随着河流相沉积体系研究的不断深入，国内外学者^[1-3]认识到不同河流体系在时空上可发生转换，辫状河与曲流河并不是独立存在于某个地质时期，而是会随着地质历史的发展而发生相互转换。学者们意识到了河型时空转换的重要性并进行了相关研究，同时分析了不同河型演化过程的主控因素。王随继等^[4-5]参照现代地表冲积河型的空间转化模式解释了古代河型的空间分布特征，总结出6类主要河型演化模式。李胜利等^[6]、谭程鹏等^[7]、唐武等^[8]基于野外露头对河流相转换模式进行了研究，总结出基准面旋回、物源供给、地形坡度及古气候等4个河型转换控制因素，但由于很难找到规模巨大的理想剖面，所以无法通过露头剖面来揭示其转化模式。王航等^[9]、白振华等^[10]基于可容空间变化对河流相演化模式进行了研究，在不同体系域地震属性上明确了不同河型的平面展布，基本阐明了河流相的沉积演化。河型转化过程的相关研究对明确河流沉积体系演变具有重要意义，但以往的研究成果主要依托于钻井曲线或野外露头来识别不同河流相类型，对认识河流相砂体展布及空间演化规律仍有不足。近年来，地震沉积学理论和方法在河道砂体精细刻画研究方面受到了高度重视，其利用三维地震资料平面属性优选^[11-13]、分频地层切片处理^[14-16]等手段，在纵向上识别薄层砂体并在横向上刻画砂体展布^[17-18]，结合古地貌恢复结果，可直观表征河流相沉积体系的演化^[19-20]。

川东北五宝场地区沙溪庙组二段气藏累产天然气4.574×10⁸ m³，凝析油115 t，开发效果较好，但对该区沙溪庙组的河流相沉积学研究尚不深入，对于沉积体系的厘定存在分歧，对沉积规律认识的不足，制约了河道砂体的开发优选。此外，研究区井位主要集中于五宝场构造主体内，分布极不均匀，总体井控程度较低，仅通过钻井信息开展沉积相展布研究不太现实。本次研究拟采用地震沉积学理论对沙溪庙组沉积体系及砂体空间演化规律进行研究。在建立沙二段等时地层格架基础上，综合利用岩心测井及地震资料，通过分析辫状河和曲流河沉积特征，利用地震地层切片识别出不同演化阶段河道砂体的分布及砂体空间展布特征，进一步分析辫状河转化至曲流河的沉积过程及河型演化控制因素，以期为陆相河流体系的沉积特征和演化提供新的实例，并为其他陆相河流相的研究提供一定参考。

川东北五宝场地区位于四川盆地川东高陡断褶带，北接大巴山弧形构造带西南前缘，西临川北古中坳陷低缓带^[21]（图 1a）。川东北地区沙溪庙组砂岩岩屑类型主要为中、酸性喷出岩岩屑及中、深变质岩岩屑，少量千枚岩岩屑等软质岩屑。沙一段以红色、灰绿色泥岩夹灰色砂岩为主，部分地区可见到薄层黑色泥岩，沙二段沉积时期泥岩以红色为主，发育10~60 m的不等厚砂体（图 1b）。沙一段沉积继承了凉高山组末期的沉积环境，发育三角洲—河流相沉积体系，在沙一段沉积末期，由于气候的迅速变化，四川盆地发生了一次快速、短暂的湖侵，在川中地区表现为沉积1套3~5 m的叶肢介页岩，至川东北地区相变为灰绿色的滨浅湖泥岩沉积^[22]。沙二段沉积时期气候持续干旱，泥岩以红色、紫红色为主，发育了多套河流相砂体。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 川东北五宝场地区构造位置（a）和侏罗系岩性地层综合柱状图（b） Fig. 1 Structural location(a)and stratigraphic column of Jurassic(b)in Wubaochang area, northeastern Sichuan Basin

川东北五宝场地区在中侏罗世沙溪庙组沉积期发育了1套以河流—三角洲相沉积为主的地层。由于河流相层序地层横向变化快，纵向上砂泥互层频繁，缺乏等时标志层，所以仅依靠井资料进行地层划分和对比容易出现穿时现象。大型坳陷湖盆发育晚期，盆地边缘通常没有明显的地形坡折，海（湖）平面升降对层序形成和发育的控制作用较小，很难利用海相经典层序地层学理论对河流相地层进行划分。研究人员经过剖析基准面变换讨论了不同河型在纵向上的演化，提出了基准面-河型演变模式，对无等时标志的河流相地层具有很强的适用性^[23-25]。其可容空间/沉积速率（A/S）的值是基准面旋回变化的量化，可容空间与沉积速率也是河流结构的控制因素^[26]。可容空间较小时，泥岩含量较低，河道砂体相互切割、彼此叠置强烈；可容空间较大时，泥岩含量高，河道砂岩被大套泥岩包围而孤立分布^[27-28]（图 2）。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 基准面旋回控制河道连片性的层序划分模型[23] Fig. 2 Sequence division model of base level cycle controlling river continuity

川东北地区发育1套厚数十米、分布稳定、范围较大的浅色厚层块状中—粗砂岩，具有相对等时特征，将其底界作为沙一段与沙二段的分界。沙二₁亚段顶界为局部假整合面，其上沉积1套相对等时厚层砂体。依据基准面旋回叠加样式和转换面标志，并结合测井及地震反射特征，将沙二₁亚段划分出1个三级层序和3个四级层序，四级层序自下而上由2个上升半旋回（SQ1，SQ2）和1个完整旋回（SQ3）组成（图 3）。SQ1层序的底界面为厚层的、具有明显齿化的箱形叠置砂体，以砂包泥为特征，地震剖面上表现为平行反射特征，至SQ1上部以相对孤立砂体沉积为特征，在地震剖面上表现为连续性较差、呈亮点状的反射特征，这种纵向的变化特征代表了一次明显的退积过程，可容空间增大，基准面上升。SQ2下部为厚度差别较小、具测井曲线明显齿化的箱形叠置砂体，自下而上泥岩厚度增大，整体特征与SQ1较为相似。SQ3下部为厚度差别较小、测井曲线较为齿化的箱形叠置砂体，向上过渡为相对孤立的砂体；中部广泛沉积1套稳定的厚层泥质，代表最大水泛面（MFS界面）；上部砂体为进积的叠加，自下而上砂岩厚度逐渐增大，代表基准面下降、可容空间不断减小。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 川东北五宝场地区侏罗系沙二段基准面旋回层序划分 Fig. 3 Division of base level cycle sequence of the second member of Jurassic Shaximiao Formation in Wubaochang area, northeastern Sichuan Basin

川东北五宝场地区沙二段总体以紫红色泥岩为主，仅有少量灰色或灰绿色泥岩，总体反映了炎热干旱的气候特征和持续暴露氧化的陆上沉积环境。由于受到季节性降水或湖平面频繁变化的影响，局部也可见紫红色泥岩与灰绿色泥岩相混的杂色泥岩发育。生物群不发育，植物化石稀少，指示气候炎热且偏干^[29]。孢粉组合中往往以裸子植物花粉占绝对优势，指示干热气候的掌鳞杉科花粉含量较高，占比通常超过30%，而蕨类孢子的含量较低^[30]。此外，研究区位于大巴山前缘，毗邻物源区，为河流相的形成提供了良好的气候和物源条件。

研究区沙二段地震反射特征主要为连续—弱连续的平行反射，未见三角洲前积、下超等特征，在平行反射的背景下局部可见断续强亮点反射，具有典型的河流相反射特征。高可容空间下整体呈泥包砂特征，砂体多呈孤立的透镜状发育，具有曲流河特征；低可容空间下呈连续平行反射，具有辫状河特征（图 3）。

研究区沙二段灰绿色岩屑长石砂岩粒径以中粒为主，其次为粗粒（图 4a）；成分成熟度为30%~89%，平均为54%（图 4b）；分选性较差（图 4c），磨圆以次棱状为主，总体结构成熟度较低；各类岩石组分中，杂基体积分数相对较低，为0~13.0%，平均为4.3%（图 4d）。上述特征反映了沉积时的水动力较强，与成分成熟度协调一致，具有明显的近源沉积特征。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 川东北五宝场地区侏罗系沙二段砂岩沉积组分及结构特征 Fig. 4 Sedimentary components and structural characteristics of sandstone of the second member of Jurassic Shaximiao Formation in Wubaochang area, northeastern Sichuan Basin

根据取心井段及野外露头剖面的分析，研究区内发育丰富的、强水动力成因的沉积构造。南江县城南剖面中可见上下均为红色泥岩中间夹一单次曲流河河道砂体，河道砂体下切红色泥岩。铁山剖面中可见多期河道砂体相互叠置，每期河道砂体底部均发育滞留沉积。岩心观察揭示，单砂体之间多呈冲刷接触，冲刷面之上砂体粒度较大，可发育泥砾或细砾岩沉积；砂体内部广泛发育板状斜层理及交错层理（图 5）。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 川东北五宝场地区侏罗系沙二段野外露头剖面及岩心砂岩沉积构造特征 （a）沙溪庙组单次曲流河河道砂体下切，南江县城南，沙二段；（b）多期河道砂体叠置，发育底部滞留沉积，铁山剖面，沙二段；（c）两期正粒序砂体叠置，WBQ006-1-H1井，1 755.79~1 756.21 m；（d）下部为灰白色中砂岩，上部为深灰色粗砂岩，二者呈冲刷接触，见冲刷面，WBQ006-1-H1井，1 805.04~1 805.28 m；（e）底冲刷构造，见灰绿色泥砾，WBQ7井，1 612.8 m；（f）板状斜层理发育，D21井，1 374.42 m；（g）板状斜层理发育，WBQ2井，1 615.56 m。 Fig. 5 Sedimentary structural characteristics of sandstone in field outcrops and cores of the second member of Jurassic Shaximiao Formation in Wubaochang area, northeastern Sichuan Basin

研究区沙二段在低可容空间下发育多个相互叠置的正韵律辫状河道砂体，辫状河道垂向叠置厚度为10~60 m。不同期次、不同级次砂体叠置，砂体内部发育各种形式的冲刷面，局部残留了较薄的泥质夹层。河道频繁摆动迁移，砂体在井间横向延伸距离相对较大，反映了强水动力条件下辫状河河道不断迁移、冲刷及叠置的沉积过程。由于辫状河河道多，具有较强的泄洪能力，河漫亚相与堤岸亚相一般不发育，岩心观察可见以大套灰色或灰绿色细中砂岩相互叠置（图 6），发育大型交错层理、块状层理和冲刷面构造。在过DS1—WBQ9井的地震剖面上（图 7），对下伏凉高山组顶部一套稳定分布的黑色泥岩强波谷反射做拉平处理，可看出沙二段辫状河在地震剖面上表现为连续的地震同相轴平行反射特征。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 川东北五宝场地区侏罗系沙二段辫状河沉积特征 （a）WBQ6井取心段沉积相柱状图；（b）河道砂体底部粗砂岩与下伏河道砂体上部中粒岩屑砂岩呈冲刷接触，WBQ6井，1 834.00~ 1 834.07 m；（c）沙二段底部嘉祥寨砂岩与沙一段顶部灰绿色粉砂质泥岩呈冲刷接触，砂岩底部见同色泥砾岩，WBQ6井，1 859.24~ 1 859.40 m；（d）长石岩屑砂岩，分选性差，颗粒以次棱状为主，WBQ6井，1 840.00 m，单偏光；（e）长石岩屑砂岩，分选性差，颗粒以次棱状为主，WBQ6井，1 844.62 m，单偏光；（f）长石岩屑砂岩，分选性中等，颗粒以次棱—次圆状为主，WBQ6井，1 852.83 m，单偏光；（g）长石岩屑砂岩，分选性中等，颗粒以次棱—次圆状为主，WBQ6井，1 856.4 m，单偏光。 Fig. 6 Sedimentary characteristics of braided river of the second member of Jurassic Shaximiao Formation in Wubaochang area, northeastern Sichuan Basin

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 川东北五宝场地区不同可容空间下河道构成特点及相应地震反射特征（下伏凉高山组顶部一套稳定分布的泥岩强波谷反射拉平） Fig. 7 Characteristics of river channel and corresponding seismic reflection under different accommodation spaces in Wubaochang area, northeastern Sichuan Basin

研究区高可容空间条件下发育曲流河，随着可容空间逐渐增大，曲流河河道以孤立形态发育于泛滥平原中，形成孤立河道砂体结构，其岩性序列在垂向上表现为完整的曲流河“二元”结构，河道厚度通常为3~15 m（图 8）。单期曲流河道在GR测井曲线上表现为中高幅钟形、指状响应特征，多期叠置曲流河河道则表现为中高幅齿化箱形或钟形响应特征。孤立的曲流河道在地震剖面上主要表现为短轴状、蠕虫状或亮点状地震反射特征（图 7）。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 川东北五宝场地区侏罗系沙二段曲流河沉积特征 Fig. 8 Sedimentary characteristics of meandering river of the second member of Jurassic Shaximiao Formation in Wubaochang area, northeastern Sichuan Basin

目前，常用的地震解释切片技术包括时间切片、沿层切片和地层切片技术。时间切片和沿层切片在具有明显构造起伏的情形下效果不佳，地层切片是目前最常用的技术，尤其是在构造平缓及地震资料品质较高的地区通常能取得较好的应用效果^[7-9]。自地层切片方法提出以来，国内外均有大量应用效果良好的实例，并在地震地貌研究方面取得了较大突破和进展，尤其是在河流相和深水水道这种比较典型的地震地貌中^[31-33]。

本次研究通过井-震结合的方法，开展地震地貌学研究，在建立等时层序格架的基础上，通过地层切片的手段对研究区沙溪庙组河道砂体平面展布进行刻画。选取SQ1底部、SQ2底部、SQ3底部作为等时界面，在等时界面对应的时窗范围内进行地层切片，得到一系列具有典型地震地貌特征的切片。纵向上，在沙二₁亚段识别出9个主要河道发育期（命名为1~9号），其中1号、5号、8号发育低可容空间辫状河沉积，其他期次主要发育高可容空间曲流河沉积。平面上主要划分为河道与河漫2类亚相，河道均呈北东—南西向展布。

1号、5号河道发育期是SQ1，SQ2层序可容空间最小的时期。通过地震地层切片（图 9）可看出，1号、5号河道砂体广泛分布且相互叠置，河道规模较大，河道最宽可至5.5 km，横向连续性好，代表广泛的辫状河沉积体系。河道宽度并非一次河流作用所形成，其在自然伽马曲线上表现为大套箱形河道叠加，表明是多期河道在低可容空间条件下原地摆动、多次叠加而形成。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 川东北五宝场地区低可容空间下辫状河河道典型切片及沉积学解释 Fig. 9 Typical slice and sedimentological interpretation of braided river channel under low accommodation space in Wubaochang area, northeastern Sichuan Basin

2号、7号河道发育在SQ1，SQ2中部，该时期基准面较底部高，可容空间增大。地震地层切片上反映泛滥平原较为发育（图 10），曲流河河道形态呈弯曲的细条带状，河道宽度减小至1.8 km（图 11）。与低可容空间下的河流地貌相比，辫状河河道宽度明显大于曲流河河道。

图 10

Fig. 10

下载原图 图 10 川东北五宝场地区高可容空间下曲流河河道典型切片及沉积学解释 Fig. 10 Typical slice and sedimentological interpretation of meandering river channel under high accommodation space in Wubaochang area, northeast Sichuan Basin

图 11

Fig. 11

下载原图 图 11 川东北五宝场地区侏罗系沙二段不同可容空间下河道宽度 Fig. 11 River channel width under different accommodation spaces of the second member of Jurassic Shaximiao Formation in Wubaochang area, northeastern Sichuan Basin

在沙二₁亚段层序地层划分的基础上，对川东北五宝场地区侏罗系沙二段不同可容空间河道的构成进行研究。地层切片结果表明，沙二₁亚段各旋回沉积早期，基准面最低，发育厚层—叠置辫状河沉积，随着基准面上升，可容空间增大，辫状河下切能力逐渐减弱，继而转为侧向侵蚀，低可容空间下的辫状河逐渐向高可容空间曲流河过渡。在基准面最高时期，河流侵蚀能力最低，泛滥平原广泛发育，易于形成厚层泥岩夹薄层透镜状砂岩，具典型的“泥包砂”特征。纵向上，河道宽度呈现出规律性变化，1号—4号、5号—7号、8号—9号形成了河道宽度逐渐减小的3个阶段，对应3期基准面逐渐上升的旋回，代表了3个沉积体系由辫状河向曲流河转变的过程（图 12）。

图 12

Fig. 12

下载原图 图 12 川东北五宝场地区侏罗系沙二段基于可容空间变化的河道空间演化 Fig. 12 Spatial evolution of river channel based on the accommodation of spatial changes of the second member of Jurassic Shaximiao Formation in Wubaochang area, northeastern Sichuan Basin

A/S控制了可堆积沉积物的潜力，由此导致了河流相层序地层形成和纵向砂体发育特征的差异，具体反映为河道类型的改变^{[23-26, 34]}。沉积基准面的变化主要受气候和构造因素影响。

构造运动作为制约陆相盆地可容空间变化的主要因素，控制着河流相层序界面的形成与层序构成。基底明显抬升通常导致河道下切作用增强；基底持续沉降、沉积可容空间增大可引起河型的改变而导致层序结构与沉积相构成的变化。中侏罗世沙溪庙组沉积时期北大巴山有较大幅度隆升，沙溪庙组沉积厚度可超过2 000 m，沙溪庙组沉积时期从大巴山延伸至中扬子地区的盆缘造山带构造活动强烈，盆地挠曲沉降幅度大，因此有足够的可容空间，且造山带遭受强烈剥蚀为盆地提供了充足的沉积物来源。研究区沙二₁亚段在每一期旋回界面转换处受到一次大的构造运动变化，基底沉降运动使上一旋回顶部曲流河相与下一旋回底部辫状河呈假整合接触，从而导致川东北五宝场地区沙二₁亚段的河型转换。

在远离海（湖）盆的陆相冲积河流相地层中，海（湖）水面变化对层序构成影响较小，而气候的周期性变化对河流层序的形成与构成影响较大。温暖潮湿的气候降雨量与河流流量均较大，易于形成辫状河；干旱环境降雨量、河流流量及河道规模均较小，河道易摆动形成曲流河。四川盆地沙一段顶部和沙二段底部广泛沉积1套3~5 m厚的叶肢介页岩，代表了温暖潮湿的气候。沙二段泥岩以紫红色为主，夹灰绿色砂、泥岩（图 13），说明气候以炎热、干旱为主，并有短期的气候波动；缺乏植物化石及孢粉特征，指示半干旱—干旱的气候特征；沙二段Sr/Cu值为3.09~24.98，平均为7.41，指示为干热气候^[30]，Rb/Sr值整体较高，变化较为稳定^[35]。由此认为研究区沙二段沉积期为温暖干旱的气候环境，且干旱程度逐渐加强，表明了沙二₁亚段古气候随基准面上升由温暖潮湿向炎热干旱过渡，且辫状河向曲流河转换。

图 13

Fig. 13

下载原图 图 13 川东北五宝场地区沙二段河型转换控制因素 Fig. 13 Controlling factors of river type conversion of the second member of Jurassic Shaximiao Formation in Wubaochang area, northeastern Sichuan Basin

（1）川东北五宝场地区沙二段等时地层对比格架显示沙二₁亚段主要发育1个三级旋回和3个四级旋回，四级旋回主要由上升半旋回组成，下降半旋回受河流下切-侵蚀作用，难以保存。

（2）川东北五宝场地区沙二段发育辫状河和曲流河沉积体系。沙二段砂岩粒度粗、成熟度低，具有明显的近源沉积特征，发育丰富的强水动力沉积构造，低可容空间内垂向上发育多个正韵律砂体相互叠置的辫状河沉积，高可容空间内发育“二元结构”的曲流河沉积。地震剖面以平行反射为主，未见典型的三角洲前积反射特征。

（3）川东北五宝场地区沙二段河流相不同可容空间的河道构成差别较大。低可容空间下，在地震地貌上表现为砂体大面积展布，形成相互叠置的辫状河河道；当基准面迅速上升，可容空间增大，在地震地貌上形成相对孤立的曲流河河道，揭示了沙二段河流相地层自下而上具有“辫—曲”的转换规律。

（4）河流的发育规律可通过基准面旋回变化，即可容空间和沉积供给的比值（A/S）进行分析，A/S的变化主要受气候变化和构造运动的控制，川东北五宝场地区强烈的构造运动控制着可容纳空间的变化，温暖潮湿向炎热干旱的气候变化是控制沉积物供给的重要因素，两者共同导致了河型转换。