汪靈, 王彬, 李健, 喻凱琦, 趙芳

1. 中國科學(xué)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(xué)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(xué)院大學(xué), 北京 100049;

4. 中國石油天然氣股份有限公司杭州地質(zhì)研究院, 浙江 杭州 310023

海底麻坑是地層中流體和氣體沿著運移通道向上滲漏, 侵蝕海底表面沉積物形成的一種海底負(fù)地形(Judd et al, 2007; 羅敏 等, 2012; Hovland et al,2012; Riboulot et al, 2013; Andreassen et al, 2017)。King和Maclean于1970年首次在加拿大新斯科舍省陸架邊緣發(fā)現(xiàn)海底麻坑(King et al, 1970)。隨著海洋探測技術(shù)發(fā)展, 在全球不同海域觀測到越來越多的海底麻坑, 如白令海、北海、黑海、加拿大西部陸架、非洲西部大陸邊緣、南海等(Nelson et al, 1979;?if?i et al, 2003; Sultan et al, 2010; 邸鵬飛 等, 2012;Mazzini et al, 2017; B?ttner et al, 2019; 楊志力 等,2020)。Hovland等(2002)根據(jù)海底麻坑的平面形態(tài)和規(guī)模, 將海底麻坑分為單元麻坑、正常麻坑、拉長形麻坑、眼狀麻坑、鏈狀麻坑和復(fù)合麻坑6種樣式。海底麻坑深度和直徑變化較大, 單個海底麻坑的深度通常為1～100m, 其直徑范圍在1～1000m之間(Hovland et al, 2002; Pilcher et al, 2007; Judd et al,2007)。海底麻坑的形態(tài)和規(guī)模主要受到其所在海洋環(huán)境以及不同地質(zhì)營力(如底流、滑塌等)的共同影響(Hovland et al, 2002; Pilcher et al, 2007; Dandapath et al, 2010)。

海底麻坑研究是近年來海洋地球科學(xué)領(lǐng)域的熱點問題之一, 海底構(gòu)造運動、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、生物群落發(fā)展、海底工程設(shè)施建設(shè)等均與流體活動和海底麻坑的分布密切相關(guān)(Hovland et al, 2002; Paull et al, 2008)。目前對海底麻坑的成因機制及演化過程的認(rèn)識主要經(jīng)歷了兩個階段。在研究初期, 學(xué)者普遍認(rèn)為海底麻坑的形成與地震、海嘯、冰川攜帶大塊碎屑物質(zhì)撞擊海底以及人類活動等相關(guān)(Nelson et al,1984; Hasiotis et al, 1996; Soter, 1999; Baraza et al,1999)。近年來隨著高分辨率海底多波束測深和二維/三維多道地震數(shù)據(jù)的普及與應(yīng)用, 大量研究表明構(gòu)造或成巖斷裂(Waghorn et al, 2018)、地下水通量(Hillman et al, 2015)、鹽構(gòu)造(Geletti et al, 2008;Andresen et al, 2011)、天然氣水合物分解(Sultan et al,2010)等因素也可導(dǎo)致海底麻坑的發(fā)育。海底麻坑的形成過程可以概括為: 地層中的流體(烴類氣體、地下水、孔隙流體等)不斷聚集, 當(dāng)其產(chǎn)生的壓力大于上覆地層重力與靜水壓力時, 流體將沿著斷層、裂隙、氣煙囪、不整合面等逸散通道向上滲漏至海底表面, 松散沉積物被侵蝕搬運形成大小不一的海底麻坑。

南海西部區(qū)域流體活動強烈, 且斷層、氣煙囪等流體逸散通道廣泛分布, 導(dǎo)致該區(qū)域海底發(fā)育了大量的海底麻坑(Chen et al, 2011; Sun et al, 2012;Ye et al, 2019)。Sun等(2011)在南海西沙隆起附近發(fā)現(xiàn)眾多直徑達(dá)千米級別的巨型麻坑, 通過精細(xì)刻畫麻坑下部的流體逸散通道, 將該區(qū)域的麻坑分為與氣煙囪相關(guān)、沉積邊界相關(guān)、斷層相關(guān)以及氣煙囪和傾斜構(gòu)造相關(guān)的4種麻坑類型, 并且這4種類型麻坑的形成與流體側(cè)向遷移的強弱有關(guān)。Chen等(2015)在中建南盆地北部發(fā)現(xiàn)兩個區(qū)域的海底麻坑,根據(jù)其平面形狀、規(guī)模和組合模式也提出了海底麻坑的分類方案, 并提出了新月形麻坑的演化模型。Geng等(2017)研究了中建南盆地北部沖溝和巨型麻坑的地貌特征、分布規(guī)律和形成機制, 結(jié)果表明離散的麻坑在重力流的作用下可合并發(fā)育成沖溝, 揭示了沖溝與巨型麻坑的形成存在密切聯(lián)系。前人對中建南盆地海底麻坑的研究主要集中在描述海底麻坑的發(fā)育特征, 側(cè)重從整體上對該區(qū)域海底麻坑的形成機制進(jìn)行探討, 而中建南盆地北部的海底麻坑在地貌上呈現(xiàn)出明顯的差異性, 存在多種不同的平面形態(tài), 目前還缺少針對這些不同類型海底麻坑成因機制的分類討論及分析。本文基于高分辨率海底多波束測深數(shù)據(jù)和多道地震資料, 對研究區(qū)內(nèi)海底麻坑地形地貌特征和內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精細(xì)刻畫,識別出4種不同類型的海底麻坑, 并結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)背景對不同類型海底麻坑的成因機制進(jìn)行了詳細(xì)的討論和分析, 建立了中建南盆地北部不同類型海底麻坑的形成演化模式。

1 地質(zhì)背景

南海位于太平洋、印度洋兩大洋和太平洋板塊、亞歐板塊、印度-澳大利亞板塊接壤處。南海的演化過程和沉積填充受到板塊和大洋間相互作用的影響,歷經(jīng)了主動大陸邊緣向被動大陸邊緣過渡的過程(李家彪, 2005; 李家彪 等, 2011)。南海經(jīng)歷了復(fù)雜的新生代構(gòu)造活動和熱演化, 形成眾多新生代沉積盆地, 包括鶯歌海盆地、瓊東南盆地、珠江口盆地和中建南盆地等(姚伯初 等, 2005; 李家彪 等,2011)。

研究區(qū)域位于南海西部陸緣的中建南盆地北部,該盆地面積超過1.1×105m2, 水深50～4000m, 橫跨陸架和陸坡區(qū)域, 整體呈NNW展布(圖1)。盆地地處北部凹陷, 分別由3個正負(fù)構(gòu)造單元組成, 新生代沉積厚度2500～6500m, 包括沼澤相、湖相、淺水相和深海相, 厚層細(xì)粒沉積物覆蓋了整個盆地(高紅芳 等, 2000; 鐘廣見 等, 2005; 張功成 等, 2013)。厚層新生代沉積物中具有豐富的有機質(zhì), 多種烴源巖類型, 熱流值通常在70～120mW·m-2, 高熱流可提高烴源巖轉(zhuǎn)化效率, 且其局部存在圈閉結(jié)構(gòu), 有利于形成源-儲層-密封組合(何麗娟 等, 1998; 姚伯初 等, 2004; 徐行 等, 2015)。

圖1 研究區(qū)域位置圖中紅色方框為研究區(qū)域。該圖基于標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)頁中的中國地勢圖制作, 審圖號為GS(2016)1609, 底圖無修改Fig. 1 Location of the study area

中建南盆地的發(fā)育與演化是印支邊緣斷裂的走滑活動和南海地區(qū)南北向伸展共同作用的結(jié)果(劉金萍 等, 2020)。在南海西緣斷裂走滑拉張與南海擴張的聯(lián)合作用下, 該盆地具有走滑-拉張性質(zhì)(陳玲,2006; 高紅芳 等, 2007)。中建南盆地的構(gòu)造演化可劃分為4個階段: 早始新世—中始新世的伸展斷裂、晚始新世—晚漸新世的走滑拉張、早中新世—晚中新世的穩(wěn)定沉降以及上新世—第四紀(jì)的快速沉降(劉金萍 等, 2020)。

2 研究數(shù)據(jù)及方法

研究區(qū)海底多波束測深數(shù)據(jù)由SeaBeam 2112多波束回聲測深系統(tǒng)采集, 其主頻率為12kHz, 脈沖長度為3～20ms。采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)導(dǎo)航過濾、參數(shù)校準(zhǔn)、換能器吃水校正、聲速校正、縱搖校正、橫搖校正、艏向校正、數(shù)據(jù)過濾和插值等過程處理。該數(shù)據(jù)密度適合制作約100m分辨率(單元大小)的柵格網(wǎng)格, 可呈現(xiàn)研究區(qū)域海底地貌的詳細(xì)特征,能夠滿足對該區(qū)域內(nèi)海底麻坑地貌的識別和統(tǒng)計。

高分辨率三維地震數(shù)據(jù)由中國石油天然氣集團(tuán)有限公司提供。海上作業(yè)參數(shù): 船載8條平行線纜,線纜沉放深度為海平面以下7～9m, 每條拖纜960道,道間距6.25m, 最小偏移距為150m。橫向分辨率和縱向分辨率分別為12.5m和25m, 高精度的三維地震數(shù)據(jù)能夠滿足對海底麻坑詳細(xì)的內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)及地層內(nèi)部流體滲漏特征的識別。

3 海底麻坑地貌形態(tài)特征

研究區(qū)水深100～1500m, 海底麻坑主要分布在廣樂隆起東南部、中建北海臺南部和中建島南部海域(圖1和圖2)。根據(jù)多波束測深數(shù)據(jù)在研究區(qū)內(nèi)共識別出330個規(guī)模不等的海底麻坑, 直徑在1500～7900m范圍之間, 最大深度可達(dá)175m?；诤５茁榭拥牡孛残螒B(tài)特征可將其分為圓形、橢圓形、長條形、新月形麻坑4種類型, 其中圓形麻坑79個,橢圓形麻坑88個, 長條形麻坑64個, 新月形麻坑99個(圖2)。

圖2 研究區(qū)海底麻坑分布等深線圖圖中紅色線段代表地震測線位置, 紅色方框代表麻坑鏈, 藍(lán)色方框代表復(fù)合麻坑Fig. 2 Isobath map of submarine pockmark distribution in the study area. The red lines represent the location of seismic profiles, the red box represents the pockmark train,and the small blue box represents the composite pockmarks

圓形麻坑在研究區(qū)內(nèi)分布范圍較廣, 直徑變化范圍1.5～2.3km, 深度為28～55m, 無明顯長軸與短軸, 長寬比為1～1.5 (圖2和圖3)。在平面圖中, 就單個圓形麻坑而言, 從外緣到中心, 圓形麻坑的長寬比由1.5逐漸趨于1, 且深度逐漸加深(圖3)。在三維地形圖中, 圓形麻坑呈現(xiàn)出明顯的圓形或近圓形的凹陷地形, 其橫向剖面形態(tài)表現(xiàn)為非對稱的“V”字形, NW、NE兩側(cè)坡度明顯大于SE、SW兩側(cè)坡度(圖3)。

圖3 圓形海底麻坑地貌及剖面圖a. 二維等深線圖; b. 三維等深線圖; c和d. 剖面圖。圖a中紅色線段AB、CD為剖面位置Fig. 3 Morphologies of the circular submarine pockmark.(a) 2D isobathic map; (b) 3D isobathic map; (c) and (d)profile maps. The red line AB and CD indicate the locations of the profiles

橢圓形麻坑主要發(fā)育在研究區(qū)水深800～1100m的海域, 該區(qū)域海底地形平緩且坡度較小(圖2)。橢圓形麻坑長軸與短軸的長寬比為1.5～2, 麻坑深度為20～160m, 平均深度為60m。長軸長度在900～3000m之間, 平均長度為1500m; 短軸長度在500～2000m之間, 平均長度為1000m。長軸橫切剖面形態(tài)表現(xiàn)為非對稱的“V”字形, 短軸橫切剖面兩翼坡度相差較大, NE側(cè)坡度明顯大于SW側(cè), 呈現(xiàn)非對稱的“U”字形(圖4)。

圖4 橢圓形海底麻坑地貌及剖面圖a. 二維等深線圖; b. 三維等深線圖; c和d. 剖面圖。圖a中紅色線段AB、CD為剖面位置Fig. 4 Morphologies of the elliptical submarine pockmark.(a) 2D isobathic map; (b) 3D isobathic map; (c) and (d)profile maps. The red lines AB and CD indicate the locations of the profiles

長條形麻坑主要發(fā)育在中建島的東側(cè)和廣樂隆起的東南側(cè)海域, 多數(shù)呈NW—SE向展布(圖2和圖5)。長條形麻坑相對于橢圓形麻坑具有更明顯的長軸, 并且長軸長度遠(yuǎn)大于短軸長度, 長寬比大于2.5, 這種更具狹長形態(tài)的海底麻坑, 也被稱為線性麻坑。長條形麻坑的長軸長度在2000～4000m之間,平均長度為2500m; 短軸長度在650～1800m之間,平均長度為900m。長軸與短軸的交點處深度最大,深度在25～200m之間, 平均深度為80m。長軸與短軸的剖面形態(tài)均表現(xiàn)為非對稱的“U”字形, 但兩側(cè)坡度差異較小(圖5)。

圖5 長條形海底麻坑地貌及剖面圖a. 二維等深線圖; b. 三維等深線圖; c和d. 剖面圖。圖a中紅色線段AB、CD為剖面位置Fig. 5 Morphologies of the elongated submarine pockmark.(a) 2D isobathic map; (b) 3D isobathic map; (c) and (d)profile maps. The red lines AB and CD indicate the locations of the profiles

新月形麻坑主要分布在研究區(qū)的中部與南部區(qū)域, 其中位于研究區(qū)東南部的新月形麻坑規(guī)模較大, 呈現(xiàn)出簇狀分布的特征, 開口朝向西南,該方向為新月形麻坑的走向或短軸方向(圖2和圖6)。新月形麻坑最深處位于曲率最大處的中心位置,絕大多數(shù)新月形麻坑的短軸剖面呈現(xiàn)出近非對稱的“V”形, 長軸剖面通常呈現(xiàn)出“W”形結(jié)構(gòu)特征(圖6)。

圖6 新月形海底麻坑地貌及剖面圖a. 二維等深線圖; b. 三維等深線圖; c和d. 剖面圖。圖a中紅色線段AB、CD為剖面位置Fig. 6 Morphologies of the crescentic submarine pockmark. (a) 2D isobathic map; (b) 3D isobathic map; (c)and (d) profile maps. The red lines AB and CD represents the locations of the profiles

4 海底麻坑地震特征

研究區(qū)內(nèi)海底麻坑的下部地層雖然通常存在著聲空白、雜亂反射、亮點等異常反射特征以及斷層、裂隙、氣煙囪等流體逸散通道(圖7), 然而由于不同類型海底麻坑所處的地質(zhì)環(huán)境差異較顯著, 從而導(dǎo)致不同類型麻坑內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在著明顯不同。本研究利用高分辨率的三維地震資料, 對中建南盆地北部不同類型海底麻坑的內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精細(xì)刻畫, 測線布設(shè)位置如圖2紅色線段所示。

圖7 圓形海底麻坑地震剖面圖圖中紅線表示斷層發(fā)育位置Fig. 7 Seismic profiles of the circular pockmarks. The red line represents the fault

三維地震剖面顯示圓形麻坑下伏地層中存在著大量反射衰減的聲空白帶(圖7)。在兩個聲空白帶之間發(fā)育有大量的斷層, 多數(shù)斷層起始于地層2.2s (雙程旅行時)處, 終止于地層1.65s, 斷層作為運移通道連接著兩個聲空白帶(圖7)。在1.6～1.7s處存在明顯的似海底反射層(Bottom Simulating Reflector,BSR)結(jié)構(gòu), 該結(jié)構(gòu)在剖面上表現(xiàn)為高振幅反射特征,近平行于海底表面且具有與海底表面相反的極性(圖7)。

橢圓形麻坑的下方可識別出古麻坑構(gòu)造, 在地震剖面上顯示為波阻抗差大、強反射的特征(圖8)。多條斷層穿過古麻坑構(gòu)造, 并且延伸至橢圓形麻坑兩側(cè)翼地層或下方, 部分?jǐn)鄬娱g的地層呈現(xiàn)出弱連續(xù)的地震反射特征(圖8)。在麻坑的下伏地層中還可識別出弱振幅、弱連續(xù)性特征的氣煙囪構(gòu)造, 其形狀多呈柱狀(圖8)。氣煙囪構(gòu)造直接發(fā)育在底辟之上,底辟向上隆起幅度較大, 造成其上覆及周圍地層發(fā)生變形(圖8)。

圖8 橢圓形海底麻坑地震剖面圖圖中紅線表示斷層發(fā)育位置, 黑色虛曲線表示氣煙囪Fig. 8 Seismic profiles of the elliptical pockmarks. The red line represents the fault, and the black dashed line represents the gas chimney

長條形麻坑下伏地層1.6～1.8s處也發(fā)育有古麻坑構(gòu)造, 但古麻坑的側(cè)翼反射強度相對海底表面的長條形麻坑較弱, 西南側(cè)側(cè)翼沉積厚度明顯小于東北側(cè)(圖9)。古麻坑上覆地層出現(xiàn)聲空白反射特征,而古麻坑的下伏地層中高振幅異常亮點結(jié)構(gòu)發(fā)育,亮點緊連著裂隙結(jié)構(gòu)(圖9)。深部地層流體沿著1.9～2.1s存在的斷層和裂隙與上覆地層相連, 發(fā)育裂隙的周圍地層反射強度明顯減弱(圖9)。

圖9 長條形海底麻坑地震剖面圖圖中紅線表示斷層發(fā)育位置, 黑色虛線表示裂隙Fig. 9 Seismic profiles of the elongated pockmarks. The red line represents the fault, and the black dashed curve represents the fracture

三維地震資料顯示, 新月形麻坑西北向側(cè)翼的坡度明顯小于東南翼(圖10)。新月形麻坑的下伏地

圖10 新月形海底麻坑地震剖面圖圖中紅線表示斷層發(fā)育位置Fig. 10 Seismic profiles of the crescentic pockmarks. The red line represents the fault

層中也可識別出古麻坑構(gòu)造, 在古麻坑下部地層2.0～2.7s之間發(fā)育多邊形斷層(圖10)。在深部地層2.5～2.7s處存在弱反射的聲空白帶, 斷層從深部聲空白帶底部開始發(fā)育, 貫穿地層2.0s處的古麻坑,其中兩條斷層與海底表面的新月形麻坑直接連接(圖10)。古麻坑?xùn)|南側(cè)翼反射增強, 氣體穿過古麻坑側(cè)翼在新月形麻坑下方聚集, 地震剖面上表現(xiàn)為雜亂反射(圖10)。

5 討論

海底麻坑的成因機制和形成過程與其所受的地質(zhì)營力作用密切相關(guān), 雖然海底麻坑的成因機制和形成演化過程存在較大爭議, 但已有研究普遍認(rèn)為海底麻坑是欠壓實沉積地層中的流體(甲烷、地下水等)沿著斷層或其他滲漏結(jié)構(gòu)向海底表面快速噴發(fā)或緩慢滲透形成類似火山口的凹陷(Kelley et al,1994; Hovland et al, 2002; Wei et al, 2015; Goff,2019)。中建南盆地北部海底麻坑分布范圍廣、數(shù)量多、密度大、類型多, 不同區(qū)域的海底麻坑需結(jié)合相應(yīng)的地質(zhì)環(huán)境對其成因機制和演化過程進(jìn)行更為細(xì)致的分析和探究。

5.1 海底麻坑的成因機制

5.1.1 流體來源

在麻坑的形成過程中, 流體滲漏起著至關(guān)重要的作用。形成海底麻坑最為常見的流體來源包括水和氣體, 其中水包括孔隙水和地下水等(Harrington,1985; Cathles et al, 2010; Goff, 2019), 氣體則包括生物成因氣體和熱成因氣體(Sultan et al, 2010; Serié et al, 2012; Riboulot et al, 2014; Chen et al, 2015)。研究區(qū)內(nèi)海底麻坑直徑在1500～7900m范圍之間, 其規(guī)模遠(yuǎn)大于其他海域的海底麻坑規(guī)模, 例如西非剛果盆地和西南巴倫支海域的海底麻坑直徑僅為20～1000m (Pilcher et al, 2007; Chand et al, 2012;Andreassen et al, 2017), 大規(guī)模的海底麻坑表明研究區(qū)內(nèi)具有豐富的流體來源?；谌S地震剖面資料, 在研究區(qū)海底麻坑下伏地層中識別出具有聲空白、雜亂反射、強反射、亮點等反射特征, 表明地層中存在著大量的流體對地震波的反射造成了擾動作用(圖7～圖10)。

中建南盆地存在著3套厚層烴源巖, 古新世—中始新世為湖相泥巖、沼澤相泥巖與炭質(zhì)泥巖, 晚始新世—漸新世烴源巖為潟湖相和淺湖、半深湖-深湖相泥巖, 下中新世—中中新世為淺海-半深海相泥巖, 儲集層主要為漸新世的砂巖和中新世的碳酸鹽巖復(fù)合體, 盆地內(nèi)區(qū)域泥巖蓋層厚度可達(dá)300～1000m, 具有良好的生烴和儲集潛力(高紅芳等, 2000, 2007; 姚伯初 等, 2004)。大量烴類的聚集和泥巖蓋層有效的密封作用, 使得地層孔隙壓力不斷累積, 易形成超壓。當(dāng)?shù)貙觾?nèi)流體壓力超過上覆蓋層的封蓋壓力時, 流體將沿著運移通道向淺部地層運移, 為麻坑的形成提供條件。

橢圓形麻坑下伏地層中存在底辟構(gòu)造, 該底辟上隆拱起改變周圍地層形態(tài)(圖8), 表明底辟在形成過程中受到高溫高壓的作用, 底辟頂部伴生的氣煙囪結(jié)構(gòu)突顯出強烈的熱流體活動現(xiàn)象(何家雄 等,2006)。中建南盆地巖漿活動活躍, 巖漿侵入體未延伸到海底表面, 而是在麻坑下伏地層中停止活動形成底辟構(gòu)造(圖8), 這是造成地層中熱流體活動強烈的主要原因(何家雄 等, 2006)。

5.1.2 逸散通道

逸散通道包括斷層、裂隙、氣煙囪及古麻坑等結(jié)構(gòu), 其能夠連接深部地層與淺部地層, 是形成海底麻坑的必要條件之一(L?seth et al, 2011; Andresen et al, 2011; Morgan et al, 2015; Ho et al, 2018)?；谌S地震剖面資料, 在研究區(qū)可識別出多種與流體逸散通道相關(guān)的指示特征(圖7～圖10), 下文針對不同類型的逸散通道如何影響海底麻坑進(jìn)行詳細(xì)的分析與討論。

斷層作為流體縱向遷移的重要途徑之一, 是流體運移所受阻力最小的運移通道(Hustoft et al, 2007;Faulkner et al, 2010; Sultan et al, 2011)。研究區(qū)4種類型的海底麻坑下伏地層中均發(fā)育有大量的斷層,并且斷層周緣常伴生著裂隙的發(fā)育, 斷層與裂隙具有破壞地層連續(xù)性的能力, 使得麻坑下伏地層的密封能力失效(圖7～圖10)。新月形麻坑下伏地層發(fā)育有多邊形斷層(圖10), 在多邊形斷層發(fā)育過程中受早期成巖作用壓實脫水, 伴隨大量流體排出(吳時國等, 2008; 陳端新 等, 2012)。中建南盆地自中新世以來巖漿活動強烈(鐘廣見 等, 2005; 高紅芳 等,2006; 夏少紅 等, 2017), 規(guī)模較大的巖體常與斷裂伴生, 大量烴類等流體向斷裂處聚集。斷層作為逸散通道, 流體將沿著裂隙或斷層向淺部地層運移。

橢圓形麻坑地層中發(fā)育的氣煙囪結(jié)構(gòu)也是一種常見的逸散通道。形成氣煙囪的控制因素眾多, 但必須具備3個條件: 1) 地層深部的成熟烴源巖; 2)地層中存在構(gòu)造薄弱帶, 如小裂隙; 3) 具有良好的蓋層結(jié)構(gòu)(梁全勝 等, 2006)。中建南盆地富含成熟烴源巖和儲集層, 烴源巖產(chǎn)生的氣體不斷聚集形成超壓(po), 在蓋層的密封作用下孔隙壓力(pp)逐漸增大, 當(dāng)孔隙壓力超過蓋層的密封壓力(即上覆地層總壓力p)時, 發(fā)生幕式泄壓(公式1和公式2), 氣體將沿著裂隙等地層薄弱帶滲漏形成氣煙囪(楊濤濤 等,2013)。隨著氣體的釋放, 下伏地層孔隙壓力降低,地層薄弱帶將會封閉, 孔隙壓力再次累積, 直到下次幕式泄壓。氣煙囪頂部與上覆地層相連通, 內(nèi)部流體向上逸散, 流體供給充足時可引發(fā)海底淺地層發(fā)生變形, 從而形成橢圓形麻坑(圖8)。

式中,p為任一孔隙介質(zhì)承受的上覆地層總壓力(單位: Pa);σ為骨架有效應(yīng)力;pp為孔隙(流體)壓力(單位: Pa);ph為靜水壓力(單位: Pa);po為異常超壓(單位: Pa)。

在橢圓形麻坑、長條形麻坑和新月形麻坑下伏地層中均存在古麻坑構(gòu)造, 并且多條斷層穿過古麻坑延伸至海底麻坑的兩翼或者底部(圖8～圖10)。古麻坑早期所處的地質(zhì)環(huán)境并不穩(wěn)定, 其內(nèi)部沉積物壓實程度低, 孔隙度較大, 有利于氣體或流體的儲存。古麻坑的存在說明研究區(qū)曾發(fā)生過古流體的逸散,當(dāng)古流體活動減弱或者停止逸散之后, 麻坑容易遭受剝蝕并接受新的沉積, 從而被沉積物所充填產(chǎn)生被掩埋的古麻坑。然而一旦古麻坑下部流體再次聚集,導(dǎo)致其壓力超過了上覆地層壓力時, 加之古麻坑周圍地層沉積物松散, 受到斷層活動或其他構(gòu)造因素的影響, 流體會沿著斷層再次運移, 并且穿過古麻坑,為新的海底麻坑的形成創(chuàng)造條件(Andresen et al,2011; Moss et al, 2012; Morgan et al, 2015)。

5.1.3 底流活動

海底麻坑的發(fā)育與演化不僅受到強烈的流體逸散活動的控制, 同時也受到底流沖刷、搬運作用的影響(Bulat et al, 2001; Betzler et al, 2011)。海底麻坑形成過程中流體逸散至淺部地層, 剝蝕海底松散沉積物, 較細(xì)粒的沉積物懸浮于水體中, 在強烈的底流作用下被快速沖刷搬運, 而部分粗粒沉積物殘留在地層流體逸散不活躍的麻坑內(nèi)壁(Paull et al,1999)。底流活動能夠阻止麻坑被其他沉積物填塞堆積而消失, 對維持麻坑形態(tài)起到一定作用。若底流作用與流體逸散活動減弱到一定程度后, 海底麻坑則會被隨后的沉積物掩埋形成古麻坑(Andresen et al,2008; Hovland et al, 2012; Michel et al, 2017)。長條形麻坑和新月形麻坑通常發(fā)育在底流活動強烈的區(qū)域, 底流作用可以侵蝕早期形成的麻坑內(nèi)壁, 從而擴大麻坑的規(guī)模, 改變麻坑的地貌形態(tài)(Andresen et al, 2008; Hovland et al, 2012; Michel et al, 2017)。

在廣樂隆起的東部發(fā)育著寬而深的底流水道(Sun et al, 2011; Chen et al, 2018), 主干水道整體由北至南呈現(xiàn)出NNW—SSE向, 在廣樂隆起東北角轉(zhuǎn)為NNE—SSW向, 分支水道多數(shù)呈現(xiàn)NW—SE向,底流水道由西南至東北向逐漸加深變寬(圖2)。底流水道的存在表明研究區(qū)內(nèi)底流活動強烈, 這可能是由于廣樂隆起和中建島形成的狹窄空間所致(Sun et al, 2011)。研究區(qū)內(nèi)相鄰海底麻坑之間排列緊密(圖2),在強烈的底流作用下, 海底麻坑形態(tài)發(fā)生改變, 緊密排列的麻坑, 其壁壘被沖破, 合并形成復(fù)合麻坑(圖2)。長條形麻坑具有明顯的長軸, 大多數(shù)長條形麻坑的長軸走向與周圍分支水道流向大致吻合, 呈現(xiàn)為NW—SE走向。在水道最南端發(fā)現(xiàn)多條麻坑鏈,麻坑鏈由多個千米級的橢圓形和長條形麻坑呈鏈狀緊密排列組成, 橢圓形麻坑和長條形麻坑長軸的方向與分支水道的走向一致(圖2)。雖然麻坑鏈內(nèi)橢圓形麻坑的長寬比小于長條形麻坑, 但它們沿分支水道整齊的鏈狀走向排列, 表明部分橢圓形麻坑已在底流改造作用下深度加深、長度加長, 并逐漸向長條形麻坑演化。橢圓形麻坑和長條形麻坑線性排列成麻坑鏈, 并在底流作用下逐漸演化成底流水道(圖2)。

南海存在獨特的三層氣旋-反氣旋-氣旋環(huán)流(上層環(huán)流<750m, 中層環(huán)流750～1500m, 深部環(huán)流>1500m)(Gan et al, 2016)。在研究區(qū)內(nèi)新月形麻坑主要分布的水深范圍為750～1100m, 處于中層環(huán)流影響范圍內(nèi), 中層環(huán)流由西南流向東北(孫啟良, 2011;Gan et al, 2016)。Zhang等(2014)利用潛標(biāo)觀測發(fā)現(xiàn)中層環(huán)流引起的強流對深海沉積物具有搬運作用。在沒有持續(xù)流體逸散的情況下, 海底麻坑依舊能維持向下凹陷的原因是底流在麻坑內(nèi)區(qū)域性偏轉(zhuǎn)的結(jié)果(Hammer et al, 2009)。研究區(qū)內(nèi)新月形麻坑普遍發(fā)育, 大多數(shù)新月形麻坑開口朝向西南, 少數(shù)開口朝向西北和東北(圖2)。根據(jù)Hammer等(2009)的模擬結(jié)果表明當(dāng)?shù)琢髁鹘?jīng)海底麻坑時, 麻坑上游側(cè)沉積速率增大, 下游側(cè)沉積速率低甚至被侵蝕。結(jié)合研究區(qū)中層環(huán)流的流向為西南流向東北, 故海底麻坑西南側(cè)沉積速率要明顯大于東北側(cè), 從而導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)新月形麻坑的形成, 并且大多數(shù)新月形麻坑開口朝向西南。

5.2 海底麻坑的演化過程

深部儲層的流體由于蓋層的阻礙作用不斷聚集,當(dāng)流體產(chǎn)生的壓力大于蓋層束縛壓力和重力時, 流體可能會打破蓋層的封閉作用沿著裂隙或斷層向上覆地層逸散, 并在淺部地層聚集(Kelley et al, 1994;Cathles et al, 2010), 如圖7和圖11a所示。強反射振幅的BSR可能會起到密封作用, 流體聚集并散布在BSR下方, 阻止來自深部儲層的流體進(jìn)一步上升(Sultan et al, 2010; Lu et al, 2017)。隨著BSR下方地層流體不斷的累積, 可能會聚集更多的游離氣和熱能, 并形成熱梯度高值和超壓, 高熱量使BSR融化,超壓密封失效(Lu et al, 2017)。聚集的流體不斷沿著逸散通道向上逸散至海底, 受流體影響海底表面地層變得松散, 地層向下塌陷, 海底表面的完整性遭到破壞, 從而形成圓形麻坑(圖11a)。在規(guī)模上, 圓形麻坑相對于其他類型麻坑屬于小麻坑, 絕大多數(shù)以孤立麻坑的形式出現(xiàn)(圖2), 通常指示著海底麻坑發(fā)育的早期階段(Hovland et al, 2002; Sun et al, 2011;Chen et al, 2015)。

圖11 不同類型海底麻坑演化圖a. 圓形麻坑演化圖; b. 橢圓形麻坑演化圖; c. 長條形麻坑演化圖; d. 新月形麻坑演化圖Fig. 11 Evolution of different types of submarine pockmarks. (a) Evolution of circular pockmark, (b)evolution of elliptical pockmark, (c) evolution of elongated pockmark, and (d) evolution of crescent pockmark

橢圓形麻坑下伏深部地層底辟上侵活動導(dǎo)致圍巖及上覆地層隆起, 且在底辟體側(cè)翼、頂部伴生斷層和氣煙囪(圖8), 表明該底辟活動強烈(張偉 等,2017)。底辟發(fā)育伴隨著較強熱流體活動, 大量熱液流體沿著頂部氣煙囪和側(cè)翼斷層不斷侵入地層薄弱帶, 斷層穿越古麻坑直接向橢圓形麻坑內(nèi)壁供給流體(圖8)。古麻坑發(fā)育的地層沉積物細(xì)粒松散, 游離氣容易在古麻坑內(nèi)聚集, 當(dāng)聚集的游離氣供給量充足時, 則可在古麻坑的上覆地層形成規(guī)模較小的圓形麻坑。隨后, 圓形麻坑接受深部流體供給, 在流體作用下其側(cè)壁變得松散、坍塌, 且直徑拉長、深度加深, 成為圓形麻坑逐漸演化形成橢圓形麻坑的主要原因。雖然橢圓形麻坑也發(fā)育在底流活動強烈的區(qū)域, 但由于橢圓形麻坑處于底流活動影響的早期階段, 其受底流活動的改造作用較弱(圖11b)。

長條形麻坑下伏深部儲層與斷層、裂隙和古麻坑等運移通道相連, 流體沿著運移通道向上運移,并在上覆地層聚集形成淺層氣帶(圖9)。當(dāng)不斷聚集的流體累積到一定程度時, 在海底表面首先形成圓形麻坑。圓形麻坑形成后, 在底流活動影響的早期階段, 圓形麻坑被略微拉長形成橢圓形麻坑, 受后期持續(xù)性底流活動強烈的侵蝕作用, 其內(nèi)壁逐漸坍塌, 這通常導(dǎo)致麻坑的橫截面由對稱轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍ΨQ(圖5和圖9)。淺層氣帶的持續(xù)供給使得圓形麻坑底部細(xì)粒沉積物松散, 松散的細(xì)粒沉積物在強烈的底流作用下沖刷搬運, 麻坑底部逐漸加深。緊密排列的圓形或橢圓形麻坑內(nèi)壁坍塌、底部加深逐漸演化成有明顯走向的長條形麻坑, 其走向與底流水道方向一致(圖11c)。

孤立的圓形麻坑也可演化成新月形麻坑。多邊形斷層作為深部流體儲層的逸散通道, 將大量的流體向上運移。多數(shù)斷層在古麻坑底部終止發(fā)育, 部分?jǐn)鄬又苯优c海底表面新月形麻坑內(nèi)壁相連(圖10和圖11d)。古麻坑作為一個卸壓口, 流體將繼續(xù)沿著古麻坑側(cè)壁及斷層向海底表面遷移形成圓形麻坑。由于地層內(nèi)的斷層密集, 且個別與圓形麻坑直接相連, 因此初期發(fā)育的圓形麻坑規(guī)模較大。在底流活動的作用下, 孤立的圓形麻坑上游側(cè)沉積速率增大, 沉積物在該側(cè)內(nèi)壁沉積, 導(dǎo)致上游側(cè)內(nèi)壁被掩埋; 而該麻坑下游側(cè)底流活動強烈, 沉積速率低甚至具有侵蝕作用, 從而形成新月形麻坑(圖11d)。

6 結(jié)論

1) 基于多波束測深數(shù)據(jù)和三維地震資料在南海中建南盆地北部可識別出330個海底麻坑, 其中圓形麻坑79個, 橢圓形麻坑88個, 長條形麻坑64個, 新月形麻坑99個。麻坑直徑長度可達(dá)1500～7900m, 最大深度可達(dá)175m。海底麻坑的橫向剖面形態(tài)多數(shù)為“U”字形和“V”字形, 個別為“W”字形。

2) 中建南盆地發(fā)育有良好的生儲蓋組合, 巖漿活動侵入海底麻坑下伏地層, 造成強烈的熱液流體活動, 為海底麻坑提供豐富的流體來源。大量流體供給導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)海底麻坑比其它區(qū)域規(guī)模和密度更大。

3) 逸散通道是形成海底麻坑的必要條件之一。研究區(qū)內(nèi)海底麻坑下伏地層存在多種與流體逸散通道相關(guān)的指示特征, 如斷層、裂隙、氣煙囪、古麻坑等構(gòu)造。深部地層中的流體可沿著逸散通道運移至淺部地層, 為海底麻坑的形成創(chuàng)造有利條件。

4) 底流活動對海底麻坑具有改造作用, 能夠?qū)е聢A形麻坑演化為橢圓形、長條形及新月形麻坑。當(dāng)圓形麻坑處于底流活動影響的早期階段, 其內(nèi)壁接受強烈的熱液流體活動直接供給, 從而演化成橢圓形麻坑; 受后期持續(xù)性底流活動的侵蝕作用, 緊密排列的圓形或橢圓形麻坑逐漸演化成有明顯走向的長條形麻坑, 其走向與底流水道方向一致; 孤立的圓形麻坑在底流作用下, 在底流活動上游側(cè)沉積速率增加, 麻坑在該側(cè)接受沉積被掩埋, 從而形成新月形麻坑。