南海北部深水盆地流體活動(dòng)系統(tǒng)及其成藏意義

孫啟良，吳時(shí)國(guó)＊，陳端新，米立軍

1中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266071

2中海石油（中國(guó)）有限公司勘探部，北京 100010

1 引言

流體活動(dòng)系統(tǒng)（Focused fluid flow system）在深水油氣和天然氣水合物成藏、深水地質(zhì)災(zāi)害和全球環(huán)境變化等方面的研究中備受關(guān)注，從而成為海洋地質(zhì)科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn).流體活動(dòng)系統(tǒng)通常指地震上有明顯識(shí)別特征的沿著局限的高滲帶發(fā)生運(yùn)移／流動(dòng)的束狀流體.它一般發(fā)育在封蓋性能良好的地層中（低孔隙度低滲透率），在局限的范圍內(nèi)提供流體垂向或亞垂向快速運(yùn)移的通道.它主要包括泥火山、泥底辟、氣煙囪、構(gòu)造斷層、多邊形斷層、碳酸鹽巖／蒸發(fā)巖溶蝕管狀通道和砂巖侵入體等多種類型.

國(guó)際上對(duì)流體活動(dòng)系統(tǒng)的研究由來(lái)以久，但是真正對(duì)其進(jìn)行深入而系統(tǒng)的研究主要得益于高品質(zhì)地震資料（尤其是3D地震資料）處理和解釋技術(shù)的發(fā)展.近幾年來(lái)，國(guó)外學(xué)者識(shí)別出多種類型的流體活動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)它們與深水油氣和天然氣水合物資源、海底穩(wěn)定性、海底生態(tài)系統(tǒng)和全球環(huán)境變化進(jìn)行了大量的研究（Hedberg，1974；Yassir，1989；Lavrushin et al.，1996；Milkov，2000；Kopf et al.，2001，2010；Dimitrov，2003；Judd and Hovland，2007）.流體活動(dòng)系統(tǒng)的形成受多種因素的影響，如高沉積速率（Yassir，1989）、油氣生成（Hedberg，1974；Lavrushin et al.，1996）、地震及構(gòu)造活動(dòng)（Kopf et al.，2001）、礦物脫水或天然氣水合物分解（Milkov，2000）等.構(gòu)造俯沖帶和造山帶處的流體活動(dòng)系統(tǒng)最為發(fā)育也是研究最為深入的地區(qū)，因?yàn)樵谶@些地方構(gòu)造應(yīng)力（擠壓應(yīng)力）、沉積物沉積速率和沉積厚度都比較深（Judd and Hovland，2007；Kopf et al.，2010）.隨著埋深的增加和溫度的上升，沉積物的孔滲性會(huì)降低并且有機(jī)質(zhì)的成熟度會(huì)增加.孔隙水不能正常的排出以及油氣的生成最終導(dǎo)致了泥巖中超壓的形成（Judd and Hovland，2007）.泥巖中的超壓為流體活動(dòng)系統(tǒng)的形成提供了最為重要的條件（Judd and Hovland，2007）.

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用2D地震資料對(duì)流體活動(dòng)系統(tǒng)做了大量的研究工作（郝芳等，2003；陳多福等，2004；王家豪等，2006；解習(xí)農(nóng)等，2006；吳能友等，2009；何家雄等，2010a）.在南海北部深水區(qū)也識(shí)別出了多種類型的流體活動(dòng)系統(tǒng)（郝芳等，2003；解習(xí)農(nóng)等，2006；吳能友等，2009；孫啟良，2011）.但是，到目前為止，還沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的研究，包括：（1）流體活動(dòng)系統(tǒng)各類型之間的主要區(qū)別和識(shí)別特征；（2）它們之間是否存在著演化關(guān)系；（3）張性構(gòu)造環(huán)境下的主要控制因素（世界上主要是匯聚型構(gòu)造環(huán)境）等重要的問(wèn)題還沒(méi)有給出明確的答案.而研究清楚這些問(wèn)題對(duì)正確認(rèn)識(shí)南海北部深水區(qū)的流體活動(dòng)系統(tǒng)以及對(duì)資源勘探等非常重要.本文擬在對(duì)南海北部深水區(qū)流體活動(dòng)系統(tǒng)類型梳理的基礎(chǔ)上，對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行研究：（1）南海北部深水盆地流體活動(dòng)系統(tǒng)的主要區(qū)別和識(shí)別特征；（2）柱狀流體活動(dòng)系統(tǒng)之間的演化關(guān)系；（3）南海北部深水盆地流體活動(dòng)系統(tǒng)的對(duì)深水油氣和天然氣水合物成藏的影響.

2 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于南海北部沉積盆地的深水部分（水深大于300m），包括瓊東南盆地南部、珠江口盆地南部、臺(tái)西南盆地西南部和中建南盆地北部（圖1）.南海北部的深水盆地的構(gòu)造演化經(jīng)歷了裂谷期、裂后熱沉降期和新生代構(gòu)造沉降期三大階段；但是，每個(gè)期次在各盆地所發(fā)生的時(shí)間有所不同（解習(xí)農(nóng)等，2006；朱偉林等，2007）.瓊東南盆地、珠江口盆地和臺(tái)西南盆地屬于張性盆地，而中建南盆地北部受張裂和走滑的雙重影響（Sun et al.，2013a）.

受構(gòu)造和盆地演化的影響，自古新世開(kāi)始上述深水盆地沉積了巨厚的沉積物，并且經(jīng)歷從斷陷湖盆相、濱淺海相到深海半深海相的演化過(guò)程（Xie et al.，2006b；董冬冬，2008；張功成等，2007；Zhu et al.，2009）.始新世至早中新世的深湖相泥巖、海陸過(guò)渡相泥巖、海相泥巖與煤系地層為研究區(qū)內(nèi)的主力烴源巖，具有良好的生烴能力（董冬冬，2008；Zhu et al.，2009）.

南海北部的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)始于5.5Ma（Lüdmann and Wong，1999；Zhu et al.，2009），在東部表現(xiàn)為東沙運(yùn)動(dòng)，而在西部表現(xiàn)為紅河斷裂的反轉(zhuǎn).新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)南海北部的流體運(yùn)動(dòng)、油氣的運(yùn)移、海底滑坡和沉積物變形等具有重要的影響（孫啟良，2011）.

3 南海北部流體活動(dòng)系統(tǒng)

根據(jù)流體活動(dòng)系統(tǒng)的成因機(jī)制及其地震剖面和地震屬性體上的特征，可將南海北部的流體活動(dòng)系統(tǒng)劃分為兩大類，即斷層相關(guān)的流體活動(dòng)系統(tǒng)和柱狀流體活動(dòng)系統(tǒng).

3.1 斷層相關(guān)的流體活動(dòng)系統(tǒng)

圖1 研究區(qū)位置及地震剖面位置圖Fig.1 Locations of the study area and seismic profiles

活動(dòng)斷層作為流體運(yùn)移的通道長(zhǎng)期以來(lái)受到廣泛而深入的研究.在南海北部深水盆地，其在反射地震上主要表現(xiàn)為沿?cái)鄬樱ㄓ绕涫瞧漤敳浚┓植嫉膹?qiáng)振幅異常，即“旗幟”狀反射（圖2a）.這種強(qiáng)振幅異常是氣體存在的一種標(biāo)志.另外，斷層上盤的雜亂反射異常也是構(gòu)造斷層作為流體運(yùn)移通道的一種重要證據(jù)（Sun et al.，2012a）.

多邊形斷層（Polygonal fault）是一種在平面上呈多邊形形態(tài)具有微小斷距的張性斷裂系統(tǒng)（Cartwright，1994）.在南海北部瓊東南盆地（吳時(shí)國(guó)等，2009；Sun et al.，2009，2010）、珠江口盆地（Chen et al.，2011；Sun et al.，2012a，2012b）和中建南盆地（Sun et al.，2013a）等深水盆地中都發(fā)現(xiàn)了多邊形斷層的存在.多邊形斷層一般成層狀發(fā)育在細(xì)粒沉積物中（圖2b）；平面形態(tài)大多呈沒(méi)有規(guī)律的多邊形形態(tài)（圖2c），但是在某些特定地區(qū)走向也具有一定的規(guī)律性（Chen et al.，2011）.多邊形斷層能否作為流體運(yùn)移的通道一直以來(lái)存在很大的爭(zhēng)議.珠江口盆地的多邊形斷層直接發(fā)育在儲(chǔ)層之上，但是高精度3D地震資料顯示儲(chǔ)層依然保存比較完好（Sun et al.，2012a）.這說(shuō)明儲(chǔ)層之上的多邊形斷層沒(méi)有起到流體運(yùn)移通道的作用.然而，瓊東南盆地多邊形斷層之上有比較明顯的地震反射異常（強(qiáng)振幅和雜亂反射異常），多邊形斷層溝通了下部的儲(chǔ)層與上部的砂巖儲(chǔ)集體，顯示了比較良好的油氣運(yùn)移通道（Sun et al.，2010）.另外，圖2b也顯示出強(qiáng)振幅異常（氣體）發(fā)育在多邊形斷層層之上.油氣通過(guò)多邊形斷層層，富集在其上的孔隙度較高的地層中，形成了淺層氣（藏）（圖2b）.這也間接的說(shuō)明了多邊形斷層可以作為油氣運(yùn)移的通道.

由于多邊形斷層發(fā)育層位的特殊性（細(xì)粒沉積物），其作為流體運(yùn)移的通道需要一定的條件.多邊形斷層的形成過(guò)程也是其開(kāi)啟的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)伴隨有大量的流體排出（Sun et al.，2010）.這種高壓流體的釋放可能與多邊形斷層的形成機(jī)制有關(guān)，如礦物脫水成巖等（吳時(shí)國(guó)等，2009；Cartwright，2011）.多邊形斷層形成以后就會(huì)閉合，并且多邊形斷層層（細(xì)粒沉積物）將會(huì)是比較好的蓋層.但是，一旦壓力再次聚集到一定程度，多邊形斷層就會(huì)活化，重新成為流體運(yùn)移的通道（Sun et al.，2009）.與多邊形斷層形成時(shí)較大范圍的超壓不同，這種壓力的再次聚集和多邊形斷層的活化一般只會(huì)發(fā)育在很小的范圍內(nèi)，并且往往與下部構(gòu)造有關(guān)（圖2b）.這種多邊形斷層的活化一方面意味著原有多邊形斷層的開(kāi)啟，另一方面也可能經(jīng)由水力壓裂形成許多小裂隙.流體繼續(xù)運(yùn)移就會(huì)在多邊形斷層之上形成氣煙囪和強(qiáng)振幅反射（圖2b）.

3.2 柱狀流體活動(dòng)系統(tǒng)

圖2 斷層相關(guān)的流體活動(dòng)系統(tǒng)（a）氣體（強(qiáng)振幅異常）沿構(gòu)造斷層呈“旗幟”狀分布；（b）氣煙囪和淺層氣（強(qiáng)振幅反射）直接發(fā)育在多邊形斷層層之上，表明多邊形斷層是流體運(yùn)移通道；（c）多邊形的斷層的平面特征.Fig.2 Focused fluid flow systems and faults（a）‘Flag’－shaped enhanced seismic amplitude（gas）along tectonic faults；（b）Gas chimney and shallow gas directly occur above polygonal faults，which indicate that polygonal faults are good fluid paths；（c）Geometrical features of polygonal faults in planar view.

柱狀流體活動(dòng)系統(tǒng)是目前研究最多，也是輸送／運(yùn)移效率較高的流體活動(dòng)系統(tǒng).它是指在地震剖面上垂向延伸，呈柱狀反射形態(tài)（至少通道呈柱狀反射形態(tài)）的聚集型流體活動(dòng)系統(tǒng).柱狀流體活動(dòng)系統(tǒng)一般包括以下幾種類型：氣煙囪（Gas chimney）、泥底辟（Mud diapir）、泥火山（Mud volcano）和管狀（pipe）系統(tǒng).它們?cè)诘卣鹕现饕瓷涮卣骱蛥^(qū)別見(jiàn)表1.

表1 泥火山、泥底辟、氣煙囪和管狀流體活動(dòng)系統(tǒng)在研究區(qū)內(nèi)的主要識(shí)別特征Table 1 Seismic characteristics of mud volcanoes，mud diapirs，gas chimneys and pipe system in the study area

氣煙囪是柱狀流體活動(dòng)系統(tǒng)中較為常見(jiàn)的類型.在我國(guó)南海北部深水區(qū)氣煙囪廣泛發(fā)育（Sun et al.，2012b；Sun et al.，2013a）.南海北部深水區(qū)的氣煙囪主要表現(xiàn)為柱狀的地震反射形態(tài)（圖3）.但是就世界范圍來(lái)說(shuō)，氣煙囪的地震反射形態(tài)多變（L?seth et al.，2009），柱狀反射特征是其較為常見(jiàn)的類型.氣煙囪主要是由氣體賦存在裂隙地層中所形成的低速含氣帶（Milkov，2000；Cathles et al.，2010）.因此，氣煙囪在地震上主要表現(xiàn)為弱振幅反射帶或空白帶，并且氣煙囪內(nèi)部表現(xiàn)為“下拉”的反射特征（圖3）.大多數(shù)情況下，這種“下拉”反射形態(tài)是由氣體存在所造成的低速地震反射異常，而非沉積地層真正的彎曲下拉（Judd and Hovland，2007）.氣煙囪是一種比較良好的流體運(yùn)移通道.強(qiáng)振幅反射（氣體）往往存在于氣煙囪的通道周圍以及氣煙囪的頂部（圖3）.但是，在這兩個(gè)部位，沒(méi)有觀察到因物質(zhì)上侵作用所形成的被動(dòng)褶皺（圖3）.

管狀流體活動(dòng)系統(tǒng)是目前研究最為薄弱的一種流體活動(dòng)系統(tǒng).只是近些年來(lái)，利用高精度的3D地震資料才得以對(duì)其進(jìn)行較為詳細(xì)的刻畫（Cartwright et al.，2007；L?seth et al.，2011）.它在地震上表現(xiàn)為狹長(zhǎng)的、垂向延伸的地震異常反射帶（Cartwright et al.，2007）.從某種程度上說(shuō)，它與氣煙囪的地震反射特征極為相似.但是，我們可以從以下三點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行區(qū)分：（1）垂向形態(tài)表現(xiàn)為嚴(yán)格的管狀（圖3b）；（2）平面一般為圓形或橢圓形，縱向延伸（高度）與橫向?qū)挾缺却螅ㄒ话愦笥?）；（3）管狀通道內(nèi)的“下拉”地震反射，是真正的沉積地層的彎曲下拉.管狀流體活動(dòng)系統(tǒng)可能直達(dá)海底，形成麻坑（圖3b）；也可能終止于沉積地層中，在其頂部形成強(qiáng)振幅異常（氣體）.

圖3 氣煙囪（gas chimney）和管狀（pipe）流體活動(dòng)系統(tǒng)的地震特征和主要區(qū)別（a）氣煙囪內(nèi)部呈“下拉”的弱振幅反射，通道周圍及頂部有強(qiáng)振幅反射異常（氣體）；（b）管狀流體活動(dòng)系統(tǒng)比較狹長(zhǎng)，縱向延伸與橫向?qū)挾缺戎荡?，其可發(fā)育到海底與麻坑相連.Fig.3 Seismic characteristics of gas chimney and pipe systems（a）＇Pull－down＇seismic reflections within gas chimney and enhanced seismic reflections at the top or around the gas chimney；（b）Narrow pipe－like fluid paths with large aspect ratio.Sometimes，pipes are connected with seabed pockmarks.

碳酸鹽巖溶蝕管狀通道是管狀流體活動(dòng)系統(tǒng)的一種重要的類型，它在我國(guó)南海北部東沙隆起（Sun et al.，2013b）和西部的廣樂(lè)隆起之上（Sun et al.，2013a）非常發(fā)育.它發(fā)育在碳酸鹽巖臺(tái)地之上，主要是由碳酸鹽巖在熱液流體的溶蝕作用下發(fā)生碳酸鹽巖溶蝕垮塌所形成的（Sun et al.，2013b）.東沙之上的碳酸鹽巖溶蝕通道一般終止于晚中新世和上新世界面處（T1）或稍微到界面之上；構(gòu)造斷層也多終止于該界面處（圖4）.這一時(shí)期是新構(gòu)造東沙運(yùn)動(dòng)的主要活動(dòng)期（Lüdmann and Wong，1999；趙淑娟等，2012），研究發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖溶蝕管狀通道與東沙運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)（Sun et al.，2013b）.東沙運(yùn)動(dòng)造成的巖漿侵入帶來(lái)大量的腐蝕性的熱液流體，這些熱液流體導(dǎo)致了碳酸鹽巖的溶蝕垮塌而形成“管狀”的流體運(yùn)移通道.溶蝕所形成的管狀通道一般下部地震反射較為雜亂（受地層垮塌和流體活動(dòng)的影響），上部表現(xiàn)為規(guī)則的下拉地震反射特征.部分管狀通道之上發(fā)育兩端上超的填充構(gòu)造，說(shuō)明其發(fā)育到古海底并形成麻坑，然后接受沉積物填充所形成的.

泥底辟也是南海北部深水區(qū)較為常見(jiàn)的一種柱狀流體活動(dòng)系統(tǒng)，其在地震剖面主要表現(xiàn)為內(nèi)部（通道）雜亂反射，或“下拉”反射或者“上拱”反射.通道周圍的地層以及泥底辟上部的地層，往往表現(xiàn)為因上侵作用所造成的被動(dòng)褶皺的地震反射形態(tài).在泥底辟侵入過(guò)程過(guò)，沉積物和流體混合物一起上侵.因此，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)有大量的流體發(fā)生運(yùn)移（Cartwright et al.，2007）.這樣就造成了泥底辟通道周圍的地層和泥底辟之上的地層中的強(qiáng)振幅地震異常（氣體）（圖5a）.泥底辟只是侵位到海底以下的地層中，并沒(méi)有噴發(fā)到海底.在泥底辟侵位的過(guò)程中，除了造成其周圍和上部的地層發(fā)生被動(dòng)變現(xiàn)成為褶皺外，還會(huì)使其上部的地層因張應(yīng)力而形成密集的正斷層（圖5a）.這些斷層也是比較良好的流體運(yùn)移通道，會(huì)使通過(guò)泥底辟運(yùn)移過(guò)來(lái)的流體進(jìn)一步發(fā)生遷移，在這些斷層周圍或者上部聚集，形成強(qiáng)振幅反射（圖5a）.

圖4 南海北部東沙隆起之上碳酸鹽巖溶蝕管狀（carbonate dissolution pipe）流體活動(dòng)系統(tǒng)的地震特征T1為中新世和上新世分界面（約5.5Ma）；T4約為早中新世和中中新世界面，也是碳酸鹽巖臺(tái)地的上界面.Fig.4 Seismic features of carbonate dissolution pipe systems at the Dongsha massif，northern South China Sea Reflector T1is the boundary between Miocene and Pliocene.T4is the boundary between Early Miocene and Middle Miocene，which is also the top of carbonate platform.

泥火山在地震反射特征上與泥底辟比較相似，其通道部位一般為雜亂反射或者空白反射（圖5b），少數(shù)表現(xiàn)為“下拉”的地震反射特征.而其通道周圍的沉積地層往往會(huì)因?yàn)槟噘|(zhì)的上侵作用而表現(xiàn)為被動(dòng)變形（褶皺）（圖5b）.并且，強(qiáng)振幅反射異常（氣體）常伴生發(fā)育在這些變形地層中.泥火山頂部的地層中也常伴有強(qiáng)振幅地震反射異常.這種地震反射異常預(yù)示著淺層氣體或碳酸鹽巖結(jié)殼的存在.泥火山的頂部暴露于海底或者古海底的，表現(xiàn)為隆起的海底地貌.噴出的物質(zhì)主要包括：各種流體（天然氣、石油和孔隙水等）、母源物質(zhì)和圍巖碎屑等（Cartwright et al.，2007；Kopf et al.，2010）.所以，泥火山形成后所沉積的地層超覆在泥火山之上（圖5b）.泥火山在強(qiáng)烈噴發(fā)以后，會(huì)進(jìn)入相對(duì)時(shí)間較長(zhǎng)的平靜期（Kopf，2002）.這個(gè)時(shí)期沒(méi)有物質(zhì)噴出，或只有少量的氣體和泥質(zhì)溢出.當(dāng)壓力聚集到一定程度，泥火山將會(huì)再次活動(dòng)，造成上部的地層發(fā)生被動(dòng)變形（相當(dāng)于泥底辟），或者噴發(fā)出海底形成新一期次的泥火山.

3.3 流體活動(dòng)系統(tǒng)的分布

在深水沉積盆地中流體運(yùn)移系統(tǒng)提供非常有效的流體運(yùn)移通道.隨著3D地震和高分辨率地震采集，利用3D地震成像技術(shù)深水盆地發(fā)現(xiàn)了大量裂隙，這種裂隙盡管斷距小、穿透地層有限，但是卻分布廣泛，如海底滑塌使沉積物發(fā)生變形，局部地層就可以產(chǎn)生活動(dòng)斷層或裂隙；沉積物快速堆積造成局部超壓、底辟、氣煙囪和火山活動(dòng)，可使相鄰地層發(fā)生變形或上拱，產(chǎn)生裂隙；同時(shí)礦物相變等原因形成的多邊形斷層等為流體從下部向水合物穩(wěn)定運(yùn)移提供通道.圖6為南海北部深水盆地中主要流體系統(tǒng)，主要有活動(dòng)斷裂、泥底辟、泥火山、氣煙囪、多邊形斷層、管狀通道水道砂體等多種流體活動(dòng)系統(tǒng).

4 流體活動(dòng)系統(tǒng)的控制因素

4.1 流體活動(dòng)系統(tǒng)的控制因素

如前所述，大部分流體活動(dòng)系統(tǒng)，如氣煙囪、管狀通道（pipe）、泥底辟、泥火山和多邊形斷層等的形成都與沉積地層中的超高壓密切相關(guān).地層中的超高壓主要由沉積物快速沉積、油氣生成、礦物脫水和構(gòu)造應(yīng)力等形成.但是，除了多邊形斷層是范圍較大超壓釋放外，柱狀流體活動(dòng)系統(tǒng)往往呈點(diǎn)狀進(jìn)行壓力釋放.因此，南海北部深水區(qū)的流體活動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)育往往受以下一個(gè)或多個(gè)因素的控制：（1）巨厚的低孔低滲黏土沉積物的堆積.其中的黏土礦物脫水不僅能產(chǎn)生大量的流體，而且其低孔低滲的物性也有利壓力的封存；（2）深埋沉積物中富含有機(jī)質(zhì).其有利于油氣生成和形成超壓；（3）構(gòu)造活動(dòng)造成基底或沉積物局部隆起.其有利于壓力的聚集并壓裂上覆地層而形成各種柱狀流體活動(dòng)系統(tǒng).該因素在南海北部瓊東南盆地和珠江口盆地尤為重要（Sun et al.，2012a，2013a）；（4）巖漿侵入.其不僅造成地形隆起，而且還提供CO2等酸性流體，溶蝕碳酸鹽巖而造成管狀垮塌等（圖4）.這在東沙隆起、廣樂(lè)隆起、西沙隆起和瓊東南盆地南部等碳酸鹽巖發(fā)育區(qū)尤為重要（Sun et al.，2013a）（圖6）；（5）地震活動(dòng).地震活動(dòng)能改變局部的應(yīng)力狀態(tài)和造成沉積物的液化.因此，其是重要的觸發(fā)機(jī)制，并在世界許多地方都有報(bào)道（Huuse et al.，2010）.南海北部地震活動(dòng)較多（王大偉等，2009），但是其對(duì)流通逸散活動(dòng)有多大的影響，根據(jù)現(xiàn)有的資料尚無(wú)法判斷.

圖5 泥底辟和泥火山的地震剖面特征及主要區(qū)別（a）泥底辟侵入到沉積地層中，造成泥底辟之上和通道附近的地層褶皺變形以及上部的地層發(fā)生斷裂，斷裂繼續(xù)輸送流體而形成強(qiáng)振幅（氣體）反射；（b）泥火山噴發(fā)到古海底，噴發(fā)之后的沉積物上超在泥火山之上，泥火山在形成過(guò)程中也會(huì)造成通道附近的地層形成被動(dòng)褶皺.Fig.5 Seismic features of mud volcanoes and mud diapirs（a）Intrusion of mud diapir causes stratum folds at the top and around the diapir and the occurrence of faults in overlying strata.Enhanced reflections occur along the faults；（b）Sediments overlap along the flanks of mud volcanoes.Folded strata are also observed along the mud volcanoes.

圖6 南海北部深水盆地流體活動(dòng)系統(tǒng)分布圖中符號(hào)只代表流體活動(dòng)系統(tǒng)存在位置，不代表真實(shí)個(gè)數(shù)；由于資料限制流體活動(dòng)系統(tǒng)分布數(shù)量和范圍應(yīng)比圖中所示更為廣泛.Fig.6 Distribution of focused fluid flow systems in the deep－water basins of the northern South China Sea The marks are only the locations，not the numbers of focused fluid flow systems.Because of the lacking data，the numbers and distribution areas of real focused fluid flow systems are more extensive than that displayed in the figure.

4.2 柱狀流體活動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力過(guò)程

雖然目前國(guó)內(nèi)外對(duì)柱狀流體活動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，但是對(duì)于它們之間的關(guān)系尚不清楚.柱狀流體活動(dòng)系統(tǒng)之間形態(tài)上比較相似，它們是否存在一定的演化關(guān)系呢？

本文認(rèn)為氣煙囪／管狀流體活動(dòng)系統(tǒng)、泥底辟和泥火山存在下列的演化關(guān)系.（1）氣煙囪的形成（圖7a）.當(dāng)?shù)貙又械某瑝撼^(guò)地層的屈服壓力，在沉積地層的薄弱地點(diǎn)（如地層隆起高點(diǎn)等）將會(huì)首先發(fā)生水力壓裂.從而產(chǎn)生大量的裂隙.流體將會(huì)沿這些裂隙發(fā)生垂向運(yùn)移.裂隙及其運(yùn)移的流體共同造成了通過(guò)地震所觀察到的地震異常（如雜亂反射、空白帶和弱振幅帶等）（圖3）.實(shí)驗(yàn)研究證明，少量的流體就能夠造成很大的波阻抗差異，從而形成比較強(qiáng)烈的振幅異常（Judd and Hovland，2007）.所以，從某種程度上說(shuō)，氣煙囪只是代表一種地球物理異常.水力壓裂所造成的裂隙規(guī)模比較小，用現(xiàn)在的地震手段很難對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的識(shí)別和刻畫.但是，目前從野外露頭觀測(cè)中，發(fā)現(xiàn)確實(shí)有大量的裂隙存在于氣煙囪帶中（L?seth et al.，2011）.（2）泥底辟的形成（圖7b）.當(dāng)母源區(qū)的超壓異常非常大時(shí)，母源區(qū)的物質(zhì)和流體就會(huì)沿著裂隙一起垂向運(yùn)移.這樣就造成了通道中的沉積物質(zhì)被攪拌混合，母源物質(zhì)夾雜圍巖碎屑以及大量的流體向上侵入.物質(zhì)的侵入造成了由地震所觀察到的圍巖和上覆地層的被動(dòng)變形（褶皺）以及上覆地層中的斷層的產(chǎn)生（圖5a）.（3）泥火山的形成（圖7c）.當(dāng)侵入物質(zhì)突破上覆地層的束縛，噴發(fā)到海底，就形成了泥火山.泥火山在形成的初期噴發(fā)會(huì)非常強(qiáng)烈，絕大多數(shù)的物質(zhì)和氣體（甲烷等）都是在這個(gè)時(shí)期被噴發(fā)到海底或者釋放到大氣中（Dimitrov，2003）.之后，泥火山會(huì)進(jìn)入時(shí)間較長(zhǎng)的休止期，直到壓力再次聚集達(dá)到噴發(fā)的強(qiáng)度.

這個(gè)模型闡述了從氣煙囪、泥底辟到泥火山的演化過(guò)程，對(duì)研究沉積盆地的流體活動(dòng)和物質(zhì)遷移非常重要.但是，也必須注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）該柱狀流體活動(dòng)系統(tǒng)的演化過(guò)程是單向的，不可逆的；（2）流體或物質(zhì)的侵入往往是快速就位的.從某種意義上說(shuō)，該模型主要是說(shuō)明泥火山的形成過(guò)程，氣煙囪和泥底辟屬于中間產(chǎn)物.但是，并不是所有的氣煙囪都會(huì)演化成泥底辟，也不是所有的泥底辟都會(huì)最終噴發(fā)到海底形成泥火山.它們的演化需要有持續(xù)的壓力和物質(zhì)的供給以及外部的觸發(fā)條件，如地震等.另外由于侵位速度比較快，有時(shí)候我們觀察不到氣煙囪的形成過(guò)程；（3）柱狀流體系統(tǒng)發(fā)育到海底并不是都能形成泥火山.受洋流等作用的影響，噴出的物質(zhì)也可能被底流帶走，而在海底侵蝕形成麻坑（Sun et al.，2011）.另外，氣煙囪和管狀流體活動(dòng)系統(tǒng)也可能發(fā)育到海底形成麻坑（圖3b）；（4）泥底辟和泥火山的最主要特征是都發(fā)生物質(zhì)和流體的遷移，而前者只侵入未噴發(fā)，后者在海底發(fā)生噴發(fā).氣煙囪和泥底辟／泥火山的最大區(qū)別在于氣煙囪只有流體發(fā)生運(yùn)移而無(wú)沉積物（泥質(zhì)）發(fā)生遷移；（5）氣煙囪中的“下拉”的地震反射特征是氣體正在發(fā)生運(yùn)移或者存在氣體的表現(xiàn).如果氣體運(yùn)移停止，這種“下拉”的地震反射特征會(huì)變?nèi)趸蛘呦В挥行┯捎诔蓭r作用還可能出現(xiàn)“上拉”的地震反射特征.但是，由于無(wú)泥質(zhì)參與運(yùn)移，其周圍和上覆地層始終不會(huì)被動(dòng)變形.可以根據(jù)這點(diǎn)仍然可以把氣煙囪與泥底辟和泥火山分開(kāi).

5 流體活動(dòng)系統(tǒng)對(duì)深水油氣和天然氣水合物的成藏意義

流體活動(dòng)系統(tǒng)在深水油氣和天然氣水合物成藏方面具有重要的意義（圖8）.流體活動(dòng)系統(tǒng)的存在是沉積盆地內(nèi)油氣系統(tǒng)活躍的一種標(biāo)志（Orange et al.，2008）.同時(shí)，它也預(yù)示著該盆地中可能存在著豐富的油氣資源.我國(guó)南海北部的瓊東南盆地和珠江口盆地已經(jīng)驗(yàn)證了這一點(diǎn)（Wu S G et al.，2009；Zhu et al.，2009）.雖然中建南盆地和臺(tái)西南盆地的目前的勘探程度還比較低，但是根據(jù)大量發(fā)育的流體活動(dòng)系統(tǒng)（何家雄等，2010b；Sun et al.，2013a）判斷，這兩個(gè)盆地的深水區(qū)也應(yīng)該有比較大的油氣潛力.但是，大量流體活動(dòng)系統(tǒng)的存在，也會(huì)對(duì)蓋層的完整性造成破壞，從而導(dǎo)致成藏的油氣發(fā)生逸散，為勘探帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn).逸散的油氣可能在淺層再次成藏，形成淺層氣或淺層油氣藏，如瓊東南盆地（Sun et al.，2010）、珠江口盆地（Sun et al.，2012a）和中建南盆地（Sun et al.，2013a）；也有可能在水合物穩(wěn)定帶處聚集形成天然氣水合物，如珠江口盆地（Wang et al.，2011；Sun et al.，2012b）.另一方面，如果油氣逸散到海底，會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)化能反應(yīng)的生物大量繁殖，形成獨(dú)特的深水生態(tài)系統(tǒng)（Boetius et al.，2000）.這些生物通過(guò)厭氧氧化作用在東沙隆起東部形成大面積的自生碳酸鹽巖沉積（Chen et al.，2005）.

圖7 氣煙囪、泥底辟到泥火山的演化關(guān)系示意圖Fig.7 Cartoon showing evolution of columnar focused fluid flow systems（gas chimney，mud diapir and mud volcano）

圖8 南海北部深水盆地流體活動(dòng)系統(tǒng)與深水油氣和天然氣水合物關(guān)系示意圖（圖中流體活動(dòng)系統(tǒng)大小不代表實(shí)際比例）Fig.8 Sketch of focused fluid flow systems and deep－water hydrocarbon／gas hydrate in the deep－water basins of the northern South China Sea（the sizes of focused fluid flow systems in the figure are not equal to the real ones）

另外，陸坡區(qū)的流體逸散對(duì)海底沉積物穩(wěn)定性具有重要的影響.流體逸散容易造成海底及淺層的沉積物變形，如麻坑、沉積物塑性流動(dòng)等.并且，在逸散流體的參與使沉積物更加的塑性，更容易產(chǎn)生滑動(dòng)等.這種由流體逸散所導(dǎo)致的沉積物變形發(fā)生的可以很快，如泥火山可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)形成.所以在深水施工過(guò)程中需要加以注意和規(guī)避.

6 結(jié)論

根據(jù)高精度的2D和3D地震資料，本文在南海北部深水區(qū)識(shí)別出大量的流體活動(dòng)系統(tǒng).根據(jù)這些流體活動(dòng)系統(tǒng)的地震反射特征和形成機(jī)制等，可以劃分為兩大類.第一類是斷層有關(guān)的流體活動(dòng)系統(tǒng)，包括構(gòu)造斷層和多邊形斷層；第二類是柱狀流體活動(dòng)系統(tǒng)，包括氣煙囪、管狀流體系統(tǒng)、泥底辟和泥火山等.與流體活動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)的地震異常，如強(qiáng)振幅反射、雜亂反射、空白反射和弱振幅反射等說(shuō)明它們是良好的流體運(yùn)移通道.

南海北部的流體活動(dòng)系統(tǒng)的形成主要受構(gòu)造和沉積兩方面因素的控制.其中，基底隆起等為流體向高點(diǎn)聚集提供了條件，有利于柱狀流體活動(dòng)系統(tǒng)的形成.南海北部較高的沉積速率以及富含有機(jī)質(zhì)黏土細(xì)粒沉積物也有利于壓力的形成和封存，為流體活動(dòng)系統(tǒng)的超壓形成提供必要的條件.氣煙囪、泥底辟和泥火山可能存在單向的演化關(guān)系.氣煙囪是流體（氣體和孔隙水）垂向運(yùn)移在地震上形成的低速帶；泥底辟不僅有流體垂向運(yùn)移，而且泥質(zhì)也發(fā)生了上侵，但是并未噴發(fā)出海底；而泥火山是流體和泥質(zhì)噴發(fā)出海底所形成的正地形.三者的演化伴隨著壓力的變化及其對(duì)母源和圍巖中沉積物的攪拌作用.流體活動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)深水油氣和天然氣水合物的勘探具有重要的指示意義.

致謝 感謝中海油和中石油所提供的地震資料并允許發(fā)表部分地震剖面，感謝審稿專家所提出的寶貴意見(jiàn)，這些意見(jiàn)和建議對(duì)提高本文質(zhì)量幫助很大.

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