應(yīng)用陸坡形態(tài)—遷移軌跡組合法尋找大型富砂深水扇

陳亮，于水，胡孝林，趙紅巖，陳宇航，趙千慧

1.中海油研究總院，北京 100028 2.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065 3.中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北廊坊 065000

0 引言

深水油氣勘探逐漸成為全球油氣勘探的熱點(diǎn)之一，具有十分廣闊的勘探前景。如今深水油氣勘探的主戰(zhàn)場(chǎng)集中在被動(dòng)大陸邊緣盆地，幾乎所有的被動(dòng)大陸邊緣均有共同的地貌特征，大陸架—大陸坡—深海平原。對(duì)于深水石油勘探而言，陸坡上的沉積至關(guān)重要，陸坡上的重力流沉積是深水油氣勘探的重要儲(chǔ)層[1]，深水扇作為深水重力流的重要產(chǎn)物，以其規(guī)模大、砂質(zhì)含量高的顯著特點(diǎn)，已成為深水油氣勘探的優(yōu)質(zhì)目標(biāo)，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的日益關(guān)注[2- 3]。隨著高精度三維地震資料的廣泛使用，在層序格架內(nèi)，綜合少量鉆測(cè)井資料，對(duì)深水扇進(jìn)行精細(xì)刻畫已逐漸成為主流[4- 7]。近年來(lái)，隨著層序地層與深水沉積過(guò)程研究的不斷深入，陸坡遷移軌跡由于富含物源供給、相對(duì)海平面變化等多重信息受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。眾多學(xué)者開(kāi)始研究陸坡遷移軌跡與深水重力流沉積尤其是深水扇的關(guān)系。

1 陸坡形態(tài)

針對(duì)陸坡形態(tài)，卓海騰等[8]通過(guò)定量數(shù)據(jù)對(duì)南海北部陸坡形態(tài)進(jìn)行擬合，將陸坡形態(tài)劃分為三種類型，包括平直型、下凹型和S型，并綜合構(gòu)造、沉積物供給、海流和內(nèi)波、海平面變化等對(duì)造成陸坡形態(tài)差異的原因進(jìn)行了探討；王海榮等[9]討論了南海陸坡形態(tài)與紅河物源供給及構(gòu)造古地貌的關(guān)系；國(guó)外學(xué)者中，O'Gradyetal.[10]依據(jù)衛(wèi)星采集的海底陸坡形態(tài)資料，把全球50余個(gè)被動(dòng)大陸邊緣劃分為5類，分別為平緩—平滑型陸坡(Gentle and Smooth Margin)、S型陸坡(Sigmoid Margin)、陡峭—粗糙型陸坡(Steep and Rough Margin)、深—陡型陸坡(Deep and Steep Margin)、階梯型陸坡(Stepped Margin)。其中平緩型陸坡主要發(fā)育在物源供給充足、海底地形平緩的環(huán)境中。不同時(shí)期的陸坡形態(tài)對(duì)宏觀判斷物源供給強(qiáng)度具有一定的指示作用。Carvajaletal.[11]突出了物源對(duì)于陸坡形態(tài)的控制，認(rèn)為物源是陸架邊緣生長(zhǎng)的主動(dòng)力，自層序地層學(xué)誕生以來(lái)，學(xué)者們往往過(guò)于強(qiáng)調(diào)海平面變化對(duì)于深水砂體沉積的控制作用，而忽視了物源供給的重要性。Carvajaletal.[11]把陸坡劃分為兩種類型，第一種陸坡高度小于1 000 m，陸架邊緣的進(jìn)積速率小于60 km/My，加積速率小于270 m/My，陸坡形態(tài)較為平緩，陸坡上的盆地能快速充填；第二種陸坡高度大于1 000 m，陸架邊緣的進(jìn)積速率小于40 km/My，加積速率小于2 500 m/My，陸坡形態(tài)陡峭，陸坡上的盆地充填較慢，常發(fā)育重力滑脫構(gòu)造。

2 陸坡遷移軌跡

對(duì)于陸坡遷移軌跡，Carvajaletal.[12- 13]以詳實(shí)的井資料論證了陸坡遷移軌跡與深水扇規(guī)模的關(guān)系。文中陸坡遷移軌跡主要有平直型、小角度上升型和高角度上升型。三種遷移軌跡對(duì)應(yīng)的陸坡上均發(fā)育深水扇沉積，但深水扇沉積的規(guī)模具有明顯不同，其中平直型和小角度上升型遷移軌跡所對(duì)應(yīng)的深水扇規(guī)模更大(圖1)。如圖1所示，L代表C7沉積時(shí)期陸坡的最大進(jìn)積距離，H代表該時(shí)期的地層加積厚度。通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)認(rèn)為陸坡進(jìn)積/加積的比值越大(或陸坡最大進(jìn)積距離越大)，深水扇的規(guī)模越大(圖2)。陸坡進(jìn)積/加積的比值越大(或陸坡最大進(jìn)積距離越大)，意味著陸架上更多的陸源碎屑被搬運(yùn)到了陸坡上，物源供給充足，因而更易形成大型深水扇。小角度上升型和平直型遷移軌跡的陸坡進(jìn)積/加積的比值明顯大于高角度遷移軌跡，故深水扇的規(guī)模更大。Helland- Hansenetal.[14]， Henriksenetal.[15]，Bullimoreetal.[16]討論了陸坡遷移軌跡與相對(duì)海平面升降之間的關(guān)系(圖3)，上升型遷移軌跡和下降型遷移軌跡主要是在相對(duì)海平面上升和下降階段形成，相對(duì)海平面上升速率越快，上升型陸坡遷移軌跡的角度越大；平直型遷移軌跡是在海平面穩(wěn)定或微微下降階段所形成。Bullimoreetal.[17]的研究對(duì)于分析相對(duì)海平面變化以及深水層序地層演化具有一定的指導(dǎo)意義。

3 陸坡形態(tài)與遷移軌跡組合法

通過(guò)筆者對(duì)于陸坡形態(tài)和遷移軌跡的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外的研究只針對(duì)陸坡形態(tài)或陸坡遷移軌跡單個(gè)層面，并沒(méi)有把兩者結(jié)合起來(lái)系統(tǒng)研究。在此筆者探索性地提出利用陸坡形態(tài)—遷移軌跡組合法尋找大型富砂深水扇沉積。

首先，若要在深水中獲得具有經(jīng)濟(jì)效益的油氣發(fā)現(xiàn)，必須尋找大型深水砂體。以2D/3D地震資料為基礎(chǔ)，可以通過(guò)對(duì)不同時(shí)期陸坡遷移軌跡的研究尋找大規(guī)模深水扇的有利分布區(qū)。一般而言，平直型、下降型和小角度上升型遷移軌跡的陸坡最大進(jìn)積距離(或進(jìn)積/加積)更大，物源供給更為充足，其下部更易發(fā)育大型深水扇沉積[12]。對(duì)于深水扇而言，僅僅規(guī)模大還不夠，深水扇的儲(chǔ)集物性也極為重要。深水扇不等于砂巖儲(chǔ)集層[18]，從巖性上來(lái)看，深水扇可分為富礫、富砂和富泥型深水扇[19- 20]。深水扇的儲(chǔ)集物性一方面與陸架上的物源供給類型具有密切關(guān)系，另一方面與陸坡形態(tài)也緊密相關(guān)。Shanmugam[21]認(rèn)為，深水重力流的平面演化依次經(jīng)歷了滑移、滑塌、碎屑流和濁流四個(gè)階段(圖4)。從重力流的流變過(guò)程來(lái)看，重力流作為一種突發(fā)性的事件流和密度流，在其流動(dòng)過(guò)程中由初始的滑動(dòng)、滑塌、變形形成粗細(xì)混雜的碎屑流，到流動(dòng)過(guò)程中不斷被混進(jìn)的海水稀釋、液化、黏性降低、流態(tài)發(fā)生變化，由碎屑流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱藵崃鳌Ｉ澳嗷旌系闹亓α餍枰?jīng)歷砂泥分異過(guò)程才能析出優(yōu)質(zhì)砂巖儲(chǔ)集層，未經(jīng)分異的水道復(fù)合體及來(lái)不及分異就“凍結(jié)”的深水扇都難以形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層[18]。坡度緩、寬度大的陸坡形態(tài)更有利于重力流的砂泥分異從而較易形成儲(chǔ)集物性好的碎屑流和濁流沉積；而坡度較陡的陸坡(以直線型陸坡為主)上，重力流多以滑移滑塌為主，快速堆積在坡底，形成滑塌體沉積，儲(chǔ)集物性一般較差[8](物源為高含砂率的三角洲或?yàn)I岸沉積除外)(圖5)。因此可以通過(guò)不同歷史時(shí)期的陸坡形態(tài)來(lái)宏觀判斷富砂深水扇的有利分布區(qū)。通過(guò)以上分析，將同一時(shí)期大型深水扇與富砂深水扇的有利分布區(qū)相疊合，重疊區(qū)域即為大型富砂深水扇的有利發(fā)育區(qū)。該方法操作簡(jiǎn)單，效率較快，結(jié)合陸架物源類型分析，尤其適用于勘探程度較低，缺乏深水鉆井資料、地震資料以二維為主的海外選區(qū)研究階段。

圖1 不同類型陸坡遷移軌跡與深水扇規(guī)模的關(guān)系(據(jù)文獻(xiàn)[12]修改)Fig.1 Relationships between different types of shelf- edge trajectories and scale of deepwater fan (modified from the reference[12])

圖2 陸坡進(jìn)積/加積、最大進(jìn)積距離與深水扇規(guī)模的關(guān)系(據(jù)文獻(xiàn)[12]修改)Fig.2 Relationships between slope progradation/aggradation, maximum progradational distance and scale of deepwater fan (modified from the reference[12])

圖3 陸坡遷移軌跡與海平面的關(guān)系(據(jù)文獻(xiàn)[7]修改)Fig.3 Relationships between shelf- edge trajectories and sea level (modified from the reference[7])

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 應(yīng)用陸坡遷移軌跡尋找大型深水扇

以A盆地為例，該盆地為西非北段典型的被動(dòng)大陸邊緣盆地，勘探程度極低，僅有稀疏的、分辨率較差的二維地震資料，無(wú)深水鉆井資料。在該資料基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)陸坡遷移軌跡的研究預(yù)測(cè)大型深水扇的有利發(fā)育區(qū)。

A盆地發(fā)育3種陸坡遷移軌跡類型，分別為上升型、下降型和平直型陸坡遷移軌跡，三種遷移軌跡的發(fā)育時(shí)期分別為漸新世—全新世和土倫—三冬期， 最大進(jìn)積距離分別為3.5 km、8.6 km、9.7 km，進(jìn)積速率分別為0.15 km/Ma、0.86 km/Ma、0.97 km/Ma(表1)?？梢?jiàn)平直型—下降型陸坡遷移軌跡所對(duì)應(yīng)的陸坡進(jìn)積距離更大，因此在土倫—三冬期，平直—下降型遷移軌跡所對(duì)應(yīng)的陸坡上，更易發(fā)育大型深水扇沉積。該時(shí)期平直—下降型遷移軌跡主要分布在盆地的西部和東部拐角地帶，因此該區(qū)域更有利于形成大型深水扇沉積(圖6A)。

圖4 深水重力流演化的四個(gè)階段(據(jù)文獻(xiàn)[10]修改)Fig.4 Four stages of deep- water gravity flow evolution (modified from the reference[10])

圖5 陸坡形態(tài)與深水重力流沉積(據(jù)文獻(xiàn)[8]修改)Fig.5 Slope geometries and deep- water gravity flow deposits (modified from the reference[8])

圖6 A盆地陸坡形態(tài)—遷移軌跡組合法成果圖a.大型深水扇分布圖；b.陸坡形態(tài)分布圖；c.大型富砂深水扇分布圖Fig.6 Combination of slope geometries and shelf- edge trajectories result diagram of A Basin

4.2 應(yīng)用陸坡形態(tài)尋找富砂深水扇

對(duì)于深水扇而言，除了規(guī)模其儲(chǔ)集物性也是至關(guān)重要的。由于陸坡形態(tài)與深水重力流沉積過(guò)程有直接聯(lián)系，因此可以通過(guò)對(duì)陸坡形態(tài)的研究對(duì)深水扇的儲(chǔ)集物性進(jìn)行宏觀分析。若被動(dòng)陸緣漂移期的構(gòu)造演化較為簡(jiǎn)單，早期的陸坡形態(tài)與現(xiàn)今陸坡形態(tài)類似，則可采用將今論古的思路，通過(guò)對(duì)現(xiàn)今陸坡的研究類比古陸坡，從而宏觀分析富砂深水扇的有利發(fā)育區(qū)。

以A盆地為例，陸坡形態(tài)可分為上凸型陸坡(2°～3°)、下凹型陸坡(3°左右)、坡坪型陸坡(8°～17°左右)和直線型陸坡(4°～11°)(表2)。陸架邊緣至坡腳(坡度接近0°)皆為陸坡范圍，本次研究將陸坡寬度進(jìn)行三等分，分別為上陸坡、中陸坡、下陸坡。陸坡坡度向海方向逐漸降低，陸架破折到坡腳連線的坡度為陸坡的整體坡度。上凸型陸坡在四種陸坡類型中規(guī)模最大，坡度最緩，呈現(xiàn)向上凸的形態(tài)特征。其中上陸坡坡度2.68°，總體2.3°，陸坡寬度55.4 km，陸架與陸坡間較為平滑，陸架坡折不易識(shí)別。下凹型陸坡上陸坡坡度7.3°，下陸坡2.3°，上陸坡坡度較大，向下坡度逐漸變緩，總體為2.97°左右，陸坡寬度49.3 km，較上凸型陸坡而言，下凹型陸坡坡度增大，寬度減小，陸架坡折形態(tài)明顯。坡坪型陸坡形態(tài)上與坡坪型斷層較為相似，縱向上可分為三段，上陸坡坡度16.7°，中陸坡5.7°，下陸坡15.1°，整體8.0°，陸坡寬度僅為38.4 km。直線型陸坡整體形態(tài)近于直線，上陸坡坡度10.7°，整體4.26°，陸坡寬度較窄，僅35.2 km，陸架坡折非常突兀(圖7)。四種陸坡類型中，上凸型陸坡坡度小，寬度大，更有利于深水重力流的砂泥分異，從而有利于發(fā)育富砂深水扇，下凸型陸坡次之，而直線型和坡坪型陸坡坡度大，寬度小，一般情況下，不利于富砂深水扇的發(fā)育。以2D地震資料為基礎(chǔ)，研究表明上凸型陸坡僅在A盆地的東部拐角地帶小范圍分布，下凹型陸坡主要分布在盆地的東部和西部(圖6B)。上凸型陸坡和下凹型陸坡分布的區(qū)域更有利于發(fā)育富砂深水扇沉積。

表2A盆地陸坡形態(tài)分類

Table2ClassificationofslopegeometriesinAbasin

圖7 陸坡形態(tài)分類a.上凸型陸坡；b.下凹型陸坡；c.坡坪型陸坡；d.直線型陸坡(剖面位置見(jiàn)圖6B)Fig.7 Classification of slope geometries

4.3 應(yīng)用組合法確定大型富砂深水扇有利發(fā)育區(qū)

綜合以上研究成果，將土倫—三冬階大型深水扇與富砂深水扇的有利分布區(qū)相疊合，重合區(qū)域即為大型富砂深水扇的有利分布區(qū)，主要集中在A盆地的東部拐角地帶和西部區(qū)域(圖6C)。該方法在低勘探程度、二維地震資料為主的資料背景下，宏觀預(yù)測(cè)出大型富砂深水扇的有利分布區(qū)，為A盆地的海外戰(zhàn)略選區(qū)提供了一定的技術(shù)支撐。

4.4 應(yīng)用組合法分析盆地沉積演化模式

應(yīng)用組合法還可宏觀分析被動(dòng)大陸邊緣漂移期的沉積演化模式。以A盆地為例，土倫—三冬期，相對(duì)海平面下降，物源供給充足，此階段發(fā)育平直及下降型陸坡遷移軌跡，在下凹和上凸型陸坡上，發(fā)育大型深水扇沉積，在直線和坡坪型陸坡上易發(fā)育滑塌沉積(圖8a)；漸新世之后相對(duì)海平面迅速上升，物源供給不足，此階段以高角度上升型陸坡遷移軌跡為主，上凸和下凹型陸坡上主要發(fā)育小規(guī)模的退積扇體，由于陸坡變陡，滑塌沉積較為發(fā)育(圖8b)。

圖8 A盆地沉積演化模式a.土倫期—三冬期；b.中新世—全新世Fig.8 Sedimentary evolution model in A Basin

5 結(jié)論

(1) 應(yīng)用陸坡形態(tài)—遷移軌跡組合法快速宏觀尋找大型富砂深水扇的有利發(fā)育區(qū)。首先平直型—下降型遷移軌跡所對(duì)應(yīng)的陸坡上更有利于發(fā)育大型深水扇；其次坡度緩、寬度長(zhǎng)的陸坡上有利于重力流的砂泥分異，從而發(fā)育富砂深水扇；通過(guò)組合法，把盆地同一時(shí)期二者的分布區(qū)域相疊合，重疊區(qū)即為該時(shí)期大型富砂深水扇的有利分布區(qū)。以A盆地為例，A盆地發(fā)育上升型、平直型、下降型三種陸坡遷移軌跡類型，其中土倫—三冬期所發(fā)育的平直—下降型遷移軌跡對(duì)應(yīng)的陸坡遷移速率更快，更有利于大型深水扇沉積；同時(shí)A盆地發(fā)育上凸型、下凹型、直線型和坡坪型四種陸坡類型，上凸型與下凹型陸坡的坡度更緩，寬度更大，有利于發(fā)育富砂深水扇沉積。將同一時(shí)期的大型、富砂深水扇的有利分布區(qū)相疊合，重疊區(qū)域即為該時(shí)期大型富砂深水扇的有利發(fā)育區(qū)，主要位于A盆地東部拐角帶與盆地西部。

(2) 應(yīng)用組合法可研究盆地漂移期的沉積演化模式。如A盆地，土倫—三冬期，相對(duì)海平面下降，物源供給充足，陸坡遷移速率較快，以平直及下降型陸坡遷移軌跡為主，在下凹和上凸型陸坡上，發(fā)育大型深水扇沉積，在直線和坡坪型陸坡上發(fā)育滑塌沉積；漸新世之后相對(duì)海平面迅速上升，物源供給減弱，陸坡遷移速率減慢，以高角度上升型陸坡遷移軌跡為主，在下凹和上凸型陸坡上，發(fā)育小型退積深水扇沉積，在直線和坡坪型陸坡上發(fā)育滑塌沉積。

致謝 審稿人對(duì)本文給予了肯定并提出了寶貴的建議，本刊編輯給予了具體的修改意見(jiàn)，在此一并表示由衷的感謝！

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