陳宇航 姚根順 邵大力 魯銀濤 呂福亮 曹全斌 唐鵬程 李仕芳

1 西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710065 2 中國(guó)科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071 3 西安石油大學(xué)陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710065 4 中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院，浙江杭州 310023 5 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十采油廠，甘肅慶城 745100

1 概述

海底峽谷作為陸源沉積物從陸地搬運(yùn)到深海的主要通道，既是“源-匯”系統(tǒng)的研究目標(biāo)，也是海洋油氣勘探的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。前人對(duì)海底峽谷的研究多集中在南大西洋兩岸被動(dòng)大陸邊緣盆地以及南海北部(Adeogbaetal.， 2005;Gongetal.， 2011;Jobeetal.， 2011;Heetal.， 2013;Wangetal.， 2018)。這些盆地現(xiàn)今構(gòu)造背景相對(duì)穩(wěn)定，無明顯斷層活動(dòng)，海底地形過渡平緩，具有陸架、陸坡寬緩的特征，為穩(wěn)定型大陸邊緣(Porebski and Steel，2003;朱筱敏等，2017)。因此深水沉積體系沿著陸坡分布具有一定的規(guī)律性： 一般在上陸坡區(qū)，海底滑塌較為發(fā)育，陸坡較陡，峽谷對(duì)下伏地層侵蝕作用強(qiáng)，峽谷深度大，但相對(duì)較窄。而在下陸坡地區(qū)，構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定，陸坡變緩，峽谷的侵蝕作用減弱，峽谷深度變淺，并且逐漸過渡為海底水道充填，水道在末端轉(zhuǎn)化為沉積朵體，沉積了大量陸源碎屑物質(zhì)，成為有利儲(chǔ)集層的發(fā)育場(chǎng)所(Posamentieretal.， 2003;Pyrczetal.， 2005;Bernhardtetal.， 2011)。

研究表明構(gòu)造活動(dòng)控制著陸坡沉積體系發(fā)育機(jī)制以及沉積過程(Helland-Hansenetal.， 2012)。斷層活動(dòng)導(dǎo)致盆地內(nèi)部差異性沉降，從而改變陸坡的地形地貌，這也進(jìn)一步影響重力流沉積發(fā)育及分布(林暢松等，2015)。和被動(dòng)大陸邊緣盆地相比，東非陸緣受東非裂谷海域分支活動(dòng)影響，形成非穩(wěn)定型大陸邊緣(Wilesetal.， 2014;Frankeetal.， 2015)，從而導(dǎo)致東非陸緣盆地?cái)嗔鸦顒?dòng)發(fā)育。自2013年以來，在東非贊比西三角洲盆地(Zambezi Delta Basin)、坦桑尼亞濱海盆地(Tanzania Coastal Basin)和莫桑比克盆地(Mozambique Basin)等陸緣深水盆地中連續(xù)獲得重大天然氣勘探突破，使得東非成為油氣勘探的熱點(diǎn)區(qū)域(張光亞等，2015;陳宇航等，2016;Sansom，2017;郭笑等，2019;梁建設(shè)等，2021)。目前對(duì)這些盆地的研究多集中在深部地層油氣成藏條件上(曹全斌等，2018)，但缺少專門針對(duì)海底峽谷等陸坡深水沉積特征及機(jī)理的研究，導(dǎo)致對(duì)東非陸緣盆地物源輸送過程缺少明確認(rèn)識(shí)，進(jìn)而影響深水儲(chǔ)集砂體預(yù)測(cè)。因此需要對(duì)東非陸緣盆地峽谷開展研究，以明確東非裂谷活動(dòng)對(duì)陸坡重力流沉積的控制作用，揭示深水沉積砂體的分布規(guī)律。本研究以坦桑尼亞東南部陸坡峽谷為目標(biāo)，基于三維地震資料，對(duì)峽谷的形態(tài)、規(guī)模以及內(nèi)部沉積特征進(jìn)行詳細(xì)刻畫，同時(shí)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，揭示峽谷沉積過程的控制因素，并建立其沉積模式，可以豐富“源-匯”系統(tǒng)研究，也可以為東非大陸邊緣盆地內(nèi)深水儲(chǔ)集砂體預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

2 地質(zhì)概況

坦桑尼亞濱海盆地陸坡西部基本位于褶皺推覆帶內(nèi)，東部則靠近邊界斷層(圖 1-b)。褶皺推覆帶內(nèi)陸坡較陡(圖 3-a)，平均坡度約為2.4°，而推覆帶外陸坡相對(duì)較緩(圖 3-b)，平均坡度約為1.7°。研究區(qū)位于坦桑尼亞濱海盆地中部，面積約1500 km2(圖 1-b)。在研究區(qū)陸坡處發(fā)育多條海底峽谷，這些峽谷頭部切割陸架邊緣，其中部分峽谷還與陸架的水下分流河道直接相連(圖 1-c)。而基于三維地震資料獲得的海底地貌圖顯示，在這些峽谷之間還發(fā)育若干規(guī)模較小的海底沖溝(圖 1-d)。

a—東非陸緣地貌及洋流及分布，NEMC(Northeast Madagascar Currents)=馬達(dá)加斯加?xùn)|北洋流；EACC(East African Coastal Current)=東非沿岸流；MC(Mozambique Current)=莫桑比克海岸流;NADW(North Atlantic Deep Water)=北大西洋底流(據(jù)Thiéblemont et al.， 2019)；b—坦桑尼亞陸緣海底構(gòu)造；c—坦桑尼亞濱海盆地陸坡地形及洋流分布(據(jù)Fonnesu et al.， 2020)；d—坦桑尼亞濱海盆地陸坡地貌三維可視化圖圖 1 坦桑尼亞濱海盆地海底構(gòu)造地貌與洋流分布Fig.1 Structural geomorphology and ocean current distribution of Tanzania Coastal Basin

圖 2 坦桑尼亞濱海盆地構(gòu)造剖面(剖面位置見圖 1-b)Fig.2 Tectonic profile of Tanzania Coastal Basin (profile location inFig.1-b)

3 資料和方法

本次研究主要利用中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司提供的疊前深度偏移3D地震資料。資料覆蓋面積約800 km2。地震采樣率為4 ms，地震主頻為40～50 Hz，垂向分辨率約為10～12 m，橫向分辨率為12.5 m×12.5 m。利用Landmark工作站進(jìn)行地震資料解釋。本次研究利用2D地震相分析方法(Vailetal.， 1977)開展研究區(qū)陸坡深水峽谷沉積特征研究，同時(shí)利用3D地震地貌學(xué)分析方法(Posamentieretal.， 2003)對(duì)峽谷規(guī)模、形態(tài)及平面展布進(jìn)行詳細(xì)刻畫。

圖 3 坦桑尼亞濱海盆地陸坡東西向地震剖面Fig.3 W-E oriented seismic section of continental slope in Tanzania Coastal Basin

4 峽谷形態(tài)及沉積特征

4.1 峽谷形態(tài)

3D地震資料覆蓋區(qū)內(nèi)可見4條大型峽谷，其延伸方向均為近東西向，延伸長(zhǎng)度為45～50 km，平均48 km。4條峽谷自南向北依次命名為C1、C2、C3和C4(圖 1-d)。其中峽谷C2和C3在研究區(qū)顯示相對(duì)完整，為主要研究對(duì)象。盆地陸坡地貌三維可視化圖(圖 1-d)顯示，峽谷C2與分流河道直接相連，而峽谷C3并沒有與分流河道相連。分析認(rèn)為，峽谷C2切割陸架距離較遠(yuǎn)(約10 km)，到達(dá)陸架中部，距河口區(qū)較近，推測(cè)其更容易與陸架河流直接相連；峽谷C2大部分位于褶皺推覆帶內(nèi)，僅尾部位于褶皺推覆帶外；峽谷C3切割陸架距離較短，僅至陸架邊緣，距河口區(qū)相對(duì)較遠(yuǎn)，因此并未與陸架河流相連。峽谷C3上段位于陸坡處褶皺推覆帶的北緣，下段位于褶皺推覆帶之外(圖 1-c)。

峽谷C2的深度由西向東逐漸減小，以褶皺推覆帶為界，C2的形態(tài)在褶皺推覆帶內(nèi)、外具有明顯差異(圖 4，剖面a-a′)。在研究區(qū)西部上陸坡位置，峽谷C2位于褶皺推覆帶內(nèi)，最大深度可達(dá)470 m，平均深度約350 m，而在東部褶皺推覆帶之外，峽谷位于下陸坡位置，最大深度為120 m，平均深度約85 m。整個(gè)峽谷C2的平均深度約315 m。峽谷深泓線(峽谷內(nèi)沿水流方向最大水深處的連線，即各橫剖面最大水深點(diǎn)的連線)的坡度在褶皺推覆帶內(nèi)較陡，平均坡度約2.4°。在褶皺推覆帶外下陸坡位置，坡度明顯變緩，平均坡度約1.7°。峽谷寬度沿著陸坡方向變寬，在上陸坡寬度約1980 m，在東部陸坡末端擴(kuò)大為6300 m，平均寬度為4300 m(圖 4，剖面b-b′、c-c′、d-d′)。

和峽谷C2相比，峽谷C3形態(tài)沿陸坡方向形態(tài)無明顯規(guī)律性。在研究區(qū)西部上陸坡峽谷最大深度為240 m，在下陸坡位置深度變小，約為105 m，但在峽谷末端，峽谷深度又突然增大，約350 m。峽谷寬度在上陸坡為1980 m，在下陸坡位置，寬度增大，最大寬度可達(dá)4600 m，平均約2600 m。但在陸坡末端，峽谷寬度又減小，約4100 m。峽谷C3的深泓線坡度要比C2陡，在上陸坡約2.3°，在下陸坡相對(duì)較緩，約為1.6°，東部峽谷末端內(nèi)部發(fā)育滑塌，導(dǎo)致深泓線坡度又變陡，約3.2°。峽谷C3在上陸坡局部發(fā)育滑塌，導(dǎo)致陸坡深泓線崎嶇不平，而在下陸坡無明顯滑塌發(fā)育，峽谷深泓線較為平緩(圖 4，剖面f-f′)。

圖 4 坦桑尼亞濱海盆地峽谷C2和C3典型地震剖面Fig.4 Typical seismic sections of canyon C2 and canyon C3 in Tanzania Coastal Basin

地震相對(duì)應(yīng)巖心及沉積相： a—低連續(xù)、中—強(qiáng)振幅、雜亂充填相含泥礫砂巖，水道內(nèi)碎屑流沉積；b—中連續(xù)、強(qiáng)振幅、充填相含礫粗砂巖，水道充填沉積；c—中—低連續(xù)、弱振幅、雜亂充填相砂泥混雜堆積，見變形構(gòu)造，滑塌沉積；d—高連續(xù)、強(qiáng)振幅、席狀相灰色粗砂巖，水道開口處沉積；e—高連續(xù)、弱振幅，暗色泥巖，遠(yuǎn)洋沉積圖 5 坦桑尼亞濱海盆地深水沉積井震標(biāo)定及巖心特征(據(jù)陳宇航等，2017a，有修改)Fig.5 Seismic-well tie and core characteristics of deep-water sediments in Tanzania Coastal Basin(modified from Chen et al.， 2017a)

表 1 坦桑尼亞濱海盆地地震相特征統(tǒng)計(jì)Table 1 Overview of seismic facies in Tanzania Coastal Basin

4.2 峽谷內(nèi)部沉積特征

通過2D地震相解釋，在研究區(qū)共識(shí)別出4種地震相。研究區(qū)并沒有獲得海底沉積物巖心，但根據(jù)研究區(qū)所處的坦桑尼亞盆地及鄰區(qū)的魯伍馬盆地已獲得深層巖心及井震標(biāo)定結(jié)果(Frey-Martínezetal.， 2006;陳宇航等，2017a;郭笑等，2019；孫輝等，2019；Fonnesuetal.， 2020)，地震剖面上強(qiáng)振幅一般代表砂質(zhì)沉積，弱振幅偏泥質(zhì)沉積，而雜亂反射多為快速堆積、沉積物砂泥混雜的碎屑流沉積(圖 5)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合地震相的外部幾何形態(tài)及內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)，確定不同地震相對(duì)應(yīng)的沉積單元(表 1): (1)低連續(xù)、中—強(qiáng)振幅、雜亂充填相，主要分布在峽谷內(nèi)部，為峽谷內(nèi)部的碎屑流沉積；(2)高連續(xù)、弱振幅、丘狀地震相，主要分布在下陸坡處的峽谷北岸，向北部尖滅，為漂積體；(3)高連續(xù)、強(qiáng)振幅、席狀相，主要分布在峽谷的開口處；(4)中—低連續(xù)、中振幅、雜亂充填相，主要分布在上陸坡峽谷的兩側(cè)，解釋為海底滑塌形成的塊體搬運(yùn)沉積。

峽谷C2在橫切剖面上(S-N向)的形態(tài)變化自西向東具有一定規(guī)律性。在最西部，峽谷橫切面形態(tài)呈V字型，表明重力流對(duì)峽谷底部的侵蝕作用較強(qiáng)，向東逐漸變?yōu)閁字型，表明重力流流速降低，對(duì)下伏地層侵蝕作用逐漸減弱(圖 4，剖面b-b′、c-c′、d-d′)(Ankaetal.， 2009;Jobeetal.， 2017)。峽谷西部位于褶皺推覆帶內(nèi)，受構(gòu)造活動(dòng)影響，早期沉積地層發(fā)生褶皺變形。W-E向地震剖面顯示，峽谷C2內(nèi)的重力流沉積對(duì)褶皺推覆帶的侵蝕作用非常明顯，但侵蝕程度在不同區(qū)域存在一定差異： 在褶皺的核部主要為侵蝕作用，峽谷底部無明顯沉積(圖 4，剖面c-c′)。而在褶皺的翼部，侵蝕作用減弱并最終消失，且在峽谷發(fā)育一定的沉積，厚度約20～40 m(圖 4，剖面b-b′)。地震剖面顯示，這些沉積呈雜亂反射。因此認(rèn)為峽谷內(nèi)雜亂反射沉積物砂泥混雜，為碎屑流沉積(圖 4，剖面a-a′、b-b′)。峽谷中部位于褶皺推覆帶的末端，深泓線坡度變緩，同時(shí)峽谷寬度變大，重力流流速降低，故形成大面積沉積(Adeogbaetal.， 2005)。其東西延伸長(zhǎng)度約為8 km，厚度80～100 m。地震剖面顯示，沉積物內(nèi)部表現(xiàn)雜亂弱振幅相，表明沉積物內(nèi)部分選較差，砂泥混雜，以碎屑流沉積為主(圖 4，剖面a-a′、d-d′；圖 7)。褶皺推覆帶之外，在峽谷的開口處，坡度進(jìn)一步變緩，發(fā)育大面積的席狀沉積，在地震剖面上整體表現(xiàn)為中連續(xù)、強(qiáng)振幅特征，因此推測(cè)該席狀沉積為較純凈的砂體，呈近水平展布(圖 4，剖面a-a′、e-e′)，厚度80～120 m。但在強(qiáng)振幅同相軸之間，也可見小范圍的雜亂反射，厚度約30 m，推測(cè)為砂泥混雜碎屑流沉積，表明了沉積的不穩(wěn)定性(圖 4，剖面e-e′)。

峽谷C3在W-E方向的地震剖面顯示，峽谷C3的頭部位于褶皺推覆帶北部邊緣，峽谷下伏地層受褶皺推覆帶影響較小，變形相對(duì)褶皺推覆帶中部的地層要弱(圖 4，剖面f-f′)。峽谷C3在橫切剖面上的形態(tài)變化較為復(fù)雜。地震剖面顯示，峽谷內(nèi)部無明顯的沉積，峽谷附近沉積物同相軸被峽谷壁兩側(cè)及峽谷底部削截終止，表明峽谷對(duì)海底沉積物的侵蝕(Posamentieretal.， 2003)(圖 4，剖面g-g′、h-h′、i-i′)，但侵蝕作用強(qiáng)弱在不同區(qū)域存在差異。其在研究區(qū)西部上陸坡處呈U字型，表明重力流對(duì)下伏地層的侵蝕相對(duì)較弱(圖 4，剖面g-g′)。向東部過渡，整體上仍以U型為主，但峽谷深度相對(duì)變小，表明侵蝕作用減弱(圖 4，剖面h-h′)。在研究區(qū)東部，峽谷末端的橫剖面又變?yōu)閂型(圖 4，剖面i-i′)，表明對(duì)下伏地層的侵蝕作用增強(qiáng)。由于侵蝕作用增強(qiáng)，峽谷的深度增加，相比而言，峽谷側(cè)向?qū)挾茸兓幻黠@，所以峽谷在橫剖面上的幾何形態(tài)縱橫比增大，因此表現(xiàn)為V型(Ankaetal.， 2009;Jobeetal.， 2011)。整體上，峽谷C3內(nèi)部無明顯沉積。

圖 6 坦桑尼亞濱海盆地峽谷C2和C3深泓線對(duì)比Fig.6 Thalwegs of canyon C2 and canyon C3 in Tanzania Coastal Basin

對(duì)比分析峽谷C2和C3的形態(tài)及沉積特征，可以看出，峽谷C2的寬度及深度均要大于C3，表明峽谷C2對(duì)海底的侵蝕作用強(qiáng)于峽谷C3。峽谷C2的深泓線形態(tài)沿陸坡延伸方向變化較為復(fù)雜，在褶皺推覆帶內(nèi)，深泓線受下伏褶皺的影響，坡度較陡，深泓線深度大于峽谷C3。而在推覆帶之外，由于侵蝕作用減弱，深泓線延伸較為平緩，且坡度變緩，導(dǎo)致深泓線深度反而比峽谷C3淺(圖 6)。峽谷C3基本位于褶皺推覆帶之外，其深泓線整體較為平緩，但在峽谷末端，由于斷層活動(dòng)，深泓線突然變深，坡度變陡。在沉積特征方面，峽谷C2內(nèi)部沉積相對(duì)較為發(fā)育，其中在褶皺推覆帶內(nèi)，沉積主要受褶皺形態(tài)控制，在推覆帶之外，沉積物主要堆積在峽谷開口處，厚度較大，向陸坡方向延伸，沉積厚度逐漸減小。峽谷C3內(nèi)部無明顯沉積，以侵蝕作用為主。

洋流鹽度數(shù)據(jù)來源于World Ocean Database(據(jù)Boyer et al.， 2009)，利用Ocean Data View成圖(據(jù)Schlitzer，2013)。TSW(Tropical Surface Water)=熱帶表層流；SICW(South Indian Central Water)=南印度中層流；RSW(Red Sea Water)=紅海底流;AAIW(Antarctic Intermediate Water)=南極中層流;NADW(North Atlantic Deep Water)=北大西洋底流圖 7 坦桑尼亞濱海盆地陸坡地震剖面和洋流鹽度疊合剖面Fig.7 Seismic and hydrographic vertical section of continental slope in Tanzania Coastal Basin

4.3 峽谷間沉積特征

研究區(qū)峽谷間的沉積特征由西向東呈明顯的分帶性。地震剖面顯示，峽谷間的海底沉積特征在推覆帶內(nèi)外具有明顯差異。在推覆帶內(nèi)的近海底沉積以中連續(xù)—中振幅或雜亂相為特征，表明偏砂或者砂泥混雜沉積，為海底滑塌或塊體搬運(yùn)等沉積(Frey-Martínezetal.， 2006)，厚度約50 m。而在推覆帶之外，則以高連續(xù)、弱振幅反射為主(圖 7)，為偏泥質(zhì)沉積。而S-N向地震剖面(圖 8)顯示，褶皺推覆帶以外的峽谷間的細(xì)粒沉積主要發(fā)育在峽谷北岸，沉積厚度較大，約200 m，導(dǎo)致峽谷的北岸較陡，坡度約30°，北岸的泥質(zhì)沉積隨著遠(yuǎn)離峽谷壁而逐漸減薄直至消失，呈丘狀，表現(xiàn)出漂積體的特征(Rebescoetal.， 1996;Alonsoetal.， 2016)。其延伸距離為10～15 km，整體面積約400 km2。峽谷南岸的泥質(zhì)沉積相對(duì)較薄，厚度80～100 m，從而導(dǎo)致峽谷南岸坡度相對(duì)較緩，約17°(圖 8，剖面c-c′、d-d′、g-g′)。根據(jù)研究區(qū)井震標(biāo)定、巖心資料(陳宇航等，2017a;孫輝等，2019;Fonnesuetal.， 2020)，漂積體粒度從南向北逐漸變細(xì)，從偏砂質(zhì)向偏泥質(zhì)過渡(Wynnetal.， 2007;Kuangetal.， 2014)(圖 9，圖10)。

在峽谷間還發(fā)育多條沖溝，呈近W-E向延伸，與峽谷基本平行。沖溝一般為海底陸坡滑塌形成的。陸坡沉積物在構(gòu)造失穩(wěn)條件下發(fā)生滑塌作用，而滑塌一般會(huì)持續(xù)向陸地方向遷移，從而形成溯源侵蝕作用，并最終形成沖溝(Pratsonetal.， 1996;Bertoni and Cartwright，2005)。沖溝的頭部一般限制在陸坡內(nèi)，并不切割陸架。研究區(qū)位于東非裂谷海域分支范圍內(nèi)，構(gòu)造活動(dòng)活躍，斷層較為發(fā)育，極易引發(fā)海底滑塌并逐漸形成沖溝。沖溝的規(guī)模較小，延伸距離為30～35 km，深度為30～70 m。沖溝內(nèi)部無明顯沉積，其規(guī)模在末端逐漸減小至消失，或與峽谷相連(圖 1-d)。

圖 8 坦桑尼亞濱海盆地陸坡海底峽谷橫向地震剖面(紅色箭頭表示峽谷延伸方向)Fig.8 Transverse seismic profiles of canyons in Tanzania Coastal Basin(Red arrows indicate direction of cayon extension)

圖 9 坦桑尼亞濱海盆地陸坡海底均方根振幅圖(時(shí)窗： 海底向下100 ms)Fig.9 Root mean square amplitude map of seafloor in continental slope of Tanzania Coastal Basin (time window: 100 ms below sea floor)

4.4 陸坡深水沉積過程

a—坦桑尼亞濱海盆地沉積速率(據(jù)Said et al.， 2015；有修改)；b—峽谷C2內(nèi)近海底沉積分布(原始剖面見圖 4，剖面a-a′)； c—底流與重力流交互作用及沉積特征(據(jù)Fonnesu et al.， 2020；有修改)圖 10 坦桑尼亞濱海盆地陸坡峽谷沉積控制因素綜合分析Fig.10 Comprehensive analysis of controlling factors for continental slope canyon deposition in Tanzania Coastal Basin

研究區(qū)海底均方根振幅圖(圖 9)顯示，峽谷內(nèi)為中—強(qiáng)振幅反射，為偏砂質(zhì)沉積，主要為陸源物質(zhì)及陸坡滑塌進(jìn)入峽谷形成的重力流沉積。峽谷間的沉積特征在褶皺推覆帶內(nèi)外差異明顯(圖 7，圖 8)，在褶皺推覆帶內(nèi)以中—強(qiáng)振幅為主，主要為陸坡滑塌；在褶皺推覆帶之外，峽谷間的海底沉積以弱振幅為特征，主要為漂積體等偏泥質(zhì)沉積。峽谷間的沖溝內(nèi)部為中振幅反射，主要為沖溝頭部及兩側(cè)滑塌形成的沉積物。整體而言，在靠近陸地的褶皺推覆帶內(nèi)，重力流沉積在峽谷內(nèi)和峽谷間均有發(fā)育，陸源物質(zhì)經(jīng)陸架河流進(jìn)入陸坡峽谷內(nèi)，并以重力流的形式向深海方向搬運(yùn)。在上陸坡，峽谷內(nèi)以侵蝕作用為主，沉積物分布局限，主要分布在褶皺的翼部，而核部以侵蝕為主，而峽谷間發(fā)育海底滑塌沉積。在褶皺推覆帶之外的下陸坡區(qū)，坡度變緩，重力流流速降低，在推覆帶前端沉積下來。上陸坡處峽谷間沉積物分布較少，但由于坡度較大，早期海底沉積形成重力滑塌，進(jìn)入峽谷和沖溝內(nèi)與重力流一起向深海搬運(yùn)。在下陸坡處，峽谷間無明顯重力流沉積，但由于峽谷變淺，重力流流速降低，容易受向北流動(dòng)的底流影響。峽谷內(nèi)重力流頂部的偏泥質(zhì)沉積物被底流搬運(yùn)出峽谷，在峽谷北側(cè)沉積逐漸下來，形成丘狀的漂積體(Gongetal.， 2016;陳宇航等，2017a;Fonnesuetal.， 2020)。在陸坡的末端，由于靠近邊界斷裂，構(gòu)造活動(dòng)發(fā)育，引發(fā)大量的海底滑塌，形成塊體搬運(yùn)沉積，同時(shí)斷層活動(dòng)導(dǎo)致峽谷內(nèi)地形差異沉降，坡度突然變大，形成斷崖。

5 峽谷沉積控制因素

峽谷C2和峽谷C3的形態(tài)及沉積特征均存在明顯差異。其中峽谷C2的深度、寬度均比峽谷C3要大，而峽谷內(nèi)部所接受的沉積物通量也明顯比峽谷C3大，但C2的峽谷深泓線坡度要比C3緩。綜合分析，認(rèn)為研究區(qū)峽谷沉積主要受沉積物供給、褶皺推覆帶、北大西洋底流以及陸坡邊緣斷層等因素控制。

5.1 沉積物供給

中新世以來，東非裂谷活動(dòng)導(dǎo)致非洲大陸東部抬升，加劇了地表的剝蝕，物源供給增強(qiáng)，在坦桑尼亞陸緣形成一系列大型三角洲沉積，如魯菲吉三角洲(Rufiji Delta)和魯伍馬三角洲(Rovuma Delta)(Stankiewicz and de Wit，2006;Saidetal.， 2015;Xueetal.， 2019)。大量陸源物質(zhì)被搬運(yùn)至東非陸緣深水盆地，物源供給豐富。而自中新世以來，全球海平面整體處于持續(xù)下降的狀態(tài)(Milleretal.， 2005)，因此研究區(qū)整體相對(duì)海平面降低(圖 10-a)，致使陸架暴露侵蝕作用加劇，陸坡沉積明顯增加，為重力流沉積提供充足的物源，有利于大型海底扇發(fā)育。而在坦桑尼亞南部，由于東非裂谷海域分支的活動(dòng)造成陸坡抬升變陡，進(jìn)而導(dǎo)致陸坡處重力流流速增加，對(duì)海底地形的侵蝕作用增強(qiáng)，導(dǎo)致研究區(qū)發(fā)育多條切割陸架的海底峽谷(Masellietal.， 2019)。由于研究區(qū)陸架短(5～30 km)(圖 1，圖 2)，因此陸源物質(zhì)可以很快通過陸架，直接進(jìn)入陸坡(Reeves，2018)。峽谷C2與陸架三角洲水下分流河道相連(圖 1-c)，大量的陸源物質(zhì)可以直接進(jìn)入峽谷，形成重力流，進(jìn)而對(duì)其下伏地層產(chǎn)生明顯侵蝕(Harris and Whiteway，2011)。在褶皺推覆帶范圍內(nèi)陸坡傾角一般要比褶皺推覆帶外陸坡更陡(圖 3)，但是峽谷C2的深泓線坡度比峽谷C3小(圖 8)，表明陸架物源形成的重力流對(duì)陸坡海底的侵蝕非常明顯。而峽谷C3雖然也切割陸架，但并沒有與三角洲水下分流河道直接相連，故陸源物質(zhì)供給量明顯比峽谷C2少，有限的物源來自于峽谷內(nèi)部滑塌而產(chǎn)生的沉積物，因而對(duì)下伏地層的侵蝕作用較弱，峽谷深度比C2小。地震剖面上顯示，峽谷C3內(nèi)無明顯的沉積(圖 4)，考慮到C3峽谷的深泓線坡度相對(duì)較陡，有利于沉積物向深海搬運(yùn)，因此推測(cè)沉積物沿著峽谷被搬運(yùn)至東部的深海盆地內(nèi)。

雖然陸架物源對(duì)陸坡侵蝕作用明顯，但同時(shí)侵蝕作用也導(dǎo)致陸坡變緩，因此峽谷C2深泓線傾角明顯比C3要緩，導(dǎo)致其內(nèi)部重力流流速迅速降低，因此部分陸源物質(zhì)在峽谷末端及開口處堆積下來(圖 4，剖面d-d′，e-e′)。

5.2 褶皺推覆帶

從漸新世開始，由于東非大陸抬升，在坦桑尼亞陸緣形成一系列大型三角洲沉積。大量的陸架沉積物在重力驅(qū)動(dòng)下，向陸坡推進(jìn)，發(fā)育大規(guī)模重力滑脫構(gòu)造，并在陸坡形成褶皺推覆帶(Mahanjane and Franke，2014)。過峽谷C2深泓線剖面(圖 4，剖面a-a′)顯示，受褶皺推覆帶活動(dòng)影響，研究區(qū)陸坡中新統(tǒng)及其下部的地層變形嚴(yán)重，形成一系列褶皺構(gòu)造。而第四系及現(xiàn)代海底沉積物的分布則受褶皺的控制，部分褶皺的核部甚至上升至地表，形成局部地形高，可見褶皺推覆帶直接影響海底地貌形態(tài)。褶皺的核部作為海底相對(duì)高部位，因此易受到峽谷內(nèi)重力流的侵蝕。具體來講，核部的最高點(diǎn)可作為裂點(diǎn)(Heini? and Davies，2007)，從該點(diǎn)向深海方向，峽谷深泓線的坡度突然增加，導(dǎo)致重力流流速增加，從而加大了對(duì)下伏地層的侵蝕，繼續(xù)向深海方向延伸，逐漸進(jìn)入褶皺的翼部，深泓線坡度變緩，重力流流速相對(duì)穩(wěn)定且逐漸減小，同時(shí)翼部的地形相對(duì)核部較低，因而有利于沉積物的堆積。在褶皺推覆帶之外，陸坡坡度整體變緩，峽谷內(nèi)重力流流速減小，對(duì)下伏地層侵蝕逐漸變?nèi)醪⑾?，同時(shí)堆積了大量的沉積物(圖 10-b)。峽谷C3位于褶皺推覆帶邊緣，受褶皺變形影響較小。但在上陸坡位置，受褶皺推覆帶影響，坡度相對(duì)較陡，導(dǎo)致峽谷內(nèi)環(huán)境失穩(wěn)，可能是上陸坡發(fā)育海底滑塌的主要原因。而在下陸坡遠(yuǎn)離褶皺推覆帶，無明顯海底滑塌，因此坡度較緩(圖 4，剖面f-f′)。

褶皺推覆帶除了通過改變海底地貌控制峽谷內(nèi)沉積物分布外，也影響峽谷的延伸方向。峽谷C2的延伸方向在褶皺推覆帶內(nèi)發(fā)生多次偏轉(zhuǎn)。在褶皺推覆帶內(nèi)，不同區(qū)域地層變形強(qiáng)度存在差異，從而影響峽谷側(cè)壁的傾角。對(duì)S-N向地震剖面分析表明，褶皺活動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)的區(qū)域，地層抬升明顯，從而導(dǎo)致峽谷壁傾角較陡。而地層抬升較弱區(qū)域一側(cè)的峽谷壁傾角較緩。峽谷內(nèi)重力流對(duì)較陡的峽谷側(cè)壁侵蝕較強(qiáng)，并將側(cè)壁的物質(zhì)以螺旋流的形式搬運(yùn)至較緩的峽谷壁一側(cè)堆積下來，從而加劇了峽谷兩側(cè)傾角的差異，并最終在較陡一側(cè)形成凹岸，較緩一側(cè)形成凸岸(Corneyetal.， 2006;Straubetal.， 2008)(圖 8，剖面e-e′、f-f′)。

5.3 北大西洋底流

在褶皺推覆帶之外，峽谷的北岸發(fā)育漂積體，表明峽谷內(nèi)重力流受到向北流動(dòng)的底流的影響(陳宇航等，2017b)。基于研究區(qū)所處的東非海域洋流分布，推測(cè)該底流是北大西洋底流(North Atlantic Bottom Water： NABW)(Breitzkeetal.， 2017)。北大西洋底流主要是溫鹽效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的深海等深流(Talley，2013)，從中新世中期(約15 Ma)開始，北大西洋底流從非洲南端向北流經(jīng)東非大陸邊緣(Schlüter and Uenzelmann-Neben，2007)。根據(jù)現(xiàn)今的洋流測(cè)試結(jié)果，北大西洋底流經(jīng)研究區(qū)時(shí)的水深范圍是1500～2000 m(deRuijteretal.， 2002;Thiéblemontetal.， 2019)。而研究區(qū)內(nèi)漂積體的分布的深度范圍為1300～2200 m，和北大西洋底流的深度范圍相符(圖 7)，因此推測(cè)峽谷內(nèi)重力流上部的偏細(xì)粒的泥質(zhì)容易被北大西洋底流搬運(yùn)出峽谷，并在峽谷北岸逐漸沉積下來，形成向北延伸的丘狀漂積體。底流既可以和重力流同時(shí)作用(吳嘉鵬等，2012；Gongetal.， 2016)，也可以對(duì)重力流沉積進(jìn)行后期改造(Zhuetal.， 2010)。通過研究區(qū)地震剖面可以看出峽谷內(nèi)部無明顯沉積，推測(cè)重力流經(jīng)峽谷搬運(yùn)至東部的海底地塹中。因此峽谷北岸的漂積體應(yīng)為峽谷內(nèi)重力流搬運(yùn)過程中同時(shí)受底流的影響而形成，并非重力流沉積之后被底流改造形成的。而研究區(qū)內(nèi)對(duì)漂積體取心也表明沿著底流的流向，漂積體的粒度逐漸變細(xì)，巖性從靠近峽谷邊緣的(含礫)粗砂巖逐漸過渡中細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖夾泥質(zhì)條帶，而在漂積體的遠(yuǎn)端，則為泥巖沉積(圖 10-c)，也表明底流和重力流同時(shí)作用下，形成了粒度逐漸變化的沉積物。

需要注意的是，漂積體只在褶皺推覆帶外的峽谷北岸發(fā)育，在褶皺推覆帶外的南岸以及褶皺推覆帶內(nèi)的峽谷兩岸均不發(fā)育(圖 7，圖 8)，這可能和峽谷的深度以及重力流的流速有關(guān)(Gongetal.， 2016)。在褶皺推覆帶內(nèi)，峽谷深度大、坡度陡，且距物源相對(duì)較近，重力流流速大，底流對(duì)重力流的影響相對(duì)較弱，重力流很難被搬運(yùn)出峽谷，因而峽谷兩側(cè)漂積體不發(fā)育。在褶皺推覆帶之外，峽谷深度變淺，同時(shí)重力流流速減慢，容易受到底流的影響，重力流頂部粒度較細(xì)的泥質(zhì)被底流搬運(yùn)出峽谷，并在峽谷北岸沉積下來，最終形成漂積體。底流與重力流的交互作用，影響峽谷附近沉積物分布，也進(jìn)一步影響峽谷的延伸方向。相比峽谷C2的延伸方向一直受褶皺推覆帶控制，峽谷C3僅在上陸坡方向受褶皺推覆帶影響，向遠(yuǎn)離褶皺推覆帶方向(北)延伸，但是在下陸坡遠(yuǎn)離褶皺推覆帶后，峽谷的延伸方向從近W-E向變?yōu)榻麼W-SE向，峽谷向南偏轉(zhuǎn)(圖 8)。這可能是受底流與重力流交互作用的影響，當(dāng)峽谷內(nèi)重力流向深海方向搬運(yùn)時(shí)，由于坡度降低，流速逐漸減小，底流與重力流交互作用增強(qiáng)(Rasmussenetal.， 2003)。圖 7地震剖面顯示，從推覆帶之外，漂積體開始發(fā)育，且向沿深海方向(自西向東)延伸時(shí)厚度逐漸變大，到陸坡末端約200 m厚，也證明底流對(duì)重力流作用沿著陸坡方向逐漸增強(qiáng)。因此峽谷北側(cè)沉積沿陸坡方向逐漸增多，迫使后期的重力流向峽谷南側(cè)偏移(Fonnesuetal.， 2020)，最終導(dǎo)致峽谷逐漸向南偏轉(zhuǎn)(圖 10-c)。

5.4 斷層

圖 11 坦桑尼亞濱海盆地?cái)鄬臃植继卣?左圖是海底地形傾角屬性圖)Fig.11 Fault distribution in Tanzania Coastal Basin(The left figure is a seabed topographic dip attribute map)

坦桑尼亞東南海域位于東非裂谷海域分支范圍內(nèi)，受構(gòu)造活動(dòng)影響，陸坡被邊界斷層切割，導(dǎo)致峽谷長(zhǎng)度較短(平均長(zhǎng)度48 km)，明顯短于西非被動(dòng)大陸邊緣盆地內(nèi)的峽谷(平均長(zhǎng)度57 km)(Harris and Whiteway，2011)。除了影響峽谷發(fā)育規(guī)模以外，斷層活動(dòng)還對(duì)峽谷的內(nèi)部形態(tài)及沉積特征產(chǎn)生影響。一般隨著陸坡變緩，峽谷內(nèi)重力流對(duì)下伏地層的侵蝕作用減弱至消失，因此峽谷在末端深度減小、寬度增大，并逐漸演化為水道充填—朵體沉積(Deptucketal.， 2007;Suetal.， 2014)。但研究區(qū)峽谷C3在末端深度反而增大，而寬度變窄，橫切面形態(tài)從U型變?yōu)閂型(圖 4)，表明重力流對(duì)下伏地層的侵蝕作用增強(qiáng)。從研究區(qū)海底地形傾角屬性圖(圖 11)可以看出，在陸坡的末端邊界斷層非常發(fā)育，傾向?yàn)闁|，基本呈南北向展布，延伸距離可達(dá)40 km以上，邊界斷層派生出許多次級(jí)斷層，走向近南北，傾向在南部向西，在北部向東。而邊界斷層誘發(fā)的派生斷層南北延伸距離10～15 km，南北間距較小，為1～3 km，分布較為密集，與邊界斷層構(gòu)成斷裂帶，斷裂帶寬度為5～10 km(圖 11)。斷裂帶對(duì)海底地形影響明顯，由于一系列斷層活動(dòng)，引發(fā)海底差異沉降，垂向斷距50～100 m，導(dǎo)致峽谷末端地形崎嶇不平，并形成斷崖(坡度可達(dá)15°～20°；圖 11，剖面a-a′、b-b′)，而斷崖邊緣容易引發(fā)海底滑塌，形成塊體搬運(yùn)沉積(圖 11，剖面c-c′)。另外斷崖也會(huì)導(dǎo)致峽谷深泓線坡度突然增大，峽谷內(nèi)重力流流經(jīng)斷崖時(shí)流速會(huì)突然增加，從而進(jìn)一步加劇了峽谷對(duì)下伏地層的侵蝕作用，因此峽谷末端深度增大，峽谷橫切面變?yōu)閂型(Ankaetal.， 2009;Jobeetal.， 2011)。整體上看，研究區(qū)峽谷末端以侵蝕作用為主，因此在陸坡處不發(fā)育水道充填—朵體沉積，這和被動(dòng)大陸邊緣峽谷沉積特征具有明顯區(qū)別。

圖 12 坦桑尼亞濱海盆地陸坡峽谷沉積模式Fig.12 Sedimentary model of canyons in continental slope of Tanzania Coastal Basin

6 峽谷沉積模式

基于以上分析，建立了研究區(qū)陸坡峽谷沉積模式(圖 12): 陸坡處發(fā)育多條大型峽谷，其中和陸架邊緣三角洲水下分流河道直接相連的峽谷為主要物源供給通道，物源供給充足，對(duì)下伏地層侵蝕作用明顯，導(dǎo)致陸坡變緩，重力流容易在峽谷內(nèi)部及峽谷開口前緣形成沉積；而不與分流河道連接的峽谷，物源供給有限，對(duì)下伏地層侵蝕較弱，陸坡較陡，峽谷內(nèi)無明顯沉積物，陸源沉積更容易被搬運(yùn)至東部的深海盆地內(nèi)。在研究區(qū)西部，峽谷內(nèi)沉積主要受褶皺推覆帶控制，一般在褶皺的翼部發(fā)育沉積，核部則以侵蝕為主。而在東部褶皺推覆帶之外，峽谷內(nèi)沉積受到北大西洋底流影響，在北岸形成漂積體。研究區(qū)斷層活動(dòng)頻繁，陸坡滑動(dòng)、滑塌較為發(fā)育，導(dǎo)致峽谷之間發(fā)育多個(gè)小規(guī)模的沖溝。沖溝內(nèi)滑塌形成的沉積向深海搬運(yùn)，在末端并入峽谷，同峽谷內(nèi)沉積物一同被輸送到更深的深海盆地內(nèi)。

7 結(jié)論

1)受東非裂谷海域分支影響，東非陸緣陸架窄、陸坡陡，陸源物質(zhì)可迅速通過陸架，進(jìn)入陸坡。坦桑尼亞濱海盆地中，與三角洲水下分流河道相連的峽谷發(fā)育規(guī)模較大，峽谷內(nèi)物源供給充足，重力流沉積對(duì)下伏褶皺推覆帶整體以侵蝕為主，但在褶皺的翼部發(fā)育沉積。沒有和河流相連的峽谷，發(fā)育規(guī)模相對(duì)較小，峽谷內(nèi)部無明顯沉積。

2)受東非裂谷活動(dòng)影響，斷層活動(dòng)頻繁，峽谷被邊緣斷層切割，在陸坡處不發(fā)育水道充填及朵體沉積，陸源物質(zhì)由峽谷被直接搬運(yùn)至更深的深海盆地內(nèi)。峽谷之間發(fā)育海底滑塌，形成多個(gè)沖溝，沖溝內(nèi)沉積物向深海搬運(yùn)，在末端并入峽谷，同峽谷內(nèi)陸源物質(zhì)一同被輸送到深海。

3)峽谷沉積演化過程受陸源供給、褶皺推覆帶、北大西洋底流以及陸坡邊緣斷層等多種因素的控制。與河流相連的峽谷，陸源供給充足，重力流對(duì)下伏地層侵蝕，導(dǎo)致陸坡坡度變緩，降低了流體流速，陸源物質(zhì)在峽谷末端沉積下來。褶皺推覆帶通過改變海底地形來控制峽谷內(nèi)沉積過程，在褶皺的核部以侵蝕作用為主，向褶皺翼部過渡，逐漸轉(zhuǎn)為沉積。北大西洋底流與峽谷末端重力流沉積交互作用，導(dǎo)致泥質(zhì)被搬運(yùn)至峽谷北岸并堆積下來，形成漂積體。陸坡末端的斷層發(fā)育，引發(fā)海底滑塌，使峽谷坡度變陡。