深時源—匯系統綜合研究和沙壘田實例分析

朱筱敏，劉強虎，談明軒，李順利，陳賀賀，聶銀蘭

1.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249

2.中國地質大學（武漢）資源學院，武漢 430070

3.河海大學海洋學院，南京 210098

4.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083

5.中國地質大學（北京）海洋學院，北京 100083

0 引言

“源—匯系統”是指剝蝕區形成的風化剝落的顆粒沉積物和溶解物，經搬運通道輸送至深海區域中沉積下來的整個體系[1-3]。顯然，將物源形成、搬運過程與沉積體系作為一個整體來研究，才能完整地認識地球表層的動力學過程及其演化。源—匯系統包含從匯水區（剝蝕區）、沖積—濱海平原區、淺海陸架區、大陸斜坡區及深海盆地等多個區帶的地貌單元，需要對這些不同地貌區帶的地形、水道或溝谷地貌及沉積體系開展定量或半定量的描述，探討物理、生物和化學作用的剝蝕、搬運及沉積的動力學過程并進行模擬分析，明確源—匯系統不同構成要素的耦合關系[2]。源—匯系統作為一個完整的體系蘊藏著地球表層動力學過程的沉積記錄及地球表層對深部巖石圈動力學過程等方面的響應信息，其研究不僅有利于恢復源—匯系統要素的完整動力學過程，而且對于沉積礦產勘探開發具有良好的預測作用。

源—匯系統的概念來自現代海洋沉積學研究。最近二十年引入到大陸邊緣深時沉積系統研究領域，它強調依據剝蝕地貌與沉積地貌相互關系來分析沉積地質歷史[4]。近年來，許多重大地球科學研究計劃都設立了關于源—匯系統的研究重點，如1998 年美國國家自然科學基金會與其他學會提出的“大陸邊緣科學計劃（MARGINS Program Science Plans 2004）”，把從造山帶物源區、沖積平原、淺海陸架，到深海盆地的源—匯系統列為近期四大重要研究領域之一[5]。1999 年歐洲各國結合國際大陸鉆探計劃（ICDP）和大洋鉆探計劃（ODP）發起了“EuroSTRATAFORM”計劃。著重了解從源到匯的沉積系統，理解和模擬地中海和北大西洋邊緣由河流經淺海陸架和峽谷到深海的無機和有機顆粒的搬運過程，確定沉積物搬運、通道和通量的時空變化特征及其對沉積地層形成的作用和貢獻[6]。2003年，日本提出“亞洲三角洲演化與近代變化”的研究計劃[6]。近十年來，源—匯系統在大陸邊緣沉積作用研究中得到高度重視，特別是聚焦青藏高原和亞洲大陸東緣開展源—匯系統研究；在陸相斷陷盆地深時沉積體系研究中，聚焦源—匯系統驅動機制及地球動力學過程、陸相湖盆源—匯系統要素定量表征及其耦合關系、源—匯系統要素時空耦合控砂原理、沉積砂體和巖性油氣圈閉預測等方面開展研究并取得了顯著成果[7-9]。

源—匯系統是通過沉積物搬運（路徑）系統來建立剝蝕地貌與沉積地貌之間的物質變遷和交換關系的[9]。源—匯系統不同要素的表征有利于建立剝蝕—搬運—沉積整個過程的定量響應關系（表1），使源—匯系統研究具有更高的定量性、準確性和預測性[10]。

表1 陸相盆地源—匯系統要素表征內容及方法Table 1 Element content and methods of characterizing source-to-sink system in a continental basin

目前，源—匯系統研究已成為國際重大地學研究計劃的重要課題，促進了多學科的廣泛交叉和合作，取得了一系列重要進展，并為沉積地質資源的預測和高效勘探開發提供了新的思路。

1 源—匯系統劃分及其特點

受不同地球動力學背景差異影響，不同類型沉積盆地剝蝕與沉積地貌存在明顯差異，形成了各具特色的沉積體系和多樣化的源—匯系統。顯然，確定源—匯系統類型對于研究不同類型盆地的源—匯系統要素，建立反映沉積盆地特點的源—匯系統模型具有重要的地質意義。

1.1 時間尺度分類

根據研究時間尺度，可將源—匯系統劃分為現代系統（100～103年）、第四紀系統（103～2.5×106年）及深時系統（2.5×106～108年）[11]?，F代源—匯系統中物源區、搬運區和沉積區的地形地貌、沉積記錄等保存比較完整，沉積物通量受氣候條件、洪水作用、人類活動及植被類型短期變化影響，各種參數比較容易獲取，可建立多種地貌學參數比例關系及水力學參數比例關系的模型。第四紀源—匯系統主要受控于氣候—基準面變化和構造運動，即物源區和搬運區的地形地貌相對固定，而沉積區隨基準面（濱線遷移）變化，沉積通量主要受到米蘭科維奇旋回、高頻高幅海平面升降調控。與之相對，深時源—匯系統主要受控于長周期的構造運動及重大氣候變化。因物源區保存不完整或根本未保存、邊界條件的不確定性及地層記錄不完整，使得深時源—匯系統的定量分析面臨諸多挑戰。然而，第四紀源—匯系統大部分沉積記錄得到保存，僅少量地貌要素由于冰川活動、海平面升降和區域剝蝕作用存在一定缺失，可用來驗證基于現代源—匯系統建立的各項地貌比例關系，為深時源—匯系統研究提供更可靠的依據[12]。

1.2 成因機制分類

物源供給和地形坡度是驅動不同類型源—匯系統的關鍵因素。（1）物源供給是沉積砂體存在的物質基礎。盆地邊緣大型古陸、隆起區、古高地等物源區可長期持續為盆地提供長距離搬運到盆地內部的遠源沉積物，即為盆外供源。近年來，石油勘探從凸起區轉向凹陷區，從構造型圈閉轉向巖性地層型圈閉，人們開始意識到盆內規模較小、遭受剝蝕時間較短的盆地內部或周緣的小型古高地、低凸起、凹中低隆等次級正向地貌單元也具有較好的供源能力并形成一定規模的沉積砂體。（2）地形坡度控制了沉積物入湖頻率、搬運流態和搬運距離，是影響源匯過程的重要參數。緩坡地貌下發育的常年穩定水系可通過牽引流主導的方式持續性供給泥砂，在沉積區表現為粒度與含砂率相協調的特征；相反，陡坡背景下間歇發育的山溪型河流往往以異重流為主的形式向沉積區呈脈沖式供源，表現為大套泥巖背景下出現事件性的礫巖沉積。

前人依據物源供給和地形坡度耦合關系已探索性劃分不同類型源—匯系統。比如，（1）通過第四紀模擬和實驗研究，將源—匯系統劃分為“傳送帶”和“吸塵器”兩種類型[13]?！皞魉蛶А毙蜑榕璧剡吘壌笮凸抨懛€定供源，盆外水系作為搬運通道，形成大型沉積體?！拔鼔m器”型由盆內下切谷提供少量沉積物并搬運至沉積區，形成小規模沉積體。（2）將源—匯系統劃分為近源—陡坡—深水、遠源—緩坡—深水和遠源—緩坡—淺水三種類型[14]。近源—陡坡—深水系統多發育于活動板塊邊界，水體深（＞500 m），坡度陡，搬運通道短（＜100 km），形成大規模沉積體；遠源—緩坡—深水系統多發育于構造穩定的被動大陸邊緣，水體深達千米級別，坡度平緩，匯水系統延伸距離為1 000～7 000 km，發育大陸級別河流供源和廣闊的濱岸平原。遠源—緩坡—淺水系統水體淺（10～100 m），坡度較緩，搬運路徑延伸距離介于100～1 000 km，沉積物供給及其空間屬性共同決定系統沉積特征[15]。此外，在“源—匯”時空耦合控砂理論的指導下，人們提出了隱蔽性物源的概念，在渤海海域識別并總結出常見的區域物源—盆源斜坡—三角洲砂體富集模式、局部物源—梳狀斷裂坡折帶—扇三角洲砂體富集模式等8種富砂型源—匯系統[7,16]。

1.3 級次分類

隨著源—匯系統的研究逐漸向精細化和定量化轉變，國內地質工作者嘗試對源—匯系統開展精細解剖，分析內部的基礎流域（水系）構成，劃分源—匯系統級次。依據分水嶺、分水線和脊線劃分一級、二級和三級源—匯系統，比如將云南洱?！包c蒼山—洱?！爆F代源—匯系統劃分為東側和西側2個一級源—匯系統，其中東側系統可劃分為19 個二級和多個三級源—匯系統[17]。

2 深時源—匯系統要素及表征方法

2.1 深時源—匯系統要素研究

深時源—匯系統的研究是從剝蝕區到沉積區的一體化研究，涉及構造地貌學、同位素年代學、層序地層學以及沉積學等多種學科的綜合運用。深時源—匯系統不同要素的表征有助于建立剝蝕—搬運—沉積整個過程的定量響應關系，其研究內容主要包括物源體系、搬運通道以及沉積體系研究[10]。

物源區是源—匯系統的根本要素和沉積物產出的物質基礎。物源體系研究是在區域地質研究基礎上，系統性開展母巖風化效能評價、母巖區碎屑物源分析與定量示蹤、母巖區古構造恢復以及古地貌精細刻畫等。

搬運通道是連接物源區和沉積區的輸運紐帶[18]，狹義上對應物源區—沉積區的侵蝕/沉積型溝谷、構造變換帶及其他類型輸砂通道，廣義上包含沉積物從源到匯搬運—沉積的所有載體及沉積物輸運機制。因此，搬運通道研究并不局限于溝谷類型或者構造變換帶的分類識別與精細解剖，而是整個沉積物路徑系統的全面性、動態性以及系統性分析。

沉積體系是源區演化控制下物源供給、物質搬運及分散分配的綜合響應，沉積響應繼承了物源供給和搬運過程兩者復雜性，同時也疊合了沉積區物質分配的復雜性[15]。源—匯系統框架下的沉積體系研究內容包括依據層序地層學、沉積地質學、地震地層學和地震沉積學等多種理論與技術精細解剖不同類型沉積體系的分散樣式，定量表征深時沉積體系的發育形態與規模[19]，進而通過沉積體系的垂向演化特征解剖與對比分析，揭示深時源—匯系統的整體響應過程。

2.2 深時源—匯系統分析方法

2.2.1 碎屑礦物年代學定量示蹤

碎屑礦物年代學示蹤是深時源—匯系統重建相對有效與可靠的方法之一[11]。由于鋯石U-Pb激光剝蝕法獲取數據相對較快，物源對比精確度較高，已被廣泛運用于物源區風化產物示蹤、古水系重建以及沉積物路徑系統演化研究[20]。碎屑鋯石年齡譜與潛在源區結晶巖體年齡組成對比能夠區分物源區物質組成的優勢路徑。近年來，碎屑鋯石年代學分析在深時源—匯系統研究中主要表現為三個方面的進展：（1）大樣本鋯石年齡數據定量對比，提高了數據對比可信度，同時也達到識別次要物源的目的[21]；（2）鋯石U-Pb 與（U-Th）/He 雙定年技術的發展，以確定再旋回物源[20]；（3）鋯石年齡譜的端元解析算法的不斷改進，量化不同物源的相對貢獻[22]。由于母巖鋯石產率存在差異性，從而在不同程度上影響物源定量示蹤的研究結論。因此，近年來碎屑金紅石、磷灰石、石榴石、獨居石U-Pb定年方法在分析古水系方向與確定古水系演化方面也起到了積極作用[23]。

2.2.2 源區地貌重建與定量古地貌分析

物源區原始古地貌恢復是深時源—匯系統重建的重要研究內容和方法。相比于沉積區而言，源區遭受長期的風化剝蝕（最終呈準平原化），其恢復難度較大。即使后期整個源區完全被上覆地層覆蓋，所對應的殘余古地貌也不一定完全適用于深時源—匯系統分析。一般地，在源區埋藏前最后階段的殘余古地貌最具參考價值[24]?；诘蜏責崮甏鷮W、沉積物回填以及古構造復原等相關技術方法能夠定量重建物源區古地貌[12]?；谖镌磪^古地貌拾取，可分析古水系穩定性、預測沉積物通量變化，與沉積區的物質分配樣式建立定量響應關系[24]。

2.2.3 地貌比例關系分析

現代地貌學研究表明，無論地表過程如何演化，地貌形態總體上保存著某種相對穩定的耦合關系。利用“將今論古”的思想可將現代源—匯系統地貌學經驗關系應用于深時源—匯系統多類型地貌單元規模的定量預測[14]。地貌學比例關系研究最早僅限于匯水區內，而后擴展到從源到匯的多類型地貌單元的參數擬合分析中，例如水系長度與水系出口間距[25]、水道長度與匯水面積或水道坡度[26]、匯水面積與河道滿岸形態[27]、海底扇面積與陸坡長度[28]等。深時源—匯系統要素耦合的研究方法應用于傳統含油氣盆地沉積體系分析中能夠低成本、高效預測少井區/無井區有利儲層分布特征，有助于提高油氣勘探的成功率[29]。

2.2.4 沉積物通量定量估算

沉積物通量定量估算是沉積區定量表征的重要研究內容之一，對于重建深時源—匯系統的信號傳輸過程具有重要的意義[19]。目前定量分析方法主要建立在現代地貌學、水利學以及相關經驗關系的研究基礎上，其中以BQART 模型法與支點法計算沉積物通量為代表[30]。

BQART模型法是基于全球488條河流30多年水文數據，結合地貌參數統計成果建立，其適用表征96%現代河流體系的懸移載荷物質的通量變化[31]。在層序地層學、古水系重建、古地貌恢復基礎上，結合區域基巖分布特征以及古氣候分析測試數據，即可估算深時“源—匯”系統的沉積物供給總量[18]。目前BQART 模型以及若干改進模型已被廣泛應用于深時源—匯系統的沉積物通量估算分析，能夠定量表征底床載荷和懸移載荷及其變化[32-34]。

2.3 地層正演模擬綜合表征

源—匯系統正演研究聚焦于環境信號變化及其對源—匯系統（源區動力演變和匯區沉積記錄保存程度）的綜合性影響，以系統表征源—匯系統的運轉過程。

地層正演模擬研究方法包括物理模擬和數值模擬，是研究深時源—匯系統的重要手段?；谠础獏R過程的物理模擬研究是將構造地貌沙箱模擬與水槽沉積學模擬結合起來，系統考慮物源區水系演變對搬運—沉積作用的影響。如通過設定降雨量、構造隆升與沉降速率參數，實時模擬源區山體的風化作用及水系遷移過程，并同時系統地、直觀地分析匯區沉積物分散體系與建造樣式，指示深時源—匯系統演變過程。隨著計算機軟硬件技術快速發展，基于源—匯過程的數值模擬研究已經逐漸從單一水動力擴散模型發展到地表過程模型與地球動力學模型的綜合模擬階段。古高程重建、古構造復原以及古氣候模擬等多種研究方法也相繼被納入高精度地層模型的構建，為源—匯系統數值模擬研究提供了良好的地質參數約束[35-37]。將含油氣盆地沉積學、源匯地層正演模擬及含油氣盆地模擬系統結合起來，能夠為有利儲層預測、含油氣系統與油氣潛力評價提供更為深入、有效的指導性建議（圖1）[38]。

圖1 基于源匯過程的地層正演數值模擬與深時盆地模擬系統流程[36]Fig.1 Workflow of source-to-sink stratigraphic forward modeling and deep-time basin modeling [36]

3 源—匯系統形成發育的控制因素

源—匯系統的形成發育包含從源到匯的多種過程：母巖發生機械—化學風化作用，產生成分、粒徑、通量等不同的地質信號，借助多種搬運方式（水流、風力、重力等），以非線性的傳遞速度和輸出頻率，通過不同路徑向沉積盆地匯聚，最終形成特征迥異的沉積物分散體系。由此可見，源—匯系統的形成與發育涉及要素多、影響因素復雜且反饋機制多樣化。響應于構造作用、氣候變化和海平面變化，沉積物搬運的動力學過程很少是平滑或連續的，導致其路徑系統時常發生轉向或間歇性儲存，碎屑物質源—匯過程表現出復雜的路徑軌跡和周期[11,14,38-39]。

（1）構造作用主控了不同類型源—匯系統的形成與發育[38-39]。根據構成單元和發育構造背景的差異，源—匯系統可劃分為遲滯型（Buffered）和瞬態型（Reactive）[14]。遲滯型源—匯系統又稱為三段式源—匯系統，多發育于被動大陸邊緣等相對穩定的構造背景中。該源—匯系統整體由造山帶物源區、沖積平原和淺海大陸架、深海盆地三部分組成，其顯著的特點是普遍發育廣闊的沖積平原和大陸架[14,39]（圖2）。瞬態型源—匯系統又稱二段式源—匯系統，多發育于斷陷盆地等活動型構造背景中。該源—匯系統整體由造山帶物源區、深海平原兩部分組成，缺乏較長的沉積物搬運路徑，沉積物多直接由源區進入沉積區。構造背景決定了不同類型源—匯系統具有不同特點。例如在被動大陸邊緣遲滯型源—匯系統中，沖積平原和淺海陸架能夠不同程度地滯留沉積物，這決定了物源區沉積物通量的主要搬運方向和初始卸載位置，深刻地影響著沖積平原下游的古地理特征、陸架邊緣三角洲及深海扇的發育與演化；而瞬態型源—匯系統缺少滯留沉積物的區域，且其構造—地貌演化過程更為復雜，源—匯系統內地貌學參數相關性較弱[14,38-40]（圖2）。在斷陷盆地中，構造作用控制了橫向匯水盆地在緩坡帶和陡坡帶的發育和演化。其中，匯水盆地的面積受控于拉伸過程中形成的構造斜坡長度[41]，匯水盆地的面積控制著水流和沉積物的年通量，進而控制了斷陷盆地主控斷層邊緣沖積扇、扇三角洲和海（湖）底扇的面積。源—匯系統內斷層破裂和褶皺生長控制了地貌的差異風化，進而造成局部范圍的河流改道或合并，眾多規模較小、相互獨立的小型河流—湖泊源—匯系統主導了盆地充填；伴隨斷層的分段連接過程，匯水盆地逐步成熟，相互獨立的小型源—匯系統逐漸發育為大規模、整一的源—匯系統[14,38-40]。

圖2 主動與被動大陸邊緣中源區面積、陸架寬度及盆底扇大小與斜坡長度的地貌學參數關系[38]Fig.2 Geomorphological scale relationships for catchment,shelf and basin-floor segments for slope lengths of activeand passive-margin systems [38]

（2）短期和長期時間尺度局部和區域性氣候制約源—匯系統內沉積物時空分散過程[9,17-22]。匯水盆地控制了沉積物輸出的通量和頻率，但是最終主要受控于氣候因素，在100～105年短期尺度上尤為顯著[32,41]。氣候變化對不同尺度源—匯系統的影響也取決于匯水盆地的發育規模。短期氣候變化對小型源—匯系統內沉積物通量影響顯著，對大型源—匯系統匯水盆地影響較小[30,42]。短期氣候變化迅速改變小尺度源—匯系統內沉積物剝蝕和外輸過程的平衡，其響應時間可達103年尺度[43]；長期氣候變化主導了大型源—匯系統匯水盆地輸出的沉積物通量，其響應過程取決于源—匯系統內河流系統對氣候變化的響應速度[44]。研究顯示，亞洲河流104～106年氣候變化的周期對應河流響應于氣候變化后在河口出現沉積物通量變化信號的時間[45]。源—匯系統對氣候變化的相對遲滯或迅速響應取決于風化剝蝕產率與風化產物輸出速率之間的平衡[45]。當氣候變化引起的風化剝蝕產率與風化產物輸出速率不平衡，則沉積物通量變化周期小于氣候變化周期，此情況多發育瞬態型源—匯系統；反之，當沉積物通量變化周期大于氣候變化周期時，則多發育遲滯型源—匯系統[46-48]。

（3）海平面變化對源—匯系統形成與發育的影響主要體現在對沉積物路徑系統和沉積分散過程的控制[38,49]。通常情況下，海平面變化被歸到氣候對源—匯系統的影響中，但氣候變化并非是海平面升降的唯一函數。海平面升降同時還受到構造作用、剝蝕地貌、沉積物供給通量等多方面的影響。海平面升降直接控制了源—匯系統在時間尺度上的特征演化：①海平面低位時期，物源區剝蝕碎屑經過水系搬運，其匯水盆地出口多位于海平面低位線處。此時海底峽谷體系頭部可以直接接收匯水盆地的沉積信號，將其一對一地輸送至深海平原[39]（圖3）；②海平面高位時期，海平面上升導致沉積動力過程復雜化，海底峽谷體系的頭部則與匯水盆地分離。復雜的水動力作用及沉積物搬運機制（如沿岸流、等深流以及濁流等）促使沉積物在路徑系統中滯留和再分配[39]（圖3），使得源區的構造及氣候信號在向深海盆地傳輸過程中發生改變，從而在一定程度上制約了深海沉積記錄恢復古氣候與古構造演化的可信度[39,50]。自末次冰期以來，約50×106km3的陸地冰蓋融化，導致海平面上升約130 m[51]。綜上可見，海平面升降在不同周期尺度均可對源—匯系統內沉積物路徑系統及沉積分散過程產生重要影響。

圖3 海平面低位和高位時期源—匯系統中陸地—海洋沉積物路徑系統示意圖[39](a) at lowstand sea levels;(b) at highstand sea levels [39]Fig.3 Summaries of land-to deep-sea sediment source-to-sink routing systems

4 源—匯系統收支平衡與砂體預測

目前，源—匯系統的研究逐漸從定性研究過渡到源—匯系統各要素的定量分析以及砂體與其控制因素之間關系的定量研究[7-8]。源—匯系統要素的定量表征與砂體定量預測正在深入探索之中，例如探索同生斷裂作用對沉積充填的控制作用、古地貌恢復識別古溝谷與地形坡折、刻畫沉積體系類型并預測有利儲集砂體的展布。顯然，定量刻畫源區性質、匯水面積、坡度高差、溝谷規模、沉積類型等要素，建立從源到匯的定量響應關系是最終目的。在源—匯系統定量化約束下的沉積過程模擬，可為有限井控條件下源—匯系統要素定量刻畫及耦合關系研究與砂體預測提供了有力支持。

4.1 源—匯收支平衡

近年來，利用源—匯系統要素地貌比例關系預測沉積體發育規模的研究方法愈發受到關注。該研究旨在利用源—匯地貌比例關系，通過對已知源—匯系統要素（如剝蝕區面積等）的地貌參數進行定量測定，來預測未知源—匯系統要素（如海底扇等）的尺寸規模[28,38,52-53]。對于剝蝕區和搬運通道而言，定量統計參數包括地形高差、匯水面積、地形坡度、溝谷發育規模（寬度、深度、寬深比以及溝谷截面積）。地形高差和地形坡度決定了沉積物搬運的勢能，是沉積物大規模搬運的核心驅動力；匯水面積決定了古水流量的大小，從而影響沉積物供給速率；溝谷寬度、深度及寬深比影響沉積物進入盆地之前的搬運方式，溝谷截面積則控制了沉積物輸送能力和速率。對于沉積區而言，統計參數包括沉積體系面積、平均厚度及體積。從源—匯系統要素定量分析來看，盆內的沉積體積與源區的地形高差、匯水面積及溝谷截面積等三個參數密切相關，其中地形高差與沉積體的相關性最高，匯水面積次之，溝谷截面積最小[54]。

以渤海灣盆地沙壘田凸起源—匯系統為例，地形高差和匯水面積越大，形成的沉積體系體積越大；反之地形高差和匯水面積越小，在盆內形成的沉積體系體積越小[8,54]。地形高差、匯水面積、溝谷截面積與沉積體積4個參數耦合關系可用以下公式表示[54]：

式中：Y為沉積體系體積（m3）；X1為地形高差（m）；X2為匯水面積（m2）；X3為溝谷截面積（m2）；R2=0.62。

研究結果表明，地形高差作用最大，與沉積體積的相關性最高，說明地形高差直接決定了沉積物供給量，高山陡坡易形成大規模的扇三角洲體系；其次是匯水面積與沉積體系的相關性較高，表明大的匯水面積具有較高的沉積物運載能力，可以持續為盆地提供充足的物源供給；最后是溝谷截面積，與沉積體積的相關性較低，說明溝谷通道規模是沉積體系發育的必要而非充分條件（圖4）。

圖4 渤海灣盆地沙壘田凸起源—匯系統要素定量關系三維散點圖[54]Fig.4 3-D scattergram of source-to-sink elements in the Shaleitian uplift,Bohai Bay Basin[54]

4.2 源—匯系統中的砂體預測

斷陷盆地砂體預測中，人們提出了山（有效物源）—溝（搬運通道）—坡（坡折體系）—面（層序界面）耦合控砂的理論觀點，認為山—溝—坡—面的有效配置決定了砂體在平面上的分布位置，層序格架和界面決定了砂體發育的有利時期[7]。山—溝—坡—面耦合控砂理論觀點認為：在平面上，發育完整有效的山—溝—坡—面配置關系的區域為有利儲集砂體的富集場所；在剖面上，層序界面附近（尤其是低位域沉積期）是有利儲集砂體的富集位置。針對復雜陸相斷陷盆地的砂體預測，在陸相源—匯系統時—空耦合控砂理論指導下，渤海海域古近系砂體預測成功率從40%提高到80%[17,55]，顯著提高了陸相斷陷盆地砂體預測的成功率。

近期，人們將源—匯控砂原理認識應用于有利砂體和儲層預測，提出了源—渠—匯—巖耦合控儲的優質儲層預測新方法[29]，將“來自于剝蝕區的沉積顆粒經搬運通道輸送分散到盆地內沉積下來、并經過埋藏成巖形成巖石”這一系統過程稱之為“源—渠—匯—巖系統”。源—渠—匯—巖耦合控儲的核心內涵是源—匯系統控域、源—匯沉積控砂、成巖作用控性、源—渠—匯—巖耦合控儲。

眾所周知，儲層質量受構造、沉積、成巖作用綜合控制，其中成巖作用為直接控制因素，而構造、沉積作用作為源—匯系統形成的重要因素，對儲層發育具有重要的間接控制作用。從源—匯系統耦合模式角度出發，基于鉆井、地震、巖心及儲層分析資料，可將渤海灣盆地沙壘田凸起及圍區源—匯系統分為斷裂陡坡型、斷裂緩坡型、斜坡型及斷槽型四種類型[8]（表2）。發現不同類型源—匯系統的物源供給控制相應的沉積體系發育，進而影響儲層的成巖作用與物性特征。比如，斷裂緩坡帶由于源區高差與匯水面積均大，沿斷裂坡折帶分布的沉積砂體規模大、范圍廣，砂巖成分和結構成熟度較高，埋深淺、機械壓實作用較弱，次生孔隙發育，為優質儲層發育有利區。

表2 渤海灣盆地沙壘田凸起源—匯系統類型與儲層差異對比[8]Table 2 Comparisons between source-to-sink and reservoir quality in the Shaleitian uplift,Bohai Bay Basin[8]

5 陸相湖盆沙壘田地區源—匯系統實例分析

渤海灣盆地是我國東部典型的新生代陸內裂谷盆地，整體具有多旋回疊加和多成因機制復合的特征，經歷了古近紀斷陷、新近紀拗陷兩期構造演化階段[54,56]。沙壘田凸起作為渤海海域內古近紀早期出露面積最大的盆內凸起，位于渤海灣盆地西部，平面上呈EW 走向展布，總面積約2 300 km2[5]。沙壘田凸起東側相鄰渤中凹陷，西側為歧口凹陷，南側與沙南凹陷銜接，北側同南堡凹陷相連[54,57-59]，其作為一個重要物源區發育多個匯水單元并向周緣四個凹陷差異供源且控制沉積充填過程（圖5）。沙壘田凸起基巖出露巖性組合復雜多樣，發育元古界花崗巖、混合花崗巖，古生界碳酸鹽巖與中生界火山碎屑巖等（圖5a）。

圖5 渤海海域前古近紀地質圖（a）和沙壘田凸起及其周緣凹陷邊界條件（b）Fig.5 Pre-Paleogene geological map of Bohai Bay(a) Shaleitian uplift;and (b) surrounding geological units

5.1 沙壘田凸起前古近系基巖分布及刻畫表征

基于最新的鉆井巖心、薄片、鋯石等測試資料及三維高精度地震資料，開展沙壘田凸起巖性組成、鋯石年齡、地震反射結構及古水系分布等分析，刻畫沙壘田凸起前古近系基巖組成及分布[57]，并探討古近紀早期源—匯系統配置關系（圖6）。

圖6 渤海灣盆地沙壘田凸起前古近系基巖分布（a）及南北側（b，c）搬運體系Fig.6 Pre-Paleogene bedrock distribution of (a) Shaleitian uplift;(b,c) southern and northern routing systems

應用沉降回剝分析技術恢復了沙壘田凸起區古近系古地理格局（圖6a）。其中，沙壘田凸起受中部斷裂分隔為東西兩段，凸起西段面積約720 km2，呈東南高西北低的格局；凸起東段面積約1 600 km2，呈西北高東南低的格局，且東段西北部較西段東南部高。

（1）沙壘田凸起前古近紀母巖自南向北依次發育太古界—元古界（Ar+Pt）混合花崗巖或花崗巖、下古生界（O+∈）碳酸鹽巖、中生界（Mz）火成巖與火山碎屑巖。中生界火成巖與火山碎屑巖廣泛分布于沙壘田凸起圍區，且構造位置較低（圖6a）。凸起西段奧陶系—寒武系（O+∈）分布于西段北側，由北向南逐步超覆尖滅；元古界（Pt）混合花崗巖與花崗巖分布于西段相對高地勢區。凸起東段母巖以元古界（Pt）混合花崗巖為主，廣泛分布，面積約982 km2；奧陶系—寒武系（O+∈）僅發育于凸起東段北側局部，呈NE 向展布并與古地貌單元中相對低地勢區疊合，其北部地層厚，向南側逐步尖滅，面積約197 km2。

（2）沙壘田凸起形貌特征差異化發育。其中，凸起東段為西北高東南低的溝嶺化地貌，且高勢區以NW—SE 向為軸線向兩側變緩，其南側（太古界—元古界母巖）較北側（元古代—寒武系—奧陶系混合母巖）坡降（垂向高差）大，延伸距離長；凸起西段西南側（元古界混合花崗巖或花崗巖母巖）受盆緣（邊界）斷裂控制，表現為山高坡陡，地形差異受斷裂影響明顯，北側（奧陶系—寒武系碳酸鹽巖母巖）受系列次級斷裂影響，呈山低坡緩；對比沙壘田凸起南北側搬運體系，西段北側搬運體系規模大于南側，凸起東段南側搬運體系規模大于北側（圖6b，c）。

（3）沙壘田凸起東段南、北兩側古近紀早期不同母巖區沉積響應存在差異。其中，南側元古界混合花崗巖（或花崗巖）母巖供源能力強，形成的沉積體數量多、規模大，響應于多期穩定的地震楔形前積反射（延伸長度5～10 km）；北側奧陶系—寒武系碳酸鹽巖母巖供源能力弱，形成的沉積體數量少、規模小，無明顯地震前積反射。此外，北側元古界混合花崗巖（或花崗巖）母巖對應沉積體規模較同期奧陶系—寒武系碳酸鹽巖母巖對應沉積體規模大（圖7）。

圖7 渤海灣盆地沙壘田凸起及周邊地區始新統沙河街組厚度（a）、典型過井地層格架（b）、地震相解釋剖面圖（c）、均方根屬性地層切片（d）及沉積耦合響應組合圖（e）Fig.7 (a) Thickness of Eocene Shahejie Formation from in Shaleitian uplift and the surrounding area,Bohai Bay Basin;(b) typical multiple-well cross-section showing sequence framework;(c) seismic section interpretation of facies;(d) root mean square (RMS) stratal slice;(e) sedimentary facies map

整體而言，沙壘田凸起自南向北依次發育太古界—元古界混合花崗巖、奧陶系—寒武系碳酸鹽巖與碎屑巖、中生界火山碎屑巖；其中，凸起東段以元古代混合花崗巖為主，西段以奧陶系—寒武系碳酸鹽巖為主。聯合古地貌形態，指出砂巖富集區與源匯耦合系統相對應，即基巖組成、流域單元、物源通道及邊界樣式共同控制沉積砂體組成樣式與規模。對比分析沙壘田凸起東西段、南北側各控制要素與沉積砂體間定量關系，指出凸起東段南側混合花崗巖基底、較大的流域面積與物源通道及斜坡帶對應高效大規模源—匯系統[8]。

5.2 沙壘田凸起始新世硅酸鹽巖—碳酸鹽巖母巖區源—匯差異響應

源—匯系統框架下優先解析母巖物質組成對沉積體通量的控制作用，即依托沙壘田地區始新世硅酸鹽巖—碳酸鹽巖母巖區源匯差異響應研究，可實現匯區沉積體的精準預測和刻畫，服務硅酸鹽巖—碳酸鹽巖母巖差異分布下關鍵層段沉積體表征和預測（圖7）。

在硅酸鹽巖與碳酸鹽巖母巖聯合作用下，沙壘田凸起南部與北部始新統沙三段源—匯系統呈現明顯差異（圖7）?；贐QART 模型利用河流輸沙量（Qs）和砂質通量（Qf）可定量分析古源—匯系統中泥沙供給通量與沉積體堆積通量?？紤]研究區始新世具有亞熱帶氣候特征、中緯度歐亞大陸東岸的年平均氣溫為15 ℃[60]，可將研究區BQART模型簡化為：

式中：Qs以Mt yr-1為單位，A為流域單元面積（km2），R為流域垂向高差（km）。

砂質沉積物通量可表示為：

式中：Hf為扇三角洲或辮狀河三角洲的有效厚度（km），Sf為扇三角洲或辮狀河三角洲的面積（km2），ρf為近端扇葉的體積密度（t/m3），t為始新世的持續時間（約5.5百萬年）。該時期沉積物的體積密度ρf可由密度測井曲線（DEN）計算；沉積物DEN 值介于2.206～2.841 t/m3，平均值為2.540 t/m3。進而，砂質沉積物通量（Qf，Mt yr-1）可簡化表示為：

據源—匯系統參數定量表征，不同類型母巖差異風化剝蝕導致近源沉積扇體的規模、幾何形狀和組成存在差異。在有效物源通道供給作用下，沙壘田凸起南部源—匯系統近岸Qf/Qs值普遍較高（59.78%～88.21%），而北部源—匯系統近岸Qf/Qs值普遍較低（26.89%～31.14%）。在南部源—匯系統中，大型匯水流域（A）、高匯水高差（R）和高地形坡度通常對應于大規模扇區（Sf）、大厚度（Hf）、中等砂質沉積通量（Qf）及高Qf/Qs值；反之北部源—匯系統，Qf/Qs比值相對偏低（圖7）。在地處氣候溫暖濕潤的亞熱帶湖相裂陷盆地中，硅酸鹽巖母巖對應Qf/Qs范圍常大于60%，而碳酸鹽巖母巖對應Qf/Qs范圍小于30%，混合母巖Qf/Qs值介于30%～60%。

基于渤海海域沙壘田凸起母巖性質（巖性、時代、分布及出露面積等）研究，可構建不同母巖差異通量響應模型（圖8）。母巖性質能有效制約匯水流域形態及水系組合樣式，如硅酸鹽巖母巖（變質巖或花崗巖母巖）常具地形復雜、高程變化大（坡度大）、多級水系交叉分布等特點；碳酸鹽巖母巖常表現出典型的巖溶地貌，與地下河—溶洞群伴生，水系（溪流、河流）發育特征不顯著[61]。母巖性質還可影響匯水流域的風化剝蝕速率[28]，進而影響沉積組成和沉積物通量。硅酸鹽巖母巖一般經歷物理（機械）風化作用，產出較厚的大規模碎屑物質或顆粒，近岸堆積，Qf/Qs比值較高（＞60%），直接影響源—匯系統砂質沉積物的發育和質量（圖8a，b）。與之相反，碳酸鹽巖母巖主要經歷化學風化并形成化學溶解沉積物，提供薄層小尺度孤立沉積物顆粒，并以低Qf/Qs（＜30%）值在近岸堆積（圖8a，c）。

圖8 渤海海域沙壘田凸起始新統沙河街組不同母巖源—匯系統響應模型（a），沙壘田凸起南部硅酸鹽巖母巖區（b）與北部碳酸鹽巖母巖區（c）Qf/Qs 通量響應模型Fig.8 (a) Source-to-sink model of the Shaleitian uplift in the Eocene Shahejie Formation,Bohai Bay Basin;(b,c) Qf/Qs models of southern silicate rock and northern carbonate rock in the Shaleitian uplift

5.3 沙壘田凸起始新世源—匯系統定量模型

在不同母巖沉積物收支平衡分析的基礎上，充分結合層序構型與沉積體系演化相關認識，即選取母巖成分相對單一的源—匯系統，解剖邊界條件及構造幕次對沉積體的控制作用，建立特定邊界條件約束下源—匯系統定量模型[19]。以渤海灣盆地沙壘田凸起始新世陡坡帶源—匯系統為例，基于沙河街組三段（沙三段）沉積時期古地貌特征可將母巖區劃分為四個三級流域單元并定量拾取匯水高差（R）與匯水面積（A）地貌參數，確定古溝谷與斷槽物源通道的分布及規模。進而利用BQART 模型定量計算沙三段不同層序的沉積物通量[58-59]，并應用地震沉積學方法精細刻畫、定量表征沙三段層序單元內的扇三角洲沉積發育規模與時空演化特征。

基于沙三段地震響應特征和巖石物理關系，發現沉積單元A扇體最為發育，延伸范圍大，沉積單元B扇體規模次之，沉積單元C扇體規模最小。在垂向序列上，一個完整裂陷幕內扇三角洲發育規模受控于基準面變化旋回，基準面下降階段（），扇體快速向盆地方向推進，沉積厚度和范圍較大，發育中等規模進積疊置型富砂礫扇三角洲（圖9a）；基準面快速上升階段（），扇體向陸遷移、萎縮，發育厚度較薄、小規模退積的孤立型富泥扇三角洲（圖9b）；基準面緩慢上升至下降階段（），扇體再次向盆地中心擴張、遷移，沉積范圍明顯增大，發育中等厚度、大規模進積的疊置型富砂扇三角洲（圖9c）。陡坡帶完整裂陷幕內源—匯系統各要素關系研究表明，流域單元面積與垂向匯水高差是沉積扇體發育規模的主控因素，斷裂陡坡帶發育花崗變質巖—古溝谷或斷槽與斷面組合的物源通道—近源粗粒扇三角洲—濁積扇—湖泊體系耦合的沉積模式（圖9d）。

圖9 渤海海域沙壘田凸起始新統沙河街組陡坡帶完整裂陷幕不同單元源—匯配置關系（a～c，EsL3，EsM3，EsU3）及源—匯系統定量模型（d）Fig.9 (a-c) Configurations of source-to-sink relationships in Eocene Shahejie Formation(EsL3,EsM3,EsU3);(d) quantitative source-to-sink model of Shaleitian uplift,Bohai Bay Basin

6 未來發展討論與結論

通過多學科交叉融合，圍繞源—匯系統要素及其定量耦合關系、構造—氣候—沉積協同機制、物源區重建及定量物源分析、沉積路徑和分散系統及物理與數值模擬等內容開展研究，顯著推進了沉積盆地礦產高效勘探開發。未來，應關注下列源—匯系統的主要問題和研究方向。

6.1 加強基于盆地類型和成因的源—匯系統類型和級次劃分

沉積盆地成因類型復雜多樣，不同成因沉積盆地形成了多樣化的源—匯系統要素及其組合，不同類型沉積盆地和不同級次構造活動形成的構造古地貌控制了沉積物分散路徑系統和沉積體系發育演化。應倡導基于盆地類型和成因的源—匯系統類型和級次劃分，確定源—匯系統類型是定量表征源—匯系統要素及其耦合關系的基礎?，F有研究表明，可依不同類型物源、溝谷及沉積體系類型劃分出不同類型、不同級次或不同組合的源—匯系統。如被動大陸邊緣盆地易形成河流平原—陸架三角洲—深海重力流三段式源—匯系統；陸相湖盆多發育陡坡扇三角洲—重力流近物源體系、緩坡近源及軸向的遠源三角洲—重力流二段式源—匯系統。

通過現代不同類型沉積盆地的源—匯系統要素研究（考慮盆—山關系和盆地內外供源），識別和表征源—匯系統要素及其控制因素，獲取剝蝕地貌和沉積地貌特征和源—匯系統時空演化等信息，建立源—匯系統模型以指導深時源—匯系統的綜合研究[52]。

6.2 加強深時源—匯系統綜合研究，不斷提高源—系統匯要素表征精度

深時源—匯系統研究可知，經歷了長時間地質風化、搬運和沉積作用，源—匯系統要素的邊界不是原生界限，剝蝕地貌和沉積地貌均發生了不同程度的變化，地質信號發生了疊加改變。在盆地尺度上，利用多種資料（常常鉆井資料較少）恢復原始地貌和限定深時源—匯系統還面臨著挑戰[62]，需要恢復深時匯水區規模、母巖巖性、地貌高差、搬運路徑和氣候演化，確定匯區盆地結構、構造沉降、沉積類型和體積等。顯然，精確的高分辨率地層測年是解決上述問題的有效途徑之一。此外，應加強多種測年方法交叉驗證，保證地層測年的準確性與一致性，這對明確盆地沉積供給及物源區構造演化具有重要意義。

6.3 加強源—匯系統參數定量研究，建立具有預測功能的源—匯系統要素耦合模型

基于不同規模河流沉積通量收支平衡及其制約因素等定量研究，建立源—匯系統不同要素的定量響應關系，使源—匯系統研究具有更強的預測性和實用性。

沉積物源的性質與物源區的母巖組成、構造作用及氣候條件密切相關。沉積物路徑系統通過沉積物轉換或分散或暫時存儲將沉積物源與沉積體系有機聯系起來，定量估算沉積物輸入、沉積物在不同位置的配分以及潛在沉積物輸出往往與區域構造、氣候、相對海平面升降和自旋回作用或盆地構造活動密切相關。根據構造和氣候條件變化產生的環境信號可有效測定母巖風化產物、搬運和沉積總量[11]。

造山構造作用和氣候變化會造成地表大區域變形和地貌形態變化，是導致沉積物風化、崩塌、剝落并在地表流動的驅動力。盡管揭示塑造山地地貌的構造作用和氣候變量是一項富有挑戰性的工作，但是基于地貌恢復的高精度估算源匯要素的BQART模型是解釋深時路徑系統侵蝕厚度、源區物質剝蝕、不同物源相對貢獻、確定沉積物匯聚和質量平衡等參數的有效方法之一[62]。此外，建立基于源—匯系統的定量地層模型也是研究深時源—匯系統要素響應關系的重要發展方向之一。

6.4 不斷實現多學科與多方法交叉融合，準確重塑現代和深時源—匯系統

源—匯系統研究過程是極其復雜的，涉及層序地層學、構造地質學、沉積地質學、地球化學、地球物理學等。研究方法也逐漸從反演到正演、由靜態至動態、從定性向定量方向發展。依賴于高分辨率三維地震數據的地震沉積學為研究深時源—匯系統不同要素提供了有效手段。通過地質年代法、將今論古法等方法準確地計算物源區剝蝕量，運用三維地震資料精確地恢復地質時期古地貌，測量古地貌參數，建立源—匯系統各要素的定量耦合模型，結合測井、地震屬性與反演技術表征砂體三維空間分布，預測富含沉積礦產資源的沉積物體積、分布和質量[38,62]。加強相關學科和方法之間的聯系與驗證，提高源—匯系統重塑的準確性是有效預測規模砂體和有利儲層的保證。

6.5 深入研究盆山耦合作用，建立具有中國區域地質特色的源—匯系統模型

西太平洋邊緣海發育全球最為典型的大規模三段式源—匯系統，也是全球物質交換最為活躍的邊緣海系統，是研究源匯要素及其變遷的理想場所。我國南海海域還發育陸架邊緣到深海盆地的深時三段式源—匯系統、中東部發育中新生代陸相盆地近物源二段式源—匯系統，也是開展盆山耦合作用、沉積物路徑系統的理想場所。因此，多學科、多方法聯合開展現代源—匯系統考察與深時源—匯系統對比研究，關注不同沉積盆地、不同母巖區源—匯系統差異性、耦合關系和定量化研究，開展源—匯系統定量化約束下的沉積過程模擬，構建系列砂體預測和指導沉積礦產勘探開發的、具有中國區域地質特點的源—匯系統模型是未來發展方向[7,63]。

致謝 渤海灣盆地沙壘田地區源—匯系統研究得到了中海油天津分公司科研項目的支持和幫助指導，在此深表謝意！