珠江口盆地白云凹陷13.8 Ma前后深水扇差異沉積過程及主控因素

楊 璐，王英民，何 敏，陳維濤，徐少華，卓海騰，王星星，李文靜

[1.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021； 2.中國石化 石油物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 211103； 3.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518000； 4.重慶科技學(xué)院 復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點實驗室，重慶 401331]

自20世紀(jì)50年代濁流發(fā)現(xiàn)以來[1]，深水重力流成因機制及深水扇沉積模式一直是深水研究的熱點和難點。自Bouma[2]建立經(jīng)典濁流垂向沉積序列以來，Normark[3]、Mutti和Ricci[4]和Walker[5]先后建立了現(xiàn)代扇舌模式、古代扇模式和綜合扇模式。但由于其過于簡化沉積過程，一些學(xué)者擴(kuò)大了研究范圍，嘗試從沉積的控制因素及成因機制方面來認(rèn)識深水扇，Vail等[6]從層序地層學(xué)概念出發(fā)，強調(diào)相對海平面變化對深水沉積體系的控制；Reading和Richards[7]基于沉積物粒度和供源體系將深水扇劃分為12種類型；Stow和Mayall[8]認(rèn)為應(yīng)從沉積環(huán)境出發(fā)建立沉積模式；現(xiàn)代學(xué)者則更多的從“源-匯”角度解釋深水扇的成因機制，著重探討陸架邊緣三角洲對深水扇沉積特征的影響。但無論哪種模式，都專注于同一時期深水扇的形成過程[9-11]，且過于強調(diào)海平面變化、物源供給、沉積環(huán)境等單一的宏觀因素對扇體的控制。雖然越來越多的學(xué)者認(rèn)識到海洋水動力對三角洲沉積物的改造[12]和相應(yīng)深水扇的發(fā)育有至關(guān)重要的影響[13]，但其在時序相鄰的兩體系域深水扇沉積體系的轉(zhuǎn)化中所起的作用仍不十分清楚。此外，低位域和強制海退體系域的劃分標(biāo)準(zhǔn)及兩體系域內(nèi)深水扇沉積過程的精細(xì)刻畫與對比尚有欠缺。對模式轉(zhuǎn)變過程和成因的探討不但可以深化扇體的沉積機理、搭建源區(qū)與深水響應(yīng)的聯(lián)系，還可以為深水油氣勘探提供良好的儲層預(yù)測。

本文以白云凹陷13.8 Ma上下的低位域和強制海退體系域為例，利用三維地震剖面、均方根振幅屬性和陸架至深水區(qū)的4口鉆測井資料，對兩體系域的深水扇沉積特征展開研究，旨在：①詳細(xì)闡述低位域和強制海退體系域的劃分識別依據(jù)；②刻畫13.8 Ma前后兩體系域內(nèi)深水扇的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、平面展布、發(fā)育規(guī)模及供源體系的特征；③詳細(xì)對比兩體系域間深水扇沉積過程的差異，并分析其時空演化的主要控制因素。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

珠江口盆地位于華南被動大陸邊緣，是南海北部大陸架和陸坡上的一個大型新生代沉積盆地，整體呈現(xiàn)南北分帶，東西分塊的構(gòu)造格局，白云凹陷是南部坳陷帶中的一個次級凹陷(圖1)[14-18]。珠江口盆地中新統(tǒng)按年代可劃分為7個三級層序，其中有6個層序都在古地理位置較低的白云凹陷發(fā)育大型深海扇[14-15]。自23.8 Ma使陸架坡折帶由白云凹陷南側(cè)突然躍遷到凹陷北坡的“白云運動”以來，構(gòu)造條件穩(wěn)定，斷裂發(fā)育較少，凹陷的持續(xù)沉降使其一直為穩(wěn)定的深水環(huán)境，是古珠江水系的主要沉積中心，為深水沉積的研究奠定了基礎(chǔ)[10-11]。

圖1 珠江口盆地白云凹陷位置及水深分布Fig.1 Location and bathymetric map of the Baiyun Sag,Pearl River Mouth Basin

13.8 Ma全球氣候變冷，南極冰蓋增加，珠江口地區(qū)三級海平面與全球海平面變化一致，均大幅快速下降[14]。前人對SQ13.8(層序13.8，13.8～12.5 Ma界面之間的層序)低位域深水扇體多有研究：從層序地層學(xué)[15]和源-匯的角度[11,16]分別探討陸架坡折帶演化和陸架邊緣三角洲對深水扇體展布和沉積物組成的限制；通過對源-匯和流體性質(zhì)的分析提出低位深水扇的幕式線源供給模式[10]；以及通過合成地震記錄和地震剖面響應(yīng)特征，對深水扇體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和識別特征的分析[18]。此外，SB13.8(層序界面13.8，13.8 Ma時形成的層序界面)之下強制海退體系域內(nèi)陸架邊緣三角洲的識別和沉積特征雖已有研究[17,19-20]，但截至目前，該體系域內(nèi)深水扇的發(fā)育特征還未有專門報導(dǎo)。在前人對SQ13.8 低位域詳細(xì)研究的基礎(chǔ)上，本文重點探討了其下強制海退體系域深水扇的發(fā)育特征，并對13.8 Ma上下兩體系進(jìn)行沉積過程之間的對比，分析其主控因素。

2 研究結(jié)果

2.1 體系域劃分依據(jù)

層序地層學(xué)發(fā)展過程中演化出許多層序劃分模式[21-23]。Catuneanu[24]總結(jié)前人劃分依據(jù)及主控因素的基礎(chǔ)上，更新并進(jìn)一步厘定了這些概念，將一個三級相對海平面旋回內(nèi)的體系域四分為低位域(LST)、海侵域(TST)、高位域(HST)以及強制海退體系域(FSST)(圖2)。

FSST受相對海平面下降限制，不論沉積物供給充足與否，均發(fā)生強制性的向海退卻[24]，通常具有快速進(jìn)積體和近岸區(qū)濱岸砂體，連續(xù)濱面沉積分離帶、三角洲平原的缺失、陸上不整合向海下傾等可作為輔助判斷標(biāo)準(zhǔn)[24]。LST為相對海平面上升時期，沉積物供給速率大于海平面上升速率所造成的沉積性海退，其沉積過程以低速加積和進(jìn)積為主，除最早期濱面沉積的突變外，多具有底漸變特征，可能具有可識別頂積層的陸架邊緣三角洲[24]。

實際應(yīng)用中，學(xué)者們更多將濱線遷移軌跡作為區(qū)分FSST和LST的有效工具[19,20,25-26]。研究區(qū)內(nèi)的FSST以層序界面(SB13.8)和強制海退底界面(BSFR)為界，具有斜交型前積反射，濱線軌跡向盆地下傾方向遷移，在陸架邊緣處形成缺失頂積層的典型雙向減薄的陸架邊緣三角洲(圖2a)，主物源最前端易形成深水扇體系(圖3)。LST以層序界面(SB13.8)和最大海泛面(MRS)為界，在沉積物供給充足處具有“S”型前積反射，前積層多與頂積層同時發(fā)育，整體構(gòu)成向盆地上傾方向遷移的濱線軌跡(圖2b)，在遠(yuǎn)離主物源處則多上超于層序界面之上，形成低位楔。

圖2 珠江口盆地白云凹陷低位域與強制海退體系域區(qū)分圖Fig.2 Division of LST and FSST in the Baiyun Sag,Pearl River Mouth Basina.強制海退體系域的相對海平面變化曲線，MM′為該體系域?qū)?yīng)的典型剖面；b.低位域的相對海平面變化曲線，NN′為該體系域?qū)?yīng)的典型剖面(MM′,NN′的具體位置見圖1)

在順物源的地震剖面上，SB13.8有效分割了兩個基準(zhǔn)面旋回的沉積層(圖2)，陸架區(qū)表現(xiàn)為削截不整合面，向海表現(xiàn)為超覆界面，上、下陸坡地層分別上超、下超其上。垂直物源的剖面上可見波動的河流侵蝕或沉積過路的界面特征，BSFR上下地層在遠(yuǎn)離河口處平行于該界面展布，靠近河口處則多通過沖刷削截下伏地層，并與上覆三角洲前積層呈下超接觸。MRS在陸上與下伏地層呈整一接觸，上覆地層上超其上，向海則為低位期深水扇的包絡(luò)面，界面波動較大。

2.2 FSST深水扇沉積特征

FSST時期三角洲主物源位于研究區(qū)西部的陸架邊緣，發(fā)育向海陸兩側(cè)雙向減薄的陸架邊緣三角洲，地震剖面上顯示為典型的前積反射構(gòu)型，前積層向海逐層變陡增厚，下部振幅較強、穩(wěn)定且延伸較遠(yuǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰，而上部振幅中等、連續(xù)性較差、內(nèi)部結(jié)構(gòu)雜亂，多發(fā)生小范圍重力滑塌(圖3c)。主河口西側(cè)W1井的GR曲線上可見FSST有3期以中、細(xì)砂巖為主的頂突變、底漸變的反旋回，對應(yīng)于地震剖面上三期垂向疊置的前積朵體(圖4)。均方根(RMS)振幅屬性圖上可見三角洲前緣有振幅強弱相間的條帶狀特征，整體呈現(xiàn)向海凸出的非對稱圓弧形態(tài)，且西側(cè)與陸架坡折交角大，東側(cè)交角小，是不對稱浪控三角洲的典型特征(圖3b)。

圖3 珠江口盆地白云凹陷強制海退體系域沉積相和典型剖面Fig.3 Sedimentary facies map and typical seismic profile of FSST in the Baiyun Sag,Pearl River Mouth Basina.FSST均方根振幅屬性，該值越強代表上、下兩層巖性差異越大；b.FSST簡化的沉積相；c—e.典型剖面地震屬性，位置見圖3a,b

圖4 珠江口盆地白云凹陷W1—W4測井曲線、巖性特征及沉積響應(yīng)Fig.4 Well logs,lithological characteristics and sedimentary responses of W1-W4 in the Baiyun Sag,Pearl River Mouth Basin

三角洲東側(cè)有片狀強振幅反射，應(yīng)為陸架區(qū)廣泛發(fā)育的陸架砂席，砂席和三角洲主物源下方均有小范圍強振幅富砂滑塌，后者通過水道供給形成了兩個小型深水扇朵體，分別位于主物源向海凸出的正前方和西側(cè)。正前方處扇體為典型舌狀，面積約為108 km2，與三角洲主體直接相連，通過三條小規(guī)模“U”形水道供給，包括東西兩條廢棄水道和中間的一條主水道(圖3a,b)。而西側(cè)的扇體并未與三角洲直接相連，且受云開低凸起較高地勢的影響，朵體基本不發(fā)育，平面也無規(guī)則形態(tài)(圖3a,b)。由于兩深水扇體系的水道和朵體厚度均小于30 m，限于地震垂向分辨率，在三維剖面上僅可識別兩、三根同相軸振幅增強的特征(圖3d,e)。因缺少鉆井資料，扇體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征尚未可知，在垂直物源的地震剖面上可見扇體的丘狀形態(tài)?；陉懫抡w披覆的泥質(zhì)背景和W1井巖性特征，推測兩扇體均有單點源供給的富砂特征。

2.3 LST深水扇沉積特征

LST時期在繼承FSST沉積地貌的基礎(chǔ)上，主河口發(fā)生擺動，陸架區(qū)垂直物源的XX′剖面中可見三角洲主體向海推進(jìn)的同時不斷向西遷移，并在LST后期形成測井曲線的箱狀水道響應(yīng)(圖4a)。LST三角洲同相軸從下至上振幅增強，延伸角度逐漸變緩，距離增長，逐層向東下超于SB13.8之上(圖5a)。陸架東側(cè)沉積層厚度較小、振幅較強，由于其偏離主河口，粒度整體偏細(xì)，GR曲線呈指狀，指示了粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖薄互層的陸架砂席沉積(圖4b,c)。三角洲和砂席前方均發(fā)育富砂滑塌，下方通過多期次水道供給連接深水扇。

主物源東側(cè)沿岸砂壩的下方發(fā)育一非典型斜坡扇，面積約為390 km2，最厚處可達(dá)150 m。受西北高東南低的古地形影響，扇體整體呈NNE-SSW向展布，且下扇向東偏移更明顯，整體呈強振幅(圖5a)。順物源的DD′剖面上，扇體呈現(xiàn)多期次雙向下超的丘狀疊合特征，上扇振幅較強，同相軸具有波狀反射構(gòu)型，中扇反射雜亂，下扇受沉積環(huán)境影響較小，逐層下超于SB13.8之上，厚度向海穩(wěn)定減小，垂直物源的剖面上扇體沒有明顯雙向下超的丘狀特點(FF′)。多期次發(fā)育的水道供給了多期發(fā)育的深水扇朵體，垂直物源的EE′ 剖面中可見水道多期疊合，向西有規(guī)模減小、數(shù)量增加的趨勢，為多線源供源體系的主要特征。位于深水扇之上的W4井巖性整體較細(xì)，以泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，F(xiàn)SST與LST早期為鋸齒狀砂泥薄互層，曲線變化幅度較小，LST后期GR曲線有大幅低值異常，是富砂滑塌體突發(fā)式堆積的產(chǎn)物(圖4d)。

3 討論

3.1 不同體系域間沉積過程差異對比

FSST與LST的沉積過程和深水扇發(fā)育特征均有所不同，根據(jù)Reading和Richards[7]對沉積物粒度和供源體系的分類，研究區(qū)內(nèi)的FSST為砂質(zhì)單點源供給的小型規(guī)則扇體，而LST為砂泥混合、多線源供給的大型不規(guī)則扇體，從FSST到LST扇體沉積過程連續(xù)演化，供源體系逐漸轉(zhuǎn)變，可大致分為6個階段(圖6)。

受控于相對海平面的下降，F(xiàn)SST的三角洲沉積物在西北部陸架區(qū)逐漸向海推進(jìn)，同時被較弱的自西南向東北的沿岸流改造[20]，形成了迎流面(西側(cè))交角大、背流面(東側(cè))交角小的不對稱浪控陸架邊緣三角洲(圖6a，d)。三角洲沉積物持續(xù)向海推進(jìn)，沉積坡折與陸架坡折趨于一致，前方發(fā)生少量富砂滑塌(圖6b，e)。此過程持續(xù)發(fā)生，直至前積層內(nèi)部的小范圍滑塌不足以平衡沉積物自身重力和波浪、潮汐等的共同作用，發(fā)生重力滑塌，形成砂質(zhì)單點源供給的舌狀深水扇(圖6c，f)。

13.8 Ma開始，單向遷移水道開始在北部陸坡大規(guī)模發(fā)育，尤其是東部[27](圖7b)，沿岸方向活躍的水動力過程可能在沉積物橫向搬運過程中起到了重要作用[28]。在此過程作用下，東部的單向峽谷體系捕獲了淺水沉積物并搬運到了深水區(qū)，而西部地區(qū)則因為單向峽谷發(fā)育不好(圖7b)，深水體系也相應(yīng)停止了發(fā)育(圖6g,j)。13.8 Ma時海平面的急劇下降使得大量沉積物堆積在陸架坡折處，隨著三角洲主物源的向東改造，更多沉積物在地震、海嘯、風(fēng)暴等非常規(guī)事件影響，順?biāo)腊l(fā)生多期突發(fā)性滑塌，形成多線源供給的深水扇體(圖6h,k)。LST后期海平面上升速率增加，供源物質(zhì)多滯留于陸架區(qū)，深水扇規(guī)模逐漸萎縮，直至停止發(fā)育(圖6h,k)。

3.2 沉積過程轉(zhuǎn)變主控因素

傳統(tǒng)的層序地層學(xué)模式[6,21-23]強調(diào)相對海平面變化和沉積物供給等宏觀單一因素在三角洲沉積和深水扇發(fā)育中的重要作用。在該層序模式下，①深水扇體多與陸架邊緣三角洲直接相連，在相對海平面下降期，主物源沉積物會被海流順陸坡傾向帶至其正下方的陸坡上沉積，形成斜坡扇或盆底扇；②相對海平面下降期(FSST)應(yīng)比海平面上升期(LST)更易發(fā)育深水扇，且朵體規(guī)模也更大；③一般情況下，相鄰體系域內(nèi)扇體的沉積過程相似，供源體系和沉積模式不會發(fā)生明顯改變。而本文通過兩體系域內(nèi)部的RMS振幅切片及井震結(jié)合分析，發(fā)現(xiàn)：①LST扇體位于三角洲主物源東側(cè)陸坡處，并未與三角洲主物源直接相連；②FSST扇體與主物源相連，但其規(guī)模遠(yuǎn)小于LST時期扇體；③二者的供源體系和沉積過程均有所不同，且在一定條件下FSST粗粒單點源供給扇體可轉(zhuǎn)換為LST細(xì)粒多線源供給扇體。

基于此研究，本文認(rèn)為前人強調(diào)的充足沉積物供給、海平面在陸架坡折處的升降和陸坡地形等因素，綜合提供了深水扇體系發(fā)育和轉(zhuǎn)化的宏觀背景，而強烈的自西南向東北的沿岸流則是其轉(zhuǎn)化的有利因素。Leeder[29]分析了大量陸架區(qū)水動力特征后，認(rèn)為陸架區(qū)不同部位的主控水動力也不同：內(nèi)陸架環(huán)境中波浪和沿岸流的作用最顯著；浪基面附近的中陸架主要受到潮汐和風(fēng)暴流的影響；而外陸架沉積物主要被潮汐形成的雙向水流改造。受13.8 Ma海平面急劇下降的影響，推測此時外陸架和陸坡區(qū)的海洋水動力環(huán)境分別與基準(zhǔn)海平面下的內(nèi)陸架和外陸架環(huán)境相近：外陸架受到強烈的波浪和沿岸流作用，不斷將快速堆積的三角洲沉積物沿平行陸架方向改造，形成不對稱浪控三角洲和陸架砂席；陸坡區(qū)沉積物在一定程度上受到風(fēng)暴流和潮汐的控制，事件性的風(fēng)暴流與潮汐的雙向水流極易破壞陸架邊緣和上陸坡處的細(xì)粒沉積物，使其再懸浮[30]，并在中上陸坡侵蝕出多條小型水道，為LST深水扇提供輸送渠道(圖7b)。

圖7 珠江口盆地白云凹陷物源遷移典型剖面Fig.7 Typical profile showing the provenance migration in the Baiyun sag,Pearl River Mouth Basina.拉平了BSFR的垂直陸坡的XX′剖面，該剖面過三角洲主物源和W2和W3兩井；b.垂直陸坡的YY′剖面，東側(cè)發(fā)育單向遷移水道(兩剖面具體位置見圖1)

被侵蝕的河口砂經(jīng)沿岸流的搬運可在流向下游產(chǎn)生與河流相當(dāng)?shù)某练e物[31]，受顆粒重量和沿岸流搬運能力的影響，礫級較細(xì)的沉積物更易被搬運至下游[12,32]。三角洲主河口處的粗粒沉積物更傾向于逐漸沉積至盆地中，形成單點源供給的深水扇，而細(xì)粒沉積物因其有效的輸送體系則會被快速輸送至盆地中[33]，更容易發(fā)生多期次大范圍沉積，形成幕式供給的深水扇[10]，現(xiàn)代地貌的觀測也證實了沿岸流對這種扇體沉積過程的重要影響[34]。本研究區(qū)扇體正是發(fā)育于古珠江浪控的沉積背景下：Zhu等[27]對珠江口盆地單向遷移水道和洋流的研究顯示，自中生代以來，陸坡持續(xù)發(fā)育東北向的底流并形成北東單向遷移的水道；Li等[28]對南海上新世-第四紀(jì)單向遷移水道的研究證明了200～2 000 m水深處發(fā)育自西南向東北的順時針環(huán)流；本研究區(qū)YY′剖面也證實了這一現(xiàn)象。深水水道的持續(xù)捕獲以及云開低隆起的高地勢控制，使西側(cè)單點源供給扇體規(guī)模遠(yuǎn)小于東側(cè)扇體，并在13.8 Ma前后逐漸萎縮，轉(zhuǎn)化為多線源供給、多期疊合的大型不規(guī)則扇體。

3.3 儲層有利區(qū)預(yù)測

SB13.8之上LST深水扇體系的展布特征、沉積過程、成因機理及儲層物性等已有大量研究，根據(jù)扇中部位W4井的鉆測井資料和沉積流變原理，推測該井鉆遇到了水道兩側(cè)的天然堤上，而砂泥的明顯分異說明水道中應(yīng)有更優(yōu)質(zhì)的砂巖儲層[10]。此外，W4井有良好氣測顯示，地震剖面上也可見典型的氣煙囪構(gòu)造(圖5)，加之該扇體規(guī)模較大，可以形成有開采價值的油氣藏。

SB13.8之下FSST的深水扇體系研究和報導(dǎo)尚少，根據(jù)本次研究，該體系沉積朵體的面積可達(dá)86 km2，厚度為20～30 m，為經(jīng)受波浪和沿岸流強烈淘洗改造的三角洲直接供源，推測其儲層物性良好，且上方沉積有海退期泥巖，具備形成優(yōu)質(zhì)儲層的條件，可作為下一步勘探有利區(qū)。

4 結(jié)論

1) 采用層序地層學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化理論對南海北部白云凹陷的體系域做了精細(xì)劃分。研究發(fā)現(xiàn)，強制海退體系域(FSST)受相對海平面下降限制，不論沉積物供給充足與否，均發(fā)生強制性的向海退卻，多快速進(jìn)積且缺失頂積層，濱線軌跡向盆地下傾方向遷移；而低位體系域(LST)是相對海平面上升時期，沉積物供給速率大于海平面上升速率所造成的沉積性海退，前積層多與頂積層同時發(fā)育，以低速加積和緩慢進(jìn)積為主，濱線軌跡向盆地上傾方向遷移。

2) FSST和LST均發(fā)育不對稱浪控陸架邊緣三角洲和一個深水扇體系，但深淺水沉積體系的耦合存在明顯差異：FSST時期，三角洲主物源距陸架坡折較遠(yuǎn)，深水扇呈規(guī)則舌狀，發(fā)育于三角洲主河口正下方，厚度、規(guī)模均較??；LST時期，三角洲沉積于研究區(qū)西部的陸架坡折附近，但深水扇與三角洲主體脫離，沉積于東側(cè)深水區(qū)，厚度、規(guī)模均較大。兩扇體均具備有利儲層條件。

3) FSST為單點砂質(zhì)物源供給的單期小型舌狀扇體，而LST發(fā)育砂泥混合、多線源供給的大型不規(guī)則多期疊合扇體，前者向后者轉(zhuǎn)化過程中，推測陸架坡折處充足的沉積物供給和相對海平面變化等綜合因素提供了背景基礎(chǔ)，同時，強烈的自西南向東北的沿岸流是轉(zhuǎn)化的有利因素。

致謝：感謝中海石油(中國)有限公司深圳分公司提供了地震和鉆井資料。參與項目研究的還有秦春雨、陳晨、魏文杰、嚴(yán)偉堯，匿名審稿人和本刊編輯對本文提出了建設(shè)性的修改意見，在此一并表示由衷的感謝。