被動(dòng)陸緣深水海底限制性水道三維地震表征及沉積演化
——以納米貝盆地為例

付志方，宮越，蘇玉山，郭榮濤，林東升，汲生珍

中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

0 引言

目前全球范圍內(nèi)石油勘探開發(fā)已走向深海，深水、超深水海域并不斷獲得突破性油氣發(fā)現(xiàn)，如大西洋東海岸的尼日爾三角洲盆地、下剛果—?jiǎng)偣扰璧?、加蓬盆地，及墨西哥灣、中國南海等區(qū)域，均發(fā)現(xiàn)了以大型限制性濁積水道砂為儲集層的高產(chǎn)油氣田[1-4]。深海限制性水道是沉積物的主要搬運(yùn)通道及粗碎屑沉積場所，是被動(dòng)陸緣盆地內(nèi)主要的油氣儲集層。因此，限制性水道的內(nèi)部構(gòu)型、平面展布等靜態(tài)特征的刻畫，水道的侵蝕、沉積建造等動(dòng)態(tài)要素及控制因素的研究，有助于提高濁積水道鉆前儲層預(yù)測和剩余油分布預(yù)測的準(zhǔn)確度[5]。

深水水道的描述和研究，通常基于三維地震數(shù)據(jù)勘探目的層的地震響應(yīng)。但是，深層目標(biāo)層段的地震反射受地震分辨率的限制和后期沉積壓實(shí)、構(gòu)造活動(dòng)的影響，很難客觀、準(zhǔn)確地解析濁積水道的真實(shí)外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，以納米貝盆地受差異壓實(shí)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較小的第四紀(jì)深水海底沉積地層為目標(biāo)[6-7]，基于淺層高分辨率疊前深度域三維地震資料，通過水道剖面特征、平面形態(tài)的精細(xì)刻畫，及水道內(nèi)部構(gòu)型與演變的解析，總結(jié)、歸納深水水道的沉積模式及其沉積演化的控制因素。以期研究成果能對深水水道的儲層預(yù)測和地質(zhì)建模帶來啟發(fā)。

1 地質(zhì)背景

納米貝盆地是隨著岡瓦納大陸的解體和大西洋的持續(xù)擴(kuò)張形成的，盆地演化大致分為二疊紀(jì)—早侏羅世的前裂谷期、晚侏羅世—早白堊世的裂陷期、早白堊世末的過渡期和晚白堊世至今的被動(dòng)陸緣（漂移）期四個(gè)階段[8]。被動(dòng)陸緣早期層序主要由海相泥巖地層組成，為富含有機(jī)質(zhì)的烴源巖，被動(dòng)陸緣晚期至現(xiàn)今層序發(fā)育一系列海進(jìn)—海退旋回，以海相泥頁巖和深水濁積砂巖沉積為特征，其中漸新統(tǒng)和中新統(tǒng)濁積砂巖為油氣主要儲集層。被動(dòng)陸緣晚期隨著大西洋擴(kuò)張的加快及早期陸殼冷卻沉降，促進(jìn)了陸緣地層的傾斜及陸緣盆地可容空間的增加，形成了以窄陸架、寬緩陸坡、緩坦陸基為典型特征的構(gòu)造長期相對穩(wěn)定的被動(dòng)陸緣地形（圖1），為深水大型限制性水道的發(fā)育奠定了充分的地質(zhì)基礎(chǔ)。

圖1 研究區(qū)綜合圖（a）研究區(qū)位置；（b）OO’地震剖面Fig.1 Location map of study area

研究區(qū)被高分辨率三維地震采集覆蓋，地震測線網(wǎng)格密度12.5 m×12.5 m，疊前深度偏移三維地震數(shù)據(jù)體為該區(qū)水道的研究提供了客觀、立體的深度域資料基礎(chǔ)。研究區(qū)位于納米貝盆地中北部，距離西非海岸線約10 km，面積約2 000 km2，水深介于600～2 600 m（圖1）。地震反射海底地貌圖（圖2a）顯示，研究區(qū)海底地形整體東南高西北低，東南區(qū)地形呈現(xiàn)寬緩的正向背斜構(gòu)造背景，西北區(qū)地形表現(xiàn)為寬緩的負(fù)向向斜構(gòu)造背景，西北部低凹區(qū)為構(gòu)造沉降中心區(qū)域。陸上貝羅河（Bero River）從工區(qū)東南方海岸入海，經(jīng)研究區(qū)西南流向西北方向，延伸長度約60 km，是研究區(qū)現(xiàn)今主要深水限制性濁積水道。

圖2 地震反射海底地貌圖（a）及海底傾角圖（b）Fig.2 Seismic reflection submarine geomorphological map (a) and dip angle of seabed (b)

2 深水限制性水道的地震表征

水道受水流侵蝕能力、水道底部滯留沉積的影響不同和成熟度差異，不同水道或同一水道的不同位置，水道特征均有較大不同。研究區(qū)內(nèi)主要有兩條代表性的水道（圖2a），其一為位于南部邊緣部位的發(fā)育早期的小型順直水道，其二為位于中部的發(fā)育成熟期的貝羅河水下彎曲水道。通過剖析水道在地震反射剖面上的幾何外形、內(nèi)部構(gòu)型，并分析現(xiàn)今水道在海底地震反射地貌圖中的平面特征、地形背景，及提取等時(shí)反射層地震屬性反應(yīng)的多期水道平面展布及演化關(guān)系，期望在時(shí)空上全方位挖掘限制性水道的沉積特征與演化過程。

2.1 南部發(fā)育早期小型順直水道

依據(jù)地震反射海底地貌（圖2a）和海底傾角（圖2b），南部小型水道在研究區(qū)內(nèi)延伸約20 km，平面上呈順直展布，走向幾乎完全垂直于海底地形等深線，海底地形坡度介于3°～4°，沿水道地形坡度由淺至深逐漸增大。圖3為過水道上、中、下位置的aa’、bb’及cc’三條橫切水道地震反射剖面，剖面間距約5 km。地震反射剖面顯示，水道兩邊河床近似“V”型對稱，水道深度從上游到下游漸次變小，水道寬度也依次緩慢變小，而水道寬深比依次明顯增大，水道內(nèi)或底部未見明顯的砂體沉積地層的強(qiáng)地震反射，即未發(fā)育明顯的粗粒滯留沉積。上述地震響應(yīng)特征表明南部小型順直水道處于早期侵蝕性過路不沉積的水道發(fā)育階段。

圖3 橫切南部水道地震剖面（位置見圖2）Fig.3 Typical seismic profiles across southern channel

2.2 中部成熟期貝羅河深水限制性彎曲水道

貝羅河陸上峽谷頭部與其水下河口直接相連，為深水限制性水道的形成提供了有利的源動(dòng)力條件。該水道從東南向西北穿過研究區(qū)中部（圖2），是多期次發(fā)育的、彎曲的、典型的水下限制性濁積水道。

2.2.1 剖面特征

從圖4地震反射剖面可知，地震剖面上水道現(xiàn)今河床呈明顯的不對稱深“V”型反射，水道沉積體地震反射外形為明顯的“U”型，可分為上、下兩套地震反射層序，下部層序?yàn)榇至舫练e層，呈現(xiàn)強(qiáng)振幅、中等頻率、中等連續(xù)的內(nèi)部地震反射，平面呈現(xiàn)向緩坡加積疊置，該地震響應(yīng)特征使其明顯區(qū)別于周邊圍巖地層；上部層序?yàn)樯詈Ｆ∧噘|(zhì)披覆沉積，呈現(xiàn)弱振幅、高頻、較連續(xù)的地震反射響應(yīng)特征，且與廣海沉積層無縫連接，但水道內(nèi)地層明顯增厚。地震剖面上堤岸地形基本保持原始區(qū)域地形形態(tài)，無明顯溢岸沉積建造。上述地震響應(yīng)反映了限制性水道的主要特點(diǎn)：強(qiáng)水流動(dòng)力，重力流活動(dòng)限制在連通水道內(nèi)，水流侵蝕作用總體大于沉積，底部沉積側(cè)向加積粗粒地層。

圖4 水道橫截面地震反射典型剖面（位置見圖2）Fig.4 Typical seismic profiles across Bero deepwater turbidite channel

深水限制性水道在地質(zhì)時(shí)間尺度上，往往由相鄰期次的單一水道以不同的切割、疊合等關(guān)系組合而形成深水水道沉積體系。從圖4 地震剖面反射特征來看，水道沉積體系可大概歸納為側(cè)切疊加式和垂切疊加式兩個(gè)類型，地震剖面下部明顯發(fā)育側(cè)切疊加式水道沉積體系，地震剖面上部明顯發(fā)育垂切疊加式水道沉積體系。

2.2.2 現(xiàn)今水道平面特征

研究區(qū)地震反射海底地形（圖2）總體呈東南高西北低，現(xiàn)今貝羅河水下限制性水道從東南高部位向西北低凹處展布，延伸長度約60 km。依據(jù)研究區(qū)內(nèi)水道的整體特征，可分為上下兩段，以水道海底水深1 900 m 為界線，水深1 900 m 至900 m 以淺為上段，水深1 900 m 至2 600 m 以深為下段，上、下兩段水道特征明顯不同（表1、圖2），水道分界處也是海底地形變化的樞紐地帶，上段地形坡度較陡，介于2°～3°，下段地形坡度較緩，介于0.5°～2°。水道彎曲度、擺動(dòng)幅度與其位置、地形坡度及水道演化程度相關(guān)。

表1 水道特征要素表Table 1 Characteristic elements of the channel

水道上段海底背景地形具明顯的以水道軸線近似對稱的正向構(gòu)造特征（圖2），說明水道上段周邊地層有一個(gè)長期的沉積建造，即該段水道發(fā)育程度相對較高；水道下段周邊海底地形具明顯的負(fù)向構(gòu)造背景，且水道直線與負(fù)向構(gòu)造軸線不一致，預(yù)示該段水道隨西北部沉降中心的向北移動(dòng)而向構(gòu)造低部位遷移的趨勢，即該段水道發(fā)育程度相對較低。

2.2.3 平面演化特征

為了描述水道平面演化特征，在海底地震反射層及其以下大約1 000 m的淺部地層范圍內(nèi)，解釋了現(xiàn)今、中期、早期三個(gè)地震反射界面（圖5）。該套地層相當(dāng)于更新世—全新世時(shí)期的沉積地層[9]，同時(shí)也是水下限制性水道體系的集中發(fā)育層段。提取三個(gè)反射層面的對水道砂體沉積響應(yīng)敏感的地震均方根振幅屬性（圖6a～c），以揭示各期水道的平面展布及演化（圖6d）。

圖5 淺層地震反射上、中、下部層位解釋典型剖面（位置見圖2）Fig.5 Interpreted isochronous horizons of typical seismic sections

圖6 深水水道早、中、晚期平面演化圖（a）早期水道；（b）中期水道；（c）晚期水道；（d）早中晚期水道疊合圖Fig.6 Early,middle and late evolution of deepwater channel

早期水道為單支，位于研究區(qū)中南部，從研究區(qū)東南角延伸到研究區(qū)西部邊界中心位置。中期水道中部分為雙支，整體位置相對早期向北部大幅移動(dòng)?，F(xiàn)今水道又變?yōu)閱沃В挥谘芯繀^(qū)正中部，從研究區(qū)西南角延伸到東北角，整體位置相對中期水道向北移動(dòng)。從三期水道平面疊合關(guān)系圖（圖6d）可知，水道的演化從早期到現(xiàn)今整體漸進(jìn)式向北移動(dòng)，上段遷移距離較小，下段遷移距離較大。中期水道在水道中部發(fā)育為兩支，南側(cè)一支為早期水道在該處的消亡遺跡，北側(cè)一支為晚期水道在該處的早期雛形。水道的遷移方向明顯指向西北部盆地沉降中心位置，即預(yù)示著盆地沉降中心控制著水道的遷移方向。

3 深水限制性水道沉積演化及控制因素

水道的沉積演化包括水流的侵蝕和水流攜帶物的沉積兩個(gè)方面，水流的侵蝕作用為水道沉積提供可容空間[10]。在現(xiàn)今靜態(tài)地震反射剖面上以已很難直接觀察到水流的侵蝕過程，但是水道沉積地層在深海環(huán)境下被很好地保存下來，其在地震剖面上的幾何外形和內(nèi)幕反射結(jié)構(gòu)可以反映當(dāng)時(shí)沉積時(shí)的侵蝕方式和沉積模式，各期水道的平面展布可通過現(xiàn)今海底地貌和等時(shí)地震層位振幅屬性客觀反映。依據(jù)前述限制性水道地震表征的分析結(jié)果，對單水道沉積演化模式（圖7）、水道體系沉積演化模式（圖8）及控制因素等分別進(jìn)行了探索性歸納總結(jié)。

圖7 單水道沉積演化模式（a）早期侵蝕階段；（b）中期侵蝕與沉積平衡階段；（c）晚期充填消亡階段Fig.7 Sedimentary evolution model of an individual channel

圖8 限制性水道體系沉積演化模式（a）側(cè)向切疊模式；（b）垂向切疊模式Fig.8 Sedimentary evolution model of channel system

3.1 沉積演化模式

單水道沉積演化模式：早期侵蝕階段，水道順直，水動(dòng)力強(qiáng)，以垂向侵蝕為主，河谷呈深“V”型，隨著水道河曲的出現(xiàn)，河谷呈現(xiàn)凸岸河床陡而凹岸河床較緩的不對稱“V”型，此時(shí)在凸岸處因流速相對較慢而引起粗粒砂體堆積，形成面積狹小的側(cè)向加積。中期重力流侵蝕與沉積平衡階段，在河曲處的橫向環(huán)流的作用下，側(cè)向侵蝕加強(qiáng)，原先的“V”字形河谷展寬，水道彎曲度增大，水流攜帶的粗粒物質(zhì)在緩岸一側(cè)沉積、擴(kuò)大，細(xì)粒的懸移質(zhì)隨水流帶往下游[11-12]，此時(shí)侵蝕和沉積維持一種近似的動(dòng)態(tài)平衡。晚期泥質(zhì)充填消亡階段，水道流量、流速變小，沉積作用大于侵蝕，較粗顆粒物在水道底部快速沉積，隨著水流的持續(xù)減弱，水道細(xì)粒懸浮質(zhì)及深海漂移物充填水道上部空間，水道消亡。該模式揭示了水道下部粗粒沉積的外形表現(xiàn)為上平下凹的“U”形“塊狀”砂巖沉積體，其內(nèi)部砂體單向側(cè)面疊置，水道上部細(xì)粒沉積形成近水平或水平狀的“層狀”泥巖地層。

水道體系沉積演化模式：水道體系往往由多個(gè)相鄰期次的單一水道以多種形式的侵蝕切割、沉積疊合而成[13]。水道沉積體系可歸納為側(cè)向切疊式和垂向切疊式兩種類型。側(cè)向切疊模式，即晚期水道側(cè)向侵蝕、切割早期水道的單邊河道地層而形成新的水道后，側(cè)向向上沉積疊加的模式；垂向切疊模式，即晚期水道近垂直向下侵蝕切割早期水道沉積的主要區(qū)域而形成新的水道后，垂向向上沉積疊加的模式。在深水限制性水道沉積體系中，一般上陸坡趨向于發(fā)育垂向切疊模式，下陸坡趨向于發(fā)育側(cè)向切疊模式，但是總體以側(cè)向切疊模式為主要沉積體系類型，側(cè)向切割方向一般指向水道圍岸地形向下傾斜一側(cè)。垂向切疊模式在時(shí)空上是短期的、相對的出現(xiàn)，側(cè)向切疊模式在時(shí)空上是長期的、絕對的存在。

3.2 沉積演化控制因素

水道的演化是水流與河床不斷相互作用的過程，在這一過程中，泥沙運(yùn)動(dòng)是紐帶，其演化主要經(jīng)歷垂向侵蝕、側(cè)向侵蝕與加積、廢棄三個(gè)過程。其總的控制因素有地貌形態(tài)、構(gòu)造活動(dòng)、海平面升降、古氣候變化、地球自轉(zhuǎn)偏向力、等深流和水道通過地層的巖性及結(jié)構(gòu)等多種因素[14-15]。不同類型的水道有其各自不同的獨(dú)特特征和其主要控制因素。

深水限制性水道的沉積演化，主要經(jīng)歷早期短時(shí)間的以侵蝕作用為主的水道可容空間的建造、中期長時(shí)間的一側(cè)侵蝕和另一側(cè)沉積的動(dòng)態(tài)平衡建造、晚期以海洋漂浮物為主的細(xì)粒沉積充填水道的廢棄過程。其主要特征是重力流的流動(dòng)和沉積完全被限制在水道可容空間以內(nèi)，需要水道內(nèi)重力流長期維持較大的動(dòng)能，以保障重力流遠(yuǎn)距離搬運(yùn)。研究區(qū)貝羅河水下濁積水道處于寬緩陸坡上，延伸長度約600 km，沿水道走向的陸坡角度自上而下為4°～0.5°（圖2b、圖9 中地震剖面GG’、HH’、JJ’），大范圍相對穩(wěn)定的較大坡降角度為重力流長距離搬運(yùn)提供了持續(xù)的動(dòng)力。

圖9 沿貝羅河深水水道地震剖面及位置圖Fig.9 Seismic profile and location map along the Bero deepwater channel

研究區(qū)海底構(gòu)造圖顯示現(xiàn)今凹陷中心位于研究區(qū)西北部，圖9 中沿水道左、中、右地震反射剖面GG’、HH’、JJ’的海底深度線顯示靠近沉降中心一側(cè)剖面JJ’海底深度明顯低于遠(yuǎn)離沉積中心一側(cè)剖面GG’海底深度，即水道靠近沉降中心側(cè)水道堤岸高度明顯低于遠(yuǎn)離沉降中心的另一側(cè)堤岸，兩岸高度差異大大降低了靠近沉降中心一側(cè)較低堤岸的穩(wěn)定性，易于被水流淹沒、侵蝕，致使各期水道由老至新依次由南向北遷移，且水道西北段靠近沉降中心位置的遷移幅度明顯較大。圖9 中EE’、FF’地震剖面橫切水道兩岸高差相對較大位置，剖面上東北堤岸明顯低于西南岸，剖面上兩岸高差分別達(dá)到38 m 和54 m，另外，水道兩側(cè)堤岸地形視傾角也有明顯差異，靠近沉降中心一側(cè)堤岸視傾角為0.49°～0.52°，明顯大于另一側(cè)（0.35°～0.33°），堤岸高差和視傾角差異較大處的低堤岸一側(cè)易于發(fā)生溢岸流或堤岸坍塌決口而形成新的分支水道[16]，圖6b 中的中期水道即在此位置形成分支水道。

深水限制性水道的源—匯系統(tǒng)中，水道沉積演化的動(dòng)力來源于物源供給驅(qū)動(dòng)和可容空間驅(qū)動(dòng)的共同作用，物源供給驅(qū)動(dòng)提供大規(guī)模濁積水流和強(qiáng)大的初始能量，可容空間驅(qū)動(dòng)保障深水水道內(nèi)的重力流能量的持續(xù)和長距離搬運(yùn)[17]?？扇菘臻g驅(qū)動(dòng)是深水水道演化的最主要?jiǎng)恿Γ粍?dòng)陸緣盆地的窄陸架、寬緩陸坡的海底地形為深水濁積水道的發(fā)育提供了獨(dú)特且廣闊的可容空間背景，窄陸架減少了重力流能量的衰減，而寬陸坡又可持續(xù)為重力流提供能量，是深水濁積水道大規(guī)模、長距離延伸的有利空間。被動(dòng)陸緣盆地長期持續(xù)穩(wěn)定的構(gòu)造沉降中心控制著各期深水水道的平面遷移總體方向和分支水道的發(fā)育位置及走向。水道體系內(nèi)濁積砂體發(fā)育的期次往往由物源供給的頻次決定。水道沉積體系內(nèi)由早至晚各期水道沉積體在平面上的投影呈現(xiàn)為向盆地沉降中心依次展開的長半徑、短弧長的窄扇形。故此，海底地形、構(gòu)造活動(dòng)是深水限制性水道沉積發(fā)育、演化的主控因素。

4 結(jié)論

（1）海底淺層高分辨率地震資料對深水限制性水道的現(xiàn)今輪廓和歷史沉積的地震響應(yīng)特征顯著。早期水道為河床近似“V”型對稱的、沿最大坡降發(fā)育的順直水道，無沉積或少量粗礫發(fā)育。中晚期水道為河床凹岸側(cè)陡、凸岸側(cè)緩的非對稱“V”型的彎曲水道，水道沉積外形為寬緩的“U”型，地震反射剖面呈明顯的二元結(jié)構(gòu)，下部地震相為強(qiáng)振幅、中頻、斷續(xù)反射，上部為弱振幅、高頻、連續(xù)反射。

（2）單一限制性水道的沉積模式以凹岸側(cè)向侵蝕、凸岸側(cè)“S”型加積為主，原先的“V”字形河谷逐漸展寬并沉積發(fā)育為“U”型水道沉積體，并具有明顯的下粗上細(xì)二元沉積結(jié)構(gòu)。水道沉積體系分為側(cè)切疊置和垂切疊置兩種模式，以側(cè)切疊置模式為主。

（3）窄陸架、寬陸坡的被動(dòng)陸緣海底地形控制深水限制性水道的長度規(guī)模及延伸方向，陸緣盆地的構(gòu)造沉降中心控制著各期水道的遷移方向，古氣候變化的頻次控制著水道體系內(nèi)濁積砂體發(fā)育的期次。

致謝 感謝審稿專家和編輯對文稿提出的寶貴意見。感謝中石化石勘院呂雪雁博士的幫助。