陆棚风暴沉积特征及油气地质意义

吕孝威 伏美燕 尹 帅 乐锦鹏 张 幸

(1.成都理工大学能源学院，成都 610059;2.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610059)

国外关于风暴沉积的研究起始于20世纪50年代末，最初的研究主要集中于赤道附近的碳酸盐岩风暴沉积［1－2］。直到70年代初，一些学者开始着重对现代陆源风暴沉积进行研究。我国在此领域起步相对较晚，真正意义上的研究开始于80年代初严钦尚提出滨岸和浅海风暴沉积成因机制和模式之后［1］。陆棚风暴沉积包括现代沉积和古代沉积，现代沉积侧重于对沉积现象的观测，古代沉积侧重于对风暴岩的研究，两种研究可以相互对比，彼此印证。

现代海洋陆棚分布广泛，总面积约2710×104km2，约占海洋总面积的7.5%。这不仅为研究现代陆棚风暴沉积提供了天然实验室，而且陆棚是目前海上油气勘探的重点区域。60年代末，Hayes在墨西哥湾水深40 m的陆棚观察到了风暴沉积现象［2］。70年代初Reineck和Singh在北海水深40 m的陆棚也观察到了风暴沉积［3］。Lavelle等人在1975年通过研究得出内陆棚砂体移动主要受暴风作用控制的结论［4］。Aigner于80年代初系统总结了陆棚风暴沉积向海方向逐渐变弱的规律［5］。通过国内外学者的研究总结，最终形成风暴流沉积理论。陆棚地势宽缓利于沉积物保存，陆棚风暴沉积的粒序层或丘状层往往分选较好，有形成优质储层的潜力［6］。陆棚风暴沉积中厚度较大的底部砾屑层虽然储集性能较差，但是对于陆棚风暴沉积的水动力条件研究具有较好的指示意义，从而起到预测有利储层发育带的作用［7］。本文以国内外对陆棚风暴沉积研究进展为主线，对陆棚风暴沉积特征和机制、风暴岩特征、沉积模式进行了系统分析，结合油气地质勘探的相关理论，探讨陆棚风暴沉积研究的油气地质意义。

1 陆棚风暴沉积的特征和机理

陆棚风暴沉积是海洋沉积作用的重要组成部分，对近海沉积环境具有重要影响(图1)。浅海内正常浪基面之上为潮下带及潮坪，属于靠近海岸的近风暴区。低气压风暴作用使海水产生剧烈的震荡流和向海重力流，主要形成潮下—潮坪风暴沉积，多见厚层复合状交错层理，后期容易因潮汐作用而被破坏，缺失或者消失［8］。正常浪基面到大陆斜坡的区域为陆棚的范畴，其中正常浪基面到风暴浪基面为内陆棚，属于中间风暴区。风暴作用引起的风暴潮可导致海平面整体大幅度升高，使海水流速和蕴藏的能量变大，风暴浪基面可达数十米以上，甚至可以在200 m深的外陆棚产生底流［9］。R H Dott研究认为，颗粒粒径为1 mm时，形成丘状交错层理的近床砂片流的最大震荡速度为2 ms，因此细颗粒在相对较小的震荡速度下就可形成丘状交错层理［10］;J R L Allen通过研究认为形成丘状交错层理时海面以上10 m处风速约为每秒数十米，这与现代海洋观测的结果相符［11］。在风暴潮巨大流速和能量的带动下，沉积物可在内陆棚底部产生丘状交错层理，丘状交错层理的产生主要受水介质多向流动、地面起伏的控制。同时来自滨岸、原地或外陆棚等的粗粒物质在震荡流、重力流、涡流等作用下可被搬运至数公里至数十公里的内陆棚，刮蚀底层，破坏原有的正常细粒沉积并与其混合黏聚在一起，形成内陆棚风暴沉积，一般具有正粒序，且沉积易于保存，风暴过后进行正常沉积。继续向海方向至大陆斜坡为中陆棚和外陆棚，它们之间的划分不是很明显，可统称远风暴区。形成中陆棚和外陆棚风暴沉积，风暴作用向海逐渐变弱并过渡为正常沉积。正常波浪对陆棚沉积几乎不起任何作用，但风暴作用却是控制陆棚沉积的重要因素。

图1 陆棚划分示意图

2 陆棚风暴岩形成的控制因素

1975年，Kelling首次提出风暴岩的概念［12］。他将风暴岩定义为，在风暴引起的风暴流作用下形成的具有一定特殊构造的沉积岩，主要分为砂质风暴岩和钙质风暴岩。风暴沉积主要受控于低纬度(一般5°～20°)热带气旋形成的风暴潮，风暴潮影响范围可达中纬度。我国4大板块(华北板块、秦岭板块、扬子板块、华夏板块)在早古生代时位于南北纬15°范围以内，在晚古生代早期时塔里木及其临区位于北纬30°以南［13］，之后我国大部分地区仍处在热带气旋的影响范围之内，这些为陆棚风暴沉积的发生创造了条件［14］。同时风暴沉积的发现也为恢复古板块地理位置和古海洋气候提供了间接依据［15－16］。Allen认为影响陆棚风暴沉积的主要因素包括风速、靠岸距离和风暴持续时间［14］。严钦尚认为造成风暴沉积地区差异的原因主要有水深、正常潮流方向、海陆变迁和物源［17］。因此沉积环境的差异使得风暴岩构成及结构剖面组合发生变化，最终形成各种类型陆棚风暴岩。

3 典型陆棚风暴沉积模式

3.1 典型钙质陆棚风暴沉积模式

刘宝珺在四川兴文县下二叠统灰岩发现的风暴岩为典型的钙质陆棚风暴岩［18］，其主要剖面组合型式及解释如图2和表1所示。该组合为较理想条件下的剖面，在内陆棚环境下由于风暴侵蚀强烈，剖面往往会发生部分缺失，该区较完整的中陆棚剖面(图2)位置为中陆棚靠近内陆棚的区域。

图2 四川兴文四龙下二叠统陆棚风暴岩典型剖面

表1 二叠统陆棚风暴岩典型剖面解释

杨宝忠研究发现，鄂东黄石地区下三叠统大冶组灰岩存在一套典型的钙质陆棚风暴沉积［16］，该风暴岩层序特征及沉积模式如图3所示。深水远源型沉积主要存在于大冶组1段，缺少底模构造和丘状交错层理，显示为外陆棚，较完整粒序层仅存在于中段顶部，为风暴浪基面附近沉积。该层大致分为3段式(A1—A2—A3):A1为具小型冲刷、撕裂构造的钙质泥岩夹薄层泥灰岩，泥灰岩厚5～10 cm;A2为具水平和微波状层理的页岩、泥灰岩互层，同时发育微小“砾屑”，泥灰岩厚度小于7 cm;A3为发育水平层理和微波状层理的页岩，顶部夹少量泥灰岩。过渡型沉积主要存在于大冶组2段，砾屑灰岩和含砾屑颗粒灰岩中普遍发育粒序层理，同时缺少丘状交错层理。该层分为2段式(B1－B2):B1为中厚层泥灰岩夹薄层状颗粒灰岩，泥灰岩具水平和微波层理;B2为中厚层颗粒灰岩夹厚层放射状砾屑灰岩。这些特征都表明该沉积为深水远源和浅水近源的过渡型。浅水近源型沉积主要存在于大冶组3段和4段，3段上部和4段下部的砾屑灰岩、颗粒灰岩发育粒序层，细颗粒灰岩发育丘状交错层理，单层厚度达20 cm，泥质受扰动层厚度可达1.5 m，其中发现大量生物扰动遗迹，这些均为内陆棚浅水近源沉积的证据。

图3 鄂东黄石下三叠统大冶组钙质陆棚风暴沉积模式

内陆棚底部冲刷侵蚀不整合面(图3中B)最显著，其发育砾屑灰岩，颜色较深，砾屑层往往从数厘米到数米不等，颗粒较细往往表现为小型冲刷槽，颗粒较粗则表现为冲刷面。“砾屑堆积”往往指示近岸、风速大、风暴持久的沉积环境，且对于次棱角状，分选差的砾质其物源往往来自于异地，对于棱角状成分单一的扁平状砾质，往往是原地砾屑灰岩被侵蚀后再沉积，粒序层具正粒序递变是因为沉积时重力大于剪切力，厚度较大的粒序层代表距物源较近，反之距物源较远。丘状构造(图3中C)和大量底栖有孔虫化石的保存也是表明为内陆棚风暴沉积的重要标志。丘状交错层理，又叫透镜状构造，一般在粉屑岩层中出现，横向上倾角随着纹层的增厚而减小，其伴生构造为凹状体，与放射状构造不同。放射状构造又叫菊花状构造，是由涡流作用下底层发生挤压、破碎、磨蚀而形成，常在砾屑岩层中出现，大量底栖有孔虫化石的保存表明沉积水体较浅［19］。图3中B部分缺少丘状构造，表明沉积较深，应为靠近外陆棚的区域。图3中A部分受风暴作用较小，缺少底模和丘状构造，但是具有粒序层理标志特征。

3.2 典型砂质陆棚风暴沉积模式

塔中地区志留系柯坪塔格组上沥青砂岩段主要是海退环境下的潮坪沉积，该区下沥青砂岩段由于在近几年勘探中具有良好的油气显示而成为研究的重点和热点。高志勇运用层序、测井、地震等数据分析后认为每个单砂层都具有风暴期所遗留的证据［20］。其中陆棚相发育浅海沙坝和陆棚砂亚相，风暴沉积段砂岩发育低角度槽状交错层理，可见撕裂状构造和泥砾，含大量海绿石，自然伽玛、电阻率测井曲线为漏斗形和弓形。陆棚砂沉积距岸较远，厚度减小，底部有突变的侵蚀面，层序主要为3段式(A—B—C)，由下到上分为A泥砾砂岩—B突变接触的平行层理泥、粉砂岩 —C水平层理泥岩(具生物扰动)，AB为风暴作用沉积，B代表高流态风暴回流沉积，C代表风暴过后的正常沉积，整体具席状砂岩层序。

4 陆棚风暴沉积的油气地质意义

陆棚风暴沉积研究对恢复古地理、古气候、古海洋和找矿等方面都具有一定的指示意义［18－21］，同时人们对陆棚概念的认识依然存在不足，部分文献常常冠以“大陆边缘”。研究认为对陆棚概念重新认识和精细划分具有理论和实际意义，而无论现代或古代陆棚风暴沉积研究都能对陆棚环境进行一定精度的识别［22－23］。二者相互对比，互为补充，或许会对陆棚概念的重新认识产生一些积极的影响。陆棚风暴沉积的某些标志性特征可以对沉积相划分进行验证或提供新的证据，从而为油气的勘探部署制定合理方案。保存较完整的陆棚风暴沉积在一定条件下可以形成储集层，不排除形成特种油气藏的可能性。风暴沉积作用可以使沉积物—水界面之下的氧化还原界面发生变化，使缺氧变成有氧，缺乏生物变为生物发育，从而有助于形成有利储层发育带［24］。风暴作用和海水的淘洗作用可以对陆棚沉积物进行改造。一方面可以使得沉积物的分选型和磨圆度变好，同时减少泥质等杂基含量;另一方面可以增加砂体的展布规模，从而有利于形成优质储层发育带。例如塔中TZ31、TZ33井显示柯坪塔格组下砂岩段远滨砂体孔隙度在15%以上，物性优于近滨(11.45%)、滨岸(9.8%)、潮坪(＜6%)砂体，风暴对沉积物的淘洗作用对储层物性起到较好的改造作用。随着油气勘探程度的不断深入，目前隐蔽岩性油气藏的勘探受到更多关注。在陆棚风暴沉积发育地区，如果生、储、盖条件具备，则具有寻找风暴沉积成因的隐蔽岩性油气藏的潜力，分析陆棚风暴岩在测井、地震上的响应特征，结合钻井资料划定陆棚风暴岩的区域和范围，对于寻找隐蔽岩性油气藏具有重要油气地质意义。

5 结语

根据沉积环境，陆棚风暴沉积可分为内陆棚风暴沉积、中陆棚风暴沉积和外陆棚风暴沉积。内陆棚及中陆棚靠近内陆棚区域的沉积构造主要有底模构造、丘状构造、水平层理、粒序层理和块状构造;中陆棚靠近外陆棚区域及外陆棚的沉积构造主要有水平层理、粒序层理、波状或交错层理、丘状构造和底模构造。这些沉积特征组合为识别陆棚风暴沉积标志性特征。陆棚风暴沉积的机理主要为风暴使得海水具有较高水动力，从而对陆棚沉积物进行一系列的改造，形成相关沉积体。

陆棚风暴沉积岩形成的控制因素主要有风速、靠岸距离、风暴持续时间、水深、正常潮流方向、海陆变迁和物源。典型陆棚风暴沉积模式包括钙质陆棚风暴沉积模式和砂质陆棚风暴沉积模式，不同沉积模式的沉积特征和岩石学特征具有较大差异。

陆棚风暴沉积的研究对恢复古地理、古气候、古海洋、找矿和地层划分都具有一定的指示意义。正确识别陆棚风暴沉积特征，建立陆棚风暴沉积在测井、钻井和地震上的响应特征，划定陆棚风暴沉积的区域，结合构造特征和生、储、盖条件，对寻找陆棚风暴沉积成因的隐蔽岩性油气藏具有重要的油气地质意义。

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