深水沉积及海底扇相模式研究进展

刘喜玲 （中海油国际公司乌干达有限公司，北京100010）

刘君荣 （中石油冀东油田分公司研究院，河北唐山063004）

1 “深水”和 “深水沉积”的概念

“深水”和 “深水沉积”的概念在海洋石油勘探中使用多年，但是长期以来对它们的定义和看法存在一定分歧。目前看来，深水有地质和工程2个方面的定义。地质意义的深水是陆棚边缘朝海的区域内储集砂岩沉积时的水深，不一定是现今油气勘探开发中的深水；工程意义的 “深水”是钻井工程师用来表示深水钻探深度，无论埋藏的储层是否属于深水起源［1－2］。目前，水深400～500m以下海域的勘探技术比较成熟，因而常称之为浅水区；公认的深水定义为500～2000m，超过2000m为超深水［1］。“深水沉积”是指在重力搬运作用下沉积在深水环境下的沉积物，或称之为 “海底扇”［3］。

2 “深水沉积”

Forel于1885年第一次提出了密度流 （浊流）的概念［4－5］，从此揭开了深水沉积研究的序幕。直到19世纪末，传统的观点都一直认为在宁静的深海中仅仅包含远洋泥沉积［4－5］。1897年Miline报道了沿海底峡谷的深海浊流冲断海底电缆的事件，深水沉积的研究开始逐步发展起来［4－5］。20世纪初，一些专业的海洋研究实验室开始建立；1928年Sheldon首先发现了后来被称为 “鲍玛序列”这一特殊层序结构的沉积现象［4－5］；随后在1936年Signorini认识到这一沉积层序具有五分的结构［4－6］。1929年加拿大纽芬兰大地震，导致Grand海滩海底电缆在24h内由北至南相继断掉，后来塞利和尤因 （1952）研究了这一现象，发现是地震后滑坡形成的浊流流过大西洋海底时将电缆折断的。根据电缆断掉的时间计算出浊流的速度，最高为50m／s，一般为5～7m／s［5－8］。

20世纪30年代，一些关于深水重力流方面的假说相继提出，并在实验室和现代海洋沉积活动的观察中得到了初步验证。1938年在大量研究工作基础上Johnson介绍了 “浊流”术语的涵义［5］；1948年出现了关于深水沉积的一篇重要文章，Kuenen、Migliorini和Shepard在伦敦第十八届国际地质大会中宣读的第一个关于深水沉积样式研究报告，将深水沉积研究推向高潮［5－7］。

二战后，伴随着全球油气勘探开发活动的开展，对深水沉积的研究也相对活跃起来。1950年Kuenen和Migliorini发表了里程碑式的论文—— “浊流是递变层理的一个成因”，自此浊流机制在深水沉积体系研究中的重要作用逐渐显现［7－9］。20世纪50年代，大量的科学研究集中在浊流沉积的成因机理方面：浊流的沉积样式、海底峡谷前的块体运动、浊流形成的浊积岩、滑塌浊积岩、含砾石泥岩的浊流、“颗粒流”、“牵引毯状沉积”等［5］，直到1962年鲍玛第一次介绍了浊积岩的垂向模型，即 “鲍玛序列”，经典的浊流沉积理论得以初步建立［5］（见图1）。随后，关于浊流沉积的成果越来越丰富。

19世纪70年代开始，深水沉积机理、沉积模式及其各种沉积相特征的研究不断深入，重力流、等深流及块体运动等研究也相应取得较大进展［5］。在浊积岩概念之上建立起来的海底扇模式已经成为石油工业用来解释深水模式最有影响力的沉积学工具。随着全球油气勘探与开发技术的不断推进，更多的目光投向了海底扇，海洋深水区成为油气勘探的新热点；尤其是随着地震探测技术的提高，高精度地震资料在海洋油气勘探中的应用日趋重要，成为识别深水扇等深水沉积地层格架的主要工具［4－10］，深水沉积的研究也得到进一步推动。Normark在1970年提出了第1个被广泛应用的现代海底扇模式，引入 “叠置扇”以描述海底扇补给水道末端形成的深水朵叶状隆起体［5－6，10］。之后，Walker在此基础上，结合Mutti古代扇的相模式概念，提出了 “上扇地区单一补给水道、中部／下扇地区叠置扇叶状体”的综合扇模式［8，10］。至20世纪80年代，大量的深水沉积扇模式在深水油气勘探中得以提出和应用，但总体上遵循了 “鲍玛序列”这一经典的浊流理论［5］。

进入20世纪90年代，以Shanmugan为代表的沉积学家在大量深海钻探岩心研究的基础上，对之前建立的大量深水沉积机理和相模式提出了质疑，并重新将大量的浊流沉积解释为砂质碎屑流沉积［14］。Shanmugan的工作引起了地学界对深水沉积过程和相模式的大讨论，先前建立海底扇模型的Normark、Walker和Mutti等人先后发文放弃了自己的观点［6］。进入21世纪，深水沉积机理的研究仍在不断地辩论中继续［14－15］，但不可否认的是勘探家利用已经建立的深水沉积和海底扇相模式在深水油气勘探中已经取得了重要的成果。深水沉积的研究将在不断地理论反思与勘探开发实践相互促进中继续前行 （见图2）。

图1 鲍玛序列 （据文献 ［3］修改）

图2 深水沉积研究发展历程

3 海底扇相模式

普遍认为，深水海底扇的沉积物包括深水水道充填物 （深切谷、峡谷水道和侵蚀水道等）、舌形体、滑动、滑塌，这些沉积物可能是滑塌、碎屑流、浊流、等深流和半远洋物质，深水海底扇沉积机理的复杂性与难识别性使深水海底扇的沉积相模式一直是探索的焦点，日益活跃的海洋石油工业也推动了这一项科学研究的发展［16－27］。

Normark（1970）最早使用 “舌形体”描述现代的深水扇，把富砂的San Lucas和Lajolla扇定义为上叠置扇舌形体，但1991年他本人撰文废弃了这一术语［5，11］。Walker在1978年结合1970年Normark的现代扇模式的主要元素和古代海底扇的相概念，提出了一种通用的扇模式，这种模式由单个供给水道组成的上扇区和叠置扇朵叶的中到下扇区组成，其预测能力使其成为油气勘探和开发中最具影响力的一种模式，这种模式同样是适于浊流为主的系统［5，28］。

Nilsen（1980）讨论了海底扇的基本原理和概念，把深水扇分成由三角洲供给的细粒扇和由水道供给的粗粒扇2种简单类型［6］。1982年第一届冲积扇会议中提出有关现代和古代海底扇复杂性的认识，并且得出不存在统一的模式来解释所有的深海环境的结论［5，30］。1987年Vail介绍了层序地层格架中的盆地扇和斜坡扇模型［31］。Shanmugam和Moila（1991）对前人的研究成果进行总结，叠置扇朵叶一般发育在中扇环境，侵蚀朵叶在整个海底扇都可以发育，而沉积朵叶多发育在下扇。水道化朵叶多发育在斜坡和上扇环境［31］。Reading ＆Richards（1994）根据深水扇沉积物供应的方式 （点源、多源和线源）和沉积物的粒度 （泥、泥／砂、砂、砾）把深水扇细分成12种类型，这种分类十分直观地表明了不同沉积物粗细和输送方式造成扇体的差异性［32］。Richards ＆Bowman（1998）更进一步主张从沉积物源、类型、供应速率、海平面变化和区域构造作用等去剖析深水碎屑沉积系统［33］。鲍志东 （1998）对中国南方三叠纪深水盆地重力流石灰岩进行了较深入的研究，分析了重力流石灰岩组合类型与构造背景的耦合关系、重力流的触发机制、岩石类型的演替及其沉积相标志，建立了被动大陆边缘深水碳酸盐岩沉积模式，并进而分析了重力流碳酸盐岩的储层发育特征［34－35］。

Stow（2000）认为，只有沉积相的研究才能改进对深水扇系统的沉积模式，即需要建立深水扇系统的环境模型［36］。Shanmugan（2000）从理论上与岩石结构上总结了浊流模式50年来的发展后认为，深水沉积过程之相模式的研究极有价值，同时，深水沉积物的性质、类型及作为沉积相预测工具的盆底扇理论模式的有效性有待证实。他认为有着盆底扇特有的地震相和测井相特征储层主要由块体搬运沉积物，尤其是砂质滑溻和碎屑流的沉积物组成，典型的浊积岩极其罕见［5－6］。

Shanmugam在2000年提出了一个适合于一些斜坡和斜坡底部沉积环境、以非水道化和水道化的碎屑流为主的沉积系统的沉积模型，认为砂质碎屑流可以形成厚层、分布广泛和极好的储层［5－6］。然而，Shanmugam并不能提出一个能够很好的指导油气勘探和开发的方案，他过多强调了不同沉积体系的独特性，而忽略了深水沉积特别是深水海底扇共有的特点，其观点有待实践来检验。

那么，为什么早期建立的浊积岩海底扇模式不断被放弃呢？主要是经典浊流理论指导下建立的扇模式与实践中观察到的现象有较大的冲突，如在密西西比扇深水辫状水道中观察到的泥石流沉积；同样，在对南美洲Amazon扇研究中，发现浊流沉积仅仅占少部分 （小于14%），而大部分都是砂质和泥质的碎屑流和滑塌沉积物［5］。

深水沉积的研究似乎进入了一个误区，主要是对沉积过程和沉积流态的认识尚未完全清楚，导致对深水沉积形式和结构模式内充填物的理解存在争论。然而，石油工业的确在这些模式的指导下发现了一个又一个深水油气田。

根据海底地形、沉积过程及几何特征、叠置样式来看，深水系统是非常复杂，没有哪个单独的相模式可能解释复杂深海环境中的所有变化，但它们也有许多共同的特征。受益于深水油气田的勘探开发，大量基于钻井岩心观察描述的深水海底扇模型得以建立，基于等时地层格架的沉积相研究成为深水海底扇储层预测的有效途径。

4 结 语

深水海底扇沉积研究的历程体现了沉积学家对深水沉积认识的不断发展与逐步深入，同时也进一步表明深水海底扇的成因机理、沉积模式仍是需要继续探索解决的地球科学与海洋石油地质科学中的难点问题。深水海底扇相模式的演变反应了沉积学家对深水扇沉积的内幕结构有了更加深入的认识，已经从早期对现象的描述发展到探究其沉积的动力学机理。