砂質(zhì)碎屑流典型特征及識別標志

肖子洋，黃傳炎，謝 通，李邦勇，李 媛

(1.構造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

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砂質(zhì)碎屑流典型特征及識別標志

肖子洋1，2，黃傳炎1，2，謝 通1，2，李邦勇1，2，李 媛1，2

(1.構造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

通過對北部灣盆地福山凹陷流沙港組一段巖心觀察，理清砂質(zhì)碎屑流沉積構造特征——發(fā)育豐富的塊狀構造和滑塌變形構造，可見大量泥礫；識別出巖性的垂向組合特征，由底至頂為含礫砂巖段—細砂巖段—泥巖段。從砂質(zhì)碎屑流的定義、巖石學特征和流變學特征等3個方面出發(fā)，總結出砂質(zhì)碎屑流的識別標志——大套塊狀砂巖頂部與泥巖突變接觸，底部與含礫砂巖不整合接觸，砂巖中泥質(zhì)撕裂屑和漂浮泥礫現(xiàn)象豐富，滑塌變形構造十分發(fā)育。研究結論可為砂質(zhì)碎屑流的研究以及深水沉積油氣勘探提供科學依據(jù)。

砂質(zhì)碎屑流；深水沉積；漂浮泥礫；塑性流體；構造特征；福山凹陷

0 引 言

深水沉積是全球油氣勘探開發(fā)研究的熱點領域，而針對深水沉積的研究始于對濁流的認識，Kuenen在1950年提出濁流為粒序遞變層理的成因，開啟了深水沉積研究的大幕。19世紀70年代鮑馬序列的提出和深水沉積扇模式的建立過程中，濁流成因占據(jù)了深水沉積的主導，直到20世紀90年代后，以Shanmugam為代表的沉積學家對于深水區(qū)域發(fā)育的砂體的成因提出了新觀點——砂質(zhì)碎屑流成因。砂質(zhì)碎屑流的提出引發(fā)了深水沉積研究的熱潮，沉積學家將關注點轉(zhuǎn)移到砂質(zhì)碎屑流的研究中，其研究對當前全球深水油氣勘探有重大意義。

1 砂質(zhì)碎屑流的定義

砂質(zhì)碎屑流是深水沉積研究的最新進展，許多沉積學家陸續(xù)提出了在深水區(qū)發(fā)育大規(guī)模砂質(zhì)碎屑流的新認識。與以往對濁積巖的認識不同，Shanmugam認為砂質(zhì)碎屑流是一種沉積物呈塑性塊體搬運狀態(tài)的黏滯性流體[1](圖1，圖1據(jù)文獻[2]有改動)。換言之，砂質(zhì)碎屑流是一種界于低密度濁流和泥質(zhì)碎屑流之間的黏滯性塑性流體，其形成階段界定于滑塌變形碎屑形成期與真正低密度濁流期之間，并且砂質(zhì)碎屑流呈層狀或塊狀流動，碎屑顆粒含量一般為中等—高，泥質(zhì)含量一般為低—中等，以團塊狀整體固結沉積。從其沉積物支撐機制來看，砂質(zhì)碎屑流主要受基質(zhì)強度、分散壓力和浮力控制。

2 砂質(zhì)碎屑流巖石學特征

砂質(zhì)碎屑流最具代表性的巖性標志為含泥礫砂巖與無任何層理的塊狀砂巖[3]。含泥礫砂巖的巖性較細，主要有粉砂巖、細砂巖，其次為泥質(zhì)粉砂巖，泥礫的粒徑差異較大，一般為1～3 cm，最大可達10 cm。粒徑的大小與滑塌變形規(guī)模及砂質(zhì)碎屑流運移距離的長短有關?；冃蔚囊?guī)模越大，泥礫的粒徑越大；砂質(zhì)碎屑流運移距離越遠，泥礫的粒徑越小。劉昕、潘樹新等通過粒度分析方法[4-5]研究砂質(zhì)碎屑流的沉積環(huán)境。結果表明，砂質(zhì)碎屑流一般具有2層韻律結構，在流動分層過程中，上部沉積物泥質(zhì)含量少，屈服強度高，發(fā)育塊狀層理；下部沉積物泥質(zhì)含量多，屈服強度低，形成層流的平行層理。

3 砂質(zhì)碎屑流的賓漢塑性流特征

砂質(zhì)碎屑流的流變學特征是砂質(zhì)碎屑流區(qū)別于其他重力流的依據(jù)。濁流和砂質(zhì)碎屑流流變學特征對比研究表明，濁流為牛頓流體，砂質(zhì)碎屑流為賓漢塑性流體。呈層狀流動是識別砂質(zhì)碎屑流的重要標志[6]。濁流是由于碎屑顆粒間存在密度差異，碎屑顆粒沉降速率不同，大顆粒下沉，小顆粒懸浮形成的混合流體。沉積顆粒的正粒序是濁流沉積的典型特征。有學者按照濁流密度的不同，將其劃分為高密度濁流和低密度濁流2種類型，這種劃分頗有爭議。Shanmugam認為，從流變學特征來看，高密度濁流具有塑性流變學特征，屬于砂質(zhì)碎屑流，不應該單獨劃分為一類。實際上，砂質(zhì)碎屑流與濁流是能夠相互轉(zhuǎn)換的，砂質(zhì)碎屑流通過搬運過程中的流動分層，可以轉(zhuǎn)化為濁流；同樣，濁流伴隨著水體的注入，也可以轉(zhuǎn)化為砂質(zhì)碎屑流。

砂質(zhì)碎屑流具有特殊流變學特征的根源是砂質(zhì)碎屑流中存在的黏附力。王德坪對砂質(zhì)碎屑流的抗剪強度研究表明：砂質(zhì)碎屑流中存在黏土和水基質(zhì)形成的黏附力在沉積物抗剪強度中起主導作用，而對砂質(zhì)碎屑流沉積巖石學研究，表明沉積的原生黏土主要存在于顆粒接觸處，而空隙是被流體占據(jù)的[7]。砂質(zhì)碎屑流砂體在流動過程中，由于顆粒接觸處存在黏土和水基質(zhì)，顆粒間必然存在毛細管力作用，黏土和水基質(zhì)成了顆粒間的一種黏附劑。由于砂質(zhì)碎屑流砂體是包含巨大顆粒表面積的黏附體系，少量的黏土和水基質(zhì)在顆粒間呈薄膜狀時，產(chǎn)生的黏附力將很大。砂質(zhì)碎屑流借助這種黏附力在搬運沉積過程中能夠形成具有一定強度的塊狀砂體。

4 砂質(zhì)碎屑流發(fā)育背景及展布特征

根據(jù)重力流沉積物特征及其發(fā)育的相關位置，可以將重力流演化過程劃分為4個階段，即崩塌階段、滑塌階段、砂質(zhì)碎屑流階段、濁流階段[8]。而砂質(zhì)碎屑流的形成，需要充沛的物源，有利的地形坡度及適當?shù)挠|發(fā)機制[9]，當大量沉積物順著斜坡沉積時，砂體厚度及地形坡度不斷增大，達到一個臨界狀態(tài)，沉積物內(nèi)部形成超孔隙壓力，沉積物自身的重力大于下部泥巖的承受能力，沉積界面處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在適當?shù)挠|發(fā)機制作用下，松動的巖層首先發(fā)生滑動崩塌，然后發(fā)生滑塌，巖層破碎成多個塊體，并伴隨大量的軟沉積物變形，伴隨水體注入，巖層塊體破碎攪渾，以碎屑流的形式順著斜坡呈層狀向前流動[10]。

砂質(zhì)碎屑流在低位體系域較為發(fā)育，而砂質(zhì)碎屑流空間分布主要受深水坡折帶控制，且不同類型坡折帶對砂體的發(fā)育有不同的影響。深水坡折帶之下發(fā)育重力流沉積，之上發(fā)育牽引流沉積。寬緩型坡折帶發(fā)育的砂體一般垂直于坡折帶分布，窄陡型坡折帶發(fā)育的砂體一般平行于坡折帶分布[7]。砂質(zhì)碎屑流在平面相帶上主要發(fā)育于三角洲前緣，三角洲前緣坡折帶下發(fā)育的砂質(zhì)碎屑流舌狀體，縱向延伸不遠，橫向疊置連片，在平面上大致形成孤立舌狀體、疊加舌狀體或席狀舌狀體。

5 福山凹陷砂質(zhì)碎屑流實例分析

福山凹陷位于北部灣盆地南斜坡東緣，是中新生代發(fā)育的凹陷，受多期構造運動，其南部為海南隆起，北部為瓊州海峽，東臨云龍凸起，西與臨高凸起相接，整體為北斷南超的箕狀斷陷，區(qū)域面積約為2 920 km2[11-13]。凹陷內(nèi)發(fā)育古近系地層長流組、流沙港組及潿洲組，其中流沙港組整體為一套巨厚的湖相三角洲沉積，目前主力勘探層位為流沙港組一段，主要為深灰、灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖與灰白色含礫細砂巖、礫狀砂巖互層，砂泥層厚度不等，砂巖比例較大。

通過對福山凹陷永安地區(qū)流沙港組流一段巖心觀察，發(fā)現(xiàn)其主要是黑色泥巖和灰色細砂巖，其次為灰黑色粉砂巖和灰白色含礫細砂巖，含少量礫巖，礫石直徑為2～10 mm，分選較差—中等，磨圓度為次棱角狀—次圓狀，塊狀構造、滑塌變形構造十分發(fā)育，常見泥質(zhì)撕裂屑、漂浮泥礫和砂泥互層。根據(jù)其巖性組合特征，發(fā)現(xiàn)其主要發(fā)育一套由下至上的礫巖—含礫砂巖—細砂巖—粉砂巖—泥巖的遞變粒序?qū)永?，整體構成一個正旋回。可以將其劃分為5個層段，即泥巖段、粉砂巖段、細砂巖段、含礫砂巖段、礫巖段。泥巖段主要為黑色泥巖，含少量灰白色砂質(zhì)紋層，局部含礫，發(fā)育塊狀構造，滑塌變形構造；粉砂巖段主要為深灰色泥質(zhì)粉砂巖，少部分為灰黑色粉砂質(zhì)泥巖，發(fā)育塊狀構造，部分發(fā)育水平層理；細砂巖段主要為灰色細砂巖，含少量灰黑色泥質(zhì)紋層，細砂巖段沉積構造豐富，發(fā)育楔狀交錯層理、波狀交錯層理，塊狀構造，揉皺現(xiàn)象，微斷裂構造，包卷層理，滑塌變形構造(圖2)，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10 cm巨大的漂礫，

也可見高角礫化泥礫，呈直角或較大銳角的，發(fā)育橢圓形泥礫(圖3)；含礫砂巖段主要為灰白色含礫細砂巖，含少量含礫中粗砂巖，礫石大少一般向上呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢，粒徑為1～5 mm，分選較差—中等，磨圓度為次棱角狀—次圓狀，夾泥質(zhì)紋層，發(fā)育塊狀構造，滑塌變形構造；礫巖段主要發(fā)育灰色礫巖，粒徑為2～10 mm，分選較差—中等，磨圓度為次棱角狀—次圓狀，發(fā)育塊狀構造，滑塌變形構造，局部可見泥礫，礫巖段規(guī)模較小。

就其垂向組合關系而言，泥巖段位于砂礫巖的頂部，粉砂巖段作為泥巖段到細砂巖段的過渡層段，厚度較薄，一般為3～5 cm，細砂巖段與上覆泥巖段呈突變平行接觸，與下伏含礫砂巖段呈不整合接觸，部分發(fā)育沖刷面(圖4)，細砂巖段頂部附近有漂浮泥礫和泥質(zhì)撕裂屑集中存在現(xiàn)象，含礫砂巖段與上覆細砂巖段呈過渡接觸，完整的礫巖段比較少見。

圖4 砂質(zhì)碎屑流砂體接觸關系

在大多數(shù)情況下，5個層段發(fā)育不完整，主要為含礫砂巖段—細砂巖段—泥巖段，其次為細砂巖段—泥巖段。從整體來看，主要發(fā)育塊狀構造、滑塌變形構造，砂巖中可見泥質(zhì)撕裂屑和泥礫，砂巖中夾泥質(zhì)條帶，泥巖中夾砂巖紋層，砂泥互層比較發(fā)育。

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的，反映了砂質(zhì)碎屑流塊體運動的特征；塊狀砂巖底部也可見沖刷面，表明在砂體底面上曾發(fā)生高速滑動和強烈侵蝕作用[4]。在塊狀砂巖沉積的過程中伴隨著泥礫的形成，由于流體具有特殊的流變學特征，泥礫呈各種形態(tài)沉積。S型撕裂狀泥礫表明了塊狀流體在運動過程中對下伏沉積物的剪切作用；呈定向排列的長條狀泥礫體現(xiàn)了流體的層狀流動的特征；粒徑達10 cm巨大的漂礫體現(xiàn)了流體高密度和塑性特征，呈直角或較大銳角高角礫化泥礫，表明泥巖被打碎后快速沉積特征，而發(fā)育環(huán)形構造的橢圓形泥礫，說明泥礫經(jīng)過長時間遠距離搬運，顆粒逐漸被磨圓的過程。

在塊狀砂巖沉積過程中，發(fā)育兩大類塑性泥質(zhì)撕裂屑，不規(guī)則狀泥質(zhì)撕裂屑大多發(fā)育于具較大顆粒間摩擦力的純凈的塊狀細砂巖中，長條狀泥質(zhì)撕裂屑一般形成于塊狀粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖巖中，準同生期形成的泥質(zhì)撕裂屑一般位于塊狀砂巖頂部附近，也可出現(xiàn)在塊狀砂巖中。漂浮的泥質(zhì)撕裂屑說明砂體在搬運沉積過程中，砂質(zhì)碎屑流流體具有一定的強度和浮力支撐特征，同時也反映了砂體整體固結的沉積特征?？偟膩碚f，含漂浮泥礫和泥質(zhì)撕裂屑的塊狀砂巖的沉積特征表明流體是呈層狀流動的砂質(zhì)碎屑流，而不是紊亂狀態(tài)的濁流[8]。

通過對福山凹陷流沙港組流一段巖性特征的分析[14-16]，發(fā)現(xiàn)福山凹陷流沙港組流一段具有砂質(zhì)碎屑流的沉積特征。福山凹陷是北斷南超的箕狀斷陷，流沙港組時期是福山凹陷的主要成盆期，流一段位于半深湖—深湖區(qū)，發(fā)育重力流沉積砂體湖底扇。福山凹陷這種構造背景和沉積環(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?shù)挠|發(fā)機制。福山凹陷流沙港組流一段具有砂質(zhì)碎屑流發(fā)育演化的有利條件，結合福山凹陷流沙港組流一段沉積特征，認為福山凹陷流沙港組流一段發(fā)育砂質(zhì)碎屑流。

6 砂質(zhì)碎屑流識別標志

在總結前人研究成果的基礎上，結合福山凹陷流沙港組一段巖心特征，不難發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)碎屑流沉積巖具有以下識別特征。

(1) 巖心中常見大套塊狀砂巖。塊狀砂巖中有巨大漂浮泥礫，其底部常見沖刷面，頂部附近有漂浮泥礫和泥質(zhì)撕裂屑集中存在現(xiàn)象，漂浮泥礫和泥質(zhì)撕裂屑在塊狀砂巖中也有分布(圖5)。

圖5 砂質(zhì)碎屑流塊狀砂巖沉積特征

(2) 砂質(zhì)碎屑流常見彈性、脆性及塑性形變。除常見塊狀砂巖外，還發(fā)育大量包卷層理、滑塌變形構造及微斷裂等同沉積或軟沉積變形構造(圖3)。

(3) 塊狀砂巖與上下泥巖主要呈突變接觸，接觸面平整，局部有不整合接觸現(xiàn)象，且部分砂巖底部可見沖刷面(圖4)。

(4) 砂質(zhì)碎屑流沉積物中，泥礫比較發(fā)育，泥礫呈各種形態(tài)沉積。有S型撕裂狀泥礫，呈定向排列的長條狀泥礫，粒徑達10 cm巨大的漂礫，也可見高角礫化泥礫，呈直角或較大銳角的，發(fā)育環(huán)形構造的橢圓形泥礫(圖5)。

該識別特征可作為判斷砂質(zhì)碎屑流存在的依據(jù)。

7 結 論

(1) 福山凹陷流沙港組一段地層發(fā)育砂質(zhì)碎屑流沉積砂體。砂體中常見大套塊狀砂巖，砂體主要為黑色泥巖和灰色細砂巖，其次為灰黑色粉砂巖和灰白色含礫細砂巖，含少量礫巖，發(fā)育塊狀構造、滑塌變形構造，常見泥質(zhì)撕裂屑、漂浮泥礫，垂向上由下至上以含礫砂巖段—細砂巖段—泥巖段為主要組合特征。

(2) 重力流沉積過程中發(fā)育的砂質(zhì)碎屑流，是界于低密度濁流和泥質(zhì)碎屑流之間的黏滯性塑性流體，呈層狀或塊狀流動。砂質(zhì)碎屑流典型巖性特征是大套塊狀砂巖和含泥礫砂巖，砂質(zhì)碎屑流常見彈性、脆性及塑性形變，發(fā)育塊狀構造和滑塌變形構造，塊狀砂巖與上下泥巖主要呈突變接觸，泥礫形態(tài)豐富，這些特征都可以作為砂質(zhì)碎屑流的識別標志。

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編輯 林樹龍

20151020；改回日期：20160105

國家自然科學基金“典型斷陷富油氣凹陷層序構成樣式差異性研究”(40872077)

肖子洋(1990-)，男，2013年畢業(yè)于長江大學地球化學專業(yè)，現(xiàn)為中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事沉積學與盆地分析方面研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.011

TE121；TE122

A

1006-6535(2016)02-0045-05