南海北部陸坡深水塊體搬運(yùn)過(guò)程與演化

南海北部陸坡深水塊體搬運(yùn)過(guò)程與演化

0深水油氣勘探前景展望陸源碎屑物質(zhì)在全球的“源轉(zhuǎn)移”研究中發(fā)揮著重要作用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)油氣資源的需求急劇增加,但現(xiàn)有條件下的油氣產(chǎn)量仍不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求,因此人們把目光投向深水區(qū)及新能源,如深水油氣和天然氣水合物。中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司及中國(guó)海洋石油總公司等大型企業(yè)紛紛確定了深水油氣勘探戰(zhàn)略選區(qū)。20世紀(jì)80年代后期,人們發(fā)現(xiàn)富含泥巖的陸坡沉積體系的下端發(fā)育大量的砂巖,逐漸意識(shí)到水道作為通向盆底的砂體通道的重要性。同樣,深水油氣勘探面臨著巨大的挑戰(zhàn),對(duì)現(xiàn)代發(fā)生的重力流沉積搬運(yùn)過(guò)程等缺乏足夠的重視,這種沉積作用包括滑動(dòng)(slide)、滑塌(slump)和碎屑流(debrisflow)等重力流作用過(guò)程。一般來(lái)說(shuō),單一滑動(dòng)可以沿著十分平緩的斜坡角(0.5°～3°)將沉積物運(yùn)移至數(shù)百千米,并可以持續(xù)1h到數(shù)天不等,它能將沉積物運(yùn)移至數(shù)百千米。這種沉積過(guò)程不僅嚴(yán)重危害深水油氣開發(fā)平臺(tái)、油氣管線、海底電纜等設(shè)施,而且存在許多懸而未解的科學(xué)問(wèn)題。1沉積物沉積作用本文使用的“深水沉積體系(deepwaterdepositionalsystem)”這一術(shù)語(yǔ)是指沉積于深水中的陸源碎屑沉積物,也就是陸架坡折帶到盆地底部的重力流沉積物(gravityflowsediment)。它包括滑動(dòng)、滑塌、液化流、碎屑流、濁流(turbidflow)等沉積作用過(guò)程,但其中最重要的兩種沉積作用過(guò)程就是濁流和碎屑流沉積作用。因此,深水沉積體系也相應(yīng)地發(fā)育了兩種重要的深水沉積類型:即水道沉積體系和塊體搬運(yùn)沉積體系[10,11,12,13,14,15,16]。1.1深水分布及沉積特征深水水道沉積體系廣泛發(fā)育在陸坡、陸隆和深海平原等地。本文中所講的“水道”是指由水流作用產(chǎn)生的細(xì)長(zhǎng)負(fù)地形,或由濁流作用形成的沉積物搬運(yùn)的長(zhǎng)期水流通道。濁流沉積體系內(nèi)水道的形態(tài)和位置受控于沉積作用,亦或是沉積作用和侵蝕作用二者的共同作用。由于研究尺度所限,當(dāng)論及到地震剖面上或是露頭資料中與水道類似的特征時(shí),這一術(shù)語(yǔ)有時(shí)會(huì)引起爭(zhēng)議。深水水道沉積體系具有以下特征:1)深水沉積水道作為粗粒沉積物的通道,連結(jié)外陸架、陸坡和深水盆地。2)在平面圖上,水道形態(tài)從直流到高曲流變化不一。流體的坡降、體積、粒度和頻率都影響水道的形態(tài)和發(fā)育狀況。沉積環(huán)境過(guò)渡帶向席狀砂下傾,貫穿于水道—朵葉體過(guò)渡帶區(qū)域。3)水道具有較小的寬厚比,其長(zhǎng)度與寬度相差很大。水道類型從侵蝕型到侵蝕—加積型,再到完全加積型(水道—天然堤),各不相同。4)在地震反射資料上,水道充填表現(xiàn)為不同的幾何形態(tài),包括:疊瓦狀(橫向遷移組合)、加積充填偏移型和完全加積充填型。5)水道充填沉積的巖相和粒度分布也極其不同,產(chǎn)生許多阻礙壓力傳遞和流體連通性的障礙和隔板。深水水道沉積體系主要包括四種沉積類型:(1)水道沉積,受侵蝕或沉積作用共同作用的粗粒沉積物;(2)漫溢沉積,指鄰近水道、橫向分布范圍較廣的細(xì)粒沉積物,通常包括天然堤上部細(xì)粒沉積或天然堤外緣平坦地形的細(xì)粒沉積物;(3)朵葉體或席狀砂,由多個(gè)缺失頂?shù)椎腂ouma序列堆積組合而成,呈板狀,具有高的砂泥比,進(jìn)一步可分為復(fù)合席狀砂和層狀復(fù)合砂;(4)遠(yuǎn)端的薄層沉積包括天然堤、水道間沉積或扇端沉積,由極細(xì)砂巖或粉砂巖組成,包含大量波紋層理、包卷層理、小型生物擾動(dòng)構(gòu)造及遞變層理。深水水道充填沉積物性質(zhì)變化很大,主要依賴于相對(duì)海平面變化和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等,沉積物類型可為礫巖、砂巖、粉砂巖和泥巖以及它們的混合充填。一般來(lái)說(shuō),深水水道具有兩種成因機(jī)制:重力流和底流,且以重力流作用(主要是濁流和碎屑流)為主。水道充填沉積可由多種重力流沉積物組成,如濁流、碎屑流和海底滑坡塊體等。通常水道充填為粒度向上減小的正粒序沉積,這與深水水道類型自下而上從多支流型水道到小型具有堤壩的水道沉積體系相一致。在不同的水道沉積體系中,水道充填沉積的厚度各不相同。從扇根到扇端水道充填厚度減小。單層水道充填可能只有幾米厚,而復(fù)合水道充填厚度可達(dá)幾百米以上。水道充填厚度主要受控于水道活動(dòng)時(shí)間、流經(jīng)水道的水流體積,以及與水道是否決口還是保持主要的加積作用有關(guān)。單個(gè)水道形成可分為侵蝕期、充填期、溢出期和泥巖充填期,而復(fù)合水道的形成則為上個(gè)過(guò)程多次重復(fù)。一般來(lái)說(shuō),水道扇根的寬深比明顯較低(30∶1到80∶1)、砂泥比較高(75%～90%)、具有較好的縱向連通性但橫向連通性相對(duì)較差;扇中侵蝕接觸帶很少、水道充填地層的寬深比較高、砂泥比下降到65%～80%、橫向上連通性增加而縱向連通性相對(duì)較差。在一個(gè)沉積層序內(nèi),水道體系的垂向變化明顯,從區(qū)域性的大型侵蝕水道到底部侵蝕—加積型支流水道,到頂部具有堤壩的小型加積水道,主要發(fā)育底部為砂巖、頂部為泥巖的正粒序沉積。水道軸部沉積的砂泥比為50%～70%,而邊緣堤壩主要由泥巖組成。通常,人們可預(yù)測(cè)從水道軸部(高砂泥比,高振幅反射)到水道邊緣(低砂泥比,低振幅反射)砂泥比的變化。綜上所述,如果數(shù)據(jù)體表現(xiàn)為各井的測(cè)井特征不相同且短距離內(nèi)砂泥比變化很大,則可推測(cè)該沉積結(jié)構(gòu)單元很可能是水道充填。1.2塊體運(yùn)算沉積體系塊體搬運(yùn)沉積體系(Masstransportdeposits,簡(jiǎn)稱MTDs)是發(fā)生在外陸架/大陸坡的一種沉積物搬運(yùn)機(jī)制,包括滑動(dòng)、滑塌和碎屑流等重力流作用過(guò)程。塊體搬運(yùn)體系作為大陸邊緣沉積物擴(kuò)散系統(tǒng)的重要組成部分,在世界范圍內(nèi)廣泛存在,是深水沉積體系的重要研究?jī)?nèi)容。許多沉積學(xué)家從沉積學(xué)的角度研究深水塊體沉積物,提出了塊體搬運(yùn)體系的概念。Weimer最初使用“塊體搬運(yùn)復(fù)合體”(Masstransportcomplexes,簡(jiǎn)稱MTCs)來(lái)描述這種深水沉積物搬運(yùn)機(jī)制,指出該沉積體系是位于沉積層序下部的底部發(fā)生侵蝕、被水道和天然堤上覆的一種沉積地層單元。Moscardelli進(jìn)一步將重力流分為兩大類型:塊體搬運(yùn)體系和濁流,并明確指出塊體搬運(yùn)體系包括滑動(dòng)、滑塌和碎屑流,并對(duì)各種類型重力流的形成機(jī)制、沉積物構(gòu)造和地球物理特征進(jìn)行了分析。隨著研究的深入,塊體搬運(yùn)沉積體系漸漸成為一個(gè)通用的術(shù)語(yǔ),用來(lái)描述各種類型的塊體搬運(yùn)。作者認(rèn)為,“塊體搬運(yùn)沉積體系”和“塊體搬運(yùn)復(fù)合體”是在不同時(shí)間、從不同角度研究同一深水沉積現(xiàn)象時(shí),提出的不同術(shù)語(yǔ),具有相同內(nèi)涵。同樣,目前海洋災(zāi)害研究熱點(diǎn)之一的滑坡也屬于塊體搬運(yùn)體系,滑坡是現(xiàn)今海底已形成或正在形成的塊體搬運(yùn)體系。在過(guò)去的10年里,大量三維地震解釋數(shù)據(jù)表明:沿著絕大多數(shù)的深水區(qū)邊界,塊體沉積物廣泛發(fā)育,且某些盆地第四紀(jì)晚期的沉積層序大半由塊體沉積物組成。研究中采用塊體搬運(yùn)體系這一概念,并通過(guò)研究區(qū)內(nèi)的三維地震資料分析這一深水沉積作用。2深水水系統(tǒng)的研究南海北部陸坡不同時(shí)代的深水水道沉積體系不斷被揭示。其中,中新世古珠江深水水道沉積體系的研究最為詳細(xì),并且具有重大的油氣發(fā)現(xiàn)。上新世和第四系地層中的深水水道沉積體系的研究也取得了很大進(jìn)展(圖1)。2.1深水水岸帶中國(guó)海洋石油總公司已經(jīng)對(duì)中新世古珠江深水水道沉積體系進(jìn)行了細(xì)致地研究。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的層序地層序?qū)W研究,在23.8～10.5Ma的地層中,共劃分7個(gè)三級(jí)層序。在白云凹陷識(shí)別出各層序的低位體系域海底扇,即中新世深水水道沉積體系(圖1)。該水道沉積體系上傾方向發(fā)育峽谷水道,具有強(qiáng)烈下切的特征,主要分布在凹陷的北緣和西部斷裂帶,兩處峽谷水道的侵蝕特征和峽谷充填沉積方式具有明顯的差異性:北緣發(fā)育的水道具有強(qiáng)烈的削截深切(可達(dá)100～200m)、側(cè)向遷移、垂向疊加以及從“V”型谷向“U”型谷變化的特點(diǎn);西部的水道則表現(xiàn)為侵蝕強(qiáng)度不大、峽谷發(fā)育寬緩、分布面積廣的特點(diǎn)。水道沉積體系的下傾方向發(fā)育斜坡扇和盆底扇,在地震剖面上表現(xiàn)為低位體系域沉積時(shí)期發(fā)育在陸坡部位的上凸和下凹的丘狀沉積體,呈中—弱振幅雙向下超于層序界面之上,而且在其上部可見(jiàn)輕微的削截現(xiàn)象,分布面積可達(dá)1000km2。在峽谷水道發(fā)育帶和其相連的陸架坡折帶發(fā)育了具有前積結(jié)構(gòu)的低位楔狀體沉積、下超在斜坡扇和盆地扇之上,向物源方向?qū)訉由铣趯有蚪缑嬷?表現(xiàn)為典型的水道沉積充填的特征。中新世(23.8～10.5Ma)的水道沉積體系經(jīng)歷了三個(gè)階段:23.8～17.5Ma初期水道沉積體系充填在凹陷中心深陷的有限低地貌區(qū)內(nèi);17.5～16.5Ma白云凹陷新的強(qiáng)烈沉降作用產(chǎn)生深水陸坡環(huán)境,圍堰形成。大量自西北而來(lái)的陸源碎屑沉積物,沿著受NNE向構(gòu)造控制的沉積凹槽,在白云凹陷開始發(fā)育大規(guī)模的深水水道沉積體系;16.5～10.5Ma沉降作用最強(qiáng)烈,圍堰作用更明顯,陸坡內(nèi)盆地充填空間限制,沉積速率也最大,特別是13.8Ma出現(xiàn)最大的一次大海退,早期斷裂也受到快速沉降的影響,沉積中心在13.8Ma以前靠白云凹陷的西側(cè),但在13.8～12.5Ma沉積中心東移,并在12.5Ma變得離散,最終中新世水道沉積體系形成。2.2強(qiáng)振幅疊加沉積上新世瓊東南中央水道體系發(fā)育在南海北部陸坡深水區(qū),海底水道起源于鶯歌海盆地東緣、穿過(guò)瓊東南盆地,然后進(jìn)入西北次海盆,水深3000～3500m,長(zhǎng)約570km、寬約5～11km,呈SW—NE方向延伸(圖1)。該水道在地震剖面上整體表現(xiàn)為強(qiáng)振幅,橫向上連續(xù)或者半連續(xù),縱向上為強(qiáng)振幅疊加,底部呈“V”字形,表明水道侵蝕能力比較強(qiáng),圖2中沉積物均有向右側(cè)偏移沉積的特征,這是由于受到科里奧利力的作用。在上新世時(shí)期,研究區(qū)域沉積環(huán)境比較穩(wěn)定,以大套的泥巖沉積為主,該水道從鶯瓊陸坡攜帶大量的砂體,在不斷侵蝕與沉積的過(guò)程中,形成多套疊置砂體,這些粗粒和細(xì)粒沉積物縱向上互相疊置,這些沉積物的轉(zhuǎn)換界面在地震剖面上表現(xiàn)為強(qiáng)振幅的疊加。由于總體巖性的不同,水道的地震反射與周圍圍巖有明顯的差別,周圍圍巖以弱反射為主,而水道內(nèi)部以強(qiáng)反射為主。中海石油總公司在淺水區(qū)有Ya35-1-2鉆井鉆遇該水道,沉積主要由細(xì)砂和粉砂組成。2.3高彎曲管道沉積體系在瓊東南盆地南部陸坡區(qū),利用最新采集的3D地震資料,在第四系中發(fā)現(xiàn)四條濁積水道。水道的識(shí)別以精細(xì)的3D地震資料做基礎(chǔ),能夠清晰得觀察到水道的侵蝕谷、側(cè)向加積體、堤壩和垂向二次侵蝕等特征(圖3)。通過(guò)分析,發(fā)現(xiàn)了多套水道沉積,尤其是高彎曲水道沉積體系。該體系發(fā)育四條主水道,自北向南依次編號(hào)為C1、C2、C3和C4,而在延伸方向上,水道C3和C4出現(xiàn)分流特征,分別演化為分支水道C3-1、C3-2和C4-1、C4-2、C4-3。這些水道呈W—SE到NWW—SEE方向展布,其在不同位置,水道的形態(tài)、寬度、長(zhǎng)度和地震相不同。C1下切特征明顯中等—高振幅、連續(xù)性差雜亂反射,且在左側(cè)發(fā)育沉積物波;C2下切特征明顯,中間為低—中等振幅連續(xù)相,上部為中等—高振幅連續(xù)相;C3下切特征明顯,低振幅連續(xù)復(fù)合地震相;C4由3個(gè)支流水道組成,且它們都是低振幅連續(xù)相,通過(guò)這些水道下切形態(tài)、深度、地震反射特征和沉積厚度,可推測(cè)其形成于同一時(shí)期,且物源均來(lái)自于NW方向。3外陸架/上陸坡沉積體系南海北部陸坡深水塊體搬運(yùn)體系主要受火山、地震、海嘯、天然氣水合物分解、沿岸流等影響,沿著大陸斜坡、峽谷/水道、隆起翼部、水道側(cè)壁發(fā)育,從沉積特征可劃分為滑動(dòng)、滑塌和碎屑流。這幾種重力流沉積之間可相互轉(zhuǎn)化,形成多種類型的沉積復(fù)合體。隨著研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)南海北部E113°～E117°之間的外陸架/上陸坡存在多個(gè)塊體搬運(yùn)體系。目前,研究比較深入的包括白云深水塊體搬運(yùn)沉積體系(BMTDs)和華光塊體搬運(yùn)沉積體系(HMTDs)。3.1滑坡巖相特征在神狐海域天然氣水合物調(diào)查中,我們發(fā)現(xiàn)了第四紀(jì)深水塊體搬運(yùn)沉積體系(或白云海底滑坡),據(jù)最新估算該沉積體系面積達(dá)1.3×104km2。結(jié)合多波束精密測(cè)深、高品質(zhì)的地震資料和地質(zhì)采樣進(jìn)一步研究海底滑坡的地形地貌特征、滑體的幾何形態(tài)(圖1)?；赂渴腔麻_始形成的部位,為地質(zhì)薄弱帶,當(dāng)遭受地震或高沉積速率等因素影響時(shí),地質(zhì)體便開始沿著斷裂面或滑坡面下滑。地震資料顯示,滑坡根部的海底表層幾何特征與其地貌相對(duì)應(yīng),主要有陡崖、海臺(tái)、陡坡、海底斷塊臺(tái)地、沖刷溝槽、海谷、海丘、海山等微地貌(圖4)。三維地震資料顯示滑坡具有極為復(fù)雜的內(nèi)部構(gòu)造。主要有以下四種地震相:(1)楔狀弱振幅雜亂地震相,位于斜坡下部,外形成丘狀,以雜亂反射結(jié)構(gòu)為重要特征,反映不穩(wěn)定雜亂堆積的產(chǎn)物;(2)塊狀平行或波狀弱振幅中連續(xù)地震相,與滑坡體內(nèi)部滑脫斷層發(fā)育有關(guān),受滑脫斷層的切割沿斜坡呈明顯的階梯狀下滑,外形呈塊狀或丘狀,內(nèi)部以平行、波狀或丘狀反射結(jié)構(gòu)為特征,反映不穩(wěn)定塊體的滑動(dòng);(3)丘狀/透鏡體狀前積地震相,大型前積反射結(jié)構(gòu)特征,透鏡狀或丘狀外形,出現(xiàn)于早期的滑坡體;(4)谷狀水平充填中振幅中連續(xù)地震相,剖面上以頂平底凸的谷狀外形為特征,內(nèi)部為水平充填反射結(jié)構(gòu),平面上呈帶狀分布?；轮胁科露让黠@降低,丘狀滑坡體(slidebody)指滑坡的主體,在外部形態(tài)上主要表現(xiàn)為沖蝕溝、反坡向臺(tái)坎、海谷、海丘、海山等微地貌。內(nèi)部結(jié)構(gòu)上繼承發(fā)育了滑坡根部的楔狀弱振幅雜亂地震相、谷狀水平充填中振幅中連續(xù)地震相、丘狀/透鏡體狀前積地震相地震相特征,席狀亞平行/波狀弱振幅連續(xù)地震相發(fā)育,以波狀—亞平行反射結(jié)構(gòu)為特征,外形呈丘狀—席狀,這與滑坡體逐漸向深水盆地區(qū)推進(jìn)相關(guān)。沉積物流舌狀體(sedimentflowlobe)指由滑坡體滑動(dòng)至平坦的海區(qū),轉(zhuǎn)變至沉積物流后產(chǎn)生的沉積物,Shanmugam認(rèn)為該類沉積物屬于碎屑流沉積?；虑熬壣钊氲缴詈Ｅ璧?外部形態(tài)最為簡(jiǎn)單,主要為滑坡前積形成的海丘及海底臺(tái)地,地震剖面顯示,其內(nèi)部主要為席狀亞平行弱振幅連續(xù)地震相,表征了滑坡體的逐漸消亡過(guò)程。另外在貫穿整條地震剖面,可以發(fā)現(xiàn)滑坡下部還存在一明顯雜亂地震帶將滑坡體與下部未變形底層分開,該層即是滑坡面,是一套沉積物液化和飽含流體活動(dòng)的地層。3.2塊體運(yùn)算沉積特征表3在瓊東南盆地南部斜坡,我們發(fā)現(xiàn)華光塊體搬運(yùn)體系。HMTD是西北陸坡諸多塊體搬運(yùn)體系中的一個(gè)規(guī)模比較大的體系,面積約5000km2(圖1)。由于缺乏鉆井資料,無(wú)法對(duì)起發(fā)育的地質(zhì)年代做出精確估算,根據(jù)地震層序的識(shí)別判斷出該套地層屬于第四系地層。HMTD的外部形態(tài)與側(cè)面地層具有明顯的不同,該差異不是陡壁,而是沿著地形呈現(xiàn)側(cè)向上超形態(tài),說(shuō)明HMTD在流動(dòng)過(guò)程中對(duì)側(cè)向地層的侵蝕能力較弱,是沿著地勢(shì)流動(dòng),物源主要來(lái)自上陸坡的地勢(shì)較高地區(qū),不是來(lái)自側(cè)翼的沉積物,初步判斷研究區(qū)內(nèi)HMTD的流動(dòng)方向可能是北西—南東向(圖5)。研究發(fā)現(xiàn),沉積地層的崎嶇不平、起伏很大,顯示地層沉積中存在普遍的蠕動(dòng)現(xiàn)象,并且在局部出現(xiàn)了滑動(dòng)及滑塌現(xiàn)象。這些現(xiàn)象說(shuō)明側(cè)面地層由于受到地形坡度的影響,形成了一個(gè)蠕動(dòng)變形區(qū),但這種蠕動(dòng)僅僅造成了局部小規(guī)模的滑動(dòng)和滑塌現(xiàn)象,并且這些重力流(滑動(dòng)或滑塌)僅僅是在原地堆積,未進(jìn)一步發(fā)展形成碎屑流。塊體滑移區(qū)具有獨(dú)特的內(nèi)部反射特征。在地震識(shí)別尺度內(nèi)塊體搬運(yùn)體系表現(xiàn)為丘狀外形、波狀反射結(jié)構(gòu)、弱振幅(局部中—強(qiáng)振幅)、連續(xù)性差的地震特征。內(nèi)部整體比較雜亂,局部發(fā)育正斷層、褶皺及逆沖斷層構(gòu)造(圖5)。構(gòu)造低部位內(nèi)部反射特征雜亂,發(fā)育逆沖斷層,地層呈現(xiàn)疊瓦狀。為了展現(xiàn)HMTD內(nèi)部的地震特征,將HMTD的底界面進(jìn)行層拉平處理,在此基礎(chǔ)上提取HMTD內(nèi)部的振幅和相干屬性特征。HMTD的振幅剖面和相干時(shí)間切片顯示HMTD的內(nèi)部整體比較雜亂、局部發(fā)育褶皺及逆沖構(gòu)造(圖6a,b)。對(duì)3D數(shù)據(jù)體做時(shí)間切片(圖6d),展現(xiàn)逆沖斷層的走向、發(fā)育規(guī)模等信息,時(shí)間切片中清晰識(shí)別出北東走向的構(gòu)造,分析認(rèn)為是HMTD內(nèi)部發(fā)育的同沉積逆沖斷層,同相軸的分布顯示斷層斷距小、分布密集,剖面中呈疊瓦狀分布(圖5),符合塑性流體的沉積特征。相似性差的白色條帶呈現(xiàn)北東向分布,具有密集分布、垂直距離小的特點(diǎn),代表了北東向分布的逆沖斷層斷面的分布規(guī)律和發(fā)育規(guī)模。振幅剖面中整體雜亂反映了重力流內(nèi)部物質(zhì)分選差、雜亂無(wú)章的構(gòu)成,局部發(fā)育褶皺和逆沖斷層表明