等深流沉积：物理海洋学、过程沉积学和石油地质学

SHANMUGAM G

（Department of Earth and Environmental Sciences, The University of Texas at Arlington, Arlington, TX 76019, USA）

等深流沉积：物理海洋学、过程沉积学和石油地质学

SHANMUGAM G

（Department of Earth and Environmental Sciences, The University of Texas at Arlington, Arlington, TX 76019, USA）

主要阐述与等深流沉积以及其他底流沉积相关的基本原理。深海底流分为温盐引起的自转型等深流、风力驱动底流、潮汐驱动底流（大多在海底峡谷）、内波/内潮汐驱动的斜压流4种基本类型，均常见牵引构造。等深流沉积是温盐引起的自转型等深流沉积体，粒级可为泥级或细砂级，含硅质或钙质碎屑。在古代等深流与其他等深流的区分方面，目前尚无沉积学或地震学诊断标准。在岩心和露头上，双黏土层是识别深海潮汐沉积的可靠指标。加的斯湾虽然是泥质等深流沉积相模式的代表，但并无真正的等深流沉积，仅受与地中海流出水（MOW）有关的短暂等深流影响，并受内波和内潮汐、浊流、海啸、飓风、泥火山、煤成气渗漏、沉积物供给、孔隙水排出和海底地形等其他复杂因素的影响。在加的斯湾综合大洋钻探（IODP）339项目岩心中没有发现能用于解释沉积过程的原生沉积构造，因此等深流沉积相模式应予废弃。4类底流改造砂体均具备成为油气储集层的潜力。在佛罗里达海峡大巴哈马浅滩（Great Bahama Bank）附近的等深流沉积，因为其中的泥质成分被强烈的等深流从粒间原生孔隙中簸选出来，最大测量孔隙度为40%，最大渗透率达9 881×10−3μm2。现代等深流的实证数据也显示其具有发育盖层和烃源岩的潜力。因此，未来石油勘探与开发应重点关注这些经常被忽视的深海硅质和钙质碎屑等深流沉积储集层。图15表2参162

底流；等深流沉积储集层；加的斯湾；佛罗里达海流；牵引构造；过程沉积学

引用：SHANMUGAM G. 等深流沉积: 物理海洋学、过程沉积学和石油地质学[J]. 石油勘探与开发, 2017, 44(2): 177-195.

SHANMUGAM G. Contourites: Physical oceanography, process sedimentology, and petroleum geology[J]. Petroleum Exploration and Development, 2017, 44(2): 177-195.

1 研究背景及思路

一直以来，深海底流及其沉积领域（见图1）对物理海洋学和过程沉积学研究具有重大的贡献，过去42年中，Shanmugam对深海沉积各个方面（包括底流）进行了研究探讨。与顺坡沉积过程不同，等深流平行于区域斜坡，砂体展布和储集层发育均受其影响。因此，等深流沉积研究对认识底流改造砂体[1]的经济潜力具有重要意义。总的来说，目前有关现代等深流沉积方面的研究主要是基于地震和海底观测数据反映的大规模沉积特征及一些沉积物岩心数据等；而古代等深流沉积研究著作则基于丰富的露头和常规岩心数据的小规模沉积特征[1-6]，仅能得到有限的古海洋学和大规模的沉积特征信息。二者的差异性及与深水沉积过程和沉积相有关的其他问题给古代等深流沉积等方面的解释带来了诸多挑战。

图1 复杂深海沉积环境示意图（水深大于200 m（陆棚坡折）；据文献[7]，获Elsevier许可）

在进行等深流沉积研究时，首先要解决所有基础问题。为此，本文旨在帮助了解底流及其沉积物的物理海洋学和过程沉积学特征，重点关注等深流沉积。另外，提出实证数据证实等深流沉积在石油地质中作为盖层、烃源岩和储集层的潜力。本文选取了全球21个现代和古代沉积体系的重点研究案例（见图2、表1，A至U）。在探讨底流改造砂岩的经济意义时，重点考虑了全球范围内35个深水地层研究案例（见表1，①—），涵盖32个油气田，包括123口井，7 832 m常规岩心，岩心和露头描述比例为1∶20到1∶50，所述的现代及古代深水体系包括海洋与湖泊环境，底流形成的牵引构造常见于该35个案例研究（见图2、表1）。

本文的研究重点是深海沉积环境，但为保证阐述观点的完整，也提及了受温盐流影响的一些陆架边缘沉积环境（例如厄加勒斯角和日本钏路）。

2 大洋环流和底流

2.1 全球温盐环流

全球海洋深层水团是由温度和盐度的差异引起的。极地大陆架海域冻结形成海冰，由于结冰脱盐作用和温度下降造成海水盐度相应增长。位于冰盖正下方的冷盐水密度增加（即温盐）导致水团沿大陆斜坡沉降（见图3）并扩散到海洋的其他部分，被称为温盐水团。南极底层水（AABW）就是一个典型的深层水团。南极底层水由Brennecke在南极地区威德尔海西北角首次证实。

图2 本次研究所用案例的位置示意图

表1 深海底流研究案例（A—U、1—13具体位置见图2，作者描述的岩石总长度为11 463 m）

图3 南大洋概念模型（据文献[41]，获Elsevier许可）

Stommel[48]首先提出温盐水团全球循环和表层轻水向海洋深层重水团垂向转移的概念。Broecker[49]把风力驱动的表层循环与温盐驱动的深层循环机制相结合，提出了全球海洋“传送带”的统一概念。水团大规模水平运移被称为“温盐环流”（THC），在某些部位会出现下沉和上升。“温盐环流”涉及高纬度区制冷驱动机制，是一个物理概念，且不可测量[50]。北大西洋的全球传送带系统源于格陵兰岛和冰岛附近，此处由于海冰的产生而形成了低温高盐的北大西洋深层水团（NADW）。北大西洋深层水团下沉，沿北美和南美大陆斜坡往南向南极洲流动，然后围绕南极大陆向西流动（见图 4）。根据 Talley[51]的观点，全球翻转环流（GOC）包括在南大洋的大型风力驱动上涌，以及印度洋和太平洋深层重要的内部混合转换（见图5）。

图4 跨洋流动经向剖面示意图（据文献[55]修改）

2.2 深海底流类型

根据底流的起源，Southard和Stanley[52]在陆架坡折带识别出 5种底流。这些底流源于：①温盐差异；②风力驱动；③潮汐；④内波；⑤表面波。此外，推测与海啸相关的牵引流发生在深海水域[53-54]。与飓风相关的底流普遍常见[56]，但这些底流的形成机制还不十分清楚[56-57]。本文选择了 4种主要的深水底流[58]，即：①温盐引起的自转型等深流；②风力驱动底流；③潮汐驱动底流（大多在海底峡谷）；④内波/内潮汐驱动的斜压流。研究表明，这 4种类型的底流均产生了类似的底形和牵引构造（见图 6）[58]。鉴于沉积结构中的这种相似性，需要更好地了解这 4种底流的沉积过程和沉积机理，以便制定相应的区分标准。基于对沉积物源的了解，需要指出的是，4种底流都是起砂岩改造作用，通常不会将大量粗粒碎屑沉积物（如砾石、粗砂和中砂）从源岩区搬运到沉积区。

图5 全球翻转环流（GOC）图（本文增加了加的斯湾的位置，该地点是等深流沉积学模式的代表。据文献[51]修改，获海洋学协会许可）

图6 牵引构造特征（作为所有类型底流的再改造作用的指示。每种特征都随机发生，不应该被视作垂直相模型的一部分。据文献[1]，获美国石油地质学家协会（AAPG）许可）

2.2.1 温盐引起的自转型等深流

温盐驱动底流在海底对沉积物进行簸选、改造和沉积，并持续一段时间，因其沿等深线流动通常被称为等深流[8]。表2列出了全球海洋不同地区底流的最大流速。Hollister和Heezen[59]指出，在超过100 cm/s的极高底流速下，在荒芜的海底可见砂岩和砾石的残留口袋（relict pocket）。根据Bulfinch和Ledbetter[60]的观点，西部边界深潜流（DWBUC）沿着北美大陆斜坡向南流动，上升1 000～5 000 m。西部边界深潜流（DWBUC）有一个 300 km宽的高速流动带，最大测量流速 73 cm/s，簸选除去了细砂和极细砂，同时沉积了中粗粒砂。牵引构造在等深流沉积中常见（见图7）[61-62]。

2.2.2 风力驱动底流

风力驱动底流是由海面风应力（即大气外力作用）形成的，它可以使底流垂向上一直延伸至数千米的海底，这在全球海洋领域均有据可查。例如，起源于弗罗里角的湾流是一支强劲、温暖、流速很快的大西洋海流，在穿越大西洋之前沿美国和纽芬兰岛东海岸流动。湾流向西逐渐增强，很大程度上是由风应力驱动。在墨西哥湾东部的Loop海流是风力驱动表面流[63]，这些流体可以改造海底的细砂岩。目前在墨西哥湾水深3 091 m的海底砂中形成的流水波痕，是风力驱动底流活动的最有力的证据[63]。另一个风力驱动底流的例子是向东流动的南极绕极流（ACC），影响了Falkland海槽西斜坡和底部的沉积物，在这里风力驱动底流的轴部受地形限制[64]。这种深水流（低于3 000 m）在海槽底部产生了一个对称的沉积物漂积体，在坡脚的非沉积边缘显示出更高的流速。

Loop海流的沉积物在墨西哥湾上新统—更新统尤英浅滩（Ewing Bank）826区块岩心中得到解释。尤英浅滩 826区块位于墨西哥湾北部，距路易斯安那海岸近100 km，该油田产油储集层为底流改造砂岩[1]，其与邻近区域的岩心均可见牵引构造（见图8），如水平层理、低角度交错层理、波状交错层理、脉状层理、近岸泥质沉积、被侵蚀和保存的波痕以及逆递变层理。

2.2.3 潮汐驱动底流

为研究潮汐引起的底流，Shepard等在全球25个海底峡谷用悬浮海流计测量了水深46～4 200 m的流速，通常在海底以上 3 m处。Keller和 Shepard[65]对Hydrographer峡谷的研究发现底流流速达70～75 cm/s时甚至足以搬运粗砂岩。

表2 世界海洋不同地区底流的最大流速

图7 等深流沉积构造

图8 牵引构造

尼日利亚近海和孟加拉湾的深水砂岩储集层发育双黏土层和平行层理。其中，双黏土层是浅水[98-99]和深水[4,6-7,100-101]环境下的潮汐底流沉积物的特有标志（见图9）；而平行层理不具备特有性，有时会被错认为是Bouma序列Tb段，使储集层被误解为浊积岩[27,31]。

图9 潮汐底流沉积的双黏土层结构

2.2.4 内波/内潮汐驱动的斜压流

内波是沿两个不同密度水层（即密度跃层）界面振荡的重力波：在正压（表面）波中整个水柱中的流体团沿同一方向、以同一速度一起移动，而在斜压（内部）波中，浅层和深层水柱中的流体团则沿不同方向、以不同速度移动[102]。Shanmugam[20]对与内波和内潮汐相关的斜压流进行沉积学和海洋学研究，内波是沿海洋密度跃层振荡的重力波（见图 10a）。在一个分层海洋环境中，内潮汐普遍产生于陡峭的海底地形之上，如陆架坡折、海山等。Brandt等[103]研究数据显示存在3种大振幅的内孤立波。脉冲型的内孤立波扰动可朝北—北西方向直立传播至巴西陆架。这些内波的特点是最大水平速度约 200 cm/s、最大垂直速度约20 cm/s。

在日本的骏河海槽，底流的半日潮汐振动明显，在水深1 730 m处波动总幅度达50 cm/s。这些底流均与内潮汐有关[104]。在台湾西南海域高平海底峡谷，测得的与内潮汐相关的流速最大值超过100 cm/s[105]，在这样的流速下，甚至砾级颗粒都可以被斜压潮汐底流剥蚀、搬运和再沉积。事实上，Lonsdale等[36]在深度1 630～1 632 m的中太平洋平顶海山的平坦顶部记录了用侧视声纳和照片观察到的不对称沙丘和不对称波痕（见图10b）。

已发表的大量内波和内潮汐的研究成果[106]缺乏有关斜压流沉积学方面的细节研究[20]，这方面认知的缺失阻碍了从古代地层记录的等深流沉积中识别斜压岩（即斜压流沉积物）。

2.3 沉积学中的海洋学问题

2.3.1 复杂外力作用

大洋温盐环流（THC）受风应力、对流和（潮汐）浑流/湍流的联合驱动[12,49,51]。全球海洋环流模式受两个独立水团的温盐驱动，即北大西洋深层水团（NADW）或“大洋传送带”[49]和南极底层水团（AABW）[107]。全球海洋环流起源于南大洋（南极洲），是以下几种作用的累积结果：①风力驱动（隔热）上升；②表面浮力通量；③冷却和脱盐（即温盐）形成深水。大气外力作用（即表面风应力）和温盐作用（即底水形成）是诱发和维持全球海洋环流的必要条件[51]。例如，南极绕极流（ACC）被广泛认为主要是风力驱动底流。由于绝大多数水团的复杂外力作用，将一个古洋流层归类为常规等深流层是不合适的，这一做法过于强调温盐外力作用，且完全忽略了大气外力的作用。

2.3.2 连续性原理

Rebesco等[108]的研究中使用了三角图，三角图的3个端元分别是等深流沉积、浊流沉积和海底锰结核，该三角图是基于这 3种基本深海沉积类型的连续统一原则建立的，然而浊流和等深流之间的过程很难连续。根据定义，“连续”的概念是指从一个端元逐步过渡到另一个端元，不发生突变。而顺坡浊流和沿坡等深流几乎成直角，因此连续原则是不成立的，即使两者之间存在相互作用，这种相互作用也转瞬即逝，没有沉积学意义。

图10 海洋学和沉积学概念框架

2.3.3 等深流沉积与等深岩丘

基于大西洋美国东部附近陆隆研究成果，等深流沉积被定义为深海环境中温盐驱动的自转型等深流沉积体（见图11）。

图11 4种类型底流及其沉积相（据文献[109]，获Elsevier许可）

“等深岩丘”在地质文献中比较常见[110]。这些冲积物是沿等深线流动的产物，因此可以归为等深流沉积。然而这些冲积物绝大多数是风力驱动底流的产物，而不是温盐驱动底流，因此不是真正的“等深流沉积”，换句话说，等深流沉积可以由不止一种类型的底流产生。目前没有可以区分“完全的风力驱动底流沉积物”与“温盐驱动底流沉积物”的沉积学标准，且在古代地层记录中，有关底流作用机制的信息很少，“等深流沉积”概念的应用须较谨慎，可将成因性术语“等深岩丘”用非成因性术语“沉积物漂积体”代替。

2.3.4 等深流沉积间断

在深海环境中，底流导致数千平方千米海底区域剥蚀[111-112]。在 Haq等[113]的全球年代地层表中，海平面升降形成4个超级旋回（Ⅱ级）和23个旋回（Ⅲ级）。Viana[114]以巴西附近的 Santos漂积体为例，指出在地震剖面上以等深流沉积为“层序边界”存在曲解区域不整合面的潜在风险[115]，显然底流引起的剥蚀面（不整合）和海平面升降没有直接的相关性。产生该问题的原因在于没有客观的标准来区分地震剖面上侵蚀面是由深海底流造成的还是由其他作用造成的。

2.3.5 侵蚀特征成因

“等深流沉积体系”定义中的侵蚀特征在概念上是混乱的，不利于区分侵蚀和沉积。一个解决办法是将侵蚀和沉积都简单归为“等深流体系”。另外，可以采用两种不同的体系，即等深流沉积体系和等深流侵蚀体系。

侵蚀作用本身不会在岩石记录中留下任何有助于确定侵蚀过程类型的线索。此外，现代的未填充海底水道和峡谷也证实，过去形成侵蚀特征的过程与其后的充填过程是不一样的。因此，有必要建立相应的标准来区分等深流形成的侵蚀和其他过程造成的侵蚀，如浊流。

2.3.6 加的斯湾模式

Hernández-Molina等[67]称加的斯湾为世界首屈一指的等深流实验室。在加的斯湾，虽然地中海流出水（MOW）是一种温盐驱动的水团[116]，但并非真正的等深流。加的斯湾的实证数据也证实了地中海流出水的转变。从经直布罗陀海峡进入加的斯湾开始，到从圣文森特角退出加的斯湾进入大西洋，地中海流出水经历了 3个演化阶段，换句话说，真正的等深流不会在加的斯湾流动（见图12）。此外，加的斯湾是研究真正的等深流沉积和侵蚀的一个高度复杂的海洋学位置，因为该海湾的深海沉积物受以下因素控制（见图12）：短暂的地中海流出水[117]、内波和内潮汐[118-119]、沉积物重力流[67]、中上层和半深海沉积、海啸[120]、热带风暴[120]、泥火山[121]、煤成气渗漏[122]、沉积物供给[76]、孔隙水排出和液压[123]、水道和海岭及Camarinal底梁[124]。

图12 加的斯湾位置和地中海流出水复杂流动示意图（涉及3个演化阶段：①海峡流阶段；②混合和扩展（即过渡）阶段；③真正的等深流阶段[117]。据文献[109]，获Elsevier许可）

针对加的斯湾这样的复杂地区，需要了解相互关联的所有过程，因为“深水”过程与海洋波浪“浅水”过程紧密相关，如内波和海啸。因此，过去对“深水”过程（如等深流）进行独立分析的方法失去了意义。21世纪，需要解决整体过程沉积学的严谨性问题。

2.3.7 深海平原等深流沉积

通常，“深海平原”指的是海底平坦的区域，通常在陆隆上，坡度小于1∶1 000[125]，在美国大西洋边缘的4 000～6 500 m处，代表了海底最深和平坦的部分。一个更常用的术语“盆地平原”通常用于古代岩石研究中[126]。Hernández-Molina等[67]认为深海平原或盆地平原包括多达10个不同的形态要素：陆隆、深海平原、大洋中隆、远端扇和浊积水道、沉积物漂积体、深海丘陵、海山、断裂转换带、洋中水道和海沟。

深海平原的重新分类忽略了基于海底深度位置对大陆架、斜坡和隆起的基本分类原则，不仅没必要而且容易造成混乱。这种分类方法违背了“等深流”的基本概念，等深流是沿着大陆坡和隆起等深线流动的底流，而不是在平坦的深海平原上的底流。

3 过程沉积学及相关问题

3.1 过程沉积学

Sanders[127]发表过一篇过程沉积学的开创性论文“原生沉积构造揭示的流体力学概念”，Brush提出基础物理、土壤力学和流体力学的综合知识对解释各种流体-沉积-重力流的力学过程至关重要[128]，作者认为原生沉积构造持续观测与过程解释的一致性是基本原则。

3.2 等深流沉积相模式

3.2.1 5个内部分段

Faugères等[129]于1984年建立了无内部分段的原始相模型。Stow和Faugères[14]用5个内部分段（C1，C2，C3，C4，C5）修改了原模型（见图13a），类似于鲍马浊积模型。在最新版本中，Faugères和Mulder[130]又恢复到1984年的模型，即没有5个内部分段。为了便于相关研究者的理解，需要在文献中解释为什么同一批研究人员所作的相模型会出现反复变化。如果能在古代岩石记录中识别出来，就可以揭示这 5个分段其实与深水环境中温盐驱动的自转型等深流沉积物无关。

3.2.2 流速

垂直相模型包含一个由底向上变粗的沉积序列，紧跟着一个向上变细的序列（见图13），归因于等深流流速和能量的连续增加和降低[129]。然而，Mulder等[17]指出该垂直序列形成的原因要比简单的速度变化复杂得多，等深流沉积序列不仅与底流流速和流体能量变化相关，也可能与较粗粒的陆源碎屑供给有关，这些物源或由狭窄的等深流水道侧翼固结的泥（泥屑）受侵蚀形成，或由河流携带的沉积物供给（石英颗粒）和大陆架、上部斜坡的顺坡块体搬运造成。经典的等深流沉积相组合可能并非受流速单独控制，而是各种沉积历史的产物。

3.2.3 内部间断

Faugères等[129]的原始沉积相模式中不包括内部间断（此模式不包含图13a中的5个内部分段）。然而Stow 和 Faugères[14]在其修改的等深流沉积相模型中（见图13，包含图13a中的 5个内部分段），C3段包含内部间断（见图13b中水平红箭头）。注意该模式的最新版本[130]既不包括5个内部分段，在C3段中也不包含沉积间断（红色箭头）。

图13 等深流沉积相模型（据文献[14,129]修改）

Wetzel等[131]指出，当底流阻止了长时间跨度的沉积和（或）侵蚀沉积物，水下沉积间断形成，表现为半固结/硬质沉积物/稳定衔接部分脱水的泥质基质。因间断出现在C3段，其上和其下必定代表了两种不同的沉积事件。通常，具成因意义的岩相模型只适用于独立的沉积事件，内部没有间断（例如浊积岩相模型）[61]。事实上，瓦尔特定律[132]对于含有内部间断的层序没有意义，因为间断可以代表缺失沉积记录的相当长的一段时间（长达数百万年）[100]。

3.2.4 生物扰动作用

等深流沉积相模式的一个特征就是生物扰动（见图13b），对此存在一定争论[133]。等深流沉积和生物扰动之间的联系是基于如下观点：活跃的等深流将增加水团的氧气浓度[134]，从而增加底栖生物的活性。通常来说，相模型（例如，浊积岩相模型）[61]基于基本物理沉积结构的垂向分布建立。这是因为物理结构可以用来解释岩石记录中的特定物理过程，但生物扰动不能作为单个沉积过程沉积物的解释标准（即等深流）。生物扰动的标准是有缺陷的，因为古代深水浊积岩（例如，加利福尼亚圣地亚哥附近上白垩统Loma组）中也广泛存在生物扰动，甚至含有痕迹化石Ophiomorpha[135]。且岩石记录中发现了等深流沉积不发育生物扰动的实例[136]。在描述西南太平洋的Canterbury漂积体时，Carter[33]提出“生物扰动作用适度，几乎不破坏大的沉积背景，且在地层微扫描成像中显示出厘米级泥质和砂质淤泥的交替”。总之，强调生物扰动的泥质等深流相模型违背了过程沉积学的首要原则，即用基础物理沉积结构解释沉积过程的流体力学作用[127]。因此，该等深流相模式应予废弃。

3.2.5 多元交互过程

位于欧洲大陆的加的斯湾就物理海洋学而言，背景极其复杂，包括多个过程（如地中海流出水、内波和内潮汐）和海底地形（如水道、山脊和底梁）。深水沉积过程随时间和空间变化。此外，深海洋流中丰富的氧气涌入造成广泛的生物扰动，掩盖了岩石物理结构。从解释等深流古代沉积的实用角度来看，当等深流沉积在陆地上时是无法推断古代海底等深线的。总之，对等深流沉积相模型的全球适用性是存疑的。

3.2.6 粒径数据

许多沉积学研究都是基于沉积学日志中绘制的详细垂向粒度变化记录，鉴于其重要性，当今学者甚至在沉积学日志中给粒径分配了最大空间（即竖列延伸宽度分别代表粉砂、极细砂岩、中砂岩等）。而在Stow 和 Faugères[14,137]发表的文章中未涉及这些能够描述砂质等深流沉积垂向粒径变化和其他沉积学细节的沉积学记录。

3.2.7 综合大洋钻探339 结果

在总结综合大洋钻探（IODP）339考察项目的岩心成果时，Stow等[138]提出了以下特征：泥质等深流沉积物均匀、岩心主要呈灰绿色、一般缺乏原生沉积构造、沉积物生物扰动斑块发生同质化、生物碎屑组分混合均匀、沉积相具周期性、粒度双向渐变。

大洋综合钻探项目 339的岩心中明显可见两个基本问题。首先，原生沉积构造的缺失使它无法解释沉积过程[127]，其次，薄层双渐变泥质单元在古老地层记录的压实泥岩段不可识别。

3.3 牵引构造

如前文所述，波纹和沙丘与内潮汐流相关[78]，且牵引构造还与海啸和飓风相关的底流有关[57]，即牵引构造和河床与所有类型的底流均有关联。现在面临的挑战是如何在古代地层记录中将等深流形成的牵引构造（如波纹层理或平行层理）与其他类型底流形成的牵引构造进行区分。

3.4 页岩碎屑

在讨论泥质和砂质等深流沉积中页岩碎屑的来源时，Stow和Faugères[14]声称，“页岩碎屑粒径大小一般是毫米级，长轴近似平行于层理面，也近似平行于流动方向”。换言之，该碎屑物（碎屑长轴平行于层理面）可以解释为层状碎屑流的证据[139-141]。但是没有可靠的、可用于解释古代砂质等深流沉积记录的沉积学标准。

3.5 底形-速度矩阵

Rooij[142]利用 Stow 等人[143]的底形-速度矩阵讨论与深水底流作用过程和产物相关的问题。底形-速度矩阵存在的问题如下：①矩阵的基本假设是所有4种类型的深水底流流体动力学相同[143]，如前所述，该假设并不成立；②矩阵建立缺乏必要的实证数据[143]；③该矩阵并非基于实验提出，“数据”不可验证，亦是不可重复的；④没有考虑底流的持续时间和沉积物的有效性。因此，用底形-速度矩阵预测现代海底流速是不可靠的。

3.6 地震剖面、声纳图像和海底照片

Nelson等[144]基于地震资料解释了加的斯湾的砂质等深流沉积，但缺少关键沉积学数据。在地震剖面上可见波形发育，解释为在葡萄牙西南由地中海流出水形成的大型沉积物波[145]。然而地震波的几何形态也与内孤立波形成的沙丘有关[146]。此外，缺少在地震剖面上区分等深流形成的波形和潮汐流或浊流形成的波形的客观标准。在综述等深流沉积体系的地震响应特征时，Nielsen等[145]认为“……基于沉积序列的物理参数变化形成的反射特征、地震相和沉积构造没有明确的相关性。例如，具有平行反射特征的地震相，并不一定对应细粒平行条带或沉积物分层”。

在加的斯湾法鲁漂积体的研究中，Alonso等[147]用两个观测点U1386和U1387的岩心数据标定了地震剖面。类似于挪威边缘等深流沉积[148]，加的斯湾的泥质等深流沉积也显示平行反射。问题是泥质等深流沉积的岩心段没有显示任何的原生沉积构造，而它们是过程沉积学的基础，因此在地震剖面或者沉积物岩心上已经确定的古代沉积记录中不能识别这些泥质等深流沉积，显然用地震相解释泥质和砂质底流沉积体存在基本问题。底流改造砂体即使是直接观察岩石都很难辨认，因为4类底流形成的沉积体中均存在牵引构造。

海底波痕和其他底形影像资料对推断底流方向是有用的，但不能用于推断底流类型（即水动力特征）。在深海，相同的波纹类型可以由多种类型的底流形成。问题是，有没有客观标准用来区分与等深流相关的波纹和与风力驱动底流相关的波纹。在现代加的斯湾，地中海流出水和内潮汐都很活跃，也无法将与地中海流出水相关的底流形成的波纹类型和斜压流形成的波纹区分开。

浊流和碎屑流可以分别形成正粒序和反粒序。但是这些内部特征无法在海底表面照片中找到。研究内部沉积构造最好还是利用岩心和露头，这是解释沉积过程流动机制的关键[13]。

3.7 沉积物源

通常，原生沉积构造和相应的流向可用来识别沉积物源[149-151]。然而，与4种类型的底流有关的复杂流向对推断主要沉积物源构成巨大的挑战。例如：等深流循环模式是全球性的，平行于区域斜坡走向流动；深海潮汐流是双向性质的，沿海底峡谷上下流动；斜压流相对于沉积母岩，传播方向变化非常大。因为底流严格说来是一种改造媒介，其沉积构造并不反映主要沉积物源的真正方向，因此利用流水波纹和交错层理推断物源方向的常规方法（即沉积物源）在处理深海底流和沉积物时是靠不住的。解释沉积物源的另一个重要标准是碎屑组分[151-152]。然而底流改造作用可能不改变来自主要物源沉积物的原始组分。

4 石油地质学

4.1 潜在封盖层

在阿根廷盆地，南极底层水（AABW）底栖生物循环形成的泥质沉积物波的规模很大，面积为1.0×106km2，振幅平均为26 m，波长3～7 km[11]。这些泥质等深流漂积体可以形成区域厚层沉积，可能有圈闭油气的潜力。

4.2 潜在烃源岩

已公开的泥质等深流沉积的总有机碳（TOC）数据很少。百慕大隆起附近一个受湾流影响的泥质等深流沉积样品显示TOC值为0.35%，而大安地列斯群岛外脊的泥质碎屑等深流沉积TOC值高达2%[153]。活跃的等深流会增加水体的含氧浓度和底栖生物的活性[134]。含氧条件不利于等深流沉积中有机质的保存，而Yu等[25]在南中国海北部利用模拟海底反射讨论了等深流沉积中的天然气水合物聚集（见图2，位置 L），所以陆源有机质在生油中的重要性[154]及其在深海成烃中的贡献[27]不应被忽视。

4.3 潜在储集层

第 1次将等深流沉积的概念应用于主要的油气储集层可能是在北海的Frigg气田[155]，研究人员将25/1-1井—25/1-5井地震剖面上的波浪形表面作为等深流的证据。Frigg气田被视为20世纪70年代世界上最大的气田之一。然而，一些石油地质学家仍然认为底流改造砂体（包括等深流沉积）的储集性比浊积岩储集性要差。

讨论Makassar海峡Kutei盆地中新统深水砂岩储集性时，Dunham和Saller[31]认为“从勘探地质学家的视角，关键的是底流没有从原始沉积位置搬运或再分配Kutei盆地的储集砂体。若砂体发生明显的再分配则不会在远景区发现厚层高品质的储集砂岩”。砂质等深流沉积具备最好的储集层潜力。

佛罗里达海流是一个表面洋流，从墨西哥湾流向大西洋。海水从墨西哥湾被驱动通过佛罗里达海峡，沿着美国东海岸向北流动，在此与湾流交汇。佛罗里达海流表面流速在北纬 27°达到最大，超过 160 cm/s[156]。在佛罗里达海峡和布莱克深海高原测得海底附近流速达到40～60 cm/s[157-158]。Mullins等[9]讨论了佛罗里达深海底流在佛罗里达海峡（见图2，位置B）北部大巴哈马浅滩（Great Bahama Banks）形成厚层棱柱状钙屑改造砂体（中新统中部—更新统）的意义（见图14）。这些钙屑等深流漂积岩下伏基底侵蚀不整合，为半锥状砂体，厚度可达600 m。因此牵引沉积的交错层理是存在的。在这一区域底流流速可达60 cm/s[9]。大巴哈马浅滩附近采集的砂质等深流沉积最大孔隙度达40%，最大渗透率可达9 881×10-3μm2。高渗透率归因于底流有孔虫砂岩中原生粒间孔里的泥质被簸选出来。砂质等深流沉积的扫描电子显微镜（SEM）照片显示孔隙中不含泥质（见图14b）。底流改造砂体是潜在的油气储集层。这些钙屑砂岩被早期海底胶结作用固结，具有保存油气的潜力。胶结的硬底部分孔隙度和渗透率要低得多。然而岩生微生物宏观和微观钻孔形成的次生孔隙[159]提高了这些被胶结的砂质等深流沉积的储集性能。

以色列（见图2，位置I）白垩系Talme Yafe地层为等深流沉积[3]，厚3 km，宽20 km，长度近150 km，以侵蚀不整合为特点，牵引构造（如平行层理和交错层理）常见。由于受断层控制，这个巨大的棱柱状等深流沉积体被保存在大陆斜坡和隆起环境中[3]。从几何形态上来看，与大巴哈马浅滩附近的厚层棱柱状等深流沉积相似。

Flemming[160]研究了接近南非东南部陆架边缘的Agulhas洋流改造作用形成的地貌（见图2，位置J），指出大陆架边缘附近的碎屑砂质和砾质等深流沉积可形成高孔隙度和高渗透率储集层，若能保存，则这些砂质和砾质等深流沉积可以覆盖长数十千米（平行于陆架边缘）、宽约5 km（垂直于陆架边缘）的区域（见图15）。

图14 现代钙屑等深流沉积

图15 陆架边缘等深流沉积模式

在墨西哥湾尤英浅滩826区块（见图2，位置1），底流改造砂体（上新统—更新统）实测孔隙度为25%～40%，渗透率为（100～1 800）×10-3μm2[1]。单个改造砂层厚度通常为5～10 cm，但是整个单元总厚度可达6 m。

在孟加拉湾（见图2，位置13）Krishna-Godavari盆地，发育深海砂质碎屑流和潮汐流形成的高质量的上新统产油储集砂体。潮积砂岩实测孔隙度为 34%～41%，渗透率为（525～5 977）×10-3μm2[47]。单个潮流沉积单元厚度在几厘米到近1 m变化。

加的斯湾（见图2，位置F）10 m厚的席状砂为等深流沉积[161]。

过去的9 000年，在南极洲大陆架和彭内尔海岸线上斜坡（见图2，位置Q）形成了一个广泛分布（3 200 km2）的火山碎屑等深流沉积砂体，厚度为10 cm至1 m以上[34]。

总之，多数情况下底流改造砂体比浊积岩储集层质量要好[41,162]。

5 结论

深海底流的 4种基本类型为：①温盐引起的自转型等深流；②风力驱动底流；③潮汐驱动底流，大多在海底峡谷；④内波/内潮汐驱动的斜压流。该4类深海底流及其沉积物均具有重要的沉积意义和经济意义。

石油企业在过去的65年中都把注意力集中在顺坡过程及其形成的沉积体上（例如浊流），而现今背景下的实证数据显示，类似于顺坡沉积的过程，底流对于形成油气储集层、盖层和烃源岩同样重要。因此，未来的石油勘探与开发应重点关注常被忽视和低估的底流改造砂体。

致谢：感谢美孚石油公司在我任职期间（1987—2000年）对等深流沉积研究的鼓励，感谢美孚石油全世界范围的各分支机构准许我发表 Krishna-Godavari盆地、孟加拉湾的研究结果。感谢Mullins H T和Laine E P提供的等深流沉积样品孔隙度和渗透率的实测数据。感谢 Elsevier允许我重用数据。感谢 Rajat Mazumder和一位匿名审稿人的有益评论。感谢我的妻子Shanmugam Jean做的总评。

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（编辑 魏玮 王大锐）

Contourites: Physical oceanography, process sedimentology, and petroleum geology

SHANMUGAM G
(Department of Earth and Environmental Sciences, The University of Texas at Arlington, Arlington, TX 76019, USA)

The purpose of this critical review is to address fundamental principles associated with contourites and other bottom-current deposits. The four basic types of deep-marine bottom currents are: (1) thermohaline-induced geostrophic contour currents, (2) wind-driven bottom currents, (3) tide-driven bottom currents, mostly in submarine canyons, and (4) internal wave/tide-driven baroclinic currents. Contourites are deposits of thermohaline-driven geostrophic contour currents. Contourites can be muddy or sandy in texture, siliciclastic or calciclastic in composition. Traction structures are common in deposits of all four types of bottom currents. However, there are no diagnostic sedimentological or seismic criteria for distinguishing ancient contourites from other three types. The Gulf of Cadiz is the type locality for the contourite facie model based on muddy lithofacies. However, this site is affected not only by contour currents associated with the Mediterranean Outflow Water (MOW) but also by other factors, such as internal waves and tides, turbidity currents, tsunamis, cyclones, mud volcanism, methane seepage, sediment supply, porewater venting, and bottom topography. IODP (Integrated Ocean Drilling Program) 339 cores from the Gulf of Cadiz do not show primary sedimentary structures, which are necessary for interpreting depositional processes. Therefore, the contourite facies model is sedimentologically obsolete. Bottom-current reworked sands of all four types have the potential for developing petroleum reservoirs. Modern sandy carbonate contourites have a measured maximum porosity of 40% and a maximum permeability of 9 881×10−3μm2due to the winnowing away of muds from the intergranular primary pores by vigorous contour currents. These carbonate contourites are hemiconical-shaped bodies that are up to 600 m in thickness and nearly 60 km in length. Empirical data of modern contourites also show potential for seal and source-rock development. Therefore, future petroleum exploration and development should focus attention on these often overlooked siliciclastic and calciclastic deep-marine reservoirs.

bottom currents; contourite reservoirs; Gulf of Cadiz; Florida Current; traction structures; process sedimentology

TE<122.2 class="emphasis_bold">122.2 文献标识码：A122.2

A

1000-0747(2017)02-0177-19

10.11698/PED.2017.02.02

Shanmugam G（1944-），男，博士，美国德克萨斯州立大学教授，主要从事过程沉积学、事件沉积学、层序地层学、成岩作用、烃源岩地球化学等多方面研究。地址：Department of Earth and Environmental Sciences，The University of Texas at Arlington，Arlington, TX 76019, USA。E-mail: shanshanmugam@aol.com

2016-06-26

2017-01-18