東非魯武馬盆地海底水道—朵體體系粗粒濁流沉積物波特征及主控因素

孫輝，劉少治，馬宏霞，魯銀濤，許小勇

中國石油杭州地質研究院，杭州 310023

東非魯武馬盆地海底水道—朵體體系粗粒濁流沉積物波特征及主控因素

孫輝，劉少治，馬宏霞，魯銀濤，許小勇

中國石油杭州地質研究院，杭州 310023

海底水道—朵體體系內粗粒沉積物波的研究可以深化濁流搬運過程的認識。利用先進的地球物理成像技術，通過地震地貌分析，對東非魯武馬盆地海底水道—朵體體系內這種后期易被改造的特殊沉積體進行識別和解釋，結合粗粒沉積物波的形態、尺度、移動方式、厚度變化、平面分布等特征，探討其成因和影響因素。魯武馬盆地近海底水道—朵體體系內的粗粒濁流沉積物波具有多變的地貌和逆行砂丘的底形。水道內粗粒沉積物波規模較小，分布范圍局限；水道—朵體過渡帶的粗粒沉積物波規模大，波高約45～110 m，波長可達一千余米，總體規模大于其他地區已識別出的粗粒深水沉積物波。構造活動、超臨界流產生的水躍作用、地形地貌的變化以及底流作用是魯武馬盆地粗粒濁流沉積物波形成的主控因素。

魯武馬盆地；水道—朵體體系；粗粒濁流沉積物波；特征；主控因素

0 引言

1 概況

魯武馬盆地(Ruvuma Basin)是東非被動大陸邊緣的主要含油氣盆地之一。它橫跨坦桑尼亞東南沿岸和莫桑比克的東北部，東部為凱端巴斯盆地(Kerimbas Basin)，西部為莫桑比克褶皺帶，出露前寒武紀基底，北部以魯武馬轉換帶為界，與坦桑尼亞的曼達瓦次盆(Mandawa Sub-Basin)分隔(圖1)。深水區主要沉積了中侏羅世到新生代地層[9]，發育豐富的深水沉積體系，古近系和新近系砂巖是重要的儲層[10]，低位域深水沉積物源自研究區以西數十公里以外的陸架邊緣三角洲，經峽谷/水道體系在下陸坡及盆底形成富砂的重力流沉積。此外，東非被動大陸邊緣沉積受由南向北流動的南極洲底流(AABW)影響[11]，底流對深水重力流沉積特征造成顯著影響。研究區面積約600 km2，水深1 300～2 900 m，距離陸地四十余公里，橫跨西部莫辛布瓦(Mocimboa)沖斷帶和東部凱瑞巴斯(Kerimbas)地塹，為一平緩東傾的斜坡構造，沉積物組成相對簡單，以深水重力流沉積及半深海—深海泥巖沉積為主。研究資料以疊前時間偏移地震資料為主，海底地震資料主頻可達40 Hz，層速度1 500 m/s。疊前深度偏移地震資料被用于統計和計算地層傾角和沉積物波的一些參數。

圖1 東非魯武馬盆地位置圖(據IHS，2009修改)[8]Fig.1 Location map of Rovuma Basin, East Africa (modified from IHS, 2009)[8]

2 魯武馬盆地深水沉積物波的基本特征

魯武馬盆地物源來自西部，通過陸坡彎曲狹長的水道體系負地貌區，輸送到東部平緩而廣布的深海盆地。漸新統取芯結果證實，水道及朵體內的儲層以中—粗砂巖為主，伴有為數眾多、以孤立方式存在的細礫。發育多處碟狀構造和泄水構造，以及滑塌成因的變形構造等，單砂層垂向上多具有正韻律和粗尾粒序層理構造，為濁流成因的粗粒深水沉積。地震剖面上，砂體頂界面具有明顯的強振幅反射特征。上述的巖芯及地震反射特征為近海底深水沉積的研究提供了借鑒。研究區觀察到的深水沉積物波位于沿陸坡向下延伸的水道—朵體體系內(圖2)。在過水道—朵體沉積區最厚部位的地震剖面AA’上，根據濁流沉積的分布及地層傾角的變化將水道—朵體體系分為四個區：第一陸坡區、水道濁流沉積區、第二陸坡區、過渡帶濁流沉積區，前三者位于莫辛布瓦沖斷帶上，過渡帶濁流沉積區主體位于凱瑞巴斯地塹內，第一、第二陸坡區內沉積物以過路為主(圖2a)，文中所有地震剖面上黃色虛線為本文研究的粗粒深水濁流沉積的底面。過渡帶濁流沉積區發育一條走向為南北向的正斷層F1，它分隔了過渡帶與朵體沉積區，斷層傾角約14°～19°。兩處濁流沉積時間域海底地貌圖上存在波狀及凹凸不平的地貌形態(圖2b)，地震屬性圖上呈現出的強振幅分布特征(圖2c)。在兩處濁流沉積區內，可以觀察到粗粒沉積物波特征：刻槽—波脊交互分布，波脊呈斷線狀，排列方式及走向具有一定的規律性。

2.1 水道—朵體過渡帶濁流沉積物波

2.1.1 沉積環境和地貌特征

水道—朵體過渡帶是介于朵體和水道之間的獨立單元，位于水道口的下陸坡方向，西部與水道口相連，東部以F1正斷層為界，整體處于凱瑞巴斯地塹內，平面呈開口向東的喇叭形。在這一區域，濁流經歷了從限制型向開闊型的水體躍遷，導致了流體的迅速擴散和紊流程度的增加，眾多侵蝕型刻槽和線形構造形成的橫向底形是該區域的特征之一。它們總體表現出正弦或彎曲波峰的起伏底形，偏離濁流流動垂直方向呈直線排列，具有不同程度的非對稱性，規模顯著大于其他的水下底形(波紋和沙丘)。

依據沉積物波形及波脊的分布特征將該區域劃分為南、北兩個沉積區：北部的平行波脊區和南部的外聚內斂波脊區(圖3a，圖3b)，沉積厚度由靠近水道部位向喇叭口逐漸減薄(圖3c)，可以觀察到濁流對下伏地層明顯的蝕刻的圖像(圖3d)。不同區帶的特征見表1。

2.1.2 沉積物和遷移方式

改革開放的40年間，通過自身努力與機遇成功致富的案例不勝枚舉，其主要集中在電商、建筑、電子等高新科技領域。于是，高校培養人才也具有了一定的指向性，經濟學、建筑學、信息技術與工程等學科招生異常火爆，而涉農、林、水、地、礦等學科門類卻“門前冷落鞍馬稀”。究其原因，是在一味追求成功、追求富貴的社會輿論導向下，勵志教育走向了“單一模式”。許多大學生在沒有找到人生興趣點時就已經被打入了別人成功的模板中，但至于模板最后能不能成型卻要畫上大大的問號。

盡管缺少巖芯樣品及露頭資料的直觀證據，但水道—朵體過渡帶內的沉積物波地震剖面上表現出強振幅的地震反射特征，預示著該區域以粗粒沉積為主。外聚內斂波脊區與平行波脊區相比，地震反射能量更強，說明兩個區域的粗粒沉積物存在一定差別。

圖2 水道—朵體體系的海底地貌及區帶分布a.沿著水道—朵體體系的地震剖面；b.水道—朵體體系時間域海底地貌圖；c.沿海底向下28 ms沿層均方根振幅屬性圖，強振幅(紅色)代表粗粒沉積。Fig.2 Bathymetric map of the study area based on 3D seismic data and seismic profile showing compartment of channel-lobe systema. an arbitrary seismic profile along a channel-lobe system; b. channel-lobe system in time bathymetric map; c. a horizon slice, 28 ms below the seafloor through a RMS cube, strong amplitudes (red) represent coarse-grained sediments.

圖3 水道—朵體過渡帶內的粗粒沉積物波成像a.過水道—朵體過渡帶的地震剖面；b.過渡帶時間域海底地貌圖；c.過渡帶內粗粒沉積物波時間域厚度分布圖；d.過渡帶沿海底相干切片Fig.3 Images of the coarse sediment waves in channel-lobe transition zone a. S-N-oriented seismic line showing a strike view across the channel-lobe transition zone; b. channel-lobe transition zone in time bathymetric map; c. coarse sediment waves in channel-lobe transition zone in time thickness map; d. seafloor horizontal coherence slice across channel-lobe transition zone

表1 水道—朵體體系分區及主要參數表

兩條高質量成像地震剖面展示了向上陸坡疊瓦狀前積地震反射特征(圖4a，b)，證明沉積遷移方向與水流方向相反，具有逆行砂丘的底形。較大的單波由多期沉積構成，存在與水流方向相反的多期沉積形成的疊瓦狀前積和不同沉積期次的界面(圖4b)。

2.1.3 規模

北部平行波脊區具有深刻槽、高波脊的特征(圖4b)，波長長，波高大，沿著D—D’線方向波高及波長均呈減小趨勢(圖5)，波脊彼此平行排列；南部為淺刻槽、低波脊，波高較小(圖4a)，波長沿著C—C’線方向呈增加趨勢，其中③和⑤號波均為復波，兩期難以準確區分，在單一波長統計時按總波長的一半計算。北部平行波脊區的波高大于南部的外聚內斂波脊區的波高(圖5)。單期沉積物波的波長最大約1.7 km，主要為350～950 m，波高約30～70 m。與Wynnetal.[3]描述的粗粒沉積物波的主要參數相比，本區水道—朵體過渡帶內的沉積物波波長與其他部分地區值域范圍接近，波高明顯偏大(表2)，具有多期性，異于其他地區深水沉積物波。

圖4 過水道—朵體過渡帶不同位置沉積物波的地震剖面Fig.4 Seismic profile across the sediment waves in different position of the channel-lobe transition zone

圖5 水道—朵體過渡帶沉積物波的波長和波高變化趨勢直方圖Fig.5 Graphs showing the changing trend of wavelength and wave height of sediment waves in channel-lobe transition zone

表2 水道和水道—朵體過渡帶粗粒沉積物波特征(據Russell et al.,2002修改)[3]

2.2 水道內濁流沉積物波

除了水道—朵體過渡帶發育粗粒沉積物波以外，研究區還存在兩種與水道相關的波形地貌：粗粒濁流沉積物波和濁流侵蝕后的殘余波狀地貌。兩條地震剖面(圖6a，b)可以清楚地反映兩種波的剖面形態。水道內的粗粒沉積物波分布范圍非常小，位于水道上游濁流初始沉積的水道口一端(圖6a)，向上緊鄰沉積物過路區，處于曲率相對較小的水道內部靠近凹岸一側的濁流沉積區(圖6d)，侵蝕刻槽呈半月形凸向上游(圖6e)。它由4列波組成，每一列波均表現為向上游遷移的逆行砂丘底形。波長變化無規律，波高由水道的上游向下游方向逐漸增加(圖7)。

圖7 與水道相關的兩種波參數變化趨勢直方圖Fig.7 Graphs showing the changing trend of wavelength and wave height of two types of waves in connection with the channel

與水道相關的另一種波形地貌是濁流侵蝕后的殘余波狀地貌。它位于近水道—朵體過渡帶水道彎曲度變大的部位，受水道內濁流的不斷沖蝕，在水道的凹岸一側形成多個近NW—SE走向的凹槽。由4組波組成，波下部地層地震反射特征與早期地層產狀一致(圖6b)，波長顯著大于E—E’剖面的沉積物波，波高比E—E’剖面的沉積物波稍大(圖7)。

3 魯武馬盆地深水粗粒沉積物波形成的主控因素

通過對研究區水道—朵體體系內兩種粗粒沉積物波的形態、尺度、移動方式、厚度變化、平面分布等主要特征的描述，結合本區粗粒沉積物波分布的空間位置的獨特性、形成深刻槽—波脊的水動力條件、平面異常的分布形態、水道與水道—朵體過渡帶內粗粒沉積物波規模的差異分析可能的主控因素。同時參考前人對粗粒沉積物波產生的原因及現象的分析，以及該地區地質條件的研究，認為構造活動、超臨界流產生的水躍作用、地形地貌的變化以及底流作用是魯武馬盆地粗粒濁流沉積物波形成的主控因素。

3.1 構造活動

魯武馬盆地重力滑脫形成的莫辛布瓦褶皺沖斷帶主要發育于中新世—上新世，第四紀構造變形較微弱[5]，褶皺沖斷帶頂部遭受剝蝕，現今海底峽谷地形坡度約為1.3°～3.0°，沖斷變形導致研究區西部發生相對隆升，形成了海底陡坡區。陡坡條件下重力大于剪切力的重力加速度，當坡度變緩，流速降低時，會發生沉積物驟然卸載，形成各種類型的重力流沉積物。凱瑞巴斯地塹始于中新世，現今海底形成斷層坎F1表明斷層仍然強烈活動。斷層上、下盤的沉積表現出差異的形態：正斷層下盤為粗粒濁流沉積物波，正斷層上盤為正常深水朵體沉積。深水粗粒濁流沉積物波僅分布于沖斷變形陡坡區的相對坡度較小的水道內，以及陸坡坡腳到正斷層F1所夾持的水道—朵體過渡帶內，即構造分區形成的構造地貌控制了粗粒沉積物波分布范圍。

3.2 超臨界流向亞臨界流轉化過程中的水躍作用

通常濁流體系中的粗粒沉積物波在大規模高密度流之上形成，最典型的特征就是深刻槽和沖蝕水道，主要以峽谷/水道中的限制流，或水道—朵體過渡帶中的擴展流存在[1]。Kenyonetal.[12]將此種現象歸因于陸坡降低和流體擴散形成的水躍。水躍形成的這種特殊地貌并非在所有水道—朵體過渡帶內都存在，Georgeetal.[13]通過實驗證實，該現象只存在于超臨界流體系[14-15]，而在亞臨界流體系[16]則不會產生水躍現象。逆行砂丘的存在說明弗勞德數為0.84～1.77，而對于粗粒沉積物波而言，弗勞德數接近或大于1，此時流體的性質為急流或超臨界流，處于高流態。Sequeiros[17]認為坡度大于1°的陸坡利于形成超臨界流沉積。研究區從水道口到水道—朵體過渡帶陸坡坡度均大于1°(表1)，具備形成超臨界流沉積條件。

3.3 地形地貌

就粗粒濁流沉積物波形成的規模而言，兩段陸坡坡度差及限制條件決定了最終形成濁流沉積物波的規模。研究區第一陸坡區(1.4°～1.6°)向水道濁流沉積區(1.3°～1.4°)變化時，兩者僅存在較小的坡度變化，在水道受限區域內發育了規模較小的粗粒濁流沉積，而粗粒沉積物波的分布范圍更加有限；第二陸坡區坡度較陡(2.7°～3.0°)，水道—朵體過渡帶(1.9°～2.7°)為開闊的非限制區域，兩者坡降較大，濁流產生較大的慣性力并迅速散開，形成大規模分布的深水粗粒沉積物波。此外，地形坡度控制濁流流速的變化，而濁流的流速直接影響粗粒沉積物波的尺度[3]，使水道內沉積物波的尺度小于水道—朵體過渡帶沉積物波(表2、圖5，7)。

3.4 底流改變粗粒濁流沉積物波的平面分布及影響沉積物的分異

Fonnesuetal.[18]和 Denisetal.[19]通過對魯武馬盆地下第三系的Mamba Complex和Coral Complex的巖芯、測井以及地震資料的觀察，充分證實了底流對該地區深水沉積具有顯著的影響作用。盡管研究區海底附近缺少巖芯等直觀資料，但地震資料的成像結果同樣反映了底流的存在及其對深水重力流沉積的影響。由南向北運動的南極洲底流(AABW)一方面改變了濁流沉積物的分布區域，同時也使由西向東進入深水的濁流沉積物分布發生分異。通常情況下，沉積物波的波脊排列成行并垂直于主要流動方向，形狀會以水道出口垂直于陸坡走向位置為中心向兩側對稱分布。但研究區水道—朵體過渡帶內粗粒沉積物波的分布區域逆時針旋轉了一個θ角(圖8)，θ角的大小可能與濁流與底流間水動力強度差相關。此外，北部的平行波脊區地震反射能量弱于南部的外聚內斂波脊區，推測可能部分細粒低密度濁流受底流作用向北部的平行波脊區方向運動，而較粗粒的高密度濁流沉積物則留在了南部的外聚內斂波脊區內，沉積物粒度可能相對前者更粗。這與底流作用下產生的單向遷移水道原理相似(細粒天然堤在水道一側建造，水道向反方向遷移)。因此，底流作用使過渡帶內粗粒沉積物的巖性、物性產生分異，當經過深埋成巖作用后，位于南部原粗粒沉積物波分布區的儲層對于油氣的存儲更加有利。當然目前仍缺乏一些直接的證據來證明底流對該地區水道—朵體過渡帶粗粒沉積物波的影響作用。

圖8 海底沿層相干切片顯示了被底流改變后的水道—朵體過渡帶內粗粒沉積物波的分布Fig.8 Semblance horizon slice of the seafloor in the study area, showing the distribution of coarse sediment waves changed by bottom current in channel-lobe transition zone

4 結論

(1) 地球物理綜合分析方法可以用于大型深水沉積物波的識別和解釋，在精細研究沉積物波的形態、尺度、移動方式、厚度變化、平面分布等方面可以取得明顯的效果。

(2) 粗粒濁流沉積物波具有多變的地貌和逆行砂丘的底形，不同位置的沉積物波表現出不同的特點：水道內粗粒沉積物波的侵蝕刻槽呈半月形凸向上游，具有規模較小，分布范圍局限的特征；水道—朵體過渡帶的粗粒沉積物波呈現出為數眾多的侵蝕刻槽和線形構造的底形，其規模大，范圍廣，南部與北部沉積形態特征存在差異；與其他地區已識別出的粗粒沉積物波相比，水道—朵體過渡帶內的沉積物波波長值域范圍接近，波高明顯偏大，異于其他地區。

(3) 從粗粒沉積物波獨特的分布位置和異常的分布形態、形成深刻槽—波脊的水動力條件、水道與水道—朵體過渡帶內粗粒沉積物波規模分析出發，認為構造活動、超臨界流產生的水躍作用、地形地貌的變化以及底流作用是魯武馬盆地粗粒濁流沉積物波形成的主控因素。

致謝 感謝審稿人提出的修改意見，感謝編輯老師的幫助。

References)

[1] Wynn R B, Weaver P P E, Ercilla G, et al. Sedimentary processes in the Selvage sediment-wave field, NE Atlantic: new insights into the formation of sediment waves by turbidity currents[J]. Sedimentology, 2000, 47(6): 1181-1197.

[2] 高平，何幼斌. 深海大型沉積物波的研究現狀與展望[J]. 海洋科學，2009，33(5)：92-97. [Gao Ping, He Youbin. Status and prospect of the study on deep-sea large-scale sediment waves[J]. Marine Sciences, 2009, 33(5): 92-97.]

[3] Wynn R B, Piper D J W, Gee M J R. Generation and migration of coarse-grained sediment waves in turbidity current channels and channel-lobe transition zones[J]. Marine Geology, 2002, 192(1/2/3): 59-78.

[4] Coffin M F, Rabinowitz P D. Reconstruction of Madagascar and Africa: evidence from the Davie fracture zone and western Somali Basin[J]. Journal of Geophysical Research, 1987, 92(B9): 9385-9406.

[5] Mahanjane E S, Franke D. The Rovuma delta deep-water fold-and-thrust belt, offshore Mozambique[J]. Tectonophysics, 2014, 614: 91-99.

[6] Salazar M U, Baker D, Francis M, et al. Frontier exploration offshore the Zambezi Delta, Mozambique[J]. First Break, 2013, 31(6): 135-144.

[7] 周總瑛，陶冶，李淑筠，等. 非洲東海岸重點盆地油氣資源潛力[J]. 石油勘探與開發，2013，40(5)：543-551. [Zhou Zongying, Tao Ye, Li Shujun, et al. Hydrocarbon potential in the key basins in the East Coast of Africa[J]. Petroleum Exploration and Development, 2013, 40(5): 543-551.]

[8] IHS. Basin monitors: Ruvuma basin[DB/CD]. Houston: IHS Inc, 2009.

[9] Salman G, Abdula L. Development of the Mozambique and Ruvuma sedimentary basins, offshore Mozambique[J]. Sedimentary Geology, 1995, 96(1/2): 7-41.

[10] 孔祥宇. 東非魯武馬盆地油氣地質特征與勘探前景[J]. 巖性油氣藏，2013，25(3)：21-27. [Kong Xiangyu. Petroleum geologic characteristics and exploration prospect in Rovuma Basin, East Africa[J]. Lithologic Reservoirs, 2013, 25(3): 21-27.]

[11] Faugères J C, Mulder T. Contour currents and contourite drifts[M]//Heiko H, Thierry M. Developments in Sedimentology. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier, 2011: 149-214.

[12] Kenyon N H, Millington J, Droz L, et al. Scour holes in a channel-lobe transition zone on the Rhne Cone[M]//Pickering K T, Hiscott R N, Kenyon N H, et al. Atlas of Deep Water Environments: Architectural style in Turbidite Systems. Netherlands: Springer, 1995: 212-215.

[13] Postma G, Hoyal D C, Abreu V, et al. Morphodynamics of supercritical turbidity currents in the channel-lobe transition zone[M]//Lamarche G, Mountjoy J, Bull S, et al. Submarine Mass Movements and their Consequences. Switzerland: Springer, 2016: 469-478.

[14] Hoyal D C J D, Sheets B A. Hydraulic jumps as controls on the evolution of distributary channel networks on experimental submarine fans[C]//The 33rd International Association of Hydraulic Engineering & Research Congress. London, 2009.

[15] Hamilton P B, Strom K B, Hoyal D C J D. Hydraulic and sediment transport properties of autogenic avulsion cycles on submarine fans with supercritical distributaries[J]. Journal of Geophysical Research, 2015, 120(7): 1369-1389.

[16] Fernandez R, Cantelli A, Pirmez C, et al. Growth patterns of subaqueous depositional channel lobe systems developed over a basement with a downdip break in slope: laboratory experiments[J]. Journal of Sedimentary Research, 2014, 84(3): 168-182.

[17] Sequeiros O. Estimating turbidity current conditions from channel morphology: a Froude number approach[J]. Journal of Geophysical Research, 2012, 117(C4): C04003.

[18] Fonnesu F. The Mamba Complex supergiant gas discovery (Mozambique): an example of turbidite fans modified by deepwater tractive bottom currents[C]//The 12th PESGB/HGS Conference on African E&P. London: PESGB, 2013.

[19] Palermo D, Galbiati M, Famiglietti M, et al. Insights into a new super-giant gas field-sedimentology and reservoir modeling of the coral reservoir complex, offshore northern Mozambique[C]//Offshore Technology Conference-Asia. Kuala Lumpur, Malaysia: Offshore Technology Conference, 2014: 1-8.

Characteristics and Controlling Factors of Coarse-Grained Turbidite Sediment Waves in Submarine Channel-Lobe System of the Ruvuma Basin, East Africa

SUN Hui, LIU ShaoZhi, MA HongXia, LU YinTao, XU XiaoYong

PetroChina Hangzhou Research Institute of Geology, Hangzhou 310023, China

Research of coarse-grained turbidite sediment waves in submarine channel-lobe system can deepen the geological understanding of deep-water transporting process. The special sedimentary bodies, which are easy to be reworked later found in a submarine channel-lobe system of the Ruvuma Basin，East Africa, are identified and explained through the use of advanced geophysical imaging technologies and the analysis of the seismic relief. The causes and influencing factors are discussed by describing the shape, scale, migration style, thickness variations, and distribution of the coarse sediment waves. The coarse-grained turbidite sediment waves which are found in submarine channel-lobe system in Ruvuma Basin have various morphology and antidune bedforms. The small scale sediment waves with limited extension are mainly developed in the channel. While, large inclusive sediment waves distributes in channel-lobe transition zone, wave heights are in the region of 45～110 m, and wavelengths are up to over one thousand meters. The overall scale is larger than the coarse-grained sediment waves that have been identified in worldwide other regions. The coarse-grained turbidite sediments waves in the Ruvuma Basin were mainly controlled by tectonic deformation, hydraulic jumps of the supercritical flow, topography and bottom current activities.

Ruvuma Basin; channel-lobe system; coarse-grained turbidite sediment waves; characteristics; controlling factors

1000-0550(2017)04-0763-09

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.04.010

2016-04-06； 收修改稿日期： 2016-12-22

中國石油天然氣集團公司科學研究與技術開發項目(2016D-4303)[Foundation: Scientific research and technology development project of China National Petroleum Corporation, No. 2016D-4303]

孫輝，女，1969年出生，本科，高級工程師，地震深水沉積及儲層研究，E-mail：sunh_hz@petrochina.com.cn

P512.2

A