被動(dòng)大陸邊緣背景下典型深水沉積模式探討*

劉子玉 謝曉軍 李建平 呂 棟

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028；2. 中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司 北京 100028)

隨著全球勘探活動(dòng)的不斷深入，深水沉積已成為勘探家們關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。通過(guò)對(duì)全球1196個(gè)已發(fā)現(xiàn)油氣田統(tǒng)計(jì)，涉及深水沉積儲(chǔ)層的油氣田193個(gè)，其中與被動(dòng)大陸邊緣盆地相關(guān)的深水沉積儲(chǔ)層的油氣田數(shù)量將近60個(gè)[4]。大約31%的深水沉積儲(chǔ)層油氣田發(fā)育于被動(dòng)大陸邊緣背景之下。被動(dòng)大陸邊緣盆地又稱大西洋型大陸邊緣盆地，即通常所說(shuō)的穩(wěn)定大陸邊緣，構(gòu)造上長(zhǎng)期處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的大陸邊緣。從全球盆地分布來(lái)看，被動(dòng)大陸邊緣盆地主要環(huán)大西洋、環(huán)印度洋和環(huán)北冰洋分布，比較典型的有大西洋兩岸盆地、東非邊緣及馬達(dá)加斯加盆地、印度半島以及澳大利亞西北盆地。進(jìn)一步分析其構(gòu)造背景，有的屬于寬闊的陸架，如墨西哥灣北部深水盆地、巴西坎普斯?jié)u新世至今沉積期盆地、國(guó)內(nèi)南海北部盆地；有的屬于狹窄的陸架，如巴西坎普斯晚白堊世—始新世沉積期盆地；還有的大陸邊緣盆地由于構(gòu)造及沉積演化差異導(dǎo)致所處的陸架極為狹窄甚至幾乎無(wú)陸架發(fā)育，而直接過(guò)渡到陡峭陸坡區(qū)，如東非魯伍馬盆地即屬于典型的狹窄陸架沉積背景。陸坡環(huán)境亦是復(fù)雜多樣，有的較為陡峭，有的較為崎嶇。不同的陸架-陸坡環(huán)境導(dǎo)致了不同的沉積格局。目前被動(dòng)大陸邊緣背景下深水沉積儲(chǔ)層油氣發(fā)現(xiàn)非常可觀，已獲得了較大價(jià)值的商業(yè)油氣[4]，顯示出廣闊的勘探前景，值得我們關(guān)注和研究。

自從1950年Kuenen等發(fā)表了具劃時(shí)代意義的論文《濁流為形成遞變層理的成因》[5]，從此掀開(kāi)了濁流研究新篇章，Kuenen的學(xué)生Bouma 1962年應(yīng)用濁流理論提出了被稱為“鮑馬層序”的著名濁流模式[6]。Lowe和Stow又先后提出了粗粒和細(xì)粒沉積的典型模式[7-8]。Shanmugam根據(jù)經(jīng)典古代濁積巖露頭和巖心觀察，提出了碎屑流主導(dǎo)的斜坡扇模式[9]。由于深水沉積過(guò)程本身的復(fù)雜性，時(shí)至今日，深水沉積領(lǐng)域仍存在頗多爭(zhēng)議。前人研究主要針對(duì)深水沉積機(jī)理及其作用過(guò)程，并針對(duì)具體研究區(qū)進(jìn)行了闡述。

本次主要從勘探實(shí)踐出發(fā)，在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和沉積背景分析基礎(chǔ)上，選取南大西洋巴西坎普斯盆地和東非魯伍馬盆地等典型研究區(qū)，通過(guò)分析陸架寬—窄演變特征，陸坡區(qū)有無(wú)發(fā)育限制性地貌，開(kāi)展物源供給與搬運(yùn)過(guò)程研究，分析被動(dòng)大陸邊緣背景下的沉積體系發(fā)育特征，探討其典型深水沉積模式，預(yù)測(cè)有利砂巖分布規(guī)律，以期深化對(duì)此類盆地的勘探認(rèn)識(shí)。

1 深水沉積砂體搬運(yùn)、卸載機(jī)制

深水重力流作為一種事件性流體，是由重力驅(qū)動(dòng)的含有大量碎屑物質(zhì)的高密度流體，其形成條件包括足夠的水深、合適的坡度和密度差、充沛的物源和一定的觸發(fā)機(jī)制(如突發(fā)性的地震、海嘯及洪水等)。區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制了沉積物供應(yīng)，從物源區(qū)出發(fā)，沉積物經(jīng)由一定的輸送通道被搬運(yùn)至深水區(qū)并沉積下來(lái)。

1.1 砂體搬運(yùn)機(jī)制

總的來(lái)看，砂體搬運(yùn)至深水區(qū)主要通過(guò)2種機(jī)制，即直接補(bǔ)給和陸架補(bǔ)給(表1)。

表1 深水砂體沉積主要補(bǔ)給機(jī)制類型Table 1 Main supply mechanism types of deep water sedimentation

1) 直接補(bǔ)給機(jī)制：陸架一般較為狹窄(或者無(wú)陸架)，未經(jīng)改造的河流沉積物被峽谷襲奪，路過(guò)陸架區(qū)，直接被輸送至陸坡及盆底區(qū)。通常其砂巖的結(jié)構(gòu)和礦物成熟度欠佳，除非其原始物源來(lái)自于較為成熟的沉積物。

2) 陸架補(bǔ)給機(jī)制：陸架一般較為寬闊，幾十千米至上百千米，砂體首先在陸架區(qū)進(jìn)行沉積，比如濱面砂或陸架(邊緣)三角洲沉積等表現(xiàn)形式，然后通過(guò)一定的外力條件再重新分配至陸坡及盆底區(qū)。因而此類砂體的結(jié)構(gòu)和礦物成熟度良好。

1.2 砂體卸載機(jī)制

陸坡及盆底區(qū)地貌復(fù)雜，有的較為陡峭，有的崎嶇不平，依據(jù)是否發(fā)育限制性地貌，陸坡-盆底等匯水區(qū)主要存在2類砂體卸載機(jī)制(表1)：

1) 限制性陸坡卸載機(jī)制：此類陸坡較為崎嶇，發(fā)育陸坡內(nèi)盆地。陸坡內(nèi)盆地亦稱“微盆”，通常由鹽底辟作用、泥底辟作用、薄皮鏟式斷層、厚皮斷層活動(dòng)、逆斷層或逆沖作用等造成?！拔⑴琛庇啥鄠€(gè)負(fù)地形組成，呈梯級(jí)排列，類似多個(gè)“沉砂池”，根據(jù)不同的背景，“微盆”大小不一，小的幾平方千米，大的上百平方千米，一般幾十平方千米。由于是受限制地貌，砂體會(huì)就地依此沉積；如果物源充沛，砂體還可以穿過(guò)一系列“微盆”輸送至盆底進(jìn)行卸載。

2) 非限制性陸坡卸載機(jī)制：此類陸坡一般較為陡峭，幾乎不發(fā)育陸坡內(nèi)盆地。此種情況下陸坡僅僅發(fā)生路過(guò)沉積，而在盆底區(qū)趨于平緩，沉積幾乎不受任何限制，因此砂體可不受限制地輸送至盆底卸載。

2 典型深水沉積模式

陸架的變遷及陸坡特征對(duì)沉積演化，尤其是對(duì)于深水沉積具有重要的控制作用。基于勘探實(shí)踐和認(rèn)識(shí)，根據(jù)陸架、陸坡演化特征，將陸架大致分為寬陸架和窄陸架，將陸坡是否發(fā)育陸坡內(nèi)盆地劃分為限制性陸坡和非限制性陸坡。具體可分為窄陸架-限制性陸坡、窄陸架-非限制性陸坡、寬陸架-限制性陸坡和寬陸架-非限制性陸坡等4種典型沉積模式。

2.1 窄陸架-限制性陸坡沉積模式

坎普斯盆地位于巴西東南緣，面積約10×104km2，水深達(dá)3 500 m，是巴西被動(dòng)大陸邊緣盆地勘探最為深入的盆地[10-13]，目前油氣發(fā)現(xiàn)主要集中于鹽上層系的深水濁積體(圖1)。自從1971年以來(lái)，在坎普斯盆地已經(jīng)鉆探超過(guò)500口井。最早的商業(yè)發(fā)現(xiàn)為1974年的Garoupa油田，也是巴西海上第一個(gè)商業(yè)油田。截至2009年7月，坎普斯盆地已發(fā)現(xiàn)104個(gè)油氣藏，占整個(gè)巴西石油儲(chǔ)量的80%。

圖1 巴西坎普斯盆地綜合地質(zhì)剖面圖[10]Fig .1 Comprehensive geological profile of Campos basin,Brazil[10]

坎普斯盆地經(jīng)歷了裂谷期、過(guò)渡期和漂移期3個(gè)構(gòu)造演化階段，自晚白堊世開(kāi)始，進(jìn)入廣泛的海侵期，一直持續(xù)到始新世末期。該沉積期被動(dòng)大陸邊緣初始形成，陸架較窄，大約50 km左右，雖然發(fā)生大范圍海侵，但盆緣構(gòu)造活動(dòng)劇烈，隆升剝蝕作用強(qiáng)，物源供給極為充足，在陸架區(qū)形成的三角洲又為深水區(qū)沉積提供了豐富的物源。此期陸坡區(qū)沉積主要受到斷層和鹽巖構(gòu)造的控制，形成了一系列類似于“沉砂池”的微盆，沉積物依此堆積，主要沿?cái)鄬幼呦蛘共?。在受限制背景下，砂體主要發(fā)育于水道體系，如不受斷層、鹽巖構(gòu)造等影響，沉積體可以穿過(guò)微盆，在盆底形成末端朵葉，深水區(qū)鹽隆對(duì)沉積起到遮擋作用(圖2)。

圖2 窄陸架-限制性陸坡沉積模式Fig .2 Depositional model for narrow shelf-restrictive slope

如坎普斯盆地Carapeba 油田主力儲(chǔ)層為上白堊統(tǒng)砂巖[4]，水道呈NWW展布，長(zhǎng)度大于 20 km，寬度介于5～10 km，切割下伏Macae 組鈣質(zhì)泥巖，和鹽運(yùn)動(dòng)有關(guān)的生長(zhǎng)斷層控制了水道的位置和走向。該期地層主要包括 5 種巖相類型：①塊狀，中—細(xì)礫巖，以及中—粗粒砂巖，5～12 m 厚，正粒序，局部含小于1 m具平行和交錯(cuò)層理，細(xì)—極細(xì)薄砂及泥巖，指示高密度濁流；②薄層，一般厚度小于10 cm，平行—波紋交錯(cuò)層理，細(xì)—極細(xì)粉砂巖，砂巖，與含生物擾動(dòng)的泥巖互層，通常顯示濁流構(gòu)造特征，指示低密度濁流；③生物擾動(dòng)泥巖及粉砂巖，富含中—下部半深海底棲有孔蟲，指示深水原地沉積；④相一致的具有扭曲、褶皺或倒置特征的生物擾動(dòng)泥巖夾層、以及薄層細(xì)砂巖，通常厚度小于1 m，指示滑塌沉積；⑤無(wú)序的砂巖、泥巖，包含細(xì)礫—粗礫泥質(zhì)碎屑及碳質(zhì)碎屑，通常厚度小于1 m，有的大于5 m，表示碎屑流沉積特征。

2.2 窄陸架-非限制性陸坡沉積模式

魯伍馬盆地屬于東非被動(dòng)大陸邊緣盆地體系之一，橫跨坦桑尼亞和莫桑比克兩個(gè)國(guó)家[14-17]，面積約14.4×104km2，其中海上面積占76%。該屬于典型的窄陸架沉積背景[18]。2011年全球十大油氣勘探發(fā)現(xiàn)中的2項(xiàng)即來(lái)自此盆地，證實(shí)了魯伍馬盆地蘊(yùn)含豐富的天然氣資源[1]。

從地貌特征看，魯伍馬盆地所處陸架整體上極為狹窄，大約5～25 km，盆地北端幾乎無(wú)陸架發(fā)育，而陸坡較為陡峭且峽谷非常發(fā)育，下陸坡-深海平原則變得較為平緩，這種地貌條件非常有利于形成大型朵葉體占主導(dǎo)的海底扇沉積。

魯伍馬盆地沉積主要受控于東非魯伍馬河水系，漸新世開(kāi)始受區(qū)域隆升影響，盆地西緣遭受抬升剝蝕，沉積物源供應(yīng)充足，加之魯伍馬河水系發(fā)育，伴隨全球性海退，形成龐大的向海推進(jìn)的魯伍馬三角洲沉積體系，這可為深水沉積體的發(fā)育提供豐富的物源[18]。前已述及，深水沉積體系的砂體輸送方式主要有2種，即陸架補(bǔ)給機(jī)制和直接補(bǔ)給機(jī)制。由于魯伍馬盆地陸架狹窄，主要為直接補(bǔ)給機(jī)制，河流(三角洲)攜帶大量沉積物直接通過(guò)峽谷輸送至深水區(qū)，在上陸坡沉積物過(guò)路沉積，在下陸坡由于地形平緩，構(gòu)造活動(dòng)弱，幾乎不受限制，發(fā)育大型朵葉體沉積(圖3)，并已經(jīng)被鉆井所證實(shí)。

圖3 窄陸架-非限制性陸坡沉積模式[18]Fig .3 Depositional model for narrow shelf-unrestrictive slope[18]

從研究區(qū)南北向地震剖面分析，海底扇體系在時(shí)空演化上具有垂向疊加、橫向遷移的特征。從始新世開(kāi)始可識(shí)別出明顯的下切水道特征，漸新世規(guī)模最大，發(fā)育范圍最廣，中新世持續(xù)發(fā)育，整體上呈現(xiàn)出由南向北的遷移趨勢(shì)，這可能與魯伍馬河水系入海口遷移有關(guān)。

從研究區(qū)東西向二維地震測(cè)線分析，海底扇強(qiáng)振幅前積特征明顯，內(nèi)含具有下切特征的水道。地震測(cè)線位于盆地東部超深水區(qū)，明顯的疊瓦狀前積現(xiàn)象也指示了物源區(qū)豐富的碎屑注入。

2.3 寬陸架-限制性陸坡沉積模式

桑托斯盆地是巴西東緣最大的盆地，面積約32.7×104km2，位于巴西東南部圣卡塔琳娜州、巴拉納、圣保羅州和里約熱內(nèi)盧州的海上[19]。桑托斯盆地油氣鉆探始于20世紀(jì)70年代，前期勘探主要集中于淺水陸架區(qū)，一直無(wú)大的油氣發(fā)現(xiàn)，自2006年起，隨著勘探的深入，在深水區(qū)接連發(fā)現(xiàn)大型油氣田，迅速成為勘探的熱點(diǎn)區(qū)域之一[1]。

桑托斯盆地早白堊沉積時(shí)期具有寬闊的陸架特征，寬度大于100 km，陸坡區(qū)發(fā)育鏟式正斷層及鹽隆構(gòu)造，發(fā)育典型的寬陸架-限制性陸坡沉積模式(圖4)。目前該盆地鹽上油氣發(fā)現(xiàn)中，85%屬于此種背景。

圖4 寬陸架-限制性陸坡沉積模式Fig .4 Depositional model for wide shelf-restrictive slope

通過(guò)對(duì)桑托斯盆地二維地震資料分析，對(duì)鹽上各沉積時(shí)期陸架邊緣軌跡進(jìn)行了追蹤和識(shí)別，編制了鹽上各時(shí)期陸架邊緣遷移圖，晚白堊世康尼亞克-馬斯特里赫特期發(fā)生強(qiáng)烈隆升，物源相海方向注入非常強(qiáng)烈，三角洲沉積體不斷向前推進(jìn)，盆地中北部陸架邊緣向海遷移50 km左右。自漸新世開(kāi)始，隨著區(qū)域海平面上升以及河流襲奪影響，陸架邊緣后退約50 km。

受盆緣構(gòu)造抬升影響，物源注入充分，先期在陸架上發(fā)育大規(guī)模三角洲主體，隨著不斷向海推進(jìn)，在深水區(qū)受控于鹽構(gòu)造以及斷裂活動(dòng)的影響，構(gòu)成受限制地貌，主要發(fā)育濁積水道沉積，當(dāng)這些“沉砂池”被充滿之后，晚期會(huì)發(fā)育一些朵葉體(水道化朵葉)沉積。進(jìn)入晚白堊世中晚期，隨著盆緣構(gòu)造隆升，產(chǎn)生大量剝蝕，物源注入非常強(qiáng)烈，碎屑物源注入充足，砂巖含量較前期明顯增多。

康尼亞克-馬斯特里赫特期陸架區(qū)主要發(fā)育多支大型三角洲沉積，深水區(qū)主要發(fā)育水道和朵葉沉積。在地震剖面上，呈明顯的前積或斜交反射特征，指示三角洲不斷向海推進(jìn)。鉆井上顯示多期三角洲沉積疊置，發(fā)育大套砂巖及泥巖互層。陸坡區(qū)發(fā)育水道及朵葉沉積。如Merluza油田A井[4]，下段由砂巖、粉砂巖、泥巖及泥灰?guī)r組成，自下而上泥質(zhì)含量增多，底部發(fā)育多期疊置水道，呈正旋回，頂部以半深海泥為主，發(fā)育朵葉沉積，呈反旋回；上段由泥巖、砂巖、粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖組成，自下而上泥質(zhì)含量增多，底部為正旋回，發(fā)育多期水道疊置，其上發(fā)育朵葉沉積，為反旋回。地震上水道具有中強(qiáng)振幅反射特征，下切明顯，朵葉體具有丘型反射特征。值得注意的是，對(duì)于陸架極為寬闊的被動(dòng)大陸邊緣盆地，大量砂體會(huì)就地卸載，因而進(jìn)入陸坡深水區(qū)的砂體規(guī)模較小，甚至不發(fā)育。

2.4 寬陸架-非限制性陸坡沉積模式

坎普斯盆地自漸新世開(kāi)始進(jìn)入廣泛的海退期[20]，一直持續(xù)到現(xiàn)今，在此過(guò)程中陸架不斷變寬。雖然坎普斯盆地漸—中新世陸架有所變寬，寬度超過(guò)80 km，但是伴隨盆緣構(gòu)造抬升，物源注入一直持續(xù)加強(qiáng)，三角洲推進(jìn)到陸架邊緣，加之陸坡區(qū)受斷層和鹽構(gòu)造的影響較小，地勢(shì)更趨于平緩，深水區(qū)沉積作用幾乎不受任何限制，以發(fā)育大型朵葉沉積為主(圖5)。

圖5 寬陸架-非限制性陸坡沉積模式Fig .5 Depositional model for wide shelf-unrestrictive slope

如坎普斯盆地Marlim油田[4]，水深在600～1 200 m，主力儲(chǔ)層為漸—中新世砂巖。該儲(chǔ)層段由一套沉積于陸坡及陸隆之上的復(fù)合濁積體構(gòu)成，總的砂體厚度0～125 m，凈毛比0.8～1.0。此復(fù)合體由2～3個(gè)疊置的朵葉組成，朵葉體補(bǔ)給水道來(lái)自于NW方向，后期遭受一條來(lái)自NW方向的彎曲水道侵蝕。儲(chǔ)層巖相包括：①塊狀，向上變細(xì)，中—極細(xì)粒砂巖；②薄層—紋層狀，細(xì)—極細(xì)粒砂巖，顯示Tab、Tabc、Tbc 鮑馬序列。富砂段與與具有中—下陸坡背景下的生物擾動(dòng)泥巖、泥灰?guī)r互層。地震顯示，漸—中新世濁積砂體沉積于進(jìn)積型陸架-陸坡體系，沉積物來(lái)源于厚層富砂三角洲沉積體，在海平面相對(duì)下降期，該沉積體不斷進(jìn)積越過(guò)陸架，并導(dǎo)致下伏鹽巖向盆內(nèi)流動(dòng)。這將促使陸坡消亡，以及外陸架未固結(jié)沉積物滑塌，并以重力流方式輸送至下陸坡。在Marlim地區(qū)，沉積物流向?qū)掗煹姆窍拗菩躁懫拢纬蓮V泛分布的大型朵葉體沉積。

3 結(jié)論

1) 建立了被動(dòng)大陸邊緣背景下的4種典型深水沉積模式，其沉積特征為：①窄陸架-限制性陸坡模式，物源直接供給，發(fā)育水道體系；②窄陸架-非限制性陸坡模式，物源直接供給，發(fā)育朵葉(水道化朵葉)體系；③寬陸架-限制性陸坡模式，陸架供給，發(fā)育水道體系；④寬陸架-非限制性陸坡模式等，陸架供給，發(fā)育朵葉(水道化朵葉)體系。

2) 窄陸架背景下，若深水區(qū)存在受限制背景，處于海侵期，主要發(fā)育受限制的水道體系，水道砂體是主要的儲(chǔ)集體，如坎普斯盆地晚白堊世—始新世沉積期；若深水區(qū)存在非受限制環(huán)境，且處于海退期，則發(fā)育廣覆式海底扇(以大型朵葉體為主)沉積體系，如東非魯伍馬盆地漸新世沉積。

3) 寬陸架背景下，若深水區(qū)存在受限制背景，主要發(fā)育受限制的水道體系，由于大量砂體在陸架區(qū)就地沉積，深水區(qū)發(fā)育的砂體規(guī)模不大；若深水區(qū)存在非受限制背景，處于海退期，且物源注入充沛，主要發(fā)育廣覆式海底扇(以大型朵葉體為主)，如坎普斯盆地漸—中新世沉積，朵葉(水道化朵葉)砂體是主要的儲(chǔ)集體。