南海北部神狐陸坡限制型滑塌體特征及成因機理①

吳嘉鵬 王英民 邱 燕 彭學(xué)超 夏廣勝 萬麗芬

(1.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院 北京 102249;2.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室 北京 102249; 3.國土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣州 510760;4.中國石油化工集團國際石油勘探開發(fā)有限公司 北京 100083; 5.中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司研究院 上海 200120)

南海北部神狐陸坡限制型滑塌體特征及成因機理①

吳嘉鵬1,2王英民1,2邱 燕3彭學(xué)超3夏廣勝4萬麗芬5

(1.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院 北京 102249;2.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室 北京 102249; 3.國土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣州 510760;4.中國石油化工集團國際石油勘探開發(fā)有限公司 北京 100083; 5.中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司研究院 上海 200120)

滑塌體是深水沉積的重要組成部分,研究滑塌體沉積有助于揭示深水沉積過程。利用高精度多道地震資料,首次在南海北部神狐陸坡段發(fā)現(xiàn)了規(guī)模逾千平方千米的限制型滑塌體,它在順坡滑塌時,未能超越下坡地層的圍限,突然終止于下坡未變形地層中,因此陡沖斜坡兩側(cè)的地震相特征發(fā)生截然的變化。滑塌體整體呈楔形,內(nèi)部呈雜亂反射,前端存在逆沖斷層以及擠壓褶皺。由于順坡滑塌距離較短,因此與非限制型滑塌體相比,限制型滑塌體內(nèi)部地層連續(xù)性較好。結(jié)合神狐滑塌體地震反射特征并通過與世界典型滑塌體的對比,可知滑塌體的厚度、地形坡度二者共同控制了神狐滑塌體的發(fā)育類型,前端地形突起對其發(fā)育沒有影響。

滑塌體 深水沉積 神狐陸坡 南海北部

0 前言

隨著全球深水油氣勘探的深入開展,海底滑塌體(Submarine Slide)作為深水沉積的重要組成部分得到越來越深刻的認(rèn)識[1]。前人在大西洋的東部[2]、西部[3,4]、北部[5,6],太平洋的東部[7]以及地中海[8,9]等全球許多深水盆地中對海底滑塌體做了深入的研究,在中國南海北部[10～14]、南部陸坡區(qū)[15]也相繼有大規(guī)模海底滑塌體發(fā)現(xiàn)。根據(jù)滑塌體沿底部的滑動剪切面搬運過程中受力特征的不同,可將其劃分為三個結(jié)構(gòu)單元:頭部(Headwall Domain)、體部(Translational Domain)以及趾部(Toe Domain)[8,16],頭部是以拉張作用為主而趾部以擠壓、逆沖作用為主[16,17].rey Martinez[18]根據(jù)滑塌體前端的趾部沉積物與前端圍限地層的關(guān)系,將滑塌體分為非限制型與限制型兩類(圖1)。前人對于限制型滑塌體研究較少,對其特征以及成因等方面的認(rèn)識也有待加強。

圖1 非限制型(a)與限制型(b)滑塌體簡圖[18]Fig.1 Schematic depiction of the frontally emergent landslide(a)and frontally confined landslide(b)[18]

研究區(qū)位于南海北部神狐陸坡[19]上部,現(xiàn)今水深約為200～1 000 m(圖2),屬于陸坡深水區(qū)。本文利用高分辨率多道二維地震資料,首次在南海發(fā)現(xiàn)了規(guī)模逾千平方公里的限制型滑塌體,通過對其地震反射特征的研究以及與世界各地典型滑塌體的對比,分析神狐限制型滑塌體發(fā)育演化成因。

圖2 神狐限制型滑塌體范圍及地震剖面位置圖Fig.2 Distribution of Shenhu frontally confined landslide and location of seismic profiles

表1 神狐限制型滑塌體信息統(tǒng)計Table1 Slope,thickness and length data of the Shenhu frontally confined landslide

1 神狐限制型滑塌體特征

典型的滑塌體往往表現(xiàn)為丘狀或楔狀外形、弱振幅(局部中-強振幅)甚至透明反射、連續(xù)性差的地震反射特征,局部有張性斷層、逆沖斷層以及擠壓褶皺等構(gòu)造發(fā)育[2,9,11,15,18,20],與之相比,限制型滑塌體最明顯的特點是在順坡滑動方向突然終止[18]。據(jù)此,如圖2所示,在南海北部神狐陸坡工區(qū)1至6號剖面上識別出了總面積逾2 000 km2的限制型滑塌體。

其中,1～3號剖面上滑塌體雙程反射時間大體為1 000～1 500ms,而4～6號剖面上,滑塌體時間分布范圍為1 250～1 750 ms,3號地震剖面位于中間,并且滑塌體的厚度明顯偏小。利用現(xiàn)有資料,依據(jù)地震剖面上雙程反射時間分布范圍及滑塌體厚度的變化,識別出大致A、B兩個限制型滑塌體,其中A滑塌體面積約為1 050 km2,B滑塌體面積約為1 150 km2。

1.1 2 號剖面反射特征

如圖3,滑塌體位于剖面左側(cè),長11.6 km,最大厚度為158.7 m,平均厚度為136.2 m。底部剪切面呈波狀連續(xù)地震反射,內(nèi)部地震反射雜亂,但是仍具有一定連續(xù)性,前端為擠壓成因的逆沖斷層。滑塌體在最前端以楔形終止于周圍未變形的圍限地層中,二者之間具有一個明顯的陡沖斜坡,在斜坡左側(cè)是雜亂的滑塌體,而在右側(cè)為連續(xù)、平行的地層。并且,由于受滑塌體的擠壓作用,前端圍限地層也發(fā)生了一定程度的撓曲。剖面右側(cè)的明顯地形突起是一統(tǒng)暗沙,其附近的地層呈平行、連續(xù)反射,并未發(fā)生明顯變形。

1.2 3號剖面反射特征

剖面上滑塌體長14.2 km,最大厚度為58.7 m,平均厚度為40 m。滑塌體前端有一個明顯的滑塌塊體,振幅強、連續(xù)性好,略顯雜亂,與周圍滑塌體的雜亂地震反射具有明顯區(qū)別,其兩翼均以較大的傾角向外傾斜,這是滑塌、搬運過程中,保存比較完整的沉積物塊體[9,21]。滑塌體底部剪切面為連續(xù)、強反射的波狀界面,其下的孤島狀塊體是下伏地層被滑塌體侵蝕之后的殘余體,與下部地層之間無明顯的分離界面,這一點可用來與滑塌塊體相區(qū)分[9]。殘余體內(nèi)部呈平行、連續(xù)地震反射,其左側(cè)邊界為陡沖斜坡,與斷層或者是頭部滑塌陡坎的地震反射特征相似[9],將下切深度不同的底部剪切面相連[22],反映了滑塌體侵蝕作用的強弱變化(圖4)。

圖3 2號剖面及其解釋圖Fig.3 No.2 seismic line cross section and accompanying line drawing

圖4 3號剖面及其解釋圖Fig.4 No.3 seismic line cross section and accompanying line drawing

1.3 6號剖面反射特征

滑塌體長25.4 km,最大厚度為173.8 m,平均厚度146 m。底部剪切面呈連續(xù)強振幅波狀地震反射。滑塌體呈雜亂反射,前端為擠壓成因的逆沖斷層,斷距較小,逆沖斷層兩側(cè)的地層具有可追蹤性。兩個逆沖斷面間的地層由于受擠壓作用而產(chǎn)生U形褶曲。最前端的陡沖斜坡面與逆沖斷層均傾向于上坡方向,陡沖斜坡兩側(cè)的地震相特征發(fā)生截然的變化,右側(cè)平行、連續(xù)的地層限制了左側(cè)滑塌體的順坡滑移(圖5)。

2 神狐限制型滑塌體成因

當(dāng)沉積物所受外力大于內(nèi)部剪切力時,就會發(fā)生垮塌[23],在重力的驅(qū)動下順坡滑塌,重力勢能轉(zhuǎn)化為滑塌沉積物的滑動動能,在此過程中,滑塌體還需不斷克服前端未變形地層的阻力。因此海底地形坡度、滑塌體前端的正地形等對滑塌體的形成及演化具有不可忽視的作用。

圖5 6號剖面及其解釋圖Fig.5 No.6 seismic line cross section and accompanying line drawing

2.1 滑塌體厚度

Frey Martinez等[18]通過對地中海東部Israel陸架ISC限制型滑塌體的研究,認(rèn)為滑塌體的厚度控制了滑塌體的發(fā)育類型,并認(rèn)為所有的滑塌體都要經(jīng)歷限制型發(fā)育階段,只要動力條件合適,在任何階段都能夠?qū)崿F(xiàn)由限制型向非限制型滑塌體的轉(zhuǎn)變。但是厚度大的滑塌體由于其重心低,突破前端地層的限制所需能量大,相對薄層滑塌體而言,更容易發(fā)育成為限制型。

在神狐陸坡工區(qū)的2號及6號剖面上,滑塌體均呈楔形尖滅于下坡未變形地層中,前端都存在一個傾向上坡方向的陡沖斜坡,說明滑塌體未超越前端地層圍限,從而發(fā)育為限制型滑塌體。3號剖面上的滑塌體厚度明顯較小,沉積物在順坡滑動中需要克服的前端阻力較小,易于發(fā)生滑動。剖面上的滑塌塊體以及侵蝕殘余體的存在都表明有滑塌體沉積物流從流速較慢的滑塌塊體或者是靜止的侵蝕殘余體周圍流過[3,24,25],具有明顯的非限制的沉積特征。

表2為全球各地典型滑塌體平均厚度、長度以及厚長比比值統(tǒng)計。由表中可知,非限制型滑塌體厚度明顯偏小,均低于100 m,并且由于非限制型滑塌體超出前端地層圍限之后,順坡搬運距離較遠(yuǎn),所以厚長比比值也明顯偏小,均低于2 X 10-3。與之相反,限制型的Gebra滑塌體以及神狐滑塌體,它們的平均厚度基本都超過100 m,并且由于限制型滑塌體順坡滑動距離較近,從而使得厚長比比值偏大,均大于2.8 X10-3。

表2 世界典型滑塌體信息統(tǒng)計表Table2 W orldw ide typical landslides'characteristics

由以上對比可知,滑塌體的厚度與其發(fā)育類型具有緊密的相關(guān)性。厚度大的滑塌體滑動時,需要克服較大的地層阻力,從而容易發(fā)育成為限制型滑塌體,又由于滑塌距離短,所以具有較大的厚長比比值。相反,厚度較小的滑塌體易于發(fā)育成為非限制型滑塌體,厚長比比值也相對較小。

2.2 地形坡度

較大的地形坡度往往成為滑塌體的觸發(fā)原因,在較陡的斜坡背景下,滑塌體在順坡搬運過程中會獲得較大的滑動速度,從而能夠超越前端地層的圍限而發(fā)育成為非限制型滑塌體。因此,地形坡度的大小對滑塌體的發(fā)育類型具有重要影響。

Huvenne等[26]利用二維及三維地震資料分析了Porcupine盆地西部限制型滑塌體的成因,該滑塌體內(nèi)部地層連續(xù)性好,由許多直徑約為500 m的板狀塊體組成.uvenne認(rèn)為由于滑塌體底部剪切面上空隙超壓突然釋放,滑塌體滑動阻力增加,加之地形坡度較小,發(fā)育初期的滑塌體無法獲得更大的能量繼續(xù)滑動,從而發(fā)生突然凍結(jié),發(fā)育為限制型滑塌體。

由表1可知,神狐滑塌體最大坡度僅為0.85°,與表2中的Storegga、Afen等滑塌體相比,坡度明顯較小。神狐滑塌體雖然呈雜亂反射,但是內(nèi)部地層具有一定的連續(xù)性,在逆沖斷層斷面兩側(cè)的地層也具有一定的可追蹤性,內(nèi)部沉積物未完全變形。這說明在低坡度背景下,滑塌體無法進行順坡的長距離搬運,進而難以獲得充足的能量發(fā)育為非限制型滑塌體。

表2中,雖然Storegga、Traenadjupet滑塌體的平均厚度很大,在滑動過程中阻力較大,但是由于地形坡度大,在順坡滑動中可以獲得更多的動能,從而發(fā)育成為非限制型滑塌體。

因此可知,地形坡度對于滑塌體由限制型向非限制型的轉(zhuǎn)化具有積極作用,在同等條件下,地形坡度越大,滑塌體越容易發(fā)育成為非限制型滑塌體。

同時,值得注意的是,在極小的坡度背景下,厚度很薄的Canary、CADEB滑塌體也成功的發(fā)育成為了非限制型滑塌體?？梢娀w的厚度以及地形坡度二者共同影響了滑塌體的發(fā)育類型。

2.3 地形突起

Trincardi[22]通過對限制型Gela滑塌體的研究認(rèn)為,盆地范圍內(nèi)的地貌突起形成了滑塌體順坡滑移的屏障,并認(rèn)為當(dāng)正向地形突起能夠提供足夠的阻力,從而阻擋滑塌體的繼續(xù)搬運時,就會形成限制型滑塌體.ingle[27,28]在對非洲南部Chamais以及Agulhias滑塌體的研究中,發(fā)現(xiàn)滑塌體趾部末端的滑動面向上坡方向傾斜,并且存在一些旋轉(zhuǎn)塊體,這主要是因為滑塌體滑動過程中,前端受構(gòu)造脊、海山等正地形的阻擋而形成的.oscardelli[29]利用3D資料對特立尼達島和委內(nèi)瑞拉海岸區(qū)域的MTD進行研究,發(fā)現(xiàn)海底突起的海山所形成的半局限性環(huán)境,基本決定了MTD的流動方向。

在神狐滑塌體的前方存在明顯的地形突起即一統(tǒng)暗沙,它對滑塌體的發(fā)育的影響是必須要考慮的。如圖3,在2號地震剖面上,除了在滑塌體前端的小部分地層由于受擠壓作用產(chǎn)生了撓曲,滑塌體與一統(tǒng)暗沙之間的大部分地層都呈未變形的平行、亞平行反射。這說明主要是滑塌體下坡方向的未變形地層阻擋了滑塌體的順坡搬運,一統(tǒng)暗沙對滑塌體的搬運及發(fā)育基本沒有影響。

3 結(jié)論

第一次在南海神狐陸坡區(qū)發(fā)現(xiàn)了面積逾千平方公里的限制型滑塌體,其地震反射特征明顯不同于下伏及上覆地層,內(nèi)部呈雜亂的地震反射特征,而且在趾部還存在逆沖斷層、擠壓褶皺等構(gòu)造。與典型的非限制型滑塌體相比,限制型滑塌體末端存在一個傾向上坡方向的陡沖斜坡面,斜坡兩側(cè)地震相特征發(fā)生截然的變化,反映了下坡地層對滑塌體的圍限作用。

圖6 兩類滑塌體成因機理模式圖Fig.6 Formationmechanism model of the two kinds of slide

通過對神狐限制型滑塌體地震反射特征的研究以及與世界各地典型滑塌體的對比分析,認(rèn)為神狐滑塌體的厚度及地形坡度控制了其發(fā)育類型(圖6)。厚度大的滑塌體,前端的阻擋地層厚度大,產(chǎn)生阻力大,滑塌體若突破前端地層的圍限,所需動能大,但是由于其重心低、滑動距離短,很難獲得足夠的能量,所以容易發(fā)育成為限制型滑塌體(圖6-A1);當(dāng)滑塌體厚度較薄時,前端阻力小,易于發(fā)生長距離滑動而成為非限制型滑塌體(圖6-A2)。較陡的地形坡度會引起地層滑塌,并且對于滑塌體的發(fā)育類型具有重要影響。同樣厚度的滑塌體,當(dāng)?shù)匦屋^陡時,易于獲得更大的滑動動力,從而成為非限制型滑塌體(圖6-B2);相反,當(dāng)?shù)匦屋^緩時,滑塌體的滑動能量低,無法沖破前端地層阻擋,從而形成限制型滑塌體(圖6-B1)。本文中,雖然神狐滑塌體前端的一統(tǒng)暗沙對其發(fā)育沒有明顯影響,但是滑塌體前端正地形對于滑塌體的形成具有不可忽視的作用[22,27～29]。當(dāng)?shù)匦瓮黄鹁哂忻黠@的阻擋作用時,就會將滑塌體強制阻擋在上坡方向,從而成為限制型滑塌體(圖6-C1);當(dāng)滑塌體如神狐滑塌體一樣,發(fā)育區(qū)遠(yuǎn)離前端正地形,或者前端隆起不足以阻擋滑塌體流動時,地形隆起的影響基本可以忽略(圖6-C2)。

滑塌體厚度對于其發(fā)育類型具有重要的影響,而滑塌體底部剪切面的發(fā)育位置恰恰決定了滑塌體的厚度。通過前人的研究成果可知,底部剪切面的影響因素因地而異,具有泥質(zhì)等深流沉積[6,18,25]、天然氣水合物的分解[10,11,14]、沉積物空隙超壓[18,22,26,30]等多種因素,因此神狐限制型滑塌體底部剪切面發(fā)育位置的影響因素,還需進一步研究。

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Characteristic and Formation M echanism of the Frontally Confined Landslide in Shenhu Slope,Northern South China Sea

WU Jia-peng1,2WANG Ying-min1,2QIU Yan3PENG Xue-chao3XIA Guang-sheng4WAN Li-fen5
(1.College of Geosciences,China University of Petroleum,Beijing 102249; 2.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting,Beijing 102249; 3.Guangzhou M arine Geological Survey Bureau,Guangzhou 510760; 4.International Petroleum Exp loration&Production Corporation,SINOPEC,Beijing 100083; 5.Institute of Shanghai O ffshore Oil&Gas Company,SINOPEC,Shanghai200120)

Landslides constitute important aspects of deepwater sediment fill;and the study of the landslide does much help unveiling the deposition process in deepwater settings.Using the high resolutionmultichannel seismic profiles,the frontally confined landslide is firstly discovered in Shenhu slope of the Northern South China Sea,ofwhich distribution area is over 1 000 km2.he landslide undergoes a restricted downslope translation and does not overrun the undeformed downslope strata,so the seismic facies features are definitely different in the two sides of the ramp.With the internally chaotic reflection,the landslide is externally wedge shaped and the impressive fold and thrust develop in the toe domain of the landslide.Comparing with the frontally emergent landslide,the continuity of the frontally confined landslide sediment is better for the shorter downslope transport distance.Combined with the seismic reflection features of the slide and the comparison among the Shenhu landslide and the worldwide landslides,the type of the landslide is determined by the thickness of the slide and the slope angle,but the positive landform-Yitong shoal has no effect on the Shenhu landslide's evolution.

landslide;deepwater deposition;Shenhu slope;Northern South China Sea

吳嘉鵬 男 1987年出生 博士研究生 石油地質(zhì)學(xué) E-mail:wjp_better@sina.com.cn

P512.2

A

1000-0550(2012)04-0639-07

①國家自然科學(xué)基金項目(批準(zhǔn)號:40972077)和國家基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(編號:2009CB219407)資助。

2011-07-01;收修改稿日期:2011-09-24