王光緒， 吳 偉， 林暢松， 葉雅萌， 李 全， 劉惟慶， 馮陣東， 趙曉明

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454003； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院，北京 100191; 3.大港油田第三采油廠地質(zhì)研究所，河北滄州 061723; 4.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作 454003； 5.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610500)

隨著陸地資源逐漸枯竭，海洋資源的開(kāi)發(fā)利用前景備受關(guān)注[1]。全球各大深水盆地已發(fā)現(xiàn)和報(bào)道了大量與水道相關(guān)的油氣儲(chǔ)層，譬如扎伊爾扇、墨西哥灣、中國(guó)南海等地區(qū)[2-3]。深水水道砂體是深海油氣資源最重要的儲(chǔ)集類型之一，其巨大的油氣勘探潛力吸引了深水沉積和石油勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的關(guān)注[4-6]。深水水道遷移是目前研究難點(diǎn)，前人對(duì)其控制因素進(jìn)行探討。海底地形是控制水道形態(tài)和遷移路徑的首要因素[7-9]，地貌坡度影響水道下切深度、彎曲度，從而影響水道遷移。陡坡區(qū)水道下切深度大、彎曲度小，基本無(wú)遷移發(fā)生；緩坡區(qū)水道下切深度小、彎曲度大，水道遷移頻繁。深水水道平面上可分為側(cè)向遷移和沿下傾方向遷移，在剖面上也存在側(cè)向遷移和垂向遷移兩種表現(xiàn)形式[10]。另外，重力流性質(zhì)差異會(huì)影響海底地貌形態(tài)，進(jìn)而改變水道遷移路徑[11-14]。天然堤在一定程度上可減緩海底水道形態(tài)的改變[12,15]，天然堤的加積和固結(jié)作用會(huì)增強(qiáng)水道的限制能力，導(dǎo)致水道形態(tài)不易彎曲?；趶?fù)合水道或水道體系，在水道遷移方面已取得豐碩成果[8]，但對(duì)水道形態(tài)及其遷移的刻畫(huà)精度不高，限制了對(duì)水道內(nèi)富砂沉積物橫向連續(xù)性和疊置方式的理解，無(wú)法指導(dǎo)開(kāi)發(fā)尺度水道砂體構(gòu)型的建立。油氣勘探實(shí)踐中，地震技術(shù)的應(yīng)用在識(shí)別深部?jī)?chǔ)層中發(fā)揮了重要作用[16]，復(fù)合水道在地震資料中易識(shí)別，而其基本構(gòu)成單元——單水道在深埋儲(chǔ)層中卻很難識(shí)別出來(lái)，刻畫(huà)并揭示單水道的形態(tài)變化、遷移規(guī)律是揭開(kāi)復(fù)合水道儲(chǔ)層非均質(zhì)性的必要手段，對(duì)水道砂體儲(chǔ)層橫向連續(xù)性預(yù)測(cè)具有重要的指導(dǎo)意義。前人利用地震、露頭等對(duì)新西蘭Taranaki盆地深水水道的研究已取得一定成果[17-18]。Rotzien等[17]利用露頭數(shù)據(jù)探究了水道-堤岸復(fù)合體的地層結(jié)構(gòu)特征和演化過(guò)程。Mattos等[18]則應(yīng)用地震數(shù)據(jù)探明斷層可以影響水道形態(tài)的變化，并預(yù)測(cè)了水道儲(chǔ)層的分布。筆者以新西蘭Taranaki盆地第四系深水單水道為研究對(duì)象，基于高分辨率三維地震數(shù)據(jù)，利用地震剖面分析等地震解釋技術(shù)，刻畫(huà)水道遷移路徑，探索水道遷移規(guī)律和遷移模式，厘清影響水道遷移的因素，為深水水道進(jìn)行開(kāi)發(fā)尺度儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

1.1 新西蘭Taranaki盆地概況

新西蘭Taranaki盆地(TB)主要占據(jù)新西蘭西部大陸架的近海區(qū)域，包括新喀里多尼亞海槽(New Caledonia Trough,NCT)的東南區(qū)域，以及Taranaki半島和南島北部陸地區(qū)域。新西蘭Taranaki盆地內(nèi)充填了白堊紀(jì)到第四紀(jì)的沉積物[19]。新西蘭深水Taranaki盆地具有復(fù)雜的構(gòu)造歷史，構(gòu)造形態(tài)與太平洋-澳大利亞板塊邊界的演化有關(guān)(圖1(b))，盆地自白堊紀(jì)開(kāi)始發(fā)育，在晚白堊世至古近紀(jì)時(shí)期演化成為被動(dòng)邊緣。

1.2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新西蘭深水Taranaki盆地向西北深海領(lǐng)域延伸的區(qū)域，即深水Taranaki盆地(DTB)的東南部(圖1)。研究區(qū)內(nèi)超過(guò)1 000 m水深的三維地震數(shù)據(jù)覆蓋面積約1 700 km2。研究區(qū)西南部的地貌單元為L(zhǎng)ord Howe海隆(LHR)及Challenger高原(CP)，北部為西諾?？撕X(West Norfolk Ridge, WNR)，西北部為新喀里多尼亞海槽(NCT)，東部為一系列小盆地：北陸盆地(NB)、Wanganui盆地(WB)、King Country盆地(KCB)等[20]。

圖1 研究區(qū)地理位置(據(jù)文獻(xiàn)[21]，有修改)

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 地震數(shù)據(jù)

地震數(shù)據(jù)垂直采樣間隔為4 ms (TWT)，地震數(shù)據(jù)處理面元為25 m×25 m。研究區(qū)淺層地層的主頻近35 Hz，根據(jù)淺層地震波的傳播速度約1 600 m/s，其數(shù)據(jù)的垂直分辨率約為11 m(垂直分辨率是指地震剖面中能分辨的最小地層厚度，通常認(rèn)為垂直分辨率的極限為視波長(zhǎng)的1/4)，能夠滿足此次研究的需要[20]。

2.2 研究方法

利用地震解釋軟件在地震資料中追蹤解釋第四系沉積物界面，隨后提取地震方差屬性。地震方差屬性主要突出地震數(shù)據(jù)的不連續(xù)性，可利用其識(shí)別出深水水道，并刻畫(huà)水道形態(tài)變化過(guò)程。地震剖面與時(shí)間切片相結(jié)合是分析水道遷移演化的關(guān)鍵。利用地震解釋軟件可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間切片與地震剖面的交互顯示。在水道不同形態(tài)段內(nèi)分別以約10、20、30 ms的時(shí)間間隔獲取時(shí)間切片，而采用不同的時(shí)間間隔主要受水道形態(tài)的變化幅度影響。在研究區(qū)局部區(qū)域內(nèi)地形相對(duì)平緩，可將時(shí)間切片視為等時(shí)切片。

本文中共選取水道彎曲度、寬度、深度、寬深比及坡度等5種定量參數(shù)，量化表征水道形態(tài)與遷移的關(guān)系，測(cè)量方法借鑒前人研究[22]。深水水道彎曲度被定義為水道軸線長(zhǎng)度與起止點(diǎn)間直線長(zhǎng)度的比值(圖2(a))。深水水道寬度、深度的測(cè)量需要地震剖面的約束，在剖面上確定水道頂?shù)捉缂白笥疫吔?圖2(b))，水道寬度即為左右邊界間的直線距離，水道頂?shù)走吔玳g的垂直距離(底界面表示水道下切的最深谷底處)為水道時(shí)間深度(TWT)，利用目的層地震波速度為1 600 m/s，計(jì)算其真實(shí)深度。海底坡度(α)是利用水道截面高度差(H)與起止點(diǎn)平面投影間直線距離(L)的比值，并對(duì)其值進(jìn)行反正切函數(shù)運(yùn)算獲得(圖2(c),海底坡度α=arctan(H/L))。

圖2 深水水道定量特征參數(shù)測(cè)量方法

3 結(jié) 果

3.1 深水水道形態(tài)特征

目標(biāo)水道整體形態(tài)彎曲，平面上具有明顯的形態(tài)變化。利用各定量參數(shù)及水道平面形態(tài)變化，可將目標(biāo)水道劃分為3類：低彎曲水道(LSC,彎曲度1.0～1.2)、中彎曲水道(MSC,彎曲度1.2～1.5)和高彎曲水道(HSC,彎曲度大于1.5)(圖3)。本文中劃分水道類型的方法借鑒了前人研究[23]，但分類所依據(jù)的數(shù)值是結(jié)合目標(biāo)水道形態(tài)變化及參數(shù)測(cè)量結(jié)果確定的。

圖3 深水水道平面形態(tài)特征

3.2 深水水道遷移-演化過(guò)程

3.2.1 LSC

該段水道表現(xiàn)為低彎曲形態(tài)(圖4)，水道寬度最小值為159.05 m，最大值為555.58 m，平均值約為323.77 m；深度最小值為19.97 m，最大值為35.15 m。同時(shí)，對(duì)應(yīng)剖面(a-a＇、b-b＇)(圖4(c))顯示，早期水道寬度小，下切深度大。隨著水道的發(fā)育，其寬度逐漸擴(kuò)寬，水道平面位置比較固定，多為垂向疊置運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)的天然堤十分發(fā)育(圖5)。

圖4 深水水道低彎曲段不同時(shí)期的平面形態(tài)及地震剖面

圖5 深水水道低彎曲段的演化過(guò)程

3.2.2 HSC

該段水道表現(xiàn)為高彎曲形態(tài)(圖6、7)，水道寬度最小值可達(dá)37.37 m，最大值約為580.58 m，平均值約為215.43 m，而水道深度最小值為11.97 m，最大值為24.18 m。對(duì)應(yīng)剖面(a-a＇、b-b＇、c-c＇、d-d＇)(圖6(e))展示了水道的演化過(guò)程，地震剖面a-a＇、b-b＇、c-c＇中均展示水道向彎道外岸遷移，而地震剖面d-d＇展示了水道早期向彎道外岸遷移，后期又逐漸反向向彎道內(nèi)岸運(yùn)動(dòng)(圖6(e)和圖7)。

3.2.3 MSC

該段水道表現(xiàn)為中彎曲形態(tài)(圖8)，水道寬度平均值約為196.12 m，最大值僅為336.90 m，水道深度最大值僅為19.66 m。該段水道內(nèi)多發(fā)生決口，其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變。

深水水道轉(zhuǎn)向點(diǎn)P處，水道發(fā)生決口，早期運(yùn)動(dòng)方向近N-S的水道逐漸消亡，而后期運(yùn)動(dòng)方向近NW-SE的水道則成為主水道，此為大規(guī)模水道變動(dòng)事件。深水水道分支點(diǎn)Q處，雖也發(fā)生水道決口，但僅為小規(guī)模水道變動(dòng)事件，其整體運(yùn)動(dòng)方向未改變，并在水道匯聚點(diǎn)W處重新與主水道匯合。對(duì)應(yīng)剖面(a-a＇、b-b＇、c-c＇、d-d＇,圖8(e))展示了水道整體呈窄淺型，天然堤不發(fā)育，不同時(shí)間深度處水道位置變化較大，也存在相同時(shí)間深度多條水道并存的現(xiàn)象(圖9)。

圖9 深水水道中彎曲段的演化過(guò)程

4 討 論

4.1 深水水道遷移類型

基于水道形態(tài)變化(圖3)，結(jié)合實(shí)際觀察結(jié)果與前人研究成果[15]，剖析不同形態(tài)的水道遷移，建立5種水道遷移類型(圖10，表1),即垂向疊置遷移、擴(kuò)張遷移、順流遷移、障積回縮遷移和決口改道遷移。

垂向疊置遷移(圖10 (a))，水道平面上無(wú)明顯遷移軌跡變動(dòng)，剖面上呈垂向疊置，其軸部位置相對(duì)固定。目標(biāo)水道發(fā)育初期物源供給充足，水道內(nèi)粗粒沉積物含量較高，下切侵蝕強(qiáng)烈，而側(cè)向侵蝕較弱，故水道以垂向疊置為主，側(cè)向無(wú)遷移。同時(shí)，水道兩側(cè)天然堤建造能力強(qiáng)，限制了水道的橫向運(yùn)動(dòng)，平面上表現(xiàn)為低彎曲形態(tài)(表1)。

擴(kuò)張遷移(圖10(b))，水道垂直于古水流方向向彎道外岸擴(kuò)張，其彎曲度較大。Abreu等[11]分析了“側(cè)積體(LAPs)”的相關(guān)特征，水道向彎道外岸遷移，而內(nèi)岸則不斷接受沉積，進(jìn)而形成LAPs。此過(guò)程類似水道擴(kuò)張遷移，當(dāng)流體的側(cè)向侵蝕能力增大時(shí)，水道彎道外岸遭受侵蝕而內(nèi)岸接受加積，此過(guò)程反復(fù)發(fā)生導(dǎo)致水道側(cè)移，其彎曲度也逐漸增大(表1)。

順流遷移(圖10(c))，水道發(fā)育過(guò)程中重力流中粗粒沉積物含量降低，細(xì)粒沉積物比重增加，在高彎道位置細(xì)粒沉積物易溢出水道，形成單側(cè)天然堤，天然堤的加固使水道處于較強(qiáng)限制性環(huán)境中，水道無(wú)法持續(xù)向彎道外岸側(cè)運(yùn)動(dòng)，僅在限制范圍內(nèi)向側(cè)前方遷移(表1)。

障積回縮遷移(圖10(d))，屬于局部水道遷移，不改變水道整體形態(tài)。此水道遷移方式可能受天然堤等所引起的局部區(qū)域限制性增強(qiáng)所控制。據(jù)前人研究，深水水道運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到底辟、斷層等構(gòu)造時(shí)，部分水道會(huì)直接穿過(guò)構(gòu)造且運(yùn)動(dòng)路徑不變[24]，而部分水道的運(yùn)動(dòng)路徑則會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)[25]。Mayall等[7]指出，當(dāng)水道流體的侵蝕能力超過(guò)巖鹽構(gòu)造生長(zhǎng)速率時(shí)，水道會(huì)穿過(guò)巖鹽構(gòu)造而運(yùn)動(dòng)方向不變；反之，水道運(yùn)動(dòng)方向則發(fā)生偏轉(zhuǎn)。障積回縮遷移與上述后者過(guò)程相似，但機(jī)制上存在差異。目標(biāo)水道在外擴(kuò)遷移中，其運(yùn)動(dòng)方向的局部地勢(shì)較高，流體運(yùn)動(dòng)受到阻礙，水道會(huì)重新選擇最優(yōu)流動(dòng)路徑，轉(zhuǎn)向彎道內(nèi)岸運(yùn)動(dòng)(表1)。

決口改道遷移(圖10(e))，多發(fā)育于中彎曲水道，水道流體以細(xì)粒沉積物為主，其下切侵蝕較弱，下切深度較淺，水道兩側(cè)壁已無(wú)法限制內(nèi)部重力流，故在彎道處易發(fā)生決口，水道運(yùn)動(dòng)方向改變(表1)。

表1 深水水道遷移類型及特征

圖10 深水水道的遷移類型模式

4.2 影響水道遷移的因素及深水水道沉積模式

4.2.1 海底坡度

深水水道外部形態(tài)是其彎曲度的直觀表現(xiàn)，而水道的彎曲度則是海底坡度差異的反映。陡坡處易形成順直形態(tài)且側(cè)向遷移不發(fā)育的水道，因?yàn)槎钙绿幊Ｔ馐芰黧w的下切侵蝕而幾乎不發(fā)生沉積(末端位置除外)[4]，反之，緩坡處更利于水道的側(cè)向遷移。

目標(biāo)水道所在區(qū)域，其整體坡度逐漸緩和(圖11(a),表2)，坡度陡緩控制水道彎曲程度，目標(biāo)水道彎曲度呈先增后減的趨勢(shì)(圖11(b))，與Clark等[26]對(duì)國(guó)外多個(gè)深水區(qū)綜合研究后所得結(jié)果具有一致性。

表2 深水水道不同形態(tài)段的海底坡度

圖11 沿深水水道流動(dòng)方向的海底坡度及彎曲度變化

陡坡區(qū)域內(nèi)，重力施加給流體的力會(huì)增大流體的流速，其下切侵蝕能力隨之增強(qiáng)，水道下切深度增大。此時(shí)，水道多垂向疊置運(yùn)動(dòng)，無(wú)明顯的側(cè)向遷移；隨著坡度減緩，流體中的粗粒沉積物沉積，細(xì)粒沉積物則繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。流體的下切侵蝕減弱而側(cè)向侵蝕增強(qiáng)，水道形成擴(kuò)張遷移、順流遷移和障積回縮遷移等側(cè)向遷移方式；當(dāng)坡度進(jìn)一步減緩，水道流體的侵蝕能力基本消失，水道下切較淺從而難以約束內(nèi)部流體，導(dǎo)致水道決口頻發(fā)，隨之發(fā)生遷移運(yùn)動(dòng)。

深水水道自身存在向均衡狀態(tài)演化的趨勢(shì)，通過(guò)改變自身的彎曲度、寬度、深度等達(dá)到均衡狀態(tài)[27]。坡度陡緩影響水道彎曲度，而水道彎曲度也會(huì)反作用于坡度。高彎曲水道內(nèi)，其橫向運(yùn)動(dòng)幅度增大，下切深度變淺，故使水道坡度變緩。反之，低彎曲水道內(nèi)，其橫向運(yùn)動(dòng)受到限制，重力流能量集中導(dǎo)致下切深度增大，故使水道坡度變陡。

4.2.2 水道的限制能力

深水水道限制能力強(qiáng)弱與水道下切深度和天然堤建造高度有關(guān)。

低彎曲水道中下切侵蝕作用和天然堤建造共存(圖12(a))，水道內(nèi)部上下拓展空間，形成強(qiáng)限制環(huán)境，使水道側(cè)向遷移不明顯，以垂向疊置為主。

高彎度水道中下切侵蝕減弱而側(cè)向侵蝕增強(qiáng)，且彎道外岸天然堤仍發(fā)育(圖12(b))，有效阻止彎道的決口。但水道限制能力減弱，形成擴(kuò)張遷移、順流遷移、障積回縮遷移等復(fù)雜的側(cè)向遷移方式。

中彎曲水道內(nèi)部流體多以細(xì)粒沉積物為主，流體能量大幅降低，其下切侵蝕、側(cè)向侵蝕作用微弱。天然堤結(jié)構(gòu)基本不發(fā)育(圖12(c))，水道的限制性消失，故水道決口事件頻發(fā)，形成決口改道遷移。

圖12 深水水道不同形態(tài)段內(nèi)的天然堤

另外，利用水道不同形態(tài)段的寬深比(表3)，進(jìn)一步驗(yàn)證水道限制能力存在差異。低、中、高彎曲水道的寬深比平均值分別為14.39、32.52、14.45，其值可以反映出水道限制性強(qiáng)弱，數(shù)值越大代表限制性越弱，故中彎曲水道限制性最弱。低彎曲與高彎曲水道的平均寬深比值相近，但低彎曲水道寬深比最大值為35.43，高彎曲水道為43.22，因此判定低彎曲水道的限制性強(qiáng)于高彎曲水道。

表3 深水水道寬深比分析

4.2.3 深水水道沉積模式

前人對(duì)水道演化進(jìn)行探討，并建立了多種水道沉積模式。Deptuck等[15]將水道演化分為早—晚期侵蝕階段和3個(gè)沉積充填階段，并基于水道平面形態(tài)、疊置結(jié)構(gòu)及溢岸沉積的性質(zhì)定義了不同的充填相，刻畫(huà)了水道的運(yùn)動(dòng)路徑。Lowe等[28]分析了水道平面形態(tài)及結(jié)構(gòu)的變化，認(rèn)為在演化過(guò)程中水道逐漸發(fā)育天然堤、決口扇等結(jié)構(gòu)，其平面形態(tài)由相對(duì)順直逐漸彎曲，最終消亡。

本文中綜合考慮多種因素，建立3種深水水道沉積模式(圖13)：

圖13 深水水道沉積模式

(1)低彎疊置遷移沉積模式。深水水道低彎曲段，坡度陡，水道流體中粗粒沉積物比重大，其下切侵蝕作用強(qiáng)烈，水道剖面形態(tài)呈U型。水道兩側(cè)天然堤建造能力強(qiáng)，限制水道流體的橫向運(yùn)動(dòng)，使水道沿著相對(duì)順直的平面軌跡運(yùn)動(dòng)，形成垂向疊置遷移。同時(shí)，早期水道寬度較窄，后期隨水道下切深度的增大，其寬度也隨之拓寬。

(2)高彎側(cè)向遷移沉積模式。深水水道高彎曲段，坡度變緩，水道流體中粗粒沉積物發(fā)生沉降，其下切侵蝕作用減弱而側(cè)向侵蝕作用增強(qiáng)，水道剖面形態(tài)呈V型，平面上表現(xiàn)為高彎曲形態(tài)。在水道彎道處發(fā)育單側(cè)天然堤，對(duì)水道的限制能力減弱，同時(shí)水道形成了擴(kuò)張遷移、順流遷移及障積回縮遷移等多種側(cè)向遷移方式。

(3)中彎決口遷移沉積模式。深水水道中彎曲段，坡度進(jìn)一步減緩，水道流體基本以細(xì)粒沉積為主，其下切侵蝕作用及側(cè)向侵蝕皆減弱，水道剖面形態(tài)呈碟型，水道下切深度淺。水道在平面上仍存在小幅度的側(cè)向遷移，但水道兩側(cè)的天然堤基本不發(fā)育，水道的限制能力基本消失，導(dǎo)致水道決口事件頻發(fā)，造成決口改道遷移。

本文中建立的深水水道沉積模式與前人相比各有異同。首先，在分析水道的演化過(guò)程中皆探討了水道平面形態(tài)的變化，包括水道的運(yùn)動(dòng)路徑和水道彎曲程度的變化，以及水道結(jié)構(gòu)等。其次，本文中對(duì)目標(biāo)水道不同形態(tài)段內(nèi)的遷移運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行了標(biāo)定，突出了不同因素下水道遷移運(yùn)動(dòng)的差異。

5 結(jié) 論

(1)依據(jù)各水道定量參數(shù)，將目標(biāo)水道的平面形態(tài)劃分為低彎曲、中彎曲和高彎曲等3類，并建立5種水道遷移類型，即垂向疊置遷移、擴(kuò)張遷移、順流遷移、障積回縮遷移和決口改道遷移。垂向疊置遷移多發(fā)育于低彎曲水道；擴(kuò)張遷移、順流遷移和障積回縮遷移多發(fā)育于高彎曲水道，障積回縮遷移屬于局部遷移，僅影響水道局部區(qū)域的彎曲程度；決口改道遷移多發(fā)育于中彎曲水道。

(2)深水水道的遷移演化受多種因素控制，海底坡度和水道的限制能力是其主要控制因素。水道限制能力的強(qiáng)弱主要受水道下切深度和天然堤建造高度的控制。陡坡及水道限制能力強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)，水道形態(tài)相對(duì)順直且遷移運(yùn)動(dòng)基本不發(fā)育;緩坡及水道限制能力弱的區(qū)域內(nèi)，水道形態(tài)彎曲且遷移運(yùn)動(dòng)頻繁。

(3)建立3種深水水道沉積模式，即低彎疊置遷移沉積模式、高彎側(cè)向遷移沉積模式和中彎決口遷移沉積模式。