陸棚風(fēng)暴沉積特征及油氣地質(zhì)意義

呂孝威 伏美燕 尹 帥 樂(lè)錦鵬 張 幸

(1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，成都 610059;2.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

國(guó)外關(guān)于風(fēng)暴沉積的研究起始于20世紀(jì)50年代末，最初的研究主要集中于赤道附近的碳酸鹽巖風(fēng)暴沉積［1－2］。直到70年代初，一些學(xué)者開(kāi)始著重對(duì)現(xiàn)代陸源風(fēng)暴沉積進(jìn)行研究。我國(guó)在此領(lǐng)域起步相對(duì)較晚，真正意義上的研究開(kāi)始于80年代初嚴(yán)欽尚提出濱岸和淺海風(fēng)暴沉積成因機(jī)制和模式之后［1］。陸棚風(fēng)暴沉積包括現(xiàn)代沉積和古代沉積，現(xiàn)代沉積側(cè)重于對(duì)沉積現(xiàn)象的觀測(cè)，古代沉積側(cè)重于對(duì)風(fēng)暴巖的研究，兩種研究可以相互對(duì)比，彼此印證。

現(xiàn)代海洋陸棚分布廣泛，總面積約2710×104km2，約占海洋總面積的7.5%。這不僅為研究現(xiàn)代陸棚風(fēng)暴沉積提供了天然實(shí)驗(yàn)室，而且陸棚是目前海上油氣勘探的重點(diǎn)區(qū)域。60年代末，Hayes在墨西哥灣水深40 m的陸棚觀察到了風(fēng)暴沉積現(xiàn)象［2］。70年代初Reineck和Singh在北海水深40 m的陸棚也觀察到了風(fēng)暴沉積［3］。Lavelle等人在1975年通過(guò)研究得出內(nèi)陸棚砂體移動(dòng)主要受暴風(fēng)作用控制的結(jié)論［4］。Aigner于80年代初系統(tǒng)總結(jié)了陸棚風(fēng)暴沉積向海方向逐漸變?nèi)醯囊?guī)律［5］。通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究總結(jié)，最終形成風(fēng)暴流沉積理論。陸棚地勢(shì)寬緩利于沉積物保存，陸棚風(fēng)暴沉積的粒序?qū)踊蚯馉顚油诌x較好，有形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的潛力［6］。陸棚風(fēng)暴沉積中厚度較大的底部礫屑層雖然儲(chǔ)集性能較差，但是對(duì)于陸棚風(fēng)暴沉積的水動(dòng)力條件研究具有較好的指示意義，從而起到預(yù)測(cè)有利儲(chǔ)層發(fā)育帶的作用［7］。本文以國(guó)內(nèi)外對(duì)陸棚風(fēng)暴沉積研究進(jìn)展為主線，對(duì)陸棚風(fēng)暴沉積特征和機(jī)制、風(fēng)暴巖特征、沉積模式進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)合油氣地質(zhì)勘探的相關(guān)理論，探討陸棚風(fēng)暴沉積研究的油氣地質(zhì)意義。

1 陸棚風(fēng)暴沉積的特征和機(jī)理

陸棚風(fēng)暴沉積是海洋沉積作用的重要組成部分，對(duì)近海沉積環(huán)境具有重要影響(圖1)。淺海內(nèi)正常浪基面之上為潮下帶及潮坪，屬于靠近海岸的近風(fēng)暴區(qū)。低氣壓風(fēng)暴作用使海水產(chǎn)生劇烈的震蕩流和向海重力流，主要形成潮下—潮坪風(fēng)暴沉積，多見(jiàn)厚層復(fù)合狀交錯(cuò)層理，后期容易因潮汐作用而被破壞，缺失或者消失［8］。正常浪基面到大陸斜坡的區(qū)域?yàn)殛懪锏姆懂?，其中正常浪基面到風(fēng)暴浪基面為內(nèi)陸棚，屬于中間風(fēng)暴區(qū)。風(fēng)暴作用引起的風(fēng)暴潮可導(dǎo)致海平面整體大幅度升高，使海水流速和蘊(yùn)藏的能量變大，風(fēng)暴浪基面可達(dá)數(shù)十米以上，甚至可以在200 m深的外陸棚產(chǎn)生底流［9］。R H Dott研究認(rèn)為，顆粒粒徑為1 mm時(shí)，形成丘狀交錯(cuò)層理的近床砂片流的最大震蕩速度為2 ms，因此細(xì)顆粒在相對(duì)較小的震蕩速度下就可形成丘狀交錯(cuò)層理［10］;J R L Allen通過(guò)研究認(rèn)為形成丘狀交錯(cuò)層理時(shí)海面以上10 m處風(fēng)速約為每秒數(shù)十米，這與現(xiàn)代海洋觀測(cè)的結(jié)果相符［11］。在風(fēng)暴潮巨大流速和能量的帶動(dòng)下，沉積物可在內(nèi)陸棚底部產(chǎn)生丘狀交錯(cuò)層理，丘狀交錯(cuò)層理的產(chǎn)生主要受水介質(zhì)多向流動(dòng)、地面起伏的控制。同時(shí)來(lái)自濱岸、原地或外陸棚等的粗粒物質(zhì)在震蕩流、重力流、渦流等作用下可被搬運(yùn)至數(shù)公里至數(shù)十公里的內(nèi)陸棚，刮蝕底層，破壞原有的正常細(xì)粒沉積并與其混合黏聚在一起，形成內(nèi)陸棚風(fēng)暴沉積，一般具有正粒序，且沉積易于保存，風(fēng)暴過(guò)后進(jìn)行正常沉積。繼續(xù)向海方向至大陸斜坡為中陸棚和外陸棚，它們之間的劃分不是很明顯，可統(tǒng)稱遠(yuǎn)風(fēng)暴區(qū)。形成中陸棚和外陸棚風(fēng)暴沉積，風(fēng)暴作用向海逐漸變?nèi)醪⑦^(guò)渡為正常沉積。正常波浪對(duì)陸棚沉積幾乎不起任何作用，但風(fēng)暴作用卻是控制陸棚沉積的重要因素。

圖1 陸棚劃分示意圖

2 陸棚風(fēng)暴巖形成的控制因素

1975年，Kelling首次提出風(fēng)暴巖的概念［12］。他將風(fēng)暴巖定義為，在風(fēng)暴引起的風(fēng)暴流作用下形成的具有一定特殊構(gòu)造的沉積巖，主要分為砂質(zhì)風(fēng)暴巖和鈣質(zhì)風(fēng)暴巖。風(fēng)暴沉積主要受控于低緯度(一般5°～20°)熱帶氣旋形成的風(fēng)暴潮，風(fēng)暴潮影響范圍可達(dá)中緯度。我國(guó)4大板塊(華北板塊、秦嶺板塊、揚(yáng)子板塊、華夏板塊)在早古生代時(shí)位于南北緯15°范圍以內(nèi)，在晚古生代早期時(shí)塔里木及其臨區(qū)位于北緯30°以南［13］，之后我國(guó)大部分地區(qū)仍處在熱帶氣旋的影響范圍之內(nèi)，這些為陸棚風(fēng)暴沉積的發(fā)生創(chuàng)造了條件［14］。同時(shí)風(fēng)暴沉積的發(fā)現(xiàn)也為恢復(fù)古板塊地理位置和古海洋氣候提供了間接依據(jù)［15－16］。Allen認(rèn)為影響陸棚風(fēng)暴沉積的主要因素包括風(fēng)速、靠岸距離和風(fēng)暴持續(xù)時(shí)間［14］。嚴(yán)欽尚認(rèn)為造成風(fēng)暴沉積地區(qū)差異的原因主要有水深、正常潮流方向、海陸變遷和物源［17］。因此沉積環(huán)境的差異使得風(fēng)暴巖構(gòu)成及結(jié)構(gòu)剖面組合發(fā)生變化，最終形成各種類型陸棚風(fēng)暴巖。

3 典型陸棚風(fēng)暴沉積模式

3.1 典型鈣質(zhì)陸棚風(fēng)暴沉積模式

劉寶珺在四川興文縣下二疊統(tǒng)灰?guī)r發(fā)現(xiàn)的風(fēng)暴巖為典型的鈣質(zhì)陸棚風(fēng)暴巖［18］，其主要剖面組合型式及解釋如圖2和表1所示。該組合為較理想條件下的剖面，在內(nèi)陸棚環(huán)境下由于風(fēng)暴侵蝕強(qiáng)烈，剖面往往會(huì)發(fā)生部分缺失，該區(qū)較完整的中陸棚剖面(圖2)位置為中陸棚靠近內(nèi)陸棚的區(qū)域。

圖2 四川興文四龍下二疊統(tǒng)陸棚風(fēng)暴巖典型剖面

表1 二疊統(tǒng)陸棚風(fēng)暴巖典型剖面解釋

楊寶忠研究發(fā)現(xiàn)，鄂東黃石地區(qū)下三疊統(tǒng)大冶組灰?guī)r存在一套典型的鈣質(zhì)陸棚風(fēng)暴沉積［16］，該風(fēng)暴巖層序特征及沉積模式如圖3所示。深水遠(yuǎn)源型沉積主要存在于大冶組1段，缺少底模構(gòu)造和丘狀交錯(cuò)層理，顯示為外陸棚，較完整粒序?qū)觾H存在于中段頂部，為風(fēng)暴浪基面附近沉積。該層大致分為3段式(A1—A2—A3):A1為具小型沖刷、撕裂構(gòu)造的鈣質(zhì)泥巖夾薄層泥灰?guī)r，泥灰?guī)r厚5～10 cm;A2為具水平和微波狀層理的頁(yè)巖、泥灰?guī)r互層，同時(shí)發(fā)育微小“礫屑”，泥灰?guī)r厚度小于7 cm;A3為發(fā)育水平層理和微波狀層理的頁(yè)巖，頂部夾少量泥灰?guī)r。過(guò)渡型沉積主要存在于大冶組2段，礫屑灰?guī)r和含礫屑顆粒灰?guī)r中普遍發(fā)育粒序?qū)永?，同時(shí)缺少丘狀交錯(cuò)層理。該層分為2段式(B1－B2):B1為中厚層泥灰?guī)r夾薄層狀顆?；?guī)r，泥灰?guī)r具水平和微波層理;B2為中厚層顆?；?guī)r夾厚層放射狀礫屑灰?guī)r。這些特征都表明該沉積為深水遠(yuǎn)源和淺水近源的過(guò)渡型。淺水近源型沉積主要存在于大冶組3段和4段，3段上部和4段下部的礫屑灰?guī)r、顆粒灰?guī)r發(fā)育粒序?qū)?，?xì)顆?；?guī)r發(fā)育丘狀交錯(cuò)層理，單層厚度達(dá)20 cm，泥質(zhì)受擾動(dòng)層厚度可達(dá)1.5 m，其中發(fā)現(xiàn)大量生物擾動(dòng)遺跡，這些均為內(nèi)陸棚淺水近源沉積的證據(jù)。

圖3 鄂東黃石下三疊統(tǒng)大冶組鈣質(zhì)陸棚風(fēng)暴沉積模式

內(nèi)陸棚底部沖刷侵蝕不整合面(圖3中B)最顯著，其發(fā)育礫屑灰?guī)r，顏色較深，礫屑層往往從數(shù)厘米到數(shù)米不等，顆粒較細(xì)往往表現(xiàn)為小型沖刷槽，顆粒較粗則表現(xiàn)為沖刷面?！暗[屑堆積”往往指示近岸、風(fēng)速大、風(fēng)暴持久的沉積環(huán)境，且對(duì)于次棱角狀，分選差的礫質(zhì)其物源往往來(lái)自于異地，對(duì)于棱角狀成分單一的扁平狀礫質(zhì)，往往是原地礫屑灰?guī)r被侵蝕后再沉積，粒序?qū)泳哒Ｐ蜻f變是因?yàn)槌练e時(shí)重力大于剪切力，厚度較大的粒序?qū)哟砭辔镌摧^近，反之距物源較遠(yuǎn)。丘狀構(gòu)造(圖3中C)和大量底棲有孔蟲化石的保存也是表明為內(nèi)陸棚風(fēng)暴沉積的重要標(biāo)志。丘狀交錯(cuò)層理，又叫透鏡狀構(gòu)造，一般在粉屑巖層中出現(xiàn)，橫向上傾角隨著紋層的增厚而減小，其伴生構(gòu)造為凹狀體，與放射狀構(gòu)造不同。放射狀構(gòu)造又叫菊花狀構(gòu)造，是由渦流作用下底層發(fā)生擠壓、破碎、磨蝕而形成，常在礫屑巖層中出現(xiàn)，大量底棲有孔蟲化石的保存表明沉積水體較淺［19］。圖3中B部分缺少丘狀構(gòu)造，表明沉積較深，應(yīng)為靠近外陸棚的區(qū)域。圖3中A部分受風(fēng)暴作用較小，缺少底模和丘狀構(gòu)造，但是具有粒序?qū)永順?biāo)志特征。

3.2 典型砂質(zhì)陸棚風(fēng)暴沉積模式

塔中地區(qū)志留系柯坪塔格組上瀝青砂巖段主要是海退環(huán)境下的潮坪沉積，該區(qū)下瀝青砂巖段由于在近幾年勘探中具有良好的油氣顯示而成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。高志勇運(yùn)用層序、測(cè)井、地震等數(shù)據(jù)分析后認(rèn)為每個(gè)單砂層都具有風(fēng)暴期所遺留的證據(jù)［20］。其中陸棚相發(fā)育淺海沙壩和陸棚砂亞相，風(fēng)暴沉積段砂巖發(fā)育低角度槽狀交錯(cuò)層理，可見(jiàn)撕裂狀構(gòu)造和泥礫，含大量海綠石，自然伽瑪、電阻率測(cè)井曲線為漏斗形和弓形。陸棚砂沉積距岸較遠(yuǎn)，厚度減小，底部有突變的侵蝕面，層序主要為3段式(A—B—C)，由下到上分為A泥礫砂巖—B突變接觸的平行層理泥、粉砂巖 —C水平層理泥巖(具生物擾動(dòng))，AB為風(fēng)暴作用沉積，B代表高流態(tài)風(fēng)暴回流沉積，C代表風(fēng)暴過(guò)后的正常沉積，整體具席狀砂巖層序。

4 陸棚風(fēng)暴沉積的油氣地質(zhì)意義

陸棚風(fēng)暴沉積研究對(duì)恢復(fù)古地理、古氣候、古海洋和找礦等方面都具有一定的指示意義［18－21］，同時(shí)人們對(duì)陸棚概念的認(rèn)識(shí)依然存在不足，部分文獻(xiàn)常常冠以“大陸邊緣”。研究認(rèn)為對(duì)陸棚概念重新認(rèn)識(shí)和精細(xì)劃分具有理論和實(shí)際意義，而無(wú)論現(xiàn)代或古代陸棚風(fēng)暴沉積研究都能對(duì)陸棚環(huán)境進(jìn)行一定精度的識(shí)別［22－23］。二者相互對(duì)比，互為補(bǔ)充，或許會(huì)對(duì)陸棚概念的重新認(rèn)識(shí)產(chǎn)生一些積極的影響。陸棚風(fēng)暴沉積的某些標(biāo)志性特征可以對(duì)沉積相劃分進(jìn)行驗(yàn)證或提供新的證據(jù)，從而為油氣的勘探部署制定合理方案。保存較完整的陸棚風(fēng)暴沉積在一定條件下可以形成儲(chǔ)集層，不排除形成特種油氣藏的可能性。風(fēng)暴沉積作用可以使沉積物—水界面之下的氧化還原界面發(fā)生變化，使缺氧變成有氧，缺乏生物變?yōu)樯锇l(fā)育，從而有助于形成有利儲(chǔ)層發(fā)育帶［24］。風(fēng)暴作用和海水的淘洗作用可以對(duì)陸棚沉積物進(jìn)行改造。一方面可以使得沉積物的分選型和磨圓度變好，同時(shí)減少泥質(zhì)等雜基含量;另一方面可以增加砂體的展布規(guī)模，從而有利于形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育帶。例如塔中TZ31、TZ33井顯示柯坪塔格組下砂巖段遠(yuǎn)濱砂體孔隙度在15%以上，物性優(yōu)于近濱(11.45%)、濱岸(9.8%)、潮坪(＜6%)砂體，風(fēng)暴對(duì)沉積物的淘洗作用對(duì)儲(chǔ)層物性起到較好的改造作用。隨著油氣勘探程度的不斷深入，目前隱蔽巖性油氣藏的勘探受到更多關(guān)注。在陸棚風(fēng)暴沉積發(fā)育地區(qū)，如果生、儲(chǔ)、蓋條件具備，則具有尋找風(fēng)暴沉積成因的隱蔽巖性油氣藏的潛力，分析陸棚風(fēng)暴巖在測(cè)井、地震上的響應(yīng)特征，結(jié)合鉆井資料劃定陸棚風(fēng)暴巖的區(qū)域和范圍，對(duì)于尋找隱蔽巖性油氣藏具有重要油氣地質(zhì)意義。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)沉積環(huán)境，陸棚風(fēng)暴沉積可分為內(nèi)陸棚風(fēng)暴沉積、中陸棚風(fēng)暴沉積和外陸棚風(fēng)暴沉積。內(nèi)陸棚及中陸棚靠近內(nèi)陸棚區(qū)域的沉積構(gòu)造主要有底模構(gòu)造、丘狀構(gòu)造、水平層理、粒序?qū)永砗蛪K狀構(gòu)造;中陸棚靠近外陸棚區(qū)域及外陸棚的沉積構(gòu)造主要有水平層理、粒序?qū)永?、波狀或交錯(cuò)層理、丘狀構(gòu)造和底模構(gòu)造。這些沉積特征組合為識(shí)別陸棚風(fēng)暴沉積標(biāo)志性特征。陸棚風(fēng)暴沉積的機(jī)理主要為風(fēng)暴使得海水具有較高水動(dòng)力，從而對(duì)陸棚沉積物進(jìn)行一系列的改造，形成相關(guān)沉積體。

陸棚風(fēng)暴沉積巖形成的控制因素主要有風(fēng)速、靠岸距離、風(fēng)暴持續(xù)時(shí)間、水深、正常潮流方向、海陸變遷和物源。典型陸棚風(fēng)暴沉積模式包括鈣質(zhì)陸棚風(fēng)暴沉積模式和砂質(zhì)陸棚風(fēng)暴沉積模式，不同沉積模式的沉積特征和巖石學(xué)特征具有較大差異。

陸棚風(fēng)暴沉積的研究對(duì)恢復(fù)古地理、古氣候、古海洋、找礦和地層劃分都具有一定的指示意義。正確識(shí)別陸棚風(fēng)暴沉積特征，建立陸棚風(fēng)暴沉積在測(cè)井、鉆井和地震上的響應(yīng)特征，劃定陸棚風(fēng)暴沉積的區(qū)域，結(jié)合構(gòu)造特征和生、儲(chǔ)、蓋條件，對(duì)尋找陸棚風(fēng)暴沉積成因的隱蔽巖性油氣藏具有重要的油氣地質(zhì)意義。

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