北海馬里福斯盆地東部晚侏羅世深水重力流沉積特征及沉積序列*

杜宏宇 方 勇 李建平 趙厚祥

(中國海洋石油國際有限公司 北京 100028)

近十年，伴隨著西北非、圭亞那、墨西哥及土耳其等深水重大油氣發(fā)現(xiàn)，深水重力流沉積再次掀起新的研究熱潮，成為當今深水油氣勘探的熱點。深水沉積研究由來已久，1948年Kuenen等[1]首次闡述深水沉積過程，并開展?jié)崃鞯牟煌Ｐ驅永淼某梢蚍治鯷2]。1962年，Bouma 提出了著名的“鮑馬序列”[3]，建立了成因意義的濁積巖垂向組合，掀起了濁流研究的熱潮。1996年Shanmugam提出深水區(qū)發(fā)育砂質碎屑流[4]，并進一步認為傳統(tǒng)的高密度濁流并非真正的濁流，指出“鮑馬序列”實際上是濁流、砂質碎屑流和牽引流的綜合[5]，得到全球石油地質學界關注。目前，國內外學者開始不斷深化重力流沉積理論基礎和沉積序列的認識，對深水重力流勘探提供了新思路[6-11]。

馬里福斯盆地是英國重要的含油氣盆地之一。該盆地勘探始于20世紀70年代，以構造圈閉為主，1990年以來，勘探重點聚焦到巖性-構造圈閉，其中上侏羅—下白堊統(tǒng)重力流砂巖儲層中已發(fā)現(xiàn)油氣儲量占盆地總儲量近一半，是重要勘探層系。盆地在晚侏羅-早白堊世的深水重力流沉積,由于上覆碳酸鹽巖層屏蔽[12]，地球物理手段無法有效地識別刻畫，研究相對較少。1990年，Boldy和Brealey[13]論述了馬里福斯盆地侏羅紀構造與沉積作用，認為上侏羅統(tǒng)海底扇砂體為下伏地層砂體再沉積形成。1996年，Davies等[14]以及Harker和Rieuf[15]利用最大海泛面，從成因地層學角度劃分和對比了晚侏羅晚基梅里階-早白堊世同裂谷期重力流砂體。1999年，Kadolsky和Johansen[16]用塊體流解釋Witch Ground地塹內海底扇砂體，認為砂體分布受控于自身形成的水道及斷裂導致的古地形。2000年歐洲地質(EAGE)學會上，Jeremiah[17]和Law等[18]分別對下白堊重力流砂體開展了基于古生物資料的成因地層學分析，在該框架下研究砂體展布及輸砂通道。2021年初，Steventon等[19]將上侏羅統(tǒng)薄層的重力流沉積劃分為塊體流和過渡沉積，并用高密度流和低密度流解釋塊體流。

然而，馬里福斯盆地北東地區(qū)重力流砂體成因類型及特征、沉積序列、沉積模式的研究還不夠完善，其對油氣聚集的意義也有待于進一步分析；因此，筆者以馬里福斯盆地東部上侏羅統(tǒng)為例，通過對盆地北東Witch Ground地塹100余口井的巖心觀察及鉆測井資料分析，重點介紹上侏羅統(tǒng)重力流沉積特征、不同成因重力流砂體垂向組合序列，進而總結了深水重力流沉積模式，為下一步勘探及完善斷陷盆地深水重力流沉積研究提供借鑒。

1 地質背景

馬里福斯盆地位于歐洲北部北海盆地西部，是中生代北海三叉裂谷中東西走向的一支。盆地可以分為內、外兩個次盆，外馬里福斯次盆呈兩坳三隆的構造格局，由南向北依次為Peterhead脊、Buchan 地塹、Renee構造脊、Witch Ground 地塹和Fladen Ground高地(圖1、2)，本次研究主要聚焦于Witch Ground地塹。

圖1 北海外馬里福斯盆地構造綱要Fig .1 Structure elements in Outer Moray Firth Basin，North Sea

圖2 外馬里福斯盆地東部地質剖面圖(剖面位置見圖1)Fig .2 Geological section of Eastern Outer Moray Firth Basin(see Fig.1 for location)

馬里福斯盆地以加里東期火成巖為結晶基底，發(fā)育了由泥盆系以來的各個時期的沉積地層，總厚度超過10 km(圖3)。盆地經(jīng)歷二疊紀和晚侏羅至早白堊兩個裂陷期，后者是最主要裂陷期，自晚侏羅世到新近紀劃分了3個階段：①晚侏羅世裂陷一期，地幔柱隆升拱張，區(qū)域構造沉降，發(fā)育大量壘塹相間的地塹或半地塹。早期發(fā)育扇三角洲及濱海沉積，晚期為半封閉環(huán)境深水，重力流沉積廣泛發(fā)育；②早白堊世裂陷二期，大量早期斷層停止活動，僅中部斷層持續(xù)運動，主要發(fā)育開闊海環(huán)境深水沉積；③晚白堊世至古近紀坳陷期，盆地進入穩(wěn)定的裂后熱沉降階段，早期晚白堊世廣泛發(fā)育深水碳酸鹽巖(泥灰?guī)r)，晚期古近紀西北方向物源注入盆地，發(fā)育大型三角洲-盆底扇沉積。

圖3 北海馬里福斯盆地綜合柱狀圖Fig .3 Stratigraphic column of Moray Firth Basin，North Sea

Witch Ground地塹是在二疊紀裂谷基礎上，晚侏羅世再次繼承性發(fā)育的海相裂谷。其西北為Halibut Horst凸起，發(fā)育深大斷裂；東北Fladen Ground隆起，發(fā)育一系列斷階；南部受控于Renee斷裂。在兩類構造邊緣控制的洼陷內，晚侏羅世在深水背景下發(fā)育重力流沉積。

2 主要深水沉積類型及特征

2.1 深水沉積類型

深水沉積中，重力驅動過程包括滑動、滑塌、碎屑流和濁流。其中滑動和滑塌為典型的塊體搬運，黏性塊體或巖層受重力驅動發(fā)生滑動，內部逐漸變形形成滑塌?；鷫K體隨著流體物質的增加，轉化為碎屑流。濁流可與碎屑流同時產(chǎn)生，也可隨著碎屑流的流體含量進一步增加，層狀碎屑流轉化為濁流。除重力驅動成因外，深水潮汐等成因的底流也是深水沉積的重要組成。

對于自然界上較容易觀察到的滑動、滑塌和碎屑流，國內外學者都有較廣泛和清晰的介紹，但對于濁流的認識則存在一定的爭議，一方面是因為目前仍未完全認清紊流，另一方面是在自然界難以直接觀察到深水紊流的沉積過程。

2.2 深水沉積特征

通過對研究區(qū)100余口井巖心的深水沉積觀察，巖心中可識別的深水沉積主要以碎屑流沉積為主，其次為濁流沉積，局部可見二次滑塌產(chǎn)物。

碎屑流沉積占據(jù)了深水沉積的主體，單個碎屑流沉積厚度一般十多厘米到2 m，最大可達4 m。按照顆粒組成和沉積構造，可進一步劃分為礫質碎屑流、砂質碎屑流和泥質碎屑流沉積。

礫質碎屑流沉積：研究區(qū)內礫石因物源區(qū)基底不同，常見有兩類，一是來自花崗巖母巖區(qū)的細石英礫，二是來自含火山碎屑巖母巖區(qū)的巖屑礫。礫石總體磨圓較好，反映了一定的搬運距離，也說明塑性層流雖然整體搬運，但其內顆粒也發(fā)生旋轉摩擦。礫石排列無明顯的定向性，礫間多為雜砂、細砂巖及泥質充填。礫質碎屑流沉積主要發(fā)育正遞變層理，反遞變層理普遍較薄、且多發(fā)育于底部。正遞變礫質碎屑流沉積上部可逐漸過渡為塊狀砂巖。常見厚度不等的礫質碎屑流沉積垂向上疊置，與上下圍巖呈負載突變接觸(圖4)。

圖4 礫質碎屑流巖心沉積特征Fig .4 Core sediment characteristics of gravelly debris flow

砂質碎屑流沉積：砂質碎屑流沉積內部結構較均一，成分從粗砂巖、中砂巖到細砂巖都有發(fā)育，局部夾泥礫或泥巖撕裂片，泥礫或者泥巖撕裂片多發(fā)育在砂質碎屑流的中部和頂部，其中頂部較常見(圖5)。以塊狀構造為主，局部可見泥巖擠入構造，砂質碎屑流整體上呈“凝結”狀的流動特征，發(fā)育遞變層理但不易識別。部分砂質碎屑流沉積液化作用明顯，碟狀泄水構造遍布。砂質碎屑流屬于層流，不具侵蝕性，與上下圍巖一般突變接觸，下伏泥巖頂部多發(fā)育重荷模。單個砂質碎屑流沉積厚度一般較大，多超過1 m，是最重要的碎屑流類型。

圖5 砂質碎屑流巖心沉積特征Fig .5 Core sediment characteristics of sandy debris flow

泥質碎屑流沉積：基質以深灰色-黑色泥質為主，含砂質細礫、泥質漂浮礫。細礫分布與層面平行或者無明顯規(guī)律，暗黑色泥礫長軸與層面基本平行(圖6)。泥質碎屑流沉積形成于黏滯的塑性流體，粗、細沉積物整體搬運，并一同沉積，結構混雜，構造均質，厚度一般較薄，在大多數(shù)鉆井巖心中并不常見。

圖6 泥質碎屑流巖心沉積特征 Fig .6 Core sediment characteristics of muddy debris flow

濁流沉積：厚度較薄，一般幾厘米到十多厘米，垂向上多期疊置。自下而上，巖性由發(fā)育正遞變粒序的砂巖組成，其頂部往往可見由底流形成的塊狀或者平行層理細砂巖、粉砂巖和水平層理的泥巖沉積(圖7)，一般不含礫及泥巖撕裂片。濁流具有牛頓流體性質，呈紊流狀態(tài)，碎屑顆粒由紊流支撐，紊流具有沖刷侵蝕作用，底部可見沖刷面，與下伏地層呈突變接觸。

二次滑塌沉積：在深水沉積中比較發(fā)育，一種是在碎屑流沉積的頂?shù)酌姘l(fā)育，多見扭曲層及不規(guī)則頂面，局部發(fā)育有剪切裂縫帶(圖8)；另一種發(fā)育在多期疊置的濁流沉積中，多見小型斷裂(圖8)。

圖8 二次滑塌和小斷裂巖心特征 Fig .8 Core characteristics of secondary slump and small fracture

3 典型深水沉積序列和相模式

3.1 深水沉積序列

鉆井巖心記錄的深水重力流沉積往往以碎屑流沉積為主，垂向上可與濁流、滑塌沉積及深水泥巖或者其他底流伴生，常見3種沉積序列。

碎屑流為主的沉積序列(圖9)：多期碎屑流沉積垂向疊置，以塊狀砂質碎屑流為主，也常見反遞變-正遞變礫質碎屑流過渡到塊狀砂質碎屑流的組合，或者正遞變礫質碎屑流過渡為塊狀砂質碎屑流的組合。各期碎屑流沉積間呈負載突變接觸，或者間夾滑塌相泥巖或砂巖，頂部偶見由塊狀碎屑流漸變到濁流的地質記錄。

圖9 碎屑流為主的沉積序列(K1井)Fig .9 Depositional sequence dominated by debris flow(Well K1)

碎屑流為主，頻繁夾濁流的沉積序列(圖10)：碎屑流沉積以塊狀砂巖為主，局部夾滑塌相泥礫；濁流沉積較薄但多期互層，內部發(fā)育滑塌成因的扭曲層和小斷裂。在濁流之上可發(fā)育深水底流形成的平行層理砂巖和低能塊狀暗色泥巖沉積。

圖10 碎屑流夾雜濁流的沉積序列(L4井)Fig .10 Depositional sequence of debris flow with turbidite flow(Well L4)

濁流和底流互層的沉積序列(圖11)：以塊狀或正遞變濁流沉積為主，以細砂巖為主。正遞變層理發(fā)育較完整，相對較厚，濁流沉積上多發(fā)育底流沉積，常見爬升、波狀和水平層理。濁流和底流多期互層發(fā)育。

圖11 濁流和底流互層的沉積序列(K2井)Fig .11 Depositional sequence of interbedded turbidite flow and bottom flow(Well K2)

3.2 深水重力流沉積模式

對于深水重力流沉積，業(yè)內普遍定為海底扇或者盆底扇，斜坡部位的沉積為斜坡扇。對應亞相的分類，早期研究中多采用內扇、中扇和外扇的模式。現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)重力流可發(fā)生幾十到幾百千米的物流輸送。在其輸送通道上，可填充局部發(fā)育儲砂池后，繼續(xù)向遠端輸送。因此，越來越多的學者采用限制性水道、弱限制性水道(水道化朵葉)和非限制性水道(朵葉復合體)的模式(圖12)。其中內扇可大致對應限制性水道部分，中扇可對應弱限制流水道部分，外扇可對應朵葉復合體部分。不同的亞相沉積序列具有較大的差異。

圖12 馬里福斯盆地北東地區(qū)晚侏羅世深水重力流沉積模式Fig .12 Deep-water gravity flows depositional model of late Jurassic in the Northeast of Moray Firth Basin

限制性水道內沉積可容納空間較小，深水重力流流速一般較快，下切作用較強，較細粒且薄層的濁流沉積不宜保留，常發(fā)育以碎屑流為主的沉積序列。但水道邊緣可能發(fā)育一些堤壩滑塌相。

弱限制性水道內沉積可容納空間相對較大，深水重力流下切作用漸弱，水道化朵葉間天然堤濁流較發(fā)育，水道的頻繁擺動造成天然堤的破環(huán)，因此多發(fā)育碎屑流為主、頻繁夾雜的濁流的沉積序列，滑塌相和小斷裂時有發(fā)育。

朵葉復合體部分沉積可容納空間大，深水重力流下切作用弱，碎屑流、濁流普遍較薄，但分布范圍廣，多發(fā)育濁流和底流互層的沉積序列。

4 結論

1) 北海馬里福斯盆地北東地區(qū)晚侏羅世巖心記錄了以碎屑流為主的深水重力流沉積，碎屑流沉積可分為遞變層理的礫質碎屑流、塊狀砂質碎屑流和泥質碎屑流沉積，濁流和二次滑塌等重力流沉積也有一定的發(fā)育。

2) 不同類型的重力流沉積垂向上主要有3種序列，以碎屑流為主的沉積序列常見于限制性水道；碎屑流為主、頻繁夾雜的濁流的沉積序列多發(fā)育于弱限制性水道中；濁流和底流互層的沉積序列則常見于末端朵葉復合體內。