DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.08.031
澳大利亚North Carnarvon盆地晚三叠世Mungaroo组大型浅水辫状河三角洲沉积充填特征及模式
夏晨晨1, 2，朱红涛1, 2，杨香华1, 2，黄众3，庄文娟4，曹秀荣1, 2，曾智伟1, 2
(1. 中国地质大学 构造与油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉，430074；
2. 中国地质大学 资源学院，湖北 武汉，430074；
3．中海油研究总院，北京，100027；
4. 华北油田公司 勘探开发研究院，河北 任丘 062550)
摘要：对澳大利亚North Carnarvon盆地三叠纪Mungaroo三角洲的钻井、地震、岩心、薄片等资料进行分析，结合季风强盛期、减弱期、间歇期的气候交替变化，建立研究区不同季风阶段对应的浅水辫状河三角洲的沉积充填序列、迁移演化规律，并总结其沉积模式。研究结果表明：Mungaroo三角洲具有以下典型沉积特征：主体发育三角洲平原相带，普遍发育正粒序河道充填沉积；河道砂岩与富有机质泥岩(薄煤层)频繁互层；碎屑颗粒分选和磨圆均较差，但石英颗粒含量较高；主要发育平行-亚平行地震相，局部发育叠瓦状前积地震反射；季风性气候控制明显，高山植物孢粉与低地植物孢粉交互式变化。
关键词：浅水辫状河三角洲；季风气候；沉积充填演化；Mungaroo组；North Carnarvon盆地
中图分类号：P534.51 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)08-2983-09
Large-scale shallow braided river delta depositional characteristics and depositional pattern of Mungaroo Formation in Late Triassic, North Carnarvon Basin, Australia
XIA Chenchen1, 2, ZHU Hongtao1, 2, YANG Xianghua1, 2, HUANG Zhong3,
ZHUANG Wenjuan4, CAO Xiurong1, 2, ZENG Zhiwei1, 2
(1. Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, Ministry of Education,
China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
2. Faculty of Earth Resources, China University of Geoscience, Wuhan 430074, China;
3. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China;
4. Exploration and Development Research Institute of North China Oilfield Company, Renqiu 062550, China)
Abstract: The drilling, seismic, cores and thin section data of Mungaroo delta in North Carnarvon Basin of Australia were analyzed. Sedimentary sequence and migration evolution of shallow braided river delta in different monsoon stages were built through the sedimentary background, sedimentary features and intermittent stage of monsoon climate change, and the depositional model of Mungaroo Formation, North Carnarvon Basin was built. The results show that Mungaroo delta has five typical sedimentary characteristics: Delta plain facies is well developed and normal graded channel deposition is widespread; Channel sandstone and the mudstone rich of organic matter are interbedded frequently; Clast granules are poorly sorted and rounded but rich of quartz granule; Mungaroo Formation in late Triassic generally develops parallel-subparallel seismic facies and locally imbricate progradation reflection seismic facies; Sporopollen of alpine vegetation and lowerland plant changes interactively under the control of monsoon climate.
Key words: shallow water braided river delta; monsoon climate; sediment infiling; Mungaroo formation; north Carnarvon basin
浅水三角洲的概念最早由Fisk[1]提出，后来Donaldson[2]在研究美国石炭纪陆表海时发现水深是一个重要控制因素，进而将河控三角洲分为深水型和浅水型2类。王建功等[3-4]认为浅水三角洲是在水体较浅和构造相对稳定的台地、陆表海、大陆架或地形平缓、整体缓慢沉降的坳陷湖盆中形成的。随着对浅水三角洲研究的不断深入，不同学者对于浅水三角洲的沉积模式提出了不同的见解。朱筱敏等[5]在研究松辽盆地三肇凹陷扶余油层沉积环境时认为：气候是影响浅水三角洲形成发育和展布形态的主要控制因素，并提出了干旱气候条件下和潮湿气候条件下浅水三角洲的沉积模式；王建功等[3]在研究松辽盆地葡萄花油层四级层序不同体系域沉积时，根据浅水湖泊三角洲前缘相带分流河道在平面上的分布特征，提出朵形辫状河分布、网状河分布以及枝状分布3类模式；张昌明等[6]根据浅水三角洲沉积主体的不同将其分为分流河道型和分流砂坝型2种模式。但是，这些研究主要集中在浅水三角洲的沉积特征及模式上，对于受季风气候影响的浅水辫状河三角洲沉积模式研究相对较少。澳大利亚西北陆架North Carnarvon盆地上三叠统Mungaroo组发育大型的浅水辫状河三角洲，由于受季风气候的影响，Mungaroo三角洲具有平原相带面积广，河道广泛发育且改道频繁，薄层煤及富有机质泥岩极其发育且与河道砂岩互层叠置等沉积特点。因此，North Carnarvon盆地Mungaroo组是研究受季风气候影响的浅水辫状河三角洲沉积模式的有利场所。本文作者根据钻井、地震、岩心、薄片等资料，分析季风气候影响下Mungaroo三角洲的沉积特征，总结不同季风阶段对应的Mungaroo三角洲的沉积充填序列和迁移演化规律，最后建立季风影响下大型浅水辫状河三角洲的沉积模式。
1 区域地质概况
North Carnarvon盆地位于澳大利亚西北大陆架的最南端，面积约54.44×104 km2，其中陆上面积仅0.94×104 km2。盆地内部发育一系列整体上呈北东向展布的次级构造单元，自东南大陆内向西北海洋依次为南部斜坡带(Peedamullah斜坡、Lambert斜坡)、中央坳陷带(Investigator坳陷、Exmouth坳陷、Barrow坳陷、Dampier坳陷、Beagle坳陷)及北部Exmouth低隆起，中央拗陷带与Exmouth低隆起间发育Rankin断凸，自陆地向海洋构成斜坡-裂陷-隆升的构造格 局[7-8](图1)。North Carnarvon盆地是一个被动大陆边缘盆地，发育巨厚古生界-新生界沉积地层，最大厚度达15 km，其中以晚三叠世Mungaroo组地层厚度最大。根据该地区油气勘探开发现状及前人研究成果，目前已发现的Geryon，Chrysaor，Gorgon等大型气田均以Mungaroo三角洲砂岩为主要储集层[9-10]，因此，North Carnarvon盆地Mungaroo组勘探潜力巨大，是研究区有利的勘探层段[8]。
图1 North Carnarvon盆地构造单元及井位分布图
Fig. 1 Tectonic units and location map of North Carnarvon Basin
2 North Carnarvon盆地Mungaroo组三角洲沉积背景
North Carnarvon盆地晚三叠世具备了独特的古地理、古气候背景，为发育大型浅水辫状河三角洲提供了优越条件。
2.1 盆地整体稳定沉降，盆广坡缓
三叠纪North Carnarvon盆地为被动大陆边缘坳陷盆地[11]，构造活动稳定。Gartrell[12]研究了North Carnarvon盆地基底地壳属性，认为该盆地石炭纪-二叠纪岩石圈热流值高，呈塑性，塑性下地壳向外流动，导致下地壳广泛变薄，从而岩石圈拉张形成的裂陷盆地以低角度正断层边界及面积广阔为特征，为三叠纪坳陷盆地沉积提供了广泛空间。三叠纪热沉降过程中沉积了面积广且坡度较缓的地层，上三叠统Mungaroo组整体呈“饼状”展布(面积广，近席状展布)。
2.2 古水体浅且动荡
根据单井岩心统计，Mungaroo组泥岩颜色既具有反映还原环境的灰色又具有反映弱氧化环境的褐色，同时岩心中既可见反映氧化环境的钙质结核，又可见反映还原环境的黄铁矿。靠近物源方向单井岩心中可见植物根茎、瘤状黄铁矿以及结晶程度较低的粉末状高岭石，菱铁矿镜下为隐晶质，呈鲕状，表面见黑色蚀变物，为典型沉积成因，粉末状高岭石镜下结晶程度较差，具一级灰白干涉色，正低突起，这些现象综合反映了水道、水道间湾等水上沉积环境；远离物源方向单井岩心以钙质胶结为主，可见海绿石等反映海相环境的标志矿物。综合上述特征可推测Mungaroo组沉积时期为弱还原-弱氧化的环境，浅水特征明显，且时而暴露水上，水体动荡。
2.3 受到晚三叠世巨型季风影响
Kutzbach等[13-15]通过一系列与泛大陆有关的气候模拟实验，认为泛大陆三叠纪存在强烈的季风循环，广泛分布有全年或季节性干旱，特提斯洋南部和北部沿岸存在夏季季风降雨，中纬度地区存在冬季降雨带，且三叠纪热带夏季极端炎热，中、高纬度大陆内部存在大的季节性温度变化，并把这种气候称作“巨型季风”。Parrish等[16]模拟了三叠纪夏季季风循环特征，认为晚三叠世早期季风强度达到最大值。庄文娟等[17]通过对三叠纪全球古气候的研究分析，认为在强烈季风影响下，晚三叠世大陆板块气候可以粗略地分为3个气候区域(非纬度气候分带)(图2)[18-19]，即西特提斯洋和泛大陆中部地区常年干旱气候带，东劳亚和东冈瓦纳大陆海岸区域以及泛大陆西部海岸潮湿和干旱气候带，环特提斯洋潮湿气候带。澳大利亚西北陆架位于特提斯南缘，处于季风影响的湿热气候带，为澳大利亚西北陆架三叠纪巨型三角洲的发育提供了良好的气候条件。
图2 晚三叠世全球构造板块及古气候分布[18-19]
Fig. 2 Global tectonic plates and paleoclimate distribution in late Triassic
3 季风影响下North Carnarvon盆地晚三叠世浅水辫状河三角洲沉积特征
根据上述沉积背景可见，North Carnarvon盆地晚三叠世具有南部基底坡度缓，河流水浅且动荡，大河物源供给充足以及强烈季风影响的海洋性潮湿气候等沉积地质背景，从而发育独具特色的大型浅水辫状河三角洲。本文结合研究区三叠系的勘探成果与地质背景，综合利用单井相、岩心、薄片以及地震资料，总结出季风气候下North Carnarvon盆地晚三叠世Mungaroo组浅水辫状河三角洲沉积特点如下。
1) 正粒序河道沉积极其发育、少见河口坝沉积。由于研究区基底坡度较缓，海水波浪在向岸冲刷过程中能量减弱，波浪对三角洲前缘作用弱，河口坝沉积不发育，单井微相中多为正粒序河道沉积，反粒序沉积少见。Altas 1井单井相分析如图3所示。从图3可见：4 161~3 733 m主要为河道沉积，其中4 161~3 887 m为厚层砂岩夹薄煤层的多期正韵律沉积，这是由于季风强盛期，季风洪水携带大量碎屑沉积物进入沉积区，从而沉积大段厚层砂岩；3 887~3 733 m为薄层砂岩夹薄层碳酸盐岩，这是由于季风强度减弱，河流作用减弱且海水作用相对增强，砂岩和碳酸盐岩沉积厚度均较薄；3 733~3 570 m主要沉积含灰泥岩，这是由于季风活动停止，滨浅海水体能量较低，有利于中厚层含灰泥岩发育。岩心照片如图4所示。由图4可知：North Rankin 2井Mungaroo组底部可见明显的河道滞留沉积，中部以石英砂岩为主，可见楔状交错层理，上部黑色泥岩与灰白色砂岩互层状产出，砂岩中可见负载构造及生物扰动构造；North Gorgon 1井中多套河道沉积相互叠置，并可见多期冲刷痕，河道沉积极其发育。
2) 三角洲平原相带展布范围广、粗砂岩与富有机质泥岩(薄煤层)频繁互层。晚三叠世Mungaroo组三角洲平原相带展布范围广，薄煤层和砂砾岩分布面积大，在North Carnarvon盆地钻遇Mungaroo组的55口单井中，19口井钻遇薄煤层，15口井钻遇砂砾岩(图1)。水道沉积底部的砾石呈卵球形或半棱角状，这是由于受到环特提斯洋季风影响，洪泛事件频繁，地表径流量大，水动力作用强，使得砾石能够远距离搬运。研究区钻井资料显示，三叠纪North Carnarvon盆地种子厥植物生长繁茂(Falcisporites，二叉羊齿)，为成煤提供了大量的有机质，有利于形成分布广、厚度大的煤层，但是研究区晚三叠纪受到强烈季风影响，阵发性洪水事件频发，阵发性水流将丰富的有机质冲散进泥岩之中形成薄煤层，与强水动力条件下沉积的辫状河河道粗砂岩频繁互层。
图3 Atlas 1井晚三叠世测井相、古孢粉相单井分析
Fig. 3 Analysis of logging and sporopollen facies of Atlas 1 in late Triassic
图4 North Rankin 2和North Gorgon 1井Mungaroo组典型浅水辫状河三角洲沉积构造
Fig. 4 Typical shallow braided river delta sedimentary structurein of North Rankin 2 and North Gorgon 1 of Mungaro Formation
3) 铸体薄片中碎屑颗粒粗大、分选和磨圆均较差。Mungaroo组辫状河三角洲砂岩成分成熟度高，主要为石英砂岩和长石石英砂岩，岩屑含量少；砂岩粒度主要为中-粗粒，分选中-差，球度低，磨圆度中-低，为次棱角状-次圆状，结构成熟度低，粒度呈粗细混杂的双峰(图5(a)和(b))，暗示了季风引发的阵发性水流事件，体现了季风影响下水动力强、沉积物近源快速堆积的特点。孔隙中可见大量粉末状高岭石，高岭石结晶程度低，为典型的原生沉积型高岭石(图5(c)和(d))，表明沉积环境为酸性河流沉积。孔隙充填物主要为黏土和菱铁矿(图5(a)和(b))，对应季风阵发性洪水的沉积。结合岩心中植物碎片、薄煤层以及暗色砂岩等特征可以推断沉积环境为三角洲平原分流河道以及间湾沼泽。
4) 整体发育平行-亚平行地震相、局部具有叠瓦状前积地震反射。三叠纪Mungaroo组沉积时期，North Carnarvon盆地地形较缓，沉积空间大，季风洪水携带的碎屑物质充足，河道延伸距离远，沉积了面积广泛的三角洲平原亚相。三角洲平原整体地震相为平行-亚平行席状，但局部发育多组短轴状叠瓦状前积地震反射。研究区叠瓦状前积反射与平行亚平行反射多期叠置，反映三角洲朵体不断摆动、迁移的过程，是多次季风期洪水作用的结果(图6)。
5) 古气候潮湿、季风性降雨多发、孢粉含量间歇规律性变化。研究区晚三叠世Mungaroo组中发育大量湿地种子厥植物，孢粉组合以生长在低地潮湿环境中的种子蕨类花粉Falcisporites含量最高(花粉数占24%~70%，平均花粉数超过50%)，大部分样品发现Samaropollenites、Enzonalasporites、Camerosporite等主要生长在内陆山区的耐干旱植物(针杉类)的花粉。通过单井古孢粉分析(图3)，发现反映低地潮湿环境的Falcisporites含量高的层段泥岩含量高，对应于三角洲平原间湾微相；反映高地势区域的耐干旱植物(针杉类)的花粉含量高的层段砂岩含量高，对应于河道沉积。这是由于强季风期，洪水携带高地物源，将高地势区域的耐干旱植物(针杉类)的花粉带入研究区；季风减弱期或间期，高地势区域耐干旱植物(针杉类)的花粉含量明显减少。
图5 Corvus 1井Mungaroo组岩心薄片分析
Fig. 5 Analysis of slices of Corvus 1 of Mungaroo Formation
图6 North Carnarvon盆地AA’测线晚三叠世地震相特征
Fig. 6 Seismic facies characteristics of line AA’ in North Carnarvon Basin in late Triassic
4 North Carnarvon盆地晚三叠世浅水辫状河三角洲沉积相及演化
根据上述沉积背景、沉积特征，结合大量钻井、地震、岩心、薄片等资料分析，认为North Carnarvon盆地Mungaroo三角洲共发育4种沉积亚相：近端三角洲平原、远端三角洲平原、三角洲前缘和前三角洲，其中三角洲平原，尤其是远端三角洲平原最为发育。近端三角洲平原为辫状河主水道发育区，沉积厚层的水道砂体；远端三角洲平原为薄煤层发育区，中-薄层分支流水道砂岩与炭质泥岩(薄煤层)互层[10]。根据季风强度变化将Mungaroo三角洲演化分为3个阶段，各演化阶段沉积相特征见图7。
4.1 季风强盛期
季风强盛期，沉积充填序列表现为厚层粗粒砂岩夹薄层炭质泥岩(薄煤层)，发育多期叠置的粗粒间断正韵律。该阶段，洪水事件频发，河流水动力强，大量的陆源碎屑物被带到North Carnarvon盆地，沉积厚层粗粒砂岩，原地细粒沉积物被冲刷，只沉积薄层炭质泥岩。Mungaroo三角洲大规模向海推进，面积达到最大，三角洲发育进入鼎盛时期，远端三角洲平原延伸至Wombat低隆起。整个Mungaroo三角洲由2个孤立的大型朵体组成，三角洲近端平原和远端平原的面积都较大，远端平原最为发育，残余泥炭沼泽在远端平原普遍发育。三角洲前缘的规模较小，只是沿着远端平原的外缘发育。
4.2 季风减弱期
季风减弱期，沉积充填序列表现为薄层细砂岩粉砂岩夹薄层碳酸盐岩。该阶段，河流的水动力相应减弱，沉积物的输入量减少，三角洲发育规模变小，主要沉积薄层细粒砂岩。季风强度减弱导致三角洲受到的海水作用相对增强，从而沉积薄层碳酸盐岩。Mungaroo三角洲展布范围较小，仅在南部斜坡带、中央坳陷带、Investigator坳陷和Exmouth低隆起内侧发育。整个Mungaroo三角洲由3个横向连片的小型朵体组成，3个朵体呈北东向展布，三角洲平原最为发育，远端三角洲平原比近端三角洲平原较为发育。三角洲前缘相带窄，呈条带状展布。
4.3 季风间歇期
季风间歇期，沉积充填序列主要为厚层碳酸盐岩。该阶段，因North Carnarvon盆地处于特提斯洋南缘，气候由温润潮湿转为干热，降雨量急剧减少，河流所携带的沉积物总量也相应减少，三角洲的发育受到限制，三角洲发育处于萎缩阶段。与此同时，因河流水动力的减弱，滨浅海沉积区水体安静，有利于碳酸盐岩的发育，常沉积厚层碳酸盐岩。Mungaroo三角洲面积最小，只发育2个小的朵体，朵体覆盖在了Lambert斜坡、Peedamullah斜坡东南部、Barrow-Dampier坳陷和Rankin断凸等构造单元。三角洲前缘展布面积相对较大，在Barrow-Dampier坳陷中部、Peedamullah斜坡东北部都有发育。Wombat低隆起、Investigator坳陷及其边缘均发育碳酸盐岩台地。
图7 North Carnarvon盆地晚三叠世浅水辫状河三角洲沉积相及演化
Fig. 7 Sedimentary facies and evolution of shallow braided-delta of North Carnarvon Basin in mid-late Triasssic
5 North Carnarvon盆地晚三叠世季风气候下浅水辫状河三角洲沉积模式
澳大利亚西北大陆架晚三叠世整体处于热带-亚热带温热潮湿气候带，植被繁盛，种属多样，季风频繁发生。热带风暴发育间期，降雨量稳定，以近海低地-丘陵河流供给为主，此时河流流水稳定，以细粒沉积物沉积为主，沉积物中有机质含量高，湿地种子厥孢粉含量高；热带风暴发育期，降雨量剧增，降雨范围迅速扩大，长程河流将来自于内陆山区粗碎屑与针叶植物带入近海沉积区，此时砂岩发育，针叶松柏孢粉含量增加。晚三叠世西北陆架地形宽缓，发育广阔的三角洲平原；再加上季风与洪水频发，导致洪水期中粗砂岩与洪水间期陆源有机质泥岩频繁互层。
通过澳大利亚晚三叠世古气候、古植被发育背景及研究区沉积充填序列、迁移演化规律，结合实际钻井、地震、岩心、薄片资料，总结出North Carnarvon盆地晚三叠世强季风气候下浅水辫状河三角洲沉积模式(图8)。由图8可见：Mungaroo组三角洲物源由Pilbara地块提供，经过Lambert斜坡进入海盆，主要沉积浅水辫状河三角洲，在基底坡度缓、水深较浅以及潮湿性气候下，河流水动力较大，波浪由海向岸迁移过程中能量变弱，因此主要以河流作用为主，导致河道微相发育广，河口坝微相不发育；在强水动力条件下，河道频繁改道-分叉，形成辫状河流；三角洲平原相带面积广，三角洲前缘相带面积小；三角洲平原河道间湾沼泽分布广泛，薄层煤及富有机质泥岩极其发育；在阵发性水流的冲刷下，富有机质泥岩及薄层煤与河道砂岩互层叠置。
图8 North Carnarvon盆地晚三叠世季风气候下浅水辫状河三角洲沉积模式图
Fig. 8 Shallow-water braided delta sedimentary pattern of North Carnarvon Basin in late Triassic in monsoon climate
6 结论
1) North Carnarvon盆地晚三叠世时期，盆地整体沉降，盆广坡缓，古水体浅且动荡，又受到巨型季风的影响，季风洪水携带充足的碎屑物质入盆，具备了发育大型浅水辫状河三角洲的独特条件。
2) 受沉积背景尤其是季风气候的影响，North Carnarvon盆地晚三叠世Mungaroo组大型浅水辫状河三角洲具有以下5个典型沉积特征：① 正粒序河道沉积极其发育，反粒序河口坝少见，缺少二元沉积结构，测井曲线多钟形，岩心具典型冲刷构造；② 三角洲平原相带展布范围广，薄煤层和砂砾岩广泛发育，粗砂岩与富有机质泥岩(薄煤层)频繁互层；③ 主要沉积中粗粒砂岩，分选和磨圆均较差，粗细混杂；④ 整体发育平行-亚平行地震相，局部发育叠瓦状前积地震反射，少见S型前积反射；⑤ 研究区晚三叠世发育大量湿地种子厥植物，其孢粉含量随季风性降雨间歇规律性变化。
3) 季风气候对North Carnarvon盆地Mungaroo三角洲的演化影响很大。季风强盛期，大量的陆源碎屑物质被带入沉积区，三角洲沉积快速向海推进，主要沉积厚层粗粒砂岩夹薄层碳质泥岩；季风减弱期，沉积物的输入量减少，三角洲发育规模变小，主要沉积薄层细砂岩粉砂岩夹薄层碳酸盐岩；季风间期，河流所携带的沉积物总量大大减少，三角洲的发育受到限制，同时，因河流水动力的减弱，常沉积厚层碳酸盐岩，因季节性洪水活动减弱，滨浅海沉积区水体安静且海水泥沙含量较低，常沉积中厚层碳酸盐岩。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2014-08-10；修回日期：2014-11-12
基金项目(Foundation item)：国家科技重大专项(2011ZX05030)；教育部科技项目霍英东教育基金会资助项目(132020)(Project (2011ZX05030) supported by National Science and Technology Major Program of China; Project (132020) supported by the Henry Fok Education Foundation)
通信作者：朱红涛，博士，教授，从事层序地层学、盆地沉积学及储层预测方向的研究；E-mail：zhuoscar@sohu.com
