西湖凹陷中部花港組異重流沉積特征及模式*

劉江艷 張昌民 侯國偉 何 苗 黃苓渝 朱 銳 胡 威

(1. 長江大學地球科學學院 湖北武漢 430100；2. 中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海 200050； 3. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

1892年，瑞士科學家Forel[1]發(fā)現(xiàn)萊茵河和羅恩河在流入康斯坦斯湖和日內瓦湖以后，渾濁寒冷的河水并沒有和干凈溫暖的湖水混合，而是潛入湖底流動，從而揭開了對異重流(hyperpycnal flows)研究的序幕。Bates等[2]最早將異重流定義為“來自河口的、密度大于其所注入水體(湖泊或海洋)的密度流”，Mulder等[3]進一步指出“異重”并非是指“高密度流”(high-density currents)，而是代表“高于一定的密度門檻”，實際上相當于Lowe[4]提出的低密度濁流(low-density turbidity currents，小于1 500 kg/m3)。但其與Bouma的經典濁流(主要以滑塌或三角洲前積層失穩(wěn)造成的觸發(fā)型濁流)不同，異重流不需要沉積物的早期積累及地震、海嘯等事件性的觸發(fā)機制，它可以在洪水期將沉積物由河口直接搬運到深水區(qū)域，是一種持續(xù)性較強的穩(wěn)定型濁流。

多年來，研究人員對異重流沉積開展了大量有意義的探索，2001年，Mulder等[5]首次對地中海深水中發(fā)現(xiàn)的異重流沉積特征進行了剖析并建立了異重流沉積模式，認為異重流沉積主要表現(xiàn)為下部反粒序-上部正粒序組合，是異重流區(qū)別于其他類型重力流的一個重要特征；同時對20世紀地中海深水發(fā)育的洪水成因的異重流沉積記錄進行了詳解，分析了異重流特征所反映的氣候變化信息[6]；2003年，又對海洋中異重流的成因、特征及其沉積物特征進行了論述，認為異重流的形成與河流類型、流量、構造運動、氣候、地形等多種因素相關，并指出異重流在地層記錄中廣泛分布，值得引起重視[3]；Petter等[7]分析了Spitsbergen中部盆地始新世陸架邊緣地區(qū)異重流空間分布特征，認為異重流的發(fā)育對斜坡區(qū)砂體展布具有重要影響；Zavala等[8]分析了阿根廷白堊系 Rayoso 組湖相地層中的異重流沉積記錄及其成因；楊仁超 等[9]在鄂爾多斯盆地晚三疊世湖相地層中發(fā)現(xiàn)了異重流沉積并闡述了其對深水儲層發(fā)育的重要控制作用?？梢姡愔亓髯鳛橐环N新發(fā)現(xiàn)的從河口向深水輸送沉積物的重要方式及其對砂體展布的重要控制作用，正在成為國際沉積學的研究熱點。

筆者在對西湖凹陷花港組沉積體系研究過程中，結合巖心、微觀薄片及測井資料等分析，在西湖凹陷中部花港組首次識別出了異重流沉積，對其沉積構造特征及成因、薄片特征及儲層物性特征進行了分析，建立了研究區(qū)異重流沉積模式并探討了其控制因素。異重流沉積的發(fā)現(xiàn)，對深化西湖凹陷花港組沉積體系認識、完善細粒沉積砂巖成因解釋及指導后期油氣勘探具有重要意義。

1 區(qū)域地質概況

西湖凹陷位于東海陸架盆地浙東坳陷帶中部，東臨釣魚島隆褶帶，西連海礁隆起，北接福江凹陷，南臨釣北凹陷(圖1)[10]。南北長約400 km，東西寬約100 km，總面積約40 000 km2。西湖凹陷在構造區(qū)劃上位于亞洲大陸邊緣，處于西太平洋與亞歐大陸的洋陸過渡帶，是一個在活動大陸邊緣基礎上發(fā)育起來的新生代弧后盆地；其構造演化主要經歷了古新世斷陷階段—晚始新世斷拗階段—漸新世至中新世拗陷階段—第四紀區(qū)域沉降階段，在漸新世末(花港運動)和中新世末(龍井運動)分別經歷了構造反轉，內部自西向東可以劃分為3個構造單元，即西部緩坡斜坡帶、中央洼陷反轉帶和東部陡坡斷階帶[11]。

圖1 西湖凹陷構造單元劃分

西湖凹陷主要以新生代碎屑巖沉積為主，自下而上依次發(fā)育了始新統(tǒng)平湖組、漸新統(tǒng)花港組、中新統(tǒng)龍井組、玉泉組和柳浪組、上新統(tǒng)三潭組以及第四系的東海群?；ǜ劢M巖性特征整體為下粗上細的2個大旋回，前人研究將其分為上段和下段(圖2)，下段為灰黑色泥巖與灰白色細—中砂巖互層，上段為灰黑色泥巖與灰白色細砂巖互層，局部夾少量煤線[12-13]。

花港組發(fā)育時期，分別有來自盆地北部、西部、東部3個方向的物源提供豐富的碎屑物質，盆地東陡西緩并持續(xù)穩(wěn)定沉降，這些背景為重力流發(fā)育提供了可能，但前人對花港組沉積體系的研究中鮮有重力流沉積體系的相關論述[14-17]。

圖2 西湖凹陷地層發(fā)育特征

2 花港組異重流沉積特征

2.1 巖心特征

在西湖凹陷中部A井花港組近10 m巖心中，觀察到多個特殊的垂向粒序層，這種粒序層一般由上、下2個沉積單元組成，即向上變粗的底部沉積單元(反粒序)和向上變細的頂部沉積單元(正粒序)(圖3a、b)。巖性包括粉砂巖、細砂巖及中砂巖，少見粗砂巖，整體粒度較細。層序中部粒度最粗，即使在厚度為幾厘米的泥質粉砂巖層中也可看到相同的粒序變化特征。層序厚度最大50 cm，最小僅3 cm。這種粒序層與深水暗色泥巖間互沉積，層序底部多見沖刷面，有時也會呈漸變或突變接觸；發(fā)育水平層理、交錯層理、爬升沙紋層理、軟沉積物變形等沉積構造，局部砂巖層內還可見前積層，前積層厚度一般不超過3 cm，紋層連續(xù)性差，橫向變化快。上、下2個沉積單元之間有時可見微弱的侵蝕面，一般對應粒度最粗處。局部泥質粉砂巖中可見植物碎片。

注：a—A井長約40 cm的巖心中發(fā)育8個旋回；其中可見5個反粒序-正粒序旋回，3個旋回僅保留了上部正旋回沉積；發(fā)育爬升沙紋層理、波狀層理，頂部旋回中見泄水構造。b—A井長約10 cm的巖心中發(fā)育3個反粒序-正粒序組成的旋回；底部及頂部旋回中見層內微侵蝕面，對應沉積物粒度最粗的部位；頂部旋回中見少量泥礫，對應粒度較粗處；為洪峰時期對下部地層的沖刷侵蝕所形成。c—A井長約20 cm巖心中僅保留上部正旋回單元的異重流沉積；厚度約10 cm，主要為細砂巖，向上粒度變細；發(fā)育爬升沙紋層理。GBC—gradual bottom contact,底部漸變接觸。EBC—erosive bottom contact,底部侵蝕接觸。GC—gradual contact,漸變接觸。EC—erosive contact,侵蝕接觸。SC—sharp contact,突變接觸。

圖3西湖凹陷中部A井花港組異重流沉積巖心特征

Fig.3CorefeaturesofhyperpycnalflowdepositofHuagangFormationofWellAincentralXihusag

前人研究認為，向上變粗的反粒序通常有3種成因。一是由于濁流泥沙云團底部侵蝕面附近混雜有大量的泥質碎屑，這些泥質碎屑的存在會導致局部沉積物平均粒徑減小，形成幾厘米到幾米厚的反粒序，但這種成因的反粒序層一般不發(fā)育任何層理和沉積構造[18]；二是當上、下2層物質流體性質不同時，隨著摩擦力逐漸減小，底層物質的搬運速率自下而上會逐漸增強，其搬運的顆粒也會呈現(xiàn)出自下而上由細變粗的趨勢，故而形成反旋回，加之頂層物質在搬運過程中會向底層擴散，使得底層沉積物濃度不斷增強到某一臨界值繼而呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，這種過程會在垂向上形成一系列向上變粗的反粒序透鏡體，且常見礫石以上粒徑的粗粒物質，這種成因的反粒序層也通常不發(fā)育層理[19]。第三，洪水期在河口位置隨著水體流量及強度不斷增強，當河口泥沙濃度達到一定臨界值及以上時，顆粒負載的渾濁流體便可形成異重流，從河口直接向深水搬運沉積物，由于單期洪水事件整體上總是呈先增強后減弱的趨勢，在洪水增強期，只要流體速率低于侵蝕閾值，即可形成下細上粗的反粒序；但其粒徑較前2種相對偏細，異重流同時具備重力流及牽引流特征，可發(fā)育多種沉積構造，當沉積物搬運速率大于卸載速率時(即以向前搬運作用為主)，可形成不對稱的沙紋層理，反之則可形成爬升波紋層理。

本次研究中觀察到的粒序特征顯然與前2種成因的粒序特征不符，且?guī)r心特征與Mulder[3,6]發(fā)現(xiàn)的異重流沉積特征極為相似，判定為洪水成因形成的異重流沉積。下部反粒序為洪水增強期水體能量不斷增大所形成，上部正粒序為洪水衰退期水體能量逐漸減弱所形成。中部細砂巖層中發(fā)育爬升沙紋層理，反映出沉積物以卸載作用為主，向前搬運作用為輔，軟沉積物變形構造反映出洪峰期能量較大，造成未固結的沉積物中孔隙流體逸散形成多種類型的泄水構造。上、下粒序層之間多見微侵蝕面，是由于洪峰期水體能量最強時對下部沉積產生一定的侵蝕作用。局部斷面上可見陸源植物碎片(圖4)，這是異重流沉積物區(qū)別于“觸發(fā)型”濁流的一個重要特征，由于異重流可以直接將沉積物從河口搬運到深水區(qū)域，因此可以將完整的陸源植物碎片攜帶到深水位置。此外，在巖心中有時僅可觀察到上部正粒序沉積單元(圖3c)，這可能是由于洪峰期能量較強，持續(xù)時間較長，對下部先期沉積的反粒序層侵蝕作用強烈，故僅能看到厚度較小的下部沉積單元，或僅保存了上部正粒序沉積單元。

圖4 西湖凹陷中部花港組異重流成因粉砂巖橫剖面巖心特征

2.2 微觀薄片特征

對圖4中巖心對應的微觀薄片進行觀察，發(fā)現(xiàn)砂巖主要以顆粒支撐為主，填隙物含量少，顆粒之間主要呈點接觸，反映出沉積物經歷了較遠距離的搬運，細粒雜基物質在水流長距離的搬運作用下被淘洗掉。砂巖中的陸源礦物碎屑含量高，主要以石英為主，含量達80%以上，長石含量不到10%(圖5)。此外，微觀薄片也呈現(xiàn)出與巖心相似的粒序變化特征，泥質含量變化對粒序變化影響顯著，泥質含量越高，粒度越細，顏色越暗。薄片中可看到明顯的反粒序-正粒序變化特征，中部粒度最粗，最大粒徑將近0.3 mm。砂巖內部可見較多暗色條帶，暗色條帶泥質含量較高，粒度較細，連續(xù)性較差，可能是由于洪水期間短暫的水動力變弱沉積而成(圖5)。在完整的反粒序-正粒序旋回中，鏡下可見粒序層中間有微弱的侵蝕面，對應于粒度最粗的部位，反映出洪峰期能量最強時對下部沉積物質具有一定的侵蝕作用。但是并不是所有的旋回都保存完整的反粒序-正粒序單元，一些旋回中僅能看到上部正旋回，反映出洪峰時期對下部地層侵蝕作用較強。

圖5 西湖凹陷中部花港組異重流微觀薄片特征

2.3 儲層物性特征

異重流沉積物具有明顯的粒序性，導致儲層具有明顯的層內非均質性。通過物性參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)儲層物性特征在垂向上也呈現(xiàn)出一定的韻律性，這種韻律性與粒度變化及泥質含量變化規(guī)律是一致的。泥質含量大、粒度較細時，儲層滲透率變低，物性差；泥質含量小、粒度較粗時，孔隙度變大，滲透率變高，物性變好(圖6)?？梢?，異重流沉積的旋回性對儲層非均質性具有重要影響。

圖6 西湖凹陷中部花港組異重流沉積物性特征

3 花港組異重流形成主控因素

異重流的形成受構造、氣候、地形、水體密度差、水深等因素綜合影響，它尤其可以記錄一系列氣候變化和構造背景變化信息。季節(jié)性的洪水河流相對容易形成異重流，但是與河流類型相關，小型、中型河流在季節(jié)性洪泛期更易形成異重流，而大型河流雖然流量大，卻可能由于濃度不夠而難以形成異重流，但是地形坡度增大、構造活動增強等等一些特殊地質條件可增加異重流形成的幾率。

西湖凹陷花港組沉積時期，發(fā)育亞熱帶氣候背景下的河流-三角洲沉積，該氣候最顯著的特征表現(xiàn)為夏季高溫多雨、冬季溫和少雨[20]，即全年降水集中時間明顯，其余時間降水少，較為干旱。季節(jié)性降水導致盆地內河流體系在不同時期的流量具有差異性，在降水集中期，河流流量增大，洪泛形成的可能性增強。此外，來自盆地西部、東部及北部的物源體系為盆地提供了穩(wěn)定的沉積物供給。洪泛背景及充足的碎屑物質供給，為異重流形成提供了較大的可能性。

從構造背景看，西湖凹陷主要經歷了早期斷陷(古新世—始新世)—中期拗陷(漸新世—中新世)—晚期整體沉降(上新世—第四紀)等3個演化階段，并在始新世末期、漸新世、中新世發(fā)生了3期構造反轉?；ǜ劢M沉積時期，受到了花港運動造成的第2期構造反轉的影響，構造反轉在盆地西部、中部、東部表現(xiàn)出的反轉強度、反轉構造樣式的分布各有不同，其中，中央洼陷反轉構造帶構造規(guī)模較大、反轉構造較為強烈，對盆地內沉積體系及油氣分布造成了顯著影響[10]。此外，花港組沉積時期，盆地東、西地形坡度差異明顯，西部為大型緩坡帶，東部為陡坡斷階帶，地形坡度大，地形陡峭。本次研究區(qū)中A井地處中央洼陷反轉構造帶，東臨陡坡斷階帶，且地震資料解釋上可見其東部發(fā)育大量斷層，在花港組沉積時期仍頻繁活動。東部陡峭的地形背景及復雜的構造運動背景，為研究區(qū)異重流形成提供了可能。

楊仁超 等[9]認為，陸相湖盆中，地形陡峭、洪水頻發(fā)、碎屑物質供給豐富、湖水密度較低等特征容易滿足異重流的形成條件。本次研究區(qū)域具備了異重流形成的2個重要條件，一是季節(jié)性的集中降水為洪泛提供了極大可能，二是盆地東部陡峭的地形及活動強烈的反轉構造運動共同提供了異重流發(fā)育所需的構造條件。

4 花港組異重流沉積模式

在對花港組異重流沉積的巖心及薄片特征觀察的基礎上，認為花港組異重流沉積主要發(fā)育M1、M2、M3共3種沉積模式(圖7)，并對不同模式沉積特征及形成機理進行了論述。

圖7 西湖凹陷中部花港組異重流沉積模式

M1粒度整體較細，發(fā)育薄的下部反粒序層單元和薄的上部正粒序層單元。泥質粉砂巖、粉砂巖為主，單個粒序層厚度一般為幾毫米，發(fā)育較完整的下部單元及上部單元，粒度最粗處為粉砂巖，沉積構造以水平層理為主。這種模式代表了整體較弱的水動力條件，反映水體流量及含砂量較少，沉積速率緩慢，洪水能量增強及減弱所經歷的時間較長，為水體能量緩慢增強繼而緩慢減弱所形成。一般未見層內微侵蝕面，反映水體能量整體較弱，與上、下地層多為漸變接觸。

M2粒度較粗，下部反粒序層不發(fā)育或極薄，多見保存完整的上部正粒序沉積單元。粒度較M1粗，發(fā)育粗粉砂—細砂巖，主要為細砂巖，向上粒度變細，發(fā)育正旋回。厚度為幾厘米到幾十厘米。沉積構造主要為爬升沙紋層理、波狀層理及不連續(xù)的小型前積紋層。反映出沉積顆粒以卸載作用為主，向前搬運的作用為輔。局部可見變形構造，為洪峰期水能量較強時促使未固結的沉積物發(fā)生泄水作用形成。與上、下地層為突變接觸或漸變接觸。與M1相比，反映了水動力增強，沉積速率加快。主要保留了上部正粒序沉積單元，反映洪峰期對下部地層存在侵蝕作用，未見明顯的層內侵蝕面。

M3粒度較M1、M2粗，發(fā)育較完整的下部反粒序及上部正粒序沉積單元。沉積物為細砂巖—中砂巖，有的層序中見泥礫，泥礫多為不規(guī)則狀，粒度最大可達4 mm，粒度最粗處見粗砂巖。厚度一般小于20 cm。沉積構造主要為爬升沙紋層理、波狀層理，局部見軟沉積物變形構造。反映了整體較強的水動力背景。見明顯的層內微侵蝕面，洪峰時期對下伏地層侵蝕作用強烈。

花港組異重流沉積中以M2發(fā)育較為廣泛，以粉砂巖—細砂巖變化為主，沉積厚度最大約50 cm。

5 結論

1) 首次在西湖凹陷中部花港組發(fā)現(xiàn)了異重流沉積。巖心上主要表現(xiàn)為一系列反粒序-正粒序層序組合，反映了洪水期水體能量增強—減弱的變化過程。發(fā)育水平層理、爬升沙紋層理、波狀層理、軟沉積物變形等沉積構造。上、下2個粒序層之間有時可見侵蝕面，反映洪峰時期對下伏地層的侵蝕作用。薄片中可見砂巖層中石英含量較高，泥質含量變化與粒序變化一致；可見與巖心相似的粒序變化特征，中部粒度最粗，最大粒徑將近0.3 mm。儲層物性參數(shù)垂向變化顯示出與巖心粒序變化相似特征，反映出異重流沉積的粒序層對儲層層內非均質性具有明顯影響。

2) 花港組異重流發(fā)育主要受強烈的構造運動和亞熱帶季風氣候所造成的季節(jié)性集中降水綜合影響。

3) 花港組發(fā)育3種異重流沉積模式，表現(xiàn)出不同的粒度、沉積厚度、沉積構造差異，反映了不同的水動力背景及沉積速率。

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