HYDRODYNAMIC RESPONSE OF CHENIER COAST TO STORM SURGES ON THE ABANDONED YELLOW RIVER DELTA PLAIN
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摘要: 渤海湾西南岸大口河口至马颊河口一线分布着大口河岛、高坨子、棘家堡子和汪子岛等贝壳堤(岛)。以2003年10月10-12日发生的50年一遇的温带风暴潮为动力条件,结合对历史文献、海图、卫星影像等资料的分析,利用FVCOM和SWAN数值模式,耦合模拟了黄河废弃三角洲不同时期代表性岸线形态约束下贝壳堤近岸的波浪、潮流等动力响应特征。贝壳堤的规模、形态、分布等受特殊的岸线形态、海滩物质组成以及由ENE、NE强风驱动的风暴潮动力场等所控制。由于黄骅港和滨州港超长防波堤的掩护作用,在同等风暴潮强度下,贝壳堤近岸的潮位、流速和波高均有所减小,有利于贝壳堤的加积和稳定性。Abstract: Along the coastline from the Dakou river mouth to Taoer river mouth in SW Bohai Bay,chenier ridges have been found at the places of Dakouhedao,Gaotuozi,Jijiapuzi and Wangzidaos.Historical documents, sea charts and satellite images show that the characteristics of the coastline were formed by the shifting of the Yellow River mouth and the consequent evolution of the delta plain.A storm surge,which came once every 50 years,happened on October 10-12,2003.The numerical model of FVCOM +SWAN is adopted in this paper to simulate and investigate the nearshore wind-driven wave,and flow fields for different coastline configurations.The results demonstrate that the dimensions,shapes and distributions of chenier ridges are controlled and reworked by coastline configurations,material sources and ENE,NE winddriven hydrodynamics.The intensity of the storm surge,flow power and wave height will be reduced moderately by the chenier ridges due to the sheltering effect of the long breakwaters of the Huanghua Port and the Binzhou Port.This study will help preserve the existing chenier system and favor the formation of new chenier ridge.
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Keywords:
- chenier ridge /
- abandoned delta coast /
- storm surge /
- FVCOM /
- SWAN
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西湖凹陷是目前东海陆架盆地中规模最大的新生代含油气凹陷，多年来勘探实践和研究已证明始新统平湖组烃源岩是主力烃源岩。前人对平湖组烃源岩做过研究，认为它是一套海陆过渡相煤系烃源岩，煤层具有单层厚度薄、层数多、横向变化快等特征，煤组分以镜质组为主[1-2]。煤系泥岩烃源岩有机质类型均为腐泥腐殖型和腐殖型，饱和烃中富含二萜烷类化合物，生气为主，具有中国古新近系煤系烃源岩一般的特征[3-7]。前人认为西湖凹陷平湖组烃源岩在凹陷中央埋藏太深，早已进入高过成熟阶段（23 Ma之前），而圈闭形成较晚[8]，后期生烃能力不足，不利于油气成藏。然而，随着近年来西湖凹陷油气勘探的不断突破，对平湖组烃源岩的特征取得新认识。古新世平湖组煤系烃源岩发育于断—坳转换背景下[9]，本文系统分析了其烃源岩特征，明确平湖组烃源岩不同层段的差异，探讨平湖组烃源岩母质及形成环境，建立平湖组煤系烃源岩生烃模式，指明了西湖凹陷巨大勘探潜力。
1. 地质背景
西湖凹陷位于东海陆架盆地东部，在地质构造上，其东为钓鱼岛隆褶带，西为海礁隆起，南临钓北凹陷，北与福江凹陷毗邻。该凹陷是中生代末热隆起背景上形成的裂陷，具有先断后拗的演化特征。整个凹陷呈NNE向展布，东西宽约80 km，南北长约360 km，面积为4.27×104 km2。西湖凹陷总体构造格架具有东西分带、南北分块的特点，凹陷从西往东可分成5个二级构造单元带，即西部斜坡带、西次凹、中央反转构造带、东次凹和东部断阶带。凹陷沉积岩厚约万米，自下而上为古新统，中下始新统宝石组，中上始新统平湖组，渐新统花港组，中新统龙井组、玉泉组、柳浪组，上新统三潭组和第四系东海群[10-13]（图1）。
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图 1 西湖凹陷构造—地层划分Figure 1. Division of tectonic and stratigraphic units in the Xihu Sag2. 平湖组烃源岩分布特征
西湖凹陷平湖组发育于断—坳转换期的整体抬升阶段，其受钓鱼岛隆褶带限制，主要为海陆过渡相沉积环境，表现为水进再到水退沉积，经历了海湾—潮坪—潮汐影响三角洲沉积发育。岩性以砂泥岩不等厚互层为主，其间夹有多层0.5～2 m不等的煤层[14-15]，灰—深灰色泥岩、碳质泥岩和煤层发育。西湖凹陷煤按照煤阶划分属于烟煤，普遍具有沥青质光泽和条带状结构。
3. 平湖组烃源岩生烃潜力评价
3.1 有机质丰度
西湖凹陷不同构造带平湖组烃源岩有机质丰度存在较大差异。钻遇地层的层位情况来看，在西部斜坡带区所有井均已钻到平湖组四段及以下，甚至钻穿平湖组五段，中央反转构造带中南部部分井钻到平湖组二段，而在中央反转构造带中北部和西次凹地区均未钻遇平湖组地层。
纵向上来看，泥岩以平湖组三、四段有机质丰度最高，TOC平均值为1.96%，（S1+S2）平均值为4.69 mg/g，氯仿沥青A平均值为0.16%，总烃平均值为866×10−6；其次是平湖组一、二段，TOC平均值为1.68%，（S1+S2）平均值为3.97 mg/g，氯仿沥青A平均值为0.108%，总烃平均值为633×10−6；平湖组五段TOC平均值为1.26%，（S1+S2）平均值为2.45 mg/g，氯仿沥青A平均值为0.127%，总烃平均值为432×10−6。煤本身属于是有机质的富集体，平湖组一、二段和三、四段煤丰度相当，好于平湖组五段的煤（表1，图2）。
表 1 西湖凹陷烃源岩丰度统计表Table 1. Organic matter abundance in source rocks of Pinghu Formation in Xihu Sag岩性 层段 TOC/% （S1+S2）/（mg/g） HI/（mgHC/gTOC） 氯仿沥青A/% HC/10−6 泥岩 一、二段 0.5～9.7
1.68（336）0.22～27.0
3.97（336）31.4～656.3
222.5（311）0.0033～0.624
0.108（44）157.6～5 884
633.84（43）三、四段 0.5～9.8
1.96（389）0.21～44.4
4.69（387）21.7～840.2
193.2（383）0.0142～0.619
0.16（26）110.7～2 834
866.73（21）五段 0.5～6.59
1.26（98）0.34～9.79
2.45（98）30.8～453.3
11.7（98）0.0276～0.5074
0.127（4）351.1～1 298.2
432.7（3）煤 一、二段 13.99～72.9
46.01（36）18.3～219.2
123.16（36）114～868.9
260.7（22）0.2261～3.3928
1.53（18）755.4～10 677.1
474.2（15）三、四段 20.8～57.5
38.95（21）51.4～215.8
123.6（21）192.9～403.3
261.8（17）1.81～1.93
1.87（2）8 203～10 998
9 600.5（2）五段 12.65～61.9
41.72（5）37.3～193.8
91.43（5）92.3～326.0
226.3（5）0.313（1） 1 447.62（1） 注：$\frac{\simfont\text{最小值～最大值}} {\simfont\text{平均值（样品数）}}$ ![]()
图 2 不同构造带泥岩Tmax-HI有机质类型判识图Figure 2. Polts of Tmax versus HI showing the kerogen types of mudstones from different tectonic units横向上来看，平湖斜坡带泥岩有机质丰度综合最高，TOC平均值为1.79%，（S1+S2）平均值为4.32 mg/g，氯仿沥青A平均值为0.168%，总烃平均值为772×10−6；其次是黄岩构造带和天台构造带；杭州斜坡带和天台斜坡带泥岩有机质丰度最低，但其样品数较少（表2）。煤不同构造带差别不是太大，西部斜坡带的煤略好于中央反转带（表3）。
表 2 不同构造带平湖组泥岩丰度统计表Table 2. Organic matter abundance in mudstones of Pinghu Formation from different tectonic units in Xihu Sag构造带 TOC/% （S1+S2）/（mg/g） HI/（mgHC/gTOC） 氯仿沥青A/% HC/10−6 杭州斜坡带 0.51～3.9
1.4（39）0.28～14.9
2.75（39）51.6～382.8
155.9（35）0.003 3～0.687
0.032（12）126.3～2 400
672.2（5）平湖斜坡带 0.5～9.84
1.79（593）0.22～44.4
4.32（590）21.9～840.2
199.1（587）0.034 5～0.624
0.168（47）110.7～5 884
771.9（47）天台斜坡带 0.59～9.18
2.02（20）0.21～12.6
1.72（20）21.65～130.5
67.6（20）— — 黄岩构造带 0.52～3.3
1.38（109）0.51～12.3
4.39（109）63.4～656.3
334（88）0.028 3～0.288 6
0.082（15）167～1 653
474.2（15）天台构造带 0.51～8.37
2.34（62）0.3～16.5
3.44（62）44.9～191.3
112.1（62）— — 注：$\frac{\simfont\text{最小值～最大值}} {\simfont\text{平均值（样品数）}}$ 表 3 不同构造带平湖组煤丰度统计表Table 3. Organic matter abundance in coals of Pinghu Formation from different tectonic units in Xihu Sag构造带 TOC/% （S1+S2）/（mg/g） HI/（mgHC/gTOC） 氯仿沥青A/% 平湖斜坡带 20.8～61.9
41.01（29）51.36～215.75
122.55（29）92.27～403.32
255.52（24）0.248～1.93
1.35（4）天台斜坡带 53.29（1） 159.7（1） 277（1） 黄岩构造带 12.65～72.95
42.76（26）18.29～219.15
115.32（26）114～869
278.1（13）0.226 1～3.392 8
1.542（17）天台构造带 42.4～67.8
54.78（6）104.49～164.56
129.22（6）180.3～239.5
215.3（6）注：$\frac{\simfont\text{最小值～最大值}} {\simfont\text{平均值（样品数）}}$ 3.2 有机质类型
3.2.1 热解有机质类型
从热解Tmax-HI图版（图2）判断有机质类型来看，西湖凹陷泥岩有机类型以Ⅲ型为主，部分Ⅱ2型，其中平湖斜坡带南部和黄岩构造带烃源岩类型最好，其次是平湖斜坡带北部、杭州斜坡带和天台构造带；煤的有机质类型主要为Ⅱ2（图3），煤的有机质类型好于泥岩，这与传统认为煤为Ⅲ型干酪根的认识不同，与煤中富含富氢树脂体有关。
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图 3 煤Tmax-HI有机质类型判识图Figure 3. Polts of Tmax versus HI showing the kerogen types of coals from different tectonic units3.2.2 显微组分特征
西湖凹陷泥岩干酪根类型主要以Ⅲ型为主，其干酪根显微组分有3种类型，第1种以镜质组为主，镜质组含量75%～95%，壳质组+腐泥组含量5%～15%，惰质组5%～20%，主要以生气为主；第2种以高含量壳质组+腐泥组为特点，含量为20%～60%，镜质组40%～80%，惰质组10%～40%，这种泥岩具有较好的生油能力；第3种以惰质组为主，惰质组含量大于70%，这种泥岩生烃能力差（图4）。
煤的显微组分以镜质组为主，镜质组含量平均大于85%，壳质组含量较高平均大于10%，惰质组含量低，约为2%（表4，表5）。镜质组中以基质镜质体为主，其次是均质镜质体；壳质组中则以树脂体为主，其次是孢子体。研究表明，树脂体、孢子体主要来源于针叶类高大植物，藻类体主要来源于低矮蕨类植物。树脂体生油潜力大并且具有早生烃的特征，均质镜质体和基质镜质体是较好的生气母质，均质镜质体还有一定生油能[16-19]。西湖凹陷煤的显微组分中发现大量树脂体（图5），这是其独特的地方，不同于国内外大型煤成油气盆地。这种特征表明西湖凹陷煤系烃源岩以生气为主，并有利于生油。
表 4 平湖组煤显微组分统计表Table 4. Distribution of maceral composition in coals in the members of Pinghu Formation组段 C1/% C2/% V/% I/% Al/% Cu/% Sp/% Re/% E/% 样品数 一段 5.0～21.6
13.53.0～84.4
48.377.5～93.5
86.50～7.7
2.80～1.9
0.80～3.3
1.30～6.6
1.62.6～9.9
6.86.2～16.5
10.76 二段 2.8～30.8
14.514.2～78
57.873.1～92
85.90～24.6
1.70～2.5
0.80.2～5.6
2.10.2～5.4
2.41.2～14
6.62.3～20.3
12.423 三段 0～40.9
15.612.8～95.8
53.977.7～99.6
870～14
1.40～8.8
0.40～13.8
2.10～8.8
2.10～19.7
5.90.4～21.7
11.634 四段 1.6～57.6
15.014.7～87.9
58.873.9～98.4
88.80～6.8
1.30～7.7
0.70～8.9
1.90～9.7
2.10～17.3
3.80.8～23.2
9.848 五段 1.7～21.2
9.937.2～80.9
63.374.6～97.7
87.20～8.5
2.10～15.1
1.90.3 ～5.4
20～4.7
1.30～17.7
4.51.5～23
10.619 注：C1为均质镜质体；C2为基质镜质体；V为镜质组；I为惰质组；Al为藻类体；Cu为角质体；Sp为孢子体；Re为树脂体；E为壳质组；各有机显微组分总和为100%。 表 5 不同构造带煤显微组分统计表Table 5. Maceral composition of coals from different tectonic units构造带 C1/% C2/% V/% I/% Al/% Cu/% Sp/% Re/% E/% 数量（件） 杭州斜坡带 0.5～82.4
18.62.5～83.6
61.079.4～90.9
86.40～3.1
0.70～0.9
0.20.4～4.3
1.50.3～9.1
3.30～11
7.18.7～19.2
13.014 平湖斜坡带 0～57.6
14.63～95.8
54.464.3～99.6
87.10～14
1.70～15.1
0.90～13.8
2.10～9.7
2.10～19.7
4.90.4～33.1
11.1115 黄岩构造带 0.7～38.9
1635.2～84.4
63.973.1～93.5
87.60～24.6
1.40～11
1.20～6.6
1.60～5.4
1.20.4～13.8
6.62.3～16.6
10.943 嘉兴构造带 5.5～36.8
15.335.1～86.3
70.786～95.5
910～3.2
0.80～2.
70.90～1
0.40～2.2
1.12.6～10.9
5.83.8～13.7
8.28 天台构造带 0～67
22.69.9～98.3
63.177.6～98.7
90.90～6.4
2.00～6.1
1.30～6.3
1.00～0.3
0.10～15.1
3.21.3～16.4
7.19 注：中央反转构造带北部的为花港组煤样 3.3 有机质热演化
西湖凹陷大量实测镜质组反射率数据表明，不同井Ro随深度变化的总体趋势比较一致，表明其有机质热演化特征与埋藏深度有关。西湖凹陷以腐殖型烃源岩为主，腐殖型烃源岩大量生排烃比腐泥型烃源岩要较滞后，其生排烃高峰Ro往往大于0.7%，但西湖凹陷大量生排烃的Ro大约为0.6%～0.7%，早于Ro值0.7%，这于烃源岩中富含的树脂体早期生烃密切相关[16,18]。
西部斜坡带，平湖构造带烃源岩的生烃门限较深，Ro在3 000 m达到0.5%，根据（S1+S2）/TOC推断的排烃门限在3 000多米。杭州斜坡带Ro在2 300 m达到0.5%，排烃门限在约3 200 m。天台斜坡带烃源岩的数据相对较少，有限的资料显示在2 700 m时，Ro达到了0.5%，在深度为3 500 m时Ro达到了0.7%（图6）。
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图 6 不同构造带烃源岩热演化剖面Figure 6. Thermal evolution profile of source rocks in different tectonic units中央反转构造带相对地温梯度较高，其进入生、排烃高峰越早。嘉兴构造带烃源岩的生烃门限Ro达到了0.5%，深度为2 000 m，排烃门限在约2 300 m。宁波构造带烃源岩生烃门限2 000 m，排烃门限在Ro为0.7%，对应埋深约2 500 m。黄岩构造带烃源岩生烃门限2 500 m，排烃门限在3 000 m。天台构造带生烃门限在2 400 m，排烃门限在2 500 m（图6）。
西湖凹陷地温梯度分布特征为凹陷中央地温梯度高，洼陷边缘斜坡地温梯度低[20-22]。这决定了西部斜坡带比中央反转构造带烃源岩进入生排门限需要更大埋藏深度。而黄岩构造带是中央反转构造带地温梯度最低的位置，抬升剥蚀也是中央反转构造带最小的地方[21-24]，受其影响黄岩构造带烃源岩进入生排门限需要更大埋藏深度。
4. 烃源岩分子化学特征
前人研究表明，西湖凹陷平湖组煤系烃源岩饱和烃中富含源于针叶树脂的二萜烷类生物标志物，甾烷中普遍以C29化合物占优势（＞45%），煤系烃源岩的Pr/Ph值大多分布在3～9，这些结果反映该煤系烃源岩的成烃母质主要来源于陆源高等植物[7-8,25]。
西湖凹陷烃源岩二萜类化合物中以降异海松烷、异海松烷和β-扁植烷为主，它们都与树脂体来源有关，其中降异海松烷、异海松烷来源于岸上干燥针叶类裸子植物树脂体，而β-扁植烷来源于近岸带潮湿低矮的蕨类植物树脂体[25-27]。
平湖斜坡带北部宝云亭地区来源于蕨类植物与裸子植物的二萜含量最高，甚至高于正构烷烃含量，来源于水生生物的低碳数正构烷烃与C27甾烷含量低，富含高等植物生源的C29甾烷与奥利烷，表明沉积时水体相对较浅；不同层段异海松烷与β-扁枝烷含量的差异反映水体的往复变化，从平湖组五段、平湖组四段、平湖组三段水体深度逐渐变深，平湖组二段水体变浅（图7）。
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图 7 平湖斜坡带北部典型井生标剖面图Figure 7. Biomarker assemblage of Pinghu Formation in a typical well in northern Pinghu slope平湖斜坡带南部平湖地区二萜类化合物总体含量降低，低于正构烷烃，从平湖组四段、平湖组三段到平湖组二段，降异海松烷和异海松烷优势向β-扁植烷优势变化反映水体变深、从平湖组二段到平湖组一段水体深度逐渐变浅（图8）。
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图 8 平湖斜坡带南部典型井生标剖面图Figure 8. Biomarker assemblage of Pinghu Formation in a typical well on southern Pinghu slope中央反转构造带南部二萜类化合物总体含量又更低，表现为来源于蕨类植物的β-扁枝烷优势，同时来源于水生生物的低碳数正构烷烃与C27甾烷开始丰富，反映中央反转构造带处于凹陷中央，沉积水体较深的特点。不同层段异海松烷与扁枝烷含量的差异反映水体往复变化的特征（图9）。
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图 9 天台构造带典型井生标剖面图Figure 9. Biomarker assemblage of Pinghu Formation in a typical well in Tiantai tectonic belt从同一层位不同构造带来看，宝云亭地区正构烷烃为后峰型，降异海松烷、异海松烷含量高，反映沉积水体浅、单一高等植物来源；平湖地区正构烷烃为双峰型，降异海松烷、异海松烷含量下降，反映水体较宝云亭深，植物来源既有高等植物也有水生生物；天外天地区正构烷烃双峰型、偏前峰，降异海松烷、异海松烷含量低，β-扁植烷绝对优势，代表藻类来源的C27甾烷更丰富，反映水体较深，处于远岸带，植物来源既有高等植物也有水生生物（图10，图11）。
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图 10 不同构造带平湖组一、二段烃源岩生标对比图Figure 10. Compositional comparison of the biomarkers in source rocks of the 1st and 2nd Member of Pinhu Formaiton from different tectonic units![]()
图 11 平湖组三、四段烃源岩对比Figure 11. Compositional comparison of the biomarkers in source rocks of the 3rd and 4th member of Pinhu Formaiton from different tectonic units5. 烃源岩生烃模式
依据评价烃源岩热解资料，建立西湖凹陷烃源岩综合演化剖面（图12），可以看出，油具有两个生油高峰，气只有一个生气高峰，并且晚期持续生气。
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图 12 西湖凹陷烃源岩生烃演化地球化学剖面图Figure 12. Hydrocarbon generation profile for the source rock in Pinghu Formation从西湖凹陷平湖组烃源岩生烃模拟实验来看，从泥岩和煤的产烃率曲线来看，天然气生烃高峰在Ro约为1.3%，煤的生气高峰略早于泥岩，天然气晚期持续生烃，甚至Ro在3.5%之后仍然持续生烃；油的生烃高峰Ro约为0.9%，煤的生油量远大于泥岩生油量，Ro为0.7%～1.5%是生油的主要时期，Ro值0.9%之后烃源岩生油量持续递减，由于烃源岩模拟样品的Ro已经达到0.7%，树脂体早期生烃无法模拟出来（图13）。
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图 13 西湖凹陷平湖组煤和泥岩生烃模拟实验产烃率曲线图Figure 13. Hydrocarbon yields of coal and mudstone of Pinghu Formation during pyrolysis experiments综合以上分析，建立了西湖凹陷泥岩生烃模式（图14）。在Ro为0.4%时期，烃源岩进入生烃门限；Ro约为0.4%～0.7%，西湖凹陷烃源岩存在一个树脂体生成低熟油生成阶段，该阶段划分在低成熟阶段早期；Ro为0.7%～1.2%，深度为3 500～4 500 m，液态烃开始大量生成，烃源岩进入主生油带，同时有大量的凝析气和湿气生成；Ro达到1.2%，烃源岩埋深接近5 000 m，以生成湿气和干气为主，少量凝析气；Ro大于2.0%，烃源岩以生干气为主。
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图 14 西湖凹陷平湖组烃源岩生烃模式图Figure 14. Model of hydrocarbon generation for Pinghu source rock in the Xihu Sag6. 结论
（1）西湖凹陷始新世平湖组烃源岩为断—坳转换期发育的一套海陆过渡相煤系烃源岩，其厚度大，从斜坡带到洼陷中央分布广。
（2）平湖组烃源岩丰度不同构造带存在差异，总体有机质丰度高。泥岩干酪根类型以Ⅲ型为主，主要生气，煤为Ⅱ2型干酪根，其中富含树脂体，油气兼生。热演化来看，西部斜坡带3 500 m烃源岩已大规模排烃，中央反转构造带3 000 m已大规模排烃。平湖组烃源岩树脂体早期生烃，平湖组烃源岩排烃门限等于或略早于Ro为0.7%的经典排烃门限。
（3）平湖组烃源岩中富含树脂体，与平湖组烃源岩具有富含二萜类化合物的特征一致。远离洼陷中央的西部斜坡带表现高降异海松烷、异海松烷，反映发育高大干燥环境针叶类裸子植物特点。近洼陷中心的中央反转带表现高β-扁植烷，反映发育低矮覆水潮湿的蕨类植物。平湖组不同层位两类化合物含量的变化反映平湖组水体往复变化的特点。
（4）结合模拟实验结果与平湖组煤系烃源岩特征，认为平湖组烃源岩为水体往复变化频繁环境下富含树脂体的煤系烃源岩，为“早期利用生油、晚期持续生气”的生烃模式。
（5）一方面，西部斜坡带烃源岩树脂体含量高于中央反转构造带；另一方面，依据西湖凹陷“早期利于生油、晚期持续生气”的生烃模式与烃源岩热演化分布，西部斜坡带烃源岩处于早—中期（低熟—成熟）生烃阶段，中央反转构造带烃源岩处于晚期（高熟—过熟）生烃阶段[21-22]。这决定了西湖凹陷油气藏具有“东气西油”的分布格局。
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