砂质碎屑流典型特征及识别标志

2016-12-20肖子洋黄传炎李邦勇

特种油气藏 2016年2期

关键词：砂质块状碎屑

肖子洋，黄传炎，谢通，李邦勇，李媛

(1.构造与油气资源教育部重点实验室，湖北武汉 430074；2.中国地质大学(武汉)，湖北武汉 430074)

砂质碎屑流典型特征及识别标志

肖子洋1，2，黄传炎1，2，谢通1，2，李邦勇1，2，李媛1，2

(1.构造与油气资源教育部重点实验室，湖北武汉 430074；2.中国地质大学(武汉)，湖北武汉 430074)

通过对北部湾盆地福山凹陷流沙港组一段岩心观察，理清砂质碎屑流沉积构造特征——发育丰富的块状构造和滑塌变形构造，可见大量泥砾；识别出岩性的垂向组合特征，由底至顶为含砾砂岩段—细砂岩段—泥岩段。从砂质碎屑流的定义、岩石学特征和流变学特征等3个方面出发，总结出砂质碎屑流的识别标志——大套块状砂岩顶部与泥岩突变接触，底部与含砾砂岩不整合接触，砂岩中泥质撕裂屑和漂浮泥砾现象丰富，滑塌变形构造十分发育。研究结论可为砂质碎屑流的研究以及深水沉积油气勘探提供科学依据。

砂质碎屑流；深水沉积；漂浮泥砾；塑性流体；构造特征；福山凹陷

0 引言

深水沉积是全球油气勘探开发研究的热点领域，而针对深水沉积的研究始于对浊流的认识，Kuenen在1950年提出浊流为粒序递变层理的成因，开启了深水沉积研究的大幕。19世纪70年代鲍马序列的提出和深水沉积扇模式的建立过程中，浊流成因占据了深水沉积的主导，直到20世纪90年代后，以Shanmugam为代表的沉积学家对于深水区域发育的砂体的成因提出了新观点——砂质碎屑流成因。砂质碎屑流的提出引发了深水沉积研究的热潮，沉积学家将关注点转移到砂质碎屑流的研究中，其研究对当前全球深水油气勘探有重大意义。

1 砂质碎屑流的定义

砂质碎屑流是深水沉积研究的最新进展，许多沉积学家陆续提出了在深水区发育大规模砂质碎屑流的新认识。与以往对浊积岩的认识不同，Shanmugam认为砂质碎屑流是一种沉积物呈塑性块体搬运状态的黏滞性流体[1](图1，图1据文献[2]有改动)。换言之，砂质碎屑流是一种界于低密度浊流和泥质碎屑流之间的黏滞性塑性流体，其形成阶段界定于滑塌变形碎屑形成期与真正低密度浊流期之间，并且砂质碎屑流呈层状或块状流动，碎屑颗粒含量一般为中等—高，泥质含量一般为低—中等，以团块状整体固结沉积。从其沉积物支撑机制来看，砂质碎屑流主要受基质强度、分散压力和浮力控制。

2 砂质碎屑流岩石学特征

砂质碎屑流最具代表性的岩性标志为含泥砾砂岩与无任何层理的块状砂岩[3]。含泥砾砂岩的岩性较细，主要有粉砂岩、细砂岩，其次为泥质粉砂岩，泥砾的粒径差异较大，一般为1～3 cm，最大可达10 cm。粒径的大小与滑塌变形规模及砂质碎屑流运移距离的长短有关。滑塌变形的规模越大，泥砾的粒径越大；砂质碎屑流运移距离越远，泥砾的粒径越小。刘昕、潘树新等通过粒度分析方法[4-5]研究砂质碎屑流的沉积环境。结果表明，砂质碎屑流一般具有2层韵律结构，在流动分层过程中，上部沉积物泥质含量少，屈服强度高，发育块状层理；下部沉积物泥质含量多，屈服强度低，形成层流的平行层理。

3 砂质碎屑流的宾汉塑性流特征

砂质碎屑流的流变学特征是砂质碎屑流区别于其他重力流的依据。浊流和砂质碎屑流流变学特征对比研究表明，浊流为牛顿流体，砂质碎屑流为宾汉塑性流体。呈层状流动是识别砂质碎屑流的重要标志[6]。浊流是由于碎屑颗粒间存在密度差异，碎屑颗粒沉降速率不同，大颗粒下沉，小颗粒悬浮形成的混合流体。沉积颗粒的正粒序是浊流沉积的典型特征。有学者按照浊流密度的不同，将其划分为高密度浊流和低密度浊流2种类型，这种划分颇有争议。Shanmugam认为，从流变学特征来看，高密度浊流具有塑性流变学特征，属于砂质碎屑流，不应该单独划分为一类。实际上，砂质碎屑流与浊流是能够相互转换的，砂质碎屑流通过搬运过程中的流动分层，可以转化为浊流；同样，浊流伴随着水体的注入，也可以转化为砂质碎屑流。

砂质碎屑流具有特殊流变学特征的根源是砂质碎屑流中存在的黏附力。王德坪对砂质碎屑流的抗剪强度研究表明：砂质碎屑流中存在黏土和水基质形成的黏附力在沉积物抗剪强度中起主导作用，而对砂质碎屑流沉积岩石学研究，表明沉积的原生黏土主要存在于颗粒接触处，而空隙是被流体占据的[7]。砂质碎屑流砂体在流动过程中，由于颗粒接触处存在黏土和水基质，颗粒间必然存在毛细管力作用，黏土和水基质成了颗粒间的一种黏附剂。由于砂质碎屑流砂体是包含巨大颗粒表面积的黏附体系，少量的黏土和水基质在颗粒间呈薄膜状时，产生的黏附力将很大。砂质碎屑流借助这种黏附力在搬运沉积过程中能够形成具有一定强度的块状砂体。

4 砂质碎屑流发育背景及展布特征

根据重力流沉积物特征及其发育的相关位置，可以将重力流演化过程划分为4个阶段，即崩塌阶段、滑塌阶段、砂质碎屑流阶段、浊流阶段[8]。而砂质碎屑流的形成，需要充沛的物源，有利的地形坡度及适当的触发机制[9]，当大量沉积物顺着斜坡沉积时，砂体厚度及地形坡度不断增大，达到一个临界状态，沉积物内部形成超孔隙压力，沉积物自身的重力大于下部泥岩的承受能力，沉积界面处于不稳定状态，在适当的触发机制作用下，松动的岩层首先发生滑动崩塌，然后发生滑塌，岩层破碎成多个块体，并伴随大量的软沉积物变形，伴随水体注入，岩层块体破碎搅浑，以碎屑流的形式顺着斜坡呈层状向前流动[10]。

砂质碎屑流在低位体系域较为发育，而砂质碎屑流空间分布主要受深水坡折带控制，且不同类型坡折带对砂体的发育有不同的影响。深水坡折带之下发育重力流沉积，之上发育牵引流沉积。宽缓型坡折带发育的砂体一般垂直于坡折带分布，窄陡型坡折带发育的砂体一般平行于坡折带分布[7]。砂质碎屑流在平面相带上主要发育于三角洲前缘，三角洲前缘坡折带下发育的砂质碎屑流舌状体，纵向延伸不远，横向叠置连片，在平面上大致形成孤立舌状体、叠加舌状体或席状舌状体。

5 福山凹陷砂质碎屑流实例分析

福山凹陷位于北部湾盆地南斜坡东缘，是中新生代发育的凹陷，受多期构造运动，其南部为海南隆起，北部为琼州海峡，东临云龙凸起，西与临高凸起相接，整体为北断南超的箕状断陷，区域面积约为2 920 km2[11-13]。凹陷内发育古近系地层长流组、流沙港组及涠洲组，其中流沙港组整体为一套巨厚的湖相三角洲沉积，目前主力勘探层位为流沙港组一段，主要为深灰、灰黑色泥岩、粉砂质页岩、泥质粉砂岩与灰白色含砾细砂岩、砾状砂岩互层，砂泥层厚度不等，砂岩比例较大。

通过对福山凹陷永安地区流沙港组流一段岩心观察，发现其主要是黑色泥岩和灰色细砂岩，其次为灰黑色粉砂岩和灰白色含砾细砂岩，含少量砾岩，砾石直径为2～10 mm，分选较差—中等，磨圆度为次棱角状—次圆状，块状构造、滑塌变形构造十分发育，常见泥质撕裂屑、漂浮泥砾和砂泥互层。根据其岩性组合特征，发现其主要发育一套由下至上的砾岩—含砾砂岩—细砂岩—粉砂岩—泥岩的递变粒序层理，整体构成一个正旋回。可以将其划分为5个层段，即泥岩段、粉砂岩段、细砂岩段、含砾砂岩段、砾岩段。泥岩段主要为黑色泥岩，含少量灰白色砂质纹层，局部含砾，发育块状构造，滑塌变形构造；粉砂岩段主要为深灰色泥质粉砂岩，少部分为灰黑色粉砂质泥岩，发育块状构造，部分发育水平层理；细砂岩段主要为灰色细砂岩，含少量灰黑色泥质纹层，细砂岩段沉积构造丰富，发育楔状交错层理、波状交错层理，块状构造，揉皱现象，微断裂构造，包卷层理，滑塌变形构造(图2)，多见泥质撕裂屑，泥砾比较发育，有S型撕裂状泥砾，呈定向排列的长条状泥砾，粒径达10 cm巨大的漂砾，

也可见高角砾化泥砾，呈直角或较大锐角的，发育椭圆形泥砾(图3)；含砾砂岩段主要为灰白色含砾细砂岩，含少量含砾中粗砂岩，砾石大少一般向上呈现逐渐变小的趋势，粒径为1～5 mm，分选较差—中等，磨圆度为次棱角状—次圆状，夹泥质纹层，发育块状构造，滑塌变形构造；砾岩段主要发育灰色砾岩，粒径为2～10 mm，分选较差—中等，磨圆度为次棱角状—次圆状，发育块状构造，滑塌变形构造，局部可见泥砾，砾岩段规模较小。

就其垂向组合关系而言，泥岩段位于砂砾岩的顶部，粉砂岩段作为泥岩段到细砂岩段的过渡层段，厚度较薄，一般为3～5 cm，细砂岩段与上覆泥岩段呈突变平行接触，与下伏含砾砂岩段呈不整合接触，部分发育冲刷面(图4)，细砂岩段顶部附近有漂浮泥砾和泥质撕裂屑集中存在现象，含砾砂岩段与上覆细砂岩段呈过渡接触，完整的砾岩段比较少见。

图4 砂质碎屑流砂体接触关系

在大多数情况下，5个层段发育不完整，主要为含砾砂岩段—细砂岩段—泥岩段，其次为细砂岩段—泥岩段。从整体来看，主要发育块状构造、滑塌变形构造，砂岩中可见泥质撕裂屑和泥砾，砂岩中夹泥质条带，泥岩中夹砂岩纹层，砂泥互层比较发育。

从岩心特征上来看，常见大套块状砂岩，块状砂岩与上下泥岩呈突变接触，表明块状砂岩在沉积过程中是呈纹层状整体冻结的，反映了砂质碎屑流块体运动的特征；块状砂岩底部也可见冲刷面，表明在砂体底面上曾发生高速滑动和强烈侵蚀作用[4]。在块状砂岩沉积的过程中伴随着泥砾的形成，由于流体具有特殊的流变学特征，泥砾呈各种形态沉积。S型撕裂状泥砾表明了块状流体在运动过程中对下伏沉积物的剪切作用；呈定向排列的长条状泥砾体现了流体的层状流动的特征；粒径达10 cm巨大的漂砾体现了流体高密度和塑性特征，呈直角或较大锐角高角砾化泥砾，表明泥岩被打碎后快速沉积特征，而发育环形构造的椭圆形泥砾，说明泥砾经过长时间远距离搬运，颗粒逐渐被磨圆的过程。

在块状砂岩沉积过程中，发育两大类塑性泥质撕裂屑，不规则状泥质撕裂屑大多发育于具较大颗粒间摩擦力的纯净的块状细砂岩中，长条状泥质撕裂屑一般形成于块状粉砂岩或泥质粉砂岩岩中，准同生期形成的泥质撕裂屑一般位于块状砂岩顶部附近，也可出现在块状砂岩中。漂浮的泥质撕裂屑说明砂体在搬运沉积过程中，砂质碎屑流流体具有一定的强度和浮力支撑特征，同时也反映了砂体整体固结的沉积特征。总的来说，含漂浮泥砾和泥质撕裂屑的块状砂岩的沉积特征表明流体是呈层状流动的砂质碎屑流，而不是紊乱状态的浊流[8]。

通过对福山凹陷流沙港组流一段岩性特征的分析[14-16]，发现福山凹陷流沙港组流一段具有砂质碎屑流的沉积特征。福山凹陷是北断南超的箕状断陷，流沙港组时期是福山凹陷的主要成盆期，流一段位于半深湖—深湖区，发育重力流沉积砂体湖底扇。福山凹陷这种构造背景和沉积环境为砂质碎屑流的形成提供充沛的物源，有利的地形坡度及适当的触发机制。福山凹陷流沙港组流一段具有砂质碎屑流发育演化的有利条件，结合福山凹陷流沙港组流一段沉积特征，认为福山凹陷流沙港组流一段发育砂质碎屑流。

6 砂质碎屑流识别标志

在总结前人研究成果的基础上，结合福山凹陷流沙港组一段岩心特征，不难发现砂质碎屑流沉积岩具有以下识别特征。

(1) 岩心中常见大套块状砂岩。块状砂岩中有巨大漂浮泥砾，其底部常见冲刷面，顶部附近有漂浮泥砾和泥质撕裂屑集中存在现象，漂浮泥砾和泥质撕裂屑在块状砂岩中也有分布(图5)。

图5 砂质碎屑流块状砂岩沉积特征

(2) 砂质碎屑流常见弹性、脆性及塑性形变。除常见块状砂岩外，还发育大量包卷层理、滑塌变形构造及微断裂等同沉积或软沉积变形构造(图3)。

(3) 块状砂岩与上下泥岩主要呈突变接触，接触面平整，局部有不整合接触现象，且部分砂岩底部可见冲刷面(图4)。

(4) 砂质碎屑流沉积物中，泥砾比较发育，泥砾呈各种形态沉积。有S型撕裂状泥砾，呈定向排列的长条状泥砾，粒径达10 cm巨大的漂砾，也可见高角砾化泥砾，呈直角或较大锐角的，发育环形构造的椭圆形泥砾(图5)。

该识别特征可作为判断砂质碎屑流存在的依据。

7 结论

(1) 福山凹陷流沙港组一段地层发育砂质碎屑流沉积砂体。砂体中常见大套块状砂岩，砂体主要为黑色泥岩和灰色细砂岩，其次为灰黑色粉砂岩和灰白色含砾细砂岩，含少量砾岩，发育块状构造、滑塌变形构造，常见泥质撕裂屑、漂浮泥砾，垂向上由下至上以含砾砂岩段—细砂岩段—泥岩段为主要组合特征。

(2) 重力流沉积过程中发育的砂质碎屑流，是界于低密度浊流和泥质碎屑流之间的黏滞性塑性流体，呈层状或块状流动。砂质碎屑流典型岩性特征是大套块状砂岩和含泥砾砂岩，砂质碎屑流常见弹性、脆性及塑性形变，发育块状构造和滑塌变形构造，块状砂岩与上下泥岩主要呈突变接触，泥砾形态丰富，这些特征都可以作为砂质碎屑流的识别标志。

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