深水沉積及海底扇相模式研究進展

劉喜玲 （中海油國際公司烏干達有限公司，北京100010）

劉君榮 （中石油冀東油田分公司研究院，河北唐山063004）

1 “深水”和 “深水沉積”的概念

“深水”和 “深水沉積”的概念在海洋石油勘探中使用多年，但是長期以來對它們的定義和看法存在一定分歧。目前看來，深水有地質(zhì)和工程2個方面的定義。地質(zhì)意義的深水是陸棚邊緣朝海的區(qū)域內(nèi)儲集砂巖沉積時的水深，不一定是現(xiàn)今油氣勘探開發(fā)中的深水；工程意義的 “深水”是鉆井工程師用來表示深水鉆探深度，無論埋藏的儲層是否屬于深水起源［1－2］。目前，水深400～500m以下海域的勘探技術比較成熟，因而常稱之為淺水區(qū)；公認的深水定義為500～2000m，超過2000m為超深水［1］。“深水沉積”是指在重力搬運作用下沉積在深水環(huán)境下的沉積物，或稱之為 “海底扇”［3］。

2 “深水沉積”

Forel于1885年第一次提出了密度流 （濁流）的概念［4－5］，從此揭開了深水沉積研究的序幕。直到19世紀末，傳統(tǒng)的觀點都一直認為在寧靜的深海中僅僅包含遠洋泥沉積［4－5］。1897年Miline報道了沿海底峽谷的深海濁流沖斷海底電纜的事件，深水沉積的研究開始逐步發(fā)展起來［4－5］。20世紀初，一些專業(yè)的海洋研究實驗室開始建立；1928年Sheldon首先發(fā)現(xiàn)了后來被稱為 “鮑瑪序列”這一特殊層序結構的沉積現(xiàn)象［4－5］；隨后在1936年Signorini認識到這一沉積層序具有五分的結構［4－6］。1929年加拿大紐芬蘭大地震，導致Grand海灘海底電纜在24h內(nèi)由北至南相繼斷掉，后來塞利和尤因 （1952）研究了這一現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)是地震后滑坡形成的濁流流過大西洋海底時將電纜折斷的。根據(jù)電纜斷掉的時間計算出濁流的速度，最高為50m／s，一般為5～7m／s［5－8］。

20世紀30年代，一些關于深水重力流方面的假說相繼提出，并在實驗室和現(xiàn)代海洋沉積活動的觀察中得到了初步驗證。1938年在大量研究工作基礎上Johnson介紹了 “濁流”術語的涵義［5］；1948年出現(xiàn)了關于深水沉積的一篇重要文章，Kuenen、Migliorini和Shepard在倫敦第十八屆國際地質(zhì)大會中宣讀的第一個關于深水沉積樣式研究報告，將深水沉積研究推向高潮［5－7］。

二戰(zhàn)后，伴隨著全球油氣勘探開發(fā)活動的開展，對深水沉積的研究也相對活躍起來。1950年Kuenen和Migliorini發(fā)表了里程碑式的論文—— “濁流是遞變層理的一個成因”，自此濁流機制在深水沉積體系研究中的重要作用逐漸顯現(xiàn)［7－9］。20世紀50年代，大量的科學研究集中在濁流沉積的成因機理方面：濁流的沉積樣式、海底峽谷前的塊體運動、濁流形成的濁積巖、滑塌濁積巖、含礫石泥巖的濁流、“顆粒流”、“牽引毯狀沉積”等［5］，直到1962年鮑瑪?shù)谝淮谓榻B了濁積巖的垂向模型，即 “鮑瑪序列”，經(jīng)典的濁流沉積理論得以初步建立［5］（見圖1）。隨后，關于濁流沉積的成果越來越豐富。

19世紀70年代開始，深水沉積機理、沉積模式及其各種沉積相特征的研究不斷深入，重力流、等深流及塊體運動等研究也相應取得較大進展［5］。在濁積巖概念之上建立起來的海底扇模式已經(jīng)成為石油工業(yè)用來解釋深水模式最有影響力的沉積學工具。隨著全球油氣勘探與開發(fā)技術的不斷推進，更多的目光投向了海底扇，海洋深水區(qū)成為油氣勘探的新熱點；尤其是隨著地震探測技術的提高，高精度地震資料在海洋油氣勘探中的應用日趨重要，成為識別深水扇等深水沉積地層格架的主要工具［4－10］，深水沉積的研究也得到進一步推動。Normark在1970年提出了第1個被廣泛應用的現(xiàn)代海底扇模式，引入 “疊置扇”以描述海底扇補給水道末端形成的深水朵葉狀隆起體［5－6，10］。之后，Walker在此基礎上，結合Mutti古代扇的相模式概念，提出了 “上扇地區(qū)單一補給水道、中部／下扇地區(qū)疊置扇葉狀體”的綜合扇模式［8，10］。至20世紀80年代，大量的深水沉積扇模式在深水油氣勘探中得以提出和應用，但總體上遵循了 “鮑瑪序列”這一經(jīng)典的濁流理論［5］。

進入20世紀90年代，以Shanmugan為代表的沉積學家在大量深海鉆探巖心研究的基礎上，對之前建立的大量深水沉積機理和相模式提出了質(zhì)疑，并重新將大量的濁流沉積解釋為砂質(zhì)碎屑流沉積［14］。Shanmugan的工作引起了地學界對深水沉積過程和相模式的大討論，先前建立海底扇模型的Normark、Walker和Mutti等人先后發(fā)文放棄了自己的觀點［6］。進入21世紀，深水沉積機理的研究仍在不斷地辯論中繼續(xù)［14－15］，但不可否認的是勘探家利用已經(jīng)建立的深水沉積和海底扇相模式在深水油氣勘探中已經(jīng)取得了重要的成果。深水沉積的研究將在不斷地理論反思與勘探開發(fā)實踐相互促進中繼續(xù)前行 （見圖2）。

圖1 鮑瑪序列 （據(jù)文獻 ［3］修改）

圖2 深水沉積研究發(fā)展歷程

3 海底扇相模式

普遍認為，深水海底扇的沉積物包括深水水道充填物 （深切谷、峽谷水道和侵蝕水道等）、舌形體、滑動、滑塌，這些沉積物可能是滑塌、碎屑流、濁流、等深流和半遠洋物質(zhì)，深水海底扇沉積機理的復雜性與難識別性使深水海底扇的沉積相模式一直是探索的焦點，日益活躍的海洋石油工業(yè)也推動了這一項科學研究的發(fā)展［16－27］。

Normark（1970）最早使用 “舌形體”描述現(xiàn)代的深水扇，把富砂的San Lucas和Lajolla扇定義為上疊置扇舌形體，但1991年他本人撰文廢棄了這一術語［5，11］。Walker在1978年結合1970年Normark的現(xiàn)代扇模式的主要元素和古代海底扇的相概念，提出了一種通用的扇模式，這種模式由單個供給水道組成的上扇區(qū)和疊置扇朵葉的中到下扇區(qū)組成，其預測能力使其成為油氣勘探和開發(fā)中最具影響力的一種模式，這種模式同樣是適于濁流為主的系統(tǒng)［5，28］。

Nilsen（1980）討論了海底扇的基本原理和概念，把深水扇分成由三角洲供給的細粒扇和由水道供給的粗粒扇2種簡單類型［6］。1982年第一屆沖積扇會議中提出有關現(xiàn)代和古代海底扇復雜性的認識，并且得出不存在統(tǒng)一的模式來解釋所有的深海環(huán)境的結論［5，30］。1987年Vail介紹了層序地層格架中的盆地扇和斜坡扇模型［31］。Shanmugam和Moila（1991）對前人的研究成果進行總結，疊置扇朵葉一般發(fā)育在中扇環(huán)境，侵蝕朵葉在整個海底扇都可以發(fā)育，而沉積朵葉多發(fā)育在下扇。水道化朵葉多發(fā)育在斜坡和上扇環(huán)境［31］。Reading ＆Richards（1994）根據(jù)深水扇沉積物供應的方式 （點源、多源和線源）和沉積物的粒度 （泥、泥／砂、砂、礫）把深水扇細分成12種類型，這種分類十分直觀地表明了不同沉積物粗細和輸送方式造成扇體的差異性［32］。Richards ＆Bowman（1998）更進一步主張從沉積物源、類型、供應速率、海平面變化和區(qū)域構造作用等去剖析深水碎屑沉積系統(tǒng)［33］。鮑志東 （1998）對中國南方三疊紀深水盆地重力流石灰?guī)r進行了較深入的研究，分析了重力流石灰?guī)r組合類型與構造背景的耦合關系、重力流的觸發(fā)機制、巖石類型的演替及其沉積相標志，建立了被動大陸邊緣深水碳酸鹽巖沉積模式，并進而分析了重力流碳酸鹽巖的儲層發(fā)育特征［34－35］。

Stow（2000）認為，只有沉積相的研究才能改進對深水扇系統(tǒng)的沉積模式，即需要建立深水扇系統(tǒng)的環(huán)境模型［36］。Shanmugan（2000）從理論上與巖石結構上總結了濁流模式50年來的發(fā)展后認為，深水沉積過程之相模式的研究極有價值，同時，深水沉積物的性質(zhì)、類型及作為沉積相預測工具的盆底扇理論模式的有效性有待證實。他認為有著盆底扇特有的地震相和測井相特征儲層主要由塊體搬運沉積物，尤其是砂質(zhì)滑溻和碎屑流的沉積物組成，典型的濁積巖極其罕見［5－6］。

Shanmugam在2000年提出了一個適合于一些斜坡和斜坡底部沉積環(huán)境、以非水道化和水道化的碎屑流為主的沉積系統(tǒng)的沉積模型，認為砂質(zhì)碎屑流可以形成厚層、分布廣泛和極好的儲層［5－6］。然而，Shanmugam并不能提出一個能夠很好的指導油氣勘探和開發(fā)的方案，他過多強調(diào)了不同沉積體系的獨特性，而忽略了深水沉積特別是深水海底扇共有的特點，其觀點有待實踐來檢驗。

那么，為什么早期建立的濁積巖海底扇模式不斷被放棄呢？主要是經(jīng)典濁流理論指導下建立的扇模式與實踐中觀察到的現(xiàn)象有較大的沖突，如在密西西比扇深水辮狀水道中觀察到的泥石流沉積；同樣，在對南美洲Amazon扇研究中，發(fā)現(xiàn)濁流沉積僅僅占少部分 （小于14%），而大部分都是砂質(zhì)和泥質(zhì)的碎屑流和滑塌沉積物［5］。

深水沉積的研究似乎進入了一個誤區(qū)，主要是對沉積過程和沉積流態(tài)的認識尚未完全清楚，導致對深水沉積形式和結構模式內(nèi)充填物的理解存在爭論。然而，石油工業(yè)的確在這些模式的指導下發(fā)現(xiàn)了一個又一個深水油氣田。

根據(jù)海底地形、沉積過程及幾何特征、疊置樣式來看，深水系統(tǒng)是非常復雜，沒有哪個單獨的相模式可能解釋復雜深海環(huán)境中的所有變化，但它們也有許多共同的特征。受益于深水油氣田的勘探開發(fā)，大量基于鉆井巖心觀察描述的深水海底扇模型得以建立，基于等時地層格架的沉積相研究成為深水海底扇儲層預測的有效途徑。

4 結 語

深水海底扇沉積研究的歷程體現(xiàn)了沉積學家對深水沉積認識的不斷發(fā)展與逐步深入，同時也進一步表明深水海底扇的成因機理、沉積模式仍是需要繼續(xù)探索解決的地球科學與海洋石油地質(zhì)科學中的難點問題。深水海底扇相模式的演變反應了沉積學家對深水扇沉積的內(nèi)幕結構有了更加深入的認識，已經(jīng)從早期對現(xiàn)象的描述發(fā)展到探究其沉積的動力學機理。