深水领域已经成为全球油气勘探大发现的主战场, 在2011— 2020年间全球新发现的大型油气田中, 深水、超深水油气可采储量约占67%, 其中仅2022年全球十大油气发现中就有8个来自深水(史卜庆等, 2023)。深水沉积砂体作为海洋油气勘探的重点目标, 主要是由重力流(浊流)将陆源物质搬运至深海沉积而成, 因此重力流沉积一直是深水油气勘探的研究重点 (Viana, 2008; Shanmugam, 2008; Stow et al., 2013; Chen et al., 2020)。而平行陆坡流动的底流(等深流)沉积作用具有与沉积物重力流相比毫不逊色的侵蚀— 沉积响应, 所形成的等深流沉积体系与重力流沉积体系地位相当, 二者共同控制着深水沉积的分布及海底地貌(Rebesco and Stow, 2001; 何幼斌等, 2004; Herná ndez-Molina et al., 2009; 王玉柱等, 2010; 吴嘉鹏等, 2012; Rebesco et al., 2014; 孙辉等, 2017; Gong et al., 2018; Chen et al., 2020; Fonnesu et al., 2020)。

近年来越来越多的研究表明顺陆坡而下的重力流在向深水搬运的过程中往往被平行陆坡流动的底流改造, 重力流与底流在时空上同时存在, 进而形成底流与重力流的交互作用(Herná ndez-Molina et al., 2006; 吴嘉鹏等, 2012; Brackenridge et al., 2013; Stow et al., 2013; Rebesco et al., 2014; Gong et al., 2018; Fonnesu et al., 2020; 龚承林和王英民, 2023)。前人研究表明, 重力流与底流的交互作用过程存在3种形式: (1)由底流作用形成于平行陆坡展布的漂积体(Contourite drift)和壕堑(Moat), 通过改变海底地貌而影响了后期沿陆坡而下的重力流的流向及其沉积物分布(图 1-a); (2)底流对早期的重力流沉积的再改造、再搬运, 所形成的深水重力流沉积体系(如水道— 朵体复合体)往往向靠近底流流向一侧延伸, 且沉积边界呈不规则的锯齿状(图 1-b); (3)底流作用于正在沉积的重力流(图 1-c), 这也被认为是最为典型的狭义重力流与底流交互作用(龚承林和王英民, 2023)。在底流作用下, 重力流中不同粒径的沉积颗粒受到不同程度的淘洗和筛选, 可以改善砂体的储集物性, 这对深水油气勘探具有重要意义(Shanmugam, 2014; 陈宇航等, 2020)。单向迁移水道是典型的底流与重力流交互作用的产物, 受到广泛关注。Gong等(2016)在西非陆缘下刚果盆地的研究表明, 在不受离心力作用影响且科里奥力作用可忽略的顺直水道内, 底流诱发了螺旋环流的形成, 并形成了迁移方向与底流流向相同的单向迁移水道(顺向迁移水道)。而在东非莫桑比克海域的研究表明, 底流与重力流的交互作用下重力流中细粒物质被淘洗出去, 并沉积在顺底流流向一侧的堤岸, 导致后期重力流向逆底流流向一侧迁移, 最终形成迁移方向与底流相反的单向迁移水道(反向迁移水道)。Chen等(2020)在东非鲁伍马盆地将深水水道分为顺直段和弯曲段进行讨论, 认为单向迁移水道的形态受底流和重力流流向的影响。

图 1

Fig.1

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	图 1 底流与重力流交互作用模式(据Fonnesu et al., 2020; 有修改)Fig.1 Conceptual models for interplay of bottom currents and gravity flows(modified from Fonnesu et al., 2020)

前人针对底流与重力流交互作用下的单向迁移水道研究已经相对成熟, 但是对朵体这另一重要的深水重力流沉积单元在底流作用下的沉积特征研究较少。朵体普遍发育大面积的砂体, 是重要的深水油气储集体类型(李华等, 2014)。而且朵体位于海底扇末端, 沉积于相对开阔的非限定性— 半限定性沉积环境, 更容易受底流的影响。因此开展底流与重力流交互作用下的朵体沉积特征研究, 既可以完善底流与重力流交互作用相关理论, 又有助于深水油气勘探, 兼具科学与生产意义。鲁伍马盆地的海底扇沉积受底流的改造作用明显, 底流通过与重力流的交互作用而影响海底扇沉积过程及分布规律(陈宇航等, 2020; Fonnesu et al., 2020; 龚承林和王英民, 2023)。本研究以东非鲁伍马盆地中新统朵体为研究对象, 通过测井及地震数据解释, 分析朵体沉积演化特征, 并揭示在底流与重力流交互作用下的朵体沉积机制。相关研究对东非陆缘盆地及全球其他具有相似地质背景的深水盆地的储集砂体预测与油气勘探有参考意义。

鲁伍马盆地位于莫桑比克东北海域, 面积约为9× 10⁴ km²。作为东非大陆边缘深水盆地群的一部分, 鲁伍马盆地在晚石炭世— 三叠纪处于陆内裂谷阶段, 发育湖相沉积, 在中三叠世早期, 冈瓦纳大陆裂解, 鲁伍马盆地内发育陆间裂谷, 并形成洋壳。从中侏罗世开始, 马达加斯加地块沿着戴维断裂带向南漂移, 在早白垩世的末期结束漂移。从早白垩世末期开始, 整个非洲东部大陆边缘基本处于被动大陆边缘演化阶段, 构造背景相对稳定, 并在陆缘发育多个大型三角洲— 海底扇沉积体系(张光亚等, 2015)。

研究区位于鲁伍马盆地深水区, 平均水深超过1500 m。现今沿莫桑比克北部大陆架和陆坡的海洋环流以向南流动的表层流和向北流动的深层流为主(de Ruijter et al., 2002)。马达加斯加东北洋流(Northeast Madagascar Currents: NEMC)沿马达加斯加北部边缘流动时分成2个分支: 向北流动的东非沿岸流(East African Coastal Current: EACC)和向南流动的莫桑比克峡谷洋流(Mozambique Current: MC)。深层流携带北大西洋底流(North Atlantic Deep Water: NADW)沿着莫桑比克大陆斜坡向北流动(图 2)(de Ruijter et al., 2002; Chen et al., 2020; Fonnesu et al., 2020), 并进入索马里盆地(van Aken et al., 2004)。在鲁伍马盆地的深水区使用声学多普勒水流剖面仪测量了底流的速度一般为0.2~0.4 m/s, 最大可达1.2 m/s(Fuhrmann et al., 2020)。深层底流对东非海域海底沉积物再分配及海底地形改造产生了明显的影响(Schlü ter and Uenzelmann-Neben, 2007; Macgregor, 2018)。

图 2

Fig.2

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图 2 东非鲁伍马盆地位置及洋流分布(据Breitzke et al., 2017; Fonnesu et al., 2020; Chen et al., 2020; 有修改) NEMC(Northeast Madagascar Currents)=马达加斯加东北洋流; EACC(East African Coastal Current)=东非沿岸流; MC(Mozambique Current)=莫桑比克海岸流; NADW(North Atlantic Deep Water)=北大西洋底流Fig.2 Location and oceanic current distribution map of Rovuma Basin, East Africa(modified from Breitzke et al., 2017; Fonnesu et al., 2020; Chen et al., 2020)

研究区中新统广泛发育水道和朵体等重力流沉积单元。在研究区北部发育一系列向南单向迁移水道。水道剖面形态呈不对称鸥翼状, 水道内部充填以强振幅或杂乱反射为主, 具有典型的水道充填特征(Kolla et al., 2007; 李冬等, 2011)。水道北侧天然堤相对发育, 向北逐渐尖灭, 延伸距离约10~30 km, 天然堤内部为高连续弱振幅反射。在该单向迁移水道的南部, 广泛发育朵体, 在地震剖面上呈透镜状, 内部反射振幅稳定。中新世早期朵体南北向延伸距离可达25 km, 厚度约200 m, 晚期朵体南北向延伸约15 km, 厚度约100 m, 从早到晚朵体规模逐渐减小。本次研究分别选取中新世早期朵体(朵体1)和晚期朵体(朵体2)为目标(图 4), 在测井资料约束下, 综合均方根振幅及地震相分析, 确定朵体1和朵体2的平面分布及内部岩性沉积特征。

图 4

Fig.4

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	图 4 东非鲁伍马盆地中新统典型地震剖面及对应沉积单元解释 a— 地震剖面图(剖面位置见图 2); b— 地震剖面素描图Fig.4 Typical Miocene seismic section and corresponding depositional unit interpretation in Rovuma Basin, East Africa

4.1 中新世早期朵体特征

均方根振幅平面图(图 5-a)显示, 朵体1由研究区北部的水道堤岸向南决口后形成, 平面上表现为朵叶形态, 整体近南北向延伸, 长度约30 km, 宽度约15 km, 面积约为408 km²。同时, 朵体在东北方向延伸距离较短, 在西南方向伸距离较长。地震剖面显示朵体的东北边缘厚度(约200 m)明显大于西南部边缘(约50 m), 而且朵体内部不同位置反射特征也变化较大。在朵体轴部以低连续强振幅反射或杂乱的弱反射为主, 且在测井曲线上表现为高伽马和低声波时差, 表明为厚层的偏粗粒砂岩(Well-1井), 而在朵体西南一侧以中— 高连续低频弱振幅反射为主(图 5-a; 图 6; 图 7), 为薄层细砂岩与泥岩互层(Well-2井)(图 6; 图 7)。值得注意的是, 朵体东北部边缘内部反射特征以低连续强振幅反射或者杂乱反射为主, 表明朵体东北一侧沉积特征与轴部相同, 以偏粗粒的砂岩为主(图 5-a; 图 6)。

图 5

Fig.5

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	图 5 东非鲁伍马盆地中新世早期沉积平面图 a— 均方根振幅平面图(属性提取时窗见图 4); b— 素描图Fig.5 Early Miocene sedimentary map of Rovuma Basin, East Africa

图 6

Fig.6

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	图 6 东非鲁伍马盆地中新世早期朵体地震相特征 a— 地震剖面图; b— 地震剖面素描图Fig.6 Seismic facies of the early Miocene lobe in Rovuma Basin, East Africa

图 7

Fig.7

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	图 7 东非鲁伍马盆地中新世早期朵体井震标定Fig.7 Seismic-well tie of the early Miocene lobe in Rovuma Basin, East Africa

4.2 中新世晚期朵体特征

均方根振幅图显示, 中新世晚期沉积的朵体2近东西向延伸, 长度约21 km, 宽度约13 km, 面积为225 km²(图 8)。地震剖面显示, 朵体的南部边缘厚度约200 m, 向北逐渐减薄并尖灭于远洋沉积中。朵体南部以低连续强振幅或杂乱反射为主, 主要为砂质沉积; 朵体北部以中高连续低频弱振幅为主, 主要为薄层砂岩与泥岩互层(图 8; 图 9)。

图 8

Fig.8

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	图 8 东非鲁伍马盆地中新世晚期沉积平面图 a— 均方根振幅平面图(属性提取时窗见图 4); b— 素描图Fig.8 Late Miocene sedimentary map of Rovuma Basin, East Africa

图 9

Fig.9

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	图 9 东非鲁伍马盆地中新世晚期朵体地震相特征 a— 地震剖面图; b— 地震剖面素描图Fig.9 Seismic facies of the late Miocene lobe in Rovuma Basin, East Africa

4.3 朵体内流速特征

沿朵体1和朵体2轴部选取特征点(图 5; 图8), 基于公式(1)和公式(2), 估算朵体沉积时重力流的流速。计算结果表明, 朵体近端重力流流速较大, 最大可达4.7 m/s, 顺着朵体轴部向下游, 随着重力流能量减弱, 流速逐渐减小, 在远端速度为2 m/s左右。早期南北向朵体轴部重力流流速范围为2.1~4.7 m/s, 晚期东西向朵体轴部重力流流速相对较小, 为1.9~3.7 m/s(表 1)。

表 1

Table1

表 1(Table1)

表 1 东非鲁伍马盆地中新统朵体流体动力学相关数值 Table1 Numerical correlation of hydrodynamics of the Miocene lobe in Rovuma Basin, East Africa 朵体年代 编号 β /(° ) sinβ h /m Fr Vt /m· s-1 中新世 早期朵体 (朵体1) a 1.86 0.03 195 1.72 4.7 b 1.93 0.03 174 1.75 4.6 c 1.66 0.03 149 1.62 3.9 d 1.13 0.02 93 1.34 2.6 e 1.05 0.02 69 1.29 2.1 f 1.14 0.02 70 1.34 2.2 中新世 晚期朵体 (朵体2) a 1.77 0.03 127 1.68 3.7 b 1.89 0.03 87 1.73 3.2 c 1.22 0.02 77 1.39 2.4 d 1.30 0.02 71 1.44 2.4 e 1.03 0.02 55 1.28 1.9

表 1 东非鲁伍马盆地中新统朵体流体动力学相关数值 Table1 Numerical correlation of hydrodynamics of the Miocene lobe in Rovuma Basin, East Africa

研究区中新世早期在南部发育向南的单向迁移水道。虽然水道的单向迁移也有可能是受科里奥利力的影响, 但是在南半球, 顺水道流向方向, 在科里奥利力的影响下水道会向左(北)偏移, 与研究区内水道迁移方向相反。另外, 地震剖面显示, 从水道充填到天然堤, 地震相过渡连续, 没有明显的侵蚀反射特征, 显示了连续沉积过程。根据以上特征, 可以认为中新统单向迁移水道是重力流在沉积时期受底流的淘洗而形成的, 是典型底流与重力流交互作用的产物。中新世发生两大重要事件: 一是南极冰盖发展, 发生了大规模海退; 二是地中海与世界大洋隔离, 发生盐度危机。在这一系列事件影响下, 中新世气候发生强烈波动, 世界大洋环流发生改变, 并一直持续至今(Kenyon, 1986; 张兴阳等, 1999)。同时, 在研究区邻近的坦桑尼亚盆地中新统深水沉积中发现明显的受北大西洋底流改造的大规模漂积体(Schlü ter and Uenzelmann-Neben, 2007; 陈宇航等, 2021), 综合以上分析, 笔者推测研究区中新统单向迁移水道以及不对称朵体沉积是重力流与北大西洋底流交互作用的结果。过研究区的S-N剖面显示, 朵体基本都分布在早期单向迁移水道的南边(图 4)。通过层拉平方法, 将中新统顶拉平来近似恢复中新统沉积时古地貌, 可以看出由于早期水道持续向南迁移, 在水道北部形成天然堤导致其地形逐渐增高, 相应地在水道南部形成了局部负向地形, 为后期的朵体提供了天然的沉积场所, 从而形成连续叠置的富砂朵体沉积(图 10)。

图 10

Fig.10

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	图 10 东非鲁伍马盆地底流改造古地貌控制后期砂体综合分析 a— 层拉平剖面(剖面位置见图 2); b— 层拉平剖面素描图; c— 底流改造古地貌控制后期砂体分布模式图Fig.10 Comprehensive analysis diagram of sand body in the late period control by paleo-geomorphology influenced by bottom current in Rovuma Basin, East Africa

重力流的底部由高密度和高流速的粗砂组成, 相对不容易受底流的影响, 通过悬浮沉降形成滞留沉积, 而重力流上部的细砂和泥质的密度和流速相对较低, 因此更容易受到底流的影响而被剥离(陈宇航等, 2020; Fonnesu et al., 2020)。综合研究区的洋流数据, 认为中新世底流流速为0.2~0.4 m/s(Fuhrmann et al., 2020), 远小于重力流流速。以朵体1轴部为分界, 在其东北侧和西南侧各选取1个特征点分析底流与重力流交互作用(图 11-a)。A点位于朵体东北侧, 重力流流向为东南偏东, 与底流流向的夹角近乎垂直, 因此受底流的影响明显。在底流影响下, 重力流向东北方向发生偏转, 其上部的细粒砂质和泥质被底流淘洗出去, 朵体内部整体为砂质沉积。同时因为主要偏粗砂质、沉降较快, 导致东北侧朵体延伸距离较短, 故厚度相对西南侧较大。B点位于朵体1西南侧, 重力流流向与底流几乎完全相反, 该点重力流流速远大于底流, 抵消了底流的影响, 重力流继续沿近南方向延伸。随着流速降低, 朵体厚度逐渐减小, 向远洋泥质沉积尖灭, 并在边缘形成泥质与薄砂层互层沉积(图 7), 与常规朵体边缘沉积特征相同(Beaubouef, 2004; Gervais et al., 2006)。因此朵体1呈现东北厚、西南薄的不对称形态。

图 11

Fig.11

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	图 11 东非鲁伍马盆地朵体不同流向重力流与底流交互作用示意图 a— 朵体1; b— 朵体2Fig.11 Schematic diagram of interplay of bottom currents and gravity flows in different direction in lobes of Rovuma Basin, East Africa

中新世晚期的朵体2呈近东西向延伸, 沉积时的重力流流速虽然较朵体1小, 但仍远大于底流流速。在朵体2北侧和南侧各选取1个特征点分析底流与重力流交互作用(图 11-b)。C点位于朵体北侧, 重力流流向为东北偏东, 与底流流向接近垂直, D点位于朵体南侧, 重力流流向为近东, 与底流流向也呈近乎垂直。因此, 和朵体1不同的是, 朵体2整体都明显受底流的影响, 重力流上部的细粒砂质及泥质在底流的淘洗下向北或东北偏转。导致朵体南部为厚层偏砂质沉积, 向北侧减薄并过渡为泥质。

需要强调的是, 一般在底流的影响下, 重力流上部被剥离, 沿底流流向形成细粒的湍流悬浮云(Turbulent suspension cloud), 并最终以漂积体形式沉积下来, 在地震剖面上表现为向底流流向延伸并逐渐尖灭的丘状沉积(Fonnesu et al., 2020)。研究区的朵体在靠近底流流向一翼(北侧)并没有发现明显的漂积体, 但是中新世早期的单向迁移水道以及晚期向北延伸的大规模的漂积体, 表明研究区在中新世重力流持续受底流的淘洗(图 4)。究其原因, 笔者认为一般在水道内重力流粗粒砂滞留于水道, 而细粒砂和泥质被底流淘洗并沉积于堤岸, 水道充填和堤岸沉积物岩性差异明显, 因此在地震剖面上可见明显的漂积体。但对于朵体而言, 由于其沉积于非限制环境, 在底流作用下, 沿底流方向朵体内沉积物由砂质过渡为泥质是一个连续的过程, 且在朵体末端, 其内部岩性已基本为泥质, 且厚度也逐渐减小至尖灭, 与远洋泥质沉积融合, 整个过程没有明显的岩性突变, 因此在地震剖面上并没有发现明显的漂积体反射特征。

对比2期朵体沉积特征, 可以看出朵体的形态及内部岩性特征受到重力流与底流流向的控制。朵体1延伸方向(近南北)与底流流向相反且斜交, 在东北侧(顺底流流向一翼)砂体相对较厚, 砂质纯净, 泥岩夹层较薄, 为储集层发育有利场所, 而西南侧(逆底流流向一翼)砂体厚度较小, 且砂泥互层, 储集层质量较差; 东西向延伸的朵体2延伸方向与底流流向呈高角度锐角, 近乎垂直, 在朵体南侧(逆底流流向一翼)砂体相对较厚, 砂质纯净, 泥岩夹层较薄, 为储集层发育有利场所, 而北侧(顺底流流向一翼)砂体厚度较小, 且砂泥互层, 储集层质量较差。

1)东非鲁伍马盆地古近系中新统广泛发育水道— 朵叶复合体。受向北流动底流的影响, 早期水道向南单向迁移, 水道北侧天然堤发育, 地形逐渐增高, 在水道南侧形成局部负向地形, 为后期重力流沉积提供理想场所, 导致后期朵体分布在单向迁移水道的南部。

2)中新世早期朵体1呈近南北向延伸, 西南侧重力流与底流流向几乎相反, 由于重力流流速明显大于底流, 抑制了底流的影响。重力流延伸至末端厚度逐渐减小, 形成泥质与薄砂层互层沉积; 东北侧重力流与底流流向的夹角近于垂直, 受底流影响明显, 重力流上部的细粒物质被底流淘洗出去, 朵体内部整体为砂质沉积。朵体呈现东北厚且富砂、西南薄且富泥的不对称形态。

3)中新世晚期朵体2呈近东西向延伸, 朵体南北两侧重力流与底流流向均近于垂直, 都明显受底流影响, 重力流上部的细粒砂质及泥岩在底流的淘洗下向东北偏转, 朵体南部为厚层偏砂质沉积, 向北减薄并过渡为泥质。

4)底流作用下的朵体沉积受底流和重力流流向的影响。底流与朵体延伸方向相反且斜交时, 朵体在逆底流流向一侧底流影响被抑制, 朵体沉积受自身控制, 从轴部向末端逐渐厚度逐渐减小, 泥质含量增加。朵体在顺底流流向一侧受底流影响明显, 重力流顶部细粒砂及泥质被底流淘洗出去, 以砂质沉积为主; 底流流向与朵体延伸方向近于垂直时, 朵体整体受底流影响, 逆底流流向一侧朵体以厚层砂质沉积为主, 顺底流流向一侧砂体减薄, 泥质含量增加。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 李 攀)