被动大陆边缘大型峡谷供给型深水扇沉积与油气成藏——以西非刚果扇为例

秦雁群 巴 丹 许海龙 梁英波 杨 紫 梁 旭 王兴龙

（ 1 中国石油勘探开发研究院 ；2 中海油研究总院 ）

自Reading和Richards根据物源体系类型和粒度大小对深水盆地边缘浊积体系进行12种类型划分以来[1]，国际上对大陆边缘复杂的深水扇沉积特征、沉积构型要素构成和油气成藏规律等有了一个相对全面的认识[2-4]。作为最为直观和重要的单点物源供给背景下深水扇体系类型来说，深化其沉积背景和沉积特征认识，对于了解现今深水环境下深水扇内部沉积物的形成、组成和历史演化具有重要参考价值[4-5]。虽然有研究者指出绝对地划分出单点物源供给下富泥、砂泥、富砂和富砾浊积体系较为困难，并提出如富泥和富砂两分浊积体系等方案[6]，但是随着全球深水环境地震、钻井等地球物理数据的不断获取，沉积学家们逐渐认识到不同地区、不同背景形成的深水扇体系可能差别很大[4-5,7]，特别是在大陆边缘翘倾变化、陆架宽窄、陆坡陡缓、古河流或古三角洲物源类型等差异性较大的大陆边缘地区更是如此[8-9]。因此，考虑多因素控制背景下深水扇沉积和重点解剖典型的现今残余深水扇地层，是进一步全面了解这一特殊的深水沉积体系类型的重要基础。

大陆边缘峡谷作为深水扇最为主要的沉积物输送通道，目前已在全球现今的大陆边缘共识别出5849个[10]，这些峡谷末端形成了多种类型的大陆边缘深水扇体系。虽然有关大陆边缘峡谷分类标准不一，特别是被动大陆边缘与主动或构造活动强烈大陆边缘结构以及下切陆地、陆架或陆坡程度不同等差异性导致大陆边缘峡谷的规模、沉积物输送、时空演变等差别很大[2-3,10-11]。但是延伸达数十至数百千米、宽度约数米至数十千米的大型峡谷供给物源背景下往往形成平面分布广泛、沉积物体积巨大的深水扇体系[1-3]，这种扇体也是目前全球深水油气勘探重要目标区，如密西西比扇、刚果扇等[4]。通常，被动大陆边缘大型峡谷形成的深水扇粒度较细、规模大、向海延伸广，相当于Reading和Richards划分的单点物源供给富泥、砂泥或富砂类型，如印度扇、加利福利亚的拉荷亚（La Jalla）扇等[2-3,5,11]；而主动或构造活动强烈大陆边缘大型峡谷形成的深水扇粒度粗、规模小、向海延伸短，相当于Reading和Richards划分的单点物源供给富砾类型，如希腊科林斯（Corinth）扇等[1,3,5]。根据目前国际文献发表的趋势来看，相对于主动或构造活动强烈大陆边缘来说，被动大陆边缘深水扇是近年来国际上研究热点领域[5,7-8,12-13]。

西非刚果扇是典型被动大陆边缘大型峡谷供给所形成的富泥型深水扇，相比全球其他同类型深水扇而言，刚果扇边缘及向陆坡上倾方向（下刚果盆地）油气发现多，油气勘探活动频繁[14-15]。自1957年首个商业油气发现以来，累计发现石油259.25×108bbl、天然气4.63×1011m3[14-15]。本文基于前人对第四纪刚果扇地层调查的数据成果，解剖并梳理了现代刚果扇沉积特征，结合商业数据库油气田数据，分析总结其油气成藏规律，以期为全球其他同类型深水扇认识的深化和油气勘探起到一定的借鉴作用。

1 地质概况

刚果扇位于现今扎伊尔大峡谷向海方向的末端，走向总体上为NEE向，东西延伸约800km，南北宽约400km[16]。扎伊尔峡谷是扎伊尔河口湾向海延伸部分，在陆架和陆坡位置走向为NWW向，在深海平原走向变为近EW向，主体长约300km，在陆架坡折位置宽约15km，向海逐渐变窄，向陆方向的根部切入河口湾约25km[10,16]。扎伊尔峡谷的形成源自扎伊尔河大型水系的下切作用，该水系是目前世界上第二大水系（仅次于亚马逊河水系），现今总面积约3.7×106km2[14]。前人研究表明，扎伊尔河自晚白垩世以来由北往南逐渐迁移，至渐新世时基本定型为现今形态，随着扎伊尔河逐渐下切和大陆边缘地壳下沉，下刚果盆地陆架边缘扇体自渐新世起具有逐渐向北迁移趋势（图1a）[17-19]。

受水深条件限制，目前该地区的油气勘探活动主要集中在刚果扇上扇部分及向陆方向的下刚果盆地，已发现的深水油气田主要位于陆架坡折下部至刚果扇根部地区，刚果扇主体目前仍无油气发现（图1a）[14-15]。下刚果盆地的形成始于南大西洋自晚侏罗世以来的逐渐打开过程[20]，区域构造演化通常可划分为前裂谷期（晚侏罗世前）、同裂谷期（晚侏罗世—早白垩世巴雷姆期）、过渡期（早白垩世阿普特期）和被动大陆边缘漂移期（早白垩世阿尔布期至今）4个阶段，分别充填了前裂谷期碎屑岩、火山岩—同裂谷期河湖相碎屑岩、碳酸盐岩—过渡期潟湖相碎屑岩、碳酸盐岩和蒸发岩—漂移期浅水碳酸盐岩和海相碎屑岩，地层沉积总厚度超过8km（图1b、图2）[18,20-21]。

图1 刚果扇及下刚果盆地深水油气发现（a）[14-15]和地质剖面结构（b）[14]

刚果扇发育始于渐新世，至今仍处于活动状态，与下刚果盆地漂移晚期演化阶段对应（图2），扇体内部地层特别是靠陆方向局部受过渡期盐岩的塑性流动及漂移期盐活动所形成的相关断裂系统控制[16,22]。盆地剖面资料显示，下刚果盆地剖面断裂系统可分为两套：下部裂谷期的伸展断裂系统；上部漂移期受盐岩控制所形成的一系列的伸展、底辟及逆冲断裂系统。由陆向海，陆架区盐岩和上覆地层厚度较大；陆坡区发育一系列的盐上伸展断裂和背斜，向海形成多个盐丘、盐窗、盐柱等盐相关变形体；底辟区，盐岩活动规模大，可刺穿至中新统（图1b）[14,23]。

2 刚果扇沉积特征

国际组织Ifremer和Total—Fina—Elf分别于1992—1993年、1998年、2000年 在 执 行 GUINESS大洋调查计划时，获取了第四纪刚果扇部分相关的水深数据、二维地震测线、钻井及声呐图像等，上扇部分调查相对较为详细[16-17,24]。这里结合下刚果盆地钻井、测井、岩心等数据[14-15,25]，综合分析和梳理了刚果扇沉积特征。

2.1 多扇体叠置与沉积中心迁移

基于地震和生物地层数据，Droz等[16-17]根据第四纪扇体内水道—天然堤体系叠置特点和时间先后关系，把刚果扇划分为北扇、轴扇和南扇3个分割的扇复合体（图3），并认为北扇、南扇和轴扇分别发育于780—540ka、540—210ka和210—0ka。同时在北扇、南扇和轴扇扇体内部分别识别出3套、2套和2套浊积体系。其中，北扇是由1个主水道—天然堤体系和2个水道—天然堤复合体组成，主水道—天然堤体系形成的浊积体系与现今峡谷走向相同，发育最早。2个水道—天然堤复合体由主水道—天然堤体系供给，形成的浊积体系位于主水道—天然堤体系的北部，向海方向展布范围明显变小。南扇由2个水道复合体组成，向海方向展布范围明显萎缩，Kolla认为这可能与下伏盐岩塑性流动及陆坡坡度较陡有关[22]。轴扇则由8个水道复合体组成，受数据精度限制，只划分为2套浊积体系，且认为2套浊积体系是由扎伊尔峡谷和峡谷决口形成的2个狭长沉积体。上述复杂的浊积体系叠置构成第四纪刚果扇地层（图4）。

图2 下刚果盆地地层综合柱状图及油气成藏条件[15]

图3 刚果扇平面迁移特征[16]

图4 刚果扇剖面叠置关系概念模式[22]

Marsset等[24]在Droz等研究的基础上，通过对水道决口点数量与距离、水道长度等要素的定量研究，更详细地划分了北扇、南扇和轴扇内部的6套、5套和7套浊积体系。与Droz等认识不同，Marsset等认为不同扇体内部浊积体系均由峡谷或峡谷决口形成，解释成果中浊积体系向陆方向根部基本都与峡谷或峡谷决口形成的主水道起始点相交[24]。

刚果扇沉积中心迁移表现在两个方面：经向（东西向）和纬向（南北向）迁移。其中，东西向沉积中心迁移主要根据浊积体系从决口点至向海方向的进积及退积旋回距离峰值及分支水道搬运距离识别的。据Marsset等定量研究[24]，北扇、南扇和轴扇各水道进积距离峰值分别为600km、350km、850km左右，而各水道退积距离峰值分别为450km、220km、730km左右，对应的各水道搬运距离均值分别620km、250km和830km。因此， 3个分割扇体均以向海方向进积为主，扇体内水道沉积中心经向迁移距离约为100km。南北向沉积中心的迁移表现为3个分割扇体和扇体内浊积体系的发育时间先后。根据年代地层数据，第四纪刚果扇形成最先位于北部，其次为南部，最后为中部的轴扇，沉积中心相应地从北部—南部—中部迁移变化[16,24]。而分割扇体内部浊积体系发育在北扇呈逆时针迁移、在南扇呈顺时针迁移、在轴扇则为从SE向NW迁移，指示各扇体内部沉积中心在不同时期呈现相同的规律性迁移变化（图 3）[16,24]。

2.2 “树枝—树叶”网状构型要素

基于二维和局部三维地震数据解释结果认识，刚果扇内部最主要构型要素为水道—天然堤体系和前端朵叶体，约占总沉积体90%左右，块体搬运沉积发育较少，只占总沉积体约10%，扇体顶部被半深海沉积物覆盖（图3、图5）[16-17]。水道—天然堤在剖面上以侧向叠置为主，大型水道内呈纵向加积叠覆状；平面上，各种主水道与扎伊尔峡谷相连，向下扇方向逐渐产生分支水道，总体上形成以峡谷为主干，各水道逐渐分叉，平面展布呈“树枝”状。前端朵叶体主要发育于轴扇内部，北扇和南扇发育较少（图3），其原因可能为早期发育的朵叶体被后期水道切割与埋藏，地震资料品质差、无法识别[16,24]。另一种原因可能为地震数据范围限制、未达扇体最前端[16]。水道—天然堤和前端朵叶体组成平面“树枝—树叶”网状分布格局，树枝的分叉形态是水道决口样式的直接表现，主要受水下均衡剖面动力学控制[16]。块体搬运沉积发育少，说明该地区水下或陆坡边缘垮塌事件相对较少，地震资料解释显示多位于水道—天然堤侧翼或底部地区，剖面呈透镜状上凹形，下部侵蚀边界明显，受水道—天然堤展布限制（图5）。

图5 刚果扇剖面沉积构型要素叠置特征[16]（剖面位置见图3）

Bur1水道复合体是一富含油气的砂岩储层，位于刚果扇东部边缘（图1），形成于中中新世时期[25]。该水道复合体处于一大型水道内部底端，测井曲线显示呈块状箱形、钟形正韵律特征。岩心剖面可见多期叠置水道复合体夹块体搬运沉积和水道间泥质沉积，从下往上，水道发育频率降低、单水道厚度减薄（图6a）；沉积物粒度总体以含泥的中—粗砂岩、细砂岩为主，局部含砂砾、泥砾等。平面属性特征图表明，Bur1水道复合体边缘侵蚀特征明显，相互切割、逐渐向北迁移（图6b）。地震剖面上显示为高幅、半连续反射特征，边缘双向上超，纵向下切规模大（图6c）。岩心图版可见深水重力流沉积的鲍马序列各段，发育正粒序递变层理、斜层理、平行层理等沉积构造（图6d）。Bur1水道复合体再现了该地区内部浊积体系迁移、大型水道内部水道天然堤纵向加积等特征。

图6 刚果扇边缘Bur1水道复合体沉积特征[25]

2.3 异源因素对扇体发育的控制

Reading和Richards对深水扇类型划分主要是基于沉积物粒度和物源供给体系类型，相对于刚果扇内部扇体分割、浊积体系的迁移及下伏塑性盐岩发育等特殊地质背景来说[16]，除前人通常讨论的海平面变化、构造变动等异源因素控制外，还具有自身独特的其他因素影响[5,7,22]。

一般情况下，在河流向深海搬运沉积物过程中，除非常宽的陆架边缘区外，沉积物发生驻留并产生二次搬运的现象较少，特别是在河流河泛作用广泛发育背景下，大量的河口湾前缘沉积物将以悬浮方式向深水区输送并逐渐堆积下来[7,26]。然而，Eisma和Bennekom认为刚果扇沉积物主要是扎伊尔峡谷头部沉积物堆积至一定程度后，受海底触发条件导致沉积物失稳滑塌形成，一次滑塌形成一套浊积体系，峡谷边缘河口湾向海输送沉积物中只有约10%～15%的悬浮物搬运至刚果扇[27]。另一方面，Marsset等根据刚果扇内部不整合发育情况，并结合米兰科维奇气候变化参数，认为气候变化旋回正好与3个分割扇体发育时间间隔100ka级别相对应，气候旋回变化是控制刚果扇内部扇体叠置的主要因素[28]。虽然将上述两种观点结合，可以相对较好地解释刚果扇内部扇体多期迁移与叠置特征，但是河流输送悬浮物和陆架边缘沉积物对刚果扇形态及其内部组成，以及位于扎伊尔河北部约300km处的Kouilou/Niari河水系对刚果扇北扇沉积物形成等因素的具体控制作用[16,24]，目前仍不知晓。

根据水深数据计算[22]，沿东西走向，北扇和轴扇在上扇部分地形坡度约10m/km、在下扇部分约1～2m/km，而南扇总体的地形坡度约4～7m/km，高于北扇和轴扇大部分地区，并在靠陆一侧的东部边缘存在明显的地形坡折。由于数据缺乏等原因，该地区古地形是如何具体控制刚果扇形态和内部浊积体系组成，并不很清楚。但是，南扇东部边缘与陆架呈近似平行发育，且从西非盐岩分布范围来看，下伏盐岩塑性变形明显控制南扇东部边缘展布，其地形坡折极有可能是盐岩变形所导致的[14,22]。另外，从下刚果盆地地质剖面来看，阿普特期盐岩已刺穿中新统[14-15]，发育于渐新世以来的刚果扇必然受其影响，有关盐岩对刚果扇内部地层控制的研究有待于进一步地球物理数据的获取。

3 刚果扇油气成藏特征

刚果扇已有的深水油气发现主要位于扇体东部边缘及扎伊尔峡谷两侧（图1），发现的油气田储层以下切水道和水道—天然堤浊积砂岩为主，根据国际上通用的商业数据库油气田数据统计[14-15]，结合下刚果盆地油气成藏条件，总结了刚果扇油气成藏特征。

3.1 成藏要素特征

前人研究结果表明，下刚果盆地烃源岩呈现“双层供源”特征，即包括裂谷期和漂移早期两套主要烃源岩[14-15,23]。裂谷期早白垩世纽康姆阶—巴雷姆阶湖相暗色泥岩，最大沉积厚度可达1800m，总有机碳含量（TOC）为1%～30%，平均为7%左右，干酪根类型以Ⅰ、Ⅱ型为主。漂移早期赛诺曼阶—马斯特里赫特阶海相页岩，TOC一般为1%～2%，最大为4.5%，Ⅱ型干酪根为主。而其他时期的烃源岩规模小或处于未成熟—低成熟阶段（图2）[14]。已发现大型深水油气田特征统计表明（表1），刚果扇油气来源应以后者为主，这与深水油气圈闭往往具有近源成藏特征相符[23]。另外，连续性较强的过渡期盐岩对下伏烃源岩供源阻挡也是重要原因之一[18]。

虽然下刚果盆地含有盐下同裂谷期碎屑岩、过渡期阿普特阶碳酸盐岩、漂移早期阿尔布阶碳酸盐岩和赛诺曼阶碎屑岩以及漂移晚期碎屑岩等多套储层（图2），但目前发现的与刚果扇有关的储层均为漂移晚期渐新统—中新统砂岩，迄今在下刚果—刚果扇发现的深水大型油气田主力储层全部来自该套砂体。渐新统—中新统砂岩储层基本都是水道浊积岩，水道—天然堤发现少。储层孔渗条件普遍优越（表1），孔隙度为15%～32%，平均约24%；渗透率变化范围较大，最大可达3000mD，最小仅为100mD[14-15]。从Bur1水道复合体来看（图6），单期浊积水道厚度多为10～20m、规模较小，叠置的水道复合体厚度可达25～60m，岩性总体偏细，分选较差，这也可能是储层渗透率变化较大的主要原因。

刚果扇油气盖层应以层间页岩局部封盖为主（表1），包括水道或水道复合体之间页岩以及上覆浊积体系内部页岩对下伏浊积体系水道砂体封盖等类型。由于刚果扇至今仍然处于活动中，特别是轴扇部分，顶部半深海沉积物与扇体内浊积体系混合堆积，因此，早期认为的刚果扇油气是由区域性深海页岩封盖的观点可能存在一定的疑问[14,23]。

理论上，大型深水扇体内部油气圈闭应以地层圈闭为主[4]，但是从刚果扇已发现的油气圈闭来看（表1），却以地层—构造圈闭为主，纯地层圈闭较少。其原因一方面可能与深水油气勘探成本高，早期人为地选择具有一定构造背景下地层圈闭等优势目标进行钻探有关[23]；另一方面，该地区受过渡期盐岩塑性变形影响，沿盐岩拆离面发育的一系列伸展断层或逆冲断层对渐新统—中新统地层具有明显控制作用。

表1 下刚果—刚果扇深水油气田成藏要素特征表(2P可采储量超过3×108bbl)[14-15]

3.2 成藏模式

根据第四纪刚果扇内部浊积体系迁移和“树枝—树叶”网状构型要素叠置等沉积特征，结合前文有关刚果扇油气成藏条件分析和Bur1水道复合体解剖，建立了刚果扇可能的沉积和油气成藏模式（图7）。

与印度扇等其他同类型的深水扇不同，刚果扇东部边缘及陆坡上倾方向已有诸多大型深水油气田发现，即可以确认刚果扇具备较好的油气成藏基础，特别是其上扇部分。油气成藏模式显示（图7），扇体内油气主要来源于上白垩统南大西洋正式打开后的漂移早期阶段海相页岩，经下伏盐岩塑性流动所形成的断裂系统沟通，在渐新统—中新统扇体地层内聚集，并在大型水道或小型峡谷内部地层圈闭或具有一定构造背景的地层—构造圈闭内成藏。油气主要是沿与盐构造相关的深大断裂系统进行纵向运移，局部可能包括水道砂体内部的横向运移。其中，上新统—第四系由于受扇体内浊积体系持续活动及近海底发育等因素影响，油气可能已散失。现阶段油气勘探应以陆架边缘下切水道或顺扎伊尔主峡谷发育的上扇部分的网状决口水道为重点，水道前端朵叶体由于距离陆架边缘远、规模小、水体深，不易勘探。因此，进一步获得高精度地震资料，有针对性查明该地区渐新统—中新统水道或水道复合体展布规律，并进行扇体内水道精细刻画，是刚果扇下一步油气勘探工作的首要任务。

图7 刚果扇沉积和油气成藏模式

4 讨论

4.1 古代刚果扇和第四纪刚果扇

有关现代和古代深水扇的对比研究自深水扇这一沉积体系类型被识别之初就一直持续至今[29-31]，通常认为现代深水扇是指形成于上新世—全新世时期、与上陆坡峡谷相关联、由深水沉积物重力流形成的似扇状沉积体系[5]。前文根据第四纪刚果扇调查数据所形成的现代扇特征解释是否适用于自渐新世以来就逐渐发育的刚果扇下部沉积体系特征，目前并没有研究者进行过多的分析，这主要是受地球物理数据较少等原因影响。Droz等曾指出刚果扇可能具有双层或多层大型扇体叠置特点[16]。而扎伊尔峡谷定型是在渐新世时期，从已发现油气田储层结构来看，渐新世—中新世时期，下切水道及水道复合体与第四纪刚果扇体内部浊积体系叠置具有很强的相似性。另外，物源经大型扎伊尔峡谷输送明显要高于安哥拉—刚果地区缓坡型陆坡输送[16,24]，如果关于第四纪扎伊尔峡谷头部沉积物堆积后经二次搬运至刚果扇的观点正确[27]，那么刚果扇渐新统—中新统沉积理应与上部第四系沉积特征相似，只是内部浊积体系是如何分布和演化等规律不明而已。

扎伊尔河水系在晚白垩世以来从北往南迁移，至渐新世扎伊尔峡谷定型时，水系迁移基本停止[19]。而安哥拉—刚果陆架边缘扇体是从渐新世开始逐渐往北迁移的，至全新世时到达刚果扇北扇东北边缘（图1），这种变化也可以从Bur1水道复合体演化中得到印证（图6b）。水系和陆架边缘扇体的来回迁移可以用扎伊尔峡谷逐渐下切导致陆架边缘渐新世扇体逐渐往北向地势低洼区移动（现今地貌要素可以作为佐证），或者用前人关于西非大陆边缘在新生代发生差异下沉观点来解释均可[18,20]。然而，从第四纪刚果扇内部地层解释结果来看，这种迁移变化对刚果扇内部浊积体系发育影响可能较小[16,19]。因此，对于这种相对稳定的被动大陆边缘大型峡谷供给的深水扇来说，当供给峡谷一旦定型后，峡谷头部深水扇地层沉积主要受峡谷供给物源控制，在其他因素不变或变化程度较小等情况下，古沉积物可能与现代沉积物以相似的沉积模式一直发育至今。

4.2 大型峡谷供给型深水扇内部水道决口

与亚马逊扇显著不同的是，刚果扇不仅至今仍处于活动中，而且在近地表地层内发育大量的“树枝—树叶”网状构型要素。Droz等对此现象解释为3种原因：向盆方向含有足够的可容纳空间、缺乏大型的深水块体搬运沉积体和相对较低的扎伊尔河流物源输入，并认为水下均衡剖面及局部构造隆升对水道决口起到至关重要的作用[16]。Marsset等认为刚果扇水道决口形成的浊积体系与气候旋回异源因素关系密切，具有较好的旋回对应性[28]。而Posamentier和Kolla则认为[32]，深水扇内部水道决口应该是自源和异源因素综合地质响应的结果。当斜坡弯曲度或古地形坡度增大时，自源因素增强，水道决口点向陆方向迁移；当搬运的沉积物砂泥比增大时，异源因素增大，水道决口也向陆方向迁移。同时，当砂泥比越高、斜坡弯曲度越大时，前端朵叶体发育越广泛；而砂泥比越低、斜坡弯曲度越小时，水道—天然堤发育则越广泛（图8）。因此，从第四纪刚果扇资料解释结果来看，广泛发育的水道与较少发育的前端朵叶体现象，除前文解释的原因外，可能还与该地区为富泥沉积物（低砂泥比）堆积和地形坡度较为平缓（北扇和轴扇的下扇部分约1～2m/km）等因素有关。

图8 多因素控制下水道决口[32]

5 结论

始于渐新世的西非刚果扇是大型扎伊尔峡谷单点物源供给背景下形成的富泥型被动大陆边缘深水扇。

第四纪刚果扇是由多套浊积体系叠置而成，扇体沉积中心在东西方向上以向海进积为主，南北方向上从北部向南部再向中部逐步迁移；扇体沉积构型要素以水道—天然堤为主，块体搬运沉积物较少，扇体内构型要素叠置样式和演变过程主要受物源体系、气候和盐岩变形构造等异源因素控制。讨论分析认为古代刚果扇与第四纪刚果扇应具有相似沉积特征。

基于已发现的油气田数据认为刚果扇具有较好的油气成藏条件，生、储、盖配置关系优越，根据主力储层砂体构型要素解剖认为现阶段油气勘探应以陆架边缘下切水道及峡谷边缘上扇部分网状决口水道为重点。