劉江艷 張昌民 侯國(guó)偉 何 苗 黃苓渝 朱 銳 胡 威

(1. 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 湖北武漢 430100；2. 中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司 上海 200050； 3. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

1892年，瑞士科學(xué)家Forel[1]發(fā)現(xiàn)萊茵河和羅恩河在流入康斯坦斯湖和日內(nèi)瓦湖以后，渾濁寒冷的河水并沒(méi)有和干凈溫暖的湖水混合，而是潛入湖底流動(dòng)，從而揭開(kāi)了對(duì)異重流(hyperpycnal flows)研究的序幕。Bates等[2]最早將異重流定義為“來(lái)自河口的、密度大于其所注入水體(湖泊或海洋)的密度流”，Mulder等[3]進(jìn)一步指出“異重”并非是指“高密度流”(high-density currents)，而是代表“高于一定的密度門(mén)檻”，實(shí)際上相當(dāng)于Lowe[4]提出的低密度濁流(low-density turbidity currents，小于1 500 kg/m3)。但其與Bouma的經(jīng)典濁流(主要以滑塌或三角洲前積層失穩(wěn)造成的觸發(fā)型濁流)不同，異重流不需要沉積物的早期積累及地震、海嘯等事件性的觸發(fā)機(jī)制，它可以在洪水期將沉積物由河口直接搬運(yùn)到深水區(qū)域，是一種持續(xù)性較強(qiáng)的穩(wěn)定型濁流。

多年來(lái)，研究人員對(duì)異重流沉積開(kāi)展了大量有意義的探索，2001年，Mulder等[5]首次對(duì)地中海深水中發(fā)現(xiàn)的異重流沉積特征進(jìn)行了剖析并建立了異重流沉積模式，認(rèn)為異重流沉積主要表現(xiàn)為下部反粒序-上部正粒序組合，是異重流區(qū)別于其他類(lèi)型重力流的一個(gè)重要特征；同時(shí)對(duì)20世紀(jì)地中海深水發(fā)育的洪水成因的異重流沉積記錄進(jìn)行了詳解，分析了異重流特征所反映的氣候變化信息[6]；2003年，又對(duì)海洋中異重流的成因、特征及其沉積物特征進(jìn)行了論述，認(rèn)為異重流的形成與河流類(lèi)型、流量、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、氣候、地形等多種因素相關(guān)，并指出異重流在地層記錄中廣泛分布，值得引起重視[3]；Petter等[7]分析了Spitsbergen中部盆地始新世陸架邊緣地區(qū)異重流空間分布特征，認(rèn)為異重流的發(fā)育對(duì)斜坡區(qū)砂體展布具有重要影響；Zavala等[8]分析了阿根廷白堊系 Rayoso 組湖相地層中的異重流沉積記錄及其成因；楊仁超 等[9]在鄂爾多斯盆地晚三疊世湖相地層中發(fā)現(xiàn)了異重流沉積并闡述了其對(duì)深水儲(chǔ)層發(fā)育的重要控制作用。可見(jiàn)，異重流作為一種新發(fā)現(xiàn)的從河口向深水輸送沉積物的重要方式及其對(duì)砂體展布的重要控制作用，正在成為國(guó)際沉積學(xué)的研究熱點(diǎn)。

筆者在對(duì)西湖凹陷花港組沉積體系研究過(guò)程中，結(jié)合巖心、微觀薄片及測(cè)井資料等分析，在西湖凹陷中部花港組首次識(shí)別出了異重流沉積，對(duì)其沉積構(gòu)造特征及成因、薄片特征及儲(chǔ)層物性特征進(jìn)行了分析，建立了研究區(qū)異重流沉積模式并探討了其控制因素。異重流沉積的發(fā)現(xiàn)，對(duì)深化西湖凹陷花港組沉積體系認(rèn)識(shí)、完善細(xì)粒沉積砂巖成因解釋及指導(dǎo)后期油氣勘探具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

西湖凹陷位于東海陸架盆地浙東坳陷帶中部，東臨釣魚(yú)島隆褶帶，西連海礁隆起，北接福江凹陷，南臨釣北凹陷(圖1)[10]。南北長(zhǎng)約400 km，東西寬約100 km，總面積約40 000 km2。西湖凹陷在構(gòu)造區(qū)劃上位于亞洲大陸邊緣，處于西太平洋與亞歐大陸的洋陸過(guò)渡帶，是一個(gè)在活動(dòng)大陸邊緣基礎(chǔ)上發(fā)育起來(lái)的新生代弧后盆地；其構(gòu)造演化主要經(jīng)歷了古新世斷陷階段—晚始新世斷拗階段—漸新世至中新世拗陷階段—第四紀(jì)區(qū)域沉降階段，在漸新世末(花港運(yùn)動(dòng))和中新世末(龍井運(yùn)動(dòng))分別經(jīng)歷了構(gòu)造反轉(zhuǎn)，內(nèi)部自西向東可以劃分為3個(gè)構(gòu)造單元，即西部緩坡斜坡帶、中央洼陷反轉(zhuǎn)帶和東部陡坡斷階帶[11]。

圖1 西湖凹陷構(gòu)造單元?jiǎng)澐?/p>

西湖凹陷主要以新生代碎屑巖沉積為主，自下而上依次發(fā)育了始新統(tǒng)平湖組、漸新統(tǒng)花港組、中新統(tǒng)龍井組、玉泉組和柳浪組、上新統(tǒng)三潭組以及第四系的東海群?；ǜ劢M巖性特征整體為下粗上細(xì)的2個(gè)大旋回，前人研究將其分為上段和下段(圖2)，下段為灰黑色泥巖與灰白色細(xì)—中砂巖互層，上段為灰黑色泥巖與灰白色細(xì)砂巖互層，局部夾少量煤線[12-13]。

花港組發(fā)育時(shí)期，分別有來(lái)自盆地北部、西部、東部3個(gè)方向的物源提供豐富的碎屑物質(zhì)，盆地東陡西緩并持續(xù)穩(wěn)定沉降，這些背景為重力流發(fā)育提供了可能，但前人對(duì)花港組沉積體系的研究中鮮有重力流沉積體系的相關(guān)論述[14-17]。

圖2 西湖凹陷地層發(fā)育特征

2 花港組異重流沉積特征

2.1 巖心特征

在西湖凹陷中部A井花港組近10 m巖心中，觀察到多個(gè)特殊的垂向粒序?qū)?，這種粒序?qū)右话阌缮?、?個(gè)沉積單元組成，即向上變粗的底部沉積單元(反粒序)和向上變細(xì)的頂部沉積單元(正粒序)(圖3a、b)。巖性包括粉砂巖、細(xì)砂巖及中砂巖，少見(jiàn)粗砂巖，整體粒度較細(xì)。層序中部粒度最粗，即使在厚度為幾厘米的泥質(zhì)粉砂巖層中也可看到相同的粒序變化特征。層序厚度最大50 cm，最小僅3 cm。這種粒序?qū)优c深水暗色泥巖間互沉積，層序底部多見(jiàn)沖刷面，有時(shí)也會(huì)呈漸變或突變接觸；發(fā)育水平層理、交錯(cuò)層理、爬升沙紋層理、軟沉積物變形等沉積構(gòu)造，局部砂巖層內(nèi)還可見(jiàn)前積層，前積層厚度一般不超過(guò)3 cm，紋層連續(xù)性差，橫向變化快。上、下2個(gè)沉積單元之間有時(shí)可見(jiàn)微弱的侵蝕面，一般對(duì)應(yīng)粒度最粗處。局部泥質(zhì)粉砂巖中可見(jiàn)植物碎片。

注：a—A井長(zhǎng)約40 cm的巖心中發(fā)育8個(gè)旋回；其中可見(jiàn)5個(gè)反粒序-正粒序旋回，3個(gè)旋回僅保留了上部正旋回沉積；發(fā)育爬升沙紋層理、波狀層理，頂部旋回中見(jiàn)泄水構(gòu)造。b—A井長(zhǎng)約10 cm的巖心中發(fā)育3個(gè)反粒序-正粒序組成的旋回；底部及頂部旋回中見(jiàn)層內(nèi)微侵蝕面，對(duì)應(yīng)沉積物粒度最粗的部位；頂部旋回中見(jiàn)少量泥礫，對(duì)應(yīng)粒度較粗處；為洪峰時(shí)期對(duì)下部地層的沖刷侵蝕所形成。c—A井長(zhǎng)約20 cm巖心中僅保留上部正旋回單元的異重流沉積；厚度約10 cm，主要為細(xì)砂巖，向上粒度變細(xì)；發(fā)育爬升沙紋層理。GBC—gradual bottom contact,底部漸變接觸。EBC—erosive bottom contact,底部侵蝕接觸。GC—gradual contact,漸變接觸。EC—erosive contact,侵蝕接觸。SC—sharp contact,突變接觸。

圖3西湖凹陷中部A井花港組異重流沉積巖心特征

Fig.3CorefeaturesofhyperpycnalflowdepositofHuagangFormationofWellAincentralXihusag

前人研究認(rèn)為，向上變粗的反粒序通常有3種成因。一是由于濁流泥沙云團(tuán)底部侵蝕面附近混雜有大量的泥質(zhì)碎屑，這些泥質(zhì)碎屑的存在會(huì)導(dǎo)致局部沉積物平均粒徑減小，形成幾厘米到幾米厚的反粒序，但這種成因的反粒序?qū)右话悴话l(fā)育任何層理和沉積構(gòu)造[18]；二是當(dāng)上、下2層物質(zhì)流體性質(zhì)不同時(shí)，隨著摩擦力逐漸減小，底層物質(zhì)的搬運(yùn)速率自下而上會(huì)逐漸增強(qiáng)，其搬運(yùn)的顆粒也會(huì)呈現(xiàn)出自下而上由細(xì)變粗的趨勢(shì)，故而形成反旋回，加之頂層物質(zhì)在搬運(yùn)過(guò)程中會(huì)向底層擴(kuò)散，使得底層沉積物濃度不斷增強(qiáng)到某一臨界值繼而呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，這種過(guò)程會(huì)在垂向上形成一系列向上變粗的反粒序透鏡體，且常見(jiàn)礫石以上粒徑的粗粒物質(zhì)，這種成因的反粒序?qū)右餐ǔ２话l(fā)育層理[19]。第三，洪水期在河口位置隨著水體流量及強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，當(dāng)河口泥沙濃度達(dá)到一定臨界值及以上時(shí)，顆粒負(fù)載的渾濁流體便可形成異重流，從河口直接向深水搬運(yùn)沉積物，由于單期洪水事件整體上總是呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，在洪水增強(qiáng)期，只要流體速率低于侵蝕閾值，即可形成下細(xì)上粗的反粒序；但其粒徑較前2種相對(duì)偏細(xì)，異重流同時(shí)具備重力流及牽引流特征，可發(fā)育多種沉積構(gòu)造，當(dāng)沉積物搬運(yùn)速率大于卸載速率時(shí)(即以向前搬運(yùn)作用為主)，可形成不對(duì)稱(chēng)的沙紋層理，反之則可形成爬升波紋層理。

本次研究中觀察到的粒序特征顯然與前2種成因的粒序特征不符，且?guī)r心特征與Mulder[3,6]發(fā)現(xiàn)的異重流沉積特征極為相似，判定為洪水成因形成的異重流沉積。下部反粒序?yàn)楹樗鰪?qiáng)期水體能量不斷增大所形成，上部正粒序?yàn)楹樗ネ似谒w能量逐漸減弱所形成。中部細(xì)砂巖層中發(fā)育爬升沙紋層理，反映出沉積物以卸載作用為主，向前搬運(yùn)作用為輔，軟沉積物變形構(gòu)造反映出洪峰期能量較大，造成未固結(jié)的沉積物中孔隙流體逸散形成多種類(lèi)型的泄水構(gòu)造。上、下粒序?qū)又g多見(jiàn)微侵蝕面，是由于洪峰期水體能量最強(qiáng)時(shí)對(duì)下部沉積產(chǎn)生一定的侵蝕作用。局部斷面上可見(jiàn)陸源植物碎片(圖4)，這是異重流沉積物區(qū)別于“觸發(fā)型”濁流的一個(gè)重要特征，由于異重流可以直接將沉積物從河口搬運(yùn)到深水區(qū)域，因此可以將完整的陸源植物碎片攜帶到深水位置。此外，在巖心中有時(shí)僅可觀察到上部正粒序沉積單元(圖3c)，這可能是由于洪峰期能量較強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)下部先期沉積的反粒序?qū)忧治g作用強(qiáng)烈，故僅能看到厚度較小的下部沉積單元，或僅保存了上部正粒序沉積單元。

圖4 西湖凹陷中部花港組異重流成因粉砂巖橫剖面巖心特征

2.2 微觀薄片特征

對(duì)圖4中巖心對(duì)應(yīng)的微觀薄片進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)砂巖主要以顆粒支撐為主，填隙物含量少，顆粒之間主要呈點(diǎn)接觸，反映出沉積物經(jīng)歷了較遠(yuǎn)距離的搬運(yùn)，細(xì)粒雜基物質(zhì)在水流長(zhǎng)距離的搬運(yùn)作用下被淘洗掉。砂巖中的陸源礦物碎屑含量高，主要以石英為主，含量達(dá)80%以上，長(zhǎng)石含量不到10%(圖5)。此外，微觀薄片也呈現(xiàn)出與巖心相似的粒序變化特征，泥質(zhì)含量變化對(duì)粒序變化影響顯著，泥質(zhì)含量越高，粒度越細(xì)，顏色越暗。薄片中可看到明顯的反粒序-正粒序變化特征，中部粒度最粗，最大粒徑將近0.3 mm。砂巖內(nèi)部可見(jiàn)較多暗色條帶，暗色條帶泥質(zhì)含量較高，粒度較細(xì)，連續(xù)性較差，可能是由于洪水期間短暫的水動(dòng)力變?nèi)醭练e而成(圖5)。在完整的反粒序-正粒序旋回中，鏡下可見(jiàn)粒序?qū)又虚g有微弱的侵蝕面，對(duì)應(yīng)于粒度最粗的部位，反映出洪峰期能量最強(qiáng)時(shí)對(duì)下部沉積物質(zhì)具有一定的侵蝕作用。但是并不是所有的旋回都保存完整的反粒序-正粒序單元，一些旋回中僅能看到上部正旋回，反映出洪峰時(shí)期對(duì)下部地層侵蝕作用較強(qiáng)。

圖5 西湖凹陷中部花港組異重流微觀薄片特征

2.3 儲(chǔ)層物性特征

異重流沉積物具有明顯的粒序性，導(dǎo)致儲(chǔ)層具有明顯的層內(nèi)非均質(zhì)性。通過(guò)物性參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層物性特征在垂向上也呈現(xiàn)出一定的韻律性，這種韻律性與粒度變化及泥質(zhì)含量變化規(guī)律是一致的。泥質(zhì)含量大、粒度較細(xì)時(shí)，儲(chǔ)層滲透率變低，物性差；泥質(zhì)含量小、粒度較粗時(shí)，孔隙度變大，滲透率變高，物性變好(圖6)?？梢?jiàn)，異重流沉積的旋回性對(duì)儲(chǔ)層非均質(zhì)性具有重要影響。

圖6 西湖凹陷中部花港組異重流沉積物性特征

3 花港組異重流形成主控因素

異重流的形成受構(gòu)造、氣候、地形、水體密度差、水深等因素綜合影響，它尤其可以記錄一系列氣候變化和構(gòu)造背景變化信息。季節(jié)性的洪水河流相對(duì)容易形成異重流，但是與河流類(lèi)型相關(guān)，小型、中型河流在季節(jié)性洪泛期更易形成異重流，而大型河流雖然流量大，卻可能由于濃度不夠而難以形成異重流，但是地形坡度增大、構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)等等一些特殊地質(zhì)條件可增加異重流形成的幾率。

西湖凹陷花港組沉積時(shí)期，發(fā)育亞熱帶氣候背景下的河流-三角洲沉積，該氣候最顯著的特征表現(xiàn)為夏季高溫多雨、冬季溫和少雨[20]，即全年降水集中時(shí)間明顯，其余時(shí)間降水少，較為干旱。季節(jié)性降水導(dǎo)致盆地內(nèi)河流體系在不同時(shí)期的流量具有差異性，在降水集中期，河流流量增大，洪泛形成的可能性增強(qiáng)。此外，來(lái)自盆地西部、東部及北部的物源體系為盆地提供了穩(wěn)定的沉積物供給。洪泛背景及充足的碎屑物質(zhì)供給，為異重流形成提供了較大的可能性。

從構(gòu)造背景看，西湖凹陷主要經(jīng)歷了早期斷陷(古新世—始新世)—中期拗陷(漸新世—中新世)—晚期整體沉降(上新世—第四紀(jì))等3個(gè)演化階段，并在始新世末期、漸新世、中新世發(fā)生了3期構(gòu)造反轉(zhuǎn)?；ǜ劢M沉積時(shí)期，受到了花港運(yùn)動(dòng)造成的第2期構(gòu)造反轉(zhuǎn)的影響，構(gòu)造反轉(zhuǎn)在盆地西部、中部、東部表現(xiàn)出的反轉(zhuǎn)強(qiáng)度、反轉(zhuǎn)構(gòu)造樣式的分布各有不同，其中，中央洼陷反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶構(gòu)造規(guī)模較大、反轉(zhuǎn)構(gòu)造較為強(qiáng)烈，對(duì)盆地內(nèi)沉積體系及油氣分布造成了顯著影響[10]。此外，花港組沉積時(shí)期，盆地東、西地形坡度差異明顯，西部為大型緩坡帶，東部為陡坡斷階帶，地形坡度大，地形陡峭。本次研究區(qū)中A井地處中央洼陷反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶，東臨陡坡斷階帶，且地震資料解釋上可見(jiàn)其東部發(fā)育大量斷層，在花港組沉積時(shí)期仍頻繁活動(dòng)。東部陡峭的地形背景及復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景，為研究區(qū)異重流形成提供了可能。

楊仁超 等[9]認(rèn)為，陸相湖盆中，地形陡峭、洪水頻發(fā)、碎屑物質(zhì)供給豐富、湖水密度較低等特征容易滿(mǎn)足異重流的形成條件。本次研究區(qū)域具備了異重流形成的2個(gè)重要條件，一是季節(jié)性的集中降水為洪泛提供了極大可能，二是盆地東部陡峭的地形及活動(dòng)強(qiáng)烈的反轉(zhuǎn)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)共同提供了異重流發(fā)育所需的構(gòu)造條件。

4 花港組異重流沉積模式

在對(duì)花港組異重流沉積的巖心及薄片特征觀察的基礎(chǔ)上，認(rèn)為花港組異重流沉積主要發(fā)育M1、M2、M3共3種沉積模式(圖7)，并對(duì)不同模式沉積特征及形成機(jī)理進(jìn)行了論述。

圖7 西湖凹陷中部花港組異重流沉積模式

M1粒度整體較細(xì)，發(fā)育薄的下部反粒序?qū)訂卧捅〉纳喜空Ｐ驅(qū)訂卧?。泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖為主，單個(gè)粒序?qū)雍穸纫话銥閹缀撩祝l(fā)育較完整的下部單元及上部單元，粒度最粗處為粉砂巖，沉積構(gòu)造以水平層理為主。這種模式代表了整體較弱的水動(dòng)力條件，反映水體流量及含砂量較少，沉積速率緩慢，洪水能量增強(qiáng)及減弱所經(jīng)歷的時(shí)間較長(zhǎng)，為水體能量緩慢增強(qiáng)繼而緩慢減弱所形成。一般未見(jiàn)層內(nèi)微侵蝕面，反映水體能量整體較弱，與上、下地層多為漸變接觸。

M2粒度較粗，下部反粒序?qū)硬话l(fā)育或極薄，多見(jiàn)保存完整的上部正粒序沉積單元。粒度較M1粗，發(fā)育粗粉砂—細(xì)砂巖，主要為細(xì)砂巖，向上粒度變細(xì)，發(fā)育正旋回。厚度為幾厘米到幾十厘米。沉積構(gòu)造主要為爬升沙紋層理、波狀層理及不連續(xù)的小型前積紋層。反映出沉積顆粒以卸載作用為主，向前搬運(yùn)的作用為輔。局部可見(jiàn)變形構(gòu)造，為洪峰期水能量較強(qiáng)時(shí)促使未固結(jié)的沉積物發(fā)生泄水作用形成。與上、下地層為突變接觸或漸變接觸。與M1相比，反映了水動(dòng)力增強(qiáng)，沉積速率加快。主要保留了上部正粒序沉積單元，反映洪峰期對(duì)下部地層存在侵蝕作用，未見(jiàn)明顯的層內(nèi)侵蝕面。

M3粒度較M1、M2粗，發(fā)育較完整的下部反粒序及上部正粒序沉積單元。沉積物為細(xì)砂巖—中砂巖，有的層序中見(jiàn)泥礫，泥礫多為不規(guī)則狀，粒度最大可達(dá)4 mm，粒度最粗處見(jiàn)粗砂巖。厚度一般小于20 cm。沉積構(gòu)造主要為爬升沙紋層理、波狀層理，局部見(jiàn)軟沉積物變形構(gòu)造。反映了整體較強(qiáng)的水動(dòng)力背景。見(jiàn)明顯的層內(nèi)微侵蝕面，洪峰時(shí)期對(duì)下伏地層侵蝕作用強(qiáng)烈。

花港組異重流沉積中以M2發(fā)育較為廣泛，以粉砂巖—細(xì)砂巖變化為主，沉積厚度最大約50 cm。

5 結(jié)論

1) 首次在西湖凹陷中部花港組發(fā)現(xiàn)了異重流沉積。巖心上主要表現(xiàn)為一系列反粒序-正粒序?qū)有蚪M合，反映了洪水期水體能量增強(qiáng)—減弱的變化過(guò)程。發(fā)育水平層理、爬升沙紋層理、波狀層理、軟沉積物變形等沉積構(gòu)造。上、下2個(gè)粒序?qū)又g有時(shí)可見(jiàn)侵蝕面，反映洪峰時(shí)期對(duì)下伏地層的侵蝕作用。薄片中可見(jiàn)砂巖層中石英含量較高，泥質(zhì)含量變化與粒序變化一致；可見(jiàn)與巖心相似的粒序變化特征，中部粒度最粗，最大粒徑將近0.3 mm。儲(chǔ)層物性參數(shù)垂向變化顯示出與巖心粒序變化相似特征，反映出異重流沉積的粒序?qū)訉?duì)儲(chǔ)層層內(nèi)非均質(zhì)性具有明顯影響。

2) 花港組異重流發(fā)育主要受強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和亞熱帶季風(fēng)氣候所造成的季節(jié)性集中降水綜合影響。

3) 花港組發(fā)育3種異重流沉積模式，表現(xiàn)出不同的粒度、沉積厚度、沉積構(gòu)造差異，反映了不同的水動(dòng)力背景及沉積速率。

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