下刚果—刚果扇盆地中新统层序地层格架内重力流沉积体系特征、演化及其控制因素

陈华，林畅松,，张忠民，张德民，李茗，吴高奎，朱奕璇，徐海，陆文明，陈继华

（1. 中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；2. 中国地质大学（北京）海洋学院，北京 100083；3. 中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083）

0 引言

发育在大陆边缘带的重力流水道，既是陆源碎屑物向深海搬运的优势路径[1]，也是砂质物源充填、堆积的重要场所[2]，同时还是油气资源富集、分布的有利区带[3]。因此，重力流水道兼有十分重要的理论研究意义和油气勘探价值。2000年来，有关重力流水道的研究工作，诸如类型划分[4]、外部形态和内部充填结构解析[5]及沉积演化揭示和成因机制探讨[6-8]等，持续引起了国内外地质学界和石油工业界的广泛关注并已发展成为一个热点议题[9-11]。

下刚果—刚果扇盆地，作为深水浊积岩油气勘探最为成功、最具代表性的含油气盆地，盆内发育有大型重力流水道[12]，针对其类型划分、沉积环境、发育特征以及构造隆升和盐构造活动对其发育的影响等，目前已有很多学者[13-15]开展了一系列的研究工作，主要认为可划分出“轴部切谷充填水道、侵蚀型复合水道、侵蚀型单支水道、加积型堤岸水道和加积型朵叶化水道”等 5类，堤岸和深海泥质等沉积比较发育，构造隆升可为深水水道体系的发育提供原动力等。然而，这些研究的大多数并未涉及到对重力流水道的内部结构特征和沉积演化过程进行系统性揭示。另外，关于水道发育演化与海平面变化-古气候、构造运动-物源供给和盐构造活动等多种控制因素的响应关系，还有待于进一步探讨[16]。

本文基于对下刚果—刚果扇盆地约3 000 km2高精度三维地震数据体（主频25 Hz，带宽12～37 Hz，水深约500～1 200 m）和10口钻井资料的综合分析，在建立层序地层格架的基础上，总结研究区中新统发育的主要岩相特征，识别重力流水道的主要沉积单元。借助地震相、地震属性分析等手段，揭示重力流水道的外部形态和内部结构，从而建立其发育、演化模式。最后，通过梳理和补充前人大量研究成果，从海平面变化-古气候、构造活动-物源及盐构造活动等方面，对研究区重力流水道发育的主控因素进行系统性探讨，旨在为研究区内的深水油气勘探工作提供一定的借鉴。

1 地质背景

1.1 构造-地层特征

下刚果—刚果扇盆地（下刚果盆地和刚果扇盆地的一部分），位于南大西洋东岸（见图 1a），其东起前寒武系基底、西至非洲大陆坡角、南邻宽扎盆地、北接加蓬盆地[17]，盆地外轮廓近同3 000 m海水等深线，面积约17×104km2（见图1b）。作为典型的被动大陆边缘盆地，下刚果—刚果扇盆地蕴含有丰富的油气资源[18-19]，近年来人们对其地质认识也在逐渐加强。

图1 研究区地质背景综合图

下刚果—刚果扇盆地的发育、演化，主要经历了裂谷期（晚侏罗世—早白垩世Barremian期）、过渡期（早白垩世Aptian期）以及漂移期（早白垩世Albian期至今）等 3个阶段[18]。裂谷期，研究区主要发生陆内裂谷作用并沉积了一套优质主力烃源岩。过渡期，研究区发育了一套区域性蒸发盐层。漂移前期（晚白垩世坎潘期—马斯特里赫特期），研究区发育了一套富含有机质的海相页岩。漂移后期（古近纪至今），中新世以前，研究区主要发育以陆相碎屑为主的三角洲-重力流沉积（如古近系Landana组），中新世以后，古刚果河复活，大量砂泥质陆源碎屑向盆内堆积并沿海底峡谷向深海搬运沉积[20]，最终发育了厚达 6 000 m的重力流沉积（见图 2），构成了现今规模巨大的刚果扇体系。中新统Malembo组，作为研究目的层，厚约1 200～1 500 m[19]，是盆地最为重要的储集层和产层。

1.2 盐构造特征

早白垩世Aptian期，即过渡期，下刚果—刚果扇盆地盐岩广泛发育，盐构造样式类型多样且从陆向海有序分布[21]：东部拉张区，以发育盐辊/盐窗为主，盐岩层厚度较薄，局部地区盐岩层因构造变形而缺失，形成盐窗或盐焊接；中部过渡区，以盐拱、盐刺穿和盐墙样式为主，刺穿地区盐层巨厚；西部挤压区，以盐蓬、盐株和厚层块状盐岩体为主。盐构造变形具有幕式活动特征，主要发生在早白垩世Albian期、早—中渐新世和晚中新世—现今这3个时期[17]。

2 层序地层格架

2.1 层序划分

目的层中新统，由SB1—SB5共 5个三级层序界面自下而上界定出SQ1、SQ2、SQ3、SQ4共4个三级层序，在各三级层序低位体系域内均发育有重力流水道沉积。此外，三级层序进一步被四级层序界面sb1、sb2和sb3划分成 7个四级层序（见图2、图3）。SQ1层序相当于下中新统，SQ2和SQ3层序相当于中中新统，而SQ4层序相当于上中新统。三级层序的顶界面主要呈现削截、上超特征，岩性表现为深海泥岩中夹着重力流水道，在GR曲线上表现为钟形或箱形等形态。层序的底部边界主要为上超特征，对下伏地层有侵蚀作用。由于整体位于深水环境，以泥岩沉积为主，削截和上超的特征仅在局部位置可以发现，绝大多数剖面均表现为整合（见图 4）。在层序单元内部，层序界面SB1、SB2、SB3分别为中新统底界面、中中新统与下中新统分界面以及中中新统内部层序界面，此 3个层序界面之上多发育低位的斜坡扇体系，以水道充填和溢岸沉积为主，向上砂体逐渐变细，伽马曲线多表现为箱形或指形，常与下伏地层突变接触（见图 3），地震剖面上在层序界面之上可以看到上超点，之下可以发现削截点。SQ2和SQ3层序单元内部均发育洪泛面，因此在SB3与SB4界面下部常发育高位体系域（HST），多以前缘朵叶体沉积为主。层序界面SB4为中中新统与上中新统分界面，局部见侵蚀不整合，界面之上发育低位浊积体，但一般规模较小，以溢岸沉积为主，向上水体加深，下部地层在该界面有顶超或削截现象。SQ4层序相当于上中新统，层序界面SB5为中新统顶界面，在研究区多次出现下切谷，SB5界面之下GR曲线呈高值，为一段较厚的泥岩，反映水体加深过程；界面的上部为较薄层的砂岩在下切沟谷中充填，测井曲线呈指状。电阻率曲线在界面位置有突变，测井曲线呈指状（见图 3）。垂直物源方向地震剖面上，SB5界面剥蚀现象明显，对应地震反射轴显示出中振幅、低频、较高连续性的特征，下伏地层在剖面上显示出中—强振幅、高频、中等连续性的特征（见图4）。

2.2 体系域特征

对于深水沉积来说，低位体系域一般形成于相对海平面下降和早期上升时期，主要发育重力流沉积，对油气勘探具有非常重要的油气意义。随着海平面的不断上升，深海区域的陆源碎屑物逐渐减少，主要以泥质碎屑流和深海—半深海泥质沉积为主。早—中中新世，由于大陆架构造抬升及海平面大幅下降，沉积物供应充足[20]，层序SQ1、SQ2下部，即SQ1-1和SQ2-1层序内部发育低位的斜坡扇体系（见图 3），规模大且侵蚀能力强，主要为重力流水道和水道复合体沉积，并且水道发育规模达到高峰。到中—晚中新世，SQ3、SQ4层序低位体系域内发育的水道规模逐渐有所减小（见图3），以堤岸型水道沉积和水道复合体沉积为主，重力流水道的发育规模相对较小。在层序内部，SQ2-2层序的沉积特征表现为广泛的泥质沉积为主（见图3），夹少量泥质粉砂岩或粉砂质泥岩，测井曲线表现为微齿状的高伽马特征，在界面之上与低位体系域突变接触（见图3、图4）。

图3 下刚果—刚果扇盆地中新统层序地层格架（剖面位置见图1c）

3 重力流体系沉积特征

下刚果—刚果扇盆地重力流沉积体系由硅质碎屑和泥质岩组成，根据岩心、测井、地震资料，从地貌和沉积单元结合角度，识别出主要沉积单元包括滑塌变形层、块体搬运沉积、重力流水道充填、天然堤-溢岸沉积、前缘朵叶体沉积等。

3.1 重力流沉积体系构成单元及其特征

3.1.1 滑塌变形层

区内可见变形细砂岩，为滑塌变形的产物，含大小不等泥屑，发育滑塌变形构造，可见软变形结构、滑塌变形结构等（见图5a）。其上被灰黑色泥岩覆盖，其下为正粒序砂岩。地震剖面上，可见重力流水道（U型）内同向轴变形（见图 6，泥石流垮塌）。根据上下岩性组合关系和地震剖面特征，将上述滑塌变形层解释为水道内壁滑塌体沉积（见图4）。

3.1.2 块体搬运沉积

块体搬运沉积最初用于描述在层序底部并被水道和天然堤沉积上覆和（或）超覆的沉积物，是除浊积岩之外的各种重力诱使的沉积体或顺坡沉积体，即滑动、滑塌和碎屑流等沉积体[22]。因块体搬运规模不同，其厚度差异巨大，最大可达数百米。岩性多为砾、砂、泥杂乱堆积，成层性差，可见薄层浊积砂岩、厚层泥质碎屑流沉积、滑塌形成的褶皱和滑动块体。

3.1.3 重力流水道充填

重力流水道是深水沉积体系最重要的储集层类型，可广泛分布于陆坡、陆坡下部和盆地范围内，其形态和位置主要受控于沉积过程或侵蚀下切作用[23]。据充填物岩性，可分为泥质水道和砂质水道两种类型。

泥质水道以泥质充填为主。相关研究表明[24-26]，泥质水道底部可见厚层-块状砂砾岩；中部粒度变细，泥质含量增多，多为含泥—泥质细砂岩，具波状层理和砂纹层理；上部为深海泥岩披覆沉积。

砂质水道以砂质充填为主，通过对研究区 W3井岩心观察，研究区单一水道以块状砂岩为主，局部夹有泥砾沉积物（见图5b）。水道底部为分选较差的砂岩，含有毫米—厘米级的砾屑颗粒（见图5c）。碎屑粒度变化明显，层理不清，大颗粒悬浮堆积；水道主体以中砂岩为主，局部有粗砾石分布，中部为低角度交错层理，具有整体呈向上变细的正粒序；水道顶部以非常细的砂和粉砂质黏土薄互层为主，而且中间偏泥质层段为扭曲变形构造。测井曲线上，砂质水道整体呈箱形（见图4）。

3.1.4 天然堤-溢岸沉积

沉积主要发育在水道两侧，岩性表现为砂、泥互层（见图5d），多为薄层粉砂岩和泥岩，包括近端天然堤、远端天然堤、溢岸（见图5d）、滑塌体等构成单元。溢岸是由于重力流水道冲开天然堤导致沉积物溢岸而成，与天然堤交互沉积，表现为砂泥互层，所以测井曲线上为锯齿状特征（见图4）。一般近天然堤一侧沉积物厚度较大，而远离天然堤一侧沉积物厚度变薄，形成近楔状沉积体[27]。

图4 下刚果—刚果扇盆地中新统井震综合解释图（剖面位置见图1c）

3.1.5 前缘朵叶体沉积

前缘朵叶体沉积一般形成于水道末端。由于物源供给少，岩性以粉砂岩为主，多为薄层粉砂岩与泥岩互层，局部可见细—中砂岩沉积（见图5e）。部分地区发育以侵蚀作用为主的窄水道，从水道的轴部到边缘被混杂的块状砂岩充填，底部发育泥质碎屑砾岩。

3.2 主要沉积单元地震相特征

3.2.1 块体搬运沉积

地震反射结构变化较大，有平行、逆冲、旋转块、杂乱、丘状、空白等反射特征，同相轴连续性差、振幅多变（见表1，SF1）。在测井上，伽马曲线一般呈低幅的钟形或漏斗形。岩性表现为砾、砂、泥杂乱堆积，成层性差可见薄层浊积砂岩、厚层泥质碎屑流沉积、滑塌形成的褶皱和滑动块体。大陆边缘深水区较为常见，尤其是层序底部，并且上部被水道和天然堤覆盖。其上倾方向上覆于侵蚀底界，下倾方向变成丘状，侧向尖灭。根据地震相、测井相、岩性特征等综合解释为块体搬运沉积，主要由陆坡滑塌、滑块等形成，一般包括滑块、碎屑岩、块体搬运复合体等。

3.2.2 重力流水道充填

地震剖面上为“U”型或者“V”型，均方根振幅平面图上为“S”型，内部强振幅，连续性差（见表1，SF2），上覆地层为平行—亚平行反射特征，弱振幅。岩性包括砾、砂、泥及混合沉积。综合解释为重力流水道沉积。下文将依据地震反射结构和平面属性特征，分析其内部构成单元。

3.2.2.1 重力流水道复合结构

①单一水道。单一水道，系由一次侵蚀、充填所形成，其在地震剖面上，外部边界为小幅“U”型或者“V”型，内部以中—强振幅、短轴状反射为主，偶见弱振幅反射（见图6，SQ1和SQ4）。岩性上多为砂岩，偶见深海泥岩披覆层，纵向上正粒序特征明显。

②多期水道复合。复合水道一般由多条特征相似的单一水道所构成，宽深比约为10，平面组合包括平直型和蛇曲型两类。地震剖面上，复合水道外部边界为小幅“U”型或者“V”型，内部多呈不连续、强振幅、平行状反射（见图6，SQ2）。沉积构造多为交错层理、平行层理、小型波状层理等，纵向上也呈正粒序。

3.2.2.2 重力流水道内部沉积单元

①重力流水道内底部泥石流沉积

底面呈强振幅，内部充填呈弱振幅、中低频反射。平面上侧向迁移不明显（见表 1中 SF2-1、图 7），发育于层序低位域，岩性上多为粗粒的悬浮砾岩沉积（见图5e），综合解释为重力流水道内底部泥石流沉积。

②侧向加积体

在均方根振幅时间切片上的特征类似于河流相中的点坝沉积，强振幅，平面上呈新月状，不同期次紧密排列（见表1，SF2-2）。地震剖面上，以不连续、叠瓦状反射为主要特征，倾角大致为5°～10°，倾向朝着上一期水道的轴部方向，但当沉积体的厚度小于地震剖面调谐厚度时，其多表现为单个、连续、强振幅反射（见表1，SF2-2）。此时，该沉积体仅能在振幅图上呈现，其顶、底部往往呈水平状，面积1～5 km2，厚度最大为50 m，综合解释为侧向加积体。

③废弃水道沉积

地震剖面上表现为强振幅、中频、平行反射特征，平面上呈半圆形，强振幅（见表 1中 SF2-3、图 7）。岩性上，下部以砾岩、砂岩、粉砂岩为主，上部以深海披覆泥为主，为正旋回，综合解释为废弃水道沉积。

④溢岸沉积

地震剖面上为中—强振幅、丘状或不明显的斜层反射，均方根平面图上近于扇形（见表1中SF2-4、图8），岩性上主要为细砂岩、泥岩互层，粒度较细，多为向上变粗序列，综合解释为溢岸沉积（见图5d）。

图5 重力流水道体系岩性及其组合特征

⑤水道侧壁滑塌体沉积

地震剖面上为弱振幅反射，长条至新月状，底面掀斜，近平行反射（见表1，SF2-5）。平面上呈半圆或扇形，多与水道边缘的扇形滑塌痕相伴生，但内部结构差异较大。岩性类型多样，可见软变形结构、泥质碎屑变形结构等（见图5a），综合解释为水道侧壁滑塌体沉积，多由滑块、滑塌、碎屑流等沉积作用形成。

3.2.3 水道堤岸复合体

地震剖面图上中间为弱振幅的“U”型或者“V”型反射，连续性差，两侧为强振幅、近似楔状反射，连续性好，整体呈鸥翼形（见表1，SF3），其中内侧沉积坡度较陡，外侧坡度较缓，由内堤岸向外堤岸，振幅强度逐渐变弱，表明沉积物粒度逐渐变细。空间上该沉积体多分布于高弯度水道两侧，多以细砂、粉砂沉积为主，较水道内沉积粒度变细，呈正粒序，综合解释为水道堤岸复合体，其中中间为水道沉积，两侧为由重力流溢流形成的堤岸沉积。

表1 重力流水道体系主要地震相特征

3.2.4 前缘朵叶体沉积

地震剖面上常呈平行—亚平行反射特征、强振幅、中频，另可见丘状反射特征（见表 1中SF4、图9），其在平面上位于侵蚀水道或水道堤岸复合体的末端，主要由复合席状砂（岩性上以砂岩为主，夹少量泥岩）和层状席状砂（岩性上表现为砂泥岩互层）组成，综合解释为前缘朵叶体沉积。

3.3 沉积演化

3.3.1 演化特征

区内中新统重力流沉积演化过程分为4个阶段。

①SQ1沉积时期，即早中新世，研究区多见鸥翼形、弱受限—不受限的沉积型水道（见图 6、图 7），其基本特征表现为：呈鸥翼形，弱受限或不受限，单个水道发育厚度约为50 m，宽深比较大，加积充填为主，底部几乎不存在侵蚀作用。

图6 下刚果—刚果盆地中新统水道级次及其组合特征（剖面位置见图1c）

图7 重力流水道内部沉积单元地震剖面图（DD′）和均方根振幅切片（SQ1底）（剖面位置见图1c）

②SQ2沉积时期，即中中新世早期，研究区主要发育W形、弱受限的侵蚀-沉积型分支水道（见图6、图8），其基本特征表现为：呈W形，弱受限，单个水道发育规模中等，宽深比适中，加积充填为主，底部存在一定程度的侵蚀作用。

图8 水道堤岸复合体及复合水道地震剖面图和均方根振幅切片（SQ2沉积时期）（剖面位置见图1c）

图9 前缘朵叶体沉积地震剖面图（FF′）和均方根振幅切片（SQ1沉积时期）（剖面位置见图1c）

③SQ3沉积时期，即中中新世晚期，研究区主要发育U形、受限的侵蚀型水道（见图6），其基本特征表现为：呈U形，受限，单个水道发育规模较大，宽深比较小，侵蚀充填为主，底部存在较强的侵蚀作用，多个水道常常相互切割、叠置成复合水道。

④SQ4沉积时期，即晚中新世，研究区主要发育V形、深切的侵蚀型孤立水道（见图6），其基本特征表现为：呈V形深切，宽深比很小，侵蚀河道充填，孤立或单一地随机发育。

3.3.2 发育模式

基于前文有关重力流水道特征的研究并结合前人提出的水道分类原则[4]，建立了研究区中新统重力流水道的发育模式（见图10），即从下陆坡—坡脚依次向下陆坡、中陆坡、上陆坡过渡，分别发育有：①鸥翼形、弱受限—不受限的沉积型水道；②W 形、弱受限的侵蚀-沉积型分支水道；③U形、受限的侵蚀型水道；④V形、深切的侵蚀型孤立水道。

图10 下刚果—刚果扇盆地中新统重力流水道发育模式

4 控制因素讨论

4.1 海平面变化及气候对不同期次水道发育的控制作用

中新世初，全球进入冰期，海平面出现下降[19]。早中新世，海平面较高，研究区位于下陆坡—盆底，地貌坡度很小且重力流作用很弱，控制了SQ1层序主要以水道堤岸复合体、朵叶体沉积为主[2]。中中新世，冰期气候致使海平面不断下降，研究区逐渐向下陆坡—中陆坡过渡。位于下陆坡时，地貌坡度较小且重力流作用不够强烈，控制了SQ2层序主要发育W形、弱受限的侵蚀-沉积型分支水道[28]；位于中陆坡时，地貌坡度变大且重力流作用强烈，控制了SQ3层序主要发育 U形、受限的侵蚀型水道[7]。晚中新世，海平面进一步下降，研究区最终位处上陆坡，地貌坡度稍小于中陆坡，但重力流作用比较强烈[28-29]，控制了SQ4层序主要发育V形、深切的侵蚀型孤立水道。

总体而言，中新世冰期气候致使相对海平面整体持续性下降，研究区地貌位置不断抬升，从而影响了重力流作用的强弱并控制了重力流沉积的发育。

4.2 构造运动、物源对重力流水道的影响

渐新世晚期—早中新世，非洲大陆板块和 Iberia板块发生碰撞造山[19]，使西非海岸处于挤压状态[30-31]，大陆架抬升暴露、遭受大规模侵蚀，物源供给充足，大量沉积物向盆地深水区供给，为重力流发育提供了物质条件，导致了深水扇的初始发育。早中新世—中中新世之间，西非海岸再次发生抬升、暴露侵蚀作用，因海岸抬升沉积物供给突然增加，发生快速进积，在深海区形成规模较大的多期叠合重力流水道[32]。晚中新世，西非海岸又一次发生抬升作用，但抬升作用相对较弱，物源供给受限[33]，进积到深水盆地，形成了小规模重力流水道及天然堤-水道复合体。

4.3 盐构造对重力流水道发育的影响

中新世，下刚果—刚果扇盆地盐构造活动强烈，其对重力流沉积的影响可分为沉积前、同沉积和沉积后等 3种情况[17]。沉积前盐构造对重力流水道具有改向、限制或封堵作用[34]：当水道流向与小型盐构造垂直或大角度斜交时，水道会改向以绕开盐构造；当盐构造规模较大而水道无法绕开、越过时，即被封堵[35]；当水道流向与盐构造大致平行或呈低角度斜交时，水道无法侧向迁移而是在盐构造的限制作用下发育[35]。同沉积盐构造与水道之间的关系取决于水道侵蚀速度和盐岩隆升速度[36]：盐岩隆升较快时，多期重力流水道的轴部会向构造低部位侧向迁移[37]；水道侵蚀速度较大时，垂向加积的水道复合体会沉积在活动的盐构造之上并不断侵蚀盐构造，造成盐构造顶部局部下凹。沉积后盐构造的发育，可导致水道遭受剥蚀而被破坏[17]。

5 结论

研究区中新统可划分出4个三级层序、7个四级层序或体系域。低位体系域多发育重力流水道沉积并以河道充填和溢岸沉积为主，向高位体系域过渡，砂体粒度变细，多发育前缘朵叶体沉积。中新统重力流沉积多由硅质碎屑和泥质岩组成，沉积单元包括水道内部滑塌变形层，块体搬运沉积、重力流水道充填、天然堤-溢岸沉积和前缘朵叶体沉积等。

研究区中新统重力流沉积的演化过程分为 4个阶段：早中新世主发育鸥翼形、弱受限—不受限的沉积型水道-堤岸复合体和朵叶体等；中中新世早期主发育W形、弱受限的侵蚀-沉积型分支水道（多期切割、叠置）；中中新世晚期主发育U形、受限的侵蚀型水道；晚中新世主发育V形、深切的侵蚀型孤立水道。

中新统重力流沉积的发育主要受控于古气候、海平面变化、构造运动、物源及盐构造等因素。气候变冷、海平面持续下降，致使研究区由下陆坡—盆底先后退至下陆坡、中陆坡和上陆坡，从而影响了重力流作用的强弱；西非海岸 3次构造抬升、气候变冷，为重力流沉积的发育提供了充足物源；盐构造对重力流沉积的发育具有重要的分隔、输导或破坏作用。