珠江口盆地白云凹陷荔湾3-1地区珠江组深水扇沉积特征及微相划分

珠江口盆地白云凹陷荔湾3-1地区珠江组深水扇沉积特征及微相划分

0深水扇沉积特征沉积物重力流动理论的兴起是沉积物研究的一个革命。在沉积物重力流形成机制的理论研究方面,以浊流及其沉积物研究的最早,这一理论的产生,经历了很长的酝酿过程,是与传统观点进行长期争论才建立的。纵观深水重力流研究发展的近几十年,主要分为深水重力流理论的兴起、浊积岩模式的建立、浊积岩模式的发展、浊积岩模式的抛弃及新模式的建立4个阶段(表1)。根据不同的成因机制,沉积物重力流可分为液化流、颗粒流、碎屑流、浊流、泥流及滑塌。然而,在深水扇重力流形成机制方面尚有一些争议性问题,尤其是国内外对典型浊流和其他重力流(如碎屑流、液化流、颗粒流)之间的流态区分与定义观点不一,因此用浊流来解释深水扇受到了更多质疑。鉴于深水沉积,尤其是深水扇储层正成为我国目前油气勘探开发的重要领域,而深水扇储层的沉积特征、沉积模式及沉积微相的合理划分对储层特征的详细描述、地质模型的精确建立以及砂岩储层的有效预测有重要作用。但是,国内对南海不同类型深水扇沉积特征识别与模式、沉积微相划分及储层特征方面尚缺乏比较深入的研究,从而制约了南海深水油气进一步的开发。我国南海白云凹陷存在深水扇沉积的有利条件,并有学者论述了该凹陷中荔湾地区深水扇可能存在的范围,而随着荔湾3-1气田的发现,最近一些学者或研究人员已发表文章论述了该气田珠江组确为深水扇沉积,并建立了简要的沉积模式。但对于该区深水扇的类型、动力学形成机制与模式、沉积微相的划分以及深水水道的分布特点等方面的研究还不够充分。本文通过对我国南海荔湾3-1地区典型深水扇沉积特征、形成条件、流体动力学形成机制等方面的分析,指出此类深水扇为富砂型深水扇沉积,具有水道与朵状复合,碎屑流、底流及浊流伴生的特点,进而建立相应的沉积模式并划分了相应的沉积微相类型,并明确了深水扇水道与天然堤的变化关系,为该气田今后的储层表征提供了借鉴。1地质背景和地质构造珠江口盆地位于中国南海北部大陆边缘,东西长约800km,面积约17.8×104km2,总体成NE-SW向展布,是南海北部一个重要的含油气盆地。盆地由北向南可划分为5个NE向的大型构造单元,即北部断阶带、北部坳陷带、中央隆起带、南部坳陷带和南部隆起带,各构造单元又可分为若干次级凹陷和低隆起。白云凹陷是珠江口盆地的一个三级构造单元,位于南部隆起带与中央隆起带之间(图1),是一个由走向NE、倾向NW的张性断层构成的半地堑凹陷,也是珠江口盆地的沉积和沉降中心,新生代沉积厚度超过11km。白云凹陷是萌发于晚白垩至古新世的断陷盆地,研究区荔湾3-1气田位于白云凹陷东南边缘,目的层段为下中新统珠江组的底部地层(图1)。自珠海组以来,珠江口盆地整体海平面呈现一个上升的过程,珠海组到珠江组,海平面又分别经历了3次短期旋回。荔湾3-1气田上渐新统珠海组为三角洲滨浅海的沉积背景,这为后续下中新统珠江组深水扇的发育创造了非常好的条件(图1)。2水深扇的沉积特性2.1扇重力流沉积相本区碎屑岩岩性以岩屑长石砂岩为主(图2A),岩石类型主要有含砾砂岩、中粗砂岩、粉细砂岩及泥岩。(1)砂岩类。砂岩类主要包括4种类型:①无明显沉积构造块状砂岩(图2B),颜色为灰—灰白色,该类砂岩不含砾石,无明显沉积构造,粒度由粗砂到粉细砂,以中粗—中细砂为主,多具有均质韵律;②具明显沉积构造的块状砂岩(图2C),构造表现为泄水、变形和砂岩团块,颜色由白灰到灰色,岩性为细砂到粉细砂;③富含介屑、虫孔和黄铁矿的块状粉砂岩,虫孔多成椭圆状,部分周边被黄铁矿化,颜色为褐灰色—灰色,粒度中—粉细砂④含砾石块状砂岩,颜色由灰白、灰到深灰色,砾石多为泥砾,粒径大小不一,杂乱分布,磨圆中等,并与大量介屑并存,表现了一种短距离的快速沉积。总之,本区砂岩比较发育,以块状沉积构造为主,无牵引沉积构造,主要是由塑性块体流搬运沉积的结果,表现出富砂型的深水扇重力流沉积特征。(2)粉砂岩及泥岩类。粉砂岩类主要有3种类型:①块状粉砂岩,颜色为灰色,沉积构造不发育,偶见介屑、黄铁矿和泥砾;②具变形构造粉砂岩(图2D),浅灰色粉砂岩或粉砂质细砂岩呈长条状分布于灰色或深灰色泥岩中,砂质条带变形程度强烈,下部往往发育滑动面;③具牵引流构造的粉砂岩,颜色由浅灰色到深灰色,常发育水平层理、双粘土层理、S形交错层理和波状层理,为底流沉积产物。泥岩类主要为纯泥岩为主(图2E),块状或不太明显的水平层理,颜色分为灰—深灰色和灰褐色—褐灰色,深灰色一般代表远洋泥沉积,褐灰或灰褐色代表异地搬运沉积物。部分暗色泥岩含有砂质团块、生物介屑、海绿石、藻以及虫孔、介形虫和黄铁矿,普遍含钙。2.2牵引流沉积相在岩心上,珠海组以牵引流为主,槽状、板状、复合层理等各种牵引流构造明显,为浅水三角洲滨浅海沉积;而珠江组底部发育块状厚层砂体沉积,主要表现为重力流的沉积特征,可见不够发育的牵引流沉积构造。研究区珠江组沉积背景比较特殊,既有陆架沉积,也有陆坡半远洋沉积,因此该区沉积构造丰富,主要受底流和重力流影响较大。本区沉积构造主要可分为物理成因与生物成因两大类,均反映深水沉积背景下的重力流沉积特征(图3)。2.2.1底流成因构造区内珠江组内反映重力流的物理成因构造主要有块状层理(图2B)、漂砾(图3A)、具成层性的粗尾递变(图3B)、滑塌变形或撕裂屑(图3C)以及泄水构造(图3D)等。其中块状层理是本区砂质沉积物的主要沉积构造特征,它出现在深水沉积环境中,主要是深水碎屑流塑性搬运快速沉积的结果。漂砾是指一些大的泥岩团块漂浮在砂岩中,泥砾呈褐色,扁平并定向排列,是碎屑流中层状塑性沉积的产物。粗尾递变是细粒全层分布,粗粒物质向上逐渐减少和变细,是由于悬浮体含有各种大小不等的颗粒,在流速减低时因重力分异而整体堆积的结果,它是颗粒流沉积的最显著的特征之一。泄水构造是迅速堆积的松散沉积物内由于孔隙水的泄出而形成的同生变形构造,为重力流沉积的典型特征之一。上述典型的重力流沉积现象,更多表现出碎屑流的特征,但也具有一定的浊流特征,并不能单纯用浊流或碎屑流来解释其流体动力学机制,而更多的是两者的复合。底流成因构造主要是双粘土层(图3E)和波状或S形斜交层理。其中双粘土层是发育在有内波内潮汐影响的深水沉积构造,从另一方面反映了当时沉积的古环境水深相对较大。沉积构造面能反映当时的沉积过程,主要有①重荷模和火焰构造(图3F),为同生变形构造,主要是下伏含水塑性泥岩承受不均匀压力的负载,使上覆砂岩陷入泥岩中,为重力流成因标志;②顶部突变波浪面(图3G),是砂质碎屑流向前滑动的过程中发生的顶部不规则界面;③冲刷面,是流体发生侵蚀的标志,在重力流中表现为水道沉积;④平直突变面,该面上下岩性突变,上部一般为块状砂岩或含有撕裂砂质条带的泥岩,沉积物在重力作用下滑动,但没有产生侵蚀水道,是沉积物重力流滑动阶段的标志。2.2.2中—生物成因构造研究区的生物化石主要表现为两种形式,一种是出现在泥岩和粉砂质泥岩中的介壳类化石、双壳类及有孔虫化石,泥岩中多见针状植物碎屑和鳞片状植物碎屑。生物遗迹在泥岩中表现为虫孔,多为平行虫孔,个体较小,大部分周边发生黄铁矿或菱铁矿化(图3H),代表了一种相对安静的还原性沉积环境。第二种生物化石出现在中—细砂岩中,主要为介壳碎屑,大部分定向排列,呈扰动状(图3I),表明随着沉积物发生了一定的搬运作用。总的来说,在Unit1主要以无层理的中厚块状沉积与具层理的薄层细粒沉积交替出现,体现了重力流中碎屑流、浊流及底流的综合作用的结果。因此,深水扇沉积存在多种流体流动机制的复合,而不是单一的。3状砂体的几何形态Stow等对世界70个深水厚层砂岩的例子记录结果,得出流体起源、搬运和沉积的过程是多样而复杂的。搬运过程中,块状砂体主要发育4种几何形态:流体滑坡,水道带,朵体或透镜体和席状砂。由此可见,深水扇沉积是多种流动机制的综合效应,它们以不同规模发育在扇三角洲、斜坡、扇水道、朵叶或透镜体、沟槽或盆地内。3.1陆架重力流与海水水池之间的耦合关系Galloway认为深水重力流沉积主要形成于陆架坡折以下的相对深水区。而本区珠江组Unit1主要发育在陆架坡折及其以下的低位体系域,属于深水重力流沉积为主的陆坡和坡底沉积体系。Walker认为,沉积物重力流的最小坡度为3°~5°。而深水重力流,尤其水下碎屑流易于发育滑塌效应,可以大大减少床底拖曳,并增加头部的流速,因此对坡度的要求可以更小,这就解释了为什么水下碎屑流比陆上碎屑流在微斜坡上流动的快而远。因此,只要重力流与海水(湖水)之间有足够的密度差,就具备了形成重力流的充分条件。如前所述,研究区位于陆架坡折变化区,本身具有重力流形成的坡度条件,统计研究区Unit1砂组底部坡度,其中西部靠近物源区的坡度在3°~7°,完全满足深水重力流形成的地形坡度条件。“源渠汇”的宏观研究表明,在青藏高原隆升的远源控制下,珠江大河充沛的陆源碎屑物质受到周期性海平面变化的控制,在广阔的浅海陆架形成了巨厚、大型、且富含砂岩的珠江三角洲系统;而在低位期间,在白云凹陷陆坡深水区即可出现沉积富砂的深水扇系统。从局部详细的岩心观察(图4),本研究区目的层段砂体发育明显的同生断层。因此,断裂是造成剥蚀物不稳定的触发机制,形成大规模沉积物水下滑动和流动的诱发因素。3.2深水扇重力流形成过程模式块体重力流的搬运过程依据内部离解作用逐渐增加的次序可分为滑动或滑塌、块体流和浊流4个阶段。滑动、滑塌主要颗粒之间的相互碰撞作用,形成分散压力支撑;而碎屑流具有多种支撑机制,砂质碎屑流阶段为黏结强度、摩擦强度、浮力支撑;液化流阶段主要是颗粒间流体溢出浮力;而泥质碎屑流阶段为泥质机制支撑。到浊流阶段,沉积物内部主要为流体的紊流引起的悬浮支撑。本区Unit1砂组就是在裂陷期陆坡开始不断发育的时期沉积的,受盆地裂陷的动力机制,沉积在白云主凹陷的陆架三角洲沉积物很容易被触发,顺斜坡向下滑动。由前述岩心上的沉积现象可知,本区深水扇中重力流(碎屑流或浊流)水道沉积比较发育,是深水扇中比较优质的储层;而同时由于快速沉积的影响,携带沉积物的水流迅速减速并扩散,易形成朵体(状)沉积。本文以研究区总体沉积背景为依据,综合岩心、测井和地震等资料,建立研究区珠江组深水重力流形成过程模式(图5)以及水道加朵体型的深水扇沉积模式(图6)。事实上,深水扇重力流沉积一般要经历5个阶段:(1)三角洲砂体的垮塌,在断裂系统的震动下,三角洲前缘砂体垮塌滑落在陆架坡折带;(2)块体的滑动滑塌,三角洲前缘的垮塌物沿斜坡向下滑动、滑塌搬运;(3)碎屑流搬运,随着沉积物的不断移动,不断下切海底,生成泥质碎屑,加上海水的不断加入转换成碎屑流,继续携带沉积物向深海运移;(4)浊流阶段,随着移动的推进,粗粒碎屑逐渐减少,沉积物浓度逐渐下降,滑动速度增加,碎屑流前部逐渐发育低流速的浊流,并携带细粒沉积物在平缓的海底继续向海运移;(5)再次搬运,随着坡度的变缓、变平或局部抬升,浊流速度变慢并扩散沉积在平缓的海底和陆隆附近。部分沉积物越过陆隆,或经过底流的改造,在陆隆另一侧再次发生滑动沉积。以上每一个过程没有截然的界限,而是有一个转换的过渡期。特别的,浊流也仅仅是深水扇中的一种流体动力机制或一个阶段,每个深水扇沉积并不能仅用浊积扇来解释。而浊积扇中也是多种流体动力学机制综合的结果,仅用浊流也不能解释浊积扇中的所有沉积现象。另外,每次事件并非都经历这5个过程,可能在某个过程突然停止,并最终沉积下来。4沉积物、微相和水流特征的分类4.1点物源分类方案深水扇沉积微相的划分是随着扇模式的发展而发展的。早期的扇模式相带划分较粗,Mutti等建立的古代扇模式亚相划分如下,①具有朵体的扇模式划分为斜坡、上扇、中扇、下扇和盆地平原几个亚相带;②具有分开朵体的扇模式划分为上扇、沉积绕过带、下扇和盆地平原。Walker提出的综合扇模式一直指导我们如何寻找有利的砂体,其模式在石油工业盛行了几十年。其主要考虑点物源供给的深水扇,根据发育的位置将其划分为内扇、中扇和外扇3种亚相。本次研究综合多种微相研究成果,并结合本区的实际情况,提出一个较系统的分类方案(表2)。这一方案把一个完整的深水扇分个4个亚相,而每个亚相带主要流体流动机制有所差异。且上扇与中扇沉积微相类型更为发育,并主要以重力流水道、天然堤及滑塌体沉积为主,为本区的主要储层;而底流和远洋泥在扇体的多种部位均有出现,主要在一次重力流事件结束后发生的沉积。但这一方案中的每种亚相与微相并非在每个深水扇都发育完全,荔湾3-1气田区就主要以上扇及中扇为主,且区内东部地区以水道沉积为主,而西部地区主要为水道复合朵体,表现出“西朵东道”的总体沉积特征(图6)。4.2粗粒砂体及含水层沉积相对区内Unit1东部重力流水道横切多条剖面,统计水道宽、水道深和天然堤宽度数据,可知水道深度与天然堤宽度成正相关,天然堤宽/水道深值为15.6~23。随着沉积物的不断前移,天然堤虽然展布较宽,但粗粒砂体主要沉积在水道中(图7)。水道加朵体型深水扇沉积模式(图6)及深水水道与天然堤的变化规律(图7)表明深水扇中下切水道与天然堤的分布总体上存在如下规律:(1)随着水道逐渐远离物源,水道由宽浅下