被動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任公司 北京 100028；2. 中國海洋石油國際有限公司 北京 100028)

隨著全球勘探活動的不斷深入，深水沉積已成為勘探家們關注的焦點[1-3]。通過對全球1196個已發(fā)現(xiàn)油氣田統(tǒng)計，涉及深水沉積儲層的油氣田193個，其中與被動大陸邊緣盆地相關的深水沉積儲層的油氣田數(shù)量將近60個[4]。大約31%的深水沉積儲層油氣田發(fā)育于被動大陸邊緣背景之下。被動大陸邊緣盆地又稱大西洋型大陸邊緣盆地，即通常所說的穩(wěn)定大陸邊緣，構造上長期處于相對穩(wěn)定狀態(tài)的大陸邊緣。從全球盆地分布來看，被動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、東非邊緣及馬達加斯加盆地、印度半島以及澳大利亞西北盆地。進一步分析其構造背景，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、國內南海北部盆地；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造及沉積演化差異導致所處的陸架極為狹窄甚至幾乎無陸架發(fā)育，而直接過渡到陡峭陸坡區(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)境導致了不同的沉積格局。目前被動大陸邊緣背景下深水沉積儲層油氣發(fā)現(xiàn)非常可觀，已獲得了較大價值的商業(yè)油氣[4]，顯示出廣闊的勘探前景，值得我們關注和研究。

自從1950年Kuenen等發(fā)表了具劃時代意義的論文《濁流為形成遞變層理的成因》[5]，從此掀開了濁流研究新篇章，Kuenen的學生Bouma 1962年應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，提出了碎屑流主導的斜坡扇模式[9]。由于深水沉積過程本身的復雜性，時至今日，深水沉積領域仍存在頗多爭議。前人研究主要針對深水沉積機理及其作用過程，并針對具體研究區(qū)進行了闡述。

本次主要從勘探實踐出發(fā)，在區(qū)域地質構造和沉積背景分析基礎上，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)，通過分析陸架寬—窄演變特征，陸坡區(qū)有無發(fā)育限制性地貌，開展物源供給與搬運過程研究，分析被動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，預測有利砂巖分布規(guī)律，以期深化對此類盆地的勘探認識。

1 深水沉積砂體搬運、卸載機制

深水重力流作為一種事件性流體，是由重力驅動的含有大量碎屑物質的高密度流體，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)機制(如突發(fā)性的地震、海嘯及洪水等)。區(qū)域構造運動控制了沉積物供應，從物源區(qū)出發(fā)，沉積物經(jīng)由一定的輸送通道被搬運至深水區(qū)并沉積下來。

1.1 砂體搬運機制

總的來看，砂體搬運至深水區(qū)主要通過2種機制，即直接補給和陸架補給(表1)。

表1 深水砂體沉積主要補給機制類型Table 1 Main supply mechanism types of deep water sedimentation

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

2) 陸架補給機制：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)。因而此類砂體的結構和礦物成熟度良好。

1.2 砂體卸載機制

陸坡及盆底區(qū)地貌復雜，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類砂體卸載機制(表1)：

1) 限制性陸坡卸載機制：此類陸坡較為崎嶇，發(fā)育陸坡內盆地。陸坡內盆地亦稱“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、逆斷層或逆沖作用等造成。“微盆”由多個負地形組成，呈梯級排列，類似多個“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，砂體會就地依此沉積；如果物源充沛，砂體還可以穿過一系列“微盆”輸送至盆底進行卸載。

2) 非限制性陸坡卸載機制：此類陸坡一般較為陡峭，幾乎不發(fā)育陸坡內盆地。此種情況下陸坡僅僅發(fā)生路過沉積，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沉積演化，尤其是對于深水沉積具有重要的控制作用。基于勘探實踐和認識，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3 500 m，是巴西被動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，在坎普斯盆地已經(jīng)鉆探超過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商業(yè)油田。截至2009年7月，坎普斯盆地已發(fā)現(xiàn)104個油氣藏，占整個巴西石油儲量的80%。

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

坎普斯盆地經(jīng)歷了裂谷期、過渡期和漂移期3個構造演化階段，自晚白堊世開始，進入廣泛的海侵期，一直持續(xù)到始新世末期。該沉積期被動大陸邊緣初始形成，陸架較窄，大約50 km左右，雖然發(fā)生大范圍海侵，但盆緣構造活動劇烈，隆升剝蝕作用強，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，主要沿斷層走向展布。在受限制背景下，砂體主要發(fā)育于水道體系，如不受斷層、鹽巖構造等影響，沉積體可以穿過微盆，在盆底形成末端朵葉，深水區(qū)鹽隆對沉積起到遮擋作用(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 油田主力儲層為上白堊統(tǒng)砂巖[4]，水道呈NWW展布，長度大于 20 km，寬度介于5～10 km，切割下伏Macae 組鈣質泥巖，和鹽運動有關的生長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具平行和交錯層理，細—極細薄砂及泥巖，指示高密度濁流；②薄層，一般厚度小于10 cm，平行—波紋交錯層理，細—極細粉砂巖，砂巖，與含生物擾動的泥巖互層，通常顯示濁流構造特征，指示低密度濁流；③生物擾動泥巖及粉砂巖，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泥巖夾層、以及薄層細砂巖，通常厚度小于1 m，指示滑塌沉積；⑤無序的砂巖、泥巖，包含細礫—粗礫泥質碎屑及碳質碎屑，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大陸邊緣盆地體系之一，橫跨坦桑尼亞和莫桑比克兩個國家[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項即來自此盆地，證實了魯伍馬盆地蘊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，即陸架補給機制和直接補給機制。由于魯伍馬盆地陸架狹窄，主要為直接補給機制，河流(三角洲)攜帶大量沉積物直接通過峽谷輸送至深水區(qū)，在上陸坡沉積物過路沉積，在下陸坡由于地形平緩，構造活動弱，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。

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，海底扇體系在時空演化上具有垂向疊加、橫向遷移的特征。從始新世開始可識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，這可能與魯伍馬河水系入海口遷移有關。

從研究區(qū)東西向二維地震測線分析，海底扇強振幅前積特征明顯，內含具有下切特征的水道。地震測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盧州的海上[19]。桑托斯盆地油氣鉆探始于20世紀70年代，前期勘探主要集中于淺水陸架區(qū)，一直無大的油氣發(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區(qū)域之一[1]。

桑托斯盆地早白堊沉積時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

通過對桑托斯盆地二維地震資料分析，對鹽上各沉積時期陸架邊緣軌跡進行了追蹤和識別，編制了鹽上各時期陸架邊緣遷移圖，晚白堊世康尼亞克-馬斯特里赫特期發(fā)生強烈隆升，物源相海方向注入非常強烈，三角洲沉積體不斷向前推進，盆地中北部陸架邊緣向海遷移50 km左右。自漸新世開始，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，在深水區(qū)受控于鹽構造以及斷裂活動的影響，構成受限制地貌，主要發(fā)育濁積水道沉積，當這些“沉砂池”被充滿之后，晚期會發(fā)育一些朵葉體(水道化朵葉)沉積。進入晚白堊世中晚期，隨著盆緣構造隆升，產(chǎn)生大量剝蝕，物源注入非常強烈，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。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、粉砂巖及泥質粉砂巖組成，自下而上泥質含量增多，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，對于陸架極為寬闊的被動大陸邊緣盆地，大量砂體會就地卸載，因而進入陸坡深水區(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始進入廣泛的海退期[20]，一直持續(xù)到現(xiàn)今，在此過程中陸架不斷變寬。雖然坎普斯盆地漸—中新世陸架有所變寬，寬度超過80 km，但是伴隨盆緣構造抬升，物源注入一直持續(xù)加強，三角洲推進到陸架邊緣，加之陸坡區(qū)受斷層和鹽構造的影響較小，地勢更趨于平緩，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，主力儲層為漸—中新世砂巖。該儲層段由一套沉積于陸坡及陸隆之上的復合濁積體構成，總的砂體厚度0～125 m，凈毛比0.8～1.0。此復合體由2～3個疊置的朵葉組成，朵葉體補給水道來自于NW方向，后期遭受一條來自NW方向的彎曲水道侵蝕。儲層巖相包括：①塊狀，向上變細，中—極細粒砂巖；②薄層—紋層狀，細—極細粒砂巖，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泥巖、泥灰?guī)r互層。地震顯示，漸—中新世濁積砂體沉積于進積型陸架-陸坡體系，沉積物來源于厚層富砂三角洲沉積體，在海平面相對下降期，該沉積體不斷進積越過陸架，并導致下伏鹽巖向盆內流動。這將促使陸坡消亡，以及外陸架未固結沉積物滑塌，并以重力流方式輸送至下陸坡。在Marlim地區(qū)，沉積物流向寬闊的非限制性陸坡，形成廣泛分布的大型朵葉體沉積。

3 結論

1) 建立了被動大陸邊緣背景下的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)砂體是主要的儲集體。