深水砂质碎屑流沉积:概念、沉积过程与沉积特征

在总结国内外相关文献的基础上,对砂质碎屑流的相关概念、沉积动力学过程及沉积特征进行系统梳理,并对争议问题进行了讨论。砂质碎屑流是一种富砂质具塑性流变性质的宾汉塑性流体,代表一个从黏性至非黏性碎屑流连续系列,具有中—高碎屑浓度(体积浓度25%～95%)、较低的泥质含量(体积浓度可低至0. 5%)、湍流不发育。其沉积物以块状砂岩、含碎屑逆粒序砂岩沉积为代表,局部可见滑动剪切构造和液化漩涡构造。砂质碎屑流的形成多经历滑动→滑塌→砂质碎屑流→浊流的有序演化过程;滑水作用和基底剪切润湿作用是克服砂质碎屑流与基底剪切摩擦拖拽的重要机制,流体强度则是克服上覆环境水体混入稀释的重要原因;砂质碎屑流头部和边部优先固结沉积,进而控制流体整体沉降。砂质碎屑流是形成深水块状砂岩的主要原因之一,砂质碎屑流在相对低流体效率的深水重力流沉积环境广泛发育。     

深水重力流沉积研究进展

深水重力流沉积研究经历了半个多世纪发展,从浊流及鲍马序列开始,到把深水砂岩普遍解释为浊流成因以及海底扇模式的建立,再到今天学者们对鲍马序列的质疑,深水重力流沉积的研究经历了认识上的螺旋式上升旋回。目前关于深水重力流沉积争议的焦点在于高密度浊流是否属于浊流的范畴,深水砂岩是否都是浊流成因。以Shanmugam为代表的学者认为,绝大多数的深水砂岩都是碎屑流成因而非浊流成因,并且提出了重力流分类新方案,同时建立了与其匹配的深水斜坡沉积模式。通过对前人成果的广泛调研,经过对比总结,认为:1根据流变学和沉积物搬运机制,重力流分为碎屑流(砂质碎屑流和泥质碎屑流)、颗粒流、浊流;2浊流的韵律结构特征为明显的正粒序且没有漂浮的碎屑颗粒,碎屑流自下而上呈逆-正粒序的两套韵律变化且发育有漂浮的碎屑颗粒;3Walker的综合扇模式与Shanmugam的斜坡沉积模式,二者是可以共存的,只是在某一地区适用性不同而已。     

碎屑流与浊流的流体性质及沉积特征研究进展

受浊流沉积模式(即鲍马序列和浊积扇模式)的驱动和浊积岩思维定势的影响,自1970s浊流与浊积岩的概念逐渐扩大,特别是通过"高密度浊流"术语的引入,以及将水下浊流与陆上河流的错误类比,使得一部分碎屑流与底流的沉积被认为是浊积岩。随着现代观测设备的应用以及详细的岩芯观察,碎屑流(特别是砂质碎屑流)和浊流被重新认识。浊流是一种具牛顿流变性质和紊乱状态的沉积物重力流,其沉积物支撑机制是湍流。碎屑流是一种具塑性流变性质和层流状态的沉积物重力流,其沉积物支撑机制主要是基质强度和颗粒间的摩擦强度。浊流沉积具特征的正粒序韵律结构,底部为突变接触而顶部为渐变接触;碎屑流沉积一般具上、下两层韵律结构,即下部发育具平行碎屑结构的层流段,上部发育具块状层理的"刚性"筏流段。但当碎屑流被周围流体整体稀释改造且改造不彻底时,强碎屑流可变为中—弱碎屑流,相应自下而上可形成逆—正粒序的沉积韵律结构,其中发育有呈漂浮状的石英颗粒和泥质撕裂屑等碎屑颗粒,明显区别于浊流沉积单一的正粒序韵律结构特征。碎屑流沉积顶、底部均为突变接触。浊流的沉积模式为简单的具平坦盆底的坡底模式,而碎屑流则为复杂的斜坡模式。     

重力流沉积砂岩的成因、改造及油气勘探意义

在前人研究基础上,结合最新研究成果,以深水砂岩形成为线索,讨论重力流沉积砂岩成因机制以及后期底流改造作用,分析争议问题,探讨解决方法,并揭示油气勘探意义。重力流沉积砂岩成因机制复杂,将浊流严格定义为紊流支撑,悬浮沉降的重力流,有利于砂岩成因机制解释及砂体分布预测。具有正粒序构造的砂岩为浊流成因,块状砂岩和逆粒序砂岩为砂质碎屑流成因。浊流砂岩沉积在平面上向四周散开,形成朵叶状砂体,碎屑流砂岩沉积沿流体搬运方向展布,形成舌状砂体。重力流沉积受后期底流改造而形成含牵引流构造的砂岩,但牵引流构造不是底流改造砂体所特有的标志,需结合砂体分布特征及沉积环境加以鉴别。水道内重力流沉积受底流影响,天然堤不对称发育,水道发生单向迁移,砂体平面展布范围变大,但砂体垂向厚度变小。同时,受底流改造的天然堤之间会形成局部负向地形,为后期水道、朵体有利沉积场所,易形成连续垂向叠置砂体。深水砂岩预测需将重力流沉积和底流改造结合起来。     

湖相深水块状砂岩特征、成因及发育模式——以南堡凹陷东营组为例

块状砂岩因其厚度大、储层物性较好而成为深水沉积油气勘探开发中最重要的目标。沉积构造相对简单,但变化迅速且组构特征多变。为了探索不同块状砂岩的成因及其联系,建立预测性地质模型,首先将南堡凹陷东营组深水块状砂岩分为2类8种岩相和10种岩相组合,其中单期砂层顶部常含漂浮状砾石,形态多变、内外源均有。本区块状砂岩成分成熟度差,结构成熟度不稳定,粒度累积概率曲线反映了3种搬运过程:多流体改造型、三角洲前缘继承型和混杂快速冻结型。成因分析认为,块状砂岩以砂质碎屑流搬运为主,真正碎屑流和颗粒流次之,并见部分砂质滑塌成因;常与浊流、泥流、泥质滑塌沉积伴生,发育5种相序组合,其中砂质碎屑流-浊流、砂质碎屑流-泥流组合最常见。高密度流体内沉积物浓度分层与特殊的流速剖面共同控制下塑性层流与牛顿紊流间的界面控制了漂浮状砾石搬运和沉积。最后,建立了陡坡带外源型、陡坡带内源型和缓坡地内源型深水沉积过程及块状砂岩发育模式,为断陷盆地深水沉积砂岩储层的预测提供了新思路。     

滑塌型深水重力流沉积特征及沉积模式:以渤海湾盆地临南洼陷古近系沙三中亚段为例*

综合运用钻井岩心、测录井等资料,通过岩心观察、薄片鉴定和粒度分析等方法,对渤海湾盆地临南洼陷古近系沙三中亚段深水重力流沉积类型及其沉积特征、沉积模式展开研究。研究表明,临南洼陷沙三中亚段深水重力流沉积主要发育滑塌沉积、碎屑流沉积和浊流沉积3种成因类型。滑塌沉积以包卷层理、液化砂岩脉、阶梯状小断层、变形岩层与未变形岩层叠置为典型特征。碎屑流沉积中砂质碎屑流沉积分布较广,以突变的底部接触面、块状层理、泥岩撕裂屑、土黄色泥砾、突变或不规则的上接触面为典型识别标志。浊流沉积则以正粒序层理、底部冲刷面和槽模、薄层砂泥互层、不完整的鲍马序列为典型识别标志。滑塌沉积主要发育在三角洲前缘斜坡根部,在滑塌沉积前方形成碎屑流沉积,碎屑流向前搬运的过程中,流体被稀释逐渐转化成浊流。滑塌型深水重力流沉积整体分为近源沉积、中部沉积和远源沉积3个部分: 近源沉积主要发育具变形构造的滑塌沉积和厚层块状砂质碎屑流沉积;中部沉积主要发育砂质碎屑流沉积及浊流沉积;远源沉积以薄层浊流沉积为主。     

滑塌型深水重力流沉积特征及沉积模式:以渤海湾盆地临南洼陷古近系沙三中亚段为例

综合运用钻井岩心、测录井等资料,通过岩心观察、薄片鉴定和粒度分析等方法,对渤海湾盆地临南洼陷古近系沙三中亚段深水重力流沉积类型及其沉积特征、沉积模式展开研究。研究表明,临南洼陷沙三中亚段深水重力流沉积主要发育滑塌沉积、碎屑流沉积和浊流沉积3种成因类型。滑塌沉积以包卷层理、液化砂岩脉、阶梯状小断层、变形岩层与未变形岩层叠置为典型特征。碎屑流沉积中砂质碎屑流沉积分布较广,以突变的底部接触面、块状层理、泥岩撕裂屑、土黄色泥砾、突变或不规则的上接触面为典型识别标志。浊流沉积则以正粒序层理、底部冲刷面和槽模、薄层砂泥互层、不完整的鲍马序列为典型识别标志。滑塌沉积主要发育在三角洲前缘斜坡根部,在滑塌沉积前方形成碎屑流沉积,碎屑流向前搬运的过程中,流体被稀释逐渐转化成浊流。滑塌型深水重力流沉积整体分为近源沉积、中部沉积和远源沉积3个部分:近源沉积主要发育具变形构造的滑塌沉积和厚层块状砂质碎屑流沉积;中部沉积主要发育砂质碎屑流沉积及浊流沉积;远源沉积以薄层浊流沉积为主。     

重力流主导的深水沉积特征及其模式——以共和盆地下三叠统为例

深水沉积具有良好的油气勘探前景,近年来已成为沉积学研究的前缘和油气工业界关注的焦点。以共和盆地下三叠统为例,通过野外剖面的详细观察描述,结合室内镜下薄片鉴定与粒度分析,对深水沉积类型、沉积特征、垂向组合、成因机制以及沉积模式进行系统研究。共和盆地早三叠世深水沉积类型主要有滑塌型深水重力流沉积、底流沉积以及深水悬浮沉积,其中滑塌型深水重力流沉积又可识别出滑塌沉积、砂质碎屑流沉积与浊流沉积三种类型。滑塌沉积常见以同沉积褶皱为代表的多种软沉积物变形构造;砂质碎屑流沉积以块状砂岩为主,内部可见砂质团块、泥砾或泥质撕裂屑,块状砂岩顶底与相邻岩层均为突变接触;浊流沉积普遍发育正粒序,可见不完整的鲍马序列,底面常见多种类型的底模构造;底流沉积发育多种牵引流沉积构造。研究区软沉积物变形构造类型丰富,其中滑塌层内的软沉积物变形构造主要在斜坡滑塌过程中形成;未发生滑塌层内的软沉积物变形构造主要因地震使沉积物发生液化作用及流体化作用而形成。在综合分析盆地构造背景、深水沉积分布规律、重力流触发机制的基础上,建立了共和盆地早三叠世滑塌型重力流主导的深水沉积模式。滑塌型重力流主要由地震以及火山事件触发,水道化的地区会形成大面积的海底扇沉积体系。底流作为深水环境中不可忽视的动力因素,往往会对重力流沉积进行后期改造而使其物性变好。深水悬浮沉积作为一种背景沉积,在重力流事件的间歇期成为主要的深水沉积物。研究显示内扇、中扇可作为致密砂岩油气的勘探区,外扇可进行页岩油气勘探。     

陆相湖盆深水重力流沉积特征、砂体结构研究及油气勘探意义—以鄂尔多斯盆地上三叠统长7油层组为例

结合深水重力流沉积理论、野外剖面、岩心、测井等资料的分析,对鄂尔多斯盆地合水地区延长组长7油层组重力流沉积相和砂体结构的类型、特征进行了深入分析。研究表明长7沉积期发育大面积的深水砂岩,主要发育砂质碎屑流、浊流等重力流砂体,砂质碎屑流沉积以块状层理为主,单砂体厚度大,浊流沉积以粒序层理为主,砂泥互层频繁;结合重力流沉积背景下各成因砂体测井曲线形态、垂向发育厚度、垂向连续性及组合特征,将砂体垂向叠置结构划分为多期砂叠置厚层型、厚砂-薄泥互层型、厚砂-薄砂-泥互层型及薄砂-厚泥互层型四种类型,并对研究区单井砂体结构进行了聚类。实践表明,砂质碎屑流沉积区虽是油气藏有利聚集分布带,但分布面积较广,结合砂体结构特征,可进一步细化有利区划分,为致密油藏有利区的优选提供了新的研究思路。     

深水碎屑流与浊流混合事件层类型及成因机制

同一重力流事件形成的包含碎屑流和浊流及其之间过渡流体的混合流沉积形成的沉积层称为混合事件层。混合事件层主要包含下部砂质碎屑流-上部浊流混合事件层(类型1)和下部浊流-上部泥质碎屑流混合事件层(类型2)以及泥质碎屑流和浊流频繁互层混合事件层(类型3)3种类型。类型1主要为流体转化成因,包含液化作用、沉积物破碎、流体顶部剪切侵蚀、接触面不稳定性和波浪破碎、水力跳跃、流体头部与环境水体混合和多种机制作用下的整体转化7种成因认识。类型2和类型3主要涉及流体转化及流体差异搬运和沉降过程成因,包含碎屑流覆盖浊流、碎屑流内部差异沉降、浊流侵蚀转化、浊流膨胀减速、局部沉积物垮塌和浮力转化6种成因认识。下部砂质碎屑流上部浊流混合事件层和下部浊流上部厚层富含泥质碎屑的泥质碎屑流混合事件层在沉积近端到沉积远端均有分布,多呈条带状或树枝状;下部浊流上部贫泥质碎屑的泥质碎屑流混合事件层主要在沉积远端或基底相对低部位分布,多呈环带状或牛眼状。深水重力流混合事件层的分布主要受泥质含量、颗粒粒度、水体密度等内部因素和重力流成因机制、古地形和构造活动等外部因素综合控制。深水重力流混合事件层的形成及其分布研究对于丰富和完善重力流沉积理论,指导现阶段深水重力流砂体常规和非常规油气勘探及理解自然活动规律、防灾减灾具有重要意义。现阶段对深水重力流混合事件层的多种成因及形成条件和横向分布演化规律的研究还有待进一步深入。     

贺兰拗拉槽胡基台地区中奥陶统樱桃沟组深海重力流沉积特征

结合国际上深海沉积研究最新动态,分析了鄂尔多斯盆地西侧胡基台地区中奥陶统樱桃沟组野外剖面。认为该地层块状内部无层理砂岩为砂质碎屑流沉积而不是前人认为的浊流沉积。研究区发育有垮塌沉积、颗粒流沉积、砂质碎屑流沉积、浊流沉积等重力流沉积。该区樱桃沟组重力流沉积类型的总体分布特征是:下部发育钙屑浊流与大规模灰岩垮塌沉积,见砂质碎屑流沉积;中部主要发育陆源碎屑浊流沉积,但在其下部有较为发育的颗粒流沉积;上部发育陆源碎屑浊流沉积。其中垮塌沉积和颗粒流沉积作为对古构造的沉积响应,反映了樱桃沟期该地区的古构造地形为陡坡。     

河南省济源盆地下侏罗统鞍腰组重力流沉积特征及其构造意义*

在详细野外剖面工作的基础上,通过岩性特征、沉积构造及沉积序列等的系统观察研究,发现济源盆地下侏罗统鞍腰组重力流沉积由滑塌沉积、砂质碎屑流沉积和浊流沉积构成。滑塌沉积以砂岩和泥岩的混杂、岩层的滑动变形以及泥岩呈碎块被卷入砂岩层中为特征;砂质碎屑流沉积常呈厚层块状,颗粒分选和磨圆较差,杂基较多,可见漂浮于层内的石灰岩砾石;常见的浊流沉积分为2种类型: 具有明显正粒序结构的浊流沉积和砂泥岩薄互层的浊流沉积,可用鲍马序列来描述。鞍腰组重力流沉积可划分为3个沉积序列: 序列A记录了滑塌沉积→砂质碎屑流沉积→浊流沉积→深湖沉积的转换过程;序列B表现为砂质碎屑流与浊流沉积的叠覆;序列C由浊流及湖泊沉积构成,并经历了由序列A→序列B→序列C的沉积演化过程。重力流的形成受秦岭造山带于早侏罗世沿三门峡—鲁山—舞阳断裂发生逆冲推覆作用的控制,其沉积演化指示了秦岭造山带造山作用由强到弱的过程。     

渤中25-1油田沙三段重力流沉积模式及油气地质意义

运用最新重力流沉积理论,以钻井岩芯、地震资料为基础,系统研究了渤海海域渤中25-1油田沙三段重力流沉积特征、类型、岩相组合、砂体空间展布特征以及沉积模式。结果表明,研究区主要发育滑塌重力流、砂质碎屑流、浊流3种重力流沉积类型,并构成5种典型的岩相组合,包括湖相细粒沉积与滑塌重力流组合（MS）、砂质碎屑流与滑塌重力流组合（DS）、砂质碎屑流与浊流组合（DT）、浊流与砂质碎屑流组合（TD）、湖相细粒沉积与浊流组合（MT）。研究区重力流沉积具有"源-坡-断-流"联控的"滑塌-砂质碎屑流-浊流"沉积过程与发育模式,其中砂质碎屑流砂体呈舌状体分布,浊流砂体则具有朵状体形态特征。储层综合评价表明,砂质碎屑流砂体粒度粗、宽厚比小、泥质含量低、物性好,是优质的重力流储层类型。对不同重力流类型沉积特征、展布形态以及储层性质的精细研究,对深水优质砂岩储层的预测具有重要的指导意义。     

鄂尔多斯盆地南部三叠系延长组深水重力流沉积特征及其石油地质意义*

通过大量岩心观察、钻测井资料分析及野外露头观察,对鄂尔多斯盆地南部延长组长6—长7深水重力流沉积特征、触发机制、沉积过程、沉积模式及石油地质意义进行了系统分析。研究结果表明:研究区共存在滑动岩体、滑塌沉积、砂质碎屑流沉积、浊流沉积及泥质碎屑流沉积5种类型的重力流沉积物,各类型的沉积物特征明显。不同类型重力流沉积物垂向组合可分为5类,研究区重力流的形成过程可分为5个阶段:三角洲前缘沉积阶段、滑动阶段、滑塌变形阶段、砂质碎屑流及泥质碎屑流形成阶段以及浊流形成阶段。滑动、滑塌砂体多呈孤立透镜体状,砂质碎屑流砂体多以扇沟道的形式展现出来,浊流砂体多分布在扇沟道的前端或侧翼,呈席状砂展布。深水重力流砂体垂向叠置厚度大,可形成规模大的油藏,大大扩展了深湖的勘探范围。研究区长6、长7油层组砂质碎屑流砂体储集层物性较好,含油性好,是重点勘探层位。     

鄂尔多斯晚三叠世湖盆异重流沉积新发现

水下重力流沉积作为重要的油气储层,已成为当前学术研究和油气工业共同关注的焦点.在鄂尔多斯盆地南部延长组长7~长6油层组深湖相沉积中,发现一种不同于砂质碎屑流沉积和滑塌浊积岩的重力流成因砂岩.其沉积特征为一系列向上变粗的单元(逆粒序层)和向上变细的单元(正粒序层)成对出现;每一个粒序层组合内部的泥质含量变化(高-低-高)与粒度变化一致;上部正粒序层与下部逆粒序层之间可见层内微侵蚀界面;砂岩与灰黑色纯泥岩、深灰色粉砂质泥岩互层;粉砂质泥岩层内也表现出类似的粒度变化特征.通过岩芯观察和薄片鉴定,认为该岩石组合形成于晚三叠世深湖背景下的异重流(hyperpycnal flow)沉积.其沉积产物--hyperpycnite(异重岩?)以发育逆粒序和层内微侵蚀面而区别于其它浊积岩,逆粒序代表洪水增强期的产物,上部的正粒序层为洪水衰退期的沉积,逆粒序-正粒序的成对出现代表一次洪水异重流事件沉积旋回;层内微侵蚀面是洪峰期流速足以对同期先沉淀的逆粒序沉积层侵蚀造成的.鄂尔多斯盆地延长组异重岩的发现,不仅为探索陆相湖盆环境下的异重流沉积提供了一个范例,而且对于深水砂体成因研究、储层预测和油气勘探具有理论和现实意义.     

Can liquefied debris flows deposit clean sand over large areas of sea floor? Field evidence from the Marnoso‐arenacea Formation,Italian Apennines

The Marnoso‐arenacea Formation in the Italian Apennines is the only ancient rock sequence where individual submarine sediment density flow deposits have been mapped out in detail for over 100 km. Bed correlations provide new insight into how submarine flows deposit sand, because bed architecture and sandstone shape provide an independent test of depositional process models. This test is important because it can be difficult or impossible to infer depositional process unambiguously from characteristics seen at just one outcrop, especially for massive clean‐sandstone intervals whose origin has been controversial. Beds have three different types of geometries (facies tracts) in downflow oriented transects. Facies tracts 1 and 2 contain clean graded and ungraded massive sandstone deposited incrementally by turbidity currents, and these intervals taper relatively gradually downflow. Mud‐rich sand deposited by cohesive debris flow occurs in the distal part of Facies tract 2. Facies tract 3 contains clean sandstone with a distinctive swirly fabric formed by patches of coarser and better‐sorted grains that most likely records pervasive liquefaction. This type of clean sandstone can extend for up to 30 km before pinching out relatively abruptly. This abrupt pinch out suggests that this clean sand was deposited by debris flow. In some beds there are downflow transitions from turbidite sandstone into clean debrite sandstone, suggesting that debris flows formed by transformation from high‐density turbidity currents. However, outsize clasts in one particular debrite are too large and dense to have been carried by an initial turbidity current, suggesting that this debris flow ran out for at least 15 km. Field data indicate that liquefied debris flows can sometimes deposit clean sand over large (10 to 30 km) expanses of sea floor, and that these clean debrite sand layers can terminate abruptly.     

西秦岭直合隆地区三叠系深水水道沉积模式分析

西秦岭三叠系地层主要由深水沉积物组成。选取西秦岭直合隆地区出露较好的三组剖面进行研究,按重力流类型及静水条件下所发生的沉积现象,总结出六种岩石相类型,即滑塌岩相（F1）、碎屑流相（F2）、超高密度流相（F3）、高密度浊流相（F4）、低密度浊流相（F5）、深海泥岩相（F6）。通过对三处剖面的横向追踪对比,结合不同沉积环境下表现出特定的岩石相占比及砂体堆叠样式,共识别出限制性水道、弱限制性水道及水道天然堤三类沉积单元。限制性水道中砂体叠置关系复杂,以超高密度流相占主导地位,次为碎屑流相;弱限制性水道中砂体叠置较规整,以超高密度流相占主导地位,次为低密度浊流相;而水道天然堤表现为砂泥互层（总厚度约15 m）,主要为低密度浊流相和深海泥岩相。最后建立了研究区内深水水道沉积演化阶段模式图——早期限制性环境下水道较顺直,水道较窄,砂体叠置关系复杂;中期限制性环境相对早期有所减弱,水道弯曲度增大,水道变宽,出现溢岸沉积,砂体叠置关系复杂;晚期为弱限制性环境,弯曲水道两侧发育天然堤,砂体叠置规整。本次研究利用野外露头建立的深水水道沉积演化模式,在一定程度上还原其相关的重力流演化过程及发育期次,对全球其他类似研究具有一定的参考意义。