西非下刚果—刚果扇盆地A区块中新统深水水道体系沉积特征及演化

陈 华，林畅松，2，张忠民，张德民，朱奕璇，吴高奎，李 茗，徐 海，郭荣涛

(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 102206)

深水水道体系，作为陆架边缘沉积体系的重要类型，对大陆边缘带的地貌演化和沉积过程均有着显著影响[1-5]。另外，全球近二十年的深水油气勘探实践表明，深水水道可构成深水油气田的主要储层[6-8]。因此，对深水水道加以研究具有重要的理论和生产意义，现已发展成为盆地分析和油气勘探领域共同关注的热点课题[9-12]。

西非下刚果—刚果扇盆地中新统发育有大规模的深水水道沉积且油气勘探的前景广阔，由此引发了国内外诸多学者围绕其层序地层划分、深水水道发育特征等方面开展了一系列研究[13-16]，但有关认识(如层序划分方案、水道沉积单元构成类型等)目前并未统一。另外，下刚果—刚果扇盆地中新统深水水道沉积演化特征及其对控制因素的综合响应关系，揭示还不够系统。

近年来，随着下刚果—刚果扇盆地油气勘探工作的不断深入，研究区增添了许多新的资料，包括A区块4 760 km2高精度三维地震数据体、10余口测井及相关岩心等，为解决上述问题提供了扎实的基础。本文正是基于对区内较为丰富的研究资料的综合分析，建立了下刚果—刚果扇盆地中新统的层序地层格架，阐述了三级层序内部发育的深水水道体系的沉积单元构成，系统揭示了深水水道的发育、演化特征及其对古气候—海平面变化、构造运动—物源供给和盆地古地貌等多种控制因素的响应关系，旨在为该盆地A区块深水油气勘探工作提供一定参考。

1 地质概况

研究区A区块位于西非海岸下刚果—刚果扇盆地中部(图1)，该盆地为典型被动陆缘盆地，油气资源丰富，勘探潜力巨大，其北部以Casa Maria隆起为界，南部以Ambrizete隆起为界，东部与前寒武系基底相邻，西部与大西洋洋壳相连(大约以3 km水深线为盆地西边界)。

图1 下刚果—刚果扇盆地构造单元划分及研究区A区块位置Fig.1 Tectonic units of Lower Congo-Congo Fan Basin and location of block A

下刚果—刚果扇盆地主要经历了3个构造演化阶段：(1)裂谷阶段(纽康姆期—早巴雷姆期)，主要是发生陆内裂谷作用，同时形成了同裂谷期主力优质烃源岩；(2)拗陷阶段(晚巴雷姆期—早阿尔布期)，主要是南大西洋的打开和阿普特期重要的区域性蒸发盐层序的形成[17]；(3)被动陆缘阶段(晚阿尔布期至今)，主要是晚白垩世坎潘期—马斯特里赫特期富有机质海相页岩的沉积和古近系深水浊积扇沉积，同时伴随有大量盐构造的活动[18]，中新世以后，受古刚果河影响，大量陆源碎屑物向盆地内部堆积并沿着海底峡谷向深海搬运沉积，导致盆内发育了巨厚的重力流沉积，最厚处达6 km，这些重力流沉积是刚果扇沉积体系的主要构成元素，其中中新统Malembo组厚约1 200～1 500 m，是盆地内最重要的储集层和产油层。

下白垩统Loeme组广泛发育的盐岩作为构造滑脱层，将盆地划分为盐下裂谷和盐上重力滑动等2个构造变形层。根据每个区域的主要盐构造类型，盆地自东向西可划分为白垩系盐筏带、第三系盐筏带、底辟带、盐蓬带及厚层盐岩带(图1)。

2 层序地层格架

2.1 划分方案

通过对区块沉积背景分析、连井层序对比以及地震资料解释等，识别出了SB1-SB5等5个层序界面，进而将中新统划分为4个三级层序(SQ1-SQ4)，大体对应于下中新统、中中新统下段、中中新统上段及上中新统(图2)。

2.2 界面特征

三级层序界面SB1为中新统、渐新统分界面(图3)，GR测井曲线在SB1界面以上常表现为齿形或指形，底部多呈突变接触。在地震剖面上(图4)，SB1对应的地震反射轴连续性较差，界面之上显示出中—强振幅、低频、中低连续性的特征，界面之下表现为低振幅—中低连续性前积反射结构，另外，SB1界面之上可以看到上超现象，之下则表现为削截。

三级层序界面SB2位于中新统中下部(图3)，GR曲线在该界面上方呈齿化箱形，界面下方为微齿化(可能是由于浊积水道形成初期产生泥质碎屑并沉积在水道的底部所致)；RD曲线在界面上下突变明显，界面上方为高值、变化强烈，界面之下往往显示出低振幅、较平稳的特点。在地震剖面上，层序界面SB2对应的反射轴连续性较差，其上显示出中振幅、中频、低连续性的特征，界面之下显示出中振幅、低频、中等连续性的特征，另外界面之上可见上超点，界面之下可见顶超点(图4)。

图2 下刚果—刚果扇盆地A区块中新统综合柱状图Fig.2 Stratigraphic column of Miocene in block A, Lower Congo-Congo Fan Basin

图3 下刚果—刚果扇盆地A区块中新统层序地层划分Fig.3 Sequence stratigraphic division of Miocene in block A, Lower Congo-Congo Fan Basin

三级层序界面SB3、SB4位于中新统中部(图3)，界面之上GR曲线均呈指状或齿化箱状，界面之下往往呈现微齿化；RD曲线在界面SB3、SB4的上下变化明显，界面以上表现为指状，以下具有微齿化、低值特征。界面SB4在地震剖面上表现为一条连续性较好、中—强振幅的同相轴，其上显示出弱振幅、高频、中连续性的特征，下伏地层具有中—强振幅、低频、低连续性的特征。

图4 下刚果—刚果扇盆地A区块中新统深水水道沉积地震剖面特征 TC.重力流水道；TS.浊积席状砂；SDF.泥石流垮塌；PM.深海泥岩；IV.下切谷Fig.4 Seismic profile of deep-water channel systems of Miocene in block A, Lower Congo-Congo Fan Basin

三级层序界面SB5为中新统顶界面(图3)，界面处在研究区多次出现下切现象，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；界面上部为较薄层的砂岩在下切沟谷中充填，相应GR曲线呈指状。RD曲线在界面位置有突变，呈指状。在垂直物源方向的地震剖面上，SB5界面剥蚀现象明显，其对应的地震反射轴连续性好，界面之上显示出中振幅、低频、较高连续性的特征，界面之下在剖面上显示出中—强振幅、高频、中等连续性的特征，另外，SB5界面在某些区域是上覆地层的上超面，界面之下有顶超或削截现象。

3 沉积演化特征

3.1 沉积特征

3.1.1 岩性特征

岩心和薄片资料统计分析表明，研究区中新统深水水道沉积由砂、砾岩和泥岩组成，结构、成分成熟度均较低(次棱角—次圆状磨圆，中等—差分选)。单个旋回底部可见砾石，多为泥砾，砾石大小不一，呈悬浮状(图5a)；中部为含泥质碎屑砂岩或不等粒砂岩(图5b)，上部为粉砂岩—泥岩，变形层和砂岩侵入体较为常见，向上泥质含量增多，并过渡为泥岩沉积(图5c)。整体构成正旋回，多个单旋回垂向叠置构成完整沉积序列。此外，研究区发育多期鲍马序列，垂向不同部位鲍马序列发育程度、组合类型存在一定的差异性。一般鲍马序列发育不全，单井下部层段多为Ta-Tb段、Ta-Tb-Tc段；上部层段则多见Tb、Td-Te段，局部发育更为完整的鲍马序列，可见Ta-Tb-Tc-Te段(图5d)。

3.1.2 沉积构造特征

区内中新统可见重力流相关沉积构造，如泄水构造、碟状构造、负载构造等。此外，可见爬升沙纹层理、生物扰动构造等(图6)。

泄水构造多见于极细—细砂岩(图6a)，局部密集出现，大小不一，长度一般小于10 cm。碟状构造多为变形或倾斜状，呈5°～50°向下倾斜(图6b)。负载构造均见于砂泥岩界面处，因强烈变形，局部呈火焰状(图6c)。变形层多见于粉砂岩—泥岩层内，常与砂岩侵入体伴生(图5c)。爬升沙纹层理见于鲍马层序Tc段(图5d)，顶部见削截现象。生物扰动构造在富泥层段常见。此外，可见Zoophycos，Planolites，Thalassinoides，Chondrites等生物遗迹。

图5 下刚果—刚果扇盆地A区块中新统深水水道沉积岩性特征

a.单旋回底部泥砾(mc)，砾石分选磨圆差，呈悬浮状； b.单旋回中部细—中砂岩，局部含泥质碎屑；c.单旋回上部泥岩和粉砂岩互

层，下部可见变形层(df)和砂岩侵入体(inj)，向上泥质含量增多；d.可见鲍马序列Tb-Tc-Te段，Tb-Tc段，上部发育泥砾层(mc)

Fig.5 Lithologic characteristics of deep-water channel deposits of Miocene in block A, Lower Congo-Congo Fan Basin

图6 下刚果—刚果扇盆地A区块中新统重力流沉积构造特征

a.细砂岩内泄水构造(dw，红色箭头所示)；b.泄水构造(dw，红色箭头所示)和倾斜碟状构造(ds，蓝色箭头所示)，此外底部可见倾斜泥砾侵入体(inj，黑色箭头所示)；c.生物扰动构造(bt，黄色箭头所示)和负载构造(ls，橙色箭头所示)，还可见砂岩侵入

体(inj，黑色箭头所示)，纹层状泥岩(lm)，鲍马序列a段(Ta)

Fig.6 Gravity-flow sedimentary structures of Miocene in block A, Lower Congo-Congo Fan Basin

3.1.3 沉积单元

关于深水水道体系或重力流沉积体系的构成单元，不同学者分类不尽相同，一般包括块体搬运、水道、堤岸/溢流、朵叶体及泥质沉积等[19-20]，区内主要识别出水道、天然堤—溢岸、末端朵体和块体搬运沉积等单元，其中水道在地震剖面上多呈W型、U型或V型，水道堤岸复合体在地震剖面上呈海鸥翼状反射(图4)，末端朵体在地震剖面上多呈平行—亚平行反射特征或丘型反射特征。块状搬运沉积一般以杂乱、透明状反射为主，通常简称透明相，而与之伴生的深海泥岩在地震剖面上则多以高频、低振幅、平行—亚平行反射特征为主。

(1)重力流水道

据组合样式，将区内重力流水道分为单一水道和复合水道(图4)。其中单一水道形成可分为侵蚀期、充填期、溢出期和泥岩充填期，而复合水道的形成则为上述过程的多次重复。

单一水道底部为粗砂岩(偶见砾石，图5a)，内部以细砂—粉砂岩为主，夹泥质薄层，粒度总体较细(图7)。复合水道沉积为多期单一水道垂向叠置，沉积粒度较粗，多以块状砂岩为主，常见砾岩碎屑、角砾混杂。

(2)天然堤—溢岸

天然堤—溢岸沉积主要分布于水道两侧，由泥质和薄层砂岩组成，其沉积亚环境包括近端、远端天然堤、溢岸、滑塌体等。天然堤形成于水道重力流越岸或溢流，当高速重力流冲垮水道堤岸时，由于粗粒碎屑不能越过天然堤，其仍在河道中被搬运到远端，而细粒沉积物则越过河岸，沉积于天然堤环境，所以天然堤近端沉积厚度较大，远端沉积厚度较小，呈楔状(图4)，岩性上表现为极细砂—细砂岩与泥岩互层(图5c)。

(3)末端朵体

朵体，呈朵叶状，宽厚比较高(>500∶1)，粒度分布窄，侵蚀特点少，砂体侧向连续性好，在地震剖面上表现为平行强反射(图4)。据外部形态，朵体沉积有块状和层状两种类型，其中块状多位于朵体近端，砂地比高；层状多位于远端，砂地比低；平面上和纵向上，两种形态可相互过渡。岩性上多表现为薄层泥岩、粉砂岩互层，发育水平层理(图6c)。

(4)块体搬运沉积

块状搬运沉积是由超压引起沉积物再搬运而成，常呈丘形，地震相变化较大，有平行、逆冲、旋转块、杂乱、丘状反射，连续性差且振幅多变[21]。作为深水沉积重要组成部分，块体搬运沉积包括滑塌、滑块、块体流、碎屑流、坡身失稳复合体、块体复合体等，岩性上常以泥质为主，多直接发育于层序界面之上，对下伏地层侵蚀明显，顶部被水道—堤岸沉积物覆盖，其与浊流沉积形成的浊积岩和砂质碎屑流形成的沉积区别明显(图5c)。

图7 下刚果—刚果扇盆地A区块单一水道沉积特征及岩心照片Fig.7 Sedimentary characteristics and core photographs of single channel in block A, Lower Congo-Congo Fan Basin

3.2 发育演化

基于区内高品质的三维地震数据体，利用均方根振幅(RMS)地震属性分析，对中新统各三级层序(SQ1-SQ4)深水水道体系的发育演化特征进行了刻画。

3.2.1 早中新世(SQ1沉积时期)

深水水道体系主要发育在研究区东部(靠近陆缘一侧)且在中东部最为发育，表现为多个“弱受限—不受限的加积型水道或末端朵体”沉积，相互之间的发育规模有所差异，轴向均呈北西—南东向，而研究区西部(远离陆缘一侧)则以海相泥质充填为主，偶见小型重力流水道绕过盐构造向前推进，但其推进距离有限、发育规模较小(图8a)。

3.2.2 早中新世(SQ1沉积时期)

中中新世初(SQ2沉积时期)，重力流沉积遍布整个研究区且类型多样，可见“弱受限—不受限的加积型水道或末端朵体”、废弃水道、“弱受限侵蚀—加积型水道”以及“受限侵蚀型复合水道”等沉积，其中“弱受限—不受限的加积型水道或末端朵体”沉积主要发育在靠近陆缘的中东部、东南部地区，废弃水道沉积偶见发育，而“弱受限侵蚀—加积型水道”沉积最为发育，其在地震属性图上呈现出“宽度窄、弯曲度高”的平面特征并向陆过渡为“受限侵蚀型复合水道”沉积，宽度变大且更为平直(图8b)。

3.2.3 中中新世末(SQ3沉积时期)

重力流沉积在整个研究区大规模发育，包括：占据了研究区中东、中西部的大面积“弱受限—不受限的加积型水道或末端朵体”沉积，仅在研究区中部发育的小规模“弱受限侵蚀—加积型水道”沉积以及分布在研究区中东部及北部的大型“受限侵蚀型复合水道”沉积等。值得一提的是，研究区中部存在一条发育较为完整的重力流水道，自东向西，可见其从“受限侵蚀型复合水道”，分化出3条“弱受限侵蚀—加积型水道”并最终演变成“弱受限—不受限的加积型水道或末端朵体”(图8c)。

3.2.4 晚中新世(SQ4沉积时期)

区内重力流沉积的发育规模整体一般且主要表现为“过路侵蚀型孤立水道”，具体包括：2条近“北西—南东”走向、演化较为完整的重力流水道沉积以及研究区东北角发育的2条“过路侵蚀型孤立水道”。其中，2条重力流水道沉积均具有以靠近陆缘的多条窄长而平直的“过路侵蚀型孤立水道”西向汇聚成一条宽且短的“受限侵蚀型复合水道”并继续向前推进、最终演化成“弱受限—不受限的加积型水道或末端朵体”的特征(图8d)。

图8 下刚果—刚果扇盆地A区块中新统各三级层序(SQ1-SQ4)深水道体系发育和演化特征的RMS地震属性解释 IC.过路侵蚀型孤立水道; RC.受限侵蚀型复合水道; WRC.弱受限侵蚀—加积型水道; SL.弱受限—不受限加积型水道/末端朵体; AC.废弃水道; S.岩体Fig.8 Interpretation of root mean square (RMS ) amplitude seismic slice at the base of SQ1-SQ4, showing the development and evolution characteristics of the Miocene deep-water channel systems in block A, Lower Congo-Congo Fan Basin

综上可见，区内中新统重力流沉积大体经历了4个演化阶段(图6，8)：(1)早中新世，主要发育“弱受限—不受限的加积型水道或末端朵体”；(2)中中新世初，以发育“弱受限的侵蚀型—加积型水道”为主；(3)中中新世末，“受限侵蚀型水道”的发育占据主导；(4)晚中新世，多见“孤立侵蚀型过路水道”。

4 控制因素讨论

研究区内中新统重力流沉积的发育、演化，受到了构造运动—物源供给、古气候—海平面变化以及盆地古地貌(如坡度及盐构造)的综合控制。

4.1 构造运动—物源供给

渐新世—上新世，西非下刚果地区的热沉降作用较弱，挠曲隆升作用却呈现出加强趋势[21]，意味着区域性构造挤压背景的整体持续性存在并影响了物源供给：渐新世末(约23 Ma)，非洲大陆板块与伊比利亚板块发生碰撞挤压[21]，到早中新世末—中中新世初(约14 Ma)，造山作用达到高潮，相应的陆缘抬升速率一度高达5 m/My[22]，致使西非陆缘抬升暴露、遭受剥蚀，为下中新统重力流沉积体系的发育提供了充足的物源，下刚果—刚果扇盆地的沉积速率逐渐增大，在早中新世末高达75×104kg/My证实了这一点[22]；进入中中新世，西非陆缘的抬升速率有所降低，从5 m/My逐渐降至1 m/My，表明物源区继续发生抬升和暴露剥蚀，为下刚果—刚果扇盆地物源充足并发生快速沉积(沉积速率一度超过了10×105kg/My)提供了可能[22]，从而在一定程度上控制了研究区中中新统深水重力流水道的多期复合、叠置；晚中新世，西非海岸进一步发生抬升，抬升速率4 m/My，隆升高度约300 m[23]，同样造成了一定物源向深水盆地推进而发育重力流沉积[14]。

4.2 古气候—海平面变化

深海钻探有孔虫δ13C、δ18O记录研究结果[24-25]表明，始新世—渐新世(约34 Ma)，全球古气候条件开始从温室期向冰期转变，至早中新世末—中中新世初(约14 Ma)，冰期完全建立并持续到了3.4 Ma[26]。冰期气温过低、海平面变化频繁且幅度较大(整体表现为大幅度下降)等一系列环境因素[27]，极大程度上限制了区内碳酸盐岩沉积，使得大量陆缘碎屑得以向深水盆地搬运而发育大规模深水重力流沉积体系[28]。而单从海平面变化[29]的角度来说：早中新世(约23～16 Ma)，海平面早期发生下降，后期又出现回升，整体仍处于高位期，这可能是研究区SQ1主要发育“弱受限—不受限的加积型水道或末端朵体”沉积的重要原因；中中新世(约16～11 Ma)，前期(约16～14 Ma)海平面下降幅度较低，而中中新世“冷气候”发生后(约14 Ma)，海平面大幅度下降(超过100 m)，可能是研究区SQ2、SQ3分别发育弱受限的侵蚀—沉积型水道和受限的侵蚀型复合水道的重要因素；晚中新世(约11～5 Ma)，海平面整体进一步下降(约20 m)，一定程度上可能控制了SQ4主要发育孤立侵蚀型过路水道。

4.3 盆地古地貌

4.3.1 古地貌坡度

早中新世，大幅度构造隆升、强烈剥蚀，物源供给充足(沉积速率较大)，冰期气候(一直延续到3.4 Ma)等有利于发育重力流沉积，但由于海平面先下降后回升，致使相对海平面相对较高，研究区可能位于下陆坡—盆底，相应的地貌坡度过小且重力流作用很弱，进而控制了SQ1主要发育“弱受限—不受限的加积型水道或末端朵体”(图4，8a)。中中新世，小幅度构造隆升、持续剥蚀，物源充足(沉积速率很大)，冰期气候致使海平面前期缓慢下降，后期急剧下降，相对海平面整体表现为持续下降，研究区逐渐向下陆坡—中陆坡过渡：前期可能位于下陆坡，地貌坡度较小且重力流作用不够强烈，相应控制了SQ2主要发育弱受限的侵蚀—沉积型水道(图4，8b)；后期可能位于中陆坡，地貌坡度变大且重力流作用强烈，相应控制了SQ3主要发育受限的侵蚀型水道(图4，8c)。晚中新世，再次大幅度构造隆升、强烈剥蚀，具备一定物源条件(搬运方向转向西北，区内沉积速率较低)，冰期气候致使海平面进一步下降，相应的相对海平面进一步下降，研究区最终位处上陆坡，重力流作用比较强烈，从而控制了SQ4主要发育孤立侵蚀型过路水道(图4，8d)。

总体而言，中新世持续性构造隆升与剥蚀、充足物源，冰期气候以及海平面变化等因素，共同导致了相对海平面的整体持续性下降。相应地，研究区的地貌位置可能由下陆坡—盆底先后退到了下陆坡、中陆坡和上陆坡，而坡度的变化也影响了重力流作用的强弱并控制了深水水道体系的发育、演化[20]。

4.3.2 盐构造活动

作为典型的含盐被动陆缘盆地，下刚果—刚果扇盆地盐构造活动强烈[30]，对重力流沉积的发育具有重要的改向、限制、封堵(图8d)、迁移或破坏作用：水道发育过程中，遭遇沉积前盐构造(构成了正向地貌单元、但已停止活动的盐体)时，会优先改向以绕过盐构造而继续向前推进，如水道推进路径的两侧均有盐构造发育，水道将被限制在盐构造构成的缝隙间穿行，如盐构造规模过大而无法绕过或通行，水道即被封堵而就地堆积[31]；水道发育过程中，遭遇同沉积盐构造(正在活动的盐构造)时，如盐构造隆升速率较快、水道侵蚀速率小，水道(轴部)将朝构造低部位部发生侧向迁移，反之，水道将凭借侵蚀作用而穿过盐构造[32]；如水道形成后发生盐构造活动，水道沉积可能因抬升、剥蚀而被破坏[33]。

5 结论

(1)下刚果—刚果扇盆地A区块中新统可划分为4个三级层序(SQ1-SQ4)，大体对应于下中新统、中中新统下段、中中新统上段及上中新统，所发育的深水水道体系岩性上以砂岩为主，可见鲍马序列以及泄水、碟状构造、负载构造等变形构造，沉积单元主要包括水道、天然堤—溢岸、末端朵体和块体搬运沉积等。

(2)区内中新统重力流沉积大体经历了4期发育、演化阶段：早中新世，以发育弱受限—不受限的加积型水道或末端朵体为主；中中新世初，主要发育弱受限的侵蚀型—加积型水道；中中新世末，受限侵蚀型水道的发育占据主导；晚中新世，多见孤立侵蚀型过路水道。

(3)构造运动—物源供给、古气候—海平面变化以及盆地古地貌(如坡度及盐构造)共同控制了区内中新统重力流沉积的发育、演化：构造隆升与剥蚀、冰期气候以及海平面变化等因素，为重力流沉积的发育提供了充足物源并可能致使研究区的地貌位置由下陆坡—盆底先后退到了下陆坡、中陆坡和上陆坡；坡度变化影响了重力流作用的强弱，从而控制了重力流沉积的发育和演化；盐构造活动对重力流沉积的发育具有重要的改向、限制、封堵、迁移或破坏作用。