深水砂體成因研究新進(jìn)展

Shanmugam G

（美國德克薩斯州立大學(xué)阿靈頓分校地球環(huán)境科學(xué)系）

1 研究背景

現(xiàn)代海洋勘探始于1872年12月—1876年5月的“挑戰(zhàn)者”號大洋航行[1]。盡管海洋測繪學(xué)已在世界范圍內(nèi)取得了許多成果，但對沉積物搬運(yùn)到深海的物理過程仍未有合理解釋。因?yàn)樵谏詈－h(huán)境下直接觀察和測量這種運(yùn)移過程非常困難。深海環(huán)境中的沉積過程與沉積物非常復(fù)雜（見圖1），由此產(chǎn)生了很多容易混淆的術(shù)語及相關(guān)機(jī)理[2-3]。

濁流的概念在過去60多年的重力流研究中影響深遠(yuǎn)[2-3]，然而，濁流概念體系因只建立在沉積相模型上而存有缺陷，如經(jīng)典濁流的“鮑馬序列”[4]以及高密度濁流或粗粒濁流的“Lowe序列”[5]。這些模式?jīng)]有從現(xiàn)代海洋“砂質(zhì)濁流”中獲得過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅通過露頭研究了古代巖心，尤其是還沒有人能夠通過不同沉積物濃度和粒度的實(shí)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)代海洋中能產(chǎn)生真實(shí)的礫石級濁流和砂質(zhì)濁流[2-3]，也無人能通過實(shí)驗(yàn)室水槽實(shí)驗(yàn)證實(shí)濁流能夠通過懸浮機(jī)制運(yùn)載砂或礫石，并產(chǎn)生垂相的濁流相模式。雖然存在上述問題，但由于認(rèn)識誤區(qū)的存在，濁流概念還是日漸流行[6]。

圖1 深海陸架斜坡坡折帶沉積體系示意圖

與尚不明確的濁流以及濁流沉積物概念不同，砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積物和底流再改造砂體已經(jīng)通過水下攝像機(jī)和其他手段在大洋海底峽谷[7]、海底朵頁狀扇體[8]以及開放陸架高地[9]等地區(qū)探測到。砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積物和底流再改造砂體是合理解釋古代沉積物的重要概念（即均變論）。世界范圍內(nèi)的勘探和研究實(shí)例證實(shí)砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積在深水油氣勘探開發(fā)中的重要性正逐漸增強(qiáng)，例如：位于挪威近海 Storegga滑塌帶上的Ormen大氣田[10]，以及北海[11-13]、挪威海[14]、墨西哥灣[2-3]、巴西近海[2,15]、西非[2]、俄羅斯[15]、中國[16-17]、印度孟加拉灣[18]等均發(fā)現(xiàn)了砂質(zhì)塊體搬運(yùn)和砂質(zhì)注入體成因的油氣藏。目前有關(guān)砂質(zhì)塊體搬運(yùn)成因油藏特征[19]以及塊體搬運(yùn)與油氣成藏關(guān)系的研究[20-21]不斷增多。塊體搬運(yùn)沉積是深水沉積的重要組成部分，如巴西東南部的Espírito Santo盆地，其始新統(tǒng)—漸新統(tǒng)的50%為塊體搬運(yùn)沉積[22]。塊體搬運(yùn)也給近海鉆井平臺和運(yùn)輸管道帶來了巨大危害。1965年5級颶風(fēng)Camille引發(fā)了海底泥質(zhì)流，摧毀了墨西哥灣近海密西西比三角洲地區(qū)的70B號鉆井平臺[23]，海底（水深90 m）滑動超過1 km[24]。2004年5級颶風(fēng)Ivan[25]引發(fā)的泥石流摧毀了陸架邊緣水深146 m處的密西西比峽谷20號鉆井平臺[24]和17條輸油管線。

現(xiàn)代陸架邊緣200 m水深是劃分淺海與深海的界限（見圖 1）。石油工業(yè)正逐漸將勘探重點(diǎn)轉(zhuǎn)向深海領(lǐng)域以滿足日益增長的油氣需求，因此深水沉積過程的深入研究對油氣工業(yè)非常重要。深水沉積環(huán)境中，陸架邊緣向海盆地區(qū)主要發(fā)育塊體搬運(yùn)和底流沉積，塊體搬運(yùn)表現(xiàn)為重力驅(qū)動下的沉積物滑塌、滑動以及滑坡。大陸邊緣是沉積物滑坡的理想場所，這些部位的斜坡沉積物易發(fā)生崩塌。一旦發(fā)生滑動，當(dāng)剪切應(yīng)力超過剪切強(qiáng)度，崩塌的沉積物即順坡滑下。為證實(shí)現(xiàn)代和古代沉積中的砂質(zhì)塊體搬運(yùn)（砂質(zhì)滑動、砂質(zhì)滑塌、砂質(zhì)碎屑流）和底流改造砂體（溫鹽流、等深流、風(fēng)力驅(qū)動流和潮汐流沉積物），筆者在 1974—2012年間對世界范圍內(nèi)35個實(shí)例（包括32個油藏）的巖心和露頭（比例尺 1∶20～1∶50）進(jìn)行了精細(xì)描述和解釋，累計厚度超過10 km[2-3]?；谶@些工作，本文重點(diǎn)闡述深水砂體搬運(yùn)沉積過程及其研究最新進(jìn)展。

2 沉積物重力流搬運(yùn)過程分類

1963年 Dott提出了沉積物重力搬運(yùn)過程分類方案[26]，與 1958年 Varnes提出的水下塊體搬運(yùn)過程分類方案有相似之處[27]。Dott將水下沉積物重力搬運(yùn)過程按照其流體力學(xué)機(jī)制大致分為：①彈性流；②彈性-塑性流；③塑性流；④黏滯性流。彈性流系指巖崩，彈性-塑性流代表滑動和滑塌，塑性流代表碎屑流，黏滯性流代表具有牛頓流體性質(zhì)的濁流（見圖 2）。Dott分類方案的意義在于其劃分的塊體搬運(yùn)沉積過程中并不包含濁流[26]。巖崩是指陡坡上的巖石碎片突然崩落，由于在古代沉積物中鑒別巖崩非常困難，因此本文不單獨(dú)將其劃為一類。本文將塊體搬運(yùn)過程分為 3個基本類型：滑動、滑塌及碎屑流（見圖2）。

圖2 深水環(huán)境下重力驅(qū)動滑坡過程示意圖

Dott分類的核心原則是根據(jù)沉積物濃度將固態(tài)和流體狀態(tài)的兩種搬運(yùn)形式區(qū)別開來[26]，固態(tài)搬運(yùn)模式（彈性-塑性流）具有較高沉積物濃度（體積分?jǐn)?shù)25%～100%，見圖2）。固態(tài)搬運(yùn)最為典型的即塊體搬運(yùn)，其特征是顆粒或團(tuán)塊呈一個完整的集合體整體搬運(yùn)；流體搬運(yùn)最為典型的即濁流，濁流中單個顆粒在紊亂流體中呈懸浮狀態(tài)[26,28]。濁流的特征即較低的沉積物濃度（體積分?jǐn)?shù)1%～23%，見圖2），總之，濁流流態(tài)是其流體濃度較低決定的。塊體搬運(yùn)可發(fā)生在地表和水下環(huán)境中，但濁流只能發(fā)生在水下。

3 砂質(zhì)塊體搬運(yùn)的鑒別標(biāo)志

對砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積的研究始于1881年對瑞士阿爾卑斯山Elm滑坡的研究，之后對地表和水下塊體搬運(yùn)的識別研究產(chǎn)生了多種分支學(xué)科[29]，研究方法包括：①現(xiàn)代大洋海底觀測；②間接速度計算；③遙感技術(shù)；④通過古代巖石證據(jù)辨別?；?、碎屑流以及濁流的巖心和露頭識別標(biāo)志見文獻(xiàn)[2-3]。

砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積定義中，“砂質(zhì)”是指巖相中粒徑達(dá)到0.06 mm的砂級和礫級顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)20%。3種主要砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積分別為砂質(zhì)滑動、砂質(zhì)滑塌和砂質(zhì)碎屑流，這 3種沉積相是重要的深水儲集層發(fā)育相帶[2-3]。上述定義及分類也適用于深水湖泊，如世界最深的西伯利亞貝加爾湖（1 637 m）已識別出濁流沉積物[29]。

3.1 砂質(zhì)滑動

滑動是指沉積物作為一個整體沿二維滑動面移動而內(nèi)部不發(fā)生形變的運(yùn)動過程，代表平移剪切移動（見圖2）。在常規(guī)巖心和露頭上，砂質(zhì)滑動具有以下鑒別標(biāo)志：①底部主剪切面；②底部剪切帶；③砂質(zhì)注入體；④內(nèi)部二次滑動面；⑤內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化；⑥上接觸面突變（見圖3）。從巖心上識別這些厘米級的鑒別標(biāo)志非常重要，通過箱狀測井曲線和地震數(shù)據(jù)則無法識別（見圖3）。

圖3 砂質(zhì)滑動構(gòu)造的測井曲線及巖心照片

海底大陸坡可滑移數(shù)百千米，目前已發(fā)現(xiàn)運(yùn)移長達(dá) 800 km的滑動[2-3]。海灣是滑動高發(fā)區(qū)，海底峽谷兩側(cè)因具有較陡的角度也易于誘發(fā)滑動。

3.2 砂質(zhì)滑塌

滑塌是指內(nèi)部連貫的沉積物沿上凹滑動面運(yùn)移，經(jīng)歷旋轉(zhuǎn)變形而造成內(nèi)部形變的運(yùn)動過程，代表旋轉(zhuǎn)剪切運(yùn)動（見圖2）。砂質(zhì)滑塌識別標(biāo)志為：①砂質(zhì)褶皺（見圖 4）；②變形巖層與未變形巖層疊置（見圖 4）；③攪渾砂巖夾雜變形碎屑；④突變上接觸面；⑤砂質(zhì)注入體。

3.3 砂質(zhì)碎屑流

圖4 砂質(zhì)滑塌構(gòu)造識別標(biāo)志

碎屑流是一種塑性沉積物流，內(nèi)部呈線性層流，沉積物整體停止流動，塊狀固結(jié)。碎屑流和塊體流名稱可互換，因?yàn)樗鼈兌即硭苄粤鲃右约皦K體中分布的純剪切力。在碎屑流中，顆粒間的相對運(yùn)動占主導(dǎo)地位，純剪切運(yùn)動次之。碎屑流可以是富泥質(zhì)的（即泥質(zhì)碎屑流）、富砂質(zhì)的（即砂質(zhì)碎屑流）或者兩者混合類型。砂質(zhì)碎屑流的鑒別標(biāo)志包括：①厚層塊狀砂巖疊置；②突變底部接觸面；③反粒序；④流動的碎屑顆粒；⑤流動的泥質(zhì)顆粒以及泥球；⑥碎屑顆粒呈水平或無序排列；⑦變形層；⑧砂質(zhì)注入體；⑨突變、不規(guī)則的上接觸面。

4 濁積巖鑒別標(biāo)志

“濁積巖”表征濁流沉積物。濁流是具有牛頓流體性質(zhì)的沉積物流，呈湍動狀態(tài)，顆粒被湍流支撐且懸浮沉降[2,26,28-31]。濁流通常表現(xiàn)出非穩(wěn)定和不均一的流體性質(zhì)，能量呈涌浪狀遞減。濁流的鑒別標(biāo)志包括：①細(xì)砂到泥基質(zhì)韻律；②正粒序；③突變或侵蝕底界面；④粒度漸變的上接觸面；⑤薄互層（單層一般為厘米級）；⑥薄板狀的地質(zhì)幾何形態(tài)。在地質(zhì)剖面和多波速測量影像上很難識別厘米級濁流沉積。事實(shí)上，砂質(zhì)和礫質(zhì)的深水沉積物形成砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積[2-3]，但是，人們經(jīng)常使用錯誤術(shù)語“高密度濁流”，將這些砂質(zhì)沉積物解釋為“高密度濁積巖”。濁流本身沉積物濃度低（即低密度流）（見圖2），真正的高密度濁流并不存在。因此，“高密度濁流”只不過是“砂質(zhì)碎屑流”的另一種說法[31]。

5 底流再改造砂體的識別

底流再改造砂體（BCRS）是重要油氣儲集層[2-3]。除了重力驅(qū)動的滑坡塊體流和濁流，底流也是相當(dāng)重要的深海搬運(yùn)沉積方式[32]。底流可能與斜坡平行，也可能形成與斜坡無關(guān)的環(huán)形（螺旋形）流動，還可能在海底峽谷下上運(yùn)動（潮汐），而濁流只能沿斜坡向下流動（見圖1）。筆者已識別出4種基本的底流沉積[32]：①溫（鹽）度引起的自轉(zhuǎn)型底流或等深流（見圖 1）；②風(fēng)力驅(qū)動底流；③深水潮汐底流；④內(nèi)波、內(nèi)潮汐引起的斜壓流（見圖5）。溫鹽底流和風(fēng)力驅(qū)動底流再改造砂體的鑒別標(biāo)志是其牽引構(gòu)造（見圖6）。深水潮汐底流的特征是砂泥巖韻律層、雙黏土層、爬升層理、泥質(zhì)拖曳層理、平行層理、交錯層理、S型交錯層理與泥質(zhì)拖尾、內(nèi)部侵蝕面、透鏡狀層理、壓扁層理[33]發(fā)育，這些特征表現(xiàn)出牽引和懸浮過程的交替。內(nèi)波是一種重力波，產(chǎn)生在兩個不同密度的水層（密度躍層）之間（見圖 5）。內(nèi)潮汐是具有潮汐頻率的內(nèi)波，潮汐底流由表層潮汐引起。

關(guān)于底流再改造砂體的識別尚有很多問題有待解決。①雖然對現(xiàn)代內(nèi)波和內(nèi)潮汐進(jìn)行了詳細(xì)的理論、實(shí)驗(yàn)、觀察及數(shù)學(xué)分析，但尚無巖心資料證實(shí)現(xiàn)代海洋環(huán)境中斜壓流是如何形成這些沉積構(gòu)造的[34-35]，因此，難以建立區(qū)分以下幾種流體的鑒別標(biāo)準(zhǔn)：表面波和內(nèi)波沉積物；表面潮汐和內(nèi)潮汐沉積物；內(nèi)波和內(nèi)潮汐沉積物；斜壓流砂體和濁積巖[34-35]。②Mulder等證實(shí)現(xiàn)代 Biscay海灣海底峽谷的高速流與內(nèi)潮汐有關(guān)，但沒有提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)區(qū)分斜壓流和正壓流[36]。③一些研究者將野外露頭上的古代地層解釋為內(nèi)波和內(nèi)潮汐沉積[37-40]，卻沒有任何密度躍層的證據(jù)（密度躍層是這些沉積物的首要證據(jù)[35]）。④Pomar等將西班牙東北部Ricla地區(qū)上侏羅統(tǒng)具有丘狀交錯層理的“風(fēng)暴巖”重新解釋為內(nèi)波沉積物[39]，這個解釋說明內(nèi)波可以形成丘狀交錯層理，但由于丘狀交錯層理的成因存有爭議[34-35]，Pomar等需要足夠數(shù)據(jù)證實(shí)內(nèi)波也能夠形成丘狀交錯層理。⑤何幼斌等[38]將中國盆地平原環(huán)境中奧陶系解釋為內(nèi)波和內(nèi)潮汐沉積。但由于內(nèi)波不能在沒有海底山和山脊的平原地區(qū)產(chǎn)生[41]，故盆地平原環(huán)境中最不易產(chǎn)生內(nèi)波和內(nèi)潮汐沉積物（見圖 5）。如果不能利用現(xiàn)代海洋實(shí)驗(yàn)及巖心數(shù)據(jù)解決這些基礎(chǔ)問題，有關(guān)內(nèi)波沉積物的所有解釋都是不成立的。

圖5 大陸斜坡、海底峽谷和海底山附近的斜壓流沉積過程示意圖

圖6 表征底流再改造砂體的牽引構(gòu)造模型

6 沉積物滑塌的觸發(fā)機(jī)制

沉積物發(fā)生滑塌的影響因素有重力、沉積顆粒自重、斜坡角度、滑脫面的強(qiáng)度4個方面。Masson等[42]和 Feeley[43]對引起塊體搬運(yùn)的一般觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行了梳理，認(rèn)為至少存在19種引起深水塊體搬運(yùn)沉積的機(jī)制（見圖 7—圖 9）。在一些大陸架邊緣深水地帶，幾個觸發(fā)機(jī)制可同時作用，例如地震和海嘯[44]。

按照持續(xù)時間長短，事件性沉積的觸發(fā)機(jī)制可分為 3種類型：①幾分鐘、幾小時或者幾天的短期觸發(fā)機(jī)制；②持續(xù)幾百至上千年的中期觸發(fā)機(jī)制；③持續(xù)上千至百萬年的長期觸發(fā)機(jī)制[45]。相較而言，中期觸發(fā)機(jī)制易于在沉積體上觀測到，短期和長期觸發(fā)機(jī)制則很難通過沉積體分辨。此外，這些觸發(fā)機(jī)制不應(yīng)和沉積過程混淆，例如碎屑流，在特定時間和地點(diǎn)，多種觸發(fā)機(jī)制都能引發(fā)碎屑流，從沉積記錄上卻無法區(qū)別到底是源于哪一種觸發(fā)機(jī)制和搬運(yùn)過程[44-46]。

圖7 墨西哥尤卡坦半島Chicxulub隕石海嘯搬運(yùn)分布

圖8 海嘯天氣沉積物搬運(yùn)過程示意圖

圖9 颶風(fēng)天氣與晴朗天氣沉積物搬運(yùn)過程區(qū)別

石油工業(yè)界一直認(rèn)為低位域模式是解釋同時期深水砂體沉積的經(jīng)典模式，例如Saller等[47]曾將Makassar海峽（印尼海）Kutei盆地油藏的深水砂體歸因于海平面下降。事實(shí)上，Kutei盆地所處的地理環(huán)境異常復(fù)雜，頻繁受到地震、火山、海嘯、熱帶風(fēng)暴、洪水、印度洋表層流以及 M2斜壓潮汐流的影響[48]。這些太陽系的日?；顒樱ɡ绲卣?、隕石、海嘯、風(fēng)暴浪等）在低位域沉積期并不停止。印尼海位于構(gòu)造不穩(wěn)定、海洋不平靜的地帶，短期事件是深水滑坡的主要觸發(fā)機(jī)制，它們可能只持續(xù)幾小時或幾天，高位域和低位域時期均有發(fā)生[49]。

墨西哥灣北部 BAHA2號預(yù)探井鉆遇的古新統(tǒng)Wilcox層深水砂體曾被解釋為低位域濁積扇[50]?？紤]到Wilcox層發(fā)育位置和年代，鉆遇的古新統(tǒng)深水砂體還可歸因于Chicxulub隕石撞擊引起的地震和海嘯（見圖 7、圖 8）。由于低位域模式占主導(dǎo)地位，這種真實(shí)環(huán)境中的觸發(fā)機(jī)制常常被忽略。

此外，筆者還注意到了熱帶風(fēng)暴在高位域時期對深水砂巖沉積的重要性[49]（見圖 9）。1989年 9月 17日Hugo颶風(fēng)[51]肆虐美國弗吉尼亞島St.Croix地區(qū)，形成行進(jìn)速度超過204 km/h的颶風(fēng)，巨浪高達(dá)6～7 m。近海St.Croix地區(qū)Salt River峽谷中，儀表檢測到?jīng)_向峽谷的巨浪速度達(dá)2 m/s，最大速度可達(dá)4 m/s。Hugo颶風(fēng)在Salt River峽谷30 m水深地區(qū)侵蝕砂體厚度達(dá)2 m，至少2 000 t沉積物從Salt River峽谷搬運(yùn)到深海區(qū)[51-55]。總之，在目前海水高位域時期，世界范圍內(nèi)的現(xiàn)代海底峽谷沉積物搬運(yùn)都與熱帶風(fēng)暴和海嘯關(guān)系密切[49]。大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，在目前海水高位域時期，熱帶風(fēng)暴和海嘯是將沉積物搬運(yùn)到深海的兩種重要自然現(xiàn)象，因此，用低位域模式來解釋深水砂體塊狀搬運(yùn)沉積顯然是不合理的[49,56]。

7 砂質(zhì)塊體搬運(yùn)理論在中國的應(yīng)用

中國學(xué)者很早就認(rèn)識到了砂質(zhì)碎屑流塊體沉積和底流沉積的重要性[57-61]：秦建華[60]強(qiáng)調(diào)砂質(zhì)碎屑流和底流再改造是對傳統(tǒng)濁積巖成因的更合理解釋；傅文敏[59]討論了高密度濁流和砂質(zhì)碎屑流之間的爭議；李祥輝等[61]運(yùn)用砂質(zhì)碎屑流概念解釋了西藏特提斯海塊狀砂體成因。近期，砂質(zhì)碎屑流概念被應(yīng)用到中國中部鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組油藏成因解釋中[16-17]，鄒才能等[17]通過對鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組 30余口井常規(guī)巖心與地震資料進(jìn)行沉積學(xué)研究，建立了深湖相沉積模式（見圖10），該模式顯示，深湖斜坡帶及其下部以砂質(zhì)碎屑流沉積物為主，向湖盆中心方向遞變?yōu)闈崃鞒练e。陸相湖盆砂質(zhì)碎屑流模式的建立，突破了“湖盆中部以泥質(zhì)沉積為主，缺乏有效儲集體”傳統(tǒng)沉積模式的束縛，對陸相湖盆中部尋找大規(guī)模巖性、連續(xù)型非常規(guī)油氣具有重大理論和實(shí)踐意義。該模式指導(dǎo)鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)發(fā)現(xiàn)了 5×108～10×108t級大油田，對松遼、渤海灣盆地乃至世界范圍內(nèi)相似深水湖盆的油氣勘探也具有重要借鑒意義。

圖10 中國鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組深湖沉積模式[17]

8 結(jié)語

濁流體系建立的基礎(chǔ)不可靠，既無經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也無現(xiàn)代海洋中砂質(zhì)濁流的實(shí)例。由于現(xiàn)代海洋中沒有砂質(zhì)濁流存在的證據(jù)，濁流理論模型和實(shí)驗(yàn)觀測不能用來解釋古代地層中的砂質(zhì)“濁積巖”，因此，本文所提的砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積和底流沉積理論是傳統(tǒng)濁流理論的最好替代。在高位域時期，地震、隕石、海嘯、熱帶風(fēng)暴能在幾小時或幾天之內(nèi)引起砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積，因此，石油地質(zhì)學(xué)家應(yīng)該逐漸放棄海底扇和低位域模式，轉(zhuǎn)而接受砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積和底流沉積等新觀點(diǎn)。未來油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域中，砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積和底流沉積理論將是理解深水砂巖成因和進(jìn)行儲集層分布預(yù)測的基礎(chǔ)。

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