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深水交互作用沉积研究进展
——以南海北部珠江口盆地为例

2015-09-28何幼斌王英民

岩性油气藏 2015年5期
关键词:水道深水重力

李 华,何幼斌,王英民,裴 羽

(1.长江大学沉积盆地研究中心,武汉430100;2.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室,武汉430100;3.长江大学地球科学学院,武汉430100;4.中国石油大学(北京)地球科学学院,北京102249)

深水交互作用沉积研究进展
——以南海北部珠江口盆地为例

李华1,2,3,何幼斌1,2,3,王英民4,裴羽2,3

(1.长江大学沉积盆地研究中心,武汉430100;2.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室,武汉430100;3.长江大学地球科学学院,武汉430100;4.中国石油大学(北京)地球科学学院,北京102249)

深水区水动力条件复杂多样,重力流、等深流与内波及内潮汐等作用均显著,其相互作用明显,并形成丰富多样的沉积体。根据地震资料,对南海北部珠江口盆地重力流与等深流交互作用沉积的类型、特征及沉积模式进行了研究。研究区重力流与等深流极其活跃,发育典型的重力流与等深流交互作用沉积,包括峡谷、单向迁移水道、大型长条状漂积体、限制型漂积体及陆坡席状漂积体等。中上陆坡区发育北东向迁移水道、大型长条状漂积体及少量陆坡席状漂积体,为重力流与北东向运动的中层水等深流共同作用区。中下陆坡区发育南西西向迁移水道、朵叶、水道-堤岸、大型长条状漂积体、限制型漂积体及陆坡席状漂积体等,重力流与深层水等深流作用明显。重力流与等深流交互作用可形成单向迁移水道,迁移方向与等深流运动方向相同。等深流可对重力流沉积物进行搬运、改造、再沉积并形成漂积体、偏转型的朵叶和不对称堤岸。

重力流;等深流;交互作用;沉积类型;沉积模式;珠江口盆地

0 引言

深水区水动力极其复杂、性质多样,不同性质的水动力具有迥异的沉积响应[1-3]。重力流沉积、等深流沉积与内波及内潮汐沉积均是深水沉积的主要类型。其中,重力流沉积和等深流沉积研究源于20世纪中叶,其研究时间长、成果极为丰富[4-6]。内波及内潮汐沉积研究始于20世纪90年代,其研究时间相对较短,但是成果也较多,特别是我国在地层记录中的内波及内潮汐沉积研究方面具有较大优势[7-9]。目前,深水沉积研究主要针对单一的水动力及其沉积响应,较少考虑不同水动力之间的相互影响及沉积响应,即交互作用沉积。

狭义的深水交互作用沉积是指深水环境中2种或多种不同性质水动力同时同地相互作用产生的沉积[2]。广义的深水交互作用沉积是指深水环境中同一地区在某段地质历史时期内(同地不同时)2种或多种性质水动力相互作用产生的沉积[10]。重力流与等深流交互作用沉积在深水环境中普遍存在,是目前深水沉积研究的主要内容之一[11-14]。

1 深水交互作用沉积类型

基于不同的资料和研究重点,深水交互作用沉积类型的分类有所不同[2,4,15]。Mulder等[2]将其分为低频等深流和重力流沉积变化(地形继承)、高频等深流和重力流沉积变化、等深流改造重力流沉积及等深流与重力流共同作用沉积等4类;吴嘉鹏等[10]则将其划分为等深流对前期重力流沉积改造、重力流对前期等深流沉积改造、重力流与等深流交互主导同一地区的沉积及等深流与重力流共同作用沉积等4类。结合前人研究成果,充分考虑地层记录的特征,本文将重力流与等深流交互作用沉积分为等深流改造重力流沉积(改造砂)、重力流沉积与等深流沉积互层,以及重力流与等深流同时同地作用沉积等3类。理论上还存在重力流对早期等深流沉积的改造,但是由于重力流能量通常较高,对早期等深流沉积改造、破坏程度大,多以侵蚀、无或少量沉积为主,在地层记录中保存极少,因此未将其列为研究对象。

等深流改造重力流沉积是指高能的等深流对早期重力流沉积物进行搬运、筛选、再沉积而形成相对粗粒的等深流沉积和改造型重力流沉积。在地质历史时期内,构造运动、海平面升降及气候变化,都可能导致同一地区海平面及地形变化,使得不同时期内重力流和等深流主导作用发生变化,进而形成重力流和等深流沉积互层。重力流与等深流同时同地作用多指能量大致相当的重力流和等深流共同作用,可形成不对称型沉积体,如非对称型水道和偏转型朵叶等。

2 深水交互作用研究历程及存在的主要问题

2.1深水交互作用研究历程

20世纪70年代就有学者注意到深水区存在重力流与等深流交互作用沉积,并开展了一些开拓性的研究。随着勘探程度的深入,对深水沉积的认识也不断加深,重力流与等深流交互作用沉积越来越受到重视,其研究历程可大致分为以下3个阶段。

(1)1990年以前。重力流与等深流交互作用沉积研究很少,主要为等深流改造重力流沉积研究,代表性论文主要有2篇。Stow等[16]在探讨现代及地质历史时期等深流沉积特征时,认为砂质等深流沉积是高能的等深流改造、搬运及筛选重力流(浊流)沉积而成;Lovell等[17]在前期工作的基础上对地质历史时期砂质等深流沉积的鉴别标志进行了综合研究,认为其主要包括薄层砂夹于厚层泥岩中、生物扰动构造发育和顶部见改造的浊积岩沉积序列等。同时,总结了7种重力流(浊流)与等深流交互作用沉积模式,包括陆隆地区、同时同地、海山/海岛环境、限制性环境(水道)互层等。

(2)1990—2000年。重力流与等深流交互作用沉积逐渐受到重视,研究成果大量涌现,研究内容涉及重力流与等深流沉积互层、等深流改造重力流沉积及同时同地交互作用沉积等,研究对象从现代至地质历史时期均有,地层记录中的等深流改造重力流沉积研究方面有较大突破。Shanmugam等[18]对等深流改造重力流沉积的特征进行了总结,认为其主要包括粒度为细砂与粉砂,多为薄层,分选好,发育平行层理、交错层理、透镜状层理、压扁层理及反粒序层理等,底部为突变—渐变接触,顶部多为突变接触,内部见侵蚀面,常发育8种沉积序列。Stanley[19]在研究重力流与等深流交互作用沉积模式时考虑不同的斜坡类型,建立了4种沉积模式,并根据等深流对重力流沉积改造的程度不同,总结了10种沉积序列。在现代沉积研究方面,Kuvass等[20]在利用地震剖面研究水道化的重力流沉积和等深流沉积(漂积体)时,认为南极洲普里兹海湾重力流与等深流沉积互层为2种流体交互作用而成,等深流可对水道-堤岸沉积体系的溢流沉积进行改造。根据丰富的地震剖面、多波束、水文测试及岩性等资料,前人对现代重力流与等深流交互作用沉积特征、发育位置及主控因素进行了初步总结。重力流沉积顶部通常被侵蚀,并伴有丰富的生物扰动现象。中上陆坡重力流沉积发育,中下陆坡等深流沉积发育,中间过渡区为重力流和等深流交互作用区域。两者在不同的地质历史时期内,主导作用不同,其与地形、海平面及气候等关系密切[21]。

(3)2000年—今。重力流与等深流交互作用沉积已经广为人知,越来越多的研究者对其进行了系统的研究[2,10-14]。IUGS和EGU等国际组织围绕重力流与等深流交互作用沉积进行了综合研究,召开了多次专题会议,并出版了一系列专著[22-23]。本阶段研究内容涉及重力流与等深流交互作用沉积特征、主控因素及沉积模式,并取得了一系列成果,特别是沉积模式研究。

我国重力流与等深流交互作用沉积研究相对滞后。在早期对地质历史时期等深流沉积研究时,研究者对等深流改造重力流沉积进行了简单的分析,但是研究不够深入、不系统。值得庆幸的是,2010年以后,随着技术手段的提高和资料的不断丰富,南海北部现代重力流与等深流交互作用沉积研究工作进展迅速,特别是琼东南盆地和珠江口盆地的单向迁移水道(峡谷)研究取得了一系列成果[12-14,24]。地层记录中的深水交互作用沉积研究也有所突破。李向东等[25-26]对宁夏中南部奥陶系发育重力流与内波交互作用沉积(复合流沉积)进行了研究,认为其沉积构造类型丰富,发育复合流层理、准平行层理、小型不对称丘状交错层理与波痕等,并认为其形成演化大致分为3个阶段:重力流爆发初期以浊流沉积为主;随后,重力流能量减弱,为浊流与内波交互作用形成的复合流沉积;在重力流末期或间歇期,内波占主导作用,形成内波沉积。2013年,杨红君等[9]对莺歌海盆地SE地区中新统重力流与内波内潮汐沉积进行了研究,认为黄流组总体以重力流沉积为主,见部分内波及内潮汐沉积,存在重力流和内波及内潮汐沉积互层。最近,由于国家逐渐重视海洋研究,加大了深水沉积领域研究的投入,通过设立基金项目等形式极大地促进了重力流与等深流交互作用沉积的相关研究。

2.2深水交互作用沉积研究存在的主要问题

深水交互作用沉积研究始于20世纪70年代,经过数10年的研究,特别是最近20年的迅速发展,取得了众多成果[27-33]。然而,重力流与等深流交互作用沉积研究仍存在诸多问题。

(1)研究地区及对象极不平衡。目前,深水交互作用沉积研究主要是现代沉积,而地层记录中的研究实例极少。同时,深水交互作用沉积研究开展较为深入的地区主要为迪斯海湾(Gulf of Cadiz)、伊比利亚北部陆坡、阿尔加维陆坡、南海,以及欧美等相对发达地区,亚洲的研究实例远少于欧美。在我国,重力流与等深流交互作用沉积研究刚刚起步,地层记录中的交互作用沉积研究基本没有开展。

(2)鉴别标志不完善。深水环境中水动力条件复杂多样,且它们相互影响,其沉积响应极为复杂,导致不同成因沉积体的有效识别较为困难。尽管前人对地层记录中的重力流与等深流交互作用沉积鉴别标志进行了总结,认为其包括岩性、沉积构造、沉积序列和分选性等,但仍不全面。

(3)成因机理不明。前人对深水交互作用沉积成因机理分析多是在岩性、沉积体分布及沉积序列等方面展开的。他们在不同区域,采用不同研究手段对其进行了简单的分析[2,17-24,34-35],但总体而言,深水交互作用沉积成因机理还处于探索之中。

(4)主控因素不明。目前的观点认为深水交互作用沉积,特别是重力流与等深流交互作用沉积的影响因素主要有海洋(水流)、气候及构造。海平面升降、流体运移路径、地形和物源等对不同性质的流体(重力流及等深流)均具有直接的影响;气候可以间接控制重力流和等深流的强度;构造可以影响交互作用沉积的物源供给及地形。

(5)砂体分布及物性特征不清。高能的等深流可对重力流沉积进行持续、长时间的淘洗、筛选及再沉积。一方面,重力流细粒沉积物被淘尽,沉积物基质减少,储集性能明显提高;另一方面,高能的等深流携带的相对粗粒沉积物可形成粗粒等深流沉积,可成为油气聚集的有利场所,如阿拉伯克拉通白垩系等深流沉积具有丰富的油气资源[27]。目前,对其储集性能研究工作开展极少,仅有1篇论文对重力流与等深流交互作用沉积的孔隙度和渗透率进行了研究[28],砂体分布规律及储集物性特征尚待进一步研究。

3 南海北部珠江口盆地重力流与等深流交互作用沉积特征

3.1研究区概况

南海北部面积约350万km2,构造位置为欧亚板块、太平洋板块及印度洋-澳大利亚板块结合部,整体呈半封闭环境,是新生代最大的边缘海[29-30]。南海北部从东向西可分为台西南盆地、珠江口盆地、琼东南盆地、莺歌海盆地及北部湾盆地[31-32]。珠江口盆地位于香港南部,面积约17.8万km2,大致为北东—南西向展布,研究区主要为陆坡沉积环境,水深为200~3 000 m[13-14]。

南海北部水团总体呈“三明治”结构。表层水受季风的影响明显,冬季由东向西呈逆时针方向运动,而夏季则相反;中层水由西向东呈顺时针方向运动,经巴士海峡进入西太平洋;深层水从巴士海峡进入南海,由东向西呈逆时针方向运动[13,33-35](图1)。

图1 研究区位置图及中深层水运动特征Fig.1 Location of the Pearl River Mouth Basin and moving characteristics of middle and deep water

3.2深水沉积类型及特征

珠江口盆地深水沉积主要发育峡谷、单向迁移水道、朵叶及漂积体。漂积体根据地震反射特征可进一步分为大型长条状漂积体、限制型漂积体及陆坡席状漂积体。

珠江口盆地陆坡的珠江峡谷呈南北向展布,宽度约12.8~39.6 km,大致顺陆坡向下,中部弯度有所增加。单向迁移水道根据迁移方向可分为2种。一种为北东向迁移水道,主要分布于水深为200~1 200 m的沉积环境;另一种为南西西向迁移水道,主要分布于水深大于1 200 m的沉积环境。水道整体迁移特征明显,多为“U”形或“V”形,轴部沉积地震反射较强,迁移特征明显。水道西侧的侧积体为弱地震反射特征,具有明显的期次性[图2(a)]。

图2 珠江口盆地重力流沉积及等深流沉积体类型及特征Fig.2 Type and characteristics of gravity flow and contour current deposits in the Pearl River Mouth Basin

珠江口盆地在水道、峡谷末端未见典型的“丘状”朵叶沉积。白云及荔湾深水区迁移水道顺陆坡向下,水道规模逐渐减小,数量增加,水道之间大致平行。水道为平行—亚平行状,具有强地震反射特征,地层厚度变化趋势不大,为多个似“丘状”沉积。该“丘状”沉积体可能为水道末端的朵叶,因该区水道数量多(17条),水道相互平行,间距较小,因此,其末端朵叶相互叠置堆积,而使得“丘状”外形不明显[图2(b)]。

大型长条状漂积体纵向上呈“丘状”,平面上呈长条状,大致平行于陆架分布,水道与其伴生。其底部边界明显,顶部上凸,多平滑,水道处见侵蚀特征,内部多为平行—亚平行状,地震反射强度为中等—弱,连续性较差,局部为杂乱地震反射特征,多在高能的水道部位收敛,并具有明显的上坡迁移特征,部分漂积体沉积期次明显[图2(c)]。限制型漂积体底部边界明显,顶部平滑、平坦,水道与之伴生,内部多为平行或亚平行状,地震反射强度为中等—弱,连续性中等—好,在水道处见收敛及侵蚀现象[图2(d)]。陆坡席状漂积体外形为席状,漂积体底部边界明显,顶部光滑、平坦,局部见埋藏水道,漂积体内部地震反射强度为中等—弱,连续性中等—好,部分为平行或亚平行地震反射特征,底部沉积边界清晰[图2(e)]。

在峡谷、单向迁移水道和漂积体识别的基础上,笔者对其平面分布特征进行了研究,发现水道和漂积体在不同水深范围内的规模及组合类型明显不同。水深为200~1 200 m时,发育规模较大的北东向迁移水道及大型长条状漂积体、规模较小的限制型漂积体。水深大于1 200 m时,大量发育朵叶、大型长条状漂积体、限制型漂积体、陆坡席状漂积体,另见少量的南西西向迁移水道。同时,漂积体规模在不同水深及位置的差异明显。水深为200~1 200 m时,漂积体规模较小,主要发育于东沙群岛的西部;水深为1 200~3 000 m时,漂积体发育面积大,分布广。大型长条状漂积体分布广泛,限制型漂积体在东沙群岛南部及西部发育,而陆坡席状漂积体则发育于斜坡脚。峡谷、水道与等深流漂积体在平面上的分布具有明显的相关性。水深为200~1 200 m时,漂积体主要发育于珠江峡谷及单向迁移水道的东侧,而水深大于1 200 m时,漂积体多发育于单向迁移水道的末端,如珠江峡谷的西侧及西沙海槽的尾部等(图3,表1)。

图3 珠江口盆地峡谷、水道与漂积体平面分布特征Fig.3 The distribution characteristics of canyon,channel and drift in the Pearl River Mouth Basin

表1 不同水深范围内沉积体类型Table 1 Depositional system types in different water depths

3.3重力流与等深流交互作用沉积过程及模式

重力流与等深流交互作用可以形成不同类型的沉积单元。珠江口盆地中上陆坡,水深为200~1 200 m时,重力流与北东向运动的中层水等深流作用明显。重力流爆发初期,其能量高,以侵蚀作用为主,发育水道及峡谷,中层水沉积作用不明显。重力流中后期或间歇期,其能量极低,中层水等深流能量高于重力流,以中层水等深流沉积作用为主。中层水等深流可以改造重力流沉积或携带其他原地沉积在水道、峡谷的西侧沉积,形成侧积体。多期重力流与中层水等深流交互作用可以形成单向迁移水道及峡谷,其迁移方向与中层水等深流运动方向相同。在水道与峡谷之外,中层水等深流可以对早期沉积物进行搬运、改造、再沉积而形成典型的等深流沉积体,如漂积体。

盆地中下陆坡,重力流运移距离相对较远、能量减弱,主要为水道、堤岸及朵叶沉积。该区域重力流能量与深层水等深流能量大致相当,甚至偏小。等深流可以对重力流沉积物进行大规模的搬运及再沉积作用,在等深流运动顺流一侧(西侧)发育大规模的大型长条状漂积体、陆坡席状漂积体,在地形突变区发育限制型漂积体。朵叶经改造后呈不对称形态,向顺等深流运动方向偏转。水道迎流一侧堤岸改造作用强,相对不发育,顺流一侧堤岸较为发育(图4)。

图4 珠江口盆地重力流与等深流交互作用沉积模式Fig.4 Sedimentary model of interaction between gravity flow and contour current in the Pearl River Mouth Basin

4 结论

(1)重力流与等深流交互作用沉积分为等深流改造重力流沉积、重力流沉积与等深流沉积互层和重力流与等深流同时同地作用沉积。其中,等深流改造重力流沉积及重力流沉积与等深流沉积互层在地层记录中均较为常见。

(2)南海北部珠江口盆地广泛发育重力流与等深流沉积,是深水交互作用沉积研究的重要场所。中上陆坡为重力流与中层水等深流交互作用区域,发育北东向迁移水道及大型长条状漂积体;中下陆坡重力流与深层水等深流作用明显,发育南西西向迁移水道、水道、水道—堤岸、大型长条状漂积体、限制型漂积体及陆坡席状漂积体等。

(3)重力流与等深流交互作用沉积具有巨大的油气勘探潜力。目前,深水油气勘探在重力流沉积和等深流改造重力流沉积方面均取得了极大的成功,加强等深流沉积及狭义的重力流与等深流交互作用沉积研究有助于扩大油气勘探范围。

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(本文编辑:李在光)

Research advances in deep water interaction deposition:A case from the Pearl River Mouth Basin,northern South China Sea

Li Hua1,2,3,He Youbin1,2,3,Wang Yingmin4,Pei Yu2,3
(1.Research Center of Sedimentary Basin,Yangtze University,Wuhan 430100,China;2.Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources,Ministry of Education,Yangtze University,Wuhan 430100,China;3.School of Geoscience,Yangtze University,Wuhan 430100,China;4.College of Geosciences,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

There are complicated and various hydrodynamic forces in deep water zone,which result in abundant types of interaction depositions,such as gravity flow,contour current,internal wave and so on.Types,characteristics and sedimentary models of interaction deposition between gravity flow and contour current were studied in the Pearl River Mouth Basin by seismic data.Gravity flow and contour current are both well active in the study area,where interaction deposition between gravity flow and contour current developed well,including canyon,unidirectional migrating channel,giant elongated drift,confined drift,slope sheeted drift and so on.NE-migrating channel,giant elongated drift and some slope sheeted drift formed in the upper-middle slope,where the gravity flow and northeastward moving intermediate water were active.By contrast,SWW-migrating channel,lobe,channel-levee,giant elongated drift,confined drift and slope sheeted drift developed for gravity flow and deep water controlling in the middle-lower slope.The unidirectional migrating channel is the result from interaction between gravity flow and contour current,whose migrating direction represents the flow direction of contour current.Drift,deflected lobe and asymmetric levee formed by contour current carry,rework and redeposit of gravity flow sediment.

gravity flow;contour current;interaction;sedimentary type;sedimentary models;Pearl River Mouth Basin

P736.21

A

1673-8926(2015)05-0218-07

2015-05-25;

2015-07-13

国家自然科学基金“深水单向迁移水道的成因机理及其内的浊流、内潮流与等深流交互作用研究”(编号:41372115)、“鄂尔多斯盆地西南缘中奥陶统等深流沉积及其主控因素研究”(编号:41472096)及“鄂尔多斯盆地西南缘中奥陶统重力流与等深流交互作用沉积研究”(编号:41502101)联合资助

李华(1984-),男,博士,讲师,主要从事沉积学的教学与科研工作。地址:(430100)湖北省武汉市蔡甸区大学路111号。E-mail:hli@yangtze.edu.cn。

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