深海水道储层构型及其对同沉积构造响应机理的研究现状与展望*

赵晓明 葛家旺 谭程鹏 张文彪 陆文明

(1.天然气地质四川省重点实验室 四川成都 610500；2.西南石油大学地球科学与技术学院 四川成都 610500；3.中国石化石油勘探开发研究院 北京 100083)

近年来，随着地球物理技术和深海钻探技术的不断提高，人们对深海沉积的认识逐渐加深，在墨西哥湾[1-2]、西非[2-6]、巴西Campos盆地[7-8]、英国北海[9]、尼罗河三角洲盆地[10]、东非鲁武马盆地[11-12]、孟加拉湾[13-14]等地区的深海油气勘探获得了一系列突破，使得深海沉积成为当今油气勘探的热点之一[15]。我国于2006年之后在南海珠江口盆地白云凹陷、琼东南盆地中央峡谷水道的深海油气勘探也先后取得了突破[16-17]，最新公开资料显示近5年南海海域发现的深海沉积油气藏探明可采储量达4.09×108t油当量[18]，有望成为全球深海油气勘探的热点区域之一。因此，深海沉积油气田无疑是未来能源勘探开发的重要领域。

深海水道广泛发育于陆坡、陆隆和深海平原上，是深海沉积体系最主要的沉积物运移通道和粗粒碎屑沉积场所[19-20]，也是陆架边缘盆地主要的深海油气储层[21-22]。已发现的深海水道油气藏储层往往具有较高的孔隙度和渗透率，但它们的平面流动路径、内部建筑结构均复杂多变[22-26]，即便是在数十公里的局部小范围内其流动路径也呈现较大的随机性[27-28]，甚至是在几公里的很短侧向距离内其储层厚度和连通性也会有较大变化[23,29-30]。然而，当前对深海水道这些构型特点的控制作用机理尚未认识清楚，这严重制约了该类油气藏的高效开发[31-32]。因此，加强深海水道储层构型成因机理研究，将有助于钻前预判深海水道砂体的内部非均质性，降低钻探风险，提高油气藏开发方案设计的质量[21,33-34]，这是解决该类油气藏高效开发的关键理论基础。

数十年来，随着墨西哥湾陆坡区深海油气资源的大发现，许多学者围绕不同地质背景下的深海水道，开展了一系列卓有成效的研究，构建了不同的深海水道沉积模式[8,20,35-43]，但这些研究主要针对水道对海平面升降、沉积物供给、区域盆地构造和气候变化等大尺度因素的响应[12,44-56]。与之不同，深海水道储层构型主要受控于近海底的小尺度构造活动[57-60]，其构型样式较好地记录了复杂变形区小时空尺度的构造抬升历史[61-62]，这为恢复古海底地貌提供了详细信息。然而，当前有关深海水道储层构型对构造变形的响应机理研究较少，且理解不足[62-63]，塑性构造变形对深海水道储层构型的控制机理至今仍然是个谜。因此，开展海底水道对泥岩底辟区同沉积构造的响应机理研究，不仅有助于预测深部差地震成像区的水道构型特征，提供深海沉积作用和构造变形作用之间的反馈效应，而且有助于反演泥岩底辟作用体系的演化阶段，为恢复古海底地形及其历史演化提供详细约束，这对丰富和完善深海沉积学理论具有重要的学术价值。

本文以深海水道储层构型及其对同沉积构造的响应机理为主线，结合笔者10年来从事深海油气田开发地质研究的认识，系统梳理了全球水道体系、复合水道和单一水道储层构型研究现状，重点探讨了水道流动路径、叠置样式和内部充填物对同沉积构造响应机理的研究进展，提出了今后深海水道储层构型控制机理的重点理论研究方向，以期能够为我国从事深海沉积学研究的广大同仁提供参考或借鉴。

1 深海水道沉积构型单元

由于小级别的构型单元分布受控于大级别构型单元，因此层次划分是进行深海水道沉积构型研究的前提。针对深海沉积体系，不同学者基于现代、古代浊积体系，提出了不同的构型级别(界面)划分方案[64-66]，但无论哪种划分方案，深海水道沉积构型单元均可由大往小归结为水道体系、复合水道和单一水道等3个层次(图1)。

图1 深海浊积水道不同层次构型单元间的构成关系[23]Fig.1 Compositive relationship between different hierarchy of architecture elements in deepwater turbidity channel deposits[23]

水道体系是由多期复合水道、天然堤、披覆物、滑塌物等组成，平面上可呈顺直状或弯曲状，剖面上可充填粗粒储集相和(或)细粒非储集相[20,32,67-69]，其沉积构型样式复杂多变，不同沉积体之间、同一沉积体内部不同位置处深海水道体系的沉积样式迥异[1,22,32,40-42,69-74]，这受控于多种地质因素。早期观点认为，水道体系沉积主要受控于海平面升降、沉积物类型及供给速率、区域盆地构造及气候变化、浊流的成因机制等[44-45,75-76]。近期观点指出，与塑性岩层流动有关的微盆地几何形态对水道体系沉积构型及相应沉积物的分布具有重要影响[77-79]；并且进一步研究认为，相比海平面升降，局部构造特征对水道体系的储层构型起了更重要的作用[29,80-82]。由此可见，水道体系沉积不仅保存了海平面升降、气候变迁和沉积物供给等方面的记录，而且也保存了与塑性岩层流动有关的构造变形记录，而当前关于水道体系储层构型对构造变形响应的研究刚刚起步，其对同沉积构造的响应机理更是需要认知。

复合水道是水道体系内部的构成单元，它是由多个单一水道迁移叠置而成。受近年来三维地震数据采集技术提高的影响，复合水道沉积构型研究日益增多。结果表明，不同复合水道间的空间叠置关系包括垂向叠置和侧向叠置两种[6,31-32,83-84]；垂向叠置模式表现为不同层复合水道在纵向上的接触方式，反映层间砂体的接触关系，包括孤立式、叠加式和切叠式等3种；侧向叠置模式表现为同层不同位复合水道在横向上的接触方式，反映层内砂体的接触关系，包括叠合式和分离式两种[23,34,39,85]。不同复合水道之间的叠置模式可能与塑性岩层流动所引发的构造变形有关[86-87]，如Kane等[63]报道了尼罗河三角洲海域的一个更新世水道-天然堤体系，指出受岩盐构造活动的影响，生长褶皱和生长断层所引起的海底变形导致复合水道几何形态复杂多变，仅在数千米距离内就会发生较大变化；Mayall等[58]进一步指出，受构造抬升的影响，不仅三级水道复合体会向着远离生长构造的方向持续地偏移叠置，而且三级单元所限制的四级水道复合体也呈现出类似的偏移叠置。由此可见，复合水道间的空间迁移对同沉积构造变形有良好的响应，但目前关于响应机理鲜有报道。

单一水道是深海水道的基本成因单元，也是学者们在露头上长期关注的对象。早期人们主要关注单一水道内部充填模式，根据充填的几何形态将单一水道划分为超覆型、束状充填型、内部切叠型、侧向加积型和块状充填型。近年来，为提高单一水道构型模式的预测性，人们的关注焦点变为海底普遍发育的弯曲水道演化机理[38,88-93]，指出水道弯曲度的演化受侧向迁移与垂向加积综合作用的控制[36,94-95]，侧向迁移造成单一水道在侧向上相互切叠，不同水道间可存在一定的高程差异；垂向加积造成单一水道在纵向上相互切叠，可使其砂体垂向上非均质性强[33-34,96]。单一水道间的迁移可受控于多种地质因素[97-98]，有学者认为水道的迁移受控于沉积物的下切速度，较高的下切速度可抑制水道的迁移[35]；也有学者认为，原始海底地貌和坡度是控制水道侧向迁移的主要因素[94]；还有学者认为，复合水道的限制程度控制了单一水道间的迁移模式[33]；尽管单一水道间迁移的控制因素目前尚存争议，但可以肯定的是，与构造变形同步或之后发育的单一水道，它们的迁移样式可记录同沉积构造变形的信息，其响应机制仍需要探索。

综上所述，不同级次深海水道沉积构型单元均与同沉积构造变形有着密切关系，后者可控制前者的充填结构、沉积作用过程和演化。因此，需要重点梳理全球水道流动路径、内部结构对同沉积构造响应机理的研究进展。

2 水道流动路径对同沉积构造的响应机理

深海水道对同沉积构造的响应主要体现在流动路径的转向或决口。最新研究发现，在岩盐流动有关的盆地中，很多深海水道并不总是沿着陆坡最陡的方向流动，而是平行于岩盐底辟形成的构造枢纽，形成曲折的水道轨迹，导致水道体系流动路径与地形坡度最陡的方向斜交[28]。这充分说明，与塑性岩层流动有关的构造变形，无论是先期存在的还是同沉积活动的，它们所形成的地貌可通过改变陆坡梯度[61,99]来制约水道化流体的流动路径[21,59,100-105]，成为重力流流体流动的障碍，并持续促使深海水道转向或偏移原流动方向，偏移的距离小则数百米，大则数公里、数十公里[58,61,101,106]。此外，公开文献也证实塑性岩层活动也可导致水道发生决口，如安哥拉海域，随着岩盐底辟活动的增加，盐丘生长所伴生的背斜范围增加，进而使得水道产生一系列决口，形成多个新的沉积体[3]。由此可见，深海水道流动路径对塑性岩层流动形成同沉积构造变形的响应特征显著。已有最新研究证实[27-28,58,60-61]，在与塑性层(岩盐、泥岩)有关的深海盆地中，深海水道流动路径对同沉积构造的响应取决于构造生长速率/水道侵蚀能力、生长褶皱、生长断层和构造低点等方面。

水道流动路径对同沉积构造的响应可取决于构造生长速率与水道侵蚀能力之间的关系。Clark等[61]认为，在与岩盐活动有关的盆地中，当褶皱生长或抬升速率超过水道侵蚀和加积速率时，深海水道将因褶皱阻碍而不能继续向下游流动，其上游部分由于受回填和回流作用(构造阻挡引起的)影响，将形成一个平坦的地貌。Mayall等[58]进一步研究指出，当水道内部流体的侵蚀能力足够强并能超过岩盐构造生长速率时，水道能沿着原流动方向切穿生长构造后向下陆坡继续流动；相反，若构造生长速率大于流体侵蚀能力，则水道会改变原流动方向，绕开生长构造后流向下陆坡。Jolly等[60]最新研究表明，当沉积速率大于构造生长速率时，同生沉积物会超覆于同沉积构造之上，此时水道能穿过同沉积褶皱的顶部；相反，当沉积速率小于构造生长速率时，同生沉积物会上超于同沉积构造之上，此时水道会绕过同沉积构造发生转向。然而，与上述塑性流动性强的岩盐底辟不同，与泥岩底辟有关的褶皱垂向生长速率小，其背翼更为宽缓，这势必削弱了流动路径对构造生长/水道侵蚀比值的响应，但目前未见相关报道。

水道流动路径对同沉积构造的响应可取决于褶皱的形态学参数。Oluboyo等[27]以安哥拉下刚果盆地为研究对象，发现水道体系流动路径受控于重力流流动方向与岩盐底辟构造走向之间的夹角。当两者之间的夹角较小时，沉积物的搬运路径倾向平行于构造走向，即沿着微盆地的轴向流动，此时水道很少转向或偏移，并很少从一个盆地溢出到另一个盆地；而当水道内流体流向方向与构造走向之间的夹角较大时，水道内部重力流容易发生微盆地间的溢出现象，此时水道容易发生转向或偏移，其流动路径的局部偏移受控于构造的长度，溢出点主要位于沿断层、岩墙或岩盐底辟区之间的构造低点。这一观点被Zucker等[28]在同样是岩盐底辟的尼罗河三角洲Levent盆地证实。然而，需要指出的是，当水道流动方向与构造走向呈90°夹角时，水道流向是否受褶皱枢纽走向的影响目前出现争议，Oluboyo等[27]认为此情况下水道将发生转向，流动路径将平行于枢纽走向；而Zucker等[28]认为此情况下水道将不发生转向，直接越过褶皱枢纽向下陆坡流动。同时，Zucker等[28]的最新研究还发现，水道流动路径还受控于岩盐底辟有关的褶皱枢纽长度和排列间距，认为当水道流向与褶皱枢纽走向斜交时，单一枢纽的长度越长，水道偏离原流动方向的角度越大；单一枢纽之间的距离越大，水道偏离原流动方向的角度越小；反之亦然。然而，与上述岩盐塑性流动形成的褶皱不同，Jolly等[60]对尼日尔三角洲外陆坡逆冲褶皱带的研究发现，与泥岩塑性流动有关的褶皱枢纽宽度足以促使水道发生转向。由此可见，受塑性流动性能的限制，泥岩底辟有关的褶皱形态可能异于岩盐底辟，水道对两者底辟褶皱的响应机制有待深入认知。

水道流动路径对同沉积构造的响应可取决于生长断层的形态学参数。已有研究证实，断层发育处深海水道普遍发生平面流动转向，而这些转向构成了水道弯曲的一部分[21,107-109]，如安哥拉岩盐底辟海域的水道[110]。因此，与塑性岩层构造变形有关的断层，无论是先期存在的还是同沉积活动的，它们所形成的地貌均影响了深海水道向下陆坡流动的路径，并促使不同期水道平面流动形态发生明显的时空演化[21,41,61,100,103,111-115]。然而，也有学者指出，尽管深海水道在断层处存在局部转向，但小断层不能引起水道总体流向的较大偏转[63]，故水道流动路径对断层的响应可取决于断层规模的大小。需要说明的是，在塑性岩层活动引发的拉张和挤压应力环境下，断层可成组、成带出现，其走向可平行、斜交、甚至垂直海底等深线，这势必在一定程度上控制了水道的流动路径，但当前关于水道对断层走向、倾向和倾角的响应机制研究较少。

水道流动路径对底辟构造变形的响应可取决于构造低点的空间位置和几何形态。构造低点是重力流从一个微盆地流入另一个微盆地的溢出点[106,116-117]，如岩盐底辟区沿断层、岩墙或底辟区之间的构造低部位，它们的位置和几何形态控制了深海水道在微盆地间的流动通道[27]。然而，目前已有研究主要关注水道对生长背斜、生长断层等构造高部位的响应，缺乏水道沉积对构造低点的响应研究。

综上所述，水道流动路径受同沉积构造控制作用明显，主要体现在构造生长速率/水道侵蚀能力、生长褶皱、生长断层和构造低点等对水道流动路径的控制。

3 水道储层构型对同沉积构造的响应机理

尽管当前已有研究主要关注水道流动路径对同沉积构造变形的响应，但随着近年来研究的逐步深入，人们逐渐意识到不同层次深海水道储层构型对生长褶皱、生长断层等同沉积构造也具有显著响应，具体归纳为以下3种情况。

1)水道对生长褶皱的响应可体现在复合水道间和(或)单一水道间的侧向迁移。底辟构造变形可以促使深海水道发生侧向迁移[59,86]，这可通过水道的侧向增生来进行识别[21]。已有研究证实，随着岩盐活动引起的同沉积构造抬升，水道主流线位置会逐渐远离抬升构造轴部，并占据新形成的低地形区[61,86]。Mayall等[58]进一步指出，构造抬升诱发的水道迁移主要发生在构造生长速率大于水道侵蚀能力的地方，此处三级复合水道及其内部限制的四级复合水道均会向着远离生长构造的方向持续地偏移叠置。需要注意的是，在水道侧向迁移处，构造生长速率不应过大于水道侵蚀能力，否则水道将发生转向，而不是侧向迁移[58]。然而，不管是水道的转向、侧向迁移，还是切穿构造沿原方向继续流动，其几何形态学特征均发生变化，但目前关于水道沉积对构造变形的几何形态学响应研究不足。

2)水道对生长断层的响应体现在复合水道间和(或)单一水道间的空间叠置。与深海水道同期的生长断层，可促使水道在侧向上迁移摆动和(或)垂向上切叠、加积[63,111,113,118]。已有研究证实：①在较大断层错断和(或)间断性流体供给情况下，水道会在断层上盘下倾方向决口，决口的幅度取决于变形的速率和规模，此时水道砂体间的垂向和侧向连通性均较差；②在小规模断层错断和(或)较短或连续性流体供给的情况下，水道会逐渐向上盘倾斜方向迁移，此时水道会形成席状砂体，砂体间横向连通性好，垂向连通性可能比情况①好；③当断层持续错断时，断层上盘倾斜角度大于顺陆坡倾斜角度，水道会长期在断层上盘向斜位置处，此时水道会长期持续垂向加积，导致垂向连通性好。因此，水道空间叠置对断层的响应取决于断层的错断距离和持续活动时间。然而，断层错动速率与水道侵蚀能力之间的关系，也势必影响了水道的空间分布和叠置样式，但目前相关研究鲜有报道。

3)水道对生长背斜的响应可体现在水道内部的充填相(储集相)。深海水道内部岩石相类型多样[22,85,119-121]，可将其归纳为储集相和非储集相两大类。同步发生的塑性岩层构造变形可促使水道发生侧向迁移[21]，这使得高净毛比的水道轴部通常发育在偏离构造的位置处，而其上倾方向多充填水道边缘细粒沉积，此时水道底部粗粒滞留沉积侧向相互叠置和连通[58,86,122]。同样，在构造生长速率低于水道侵蚀能力的区域，水道在切穿流过生长构造前后，其内部充填相(储集相)也会发生显著变化，这些水道性质的变化可能是为了平衡构造生长和水道侵蚀能力[58]。这说明，水道内部充填相对塑性岩层流动引发的构造变形具有良好响应，但具体响应机制仍需探索，以提高水道储层分布的预测性。

综上所述，尽管人们已意识到水道叠置样式和内部充填相(储集相)对同沉积构造变形有响应，但具体响应机理仍是未解之谜。

4 研究展望

从国内研究进展看，围绕南海北部大陆边缘盆地、尼日尔三角洲盆地、下刚果盆地、东非鲁武马盆地和孟加拉湾若开盆地等，我国学者近年来开展了一系列深海水道的识别和描述，并分析了水道的成因及沉积演化，论证了相对海平面升降、物源属性、构造升降运动和地形地貌等大尺度因素对深海沉积体系的控制作用，这些研究不仅有力地推进了我国深海沉积学的快速发展，而且有效指导了深海沉积油气田的勘探。然而，随着今后我国及海外权益水道油气藏的陆续大量开发，急需开展有关水道构型机理方面的开发地质基础研究。从国外研究进展看，在与塑性岩层有关的深海盆地中，针对深海水道对同沉积构造的响应，尽管近年来在岩盐底辟区已有一些研究成果，但有关泥岩底辟区水道沉积对同沉积构造响应的研究报道相对较少，特别是水道储层构型方面的响应研究更少。鉴于此，本文提出下一步亟待解决的科学问题包括以下2个方面。

问题一：深海水道流动路径对同沉积构造的响应机理。岩盐、泥岩等沉积物的塑性流动会形成具有一定起伏的同沉积构造，这势必影响深海水道的流动路径，增加水道储层分布预测的难度，但目前关于深海水道流动路径对同沉积构造的响应机理研究鲜有报道。因此，有必要从定量角度理解水道流动路径参数与同沉积构造几何特征参数之间的耦合和关联，进而查明水道流动路径对同沉积构造的响应机理，这是高效开发该类油气藏的地质理论基础。

问题二：深海水道构型样式和内部储集相对同沉积构造的响应机理。由岩盐、泥岩塑性流动引发的同沉积构造活动会持续改变原有的地形地貌，这势必引起同期深海水道平衡面的再调整，进而使得同沉积构造周围水道构型样式和内部充填相(储集相)呈现复杂化和多样性，这正是造成水道储层非均质性的根本，但目前缺乏水道构型样式及其内部充填相对同沉积构造响应的研究。因此，有必要从储层构型角度揭示水道对同沉积构造运动学参数的响应机理，这是该类油气藏高效开发和提高采收率的关键。