砂質(zhì)碎屑流的識(shí)別標(biāo)志——以渤海灣盆地沙南凹陷為例

汪 賀,韓 爭,曹 軒

(中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249)

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砂質(zhì)碎屑流的識(shí)別標(biāo)志
——以渤海灣盆地沙南凹陷為例

汪 賀,韓 爭,曹 軒

(中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249)

近年來,深水沉積砂質(zhì)碎屑流的識(shí)別標(biāo)志于學(xué)術(shù)界仍存在一定爭議,通過渤海灣沙南凹陷砂質(zhì)碎屑流沉積實(shí)際資料分析,明確砂質(zhì)碎屑流的主要識(shí)別標(biāo)志,探討砂質(zhì)碎屑流的形成機(jī)制與沉積過程。研究結(jié)果表明，砂質(zhì)碎屑流于巖心中主要體現(xiàn)為泥質(zhì)撕裂屑、石英漂浮態(tài)礫石、底部突變接觸和板條狀碎屑的定向分布、泥巖碎塊逆粒序、生物碎屑以及碎屑雜基的存在。砂質(zhì)碎屑流常與深水泥頁巖伴生,是今后的重要的油氣勘探領(lǐng)域。

砂質(zhì)碎屑流;識(shí)別標(biāo)志;形成機(jī)制;沙南凹陷

1996年Shanmugam明確了砂質(zhì)碎屑流的概念,并將砂質(zhì)碎屑流的研究從濁流研究中分離出來,砂質(zhì)碎屑流便快速成為水下沉積的研究重點(diǎn)。然而砂質(zhì)碎屑流的知識(shí)體系尤其是識(shí)別標(biāo)志卻一直存在爭議。結(jié)合實(shí)際資料從砂質(zhì)碎屑流的識(shí)別標(biāo)志方面進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié),可以更加明確其識(shí)別標(biāo)志的斷定。

1 砂質(zhì)碎屑流的概念及識(shí)別標(biāo)志

砂質(zhì)碎屑流概念的提出由來已久。1972年Hampton通過模擬實(shí)驗(yàn),首次提出了“砂質(zhì)碎屑流”的概念[1]。Shanmugam(1996,2000)在大量實(shí)地考察研究之后,認(rèn)為許多以前在鮑瑪序列中解釋為高密度濁流成因的沉積物并非濁流成因,實(shí)則為砂質(zhì)碎屑流成因。自此,砂質(zhì)碎屑流與“高密度濁流”的關(guān)系得以確定,砂質(zhì)碎屑流在重力流分類中的地位開始突顯。

砂質(zhì)碎屑流,即為塑形流變學(xué)和層流態(tài)的砂質(zhì)流(Shanmugam, 1996),主要沉積學(xué)特征如下:①塑性流變特征;②塊體搬運(yùn)方式;③具有浮力及摩擦強(qiáng)度等多種沉積物支撐機(jī)制;④砂礫含量大于25%;⑤礫石、砂、泥沉積物的體積濃度為25%～95%;⑥黏土含量可變(Shanmugam, 1996, 1997, 2000)。

結(jié)合Shanmugam(2013)及其他文獻(xiàn)資料和來自沙南凹陷的巖心資料,確定砂質(zhì)碎屑流沉積的主要識(shí)別特征如下:

(1)巖心中常見大套塊狀砂巖,在塊狀砂巖層的上部常有漂浮的不規(guī)則狀泥質(zhì)撕裂塊集中現(xiàn)象,下部常見長條狀泥質(zhì)撕裂塊,也可觀察到流紋構(gòu)造。

(2)砂質(zhì)碎屑流沉積頂?shù)着c暗色泥巖常有突變接觸,砂巖底部具沖刷面,具剪切帶[2]。

(3)泥質(zhì)碎屑分布具有反韻律或反韻律與反-正韻律共存現(xiàn)象[3]。

(4)可見呈石英漂浮態(tài)礫石和生物碎屑以及碎屑雜基的存在。

(5)可見泥質(zhì)板條狀碎屑定向分布和大量泥礫。

以上識(shí)別特征可作為判斷砂質(zhì)碎屑流存在的依據(jù)。

2 發(fā)育機(jī)制

砂質(zhì)碎屑流具有塑形流變、層流態(tài)的沉積性質(zhì),其發(fā)育機(jī)制可分為形成機(jī)制、搬運(yùn)機(jī)制和沉積機(jī)制3種(圖1)。

圖1 砂質(zhì)碎屑流搬運(yùn)過程

2.1 形成機(jī)制

砂質(zhì)碎屑流的形成機(jī)制目前被認(rèn)為主要與三角洲的進(jìn)積作用[3]或大陸斜坡滑動(dòng)與滑塌有關(guān)。海盆或深湖(半深湖)為砂質(zhì)碎屑流沉積的主要形成環(huán)境,沉積盆地的沉積物供應(yīng)和可容空間變化會(huì)造成沉積模式的改變。在河流的流速流量較大時(shí),河流攜帶的大量碎屑物質(zhì)于三角洲前緣快速堆積,形成高建設(shè)型三角洲進(jìn)積砂體,具有天然的不穩(wěn)定性。砂質(zhì)碎屑流形成的影響因素主要是地形坡度(地形上的坡折),另外流體中沉積物濃度(或流體密度)和沉積物成分(砂泥比、黏土礦物成分)都對(duì)砂質(zhì)碎屑流的形成有著重要的影響[4]。

2.2 搬運(yùn)機(jī)制

在地震和波浪等外界觸發(fā)機(jī)制下,沉積界面發(fā)生傾斜并超出穩(wěn)定休止角,相當(dāng)一部分沉積物沿著古斜坡在重力流驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入湖泊[5],發(fā)生塊體搬運(yùn)。斜坡沉積物發(fā)生崩塌后,隨著斷裂的發(fā)生,當(dāng)剪應(yīng)力超過剪切強(qiáng)度時(shí),斷裂沉積物在重力作用下順坡向下滑動(dòng)。松動(dòng)的巖層首先發(fā)生滑動(dòng),即沉積物沿平板狀滑移面滑動(dòng),內(nèi)部無明顯變形。之后沉積物液化程度加大,并發(fā)生重力滑塌[5],即沉積物內(nèi)部發(fā)生變形旋轉(zhuǎn),發(fā)生旋轉(zhuǎn)剪切面運(yùn)動(dòng),巖層的整體破碎和軟沉積物變形同時(shí)進(jìn)行,隨著水體注入,巖層塊體破碎攪渾,可進(jìn)一步通過表面轉(zhuǎn)化形成濁流。

2.3 沉積機(jī)制

砂質(zhì)碎屑流呈層狀流動(dòng),沉積物通過整體“凍結(jié)”方式發(fā)生沉積,常形成塊狀砂巖巖相、漂浮碎屑等普遍特征(砂質(zhì)碎屑流鑒別標(biāo)志)?？捎谌侵耷熬壭逼律闲纬沙练e,也常見深湖平原上片狀或疊置水道沉積體,于縱向上分布范圍較為局限、橫向上常疊置連片[6]。以沙南凹陷東三段時(shí)期為例,東三段期間北側(cè)沙壘田凸起作為主要物源地,扇三角洲中砂質(zhì)碎屑流沉積體系發(fā)育,間歇作用的洪水泛濫使得扇三角洲前緣砂體快速堆積并于地震等觸發(fā)機(jī)制下發(fā)生滑塌,經(jīng)斜坡塊體搬運(yùn)之后形成砂質(zhì)碎屑流沉積[7]。

經(jīng)過上述分析,認(rèn)為充沛的物源、有利的地形坡度和適當(dāng)?shù)挠|發(fā)機(jī)制是砂質(zhì)碎屑流形成的必要條件,沉積物的重力滑動(dòng)滑塌和“滑水機(jī)制”解釋了砂質(zhì)碎屑流的搬運(yùn)機(jī)制,通過整體“凍結(jié)”方式形成砂質(zhì)碎屑流沉積物。

3 沙南凹陷砂質(zhì)碎屑流實(shí)例分析

沙南凹陷位于渤海灣盆地的西向,沙壘田凸起、埕子口凸起與埕北低凸起環(huán)繞其周,東西向展布,為北部斷層南部超覆的箕狀凹陷,于新生代發(fā)育形成。自下而上,沙南凹陷發(fā)育孔店組、沙河街組、東營組、館陶組、明化鎮(zhèn)組以及第四系地層[8]。其中有3套烴源巖發(fā)育層系,分別為東三段、沙一段和沙三段;主要含油氣層段為明化鎮(zhèn)組下段、館陶組、東二段和沙二段[9]。沙南凹陷又分為沙南東洼和沙南西洼,目前已發(fā)現(xiàn)的油田證實(shí)了沙南東洼是一個(gè)富生烴洼陷。巖心資料獲得于沙南凹陷東洼,東三段時(shí)期屬于構(gòu)造演化上的斷拗過渡期,地層展布形態(tài)相對(duì)平緩,斷層活動(dòng)性減弱。

通過對(duì)沙南凹陷東洼地區(qū)東三段巖心的觀察,結(jié)合渤海灣盆地的巖心資料,進(jìn)行實(shí)例觀察分析。其主要巖性為灰黑色細(xì)砂巖,含少量礫石,直徑大約為4至10 mm,分選中等,次棱角狀到次圓狀,塊狀構(gòu)造十分發(fā)育,常見泥質(zhì)撕裂屑、漂浮泥礫和砂泥互層。

如圖2所示,圖中A巖心位于3 040.4 m深處,巖性為灰色細(xì)砂巖,以塊狀構(gòu)造為主,無明顯層理;如B、C所示,巖性為灰色細(xì)砂巖,多見泥質(zhì)撕裂屑,泥礫比較發(fā)育,有S型撕裂狀泥礫、呈定向排列的長條狀泥礫、粒徑達(dá)3 cm巨大的漂礫,也可見高角礫化泥礫,呈較大銳角的,發(fā)育橢圓形泥礫。塊狀砂巖巖心底部存在剪切帶,反映了在砂體底面上曾發(fā)生過沉積物的高速滑動(dòng)和強(qiáng)烈侵蝕,符合砂質(zhì)碎屑流特征;另外可觀察到不規(guī)則形態(tài)的泥巖撕裂屑集中現(xiàn)象,并沿長軸褶皺、彎曲;端部可見拉長現(xiàn)象,呈尖角狀或細(xì)刺狀,是由于具有很高的基質(zhì)黏度和屈服強(qiáng)度的泥巖撕裂屑與作為其介質(zhì)的砂質(zhì)在抗剪強(qiáng)度上的顯著差別所造成,同時(shí)說明了砂質(zhì)碎屑流快速堆積的形成特征[10]。另外,泥巖撕裂屑形態(tài)以及碳屑分布,指示了流體的高濃度流動(dòng)和塑性流變學(xué)特征,反映了砂質(zhì)碎屑流原始沉積物的整體凍結(jié)沉積過程。

圖2 沙南凹陷CFD 14-1-1井砂質(zhì)碎屑流巖心照片(A巖心(3 040.4 m):塊狀構(gòu)造;B巖心(3 041.1 m):S型撕裂狀泥礫;C巖心(3 041.3 m):不規(guī)則泥巖撕裂屑端部拉長;D巖心(3 041.76 m):礫石直立現(xiàn)象;E巖心(3 043.0 m):巖心漂浮的石英礫石和碎屑;F巖心(3 043.3 m):砂泥互層)

D巖心主要巖性為細(xì)粒砂巖,可見石英漂浮礫石和碎屑顆粒存在,粒徑為1～5 mm,分選較差—中等,磨圓次棱角狀—次圓狀,可見板條狀泥質(zhì)碎屑,部分礫石存在直立現(xiàn)象。板條狀碎屑定向分布反映了流體的紋層狀性質(zhì),進(jìn)而驗(yàn)證了砂質(zhì)碎屑流的特征[11]。E、F巖心為灰黑色細(xì)砂巖,E可見塊狀構(gòu)造,F可見砂泥互層以及碎屑流沉積的“漂礫構(gòu)造”。值得注意的是,“漂礫構(gòu)造”是由浮力和流體基質(zhì)強(qiáng)度共同造成的,該構(gòu)造特征反映了流體的層狀流動(dòng)性質(zhì),屬于碎屑流,而非濁流[12]。總之,從巖心特征上來看,常見大套塊狀砂巖,塊狀砂巖與上下泥巖呈突變接觸,表明塊狀砂巖在沉積過程中是呈紋層狀整體凍結(jié)的,反映了砂質(zhì)碎屑流塊體運(yùn)動(dòng)的特征;塊狀砂巖底部也可見沖刷面,表明在砂體底面上曾發(fā)生高速滑動(dòng)和強(qiáng)烈侵蝕作用[13]。沙南凹陷這種構(gòu)造背景和沉積環(huán)境為砂質(zhì)碎屑流的形成提供充沛的物源,有利的地形坡度及適當(dāng)?shù)挠|發(fā)機(jī)制。因此判斷沙南凹陷東洼東三段巖心資料體現(xiàn)砂質(zhì)碎屑流,巖心特征印證了文獻(xiàn)資料中砂質(zhì)碎屑流鑒別特征的理論。

4 結(jié) 論

(1)砂質(zhì)碎屑流為塑性流變層流態(tài)的砂質(zhì)流。其主要識(shí)別標(biāo)志有泥質(zhì)撕裂屑、頂?shù)淄蛔兘佑|、漂浮石英小礫石和生物碎屑、定向分布的板條狀碎屑、泥巖碎塊逆粒序以及碎屑雜基的存在等。

(2)形成砂質(zhì)碎屑流的有利地質(zhì)條件為充沛的物源、有利的地形坡度、適當(dāng)?shù)挠|發(fā)機(jī)制。

(3)沙南凹陷東洼東三段巖心資料體現(xiàn)砂質(zhì)碎屑流,主要巖性為灰黑色細(xì)砂巖,含少量礫石,分選中等,次棱角狀到次圓狀,塊狀構(gòu)造十分發(fā)育,常見泥質(zhì)撕裂屑、漂浮泥礫和砂泥互層,巖心特征印證了文獻(xiàn)資料中砂質(zhì)碎屑流鑒別特征的理論。

致謝:感謝中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院的朱筱敏教授的耐心指導(dǎo)和陳相亦同學(xué)提供的巖心資料以及論文撰寫過程中提出的意見。

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[責(zé)任編輯] 董大偉

2016-07-30

汪 賀(1995—),女,山東東營人,中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院本科生,主要從事重力流沉積研究。

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