南海白云凹陷東南部兩種不同類型塊體搬運沉積體系的地震響應及成因分析

李艷, 吳南, 胡守祥, 趙芳, 詹文歡

1. 中國科學院邊緣海與大洋地質(zhì)重點實驗室, 南海海洋研究所, 廣東 廣州 510301;

2. 中國科學院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院, 廣東 廣州 511458;

3. 中國科學院大學, 北京 100049;

4. 同濟大學, 海洋與地球科學學院, 上海 200092

塊體搬運沉積體系(Mass-transport complexes,簡稱MTCs)是海底沉積物受重力作用失穩(wěn)形成的滑移搬運沉積體(Weimer, 1990; Bryn et al, 2005; Ruano et al, 2014; Wu et al, 2021)。MTCs主要分布在大陸邊緣的外陸架-上陸坡、海底峽谷或深海局部隆起之上(Weimer, 1990; Maslin et al, 1998; Moscardelli et al,2006)。作為深水沉積體系的重要組成部分, 在部分深水盆地中, MTCs可占50%以上的沉積單元(Posamentier, 2003; 吳時國 等, 2011)。MTCs具有強大的侵蝕搬運能力, 對原地沉積具有極大的破壞和改造作用(Haflidason et al, 2004; Bryn et al, 2005;Micallef et al, 2008); MTCs還具有長距離搬運能力,可將陸緣沉積物搬運到陸坡或大洋深部區(qū)域(王大偉 等, 2009; Calvès et al, 2015; 秦軻 等, 2015), 在全球“從源到匯”的研究中占有重要地位(李鐵剛 等,2003; Moscardelli et al, 2008; 吳時國 等, 2011)。

MTCs在搬運過程中具有強大破壞能力, 不僅會破壞鋪設在海底的通訊光纖、電纜、輸油管道等設備(Nof, 1996; Piper et al, 1999), 還可能在沉積過程中, 由于搬運速度快、搬運體積大(von Huene et al,2014; Harbitz et al, 2006; Brothers et al, 2016;Schnyder et al, 2016), 導致海底地形產(chǎn)生急劇升降變動, 進而引起水體擾動, 最終形成海嘯(吳時國等, 2019)。對于深海油氣田勘探而言, 富泥質(zhì)的MTCs在深水油氣中可以充當良好頂部蓋層。這是因為富泥質(zhì)MTCs不僅自身較頂、底部未變形沉積單元致密(Sawyer et al, 2007; Sun et al, 2020); 而且其底界面由于剪切作用發(fā)生液化、脫水和超壓作用,使得封閉性增強, 有利于下伏油氣地層的儲藏(Wu et al, 2019a)。富砂質(zhì)塊體的MTCs可成為潛在的油氣儲層(Mac Mcgilvery et al, 2004; 王大偉 等, 2011;Wu et al, 2019a)。因為MTCs中富含砂質(zhì)的塊體往往由于壓實不足使得孔隙度較高, 有利于儲集油氣資源。

研究資料表明, 南海北部珠江口深水盆地富含大量油氣資源(朱偉林 等, 2012; 鄭榮才 等, 2013),在油氣富集的白云凹陷區(qū)域發(fā)育了多期不同規(guī)模的MTCs (李云 等, 2011; 劉科 等, 2017)。前人對于MTCs研究主要集中在白云凹陷中部和北部(李磊等, 2012; 謝志遠 等, 2017), 對白云凹陷南部的研究則相對較少; 且前人對白云凹陷南部MTCs的研究主要集中在某一層位內(nèi)發(fā)育的單期次MTCs (李磊 等, 2013; 王琪 等, 2017; 雷亞妮 等, 2018)。為深入探究多期次MTCs的發(fā)育情況及其控制因素,本文以白云凹陷南部及中部隆起交界區(qū)為研究區(qū),基于高分辨率三維地震數(shù)據(jù), 對晚中新世以來發(fā)育的多期次MTCs進行描述, 刻畫多期次MTCs的地震反射特征、幾何形態(tài)特征, 結合構造地質(zhì)背景, 分析研究區(qū)內(nèi)不同期次MTCs的成因機制, 對比分析研究區(qū)和相鄰工區(qū)內(nèi)發(fā)育的MTCs, 探究其相似性和特殊性, 以及控制這些相似性和特殊性的原因。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

南海北部陸緣發(fā)育了一系列拉張盆地, 從西南到東北依次為瓊東南盆地、珠江口盆地和臺西南盆地(圖1a)。其中, 珠江口盆地是南海北部陸坡深水區(qū)規(guī)模最大的深水沉積盆地(總面積約17.5×104km2),也是新生代陸緣拉張型含油盆地(劉科 等, 2017)。珠江口盆地內(nèi)隆起和凹陷相間排布, 具有明顯的“南北分帶、東西分塊”的構造格局(圖1a)。

圖1 研究區(qū)位置圖(a)和研究區(qū)三維地震剖線分布圖(b)該圖基于自然資源部監(jiān)制出版的中國地勢圖制作, 審圖號為 GS(2016)1609, 底圖無修改。圖a中黑色點劃線代表盆地的分布范圍[據(jù)王志君(2011)修改], 紅色直線代表斷層, 紫色虛線代表東沙構造活動的影響范圍。圖b中紅色粗直線表示圖2b、4a和5a地震剖面所在的位置, 虛線方框表示圖6a、6b和6c的位置Fig. 1 Study area (a) and seismic lines distributing in the study area (b)

新生代以來, 珠江口盆地構造演化可分為3個階段: 1) 晚白堊世至早漸新世(約80Ma—30Ma)的斷陷階段, 主要表現(xiàn)為基底斷裂伴隨盆地沉降, 河流、湖泊和沼澤等陸相沉積發(fā)育; 2) 晚漸新世至中中新世(30Ma—10.5Ma)的坳陷階段, 主要表現(xiàn)為斷裂發(fā)育, 盆地沉降和沉積物填充, 淺海陸棚相、三角洲相以及碳酸鹽臺地廣泛發(fā)育; 3) 晚中新世以來(10.5Ma至今)的斷塊升降階段, 主要表現(xiàn)為盆地快速沉降, 陸棚淺海沉積以及陸坡深水相沉積廣泛發(fā)育(龐雄 等, 2008; 林暢松 等, 2018)。其中, 晚中新世初期(約10.5Ma), 菲律賓板塊持續(xù)向NWW向運動, 導致呂宋島弧與歐亞大陸發(fā)生碰撞, 引起珠江口盆地發(fā)生東沙構造運動(趙淑娟 等, 2012)。這次構造運動主要波及東沙隆起、番禺隆起、潮汕坳陷西部和白云凹陷東部(圖1a), 導致地層抬升, 上地殼地層斷裂活動發(fā)育, 侵蝕加劇, 還使巖漿活動加劇, 形成區(qū)域不整合(對應地震反射界面T2, 圖2b)(趙淑娟 等, 2012)。直至早上新世初(5.5Ma), 東沙構造活動停止, 地層趨于穩(wěn)定, 開始正常沉積地層(龐雄 等, 2008)。直至早更新世(1.89Ma—1.4Ma),呂宋島弧向歐亞大陸及南海構造域碰撞形成流花運動(吳時國 等, 2004; 劉漢堯 等, 2019)。流花運動主要波及珠江口盆地東沙群島及其周圍海域, 使得地層構造抬升產(chǎn)生區(qū)域不整合, 并發(fā)育大量斷層和褶皺(吳時國 等, 2004)。流花運動后, 第四紀(1.4Ma至今)進入快速沉降期(吳時國 等, 2004)。中新世以來(23.5Ma), 珠江口盆地沉積速率快, 沉積物堆積迅速, 陸棚淺海沉積及陸坡深水相沉積廣泛發(fā)育(龐雄 等, 2008; 馬本俊 等, 2018)。前人將研究區(qū)主要地層層序格架分為: 珠江組(T6～T4)、韓江組(T4～T2)、粵海組(T2～T1)、萬山組及第四系(T1～海底)(圖2a)。

研究區(qū)位于珠江口盆地南部, 處在水深1400～1800m的上陸坡, 平均角度約為2.46° (王志君, 2011;趙淑娟 等, 2012), 主要包括白云凹陷東南部和南部隆起北部, 總面積約為1300km2(圖1b), 研究目標層位為粵海組、萬山組和第四系地層。粵海組沉積期(T2～T1), 珠江口盆地處在熱沉降階段, 且在盆地東南部東沙構造活動劇烈, 為陸坡深水沉積演化階段(廖計華 等, 2016)。在白云凹陷南部的粵海組(T2～T1)為一套厚層泥巖夾薄層狀砂巖。萬山組及第四系沉積期(T1～海底), 盆地整體以熱沉降為主, 構造活動較為穩(wěn)定, 白云凹陷地區(qū)沉積環(huán)境為深水陸坡區(qū)(廖計華 等, 2016)。在白云凹陷中南部的萬山組(T0～T1)及第四系(T0～海底)整體巖性為厚層泥巖夾薄層狀砂巖(圖2a)。

圖2 珠江口盆地地層柱示意圖(a)和地震層序界面(b)圖a地層修改自Zhao等(2015), 巖性剖面來自龐雄等(2008), 珠江口盆地相對海平面變化曲線來自馬本俊等(2018)。T1 (約5.5Ma)是萬山組與粵海組的分界面; T2 (約10.5Ma)是粵海組和韓江組的分界面; T3 (約13.8Ma)是晚中新世和中中新世的分界面; T4 (約16.5Ma)是韓江組和珠江組地層的分界面, 也是中中新世和早新世的分界面; T5 (約18.5Ma)為珠江組地層內(nèi)部的一個界面; T6 (約23.5Ma)位于一套強反射波組的頂面[圖2b位置見圖1b, 據(jù)趙淑娟等(2012)和Zhao等(2015)修改]。圖a中紅色實線所對應的地層(晚中新世—第四紀地層)為研究目標地層; 圖b中紅色實線表示斷層; 圖b中黑色長虛線(T1～T6)表示研究區(qū)區(qū)域地層連續(xù)性, 黑色短虛線(H2)表示主要地震層序邊界Fig. 2 The integrated stratigraphic column of Pearl River Mouth Basin (a) and seismic age horizon map (b)

2 數(shù)據(jù)和方法

本研究所使用的數(shù)據(jù)是由中國海洋石油總公司采集和處理的三維反射地震數(shù)據(jù)。地震頻率帶寬在研究區(qū)大約為45～100Hz, 主頻為75Hz。海底深度通過拾取地震數(shù)據(jù)中的海底反射得到, 海水速度取值1500m·s-1(王俊勤 等, 2019)。研究區(qū)海底面垂直分辨率約為8m, 研究層位底部垂直分辨率約為10m。

由于研究區(qū)缺乏直接鉆井數(shù)據(jù)進行井震結合,因此本文選擇對比相鄰工區(qū)地震反射數(shù)據(jù), 對珠江口盆地區(qū)域性地震反射界面(T1～T6)(圖2b)進行追蹤(趙淑娟 等, 2012; Zhao et al, 2015), 從而限定研究區(qū)主要研究層位的時期。此外, 在高振幅的連續(xù)反射和中-弱振幅的雜亂反射的交界, 本文還繪制了8個地震反射界面(H1～H7), H1～H7均為高振幅、高連續(xù)性的地震反射界面, 是在研究區(qū)識別的局部地層, 代表了MTCs頂?shù)捉缑嫠谖恢?圖4b, 圖5b)。本文基于研究區(qū)典型地震剖面振幅強弱、連續(xù)性、頻率高低和內(nèi)部反射結構(如: 丘狀、塊狀), 并結合相鄰工區(qū)相似地震相對研究區(qū)不同類型的地震相進行劃分并解釋, 從而對MTCs的地震相及其內(nèi)部運動指示特征精確識別。

3 結果

3.1 層序地層單元劃分

根據(jù)研究區(qū)區(qū)域地層連續(xù)性以及主要地震層序邊界(T1～T6及H1～H7), 本文將研究區(qū)中新世以來的地層劃分為4個沉積單元(單元1～單元4)(圖2b)。

1) 單元1 (T6～T2)。厚度約為280m, 橫向厚度基本不變, 但在南西側地層發(fā)生抬升, 抬升高度約370m (圖2b)。單元1由平行-近平行、中等振幅的連續(xù)地震反射層(上部)、中等振幅的雜亂型反射層(中部)和強振幅的連續(xù)反射層(下部)組成(圖2b)。單元1主要由早中新世和中中新世沉積的珠江組(T6～T5)和韓江組(T5～T2)地層構成, 與下伏地層呈角度不整合接觸(見不整合面T6)(圖2)。珠江組(T6～T5)主要沉積以碎屑巖為主的深海沉積扇和以碳酸鹽巖為主的碳酸鹽巖臺地(龐雄 等, 2008; 王昌勇 等, 2010; 李云 等, 2011; 廖計華 等, 2016),而韓江組(T5～T2)主要沉積以碎屑巖為主的河流三角洲、濱-淺海沉積和以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖, 屬淺海、深水陸架相(林暢松 等, 2018)。

2) 單元2 (T2～H2)。厚度從北西向南東逐漸減小, 在北東側厚為240m, 在南東側僅為35m, 平均厚度約140m (圖2b)。單元2由中振幅、半透明、低連續(xù)性的地震反射層組成, 夾厚度較薄的中-強振幅、高連續(xù)性的地震反射單元(圖2b)。單元2由上中新統(tǒng)粵海組地層組成, 地層連續(xù)性差, 與下伏珠江組地層呈角度不整合接觸(見不整合面T2, 圖2)。構成單元2的粵海組(T2～H2)主要沉積以細粒為主的海相泥巖或含砂海相泥巖(龐雄 等, 2008; 林暢松 等, 2018)。

3) 單元3 (H2～T1)。厚度約為170m, 橫向厚度基本不變(圖2b)。單元3下部、中部和上部均可見中等振幅、半透明、低連續(xù)性的雜亂型反射地層, 并以中-強振幅的連續(xù)型反射地層為間隔(圖2b)。單元3由上中新統(tǒng)粵海組的中下部地層組成, 約占粵海組總厚度的77%, 整體連續(xù)性較差(圖2b)。組成單元3的粵海組(H2～T1)主要為厚層的海相泥巖、砂質(zhì)泥巖, 下部地層夾砂巖(龐雄 等, 2008; 林暢松 等,2018)。

4) 單元4 (T1～海底)。厚度約為130m, 橫向厚度變化不大(圖2b)。單元4底部為振幅較弱、高連續(xù)的地震反射特征, 上部為中-低振幅、高連續(xù)的地震反射特征, 中部夾有一薄層中等振幅、半透明、低連續(xù)性的地震反射層序(圖2b)。單元4由萬山組地層和第四系沉積物組成, 地層整體呈平直連續(xù),地層接觸關系為整合接觸(圖2b)。萬山組和第四系地層主要由厚層的三角洲沉積泥巖、砂質(zhì)泥巖組成(秦國權, 2002; 龐雄 等, 2008; 林暢松 等, 2018)。

3.2 主要地震相識別

根據(jù)地震反射振幅強度(強振幅或者低振幅)以及連續(xù)性(平直或者雜亂)可以將研究區(qū)劃分為兩類地震相: 1) 連續(xù)型地震相(Stratified seismic facies,簡稱SFs), 以高連續(xù)性地震反射為特征, 根據(jù)振幅強弱可將其進一步細分(SFs1和SFs2); 2) 雜亂型地震相(Chaotic seismic facies, 簡稱SFc), 以中-弱振幅、低連續(xù)性的地震反射為特征, 根據(jù)內(nèi)部反射特征可以將其進一步細分(SFc1和SFc2)(圖3)。本文主要參考前人文獻中類似的地震反射特征, 對本研究區(qū)的地震相及沉積過程進行詳細解釋, 如弱振幅的雜亂型地震相可被解釋為MTCs (于興河 等,2005; Bull et al, 2009; 王秀娟 等, 2011; Li et al,2018, 2020; 金麗娜 等, 2018; Wu et al, 2019a, b)。

圖3 地震相分類圖SFs: 連續(xù)型地震相; SFc: 雜亂型地震相Fig. 3 The classification map of seismic facies

3.2.1 連續(xù)型地震相(SFs)

SFs為高連續(xù)型的地震相, 中等振幅或者強振幅, 約占研究區(qū)沉積單元的40%。SFs是海相沉積中最常見的地震相單元之一(于興河 等, 2005), 可解釋為正常沉積地層(吳時國 等, 2011; Li et al, 2015;白博 等, 2016; 金麗娜 等, 2018; Wu et al, 2019a)。根據(jù)振幅強弱可將SFs分為SFs1和SFs2 (圖3)。其中, SFs1為中等振幅的連續(xù)地震反射相, 內(nèi)部反射同相軸為水平狀或者近水平狀(圖3), 厚度較為穩(wěn)定,在研究區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育, 約占SFs的80%以上(圖4,圖5)。與SFs1相似的地震相, 在相鄰區(qū)域內(nèi)被解釋為以垂向加積作用為主的沉積產(chǎn)物(于興河 等,2005; 金麗娜 等, 2018), 可代表淺海、半深海、深海等穩(wěn)定的沉積環(huán)境或者是濱淺海、三角洲平原等不穩(wěn)定沉積環(huán)境(于興河 等, 2005; 秦志亮, 2012;林暢松 等, 2018)。SFs2呈高振幅、高連續(xù)的地震反射相, 內(nèi)部反射同相軸呈上下起伏的波形(圖3)。SFs2厚度較為穩(wěn)定, 在研究區(qū)發(fā)育較少, 在SFs中僅占15% (圖4, 圖5)。相鄰區(qū)域內(nèi), 同SFs2相似的地震相被解釋為洋流、底流或等深流等高能沉積環(huán)境(于興河 等, 2005; 金麗娜 等, 2018; 林暢松 等,2018)。

圖4 NE—SW未解釋的地震剖面(a), NE—SW已解釋的地震剖面(b)和地質(zhì)解釋剖面示意圖(c)圖b顯示了研究區(qū)塊體搬運沉積體系(MTCs)的整體發(fā)育情況, 包含3個關鍵層位(T2、T1和海底)以及MTCs主要發(fā)育位置。圖中紅色實線代表斷層, 位置見圖1b。各圖中長虛線(T1和T2)代表研究區(qū)區(qū)域地層界面, 圖中藍色短虛線代表MTCs的邊界Fig. 4 (a) NE—SW trending seismic section showing the overall MTCs of the study area, (b) the interpreted NE—SW trending seismic section showing the main seismic facies and depositional element interpretation, and (c) diagrammatic map of interpretation profile

3.2.2 雜亂型地震相(SFc)

SFc是一種呈雜亂反射、中等-弱振幅的地震相,在研究區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育, 約占研究區(qū)沉積單元的60%。相似的雜亂反射地震相, 在相鄰地區(qū)被解釋為MTCs (馬宏霞 等, 2011; 劉軍 等, 2011; 王志君,2011; 吳時國 等, 2011; 李磊 等, 2012; 龐雄 等,2014; Li et al, 2016, 2020; 王磊 等, 2016; 金麗娜等, 2018)。根據(jù)內(nèi)部反射結構, 可將SFc進一步細分(SFc1和SFc2)(圖3)。SFc1為半透明、弱振幅的雜亂反射地震相, 上、下界面平行, 內(nèi)部反射雜亂,缺少有序排列的波阻抗界面(圖3)。SFc1是MTCs體部層狀流態(tài)典型的地震響應特征(馬宏霞 等,2011), 可解釋為MTCs基質(zhì)(Bull et al, 2009; 秦雁群 等, 2018; Wu et al, 2019a)。SFc1雜亂的地震相反映了地層內(nèi)部分選差、雜亂無章的特征(馬宏霞 等,2011)。SFc2為中-強振幅的地震相, 內(nèi)部地震反射呈中度變形, 弱連續(xù)性, 與周圍雜亂反射具有明顯邊界(圖3)。SFc2為MTCs內(nèi)部塊體的典型地質(zhì)反射特征,可解釋為滑移塊體(馬宏霞 等, 2011; 吳時國 等,2011; 秦志亮, 2012; 白博 等, 2016)。由于塊體在搬運過程中變形程度不同, 有些滑移塊體滑移距離較遠, 變形程度較大, 呈向上凸起的丘狀, 有些滑移塊體滑移距離較短, 變形程度較差, 呈塊狀(圖4)。

3.3 研究區(qū)MTCs分類

研究區(qū)共識別出10期MTCs, 這些MTCs縱向疊置, 可以占上中新統(tǒng)、上新統(tǒng)和第四系地層的60% (圖4b)。根據(jù)MTCs的地質(zhì)組成、所在沉積單元、平均厚度、地震相類型、和邊界特征(表1)可將研究區(qū)10期MTCs劃分為兩類: 1) 多期MTC復合體: 由6期相互疊置的MTC共同構成, 單期MTCs厚度為15～25m, MTC復合體厚度變化范圍較大, 從160m減少至0, 平均厚度約80m, 主要由SFc1組成,邊界模糊; 2) 單期MTCs: 由4期相互獨立沉積MTC構成, 每期MTC厚度大小不等(20～40m), 平均厚度約30m, 主要由SFc1和SFc2組成, 邊界清晰明顯(圖4, 圖5)。

表1 兩種類型塊體搬運沉積體系(MTCs)的分類依據(jù)Tab. 1 Classification standards of two types of MTCs

3.3.1 多期MTC復合體

3.3.1.1 描述

多期MTC復合體位于單元2中下部, 由6期小型的MTC多次縱向疊加構成, 總厚度約120m, 從北東到南西厚度遞減, 整體呈楔狀(圖4, 圖5)。組成多期MTC復合體的6期小型MTCs, 厚度大小不等(15～25m), 平均厚度約20m, 從北東向南西厚度也逐漸減小。受地形影響, 多期MTC復合體同一層位的地層在南西側比北東側最大高出約120m (圖4b)。多期MTC復合體主要由MTCs基質(zhì)(SFc1)組成(圖4a, 圖5a), 整體呈中等振幅、半透明、高連續(xù)的地震反射特征, 夾若干強振幅地震反射界面(圖4, 圖5)。該強振幅地震反射界面整體連續(xù)性較好, 但在北東側和南西側連續(xù)性變差(圖4b)。多期MTC復合體的底界面為一中等振幅的連續(xù)反射界面(T2), 頂界面為一中等振幅、高連續(xù)的反射界面(H1, 圖4a, 圖5a)。多期MTC復合體頂、底界面均發(fā)生明顯線性錯動, 錯動面可解釋為斷層(丁原章, 1994; 張功成等, 2007; 何玉林 等, 2018)。斷層規(guī)模較大, 從研究區(qū)底部向上發(fā)育至H1之上, 切穿并錯動多期MTC復合體, 錯動距離最大可達25m (圖5c)。

3.3.1.2 解釋

多期MTC復合體底界面與T2界面(10.5Ma)大致重合(圖5b), 可推斷多期MTC復合體最早形成于晚中新世早期(10.5Ma)。組成多期MTC復合體的6期MTCs厚度較薄, 說明在地層沉積厚度較薄的時候就發(fā)生了海底滑坡, 這很可能是沉積速率較低或者沉積時間較短所導致的。晚中新世及上新世(10.5Ma—2.6Ma), 海平面處于快速海侵階段, 研究區(qū)沉積速率相對較低(董冬冬 等, 2009), 地層沉積厚度較薄。除此之外, 在晚中新世早期(10.5Ma)由于菲律賓板塊向北西西方向運動, 導致呂宋島弧和歐亞大陸碰撞, 進而引發(fā)東沙構造運動(吳時國 等,2004; 趙淑娟 等, 2012)。受東沙構造運動影響, 研究區(qū)發(fā)生斷塊升降作用, 地層遭受剝蝕導致沉積速率進一步降低(趙淑娟 等, 2012; 董冬冬 等, 2009)。東沙構造運動還導致研究區(qū)發(fā)育大量斷層, 使得地層活動較為劇烈(趙淑娟 等, 2012), 為多期MTC復合體的形成提供了有利條件。在多期MTC復合體內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的運動學指示標志, 所以無法判斷多期MTC復合體的滑移方向。

3.3.2 單期MTCs

3.3.2.1 描述

MTC1～MTC3分別位于單元3的底部、中部和上部, 地震相特征為中等振幅、半透明、高連續(xù)(圖4)。其厚度大小不等, 最大為40m (MTC1), 最小僅為20m左右(MTC2), 平均厚度約為30m (圖4b, 4c)。其中: 1) MTC1主要由MTCs基質(zhì)(SFc1)和滑移塊體(SFc2)組成(圖4, 圖5)。MTC1的滑移塊體主要集中在MTC1北東側和北西側, 由強振幅的連續(xù)反射組成, 呈矩形, 與周圍的雜亂反射明顯不同?；茐K體大小不等, 最大高度可達60m, 從北東向南西塊體規(guī)模逐漸減小, 其中規(guī)模較大的滑移塊體還會使MTC1頂界面(H3)形成向上凸起的正地形(圖4b)。此外, MTC1南東側發(fā)育平直狀的側邊界, 走向為北東—南西(圖6a); 剖面上, 側邊界將左側正常沉積地層(SFs2)和右側MTC1沉積體(SFc1)相分隔(圖5b)。這種分隔MTC沉積體和周邊正常沉積地層線狀的側邊界, 可解釋為側壁(Bull et al, 2009; 吳時國 等,2011; 王大偉 等, 2011)。2) MTC2主要包含MTCs基質(zhì)(SFc1)和滑移塊體(SFc2)(圖4, 圖5), 同MTC1相似。MTC2的滑移塊體由強振幅的連續(xù)反射組成,呈向上凸起的丘狀, 主要分布在MTC2中部(圖4b)。和MTC1相較, 在MTC2發(fā)育的滑移塊體規(guī)模較小,最高僅為20m, 且滑移塊體從北東向南西發(fā)育規(guī)模逐漸變小(圖4b)。MTC2在南東側發(fā)育側壁, 側壁將左側MTC2沉積體(SFc1)和右側地層(SFs1)相分隔(圖5b)。由于缺乏MTC2底界面的時間切片, 側壁走向主要通過地震剖面識別, 大致為北東—南西(圖5b)。3) MTC3整體呈半透明、雜亂的地震相(SFc1),主要由MTCs基質(zhì)組成(圖4, 圖5)。MTC3在南東側和北西側發(fā)育側邊界, 兩側邊界大致平行, 北西側邊界呈近平直狀, 走向為北東—南西, 南西側邊界呈圓弧狀, 走向大體為北東—南西, 但在南部發(fā)生偏轉, 變?yōu)楸睎|東—南西西(圖6b)。4) MTC4在單元4中發(fā)育, 從北東向南西方向厚度基本不變,約20m (圖4b)。MTC4整體呈半透明、雜亂的地震相(SFc1), 主要由MTCs基質(zhì)組成(圖4, 圖5)。MTC4南東側發(fā)育側壁, 呈平直狀, 走向大致為北北東—南南西(圖6c)。

3.3.2.2 解釋總的來說, 單元3和單元4中共發(fā)育4期大型MTCs (MTC1～MTC4), 以T1 (5.5Ma)為界, MTC1～MTC3在T1下部的單元3中發(fā)育, MTC4在T1上部的單元4發(fā)育。由此可推斷, MTC1～MTC3的形成時間早于5.5 Ma, MTC4的形成時間晚于5.5 Ma。

這4期MTCs相互獨立沉積, 邊界明顯, 厚度較大, 平均單期厚度可達30m, 其中MTC1～MTC3的厚度均大于30m。晚中新世, 東沙構造運動持續(xù)活動, 產(chǎn)生許多大規(guī)模斷層, 斷層延伸深度直至T1界面(圖5)。同構造活動早期相較, 東沙構造活動晚期,活動頻率減弱, 但強度增大, 主要證據(jù)為斷層活動。研究區(qū)共發(fā)育3種不同類型的斷層, 第一種斷層在T2時就停止了活動, 第二種斷層在H1時停止活動,第三種斷層在T1時停止活動。其中, 第三種斷層發(fā)育數(shù)量最少, 僅占研究區(qū)中斷層的10%, 但發(fā)育規(guī)模最大, 且形成于晚中新世末期, 反映了該時期構造活動頻率低但強度大的特點(圖5c)?？傊? 東沙構造運動為MTC1～MTC3的形成提供了有利條件。和MTC1～MTC3相較, MTC4沉積厚度較薄, 僅為20m (圖4, 圖5)。此外由于鉆井數(shù)據(jù)缺乏, MTC4的形成時代(上新世或第四紀)難以確定。上新世時期(5.5Ma—2.6Ma)研究區(qū)地層沉積環(huán)境較為穩(wěn)定, 無大規(guī)模的構造活動, 而且由于大規(guī)模海侵使得研究區(qū)沉積速率相對較低(董冬冬 等, 2009)。第四紀以來(2.6Ma至今), 研究區(qū)進入海退階段, 由于季風增大從而增加了排水區(qū)的侵蝕速率, 使得大量物源運輸?shù)疥懠苓吘壗缟详懫? 使得沉積速率上升(林暢松等, 2018); 研究區(qū)早更新世(1.87Ma—1.4Ma)在發(fā)育流花構造運動, 此次構造活動較為劇烈, 在研究區(qū)產(chǎn)生了大量的褶皺和斷層(吳時國 等, 2004)。綜上,早更新世時期(1.87Ma—1.4Ma), 研究區(qū)高沉積速率和流花運動為MTC4的形成提供了有利條件, 由此推斷MTC4形成于早更新世。

由Bull等(2009)可知, MTCs的滑移方向平行于側壁走向, 并指向下坡區(qū)域。MTC1的側壁走向為北東—南西, 且研究區(qū)北東高南西低(圖6a), 由此可推斷MTC1大致滑移方向為西南。同MTC1相似, MTC2和MTC4的側壁走向分別為北東—南西、和北北東—南南西, 再結合北高南低的地勢,可推斷MTC2和MTC4的大致滑移方向分別為西南和南南西。而MTC3的側壁大致走向為北東—南西, 但在南部向北東東—南西西發(fā)生偏轉, 整體地勢為北高南低, 可推斷MTC3的大致滑移方向為西南, 滑至研究區(qū)南部時滑移方向發(fā)生變化, 變?yōu)槟衔魑鳌?/p>

圖6 MTC1 (a)、 MTC3 (b)和MTC4 (c)等T0圖[據(jù)Zhao等(2015)修改]圖中紅色箭頭表示塊體搬運沉積體系(MTCs)滑移方向, 粗虛線表示側壁。位置如圖1b所示Fig. 6 Time structure map of the basal shear surface of (a) MTC1, (b) MTC3, and (c) MTC4

4 討論

4.1 MTCs的物源區(qū)

研究區(qū)位于南海珠江口盆地白云凹陷東南部,整體呈“東高西低”的構造格局; 其中研究區(qū)東北部為東沙隆起, 東南部及南部為南部隆起帶, 西部及北部為白云凹陷主體(圖1a)。基于側壁走向(北東到南西)(圖5, 圖6), 可推斷MTC1～MTC4的滑移方向大致為北東到南西; 其中研究區(qū)北東向(東沙隆起方向)為MTCs上物源方向。

晚中新世(10.5Ma)以來, 海平面逐步下降至番禺隆起北部, 此時東沙運動開始發(fā)育(林暢松 等,2018)。東沙運動造成東沙隆起和潮汕坳陷的韓江組、粵海組和萬山組受到不同程度的剝蝕(李平魯,1993; 吳時國 等, 2004; 趙淑娟 等, 2012)。東沙隆起被剝蝕的內(nèi)陸源沉積物受重力作用, 沿陸坡向地勢較低的白云凹陷輸送, 為MTCs復合體和MTC1～MTC3的形成提供了物質(zhì)基礎。此時, 白云凹陷主要以遠端細粒沉積的碎屑巖為主(林暢松 等,2018)。直至第四紀(2.6Ma), 珠江口盆地進入海退階段, 此時南海北部陸緣輸送作用顯著增強, 沉積速率可達49.01m·Ma-1(劉漢堯 等, 2019); 在更新世早期(1.89Ma—1.4Ma), 呂宋島弧向歐亞大陸及南海構造域碰撞, 造成東沙隆起東部發(fā)育流花構造運動(吳時國 等, 2004)。流花構造運動使得東沙隆起發(fā)生了抬升, 并產(chǎn)生了大量的斷層和皺褶(吳時國 等,2004)。東沙隆起被剝蝕的內(nèi)陸源沉積物受重力作用,沿陸坡向地勢較低的白云凹陷輸送, 同期沉積速率達到最大(50.7km3·km-1·Ma-1)(劉漢堯 等, 2019), 為MTC4的形成提供充足的物質(zhì)基礎。

4.2 珠江口盆地東南緣MTCs特征分析

珠江口盆地海底滑坡頻發(fā), 為探究研究區(qū)和相鄰工區(qū)MTCs的相似性和特殊性, 本文結合相鄰工區(qū)前人已發(fā)表文獻(李云 等, 2011; 李磊 等, 2012;雷亞妮 等, 2018; 林暢松 等, 2018), 分析對比珠江口盆地相鄰工區(qū)中發(fā)育的MTCs。

4.2.1 相似性

南海珠江口盆地是MTCs的高發(fā)地帶, 且絕大多數(shù)MTCs分布在地形坡度變化較大的陡坡區(qū)域,如大陸架與大陸坡交界的坡折線附近、海底大陸坡上部區(qū)域和海底峽谷的陡谷兩側等部位(李磊 等,2013; 白博 等, 2016; 劉科 等, 2017; 雷亞妮 等,2018)。珠江口盆地MTCs分布的幾何形態(tài)、面積受海底地形影響, 當海底地形沒有限制時, MTCs分布廣泛, 呈扇狀展布(李磊 等, 2013); 當海底地形有限制時, MTCs的分布受海底地形限制, 整體呈面積小、厚度大的特點, 有時甚至出現(xiàn)MTCs滑移方向轉變的現(xiàn)象(圖6b)。地震剖面上, MTCs表現(xiàn)為低振幅、半透明、雜亂、丘狀地震反射特征, 且受構造活動影響, MTCs被大量斷層切割錯斷(圖4, 圖5)(李磊 等, 2012, 2013; Zhao et al, 2015; 白博 等,2016; 雷亞妮 等, 2018)。此外, MTCs內(nèi)部運動指示特征(能夠指示MTCs滑移方向的結構, 如侵蝕凹槽、基底坡坪等)發(fā)育程度較低, 僅部分發(fā)育滑移塊體(最高可達60m)(圖5, 圖6c)(白博 等, 2016)或侵蝕凹槽等(李磊 等, 2013)。

4.2.2 特殊性

前人對珠江口盆地MTCs的描寫主要集中于發(fā)育在某一層位的單期次MTCs, 具厚度較大, 分布廣泛的特點(李磊 等, 2012; 劉科 等, 2017; 林暢松等, 2018)。和相鄰工區(qū)的研究不同, 本文所展示的MTCs, 位于珠江口盆地白云凹陷東南部, 由10期次MTCs相互疊加形成, 埋藏深度達500m, 呈兩種不同類型(多期MTC復合體和單期MTCs), 具發(fā)育期次多、埋深大的特點。本文從研究區(qū)兩種不同類型的MTCs的地震響應特征著手, 全面展示了研究區(qū)多期次MTCs的形成過程。

晚中新世(10.5Ma—5.5Ma), 南海北部白云凹陷發(fā)育東沙構造運動, 活動較為劇烈, 東沙運動在番禺隆起、東沙隆起造成明顯的差異沉降和局部的強烈構造抬升, 形成了大量斷裂(趙淑娟 等, 2012),且構造運動伴生地震活動(劉宗惠, 1994; 丁原章,1994)。其中, 在晚中新世早期, 白云凹陷處于低沉積速率階段, 地層沉積厚度較薄(董冬冬 等, 2009)。東沙運動伊始階段, 活動較為劇烈, 構造活動頻發(fā),地層穩(wěn)定性差, 滑坡發(fā)生頻率較高, 從而短時期內(nèi)形成了縱向疊置的多期次MTCs (即多期MTC復合體)。晚中新世晚期, 東沙運動進入晚期階段, 構造活動持續(xù)運動(吳時國 等, 2004; 趙淑娟 等, 2012)。東沙運動晚期活動頻率降低, 但構造強度增大, 破壞地層深度較大, 便在研究區(qū)形成了規(guī)模相對較大的3期MTCs (即MTC1～MTC3)。上新世時期(5.5Ma—2.6Ma), 由于大規(guī)模海侵導致沉積速率相對較低, 地層沉積厚度薄(董冬冬 等, 2009)。在流花構造運動的觸發(fā)下, 研究區(qū)在更新世早期形成了沉積厚度較薄的MTCs (即MTC4)。

4.3 MTCs成因分析

前人文獻表明, 研究區(qū)及相鄰工區(qū)的MTCs受相同因素和不同因素控制(白博 等, 2016; 劉科 等,2017; 雷亞妮 等, 2018)。相同因素導致研究區(qū)及相鄰工區(qū)的MTCs呈現(xiàn)出相似性, 不同的控制因素使得研究區(qū)MTCs呈現(xiàn)特殊性。

4.3.1 相似性控制原因

4.3.1.1 必要條件

造成海底滑坡的成因較多, 但總體看來, 其發(fā)生的必要條件如下: 1) 陸坡坡度。資料顯示, 形成MTCs的斜坡一般需要大于2°～3°, 在這種情況下,即將滑塌沉積物的重力下滑分量易大于沉積物的抗剪強度, 斜坡滑坡相對易發(fā)(白博 等, 2016)。2) 豐富的沉積物來源。豐富的物質(zhì)來源是形成MTCs的基礎。3) 一定的觸發(fā)機制。MTCs的形成需要一定因素的觸發(fā), 如地震活動、高沉積速率、火山活動、水合物分解及構造活動等(Canals et al, 2004;Shanmugam, 2012; Elger et al, 2018)。

4.3.1.2 觸發(fā)因素

1) 高沉積速率。高沉積速率會導致大量的沉積物在陸坡堆積, 為MTCs的發(fā)育奠定了一定的物質(zhì)基礎; 另一方面是因為較高的沉積速率會使沉積物處于欠壓實階段, 而沉積物欠壓實會使其內(nèi)部水分不能完全排空, 使得孔隙水壓力增高, 沉積物抗剪強度降低。自晚中新世以來, 由于區(qū)域構造活動加劇以及氣候變暖, 導致南海在晚中新世晚期(沉積速率為5.67cm·ka-1)和第四紀(13.27cm·ka-1)出現(xiàn)高沉積速率(Li et al, 2014; 董冬冬 等, 2009)。近2Ma—4Ma, 由于地球處于末次冰期階段, 使得珠江口盆地的沉積速率異常增大, 是正常沉積速率的2～10倍(董冬冬 等, 2009)。因此高沉積速率極有可能是珠江口盆地MTCs觸發(fā)條件之一。

2) 地震活動。地震活動是最常見的海底滑坡觸發(fā)因素之一, 從而導致MTCs的形成。因為地震波中的縱波和橫波成份能分別對沉積物施加水平向和垂向的載荷, 從而直接改變沉積物的應力狀態(tài)。另外, 由于地震載荷的瞬時性和周期性, 由地震引發(fā)的孔隙壓力上升在短時間內(nèi)難以消除, 從而觸發(fā)海底滑坡(吳時國 等, 2019)。珠江口盆地位于南海北部陸緣地震帶和南海北部陸坡地震帶之間, 與巴士系地震帶相接(李平魯, 1993; 劉宗惠, 1994), 屬地震活動的頻發(fā)地帶。而在中新世以來(23.5Ma至今),珠江口盆地是地震活動的高發(fā)區(qū), 地震活動頻發(fā)(丁原章, 1994; 劉宗惠, 1994), 導致珠江口盆地發(fā)育大量海底滑坡, 形成了許多MTCs (劉科 等, 2017)。

4.3.2 特殊性控制原因

東沙運動在東沙海區(qū)主要表現(xiàn)為斷塊升降活動, 造成差異沉降, 局部地區(qū)具有明顯的構造抬升,其中隆起區(qū)沉積物遭受剝蝕, 導致中新世及部分上新世地層缺失, 形成了角度不整合(T2)(圖2b),并發(fā)育了大量斷層(圖4, 圖5)。地理位置上, 研究區(qū)MTCs的物源區(qū)為東沙隆起, 并位于東沙構造活動影響區(qū)域(圖1); 時間上, 研究區(qū)共發(fā)育10期MTCs, 其中有9期MTCs (即多期MTC復合體和MTC1～MTC3)形成于晚中新世(10.5Ma—5.5Ma),而東沙構造運動的活動時間同為晚中新世, 時間上具有高度一致性(圖2a); 地震剖面上, 研究區(qū)發(fā)育大量的斷層, 斷層規(guī)模較大, 最大可達30m(自T1界面開始算起), 而大規(guī)模的斷層活動通常形成于構造活動(圖4, 圖5)。由此可推斷, 研究區(qū)多期次MTCs的發(fā)育極有可能與東沙構造活動有直接的關聯(lián)。

5 結論

根據(jù)研究區(qū)三維地震數(shù)據(jù)得出以下結論:

1) 借助三維地震反射數(shù)據(jù), 本文在南海北部白云凹陷東南部識別出兩種地震相(連續(xù)型和雜亂型), 連續(xù)型地震相(SFs1和SFs2)可解釋為正常沉積地層; 而雜亂型地震相可解釋為MTCs。這兩種地震相又可以劃分為4類: 弱振幅水平狀連續(xù)地震相(SFs1), 強振幅波狀連續(xù)地震相(SFs2), 弱振幅半透明雜亂反射地震相(SFc1)和中-強振幅丘狀連續(xù)反射地震相(SFc2)。其中, SFc1可解釋為MTCs基質(zhì),SFc2可解釋為MTCs內(nèi)部發(fā)育的滑移塊體。

2) 根據(jù)雜亂反射地震相可從研究區(qū)識別出10期MTCs, 根據(jù)MTCs的地質(zhì)組成、所在沉積單元、平均厚度、地震相類型、和邊界特征可將研究區(qū)10期MTCs劃分為多期MTC復合體和單期MTCs。多期MTC復合體由6期相互疊置的MTC共同構成,在單元2中發(fā)育, 厚度變化范圍較大(160m～0), 平均厚度約80m, 主要由SFc1組成, 邊界模糊; 單期MTCs由4期相互獨立沉積MTC構成, 在單元3和單元4中發(fā)育, 每期MTC厚度大小不等(20～40m),平均厚度約30m, 主要由SFc1和SFc2組成, 邊界清晰明顯。

3) 通過和相鄰工區(qū)對比可知, 珠江口盆地發(fā)育的MTCs大多發(fā)育在地形坡度變化較大的陡坡區(qū)域,MTCs的分布受海底地形限制; 在地震剖面上, MTCs表現(xiàn)為低振幅、半透明、雜亂、丘狀地震反射特征; 在地貌上, MTCs內(nèi)部運動指示特征發(fā)育程度較低。南海北部珠江口盆地MTDs頻發(fā)的主要原因是高沉積速率、地震活動。除此之外, 研究區(qū)MTCs表現(xiàn)出多期頻發(fā)的特殊性, 而造成晚中新世以來研究區(qū)多期次MTCs的原因極可能是東沙構造活動。