沉積過路現象的地震識別特征及控制因素探討

尚文亮 ，徐少華，蔡默侖，高紅燦，李小剛，陳 岑，蔡長娥，秦 磊

（1.復雜油氣田勘探開發重慶市重點實驗室，重慶 401331；2.重慶科技學院石油與天然氣工程學院，重慶 401331；3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司地質勘探開發研究院，成都 610051）

0 引言

沉積過路（Sediment bypass）的概念同基準面（Base level）相伴提出，且經歷了多次發展［1-2］。Cross［3］創立了陸相高分辨率層序地層學，認為基準面是一勢能面，沉積過路發生在基準面與地表面相交的地方，其代表沉積物路過但無侵蝕與沉積發生［4］。

對沉積過路現象的研究不僅是全球“源—匯（Source to Sink）”計劃中的重要環節，還將有助于進一步理解沉積物運輸過程及盆地充填機制，并幫助學者判斷海平面及可容納空間的變化歷史［5］。截至目前，關于沉積過路的探討大多是在分析層序結構的過程中，根據陸架之上或陸坡水道內的無沉積現象作一種推薦性解釋，對沉積過路的識別和主控因素的研究較少［6-8］。Stevenson 等［9］首次對深水沉積過路現象作了系統研究，并建立了沉積過路在露頭觀測尺度的識別標志，主要通過尋找沉積過路過程中產生的侵蝕溝槽或薄層沉積體加以判斷。目前，對于從地震尺度上識別沉積過路仍鮮有提及。關于沉積過路形成的原因，Stevenson 等［9］強調了坡度的控制意義。通常認為坡度是控制流體侵蝕、沉積能力以及沉積體結構等的前提［10-11］。此外，Rouse［12］，Leeder［13］及Pantin 等［14］也從數值擬合的角度出發尋找沉積過路發生的流體及坡度條件，結果表明沉積物粒度、濃度、流體流量及坡度均是確保沉積物保持均衡狀態的核心因素，即既無侵蝕也無沉積［11，15］。盡管如此，現今國內一些學者發現在某些具有低坡度的陸架環境中也有沉積過路現象存在，例如在強制海退體系域（FSST）時期，海平面下降至陸架坡折之下，沉積物在陸架之上無法停留并向陸坡輸送［16-19］。沉積過路到底受坡度、沉積物粒度、濃度等因素控制還是受可容納空間變化的控制還有待進一步研究。基于此問題，筆者對國內外所發現的沉積過路現象進行系統的分析，揭示沉積過路在地震上的表現，并對不同案例進行對比分析，以期探明沉積過路的主控因素。研究結果有助于完善沉積過路在不同尺度下的識別標志，增強對沉積物分帶分布的理解與認識，進而為油氣藏勘探開發提供理論指導［20-21］。

1 沉積過路的概念

高分辨率層序地層學認為，基準面總是向其幅度最大值或最小值單向移動，構成一個完整的上升旋回或下降旋回。基準面旋回變化通過調節可容納空間（A）的大小，進一步影響沉積物行為以及相應的地層結構［3，22-25］。當基準面上升至地表之上時，A值大于0，以沉積作用為主；當基準面與地表重合時，A 值等于0，沉積物以過路為主；當基準面下降至地表之下時，A 小于0，沉積物以侵蝕為主（圖1）［26-27］。基準面實際上為一勢能面，其通過調控沉積物的行為，如沉降、侵蝕等來達到勢能的平衡；其中沉積過路即是勢能平衡時沉積物的一種表現，其代表沉積物侵蝕與沉積能力達到平衡，沉積物僅僅路過、不留痕跡。

圖1 中過路區域Ⅰ代表陸相沖積環境，過路區域Ⅱ代表陸架—陸坡環境。受海平面升降及構造活動的影響，過路區域Ⅱ相比過路區域Ⅰ可容納空間變化更為頻繁，地形地貌更為復雜，一方面是沉積物運移與堆積的場所，另一方面也是重力流對沉積物進行二次搬運的重點區域，諸多的沉積過路現象在過路區域Ⅱ中被發現［28-29］。因此，筆者主要聚焦于Cross［3］理論模型中的過路區域Ⅱ，對陸架—陸坡環境中的沉積過路現象進行探討。

圖1 基準面、可容納空間和反映可容納空間與沉積物之間平衡的地貌狀態（據文獻［23］修改）①和⑤：A>0；②和④：A=0；③：A<0Fig.1 Base level，accommodation space and the balance between accommodation space and deposits

2 沉積過路的地震識別特征

露頭上識別沉積過路的方法主要是尋找特殊的過路標志，如重力流過路過程中的異粒重力尾沉積、底部滯留粗碎屑、侵蝕痕跡或遺跡化石等［30-34］。沉積過路意味著無沉積也無侵蝕，由此形成的沉積過路帶常缺少某幾段沉積地層。因此，測井上識別沉積過路的方法是通過地層對比確定所缺失的地層，從而識別沉積過路，但是當沉積物對下伏地層強烈侵蝕而造成下伏地層缺失時，測井上便難以將其與沉積過路相區分［35］。沉積過路所持續的時間及覆蓋范圍決定了沉積過路帶的規模大小，露頭或測井上識別出的沉積過路帶多以中小規模為主，從地震上可以識別較大規模的沉積過路帶。

2.1 沉積過路的地震識別實例

2.1.1 巴西近海沉積過路實例

圖2 為巴西近海一地震剖面，該剖面記錄了陸架邊緣—陸坡沉積物的滑塌、運移與沉積過程。其中①和②界面、③和④界面之間為正常的地層疊置，（2b）為沉積物滑塌及運移對下伏地層造成的侵蝕痕跡，（2d）與（3b）之間為塊體搬運復合體沉積（MTCs，即Mass-transport complexes）。在整個剖面中存在2 個明顯的無沉積帶（2a）與（2c），二者在地震上無明顯的侵蝕與沉積現象，表現為頂底地層的地震同相軸合并。

圖2 巴西近海沉積過路現象在地震上的表現（據文獻［9］修改）（a）地震剖面；（b）（2c）對應的紅色線框等比例放大圖；（c）沉積過路模式圖。X，Y，Z 區域分別對應（3a）與（2b），（2c），（2d）及（3b）間的地層Fig.2 Seismic performance of sediment bypass in offshore Brazil

由于MTCs 隨著搬運距離增加，其濃度會逐漸降低，并轉化為侵蝕能力較低的重力流，最終發生卸載。在整個過程中，沉積物經歷了2 次地形坡度的變化，其中，X 區域中地形平均坡度為2.3°，MTCs在該處向低侵蝕重力流轉化。進入Y 區域，由于地形坡度的增加，重力流的流速隨即增加，沉積物發生過路。當重力流進入Z 區域中，地形坡度陡降，重力流能量降低并發生卸載。由于MTCs 在X 區域強烈下切從而為后期沉積物提供了可容納空間，在該空間的后期充填中，陸架之上可容納空間幾乎為0，沉積物在此以過路為主形成（2 a），并在X 區域沉積形成了（2 b）與（3 a）間的正常疊置地層，而后沉積物運移至Y 區域，由于地形坡度大，沉積物再次過路并在Z 區域沉積［36-37］。

2.1.2 珠江陸架及深水沉積過路實例

圖3 展示了478 ka 以來我國珠江陸架邊緣與深水地層結構。該時期海平面波動具有高頻短時的特點，加之沉積物供應充足，致使岸線逐漸向海移動并靠近陸架邊緣［36］。與此同時，斜坡水道切入三角洲前緣與三角洲直接相連，確保了沉積物能夠直接向深水輸送。圖3（a）顯示，發育于最頂部的陸架邊緣三角洲主體位于斜坡之上，而向陸一側缺少與三角洲主體相等時的地層，表明該時期河流在陸架之上以過路為主，無沉積。圖3（b）可見微盆地Ⅰ在上陸坡缺少與其等時的地層，反映該時期沉積物在上陸坡以過路為主。微盆地Ⅱ在溢出點之下的斜坡上缺少與其等時的地層，反映該處沉積物以過路為主。從地震剖面上可以看到沉積過路帶均表現為頂底地層的地震反射同相軸合并。

陸架之上的過路帶主要是由于海平面快速下降致使陸架遭受暴露，沉積物無堆積空間而由河流攜帶過路。陸坡上的2 個沉積過路帶①和②，①坡度約5.0°，②坡度約5.1°。沉積過路帶①和②的分布受微盆地Ⅰ與微盆地Ⅱ的充填過程控制。其中，微盆地Ⅰ的最大充填量受溢出點限制，在充填高度未達到溢出點之前，陸坡之上沉積物一直處于過路狀態［圖3（b）中①］。當超出溢出點時，沉積物繼而充填微盆地Ⅱ，此時微盆地Ⅱ上傾斜坡同樣處于過路狀態［圖3（b）中②］。

圖3 珠江陸架邊緣及深水系統地層結構地震剖面圖（據文獻［36］修改）（a）珠江陸架邊緣及深水系統地層結構；（b）圖（a）中藍色線框放大圖，珠江深水系統沉積過路模式圖Fig.3 Seismic profile of stratigraphic structure of the Pearl River shelf and deep water system

2.1.3 珠江口盆地深水沉積過路實例

圖4 為珠江口盆地沿陸架向深海的某地震剖面。劉漢堯等［37］前人對珠江口盆地第四紀層序地層的研究結果表明，該時期海平面主體呈下降趨勢，大規模的重力流沿深水水道向深海輸送。圖4顯示，在重力流向深海輸送的過程中上陸坡區域幾乎無沉積，說明該時期水道內部沉積物均處于均衡狀態，沉積物主體過路。沉積物在上陸坡坡度約1.17°之處過路，過路距離達10 km，在坡腳處坡度約0.42°之處卸載，過路帶上缺少與卸載區對應的地層，表現為頂底地層的地震同相軸合并。

圖4 珠江口盆地沉積過路現象在某地震剖面上的表現（據文獻［37］修改）Fig.4 Seismic performance of sediment bypass in Pearl River Mouth Basin

2.1.4 東非魯武馬盆地沉積過路實例

東非魯武馬盆地（Rovuma Basin）具備“窄陸架、陡陸坡”的地貌特征（圖5），在早漸新世，沉積物重力流運輸至海底形成了面積達300 km2的大型朵體復合體［28］。由圖5（b）可見，朵體復合體砂巖在其上端地形突變之處尖滅，并過渡為泥巖沉積。說明重力流在運輸過程中，在朵體復合體之上的區域以過路為主，從而缺失了相應的重力流沉積。沉積過路帶地形坡度達1.6°，朵體復合體沉積區域地形坡度約0.3°，過路帶在地震剖面上表現為地震反射同相軸的合并［圖5（a）］。

圖5 魯武馬盆地沉積過路現象在地震上的表現（據文獻［28］修改）Fig.5 Seismic performance of sediment bypass in Rovuma Basin

2.2 地震剖面識別沉積過路的多解性

通過地震剖面觀察頂底地層地震反射軸特征可用以識別沉積過路。但是，當測線經過隆起、底辟等構造高點，或者是測線位置剛好切入“沉積饑餓段”的時候，地震剖面上也可以出現同相軸合并的情況。此時若將地震同相軸合并的部分籠統的歸為沉積過路帶顯然是錯誤的。如圖6 所示，尼日爾三角洲深水區發育一中部隆起帶，該隆起帶在地震剖面上表現為地層頂底地層地震反射同相軸合并。事實上，沉積物在該處并非過路狀態，相反，由于隆起帶地形相對較高，沉積物運移至該處受到阻擋常表現出強烈的侵蝕特征。此外，當測線位于“沉積饑餓段”時，因缺少物源供給導致地層厚度較薄，此時在地震剖面上同樣可以觀察到頂底地層地震反射同相軸合并的現象，但其卻不代表沉積過路。因此，“地震反射同相軸合并”是在地震剖面上識別沉積過路的唯一但不絕對標志。古隆起側緣常有地層上超接觸現象，可以作為區分古隆起與沉積過路的標志。沉積過路帶通常與沉積物卸載區相伴產生，可作為區別沉積過路與“沉積饑餓段”的標志。

圖6 尼日爾三角洲深水區更新世陸坡地形（a）及過陸坡典型地震剖面（b）（據文獻［38］修改）Fig.6 Topography of Pleistocene continental slopes（a）and typical seismic profiles across continental slopes（b）in deep waters of Niger Delta

3 討論

3.1 陸坡類型及可容納空間對沉積過路的控制

3.1.1 陸坡類型與沉積過路的關系

陸坡根據其地貌形態可分為均衡陸坡和非均衡陸坡，均衡陸坡總體具平滑的上凹形態，陸坡地形平緩，坡度漸變且向海坡度逐漸減小，內部可容納空間分布均勻；非均衡陸坡相比均衡陸坡地形復雜，陸坡坡度更陡且變化無序，內部可容納空間分布不均勻［39-41］。對國內外部分沉積過路現象進行統計匯總，發現大多數案例具有非均衡陸坡的特征（表1）。

陸坡調整模式強調構造運動常會使陸坡非均衡性增強，同時陸坡會通過控制沉積物的侵蝕、過路及沉積等行為使其再次趨于均衡［42-45］。非均衡陸坡向均衡陸坡的演化實際上是一個“填平補齊”的過程，在這個過程中沉積過路的作用明顯且發生頻率很高，一旦陸坡演化為均衡陸坡便進入穩定的填充狀態，沉積過路發生的頻率便相應降低。

表1 各案例沉積過路特征對比信息Table 1 Comparative information of sediment bypass characteristics in each case

3.1.2 可容納空間對沉積過路的控制

非均衡陸坡內部可容納空間分布不均勻，大多數非均衡陸坡都發育著池狀可容納空間（Pondedbasin Accommodation Space）、愈合陸坡可容納空間（Healed-slope Accommodation Space）及陸坡可容納空間（Slope Accommodation Space）等3 種類型（圖7）。池狀可容納空間為發育在陸坡上的三維封閉的地形低點，通常是由于鹽巖、頁巖的退出或構造與重力誘導下沉積物滑塌而形成；愈合陸坡可容納空間為階梯狀均衡面之上與向海、陸逐漸變小的楔形均衡面之間的空間；陸坡可容納空間是位于愈合陸坡可容納空間頂部與陸坡最高穩定坡度角之間的空間［39，44，46］。

圖7 非均衡陸坡內不同類型可容納空間的分布情況（據文獻［47］修改）Fig.7 Distribution of different types of accommodation spaces in above-grade slope

沉積過路可以發生在非均衡陸坡內的不同位置，包括上陸坡、中陸坡與下陸坡，而控制沉積過路發生位置變化的主要因素是可容納空間變化（參見表1）。非均衡陸坡的演化主要分4 個階段，分別為池狀可容納空間充填階段、愈合陸坡可容納空間充填階段、陸坡可容納空間充填階段和重力滑塌階段，不同類型的可容納空間充填階段為沉積過路提供潛在過路區（圖8）。

（1）池狀可容納空間充填階段。池狀盆地的最大溢出點控制沉積物在該可容納空間的最大充填量，當沉積物量有限時，沉積物只能充填在第一個池狀盆地溢出點所控制的空間內部，沉積物在其上傾方向過路。當沉積物量足夠時，沉積物在先前的盆地頂部及下一個池狀盆地上傾斜坡過路，并在下一個溢出點所限制的空間內沉積。

圖8 非均衡陸坡的演化與沉積過路的關系（據文獻［46］修改）①②為池狀可容納空間充填階段；③④為愈合陸坡可容納空間充填階段；⑤⑥為陸坡可容納空間充填；⑦⑧為重力滑塌階段Fig.8 Relationship between evolution of above-grade slope and sediment bypass

（2）愈合陸坡可容納空間充填階段。愈合陸坡可容納空間的充填過程受到楔狀均衡面的調節。楔狀均衡面位于海底之上的區域，沉積物以沉積為主；楔狀均衡面位于海底之下的區域，沉積物表現出侵蝕特征；楔狀均衡面與海底相交的區域，沉積物以過路為主。

（3）陸坡可容納空間充填階段（案例1）：愈合陸坡可容納空間充填完成后，陸坡坡度趨于穩定漸變狀態，并隨著沉積物的持續補給，陸坡厚度也逐漸增加。在該過程中，海平面的波動影響著陸架之上的沉積過路。若海平面下降至陸架之下至使陸架處于暴露狀態，則陸架成為潛在過路帶。

（4）陸坡滑塌階段。隨著陸坡可容納空間的充填，陸坡趨于均衡并隨著沉積物陸續供給，其坡度也逐漸增大，當陸坡坡度超過其最大穩定坡度角時，沉積物易受重力、構造運動等因素的影響而發生滑塌并形成新的池狀盆地，滑塌后的沉積物在運移過程中會在下陸坡的斜坡之上過路。

3.2 粒度、濃度、流體流量及坡度對沉積過路的控制

3.2.1 粒度、濃度及流體流量與沉積過路的關系

Stevenson 等［35］提到，深水環境下沉積物過路需要流體整體處于均衡狀態，并能夠保持其內部全部泥沙負荷處于懸浮態，同時流體強度不足以夾帶周緣其他泥沙。Rouse［12］，Leeder［13］，Paker［14］及Pantin等［15］通過數值模擬的方式擬合出了使沉積物保持懸浮的理論模型。盡管不同學者提出的模型具有差異性，但沉積物粒度、濃度、流體流量對顆粒懸浮均具有較大影響（表2）。

表2 流體性質與沉積過路間的數值關系（據文獻［9］修改）Table 2 Numerical model of the relationship between fluid properties and sediment bypass

深水重力流類型多樣，不同類型重力流的流動機制也各不相同。對于以湍流（紊流）支撐的濁流而言，其體積濃度通常為1%～25%，在該濃度區間內，流體流量與顆粒粒度是控制沉積過路的主要因素［48］。流體流量越大，濁流的負載能力越強，越有利于顆粒懸浮使其過路。顆粒越細，越容易達到懸浮態，也越容易發生過路。隨著沉積物濃度的增加，湍流受到抑制并逐漸轉化為以基質強度支撐的碎屑流（體積濃度一般為25%～95%）。碎屑流具有塊體流動的運動特征，控制其過路的主要因素是濃度。對于具有高泥質含量的泥質碎屑流（體積濃度50%～90%）而言，滑水效應及基底剪切潤滑作用有利于碎屑流克服流體下部與基底剪切摩擦拖拽作用，從而確保流體保持過路狀態。對于具有高砂質含量的砂質碎屑巖而言（濃度體積25%～95%），黏土-水基質體積濃度低至5%也足以潤滑顆粒，減弱相互摩擦，促使流體過路［49］。所以，砂質碎屑流和泥質碎屑流都具有發生過路的條件，只是促使二者發生過路的機制不同。

此外，沉積物的粒度、流體流量及濃度還受海平面、氣候變化、物源供給強度及構造運動的影響。一般來講，下降的海平面及充足的物源供給常導致重力流流量和濃度加大，頻繁的構造運動促使地貌不均衡化增強，這二者在一定程度上增加了沉積過路發生的概率。

3.2.2 坡度對沉積過路的控制

對各案例的分析結果表明（參見表1），案例2和5 中，最大坡度5.10°與最小坡度0.06°均能使沉積物保持過路狀態，表明絕對坡度并非是影響沉積過路的主要原因。相反，在案例5 中，當坡度由0.02°過渡到0.06°時，沉積物由沉積轉變為過路，雖然其絕對坡度差只有0.04°，但相對坡度比卻達到了3。說明相對坡度比在啟動沉積過路上的作用比絕對坡度或絕對坡度差更為重要。此外，過路狀態下不同的沉積物濃度、粒度與流體流量往往對應著不同的臨界相對坡度比，而當這4 者中的某一項發生改變時，過路狀態即會發生改變而導致侵蝕或沉積的發生，因此沉積過路作用啟動的“臨界坡度比”是以不同的沉積物濃度、粒度與流體流量為前提的。

Pohl 等［50］所做的關于沉積過路終止點位置的實驗如圖9 所示。首先確保上陸坡沉積物處于過路狀態，固定下陸坡坡度為1°，依次增大上陸坡坡度，坡度差隨之增大。可以發現隨著上陸坡、下陸坡坡度差增大，沉積過路終止點逐漸向遠離裝置箱的方向移動。實驗結果表明，絕對坡度差的作用主要是決定沉積過路持續的距離，坡度差越大，過路持續的距離越長，坡度差越小，過路持續的距離越短。

圖9 沉積過路所持續距離與上下陸坡絕對坡度差的關系（據文獻［50］修改）Fig.9 Relationship ofthecontinuousdistanceofsediment bypasswith theabsoluteslopedifferencebetweenS上.上陸坡坡度；S下.下陸坡坡度；S差.上下陸坡坡度差。圖中流體由右向左流動，表明坡度差越大，過路距離越長the upper and lower slopes

4 結論

（1）沉積過路代表著沉積間斷，沉積過路持續的時間、距離決定了由此形成的沉積過路帶的規模及范圍大小。在地震尺度上識別大規模沉積過路帶應以等時地層對比為原則進行，相應的過路帶在地震上常表現為頂底地層的地震反射同相軸合并。

（2）沉積過路多發生在非均衡陸坡上，在非均衡陸坡均衡化的過程中意義重大。大多數非均衡陸坡內存在3 種類型可容納空間：池狀可容納空間、愈合陸坡可容納空間及陸坡可容納空間，非均衡陸坡演化過程中，不同可容納空間充填階段為沉積過路提供潛在過路區。

（3）沉積物粒度、濃度、流體流量及坡度決定了沉積物能否在潛在過路區實現過路。對濁流而言，粒度與流體流量是影響其過路的主要因素，粒度越小、流量越大，越易發生過路，反之越難。對于碎屑流而言，由砂、泥質濃度差異為依據分為泥質碎屑流與砂質碎屑流。其中，泥質碎屑流發生過路主要依賴滑水效應及基底剪切潤滑作用，砂質碎屑流發生過路主要依靠黏土-水基質對顆粒的潤滑作用。

（4）絕對地形坡度對沉積過路的發生與否不起決定作用，相對坡度比和絕對坡度差才是控制沉積過路發生的關鍵。相對坡度比是沉積過路啟動的重要條件，但不同的濃度、粒度與流體流量的沉積物發生沉積過路的臨界相對坡度比又不相同。另外，絕對坡度差越大，沉積過路的距離越長；絕對坡度差越小，沉積過路的距離越短。

致謝：重慶科技學院劉家愷、楊麗玉、陳鴻、盧科良等在文獻收集方面做出了很大貢獻，在此一并表示感謝！