深水沉积学研究60余年回顾

深水沉积学研究60余年回顾

水深沉积带是迄今为止全球石油勘探和勘探的先驱（彭雄等人，2007）。然而，目前，国内外对水深沉淀过程、沉积作用和沉淀模型的理解存在较大差异（李相辉等人，2009；李云等人，2011；李存伟等人，2012）。近年来，高密度噪声流、低密度噪声流和沉积物碎屑流等新名词被纳入海底扇、深水扇和浊积扇的范畴。其实有些术语描述的是同一沉积过程或现象,而有些术语虽然大家都用,但含义却各有所指(如浊积岩)。过多的分类和名词术语,容易造成对同一地质现象的概念偏差和误解及认识分歧。当前,我国深水(包括深海地区与陆相盆地半深湖—深湖区)油气勘探在即,客观上要求对深水砂岩储层进行准确预测,而实现这一目的关键是对深水沉积作用及其过程理论体系的精细研究。本文在查阅大量文献资料基础上,对沉积物重力流研究历史与进展进行了简要回顾与总结,试图通过对重力流各种分类方案及相应沉积模式等基础问题的对比分析,理清存在的问题和分歧原因,并提出自己的看法,以期对促进我国陆相湖盆深水沉积研究有所裨益。1层序地层模式深水沉积体系的研究始于对浊流的认识和相关突破,其中1950年Kuenen和Migliorini(1950)联名发表的“浊流是递变层理的形成原因?”一文具有划时代意义,它突破了传统的机械沉积分异观点,标志着浊流理论的正式建立,从此揭开了深水沉积学研究的新篇章。而在这之前,地质学家普遍认为深海平原是一个宁静世界,仅仅接受远洋悬浮沉积(Shanmugam,2000)。从浊流理论建立至20世纪末期,深水沉积学研究取得了极大的丰富和进展,主要表现在以下两个方面:一是在20世纪60年代初,Kuenen的学生Bouma(1962)根据野外观察,对浊流沉积形成的垂向上的沉积结构、岩相组合特征进行了系统分析和总结,建立了著名的Bouma序列,这一相模式至今仍在沉积岩研究中得到广泛的应用。二是在Bouma序列研究基础上,建立了多个深水沉积的扇模式,如Normark(1970,1978)的现代扇模式(Modern-fanmodel)、Mutti(1977)及Mutti和Ricci(1972)的古代扇模式(Ancient-fanmodel)、Walker(1978)的综合扇模式(General-fanmodel)以及Vail等(1991)的层序地层模式(Sequence-stratigraphicmodels)等,其中以Walker(1978)的综合扇模式最为经典,被广泛使用。这些扇模式的建立将浊流与浊积岩研究推向了高潮,可以说在上世纪70~80年代,Bouma序列和各种扇模式是深水沉积中最有影响的研究工具,在深水(海)油气勘探实践中发挥了积极作用(Shanmugam,2000)。然而,随着人们对深水牵引流沉积的深入研究,Bouma序列的多解性显得越来越明显(张兴阳等,2001)。其实,从上世纪60年代中期开始,对浊流的定义和理解就产生了分歧和争论(Sanders,1965),到80年代关于Bouma序列、扇模式和浊积岩相模式的一些基础性问题被提出(ShanmugamandMoiola,1985;Shanmugam,1990),而且在首届扇学术会议(COMFAN)上,Bouma(1983)就指出现代和古代扇系统比预想的要复杂得多。尽管存在这些问题,扇模式还是一直支配深水沉积学的发展,并推动着深水油气勘探。到90年代,人们开始反思、质疑直至否定扇模式,提出质疑的也正是一些曾经支持浊流理论的学者,如Shanmugam和Moiola(1995)、Shanmugam(1996)、Normark(1991)、Walker(1992a,1992b)等。进入21世纪前后,一些沉积学家(Shanmugam,1996,2002;Ben?andMason,2005)陆续否定了这一传统认识,提出在海相深水区发育大规模块体搬运及砂质碎屑流的新认识(详见后文)。其实,我国学者王德坪(1991)很早就注意到在东营渐新世断陷湖盆中存在这类沉积,只是没有引起人们的重视而已。他们的这一新认识都源于其实验(JeffreyandPeter,2001;Rafael?etal.,2010)、剖面的详细描述和对沉积作用过程的精细研究(Shanmugam,2000),目前代表了近10年来深水沉积研究领域的最新进展。需要说明的是,Shanmugam在提出砂质碎屑流新认识的同时,对浊流理论的基础“Bouma序列”提出了严厉批评,并在其发表的“浊积岩十大神话”论文中彻底否定了“Bouma序列是浊流成因”的著名论断(Shanmugam,2002)。但从我国60年深水沉积研究历史看,有关浊积岩与Bouma序列的典型范例非常之多(李继亮等,1978;孙枢和陈海鸿,1987;李祯等,1995;李文厚等,1997;雷怀玉等,1999;陈全红等,2006;郑荣才等,2006;夏青松和田景春,2007;孟庆任等,2007;傅强等,2008),笔者在鄂尔多斯陆相湖盆延长组深水砂体的露头和岩芯中也见到过具有典型Bouma序列的浊积岩(李相博等,2009,2010a,2010b,2011;LiXiangboetal.,2011),因此,笔者认为“Bouma序列”的客观存在是不容置疑的,只不过其成因可能存在多解性,既可以由浊流作用在一次事件中产生,也可以像Shanmugam认为的由碎屑流与底流共同作用而产生(Shanmugam,2000)。综上所述,从上世纪50年代初期开始认识浊流,到60~80年代Bouma序列和相关扇模式的建立与广泛使用,再到90年代对Bouma序列与相关扇模式的质疑与否定,最后到21世纪今天砂质碎屑流概念与模式的提出,深水沉积研究经历了一个认识上的螺旋式上升旋回。2沉积物重力流分类进行科学的分类是地学研究的重要内容之一,过去60年来,沉积学家在不同阶段从各自不同角度出发,建立了各种不同的沉积物重力流分类方案。2.1沉积物重力流系统Dott(1963)最早按照流体的流动机制将沉积物重力流划分为塑性流(碎屑流)和黏性流体流(浊流)两大类。随后,Middleton和Hampton(1973)将颗粒的支撑机制作为划分依据引入到沉积物重力流的分类中,将沉积物重力流沉积系统划分为4个类型,即泥石流(或碎屑流)、颗粒流、液化沉积物流和浊流。由于这些分类仅考虑了单一因素情况,后人在其基础上进行了修改。2.2流体化流中颗粒的支撑机制Lowe(1979,1982)综合了Dott(1963)与Middleton和Hampton(1973)的分类优点,他首先依据流体的流动状态将沉积物重力流划分为流体流和碎屑流两大类,然后再根据不同的颗粒支撑机制,细分为浊流、流体化流、液化流、颗粒流和黏性碎屑流等5类(表1)。Lowe(1979)区分了通常当作同义词使用的液化流(liquefiedflow)和流体化流(fluidizedflow),在液化流中,颗粒仅受到向上逃逸流体的部分支撑(流体阻力),而在流体化流中,颗粒受到向上逃逸流体的完全支撑。上述Middleton和Hampton(1973)以及Lowe(1979,1982)的分类具有一定实用性(李林等,2011)。然而,这些分类本身存在着如下无法克服的问题:(1)通常只考虑了单一支撑机制的情况,然而在自然流体中涉及的支撑机制绝对不止一个;(2)仅考虑的是沉积物在搬运过程中的支撑机制,然而研究人员面对的沉积物反映的却是在沉积阶段的支撑机制;(3)如何根据沉积记录确定搬运机制是一个问题,目前人们可以利用沉积特征推断在沉积作用的最后阶段占优势的作用,但是这些特征不一定与整个搬运过程有关,目前还没有一个公认的标准从沉积物中确定搬运机制(Shanmugam,2000)。2.3层序分类和沉积相新世纪初期,Mulder和Alexander(2001)根据流体的物理性质和颗粒搬运机制,提出了一种新的沉积物重力流分类方案,该方案首先根据沉积物颗粒是否具有黏结性,将沉积物重力流分为黏结流(cohesiveflow)和摩擦流(frictionalflow)两大类;再根据流体中沉积物颗粒的含量和主要的颗粒支撑机制将摩擦流细分为超高密度流(hyperconcentrateddensityflow),高密度流(concentrateddensityflow)和浊流3类(图1)。Mulder的分类基本遵循了Kuenen和Migliorini(1950)及Bouma(1962)等人对浊流的原始定义,将浊流限定在牛顿流体范围内,指出正粒序是鉴定浊流沉积最重要的依据,这无疑是正确的。然而在该分类中,碎屑流沉积被认为是由基质支撑的一种流体,并不包括基质中黏结性泥质含量较少的砂质碎屑流。而在超高密度流等摩擦流中,Mulder认为其沉积颗粒是分散的,颗粒之间不具有黏结性(MulderandAlexander,2001)。显然,按照这一分类思想,近年来人们在鄂尔多斯盆地延长组中发现的粘塑性且多数具颗粒支撑结构的块状砂岩沉积(李相博等,2009;LiXiangbo,etal.,2011;邹才能等,2009)不能归入以上任何一类,因此该方案值得商榷。2.4碎屑流的概念内涵Shanmugam(2000)将沉积物重力流划分为牛顿流体(Newtonianflows)和塑性流体(plasticflows),强调了流变学(rheology)在重力流分类中的重要性。需要说明的是,虽然Dott(1963)最早也以流变学为基础将沉积物重力流划分为塑性流和黏性流体流,但其分类过于简单化没有被后人广泛认可。Shanmugam(1996)也不认可Lowe(1982)将浊流分为高密度浊流与低密度浊流的观点,因此他在修改Shultz(1984)分类的基础上,增加了砂质和泥质碎屑流(图2),认为浊流只有低密度而无高密度,所谓的高密度浊流实际上是砂质碎屑流成因,与低密度浊流本身沉积机理完全不同。砂质碎屑流的概念内涵包括以下几个要点:(1)塑性流变;(2)多种沉积物支撑机制(内聚强度、摩擦强度及浮力);(3)块体搬运方式;(4)砂和砾大于25%~30%;(5)25%~95%沉积物(碎石、砂、泥)体积浓度;(6)可变的粘土含量(比重低到0.5%)。Shanmugam(2000)认为砂质碎屑流中的术语“碎屑流”既表示重力流沉积产物,也表示了形成这种产物具有的塑性流变学过程,认为流变学特性对砂质碎屑流的控制方面比粒度分布更为重要。砂质碎屑流可以在任何粒级(从细砂到砾)、任何分选(或差或好)、任何黏土含量(或低或高)以及任何模态(单峰或双峰)的泥浆中发育。理论上,颗粒流(非黏性碎屑流)和泥质碎屑流(黏性碎屑流)可以认为是塑性流的二个端元组分,砂质碎屑流是介于颗粒流和泥质碎屑流的中间产物(Shanmugam,2000)。显然,Shanmugam的“砂质碎屑流”术语不是一个简单岩石名称,而是代表了一个在组分、结构以及强度等方面的沉积序列,而且在这个沉积序列中有一个共同特性,即塑性流变特征。笔者认为,Shanmugam基于流变学和沉积物搬运机制的重力流分类值得推广,其优点在于:(1)明确指出沉积物重力流只包括浊流、颗粒流、砂质碎屑流与泥质碎屑流4个类型,其他液化流、流体化流、高密度浊流、低密度浊流、高浓度流、超高浓度流、变密度颗粒流、非粘性碎屑流、牵引毯、滑塌浊流等术语或者不是独立流体(MulderandAlexander,2001)、或者由于本身含义不明已涵盖在“砂质碎屑流”概念中(Shanmugam,2000),这样就减少了术语泛滥和人们的理解混乱现象;(2)砂质碎屑流由于是多种沉积物支撑机制,其形成既不要求像颗粒流所需的陡坡环境,也不要求像粘结性碎屑流所需的高基质含量(Shanmugam,2000),这样一个含义广泛的概念可能更符合现今条件下对深水沉积的理解;(3)Shanmugam的分类及砂质碎屑流概念较好地解释了深水沉积中无沉积构造的块状砂岩,因而目前已被我国学者接受并运用(邹才能等,2009)。3单次沉积成岩阶段,其主要分为3种沉积模式的作用在于预测。传统浊积岩理论及海底扇模式的吸引人之处就在于深水砂岩储层能被预测,在进入21世纪前,全世界应用该模式在>500m水深的海域已经获得了约580亿桶油气当量的可采储量(庞雄等,2007)。但人们总是希望在深水区能够发现更多的浊积岩,然而在20世纪90年代,传统浊积岩理论在指导深海油气勘探实践时未能发挥出预期的作用,这极大地动摇了曾广为流行的海底扇沉积模式(即具有浊积水道沉积与其前端的叶状体沉积)在深水砂岩解释中的地位,于是人们开始怀疑这一理论的正确性,对Normark(1970),Mutti和Ricci(1972),Walker(1978)等人早期建立起来的水下扇体系进行了反思(Bouma,1983;Normark,1991;Walker,1992a,1992b),并引发了激烈的争论(ShanmugamandMoiola,1985;Shanmugam,1990,1996),一些经典的理论几乎到了被放弃的地步(Shanmugam,2000)。与此同时,以Shanmugam等为代表的一批学者,通过对一些经典古代浊积岩露头和现代浊流沉积重新研究后,认为大部分并不是浊积岩而是砂质碎屑流和底流改造沉积(Shanmugam,1988;ShanmugamandMoiola,1995a)。Shanmugam进一步对全世界范围多个地区的岩芯与露头进行了仔细观察与描述,历经十余年,终于在21世纪到来的2000年前后提出了碎屑流主导的深水斜坡模式(slopemodel)(Shanmugam,2000)(图3)。正像具有水道与叶状体的扇模式是专门为浊流沉积作用所设计的一样,斜坡模式是专门为滑塌与碎屑流等复杂沉积过程而设计的。Shanmugam进一步将斜坡模式划分为非水道体系(non-channelized)和水道体系(channelized)两种类型,前者如现代北海深水储集砂体,后者如现代的密西西比外扇和尼日利亚海岸的Edop油田。在碎屑流主导的斜坡模式中,陆架的性质(富泥与富砂)、海底地貌(光滑与复杂)、沉积过程(悬浮沉降或冻结)控制着砂体的分布与几何形态。尤其频繁的流体活动有助于形成平面连续、席状展布的混合碎屑流沉积(amalgamatedsandydebrisflows)。与浊流形成的水道、叶状体沉积不同,砂质碎屑流在平面上主要形成3种不规则舌状体:孤立舌状体、叠加舌状体和席状舌状体,相应在剖面上分别呈孤立的透镜状、叠加的透镜状和侧向连续的席状。Shanmugam(2000)认为,由于存在滑水机制(hydroplaning),水下碎屑流可以沿很缓的斜坡(gentleslopes)搬运很远的距离,而陆上碎屑流却不能。一些富砂大陆架下面发育的混合碎屑流沉积可能就是这种原因形成的。虽然砂质碎屑流的沉积是复杂的,但是它们能在岩石记录中形成席状几何体。所有碎屑流是不连续的、难以发现的观念是不正确的,因为碎屑流的混合沉积物(amalgamateddeposits)能够形成侧向连续的砂体。碎屑流储层储集性能不好的传统观念也是不正确的,国外有这样的例子,滑塌与碎屑流成因的砂体,其孔隙度高达27%~32%,渗透率高达900~4000md(Shanmugametal.,1995)。由此看来,过去曾经认为深水斜坡对沉积物而言总是过路不停(bypassing)的观念是不正确的,新模式与众多实例都指示斜坡地区有可能发育好的储集砂体,一些学者也指出斜坡是21世纪非常重要的勘探靶区(Shanmugam,2000;Stowetal.,1998)需要说明的是,由于浊流模式在人们的头脑中根深蒂固,过去一般认为深水砂岩都是浊流形成,这显然夸大了浊流的作用。但Shanmugam(2000)似乎又走向了另一个极端,几乎把所有浊积岩都认为是碎屑流与底流改造沉积。实际上,仅陆相湖盆而言,我们的研究表明既存在大量块体搬运和碎屑流,也发育浊积岩。因此,试图用一种模式来解释复杂的深水沉积系统,这在实践中肯定是行不通的。4浊流主导扇模式的提出(1)20世纪50年代浊流理论的建立对深水沉积研究具有划时代意义,60年来浊流理论在争论中发展,人们对深水沉积的认识经历了一个螺旋式上升旋回。Bouma序列是客观存在的,只是其成因存在多种解释。目前的砂质碎屑流概念是对Bouma序列与相关扇模式的补充,表明深水沉积研究又进入了一个新阶段。(2)沉积物重力流分类应严格遵循流变学和沉积物搬运机制的重力流分类方法,包括浊流、颗粒流、砂质碎屑流与泥质碎屑流4个类型。其中浊流是指具有牛顿流变学特性、呈湍流状态搬运的沉积物重力流;