始新世沉降幅度小, 属“厚涠洲薄流沙港”型, 流沙港组不够发育, 生烃潜力有限^[6]。也有研究者通过原型盆地分析认为, 涠西南凹陷D次凹与海中凹陷在流沙港沉积期是一体的, 海中凹陷发育有流沙港组, 具有勘探潜力^[7]。这些认识差异较大, 主要是由于海中凹陷勘探程度低, 仅HZ1井揭示到涠洲组地层。涠西南凹陷和海中凹陷间分隔断层断距较大, 不能直接将涠西南凹陷标定的层位延伸到海中凹陷地震剖面上, 缺乏建立海中凹陷地层结构及构造框架的直接依据, 层位认识模糊, 由此给海中凹陷构造、沉积演化及石油地质条件分析带来了多解性, 不利于勘探工作。

本文在井震结合初步建立海中凹陷地震层序基础上, 综合应用地震相类比、地震属性定量分析及测井约束反演, 对海中凹陷与相邻的涠西南凹陷流二段、流三段地震相、均方根振幅及波阻抗属性进行类比研究, 分析两凹陷流二段、流三段地层上述地震属性的可对比性, 以勘探程度高、地层结构明确的涠西南凹陷地层认识成果指导解决海中凹陷地层的认识问题。海中凹陷地层结构的判断结果对深化认识海中凹陷沉积、构造演化及勘探潜力, 指导下一步勘探具有重要意义。

北部湾盆地北部坳陷是在古生界变质岩、碳酸盐岩及中生界碎屑岩基底上发育起来的新生代沉积坳陷, 基岩由上白垩统的红色山麓堆积砂砾岩、石炭系的灰岩、泥盆系的变质岩和花岗岩组成。依据钻井、测井及地震资料, 结合不整合面的发育情况判断, 坳陷内由下至上依次充填沉积了3套地层:古近系陆相沉积, 包括长流组(E₁ch)、流沙港组(E₂l)、涠洲组(E₃w); 新近系海相沉积, 包括下洋组(N₁x)、角尾组(N₁j)、灯楼角组(N₁d)和望楼港组(N₂w); 第四系(Q)灰黄色砂层及灰色粘土。新生界沉积地层总厚度1500~7000m^[8]。

涠西南凹陷勘探程度相对较高, 有多口井揭示了古近系长流组、流沙港组、涠洲组及新近系地层, 同时其地震资料品质较好, 反射波特征较突出, 波组连续性好, 各主要目的层地震相特征与其岩性特征有良好对应关系(图 1)。

图 1(Fig. 1)

图 1 涠西南凹陷地层岩性特征及典型地震相剖面

长流组为棕红色泥岩、泥砾岩夹粉-细砂岩; 具“双红”特征, 即红泥、红砂, 泥岩含砂重, 质地不纯, 属盆地断陷初期发育的洪冲相沉积。砂泥岩界面不清, 为中-弱振幅、弱连续地震相。

流沙港组自下而上分三段。流三段主要为灰白色砾状砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩等, 与深灰、棕红色泥岩呈不等厚互层; 主要为中振幅、低连续、中低频率亚平行充填地震相和强振幅、中连续、中频率平行充填地震相。流二段为大套黑灰色泥岩、深灰色页岩、沥青质页岩, 中部为深灰色页岩、泥岩与灰白色、浅灰色粉砂岩、细砂岩薄互层; 主要为弱振幅、中低连续、中频率平行地震相。流一段为滨浅湖相沉积, 岩性为含砾砂岩、粉、细砂岩、与深灰色泥页岩不等厚互层; 受珠琼构造运动抬升影响, 主要分布于深凹陷带, 高部位抬升遭受不同程度剥蚀; 为中振幅、中低连续亚平行地震相。

涠洲组以河流相、滨浅湖相砂岩、砾岩、泥岩互层沉积为主, 常夹煤层; 多表现为中振幅、中连续、中频率亚平行地震相过渡为中强振幅、中连续、中频率亚平行地震相的特征。

首先利用HZ1井合成地震记录标定海中凹陷涠洲组三段(涠三段)以上地层(图 2)。从海中凹陷剖面特征看, 新生界地层不整合于古生界地层之上, 不整合面反射层(T_g反射层)之下见古生界大角度内幕反射, 由此可确定盆地基底界面即为T_g面; 再通过剖面上地震反射接触关系、反射波特征及与涠西南凹陷对应地层间地震相特征推断HZ1井井底到T_g面之间地层的地质属性。

图 2(Fig. 2)

图 2 海中凹陷HZ1井合成地震记录(a)及过井剖面(b)

HZ1井钻遇涠四段150m, 根据③ 号断层上升盘及区域上涠四段地层厚度变化规律, 结合地震剖面上不整合面反射(如图 2中箭头所示处见下伏地层的削截特征), 初步推断流沙港顶面T₄及长流组顶面T₇反射。T₇之上有1~2个较强反射, 强相位之上见一套弱振幅低连续近似空白的反射, 再上又出现较强反射, 此特征与涠西南凹陷流二段、流三段地震相、T₅~T₇反射波特点相似度较高(图 3)。分析认为, 图 2中空白弱反射之下第一个强相位为T₆反射波, 之上较强相位为T₅反射波。由此, 初步明确海中凹陷沉积地层与反射波组的对应关系, 建立了海中凹陷地层结构。两凹陷古近系地层各反射界面具有以下特征。

图 3(Fig. 3)

图 3 涠西南凹陷具典型反射特征的地震剖面

T₂是区域性不整合界面, 为新近系下洋组与古近系地层分界面, 该界面在涠西南凹陷及海中凹陷南部特征突出, 下伏地层削截现象明显。北部坳陷的大部T₂界面之下地层为涠洲组, 多表现为中振幅、中连续、中频率较密集多相位反射特征, 与该地层砂泥岩互层的岩性特征对应。

T₄是凹陷内重要的区域性不整合界面, 为中振幅、中频率、较连续反射; 该界面发育时期, 凹陷抬升, 湖盆萎缩, 导致流一段出露地表遭受剥蚀, 涠西南凹陷及海中凹陷均可见流一段削截或地层减薄现象; 深凹区见涠洲组超覆充填沉积。

T₅是流一段底界面反射, 为流二段大套弱反射之上的较强相位。流一段主要分布在深凹区, 与T₄呈角度不整合关系。

T₆是流二段底界面反射, 为中频率、中强振幅、较连续反射, 界面之上可见流二段大套弱振幅、低连续均一岩性的空白反射特征。涠西南凹陷及海中凹陷深凹均具上述特征。

T₇是流三段底界面反射, 区域性不整合面。涠西南凹陷T₇与T₆反射波形成2~3个强相位, 与流二段及长流组相对较弱的反射特征差异明显, 易识别。在海中凹陷与下伏地层呈假整合-不整合接触, 长流组地层削截可识别, 但长流组地层厚度相对薄, 仅深凹区见典型弱反射特征, T₆与T₇的强反射特征较涠西南凹陷差。

T_g为印支面反射, 区域性不整合面。该波组一般为1~2个强相位, 下伏见高角度老地层反射。

在对海中凹陷地层界面认识的基础上, 利用联片处理的三维资料, 选择典型地震相特征剖面, 类比涠西南、海中凹陷古近系地层地震相纵向变化规律, 进一步明确关于海中凹陷的地层认识。

从图 4看, 两凹陷涠洲组地层厚度相差较大, 可比性相对较弱; 但将两凹陷典型地震剖面上T_g反射层对应, 自下而上, 长流组到流沙港组, 地层厚度接近, 界面波组特征及地震相特征较类似, 可进行地震相关联性分析。涠西南凹陷古近系地层地震相具有典型的四层结构:涠洲组中-中强振幅-中频率密集-较连续亚平行相—流二段中弱振幅-低频率-低连续近空白相—流三段中强振幅-中频率-较连续亚平行充填相—长流组弱-中振幅-弱连续相(图 4a)。海中凹陷古近系地层地震相特征与涠西南凹陷极其相似(图 4b), 地震相纵向变化韵律相同, 相同层段可建立良好对应关系:涠洲组虽厚度相差大, 但都为中-中强振幅-中频率较连续多相位亚平行相; 流三段2~3个相位中强振幅较连续亚平行相, 将流二段与长流组弱振幅-弱连续相分开, 由此同样形成涠洲组中强振幅—流二段空白相—流三段中强振幅—长流组弱振幅-弱连续相的4层结构特征。由此认为, 海中凹陷沉积地层与涠西南凹陷相同, 古新统长流组、始新统流沙港组厚度变化小; 受沉积及后期剥蚀影响, 海中凹陷渐新统涠洲组残留厚度较涠西南凹陷厚很多, 应属“厚涠洲较厚流沙港”型。

图 4(Fig. 4)

图 4 典型地震相特征剖面 a涠西南凹陷; b海中凹陷

为明确重要烃源岩层流二段地层分布特征, 对其进行了地震相识别及分布研究。流二段发育4类典型地震相(图 5):弱振幅-低频率-低连续平行相(Ⅰ类相)、中振幅-中频率-中低连续亚平行相(Ⅱ类相)、中弱振幅-低频率-中低连续平行相(Ⅲ类相)、中强振幅-中频率-中连续透镜相(Ⅳ类相)。Ⅰ类相反射能量弱, 以大段空白反射为典型特征, 范围较大, 主要分布在沉积厚度较大的凹陷中部, 反映大套稳定泥岩相的特征; Ⅱ类相反射能量中等, 连续性一般, 常为强短轴不连续出现, 沿控盆大断裂下降盘分布, 横向相对较窄, 提示为上升盘有物源注入的水下沉积; Ⅲ类相连续性较差, 总体反射能量弱, 偶有强轴出现, 多为低频率-中低频率, 涠西南凹陷南部斜坡及海中凹陷东坡发育, 揭示凹陷边部存在水体变浅、沉积厚度变薄、沉积环境变化的可能; Ⅳ类相反射能量强, 一般为2~3个同相轴, 呈透镜状展布, 横向延伸短, 分布范围小, 仅在海中凹陷深凹区见到, 可能是深湖浊积相。

图 5(Fig. 5)

图 5 北部湾盆地北部坳陷流二段地震相类型及平面分布

利用地震相特征类比法确定地层分布依赖于地震资料的可靠程度及专家的认识, 属于定性分析。但地震波的动力学参数如振幅、频率等地震属性, 可以在定性认识的基础上, 对沉积地层所反映的岩性及环境信息进行定量评价, 为判断地层结构及沉积环境提供更可信的依据^[9-12]。经相邻凹陷地震相类比可知, 流二段基本为空白弱反射, 振幅相对较弱, 而流三段则为较强反射, 据此优选地震振幅属性, 反映流二稳定泥岩段及流三砂岩较发育段的特征差异。我们利用联片处理的地震资料, 对涠西南及海中凹陷流二段、流三段均方根振幅属性进行了定量研究, 拟根据两凹陷的两个层段振幅属性值的变化规律及异同性, 判断海中凹陷地层发育情况及岩性特征。

均方根振幅属性定量研究结果表明, 北部的涠西南凹陷和南部的海中凹陷, 流二段、流三段相同层段均方根振幅属性平面展布具以下特征(图 6):同一色标体系下, 两凹陷流二段均方根幅值均以蓝色为主色调, 即普遍表现为中低幅值的特征, 均方根振幅值峰值小, 基本都小于5000, 幅度变化小; 两凹陷流二段幅值变化小的区域主要集中在凹陷中部, 靠近西部涠西南大断裂、涠西南低凸起西坡及海中凹陷东南斜坡均方根幅值变化增大, 与流二段地震相平面展布特征亦有较高的相似度; 流三段均方根幅值则以红色为主色调, 即普遍表现为中高幅值的特征, 两凹陷流三段均方根振幅峰值大, 最大可达20000, 幅值变化范围大, 反映岩性不均一, 水动力相对较强的沉积环境。

图 6(Fig. 6)

图 6 涠西南-海中凹陷相同层段均方根振幅属性平面分布 a流三段; b流二段

由两凹陷均方根振幅属性定量对比发现, 两凹陷相同层段均方根振幅值极为类似, 而不同层段特征则有较大差异。因此, 海中凹陷与涠西南凹陷一样均发育流二段、流三段地层, 对应层段的岩性特征也具有相似性。

分析涠西南凹陷已钻井统计结果发现, 流二段与流三段声波速度差异明显(图 7), 因此, 可利用测井约束反演技术^[13-15]类比海中凹陷与涠西南凹陷流二段、流三段地层纵波阻抗变化规律, 进一步明确海中凹陷沉积地层及结构。从涠西南凹陷WXN2井和HZ1井到海中凹陷的联井波阻抗反演剖面(图 8)上可看出, 海中凹陷南部斜坡较涠西南凹陷主体部位古新统长流组-始新统流沙港组地层厚度减薄明显, 波阻抗特征也有较大差异; 但在③ 号断层下降盘的深凹及内坡, 该两套地层与涠西南凹陷相比, 地层沉积厚度变化不大, 纵波阻抗特征可比性较好。由图可知, 两凹陷流沙港组、长流组波阻抗界面均较清晰, 同一层系波阻抗值接近, 各套地层波阻抗纵向变化规律相似, 长流组-流沙港组各亚段均表现为高阻抗-较高阻抗-低阻抗-较低阻抗的变化规律。尤其是海中凹陷深凹区与涠西南凹陷流二段所表现的上部低阻抗、中下部较高阻抗、底部低阻抗的特征, 与涠西南凹陷井中钻遇的流二段岩性组合可对应:WXN2井揭示流二段为上部大套暗色泥岩夹泥页岩、中下部发育一套厚度40~50m砂岩、底部泥岩的岩性组合; 声波曲线上可见泥岩低速, 砂岩高速特征, 与反演剖面阻抗值相对应, 阻抗值直接反应了岩性的变化。海中凹陷③ 号断层下降盘深凹至内坡, 展示了与涠西南凹陷一致的波阻抗变化规律, 说明该区地层结构、沉积旋回与涠西南凹陷相同, 即流二段以发育大套泥岩为主, 中下部夹有厚度不大的砂岩; 流三段则发育砂泥岩互层。

图 7(Fig. 7)

图 7 涠西南凹陷层速度统计

图 8(Fig. 8)

图 8 涠西南-海中凹陷联井波阻抗反演剖面

在井震层位初步标定基础上, 综合应用海中凹陷典型地震相关联分析、流二段和流三段地震振幅属性定量研究及测井约束反演3项技术, 由定性到定量, 对海中凹陷地层层序进行了渐趋深化的研究。结果表明, 两凹陷流二段、流三段相同层段地震相特征相似; 均方根振幅属性平面及剖面具有相同的变化规律; 同一层段波阻抗值可类比; 流二段波阻抗纵向变化特征揭示两凹陷相同的沉积旋回, 综合判断海中凹陷与涠西南凹陷沉积地层一致, 两凹陷具相同沉积结构。由此, 类比建立了海中凹陷的地层建造及各套地层的分布(图 9)。海中凹陷与涠西南凹陷均沉积了古近系地层。海中凹陷古新统长流组、始新统流沙港组厚度较涠西南凹陷主体部位薄, 但比③ 号断层上升盘附近略厚; ③ 号断层对海中凹陷渐新统涠洲组沉积有显著控制, 涠洲沉积厚度远大于涠西南, 断层主活动期为渐新世, 古新世及始新世③ 号断层活动性弱。

图 9(Fig. 9)

图 9 涠西南-海中凹陷地质剖面

上述研究及地层厚度变化规律反映两凹陷在流沙港组沉积期是一体的, 海中凹陷沉积相与涠西南凹陷西部可类比。将海中凹陷与涠西南凹陷同样小于5000均方根振幅值、自下而上具“低-中低-低”阻抗韵律、有弱振幅-低频率-低连续空白相三大特征的地区划为深湖-半深湖相沉积, 此相带流二段泥岩发育, 质纯、厚度大, 在靠近大断裂处流二段厚达1000m, 应具生烃能力; 而流二段均方根振幅值多大于5000, 不具备“低-中低-低”的阻抗变化特征且地震相也非空白相而是中弱振幅-低频率-中低连续相的地区划为滨浅湖相, 此相带流二段砂岩增多, 生烃能力变差; 控盆断裂下降盘可能发育近岸水下扇沉积(图 10)。海中凹陷深湖-半深湖相沉积范围, 较前人认为的有所减小, 前人认为海中凹陷流二段边缘相位于WXN22-3-1井一线或稍北, 此认识与目前研究成果不符。

图 10(Fig. 10)

图 10 北部湾盆地北部坳陷西部流二段沉积相

近期海中凹陷南斜坡钻探的HZ2井揭示流二段岩性为砂泥岩不等厚互层(图 11), 非大套暗色泥岩; 泥岩颜色变为灰色、浅灰色、褐色, 与我们将其划分在滨浅湖相带的认识相吻合, 证实了我们对海中凹陷沉积地层、地层结构、沉积相的判断可信, 同时说明探索使用的3项技术在该区是适用的。这些地质认识对于深化北部坳陷构造、沉积演化、石油地质条件的研究和分析、海中凹陷勘探潜力的评价以及涠西南凹陷西部及海中凹陷勘探进程的推动具有重要的现实意义。

图 11(Fig. 11)

图 11 HZ2井综合柱状图(1 ft≈0.304 8 m)

1) 井震结合及地震相分析、地震振幅与波阻抗属性由定性到定量的类比研究, 明确了北部湾盆地海中凹陷地层建造, 建立了北部湾盆地北部坳陷沉积地层及与地震反射波组对应关系的新认识, 表明海中凹陷和涠西南凹陷印支运动面之上的地层一致, 流二段这套北部湾盆地最重要的烃源岩在海中凹陷有分布, 且在靠近涠西南大断裂处厚度达1000m。

2) 北部湾盆地海中凹陷流二段、流三段均方根振幅及纵波阻抗与北部湾盆地涠西南凹陷高度一致, 海中凹陷深凹-内坡流二段波阻抗变化规律与涠西南凹陷相同, 说明两凹陷具类似的岩性组合特征及沉积演化过程; ③ 号断层主活动期为渐新世, 控制渐新统涠洲组沉积, 始新世流沙港沉积期两凹陷是一体的, 海中凹陷流二段与涠西南凹陷一样, 也是稳定的湖相沉积, 具生烃能力。

3) 地震相类比技术、地震属性分析技术及测井约束反演技术的联合运用, 能够有效解决沉积及构造演化类似凹陷的地层认识问题, 查清低勘探程度区地层与地震反射的对应关系及沉积建造, 可为类似地区的研究提供借鉴。