白　博，秦志亮，楊　鯤，曹自強

(1.中海油研究總院，北京　100028；2.交通運輸部　天津水運工程科學(xué)研究院，天津　300456)

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珠江口盆地白云深水區(qū)海底重力滑脫構(gòu)造地震地質(zhì)綜合識別

白博1，秦志亮2，楊鯤2，曹自強1

(1.中海油研究總院，北京100028；2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院，天津300456)

摘要：綜合利用南海北部陸坡珠江口盆地白云深水區(qū)水深數(shù)據(jù)、海底多波束地形資料及高分辨率多道地震資料，對該區(qū)海底重力滑脫構(gòu)造的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部形態(tài)及地震反射特征進(jìn)行識別，并探討了其主要控制因素。研究發(fā)現(xiàn)，白云深水區(qū)海底重力滑脫構(gòu)造發(fā)育，在陸架邊緣、陸坡和深海平原均有分布，海底重力滑脫構(gòu)造與珠江海底峽谷共同塑造了該區(qū)的海底地形地貌特征，多期發(fā)育造成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使其外部形態(tài)和內(nèi)部地震反射呈現(xiàn)多樣性。結(jié)合該區(qū)構(gòu)造沉積背景及天然氣水合物勘探研究現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)構(gòu)造格局和上新世末珠江口海平面升降是控制其發(fā)育的必要條件，天然氣水合物的多期次分解可能與其相互作用，后期底流的影響進(jìn)一步改造了局部微觀地貌。

關(guān)鍵詞：深水區(qū)；海底重力滑脫構(gòu)造；地震地質(zhì)綜合識別；重力搬運

0引言

近幾十年來，隨著油氣勘探不斷向深水區(qū)推進(jìn)以及深海探測技術(shù)的巨大進(jìn)步，深水海底過程的研究也逐漸成為諸多學(xué)者關(guān)注的熱點。作為全球“從源到匯”系統(tǒng)的重要組成，重力沉積體系在全球深水沉積地層中普遍存在[1]。近年來，在墨西哥灣、西非、孟加拉以及我國南海大陸邊緣都發(fā)現(xiàn)了大量的海底重力沉積體系[2-4]。

海底滑脫是沉積物由大陸架向大陸坡及深海平原運移的重要方式，其本質(zhì)上是由于海底沉積物出現(xiàn)重力失穩(wěn)，在重力作用下沉積物沿著海底軟弱地層發(fā)生滑動?；摦a(chǎn)生的流動可將沉積物運移至數(shù)百公里之外。而沉積物滑動過程中勢必產(chǎn)生多種構(gòu)造變形，從而呈現(xiàn)不同的地震響應(yīng)特征。因此，借助高分辨率多道地震資料并輔以多波束地形資料等地球物理手段，可以實現(xiàn)對海底滑脫的有效識別。

海底滑脫嚴(yán)重危害著深水油氣勘探開發(fā)平臺的錨泊基礎(chǔ)及井口水下設(shè)備，還可能切斷并掩埋油氣管線、海底電纜等設(shè)施，大大加劇深水油氣勘探開發(fā)風(fēng)險。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，珠江口盆地白云深水區(qū)分布了面積達(dá)數(shù)萬平方公里的海底滑脫構(gòu)造。這是旨在通過對近幾年的陸坡地震資料和多波束地形資料的解釋，綜合地形地貌特征分析及地震反射特征對該型構(gòu)造進(jìn)行識別，并探討其發(fā)育形成機制，以期對該區(qū)海底資源的勘探開發(fā)有所支持。

1區(qū)域地質(zhì)背景

珠江口盆地是南海北部中新生代準(zhǔn)被動大陸邊緣盆地，研究區(qū)位于珠II坳陷的白云凹陷深水區(qū)，該區(qū)總體呈近EW走向，北側(cè)為番禺低隆起，南部是隆起帶，西部為云開低凸起，東側(cè)是東沙隆起(圖1)。研究區(qū)面積大于20 000 km2，水深范圍200 m到3 000 m，沉積厚度約11 km，總體地形呈東北高，西南低的斜坡形態(tài)[5-6]。

圖1　白云深水區(qū)海底重力滑脫區(qū)水深圖Fig.1　Water depth map of sea floor gravity decollement structure in Baiyun deep-water zone

早期該區(qū)為淺海陸架，21 Ma之后，受南海運動的影響，白云深水區(qū)持續(xù)沉降為陸坡環(huán)境，受裂陷期構(gòu)造活動的影響，古珠江水系及陸架區(qū)大量沉積物在凹陷內(nèi)聚集。13.8 Ma以來，具有強烈下切特征的峽谷水道在白云凹陷北側(cè)及西部斷裂區(qū)大量發(fā)育[7]，侵蝕峽谷的側(cè)向遷移和垂向疊加造成了重力流沉積體系的廣泛發(fā)育，大量的沉積物向南部開闊區(qū)域持續(xù)搬運并逐漸堆積，形成了規(guī)模更大的深水扇沉積和重力滑脫單元。

海底滑脫作用的發(fā)生會進(jìn)一步引起海底沉積物的運動，其基本過程(圖2)如下：滑脫作用發(fā)生的初始階段，主要是滑脫體以大塊固體的形式沿軟弱面(滑脫面)滑動；在滑動過程中，由于水的存在，部分滑坡體變成塑性，運動形式由滑動變成了流動。這種流動的物質(zhì)被稱為碎屑流，若是碎屑流的流速非常高，還能在其上部激起濁流，物質(zhì)流動是斜坡失穩(wěn)后的結(jié)果。

圖2　海底重力滑脫構(gòu)造形成示意圖Fig.2　Schematic diagram of sea floor gravity décollement structure

2研究區(qū)海底重力滑脫構(gòu)造綜合識別

2.1重力滑脫構(gòu)造特征與結(jié)構(gòu)單元

根據(jù)對研究區(qū)多波束海底地形資料的解釋，研究區(qū)海底滑脫分布面積約12 000 km2，主要分布在水深400 m～3 000 m的區(qū)域。在峽谷區(qū)南側(cè)發(fā)育了一套面積約10 000 km2，且形態(tài)結(jié)構(gòu)典型的大型海底滑脫體系，其輪廓呈馬蹄形，總體呈NW-SE走向(圖1)，滑脫區(qū)海底坡度范圍為1°～14.5°。

根據(jù)重力滑脫過程及平面分布特征,可將其劃分為三個主要的結(jié)構(gòu)單元：

1)拉張斷裂區(qū)域。該區(qū)域沉積物受拉張作用為主，拉張應(yīng)力超過其結(jié)構(gòu)強度時發(fā)生形變，進(jìn)而可能出現(xiàn)崩塌，平面上可出現(xiàn)弧狀凹陷區(qū)域(圖3)。白云深水重力滑脫構(gòu)造體系的拉張斷裂構(gòu)造較為典型，其后部的拉張斷裂區(qū)長度約3 km，斷塊構(gòu)造明顯發(fā)育且沿下坡方向呈階梯狀分布，傾角范圍在15°至35°之間。

圖3　白云深水區(qū)海底重力滑脫區(qū)三維立體圖Fig.3　Topographic map of sea floor gravity décollement Structure in Baiyun deep-water zone

2)滑脫搬運區(qū)域?；摮练e物在重力作用下繼續(xù)搬運，隨著滑脫距離的增加,大塊沉積物不斷破碎，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形逐漸增加，平面出現(xiàn)崎嶇地形形態(tài)(圖3)。同時，沉積物滑脫過程中對兩側(cè)的原始地層產(chǎn)生了侵蝕，滑脫區(qū)與原始地層的邊緣接觸特征在地形資料上也較為明顯，一般呈現(xiàn)線狀或帶狀分布，隨著重力能的逐漸消失，侵蝕邊界的特征也逐漸減弱。白云深水重力滑脫體系的搬運物質(zhì)在向下陸坡搬運過程中，對兩側(cè)原狀地層造成了嚴(yán)重侵蝕[8]，其中北側(cè)和東側(cè)的侵蝕擦痕在平面的延伸長度達(dá)200 km，南側(cè)和西側(cè)也超過100 km。

3)擠壓堆積區(qū)域。隨著滑脫沉積物逐漸失去動能，沉積物搬運速度逐漸降低，部分沉積物在搬運過程中堆積下來。如果滑脫物質(zhì)沒有直接進(jìn)入深海海盆，該區(qū)域沉積物在擠壓作用下一般會發(fā)育同沉積構(gòu)造。由于白云深水重力滑脫構(gòu)造直接與深海海盆相連，所以該區(qū)域大規(guī)模擠壓堆積構(gòu)造發(fā)育不明顯，僅在局部出現(xiàn)正地形的情況下，由于其對滑脫搬運沉積物的阻擋，會發(fā)育局部沖起構(gòu)造，其形態(tài)與擠壓結(jié)構(gòu)較為相似。

2.2重力滑脫構(gòu)造地震反射特征

重力滑脫構(gòu)造主要表現(xiàn)為深水事件型沉積的特征，是初始沉積后再搬運的地層單元，在多種因素的共同作用下，內(nèi)部構(gòu)造較為復(fù)雜。因此，從地震反射資料上可以識別出多種滑脫單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征，主要為平行或亞平行結(jié)構(gòu)、逆沖斷層、旋轉(zhuǎn)塊體、混雜堆積、侵蝕構(gòu)造和丘狀外形等。最顯著的特征是振幅變化較大，點狀、面狀雜亂反射多見，連續(xù)性突變明顯。

從圖4的地震剖面上可以看出，白云深水區(qū)海底重力滑脫構(gòu)造與正常沉積地層的顯著差異，地震資料上主要表現(xiàn)為陡崖結(jié)構(gòu)，陡崖下部地層為塊體搬運沉積物，主要表現(xiàn)為弱振幅差連續(xù)低頻反射特征。在重力滑脫體系的下陸坡方向，可以看到一系列張性斷層，其間發(fā)育了許多呈階梯狀展布的張性斷塊，地震相類型多樣，包括弱振幅差連續(xù)低頻地震相、谷狀水平充填中頻中振幅中連續(xù)地震相、丘狀前積地震相，部分發(fā)育有波狀弱振幅中低頻連續(xù)反射，反映了滑脫體向深水區(qū)的不斷推進(jìn)和消亡。隨著沉積物搬運距離的增加，塊體物質(zhì)的破碎和揉皺程度更為劇烈，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗樾剂鞒练e，在地震剖面上表現(xiàn)為明顯的平行-亞平行中低頻弱振幅反射特征，外形呈現(xiàn)席狀-丘狀，垂向可見上覆水道和披覆沉積。

3海底重力滑脫成因分析

海底滑脫構(gòu)造的成因較多，總體來看，其發(fā)生的必要條件主要包括：

1)海底存在足夠的坡度。根據(jù)大量調(diào)查資料顯示，形成海底重力滑脫體系的坡度一般需要2°～ 3°，在此情況下，重力沿著斜坡向下的分量大于沉積物的抗剪強度。此外，有學(xué)者研究表明，滑脫體與海底水體之間的密度差會對坡度起到補償?shù)淖饔?，這也解釋了有的地區(qū)在海底坡度為1°左右的情況下也會大規(guī)模發(fā)育海底滑脫構(gòu)造的原因。

2)充足的物源。足夠的物質(zhì)來源是海底滑脫構(gòu)造的物質(zhì)基礎(chǔ)，是其發(fā)育的重要條件之一[9]。一般在大的河口附近容易發(fā)育海底滑脫體系，有學(xué)者提出在不同沉積環(huán)境中，特別是三角洲環(huán)境中，由于快速的沉積作用會造成斜坡失穩(wěn)。

3)一定的觸發(fā)機制。海底滑脫的發(fā)生需要一定的觸發(fā)條件之下，如海平面變化、地震、海嘯及火山作用等突發(fā)性因素或間接誘發(fā)下，會導(dǎo)致海底滑脫構(gòu)造的形成。觸發(fā)機制有可能向海底沉積物施加額外載荷，當(dāng)外界施加的負(fù)荷大于其內(nèi)部剪切強度時，斜坡沉積物失穩(wěn)的可能性將大大增加。

綜上可見，海底滑坡構(gòu)造的成因機制較為復(fù)雜，往往為多種因素耦合作用的結(jié)果，根據(jù)Prior等[10]的總結(jié)，海底滑脫構(gòu)造體系發(fā)育的過程示意圖如圖5所示。

根據(jù)對該區(qū)構(gòu)造沉積背景、地質(zhì)環(huán)境特征來看，影響白云深水區(qū)海底滑脫構(gòu)造的外在因素主要有三個方面：

1)海平面變化。在上新世末，南海北部海平面出現(xiàn)多次旋回變化[11]，該過程不但會引起海底壓力以及溫度的變化，還會導(dǎo)致沉積地層中孔隙水壓力的變化，進(jìn)而導(dǎo)致海底沉積物有效應(yīng)力發(fā)生多次改變，為海底重力滑脫構(gòu)造體系發(fā)育的長周期因素。

2)天然氣水合物分解。雖然目前在該區(qū)天然氣水合物與海底重力滑脫發(fā)育的關(guān)系仍然未有定論，但通過地震資料解釋發(fā)現(xiàn)，該區(qū)小斷層、多邊形斷層、氣煙囪等構(gòu)造大量發(fā)育，它們有可能可作為氣體運移的通道[12]。水合物穩(wěn)定帶多次變化的過程也是水合物的分解和再次形成的過程，該過程會造成大量氣體發(fā)生滲漏，并不斷向淺部地層中運移，引起沉積物強度和地層有效應(yīng)力的降低，可能是該區(qū)海底重力滑脫構(gòu)造發(fā)育的因素之一。

3)構(gòu)造作用。研究區(qū)白云深水區(qū)重力滑脫體系是由上新世和第四系下陸架和上陸坡邊緣沉積物因重力失穩(wěn)堆積而成，如此大規(guī)模的重力滑脫構(gòu)造體系應(yīng)該是在該區(qū)大的構(gòu)造格局基礎(chǔ)上發(fā)育的，期間可能也伴隨著后期的局部構(gòu)造活動[13]，但由于其對沉積物強度變化的影響較為復(fù)雜，難以定量化描述。

圖4　白云深水區(qū)海底重力滑脫構(gòu)造地震反射特征Fig.4　Seismic characteristics of sea floor gravity décollement structure in Baiyun deep-water zone

圖5　海底滑脫構(gòu)造觸發(fā)機制示意圖Fig.5　Schematic diagram of mechanisms of sea floor gravity decollement structure

4結(jié)論

1)白云深水區(qū)重力滑脫構(gòu)造體系位于南海北部陸緣，跨越陸架邊緣、陸坡和深海平原三種地貌單元，其規(guī)模約12 000 km2，是南海單個面積較大的海底重力滑脫構(gòu)造，通過對高分辨率地形及地震資料的解釋，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)形態(tài)具有典型海底重力滑脫構(gòu)造的特點，且不同構(gòu)造單元外部形態(tài)和內(nèi)部地震反射特征差異明顯，地震地質(zhì)綜合識別有效可靠。

2)白云深水區(qū)重力滑脫構(gòu)造的不同結(jié)構(gòu)單元呈現(xiàn)出不同的重力變形特征。其中拉張斷裂區(qū)域為初始失穩(wěn)區(qū)域，也是整個重力滑脫構(gòu)造體系的物源提供區(qū)域，其變形破壞模式以剪切斷裂和滑動變形為主；滑脫搬運區(qū)域為滑脫物質(zhì)的破碎及輸送區(qū)，其變形破壞后的沉積物以碎屑流沉積為主；擠壓堆積區(qū)域為沉積物失去動能逐漸沉積的區(qū)域，其變形破壞模式以擠壓變形和旋轉(zhuǎn)滑動為主。

3)研究區(qū)的天然氣水合物已經(jīng)通過鉆探得到證實，在該區(qū)兩者伴生關(guān)系明顯。多次的水合物分解和再次形成對淺部地層的物性及穩(wěn)定性都會產(chǎn)生一定影響，很有可能會造成地層的抗剪切強度下降，進(jìn)而誘發(fā)重力滑脫構(gòu)造的發(fā)育。該區(qū)重力滑脫構(gòu)造的形成是地形、物源、水合物分解、構(gòu)造活動等多種因素共同多次作用的結(jié)果。通過分析海底重力滑脫構(gòu)造，對該區(qū)天然氣水合物勘探有較好的指示意義，同時，也對油氣資源的安全開發(fā)有借鑒價值。

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Seismic and geologic comprehensive identification of sea floor gravity decollement structure in Baiyun deep-water zone,Pearl river mouth basin

BAI Bo1,QIN Zhi-liang2,YANG Kun2,CAO Zi-qiang1

(1.Research Institute of CNOOC,Beijing100028,China；2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T,Tianjin300456,China)

Abstract:Based on the water depth data,multi-beam topography data and high-resolution multi-channel seismic data,this paper identified the internal structure,external morphological characteristics and seismic reflection feature of the seafloor gravity décollement structure of Baiyun deep-water zone,Pearl river mouth basin in the northern slope of the South China sea,and analyzed the main controlling factors.The study indicated that seafloor gravity decollement structures are highly developed in Baiyun deep-water zone and distributed in the edge of continental shelf,continental slope and abyssal plain.The seafloor gravity decollement structure and Zhujiang submarine canyon together shaped the seafloor topography and geomorphology characteristics.The complex structure caused the diversity of external morphological characteristics and the internal seismic reflection characteristics.Combined the structural and sedimentary background,as well as the natural gas hydrate research status,it can be found that the seafloor gravity decollement structure is controlled by the tectonic pattern and sea level change of Pearl river estuary at the late of pliocene.Then,the natural gas hydrate decomposition and underflow further modified the local micro topography.

Key words:deep-water zone;sea floor gravity decollement structure;seismic and geologic comprehensive identification;gravity flow

收稿日期：2015-02-25改回日期：2016-03-03

基金項目:國家科技重大專項(2011ZX05030-001)；國家自然科學(xué)基金(41306057)

作者簡介：白博(1985-)，男，碩士，工程師，主要從事地震資料解釋及儲層預(yù)測研究工作，E-mail：baibo@cnooc.com.cn。

文章編號：1001-1749(2016)02-0219-06

中圖分類號：P 631.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.12