被动大陆边缘背景下典型深水沉积模式探讨*

刘子玉 谢晓军 李建平 吕 栋

(1. 中海油研究总院有限责任公司 北京 100028；2. 中国海洋石油国际有限公司 北京 100028)

随着全球勘探活动的不断深入，深水沉积已成为勘探家们关注的焦点[1-3]。通过对全球1196个已发现油气田统计，涉及深水沉积储层的油气田193个，其中与被动大陆边缘盆地相关的深水沉积储层的油气田数量将近60个[4]。大约31%的深水沉积储层油气田发育于被动大陆边缘背景之下。被动大陆边缘盆地又称大西洋型大陆边缘盆地，即通常所说的稳定大陆边缘，构造上长期处于相对稳定状态的大陆边缘。从全球盆地分布来看，被动大陆边缘盆地主要环大西洋、环印度洋和环北冰洋分布，比较典型的有大西洋两岸盆地、东非边缘及马达加斯加盆地、印度半岛以及澳大利亚西北盆地。进一步分析其构造背景，有的属于宽阔的陆架，如墨西哥湾北部深水盆地、巴西坎普斯渐新世至今沉积期盆地、国内南海北部盆地；有的属于狭窄的陆架，如巴西坎普斯晚白垩世—始新世沉积期盆地；还有的大陆边缘盆地由于构造及沉积演化差异导致所处的陆架极为狭窄甚至几乎无陆架发育，而直接过渡到陡峭陆坡区，如东非鲁伍马盆地即属于典型的狭窄陆架沉积背景。陆坡环境亦是复杂多样，有的较为陡峭，有的较为崎岖。不同的陆架-陆坡环境导致了不同的沉积格局。目前被动大陆边缘背景下深水沉积储层油气发现非常可观，已获得了较大价值的商业油气[4]，显示出广阔的勘探前景，值得我们关注和研究。

自从1950年Kuenen等发表了具划时代意义的论文《浊流为形成递变层理的成因》[5]，从此掀开了浊流研究新篇章，Kuenen的学生Bouma 1962年应用浊流理论提出了被称为“鲍马层序”的著名浊流模式[6]。Lowe和Stow又先后提出了粗粒和细粒沉积的典型模式[7-8]。Shanmugam根据经典古代浊积岩露头和岩心观察，提出了碎屑流主导的斜坡扇模式[9]。由于深水沉积过程本身的复杂性，时至今日，深水沉积领域仍存在颇多争议。前人研究主要针对深水沉积机理及其作用过程，并针对具体研究区进行了阐述。

本次主要从勘探实践出发，在区域地质构造和沉积背景分析基础上，选取南大西洋巴西坎普斯盆地和东非鲁伍马盆地等典型研究区，通过分析陆架宽—窄演变特征，陆坡区有无发育限制性地貌，开展物源供给与搬运过程研究，分析被动大陆边缘背景下的沉积体系发育特征，探讨其典型深水沉积模式，预测有利砂岩分布规律，以期深化对此类盆地的勘探认识。

1 深水沉积砂体搬运、卸载机制

深水重力流作为一种事件性流体，是由重力驱动的含有大量碎屑物质的高密度流体，其形成条件包括足够的水深、合适的坡度和密度差、充沛的物源和一定的触发机制(如突发性的地震、海啸及洪水等)。区域构造运动控制了沉积物供应，从物源区出发，沉积物经由一定的输送通道被搬运至深水区并沉积下来。

1.1 砂体搬运机制

总的来看，砂体搬运至深水区主要通过2种机制，即直接补给和陆架补给(表1)。

表1 深水砂体沉积主要补给机制类型Table 1 Main supply mechanism types of deep water sedimentation

1) 直接补给机制：陆架一般较为狭窄(或者无陆架)，未经改造的河流沉积物被峡谷袭夺，路过陆架区，直接被输送至陆坡及盆底区。通常其砂岩的结构和矿物成熟度欠佳，除非其原始物源来自于较为成熟的沉积物。

2) 陆架补给机制：陆架一般较为宽阔，几十千米至上百千米，砂体首先在陆架区进行沉积，比如滨面砂或陆架(边缘)三角洲沉积等表现形式，然后通过一定的外力条件再重新分配至陆坡及盆底区。因而此类砂体的结构和矿物成熟度良好。

1.2 砂体卸载机制

陆坡及盆底区地貌复杂，有的较为陡峭，有的崎岖不平，依据是否发育限制性地貌，陆坡-盆底等汇水区主要存在2类砂体卸载机制(表1)：

1) 限制性陆坡卸载机制：此类陆坡较为崎岖，发育陆坡内盆地。陆坡内盆地亦称“微盆”，通常由盐底辟作用、泥底辟作用、薄皮铲式断层、厚皮断层活动、逆断层或逆冲作用等造成。“微盆”由多个负地形组成，呈梯级排列，类似多个“沉砂池”，根据不同的背景，“微盆”大小不一，小的几平方千米，大的上百平方千米，一般几十平方千米。由于是受限制地貌，砂体会就地依此沉积；如果物源充沛，砂体还可以穿过一系列“微盆”输送至盆底进行卸载。

2) 非限制性陆坡卸载机制：此类陆坡一般较为陡峭，几乎不发育陆坡内盆地。此种情况下陆坡仅仅发生路过沉积，而在盆底区趋于平缓，沉积几乎不受任何限制，因此砂体可不受限制地输送至盆底卸载。

2 典型深水沉积模式

陆架的变迁及陆坡特征对沉积演化，尤其是对于深水沉积具有重要的控制作用。基于勘探实践和认识，根据陆架、陆坡演化特征，将陆架大致分为宽陆架和窄陆架，将陆坡是否发育陆坡内盆地划分为限制性陆坡和非限制性陆坡。具体可分为窄陆架-限制性陆坡、窄陆架-非限制性陆坡、宽陆架-限制性陆坡和宽陆架-非限制性陆坡等4种典型沉积模式。

2.1 窄陆架-限制性陆坡沉积模式

坎普斯盆地位于巴西东南缘，面积约10×104km2，水深达3 500 m，是巴西被动大陆边缘盆地勘探最为深入的盆地[10-13]，目前油气发现主要集中于盐上层系的深水浊积体(图1)。自从1971年以来，在坎普斯盆地已经钻探超过500口井。最早的商业发现为1974年的Garoupa油田，也是巴西海上第一个商业油田。截至2009年7月，坎普斯盆地已发现104个油气藏，占整个巴西石油储量的80%。

图1 巴西坎普斯盆地综合地质剖面图[10]Fig .1 Comprehensive geological profile of Campos basin,Brazil[10]

坎普斯盆地经历了裂谷期、过渡期和漂移期3个构造演化阶段，自晚白垩世开始，进入广泛的海侵期，一直持续到始新世末期。该沉积期被动大陆边缘初始形成，陆架较窄，大约50 km左右，虽然发生大范围海侵，但盆缘构造活动剧烈，隆升剥蚀作用强，物源供给极为充足，在陆架区形成的三角洲又为深水区沉积提供了丰富的物源。此期陆坡区沉积主要受到断层和盐岩构造的控制，形成了一系列类似于“沉砂池”的微盆，沉积物依此堆积，主要沿断层走向展布。在受限制背景下，砂体主要发育于水道体系，如不受断层、盐岩构造等影响，沉积体可以穿过微盆，在盆底形成末端朵叶，深水区盐隆对沉积起到遮挡作用(图2)。

图2 窄陆架-限制性陆坡沉积模式Fig .2 Depositional model for narrow shelf-restrictive slope

如坎普斯盆地Carapeba 油田主力储层为上白垩统砂岩[4]，水道呈NWW展布，长度大于 20 km，宽度介于5～10 km，切割下伏Macae 组钙质泥岩，和盐运动有关的生长断层控制了水道的位置和走向。该期地层主要包括 5 种岩相类型：①块状，中—细砾岩，以及中—粗粒砂岩，5～12 m 厚，正粒序，局部含小于1 m具平行和交错层理，细—极细薄砂及泥岩，指示高密度浊流；②薄层，一般厚度小于10 cm，平行—波纹交错层理，细—极细粉砂岩，砂岩，与含生物扰动的泥岩互层，通常显示浊流构造特征，指示低密度浊流；③生物扰动泥岩及粉砂岩，富含中—下部半深海底栖有孔虫，指示深水原地沉积；④相一致的具有扭曲、褶皱或倒置特征的生物扰动泥岩夹层、以及薄层细砂岩，通常厚度小于1 m，指示滑塌沉积；⑤无序的砂岩、泥岩，包含细砾—粗砾泥质碎屑及碳质碎屑，通常厚度小于1 m，有的大于5 m，表示碎屑流沉积特征。

2.2 窄陆架-非限制性陆坡沉积模式

鲁伍马盆地属于东非被动大陆边缘盆地体系之一，横跨坦桑尼亚和莫桑比克两个国家[14-17]，面积约14.4×104km2，其中海上面积占76%。该属于典型的窄陆架沉积背景[18]。2011年全球十大油气勘探发现中的2项即来自此盆地，证实了鲁伍马盆地蕴含丰富的天然气资源[1]。

从地貌特征看，鲁伍马盆地所处陆架整体上极为狭窄，大约5～25 km，盆地北端几乎无陆架发育，而陆坡较为陡峭且峡谷非常发育，下陆坡-深海平原则变得较为平缓，这种地貌条件非常有利于形成大型朵叶体占主导的海底扇沉积。

鲁伍马盆地沉积主要受控于东非鲁伍马河水系，渐新世开始受区域隆升影响，盆地西缘遭受抬升剥蚀，沉积物源供应充足，加之鲁伍马河水系发育，伴随全球性海退，形成庞大的向海推进的鲁伍马三角洲沉积体系，这可为深水沉积体的发育提供丰富的物源[18]。前已述及，深水沉积体系的砂体输送方式主要有2种，即陆架补给机制和直接补给机制。由于鲁伍马盆地陆架狭窄，主要为直接补给机制，河流(三角洲)携带大量沉积物直接通过峡谷输送至深水区，在上陆坡沉积物过路沉积，在下陆坡由于地形平缓，构造活动弱，几乎不受限制，发育大型朵叶体沉积(图3)，并已经被钻井所证实。

图3 窄陆架-非限制性陆坡沉积模式[18]Fig .3 Depositional model for narrow shelf-unrestrictive slope[18]

从研究区南北向地震剖面分析，海底扇体系在时空演化上具有垂向叠加、横向迁移的特征。从始新世开始可识别出明显的下切水道特征，渐新世规模最大，发育范围最广，中新世持续发育，整体上呈现出由南向北的迁移趋势，这可能与鲁伍马河水系入海口迁移有关。

从研究区东西向二维地震测线分析，海底扇强振幅前积特征明显，内含具有下切特征的水道。地震测线位于盆地东部超深水区，明显的叠瓦状前积现象也指示了物源区丰富的碎屑注入。

2.3 宽陆架-限制性陆坡沉积模式

桑托斯盆地是巴西东缘最大的盆地，面积约32.7×104km2，位于巴西东南部圣卡塔琳娜州、巴拉纳、圣保罗州和里约热内卢州的海上[19]。桑托斯盆地油气钻探始于20世纪70年代，前期勘探主要集中于浅水陆架区，一直无大的油气发现，自2006年起，随着勘探的深入，在深水区接连发现大型油气田，迅速成为勘探的热点区域之一[1]。

桑托斯盆地早白垩沉积时期具有宽阔的陆架特征，宽度大于100 km，陆坡区发育铲式正断层及盐隆构造，发育典型的宽陆架-限制性陆坡沉积模式(图4)。目前该盆地盐上油气发现中，85%属于此种背景。

图4 宽陆架-限制性陆坡沉积模式Fig .4 Depositional model for wide shelf-restrictive slope

通过对桑托斯盆地二维地震资料分析，对盐上各沉积时期陆架边缘轨迹进行了追踪和识别，编制了盐上各时期陆架边缘迁移图，晚白垩世康尼亚克-马斯特里赫特期发生强烈隆升，物源相海方向注入非常强烈，三角洲沉积体不断向前推进，盆地中北部陆架边缘向海迁移50 km左右。自渐新世开始，随着区域海平面上升以及河流袭夺影响，陆架边缘后退约50 km。

受盆缘构造抬升影响，物源注入充分，先期在陆架上发育大规模三角洲主体，随着不断向海推进，在深水区受控于盐构造以及断裂活动的影响，构成受限制地貌，主要发育浊积水道沉积，当这些“沉砂池”被充满之后，晚期会发育一些朵叶体(水道化朵叶)沉积。进入晚白垩世中晚期，随着盆缘构造隆升，产生大量剥蚀，物源注入非常强烈，碎屑物源注入充足，砂岩含量较前期明显增多。

康尼亚克-马斯特里赫特期陆架区主要发育多支大型三角洲沉积，深水区主要发育水道和朵叶沉积。在地震剖面上，呈明显的前积或斜交反射特征，指示三角洲不断向海推进。钻井上显示多期三角洲沉积叠置，发育大套砂岩及泥岩互层。陆坡区发育水道及朵叶沉积。如Merluza油田A井[4]，下段由砂岩、粉砂岩、泥岩及泥灰岩组成，自下而上泥质含量增多，底部发育多期叠置水道，呈正旋回，顶部以半深海泥为主，发育朵叶沉积，呈反旋回；上段由泥岩、砂岩、粉砂岩及泥质粉砂岩组成，自下而上泥质含量增多，底部为正旋回，发育多期水道叠置，其上发育朵叶沉积，为反旋回。地震上水道具有中强振幅反射特征，下切明显，朵叶体具有丘型反射特征。值得注意的是，对于陆架极为宽阔的被动大陆边缘盆地，大量砂体会就地卸载，因而进入陆坡深水区的砂体规模较小，甚至不发育。

2.4 宽陆架-非限制性陆坡沉积模式

坎普斯盆地自渐新世开始进入广泛的海退期[20]，一直持续到现今，在此过程中陆架不断变宽。虽然坎普斯盆地渐—中新世陆架有所变宽，宽度超过80 km，但是伴随盆缘构造抬升，物源注入一直持续加强，三角洲推进到陆架边缘，加之陆坡区受断层和盐构造的影响较小，地势更趋于平缓，深水区沉积作用几乎不受任何限制，以发育大型朵叶沉积为主(图5)。

图5 宽陆架-非限制性陆坡沉积模式Fig .5 Depositional model for wide shelf-unrestrictive slope

如坎普斯盆地Marlim油田[4]，水深在600～1 200 m，主力储层为渐—中新世砂岩。该储层段由一套沉积于陆坡及陆隆之上的复合浊积体构成，总的砂体厚度0～125 m，净毛比0.8～1.0。此复合体由2～3个叠置的朵叶组成，朵叶体补给水道来自于NW方向，后期遭受一条来自NW方向的弯曲水道侵蚀。储层岩相包括：①块状，向上变细，中—极细粒砂岩；②薄层—纹层状，细—极细粒砂岩，显示Tab、Tabc、Tbc 鲍马序列。富砂段与与具有中—下陆坡背景下的生物扰动泥岩、泥灰岩互层。地震显示，渐—中新世浊积砂体沉积于进积型陆架-陆坡体系，沉积物来源于厚层富砂三角洲沉积体，在海平面相对下降期，该沉积体不断进积越过陆架，并导致下伏盐岩向盆内流动。这将促使陆坡消亡，以及外陆架未固结沉积物滑塌，并以重力流方式输送至下陆坡。在Marlim地区，沉积物流向宽阔的非限制性陆坡，形成广泛分布的大型朵叶体沉积。

3 结论

1) 建立了被动大陆边缘背景下的4种典型深水沉积模式，其沉积特征为：①窄陆架-限制性陆坡模式，物源直接供给，发育水道体系；②窄陆架-非限制性陆坡模式，物源直接供给，发育朵叶(水道化朵叶)体系；③宽陆架-限制性陆坡模式，陆架供给，发育水道体系；④宽陆架-非限制性陆坡模式等，陆架供给，发育朵叶(水道化朵叶)体系。

2) 窄陆架背景下，若深水区存在受限制背景，处于海侵期，主要发育受限制的水道体系，水道砂体是主要的储集体，如坎普斯盆地晚白垩世—始新世沉积期；若深水区存在非受限制环境，且处于海退期，则发育广覆式海底扇(以大型朵叶体为主)沉积体系，如东非鲁伍马盆地渐新世沉积。

3) 宽陆架背景下，若深水区存在受限制背景，主要发育受限制的水道体系，由于大量砂体在陆架区就地沉积，深水区发育的砂体规模不大；若深水区存在非受限制背景，处于海退期，且物源注入充沛，主要发育广覆式海底扇(以大型朵叶体为主)，如坎普斯盆地渐—中新世沉积，朵叶(水道化朵叶)砂体是主要的储集体。