珠江口盆地白云深水區海底重力滑脫構造地震地質綜合識別

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　天津水運工程科學研究院，天津　300456)

?

珠江口盆地白云深水區海底重力滑脫構造地震地質綜合識別

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水深數據、海底多波束地形資料及高分辨率多道地震資料，對該區海底重力滑脫構造的內部結構、外部形態及地震反射特征進行識別，并探討了其主要控制因素。研究發現，白云深水區海底重力滑脫構造發育，在陸架邊緣、陸坡和深海平原均有分布，海底重力滑脫構造與珠江海底峽谷共同塑造了該區的海底地形地貌特征，多期發育造成的復雜結構使其外部形態和內部地震反射呈現多樣性。結合該區構造沉積背景及天然氣水合物勘探研究現狀，可以發現該區構造格局和上新世末珠江口海平面升降是控制其發育的必要條件，天然氣水合物的多期次分解可能與其相互作用，后期底流的影響進一步改造了局部微觀地貌。

關鍵詞：深水區；海底重力滑脫構造；地震地質綜合識別；重力搬運

0引言

近幾十年來，隨著油氣勘探不斷向深水區推進以及深海探測技術的巨大進步，深水海底過程的研究也逐漸成為諸多學者關注的熱點。作為全球“從源到匯”系統的重要組成，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現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，其本質上是由于海底沉積物出現重力失穩，在重力作用下沉積物沿著海底軟弱地層發生滑動。滑脫產生的流動可將沉積物運移至數百公里之外。而沉積物滑動過程中勢必產生多種構造變形，從而呈現不同的地震響應特征。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，可以實現對海底滑脫的有效識別。

海底滑脫嚴重危害著深水油氣勘探開發平臺的錨泊基礎及井口水下設備，還可能切斷并掩埋油氣管線、海底電纜等設施，大大加劇深水油氣勘探開發風險。調查發現，珠江口盆地白云深水區分布了面積達數萬平方公里的海底滑脫構造。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造進行識別，并探討其發育形成機制，以期對該區海底資源的勘探開發有所支持。

1區域地質背景

珠江口盆地是南海北部中新生代準被動大陸邊緣盆地，研究區位于珠II坳陷的白云凹陷深水區，該區總體呈近EW走向，北側為番禺低隆起，南部是隆起帶，西部為云開低凸起，東側是東沙隆起(圖1)。研究區面積大于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[5-6]。

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

早期該區為淺海陸架，21 Ma之后，受南海運動的影響，白云深水區持續沉降為陸坡環境，受裂陷期構造活動的影響，古珠江水系及陸架區大量沉積物在凹陷內聚集。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及西部斷裂區大量發育[7]，侵蝕峽谷的側向遷移和垂向疊加造成了重力流沉積體系的廣泛發育，大量的沉積物向南部開闊區域持續搬運并逐漸堆積，形成了規模更大的深水扇沉積和重力滑脫單元。

海底滑脫作用的發生會進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，物質流動是斜坡失穩后的結果。

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

2研究區海底重力滑脫構造綜合識別

2.1重力滑脫構造特征與結構單元

根據對研究區多波束海底地形資料的解釋，研究區海底滑脫分布面積約12 000 km2，主要分布在水深400 m～3 000 m的區域。在峽谷區南側發育了一套面積約10 000 km2，且形態結構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)，滑脫區海底坡度范圍為1°～14.5°。

根據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構單元：

1)拉張斷裂區域。該區域沉積物受拉張作用為主，拉張應力超過其結構強度時發生形變，進而可能出現崩塌，平面上可出現弧狀凹陷區域(圖3)。白云深水重力滑脫構造體系的拉張斷裂構造較為典型，其后部的拉張斷裂區長度約3 km，斷塊構造明顯發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　白云深水區海底重力滑脫區三維立體圖Fig.3　Topographic map of sea floor gravity décollement Structure in Baiyun deep-water zone

2)滑脫搬運區域。滑脫沉積物在重力作用下繼續搬運，隨著滑脫距離的增加,大塊沉積物不斷破碎，內部結構變形逐漸增加，平面出現崎嶇地形形態(圖3)。同時，沉積物滑脫過程中對兩側的原始地層產生了侵蝕，滑脫區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在向下陸坡搬運過程中，對兩側原狀地層造成了嚴重侵蝕[8]，其中北側和東側的侵蝕擦痕在平面的延伸長度達200 km，南側和西側也超過100 km。

3)擠壓堆積區域。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。如果滑脫物質沒有直接進入深海海盆，該區域沉積物在擠壓作用下一般會發育同沉積構造。由于白云深水重力滑脫構造直接與深海海盆相連，所以該區域大規模擠壓堆積構造發育不明顯，僅在局部出現正地形的情況下，由于其對滑脫搬運沉積物的阻擋，會發育局部沖起構造，其形態與擠壓結構較為相似。

2.2重力滑脫構造地震反射特征

重力滑脫構造主要表現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，內部構造較為復雜。因此，從地震反射資料上可以識別出多種滑脫單元的內部結構和形態特征，主要為平行或亞平行結構、逆沖斷層、旋轉塊體、混雜堆積、侵蝕構造和丘狀外形等。最顯著的特征是振幅變化較大，點狀、面狀雜亂反射多見，連續性突變明顯。

從圖4的地震剖面上可以看出，白云深水區海底重力滑脫構造與正常沉積地層的顯著差異，地震資料上主要表現為陡崖結構，陡崖下部地層為塊體搬運沉積物，主要表現為弱振幅差連續低頻反射特征。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，包括弱振幅差連續低頻地震相、谷狀水平充填中頻中振幅中連續地震相、丘狀前積地震相，部分發育有波狀弱振幅中低頻連續反射，反映了滑脫體向深水區的不斷推進和消亡。隨著沉積物搬運距離的增加，塊體物質的破碎和揉皺程度更為劇烈，逐漸轉變為碎屑流沉積，在地震剖面上表現為明顯的平行-亞平行中低頻弱振幅反射特征，外形呈現席狀-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

海底滑脫構造的成因較多，總體來看，其發生的必要條件主要包括：

1)海底存在足夠的坡度。根據大量調查資料顯示，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的作用，這也解釋了有的地區在海底坡度為1°左右的情況下也會大規模發育海底滑脫構造的原因。

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

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

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

根據對該區構造沉積背景、地質環境特征來看，影響白云深水區海底滑脫構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，還會導致沉積地層中孔隙水壓力的變化，進而導致海底沉積物有效應力發生多次改變，為海底重力滑脫構造體系發育的長周期因素。

2)天然氣水合物分解。雖然目前在該區天然氣水合物與海底重力滑脫發育的關系仍然未有定論，但通過地震資料解釋發現，該區小斷層、多邊形斷層、氣煙囪等構造大量發育，它們有可能可作為氣體運移的通道[12]。水合物穩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力的降低，可能是該區海底重力滑脫構造發育的因素之一。

3)構造作用。研究區白云深水區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堆積而成，如此大規模的重力滑脫構造體系應該是在該區大的構造格局基礎上發育的，期間可能也伴隨著后期的局部構造活動[13]，但由于其對沉積物強度變化的影響較為復雜，難以定量化描述。

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

圖5　海底滑脫構造觸發機制示意圖Fig.5　Schematic diagram of mechanisms of sea floor gravity decollement structure

4結論

1)白云深水區重力滑脫構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，其規模約12 000 km2，是南海單個面積較大的海底重力滑脫構造，通過對高分辨率地形及地震資料的解釋，發現其結構形態具有典型海底重力滑脫構造的特點，且不同構造單元外部形態和內部地震反射特征差異明顯，地震地質綜合識別有效可靠。

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

3)研究區的天然氣水合物已經通過鉆探得到證實，在該區兩者伴生關系明顯。多次的水合物分解和再次形成對淺部地層的物性及穩定性都會產生一定影響，很有可能會造成地層的抗剪切強度下降，進而誘發重力滑脫構造的發育。該區重力滑脫構造的形成是地形、物源、水合物分解、構造活動等多種因素共同多次作用的結果。通過分析海底重力滑脫構造，對該區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有借鑒價值。

參考文獻：

[1]李鐵剛，曹奇原，李安春，等.從源到匯：大陸邊緣的沉積作用[J].地球科學進展，2003，18(5)：713-721.LI T G,CAO Q Y,LI A C,et al.Source to sink:Sedimentation in the contiental margins[J].Advance in Earth Sciences,2003,18(5):713-721.(In Chinese)

[2]王海榮，王英民，邱燕，等.南海北部陸坡的地貌形態及其控制因素[J].海洋學報，2008，30(2)：70-79.

WANG H R,WANG Y M,QIU Y,et al.Geomorphology and its control of deep-water slope of the margin of the South China Sea [J].Acta Oceanologica Sinica,2008,30(2):70-79.(In Chinese)

[3]王大偉，吳時國，秦志亮，等.南海陸坡大型塊體搬運體系的結構與識別特征[J].海洋地質與第四紀地質，2009，29(5)：65-72.

WANG D W,WU S G,QIN Z L,et al.Architecture and identification of large quaternary mass transport depositions in the slope of South China Sea[J].Marine Geology &Quaternary Geology,2009,29(5):65-72.(In Chinese)

[4]PIRMEZ C,MARR J,SHIPP C,et al.Observations and numerical modeling of debries flows in the Na kika Basin,Gulf of Mexico[C].Annual Offshore Technology Conference.Paper OTC 16749,2004.13.

[5]楊飛，魏福軍，彭大均，等.白云凹陷北坡特殊層序地層樣式[J].石油與天然氣地質，2000，21(3)：241-243.

YANG F,WEI F J,PENG D J,et al.Special sequence stratigraphic model in north slope of Baiyun Sag[J].Oil&Gas Geology,2000,21(3):241-243.(In Chinese)

[6]劉宗惠.南海珠江口盆地新構造運動特征[J].南海地質研究，1994(00)：30-50.

LIU Z H.Neotectonics at the Peral River Mouth Basin in South China Sea[J].Geological Research of South China Sea,1994(00):30-50.(In Chinese)

[7]孫龍濤，周蒂，陳長民，等.珠江口盆地白云凹陷斷裂構造特征及其活動期次[J].熱帶海洋學報，2008，27(2)：25-31.

SUN L T,ZHOU D,CHEN C M,et al.Fault structure and evolution of Baiyun Sag in Zhujiang River Mouth Basin[J].Journal of Tropical Oceanography,2008,27(2):25-31.(In Chinese)

[8]吳嘉鵬，王英民，徐強.珠江口盆地白云凹陷海底峽谷沉積模式[J].海洋地質前沿，2011，27(8)：26-31.

WU J P,WANG Y M,XU Q.A depostitional model of submarine canyons in Baiyun Sag,Peral River Mouth Basin[J].Marine Geology Frontiers,2011,27(8):26-31.(In Chinese)

[9]C.K.MORLEY,R.KING,R.HILLIS,et al.Deepwater Fold and Thrust Belt Classification,Tectonics,Structure and Hydrocarbon Pospectivity:A review[J].Earth-Science Reviews,2011,104:41-91.

[10]PRIOR D B,COLEMAN J M.Active slides and flows in underconsolidated marine sediments on the slopes of the Mississippi delta[M].New York:Plenum Press,1982:21-49 .

[11]黃永樣，葛同明.珠江口盆地晚第四紀地層及環境初步研究[J].海洋地質與第四紀地質，1995，15(4)：23-36.

HUANG Y Y,GE T M.Late quaternary stratigraphy and environment in the Zhujiang River Mouth Basin[J].Marine Geology &Quaternary Geology,1995,15(4):23- 36.(In Chinese)

[12]吳時國，秦志亮，王大偉，等.南海北部陸坡塊體搬運沉積體系的地震響應與成因機制[J].地球物理學報，2011，54(12)：1-12.

WU S G,QIN Z L,WANG D W,et al.Seismic characteristics and triggering mechanism analysis of mass transport deposits in the northern continental slope of South China Sea[J].Chinese Journal of Geophysics,2011,54(12):1-12.(In Chinese)

[13]孫杰，詹文歡，賈建業，等.珠江口海域災害地質因素及其與環境變化的關系[J].熱帶海洋學報，2010，29(1)：104-110.

SUN J,ZHAN W H,JIA J Y,et al.Hazardous geology and its relationship with environmental evolution in the Pearl River Estuary [J].Journal of Tropical Oceanography,2010,29(1):104-110.(In Chinese)

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

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.12