海底滑坡沉积的反射地震特征、物性与石油地质意义^*

Seismic reflection characteristics,petrophysical properties, and petroleum implications of submarine landslide deposits

摘要

海底滑坡及其伴生的高密度碎屑流与浊流沉积,构成了全球各深海盆地沉积产物的重要组成部分。最新获取的大洋科学钻探与工业钻井资料研究表明,海底滑坡沉积具有较高的密度、电阻率、纵波速度和不排水抗剪强度,与较低的孔隙度、含水量,以及杂乱分布的倾角与倾向。这些物性特征和产状特征表明,海底滑坡沉积的内部变形和压实程度均高于周缘未破坏海底沉积物。此外,海底滑坡沉积底部层段(15~30 m)表现出低于海底滑坡沉积内部的含水量和孔隙度响应,以及高于内部的纵波速度和电阻率响应。该层段被解释为底部剪切带,是单期次海底滑坡沉积中最固结、最致密的结构单元。海底滑坡沉积及其底部剪切带可作为深海油气与天然气水合物的天然封堵层,有效抑制油气和水合物资源的逸散。其次,富泥质底部剪切带及滑水效应显著降低了海底滑坡的侵蚀能力,从而使得海底滑坡沉积富砂质层段在长距离搬运过程中保持了内部结构的完整性,使其具备成为优质深海储集层的潜力。研究海底滑坡沉积的物性与石油地质意义有助于梳理深海常规油气和天然气水合物资源的成藏与富集规律,并为后续深海油气的勘探开发以及深海碳封存选址提供关键的地质信息。

Abstract

Submarine landslides and their associated high-density debris flows and turbidity currents constitute an important component of deep-sea sedimentary basins worldwide. Aiming at exploring the petroleum implications of submarine landslide deposits,the lithological,petrophysical,and geotechnical properties of submarine landslide deposits are summarized based on newly-collected petrophysical logging data,geotechnical experiments and stratigraphic logging data. Submarine landslide deposits are characterized by: higher density,resistivity,P-wave velocity,and undrained shear strength,along with low porosity,water content,and disorderly distributed dip angles and dip direction azimuths. These features indicate that submarine landslide deposits undergo more intense internal deformation and compaction compared to surrounding undisturbed strata. Abnormally high P-wave velocity and resistivity responses are observed in an interval(15 to 30 meters)above the basal shear surface of a single submarine landslide deposit,which is interpreted as the most consolidated and condensed structural unit called basal shear zone(BSZ). BSZ can serve as natural seals to effectively inhibit the escape of deep-sea hydrocarbons and gas hydrates. Additionally,muddy BSZ combined with hydroplaning effects significantly reduces the erosional capacity of submarine landslides,allowing sandy layers within the deposits to preserve their structural integrity during transport and thereby enhancing their potential as high-quality deep-sea reservoirs. Investigating the physical properties and petroleum geological implications of submarine landslide deposits contributes to understanding the accumulation mechanisms of conventional hydrocarbons and gas hydrates in deep-sea environments,providing critical geological insights for future energy exploration,development,and carbon sequestration site selection.

Graphical abstract

关键词

海底滑坡沉积 / 底部剪切带 / 物性特征 / 石油地质意义

Key words

submarine landslide deposit / basal shear zone / petrophysical characteristics / petroleum implication

0 引言

海底滑坡(submarine landslide)是海底沉积物在重力作用下沿斜坡发生滑移—变形的失稳过程,广泛发育于全球各个大陆边缘及深海地区(牛新生和王成善,2010;王大伟等,2011;李伟,2013;孙启良等,2021)。海底滑坡沉积展布面积可达数平方千米至数万平方千米(Sun et al., 2022;Karstens et al., 2023)。例如,中国南海北部陆坡白云滑坡沉积展布面积可达 11 000 km²(Sun et al., 2022)、挪威西北海域 Storegga 滑坡沉积展布面积可达 35 000 km²(Karstens et al., 2023)。大规模海底滑坡在失稳破坏过程中可形成高密度碎屑流和破坏性海啸灾害,在搬运末期可与海水充分混合从而转换为高速搬运浊流,严重威胁深海油气开发平台、油气管道、海底电缆等基础设施安全(Talling et al., 2007;Carter et al., 2012;Clare et al., 2014)。例如,2004年9月16日发生在墨西哥湾的海底滑坡事件导致海上石油钻井平台弯曲损毁,引发了历史上持续时间最久的石油泄漏事件,所造成的经济损失不少于4.35亿美元(Mason et al., 2019)。2011年3月11日发生的东日本大地震引发了剧烈的海底滑坡,所产生的势能差诱发了极具灾害性的海啸灾害,最终造成了超过18 000人伤亡(Nakamura et al., 2014;Tappin et al., 2014)。

现有研究常将海底滑坡沉积定义为块体搬运沉积(mass-transport deposits)或块体搬运复合体沉积(Mass-transport complexes)(Shipp et al., 2005;李伟等,2013)。其中,块体搬运沉积常用于描述单期的、易于分辨的海底滑坡沉积,其研究多基于分辨率尺度为数十厘米到数米的野外露头、岩心和测井等高精度数据(Sawyer et al., 2009;Jackson,2011);块体搬运复合体常用于描述多期次、相互叠置的海底滑坡沉积,其研究多基于分辨率为数米到数十米的反射地震数据(Moscardelli and Wood,2008;Steventon et al.,2019;Wu et al., 2022)。文中研究对象是在海底滑坡后已被埋藏的失稳沉积物,即历史海底滑坡的产物,涵盖块体搬运沉积和块体搬运复合体沉积,后文统一称为 “海底滑坡沉积”。

近年来,地球物理探测技术的发展提高了对深海地形地貌、地层结构、地质构造等特征的识别能力,现有研究揭示了大型海底滑坡沉积的发育期次、展布范围、内部沉积构造样式等众多地质信息。基于反射地震数据的研究表明,单期海底滑坡沉积底部发育平直且连续的底部剪切面,顶部发育起伏不定的顶界面。根据海底滑坡沉积内部应力特征及主要发育的沉积构造样式,海底滑坡沉积可分为头部、体部和趾部3个区域(图1)。受到拉张变形影响,海底滑坡沉积头部形成一系列正断层,在平面上呈下凹状弧形形态,在剖面上表现为后退式和阶梯状组合形态(图1)(Bull et al., 2009;Sawyer et al., 2009)。剪切变形过程主要存在于海底滑坡失稳滑移的发展阶段。海底滑坡内部搬运块体在相对剪切过程中侵蚀下伏地层,从而在底部剪切面上形成一系列沿下坡方向分布的线性沟槽(图1)(Bull et al., 2009)。受到挤压变形影响,海底滑坡沉积趾部多见逆冲断层体系,在平面上表现为一系列相互平行、上凹状的挤压脊,在剖面中呈叠瓦状排列组合形式(图1)(Moscardelli et al.,2006; Bull et al., 2009)。

海底滑坡沉积在某些大陆边缘盆地可长时间连续发育,向邻近的深海区域输送大量陆源沉积物,造成这些盆地内频繁充填相互叠置的海底滑坡沉积,总体积可占所在沉积盆地总地层充填体积的 60%~90%(Solheim et al., 2005;Wu et al., 2024)。例如,地中海大陆边缘数万年内已连续发生了近 700次海底滑坡,覆盖了地中海现代海底约 18% 的海域(Urgeles and Camerlenghi,2013)。新西兰北岛 Taranaki 深海盆地内发育至少 6期纵向叠置的大型海底滑坡沉积,单期次海底滑坡沉积最大展布面积可达 22 397 km²,体积可达 4064 km³,最大搬运距离近 200 km,多期次海底滑坡沉积总体积可占盆地地层充填总体积的近 70%(Omeru,2014;Nwoko et al., 2020)。相关研究表明,陆源沉积物经海底滑坡搬运至深海后可构成独特的油气成藏系统(Wu et al.,2021b;鲁银涛等,2022)。经海底滑坡搬运至深水后,陆源有机质可促进生物气烃源岩在深水区发育,所形成的生物气藏可被储集在海底滑坡沉积富砂质层段中,且垂向和侧向均受到海底滑坡沉积泥质层段圈闭,从而形成独特的“自生自储自封盖”式成藏系统(Kneller et al., 2016;鲁银涛等,2019,2022)。因此,海底滑坡是沉积物从陆架向深海输送的重要方式,海底滑坡沉积也是深水沉积盆地演化及油气成藏的重要组成部分(王大伟等,2011;李伟,2013;孙启良等,2021;鲁银涛等,2022)。

现有工作已对海底滑坡沉积的外部形态、内部结构、孕育触发机制等问题进行了较为详尽的研究,并取得了丰硕成果。然而,由于深海钻探成本高、施工难度大,基于深海钻测井资料的海底滑坡沉积研究较为有限。因此,对海底滑坡沉积的岩性和物性的分析仍不够充分(Sun and Alves,2020)。海底滑坡沉积作为全球深海地区沉积物的重要组成部分,深入研究海底滑坡沉积的物性并进一步揭示海底滑坡沉积的石油地质意义具有重要科学价值。本研究拟利用反射地震数据与近年来文献中公开发表的钻测井数据,以陆架、陆坡为物源区的硅质碎屑海底滑坡沉积为研究目标,梳理海底滑坡沉积的反射地震识别标志,查明海底滑坡沉积的主要岩性与物性,并在上述基础上讨论海底滑坡沉积的石油地质意义,为未来深海油气与天然气水合物勘探开发、深海碳封存提供重要地质信息。

1 海底滑坡分类及反射地震特征

基于沉积物在失稳滑移过程中的内部变形特征及相应的动力学过程,海底滑坡可以分为蠕变(creep)、张裂(spread)、滑动(slide)、滑塌(slump)和碎屑流(debris flow)等类型(图2)(Nemec,1990;Moscardelli and Wood,2008;何叶和钟广法,2015;Shanmugam,2015;Wu et al., 2021a)。现有研究认为,蠕变、滑动、滑塌和碎屑流可构成一个连续的、逐级演化的过程,且在单一滑坡事件中可以共存。其中,慢速蠕变通常被视为速度更快、破坏性更强的滑动、滑塌和碎屑流的前序阶段(Posamentier and Martinsen,2011;Shanmugam,2015)。蠕变、滑动、滑塌和碎屑流等类型海底滑坡均由重力驱动,而张裂型海底滑坡除了受重力因素的影响外,还受到底部沉积物超压过程的作用(Wu et al., 2021a)。

蠕变是沉积物在重力作用下缓慢变形导致的海底失稳现象(Li et al., 2016)。在反射地震剖面中(图3-a),蠕变块体的底部与下伏地层平行接触,底部剪切面发育不明显。蠕变块体内部表现为平行—次平行反射结构,同相轴清晰且连续性较好。蠕变块体顶界面表现为小角度波状起伏,具有较好的连续性,其边界受褶皱或正断层的限制。蠕变块体在失稳过程中变形程度较低、横向位移较小,年均位移量保持在几毫米至几厘米之间(Shanmugam,2015)。因此,蠕变块体与下伏地层并未完全分离,不发育明显的底部剪切面,且内部仍保持连续且完整的平行—次平行反射结构。蠕变块体在张应力环境中发生局部变形,顶界面因此表现为小角度波状起伏的形态。蠕变块体的拉张变形程度在边界处尤为显著,从而导致蠕变块体边界常发育褶皱或正断层等变形构造(图3-a)。

滑动是海底沉积物沿着底部剪切面顺坡向下的直移运动(Varnes,1978;Mulder and Cochonat,1996;Shanmugam,2015)。在反射地震剖面中(图3-b),滑动块体的底部与下伏地层之间发育一个中等到高振幅的具有明显削蚀特征的底部剪切面(Bull et al., 2009;Scarselli,2020)。并且,滑动块体与底部剪切面之间发育一个具有杂乱反射结构的条带。滑动块体内部显示出连续性较好的次平行反射结构,其顶界面表现为平缓的次平行反射结构,与内部同相轴保持一致; 但在局部区域,由于滑动块体内部同相轴发生错动,顶界面因此表现为高角度起伏的形态。滑动块体经历了一定的横向位移(数千米或数十千米),导致其与下伏地层分离,因此滑动块体发育底部剪切面(Steventon et al.,2019)。滑动块体与下伏地层分离过程中发生了显著的相对剪切运动,易于断层与褶皱等变形体系发育,从而导致底部剪切面上方的杂乱反射条带的形成。滑动块体整体变形程度较低,运动模式以直移滑动为主,垂向旋转变形并不显著。因此,滑动块体内部反射结构多表现为连续的次平行反射。滑动块体顶界面的起伏形态则受到内部块体变形程度的影响,起伏程度和角度主要由滑动块体的大小、空间位置及倾斜角度决定(Posamentier and Martinsen,2011)。

滑塌是沉积物经历塑性变形后发生的旋转滑动(Dott,1963;Nemec,1990;Shanmugam,2015)。滑塌块体在横向运动过程中经历了位移更大的搬运过程(可达数十千米)(Assier-Rzadkieaicz et al., 2000),因而底部发育高振幅、强反射的底部剪切面。在横向直移滑动的基础上,滑塌还伴随着块体的垂向翻转,从而导致滑塌块体内部褶皱和断层构造的发育。显著的变形破坏过程导致滑塌块体内部同相轴表现为不连续的波浪状反射结构。滑塌块体顶界面受滑塌块体内部变形程度所控制,具有2种表现形式: 滑塌块体旋转滑动角度较小时,顶界面表现为垂向位移较小的低角度起伏形态(图3-c);滑塌块体旋转破坏滑动角度较大时,顶界面表现为边缘尖锐且垂向位移较大的高角度起伏形态(图3-d)。

碎屑流是沉积物高度塑性变形的非均质流(Jackson,2011;Gamboa and Alves,2015;Ortiz-Karpf et al., 2017)。碎屑流的横向位移最为显著(可达数百或数千千米),因而碎屑流底部与下伏地层之间发育一个高振幅、强反射的底部剪切面(Carter et al., 2012)。碎屑流内部表现为杂乱或透明反射为主的地震相特征(图3-e),表明碎屑流变形程度大且内部沉积物均一性较强,因此碎屑流顶界面表现为平缓或小角度起伏的形态。并且,碎屑流的搬运能力较强,碎屑流内部可见大型搬运块体。

张裂是底部沉积物超压引起上覆块体沿软弱层的拉张破坏运动(Savage and Varnes,1987;Micallef et al., 2007;Wu et al., 2021a)。张裂多发育在坡度平缓的陆架和深海平原地区,横向位移为几百米到几千米(Wu et al., 2021a)。在反射地震剖面中(图3-f),张裂块体内部发育一系列地堑状和地垒状块体。其中,地垒状块体内部同相轴表现为连续性较好的平行反射结构; 地堑状块体内部同相轴表现为杂乱反射结构。张裂的成因与孔隙超压有关。板片状失稳沉积物在滑动过程中造成底部地层孔隙压力升高,并最终造成孔隙超压,形成张裂块体下伏的底部变形带。底部地层在孔隙超压作用下引发纵向发育的断层、断裂输压体系,造成张裂块体内部的变形破坏(Wu et al., 2021a)。

2 海底滑坡沉积岩性及岩心特征

近年来,大洋钻探与工业钻井在深海地区的作业逐渐增多,通过井震结合、时深转换等方法实现测井资料与过井反射地震剖面之间的连接,解决了钻井资料与反射地震数据之间的匹配问题,从而使得研究海底滑坡沉积的岩性及物性成为可能。基于钻测井数据的研究表明,海底滑坡沉积的岩性受控于其物源区发育沉积物的类型,海底滑坡沉积常富含泥质,主要岩性包括硅质碎屑、碳酸盐软泥、硅藻软泥等类型,内部多含粉砂或砂质块体(图4)。

岩心观察表明,硅质碎屑海底滑坡沉积通常呈现出不同粒级(泥、砂、砾)碎屑无序分布,缺乏正常沉积作用的分选性(图5-a)(Shanmugam et al., 1995)。底部剪切带的存在是其重要识别标志,表现为光滑或带擦痕的界面,上下岩性突变,底部剪切带内碎屑可能定向排列(图5-b)(Jacobi,1976)。此外,岩心中常显示沉积间断,如岩层序列缺失或截断,接触面不规则。

不同类型的海底滑坡沉积在岩心中呈现独特的变形特征。滑动型海底滑坡沉积以脆性变形为主,块体基本保持原始结构,内部无明显变形,细粒基质含量一般极低(Dingle,1977)。滑塌型海底滑坡沉积以塑性变形为主,表现为软沉积褶皱、层理扭曲或截切(陡倾角可达60°)以及底部剪切面与内部次生滑动面共存(图5-b,5-c)(Woodcock,1979;Shanmugam et al., 1994)。碎屑流型海底滑坡沉积兼具塑性流动与块体搬运特征,基质支撑结构是典型特征之一,细粒基质包裹较大碎屑,形成“漂浮”或“筏载”现象(图5-d)。碎屑流型海底滑坡沉积的岩心识别标志包括高细粒基质含量、反向粒序(碎屑粒径向上增大)、碎屑长轴沿流动方向排列等(Johnson,1970;Middleton and Hampton,1973)。

3 海底滑坡沉积物性特征

3.1 海底滑坡沉积整体物性

深海钻探作业难度大、成本高,深海钻测井资料因此较为有限,在现有的钻探和测井数据中,钻探海底滑坡沉积的资料则更为匮乏。基于少量深海测井数据的研究表明,相比于周缘未扰动沉积物,海底滑坡沉积层段具有更高的密度(ρ)、电阻率(R_t)、纵波速度(V_p)和更低的孔隙度(ϕ)响应(图6)。同时,岩心实验表明海底滑坡沉积层段具有更低的含水量和更高的不排水抗剪强度(图6)。基于经验公式的计算结果表明,海底滑坡沉积层段的渗透率普遍较低(Dugan,2012)。地层产状测井响应显示海底滑坡沉积的倾向方位角和倾角的变化范围较大,呈现出杂乱的分布状态(图7)。

倾向和倾角的杂乱分布特征表明海底滑坡沉积变形程度较高(Piper et al., 1997)。由于高度变形,失稳沉积物的原始沉积结构遭到破坏,从而导致海底滑坡沉积层段的倾角和倾向响应呈现出杂乱的分布状态。周缘未扰动背景沉积物的结构则较为完整,倾角响应维持在较低的数值区间(图7-a),倾向受区域地质背景控制,表现为大致统一的倾向(图7-b),与海底滑坡沉积形成明显对比。因此,利用产状测井数据,杂乱的倾向和倾角响应是识别海底滑坡沉积最有效的标志之一(Piper et al., 1997)。

较高的密度和纵波速度响应指示海底滑坡的致密性较高。较高电阻率测井响应特征则指示海底滑坡沉积内部黏土矿物比例较高,并且孔隙空间的各向异性较大(Dugan et al., 2007;Dugan,2012;Wu et al., 2021b)。较低的孔隙度和含水量响应指示海底滑坡沉积内部总孔隙空间的减少,表明海底滑坡沉积内部孔隙发生了坍缩、闭合。这些特征共同揭示海底滑坡沉积的压实程度高于周缘未扰动沉积物,说明海底滑坡沉积处于过度压实的状态。

大规模海底滑坡长距离运移后,剧烈的剪切应变导致海底滑坡沉积处于过度压实状态。过度压实会导致海底滑坡沉积内部沉积物颗粒间黏聚力(cohesion)升高,从而显著提高海底滑坡沉积的不排水抗剪强度(Mun et al., 2016)。其次,当含水量过高时,沉积物粒间水的存在形式由结合水变为自由水,沉积物的结构变得疏松,内聚力和内摩擦角呈减小趋势,最终导致抗剪强度的降低(Arabani and Haghsheno,2020;Sasaki et al., 2020;Kang et al., 2022;Palani Kumar et al., 2023)。因此,过度压实导致的孔隙度减少降低了海底滑坡沉积的含水量,从而进一步增强了海底滑坡沉积的不排水抗剪强度。

3.2 底部剪切带物性

底部剪切带作为海底滑坡沉积与下伏未扰动沉积物的分界,是由剪切应力局部集中而形成的一个具有高度剪切变形特征的结构,为海底滑坡沉积中变形程度和压实程度最高的部分(Wu et al., 2021b)。

测井数据、反射地震数据、露头、薄片数据及实验模拟结果均记录了海底滑坡沉积底部剪切带。例如,与海底滑坡沉积中、上部层段测井响应相比,海底滑坡沉积底部 15~30 m层段具有低于内部的含水量和孔隙度响应(图6)与高于内部的纵波速度和电阻率测井响应(图8)。基于反射地震数据解释的工作表明,海底滑坡沉积与底部剪切面之间还发育一个高度变形的杂乱反射条带(Alves,2015;Steventon et al.,2019)。井震标定结果表明,海底滑坡沉积底部的异常测井响应层段与反射地震数据中观察到的杂乱反射条带相对应。因此,考虑到反射地震数据的纵向分辨率(10~20 m),反射地震数据解释的底部剪切面与测井数据刻画的底部剪切带可被视为同一单元(Wu et al., 2021b)。

基于露头的研究发现,海底滑坡沉积的底部变形程度通常大于其主体部分(Alves and Lourenço,2010;Ogata et al., 2014)。海底滑坡沉积底部往往以变形程度较高的碎屑流沉积为主,而主体部分则主要表现为变形程度相对较低的块体沉积结构(图9-a)(Alves and Lourenço,2010;Ogata et al., 2014)。

岩石薄片数据进一步表明,底部剪切带内发育明显的次生变化结构,例如带状排列的细粒基质以及被细粒基质充填的压裂裂缝等,指示底部剪切带在流体超压的条件下发生了剪切破坏(Alves and Lourenço,2010;Ogata et al., 2014)。实验模拟研究进一步揭示,海底滑坡在失稳停止过程中遵循从上至下的停止机制,即海底滑坡上部沉积物先于底部沉积物停止失稳,底部沉积物在上部沉积物停止失稳后仍会持续运移,剪切应力仍处于较高的状态,其变形程度也因此更高(图9-b)(Pickering and Hiscott,2015)。因此,海底滑坡沉积的底界面不仅仅是一个简单的物理边界,而是一个高度变形的底部剪切带,其压实程度相比于海底滑坡沉积中、上部沉积物更高(Sobiesiak et al.,2018;Wu et al., 2021b)。

Wu 等(2021b)将底部剪切带的形成过程细分为以下3个阶段: 首先,高剪切应力导致海底滑坡失稳滑移初期底部沉积物发生剪切破坏,内部孔隙流体压力急剧增加(图9-c;第一阶段)。其次,沉积物中的孔隙流体为平衡过高的压力而发生逃逸(图9-d;第二阶段)。最后,流体逃逸后,非饱和孔隙或空孔隙在重力的作用下发生坍缩、趋于闭合,沉积物过度压实,最终导致底部剪切带的形成(图9-e;第三阶段)。

底部剪切带的压实程度和致密性受底部坡度、海底滑坡沉积整体厚度、底部沉积物岩性、内部变形程度与内部位置所控制(Wu et al., 2021b)。首先,海底地形坡度是控制剪切带压实程度的主要因素之一。坡度越陡,海底滑坡在失稳滑移过程中动量越大,对底部沉积物的剪切破坏作用越强,因而底部剪切带压实程度越大(Algar et al., 2011)。其次,海底滑坡沉积整体越厚,底部剪切带压实程度越大。以图8中纵向叠置的多期海底滑坡为例: 其中,海底滑坡2厚度约109 m,其底部剪切带压实程度(以纵波速度响应为参照)相比上部海底滑坡沉积层段增加了7%。海底滑坡1和海底滑坡3的厚度分别为 182 m和 270 m,底部剪切带压实程度相比上部海底滑坡沉积层段增加了约 20%~25%。第三,底部沉积物的岩性也会影响底部剪切带的厚度和压实程度。例如,当底部沉积物以砂质沉积物为主时,海底滑坡在失稳滑移过程中多以侵蚀破坏过程为主,海底滑坡通常不发育底部剪切带(Sobiesiak and Kneller,2018)。而当底部沉积物以泥质沉积物为主时,由于富泥质沉积物含水量高,底部剪切带在高剪切应力作用下会发生剪切脱水,从而使底部剪切带的压实程度显著升高(Alves and Lourenço,2010;Ortiz-Karpf et al., 2017)。第四,内部变形程度也会控制底部剪切带的压实程度。具体而言,相比于张裂、滑动、滑塌型海底滑坡,内部块体高度解体的碎屑流型海底滑坡的底部剪切带厚度较大,压实程度更高(Gee et al.,2005;Sitar et al., 2005;Furuki and Chigira,2019)。最后,同期次海底滑坡沉积内部不同位置的底部剪切带在厚度和物性上存在显著差异。海底滑坡沉积体部(中心部位)发育的底部剪切带厚度和压实程度显著高于海底滑坡沉积翼部(侧壁)和趾部(Wu et al., 2021b)。

综上所述,海底滑坡沉积整体具有较高的密度、电阻率、纵波速度和不排水抗剪强度,同时具有较低的孔隙度、渗透率和含水量,以及杂乱分布的倾角与倾向方位角,与周缘未扰动沉积物形成鲜明对比(表1)。这些特征表明,海底滑坡沉积内部变形程度较高,其压实程度及致密性也高于周缘未变形的沉积物。海底滑坡沉积底部剪切带显示出较内部更低的含水量和孔隙度响应,以及较内部更高的纵波速度和电阻率响应,构成单期次海底滑坡中最固结、最致密的结构单元。作为深水沉积体系中的重要组成部分之一,海底滑坡沉积因其独特的物性特征,对深海油气藏的形成与分布具有多方面的控制作用。

4 海底滑坡石油地质意义

4.1 海底滑坡: 调控陆源有机碳向深海输送与堆积的关键途径

海底滑坡的侵蚀作用较强,通常发育在陆源沉积物供应充足的区域,例如陆架边缘、深海水道以及海底峡谷等(Zabanbark and Lobkovsky,2018;Pope et al., 2022;McArthur et al., 2024)。海底滑坡的失稳滑移过程可能破坏数千至上万平方千米的海底区域,将数百至上千立方千米的沉积物搬运至深海,是陆源碎屑和有机质进入深海的主要通道(于吉星等,2023;Karstens et al., 2023;Li et al., 2023)。例如,挪威西北海域的 Storegga 滑坡破坏了近35 000 km²的现代海底,同时将约2400~3200 km³的沉积物从大陆坡搬运至深海区域(Karstens et al., 2023)。其次,发育于深海水道和峡谷侧壁的海底滑坡可能产生堰塞湖效应,从而截流大量陆源沉积物于深海水道或峡谷之中。以西非近海的Congo峡谷为例,峡谷侧壁发育的大量海底滑坡在峡谷内形成了一系列天然海底堰塞坝(landslide dam),在2005—2019年间共截流了约0.4 km³的沉积物,其中包含约500万吨的陆源有机碳(Pope et al., 2022)。在新西兰的Hikurangi水道中也观察到了海底滑坡产生堰塞湖效应并截流沉积物的现象(McArthur et al., 2024)。Hikurangi水道的侧壁发育大量海底滑坡,海底滑坡沉积控制了该深水水道内沉积物的堆积,显著改变了水道中的沉积物通量,最终捕获了约19 km³富含有机碳的沉积物(McArthur et al., 2024)。因此,海底滑坡可以通过产生堰塞湖效应调控陆源有机碳在深海环境中的堆积,从而成为影响深海有机碳库的重要地质因素之一(Pope et al., 2022;McArthur et al., 2024)。在此基础上,陆源沉积物中的有机碳通过快速沉积和埋藏,可在深海环境中作为潜在的生烃组分赋存,具备良好的生油生气潜力(Zabanbark and Lobkovsky,2018)。例如,西非东南部 Nigeria 大陆坡边缘发育的海底滑坡,将大量陆源有机碳输送至深海盆地,经快速沉积与埋藏后,形成了超过30处大型油气藏(Zabanbark and Lobkovsky,2018)。综上所述,海底滑坡是调控陆源有机碳向深海输送与堆积的关键途径,对深海油气富集和成藏具有重要影响。

4.2 底部剪切带: 油气和天然气水合物的天然封堵层

底部剪切带可以作为油气封堵层显著提升周围地层对海洋油气的封存能力,有利于抑制海底滑坡沉积下伏或侧向的油气资源的逸散(Alves et al., 2014;Wu et al., 2021b)。以墨西哥湾深海盆地发育的硅质碎屑海底滑坡沉积为例(图10-a),该海底滑坡沉积内部表现为杂乱反射结构,其底部发育一套强反射、高连续性的浊流水道复合体沉积(图10)。自然伽马曲线指示此套海底滑坡沉积岩性主要为泥质,指示该期海底滑坡沉积为泥质碎屑流,而发育在泥质碎屑流海底滑坡沉积下方的浊流水道复合体则以砂质为主(Wu et al., 2021b)。在泥质碎屑流海底滑坡沉积内部,纵波速度、电阻率测井响应均随埋藏深度增加而增大,且泥质碎屑流海底滑坡沉积底部区间声波速度和电阻率测井响应增量最高(图10-b)。这一底部最致密部分为海底滑坡沉积的底部剪切带,为该期海底滑坡沉积内压实程度最高、最致密的部分(图10-b, 红色虚线内)。声波速度和电阻率测井响应表明,该期海底滑坡沉积的底部剪切带厚度为 30~50 m(图10-b)。底部剪切带平面展布范围与海底滑坡沉积整体平面展布范围保持高度重合,该期海底滑坡沉积平面展布面积约 20 km²,指示底部剪切带平面展布范围较广,可作为下伏浊流水道砂体(图10-b,黄色虚线内)的优质封堵层(Wu et al., 2021b)。Dugan(2012)根据经验公式量化了墨西哥湾海底滑坡的渗透率。结果表明,相对于正常固结的未扰动沉积物,海底滑坡沉积的渗透率可降低33%~77%,进一步证实了该地区海底滑坡可构成有效的封堵条件(Dugan,2012)。综上所述,海底滑坡沉积底部剪切带因其高致密度、低渗透率、大厚度以及广泛的平面展布范围,具备成为深海油气天然封堵层的潜力。

海底滑坡沉积也可作为天然气水合物的顶部盖层和侧向封堵层,有利于天然气水合物成藏(苏明等,2013;周吉林等,2022;Kuang et al., 2023)。以图11中发育在南海琼东南盆地内的海底滑坡沉积为例,海底滑坡沉积下伏一套强振幅、局部上凸的反射层段,且该层段顶部同相轴极性与海底相反,指示游离气发育。该顶部同相轴在局部区域发生极性反转,形成典型的似海底反射层(bottom simulating reflector),指示天然气水合物发育。海底滑坡沉积与天然气水合物的时空分布关系表明,海底滑坡沉积可以作为油气资源天然的顶部盖层和侧向封堵层,有效抑制游离气的纵向和侧向运移,使游离气在限定的范围内沿海底滑坡底部剪切带横向运移。在海底滑坡沉积的影响下,游离气在横向运移过程中温度逐渐降低,稳定性逐渐增加,从而开始大量转化为水合物,最终形成该处的天然气水合物藏(Kuang et al., 2023)。

4.3 富砂质层段: 油气的潜在储集层

以往研究认为,由于海底滑坡沉积分选差、内部变形程度和压实程度较高,因而沉积后较致密且储集性能较差,只能作为盖层。但近期研究揭示,由于海底滑坡的侵蚀性极强,其具有向深海地区提供大量陆源砂质沉积物的能力(Talling et al., 2007;Kioka et al., 2019)。陆源富砂沉积物被海底滑坡快速搬运堆积至深海后,无法正常压实,处于欠压实状态,可以作为潜在的储集层为海洋油气的富集提供有利条件(Kneller et al., 2016;Wu et al., 2021b)。

在全球范围内,海底滑坡沉积内部富砂质层段已被证实是潜在的油气有效储集层。例如,北海油田侏罗系、古近系和新近系地层中存在由海底滑坡形成的巨型事件沉积层,这些沉积层以砂砾岩为主,具有广泛的平面分布(可达数十平方千米)、单层厚度较大(可达数十米)、粒度粗大以及渗透率高等特点,可为该区域油气的富集和成藏提供有利条件,是北海油田的重要油气产层之一(李攀等,2024)。孟加拉湾东北部上新统深水沉积砂岩为该地区生物气成藏提供了理想的储集条件,其中,Thalin 气藏的储集层为海底滑坡沉积内部的富砂岩层段(鲁银涛等,2022)。在富泥质沉积背景下,泥质海底滑坡侵蚀陆架,为孟加拉湾提供大量的陆源富有机质和富砂质沉积物,搬运的有机质储集在海底滑坡形成的“泥包砂”沉积结构中,有利于该地区的深水沉积体系形成“自生自储自封盖”式油气藏(鲁银涛等,2022)。墨西哥湾深海盆地发育的海底滑坡沉积内部富含砂质块体,可作为良好的油气或二氧化碳储集层(Wu et al., 2021b)。该地区海底滑坡沉积底部发育一套厚度可达170 m、长度达2.1 km的富砂质搬运块体,这套富砂质搬运块体具有极低的纵波速度(Vp)和电阻率(Rt)测井响应,表明其内部压实程度较低、孔隙度较高,具备良好的储集性能(图12-b);而其顶部及侧翼均被泥质海底滑坡沉积覆盖,构成良好的封堵条件(图12-a)。根据源汇分析,这套砂质块体缘自富砂物源地区(如浅水三角洲前缘、浅水区砂质浊流复合沉积地区等)。由于海底滑坡对海底沉积物的搬运作用,该砂质块体从浅水区被长距离搬运并最终沉积在深海盆地中(Wu et al., 2021b)。测井解释结果表明,该期海底滑坡沉积发育厚度较大的富泥质底部剪切带,富泥质底部剪切带具有孔隙度高、含水量大和可压缩性强等特点(Sobiesiak et al.,2018)。海底滑坡失稳滑移过程中,在高剪切应力的作用下,富泥质底部剪切带更倾向于发生压缩和内部剪切脱水,而非侵蚀性破坏,因而导致海底滑坡的侵蚀能力显著降低(Alves and Lourenço,2010;Ortiz-Karpf et al., 2017)。底部剪切带内的沉积物经历压实脱水后,有助于在海底滑坡与海床之间形成水垫层,并在外部滑水效应(hydroplaning)的作用下,进一步减弱海底滑坡对海床的侵蚀能力(Mohrig et al., 1998;范宁,2019)。因此,砂质块体可在搬运过程中保持完整的内部形态和较低的变形程度,并最终成为良好的油气或二氧化碳储集层(Wu et al., 2021b)。

4.4 “泥包砂”沉积结构: 深海碳封存的潜在靶区

富泥质海底滑坡沉积与其内部富砂质层段可构成“泥包砂”的沉积结构,且海底滑坡搬运的有机碳具有良好的生油生气潜力,为深海油气成藏提供了有利的生储盖组合(鲁银涛等,2022)。由于海底滑坡沉积平面展布较广、纵向厚度大、内部富砂质层段压实程度较低、孔隙度较高,其形成的“泥包砂”储集层具有充足的储存空间,开采后形成的枯竭油气田是潜在的深海碳封存靶区(Wu et al., 2021b;李保振等,2024)。并且,得益于“采固同步”开采技术的提出,针对与海底滑坡沉积相关的天然气水合物储集层,实际生产可使用二氧化碳置换甲烷,从而使得深海碳封存与能源开发同步进行(蒋明镜,2025)。综上所述,海底滑坡沉积“泥包砂”结构是潜在的深海碳封存选址之一。

以中国南海琼东南海域为例,该地区天然气水合物分布广、储量大,且多处天然气水合物受到海底滑坡盖层圈闭(Kuang et al., 2023; 周吉林等,2024)。在实际开发过程中,二氧化碳水合物形成会释放大量的热量,对甲烷水合物的分解存在促进作用,因此,二氧化碳置换甲烷的开采思路在深海能源开发中具有较高的应用可行性(Mwakipunda et al., 2023;蒋明镜,2025)。在海底滑坡多发区,深海油气资源的产业化开采可能会引发井、井群或地层失稳,并可能导致大规模的海底滑坡再活化(孙启良等,2021;Jing et al., 2023;蒋明镜,2025)。由于二氧化碳水合物的渗透性较低、强度较高的特性,二氧化碳置换甲烷水合物后形成的二氧化碳水合物可抑制土体强度损失和井口、海底沉降。因此,将二氧化碳封存加固技术与天然气水合物开采技术相结合,可同步实现水合物的高效开采、二氧化碳的安全封存以及生产作业过程的安全性保障等目标(蒋明镜,2025)。

5 结论及展望

1)海底滑坡是陆源沉积物、有机碳等海洋物质从陆架向深海输送的重要枢纽,也是深水沉积系统的关键组成部分。海底滑坡沉积具有独特的地球物理特征,本研究基于反射地震、岩心及测井数据,初步搭建了多分辨率、跨尺度的海底滑坡综合识别体系,有利于后续海底滑坡沉积的识别和精细分析,对未来研究海底滑坡多发区深海油气资源的富集成藏具有科学意义。

2)海底滑坡沉积整体具有较高的密度、电阻率、纵波速度和不排水抗剪强度,较低的孔隙度和含水量,以及杂乱分布的倾角与倾向方位角,指示海底滑坡沉积变形程度较高,其压实程度及致密性也高于周缘未变形的沉积物。海底滑坡沉积底部 15~30 m层段具有低于内部的含水量和孔隙度响应,以及高于内部的纵波速度和电阻率响应。该层段被解释为底部剪切带,是单期次海底滑坡沉积中最固结、最致密的结构单元。底部剪切带的压实程度和致密性受海底滑坡底部坡度、海底滑坡沉积整体厚度、底部沉积物岩性、内部变形程度与与内部位置所控制。

3)海底滑坡可以调控陆源有机碳向深海的输送与堆积,有机碳作为潜在的生烃组分,经快速沉积与埋藏后可为深海油气成藏创造有利条件。海底滑坡沉积底部剪切带可以作为油气与天然气水合物的天然封堵层,有效抑制油气或水合物的逸散,从而控制其富集与分布。富泥质底部剪切带及滑水效应会显著降低海底滑坡的侵蚀能力,在砂质块体长距离搬运过程中起到有效的保护作用,从而保持砂质块体内部结构的完整性,使其具备成为优质储集层的潜力。对于深海油气成藏,海底滑坡沉积构成了复杂的地质控制体系,可提供良好的“生储盖”成藏组合,为“自生自储自封盖”式油气藏的形成提供理想的地质条件。

海底滑坡所形成的“泥包砂”沉积结构可以为深海碳封存提供理想的储集层,并且,注入二氧化碳有利于增强原位地层抵抗海底沉降和海底再滑坡的能力。未来的研究应重点进行定量分析,以评估海底滑坡沉积的注入特性、碳封存容量以及内部块体的结构完整性,并探讨二氧化碳注入对海底稳定性及海底滑坡再活化的影响,从而为深海碳封存提供有价值的地质信息。

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基金资助

*国家重点研发计划项目(2021YFC2800901)

国家自然科学基金项目(42406060)

上海市“科技创新行动计划”启明星项目(扬帆专项)(13502360178)

上海市自然科学基金面上项目(13502360190)