深水砂体成因研究新进展

Shanmugam G

（美国德克萨斯州立大学阿灵顿分校地球环境科学系）

1 研究背景

现代海洋勘探始于1872年12月—1876年5月的“挑战者”号大洋航行[1]。尽管海洋测绘学已在世界范围内取得了许多成果，但对沉积物搬运到深海的物理过程仍未有合理解释。因为在深海环境下直接观察和测量这种运移过程非常困难。深海环境中的沉积过程与沉积物非常复杂（见图1），由此产生了很多容易混淆的术语及相关机理[2-3]。

浊流的概念在过去60多年的重力流研究中影响深远[2-3]，然而，浊流概念体系因只建立在沉积相模型上而存有缺陷，如经典浊流的“鲍马序列”[4]以及高密度浊流或粗粒浊流的“Lowe序列”[5]。这些模式没有从现代海洋“砂质浊流”中获得过经验数据，仅通过露头研究了古代岩心，尤其是还没有人能够通过不同沉积物浓度和粒度的实验证实现代海洋中能产生真实的砾石级浊流和砂质浊流[2-3]，也无人能通过实验室水槽实验证实浊流能够通过悬浮机制运载砂或砾石，并产生垂相的浊流相模式。虽然存在上述问题，但由于认识误区的存在，浊流概念还是日渐流行[6]。

图1 深海陆架斜坡坡折带沉积体系示意图

与尚不明确的浊流以及浊流沉积物概念不同，砂质块体搬运沉积物和底流再改造砂体已经通过水下摄像机和其他手段在大洋海底峡谷[7]、海底朵页状扇体[8]以及开放陆架高地[9]等地区探测到。砂质块体搬运沉积物和底流再改造砂体是合理解释古代沉积物的重要概念（即均变论）。世界范围内的勘探和研究实例证实砂质块体搬运沉积在深水油气勘探开发中的重要性正逐渐增强，例如：位于挪威近海 Storegga滑塌带上的Ormen大气田[10]，以及北海[11-13]、挪威海[14]、墨西哥湾[2-3]、巴西近海[2,15]、西非[2]、俄罗斯[15]、中国[16-17]、印度孟加拉湾[18]等均发现了砂质块体搬运和砂质注入体成因的油气藏。目前有关砂质块体搬运成因油藏特征[19]以及块体搬运与油气成藏关系的研究[20-21]不断增多。块体搬运沉积是深水沉积的重要组成部分，如巴西东南部的Espírito Santo盆地，其始新统—渐新统的50%为块体搬运沉积[22]。块体搬运也给近海钻井平台和运输管道带来了巨大危害。1965年5级飓风Camille引发了海底泥质流，摧毁了墨西哥湾近海密西西比三角洲地区的70B号钻井平台[23]，海底（水深90 m）滑动超过1 km[24]。2004年5级飓风Ivan[25]引发的泥石流摧毁了陆架边缘水深146 m处的密西西比峡谷20号钻井平台[24]和17条输油管线。

现代陆架边缘200 m水深是划分浅海与深海的界限（见图 1）。石油工业正逐渐将勘探重点转向深海领域以满足日益增长的油气需求，因此深水沉积过程的深入研究对油气工业非常重要。深水沉积环境中，陆架边缘向海盆地区主要发育块体搬运和底流沉积，块体搬运表现为重力驱动下的沉积物滑塌、滑动以及滑坡。大陆边缘是沉积物滑坡的理想场所，这些部位的斜坡沉积物易发生崩塌。一旦发生滑动，当剪切应力超过剪切强度，崩塌的沉积物即顺坡滑下。为证实现代和古代沉积中的砂质块体搬运（砂质滑动、砂质滑塌、砂质碎屑流）和底流改造砂体（温盐流、等深流、风力驱动流和潮汐流沉积物），笔者在 1974—2012年间对世界范围内35个实例（包括32个油藏）的岩心和露头（比例尺 1∶20～1∶50）进行了精细描述和解释，累计厚度超过10 km[2-3]。基于这些工作，本文重点阐述深水砂体搬运沉积过程及其研究最新进展。

2 沉积物重力流搬运过程分类

1963年 Dott提出了沉积物重力搬运过程分类方案[26]，与 1958年 Varnes提出的水下块体搬运过程分类方案有相似之处[27]。Dott将水下沉积物重力搬运过程按照其流体力学机制大致分为：①弹性流；②弹性-塑性流；③塑性流；④黏滞性流。弹性流系指岩崩，弹性-塑性流代表滑动和滑塌，塑性流代表碎屑流，黏滞性流代表具有牛顿流体性质的浊流（见图 2）。Dott分类方案的意义在于其划分的块体搬运沉积过程中并不包含浊流[26]。岩崩是指陡坡上的岩石碎片突然崩落，由于在古代沉积物中鉴别岩崩非常困难，因此本文不单独将其划为一类。本文将块体搬运过程分为 3个基本类型：滑动、滑塌及碎屑流（见图2）。

图2 深水环境下重力驱动滑坡过程示意图

Dott分类的核心原则是根据沉积物浓度将固态和流体状态的两种搬运形式区别开来[26]，固态搬运模式（弹性-塑性流）具有较高沉积物浓度（体积分数25%～100%，见图2）。固态搬运最为典型的即块体搬运，其特征是颗粒或团块呈一个完整的集合体整体搬运；流体搬运最为典型的即浊流，浊流中单个颗粒在紊乱流体中呈悬浮状态[26,28]。浊流的特征即较低的沉积物浓度（体积分数1%～23%，见图2），总之，浊流流态是其流体浓度较低决定的。块体搬运可发生在地表和水下环境中，但浊流只能发生在水下。

3 砂质块体搬运的鉴别标志

对砂质块体搬运沉积的研究始于1881年对瑞士阿尔卑斯山Elm滑坡的研究，之后对地表和水下块体搬运的识别研究产生了多种分支学科[29]，研究方法包括：①现代大洋海底观测；②间接速度计算；③遥感技术；④通过古代岩石证据辨别。滑塌、碎屑流以及浊流的岩心和露头识别标志见文献[2-3]。

砂质块体搬运沉积定义中，“砂质”是指岩相中粒径达到0.06 mm的砂级和砾级颗粒体积分数达20%。3种主要砂质块体搬运沉积分别为砂质滑动、砂质滑塌和砂质碎屑流，这 3种沉积相是重要的深水储集层发育相带[2-3]。上述定义及分类也适用于深水湖泊，如世界最深的西伯利亚贝加尔湖（1 637 m）已识别出浊流沉积物[29]。

3.1 砂质滑动

滑动是指沉积物作为一个整体沿二维滑动面移动而内部不发生形变的运动过程，代表平移剪切移动（见图2）。在常规岩心和露头上，砂质滑动具有以下鉴别标志：①底部主剪切面；②底部剪切带；③砂质注入体；④内部二次滑动面；⑤内部结构变化；⑥上接触面突变（见图3）。从岩心上识别这些厘米级的鉴别标志非常重要，通过箱状测井曲线和地震数据则无法识别（见图3）。

图3 砂质滑动构造的测井曲线及岩心照片

海底大陆坡可滑移数百千米，目前已发现运移长达 800 km的滑动[2-3]。海湾是滑动高发区，海底峡谷两侧因具有较陡的角度也易于诱发滑动。

3.2 砂质滑塌

滑塌是指内部连贯的沉积物沿上凹滑动面运移，经历旋转变形而造成内部形变的运动过程，代表旋转剪切运动（见图2）。砂质滑塌识别标志为：①砂质褶皱（见图 4）；②变形岩层与未变形岩层叠置（见图 4）；③搅浑砂岩夹杂变形碎屑；④突变上接触面；⑤砂质注入体。

3.3 砂质碎屑流

图4 砂质滑塌构造识别标志

碎屑流是一种塑性沉积物流，内部呈线性层流，沉积物整体停止流动，块状固结。碎屑流和块体流名称可互换，因为它们都代表塑性流动以及块体中分布的纯剪切力。在碎屑流中，颗粒间的相对运动占主导地位，纯剪切运动次之。碎屑流可以是富泥质的（即泥质碎屑流）、富砂质的（即砂质碎屑流）或者两者混合类型。砂质碎屑流的鉴别标志包括：①厚层块状砂岩叠置；②突变底部接触面；③反粒序；④流动的碎屑颗粒；⑤流动的泥质颗粒以及泥球；⑥碎屑颗粒呈水平或无序排列；⑦变形层；⑧砂质注入体；⑨突变、不规则的上接触面。

4 浊积岩鉴别标志

“浊积岩”表征浊流沉积物。浊流是具有牛顿流体性质的沉积物流，呈湍动状态，颗粒被湍流支撑且悬浮沉降[2,26,28-31]。浊流通常表现出非稳定和不均一的流体性质，能量呈涌浪状递减。浊流的鉴别标志包括：①细砂到泥基质韵律；②正粒序；③突变或侵蚀底界面；④粒度渐变的上接触面；⑤薄互层（单层一般为厘米级）；⑥薄板状的地质几何形态。在地质剖面和多波速测量影像上很难识别厘米级浊流沉积。事实上，砂质和砾质的深水沉积物形成砂质块体搬运沉积[2-3]，但是，人们经常使用错误术语“高密度浊流”，将这些砂质沉积物解释为“高密度浊积岩”。浊流本身沉积物浓度低（即低密度流）（见图2），真正的高密度浊流并不存在。因此，“高密度浊流”只不过是“砂质碎屑流”的另一种说法[31]。

5 底流再改造砂体的识别

底流再改造砂体（BCRS）是重要油气储集层[2-3]。除了重力驱动的滑坡块体流和浊流，底流也是相当重要的深海搬运沉积方式[32]。底流可能与斜坡平行，也可能形成与斜坡无关的环形（螺旋形）流动，还可能在海底峡谷下上运动（潮汐），而浊流只能沿斜坡向下流动（见图1）。笔者已识别出4种基本的底流沉积[32]：①温（盐）度引起的自转型底流或等深流（见图 1）；②风力驱动底流；③深水潮汐底流；④内波、内潮汐引起的斜压流（见图5）。温盐底流和风力驱动底流再改造砂体的鉴别标志是其牵引构造（见图6）。深水潮汐底流的特征是砂泥岩韵律层、双黏土层、爬升层理、泥质拖曳层理、平行层理、交错层理、S型交错层理与泥质拖尾、内部侵蚀面、透镜状层理、压扁层理[33]发育，这些特征表现出牵引和悬浮过程的交替。内波是一种重力波，产生在两个不同密度的水层（密度跃层）之间（见图 5）。内潮汐是具有潮汐频率的内波，潮汐底流由表层潮汐引起。

关于底流再改造砂体的识别尚有很多问题有待解决。①虽然对现代内波和内潮汐进行了详细的理论、实验、观察及数学分析，但尚无岩心资料证实现代海洋环境中斜压流是如何形成这些沉积构造的[34-35]，因此，难以建立区分以下几种流体的鉴别标准：表面波和内波沉积物；表面潮汐和内潮汐沉积物；内波和内潮汐沉积物；斜压流砂体和浊积岩[34-35]。②Mulder等证实现代 Biscay海湾海底峡谷的高速流与内潮汐有关，但没有提供经验数据区分斜压流和正压流[36]。③一些研究者将野外露头上的古代地层解释为内波和内潮汐沉积[37-40]，却没有任何密度跃层的证据（密度跃层是这些沉积物的首要证据[35]）。④Pomar等将西班牙东北部Ricla地区上侏罗统具有丘状交错层理的“风暴岩”重新解释为内波沉积物[39]，这个解释说明内波可以形成丘状交错层理，但由于丘状交错层理的成因存有争议[34-35]，Pomar等需要足够数据证实内波也能够形成丘状交错层理。⑤何幼斌等[38]将中国盆地平原环境中奥陶系解释为内波和内潮汐沉积。但由于内波不能在没有海底山和山脊的平原地区产生[41]，故盆地平原环境中最不易产生内波和内潮汐沉积物（见图 5）。如果不能利用现代海洋实验及岩心数据解决这些基础问题，有关内波沉积物的所有解释都是不成立的。

图5 大陆斜坡、海底峡谷和海底山附近的斜压流沉积过程示意图

图6 表征底流再改造砂体的牵引构造模型

6 沉积物滑塌的触发机制

沉积物发生滑塌的影响因素有重力、沉积颗粒自重、斜坡角度、滑脱面的强度4个方面。Masson等[42]和 Feeley[43]对引起块体搬运的一般触发机制进行了梳理，认为至少存在19种引起深水块体搬运沉积的机制（见图 7—图 9）。在一些大陆架边缘深水地带，几个触发机制可同时作用，例如地震和海啸[44]。

按照持续时间长短，事件性沉积的触发机制可分为 3种类型：①几分钟、几小时或者几天的短期触发机制；②持续几百至上千年的中期触发机制；③持续上千至百万年的长期触发机制[45]。相较而言，中期触发机制易于在沉积体上观测到，短期和长期触发机制则很难通过沉积体分辨。此外，这些触发机制不应和沉积过程混淆，例如碎屑流，在特定时间和地点，多种触发机制都能引发碎屑流，从沉积记录上却无法区别到底是源于哪一种触发机制和搬运过程[44-46]。

图7 墨西哥尤卡坦半岛Chicxulub陨石海啸搬运分布

图8 海啸天气沉积物搬运过程示意图

图9 飓风天气与晴朗天气沉积物搬运过程区别

石油工业界一直认为低位域模式是解释同时期深水砂体沉积的经典模式，例如Saller等[47]曾将Makassar海峡（印尼海）Kutei盆地油藏的深水砂体归因于海平面下降。事实上，Kutei盆地所处的地理环境异常复杂，频繁受到地震、火山、海啸、热带风暴、洪水、印度洋表层流以及 M2斜压潮汐流的影响[48]。这些太阳系的日常活动（例如地震、陨石、海啸、风暴浪等）在低位域沉积期并不停止。印尼海位于构造不稳定、海洋不平静的地带，短期事件是深水滑坡的主要触发机制，它们可能只持续几小时或几天，高位域和低位域时期均有发生[49]。

墨西哥湾北部 BAHA2号预探井钻遇的古新统Wilcox层深水砂体曾被解释为低位域浊积扇[50]。考虑到Wilcox层发育位置和年代，钻遇的古新统深水砂体还可归因于Chicxulub陨石撞击引起的地震和海啸（见图 7、图 8）。由于低位域模式占主导地位，这种真实环境中的触发机制常常被忽略。

此外，笔者还注意到了热带风暴在高位域时期对深水砂岩沉积的重要性[49]（见图 9）。1989年 9月 17日Hugo飓风[51]肆虐美国弗吉尼亚岛St.Croix地区，形成行进速度超过204 km/h的飓风，巨浪高达6～7 m。近海St.Croix地区Salt River峡谷中，仪表检测到冲向峡谷的巨浪速度达2 m/s，最大速度可达4 m/s。Hugo飓风在Salt River峡谷30 m水深地区侵蚀砂体厚度达2 m，至少2 000 t沉积物从Salt River峡谷搬运到深海区[51-55]。总之，在目前海水高位域时期，世界范围内的现代海底峡谷沉积物搬运都与热带风暴和海啸关系密切[49]。大量经验数据证实，在目前海水高位域时期，热带风暴和海啸是将沉积物搬运到深海的两种重要自然现象，因此，用低位域模式来解释深水砂体块状搬运沉积显然是不合理的[49,56]。

7 砂质块体搬运理论在中国的应用

中国学者很早就认识到了砂质碎屑流块体沉积和底流沉积的重要性[57-61]：秦建华[60]强调砂质碎屑流和底流再改造是对传统浊积岩成因的更合理解释；傅文敏[59]讨论了高密度浊流和砂质碎屑流之间的争议；李祥辉等[61]运用砂质碎屑流概念解释了西藏特提斯海块状砂体成因。近期，砂质碎屑流概念被应用到中国中部鄂尔多斯盆地上三叠统延长组油藏成因解释中[16-17]，邹才能等[17]通过对鄂尔多斯盆地上三叠统延长组 30余口井常规岩心与地震资料进行沉积学研究，建立了深湖相沉积模式（见图10），该模式显示，深湖斜坡带及其下部以砂质碎屑流沉积物为主，向湖盆中心方向递变为浊流沉积。陆相湖盆砂质碎屑流模式的建立，突破了“湖盆中部以泥质沉积为主，缺乏有效储集体”传统沉积模式的束缚，对陆相湖盆中部寻找大规模岩性、连续型非常规油气具有重大理论和实践意义。该模式指导鄂尔多斯盆地华庆地区发现了 5×108～10×108t级大油田，对松辽、渤海湾盆地乃至世界范围内相似深水湖盆的油气勘探也具有重要借鉴意义。

图10 中国鄂尔多斯盆地上三叠统延长组深湖沉积模式[17]

8 结语

浊流体系建立的基础不可靠，既无经验数据，也无现代海洋中砂质浊流的实例。由于现代海洋中没有砂质浊流存在的证据，浊流理论模型和实验观测不能用来解释古代地层中的砂质“浊积岩”，因此，本文所提的砂质块体搬运沉积和底流沉积理论是传统浊流理论的最好替代。在高位域时期，地震、陨石、海啸、热带风暴能在几小时或几天之内引起砂质块体搬运沉积，因此，石油地质学家应该逐渐放弃海底扇和低位域模式，转而接受砂质块体搬运沉积和底流沉积等新观点。未来油气勘探开发领域中，砂质块体搬运沉积和底流沉积理论将是理解深水砂岩成因和进行储集层分布预测的基础。

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