東非魯伍馬盆地中始新統深水沉積特征及層序界面識別方法

孫 輝，范國章，王紅平，丁梁波，左國平，馬宏霞，龐 旭，許小勇

（中國石油杭州地質研究院，杭州 310023）

0 引言

隨著深水領域在油氣勘探中的重要性不斷提高，深水沉積體系已成為目前沉積學領域研究的重點之一［1］。由于深水盆地區缺少陸架邊緣海侵或海退濱線的沉積證據，傳統的“高位”和“低位”體系域不能直接應用到深水沉積中［2］。深水沉積層序地層結構關系研究是開展深水區沉積儲層識別和評價的基礎，通過建立等時層序格架和恢復沉積演化過程可以明確層序格架內各沉積相帶的展布及演變規律，進而揭示沉積相帶間的聯系［3-4］。

魯伍馬盆地是東非重要的含油氣盆地之一，深水區主要沉積了中侏羅世—新生代的地層，始新世深水重力流形成的深水濁積砂巖是盆地重要的儲集層之一，層序地層分析對盆地油氣儲-蓋組合的研究具有重要意義?，F有的研究已經證實了Catuneanu的層序地層理論適用于該盆地深水沉積的層序地層劃分［5-6］，對層序內體系域的劃分及油氣勘探均具有重要的指導意義。隨著魯伍馬盆地深水區多個大型氣藏的發現，眾多學者對該盆地的構造［7-8］、油氣資源［9-10］及層序地層［11-12］等方面開展了深入的研究，針對盆地重要的含油層始新統A 氣藏也開展了多方面的研究工作，并取得了大量的研究成果［13-15］。一些學者將碳酸鹽碎屑流與A 氣藏重力流沉積劃分到相同的三級層序內［16-18］，結合完鉆井生物地層資料和全球海平面變化規律［19］，對其所處的三級層序進行重新劃分，在此基礎上對層序內部的深水沉積開展研究。魯伍馬盆地深水沉積形成于復雜的侵蝕充填過程，且因濁流的粒度、下伏地層的坡度和地形地貌的差異而形成不同的沉積類型［20-21］。同時，在底流流經區域，濁流沉積會受底流的影響而產生不同于濁流單獨作用所形成的沉積方式［16］，其深水體系的海底地形、沉積作用、幾何形態和堆積方式都極其復雜［22］。目前學界對該套處于陸坡—盆底區既包含水道充填沉積又包含朵體沉積的深水水道-朵體體系的研究仍存在以下問題：①水道充填沉積和朵體沉積的分級方式未統一，二者級別之間的對應關系仍不清楚，給水道-朵體體系的細分級工作帶來困難；②深水水道-朵體體系及其內部組構與沉積相、亞相和微相之間的對應關系不明確，影響對水道-朵體體系的平面分布特征、沉積演化規律及有利儲集層沉積相的識別和研究。

在重新厘定魯伍馬盆地中始新統三級和四級層序界面的基礎上，將沉積體系與沉積相對應，劃分沉積亞相與微相，探討深水沉積的演化規律及沉積相對儲層的影響，以期為該區下步油氣勘探開發提供依據。

1 地質概況

魯伍馬盆地（Rovuma Basin）位于非洲大陸東部，其東部與凱瑞巴斯盆地（Kerimbas Basin）相接，西部比鄰莫桑比克褶皺帶，北部以魯伍馬轉換帶為界與坦桑尼亞的曼達瓦次盆（Mandawa Sub-basin）分隔［5］。盆地是東非被動陸緣系統的一部分，海上部分由寬度為5～30 km 的狹長區域構成，面積約為3.66×104km2［8］，深水區位于海域東部，水深為1 300～2 900 m（圖1a）。

圖1 東非魯伍馬盆地地理位置（a）及巖性地層綜合柱狀圖（b）（據文獻［10］修改）Fig.1 Geographical location（a）and stratigraphic column（b）of Rovuma Basin in East Africa

魯伍馬盆地的形成與演化經歷了3 個時期［8，23］，沉積了二疊系—第四系多套地層，厚度超過10 km［24］（圖1b）。在晚侏羅世—早白堊世晚期形成的“窄陸架、陡陸坡”地貌形態一直延續至今［25-26］，對深水區重力流沉積體系的形成及展布具有控制作用。幾乎無大斷裂分布的陸坡區整體上構造活動微弱［8，11，21］，且后期構造活動未對深水區產生明顯的改造，為深水沉積的研究提供了有利條件。晚白堊世—第四紀漂移期的被動陸緣沉積對盆地油氣成藏貢獻巨大，深水區內主要沉積了古近系和新近系重力流砂巖儲層，油氣主要分布于古新統—漸新統的重力流砂巖儲層中，本文重點研究對象中始新統A 氣藏是東非近年重要的油氣發現之一。

研究區儲層的巖性為砂礫巖、含礫粗砂巖、中—粗砂巖、中—細砂巖以及細砂巖，主要呈棱角—次棱角狀、次圓形，分選性中等，以鈣質膠結為主，存在少量硅質膠結。與墨西哥灣、西非等其他深水沉積相比，該套儲層厚度更大，單層砂體厚度可達50.0 m，泥巖基質含量低，也更潔凈均質［27］。因深水區地處南極底流（AABW）［28］必經之地，底流對源自西部陸架的深水沉積體系遠端的水道-朵體體系沉積具有明顯的影響［11，13］。

2 層序界面識別

ODP116 航次的研究成果證實：中新世以來印度洋北部垂向上粗粒沉積物的分布與全球海平面短周期波動曲線具有較好的對應關系［29］，層序地層理論可以用來指導東非魯伍馬盆地的深水沉積研究。層序界面是研究深水沉積作用和過程的重要界面，其識別取決于所利用的數據類型、地層的供給和沉積間的相互作用。從生物地層研究成果入手，利用巖心、測井、錄井及地震資料，結合深水沉積理論和認識，重新分析魯伍馬盆地深水沉積的三級、四級層序界面。

2.1 三級層序界面

一個三級層序通常是由強制海退—海退終止的下降期體系域—低位體系域和海侵—強制海退開始之間的海侵—高位體系域組成。研究區2 口探井的生物地層研究結果表明，中始新統界面之上的浮游有孔蟲、底棲有孔蟲以及鈣質超微浮游生物的突變極低值代表了中始新統三級層序的頂界面。該界面之下發育一期重力流沉積，該重力流形成于中始新世，對應全球海平面變化曲線［19］上短周期波動曲線的最大海退過程，如圖2 中的紅框所示，推測魯伍馬盆地中始新世的深水沉積復合體形成于39.5～39.0 Ma。

圖2 東非魯伍馬盆地中—上始新統層序地層與海平面波動變化關系圖（據文獻［19］修改）Fig.2 Relationship between sequence stratigraphy and sea level fluctuations of Middle and Upper Eocene in Rovuma Basin，East Africa

根據研究區地震剖面（圖3a）可知，濁流沉積下部為一套碳酸鹽碎屑流沉積，而生物地層研究結果指示該套碳酸鹽碎屑流沉積形成于早始新世。根據深水沉積學理論，深海碳酸鹽巖體系通常與深水硅質碎屑體系的沉積方式相反，在海平面高位期，陸架碳酸鹽的產量顯著增加，鈣質重力流可以通過高位溢流（high stand shedding）［30］的過程頻繁進入深海，形成深水碳酸鹽碎屑流沉積。因此，推測研究區下始新統碳酸鹽碎屑流為高位體系域沉積產物。根據沉積層序地層理論［6］及深水研究中的應用實踐［11-12］，中始新統層序頂界應處于碳酸鹽碎屑流沉積的頂部。對碳酸鹽碎屑流底界與無碳酸鹽碎屑流區域中始新統層序底界地震反射同相軸連續性解釋得到的現今地貌形態（圖3b）顯示，該碳酸鹽碎屑流源于研究區西北部，呈北西—南東走向；層序界面處于碳酸鹽碎屑流頂界時的現今地貌形態（圖3c）顯示，存在代表濁流搬運通道的水道，且水道方向與中始新統重力流砂體東—西走向一致。地震反射能量及連續性通常與界面上、下地層的巖性有關，上部粗粒重力流沉積物隨時空變化，碳酸鹽碎屑流之上的地震反射界面能量及連續性也會隨之變化，而碳酸鹽碎屑流之下的高位體系域細粒沉積分布較穩定，與碳酸鹽碎屑流之間的波阻抗差異大。因此，在碳酸鹽碎屑流之下形成了反射能量強而穩定的地震反射同相軸。

圖3 東非魯伍馬盆地深水區中始新統三級層序地層解釋Fig.3 Interpretation of third-order sequence stratigraphy of Middle Eocene in deep-water areas of Rovuma Basin，East Africa

盡管深水重力流直接披覆于碳酸鹽碎屑流之上，但二者并非形成于同一時期的同一深水沉積過程中。在對研究區中始新統主要層序界面認識的基礎上，建立等時地層格架，三級層序地層厚度的分布主要受控于低位體系域（LST）濁流沉積（圖3d），高位體系域（HST）及海侵體系域（TST）補償沉積于低位體系域重力流沉積之上，其地層厚度與低位體系域沉積趨勢相反（圖3e）。

三級層序邊界在未被上覆重力流侵蝕的區域連續性好，易于識別；在重力流沉積區，局部地震反射同相軸連續性變差。深水沉積的層序頂界面主要位于凝縮段頂界，偶爾發育碳酸鹽碎屑流時，則處于碳酸鹽碎屑流頂界。受深水重力流沉積隨時空變化的影響，三級層序底界面之上的沉積物也經常發生變化，界面可以位于塊體搬運沉積的底界［12］、水道復合體的底界或朵體復合體的底界。

2.2 四級層序界面

三級層序內可以解釋的沉積期次界面相當于四級層序界面。四級層序（SQ1—SQ4）代表了三級層序內不同沉積期次（第1 期—第4 期），各期次之間的界面清晰、連續性好；同一期次內部地震反射特征相近，為相似的沉積單元。與三級層序邊界通?？梢栽趨^域內開展解釋不同，四級層序邊界僅可以在沉積體的分布范圍內利用地震資料開展解釋。

研究區四級層序頂界由半深海泥巖頂界確定。巖心觀察結果顯示，半深海沉積主要為塊狀—薄層狀暗色泥巖，反映了濁流的失活。泥巖厚度小，樣品中半深海泥巖厚度為0.65 m，易被晚期濁流侵蝕，通常只能在巖心上識別，通過測井曲線的合成記錄標定于地震剖面。界面解釋的主要依據：①同期次的界面具有較強的地震反射能量和較好的連續性，平面上基本可以連續追蹤；②界面上、下地層之間存在不整合接觸關系；③同一期次內部具有相似的地震反射特征，如同相軸的產狀、振幅的能量、連續性和頻率等（圖4）；④巖心上不同期次之間存在半深海泥巖沉積。各四級層序受重力流與底流交互作用形成的沉積地貌，促使各期沉積由北向南遷移。

圖4 東非魯伍馬盆地深水區中始新統四級層序界面的識別和解釋Fig.4 Identification and interpretation of the fourth-order sequence boundary of Middle Eocene in deep-water areas of Rovuma Basin，East Africa

3 深水沉積特征

魯伍馬盆地深水區處于陸坡坡腳向盆地過渡區域（參見圖3c），濁流經狹窄的限制性水道復合體發育區進入開闊的盆底區，同時發育水道復合體和朵體復合體。根據水道的沉積位置、充填規模及特征、界面接觸關系等的區別，采用Sprague 等［31］的分類命名方式將水道充填沉積從大到小分為水道復合體、復合水道和水道3 個級別。朵體復合體通?？梢詣澐譃槎潴w復合體、朵體、朵體單元、層和層組等4 個級別［32］，其中層和層組代表了單一事件沉積，厚度一般小于1 m，從巖心資料可以識別，從地震、測井資料上均難以分辨，與水道復合體的最小分級難以對應。

綜合分析地震，巖心、測井、錄井資料以及沉積物的形態、巖性、物性特征差異，同時參考Mayall 等［20］的研究，從相的角度，將水道復合體和朵體復合體對應沉積相，水道、朵體單元則對應沉積微相（表1）。

表1 東非魯伍馬盆地深水區水道復合體、朵體復合體與沉積相對應關系Table 1 Corresponding relationship between channel complex，lobe complex and sedimentary facies in deep-water areas of Rovuma Basin，East Africa

3.1 沉積亞相特征

沉積亞相的識別和解釋是架起深水沉積復合體與有利儲層分析的重要橋梁。研究區中始新統沉積亞相研究是在開展沉積期次解釋的基礎上，利用多種地震解釋技術，在巖心-測井相圖版的標定下，結合沉積模式類比開展的，共識別了復合水道、朵體、決口扇以及溢岸/漂積沉積4 種沉積亞相。

（1）復合水道

復合水道的組合關系和沉積方式基本符合限制條件下的復合水道充填模式［20］，即底部為薄層富砂滯留沉積，自下而上依次為泥質碎屑、厚層且較順直的疊置水道沉積和內天然堤沉積（圖5）。研究區X2 井的取心段長度大于100 m，可以覆蓋一個完整的復合水道，根據巖心觀察結果完成復合水道的解釋。水道在層間振幅屬性、沿層相干切片和譜分解三色融合屬性等多種地震屬性中都易于識別，具有條帶狀強振幅、強相干的特征，特別是在譜分解三色融合屬性圖中水道形態清晰（圖6）。

圖5 東非魯伍馬盆地深水區X2 井中始新統水道復合體單元沉積相解釋Fig.5 Interpretation of channel complex of Middle Eocene of well X2 in deep-water areas of Rovuma Basin，East Africa

圖6 東非魯伍馬盆地深水區不同地震技術下第4 期沉積亞相的識別與分布Fig.6 Identification and distribution of the fourth period of sedimentary subfacies under different seismic techniques in deep-water areas of Rovuma Basin，East Africa

（2）朵體

深水朵葉沉積體系是多期沉積的綜合產物［33］，其內部沉積結構復雜，由多期次一級結構復合而成［34］，同一個沉積層序內不同體系域中發育的朵體復合體的特征也不相同。在地震資料上朵體的識別相對困難，由于侵蝕能力減弱，沿層相干切片上朵體的形態不清晰。同時，由于朵體一般成群發育，且發育過程通常表現為進積—遷移—決口的過程，在均方根振幅屬性圖上富砂朵體常表現為連片的強振幅，單一朵體難以識別。研究區中始新統朵體復合體與近源區的水道復合體可以一起劃分出4個期次，從地震波形分類地震相圖（圖6c）可以相對清晰地反映該類沉積亞相的分布，地震譜分解成像區（圖6d）也有朵葉狀分布形態，能夠反映更多的沉積細節。

（3）決口扇

決口扇可根據測井曲線形態、錄井沉積組合特征及地震譜分解成像等進行綜合識別。研究區受底流影響的決口扇為砂、泥巖薄互層沉積，錄井顯示其垂向巖相組合具有反旋回特征。地震譜分解融合成像（圖6d）顯示，決口扇分布于水道的北側，平面形態呈向北發散的脈狀，總面積約為50 km2；決口扇內的亮色分布區由與東西向延伸的主水道相垂直的多個低幅度彎曲小水道構成，彎曲水道寬度約為200 m，為決口水道，其規模明顯小于朵體內部的分支水道；決口扇砂體厚度較小，其中細砂巖厚度為0.5～2.5 m，粉砂巖厚度為0.5～1.0 m（圖7）。

圖7 東非魯伍馬盆地深水區X1 井中始新統受底流影響的決口扇測井響應特征Fig.7 Logging response characteristics of crevasse splays affected by bottom current of Middle Eocene of well X1 in deep-water areas of Rovuma Basin，East Africa

（4）溢岸/漂積沉積

溢岸/漂積沉積發育在各期復合水道北側，位于復合水道側翼振幅能量減弱區域，可利用地震振幅屬性進行識別（圖6）。其伽馬曲線表現為較高幅度齒化箱形，巖性主要為較細粒的砂、泥巖互層。近端溢岸沉積以發育近平行分布的沉積物波為特征；遠端溢岸沉積與水道沉積相距更遠，地震反射同相軸能量較弱，連續性一般，巖性以泥巖為主（圖7）。

3.2 沉積微相特征

結合X2 井的巖心資料及3口井的錄井資料，研究區4 種亞相可進一步識別出9 種沉積微相（圖8）。

圖8 東非魯伍馬盆地深水區中始新統典型沉積微相識別模版Fig.8 Identification template of typical sedimentary microfacies of Middle Eocene in deep-water areas of Rovuma Basin，East Africa

（1）復合水道

復合水道包含水道軸部充填、水道邊部充填、內天然堤、塊體搬運沉積（MTD）及水道底部滯留沉積等5 種微相。水道軸部/邊部充填微相通常表現為塊狀砂巖垂向疊置，由分選性較差—良好、粗—極粗砂巖和一些頁巖撕裂碎屑組成，偶見碟形構造，砂巖之間沒有任何泥巖夾層保存。內天然堤微相主要表現為薄層砂、泥巖互層，自然伽馬曲線表現為指狀。MTD 微相表現為高自然伽馬值，僅從大段自然伽馬測井曲線上難以將之與曲線為鐘形的薄層水道區分，需考慮測井綜合解釋結果加以分析。水道底部滯留沉積微相一般出現在塊狀砂巖層序的底部，通常由粗粒、富含卵石的砂巖或礫巖組成，伴有大小不一的泥屑，鈣質膠結強烈且致密，塊狀砂、礫巖指示沉積時水動力強，由高密度濁流形成，侵蝕能力強，X2 井巖心顯示底部滯留沉積微相厚度為7.4 m。

此外，Mayall 等［20］認為復合水道沉積晚期發育的彎曲水道在垂向上往往位于疊置水道上方，因此，可以認為疊置水道上方發育的薄層砂巖為該復合水道沉積晚期發育的彎曲水道。

（2）朵體

朵體包含朵體單元主體和朵體單元邊緣2 種沉積微相。朵體單元主體微相自然伽馬值低，曲線表現為箱形，錄井巖相顯示為多層疊置的粗碎屑砂巖，單砂層厚度一般為1.0～6.0 m，最大為6.8 m，通常比單層水道砂體的厚度小。朵體單元邊緣微相位于朵體單元主體微相的側面，表現為多層砂、泥巖互層，砂巖厚度較小，單砂層厚度一般小于4.0 m，具有一定的反旋回特征。

（3）決口扇

決口扇具有較高的自然伽馬值，測井、錄井均表現為反旋回，單砂層厚度和砂巖粒度均較小。

（4）溢岸/漂積沉積

該類沉積微相中砂巖的厚度最小，單砂層厚度約為2.0 m，粗粒沉積部分以粉砂巖為主。

4 深水沉積演化規律及其對儲層的影響

4.1 深水沉積演化規律

魯伍馬盆地中始新統深水沉積的演化可分為4個階段。

（1）中始新世SQ1 沉積時期，源于研究區西部的濁流規模較小，復合水道前端終止于研究區東部，復合水道寬度為2～3 km，呈近東西向展布，沿復合水道軸線延伸長度約53 km。溢岸/漂積沉積發育于復合水道北側，在平面上呈東西兩端窄、中部寬的半橄欖球形（圖9a），從近水道端向遠水道端沉積物的粒度逐漸變小。

圖9 東非魯伍馬盆地中始新統深水沉積演化特征Fig.9 Evolution characteristics of deep-water deposits of Middle Eocene in Rovuma Basin，East Africa

（2）隨著SQ1 沉積末期地貌的改變，在SQ2 沉積時期深水沉積向南遷移的同時也向盆進積，沉積規模變大，發育復合水道-朵體、決口扇及溢岸/漂積沉積。濁流沉積向盆進積導致復合水道及朵體相互侵蝕疊置，從平面上難以區分，故以復合水道-朵體沉積區代表該區域，區域面積約220 km2，是區內有利儲層的主要分布區。復合水道-朵體沉積區主要分布于研究區南部，以北西—南東走向為主，其北側還發育了規模較大、分布面積較廣的決口扇，面積約75 km2（圖9b）。

（3）SQ3 沉積時期是濁流活動最強盛的時期，濁流分布范圍明顯大于SQ2 沉積期，復合水道-朵體沉積區面積更大，約300 km2，但其北側未發育決口扇，廣泛分布溢岸/漂積沉積（圖9c）。

（4）SQ4 沉積時期，濁流顯示出明顯向陸退積的特征，以朵體沉積為主，僅在小范圍內可以識別出復合水道，此時決口扇重新發育。由于中始新世濁流沉積受底流影響大，細粒溢岸/漂積沉積在整個深水沉積過程中都位于粗粒沉積的單側，分布于研究區北部（圖9d）。

總體上，在中始新世深水沉積表現為先進積、后退積的過程，表現出非對稱沉積特征，伴隨地貌的改變逐期向南遷移。

4.2 沉積控制儲層發育

研究區儲層的發育主要受控于沉積相，相同水道不同沉積微相中砂巖儲層物性和品質差異大。對X2 井巖心樣品進行分析發現，鉆遇的同一復合水道亞相中水道充填沉積內發育的儲層孔隙度為1.26%～22.72%，滲透率為0.01～924.00 mD，變化范圍均較大，其中水道軸部充填微相中儲層滲透率和孔隙度具有較好的相關性，而水道邊部充填儲層中孔隙度和滲透率基本不相關。朵體的巖心樣品都分布于朵體單元主體內，孔隙度主要為10.00%～20.00%，滲透率與孔隙度的相關性比水道軸部充填微相中更好（圖10a）。

圖10 東非魯伍馬盆地深水區中始新統不同沉積相儲層滲透率-孔隙度交會圖Fig.10 Crossplot of permeability and porosity of different sedimentary facies of Middle Eocene in deep-water areas of Rovuma Basin，East Africa

對研究區9 種可識別的深水沉積結構單元進行測井解釋發現，決口扇微相中不發育儲層；MTD和水道底部滯留沉積微相中發育的儲層均顯示出較致密的特征，測井解釋為干層；其他微相按照測井解釋儲層的層數及厚度由大到小依次為朵體單元（主體/邊緣）、水道軸部充填、水道邊緣充填和內天然堤；朵體單元主體砂巖儲層物性最好，孔隙度為13.00%～21.00%，滲透率為5.0～118.0 mD，水道軸部充填微相中發育的儲層物性次之，孔隙度為13.00%～19.00%，滲透率為0.8～23.0 mD（圖10b），朵體單元邊緣有大量低孔、低滲儲層，內天然堤沉積中儲層的整體物性較差。

此外，儲層的巖相類型、雜基和膠結物的含量也是控制儲層質量的重要因素［17］。研究區始新統由向下陸坡—盆底方向的高密度濁流和穿越陸坡的底流產生的延伸數十千米的同沉積作用產物構成。濁積砂體通常是由多期疊置的事件層組成，而每一期事件層自下而上呈正旋回分布，通常在底部沉積的含礫粗砂巖、粗砂巖的分選性和滲透性均較差。同時，在水道砂體中廣泛發育的泥巖撕裂屑、鈣質膠結作用產生的鈣質結核也大大降低了儲層的物性。

5 結論

（1）魯伍馬盆地深水區漸新統三級層序頂界面位于凝縮段和偶發的碳酸鹽碎屑流的頂界；受深水重力流沉積隨時空變化的影響，底界面可以位于不同沉積結構單元的底界；三級層序界面除局部受重力流侵蝕導致地震反射連續性變差以外，地震反射整體連續性較好；四級層序界面僅可以在沉積體分布范圍內開展解釋，四級層序頂界由半深海泥巖頂界確定。

（2）魯伍馬盆地深水區中始新統三級層序內可識別2 種沉積相、4 種沉積亞相和9 種沉積微相。早、晚期復合水道、朵體、決口扇及溢岸/漂積沉積易于識別，中期濁流進積期復合水道及朵體不易單獨識別，受底流影響的決口扇分布于復合水道-朵體沉積區北部，具有向北部放射性發散的外部形態。

（3）魯伍馬盆地中始新統深水沉積的演化可分為4 個階段，整體表現為先進積、后退積的過程，水道-朵體復合體表現出非對稱的沉積特征，伴隨地貌的改變各期沉積體整體向南遷移。

（4）魯伍馬盆地深水區儲層的發育主要受控于沉積相，水道軸部充填及朵體單元主體微相中儲層最發育，物性最好，是盆地中始新統最有利的儲集類型，水道充填邊緣次之，朵體邊緣及溢岸沉積微相中發育的儲層物性相對較差。