東沙海區(qū)泥火山調查進展*

閻貧, 王彥林, 于俊輝, 羅偉, 劉興健, 靳永斌,李鵬春, 劉杰, 鐘廣見, 易海

1. 中國科學院邊緣海與大洋地質重點實驗室(南海海洋研究所), 南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院, 廣東 廣州 510301;

2. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州), 廣東 廣州 5111458;

3. 中國科學院海洋地質與環(huán)境重點實驗室, 山東 青島 266071;

4. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518054;

5. 中國科學院大學, 北京, 100049;

6. 廣州海洋地質調查局, 廣東 廣州 510760

泥火山是地下含流體物質噴溢至地表或海底堆積形成的似火山形地質構造(Milkov, 2000), 噴溢物中通常包含大量地下氣體(多為甲烷、其他烷烴、CO2、H2S、N2等)和泥漿、鹽水、石油及地層巖塊。全球大多數(shù)泥火山甲烷氣源都來自油氣藏泄漏, 例如新疆獨山子、烏蘇等泥火山氣源來自克拉瑪依油田油氣層(黃華谷等, 2015), 墨西哥灣膏鹽層下底辟型油氣藏泄漏形成了海底油火山、瀝青火山、深水珊瑚和海綿礁(MacDonald et al, 2000, 2004;Freiwald et al, 2005; Sitjà et al, 2019), 因此泥火山噴出的油氣和養(yǎng)育的生物常被作為尋找油氣的線索(“油氣苗”)。

當泥火山噴發(fā)發(fā)生在海底時, 可以形成海底丘灘礁山; 噴溢的甲烷和其他有機質也可供養(yǎng)嗜、生甲烷菌等微生物, 形成化養(yǎng)海底生態(tài)群落(Freiwald et al, 2005), 以及自生碳酸鹽巖和生物參與的金屬礦物結核(Marlow et al, 2014)。在深海高壓低溫條件下, 泥火山噴溢的甲烷氣可以在海底淺表層裂隙和斷裂帶冷卻聚集形成水合物斑塊, 成為高品位水合物資源(Tinivella et al, 2012)。作為地球活動和物質循環(huán)的一種重要形式, 泥火山的噴發(fā)和噴出的物質包含著深部地質的重要信息, 對認識地質動力、地層巖性和資源環(huán)境都具有重要的意義(Mazzini et al,2017)。

位于全球板塊擠壓活動帶上的許多國家, 如阿塞拜疆、伊朗、羅馬尼亞、印尼、澳、日、俄、美等國(Dimitrov, 2003), 以及我國新疆、臺灣等地區(qū)都發(fā)現(xiàn)存在泥火山(Chen et al, 2004; 黃華谷 等,2015)。隨著海洋探測技術發(fā)展和調查的展開, 海區(qū)也發(fā)現(xiàn)有大量泥火山, 如里海、黑海、地中海、巴倫支海、波羅的海、西非外海、墨西哥灣、日本Nankai海槽, 以及我國臺灣西南海區(qū)。根據(jù)早期調查預計,全球陸地及海洋泥火山數(shù)量不下數(shù)十萬座(Dimitrov,2003)。我國海區(qū)近年也有一系列發(fā)現(xiàn)泥火山的報道:臺灣島南部到西南近海區(qū)有70 多座泥火山(Chen et al, 2004); 東海陸架區(qū)(Yin et al, 2003)及沖繩海槽(李清 等, 2020)、南海東北部九龍甲烷礁附近和南海珠江口盆地神狐區(qū)反射地震剖面顯示滑坡體上有一些零星的小海丘(Li et al, 2013; 謝蕾 等, 2013;劉伯然 等, 2015; Chen et al, 2016); 在西沙、瓊東南、中建南海區(qū)、南沙周緣反射地震剖面及多波束水深顯示較多與麻坑間雜共存的海丘(Sun et al,2013; 陳江欣 等, 2015; Lu et al, 2017; Wan et al,2019)。環(huán)東沙島海區(qū)海山海丘眾多, 可能是南海泥火山最豐富的地區(qū)之一(陳森 等, 2016; 趙旭 等,2016; Yan et al, 2017)。

1 東沙海區(qū)的構造背景與研究狀況

本文中東沙海區(qū)(圖1)指環(huán)東沙島海區(qū)(不同于廣州海洋地質調查局水合物調查中“東沙海區(qū)”定義為九龍甲烷礁及周圍海區(qū))。通過區(qū)域地質和油氣地質調查發(fā)現(xiàn): 東沙海區(qū)與周圍的臺西南盆地、珠江口盆地及瓊東南盆地相比, 具有以下特點: (1)新生界普遍薄(＜1000m)甚至缺失, 中生界普遍較厚(2000～5000m), 存在一個形成于中生代的東沙盆地(Yan et al, 2014), 是我國海域中生界油氣的主要探區(qū)(郝滬軍 等, 2009; 張莉 等, 2014), 尚未獲得油氣勘探發(fā)現(xiàn), 但存在高有機質豐度的海相侏羅系泥巖層段, 近期在其外緣有一些關于存在BSR(Bottom simulating reflector, 似海底反射, 以下同)和鉆獲水合物的報道(李杰 等, 2020; Zhong et al, 2020); (2)新生代晚期發(fā)生構造隆升和形成眾多海山海丘; (3)下地殼存在高速層(Nissen et al, 1995; Yan et al, 2001;Wang et al, 2006; 衛(wèi)小東 等, 2011)。

圖1 南海北部盆地及東沙海區(qū)位置底圖引自楊勝雄等(2015), 審圖號JS(2015)02-107Fig. 1 Map of sedimentary basins in the northern SCS, with the box indicating the Dongsha Waters. The base map is from Yang et al (2015)

東沙海區(qū)新生代晚期的構造隆升也稱東沙運動(姚伯初, 1993; Lüdmann et al, 2001; 欒錫武 等,2010), 以往推測為臺灣與南海東部弧陸碰撞的遠程構造響應; 而眾多的海山被推測為巖漿火山, 似乎與下地殼高速層巖漿底侵解釋一致(Nissen et al,1995; Yan et al, 2001; Wang et al, 2006; 衛(wèi)小東 等,2011), 但一直缺少取樣調查。

2 東沙海區(qū)的泥火山調查及結果

自2005 年起, 通過搭載國家自然科學基金共享航次及廣州海洋地質調查局專項等10 余個航次, 我們在東沙島周圍海區(qū)(水深300～2000m)陸續(xù)開展了反射地震(～400km)、淺地層剖面(～1000km)、多波束(～200km), 以及海底取樣(～60 個站位, ～200 抓次)等偵察(圖2), 為確認泥火山性質提供了大量基礎數(shù)據(jù)。

2.1 地球物理

由于地形崎嶇及水域管轄因素, 東沙島附近海區(qū)缺少高精度水深測量資料。新采集的反射地震和淺地層剖面(圖3)清楚地顯示了大量出露于海底和埋藏的海山海丘, 它們或成群、或分散, 或呈塔錐形、 或呈復合丘陵狀, 大者高出周圍海底100～200m、寬2km, 復合體可達10km 寬(閻貧 等,2014; Yan et al, 2017; 趙旭 等, 2016 )。一些海山地層發(fā)生明顯褶皺、斷裂和底辟擾動;有的海山周圍存在明顯的噴發(fā)環(huán)邊陷坑(RD, 圖3e), 內(nèi)部存在高角度流體溢出管。淺地層剖面更清晰地顯示了海山區(qū)的硬質海底強反射屏蔽現(xiàn)象(圖3b) 以及高達50m的疑似氣體羽(圖3c)。這些海山噴溢的山-坑結構與墨西哥灣、地中海等海區(qū)的典型泥火山十分相似(Kohl et al, 1994; Kirkham et al, 2018), 極有可能是大量流體噴溢和塌陷的結果。有些海山出現(xiàn)疑似BSR 現(xiàn)象(圖3a、d), 存在地震極性反轉、下伏地層縱波速度降低等特征, 在AVO(amplitude variation with offset, 振幅隨偏移距變化)屬性泊松比變化率剖面中表現(xiàn)為高負值, 高頻衰減強, 氣流體充注響應明顯(王瀟 等, 2020)。

圖2 東沙海區(qū)地球物理測線及海底抓斗站位位置底圖位置引自楊勝雄等(2015), 審圖號為JS(2015)02-107Fig. 2 Geophysical lines and box dredging sites over the Dongsha Waters. The base map is from Yang et al (2015)

圖3 多道反射剖面MCS2507 段(a)、與之同線的淺地層剖面SUB2507 段(b)、SUB2507 局部放大段(c)、反射剖面MCS2504 選段(d)及MCS2522 選段(e)MV: 疑似泥火山; RD: 環(huán)邊坳陷(rimmed depression); BSR: 似海底反射(bottom Simulating reflection)Fig. 3 Sections of MCS and subbottom profiles. (a) MCS2507; (b) SUB2507; (c) zoom of SUB2507; (d) MCS2504; and (e)MCS2522. MV: mud volcano; RD: rimmed depression; BSR: bottom simulating reflection

2.2 海底淺表層物質組成

根據(jù)以往的工程地質環(huán)境調查(馮志強 等, 1996),東沙海區(qū)底質普遍較硬, 在底質分類圖上屬于粗粒沉積區(qū)(楊勝雄 等, 2015)。早期海底沉積采樣因遭遇硬底, 成功率較低。通過不斷嘗試改進抓斗設備性能(閻貧 等, 2014; Yan et al, 2017), 我們在東沙周圍水深300～2000m 海山海丘上的約100 個站位進行了海底取樣, 其中約60個站位成功采獲了含粗粒硬質的海底樣品。沉積物中最為豐富的是自生碳酸鹽巖沉積、生物碎屑膠結塊、有孔蟲殼體及其它生物、含鈣粘土質泥流 (圖4)。其中碳酸鹽巖沉積呈現(xiàn)為結核、結板、結殼、煙囪、噴發(fā)角礫、原巖碎屑, 薄片觀察可見結核內(nèi)部往往包裹大量生物殼體、方解石晶體、碎屑石英。一些站位(如2013S202, 水深～950m)采集到與大量生物碎屑、結核伴存的粗粒長石、石英。

多數(shù)碳酸鹽巖結核樣品的碳酸鈣含量達到70%以上(表1), 也有部分樣品含F(xiàn)e、Mn 氧化物或粘土礦物較高。

圖4 東沙西南海山表層采集的沉積樣品a. 碳酸鹽巖結核; b. 碳酸鹽巖結板; c. 碳酸鹽巖煙囪; d. 碳酸鹽巖結核與含鈣粘土質軟泥(干); e. 結核中的生物殼體(掃描電鏡照片);f. 結核中的方解石晶體(掃描電鏡照片); g. 礫級長石及石英顆粒Fig. 4 Sedimentary samples collected from the shallow seabed of the Dongsha Waters. a) carbonate nodules; b) carbonate slab; c) carbonate chimney; d) carbonate nodule and calcareous ooze; e) enclosed bio-crusts in carbonate nodule (SEM); f) calcite microcrystals in carbonate nodule (SEM); and g) feldspar and quarts gravels

表1 5 個代表性結核樣品的XRD 分析礦物組分Tab. 1 Minerals of five representative samples analyzed using X-Ray Diffraction

2.3 生物多樣性

海底抓斗采獲的生物樣品則有數(shù)量多、種類豐富的深水生物活體及骨骼、化石, 其中包括深水石珊瑚、柳珊瑚、黑珊瑚、管蟲、海綿、苔蘚蟲、螺、蛤、貝, 以及許多未知生物(Yan et al, 2017)。其中一些深水石珊瑚樣品與大西洋、太平洋區(qū)已定優(yōu)勢種多孔珊瑚(Lophelia pertusa) 和多篩珊瑚(Madrepora oculata)的外形結構近似, 是否新屬種有待鑒定。圖5 顯示了部分珊瑚、海綿、帽貝等未定種屬樣品。

圖5 東沙西南海山表層采集的生物樣品圖中無標注比例尺均為1cm。a. 叢生石珊瑚 (站位: 202009MV65; 水深: 666m); b. 獨居石珊瑚集(站位: 202009DZ202; 水深: 617m); c.似棘柳珊瑚(站位: MWT3; 水深: 321m); d. 似多孔冠珊瑚Lophelia pertusa (站位: 2016MZ8; 水深: 570m); e. 似多孔冠珊瑚Lophelia pertusa 及 枝 狀多目珊瑚Madrepora oculata (站位: 202009MV65; 水深: 666m); f. 竹珊瑚(站位: 202009MV65; 水深: 666m); g. 多種三角杯珊瑚及 尼帕德沙珊瑚Rhombopsammia niphada (站位: 202009DZ202; 水深: 617m); h. 齒形花葉珊瑚(Anthemiphyllia dentata) (站位: 201609MV10; 水深: 654m)正(主圖)、反面(左下角插圖); i. 海綿及其它生物碎片集(站位: 202006MZ8; 水深: ～900 m); j—l. 海綿碎片(站位: 202006MZ8; 水深: ～900m); m—n. 海綿碎片及其 SEM 照片(站位: 201609MZ6-1; 水深: ～610m); o. 多種帽貝(站位:202006MZ8; 水深: ～900m); p. 螺與貝(站位: 202006S15; 水深: ～314m) ; q. 具有起伏曲面的蛤(站位: 202009DZ202; 水深: 617m); r.未知(站位: 202009MV70; 水深: 337m); s. 未知(站位: 202009MV70 水深: 337m); t. 未知(站位: 202009DZ202; 水深: 617m)Fig. 5 Biologic samples dredged from the Dongsha Waters. The scale bar is 1 cm except specified. a) Colonial stony corals; b)solitary stony corals; c) an alive fan-like gorgonian (cf. Acanthogorgiidae); d) cf. Lophelia pertusa; e) cf. Lophelia pertusa; f)bamboo coral; g) cake-like stony corals (cf. Deltocyathus magnificus) and Rhombopsammia niphada; h) Anthemiphyllia dentata; (i- n): glass sponges; Limpets; (o-q) mussel; and (r-t) unknowns

3 討論

3.1 泥火山噴溢的物源

我國海區(qū)已發(fā)現(xiàn)、試采的水合物多屬于擴散型(Zhang et al, 2007), 都形成于新生代晚期快速沉積組成的重力滑塌/滑坡構造以及麻坑、底辟等明顯的淺層構造, 甲烷氣源包含淺層生物分解彌散氣, 以及沿斷裂滲漏深層熱解氣(雷新民 等, 2009; 吳能友 等, 2009; Li et al, 2013; Tong et al, 2013)。東沙海區(qū)新生界普遍較薄(～1000m), 油氣成熟度和產(chǎn)生能力較低; 中生界較厚(～5000m), 包含侏羅系海相地層, 油氣成熟度和產(chǎn)生能力較高(鐘廣見 等, 2007;郝滬軍 等, 2009)。泥火山多位于400m 以深區(qū)域(圖1), 落入水合物穩(wěn)定帶, 具備形成水合物的溫壓條件。如果這些海山確定為與油氣藏相關的泥火山,那它們極可能形成高品位的泥火山型水合物。最近,李杰 等(2020)在東沙海區(qū)東側的揭陽凹陷發(fā)現(xiàn)了明顯的BSR 現(xiàn)象; Zhong 等 (2020)報導, 廣州海洋地質調查局“海洋地質10 號”針對該區(qū)BSR 進行了鉆探, 在從海底之下60m 所獲沉積物中發(fā)現(xiàn)有疑似水合物, 分析其氣源來自于潮汕坳陷的中生界地層。泥火山的活動一方面可以促進地層油氣的遷移聚集, 但也會造成向淺部的逸散, 對油氣和水合物勘探利弊共存。

3.2 深水生物的興盛機制

興盛的深水珊瑚代表了大洋深處生機盎然的黑暗群落, 其資源價值、形成機制及與環(huán)境的關系都有待研究。在大西洋、美國西海岸、夏威夷乃至南大洋都已有大量發(fā)現(xiàn)深水珊瑚的報道(汪品先,2019), 盡管認為種群數(shù)量龐大, 已鑒別的深水石珊瑚種類屈指可數(shù)(Roberts, 2019)。南海也陸續(xù)有一些深水珊瑚的發(fā)現(xiàn), 包括東沙海區(qū)的石珊瑚、柳珊瑚等(鄒仁林, 1988; Yan et al, 2017; 陳忠 等, 2018),越南陸架外的石珊瑚(Latypov, 2014), 以及南海海盆區(qū)海山上的竹珊瑚林(Li et al, 2020)。關于深水珊瑚的興盛機制, Hovland 等 (1998)推測沿地層斷裂和泥火山活動噴溢的油氣供養(yǎng)了冷水生物的生長;但Kano 等 (2010)、陳忠 等(2018)等分別對北大西洋泥火山和東沙海區(qū)的深水珊瑚礁同位素分析, 發(fā)現(xiàn)珊瑚樣品的δ13C 值負偏較小、與環(huán)境值差別不大,認為豐富的營養(yǎng)主要由強勁底流帶來, 深水珊瑚主要受到底流等環(huán)境影響, 泥火山形成的地形和底質僅為深水珊瑚生長提供了有利定居區(qū)。但也有學者(羅中原 等, 2019)對此質疑: 深水珊瑚與各種化能自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物共生的現(xiàn)象, 表明深水珊瑚在某種程度上能夠相對獨立于表層海洋環(huán)境。從東沙海區(qū)調查來看, 深水珊瑚在一些海山上特別興盛, 難以用大尺度環(huán)境的變化匹配, 更容易與能提供嗜甲烷菌生態(tài)鏈營養(yǎng)的泥火山局部噴溢契合。已報道的深水珊瑚礁大多具有泥火山、冷泉活動背景(Hovland et al,1998; MacDonald et al, 2004; Niemann et al, 2006;Cunha et al, 2013), 后者的營養(yǎng)因素僅以δ13C 作為依據(jù)而被排除可能過于簡單(Sano et al, 2017)。東沙海區(qū)泥火山是深水珊瑚和海綿的興盛區(qū), 極有可能形成深水珊瑚礁、海綿礁, 為進一步發(fā)現(xiàn)新的深水珊瑚種屬以及探究油氣泄漏、深水珊瑚、環(huán)境三者的相互關系提供了重要的研究對象。

4 結論

東沙海域經(jīng)歷了中新生代海-陸-海相沉積的變化, 中生代地層在新生代晚期經(jīng)歷了明顯的隆升和形變, 形成了大量海山, 其中多具泥火山特征, 反映了該區(qū)具有供應泥火山活動的充足油氣源, 為油氣及水合物勘探提供了重要線索。

東沙泥火山海底取樣結果表明, 這些泥火山也是深水珊瑚、海綿等生物興盛和自生碳酸鹽巖發(fā)育區(qū), 構成了深水生物礁。泥火山活動與這些深水生物應當存在密切成因關系, 有待深入研究。