东非鲁伍马盆地始新统不同类型单一水道的分布特征及其底流差异改造机制^*

Distribution characteristics of varied single channels influenced by differential bottom current reworking of the Eocene in Rovuma Basin,East Africa

摘要

东非鲁伍马盆地始新统海底扇水道体系是研究深水重力流与底流相互作用的重要实例。针对不同成因单一水道类型及其底流差异改造后分布的关键科学问题,基于岩心、测井、三维地震数据及实验分析资料,系统分析研究区下始新统单一水道成因类型、分布特征及底流差异改造机制。 结果表明: (1)研究区深水水道沉积体系由碎屑流、浊流、底流改造和半远洋披覆沉积4类成因岩相构成,进一步细分为17种亚类。依据重力流成因岩相占比,识别出碎屑流沉积充填水道与高密度浊流沉积充填水道2种单一水道类型。(2)碎屑流沉积充填水道以低宽深比、弯曲状为主,天然堤发育程度低; 高密度浊流沉积充填水道呈顺直或弯曲状,宽深比显著增大,天然堤厚度增大及发育程度增强。2类水道在底流改造下均表现为不对称分布及逆底流侧向迁移叠置特征,但高密度浊流沉积充填水道的不对称性及迁移程度更强。(3)成因机制上,碎屑流因抗剪强度高,底流改造以“原地淘洗”为主,内部发育透镜状具牵引构造岩相,水道—天然堤形态不对称性弱(不对称指数平均约为1.35),逆底流侧向迁移程度低(迁移指数平均为0.65);而高密度浊流因抗剪强度低,底流对其细粒悬浮物“整体再搬运”,导致顺底流一侧侧向漂积体发育,使得水道—天然堤不对称性增强(不对称指数平均约为2.5)以及水道北侧限制程度更高,进而造成水道逆底流迁移叠置程度更高(迁移指数平均为0.8)。本研究揭示了不同成因单一水道在底流作用下的差异响应机制,对深水储集层精细勘探具有指导意义。

Abstract

The Eocene submarine fan channel system in the Rovuma Basin,East Africa,constitutes a significant case study for investigating the interaction between deep-water gravity flows and bottom currents. To address key scientific questions concerning the genetic types of individual channels and their distribution following differential reworking by bottom currents,this study systematically examines the genetic classification,spatial distribution,and mechanisms of bottom-current modification of single-channel systems in the lower Eocene strata of the region. Integrated analysis is based on core samples,well logging data,3D seismic datasets,and experimental results. The findings reveal the following: (1)The deep-water channel depositional system comprises four genetically distinct lithofacies—debris flow,turbidity current,bottom-current reworked,and hemipelagic drape deposits—which are further classified into 17 subtypes. Based on the relative abundance of gravity flow-related lithofacies,two primary types of single-channel systems are identified: debris flow-dominated fill channels and high-density turbidity current-dominated fill channels.(2)Debris flow-dominated fill channels are characterized by low width-to-depth ratios,sinuous geometries,and poorly developed levees. In contrast,high-density turbidity current-dominated fill channels exhibit straight to moderately sinuous morphologies,significantly higher width-to-depth ratios,and more pronounced levee development and thickness. Under the influence of bottom currents,both channel types display asymmetric cross-sectional profiles and lateral migration opposite to the direction of bottom-current flow. However,the high-density turbidity current-dominated channels exhibit greater asymmetry and more intense migration behavior.(3)Mechanistically,due to the high shear strength of debris flows,bottom-current reworking occurs primarily through “in-situ winnowing,” resulting in lenticular lithofacies containing internal traction structures. These channels show weak levee-channel asymmetry(average asymmetry index ≈1.35)and limited lateral migration(average migration index ≈0.65). Conversely,high-density turbidity currents,which possess lower shear strength,undergo “bulk reworking” of fine-grained suspended sediments by bottom currents. This process promotes the development of downcurrent-side lateral accretion deposits,leading to enhanced levee-channel asymmetry(average asymmetry index ≈2.5),increased confinement along the northern channel margins,and more pronounced migration against the bottom-current direction(average migration index ≈0.8). This study elucidates the differential response mechanisms of genetically distinct channel types to bottom-current interactions,offering critical insights for high-resolution characterization and targeted exploration of deep-water reservoirs.

Graphical abstract

关键词

底流改造 / 重力流 / 单一水道分布特征 / 始新统 / 鲁伍马盆地

Key words

bottom current reworking / gravity flow / single channel distribution characteristics / Eocene / Rovuma Basin

深水重力流与底流(包括等深流、内波、内潮汐等)的相互作用是当今沉积学研究的前沿领域(Rebesco et al., 2014)。顺陆坡而下的重力流与沿陆坡方向流动的底流之间的相互作用可分为3种类型: (1)底流与重力流单独作用、交替出现; (2)底流对重力流沉积后期改造、搬运; (3)底流与重力流在同一时空频繁互动、交互作用(Mulder et al., 2008;吴嘉鹏等,2012;Fonnesu et al., 2020;李华等,2023)。海底扇水道作为深水重力流沉积体系的搬运路径和重要沉积场所,其沉积过程与流体动力环境密切相关,使得底流对海底扇水道的改造特征与机制成为研究热点。国内外学者们通过现代沉积实例、古代地层记录及物理模拟实验,明确了在底流改造作用下,水道之间呈现出顺底流方向或逆底流方向侧向迁移的叠置样式,且水道—溢岸体系的不对称性随着底流流速的升高而增强(Gong et al., 2016,2018;Fonnesu et al., 2020;Fuhrmann et al., 2020;Miramontes et al., 2020; 张佳佳等,2023)。然而,海底扇水道的流体成因类型多样(浊流、碎屑流等)(Lowe,1982;Mayall et al., 2006;刘飞等,2021),不同成因水道的沉积动力学特征存在区别,这势必将导致底流改造响应的差异。截至目前,前人研究仍主要聚焦于单一类型水道的沉积特征表征,而关于不同成因单一水道的识别,以及底流对不同成因水道的改造机制及其差异分布方面的认识还较为缺乏,这严重制约了相关深水储集层的勘探开发精度。

东非鲁伍马盆地新生代发育大规模深水海底扇沉积,其水道类型多样且底流改造作用显著(陈宇航等,2017;孙辉等,2017;Fonnesu et al., 2020;王敏等,2022;Chen et al., 2024)。以东非鲁伍马盆地下始新统海底扇水道体系为例,前人曾对研究区下始新统单层级次地层格架及海底扇宏观沉积特征开展了研究(王敏等,2022;张佳佳等,2023),在此基础之上,综合应用三维地震数据、岩心及相关实验分析数据等资料,以期明确单一水道的成因类型及分布特征,并进一步探讨底流改造作用的差异性。

1 研究区概况

1.1 地质背景

东非鲁伍马盆地位于莫桑比克东北部,是东非被动大陆边缘盆地体系中主要的含油气盆地之一,盆地呈南窄北宽的纵向展布,面积约为9×10⁴ km²,其中超过一半的面积位于海上(图 1-a)(孔祥宇,2013;刘子玉等,2017;张光亚等,2018)。鲁伍马盆地自西向东分为陆架—陆坡区、凯瑞巴斯地堑带及戴维隆起带3个构造单元(图 1-c)(陈宇航等,2016)。其中,陆架—陆坡区具有典型的“窄陆架、陡陆坡”的构造特征,使得物源的供给效率较高(刘子玉等,2017;张佳佳等,2023)。鲁伍马盆地在新元古代至奥陶纪莫桑比克带的火成岩和变质岩基底之上发育侏罗系、白垩系、古近系、新近系、第四系(张光亚等,2018)。自古近纪以来,鲁伍马河流—三角洲沉积体系由西往东向盆地持续高效推进,在陆坡深水区发育大规模海底扇沉积,是盆地内重要的含气储集层(图 1-b)(Chen et al., 2020;Fonnesu et al., 2020;曹全斌等,2021;Luan et al., 2021)。

研究区地理上位于鲁伍马盆地中东部,现今水体深度介于1500~2000 m之间,构造上处于陆坡区,构造特征比较稳定,内部断层发育较少。此外,研究区深水区存在沿陆坡由南向北流动的南极底流(等深流)(de Ruijter et al., 2002;Breitzke et al., 2017;Fonnesu et al., 2020),与重力流搬运方向垂直。海底实测数据显示,研究区现今南极底流的流速通常为0.2~0.4 m/s,最大可达1.2 m/s,且在地质历史时期内长期、准稳态存在。古近纪期间,研究区南极底流的流动方向和强度与现今观测结果大体相同(Chen et al., 2020;Fuhrmann et al., 2020;张佳佳等,2023)。本次研究的目的层段为古近系下始新统海底扇峡谷水道体系(图 2)。

1.2 海底扇沉积特征

东非鲁伍马盆地古近系下始新统海退—低位域时期发育海底扇水道体系,张佳佳等(2023)将水道体系内部自上而下划分为A-F小层,其中F-E小层为峡谷早期限制性水道复合体,以下切侵蚀及充填底部滞留沉积为主; D-B小层为中期峡谷弱限制性水道复合体,在底流的影响下,各小层水道复合体之间呈逆底流方向侧向迁移叠置的特征(图 2-a);A小层则为晚期非限制性朵叶复合体。研究区储集层砂体总体为长石砂岩,成分成熟度较低,水道体系内部岩石成分差异较小(王敏等,2022)。

1.3 资料概况

东非鲁伍马盆地目的层段共有4口探井及评价井,平均井距超过5 km,均有丰富的测井资料(自然伽马、电阻率、声波时差、密度、中子等)。其中,X-1井及X-2井在目的层段内共取得岩心145 m,在取心段有岩心CT扫描成像图件、微观薄片以及粒度分析测试等资料。此外,研究区还有深度域的高精度三维地震资料(平面采样精度为25 m×12.5 m,垂向采样率为3 ms,目的层段主频约25 Hz,分辨率38 m)和基于模型约束稀疏脉冲反演方法得到的目的气藏波阻抗反演数据体,能够满足对水道复合体内部单一水道的识别(张佳佳等,2023)。

2 基于重力流成因岩相类型的单一水道划分

2.1 岩相成因类型

东非鲁伍马盆地深水水道沉积体系由碎屑流、浊流、底流改造和半远洋披覆沉积4类成因岩相构成,并进一步细分为17种亚类。

2.1.1 碎屑流成因岩相

1)块状砾岩相(Gm)

岩心上表现为砾石(直径介于2~50 mm之间)无序堆积,以颗粒支撑结构为主,可见砾石被几厘米厚的泥质外壳所包裹,漂浮在厚层块状砂岩中,呈典型的“泥包砾”构造(图 3-a)。岩心垂向上缺乏层理或递变构造,颗粒分选差,发育泥岩撕裂屑,底部可见剪切构造,且与顶底泥岩多呈突变式接触。作者认为研究区块状砾岩相的成因与砂质碎屑流密切相关: 砾石与相对细粒颗粒混杂堆积而成的塑性流体,并在局部发育“泥包砾”构造,在重力驱动下沿海底峡谷“冻结式”搬运,快速卸载后形成块状构造(Shanmugam,1996;李相博等,2014)。

2)块状含砾粗砂岩相(GCm)

岩石内部砾石(多为2~30 mm)与粗砂(0.5~2 mm)混杂堆积,但砾石含量小于20%,以颗粒支撑结构为主,杂基含量较少,常见“泥包砾”或泥岩撕裂屑(图 3-b)。岩心垂向上无明显的粒序变化,整体上分选差,以块状构造为主,砾石和泥质团块“漂浮”在粗砂中,底部可发育剪切构造,同样属砂质碎屑流成因。

3)块状中粗砂岩相(MCm)

岩心上由中砂(0.25~0.5 mm)和粗砂(0.5~2 mm)混杂堆积而成,二者总含量超过50%,但中砂和粗砂的含量均不超过50%,且粗砂含量略高于中砂,为颗粒支撑结构,杂基含量较低,发育大量泥质团块及泥岩撕裂屑(图 3-c)。岩心垂向上无层理或粒序的变化,以块状构造为主,整体分选较差,底部偶见火焰状负载构造。块状中粗砂岩相的粒度概率累积曲线呈较陡的“上拱弧形”(图 4-a),无明显截点,表明其整体搬运,且缺乏水力分选(袁静等,2011;王铸坤等,2017),也为砂质碎屑流成因。

4)块状中细砂岩相(MFm)

岩心上表现为中砂(0.25~0.5 mm)与细砂(0.1~0.25 mm)无序混杂,两者总含量超过50%,但中砂和细砂的含量均不超过50%,且中砂含量略高于细砂,杂基含量低,呈颗粒支撑结构,可见零星泥质团块或泥岩撕裂屑(图 3-d)。垂向缺乏层理或粒序构造,整体分选一般,粒度概率累积曲线也呈较陡的“上拱弧形”(图 4-b),属于砂质碎屑流成因。

5)块状砂质泥岩相(SMm)

岩心上表现为不同粒级的砂分散嵌于泥质基质中,且基质占比达70%以上,呈典型基质支撑结构。垂向无层理构造,颗粒分选差,常见变形泥质团块(图 3-e)或撕裂状泥岩碎屑(图 3-f)。块状砂质泥岩成因与泥质碎屑流密切相关,陆坡或峡谷边缘泥质沉积物失稳,形成富泥的塑性流体,其中高黏度基质通过浮力支撑粗碎屑,抑制颗粒分异与沉降,最终整体“冻结式”堆积形成块状构造。

2.1.2 浊流成因岩相

1)正递变层理含砾粗砂岩相(GCg)

岩心上表现为底部为砾石(>2 mm),向上渐变为粗砂(0.5~2 mm),呈典型正粒序结构,对应于鲍马序列的Ta段的下部(Bouma,1962)(图 5-a)。岩心中底部可见冲刷面,垂向上粒度递变清晰,分选中等至差,为高能量浊流流速减慢时按粒度分异沉降,砾石优先沉积于底部,粗砂颗粒逐渐上覆所形成。

2)正递变层理中粗砂岩相(MCg)

岩心上表现为底部粗砂(0.5~2 mm)向上渐变为中砂(0.25~0.5 mm),呈正粒序结构,对应于鲍马序列的Ta段的中部(图 5-b, 5-c)。岩心中单层最大厚度可达5 m,偶见泄水构造,底部多与正递变层理含砾粗砂岩相拼接,偶见少量泥岩撕裂屑,垂向上粒度递变清晰,分选中等,粒度概率累积曲线形态呈“低斜率两段式”(图 6-a),由跳跃总体和悬浮总体组成,其中悬浮总体占比约40%,表明其同样属浊流成因。

3)正递变层理中细砂岩相(MFg)

岩心上底部为中砂(0.25~0.5 mm)向上渐变为细砂(0.1~0.25 mm),对应于鲍马序列的Ta段的上部(图 5-d)。岩心中底部多与正递变层理中粗砂岩相拼接,发育泄水构造(图 5-e),顶部多与泥岩突变接触,缺少鲍马序列Tb-Td段。垂向上粒度递变较为清晰,分选中等,粒度概率累积曲线形态呈“低斜率两段式”(图 6-b),由跳跃总体和悬浮总体组成,其中悬浮总体占比约70%,说明其由浊流所形成。

2.1.3 底流改造成因岩相

1)交错层理含砾粗砂岩相(GCc)

岩心上以粗砂颗粒和砾石(粒径多小于4 mm)的定向排列为特征,层厚5~10 cm,岩心中可见Ophiomorpha遗迹化石及生物碎屑,少量砾石呈“泥包砾”或漂浮状嵌于中粗砂中,分选中等(图 7-a, 7-b),垂向上多发育在厚层MCm之间。其成因与底流对砂质碎屑流的改造有关: 碎屑流携带中粗砂与少量砾石快速堆积后,底流对未固结沉积物原地“淘洗”,移除细粒基质并促使粗砂定向排列或形成平行层理(图 7-b),残留黏性较高的“泥包砾”或漂浮状砾石。岩心中发育的Ophiomorpha遗迹化石及生物碎屑等高能生物记录,指示着重力流间歇期深水环境中存在由底流改造所形成的稳定沉积界面及高能的水体环境(Frey et al., 1978;晋慧娟,1999)。

2)平行层理中粗砂岩相(MCp)

岩心上表现为中粗砂(0.5~2 mm)中发育较为清晰的平行层理,分选较好,层系厚度10~30 cm。岩心中偶见不规则泥质团块(直径1~5 cm),团块边缘呈撕裂状(图 7-c),垂向上多发育在厚层MCm之间或与GCc形成薄互层组合。粒度累积概率曲线呈“高斜率两段式”,由跳跃总体和悬浮总体组成,其中跳跃总体占比达90%(图 8-a),指示牵引流的存在。可能为底流对砂质碎屑流的持续改造所形成。

3)交错层理中粗砂岩相(MCc)

岩心上中粗砂(0.5~2 mm)构成槽状交错层理,层系厚度20~50 cm,前积纹层倾角10°~30°,分选中等,层内夹带泥质团块,偶见生物扰动痕迹(图 7-d),下部可与MCc叠置。其成因可能与底流对砂质碎屑流的改造相关。

4)平行层理中细砂岩相(MFp)

岩心上以中细砂(0.1~0.5 mm)中发育连续稳定的平行层理为特征,分选良好,层厚最大可达50 cm,在岩心中未见泥质团块及泥岩撕裂屑,底部冲刷作用不明显,局部发育钙质胶结(图 7-e),多发育在底流改造形成的沉积物波或漂积体中,为底流对浊流沉积的持续改造所形成(张佳佳等,2023)。

5)交错层理中细砂岩相(MFc)

岩心上中细砂(0.1~0.5 mm)中发育双向交错层理为特征(图 7-f),分选良好,可见Ophiomorpha遗迹化石、生物碎屑及扰动构造(图 7-g)。粒度累积概率曲线呈“高斜率两段式”,由跳跃总体和悬浮总体组成,其中跳跃总体占比达80%以上(图 8-b),同样由底流改造所形成。

6)平行层理细砂岩相(Fp)

岩心上细砂(0.1~0.25 mm)表现出连续清晰的平行层理,前积纹层倾角较低,分选良好,层厚可达30 cm(图 7-h)。岩心中发育生物扰动构造,局部含生物碎屑,多发育在沉积物波或漂积体中(张佳佳等,2023),可能由底流改造所形成。

7)交错层理细砂岩相(Fc)

岩心上细砂(0.1~0.25 mm)发育典型的槽状交错层理,分选良好,层厚可达30 cm(图 7-i),局部发育生物扰动构造,可能为底流对浊流末端沉积改造所形成。

8)平行层理粉砂岩相(Sp)

岩心上表现为粉砂(0.01~0.1 mm)中发育平行层理,厚度多小于5 cm(图 7-j),在岩心上多与薄层泥岩互层沉积,其成因同样可能与底流对浊流的改造作用相关。

2.1.4 半远洋披覆成因岩相

东非鲁伍马盆地半远洋披覆成因岩相为水平层理泥岩相(Mh)(图 7-k),在研究区岩心中占比较少,其形成于浊流与底流活动的间歇期、水动力整体较弱的环境中,由细粒物质沉降、披覆而成。

2.2 单一水道类型划分与识别

在岩相成因类型识别的基础上,采用基于重力流成因岩相的单一水道分类方案(刘飞等,2021),东非鲁伍马盆地始新统单一水道可分为碎屑流沉积充填水道和高密度浊流沉积充填水道2类。

2.2.1 碎屑流沉积充填水道

东非鲁伍马盆地碎屑流沉积充填水道在岩心上以粒度较粗的砂质碎屑流成因岩相为主(图 9),主要为GCm、MCm和MFm,厚度占比可达77%。底流改造成因岩相则呈薄层透镜状分布其中,发育单段厚度小于30 cm的GCc、MCp、MFp或Fp等,可能为短期底流增强时对碎屑流沉积充填水道的局部改造所形成,厚度占比约20%。浊流成因岩相仅占比2.6%,以MCg为主,可能由砂质碎屑流剪切稀释而成。碎屑流沉积充填水道中岩相未表现出明显的垂向组合规律,各岩相在垂向上无序拼接,体现了碎屑流整体式搬运的特点。

通过岩心、测井、地震相互标定,明确了研究区碎屑流沉积充填水道的识别特征。碎屑流沉积充填水道由于岩心中泥质团块、泥岩撕裂屑的发育程度高,导致其自然伽马曲线呈中高幅度的近似钟型或锯齿状,地震相则表现为中高振幅、连续性一般的“碗状”,水道边界明显(图 10-b)。水道顶部及两翼的天然堤由粒度较细的底流改造成因岩相所组成(图 9;图 10-a),主要为Fp、Fc和Sp,测井相为中低幅度的锯齿状,地震相呈中高振幅、连续性中等的反射特征(图 10-b)。

2.2.2 高密度浊流沉积充填水道

高密度浊流水道在岩心中高密度浊流成因岩相占绝对主导(图 9),主要为GCg、MCg和MFg,厚度占比高达98%。在研究区高密度浊流水道内部碎屑流成因岩相不发育,同时底流改造成因岩相发育程度也较低,仅在X-1井4619 m处见厚度约50 cm的MCp。高密度浊流沉积充填水道垂向组合特征显著,自下而上由粒度逐渐变细的GCg、MCg和MFg所组成的岩相组合垂向拼接而成,但在岩心中水道正递变层理被截切,顶部基本不发育细砂与粉砂级别的岩相(缺少鲍马序列Tb-Td段)。

高密度浊流沉积充填水道岩心中泥质碎屑基本不发育,使得其自然伽马曲线呈高幅度的箱型,地震相呈高振幅、连续性较好的“碟状”(图 10-b)。水道顶部及两翼的天然堤在地震上表现为中低振幅、连续性中等的反射特征(图 10-b)。

3 底流差异改造作用下的单一水道分布特征

通过上述单一水道的识别特征,在东非鲁伍马盆地始新统中期峡谷弱限制性水道复合体(D-B小层)内部识别出8期不同类型的单一水道。其中,碎屑流沉积充填水道分布在C-D小层中,自下而上共发育3期(分别为D、C2和C1)(图 11),高密度浊流沉积充填水道主要分布在B小层中,自下而上共发育5期(分别为B5、B4、B3、B2和B1)(图 11)。下面将进一步阐述底流差异改造作用下不同单一水道的分布特征。

3.1 单一水道的形态及规模

东非鲁伍马盆地始新统地震均方根振幅属性图显示,碎屑流沉积充填水道(D-C1水道)在平面上主要呈弯曲条带状(图 12),水道宽度平均约为5 km,而高密度浊流水道可呈弯曲条带状(B5-B4水道)和顺直状(B3-B1水道)2种平面形态(图 12),宽度平均约为3.5 km。剖面上,2种类型单一水道都由水道主体部位及其顶部天然堤所组成(图 11),但2种单一水道的剖面形态却存在较大的差异。具体表现为: 碎屑流沉积充填水道的宽深比相对较低,水道顶部天然堤的厚度薄、发育程度低。通过对单一水道—天然堤的不对称指数(定义如图 13-a)进行统计,结果显示碎屑流沉积充填水道的不对称指数介于1.2~1.5之间,平均约为1.35(图 14),不对称性相对较弱。然而,高密度浊流沉积充填水道具有较高的宽深比,其顶部的天然堤发育程度更高,厚度也相对更大,延伸也更远,水道—天然堤的不对称性更强,不对称指数多介于1.7~3.5之间,平均约为2.5(图 14)。说明底流虽然对于2种单一水道均具有一定的改造作用,但对高密度浊流沉积充填水道的改造程度要高于碎屑流沉积充填水道。在底流较强的搬运下,高密度浊流沉积充填水道顺底流一侧的天然堤发育程度要远高于迎底流一侧,形成侧向漂积体,使得水道—天然堤不对称性更强。

3.2 单一水道的叠置样式

切物源地震剖面显示,碎屑流沉积充填水道(C1-D水道)及高密度浊流沉积充填水道(B5-B1水道)之间,自下而上均呈逆底流方向侧向迁移叠置的特征(图 11)。这主要由于水道—天然堤的不对称性形态,导致顺底流一侧天然堤的发育程度要高于迎底流一侧,且延伸更远,使得晚期水道在北侧单向强限制作用下,向限制性较弱的南侧迁移,形成逆底流方向迁移叠置的样式。对研究区不同位置切物源剖面上单一水道之间迁移指数(定义如图 13-b)的统计结果表明,高密度浊流沉积充填水道之间的迁移指数多介于0.65~0.95之间,平均约为0.8;而碎屑流沉积充填水道之间的迁移指数相对较小,介于0.55~0.70之间,平均约为0.65(图 14),说明高密度浊流沉积充填水道之间的侧向迁移程度要高于碎屑流沉积充填水道。

4 讨论

4.1 底流对不同单一水道的差异改造机制

前人针对鲁伍马盆地海底扇水道的研究表明,重力流上部的细粒物质在南极底流的剪切作用下被持续搬运至水道北侧,导致水道—天然堤体系表现为不对称分布及逆底流方向(向南)侧向迁移的特征(陈宇航等,2017;Fonnesu et al., 2020;Fuhrmann et al., 2020;张佳佳等,2023),但并未关注到不同流体成因的水道在底流改造过程中的响应差异。本研究表明底流对研究区不同类型单一水道均存在一定程度的改造,水道—天然堤的形态及叠置样式总体与前人认识相符,同时还进一步明确了底流改造下不同单一水道分布特征的差异,即高密度浊流沉积充填水道的不对称性与迁移程度要高于碎屑流沉积充填水道,这种差异分布可能是不同重力流体系流变特性与底流剪切应力相互作用的结果。

东非鲁伍马盆地始新统碎屑流沉积充填水道形成于海退—低位域早期(张佳佳等,2023),与此同时“窄陆架、陡陆坡”导致物源的供给速率较高,使得短时间内大量粗碎屑(砾石、砂质)快速搬运、堆积,形成以砂质碎屑流为主的水道沉积。其沉积物粒度较粗(以中砂及以上的颗粒为主),在搬运过程中具有塑性流体特征,呈层流状态,高浓度颗粒相互摩擦碰撞产生的超孔隙水压力和细粒基质的黏结力(Shanmugam,1996;裴羽等,2015;金杰华等,2019),使得其具备较高的抗剪强度(王德坪,1991;李相博等,2011)。因此,底流能量仅能对砂质碎屑流沉积物表层进行有限的剪切改造,而无法破坏流体的整体结构。这种特性导致底流对其改造过程可能以“原地淘洗”为主,水道内部透镜状分布具牵引构造的岩相,而碎屑流沉积充填水道在底流影响下沉积形态未发生较大改变,并未像研究区高密度浊流沉积充填水道呈现较强的不对称分布特征。此外,鲁伍马盆地“窄陆架、陡陆坡”快速高效的沉积物搬运背景,也使得砂质碎屑流被剪切稀释的窗口期大大缩短,导致研究区碎屑流沉积充填水道中天然堤或侧向漂积体的发育程度相对较低。

相较于碎屑流沉积充填水道,高密度浊流沉积充填水道形成于海退—低位域晚期(张佳佳等,2023),前期沉积物的充填使得研究区坡度相对变缓,导致物源的供给速率相对降低,颗粒有足够时间与水体混合形成悬浮液,从而在搬运过程中具备浊流的流变学特征。流体中上部呈紊流状态悬浮搬运(Lowe,1982;Postma et al., 1988),颗粒间缺乏黏结基质,摩擦阻力更小,使得其抗剪强度远低于砂质碎屑流(王德坪,1991),底流剪切应力可穿透沉积物中上部,对其进行“再搬运”。底流在改造过程中优先迁移高密度浊流沉积充填水道顶部的细粒悬浮物(细砂、粉砂级别),使得水道内部正递变层理截切(缺少鲍马序列Tb-Td段),这也解释了研究区高密度浊流沉积充填水道测井曲线形态呈箱型,而非典型的钟型(图 9)。

被剥离的细粒物质沿底流方向再沉积,形成侧向漂积体,导致顺底流方向一侧细粒沉积的延伸范围及厚度大于迎底流一侧,继而造就了研究区宽深比较高、不对称较强的水道—天然堤形态,并在侧向漂积体中发育大量具牵引构造的岩相。同时,在这种较强的单向限制作用下,水道之间侧向迁移的程度也相对较高。此外,这种底流对高密度浊流顶部的细粒悬浮物“再搬运”的作用方式,在朵叶体中亦有体现。在底流作用下,以浊流沉积充填的朵叶体被明显改造进而沿着顺底流方向偏转、侧向延伸(罗泉源等,2020;龚承林等,2024)。

4.2 底流差异改造作用下单一水道分布模式

在上述单一水道类型划分、分布特征及底流差异改造机制分析的基础上,建立了东非鲁伍马盆地始新统底流改造作用下单一水道分布模式(图 15)。研究区碎屑流沉积充填水道内部由碎屑流成因岩相垂向无序排列组成,水道顶部天然堤发育程度低,受底流改造作用偏弱,内部呈透镜状分布底流“原地淘洗”形成的薄层具牵引构造岩相,水道—天然堤不对称性较弱,水道之间逆底流方向侧向迁移叠置,但迁移程度相对较低。高密度浊流水道由浊流形成的具递变层理的岩相垂向拼接而成,顶部发育厚度较大的天然堤,在底流“再搬运”作用下,水道顺底流一侧天然堤发育程度高于迎底流一侧,形成侧向漂积体,增强了水道—天然堤的不对称性以及水道北侧限制程度,使得水道逆底流方向侧向迁移程度升高。

5 结论

1)东非鲁伍马盆地始新统深水水道沉积体系由碎屑流、浊流、底流改造和半远洋披覆沉积4类成因岩相构成,并进一步细分为17种亚类。结合水道内部重力流成因岩相类型占比,可将单一水道划分为2种类型,在演化序列上表现出从早期以碎屑流沉积充填为主向晚期以高密度浊流沉积充填为主的转变。

2)碎屑流沉积充填水道多呈低宽深比的弯曲状,天然堤薄且发育程度低。高密度浊流沉积充填水道可呈顺直状或弯曲状,具有高宽深比,天然堤的厚度与发育程度显著增加。在底流改造作用下,2类水道—天然堤系统均呈不对称分布并表现为逆底流方向的侧向迁移叠置,其中高密度浊流沉积充填水道的不对称性与侧向迁移程度更为显著。

3)单一水道的流变学差异主导底流改造响应,碎屑流沉积充填水道因砂质碎屑流抗剪强度高,使得底流对其改造作用较弱,主要表现为水道内部的“原地淘洗”,形成局部透镜状具牵引构造岩相,天然堤发育程度低、水道—天然堤不对称性弱(不对称指数平均约1.35)及逆底流侧向迁移程度低(迁移指数平均为0.65);相反,高密度浊流沉积充填水道因高密度浊流抗剪强度低,底流对悬浮细粒物质整体“再搬运”,在顺底流一侧形成侧向漂积体,增强了水道—天然堤的不对称性(不对称指数平均约2.5)以及水道北侧限制程度,进而导致其逆底流方向的侧向迁移程度升高(迁移指数平均为0.8)。

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基金资助

*中国石油大学(北京)科研基金项目资助(2462025BJRC005)