砂质碎屑流的识别标志——以渤海湾盆地沙南凹陷为例

汪 贺,韩 争,曹 轩

(中国石油大学(北京) 地球科学学院,北京 102249)



砂质碎屑流的识别标志
——以渤海湾盆地沙南凹陷为例

汪 贺,韩 争,曹 轩

(中国石油大学(北京) 地球科学学院,北京 102249)

近年来,深水沉积砂质碎屑流的识别标志于学术界仍存在一定争议,通过渤海湾沙南凹陷砂质碎屑流沉积实际资料分析,明确砂质碎屑流的主要识别标志,探讨砂质碎屑流的形成机制与沉积过程。研究结果表明，砂质碎屑流于岩心中主要体现为泥质撕裂屑、石英漂浮态砾石、底部突变接触和板条状碎屑的定向分布、泥岩碎块逆粒序、生物碎屑以及碎屑杂基的存在。砂质碎屑流常与深水泥页岩伴生,是今后的重要的油气勘探领域。

砂质碎屑流;识别标志;形成机制;沙南凹陷

1996年Shanmugam明确了砂质碎屑流的概念,并将砂质碎屑流的研究从浊流研究中分离出来,砂质碎屑流便快速成为水下沉积的研究重点。然而砂质碎屑流的知识体系尤其是识别标志却一直存在争议。结合实际资料从砂质碎屑流的识别标志方面进行系统总结,可以更加明确其识别标志的断定。

1 砂质碎屑流的概念及识别标志

砂质碎屑流概念的提出由来已久。1972年Hampton通过模拟实验,首次提出了“砂质碎屑流”的概念[1]。Shanmugam(1996,2000)在大量实地考察研究之后,认为许多以前在鲍玛序列中解释为高密度浊流成因的沉积物并非浊流成因,实则为砂质碎屑流成因。自此,砂质碎屑流与“高密度浊流”的关系得以确定,砂质碎屑流在重力流分类中的地位开始突显。

砂质碎屑流,即为塑形流变学和层流态的砂质流(Shanmugam, 1996),主要沉积学特征如下:①塑性流变特征;②块体搬运方式;③具有浮力及摩擦强度等多种沉积物支撑机制;④砂砾含量大于25%;⑤砾石、砂、泥沉积物的体积浓度为25%～95%;⑥黏土含量可变(Shanmugam, 1996, 1997, 2000)。

结合Shanmugam(2013)及其他文献资料和来自沙南凹陷的岩心资料,确定砂质碎屑流沉积的主要识别特征如下:

(1)岩心中常见大套块状砂岩,在块状砂岩层的上部常有漂浮的不规则状泥质撕裂块集中现象,下部常见长条状泥质撕裂块,也可观察到流纹构造。

(2)砂质碎屑流沉积顶底与暗色泥岩常有突变接触,砂岩底部具冲刷面,具剪切带[2]。

(3)泥质碎屑分布具有反韵律或反韵律与反-正韵律共存现象[3]。

(4)可见呈石英漂浮态砾石和生物碎屑以及碎屑杂基的存在。

(5)可见泥质板条状碎屑定向分布和大量泥砾。

以上识别特征可作为判断砂质碎屑流存在的依据。

2 发育机制

砂质碎屑流具有塑形流变、层流态的沉积性质,其发育机制可分为形成机制、搬运机制和沉积机制3种(图1)。

图1 砂质碎屑流搬运过程

2.1 形成机制

砂质碎屑流的形成机制目前被认为主要与三角洲的进积作用[3]或大陆斜坡滑动与滑塌有关。海盆或深湖(半深湖)为砂质碎屑流沉积的主要形成环境,沉积盆地的沉积物供应和可容空间变化会造成沉积模式的改变。在河流的流速流量较大时,河流携带的大量碎屑物质于三角洲前缘快速堆积,形成高建设型三角洲进积砂体,具有天然的不稳定性。砂质碎屑流形成的影响因素主要是地形坡度(地形上的坡折),另外流体中沉积物浓度(或流体密度)和沉积物成分(砂泥比、黏土矿物成分)都对砂质碎屑流的形成有着重要的影响[4]。

2.2 搬运机制

在地震和波浪等外界触发机制下,沉积界面发生倾斜并超出稳定休止角,相当一部分沉积物沿着古斜坡在重力流驱动下进入湖泊[5],发生块体搬运。斜坡沉积物发生崩塌后,随着断裂的发生,当剪应力超过剪切强度时,断裂沉积物在重力作用下顺坡向下滑动。松动的岩层首先发生滑动,即沉积物沿平板状滑移面滑动,内部无明显变形。之后沉积物液化程度加大,并发生重力滑塌[5],即沉积物内部发生变形旋转,发生旋转剪切面运动,岩层的整体破碎和软沉积物变形同时进行,随着水体注入,岩层块体破碎搅浑,可进一步通过表面转化形成浊流。

2.3 沉积机制

砂质碎屑流呈层状流动,沉积物通过整体“冻结”方式发生沉积,常形成块状砂岩岩相、漂浮碎屑等普遍特征(砂质碎屑流鉴别标志)。可于三角洲前缘斜坡上形成沉积,也常见深湖平原上片状或叠置水道沉积体,于纵向上分布范围较为局限、横向上常叠置连片[6]。以沙南凹陷东三段时期为例,东三段期间北侧沙垒田凸起作为主要物源地,扇三角洲中砂质碎屑流沉积体系发育,间歇作用的洪水泛滥使得扇三角洲前缘砂体快速堆积并于地震等触发机制下发生滑塌,经斜坡块体搬运之后形成砂质碎屑流沉积[7]。

经过上述分析,认为充沛的物源、有利的地形坡度和适当的触发机制是砂质碎屑流形成的必要条件,沉积物的重力滑动滑塌和“滑水机制”解释了砂质碎屑流的搬运机制,通过整体“冻结”方式形成砂质碎屑流沉积物。

3 沙南凹陷砂质碎屑流实例分析

沙南凹陷位于渤海湾盆地的西向,沙垒田凸起、埕子口凸起与埕北低凸起环绕其周,东西向展布,为北部断层南部超覆的箕状凹陷,于新生代发育形成。自下而上,沙南凹陷发育孔店组、沙河街组、东营组、馆陶组、明化镇组以及第四系地层[8]。其中有3套烃源岩发育层系,分别为东三段、沙一段和沙三段;主要含油气层段为明化镇组下段、馆陶组、东二段和沙二段[9]。沙南凹陷又分为沙南东洼和沙南西洼,目前已发现的油田证实了沙南东洼是一个富生烃洼陷。岩心资料获得于沙南凹陷东洼,东三段时期属于构造演化上的断拗过渡期,地层展布形态相对平缓,断层活动性减弱。

通过对沙南凹陷东洼地区东三段岩心的观察,结合渤海湾盆地的岩心资料,进行实例观察分析。其主要岩性为灰黑色细砂岩,含少量砾石,直径大约为4至10 mm,分选中等,次棱角状到次圆状,块状构造十分发育,常见泥质撕裂屑、漂浮泥砾和砂泥互层。

如图2所示,图中A岩心位于3 040.4 m深处,岩性为灰色细砂岩,以块状构造为主,无明显层理;如B、C所示,岩性为灰色细砂岩,多见泥质撕裂屑,泥砾比较发育,有S型撕裂状泥砾、呈定向排列的长条状泥砾、粒径达3 cm巨大的漂砾,也可见高角砾化泥砾,呈较大锐角的,发育椭圆形泥砾。块状砂岩岩心底部存在剪切带,反映了在砂体底面上曾发生过沉积物的高速滑动和强烈侵蚀,符合砂质碎屑流特征;另外可观察到不规则形态的泥岩撕裂屑集中现象,并沿长轴褶皱、弯曲;端部可见拉长现象,呈尖角状或细刺状,是由于具有很高的基质黏度和屈服强度的泥岩撕裂屑与作为其介质的砂质在抗剪强度上的显著差别所造成,同时说明了砂质碎屑流快速堆积的形成特征[10]。另外,泥岩撕裂屑形态以及碳屑分布,指示了流体的高浓度流动和塑性流变学特征,反映了砂质碎屑流原始沉积物的整体冻结沉积过程。

图2 沙南凹陷CFD 14-1-1井砂质碎屑流岩心照片(A岩心(3 040.4 m):块状构造;B岩心(3 041.1 m):S型撕裂状泥砾;C岩心(3 041.3 m):不规则泥岩撕裂屑端部拉长;D岩心(3 041.76 m):砾石直立现象;E岩心(3 043.0 m):岩心漂浮的石英砾石和碎屑;F岩心(3 043.3 m):砂泥互层)

D岩心主要岩性为细粒砂岩,可见石英漂浮砾石和碎屑颗粒存在,粒径为1～5 mm,分选较差—中等,磨圆次棱角状—次圆状,可见板条状泥质碎屑,部分砾石存在直立现象。板条状碎屑定向分布反映了流体的纹层状性质,进而验证了砂质碎屑流的特征[11]。E、F岩心为灰黑色细砂岩,E可见块状构造,F可见砂泥互层以及碎屑流沉积的“漂砾构造”。值得注意的是,“漂砾构造”是由浮力和流体基质强度共同造成的,该构造特征反映了流体的层状流动性质,属于碎屑流,而非浊流[12]。总之,从岩心特征上来看,常见大套块状砂岩,块状砂岩与上下泥岩呈突变接触,表明块状砂岩在沉积过程中是呈纹层状整体冻结的,反映了砂质碎屑流块体运动的特征;块状砂岩底部也可见冲刷面,表明在砂体底面上曾发生高速滑动和强烈侵蚀作用[13]。沙南凹陷这种构造背景和沉积环境为砂质碎屑流的形成提供充沛的物源,有利的地形坡度及适当的触发机制。因此判断沙南凹陷东洼东三段岩心资料体现砂质碎屑流,岩心特征印证了文献资料中砂质碎屑流鉴别特征的理论。

4 结 论

(1)砂质碎屑流为塑性流变层流态的砂质流。其主要识别标志有泥质撕裂屑、顶底突变接触、漂浮石英小砾石和生物碎屑、定向分布的板条状碎屑、泥岩碎块逆粒序以及碎屑杂基的存在等。

(2)形成砂质碎屑流的有利地质条件为充沛的物源、有利的地形坡度、适当的触发机制。

(3)沙南凹陷东洼东三段岩心资料体现砂质碎屑流,主要岩性为灰黑色细砂岩,含少量砾石,分选中等,次棱角状到次圆状,块状构造十分发育,常见泥质撕裂屑、漂浮泥砾和砂泥互层,岩心特征印证了文献资料中砂质碎屑流鉴别特征的理论。

致谢:感谢中国石油大学(北京)地球科学学院的朱筱敏教授的耐心指导和陈相亦同学提供的岩心资料以及论文撰写过程中提出的意见。

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[责任编辑] 董大伟

2016-07-30

汪 贺(1995—),女,山东东营人,中国石油大学(北京)地球科学学院本科生,主要从事重力流沉积研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2016.03.005

TE121.3

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