李向東
(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,云南昆明,650093)
內(nèi)波是一種水下波,它存在于2個(gè)不同密度水層的界面上,或存在于具有密度梯度的水層之內(nèi),其最大振幅出現(xiàn)在海洋內(nèi)部,內(nèi)波的周期變化大,可從不足1 min到長(zhǎng)達(dá)數(shù)日或更長(zhǎng),當(dāng)內(nèi)波的周期與海面潮汐的周期相同時(shí),就稱(chēng)這種內(nèi)波為內(nèi)潮汐,內(nèi)潮汐為內(nèi)波的一種重要類(lèi)型[1]。激發(fā)內(nèi)波的動(dòng)力可為表面潮汐、風(fēng)、海水中的流體及運(yùn)動(dòng)的物體等。
內(nèi)波的波動(dòng)頻率介于慣性頻率(地轉(zhuǎn)科氏力垂向分量,隨緯度變化而變化)和浮頻率(流體固有振蕩頻率,是海水密度層化狀況的一種度量)之間[2]:當(dāng)內(nèi)波頻率接近慣性頻率時(shí),波形近于沿鉛垂方向傳播;當(dāng)內(nèi)波頻率接近浮頻率時(shí),波形近似地沿水平方向傳播。在一般情況下,內(nèi)波頻率與慣性頻率和浮頻率相差較大,波形沿斜向傳播,即波形為斜壓波[2]。內(nèi)波、內(nèi)潮汐的斜壓特征可在海水中引起明顯的垂向混合作用,從而提高海洋的初級(jí)生產(chǎn)力,對(duì)于沉積學(xué)中探討上升流的成因及內(nèi)波、內(nèi)潮汐作用與有機(jī)質(zhì)聚集的關(guān)系均具有重要意義。人們對(duì)地層記錄中的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積的研究始于1991年[3],到現(xiàn)在達(dá)30 a,是沉積學(xué)中一個(gè)非常年輕的研究領(lǐng)域。在這期間,中國(guó)學(xué)者總結(jié)了內(nèi)波、內(nèi)潮汐的沉積特征、垂向序列和沉積模式[1,4-7],為內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積發(fā)現(xiàn)更多的研究實(shí)例和進(jìn)一步深入研究奠定了基礎(chǔ),同時(shí)引起了部分國(guó)外學(xué)者的重視[8-11]。本文作者結(jié)合現(xiàn)代海洋的相關(guān)研究成果,總結(jié)地層記錄中的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積的一般特征,提煉出深水環(huán)境下具有特征性的沉積構(gòu)造鑒別標(biāo)志,并探討內(nèi)波、內(nèi)潮汐作用可能對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層產(chǎn)生的影響。
海洋學(xué)研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)波、內(nèi)潮汐作用在大洋中廣泛存在[1],目前內(nèi)波研究已經(jīng)從深海大洋擴(kuò)展到陸坡、陸架以及海底峽谷。海洋學(xué)中的內(nèi)波研究不僅包括內(nèi)波的產(chǎn)生、傳播、反射、衰減等動(dòng)力學(xué)機(jī)制問(wèn)題以及波能在海洋不同尺度運(yùn)動(dòng)之間的傳遞和轉(zhuǎn)化問(wèn)題,還包括內(nèi)波與海底設(shè)施、海上油氣勘探以及軍事等密切相關(guān)的應(yīng)用研究[2]。與表面波相比,內(nèi)波通常具有大的振幅(幾米到100 多m)和波長(zhǎng),其波長(zhǎng)可達(dá)到350 km[1]。目前在海洋中廣泛分布且引起廣泛關(guān)注的是長(zhǎng)周期的內(nèi)潮汐和短周期(一般小于40 min)的內(nèi)孤立波[2]。
內(nèi)潮汐是一種非常重要的海洋內(nèi)波,具有海面潮汐的周期,表現(xiàn)為線(xiàn)性或弱非線(xiàn)性,在海洋能量混合中起著關(guān)鍵的作用,是溫鹽環(huán)流的能量來(lái)源之一[12]。關(guān)于內(nèi)潮汐的成因,目前被廣泛接受的是潮地作用生成機(jī)制,即海面潮汐遇到海底變化地形時(shí),在具有明顯密度躍層的海水中可激發(fā)出內(nèi)潮汐。據(jù)方欣華等[2]研究,易于形成內(nèi)潮汐的地形為海灣、陸棚、大陸斜坡、海底峽谷及海嶺等。盡管高模態(tài)內(nèi)潮汐由于傳播速度較低、底部剪切較強(qiáng)和射線(xiàn)結(jié)構(gòu)明顯可使其很快在產(chǎn)生地附近消散,但是低模態(tài)內(nèi)潮汐可以傳播數(shù)千千米而很少有能量耗散[2]。
內(nèi)孤立波是指孤立的非線(xiàn)性大振幅內(nèi)波,在海洋中長(zhǎng)距離傳播而波形幾乎不發(fā)生改變[2]。內(nèi)孤立波的形成機(jī)制包括[1-2]:
1)海面潮汐與海底地形相互作用產(chǎn)生的山后波在脫離地形后逆流傳播演變而成[13];
2)混合區(qū)重力塌陷可在層化水體中激發(fā)內(nèi)孤立波,其中混合區(qū)可由內(nèi)波在陸棚或海底不規(guī)則地形上破碎混合形成(剪切失穩(wěn)),也可由阻塞濁流[14-15](受海底地形阻擋的濁流)和異重流等物理流體在層化水體中機(jī)械混合形成,還可以由層化水體中垂直或水平方向上的溫度差形成;
3)當(dāng)兩列內(nèi)孤立波斜交而產(chǎn)生共振時(shí)可形成振幅更大的內(nèi)孤立波;
4)內(nèi)潮汐的非線(xiàn)性和頻散達(dá)到平衡時(shí)裂解可形成一系列波幅按振幅順序排列的內(nèi)孤立波。
內(nèi)孤立波具有大振幅、短周期或最終形成短周期的特征,是海洋中能量從大尺度的內(nèi)潮汐向小尺度紊流事件轉(zhuǎn)化的橋梁[2]。
海洋調(diào)查發(fā)現(xiàn)內(nèi)波可以在幾百米至幾千米深的海底使沉積物再懸浮、搬運(yùn)細(xì)砂級(jí)顆粒并形成波痕、砂丘和大型沉積物波等底形[16-17]。MENARD[18]報(bào)道了西太平洋馬紹爾群島北部1 372 m深的海底發(fā)育的不對(duì)稱(chēng)波痕(波長(zhǎng)約為30.5 cm,波高約為7.6 cm),并歸因于短周期內(nèi)波引起的振蕩流沉積。最近十多年來(lái),綜合地震探測(cè)、衛(wèi)星遙感及各種定點(diǎn)觀測(cè)資料,在中國(guó)南海及世界其他海域的大陸斜坡和深海平原中不斷發(fā)現(xiàn)與內(nèi)波特別是內(nèi)孤立波相關(guān)的底床形態(tài)[16-17]。
人們對(duì)地層記錄中的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積研究起步較晚[3],基本上還停留在發(fā)現(xiàn)新的研究實(shí)例和總結(jié)鑒別標(biāo)志的初級(jí)階段。表1所示為地層記錄中已發(fā)現(xiàn)的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積研究實(shí)例統(tǒng)計(jì)[19-31]。中國(guó)學(xué)者到目前為止,共發(fā)現(xiàn)了9例(表1中1~9),其中8例在中國(guó)。從表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出其具有以下4個(gè)特征:
1)在時(shí)代分布上,從新元古代至新近紀(jì)均有發(fā)現(xiàn),太古代至中元古代暫時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn),可能與沉積巖普遍發(fā)生變質(zhì)作用有關(guān),這說(shuō)明內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積在地層記錄中普遍發(fā)育,也與許多學(xué)者的預(yù)測(cè)結(jié)果一致[1,6,9,11];
2)從研究?jī)?nèi)容上看,主要局限于沉積學(xué)研究,即局限于內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積的鑒別和概念性沉積模式的建立,針對(duì)大地構(gòu)造環(huán)境、古地理環(huán)境、內(nèi)波、內(nèi)潮汐成因及沉積過(guò)程等方面的研究很少;
3)從地域(古板塊)分布上看,奧陶系的研究實(shí)例在我國(guó)華北—柴達(dá)木板塊、華南板塊和塔里木板塊上均有分布。
國(guó)外學(xué)者對(duì)地層記錄中的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積研究可以追溯到1972年,LAIRD[32]報(bào)道了新西蘭前泥盆紀(jì)深水沉積中的雙向交錯(cuò)層理,認(rèn)為是潮汐沉積形成,但長(zhǎng)期以來(lái)簡(jiǎn)單地歸為深水底流沉積,直到2012年才正式開(kāi)始地層記錄中內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積研究[8]。到目前為止,已發(fā)現(xiàn)5 個(gè)研究實(shí)例(見(jiàn)表1中序號(hào)10~14)。從表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出其具有以下4個(gè)特征:
表1 地層記錄中已發(fā)現(xiàn)的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積研究實(shí)例統(tǒng)計(jì)表*Table 1 Statistics for discovered study cases of geological internal-wave and internal-tide deposits
1)已發(fā)現(xiàn)的5個(gè)研究實(shí)例均位于特提斯洋,沉積環(huán)境包括碳酸鹽巖斜坡和深水濁流盆地,盡管目前還沒(méi)有聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行綜合研究,但表現(xiàn)出極強(qiáng)的潛在系統(tǒng)性。
2)內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積發(fā)育的地層研究程度非常高,特別是法國(guó)西南部的Annot 砂巖(19世紀(jì)60年代初發(fā)現(xiàn)鮑瑪序列的地層)和意大利北部的Marnoso-arenacea 組(19世紀(jì)70年代初建立濁積巖扇模式的地層),這使得國(guó)外地層記錄中內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積研究一開(kāi)始就具有良好的研究基礎(chǔ)。
3)與內(nèi)波作用過(guò)程聯(lián)系起來(lái),提出了內(nèi)波破碎沉積模式[9],擴(kuò)展了內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積鑒別標(biāo)志(特定的包卷層理和礫屑的“人”字形組構(gòu)),突出了似丘狀交錯(cuò)層理鑒別標(biāo)志。
4)在2012—2019年發(fā)現(xiàn)5 個(gè)研究實(shí)例,還不包括潛在的研究實(shí)例,說(shuō)明近年來(lái)內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積正在逐步成為深水沉積學(xué)的研究熱點(diǎn)。
結(jié)合內(nèi)波、內(nèi)潮汐的現(xiàn)代海洋和地層記錄研究(并不局限于已有的沉積研究實(shí)例),對(duì)內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積的一般特征或可能具有的一般特征進(jìn)行分析與概括(表2)。從表2可知:海洋中內(nèi)波、內(nèi)潮汐的發(fā)育和溫鹽躍層密切相關(guān),在一般情況下,在中、低緯度地區(qū)溫躍層對(duì)海水密度的影響比鹽躍層的影響大,海水的密度層化基本受溫躍層控制[2];在高緯度地區(qū),鹽躍層則有可能控制海水的密度層化,如北冰洋存在一個(gè)長(zhǎng)年性鹽躍層[33],上界深度約為50 m,厚度約為100 m,強(qiáng)度約為0.015‰/m。溫躍層可分為淺水季節(jié)性溫躍層和深水長(zhǎng)年性溫躍層[2],由于淺水環(huán)境受海面波浪和風(fēng)暴的影響,內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積很難保存下來(lái),或在地層記錄中很難識(shí)別出來(lái),故內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積研究主要涉及深水長(zhǎng)年性溫躍層。長(zhǎng)年性溫躍層受氣候及海流的影響,也可以發(fā)生季節(jié)性變化,在一般情況下夏季較強(qiáng),冬季較弱,在稍大尺度上,海流遷移可形成千年尺度變化[34],大洋環(huán)流中的暖池效應(yīng)可形成千萬(wàn)年和百萬(wàn)年尺度變化[35]。就目前發(fā)現(xiàn)的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積而言,其沉積時(shí)多處于中、低緯度地區(qū),可能受到長(zhǎng)年性溫躍層的影響,特別是在鄂爾多斯盆地西緣,中、晚奧陶世時(shí)處于赤道附近,受溫躍層的影響可能更明顯。依據(jù)溫躍層的變化規(guī)律,受周期作用控制的韻律性可能是內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積的一個(gè)普遍特征(表2),同時(shí)也說(shuō)明了利用內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積研究地史時(shí)期大洋環(huán)流具有一定的可行性,然而,人們對(duì)這2個(gè)方面的研究都非常少。
在破碎帶的改造作用與流體的強(qiáng)弱密切相關(guān)(表2)。內(nèi)潮汐引起的水體在海底的流動(dòng)速度一般較小[1],在海底峽谷中,雙向流速度一般為20~50 cm/s(現(xiàn)今不同大洋25個(gè)海底峽谷的統(tǒng)計(jì)值)[7-8],其中向溝谷上方流動(dòng)的最大流速為3~48 cm/s,以15~30 cm/s 為主;向溝谷下方流動(dòng)的最大流速為4~70 cm/s,以15~40 cm/s 為主,凈流動(dòng)一般向溝谷下方,但也有例外[1,8]。結(jié)合水流中平均流速與搬運(yùn)顆粒粒徑的關(guān)系[36]即尤爾斯特隆圖解,50 cm/s的流速可以剝蝕搬運(yùn)0.01~2.00 mm 的無(wú)黏滯顆粒,即包含了細(xì)粉砂至極粗砂顆粒。目前發(fā)現(xiàn)的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積多為粉砂巖和細(xì)砂巖,可能與黏土顆粒的體積分?jǐn)?shù)密切相關(guān),阻止了水流對(duì)更粗顆粒的剝蝕搬運(yùn)。依據(jù)中國(guó)南海的觀測(cè),內(nèi)孤立波引起的水平流速度一般為120~220 cm/s,通過(guò)計(jì)算,預(yù)測(cè)百年一遇的最大流速可達(dá)300 cm/s[2]。在地史時(shí)期,由于內(nèi)波、內(nèi)潮汐在時(shí)間上可能存在周期性變化,故以300 cm/s的流速為例,據(jù)尤爾斯特隆圖解推算,可以剝蝕搬運(yùn)0.003~100.000 mm 的無(wú)黏滯顆粒,包含了部分黏土和極細(xì)粉砂至中礫顆粒。對(duì)伊朗科曼莎盆地中內(nèi)波形成的礫屑石灰?guī)r[30](表1)從能量和沉積特征上分析,其可能為內(nèi)孤立波沉積形成。
表2 深水環(huán)境下內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積一般特征Table 2 general characteristics of internal-wave and internal-tide in deep-water environment
目前發(fā)現(xiàn)的地層記錄中的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積多與改造作用有關(guān),其垂向序列總結(jié)的較為詳細(xì)[1,5,7],一般包括:1)向上變粗再變細(xì)序列(雙向遞變序列),以細(xì)砂沉積為主,粗粒部分位于序列中部,向上和向下粒度均逐漸變?。▓D1(a)和1(b)),反映了內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積水動(dòng)力弱—強(qiáng)—弱的周期性;2)向上變細(xì)序列(單向遞變序列),以細(xì)砂沉積為主,底部有時(shí)可為中砂顆粒,粒度最大的部分存在于層序的底部,向上逐漸變小(圖1(c)和1(d)),反映出在特定條件下內(nèi)波、內(nèi)潮汐活動(dòng)快速的由弱變強(qiáng),導(dǎo)致先期形成的細(xì)粒沉積被強(qiáng)烈流動(dòng)所侵蝕,只保留由強(qiáng)至弱時(shí)期的沉積[1,4];3)黏土巖與砂巖對(duì)偶出現(xiàn)的向上變粗再變細(xì)序列(雙向遞變對(duì)偶序列),粗粒巖石以極細(xì)砂和粗粉砂為主,單層厚度多在3 cm 以下,中部最厚處為3~5 cm(圖1(e)),反映了斜坡非水道環(huán)境下,潮流轉(zhuǎn)向時(shí)具有較長(zhǎng)的相對(duì)靜止期,使靜止期的黏土沉積得以保存,同時(shí)又受到更大的內(nèi)波、內(nèi)潮汐周期控制,可能與雙周數(shù)有關(guān)[7];4)黏土巖夾鮞粒石灰?guī)r序列,石灰?guī)r部分包括鮞粒石灰?guī)r和砂質(zhì)鮞粒石灰?guī)r,層厚幾厘米至十幾厘米(圖1(f)),可能是由重力流從淺水區(qū)搬運(yùn)而來(lái),其后經(jīng)過(guò)內(nèi)潮汐的再改造沉積而成[7,11]。
以上4種沉積序列均為內(nèi)波、內(nèi)潮汐形成的流體對(duì)海底已有沉積物進(jìn)行改造后再沉積形成的,此外,在鄂爾多斯盆地西緣南部寧夏中衛(wèi)地區(qū)中奧陶統(tǒng)香山群徐家圈組和北部?jī)?nèi)蒙古桌子山地區(qū)上奧陶統(tǒng)拉什仲組發(fā)現(xiàn)了與內(nèi)波、內(nèi)潮汐相關(guān)的深水復(fù)合流沉積[15,37],代表了內(nèi)波、內(nèi)潮汐與低密度濁流發(fā)生交互作用形成的沉積,并非改造已有沉積物[6],說(shuō)明在內(nèi)波、內(nèi)潮汐的破碎帶上除了流體改造作用之外,還存在不同流體之間的交互作用(表2)。交互作用沉積發(fā)生的位置大致相當(dāng)于鮑瑪序列的Tc段,在一般情況下,Tc段非常發(fā)育,而Td和Te段不發(fā)育或不存在,但為連續(xù)沉積,不屬于缺失(圖1(g)),巖性一般為粉砂巖、黏土質(zhì)細(xì)砂巖和粉砂質(zhì)黏土巖,層厚為3~90 cm,一般集中在10~30 cm[37],也可缺失底部的粒序?qū)?,由交互作用層和黏土層組成,并在垂向上疊置[37]。由于浪成波紋層理和小型似丘狀交錯(cuò)層理發(fā)育,故為短周期內(nèi)波與低密度濁流交互作用形成的復(fù)合流沉積[6,37],深水沉積環(huán)境中的這種短周期內(nèi)波可能與內(nèi)孤立波密切相關(guān)。
圖1 內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積垂向序列(據(jù)文獻(xiàn)[5]修改)Fig.1 Vertical successions of internal-tide and internal-wave deposits(modified from Ref.[5])
內(nèi)波、內(nèi)潮汐在海洋中起著重要的動(dòng)力學(xué)作用,是能量和動(dòng)量垂向傳輸?shù)闹匾d體,在非破碎帶(表2),可以反復(fù)地將海水由光照較弱的深層抬升到光照較強(qiáng)的淺層,促進(jìn)較深水海洋生物的光合作用,造成葉綠素增加[38],也可在斜坡環(huán)境中引起上升流,把低溫、富溶解硅和營(yíng)養(yǎng)鹽(特別是硝酸鹽和磷酸鹽)的海水帶到表層,從而有效地提高海洋的初級(jí)生產(chǎn)力[2]?,F(xiàn)代海洋研究表明,內(nèi)波、內(nèi)潮汐可以促進(jìn)深部營(yíng)養(yǎng)向表面富集層加速擴(kuò)散,由波動(dòng)引起的紊流形成的乳濁層可以作為低質(zhì)量的食物源,從而影響軟體動(dòng)物群的垂向分布[39]。大西洋深水珊瑚礁和中國(guó)南海深水珊瑚林的發(fā)現(xiàn)與研究均說(shuō)明在現(xiàn)代海洋中1 000 m水深以下均有造礁生物生長(zhǎng),其營(yíng)養(yǎng)可能主要來(lái)自表層[40],可能與內(nèi)波、內(nèi)潮汐的垂向混合作用有關(guān),且深水軟珊瑚最佳生長(zhǎng)環(huán)境的海水流速約為15 cm/s,也與內(nèi)波、內(nèi)潮汐引起的海水流速相當(dāng)。在地層記錄的研究中,將北非地區(qū)油氣重要儲(chǔ)層的“貨幣蟲(chóng)堤岸”,在西班牙的比利牛斯山地區(qū)依據(jù)野外露頭特征解釋為內(nèi)波引發(fā)的密度流沉積[41],將意大利上侏羅統(tǒng)Monte Sacro 石灰?guī)r中的生物礁解釋為內(nèi)波沉積[31](表1)。在已發(fā)現(xiàn)的研究實(shí)例中,大部分缺少生物化石,可能與內(nèi)波、內(nèi)潮汐波長(zhǎng)較大及破碎帶水動(dòng)力較強(qiáng)、流向反復(fù)改變有關(guān)[1]。
海洋中內(nèi)波、內(nèi)潮汐的擾動(dòng)及混合作用會(huì)對(duì)深水細(xì)粒沉積(粒度小于62.5 μm)產(chǎn)生重要的影響,即存在內(nèi)波、內(nèi)潮汐作用的靜水效應(yīng)(表2)。對(duì)泥級(jí)顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[42]:當(dāng)流體速度小于25 cm/s時(shí),約70%以上的粉砂(體積分?jǐn)?shù))滯留在底床為底載荷;當(dāng)流體速度小于15 cm/s 時(shí),粉砂基本上全部滯留在底床,流體中的懸浮物質(zhì)主要由黏土物質(zhì)組成,絮凝波發(fā)育且具有長(zhǎng)的尾跡,在低沉積速率下可形成粉砂和黏土相間的紋層(條紋構(gòu)造),在高沉積速率下可形成黏土層和交錯(cuò)紋理;當(dāng)流體速度大于25 cm/s 時(shí),將有30%以上的粉砂處于懸浮狀態(tài),流體中的懸浮物質(zhì)由粉砂和黏土組成,絮凝波不發(fā)育,不形成長(zhǎng)的尾跡,此時(shí)在低沉積速率下可連續(xù)沉積形成較厚的粉砂紋層(條帶構(gòu)造),在高沉積速率下可形成較厚的粉砂巖交錯(cuò)紋理。結(jié)合內(nèi)潮汐引起的水流流速及其研究實(shí)例,目前關(guān)注較多的是在25~50 cm/s 流速時(shí)發(fā)生的沉積,而對(duì)于低流速的內(nèi)潮汐(流速為8~25 cm/s)缺少較深入的研究。此外,對(duì)海底而破碎的內(nèi)波、內(nèi)潮汐引起的海水流動(dòng)可能會(huì)引起海水中粉砂與黏土絮凝體分離而形成黏土巖中的粉砂質(zhì)紋層[42]以及黏土絮凝體之間的有效碰撞最終導(dǎo)致沉積物中明顯的絮凝體顆粒[43]沒(méi)有進(jìn)行研究。
由于內(nèi)潮汐與表面潮汐水動(dòng)力作用過(guò)程類(lèi)似,而內(nèi)孤立波及其他短周期內(nèi)波則與風(fēng)暴及波浪的水動(dòng)力過(guò)程類(lèi)似,故在海洋中深水和淺水環(huán)境的牽引流水動(dòng)力過(guò)程具有一定的相似性,一般在強(qiáng)度和規(guī)模上會(huì)有所差別,表現(xiàn)在沉積學(xué)方面,即為2種環(huán)境缺乏排他性鑒別標(biāo)志,需要綜合分析才能比較正確地作出判斷。因此,在研究地層記錄中內(nèi)波、內(nèi)潮汐時(shí),一般情況下要依據(jù)深水原地沉積來(lái)確定深水沉積環(huán)境,之后方可使用已總結(jié)出的內(nèi)波、內(nèi)潮汐鑒別標(biāo)志進(jìn)行識(shí)別。
依據(jù)已發(fā)現(xiàn)的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積實(shí)例,內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積一般形成于深水環(huán)境,且通常出現(xiàn)于海平面上升時(shí)期;具有特征的沉積序列(圖1);具有特征的指向構(gòu)造,常見(jiàn)脈狀、波狀和透鏡狀層理;沉積物粒度較細(xì),以極細(xì)砂至中砂級(jí)為主,少量粗砂,分選中等至較好;缺乏生物擾動(dòng)構(gòu)造[1,4,7]。其中沉積構(gòu)造可以有效地在深水原地沉積、等深流沉積和低密度濁流沉積中識(shí)別出內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積(圖2,圖3和圖4)。
內(nèi)潮汐一般非線(xiàn)性弱,其圓頻率遠(yuǎn)小于浮頻率,而且在傳播過(guò)程中由于海底和海面的反射,在垂向上易形成駐波模態(tài)結(jié)構(gòu),因此,內(nèi)潮汐可簡(jiǎn)化為界面波[2],這種簡(jiǎn)化無(wú)論是在現(xiàn)代海洋還是在地層記錄的研究中都適用。對(duì)于界面化處理之后的內(nèi)潮汐,完全可以參照潮汐沉積進(jìn)行研究,其與海底地形作用,可引起雙向交替流動(dòng),形成雙向交錯(cuò)層理[1,4-7],包括羽狀交錯(cuò)層理(圖2(a))和類(lèi)羽狀交錯(cuò)層理(由于內(nèi)潮汐能量較弱,在轉(zhuǎn)變流向時(shí)可在傾向相反的2組紋層組之間形成較厚黏土沉積層),在理論上也可形成沖洗交錯(cuò)層理。當(dāng)內(nèi)潮汐與更長(zhǎng)周期內(nèi)波疊加時(shí)可引起單向優(yōu)勢(shì)流動(dòng),從而形成單向交錯(cuò)層理(圖2(b)),其中紋層傾向區(qū)域斜坡上方可作為內(nèi)潮汐沉積鑒別標(biāo)志[1,4]。在深水環(huán)境中,當(dāng)沉積物供應(yīng)不足時(shí)可形成脈狀、波狀、透鏡狀復(fù)合層理,其中粗粒的細(xì)砂和粉砂沉積中往往發(fā)育有雙向交錯(cuò)紋理,底界可為突變,也可為漸變(圖2(c))。此外,內(nèi)潮汐可對(duì)未固結(jié)的海底軟沉積物施加周期性的壓力(波峰壓力方向向下,波谷壓力方向向上),從而在軟沉積物中產(chǎn)生液化,形成包卷層理或重荷模[14],內(nèi)潮汐形成的包卷層理往往具有較緊閉的背形和較寬闊的向形,且背形頂部往往向同一方向傾斜(圖2(d)中長(zhǎng)箭頭),在背形之下一般會(huì)發(fā)育有較均一的砂核(圖2(d)中短箭頭),在平面上包卷紋層呈現(xiàn)出回旋狀,常與小型雙向交錯(cuò)層理伴生。
圖2 深水環(huán)境下內(nèi)潮汐作用形成的沉積構(gòu)造Fig.2 Sedimentary structures induced by internal-tide in deep-water environments
內(nèi)孤立波非線(xiàn)性強(qiáng),波長(zhǎng)小,具有較高的圓頻率(可以接近浮頻率),以中國(guó)南海為例,內(nèi)孤立波引起的水平流速度一般為120~220 cm/s,最大垂直流速可達(dá)20~30 cm/s,取水平流速120 cm/s,垂直流速30 cm/s進(jìn)行估算,其水平夾角小于15°,故在研究?jī)?nèi)孤立波沉積時(shí)可將內(nèi)孤立波按正壓波處理,參照海面上波浪的沉積過(guò)程[6,8,11]。在古代深水沉積研究中,發(fā)現(xiàn)了較多的浪成波紋層理,如西秦嶺地區(qū)[21]、寧夏香山群徐家圈組[6]、桌子山地區(qū)拉什仲組[15]和安徽新元古界雙橋山群計(jì)林組等,由于高頻隨機(jī)內(nèi)波難以在海洋中進(jìn)行長(zhǎng)距離傳播,其地層學(xué)意義相對(duì)較小,故這些浪成波紋層理最有可能是由內(nèi)孤立波形成。已發(fā)現(xiàn)的浪成波紋層理其形態(tài)復(fù)雜,與平行層理、單向(雙向)交錯(cuò)層理及包卷層理均可呈連續(xù)過(guò)渡[15,6],但也普遍發(fā)育具有典型浪成波紋層理特征的沉積構(gòu)造(圖3),主要包括“人”字形交錯(cuò)層理(圖3(a))、不均一結(jié)構(gòu)(圖3(b))、束狀體及其相互疊置(圖3(c))以及和波狀層理伴生的雙向交錯(cuò)層理(圖3(d))等,此外,還有“人”字形組構(gòu)的礫屑[30]。
圖3 深水環(huán)境下短周期內(nèi)波破碎形成的沉積構(gòu)造Fig.3 Sedimentary structures induced by break of short period internal-waves in deep-water environments
復(fù)合流是2種或多種不同類(lèi)型的流體在時(shí)間上和空間上的疊加,但在一般情況下,將用于疊加的流體限定為振蕩流和單向流,復(fù)合流沉積集中發(fā)育在淺海和陸棚區(qū)[44]。但在深水沉積中也相繼發(fā)現(xiàn)了復(fù)合流沉積構(gòu)造[15,37],主要包括:1)復(fù)合流波狀層理,具有光滑而略顯不對(duì)稱(chēng)的波峰,紋層在波峰處變薄,在波谷處變厚(圖4(a));2)復(fù)合流交錯(cuò)層理,紋層具有明顯的上凸現(xiàn)象,與流水交錯(cuò)層理的下凹不同(圖4(b));3)小型似丘狀交錯(cuò)層理,形態(tài)與丘狀交錯(cuò)層理類(lèi)似,但是規(guī)模較小,普遍發(fā)育不對(duì)稱(chēng)形態(tài),底部和內(nèi)部紋層間明顯缺少削切面,或直接由丘狀紋層組成(圖4(c))[15,37];4)準(zhǔn)平行層理是介于平行層理和波狀層理之間的一種層理,紋層成微波狀起伏,波高與波長(zhǎng)比值較大,代表了高流態(tài)的復(fù)合流沉積[37],在側(cè)向上可以形成振蕩流波狀層理、復(fù)合流波狀層理和準(zhǔn)平行層理的連續(xù)變化(圖4(d)),在垂向上常與小型似丘狀交錯(cuò)層理相間出現(xiàn)[15,37]。
圖4 深水環(huán)境下與內(nèi)波相關(guān)的復(fù)合流沉積構(gòu)造Fig.4 Sedimentary structures of combined-flow related to internal-waves in deep-water environments
復(fù)合流的形成需要振蕩流的參與,在深水環(huán)境下產(chǎn)生振蕩流且可以在地層記錄中保存下來(lái),最有可能的便是內(nèi)孤立波,但其成因可能有多種,如鄂爾多斯盆地西緣桌子山地區(qū)拉什仲組的內(nèi)孤立波可能由于濁流反射形成[15],而其他已發(fā)現(xiàn)實(shí)例尚需進(jìn)一步研究。
依據(jù)已發(fā)現(xiàn)的研究實(shí)例,內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積包括陸源碎屑巖和碳酸鹽巖2類(lèi):在陸源碎屑巖中以含黏土或黏土質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖為主,顆粒主要局限在細(xì)砂級(jí)及以下,可能一方面與黏土的存在有關(guān),提高了顆粒搬運(yùn)的啟動(dòng)速度,另一方面可能是人們對(duì)引起水流流速較大的內(nèi)孤立波沉積的機(jī)理不清楚,許多粗粒的內(nèi)孤立波沉積被解釋為其他沉積;在碳酸鹽巖中,主要為泥晶、粉晶石灰?guī)r和鮞粒石灰?guī)r(異地搬運(yùn)),此外也有部分礫屑石灰?guī)r和生物礁[30-31]。在有些研究實(shí)例中,如鄂爾多斯盆地西緣中、上奧陶統(tǒng)沉積時(shí)處于亞洲原特提斯洋東部,具有一定的代表性,內(nèi)波、內(nèi)潮汐主要發(fā)育在鈣質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖和含粉砂石灰?guī)r及粉砂質(zhì)石灰?guī)r等混積巖中,較純的細(xì)砂巖、粉砂巖、泥晶及粉晶石灰?guī)r中發(fā)育極少或不發(fā)育[6,15,25],其原因尚需進(jìn)一步研究。
內(nèi)波、內(nèi)潮汐在現(xiàn)代海洋中廣泛分布,地層記錄中的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積也廣泛分布于各種海相深水沉積之中,不同類(lèi)型和不同規(guī)模的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積正在被逐步識(shí)別出來(lái),人們對(duì)從沉積構(gòu)造、巖相類(lèi)型、垂向序列[5]到內(nèi)波、內(nèi)潮汐成因的大型沉積物波[16-17],從陸源碎屑巖[1]、碳酸鹽巖[11,30]到受內(nèi)波、內(nèi)潮汐改造的生物礁[31,40]進(jìn)行了研究,同時(shí)也開(kāi)始涉及內(nèi)波的成因研究,如阻塞盆地濁流反射[10,15]及熱液羽[26]等。然而,人們對(duì)內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積的研究還很少,尚不能給出包括內(nèi)波、內(nèi)潮汐成因、沉積環(huán)境、沉積過(guò)程及控制因素在內(nèi)的綜合模式,目前只是依據(jù)沉積環(huán)境建立了3種內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積的概念模式,分別是水道型、陸坡非水道型和海臺(tái)型內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積模式(圖5)。
水道型內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積模式是依據(jù)美國(guó)阿巴拉契亞山脈中段奧陶紀(jì)深水海底水道充填沉積的研究總結(jié)出來(lái)的[3]。在水道發(fā)育的深水斜坡環(huán)境中,在低海平面時(shí)期,發(fā)育粗碎屑重力流沉積,此時(shí),內(nèi)潮汐和內(nèi)波作用的能量不足以改造砂礫級(jí)碎屑重力流沉積,故此時(shí)難以形成可鑒別的內(nèi)潮汐和內(nèi)波沉積(圖5(a))。隨海平面上升,物源區(qū)逐漸遠(yuǎn)離沉積區(qū),粗碎屑的注入受到抑制,這時(shí)內(nèi)潮汐和內(nèi)波對(duì)細(xì)粒重力流沉積物產(chǎn)生影響(圖5(b))。該環(huán)境中形成的沉積主要為雙向交錯(cuò)紋理砂巖相和單向交錯(cuò)層理和交錯(cuò)紋理砂巖相(或粉砂巖相)[5,7]。寧夏中奧陶統(tǒng)香山群徐家圈組和內(nèi)蒙古桌子山地區(qū)上奧陶統(tǒng)拉什仲組可能也含有水道型內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積[15,25],由于對(duì)鄂爾多斯盆地中晚奧陶世大地構(gòu)造環(huán)境、古沉積環(huán)境及重力流沉積研究較薄弱,深水沉積環(huán)境及廣泛發(fā)育的浪成波紋砂巖相(或粉砂巖相)的形成機(jī)理尚需進(jìn)一步研究。
非水道型內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積模式是依據(jù)浙江桐廬上奧陶統(tǒng)堰口組內(nèi)潮汐沉積而提出的[1,4],在不發(fā)育海底水道的陸坡環(huán)境條件中,內(nèi)潮汐流通常不像水道環(huán)境中那樣強(qiáng),而是流速較低,即形成砂巖(或顆?;?guī)r)與泥巖的薄互層(圖5(c))。由于水動(dòng)力條件較弱,層間無(wú)明顯侵蝕面,砂層可連續(xù)、斷續(xù)或呈透鏡狀,脈狀、波狀、透鏡狀層理常見(jiàn),內(nèi)部多為具雙向傾斜的交錯(cuò)紋理,紋層傾向往往以一個(gè)方向?yàn)橹?,而另一方向不甚發(fā)育,反映出潮汐水流不對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)。在已發(fā)現(xiàn)的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積中斜坡非水道環(huán)境占有較大的比重,包括塔里木盆地中—上奧陶統(tǒng)[20]、湖南石門(mén)地區(qū)下寒武統(tǒng)杷榔組[24]和鄂爾多斯西緣上奧陶統(tǒng)平?jīng)鼋M[27];贛東北新元古界雙橋山群[22]、中國(guó)南海鶯歌海盆地中新統(tǒng)黃流組[29]和鄂爾多斯盆地西緣中奧陶統(tǒng)香山群徐家圈組[37]及上奧陶統(tǒng)拉什仲組[15]則兼有水道型和非水道型內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積;國(guó)外發(fā)現(xiàn)的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積多為碳酸鹽巖斜坡非水道沉積[9-11,30-31],粒度最大的沉積為礫屑石灰?guī)r[30](表1)。
深海、半深海中廣闊的海底平臺(tái)上也是內(nèi)潮汐發(fā)育的較有利場(chǎng)所[1]。由于海臺(tái)上地形平坦,阻力較小,內(nèi)潮汐流可在較大范圍內(nèi)保持一定流速,可對(duì)海臺(tái)上已有碳酸鹽、硅質(zhì)及火山碎屑沉積物進(jìn)行完全或不完全改造,形成內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積(圖5(d))。海臺(tái)型內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積以西太平洋的翁通爪哇海臺(tái)為代表,該地區(qū)自白堊紀(jì)至第四紀(jì)形成了分布廣闊的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積,雖然厚度只有數(shù)米[7]。
圖5 深水環(huán)境下內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積模式[5]Fig.5 Sedimentation models of internal-wave and internal-tide deposits in deep-water environments[5]
中國(guó)頁(yè)巖氣整體處于快速發(fā)展的工業(yè)起步階段,在南方古生界寒武系—志留系、四川盆地三疊系—侏羅系、鄂爾多斯盆地三疊系等層系發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖氣。頁(yè)巖氣是指賦存于以富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖為主的儲(chǔ)集巖系中,以游離或吸附狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集,其儲(chǔ)層巖性的粒度一般小于62.5 μm,包括粉砂巖和黏土巖(粒度小于4 μm)。優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層一般具有有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、脆性礦物體積分?jǐn)?shù)高和沉積構(gòu)造普遍發(fā)育等特征[45-47]:據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明:美國(guó)5 大頁(yè)巖氣盆地有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(TOC)一般為0.5%~4.0%,少數(shù)可以達(dá)到25%,脆性礦物體積分?jǐn)?shù)35.0%~85.0%[48];中國(guó)南方古生界寒武系筇竹寺組TOC 為0.5%~25.7%,優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層TOC一般為4.0%~8.0%,脆性礦物體積分?jǐn)?shù)32.0%~80.0%[48];奧陶系至志留系的五峰組—龍馬溪組,TOC 為0.41%~25.73%,其中甜點(diǎn)段(1~3 號(hào)小層)TOC 一般大于4.0%,平均值為3.42%~5.65%[45],脆性礦物體積分?jǐn)?shù)為30.0%~85.0%,甜點(diǎn)段平均為60.0%,其中放射蟲(chóng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)30.0%[45]。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中紋層和層理普遍發(fā)育,主要由不同組分構(gòu)成,包括脆性礦物、黏土礦物及有機(jī)質(zhì)等,紋層及層理能夠有效溝通頁(yè)巖儲(chǔ)層中無(wú)機(jī)礦物孔隙、納米級(jí)有機(jī)質(zhì)孔等,形成油氣水平運(yùn)移的高速通道[49]。
深水環(huán)境下內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積由于水動(dòng)力較弱而導(dǎo)致沉積顆粒往往較細(xì),沉積物以細(xì)砂和粉砂為主[1,4],特別是在深水斜坡非水道環(huán)境下,多以粉砂沉積為主,層厚一般不超過(guò)30 cm[6,19,25],且?jiàn)A于較厚的黏土巖之中,構(gòu)成韻律性泥巖序列,可形成頁(yè)巖氣儲(chǔ)層(表3)。雖然內(nèi)波、內(nèi)潮汐作用可有效地提高海洋的初級(jí)生產(chǎn)力[2,39],然而,在地層記錄中這方面的研究卻非常薄弱。其次則是脆性礦物體積分?jǐn)?shù),由于頁(yè)巖氣是人工氣藏,可壓裂性是獲得高產(chǎn)的核心[45],而內(nèi)波、內(nèi)潮汐對(duì)海底已有沉積物的改造作用、與其他流體的交互作用以及靜水效應(yīng)(表2和表3)均可造成粉砂與黏土分離,避免了粉砂顆粒散落在黏土之中形成均一結(jié)構(gòu),而是形成粉砂質(zhì)紋層、層理及巖層,從而有效地提高頁(yè)巖的油氣水平運(yùn)移能力和可壓裂性。此外,內(nèi)波、內(nèi)潮汐作用的周期性及靜水效應(yīng)可形成多級(jí)別和多尺度的韻律性,從而增加頁(yè)巖的非均質(zhì)性,造成頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)中的不確定性。
頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù),如有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(TOC)、有機(jī)質(zhì)類(lèi)型、礦物組分及礦物的脆性指數(shù)、儲(chǔ)層物性、含氣頁(yè)巖厚度等均受沉積相控制。如中國(guó)南方中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)主要發(fā)育陸棚內(nèi)拉張槽型、陸架邊緣斜坡型及臺(tái)地前緣斜坡型3 種沉積成因類(lèi)型的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖[47];奧陶系—志留系的五峰組—龍馬溪組主要發(fā)育潮坪相和淺海陸棚相(包括淺水陸棚亞相和深水陸棚亞相)[50],其中主要的勘探層位即五峰組—龍馬溪組一段主要為深水陸棚亞相,進(jìn)一步可按照其成分(如黏土、硅質(zhì)、鈣質(zhì)等)進(jìn)行巖相劃分[51]。深水環(huán)境下內(nèi)波、內(nèi)潮汐的周期性作用和靜水效應(yīng)可形成不同巖性的薄互層或有機(jī)質(zhì)及脆性礦物的分層聚集,雖然可增加巖氣勘探開(kāi)發(fā)中的不確定性,但也可有效地提高頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的可壓裂性;對(duì)已有沉積物的改造作用以及與其他沉積流體發(fā)生交互作用可增加頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間,改變儲(chǔ)層的內(nèi)部結(jié)構(gòu),進(jìn)而提高儲(chǔ)層的可壓裂性;內(nèi)波、內(nèi)潮汐作用在海洋能量混合中起著關(guān)鍵的作用,其營(yíng)養(yǎng)輸運(yùn)功能可有效地提高海洋生產(chǎn)力,從而可能形成有機(jī)質(zhì)的富集(表3)。在我國(guó)已進(jìn)入頁(yè)巖氣規(guī)模化開(kāi)采階段的五峰組—龍馬溪組中發(fā)育有大量的富有機(jī)質(zhì)、含有機(jī)質(zhì)、黏土質(zhì)和粉砂質(zhì)紋層,具有良好的韻律并呈脈狀、透鏡狀或線(xiàn)狀分布,很有可能是由深水牽引流沉積(含等深流沉積和內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積)形成,因此,也有必要從深水牽引流沉積演化的角度對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征進(jìn)行探索和研究。
表3 深水環(huán)境下內(nèi)波、內(nèi)潮汐作用對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的影響Table 3 Effects of internal-wave and internal-tide actions to shale gas reservoir in deep-water environment
1)人們對(duì)地層記錄中的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積的研究主要包括:與現(xiàn)代海洋內(nèi)波、內(nèi)潮汐研究及大洋環(huán)流體系相結(jié)合,進(jìn)一步完善內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積理論;與地史時(shí)期古板塊格局及古大洋環(huán)流體系研究相結(jié)合,將內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積研究置于地球系統(tǒng)演化研究的框架之內(nèi);以現(xiàn)有研究為基礎(chǔ),向更粗及更細(xì)粒沉積巖(物)中拓展,完善內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積體系,如內(nèi)波、內(nèi)潮汐的周期性、破碎帶(改造作用和交互作用)和非破碎帶(營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸和靜水效應(yīng))沉積。
2)雖然目前內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積尚無(wú)排他性鑒別標(biāo)志,但是在確定深水沉積環(huán)境之后,沉積構(gòu)造可能為內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積的重要鑒別標(biāo)志,主要包括內(nèi)潮汐形成的雙向交錯(cuò)層(紋)理(雙向交替流)、單向交錯(cuò)層(紋)理(單向優(yōu)勢(shì)流)、脈狀、波狀、透鏡狀復(fù)合層理(沉積物有限供應(yīng))和特殊的包卷層理(對(duì)海底的周期性壓力);短周期內(nèi)波(內(nèi)孤立波)形成的浪成波紋層(紋)理,典型的“人”字形交錯(cuò)層(紋)理、不均一結(jié)構(gòu)、束狀體及相互疊置和波狀層(紋)理等;深水復(fù)合流形成的復(fù)合流波狀(交錯(cuò))層(紋)理、小型似丘狀交錯(cuò)層理和準(zhǔn)平行層(紋)理等。
3)深水環(huán)境下內(nèi)波、內(nèi)潮汐可能在細(xì)粒沉積中形成有機(jī)富集(在海洋中的營(yíng)養(yǎng)輸運(yùn)功能)、脆性礦物富集并形成相應(yīng)的沉積構(gòu)造(在破碎帶的改造作用、流體交互作用及在非破碎帶的靜水效應(yīng)),從而形成頁(yè)巖氣儲(chǔ)層并能有效地提高頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的油氣水平運(yùn)移能力和可壓裂性;內(nèi)波、內(nèi)潮汐對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的形成與改造產(chǎn)生較大影響,使得深水牽引流(包括等深流和內(nèi)波、內(nèi)潮汐)有可能成為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層沉積微相劃分的主要依據(jù),從而提高頁(yè)巖氣儲(chǔ)層研究的系統(tǒng)化程度和可預(yù)測(cè)性。