張磊夫,吳陳君,蘇 洋，郭艷軍,王紅亮

[1.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871； 2.甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000； 3.中國(guó)石油 長(zhǎng)城鉆探工程技術(shù)研究院，遼寧 盤(pán)錦 124010； 4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083]

愛(ài)爾蘭克萊爾盆地Ross Sandstone組深水濁積巖露頭高分辨率層序地層學(xué)

張磊夫1,吳陳君2,蘇 洋3，郭艷軍1,王紅亮4

[1.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871； 2.甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000； 3.中國(guó)石油 長(zhǎng)城鉆探工程技術(shù)研究院，遼寧 盤(pán)錦 124010； 4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083]

應(yīng)用高分辨率層序地層學(xué)原理和分析方法，通過(guò)對(duì)愛(ài)爾蘭西海岸Ross Sandstone組深水濁積朵葉體露頭的詳細(xì)研究，基于側(cè)向穩(wěn)定展布的泥巖段、沉積構(gòu)造與巖相組合、砂巖融合的程度以及沉積物的樣式與厚度4個(gè)方面，建立了研究區(qū)高分辨率層序地層格架，探討了深水濁積朵葉體的沉積模式及不同層次基準(zhǔn)面旋回的控制因素。研究表明，富含有機(jī)質(zhì)與棱菊石化石的遠(yuǎn)洋泥巖是長(zhǎng)期基準(zhǔn)面旋回的界面。在長(zhǎng)期旋回內(nèi)，側(cè)向展布數(shù)千米至數(shù)萬(wàn)米的薄層泥巖夾粉砂巖是中期基準(zhǔn)面旋回的界面。每一個(gè)中期旋回都由數(shù)個(gè)相互疊置的向上變厚旋回組成，單個(gè)向上變厚旋回通常由底部薄層泥巖夾粉砂巖開(kāi)始，往上逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹駥拥臒o(wú)構(gòu)造砂巖；其厚度通常為0.5～7 m，并可穩(wěn)定延伸數(shù)百米至數(shù)千米，反映了朵葉體的持續(xù)前積作用。

基準(zhǔn)面旋回；向上變厚旋回；沉積模式；高分辨率層序地層學(xué)；深水濁積朵葉體；克萊爾盆地；愛(ài)爾蘭

普遍認(rèn)為深水沉積具有重復(fù)的旋回特征[1-5]：從下而上包括底部混雜MTD沉積物(Mass Transport Deposits，包括滑動(dòng)、滑塌等)；富砂的、以砂泥互層為主的濁流沉積物；陸坡峽谷/水道——天然堤；最終被區(qū)域遠(yuǎn)洋沉積/凝縮段所覆蓋。傳統(tǒng)的層序地層學(xué)研究認(rèn)為深水沉積主要發(fā)育于相對(duì)海平面較低的時(shí)期(LST低位域)，并將不整合面[6]或最大洪泛面[7]作為層序劃分與對(duì)比的最重要界面，但這些研究在深水儲(chǔ)層勘探開(kāi)發(fā)的實(shí)際應(yīng)用中尚存在一些問(wèn)題與困難。首先，與陸相/淺水陸坡沉積不同，深水沉積總是發(fā)育于水下，標(biāo)志著水深突然增加的洪泛面[8]較難識(shí)別。其次，在構(gòu)造活動(dòng)頻繁的情況下，可容納空間可能一直維持在較高的水平[9]，相對(duì)海平面變化對(duì)沉積并沒(méi)有明顯的影響。在陸坡峽谷較短且陸上供應(yīng)充足的特殊情況下，深水沉積甚至在高位域時(shí)期有更好的發(fā)育[10]。再者，傳統(tǒng)的層序地層學(xué)研究多基于地震數(shù)據(jù)，受較大水深的影響，深水地震數(shù)據(jù)一般質(zhì)量較差，多解性較強(qiáng)，難以有效地預(yù)測(cè)和對(duì)比沉積時(shí)間較短、厚度較小的砂體(如濁積朵葉體砂體)。

露頭資料是最直觀與真實(shí)的資料，較之地震資料與鉆井資料具有更高的分辨率，因此高質(zhì)量露頭是進(jìn)行高分辨率地層學(xué)研究的理想場(chǎng)所。本文運(yùn)用高分辨率層序地層學(xué)理論[11-12]對(duì)愛(ài)爾蘭西海岸高質(zhì)量Ross Sandstone組濁積巖露頭進(jìn)行了精細(xì)研究，重點(diǎn)探討了深水濁流朵葉體沉積中不同層次基準(zhǔn)面旋回的識(shí)別標(biāo)志，研究了不同層次基準(zhǔn)面旋回內(nèi)部的砂體展布特征，建立了研究區(qū)深水沉積模式，并探討了不同層次基準(zhǔn)面旋回的控制因素及其與深水構(gòu)型層次單元的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是高分辨率層序地層學(xué)在深水沉積應(yīng)用的一次新穎嘗試。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

愛(ài)爾蘭西部的石炭紀(jì)克萊爾盆地(Clare Basin)是典型的構(gòu)造限制盆地，普遍認(rèn)為其可以與北美墨西哥灣的一系列含油氣盆地直接類(lèi)比[13-14]。在克萊爾盆地的沉積過(guò)程中，發(fā)育了一系列富含海相動(dòng)物群化石的薄層細(xì)粒黑色泥巖凝縮段(Marine bands)。這些泥巖段每隔0.065～0.1 Ma出現(xiàn)一次，由冰川-海平面變化所控制，且側(cè)向發(fā)育穩(wěn)定，因此可作為良好的標(biāo)志層[13-14]?？巳R爾盆地的沉積主要發(fā)育于納繆爾期，其下部為維憲期由區(qū)域地殼伸展導(dǎo)致的厚層石灰?guī)r沉積。納繆爾期地層可劃分為Shannon 群與Central Clare群。在早納繆爾期，克萊爾盆地?cái)U(kuò)張至Kerry與Limerick地區(qū)，但是物源匱乏，在整個(gè)盆地沉積了一套約180 m厚的黑色層狀泥巖(Shannon 群Clare Shales 組)。隨后，Shannon河河口附近區(qū)域逐漸成為沉積中心，并發(fā)育了厚度約300～400 m的深水濁積巖(Shannon 群Ross Sandstone 組)。Ross Sandstone組在愛(ài)爾蘭西部Clare地區(qū)西南部厚度最大(400 m)，來(lái)自于南部與西南部的河流體系提供了富含泥、粉砂與細(xì)砂的物源，因此Ross Sandstone 組的濁積巖沉積以細(xì)砂巖為主(含量約65%)，其次是薄層泥巖與滑塌沉積物。隨著沉積物不斷充填，盆地逐漸變淺，沉積逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定陸坡沉積(Shannon 群Gull Island 組)，沉積物以滑塌變形的泥質(zhì)沉積為主，并最終被陸相的河流—淺水三角洲沉積物覆蓋(Central Clare 群)。

Ross Sandstone組沉積物可劃分為三大類(lèi)沉積單元：席狀砂/朵葉體，水道和泥質(zhì)單元[13]。朵葉體以厚層細(xì)砂巖夾薄層泥巖/粉砂巖為主，一般呈席狀/板狀，側(cè)向延伸可達(dá)數(shù)萬(wàn)米并可穩(wěn)定對(duì)比。水道以無(wú)構(gòu)造厚層砂巖為主，通常較淺(<10 m)，且呈現(xiàn)充填-溢出模式[15]。泥質(zhì)單元包括凝縮段、滑塌沉積物和區(qū)域薄層泥巖。

從下往上，Ross Sandstone組沉積物中的朵葉體所占比例逐漸變少，而滑塌沉積逐漸增多，反映了水體逐漸變淺，地形坡度逐漸變大，沉積環(huán)境從海底平原逐漸向更陡更淺的陸坡(Gull Island組)轉(zhuǎn)變。值得注意的是，Ross Sandstone組中重復(fù)出現(xiàn)一種向上變厚的旋回(Thickening—upward cycle:Tuc)，即由底部的薄層泥巖，含爬升層理、平行層理粉砂巖向上轉(zhuǎn)變?yōu)榈酌婢哓?fù)荷構(gòu)造、內(nèi)部砂巖融合現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)的厚層砂巖。單個(gè)旋回一般厚0.5～7 m，側(cè)向連續(xù)可達(dá)幾百米至數(shù)千米，旋回上部厚層砂巖的頂面可出現(xiàn)“巨型槽痕”(“Megaflute”，向下沖刷可達(dá)2m)。目前，關(guān)于這種重復(fù)出現(xiàn)的向上變厚旋回以及伴生的巨型槽痕的發(fā)育機(jī)理尚有爭(zhēng)議，沉積學(xué)家提出了多種沉積模式加以解釋?zhuān)ㄋ纻?cè)端決口朵葉體模式[13]、水道前端朵葉體沉積模式[14,16-18]和水道—水道翼部模式[15]等。本文采用水道前端朵葉體沉積模式，主要基于3個(gè)方面：①向上變厚旋回在全球各水道前端濁積朵葉體沉積中均有出現(xiàn)；②沉積物呈席狀，側(cè)向延續(xù)數(shù)千米并可穩(wěn)定對(duì)比，這是朵葉體沉積的重要標(biāo)志；③向上變厚旋回的厚度、寬度、巖相組合與全球其他濁積體系中的水道前端朵葉體相似。

2 露頭沉積地層特征

研究區(qū)位于克萊爾盆地西部(圖1a,b)，沉積物以Ross Sandstone 組濁積巖為主[13-14]，在沿大西洋海岸線分布的斷崖中有非常良好的出露，且側(cè)向連續(xù)性良好(圖1c)。由于水道化程度低，側(cè)向連續(xù)性好，垂向分辨率高，尤其是古水流方向近似垂直于露頭走向[14]，因此是對(duì)深水濁積朵葉體進(jìn)行高分辨率層序地層學(xué)研究的良好場(chǎng)所。

圖1 愛(ài)爾蘭克萊爾盆地地層展布(據(jù)文獻(xiàn)[13],修改)Fig.1 Stratigraphic distribution in the Clare Basin,Ireland (modified from reference[13])

2.1 巖相類(lèi)型

基于沉積相的組合特征，將研究區(qū)地層劃分為五種巖相(圖2)。

A：厚層細(xì)砂巖(圖2a),砂地比接近100%，內(nèi)部除偶見(jiàn)碟狀構(gòu)造外通常不含沉積構(gòu)造;厚度一般大于0.5 m，內(nèi)部砂巖融合現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，砂巖層間相互融合可形成厚度達(dá)3m的單砂層;底面常具負(fù)荷構(gòu)造(圖2f)，頂面可出現(xiàn)沖刷標(biāo)志，指示著朵葉化流體頭部和近源的高密度濁流沉積，沉積能量較高。

B：薄-中厚層砂巖夾薄層泥巖(圖2b)，砂地比一般小于50%，厚度為0.03～0.5 m，內(nèi)部富含平行層理與爬升層理，砂巖融合頻率低-中等，一般位于厚層細(xì)砂巖下方，指示著朵葉化流體偏軸部、中-遠(yuǎn)端沉積，沉積能量中等。

C：層狀泥巖(圖2c)，可含極少的粉砂巖/砂巖夾層，泥巖中可見(jiàn)局部變形；厚度一般為0.2～1 m，指示著朵葉化流體尾部的懸浮沉積，沉積能量較低。

D：富含有機(jī)質(zhì)黑色泥巖(圖2d)，此巖相為深海平原上的遠(yuǎn)洋/半遠(yuǎn)洋懸浮沉積，即上文中提到的凝縮段，指示著盆地范圍的沉積間斷，是作為區(qū)域地層對(duì)比的最重要標(biāo)志層，在研究區(qū)僅出現(xiàn)一次，厚度約0.7 m，富含棱菊石化石(Goniatite)。

E：細(xì)?；练e物(圖2e)，以雜亂泥巖為主，夾少量砂質(zhì)巖屑。此巖相出現(xiàn)在研究區(qū)地層的最上方，標(biāo)志著該時(shí)期沉積坡度較大，水體變淺，應(yīng)指示著小范圍的滑塌事件。

圖2 愛(ài)爾蘭克萊爾盆地露頭研究區(qū)巖相 (黃色標(biāo)尺25 cm)Fig.2 Lithofacies in the Clare basin,Ireland(yellow ruler is 25 cm)

研究區(qū)的濁積巖通常表現(xiàn)為(從下往上)CBA，CB，CA和CBCA 的組合，整體呈現(xiàn)向上變厚/粗的趨勢(shì)，指示著底部的低密度濁流向頂部高密度濁流的轉(zhuǎn)變。這意味著在特定位置經(jīng)過(guò)的濁流流體能量與體積逐漸增大，反映了朵葉體的持續(xù)前積作用[17]。

2.2 地層對(duì)比

在研究區(qū)選取了多個(gè)觀察點(diǎn)并建立了垂直剖面(圖1c)。注意研究區(qū)的地層雖然垂向出露良好，但受到了華里西期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈影響，發(fā)育了多個(gè)褶皺，這給側(cè)向地層追蹤帶來(lái)了一定的困難。通過(guò)對(duì)選定標(biāo)志層(圖2d)以及對(duì)關(guān)鍵界面(如厚層無(wú)構(gòu)造砂巖頂面)的側(cè)向追蹤，建立了研究區(qū)寬度約1 500 m，厚度約40 m的高分辨率地層剖面。地層剖面底部為一段在研究區(qū)發(fā)育穩(wěn)定的泥巖段，頂部為一套以混雜泥巖為主的滑塌沉積(圖2f)?？傮w而言，研究區(qū)沉積物以相互平行的中厚層細(xì)砂巖夾薄層泥巖為主，且發(fā)育了7個(gè)厚度穩(wěn)定與側(cè)向展布穩(wěn)定的泥巖段(圖2c)，這些泥巖段對(duì)較厚的朵葉體砂體形成了良好的隔擋。在對(duì)南非Karoo盆地[19]與挪威Spitsbergen盆地[20]濁積朵葉體沉積物的研究中，這種厚度穩(wěn)定、側(cè)向展布穩(wěn)定的泥巖段也被廣泛發(fā)現(xiàn)，并被作為區(qū)分上下兩期朵葉體的界面(“Inter-lobe”：朵葉體間泥巖)。

3 露頭高分辨率層序地層劃分

無(wú)論是經(jīng)典層序地層學(xué)還是高分辨率層序地層學(xué)，對(duì)于關(guān)鍵界面的識(shí)別都非常重要。對(duì)深水沉積進(jìn)行高分辨率層序地層學(xué)研究相對(duì)較困難，因?yàn)榕c陸相沉積不同，深水沉積全部發(fā)育于水下，不存在陸相沉積中常被作為關(guān)鍵界面的暴露面與古土壤等。大范圍的不整合面以及盆地范圍的凝縮段可以作為劃分長(zhǎng)期旋回的界面，但是對(duì)更短期基準(zhǔn)面旋回界面的識(shí)別尚有難度。本文嘗試以露頭區(qū)側(cè)向展布穩(wěn)定的泥巖段、沉積相組合與沉積構(gòu)造、砂巖融合程度、沉積物樣式與厚度四個(gè)方面為基礎(chǔ)，識(shí)別與對(duì)比不同層次基準(zhǔn)面旋回。

3.1 濁流沉積中基準(zhǔn)面旋回識(shí)別

3.1.1 側(cè)向展布穩(wěn)定的泥巖段

Ross Sandstone組中發(fā)育多個(gè)凝縮段(Marine band)，最厚的凝縮段厚度約20 m[13-14]。其中約0.7 m厚的凝縮段 “H2c2 Marine band”在研究區(qū)出露(圖2d)，富含有機(jī)質(zhì)與棱菊石化石(Goniatites)，并可在盆地范圍對(duì)比，指示由基準(zhǔn)面上升所導(dǎo)致的水進(jìn)。本時(shí)期發(fā)生的沉積向陸地遷移而無(wú)法到達(dá)盆地深水區(qū)，因此在深水平原區(qū)沉積間斷。此凝縮段具有嚴(yán)格的等時(shí)對(duì)比意義，應(yīng)作為長(zhǎng)期旋回(3級(jí)層序)界面，區(qū)分上下兩期深水扇體。除凝縮段外，研究區(qū)地層中發(fā)育著數(shù)個(gè)穩(wěn)定的泥巖層段，厚度為0.25～1 m不等，內(nèi)部含少量粉砂巖夾層(即巖相C)。泥巖段側(cè)向展布穩(wěn)定，其頂部很少被侵蝕沖刷，且往往覆蓋并填充下方的沖刷溝槽。這些泥巖是兩期朵葉體(厚度2～10 m)的界面。同時(shí)，泥巖側(cè)向發(fā)育數(shù)千米至數(shù)萬(wàn)米，可能指示著連續(xù)兩期朵葉體沉積之間的沉積間斷，是中期旋回(4級(jí)層序)基準(zhǔn)面上升至最高時(shí)的產(chǎn)物。

3.1.2 沉積構(gòu)造與巖相組合

在深水重力流沉積過(guò)程中，當(dāng)A/S比值發(fā)生變化時(shí)，濁積扇體交替發(fā)生進(jìn)積作用或退積作用，導(dǎo)致地形梯度發(fā)生變化，沉積物的相序也發(fā)生相應(yīng)變化：自下而上，鮑馬序列中的波狀層理段/水平層理段/泥巖段、至含分散細(xì)粒砂巖、至枕狀構(gòu)造、至紋理砂巖、至厚層無(wú)構(gòu)造砂巖的相序反應(yīng)了地形梯度逐漸變陡[11-12]。此外，濁流沉積中，砂巖一般由濁流頭部及軀干的砂質(zhì)部分快速卸載形成，沉積時(shí)間較短；泥巖一般為濁流尾部懸浮的泥質(zhì)顆粒緩慢降落而形成，沉積時(shí)間較長(zhǎng)。如上所述，研究區(qū)發(fā)育了A,B,C,D與E五種巖相。泄水構(gòu)造與火焰構(gòu)造指示著快速的沉積，負(fù)荷構(gòu)造指示著較高的沉積能量。這3種沉積構(gòu)造多見(jiàn)于巖相A中。而巖相B中一般發(fā)育平行層理、爬升層理，底部偶爾見(jiàn)小型的負(fù)荷構(gòu)造。巖相C中常見(jiàn)水平層理，指示著非常低的沉積能量。自下至上CBA，CA，CBCBCA的組合在研究區(qū)地層中重復(fù)出現(xiàn)，形成了獨(dú)特的相互疊置的向上變厚旋回(Thickening-upward cycle:Tuc,圖3)，指示由短期基準(zhǔn)面下降導(dǎo)致的沉積能量增加。

3.1.3 砂巖融合的程度

砂巖融合是指示沉積環(huán)境的重要標(biāo)志[21-22]。砂巖融合程度越高意味著較新沉積對(duì)較老沉積的侵蝕程度越高，意味著沉積速率越高，流體能量越大。因此，砂巖融合的程度是指示A/S比值的重要標(biāo)志。基準(zhǔn)面較低時(shí)，較小的可容納空間迫使較新的沉積侵蝕下方已有的沉積物，砂巖融合程度高。尤其是側(cè)向展布穩(wěn)定的泥巖突然被侵蝕時(shí)，標(biāo)志著沉積能量最高，指示著基準(zhǔn)面下降至最低。反之，基準(zhǔn)面較高時(shí)，可容納空間較大，沉積體疊置呈現(xiàn)“補(bǔ)償性疊置”特征，砂巖融合程度較低。在研究區(qū)A和B兩種以砂巖為主的巖相中，巖相A中的砂巖融合程度遠(yuǎn)高于巖相B。值得注意的是，向上變厚旋回可以相互融合(即上部Tuc的底部泥巖段被突然侵蝕,而導(dǎo)致上部Tuc的砂巖與下部Tuc的砂巖直接接觸)從而形成更大規(guī)模的Tuc，但總體向上變厚的趨勢(shì)保持不變(圖3)，指示著局部流體能量達(dá)到最高。Tuc在向上變厚(砂巖厚度)的同時(shí)，伴隨著砂巖融合程度向上增加，再次指示著沉積能量向上增加，基準(zhǔn)面逐漸降低。

圖3 愛(ài)爾蘭克萊爾盆地典型的向上變厚旋回Fig.3 Typical thickening-upward cycles in the Clare basin,Ireland[最下方兩個(gè)Tuc的融合(紅色虛線)；照片為仰拍 (黃色標(biāo)尺25 cm) ]

3.1.4 沉積物的樣式與厚度

在深水濁流沉積中，基準(zhǔn)面較低時(shí)，往往意味著流體體積更大，沉積物的厚度越大，以厚層的砂巖夾薄層泥巖、粉砂巖為主。相反，根據(jù)沉積物體積分配原理[11-12]，基準(zhǔn)面較高時(shí)，沉積物在相對(duì)應(yīng)的陸上和陸架區(qū)域沉積而只有少量能到達(dá)深海平原。相對(duì)應(yīng)的，沉積的砂巖通常較薄，泥巖較厚，相對(duì)薄層的砂巖一般呈分散式地分布在泥巖中。研究區(qū)的砂巖厚度與其內(nèi)部砂巖融合的程度呈正相關(guān)：砂巖厚度越大，內(nèi)部砂巖融合的程度越高。在巖相A中的厚層無(wú)構(gòu)造砂巖中，砂巖融合的程度最高。因此，厚層砂巖的沉積往往指示著較低的基準(zhǔn)面以及較高的沉積能量。

3.2 長(zhǎng)期與中期基準(zhǔn)面旋回劃分

基于以上所述四個(gè)方面，在對(duì)標(biāo)志層以及關(guān)鍵界面進(jìn)行側(cè)向追蹤并將標(biāo)志層拉平后，建立了研究區(qū)露頭地層的高分辨率層序地層格架(圖4)。依據(jù)0.7m厚的凝縮段“H2c2 Marine band”，可以劃分出兩個(gè)不完整的長(zhǎng)期基準(zhǔn)面半旋回。其中長(zhǎng)期基準(zhǔn)面上升半旋回L1的下部記錄不完整，長(zhǎng)期基準(zhǔn)面下降半旋回L1′的上部記錄不完整?；谇叭搜芯?，研究區(qū)凝縮段與上部、下部另一凝縮段之間的厚度分別約60 m與80 m[13-14]，即兩期深水扇的厚度分別為60 m與80 m。在長(zhǎng)期旋回內(nèi)部，依據(jù)穩(wěn)定發(fā)育的朵葉體間泥巖，在上升半旋回L1內(nèi)部劃分出4個(gè)中期基準(zhǔn)面旋回(從下至上M1—M4)。雖然底部的記錄不完整，但是隨著基準(zhǔn)面持續(xù)上升，單個(gè)中期旋回的厚度及展布范圍逐漸變小，這指示著A/S比值>1且不斷增大，沉積物在相對(duì)應(yīng)的陸上/陸坡大量沉積而越來(lái)越難到達(dá)深海平原，最終沉積終止并被凝縮段覆蓋。在約0.06～0.1 Ma之后基準(zhǔn)面再次降低，長(zhǎng)期下降半旋回開(kāi)始，濁積朵葉體重新開(kāi)始發(fā)育。長(zhǎng)期下降半旋回L1′ 在研究區(qū)出露了2個(gè)較完整的中期旋回(M5，M6)。M5是基準(zhǔn)面下降期的首個(gè)中期旋回，象征著自沉積物可到達(dá)深海平原之后的第一次重力流沉積事件。M5中期旋回厚度較大，M6中期旋回的厚度相對(duì)減小。與其他中期旋回之間的側(cè)向穩(wěn)定泥巖段不同，M5與M6之間的泥巖段厚度變化較大并出現(xiàn)約10 cm厚、側(cè)向展布數(shù)百米的砂巖段(圖4a)，這指示著兩期朵葉體沉積間斷期間所發(fā)育的局部砂巖沉積。在M6中期旋回的頂部出現(xiàn)了供給水道，其寬度小于300 m，底部具明顯的侵蝕面，內(nèi)部沉積物呈現(xiàn)顯著的向上變細(xì)旋回。水道砂巖底部可發(fā)現(xiàn)泥礫，頂部發(fā)育波狀層理，表明在水道內(nèi)部水體逐漸變深，可容納空間變大。在研究區(qū)地層的最上方出現(xiàn)了局部的滑塌沉積，側(cè)向展布約數(shù)百米，可能是由局部坡度較高而發(fā)生的滑移或崩塌所形成。

3.3 中期旋回中自旋回作用

除因Tuc的相互融合導(dǎo)致沉積物顯示向上變薄旋回外(圖4b)，研究區(qū)每個(gè)中期旋回內(nèi)都含有數(shù)個(gè)相互疊置的向上變厚旋回(Tuc，圖3，圖4b，圖5)，并且在各中期旋回內(nèi)部可穩(wěn)定對(duì)比。Tuc通常以0.02～0.5 m厚的泥巖夾少量粉砂巖開(kāi)始，往上逐漸出現(xiàn)厚層的無(wú)構(gòu)造砂巖，整體厚度0.5～7 m且通常可側(cè)向延伸數(shù)百米至數(shù)千米。Tuc內(nèi)的每一個(gè)砂巖單層記錄著一次單獨(dú)的沉積事件，其沉積時(shí)間可能很快(數(shù)秒至數(shù)天)。這些砂巖單層之間出現(xiàn)頻繁的相互融合現(xiàn)象(amalgamation)，對(duì)單一砂層界面的識(shí)別與追蹤十分困難，很難進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比。

圖5 愛(ài)爾蘭克萊爾盆地典型露頭巖性柱中期旋回與向上變厚旋回關(guān)系Fig.5 Typical outcrop logs showingmid-term cycles and thickening-upward cycles in the Clare Basin,Irelanda. A段;b. B段

此外，這些向上變厚旋回的頂部/上一個(gè)向上變厚旋回的底部可出現(xiàn)特殊的沖刷構(gòu)造(“megaflute”，巨型槽痕，圖4b)，這種巨型槽痕的寬度為數(shù)米至數(shù)百米，對(duì)Tuc頂部砂巖的下切可達(dá)2 m。這種特殊的巨型槽痕在愛(ài)爾蘭西部Ross Sandstone組深水濁積朵葉體露頭的各個(gè)層段中均有發(fā)現(xiàn)(不限于研究區(qū))。朵葉體內(nèi)部的這種重復(fù)出現(xiàn)的Tuc以及伴生的巨型槽痕可能指示著一種局部的自旋回作用。朵葉體沉積具有底平頂凸的特點(diǎn)，隨著一個(gè)Tuc的沉積持續(xù)進(jìn)行，其沉積中心與邊緣的厚度差逐漸增加，導(dǎo)致坡度不斷增加。當(dāng)坡度增加到某一特定值時(shí)將迫使后續(xù)流體改道并沿著坡度最大的方向沉積，從而繼續(xù)沉積新一期的Tuc。由于坡度的突然增加，被改道的流體經(jīng)歷了突然的加速過(guò)程，從而在早先Tuc沉積中心的頂部(Tuc頂部砂巖)留下巨型槽痕(megaflute)，同時(shí)可能將侵蝕較老Tuc邊緣的泥巖，導(dǎo)致兩個(gè)Tuc的直接融合(圖3，圖4)。因此，這種小型的、出現(xiàn)并不頻繁的特殊沖刷構(gòu)造并不一定標(biāo)志著基準(zhǔn)面的急劇下降，而可能與沉積物搬運(yùn)過(guò)程中自生性的改道遷移有關(guān)。濁積朵葉體中的這種多個(gè)Tuc相互疊置的特殊樣式在全球多個(gè)深水沉積體系中出現(xiàn)，并被解釋為由自生性因素控制[19-20,22-23]。由于其沉積迅速發(fā)生，規(guī)模較小且總體分布規(guī)律性不強(qiáng)，可能并不具有時(shí)間地層對(duì)比意義，因此不能簡(jiǎn)單的將之劃分為中期旋回內(nèi)部的短期旋回，這從一定程度上顯示了深水濁積朵葉體沉積的復(fù)雜性。

位于Tuc頂部的厚層無(wú)構(gòu)造砂巖(厚度1～3 m，砂地比接近100%)可沿側(cè)向逐漸或突然轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)或多個(gè)平行疊置的薄層砂泥互層單元，并伴隨著砂巖融合程度的急劇下降(圖6)。這反應(yīng)了單期Tuc的流體體積與能量由中心往邊緣逐漸減弱，換言之厚層塊狀砂巖指示著沉積中心位置，而其兩側(cè)泥質(zhì)含量增多、砂巖融合程度下降的砂泥互層指示著沉積的偏邊緣位置。這種特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)于朵葉體內(nèi)部的砂巖連通性有重要影響，是近年來(lái)濁積朵葉體儲(chǔ)層建模研究關(guān)注的熱點(diǎn)之一[18,22]。

4 討論

4.1 基準(zhǔn)面旋回與構(gòu)型層次單元

基于Miall針對(duì)河流體系所提出的構(gòu)型要素方法[24]，近年來(lái)對(duì)于深水沉積構(gòu)型單元的研究逐漸增多，通常按照尺寸、巖相組合和界面等劃分出不同層次的深水構(gòu)型單元。例如，Prelat等基于南非Karoo深水濁積體系的研究提出了單砂層、朵葉體單元、朵葉體和朵葉體復(fù)合體的四級(jí)構(gòu)型層次并被廣泛引用[19]。對(duì)研究區(qū)高分辨率地層格架中劃分出的長(zhǎng)期與中期基準(zhǔn)面旋回可以與朵葉體復(fù)合體以及朵葉體構(gòu)型層次單元相對(duì)應(yīng)。凝縮段是兩期朵葉體復(fù)合體的界面，同時(shí)指示著長(zhǎng)期基準(zhǔn)面上升至最高點(diǎn)。但是一個(gè)朵葉體復(fù)合體并不完全對(duì)應(yīng)著一個(gè)完整的上升—下降長(zhǎng)期旋回，而是對(duì)應(yīng)著一個(gè)長(zhǎng)期旋回的下降半旋回和另一個(gè)長(zhǎng)期旋回的上升半旋回(圖4)。朵葉體間泥巖通常用來(lái)劃分相鄰兩期朵葉體，同時(shí)也是中期基準(zhǔn)面上升至最大的標(biāo)志。同樣的，一個(gè)朵葉體也并不完全對(duì)應(yīng)著一個(gè)完整的上升—下降中期旋回，而是對(duì)應(yīng)著一個(gè)下降半旋回和另一個(gè)中期旋回的上升半旋回(圖4)。在實(shí)際的應(yīng)用中應(yīng)充分注意這種差異。在中期旋回內(nèi)部，每一個(gè)Tuc都對(duì)應(yīng)著一個(gè)朵葉體單元，指示著在一個(gè)朵葉體內(nèi)部連續(xù)發(fā)生的前積作用。

圖6 愛(ài)爾蘭克萊爾盆地露頭中的朵葉體單元與巨型槽痕Fig.6 Typical lobe elements and megaflutes at outcrop in the Clare Basin,Irelanda.露頭；b中黃色為砂巖，黑色為泥巖，紅色實(shí)線為巨型槽痕，紅色虛線為砂巖融合面，白色為雜亂礫石

4.2 深水朵葉體沉積模式與控制因素

研究區(qū)地層從下至上包括一個(gè)長(zhǎng)期上升半旋回的最上部分以及一個(gè)長(zhǎng)期下降半旋回的最下部分(圖4)。在不完整的長(zhǎng)期上升半旋回中，基準(zhǔn)面上升，能搬運(yùn)至深海平原的砂逐漸減少，沉積物在陸架和河流三角洲體系中被捕獲單個(gè)砂體的厚度逐漸變薄，砂地比降低，沖刷面較少發(fā)育，也未出現(xiàn)較大范圍的砂巖融合現(xiàn)象，反應(yīng)了重力流沉積的能量逐漸減弱直至完全停止，最終被遠(yuǎn)洋泥巖所覆蓋。長(zhǎng)期旋回主要受相對(duì)海平面、構(gòu)造因素與氣候的控制，完全以異生性因素(allogenic factors)控制為主，以遠(yuǎn)洋/半遠(yuǎn)洋懸浮沉降的泥巖為標(biāo)志。凝縮段泥巖沉積的厚度雖然僅為0.7 m，但記錄了0.01～0.1Ma的沉積間斷[13-15]。之后，基準(zhǔn)面下降，富砂流體重新到達(dá)深海平原，單個(gè)砂體厚度較大，砂地比高，砂巖融合現(xiàn)象頻繁發(fā)育，反應(yīng)了重力流沉積的能量較高。其中，在最上部發(fā)育的富砂的無(wú)天然堤下切水道指示著局部基準(zhǔn)面下降至最低點(diǎn)，同時(shí)也是前積作用的證據(jù)。水道內(nèi)部發(fā)育向上變薄的旋回，底部含少量泥礫，整體厚度約為4 m，顯示研究區(qū)地層剖面大致處于深水濁積扇體的上部—中部區(qū)域。

長(zhǎng)期旋回中包含多個(gè)中期旋回。中期旋回主要受沉積物供給、相對(duì)海平面、構(gòu)造背景和氣候等異生性因素的控制。相鄰中期旋回之間的細(xì)粒單元(泥巖夾粉砂巖)發(fā)育穩(wěn)定且可以大范圍穩(wěn)定對(duì)比，表示在相鄰中期旋回之間有相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的沉積停滯，指示著異生性因素的控制作用。但與此同時(shí)，不同期次朵葉體沉積中心的側(cè)向變化表現(xiàn)了明顯的“遇高轉(zhuǎn)道，遇低填平”特征(圖4)，反應(yīng)了“補(bǔ)償性疊置”這一自生性因素(autogenic factors)的控制。因此，中期旋回以異旋回為主，同時(shí)也受自生性因素的影響。值得注意的是，研究區(qū)每一個(gè)中期旋回都由數(shù)個(gè)向上變厚的旋回(Tuc)組成，指示著持續(xù)的前積作用。Tuc的發(fā)育主要受自生性因素以及伴隨著沉積不斷進(jìn)行而產(chǎn)生的地形變化所控制。在實(shí)際的勘探開(kāi)發(fā)中，由于Tuc的厚度一般小于5m(圖6)，低于一般地震數(shù)據(jù)的分辨率而難以識(shí)別。此外，Tuc之間的相互融合可能導(dǎo)致在很短的距離內(nèi)出現(xiàn)截然相反的旋回特征，給精細(xì)小層對(duì)比帶來(lái)了很大的困難(圖4b，圖6)。因此，對(duì)于高質(zhì)量露頭進(jìn)行精細(xì)研究從而正確認(rèn)識(shí)其沉積特征與發(fā)育規(guī)律有利于降低風(fēng)險(xiǎn)，提高成功率。

近年對(duì)挪威始新世Spitsbergen深水體系露頭的研究[19]顯示其朵葉體復(fù)合體、朵葉體的尺寸、疊置特征與研究區(qū)的長(zhǎng)期旋回、中期旋回十分類(lèi)似。最值得注意的是，挪威Spitsbergen深水體系中也發(fā)現(xiàn)多個(gè)向上變厚旋回(Tuc)穩(wěn)定疊置，且Tuc的厚度(1～5 m)與研究區(qū)十分相近，這種穩(wěn)定疊置的Tuc被解釋為是由持續(xù)前積作用所形成。對(duì)Spitsbergen組濁積體系與對(duì)Ross Sandstone組濁積體系的研究表明，可能存在某種自生性因素控制著Tuc發(fā)育的規(guī)模。例如，隨著前積作用的持續(xù)，當(dāng)Tuc的厚度到達(dá)特定值時(shí)，朵葉體沉積物沿側(cè)向的坡度將大于沿物源方向的坡度，導(dǎo)致后續(xù)的流體轉(zhuǎn)而沿側(cè)向方向繼續(xù)前積形成新一期Tuc，但這種解釋尚有待進(jìn)一步的水槽實(shí)驗(yàn)或數(shù)學(xué)建模研究驗(yàn)證。

5 結(jié)論

1) 對(duì)愛(ài)爾蘭西海岸出露的約1 500 m寬，40 m厚的Ross Sandstone組濁積朵葉體露頭進(jìn)行了精細(xì)研究，劃分了5種巖相類(lèi)型：厚層細(xì)砂巖、薄-中厚層砂巖夾薄層泥巖、層狀泥巖、富含有機(jī)質(zhì)黑色泥巖與細(xì)粒滑塌沉積物。

2) 基于側(cè)向展布穩(wěn)定的泥巖段、沉積構(gòu)造與巖相組合、砂巖融合的程度、沉積物的樣式與厚度4個(gè)要素建立了研究區(qū)露頭地層的高分辨率層序地層格架。富含有機(jī)質(zhì)的遠(yuǎn)洋泥巖凝縮段指示著盆地范圍的沉積間斷，是上升長(zhǎng)期半旋回與下降長(zhǎng)期半旋回的轉(zhuǎn)換面。橫向展布穩(wěn)定的朵葉體間泥巖標(biāo)志著一期朵葉體沉積事件的結(jié)束，是上升中期半旋回與下降長(zhǎng)期半旋回的轉(zhuǎn)換面。

3) 中期旋回由數(shù)個(gè)向上變厚旋回(Tuc)組成，這些Tuc整體厚度為0.5～7 m，側(cè)向延伸可達(dá)數(shù)百米至數(shù)千米，通常以0.02～0.5 m厚的泥巖夾少量粉砂巖開(kāi)始，往上逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹駥拥臒o(wú)構(gòu)造砂巖，厚層砂巖頂部常見(jiàn)巨型槽痕。Tuc之間的相互融合可以導(dǎo)致局部出現(xiàn)向上變薄旋回，給區(qū)域?qū)Ρ仍斐衫щy。在實(shí)際的勘探開(kāi)發(fā)工作中應(yīng)予以注意。

致謝：感謝中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)鄧宏文教授與姜正龍副教授在成文過(guò)程中給予的指導(dǎo)與幫助。

[1] Weimer P.Seismic facies,characteristics and variations in channel evolution,Mississippi fan (Plio-Pleistocene),Gulf of Mexico[C]∥Weimer P,Link M.Seismic facies and sedimentary processes of submarine fans and turbidite systems.New York:Springer 1991:323-347.

[2] Beaubouef R T,Friedmann S J.High resolution seismic/sequence stratigraphic framework for the evolution of Pleistocene intra slope basins,western Gulf of Mexico:depositional models and reservoir analogs[C]∥Deep-water reservoirs of the world:Gulf Coast Section SEPM 20th Annual Research Conference,2000:40-60.

[3] Posamentier H W,Kolla V.Seismic geomorphology and stratigraphy of depositional elements in deep-water settings[J].Journal of Sedimentray Research,2003,73(3):367-388.

[4] Posamentier H,Walker R G.Deep-water turbidites and submarine fans[C]∥Posamentier H,Walker R G.Facies models revisited.SEPM Special Publication,No.84,2006:399-520.

[5] Van Der Merwe W C,Flint S S,Hodgson D M.Sequence stratigraphy of an argillaceous,deepwater basin-plain succession:Vischkuil Formation (Permian),Karoo Basin,South Africa[J].Marine and Petroleum Geology,2010,27(2):321-333.

[6] Mitchum R M,Van Wagoner J C.High-frequency sequences and their stacking patterns:sequence-stratigraphic evidence of high-frequency eustatic cycles[J].Sedimentary Geology,1991,70(2):131-160.

[7] Galloway W E.Genetic stratigraphic sequences in basin analysis,I.Architecture and genesis of flooding-surface bounded depositional units[J].AAPG Bulletin,1989,73(2):125-142.

[8] Van Wagoner J,Mitchum R,Campion K,et al.Siliciclastic sequence stratigraphy in well logs,cores,and outcrops:concepts for high-resolution correlation of time and facies[J].AAPG Methods in Exploration Series,1990,7:1-55.

[9] Porbski S J,Steel R J.Deltas and sea-level change[J].Journal of Sedimentary Research,2006,76(3):390-403.

[10] Covault J A,Normark W R,Romans B W,et al.Highstand fans in the California borderland:the overlooked deep-water depositional systems[J].Geology,2007,35(9):783-786.

[11] Cross T A.High-resolution stratigraphic correlation from the perspectives of base-level cycles and sediment accommodation[C]∥Dolson J.Unconformity related hydrocarbon exploration and accumulation in clastic and carbonate settings.Rocky Mountain Association of Geologists,1991:28-41.

[12] 鄧宏文，王紅亮，祝永軍.高分辨率層序地層學(xué)-原理與應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，2003：1-253. DengHongwen,Wang Hongliang,Zhu Yongjun.Theory and application of high resolution sequence stratigraphy[M].Beijing:Geological Publishing House,2003:1-253.

[13] Lien T,Walker R J,Martinsen O J.Turbidites in the Upper Carbonife-rous Ross Formation,western Ireland:reconstruction of a channel and spillover system[J].Sedimentology,2003,50(1):113-148.

[14] Pyles D R.Multiscale stratigraphic analysis of a structurally confined submarine fan:Carboniferous Ross Sandstone,Ireland[J].AAPG Bulletin,2008,92(5):557-587.

[15] Elliott T.Megaflute erosion surfaces and the initiation of turbidite channels[J].Geology,2000,28(2):119.

[16] Chapin M A,Davies P,Gibson J L,et al.Reservoir Architecture of Turbidite Sheet Sandstones in Laterally Extensive Outcrops,Ross Formation,Western Ireland[C]∥Submarine Fans and Turbidite Systems:Sequence Stratigraphy,Reservoir Architecture and Production Characteristics.Gulf Coast Section SEPM 15th Annual Research Conference,1994:53-68.

[17] Macdonald H A,Peakall J,Wignall P B,et al.Sedimentation in deep-sea lobe-elements:Implications for the origin of thickening-upward sequences[J].Journal of the Geological Society,2011,168(2):319-332.

[18] Zhang L,Manzocchi T,Haughton P D.Impact of Sedimentological Hierarchy on Sandstone Connectivity in Deep-Water Lobes-An Object-Based Modelling Approach[C]∥75th EAGE Conference & Exhibition incorporating SPE EUROPEC,2013.

[19] Prélat A,Hodgson D M,Flint S S.Evolution,architecture and hierarchy of distributary deep-water deposits:a high-resolution outcrop investigation from the Permian Karoo Basin,South Africa[J].Sedimentology,2009,56(7):2132-2154.

[20] Grundv?g S A,Johannessen E P,Helland-Hansen W,et al.Depositional architecture and evolution of progradationally stacked lobe complexes in the Eocene Central Basin of Spitsbergen[J].Sedimentology,2014,61(2):535-569.

[21] Mattern F.Amalgamation surfaces,bed thicknesses,and dish structures in sand-rich submarine fans:numeric differences in channelized and unchannelized deposits and their diagnostic value[J].Sedimentary Geology,2002,150(3-4):203-228.

[22] Zhang L,Manzocchi T,Haughton P D.Hierarchical parameterisation and modelling of deep-water lobes[C]∥77th EAGE Conference & Petroleum Geostatistics,Biarritz,France,2015.

[23] Haughton P D,Davis C,Mccaffrey W D,et al.Hybrid sediment gravity flow deposits-Classification,origin and significance[J].Marine and Petroleum Geology,2009,26(10):1900-1918.

[24] Miall A D.Architectural-element analysis:a new method of facies analysis applied to fluvial deposits[J].Earth-Science Reviews,1985,22(4):261-308.

(編輯 董 立)

High resolution sequence stratigraphy of the Ross Sandstone deepwater turbidite outcrops in the Clare Basin,Ireland

Zhang Leifu1，Wu Chenjun2，Su Yang3,Guo Yanjun1，Wang Hongliang4

[1.SchoolofEarthandSpaceSciences，PekingUniversity，Beijing100871，China；2.GansuProvincialKeyLaboratoryofPetroleumResources/KeyLaboratoryofPetroleumResourcesResearch,InstituteofGeologyandGeophysics,Lanzhou,Gansu730000,China； 3.EngineeringTechnologyResearchInstituteofGWDC,PetroChina,Panjin,Liaoning124010,China; 4.SchoolofEnergyResources，ChinaUniversityofGeosciences(Beijing)，Beijing100083，China]

Using the principles and methods of high-resolution sequence stratigraphy,the Ross Sandstone deepwaterturbidite lobe outcrops in the coast of western Irelandare studiedbased on four factors:laterally extensive mudstones,sedimentary structures and lithofacies associations,degree of sand amalgamation and sedimentary pattern and thickness.The high-resolution sequence stratigraphic framework has been established,the depositional model of deepwaterturbidite lobe is proposed,and the controlling factors for base level cycles at different hierarchies are discussed.The results show that,the organic-rich pelagic mudstone with abundant goniatites represents the transition of two adjacent long-term base level hemi-cycles.Within the long-term base level cycle,each mid-term base level cycle is bounded by the thin mudstones with subordinate siltstones which can extend laterally several kilometers to tens of kilometers.Each mid-term cycle is composed of several thickening-upward cycles which are 0.5-7 m thick and several hundred meters to several kilometers across,suggesting continuous lobe progradation.

base level cycle，thickening-upward cycle，depositional model,high resolution sequence stratigraphy，deepwater turbidite lobes，Clare Basin,Ireland

2016-11-09;

2016-12-20。

張磊夫(1987—)，男，博士，礦產(chǎn)普查與勘探。E-mail:leifu.zhang@pku.edu.cn。

王紅亮(1971—)，男，博士、副教授，沉積學(xué)與高分辨率層序地層。E-mail:whliang@cugb.edu.cn。

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016M591016)。

0253-9985(2017)01-0165-10

10.11743/ogg20170117

TE121.3

A