北海马里福斯盆地东部晚侏罗世深水重力流沉积特征及沉积序列*

2022-01-07杜宏宇李建平赵厚祥

中国海上油气 2021年6期

杜宏宇方勇李建平赵厚祥

(中国海洋石油国际有限公司北京 100028)

近十年，伴随着西北非、圭亚那、墨西哥及土耳其等深水重大油气发现，深水重力流沉积再次掀起新的研究热潮，成为当今深水油气勘探的热点。深水沉积研究由来已久，1948年Kuenen等[1]首次阐述深水沉积过程，并开展浊流的不同粒序层理的成因分析[2]。1962年，Bouma 提出了著名的“鲍马序列”[3]，建立了成因意义的浊积岩垂向组合，掀起了浊流研究的热潮。1996年Shanmugam提出深水区发育砂质碎屑流[4]，并进一步认为传统的高密度浊流并非真正的浊流，指出“鲍马序列”实际上是浊流、砂质碎屑流和牵引流的综合[5]，得到全球石油地质学界关注。目前，国内外学者开始不断深化重力流沉积理论基础和沉积序列的认识，对深水重力流勘探提供了新思路[6-11]。

马里福斯盆地是英国重要的含油气盆地之一。该盆地勘探始于20世纪70年代，以构造圈闭为主，1990年以来，勘探重点聚焦到岩性-构造圈闭，其中上侏罗—下白垩统重力流砂岩储层中已发现油气储量占盆地总储量近一半，是重要勘探层系。盆地在晚侏罗-早白垩世的深水重力流沉积,由于上覆碳酸盐岩层屏蔽[12]，地球物理手段无法有效地识别刻画，研究相对较少。1990年，Boldy和Brealey[13]论述了马里福斯盆地侏罗纪构造与沉积作用，认为上侏罗统海底扇砂体为下伏地层砂体再沉积形成。1996年，Davies等[14]以及Harker和Rieuf[15]利用最大海泛面，从成因地层学角度划分和对比了晚侏罗晚基梅里阶-早白垩世同裂谷期重力流砂体。1999年，Kadolsky和Johansen[16]用块体流解释Witch Ground地堑内海底扇砂体，认为砂体分布受控于自身形成的水道及断裂导致的古地形。2000年欧洲地质(EAGE)学会上，Jeremiah[17]和Law等[18]分别对下白垩重力流砂体开展了基于古生物资料的成因地层学分析，在该框架下研究砂体展布及输砂通道。2021年初，Steventon等[19]将上侏罗统薄层的重力流沉积划分为块体流和过渡沉积，并用高密度流和低密度流解释块体流。

然而，马里福斯盆地北东地区重力流砂体成因类型及特征、沉积序列、沉积模式的研究还不够完善，其对油气聚集的意义也有待于进一步分析；因此，笔者以马里福斯盆地东部上侏罗统为例，通过对盆地北东Witch Ground地堑100余口井的岩心观察及钻测井资料分析，重点介绍上侏罗统重力流沉积特征、不同成因重力流砂体垂向组合序列，进而总结了深水重力流沉积模式，为下一步勘探及完善断陷盆地深水重力流沉积研究提供借鉴。

1 地质背景

马里福斯盆地位于欧洲北部北海盆地西部，是中生代北海三叉裂谷中东西走向的一支。盆地可以分为内、外两个次盆，外马里福斯次盆呈两坳三隆的构造格局，由南向北依次为Peterhead脊、Buchan 地堑、Renee构造脊、Witch Ground 地堑和Fladen Ground高地(图1、2)，本次研究主要聚焦于Witch Ground地堑。

图1 北海外马里福斯盆地构造纲要Fig .1 Structure elements in Outer Moray Firth Basin，North Sea

图2 外马里福斯盆地东部地质剖面图(剖面位置见图1)Fig .2 Geological section of Eastern Outer Moray Firth Basin(see Fig.1 for location)

马里福斯盆地以加里东期火成岩为结晶基底，发育了由泥盆系以来的各个时期的沉积地层，总厚度超过10 km(图3)。盆地经历二叠纪和晚侏罗至早白垩两个裂陷期，后者是最主要裂陷期，自晚侏罗世到新近纪划分了3个阶段：①晚侏罗世裂陷一期，地幔柱隆升拱张，区域构造沉降，发育大量垒堑相间的地堑或半地堑。早期发育扇三角洲及滨海沉积，晚期为半封闭环境深水，重力流沉积广泛发育；②早白垩世裂陷二期，大量早期断层停止活动，仅中部断层持续运动，主要发育开阔海环境深水沉积；③晚白垩世至古近纪坳陷期，盆地进入稳定的裂后热沉降阶段，早期晚白垩世广泛发育深水碳酸盐岩(泥灰岩)，晚期古近纪西北方向物源注入盆地，发育大型三角洲-盆底扇沉积。

图3 北海马里福斯盆地综合柱状图Fig .3 Stratigraphic column of Moray Firth Basin，North Sea

Witch Ground地堑是在二叠纪裂谷基础上，晚侏罗世再次继承性发育的海相裂谷。其西北为Halibut Horst凸起，发育深大断裂；东北Fladen Ground隆起，发育一系列断阶；南部受控于Renee断裂。在两类构造边缘控制的洼陷内，晚侏罗世在深水背景下发育重力流沉积。

2 主要深水沉积类型及特征

2.1 深水沉积类型

深水沉积中，重力驱动过程包括滑动、滑塌、碎屑流和浊流。其中滑动和滑塌为典型的块体搬运，黏性块体或岩层受重力驱动发生滑动，内部逐渐变形形成滑塌。滑塌块体随着流体物质的增加，转化为碎屑流。浊流可与碎屑流同时产生，也可随着碎屑流的流体含量进一步增加，层状碎屑流转化为浊流。除重力驱动成因外，深水潮汐等成因的底流也是深水沉积的重要组成。

对于自然界上较容易观察到的滑动、滑塌和碎屑流，国内外学者都有较广泛和清晰的介绍，但对于浊流的认识则存在一定的争议，一方面是因为目前仍未完全认清紊流，另一方面是在自然界难以直接观察到深水紊流的沉积过程。

2.2 深水沉积特征

通过对研究区100余口井岩心的深水沉积观察，岩心中可识别的深水沉积主要以碎屑流沉积为主，其次为浊流沉积，局部可见二次滑塌产物。

碎屑流沉积占据了深水沉积的主体，单个碎屑流沉积厚度一般十多厘米到2 m，最大可达4 m。按照颗粒组成和沉积构造，可进一步划分为砾质碎屑流、砂质碎屑流和泥质碎屑流沉积。

砾质碎屑流沉积：研究区内砾石因物源区基底不同，常见有两类，一是来自花岗岩母岩区的细石英砾，二是来自含火山碎屑岩母岩区的岩屑砾。砾石总体磨圆较好，反映了一定的搬运距离，也说明塑性层流虽然整体搬运，但其内颗粒也发生旋转摩擦。砾石排列无明显的定向性，砾间多为杂砂、细砂岩及泥质充填。砾质碎屑流沉积主要发育正递变层理，反递变层理普遍较薄、且多发育于底部。正递变砾质碎屑流沉积上部可逐渐过渡为块状砂岩。常见厚度不等的砾质碎屑流沉积垂向上叠置，与上下围岩呈负载突变接触(图4)。

图4 砾质碎屑流岩心沉积特征Fig .4 Core sediment characteristics of gravelly debris flow

砂质碎屑流沉积：砂质碎屑流沉积内部结构较均一，成分从粗砂岩、中砂岩到细砂岩都有发育，局部夹泥砾或泥岩撕裂片，泥砾或者泥岩撕裂片多发育在砂质碎屑流的中部和顶部，其中顶部较常见(图5)。以块状构造为主，局部可见泥岩挤入构造，砂质碎屑流整体上呈“凝结”状的流动特征，发育递变层理但不易识别。部分砂质碎屑流沉积液化作用明显，碟状泄水构造遍布。砂质碎屑流属于层流，不具侵蚀性，与上下围岩一般突变接触，下伏泥岩顶部多发育重荷模。单个砂质碎屑流沉积厚度一般较大，多超过1 m，是最重要的碎屑流类型。

图5 砂质碎屑流岩心沉积特征Fig .5 Core sediment characteristics of sandy debris flow

泥质碎屑流沉积：基质以深灰色-黑色泥质为主，含砂质细砾、泥质漂浮砾。细砾分布与层面平行或者无明显规律，暗黑色泥砾长轴与层面基本平行(图6)。泥质碎屑流沉积形成于黏滞的塑性流体，粗、细沉积物整体搬运，并一同沉积，结构混杂，构造均质，厚度一般较薄，在大多数钻井岩心中并不常见。

图6 泥质碎屑流岩心沉积特征 Fig .6 Core sediment characteristics of muddy debris flow

浊流沉积：厚度较薄，一般几厘米到十多厘米，垂向上多期叠置。自下而上，岩性由发育正递变粒序的砂岩组成，其顶部往往可见由底流形成的块状或者平行层理细砂岩、粉砂岩和水平层理的泥岩沉积(图7)，一般不含砾及泥岩撕裂片。浊流具有牛顿流体性质，呈紊流状态，碎屑颗粒由紊流支撑，紊流具有冲刷侵蚀作用，底部可见冲刷面，与下伏地层呈突变接触。

二次滑塌沉积：在深水沉积中比较发育，一种是在碎屑流沉积的顶底面发育，多见扭曲层及不规则顶面，局部发育有剪切裂缝带(图8)；另一种发育在多期叠置的浊流沉积中，多见小型断裂(图8)。

图8 二次滑塌和小断裂岩心特征 Fig .8 Core characteristics of secondary slump and small fracture

3 典型深水沉积序列和相模式

3.1 深水沉积序列

钻井岩心记录的深水重力流沉积往往以碎屑流沉积为主，垂向上可与浊流、滑塌沉积及深水泥岩或者其他底流伴生，常见3种沉积序列。

碎屑流为主的沉积序列(图9)：多期碎屑流沉积垂向叠置，以块状砂质碎屑流为主，也常见反递变-正递变砾质碎屑流过渡到块状砂质碎屑流的组合，或者正递变砾质碎屑流过渡为块状砂质碎屑流的组合。各期碎屑流沉积间呈负载突变接触，或者间夹滑塌相泥岩或砂岩，顶部偶见由块状碎屑流渐变到浊流的地质记录。

图9 碎屑流为主的沉积序列(K1井)Fig .9 Depositional sequence dominated by debris flow(Well K1)

碎屑流为主，频繁夹浊流的沉积序列(图10)：碎屑流沉积以块状砂岩为主，局部夹滑塌相泥砾；浊流沉积较薄但多期互层，内部发育滑塌成因的扭曲层和小断裂。在浊流之上可发育深水底流形成的平行层理砂岩和低能块状暗色泥岩沉积。

图10 碎屑流夹杂浊流的沉积序列(L4井)Fig .10 Depositional sequence of debris flow with turbidite flow(Well L4)

浊流和底流互层的沉积序列(图11)：以块状或正递变浊流沉积为主，以细砂岩为主。正递变层理发育较完整，相对较厚，浊流沉积上多发育底流沉积，常见爬升、波状和水平层理。浊流和底流多期互层发育。

图11 浊流和底流互层的沉积序列(K2井)Fig .11 Depositional sequence of interbedded turbidite flow and bottom flow(Well K2)

3.2 深水重力流沉积模式

对于深水重力流沉积，业内普遍定为海底扇或者盆底扇，斜坡部位的沉积为斜坡扇。对应亚相的分类，早期研究中多采用内扇、中扇和外扇的模式。现代研究发现重力流可发生几十到几百千米的物流输送。在其输送通道上，可填充局部发育储砂池后，继续向远端输送。因此，越来越多的学者采用限制性水道、弱限制性水道(水道化朵叶)和非限制性水道(朵叶复合体)的模式(图12)。其中内扇可大致对应限制性水道部分，中扇可对应弱限制流水道部分，外扇可对应朵叶复合体部分。不同的亚相沉积序列具有较大的差异。