南海東北部陸坡天然氣水合物區(qū)的滑塌和泥火山活動(dòng)

劉伯然，宋海斌，關(guān)永賢，拜陽(yáng)，陳江欣，耿明會(huì)

(1. 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 同濟(jì)大學(xué) 海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；4. 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510075)

南海東北部陸坡天然氣水合物區(qū)的滑塌和泥火山活動(dòng)

劉伯然1，2，宋海斌3*，關(guān)永賢4，拜陽(yáng)3，陳江欣1，2，耿明會(huì)1，2

(1. 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 同濟(jì)大學(xué) 海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；4. 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510075)

本文研究了南海東北部陸坡天然氣水合物區(qū)滑塌和泥火山活動(dòng)的特征及表現(xiàn)形式，探討了滑塌和泥火山活動(dòng)對(duì)天然氣水合物成藏的影響，提出了滑塌主導(dǎo)和滑塌、泥火山共同作用兩種控制模式。根據(jù)地震數(shù)據(jù)、淺層剖面和海底地形數(shù)據(jù)解釋?zhuān)瑢⒀芯繀^(qū)劃分為規(guī)則滑塌區(qū)和泥火山活動(dòng)影響區(qū)，并識(shí)別出泥火山、泥火山脊、凹槽、凹坑等特征地形?；湍嗷鹕交顒?dòng)是陸坡天然氣水合物發(fā)育區(qū)重要的地形控制因素，兩種活動(dòng)共同作用產(chǎn)生復(fù)雜的地形特征。綜合多條地震測(cè)線中似海底反射層(BSR)形態(tài)、連續(xù)性和滑塌、泥火山活動(dòng)的關(guān)系，認(rèn)為滑塌控制的區(qū)域，BSR連續(xù)，天然氣水合物儲(chǔ)藏較完整，泥火山活動(dòng)區(qū)天然氣水合物儲(chǔ)藏也僅受到局部破壞。同時(shí)指出滑塌和泥火山活動(dòng)對(duì)研究區(qū)長(zhǎng)期天然氣滲漏活動(dòng)具有重要作用。

南海；東北部陸坡；天然氣水合物；滑塌；泥火山脊

1 引言

天然氣水合物發(fā)育的陸坡地區(qū)，?？捎^察到滑塌構(gòu)造[1—3]。研究表明天然氣水合物分解，導(dǎo)致的陸坡區(qū)沉積物強(qiáng)度減弱，是滑塌發(fā)生的主要原因之一[4—6]?；鷧^(qū)天然氣水合物分解產(chǎn)生的甲烷，有時(shí)會(huì)釋放到海水中形成天然氣滲漏[6—8]。南海珠江口盆地等油氣和天然氣水合物發(fā)育區(qū)都有滑塌體存在[9—11]。

全球主要的天然氣水合物發(fā)育區(qū)，普遍有泥火山和泥底辟發(fā)現(xiàn)[3，12—16]。近年來(lái)，泥火山活動(dòng)與天然氣水合物發(fā)育關(guān)系的討論，受到廣泛關(guān)注[17—21]。泥火山物質(zhì)上涌會(huì)攜帶大量的水和油氣，可能為天然氣水合物發(fā)育補(bǔ)充甲烷和孔隙水來(lái)源[15]。同時(shí)泥火山活動(dòng)會(huì)破壞原有的天然氣水合物穩(wěn)定帶，其帶來(lái)的溫壓變化也可能造成天然氣水合物分解[22]。

我國(guó)南海天然氣水合物的成藏體系[1，8—11]，流體運(yùn)移系統(tǒng)[9，22]，成藏控制因素[17—23]的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)，但是對(duì)泥火山和天然氣水合物成藏關(guān)系的討論，滑塌和泥火山活動(dòng)相互作用的研究尚不充分。本文利用南海東北部陸坡天然氣水合物發(fā)育區(qū)的高精度海底地形數(shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)和淺層剖面，分析該區(qū)滑塌、泥火山活動(dòng)的特征，討論滑塌、泥火山活動(dòng)的相互作用，及其與天然氣水合物成藏的關(guān)系。研究區(qū)位于南海東北部陸坡，珠江口盆地東部，臺(tái)西南盆地內(nèi)。研究區(qū)可觀察到明顯的滑塌和泥火山活動(dòng)，且地震剖面中普遍可見(jiàn)似海底反射層(Bottom Simulating Reflector，BSR)，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局2013年夏天進(jìn)行的鉆井勘查結(jié)果，證實(shí)了該區(qū)的天然氣水合物發(fā)育[24]。

2 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于南海東北部陸坡，臺(tái)西南盆地的中部隆起區(qū)附近，西鄰臺(tái)灣峽谷，東接澎湖峽谷，所處海域海底地形地貌復(fù)雜，發(fā)育海槽、海谷、海山、陡崖、斜坡、沖刷溝、海丘等[25—27]。研究區(qū)發(fā)育有天然氣水合物藏，天然氣水合物的分解會(huì)顯著地降低沉積物強(qiáng)度，影響陸坡的穩(wěn)定性從而引發(fā)滑塌。同時(shí)研究區(qū)位于南海與外海的通道口(呂宋海峽)附近，海流的強(qiáng)烈沖刷也易誘發(fā)滑塌形成。南海東北部陸坡不同時(shí)期的沉積相分布圖表明，晚中新世以來(lái)研究區(qū)滑塌沉積非常發(fā)育[28]。

臺(tái)西南盆地的歷史演化過(guò)程，經(jīng)歷了古新世-漸新世的伸展斷陷、漸新世末期的構(gòu)造反轉(zhuǎn)及其中新世以來(lái)的熱力學(xué)沉降坳陷等幾個(gè)發(fā)育階段[29]。古新世-漸新世的伸展斷陷階段，形成了臺(tái)西南盆地分割半地塹的盆地原型，并先后接受了海陸交互相和濱海-淺海相的沉積。漸新世末期發(fā)生了重要的構(gòu)造反轉(zhuǎn)，經(jīng)歷了一次強(qiáng)烈的擠壓事件，早期的正斷層局部發(fā)生反轉(zhuǎn)，且發(fā)育了大量的逆沖斷層及其相關(guān)的褶皺。中新世以來(lái)臺(tái)西南盆地以熱沉降坳陷作用為主，快速沉積充填了半深海-深海相的中新統(tǒng)-上新統(tǒng)大套厚層泥頁(yè)巖，為該區(qū)泥火山發(fā)育提供了雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ)[30]。臺(tái)西南盆地內(nèi)海底熱流值和地溫梯度均較高[31—32]，實(shí)測(cè)盆地不同位置熱流值和地溫梯度相差較大，有研究顯示該區(qū)熱流值和地溫梯度的高值異常與泥火山、泥底辟活動(dòng)相關(guān)[32]。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局提供，主要是近年來(lái)在南海東北部陸坡采集的地震數(shù)據(jù)、淺層剖面數(shù)據(jù)和測(cè)深數(shù)據(jù)。地震測(cè)線道間距12.5 m，采樣率為1 ms，總長(zhǎng)約3 000 km。地震數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了帶通濾波，振幅補(bǔ)償，預(yù)測(cè)反褶積，速度分析，去噪，疊加，偏移等處理流程。淺層剖面數(shù)據(jù)的采集儀器為Parasound P70全海域參量淺層剖面儀，工作頻率為4 kHz，淺層剖面數(shù)據(jù)的采集采用了等距發(fā)射模式(Quasi-equidistant)。數(shù)據(jù)處理方面，我們對(duì)同一條測(cè)線的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，然后進(jìn)行簡(jiǎn)單的帶通濾波處理。海底地形數(shù)據(jù)是從多條地震測(cè)線中拾取海底得到，地震測(cè)線為北西-南東向，測(cè)線陣列共327條，道間距12.5 m，測(cè)線間距50 m。

研究區(qū)位于臺(tái)西南盆地內(nèi)(圖1方框區(qū)域)，處于陸坡位置，地形復(fù)雜。

圖1 研究區(qū)域位置圖Fig.1 Location of the study area

4 研究區(qū)地形及剖面特征

4.1 滑塌、泥火山活動(dòng)

4.1.1 地形特征

研究區(qū)位于南海東北部陸坡，平均坡度在2.5°左右。圖2a是研究區(qū)海底地形圖，該區(qū)地形復(fù)雜，自北而南地形整體上逐漸下降，從700 m水深下降到1 500 m水深，研究區(qū)左上角和右上角區(qū)域與丘狀地形的主體區(qū)域有峽谷分隔。研究區(qū)內(nèi)測(cè)線A-A′和測(cè)線B-B′上的地形特征存在明顯差異(見(jiàn)圖3)，A-A′測(cè)線附近東西向地勢(shì)平坦，南北向地勢(shì)有層次地下降，測(cè)線B-B′附近地形凹凸不平，且整體地勢(shì)高于測(cè)線A-A′附近區(qū)域。分析發(fā)現(xiàn)這兩片區(qū)域分別受滑塌活動(dòng)控制和滑塌-泥火山活動(dòng)共同作用控制，我們將這兩片區(qū)域分別命名為規(guī)則滑塌區(qū)和泥火山活動(dòng)影響區(qū)。

圖2 研究區(qū)海底地形圖(a)和地形解釋圖(b)Fig.2 Bathymetry map (a) and its morphology interpretation (b) of the study area

圖2b顯示了規(guī)則滑塌區(qū)和泥火山活動(dòng)影響區(qū)的范圍，及泥火山活動(dòng)影響區(qū)內(nèi)主要的地形、構(gòu)造特征分布。我們結(jié)合海底地形和地震剖面，在研究區(qū)圈定了3座泥火山，它們規(guī)模較小，直徑約100～300 m，高度約20～50 m。同時(shí)圖中標(biāo)示了識(shí)別出的主要泥火山脊(見(jiàn)4.2.2)，除單獨(dú)的泥火山脊外，凹坑、凹槽地形的形成也與泥火山脊有關(guān)(見(jiàn)4.2.3)，可以看到研究區(qū)的泥火山活動(dòng)以泥火山脊為主要形式。

4.1.2 規(guī)則滑塌區(qū)

本文中提到的滑塌是指陸坡內(nèi)局部的、小范圍的沉積物滑動(dòng)變形[1，6]，與海底滑坡[33—37]有所區(qū)別，不會(huì)直接引起沉積物向海盆方向的長(zhǎng)距離輸運(yùn)。由于陸坡地區(qū)存在一定坡度，如果天然氣水合物分解等原因?qū)е鲁练e物強(qiáng)度減弱，在重力的作用下可能發(fā)生滑塌[38]。經(jīng)歷多期次的滑塌后，整個(gè)區(qū)域可形成階梯狀的地形(見(jiàn)圖3a)。規(guī)則的階梯狀下降地形，是規(guī)則滑塌區(qū)的主要特征。

如圖3a所示，規(guī)則滑塌區(qū)測(cè)線中BSR連續(xù)性好，在整條測(cè)線內(nèi)形態(tài)變化不大，BSR下方為弱振幅區(qū)，反射信息較少。BSR在接近滑塌面位置略上凸，和地形起伏對(duì)應(yīng)，可見(jiàn)滑塌發(fā)生后，地形改變引起的地層內(nèi)壓力變化，使得天然氣水合物穩(wěn)定帶和下伏游離氣的邊界也相應(yīng)變動(dòng)。

4.1.3 泥火山活動(dòng)影響區(qū)

受泥火山、泥火山脊等影響，泥火山活動(dòng)影響區(qū)的地形復(fù)雜起伏，但仍有滑塌構(gòu)造存在，如圖3b所示。泥火山活動(dòng)對(duì)滑塌塑造的階梯狀地形破壞作用明顯，該測(cè)線中不僅可見(jiàn)錐形泥火山、局部地形凸起，還有中間低兩邊高的凹坑地形。在地形平坦的天然氣滲漏區(qū)，地層內(nèi)流體釋放后，失壓坍塌常形成麻坑，麻坑地形上也多是圓形、橢圓形的凹陷，但研究區(qū)的凹坑地形與麻坑成因完全不同(見(jiàn)4.2.3)。

圖3 規(guī)則滑塌區(qū)(a)和泥火山活動(dòng)影響區(qū)(b)的典型地震剖面(剖面位置見(jiàn)圖2)Fig.3 Typical seismic profile of regular slide region (a) and mud volcanism activities affected region(b) (location of profile see Fig.2)

相對(duì)于規(guī)則滑塌區(qū)，泥火山活動(dòng)影響區(qū)測(cè)線中BSR連續(xù)性較差，且在一條測(cè)線內(nèi)BSR形態(tài)變化明顯。圖3b所示B-B′測(cè)線中，泥火山附近雖存在與海底反極性的強(qiáng)振幅反射，但同相軸短且傾向雜亂，凹坑地形附近也存在明顯的BSR錯(cuò)斷。整條測(cè)線由上而下，BSR形態(tài)從較薄、較弱振幅，變化為較粗、強(qiáng)振幅的特征。圖中泥火山下方存在明顯的弱振幅帶，推測(cè)為泥火山物質(zhì)的運(yùn)移通道。凹坑地形右側(cè)海底有一定程度的隆起，其對(duì)應(yīng)區(qū)域BSR下方也可見(jiàn)弱振幅帶。從整條測(cè)線看，BSR下方振幅普遍較弱，但弱振幅帶兩側(cè)出現(xiàn)了振幅較強(qiáng)的反射同相軸，這可能是泥火山物質(zhì)在運(yùn)移過(guò)程中，與圍巖物質(zhì)交換、相互影響帶來(lái)的地層間物性差異在地震剖面中的體現(xiàn)。

4.2 特征地形

4.2.1 泥火山

圖4給出泥火山活動(dòng)影響區(qū)北部的一座泥火山在地震剖面、淺層剖面及海底地形上的表現(xiàn)，其位置在圖3b標(biāo)示，該泥火山直徑約為300 m，高度約50 m。在地震剖面中可見(jiàn)泥火山的物質(zhì)運(yùn)移通道，隨著靠近海底面通道寬度逐漸變窄，同時(shí)運(yùn)移通道對(duì)BSR連續(xù)性造成了破壞。淺層剖面中可觀察到泥火山之下存在聲學(xué)空白帶，與泥火山物質(zhì)運(yùn)移通道對(duì)應(yīng)。在海底地形圖中可見(jiàn)，泥火山周?chē)却嬖谕黄鸬匦?，也存在形狀不?guī)則的凹陷地形，顯示了該區(qū)域復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。

如圖4a地震剖面中所示，泥火山運(yùn)移通道上方BSR被“阻斷”，同相軸變雜亂且振幅減弱，泥火山通道在阻斷BSR的位置也慢慢消失，同時(shí)地震剖面中泥火山通道兩邊同相軸有下拉現(xiàn)象，而不是隨泥火山物質(zhì)運(yùn)移方向上傾，這通常是通道兩邊介質(zhì)聲速減小引起的[12]。泥火山物質(zhì)的運(yùn)移可能破壞了天然氣水合物穩(wěn)定帶，造成天然氣水合物分解，分解產(chǎn)生的甲烷等影響了通道內(nèi)物質(zhì)的物理性質(zhì)。泥火山通道兩邊雜亂的短同相軸，可能是地層在泥火山物質(zhì)侵蝕、天然氣水合物分解的共同影響下，介質(zhì)聲速減小，與周邊地層存在明顯物性差異造成的。

總的來(lái)說(shuō)，研究區(qū)內(nèi)泥火山數(shù)量較少、規(guī)模較小，從圖2a中也可以看到，泥火山并不是研究區(qū)復(fù)雜起伏地形的決定因素。

圖4 泥火山在研究區(qū)地震剖面(a)、淺層剖面(b)、海底地形圖(c)資料中的表現(xiàn)Fig.4 Profiles of mud volcanoes in multi-channel seismic data (a)， sub-bottom profiler data (b)，and bathymetry map (c)

4.2.2 泥火山脊

泥火山脊在成因上類(lèi)似泥火山，但區(qū)別于泥火山的錐形地貌，地形上表現(xiàn)為凸起的狹長(zhǎng)條帶，如圖5a所示。泥火山脊既可能是泥火山物質(zhì)刺穿地表，在帶狀區(qū)域內(nèi)涌出的結(jié)果，也可能是泥火山物質(zhì)上涌到近地表，引起的局部海底受力變形[3，38]。

我們判斷圖5a中的條帶狀突起為泥火山脊，主要依據(jù)以下3點(diǎn)：首先是它在位置上鄰近一處泥火山，可以推測(cè)該處有泥火山物質(zhì)的活動(dòng)，其次，是其條帶狀的形態(tài)在地震剖面，淺層剖面和多波束地形圖上相互印證，地震剖面上BSR形態(tài)改變和淺層剖面中存在聲學(xué)空白帶都顯示該處沉積物物理性質(zhì)的異常，最后，全球多處天然氣水合物發(fā)育區(qū)，都有泥火山和泥底辟的發(fā)育，部分地區(qū)類(lèi)似的構(gòu)造被認(rèn)為與泥火山物質(zhì)運(yùn)移有關(guān)[12，15，42—43]。

圖6a，b是圖5a所示A1-B1，A2-B2兩段對(duì)應(yīng)的地震剖面，觀察可知泥火山脊下方的BSR都有明顯的上移，A1-B1段剖面中BSR連續(xù)，其產(chǎn)狀也與海底的地形起伏一致，而在A2-B2段剖面中，BSR存在局部的錯(cuò)斷和缺失，BSR的錯(cuò)斷發(fā)生于滑塌面，缺失則發(fā)生在右側(cè)凸出的泥火山脊下方。泥火山脊發(fā)育位置BSR是否存在缺失，可能反映了上涌的泥火山物質(zhì)是否抵達(dá)天然氣水合物穩(wěn)定帶。泥火山物質(zhì)的上涌不僅會(huì)破壞地層結(jié)構(gòu)，帶來(lái)的溫壓條件改變還會(huì)帶來(lái)附近天然氣水合物的分解，則原有的天然氣水合物和下伏游離氣的分界不復(fù)存在，在地震剖面上不會(huì)出現(xiàn)BSR[39]。

圖6c，d分別是地震剖面A1-B1和A2-B2位置對(duì)應(yīng)的淺層剖面，在剖面中可見(jiàn)泥火山脊下方存在反射空白帶。已有研究工作表明[40—42]，沉積層內(nèi)淺層氣聚集的區(qū)域，對(duì)聲信號(hào)的吸收顯著增強(qiáng)，可以在淺層剖面中形成聲學(xué)空白帶，同時(shí)Judd和Hovland[43]認(rèn)為，流體(如水、天然氣等)充填于沉積物孔隙內(nèi)，會(huì)使局部區(qū)域壓力增強(qiáng)，阻止聲波能量的下傳從而形成聲學(xué)空白帶。

觀察圖5a中地形和圖6各剖面可見(jiàn)，兩條地震剖面中左側(cè)泥火山脊地形變化不大，右側(cè)的泥火山脊在A2-B2剖面中比A1-B1剖面中上凸更明顯，且剖面A2-B2中右側(cè)泥火山脊下方BSR存在明顯不連續(xù)，A1-B1中BSR較連續(xù)。淺層剖面中A2-B2對(duì)應(yīng)段下方振幅更弱，聲學(xué)空白帶更顯著。推測(cè)兩條泥火山脊是不同期次形成的，左側(cè)泥火山脊先期形成，且已停止活動(dòng)，其下方天然氣水合物和下伏游離氣的穩(wěn)定邊界已經(jīng)恢復(fù)。右側(cè)泥火山脊后期形成，依然存在一定的泥火山物質(zhì)運(yùn)移，或者其形成對(duì)天然氣水合物穩(wěn)定帶的破壞還未修復(fù)。兩條泥火山脊位置緊鄰，位于滑塌面附近且形成時(shí)間很可能有先后順序，它們形成時(shí)的物質(zhì)運(yùn)移通道和滑塌面存在重疊的可能性，可能與滑塌面附近沉積物松散、縫隙多發(fā)，有利于泥火山物質(zhì)運(yùn)移有關(guān)。

4.2.3 凹槽、凹坑地形

凹槽地形和凹坑地形都與泥火山脊相關(guān)，是在滑塌和泥火山活動(dòng)共同作用下形成的?；l(fā)生后一側(cè)地形不變而另一側(cè)沿滑塌面下降，若地形下降一側(cè)滑塌面處有泥火山脊發(fā)育，原地勢(shì)高一側(cè)和泥火山脊的凸出地形緊鄰，則形成凹槽地形。在兩處凸起的泥火山脊中間或滑塌面和泥火山脊中間，夾存底部較為平坦區(qū)段，則形成中間低兩邊高的凹坑地形，如圖5b所示。

圖7 穿過(guò)凹槽、凹坑地形中心的地震剖面A3-B3(a)和穿過(guò)凹槽、凹坑地形邊緣的地震剖面A4-B4(b)及其位置對(duì)應(yīng)的淺層剖面(c、d)Fig.7 Seismic profile A3-B3 crossing mud volcano ridges (a) and A4-B4 crossing mud volcano ridges (b), and the sub-bottom profiles near A3-B3 (c) and A4-B4(d)

圖7a所示A3-B3段地震剖面穿過(guò)圖5b中凹槽、凹坑地形的中心，圖7b所示A4-B4段地震剖面穿過(guò)凹槽、凹坑地形的邊緣。A3-B3段剖面中BSR連續(xù)性差，滑塌面及相鄰泥火山脊下方BSR形態(tài)有明顯變化，凹坑地形下方BSR有缺失，且BSR缺失區(qū)下方存在異常強(qiáng)反射。A3-B3剖面中BSR附近的雜亂形態(tài)，可能是受泥火山物質(zhì)影響，沉積物與泥火山物質(zhì)互相交換，會(huì)造成區(qū)域性的物性不均一，在地震剖面中表現(xiàn)出同相軸不連續(xù)、反射雜亂。A4-B4段剖面中BSR相對(duì)連續(xù)，雖然局部有突起但整體形態(tài)變化不大。

圖7c,d分別是A3-B3、A4-B4段對(duì)應(yīng)的淺層剖面，在圖7c穿過(guò)凹槽、凹坑地形中心的淺層剖面上，可以看到凹槽地形左側(cè)地層反射較厚、振幅較強(qiáng)，泥火山脊下方則存在弱振幅帶和聲學(xué)空白帶。凹坑地形左側(cè)泥火山脊下方，在兩端剖面中分別存在弱振幅帶和聲學(xué)空白帶，而凹坑右側(cè)泥火山脊下方，則以連續(xù)的地層反射為主。在圖7d穿過(guò)凹槽、凹坑地形邊緣的淺層剖面中，可以看到多段聲學(xué)空白帶。

圖7a中黃色的帶狀區(qū)域疑似泥火山物質(zhì)運(yùn)移通道，剖面中的異常圍繞該疑似運(yùn)移通道發(fā)生，疑似運(yùn)移通道處于滑塌面所在位置，方向也與滑塌面平行。關(guān)于泥火山脊和滑塌發(fā)生的相互影響，是水合物自然分解誘導(dǎo)產(chǎn)生滑塌在先，泥火山物質(zhì)沿滑塌面“趁虛而入”，形成泥火山脊；還是泥火山物質(zhì)運(yùn)移到該區(qū)域，引起溫壓條件變化導(dǎo)致水合物分解加劇，從而促進(jìn)了滑塌的發(fā)生，還需要更多證據(jù)才能做出判斷。

通過(guò)上文對(duì)泥火山山脊和凹槽、凹坑地形的分析可知，泥火山脊不僅引起條帶狀的地形凸起，而且與滑塌活動(dòng)相互作用，形成凹槽、凹坑地形。泥火山脊的發(fā)育破壞了滑塌本該形成的階梯狀地形，是泥火山活動(dòng)影響區(qū)呈現(xiàn)復(fù)雜起伏地形的主要原因。

4.3 規(guī)則滑塌區(qū)、泥火山活動(dòng)影響區(qū)和BSR

圖8是穿過(guò)研究區(qū)的橫測(cè)線L-L′，位置如圖2中所示。從圖2b中可見(jiàn)L-L′測(cè)線穿過(guò)規(guī)則滑塌區(qū)和泥火山活動(dòng)影響區(qū)，且切過(guò)一條泥火山脊。由圖7剖面可見(jiàn)測(cè)線中規(guī)則滑塌區(qū)內(nèi)海底起伏小，BSR振幅強(qiáng)、連續(xù)性好。泥火山活動(dòng)影響區(qū)內(nèi)，海底起伏不平，BSR發(fā)生錯(cuò)斷并逐漸消失。規(guī)則滑塌區(qū)和泥火山活動(dòng)影響區(qū)的分界處BSR缺失，L-L′切過(guò)的泥火山脊緊鄰分界，該泥火山脊下方存在BSR，但與周邊BSR不連續(xù)。

滑塌的發(fā)生的直接原因是沉積物強(qiáng)度減弱，天然氣水合物分解后會(huì)釋放出水和甲烷，液態(tài)的水和游離態(tài)的甲烷會(huì)明顯降低沉積層的抗剪強(qiáng)度，可能觸發(fā)沉積層向下滑動(dòng)、滑塌。在天然氣水合物發(fā)育區(qū)，天然氣水合物的分解是滑塌發(fā)育的主要原因[6，44]。圖8剖面內(nèi)規(guī)則滑塌區(qū)完整連續(xù)的BSR顯示，引發(fā)滑塌的水合物分解活動(dòng)對(duì)該區(qū)天然氣水合物成藏的影響很小。

泥火山脊是泥火山物質(zhì)上涌引起的，但圖8剖面中泥火山脊下方存在BSR，而不是反射空白或弱振幅通道，圖6兩地震剖面中也可看到泥火山脊下方較連續(xù)的BSR分布。一種可能是泥火山物質(zhì)運(yùn)移至淺部，但未抵達(dá)天然氣水合物穩(wěn)定帶，只是引起局部的地形突起表現(xiàn)為泥火山脊。另一可能是泥火山物質(zhì)侵入到天然氣水合物穩(wěn)定帶，造成水合物分解的同時(shí)，但也為該處補(bǔ)充大量的孔隙水和天然氣，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的平靜期后天然氣水合物穩(wěn)定帶逐漸恢復(fù)。以上兩種情況下，泥火山脊下方可存在較連續(xù)的BSR。

圖8 規(guī)則滑塌區(qū)、泥火山活動(dòng)影響區(qū)內(nèi)BSR分布(剖面位置見(jiàn)圖2)Fig.8 Distribution of BSR under regular slide region and mud volcanism activities affected region (location of profile see Fig.2)

圖8剖面顯示了規(guī)則滑塌區(qū)和泥火山活動(dòng)影響區(qū)表現(xiàn)出的地形特征、BSR形態(tài)，與圖3中規(guī)則滑塌區(qū)和泥火山活動(dòng)影響區(qū)典型測(cè)線表現(xiàn)一致。規(guī)則滑塌區(qū)沿陸坡方向地形階梯狀下降，階梯內(nèi)地形較平坦，區(qū)域內(nèi)BSR連續(xù)性好，很少存在錯(cuò)斷或缺失。泥火山活動(dòng)影響區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，發(fā)育有泥火山、泥火山脊和凹槽、凹坑等特征地形，雖然起伏變化明顯，但沿陸坡方向依然保留了一定階梯狀下降的趨勢(shì)。泥火山活動(dòng)影響區(qū)內(nèi)BSR連續(xù)性差，錯(cuò)斷和缺失現(xiàn)象多發(fā)，但BSR沒(méi)有被完全破壞。

5 成因討論

研究區(qū)的規(guī)則滑塌區(qū)受滑塌為主的模式控制，泥火山活動(dòng)影響區(qū)受滑塌和泥火山活動(dòng)共同作用的模式控制，兩片區(qū)域在成因、地形特征、天然氣水合物成藏狀況等方面都表現(xiàn)出明顯差異，我們用圖9所示的兩種模型，對(duì)上述兩類(lèi)區(qū)域的形成做出解釋。

圖9a是陸坡區(qū)滑塌活動(dòng)作用模型，依據(jù)McIver[4]提出的模型修改。深部的烴源地層有機(jī)質(zhì)不斷分解，產(chǎn)生天然氣并向上運(yùn)移，到達(dá)表層在合適的溫度、壓力條件下形成天然氣水合物穩(wěn)定帶。天然氣水合物穩(wěn)定帶局部受到地質(zhì)活動(dòng)或溫壓變化發(fā)生分解，釋放一定的天然氣和水，降低沉積物的強(qiáng)度，松散的沉積物在重力作用下發(fā)生滑塌，多期次的滑塌會(huì)產(chǎn)生分段的階梯狀地形。水合物穩(wěn)定帶之下天然氣以游離態(tài)聚集，其與水合物穩(wěn)定帶的分界，在地震剖面上表現(xiàn)為BSR。

圖9b是陸坡區(qū)滑塌和泥火山活動(dòng)共同作用模型。深部的烴源地層如果是在某一地質(zhì)時(shí)期快速沉積形成的，沒(méi)有經(jīng)歷充分的壓實(shí)，隨著后續(xù)上覆沉積層變厚壓力增大，快速沉積的沉積物內(nèi)富含的水和有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的天然氣，大量的孔隙水和天然氣聚集使沉積層塑性增強(qiáng)，在超壓作用下高塑性、攜帶水和油氣的沉積物突破上覆地層向上運(yùn)移，有的分支刺穿地層形成泥火山，有的只到達(dá)次地表或中間地層形成泥底辟并可能引起海底變形凸起。若該區(qū)域海底也受滑塌活動(dòng)影響，則與泥火山脊共同作用可產(chǎn)生凹槽、凹坑等特征地形。

圖9 滑塌活動(dòng)作用模型(a)與滑塌和泥火山活動(dòng)共同作用模型(b)Fig.9 Slide driven model(a) and slide-mud volcano driven model (b)

研究區(qū)泥火山活動(dòng)主要形式是泥火山脊，不同于集中一點(diǎn)噴發(fā)的泥火山，泥火山脊對(duì)應(yīng)著泥火山物質(zhì)沿面運(yùn)移。在圖7b中，疑似泥火山物質(zhì)運(yùn)移通道與滑塌面平行相接，可見(jiàn)沉積物強(qiáng)度弱的區(qū)域，滑塌易發(fā)且有利于泥火山物質(zhì)侵入。陸坡地區(qū)坡度的存在，使得天然水合物分解易于引發(fā)滑塌，松散的滑塌面有利于泥火山物質(zhì)的沿平面運(yùn)移，這可能是該區(qū)泥火山脊多發(fā)的原因。

值得注意的是，本文研究區(qū)為中德聯(lián)合科考發(fā)現(xiàn)九龍甲烷礁的區(qū)域之一，2004年夏季SO177中德聯(lián)合航次在東沙群島東北部海域發(fā)現(xiàn)了面積約430 km2的冷泉碳酸鹽巖區(qū)(命名為“九龍甲烷礁”)[25，45]。大面積的冷泉碳酸鹽巖存在，顯示該區(qū)經(jīng)歷過(guò)長(zhǎng)期的天然氣滲漏。已有研究表明，該區(qū)域冷泉碳酸鹽巖是天然氣水合物分解產(chǎn)生的AOM(甲烷厭氧氧化)作用[45]造成。本研究區(qū)內(nèi)的規(guī)則滑塌區(qū)和泥火山活動(dòng)影響區(qū)都存在天然氣水合物的分解，分解活動(dòng)會(huì)向海水中釋放甲烷等氣體，此外泥火山物質(zhì)冒出海底時(shí)，也會(huì)向海水中釋放其攜帶的油氣，分解活動(dòng)釋放的甲烷和泥火山活動(dòng)帶來(lái)的油氣可能是研究區(qū)碳酸鹽巖發(fā)育的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

多期次的滑塌和泥火山、泥火山脊活動(dòng)是南海東北部陸坡天然氣水合物發(fā)育區(qū)地貌的重要控制因素，它們的同時(shí)發(fā)生，相互作用使天然氣水合物發(fā)育區(qū)地形復(fù)雜。研究區(qū)內(nèi)以滑塌為主要控制因素時(shí)，表現(xiàn)出規(guī)則的階梯狀下降的地形，而在滑塌和泥火山脊、泥火山共同控制下，海底會(huì)復(fù)雜起伏，并產(chǎn)生凹槽、凹坑等特征性的地形。

研究區(qū)內(nèi)滑塌控制的區(qū)域，BSR連續(xù)且完整，天然氣水合物儲(chǔ)藏較完整?；湍嗷鹕交顒?dòng)共同控制的區(qū)域，BSR出現(xiàn)局部的錯(cuò)斷、消減，連續(xù)性變差，但沒(méi)有出現(xiàn)大面積的缺失，天然氣水合物儲(chǔ)藏僅受到局部破壞。

地震剖面、淺層剖面和海底地形數(shù)據(jù)顯示，泥火山脊是研究區(qū)泥火山活動(dòng)的主要形式，凹槽、凹坑地形是泥火山脊和滑塌面穿插、伴生造成的。研究區(qū)泥火山脊發(fā)育，泥火山相對(duì)較少，可能因?yàn)榛喟l(fā)，滑塌面為泥火山物質(zhì)的提供運(yùn)移途徑，泥火山物質(zhì)不容易集中爆發(fā)有關(guān)。

致謝:感謝國(guó)土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局對(duì)研究工作的支持，感謝資料處理所馮震宇所長(zhǎng)、張寶金副所長(zhǎng)對(duì)工作的幫助和指導(dǎo)，感謝李煥芝主任、劉勝旋副主任等為研究工作提供的建議和指導(dǎo)，以及劉斌、張向宇等生活和工作中提供的幫助。

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Submarine slide and mud volcanism activities in gas hydrate bearing area on the northeastern slope，South China Sea

Liu Boran1，2，Song Haibin3，Guan Yongxian4，Bai Yang3，Chen Jiangxin1，2，Geng Minghui1，2

(1.KeyLaboratoryofPetroleumResourcesResearch，InstituteofGeologyandGeophysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029，China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China; 3.StateKeyLaboratoryofMarineGeology，TongjiUniversity,shanghai200092，China; 4.GuangzhouMarineGeologySurvey，Guangzhou510075，China)

In this paper，seabed morphology features related to submarine slide and mud volcanism activities are presented and analyzed，their impacts to gas hydrate formation and decomposition are discussed，and two models of slide driven and slide-mud volcano driven are proposed. Dataset used in this paper including seismic lines，sub-bottom profiler lines and bathymetry data obtained from seabed reflection picking. The study area consists of two main landforms: “regular slide region”，and “mud volcanism activities affected region”. We identify characteristic features such as mud volcano，mud volcano ridge，groove and pit from the bathymetry map. Submarine slide and mud volcanism activities play significant roles in affecting the morphology of the gas hydrate distribution region on the northeastern slope of South China Sea. Combining the analyses of BSR(Bottom Simulating Reflector) and mud volcanoes’ distribution，relations between BSR discontinuity and mud volcano occurrence，we know that BSRs are continuous and gas hydrate reservoir is almost complete one in the regular slide region，while there is less and local destruction for the gas hydrate reservoir in the mud volcanism affected region slide and mud volcanism activities are important for long-term natural gas releasing process in the studied area．

northeastern slope of South China Sea; gas hydrate; submarine slide; mud volcano ridge

2014-12-17；

2015-03-16。

國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(91128105)。

劉伯然(1987—)，男，山東省濰坊市人，主要從事海洋地球物理學(xué)研究。E-mail：liuboranlbr0725@126.com

*通信作者：宋海斌(1968—)，男，教授，浙江省紹興市人，主要從事海洋地球物理、地震海洋學(xué)研究。E-mail：hbsong@#edu.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.09.007

P744.4

A

0253-4193(2015)09-0059-12

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