深水重力流沉积的层序地层结构与控制因素*——南海北部白云深水区重力流沉积层序地层学研究思路

2012-01-23 13:04
中国海上油气 2012年2期
关键词:层序海平面深水

庞 雄

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司)

对深水重力流沉积及其与层序地层结构关系的探讨旨在构建南海北部白云深水区[1]深水沉积的层序地层格架,以此成为深水区沉积储层识别和评价的理论基础。本文“深水区”是指陆架坡折带以外的陆坡和海盆,“深水重力流沉积”是指在重力流作用下沉积于风暴浪基面以下的陆坡到盆地部位的沉积物[2-3]。陆架坡折带以外的陆坡深水区,由于坡度增大,陆源碎屑主要以重力流成因搬运和沉积,偶发的重力流沉积具有“沿坡而下,择低而积,局限分布”的特点,与以河流、波浪、潮汐等牵引流作用为主的浅海沉积作用及其沉积物分布特征有着明显的差别[3]。全球深水勘探经验表明,深水储层以深水重力流沉积砂岩为主(占90%)[2]。因此,深水油气勘探中碎屑岩储层的沉积研究主要是对重力流的研究,包括重力流作用、成因机理、控制因素、搬运过程、流动形式、堆积形态、结构特征、沉积体结构关系、岩相分布、沉积模式等。在对深水重力流沉积体开展目标式精细研究之前,首先需要划分出重力流沉积体的区域时空分布及与物源间的沉积作用关系,本文意在探讨利用区域层序地层学理论研究深水重力流沉积体区域级别分布特征。

就陆架边缘盆地而言,陆坡深水沉积一般为单边物源,离陆源碎屑供应区更远且以细粒沉积为主,砂岩沉积仅占很少比例,并且深水重力流沉积具有局限分布的特点,因此对深水沉积地层实施勘探,储层的识别是关键。陆架边缘盆地的另一个特点是海平面变化对沉积作用的控制明显,海平面下降会使沉积作用更向海的方向迁移,三级层序的低位体系域更易于在深水区发育砂岩储层。因此,对深水砂岩储层分布的识别研究,更要求我们进行全岩地层分析,在全面认识整个地层沉积体系的基础上,选择可能发育潜在储层的地质体。层序地层学为在时间格架内对整个沉积体系的系统研究提供了有效的方法[2],通过对地层沉积结构等时性的研究实现认识地层的目的。等时层序格架的建立和古地理沉积环境的恢复,意味着犹如观察现代各种沉积相带的展布一样重塑地质历史各个时期同时发生的各种沉积相带展布和随时间发生的演变关系,以此实现揭示各种沉积相带及其相互联系的目的[4-5]。

1 从具有开拓性的文献中理解深水重力流沉积的控制因素

Vail等[6]对沉积体系研究的突出贡献有:最先形成地震地层学和层序地层学的基本思想;强调用系统的方法和各种资料综合分析问题;认识到海岸上超的突然向下转移是重复发生的;首先认识到相对海平面变化与沉积作用的关系;深水重力流沉积体系与相对低海平面有关(海平面高位与低位变化控制沉积中心的分布,深水重力流沉积主要发育在海平面下降期间,沉积物穿越被下切的陆架区进入到深水区)。Pang Xiong等[4]首先描述了不同硅质碎屑岩沉积的地震特征,建立了学科间的联系,因而有了多学科与多种资料的联系,从而引导了沉积学思维形式的改变,也使沉积学得以向其它学科渗透。

Mitchum[7-8]和 Mutti[9]最早提出了深水重力流沉积体系的层序地层综合模式。Mitchum强调海底峡谷供给作用,深水重力流沉积体系包含一个沉积层序中地震相的垂向变化,指出位于扇下部的相是丘形的,是海底扇的富砂部分;这个单元上覆楔状体由一个富泥的裙状水道-天然堤复合体组成,并将浊积单元与相对海平面变化建立了联系。Mutti定义了3个深水沉积基本单元:朵叶体、水道和天然堤。朵叶体位于层序界面之上、靠盆地的位置,有好的横向连通性,向外缘变薄,朵叶体在层序内深水沉积中最富砂岩(高N/G比)。水道和天然堤覆盖在下部浊积单元之上,向陆上超于陆坡层序面之上。天然堤沉积以泥岩占优势(低N/G比),砂岩主要被限制在水道内充填,水道-天然堤系统横向岩性变化大,向下进入朵叶体沉积。Mutti认为层序内深水沉积表现为退积的叠加模式。

Vail[10]在 Mitchum[7-8]的基础上建立了他的模式,详细论述了深水沉积的叠加模式和相关系,对不同深水系统的沉积与相对海平面变化建立了联系,深水沉积主要发育在低位体系域内,包括盆底扇、斜坡扇、进积楔。Vail模式是定义层序地层学特别是深水重力流系统划时代的学说,但自身的局限性使其自从问世就被质疑,主要是忽略了以下内容[2]:

(1)Vail模式仅反映一种端源的沉积作用,即有大河流体系供应的富砂沉积背景和相对海平面快速下降,但今天世界上许多在生产的深水系统都不存在这种背景;

(2)Vail模式仅图解了点源供给的海底扇,但是沉积物输送到盆地的方式是不相同的;

(3)Vail模式没有提及盆地的构造背景,而许多深水盆地构造地貌控制了深水沉积的形态和叠加样式;

(4)3D地震的广泛应用证明了低位体系域内不同组成之间的地层界面不如Vail模式描述的那样易于识别,从水道化相到朵叶体或席状沉积的转化是连续发生而非先后出现;

(5)不是所有的深水重力流沉积都被限定在低位体系域内,在一些盆地,沉积物源存在构造活动或窄陆架环境,相当大量的沉积物被传送到盆地,结果是深水重力流沉积在高位、海进、低位体系域都有发育。

Posamentier与Vail[11]提出的碎屑岩沉积系统的层序地层格架概念与Vail[10]的术语有所不同,“低位扇”与“盆底扇”同义,“早期低位楔”相当于“斜坡扇”,“晚期低位楔”相当于“进积复合体”。

Galloway[12]提出了可供选择的理想成因层序地层沉积模式,他强调把最大海泛面密集段作为主要的对比单元,认为海进期间陆坡底发育沉积物裙,这是陆架边缘和上陆坡沉积物的再沉积。Galloway与Vail模式有以下不同[2]:沉积过程被解释为自旋回作用(沉积物供应,陆坡坡度,构造作用,基准面变化);混合的加积陆坡和前积的上陆坡相当于Vail模式的斜坡扇或进积楔;由于自旋回的结果,内部不存在统一的地层面。Galloway解释了海进期间陆坡沉积裙的重要沉积作用,使其成为可预测的海相上超楔状沉积。相反,Vail模式中海进期陆坡沉积是薄的。

沉积物粒度和沉积输送体系对深水沉积系统有明显的影响,层序地层格架内的沉积系统解释中应该综合这2个因素。以下几位学者作了相关论述。

Posamentier等[13]提出了影响层序地层格架内深水重力流沉积的2个重要因素:沿岸迁移的沉积物通过海底峡谷向深水陆坡输送陆源碎屑;不同级别的三角洲与相对海平面下降导致的深水重力流的沉积响应作用。Posamentier等[13]通过对美国西海岸现代扇的观察建立起沿岸迁移沉积与扇系统关系的模式,他们注意到不是河流而是沿岸沉积物向深水陆坡的扇体供应物质(图1)。沿岸迁移作用使沉积物沿岸分布,高海平面期间沿岸沉积物被传送到峡谷,随后输送到下方的扇体;相对低海平面期间海岸线和沿岸系统下移,结果是更多的峡谷捕获更大量的沿岸沉积物进入深水[2]。

图1 图解沿岸迁移沉积系统随海平面变化的响应[13]

图2 图解不同沉积供给体系与相对海平面变化的差异

Posamentier等[13]提出的另一个概念是不同河流-三角洲级别是如何响应相对海平面下降的(图2)。高位期间,2条沉积物供应量大小不同的河流在陆架区发育三角洲,当海平面下降,河流系统深切,大的河流有更大的三角洲,并比小河流更快地前积到达陆架边缘,大河三角洲下方的陆坡首先发育深水沉积系统,此时小河流仍在陆架区发育三角洲沉积;随着海平面继续下降,小河流下方也发育扇系统,此时大河流下方的扇体仍然接受沉积。显然,相对海平面变化是多因素影响的结果,在不同的沉积体系中不具有绝对的等时性,当一个沉积体系处于相对海平面下降发育低位扇期间,另一个沉积体系的陆架区可能仍然具有沉积空间发育高位期的陆架三角洲沉积。

Muntingh和 Brown[14]与 Brown 等[15]研究了南非海上白垩纪Orange盆地高位体系域沉积中心与低位体系域的关系,他们注意到陆架沉积粒度和组构与下方深水沉积的富砂或富泥性具有对应关系,因此提出对低位体系域扇体的研究需要认识物源上方高位的滨岸沉积物的分布,特别的在高位倾向供给河流轴线下方产生一个富砂的深水系统,这与Vail模式一致;相反,其它的岸线在海平面相对下降时产生了不同的深水沉积类型。基于上述观察结果,Muntingh和Brown[14]提出了2个关键性的建议:

(1)为了预测深水沉积砂岩,应重建前一层序陆架浅海区沉积中心的古地理和沉积相分布。古地理重建将使沉积物供给的前一层序高位体系域与后一层序的低位体系域的扇体沉积建立联系,这一方法在后期沉积变形较弱的盆地是可以施行的。

(2)为了深水目标而建立的古地理图应该同时考虑前期的高位体系域和后期的低位体系域,而不是为2个层序界面间的地层构建的。

Reading 和 Richards[16]与 Richards 和 Bowman[17]提出了以粒度和供应体系为参照的深水重力流系统的综合分类,基于不同粒度划分出富砾、富砂、砂泥混合、富泥等4种扇类型,并基于不同供给体系划分出点源海底扇、多源斜坡积、线源斜坡裙3种扇类型,综合得到12种成因类型扇模式。这些模式的关键点在于不同系统的储层组构有相当大的不同,这些沉积终端单元显示了不同的相分布和砂岩净毛比;这种分类的特点是均为静态模式,没有考虑海平面的变化、沉积的叠加样式,以及对深水重力流系统的沉积地貌变化的考虑[2]。

构造作用控制了沉积区的古地貌,因此影响了深水沉积的叠加样式,特别是同沉积构造——盐丘、泥丘、断裂,是许多在勘探开发的深水沉积盆地突出的特征。

Mitchum等[18]对3个钻探过的断块进行了岩石学和生物地层对比:低位域的盆底扇和斜坡扇发育在断层的下降盘的低部位,生物地层指示属半深海沉积,上升盘没有相对应的相带;进积复合体(三角洲和相关沉积)、海进和高位体系域出现在所有的断块。Mitchum等[19]将此归结为海平面波动和同沉积断裂共同控制沉积作用,海平面的低位期,沉积物穿越浅海区进入陆坡环境,上中陆坡同时期活动的断裂控制深水系统沉积的位置;另一重要观点是,深水系统陆坡内盆地的叠加样式以加积为特征,并受控于单个断层,厚的斜坡扇终止于向陆一侧的断层,明显不同于Vail的退积叠加样式。

Satterfield和Behrens[20]首先提出现代陆坡内盆地的充填和溢出过程。Prather等[21]定义了3种可容空间类型:①堰塘盆地是由于盐丘撤退形成的迷你盆地;②斜坡可容空间是梯级斜坡形成的沉积空间;③愈合型斜坡空间是更低一级的梯级面。每一种可容空间有其特征的沉积和地震相,沉积过程中,地形梯度(局部倾斜)局部变化的影响比陆坡总体坡度更为重要,因此理解沉积地貌是重要的。

沉积盆地的沉积作用是以不同级别海平面变化旋回叠加为特征,已经认识到不同频度的5个旋回级别[5,22-24]。Mitchum 等[25]总结了叠加旋回及其对勘探开发的作用。勘探阶段的层序地层学研究更强调二级和三级旋回层序沉积,开发阶段的层序地层学研究则聚焦在目的层的四级和五级层序。

Mitchum和 Van Wagoner[26]注意到一个理想的三级层序有数个不连续的四级层序沉积,贯穿于低位、海进、高位体系域中。如在三级层序的低位体系域中,扇体由一系列四级层序组成。四级层序的扇体能够相互叠加,以高频的密集段分隔,这些密集段能够影响储层流体的初始分布或成为开发阶段的流体隔层。

Brown[15]认为最发育砂岩储层的是二级和三级层序界面叠置的低位体系域,三级海平面下降期的四级下降时期是盆底扇发育最有利的时期。

2 深水重力流沉积层序地层学研究需要注意问题的讨论

国外深水勘探实践表明,深水区主要储层以深水重力流成因为主[2],研究深水砂岩储层应首先研究重力流沉积。

低海平面期间沉积作用向海迁移,更易于在深水区形成粗粒陆源碎屑的重力流沉积,因此主要的深水沉积体系与相对低海平面有关,深水层序地层学研究应以揭示低位体系域及其重力流沉积体分布为主要目的。

陆架坡折带、层序界面和低位体系域是界定深水重力流沉积区域时空分布的重要元素。

影响深水重力流沉积有以下因素:相对海平面变化(盆地构造作用、沉积物供应、全球海平面升降的综合反映)、沉积物粒度、沉积物供应体系的形式、沉积古地貌(地理地貌或构造地貌等)。

相对海平面变化是多因素影响的结果,除海平面变化具有全球一致性外,其它因素对于不同沉积体系和同一沉积体系的不同部位的影响可能不一样,因此不同沉积体系间的沉积作用难以存在等时性,特别是深水重力流沉积底面和时间会有差异,这会导致层序地层解释过程中层序界面的等时性追踪对比出现混乱;例如,在一个沉积体系处于相对海平面下降的低位扇发育期,而另一个沉积体系的陆架区仍然具有沉积空间发育陆架三角洲沉积(图2)。通常,根据沉积物输送体系内的沉积结构和接触关系对等时层序界面进行界定的方法优于不同沉积体系间界面的横向对比。

层序格架内沉积相之间具有时空联系。低位体系域内不同组成之间的沉积体系是相互联系的,如水道-天然堤与朵叶体平面分布关系;因此,垂向上的叠加样式难以划分,但是可以定义平面上的沉积结构单元,如朵叶体、水道和天然堤等,这些沉积结构单元反映了重力流沉积作用,具有地震反射可识别的结构形态关系,并且代表了不同的砂岩储层特征意义。深水重力流沉积的地震特征(沉积体的外观反射结构形态、内幕结构、接触关系、振幅、波形、频率、连续性以及组合关系等)是深水储层预测的基础。

深水沉积的物源供给系统有多种,包括来自河流三角洲的直接供给和沿岸流供给,以及陆架边缘溃决垮塌的供给等,直接的河流三角洲供给是最显而易见的,也是Vail[10]模式的主要依据,沿岸流的供给不可忽视。例如南海北部东南季风造成沿岸流沉积发育,在高位晚期岸线推进到陆架坡折带附近,沿岸流沉积将会成为深水扇的主要供源体之一。

源-渠-汇的沉积脉络关系分析方法[5]是在等时界面控制下分析沉积体系的系统化思维与方法。陆架沉积粒度、组构和分布与下方深水沉积的富砂或富泥性既然具有对应关系,为了预测低位扇砂岩,就有必要认识物源方向前期高位体系域沉积物的分布。古地理重建和等时界面的地貌成像将使得沉积物供给的前一层序高位体系域与后一层序的低位体系域扇体沉积建立起联系。连接浅水和深水的成因系统应该是跨层序界面的。

以地震反射结构为主要信息的深水层序地层学研究的关键内涵包括:理解重力流的成因和搬运沉积机制(偶发而动、沿坡搬运、下切成沟、择低而积、局限分布等是深水重力流的典型特征);低海平面期间陆架坡折带以外深水区低位体系域最易于发育粗陆源碎屑重力流沉积;建立三级层序格架——恢复沉积等时面上的沉积体系分布和相互关系,明确陆架坡折带和低位体系域分布;层序界面是研究深水沉积作用和过程的最重要的界面;确认陆架坡折带——界定低位体系域发育的区域,明确陆架坡折带对重力流沉积作用的控制。

3 南海北部白云深水区重力流沉积层序地层学研究的目的和思路

基于以上对深水重力流沉积控制因素的分析,深水重力流沉积的层序地层学研究之主要目的是,通过对区域上沉积结构时空关系的理解,揭示整个地层的沉积过程和沉积体系的成因联系,预测低位体系域分布及其重力流沉积体、沉积结构形态及相互联系,预测深水沉积储层的区域时空分布。

南海北部陆缘具有广阔的浅海陆架区,海平面的升降控制了珠江三角洲沉积中心在陆架区的分布[3-4,27],实际上也控制了粗粒碎屑物质以重力流的形式向陆坡深水区的搬运。相对海平面下降期间,海岸线到达外陆架至陆架坡折带附近,从而有更丰富的陆源碎屑沉积物(特别是粗粒的砂质沉积物)被以重力流的形式搬运到陆架坡折带以外的深水区。因此,层序地层学研究适用于揭示具有宽陆架背景的白云深水区主要的深水重力流沉积体系。相对海平面下降期间,在外陆架—陆坡—海盆形成了具有相互关联的、可识别的沉积表征和记录。这些沉积表征和记录可以是沉积几何结构,也可以是反映岩相的物理属性。浅海陆架区高位和海进体系域主要为河流、波浪和潮汐等营力作用为主的沉积,遵循牵引流的沉积理论。陆坡到海盆深水区的低位体系域主要以滑塌、碎屑流、颗粒流、浊流等重力流的作用形式搬运和沉积,遵循重力流的沉积原理。因此,南海北部深水重力流沉积层序地层学研究的主要思路是,利用层序地层学的基本原理圈划出低位体系域,控制主要的深水重力流砂岩分布;通过识别和描述这些相互联系的沉积结构和反映岩相的属性特征,理解其脉络关系,分析沉积机理,发现和揭示深水重力流砂岩储层的分布。对于深水沉积重力流砂岩储层的研究,识别上方陆架边缘沉积物与下方深水沉积体及其结构联系特征是有效方法,即,层序界面之下陆架区高位体系域顶部沉积物的沉积几何结构,层序界面之上陆坡-海盆低位体系域的重力流沉积体的沉积几何结构,以及相互间有联系的沉积结构脉络关系。一般而言,具有粗粒陆源碎屑沉积的陆架边缘高位沉积的下方陆坡-海盆的深水扇容易发育深水沉积砂岩储层。

层序格架的建立要求必须是等时界面,深水沉积体系图却需要反映穿时间、跨层序、跨体系域的沉积体系分布关系。因此,关键的深水沉积体系图件是跨层序界面沉积结构关系图,把陆架区前一层序高位体系域顶部的沉积体系和陆坡区后一层序低位体系域的沉积体系展现在同一幅图上,以此展示沉积体系在时间上的前因后果和空间上的结构脉络关系。该图件对于揭示深水储层分布是最具有指导价值的图件——以此实现对储层分布的区域定位。本文称之为“跨层序界面沉积结构关系图”(图3、4)。该图件是基于源-渠-汇的重力流沉积渊源和脉络关系的沉积体系研究思维形成的,具有跨层序界面、跨体系域及穿时性的特点,与传统的沉积体系图件有本质的差别,是沉积成因研究的具体表现。

图3 南海北部白云深水区跨层序界面沉积结构关系图

图4 白云深水区层序界面上下沉积结构关系剖面图(剖面位置见图3)

应该特别指出的是,层序格架的各界面除了用于分析反映各沉积体系的沉积结构关系外,在陆架区和陆坡深水区的应用还有所不同。陆架区的主要砂体分布在高位和海进体系域,并且这2个体系域的砂体由于牵引流沉积作用相对连片分布,指示高位顶面的层序界面和海进体系域顶面的最大海泛面都具有界定砂岩顶面的重要作用,而且这2个层面构造形态具有为油气勘探提供重要构造圈闭的意义。然而,深水沉积砂岩却以相互孤立的形式散布于层序界面和首次海泛面之间的低位体系域内,并且砂岩储层的有限分布使之易于形成潜在岩性圈闭或复合圈闭,因此,在深水陆坡区,层序界面和首次海泛面仅有反映沉积体系相互联系和沉积地貌的作用,其构造图没有指示圈闭存在与否的作用(图5)。

图5 白云深水区典型的低位体系域及其深水沉积砂岩在层序格架内的分布关系模式图

4 几点认识

深水重力流砂岩的沉积机制和分布规律从根本上影响了深水油气勘探的储层、圈闭等成藏条件,因此深水沉积储层的研究主要是对深水重力流的研究。

层序地层学研究方法适用于揭示具有宽陆架背景的白云深水区主要的深水重力流沉积体系。

陆架坡折带、三级层序界面和低位体系域共同控制主要的重力流沉积。

深水沉积层序地层学研究应该强调在三级层序界面等时性解释的基础上,展开穿时性、跨层序界面的沉积结构脉络联系的研究,三级层序界面上下沉积结构脉络关系研究是深水沉积层序地层学研究的重要的思路和分析方法。

深水沉积储层研究应以深水重力流沉积理论为指导,以构建三级层序地层格架为基础,以识别共同控制主要深水沉积砂岩储层区域分布的陆架坡折带、三级层序界面、低位体系域等结构单元为研究思路,在建立区域层序格架基础上,通过对等时地层结构的解释来预测深水沉积的分布,明确深水沉积模式,对陆架坡折带以外的低位体系域应充分考虑沉积物物源、输送体系与沉积体的响应关系,进行跨层序界面、跨体系域和穿时性的沉积结构脉络关系研究,即,浅海区的前一层序陆架区高位体系域沉积物组成,陆坡区层序界面上的峡谷水道,低位体系域扇体的形态和古沉积地貌等源-沟-扇的脉络关系,以及深水扇系统内的沉积体结构响应和过程的研究。

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