深水沉積

在海上油氣勘探開發中，“深水”一詞具有2層含義：①深水沉積，主要指水深大於300 m環境下形成的沉積物或儲層，多出現在陸架坡折處及以下，通常是以重力流和海底流為主的沉積體系；②深水鑽探，指現今水深大於500 m的油氣勘探，大於1 500 m水深則稱超深水。深水鑽探時，儲層不一定是深水沉積；而儲層為深水沉積時，鑽探本身也可能在陸上或淺水區進行。但巧合的是，世界上許多含油氣盆地中，不少深水鑽探所發現的油氣田，其儲層也主要為古深水沉積，如南大西洋兩岸及墨西哥灣等地區。

基本介紹

• 中文名：深水沉積
• 外文名：deep water deposition
• 釋義：水深大於300米的沉積物
• 發展：分兩個階段
• 沉積模式：濁流沉積模式等7個
• 學科：地質科學

釋義

在海上油氣勘探開發中，“深水”一詞具有2層含義：①深水沉積，主要指水深大於300　m環境下形成的沉積物或儲層，多出現在陸架坡折處及以下，通常是以重力流和海底流為主的沉積體系；②深水鑽探，指現今水深大於500　m的油氣勘探，大於1　500　m水深則稱超深水。深水鑽探時，儲層不一定是深水沉積；而儲層為深水沉積時，鑽探本身也可能在陸上或淺水區進行。但巧合的是，世界上許多含油氣盆地中，不少深水鑽探所發現的油氣田，其儲層也主要為古深水沉積，如南大西洋兩岸及墨西哥灣等地區。

深水沉積研究進展

自濁流理論形成與建立以來的60餘年裡，伴隨著深水油氣勘探技術手段的發展，深水沉積研究已取得長足進展。總體上，深水沉積研究的發展可以分為2個階段，即基於濁流理論的鮑瑪（Bouma）序列和海底扇沉積模式建立與發展階段，以及基於碎屑流的斜坡沉積模式建立與發展階段。

在第一發展階段（20世紀60—90年代初期），深水沉積研究得到了極大豐富，主要表現在2個方面，即Bouma序列的建立及基於Bouma序列的多個經典扇模式的建立與廣泛使用。特別是在20世紀70—80年代，以Normark現代扇模式（1970，1978）、Mutti等古代扇模式（1977）、Walker綜合扇模式（1978）、Vail等層序地層格架中低位扇模式（1991）及Reading等深水扇12分模式（1994）等為代表的沉積模式最具影響力，並指導石油勘探獲得了許多油氣發現。

在第二發展階段（20世紀90年代後期至今），以Shanmugam為代表的一批學者，對Bouma序列及相關扇模式提出了廣泛的質疑。特別是通過對全世界多個地區的岩心與經典濁積岩露頭仔細觀察與描述，以及對現代濁流沉積重新研究，Shanmugam等提出和建立了基於砂質碎屑流概念的斜坡沉積模式。該模式是對Bouma序列與相關扇模式的重要補充，並在全球地學界產生了巨大影響，從而也標誌著深水沉積研究又進入了一個新階段。

總的來說，在深水沉積研究2個重要發展階段所形成的7個具有影響力和代表性的沉積模式都具有不同的形成背景及局限性，但每一個新的沉積模式的建立，無論是對先前沉積模式的完善還是否定，都是對深水沉積研究的發展與豐富。從這些代表性的沉積模式中，我們可以更深入地了解關於深水沉積過程和沉積作用等方面的研究進展。

濁流沉積模式（鮑瑪序列）

1936年，Daly第一次套用密度流觀點來解釋海底峽谷的形成；1938年，Johnson首次將這種密度流稱為濁流。特別是自1950年Kuenen等發表“粒序層理由濁流形成”一文以來的60餘年裡，濁流理論及相關濁流沉積模式對開展深水沉積研究和指導石油勘探均產生了重要影響，並因此獲得了許多重要的油氣發現。1962年，Bouma根據野外觀察，系統總結了一次性濁流沉積在垂向上的結構構造和岩相組合特徵，建立了一套濁積岩沉積序列，即鮑瑪序列，該序列作為濁積岩的經典標準序列逐漸為大多數學者所接受，至今仍廣泛套用於深水沉積研究中。

現代扇模式

1970年，Normark通過研究一些規模較小的富砂現代扇，如加利福利亞近海岸的Lucas和Navy扇，建立了現代扇模式，這也是在深水沉積領域首次得以廣泛套用的海底扇模式。在這個模式中，他提出了“疊覆扇”（su－prafan）概念，用來描述那些發育於上扇切谷水道末端的朵葉狀沉積體。這類沉積體屬於快速沉積的粗碎屑濁流，疊覆扇朵葉體在高解析度地震剖面上呈丘形。該模式緣於主動大陸邊緣背景，總體上以粗碎屑沉積為主，平面形態多呈短軸狀和扇狀特徵。Normark現代海底扇模式強調了疊覆扇的生長活動，並提出了廢棄疊覆扇的概念，這對以後研究深水沉積體的時空發育與演化具有積極意義。然而需要指出的是，丘狀形態並不是疊覆扇所獨有，碎屑流與滑塌沉積同樣也能產生丘狀外形。

古代海底扇模式

1972年，Mutti等基於對義大利和西班牙地層露頭的研究提出了古代海底扇模式。這個模式較好地推廣和普及了2個概念，即帶有水道的海底扇（位於中扇）和沉積朵葉體（位於下扇）。Mutti等第一次把沉積朵葉體套用於古代深海扇研究中。在該模式中，沉積朵葉體的主要特徵包括：①通常發育在海底扇水道口及附近，類似於三角洲體系中的河口壩；②底部水道化特徵不發育；③由典型濁積岩組成向上變厚的沉積旋迴；④厚度為3～15　m；⑤呈席狀的幾何形態。Mutti等還給出了海底扇的相模式：海底扇一般為自下而上變厚變粗的序列特徵，上扇與下扇均為反韻律，中扇由於發育分流水道而呈正韻律。相比較而言，Normark在現代扇模式中提出的疊覆扇是指上扇切谷水道末端的粗碎屑濁流朵葉體，流體能量較強，且沉積體內水道可能較發育，此類沉積體也叫做水道化朵葉體；而Mutti等在古代海底扇模式中提出的沉積朵葉體，是指流體能量不斷減弱條件下，位於下扇的一套水道相對不發育的濁流朵葉體。

綜合扇模式

1978年，Walker把Nor－mark現代扇模式中的主要元素和Mutti古代海底扇相模式結合起來，提出了一個綜合扇模式。在該模式中，上扇區發育一個主供給水道，中扇和下扇區發育疊覆扇朵葉體，特別是穿過中扇和下扇還有一個向前延伸很遠的切入水道，並在早期扇體的前端形成了一個新的扇體。綜合扇模式的優點是在前人研究基礎上對海底扇相模式作了進一步細化，給出了海底扇向盆內推進的理想模式，並且較好地對扇體不同部位的岩相進行了預測；其不足之處是相對過於簡單，沒有考慮構造背景、物源類型及海平面變化等因素的綜合控制。隨著2D和3D地震的廣泛運用，以及對深水沉積認識的不斷加深，Walker也認為綜合扇模式不能很好地代表所有深水沉積。儘管如此，在20世紀70—80年代，綜合扇模式最為經典，並且因為其良好的預測能力而在油氣勘探開發領域一直都有著非常重要的影響力。

盆底扇和斜坡扇模式

1987年，Vail等基於對被動大陸邊緣盆地的研究提出了層序地層學概念以及包括盆底扇和斜坡扇模式在內的相關沉積模式。層序地層學的核心是研究全球海平面升降變化對沉積作用的控制，其中層序及體系域是全球海平面升降、地殼沉降以及沉積物供給之間相互作用的產物，而一個層序單元主要由低位體系域、海進體系域和高位體系域組成。層序地層學建立的盆底扇和斜坡扇深水沉積模式是指深水沉積的碎屑岩儲層主要分布在低位體系域中，即在相對海平面下降及上升早期形成，包括盆底扇、斜坡扇（水道、天然堤）和進積楔狀體沉積等。Vail的盆底扇和斜坡扇模式強調了深水低位扇沉積與層序地層發育演化的關係，獲得了大多數學者的認同，並在油氣勘探實踐中得到了廣泛套用。層序地層學理論自1987年問世以來，在地學界掀起了一場革命，對整個層序地層研究領域具有里程碑式的意義，但由於它是起源於被動大陸邊緣盆地的研究，因此不可能靠這樣一個模式來總結出全球不同盆地、不同地質條件下的深水沉積特徵。特別是更多鑽探已揭示，不僅僅是在低位體系域，在海進體系域與高位體系域也發育有重要勘探價值的深水沉積儲層。例如，在有些盆地記憶體在規模較大且橫穿陸架的切谷，可以在海進和高位體系域沉積時期比較容易地捕獲一些被沿岸流、潮汐流改造和搬運到切谷附近的沉積物，從而經切谷進入斜坡及以下地區，形成海進或高位體系域的深水扇沉積。另外，層序地層學建立的盆底扇和斜坡扇模式在斷陷湖盆等類型盆地中的套用也具有一定局限性。

深水扇12分模式

1994年，Reading等基於物源供給形式將深水扇體分為3類，即點物源水下扇、多物源水下斜坡扇和線物源水下裙。再依據富泥型、砂泥混和型、富砂型、富礫型等4種沉積物顆粒大小的端元將3類扇體進一步劃分為12種，即富泥、砂泥、富砂、富礫型的點物源水下扇、多物源水下斜坡扇和線物源水下裙，這12種類型分別對應不同的深水扇相模式。Reading等建立的深水扇12分模式，充分考慮了沉積物源條件與深水沉積特徵的關係，較好地描述了深水沉積的幾何形態、分布和儲層內部特徵等方面的多樣性。然而，深水沉積並不總是表現為非扇即裙的模式，如深水形成的峽谷與水道充填物、崗堤狀砂體、舌狀砂體、盆地席狀砂、楔狀體等就屬於非扇狀深水沉積。同時，深水沉積的影響因素也不僅僅局限於沉積物源與粒度，而構造、氣候、海平面升降等因素對深水沉積的發育、分布、形態和沉積特徵等都具有重要影響。

砂質碎屑流模式

20世紀90年代以來，Shanmugam等通過對法國東南部阿爾卑斯山脈地區Annot砂岩、北海白堊系和古新統深水塊狀砂岩、挪威海域白堊系、奈及利亞海域上新統、加彭海域白堊系、墨西哥灣上新統—更新統，以及美國沃希托山脈的賓夕法尼亞亞系等的研究，指出許多以前解釋為高密度濁流成因的沉積應該為砂質碎屑流，並建立了一個深水砂質碎屑流斜坡沉積模式。

深水沉積前緣問題

深水沉積研究是一個不斷發展和完善的過程，隨著研究手段不斷豐富，資料不斷積累，研究不斷深入，一些舊有沉積模式的局限性和問題也不斷顯現，學者們甚至紛紛拋棄了自己早期所建立的扇模式，就連濁流與濁積岩這樣得到廣泛使用的基本概念和術語也受到了廣泛地質疑與爭論。在諸多關於深水沉積的爭論中，以Shanmugam的論述最為全面與清楚，他認為在過去50年間濁積岩模式創造了10大深水濁積岩的神話，並一一進行了剖析。這10大神話歸結起來主要就是關於濁積岩和鮑瑪序列問題、砂質碎屑流與高密度濁流問題的討論，而這2個問題也正是當前深水沉積研究爭論的熱點與難點。

關於濁積岩和鮑瑪序列問題

傳統的濁積岩概念和作為濁積岩經典序列的鮑瑪序列，目前已越來越受到了學者們的廣泛質疑。在濁積岩概念之上建立起來的海底扇模式把幾乎所有深水砂岩解釋為濁積岩成因，這是數十年來深水沉積研究爭論的焦點。關於濁積岩和鮑瑪序列問題，目前普遍的認識主要有2個方面。

1）濁積岩只是深水沉積岩的一種。依據沉積物的供給方式，並結合流體性質與支撐機制的變化，筆者將深水碎屑岩沉積劃分為海底扇沉積、塊體流沉積、海底流沉積、遠洋沉積等4種深水沉積體系及10種沉積組合類型。一方面，在深水重力流的形成、發展和消亡過程中，由於水的加入與混和稀釋、地形與流體能量的逐漸變化等，往往發生碎屑流、濁流、牽引流等多種流態間的轉換，從而可以形成包括碎屑流沉積、濁流沉積等在內的多種深水沉積及其共存的沉積組合，如海底扇沉積體系、塊體流沉積體系等，其中的沉積組合變化就體現了流體性質與流態的變化。應該說，濁流只是其中的一種流體類型，這是深水重力流發育演化的一般規律。另一方面，根據鮑瑪序列的描述，濁積岩主要是指中—細粒砂岩，而現今已經發現了更多的粗碎屑深水沉積物。實際上，深水沉積可以涵蓋泥級、砂級、礫級等各種粒徑的沉積物。所以，真正由濁流形成的、具有鮑瑪序列的濁積岩，其實只是深水沉積的一個類別而已，這也是目前更多學者傾向於用深水扇來作為形成於各種成因背景下的深水沉積統稱的主要原因，而不是繼續沿用濁積岩或濁積扇作為深水沉積的代名詞。

2）鮑瑪序列是多流態形成的岩相組合。隨著深水牽引流沉積研究的深入，鮑瑪序列的多解性越來越明顯，目前鮑瑪序列的Ta—Te各段均有著不同的成因解釋。如鮑瑪序列的Ta段，除濁流成因外，還被解釋為砂質碎屑流、顆粒流等重力流沉積；鮑瑪序列Tb、Tc、Td段，除濁流成因外，還被解釋為深水底流沉積及床底負荷的牽引流沉積等。根據濁流最初的定義，在真正的濁流中，沉積物被湍流支撐，通常只發生懸浮沉積，呈正遞變層理。因此，現在不少學者認為，鮑瑪序列中發育遞變或塊狀層理的Ta段可能為懸浮沉積成因，即仍屬於濁流的沉積產物。Lowe進一步指出，Ta段是一種砂質高密度濁流懸浮沉積產物，而Tb、Tc段中發育的平行層理與波紋層理是典型牽引流的標誌。Bouma也認識到，出現這類層理構造與濁流最初的定義不一致，該沉積單元應屬於牽引流沉積。總之，目前普遍認同的觀點是，Bouma序列是客觀存在的，只是其成因存在多種解釋，它不僅包含有濁流沉積，實質上更是多流態形成的岩相組合。

關於砂質碎屑流與高密度濁流問題

隨著油氣勘探的深入，發現了更多粗碎屑的深水沉積儲層。在解釋這些粗碎屑沉積時，Lowe引入了高密度濁流的概念，並建立了牽引沉積（R1）、牽引毯沉積（R2）和懸浮沉積（R3）組成的礫質高密度濁流沉積，以及牽引沉積（S1）、牽引毯沉積（S2）和懸浮沉積（S3）組成的砂質高密度濁流沉積的理想沉積序列。也就是說，粗碎屑沉積可以是濁流成因。

Lowe認為粗砂岩和細礫岩是在紊流充分條件下形成的濁流，具有不穩定性，一些砂礫會首先負荷沉積下來形成砂礫質床底，並被上面密度流牽引，形成具有牽引層理的S1段沉積；隨著不穩定性的持續存在，粗顆粒繼續向底部增加，由顆粒碰撞產生分散應力支持，形成顆粒流層，出現具反遞變層理的牽引毯沉積（S2）；當沉積地形變緩、流體能量明顯減弱和流速突然變小時，部分沉積物迅速卸載，形成S3段懸浮沉積（相當於鮑瑪序列Ta段）。

然而，Shanmugam認為Lowe所說的砂質高密度濁流沉積並非紊流成因，並指出以前許多解釋為高密度濁流成因的沉積應該為砂質碎屑流成因。的確，砂質碎屑流概念的提出在國內外影響較大，其優點是較好地解釋了成因不太清楚的深水“塊狀砂岩”沉積，不過它卻並不能對正遞變深水粗碎屑沉積岩以及多岩相共存的粗碎屑沉積岩給出更好的解釋。