近年来，在陆相断陷盆地的沉积体系研究中，源汇体系逐渐成为关注的热点^[1-5]。Allen^[1-2]认为物源区的形成、剥蚀，碎屑物质的搬运、沉积过程及其产生这些过程的构造、气候、海平面变化等控制因素主要是由地球岩石圈动力学过程决定的。徐长贵^[6]在渤海海域古近系沉积体系坡折带成因类型及其对沉积体系的控制作用研究中提出了“山（有效物源）-沟（大型长期侵蚀沟谷）-坡（古坡折带）-面（层序界面）”的有效配置才能在坡折形成砂体；徐长贵^[7]首次系统阐述了渤海陆相断陷盆地源-汇时空耦合控砂原理的基本思想、概念体系及控砂模式；徐长贵等^[8]通过调研国内外源汇系统研究的现状，梳理了沉积盆地“源-汇”系统研究的新进展；林畅松等^[9]系统阐述了地球表面的地貌演化、源-汇系统及其研究手段，并指出它们是当前地球科学领域颇为关注的重要课题；朱筱敏等^[10]通过对比和分析国内外含油气盆地地质学的主要进展，指出“源-汇”体系等沉积学理论及分析技术是未来的发展趋势；刘强虎等^[11]、王星星等^[12]以源汇系统理论为指导，对渤海海域沙垒田凸起及围区古近系、渤海湾盆地车西洼陷沙三下段的“源-汇”系统进行了研究，发现源汇系统中沉积体系与其各控制要素之间有很好的关联性，而对于源汇系统的研究主要集中于理论方面的阐述和定性研究，缺少较全面的源汇系统各要素的定量分析以及砂体与其控制因素之间的定量研究。

在渤海海域渤中凹陷石南陡坡带古近系发现了大量的油气，表明该区具有较丰富的油气资源。众多学者^[13-17]对该区的烃源岩、油气成藏、沉积体系、古地貌等作了一些研究，但是均以定性描述为主，缺少较全面的源汇体系定量分析。利用渤中凹陷西次洼及围区的17口关键井以及全区三维地震数据等资料，对东三段源汇体系进行定量表征，并探讨砂砾岩沉积体与其各控制要素之间的定量关系，以期对陡坡带油气勘探评价中的砂砾岩储层预测具有指导意义。

渤中凹陷位于渤海湾盆地的中部、渤海海域的中南部，四周分别被石臼坨凸起、沙垒田凸起、渤南低凸起、渤东低凸起环绕。渤中凹陷石南陡坡带位于渤中凹陷的西北部、石臼坨凸起西南部边界断层下降盘陡坡带^[14-17]，向东与渤中凹陷主体区相连，向西与南堡凹陷过渡，整体呈北西—南东走向（图 1），面积约300 km²。2008年，在渤中石南陡坡带的西部钻探NB35-1构造，储层发育，物性极差，无重大油气突破；从2014年开始，在该区东部曹妃甸6-4构造开始钻探，不仅储层发育，并发现了大量油气，取得了大中型油气田的发现，揭示该区东部具有较大的油气勘探潜力。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 渤中凹陷石南陡坡带构造位置及地层柱状图 Fig. 1 Tectonic map of Shinan steep slope zone and Paleogene stratigraphic column

该区古近系发育齐全，由老到新依次发育孔店组、沙河街组（沙四段、沙三段、沙二段、沙一段）和东营组（东三段、东二段、东一段）。受黄骅—德州右旋走滑以及蓬莱—张家口左旋走滑断裂的双重影响^[18]，在渤中凹陷石南陡坡带发育北西向、北东向交替相接的边界断裂。古近系遭受了多期幕式构造运动的影响^[17]，发育多个裂陷期，分别为孔店组—沙四段沉积期经历了裂陷Ⅰ幕、沙三段沉积期经历了裂陷Ⅱ幕、沙二段—沙一段沉积期经历了裂陷Ⅲ幕、东营组沉积期经历了裂陷Ⅳ幕，在沙二段—沙一段沉积期遭受强烈的裂陷之后，为沉积体系的发育提供了更有利的可容纳空间。另外，该区古近系生储盖组合发育齐全，主要的烃源岩层段为沙三段和沙一段^[16-17]，储层主要为沙二段、东三段和东二段上部，盖层主要为东三段顶部和东二段中下部广泛分布的区域性泥岩。本文以东三段为例，对该沉积时期的源汇体系进行定量表征。

源汇体系的要素主要包括物源（山、沟）、坡（坡折）、面（沉积区可容纳空间、湖平面变化、沉积体系）^[6-8]，下面在对各要素特征分析的基础上，进行了定量表征。

利用地震反射特征、属性分析、岩心、录井和测井等资料，结合庞小军^【14】的研究成果，确定了渤中凹陷石南陡坡带东三段沉积相的类型及展布[图 2（a）]，在沟谷体系、沉降中心、断层活动强弱变化^[14]分析的基础上，明确有5个扇三角洲进积区。为了论述的方便，将其编号为F_Ⅰ，F_Ⅱ，F_Ⅲ，F_Ⅳ，F_Ⅴ号[图 2（b）]。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 渤中凹陷石南陡坡带东三段扇三角洲相刻画及平面展布 Fig. 2 Fan-delta facies of E d3 inShinan steep slope zone

东三段沉积期，主要发育扇三角洲相和湖相沉积，录井上，扇三角洲以砂砾岩、含砾砂岩夹中细砂岩、深灰色泥岩为主，壁心上，砾石粒径约0.2~ 10.0 cm，砾石成分以火成岩岩屑、变质岩岩屑为主，局部见碳酸盐岩岩屑；地震上，表现为中强振幅、中频、楔形前积或杂乱反射，均方根地震属性上表现为高值区。湖相以暗色泥岩为主，泥岩厚度较大；地震上，表现为中弱振幅、低频、亚平行—平行反射；均方根地震属性上表现为高值区，且扇三角洲与湖相之间具有环带边界特征。

对5个位置的扇三角洲顶面和底面进行追踪，建立地层厚度、地震属性与砂砾岩厚度之间的关系，进而确定扇三角洲砂砾岩体的厚度分布，利用Geoframe中的面积和体积计算功能，求取砂砾岩的延伸长度、最大厚度、面积和体积（表 1）。统计发现，由西向东，F_Ⅰ，F_Ⅴ号位置的扇三角洲砂砾岩的延伸长度较长，F_Ⅱ号扇体最短；F_Ⅱ号砂砾岩的厚度最大，F_Ⅰ号砂砾岩的厚度最小；F_Ⅰ，F_Ⅴ号砂砾岩的面积较大，F_Ⅲ号砂砾岩最小；F_Ⅴ号砂砾岩体积最大，F_Ⅰ号砂砾岩体积最小。

表 1(Table 1)

表 1 石南陡坡带东三段各扇三角洲砂砾岩几何特征 Table 1 Geometric characteristics of Ed3 fan delta glutenite in Shinan steep slope zone 扇三角洲编号 延伸长度/km 最大厚度/m 面积/km2 体积/km3 FⅠ 5.8 312 26.4 351 FⅡ 4.2 612 21.8 582 FⅢ 4.8 420 13.4 431 FⅣ 5.1 542 26.0 601 FⅤ 6.3 450 42.9 684

下载CSV 表 1 石南陡坡带东三段各扇三角洲砂砾岩几何特征 Table 1 Geometric characteristics of Ed3 fan delta glutenite in Shinan steep slope zone

物源体系主要有沉积时期的物源区岩性（母岩）、沟谷体系等，母岩通过剥蚀形成碎屑物之后，往往沿着沟谷被搬运到盆地沉积。因此，物源体系的表征主要有母岩岩性的恢复（图 3）、沟谷体系和母岩剥蚀量的计算。

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 渤中凹陷石南陡坡带东三段沉积时期物源岩性平面分布[11] Fig. 3 Distribution of lithology in the source area of E d3 in Shinan steep slope zone [11]

现今物源区的基岩并不一定是沉积时期的真实母岩，因此，须要结合钻井、分析化验资料等进行恢复。刘强虎等^[11]已经对渤中凹陷石南陡坡带东三段沉积时期的母岩进行了恢复，并发现该时期西部以碳酸盐岩物源为主，中部和东部均以火山岩夹碎屑岩为主（图 3）。

沟谷体系是砂砾岩沉积所对应的一定范围内的多个沟谷，下游具有1条或几条主沟谷，上游由多个次级沟谷向主沟谷搬运碎屑物，并在相对应的沉降中心形成扇三角洲砂砾岩，因此，研究区每一个沉降中心[图 4（a）]对应一个扇三角洲体系[图 2（b）]。利用物源区脊梁线、沟谷体系之间的分水岭、扇三角洲分布等[图 4（b）]，运用Geoframe软件就可以计算出每一个沟谷体系的主沟谷长度、沟口个数、主沟谷宽度、主沟谷深度、面积等参数（表 2）。

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 渤中凹陷石南陡坡带东三段沉积期古地貌特征 Fig. 4 Characteristics of paleogeomorphology of Ed3

表 2(Table 2)

表 2 渤中凹陷石南陡坡带物源区各沟谷体系参数 Table 2 Parameters of valley system of the source area 沟谷体系编号 主沟谷长度/km 沟口数量/ 个 主沟谷宽度/m 主沟谷深度/m 面积/km2 V1 2.53 3 490 40 6.65 V2 5.19 6 1 639 180 23.13 V3 8.60 2 1 123 23 20.30 V4 11.30 3 1 301 30 48.90 V5 7.60 4 441 20 31.69

下载CSV 表 2 渤中凹陷石南陡坡带物源区各沟谷体系参数 Table 2 Parameters of valley system of the source area

统计发现，V₄号沟谷最长，V₁号沟谷最短；V₂号沟谷数量最多，V₃号沟谷数量最少；V₂号主沟谷最宽，V₁号和V₅号主沟谷较窄；V₂号主沟谷最深，V₅号最浅；V₄号和V₅号沟谷体系面积较大，V₁号沟谷体系面积最小。

为了查明断层活动对物源区和沉积区差异升降的影响，利用三维地震综合解释，统计了东三段物源区隆起高度。统计发现，由西向东，各砂砾岩体所对应的物源区最大隆起高度分别为512.4 m，1 002.3 m，735.0 m，782.8 m，863.1 m。V₂号位置物源隆起最高，V₁号位置隆起较低。

颜照坤等^[19]运用物质守恒法对龙门山前陆盆地晚三叠世各阶段剥蚀量进行了计算，笔者用其方法明确了渤中凹陷石南陡坡带的母岩类型、沟谷体系和扇三角洲分布，结合东三段地层厚度分布[图 4（a）]，估算了东三段沉积期各沟谷体系分布范围内的剥蚀量（表 3）。

表 3(Table 3)

表 3 渤中凹陷石南陡坡带东三段各沟谷体系的剥蚀量 Table 3 Denudation statistics of valley system of Ed3 编号 最大剥蚀厚度/m 面积/km2 体积/km3 V1 286.5 6.65 514.0 V2 429.0 23.13 1 231.2 V3 28.2 23.10 670.0 V4 30.2 45.52 1 185.2 V5 101.4 31.69 1 276.6

下载CSV 表 3 渤中凹陷石南陡坡带东三段各沟谷体系的剥蚀量 Table 3 Denudation statistics of valley system of Ed3

通过计算发现，研究区东三段沉积时期，V₁，V₂，V₅号剥蚀区剥蚀厚度均较大，V₃，V₄号剥蚀区剥蚀厚度均较小；东部剥蚀范围比西部大；东部剥蚀量整体大于西部，V₂，V₄，V₅号剥蚀区剥蚀量均较大，V₁，V₃号剥蚀区剥蚀量均较小，最大剥蚀量为1 276.6 km³，最小剥蚀量为514.0 km³。

断层活动定量表征的方法主要有断层落差法、生长指数法和断层活动速率法，其中，断层活动速率考虑了断层落差及其经历的时间2个因素，因此，能更准确地反映断层活动性^[20-21]。在前面沟谷体系、扇三角洲等分析的基础上，按照断层活动强弱变化，由西向东，将物源区边界断层分为5段，并统计了每一段的最大断层活动速率、断层宽度、坡度等（表 4）。

表 4(Table 4)

表 4 渤中凹陷石南陡坡带东三段边界断层各段最大断层活动速率、分段宽度以及坡度 Table 4 Maximum fault activity rate, section width and slope statistics for each section of E d3 断层分段编号 最大断层活动速率/（m·Ma-1） 断层活动分段宽度/km 断层坡度/ （°） F1 285.0 1.8 48.2 F2 491.2 4.3 42.9 F3 382.0 1.0 47.7 F4 469.4 1.8 45.0 F5 3 920.0 3.1 42.4

下载CSV 表 4 渤中凹陷石南陡坡带东三段边界断层各段最大断层活动速率、分段宽度以及坡度 Table 4 Maximum fault activity rate, section width and slope statistics for each section of E d3

统计发现，整体上，断层具有明显的分段性和差异活动的特点，F₂，F₄段断层活动均较强，F₃，F₅段断层次之，F₁最弱；F₂，F₅段断层活动分段宽度均较长；F₁，F₃，F₄段断层活动分段宽度均较短；断层坡度整体较陡，F₁，F₃段断层处坡度最陡。

靠近物源的沉降中心是碎屑物在盆地的主要沉积场所，其大小在一定程度上能够反映最多可容纳砂砾岩的量。通过对研究区东三段沉降中心的识别和参数的定量表征，共识别出5个主要的沉降中心，利用Geoframe软件，计算了各沉降中心的深度、宽度、长度、面积、体积以及沉降中心与物源之间的距离（表 5）。

表 5(Table 5)

表 5 渤中凹陷石南陡坡带东三段沉降中心的几何特征及其与物源之间的距离 Table 5 Geometric characteristics of the Ed3 subsiding center and its distance from the provenance 沉降中心编号 深度/ m 宽度/ km 长度/ km 体积/ km3 面积/ km2 最大搬运距离/km S1 482 2.3 6.1 321.3 34.63 3.8 S2 821 5.2 7.3 1 063.9 107.65 2.3 S3 652 1.6 3.7 350.1 19.4 2.6 S4 708 3.6 5.6 637.0 34.1 2.1 S5 694 3.9 10 911.9 85 3.3

下载CSV 表 5 渤中凹陷石南陡坡带东三段沉降中心的几何特征及其与物源之间的距离 Table 5 Geometric characteristics of the Ed3 subsiding center and its distance from the provenance

统计发现，S₂号沉降中心最深，S₁号最浅；S₂号沉降中心宽度最大，S₃号最小；Ⅴ号沉降中心延伸最长，S₃号最短；S₂，S₅号沉降中心面积均较大，S₁，S₃号面积均较小；S₂，S₅号沉降中心容积（体积）均较大，S₁，S₃号容积（体积）均较小；S₁，S₅号沉降中心距离物源均较远，S₂，S₃，S₄号距离物源均较近。

相对湖平面变化是影响砂砾岩变化的重要因素之一，也是源汇体系定量表征的主要内容之一^[6]。对于近源扇三角洲沉积来讲，相对湖平面的变化可以利用传统的上超点法（通过地震反射轴中的上超现象）^[22]，结合钻井中泥岩的颜色、孢粉和藻类等进行识别。通过上述方法，统计了渤中凹陷石南陡坡带各井区每一期扇三角洲砂砾岩发育期相对湖平面与物源之间的距离以及砂岩的延伸距离（表 6）。通过统计发现，东三段不同期次的湖平面是不断变化的，砂砾岩延伸长度随相对湖平面与物源之间距离的减小而变短。

表 6(Table 6)

表 6 各井区不同砂砾岩发育时期相对湖平面与物源之间的距离、砂岩延伸长度 Table 6 Distance from lak to the provenance and the length of the glutenite in well zones 井区 期次 相对湖平面与物源之间的距离/km 砂岩延伸长度/ km CFD15 1 3.10 3.70 2 2.00 2.50 3 1.50 2.10 4 0.80 1.30 CFD12 1 4.70 6.57 2 1.85 2.42 3 2.51 3.40 4 1.40 2.20 CFD10 1 1.90 2.70 2 4.10 4.80 3 4.70 5.90 4 1.80 2.40 CFD1 1 0.40 0.80 2 1.00 1.80 3 0.80 1.30 4 0.20 0.60

下载CSV 表 6 各井区不同砂砾岩发育时期相对湖平面与物源之间的距离、砂岩延伸长度 Table 6 Distance from lak to the provenance and the length of the glutenite in well zones

上述对源汇体系各要素的主要参数进行了统计，接下来主要阐述各源汇要素之间的关系，并对它们进行定量表征。

物源体系是砂砾岩体发育的主要控制因素之一。通过对渤中凹陷石南陡坡带东三段沉积期物源体系各要素（母岩岩性、沟谷体系和剥蚀量）与砂砾岩体之间的关系对比发现，西部物源区早期剥蚀岩性以火山岩为主^[16]，中晚期以碳酸盐岩为主（图 3），往西逐渐变为以火山岩为主，北部剥蚀少量的碳酸盐岩与碎屑岩，这些物源区岩性的差异造成了东三段储层物性在横向上具有东好西差的特点^[16]；物源区砂砾岩量与沟谷长度、沟口个数、沟谷体系面积均具有正相关关系[图 5（a）~（b）]，但是，沟谷体系面积与砂砾岩量的相关性更好，这是由于研究区沟谷体系面积越大，可能发育的沟谷数量越多，或者沟谷长度越长造成剥蚀量越大。沟谷体系的面积与剥蚀量呈正相关关系，且剥蚀量与砂砾岩量具有一定的正相关关系[图 5（c）~（d）]，这是由于沟谷体系范围代表剥蚀区的范围，范围越大，剥蚀量越大。

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 渤中凹陷石南陡坡带东三段沉积期砂砾岩量、剥蚀量与物源体系的关系 Fig. 5 Relationship between the amount of glutenite and denudation, provenance system

在断陷期，断层活动控制着物源区和沉积区的差异升降。石南陡坡带东三段沉积期，断层活动与物源区隆起高度具有较好的正相关关系[图 6（a）]，与剥蚀量也具有较好的正相关关系[图 6（b）]，表明东三段沉积期的断层活动控制了盆地的差异升降，进而控制了物源区的剥蚀速率和沉积区的碎屑堆积程度。

图 6

Fig. 6

下载eps/tif图 图 6 渤中凹陷石南陡坡带东三段沉积期物源区隆起高度、剥蚀量与断层活动的关系 Fig. 6 Relationship between height and denudation of provenance and fault activity

断层差异活动对沉降中心的分布具有重要的控制作用^[23]。通过断层活动速率与沉降中心各要素之间的关系分析发现（图 7），断层活动越强，形成的沉降中心越靠近物源；较大的断层活动速率分布区范围越大，形成的沉降中心宽度越大。另外，断层坡度越大，沉降中心越靠近物源区；坡度越小，沉降中心远离物源区。

图 7

Fig. 7

下载eps/tif图 图 7 渤中凹陷石南陡坡带东三段沉积期沉降中心与断层活动的定量关系 Fig. 7 Quantitative relationship between sedimentation center and fault activity

断层活动控制了沉降中心，沉降中心控制了沉积区可容纳砂砾岩的容积。通过断层活动速率与砂砾岩量、砂砾岩厚度之间的关系分析发现（图 8）断层活动越强、坡度越陡、宽度越宽，形成的沉降中心距离物源越近、容积越大，沉积的砂砾岩越厚、延伸距离越短、砂砾岩量越大。

图 8

Fig. 8

下载eps/tif图 图 8 渤中凹陷石南陡坡带东三段沉积期砂砾岩量与断层活动的关系 Fig. 8 Relationship between sandstone quality and fault activity

湖平面的升降控制了砂砾岩的分布。通过对渤中凹陷石南陡坡带东三段沉积期湖平面变化与砂砾岩分布之间的关系研究发现，随着湖平面的上升，砂砾岩逐渐向物源方向退缩；随着湖平面的下降，砂砾岩逐渐向湖盆方向延伸（图 9）。

图 9

Fig. 9

下载eps/tif图 图 9 渤中凹陷石南陡坡带东三段沉积期砂砾岩延伸距离与湖平面距物源距离的关系 Fig. 9 Distance relationship between the length of glutenite and paleolake surface

综上所述，有利的物源岩性、充足的剥蚀量、强烈的断层活动以及湖平面周期性的下降均可以形成大量的砂砾岩沉积体。

（1）渤中凹陷石南陡坡带东三段沉积期靠近物源区发育5个沉降中心，并形成5个近源扇三角洲砂砾岩沉积，对应的物源区发育5个沟谷体系。扇三角洲砂砾岩的岩石成分以砂砾岩、含砾砂岩夹中细砂岩、深灰色泥岩为主，中部和东部岩屑和砾石成分均以火山岩为主，西部以碳酸盐和石英岩为主。物源区的东部以火山岩夹碎屑岩为主，西部以碳酸盐岩与混合花岗岩为主。

（2）物源体系是控制砂砾岩形成的主要控制因素之一，物源岩性控制了砂砾岩储层的物性，沟谷体系各要素（沟谷长度、沟口个数、面积）控制了物源区的剥蚀量，进而控制了沉积区的砂砾岩量。渤中凹陷石南陡坡带东三段V₂，V₄，V₅位置的沟谷体系面积较大，沟谷数量较大，遭受的剥蚀较强烈，剥蚀量大，在沉积区形成的砂砾岩量较多。断层活动也是控制砂砾岩形成和规模的主要控制因素之一，它的差异性控制了物源区和沉积区的差异升降，进而形成了不同的古地貌格局，控制了砂砾岩的分布和规模。断层活动强、坡度陡、宽度大的位置，形成的沉降中心离物源近且深，形成砂砾岩厚度大、砂砾岩规模较大。湖平面变化控制着砂砾岩的延伸距离，两者呈此消彼长的关系。当湖平面上升时，砂砾岩向物源方向退缩；反之，砂砾岩向湖盆方向推进。

（3）渤中凹陷石南陡坡带东三段砂砾岩的形成和规模是源汇各要素综合作用的最终结果，主要受物源体系、断层活动和湖平面控制，优越的物源条件、充足的剥蚀量、强烈的断层活动、湖平面周期性的沉降均是形成该区大规模砂砾岩的必要条件。因此，在低勘探程度区，通过定量厘清形成砂砾岩的源汇要素，就可以对油气勘探过程中的储层预测提供帮助。