瓊東南盆地東西部塊體流沉積內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的差異性

何云龍，解習(xí)農(nóng)，李俊良，張 成，張建新

1.中國地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074

2.中國科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室／廣州地球化學(xué)研究所，廣州 510640

3.中海石油有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057

0 引言

深海塊體流沉積（mass－transport deposits，簡稱MTDs）是指深海環(huán)境中在一定的觸發(fā)機(jī)制下，原始的沉積地層重力失穩(wěn)而導(dǎo)致大規(guī)模重力流的發(fā)生，產(chǎn)生大規(guī)模復(fù)合沉積體，通常包括滑移體（slide）、滑塌體（slumping）和碎屑流（debris flow）等重力流沉積類型。通過世界范圍內(nèi)的深海沉積研究發(fā)現(xiàn)，塊體流沉積是大陸邊緣沉積的重要組成部分［1－2］。世界著名深水油氣勘探區(qū)，例如墨西哥灣盆地、南美及西非被動(dòng)大陸邊緣盆地、北海盆地、地中海沿岸等地都有大規(guī)模塊體流沉積的發(fā)育［3－5］。在某些區(qū)域，塊體流沉積的體積甚至可以達(dá)到整個(gè)深海沉積物體積的70%～90%［4，6］。

國內(nèi)于20世紀(jì)90年代展開塊體流活動(dòng)對(duì)南海北部陸架邊緣海底穩(wěn)定性的研究［7］。近年，隨著深水鉆井巖心和高精度的地震資料的增多，研究人員除了能夠?qū)K體流的巖性特征進(jìn)行研究之外［8］，對(duì)塊體流沉積地震反射特征的認(rèn)識(shí)也取得了更多的認(rèn)識(shí)［9－10］。特別是三維地震資料的應(yīng)用，使塊體流沉積的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和平面形態(tài)特征得到了進(jìn)一步的展示［11－13］。

本文利用區(qū)域分布的二維地震資料結(jié)合高精度的三維地震資料，對(duì)瓊東南盆地東西部塊體流沉積的不同特征進(jìn)行精細(xì)刻畫和對(duì)比，分析這種差異特征的成因，指出研究區(qū)塊體流沉積可能的觸發(fā)機(jī)制，這對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)南海西北部深水沉積體系的空間展布特征和深水油氣勘探具有重要的意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

伴隨中生代以來的南海張裂過程，在南海北部形成了一系列的準(zhǔn)被動(dòng)大陸邊緣盆地。多年的油氣地質(zhì)研究和勘探實(shí)踐表明，這些盆地具有相當(dāng)豐富的油氣資源潛力，而且隨著南海深水油氣勘探的進(jìn)一步開展，南海北部成為全球深水油氣勘探的又一個(gè)新的熱點(diǎn)區(qū)域［14－15］。

瓊東南盆地作為南海北部大陸邊緣典型的疊合盆地之一，沉積了巨厚的地層，最大沉積物厚度超過8km。瓊東南盆地的發(fā)育經(jīng)歷了斷陷期和坳陷期兩大沉積充填階段。其中，由于沉降速率的變化，盆地的坳陷階段又可以分為早期的沉降期和晚期的加速沉降期［16］。瓊東南盆地沉積環(huán)境的演化與整個(gè)南海的形成演化過程密切相關(guān)。盡管汪品先等［17］根據(jù)大洋鉆探184航次取得的巖心分析指出，南海深水海盆沉積環(huán)境在南海擴(kuò)張初期就已經(jīng)出現(xiàn)。但是，眾多針對(duì)南海北部大陸邊緣的研究發(fā)現(xiàn)，在中新世以后南海北部大陸邊緣才出現(xiàn)典型的深水陸坡沉積體系，且南海東北部的深水陸坡沉積體系發(fā)育時(shí)間早于南海西北部［18－19］。瓊東南盆地陸架陸坡體系和深水盆地中，發(fā)育著大規(guī)模的塊體流沉積。

2 塊體流沉積特征

在瓊東南盆地陸坡發(fā)育的初始階段，瓊東南盆地東部陸架坡折點(diǎn)沿著瓊東南盆地的重要斷層發(fā)育［18，20］。由于陸坡發(fā)育時(shí)期地質(zhì)背景的差異性，在瓊東南盆地發(fā)育了不同特征的陸架陸坡體系［21］。如圖1所示，利用區(qū)域分布的二維地震數(shù)據(jù)得到的立體圖顯示了瓊東南盆地東西部不同陸坡體系的地貌特征。在盆地東部緩坡和西部較陡的陸坡2種不同的陸坡體系下，塊體流的發(fā)育表現(xiàn)出不同的特征。

2.1 盆地東部塊體流沉積特征

瓊東南盆地東部為寬緩的陸坡體系，陸坡傾角較小，為1°～2°，沒有明顯的陸架坡折點(diǎn)。塊體流沉積頭部典型的重力成因的張性滑移斷層在上陸坡位置非常發(fā)育（圖2）。上陸坡滑移塊體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常清晰，內(nèi)部地震反射的連續(xù)性非常好，地層變形非常微弱。在滑移體內(nèi)部不同塊體之間存在一系列重力流成因的以小斷距為主要特征的犁式滑移斷層；同時(shí)，這些斷層的規(guī)模也通常比較小，而且斷層的下端多終止于一個(gè)連續(xù)性較好、地震反射較強(qiáng)的界面附近，此面即為塊體流的底部剪切面（basal shear surface），當(dāng)塊體流對(duì)底部有侵蝕的時(shí)候這個(gè)面可以被稱為侵蝕基準(zhǔn)面［22］。根據(jù)滑移斷層的小斷距和斷層下端終止于塊體流底部剪切面的特征，可以將滑移斷層與構(gòu)造成因的斷裂相區(qū)別。

根據(jù)經(jīng)典的塊體流沉積二分模式，在塊體流沉積的下端或者趾部地層內(nèi)部應(yīng)當(dāng)是擠壓應(yīng)力環(huán)境，具體表現(xiàn)為塊體流趾部的擠壓脊［23－24］。在塊體流沉積趾部，沉積物由于其能量的降低而使其向前運(yùn)動(dòng)的趨勢逐漸趨于停滯，但其頭部和體部的沉積物卻仍然具有較強(qiáng)的能量，向前運(yùn)動(dòng)的趨勢較強(qiáng)，會(huì)對(duì)其趾部已經(jīng)趨于停滯的沉積體產(chǎn)生擠壓的作用，因此便會(huì)在塊體流沉積的趾部形成局部的擠壓應(yīng)力，表現(xiàn)為沉積物內(nèi)部逆沖斷層的發(fā)育。相應(yīng)的，在塊體流沉積內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)趨勢不強(qiáng)、能量較弱的情況下，對(duì)前段趾部產(chǎn)生這種擠壓應(yīng)力弱，表現(xiàn)為發(fā)育擠壓脊的可能性就較小或者不發(fā)育。

在瓊東南盆地東部緩坡體系下塊體流趾部的擠壓應(yīng)力特征表現(xiàn)不甚明顯。如圖3a所示，在深水盆地塊體流趾部的方差體沿層切片平面圖中，塊體流沉積的雜亂特征與深海細(xì)粒沉積的均一特征之間界限非常清晰。塊體流沉積在平面切片上多表現(xiàn)為一種雜亂的斑點(diǎn)特征，反映出塊體流沉積內(nèi)部的雜亂結(jié)構(gòu)，而且塊體流沉積的表面也會(huì)表現(xiàn)出不規(guī)則的表面形態(tài)特征。在圖3b中，塊體流與周圍的正常深海泥質(zhì)沉積之間表現(xiàn)出上超的地震反射結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出塊體流沉積對(duì)周圍地層并未產(chǎn)生嚴(yán)重的變形擾動(dòng)和侵蝕作用，反映了在寬緩陸坡體系下的下陸坡位置，塊體流沉積的規(guī)模相對(duì)較小、能量較弱的特征。

2.2 盆地西部塊體流沉積特征

瓊東南盆地西部的陸架坡折線在平面和剖面上特征明顯，陸坡具有相對(duì)較陡的坡度，平均為3°～5°。西部陸坡區(qū)塊體流頭部的沉積特征與東部陸坡區(qū)相比，具有很大的差異性，陸坡上的沉積特征也更加豐富。如圖4所示，上陸坡塊體流頭部的地震反射以雜亂反射為特征。在雜亂反射中偶爾會(huì)出現(xiàn)連續(xù)性好的強(qiáng)反射“塊體”，并伴隨著一定程度的“塊體”內(nèi)部地層變形；同時(shí)，其產(chǎn)狀與其他未變形的地層產(chǎn)狀明顯不同。這種“塊體”被解釋為塊體流沉積中從上陸坡或者陸架邊緣滑塌形成的大規(guī)模搬運(yùn)塊體。

此外，西部陸坡塊體流頭部的雜亂沉積中還時(shí)常出現(xiàn)一個(gè)地震發(fā)射連續(xù)性較好、振幅較強(qiáng)的面，此為晚期塊體流沉積對(duì)早期塊體流沉積進(jìn)行沖蝕的侵蝕基準(zhǔn)面。與東部緩坡體系下的剪切面不同，西部陸坡區(qū)的侵蝕基準(zhǔn)面的傾角更大，如圖4中的侵蝕基準(zhǔn)面的傾角跟原始沉積地層之間表現(xiàn)出較大的交角，體現(xiàn)了較強(qiáng)的侵蝕能力。同時(shí)，盆地西部陸坡體系中還發(fā)育一系列的濁積水道。與周圍的塊體流雜亂反射特征不同，陸坡濁積水道以連續(xù)性好、強(qiáng)振幅以及“U”或者“V”型的幾何形態(tài)為特征。陸坡是沉積物重力流發(fā)育的有利場所，因此，多期次發(fā)育的濁積水道在垂向上的相互疊置和遷移非常普遍。這些水道發(fā)育過程中反復(fù)的沉積－侵蝕過程使其中單個(gè)水道的特征不明顯，而突出表現(xiàn)為水道復(fù)合體的整體特征。

與盆地東部不同，在盆地西部的深水盆地區(qū)域，塊體流趾部表現(xiàn)出不同的特征。塊體流沉積的規(guī)模更大，單期塊體流沉積厚度可以達(dá)到100m以上，如圖5a；同時(shí)，大規(guī)模塊體流頂部的不規(guī)則形態(tài)在剖面上表現(xiàn)的更加清晰，在塊體流沉積頂部的下凹區(qū)，往往會(huì)“捕獲”一些后期發(fā)育的濁流沉積，形成一些具有不規(guī)則平面形態(tài)的濁積砂體。在底部，塊體流還顯示出較強(qiáng)的侵蝕特征，具體表現(xiàn)為上覆塊體流將下伏地層直接沖蝕、截?cái)啵▓D5b）。另外，在塊體流趾部擠壓變形嚴(yán)重的地層中發(fā)育一系列的逆沖斷層，這些逆沖斷層在剖面上呈平行、亞平行展布。強(qiáng)烈的變形和逆沖斷層的發(fā)育體現(xiàn)出在塊體流趾部仍然存在很強(qiáng)的擠壓應(yīng)力，反映了塊體流沉積具有相對(duì)較強(qiáng)的能量（圖5c）。

3 討論

3.1 塊體流沉積觸發(fā)機(jī)制

塊體流沉積的觸發(fā)機(jī)制有多種，但是通過對(duì)其他深水環(huán)境中塊體流沉積的研究發(fā)現(xiàn)，最普遍的觸發(fā)機(jī)制包括構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的地震活動(dòng)和天然氣水合物溶解導(dǎo)致的流體活動(dòng)［25－27］。已經(jīng)有眾多的研究表明，瓊東南盆地天然氣水合物的溶解與陸坡不穩(wěn)定性有著重要的關(guān)系［28－29］。筆者著重討論斷層活化導(dǎo)致的地震活動(dòng)這一觸發(fā)機(jī)制對(duì)于研究區(qū)內(nèi)塊體流發(fā)育的影響。

圖1 瓊東南盆地現(xiàn)今海底三維立體圖Fig.1 3Dview of seabed of Qiongdongnan basin

圖2 瓊東南盆地東部上陸坡塊體流頭部發(fā)育特征Fig.2 Head characteristics of MTDs in upper slope in eastern part of Qiongdongnan basin

地震作為塊體流沉積的重要觸發(fā)機(jī)制之一：一方面本身對(duì)于沉積地層就有個(gè)破壞作用，能夠引起大規(guī)模的塊體流沉積的發(fā)生；另一方面，地震還能造成沉積物液化和地層強(qiáng)度降低，從而產(chǎn)生有利于MTDs的發(fā)生條件。中新世以來，瓊東南盆地?cái)嗔训幕顒?dòng)性與盆地裂陷期相比，總體上具有活動(dòng)性減弱、活動(dòng)斷裂數(shù)量減少的特征［30］。盡管如此，瓊東南盆地裂后期仍然有少數(shù)隱伏斷裂的活動(dòng)。在盆地的南部，一些隱伏斷裂的活動(dòng)導(dǎo)致了盆地深部流體向上覆地層的疏導(dǎo)［31］。本次研究中筆者發(fā)現(xiàn)瓊東南盆地陸坡附近的隱伏斷層也顯示出較弱的活動(dòng)性（圖6）。雖然這些斷裂的規(guī)模并不如盆地?cái)嘞萜跀嗔寻l(fā)育的規(guī)模大，斷裂對(duì)于沉積的控制作用也相對(duì)更弱，但這些斷層的活化以及可能伴隨的地震活動(dòng)對(duì)于盆地北部陸坡的不穩(wěn)定性具有重要的影響。多數(shù)塊體流發(fā)育的頭部陡壁帶都是以斷層為邊界，這種現(xiàn)象在較新的地層中表現(xiàn)得更為明顯。

圖3 瓊東南盆地東部深水平原發(fā)育的塊體流沉積特征Fig.3 Characteristics of MTDs in the abyssal plain in eastern part of Qiongdongnan basin

圖4 瓊東南盆地西部上陸坡塊體流頭部發(fā)育特征Fig.4 Head characteristics of MTDs in upper slope in western part of Qiongdongnan basin

圖5 瓊東南盆地西部深水平原塊體流沉積特征Fig.5 Characteristics of MTDs in the abyssal plain in western part of Qiongdongnan basin

另一方面，根據(jù)1067-1986年間的歷史記載，在不到1 000a的歷史中，南海北部發(fā)生4級(jí)以上地震273次，其中6級(jí)以上地震40次［32］。因此，可以推斷南海北部的地震活動(dòng)是比較頻繁的，這些地震活動(dòng)對(duì)于觸發(fā)陸架邊緣的塊體流發(fā)育具有重要的作用。

3.2 塊體流沉積特征差異性成因

通過以上盆地東西部陸坡以及對(duì)應(yīng)深水盆地區(qū)域塊體流沉積對(duì)比發(fā)現(xiàn)，瓊東南盆地東西部的塊體流沉積表現(xiàn)出不同的特征。對(duì)于塊體流頭部沉積特征，東部主要以無變形和變形微弱的滑移體為主，塊體流底部侵蝕不明顯，底部剪切面的產(chǎn)狀相對(duì)較緩，主要是順層滑動(dòng)；而西部的塊體流頭部以變形強(qiáng)烈的雜亂反射為主，不同期次塊體流之間的侵蝕強(qiáng)烈，侵蝕基準(zhǔn)面產(chǎn)狀陡傾。東西部深水盆地塊體流趾部特征也存在一定的差異：東部主要塊體流沉積厚度較小，表現(xiàn)出超覆的特征；西部塊體流規(guī)模較大，對(duì)底部地層的侵蝕強(qiáng)烈，而且塊體流地層擠壓變形嚴(yán)重，逆沖斷層發(fā)育。

圖6 瓊東南盆地陸坡體系斷裂系統(tǒng)與塊體流沉積Fig.6 Relationship between MTDs and faults in the slope system in Qiongdongnan basin

盆地東西部塊體流沉積特征的差異性都表現(xiàn)出盆地西部塊體流沉積的規(guī)模相對(duì)較大，同時(shí)也具有更強(qiáng)的能量。產(chǎn)生這種東西部塊體流沉積特征差異性的原因?yàn)殛懫麦w系差異性以及盆地南部地貌差異性的制約。通過現(xiàn)今海底地貌圖可以發(fā)現(xiàn)，盆地東部的的陸坡坡度要明顯小于盆地西部，如圖1所示。較大的陸坡角度更加有利于沉積物重力流的發(fā)生，使盆地西部塊體流的發(fā)育相對(duì)更容易。同時(shí)，斷層活化相關(guān)的地震活動(dòng)是本研究區(qū)塊體流沉積的重要觸發(fā)機(jī)制之一，盆地西部陸坡區(qū)的基底貫通斷裂更發(fā)育，因此地層在斷層活動(dòng)下表現(xiàn)出的不穩(wěn)定性應(yīng)當(dāng)會(huì)更加強(qiáng)烈，為盆地西部塊體流的發(fā)育再增加一個(gè)有利因素。

瓊東南盆地東西部地貌差異性的存在，是產(chǎn)生塊體流沉積東西部差異性的另一個(gè)重要原因。如圖6所示，盆地塊體流沉積的南部邊界都以中央坳陷帶和南部隆起之間的界限為界。西部陸坡體系上塊體流的規(guī)模大于東部陸坡體系上發(fā)育的塊體流，而由于南部隆起的存在，西部大規(guī)模的塊體流沉積運(yùn)動(dòng)受阻，然而其內(nèi)部仍然具有較強(qiáng)的能量。因此，塊體流內(nèi)部較強(qiáng)的能量會(huì)驅(qū)使其對(duì)底部地層進(jìn)行侵蝕以及對(duì)前端地層的強(qiáng)烈擠壓，造成塊體流底部地層的沖蝕和趾部逆沖斷層的發(fā)育。東部陸坡體系下的塊體流發(fā)育規(guī)模較小，且相對(duì)于西部沉積物可容納空間更大，因此，塊體流沉積趾部表現(xiàn)為能量較弱的超覆特征。

4 結(jié)論

1）塊體流沉積在盆地東西部深水區(qū)表現(xiàn)出不同的特征：東部深水區(qū)塊體流沉積規(guī)模較小，塊體流頭部以地層變形程度較小的滑移體的發(fā)育為特征，并伴隨一系列的滑移斷層；西部深水區(qū)塊體流沉積規(guī)模較大，塊體流頭部變形和侵蝕作用強(qiáng)烈，趾部以擠壓應(yīng)力產(chǎn)生逆沖斷層的發(fā)育為特征。陸坡沉積格架和南部地貌差異是產(chǎn)生塊體流沉積特征的原因。

2）瓊東南盆地塊體流頭部多位于貫通斷裂附近，這種現(xiàn)象對(duì)于較新地層中發(fā)育的塊體流表現(xiàn)得更明顯，因此，發(fā)育于陸架邊緣斷層的活化而導(dǎo)致的地震活動(dòng)可能是瓊東南盆地塊體流發(fā)育的重要觸發(fā)機(jī)制之一。

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