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热带海洋学报 >

2021 , Vol. 40 >Issue 5: 85 - 100

DOI: https://doi.org/10.11978/2020114

海洋地球物理学

南海白云凹陷东南部两种不同类型块体搬运沉积体系的地震响应及成因分析

  • 李艳 , 1, 2, 3 ,
  • 吴南 , 4 ,
  • 胡守祥 1, 2, 3 ,
  • 赵芳 1, 2 ,
  • 詹文欢 1, 2, 3
展开
  • 1.中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室, 南海海洋研究所, 广东 广州 510301
  • 2.中国科学院南海生态环境工程创新研究院, 广东 广州 511458
  • 3.中国科学院大学, 北京 100049
  • 4.同济大学, 海洋与地球科学学院, 上海 200092
吴南(1990—)。email:

李艳(1996—), 女, 河南省商丘市人, 硕士研究生, 主要从事海底地质灾害研究。email:

Copy editor: 殷波

收稿日期: 2020-09-27

  要求修回日期: 2020-11-02

  网络出版日期: 2020-11-16

基金资助

广东省基础与应用基础研究基金(2020A1515010497)

广东省基础与应用基础研究基金(2020B1515020016)

国家科技基础资源调查专项(2017FY201406)

广东省“珠江人才计划”高层次人才认定项目(2017GC010510)

广州市科技计划项目(202102020900)

版权

版权所有,未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。
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Seismic characteristics and triggering mechanism analysis of two types of mass-transport complexes in the southeast of Baiyun Sag, South China Sea

  • LI Yan , 1, 2, 3 ,
  • WU Nan , 4 ,
  • HU Shouxiang 1, 2, 3 ,
  • ZHAO Fang 1, 2 ,
  • ZHAN Wenhuan 1, 2, 3
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  • 1. Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, Chinese Academy of Sciences, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China
  • 2. Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 511458, China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 4. Tongji University, School of Ocean and Earth Sciences, Shanghai 200092, China
WU Nan. email:

Copy editor: YIN Bo

Received date: 2020-09-27

  Request revised date: 2020-11-02

  Online published: 2020-11-16

Supported by

Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2020A1515010497)

Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2020B1515020016)

Special Foundation for National Science and Technology Basic Research Program of China(2017FY201406)

Guangdong Pearl River Talents Program(2017GC010510)

Guangzhou Science and Technology Program(202102020900)

Copyright

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摘要

文章利用三维地震数据揭示了南海白云凹陷东南部两种不同类型的块体搬运沉积体系的内部反射特征、外部形态及运动指示标志, 并且探讨了其成因机制。结果表明, 自晚中新世以来研究区共发育4种地震相: 弱振幅水平状连续地震相、强振幅波状连续地震相、弱振幅半透明杂乱反射地震相和中-强振幅丘状连续反射地震相。通过地震相分析可知, 研究区自晚中新世以来共发育两种不同类型的块体搬运沉积体系: 1) 多期块体搬运沉积复合体, 主要由弱振幅半透明杂乱反射地震相组成, 边界模糊; 2) 单期块体搬运沉积体, 主要由弱振幅半透明杂乱反射地震相和中-强振幅丘状连续反射地震相组成, 边界清晰明显。另外, 研究结果发现高沉积速率和地震活动使得研究区的块体搬运沉积体系表现出内部运动指示特征发育程度低的特征, 而东沙构造活动导致该块体搬运沉积体系具有频发性。

关键词： 白云凹陷; 块体搬运复合体; 地震反射特征; 形成机理

本文引用格式

李艳 , 吴南 , 胡守祥 , 赵芳 , 詹文欢 . 南海白云凹陷东南部两种不同类型块体搬运沉积体系的地震响应及成因分析[J]. 热带海洋学报, 2021 , 40(5) : 85 -100 . DOI: 10.11978/2020114

Abstract

Mass-transport complexes (MTCs) are one of the gravity-driven depositional process. MTCs contain slides, slumps, and debris deposits in submarine settings. The occurrence of MTCs can generate submarine geo-hazards (i.e., tsunami), and the fast traveling mass can destroy offshore constructions (e.g., pipelines and communication cables). MTCs can also act as seals for submarine hydrocarbon accumulation, due to their over-compacted nature. In this study, we use 3D seismic reflection data, to reveal the internal reflection characteristics, external morphology, and kinematic indicators of two types of MTCs in the southeast of the Baiyun Sag, the South China Sea. We interpreted four distinct seismic facies in the study area, including: 1) low amplitude, horizontal and continuous seismic reflections, 2) high amplitude, undulating and continuous seismic reflections, 3) low amplitude, semi-transparent to chaotic seismic reflections, and 4) moderate-to-high amplitude continuous seismic reflections. We classified two different types of MTCs based on their scale (i.e., thickness) and seismic facies characteristics in the Upper Miocene assemblage. Type 1 MTCs consist of several small-scale MTCs, showing low amplitude, semitransparent to chaotic seismic reflections. Type 2 MTCs have larger scale, consisting of low amplitude, semitransparent to chaotic seismic facies moderate-to-high amplitude continuous seismic reflections. The widely distributed MTCs in the study area could be corelated with the high sedimentation rates and earthquakes during the Late Miocene. Our study indicates that the Dongsha event (associated seismic activity and formation uplift) is the major trigger for the occurrence of MTCs. Our result can help better understand the triggers and formation process of MTCs during the Late Miocene in the Baiyun Sag. A better understating of the distribution and occurrence of MTCs in the study area will help us better determine the location of buried MTCs, as well as conducting research for the formation mechanism of paleo-MTCs in the South China Sea.

Key words： Baiyun Sag; South China Sea; Mass-transport complexes; Seismic characteristics; triggering mechanism

块体搬运沉积体系(Mass-transport complexes, 简称MTCs)是海底沉积物受重力作用失稳形成的滑移搬运沉积体(Weimer, 1990; Bryn et al, 2005; Ruano et al, 2014; Wu et al, 2021)。MTCs主要分布在大陆边缘的外陆架-上陆坡、海底峡谷或深海局部隆起之上(Weimer, 1990; Maslin et al, 1998; Moscardelli et al, 2006)。作为深水沉积体系的重要组成部分, 在部分深水盆地中, MTCs可占50%以上的沉积单元(Posamentier, 2003; 吴时国 等, 2011)。MTCs具有强大的侵蚀搬运能力, 对原地沉积具有极大的破坏和改造作用(Haflidason et al, 2004; Bryn et al, 2005; Micallef et al, 2008); MTCs还具有长距离搬运能力, 可将陆缘沉积物搬运到陆坡或大洋深部区域(王大伟 等, 2009; Calvès et al, 2015; 秦轲 等, 2015), 在全球“从源到汇”的研究中占有重要地位(李铁刚 等, 2003; Moscardelli et al, 2008; 吴时国 等, 2011)。
MTCs在搬运过程中具有强大破坏能力, 不仅会破坏铺设在海底的通讯光纤、电缆、输油管道等设备(Nof, 1996; Piper et al, 1999), 还可能在沉积过程中, 由于搬运速度快、搬运体积大(von Huene et al, 2014; Harbitz et al, 2006; Brothers et al, 2016; Schnyder et al, 2016), 导致海底地形产生急剧升降变动, 进而引起水体扰动, 最终形成海啸(吴时国 等, 2019)。对于深海油气田勘探而言, 富泥质的MTCs在深水油气中可以充当良好顶部盖层。这是因为富泥质MTCs不仅自身较顶、底部未变形沉积单元致密(Sawyer et al, 2007; Sun et al, 2020); 而且其底界面由于剪切作用发生液化、脱水和超压作用, 使得封闭性增强, 有利于下伏油气地层的储藏(Wu et al, 2019a)。富砂质块体的MTCs可成为潜在的油气储层(Mac Mcgilvery et al, 2004; 王大伟 等, 2011; Wu et al, 2019a)。因为MTCs中富含砂质的块体往往由于压实不足使得孔隙度较高, 有利于储集油气资源。
研究资料表明, 南海北部珠江口深水盆地富含大量油气资源(朱伟林 等, 2012; 郑荣才 等, 2013), 在油气富集的白云凹陷区域发育了多期不同规模的MTCs (李云 等, 2011; 刘科 等, 2017)。前人对于MTCs研究主要集中在白云凹陷中部和北部(李磊 等, 2012; 谢志远 等, 2017), 对白云凹陷南部的研究则相对较少; 且前人对白云凹陷南部MTCs的研究主要集中在某一层位内发育的单期次MTCs (李磊 等, 2013; 王琪 等, 2017; 雷亚妮 等, 2018)。为深入探究多期次MTCs的发育情况及其控制因素, 本文以白云凹陷南部及中部隆起交界区为研究区, 基于高分辨率三维地震数据, 对晚中新世以来发育的多期次MTCs进行描述, 刻画多期次MTCs的地震反射特征、几何形态特征, 结合构造地质背景, 分析研究区内不同期次MTCs的成因机制, 对比分析研究区和相邻工区内发育的MTCs, 探究其相似性和特殊性, 以及控制这些相似性和特殊性的原因。

1 区域地质背景

南海北部陆缘发育了一系列拉张盆地, 从西南到东北依次为琼东南盆地、珠江口盆地和台西南盆地(图1a)。其中, 珠江口盆地是南海北部陆坡深水区规模最大的深水沉积盆地(总面积约17.5×104km2), 也是新生代陆缘拉张型含油盆地(刘科 等, 2017)。珠江口盆地内隆起和凹陷相间排布, 具有明显的“南北分带、东西分块”的构造格局(图1a)。
图1 研究区位置图(a)和研究区三维地震剖线分布图(b)

该图基于自然资源部监制出版的中国地势图制作, 审图号为 GS(2016)1609, 底图无修改。图a中黑色点划线代表盆地的分布范围[据王志君(2011)修改], 红色直线代表断层, 紫色虚线代表东沙构造活动的影响范围。图b中红色粗直线表示图2b、4a和5a地震剖面所在的位置, 虚线方框表示图6a、6b和6c的位置

Fig. 1 Study area (a) and seismic lines distributing in the study area (b)

新生代以来, 珠江口盆地构造演化可分为3个阶段: 1) 晚白垩世至早渐新世(约80Ma—30Ma)的断陷阶段, 主要表现为基底断裂伴随盆地沉降, 河流、湖泊和沼泽等陆相沉积发育; 2) 晚渐新世至中中新世(30Ma—10.5Ma)的坳陷阶段, 主要表现为断裂发育, 盆地沉降和沉积物填充, 浅海陆棚相、三角洲相以及碳酸盐台地广泛发育; 3) 晚中新世以来(10.5Ma至今)的断块升降阶段, 主要表现为盆地快速沉降, 陆棚浅海沉积以及陆坡深水相沉积广泛发育(庞雄 等, 2008; 林畅松 等, 2018)。其中, 晚中新世初期(约10.5Ma), 菲律宾板块持续向NWW向运动, 导致吕宋岛弧与欧亚大陆发生碰撞, 引起珠江口盆地发生东沙构造运动(赵淑娟 等, 2012)。这次构造运动主要波及东沙隆起、番禺隆起、潮汕坳陷西部和白云凹陷东部(图1a), 导致地层抬升, 上地壳地层断裂活动发育, 侵蚀加剧, 还使岩浆活动加剧, 形成区域不整合(对应地震反射界面T2, 图2b) (赵淑娟 等, 2012)。直至早上新世初(5.5Ma), 东沙构造活动停止, 地层趋于稳定, 开始正常沉积地层(庞雄 等, 2008)。直至早更新世(1.89Ma—1.4Ma), 吕宋岛弧向欧亚大陆及南海构造域碰撞形成流花运动(吴时国 等, 2004; 刘汉尧 等, 2019)。流花运动主要波及珠江口盆地东沙群岛及其周围海域, 使得地层构造抬升产生区域不整合, 并发育大量断层和褶皱(吴时国 等, 2004)。流花运动后, 第四纪(1.4Ma至今)进入快速沉降期(吴时国 等, 2004)。中新世以来(23.5Ma), 珠江口盆地沉积速率快, 沉积物堆积迅速, 陆棚浅海沉积及陆坡深水相沉积广泛发育(庞雄 等, 2008; 马本俊 等, 2018)。前人将研究区主要地层层序格架分为: 珠江组(T6~T4)、韩江组(T4~T2)、粤海组(T2~T1)、万山组及第四系(T1~海底)(图2a)。
图2 珠江口盆地地层柱示意图(a)和地震层序界面(b)

图a地层修改自Zhao等(2015), 岩性剖面来自庞雄等(2008), 珠江口盆地相对海平面变化曲线来自马本俊等(2018)。T1 (约5.5Ma)是万山组与粤海组的分界面; T2 (约10.5Ma)是粤海组和韩江组的分界面; T3 (约13.8Ma)是晚中新世和中中新世的分界面; T4 (约16.5Ma)是韩江组和珠江组地层的分界面, 也是中中新世和早新世的分界面; T5 (约18.5Ma)为珠江组地层内部的一个界面; T6 (约23.5Ma)位于一套强反射波组的顶面[图2b位置见图1b, 据赵淑娟等(2012)和Zhao等(2015)修改]。图a中红色实线所对应的地层(晚中新世—第四纪地层)为研究目标地层; 图b中红色实线表示断层; 图b中黑色长虚线(T1~T6)表示研究区区域地层连续性, 黑色短虚线(H2)表示主要地震层序边界

Fig. 2 The integrated stratigraphic column of Pearl River Mouth Basin (a) and seismic age horizon map (b)

图3 地震相分类图

SFs: 连续型地震相; SFc: 杂乱型地震相

Fig. 3 The classification map of seismic facies

研究区位于珠江口盆地南部, 处在水深1400~ 1800m的上陆坡, 平均角度约为2.46° (王志君, 2011; 赵淑娟 等, 2012), 主要包括白云凹陷东南部和南部隆起北部, 总面积约为1300km2 (图1b), 研究目标层位为粤海组、万山组和第四系地层。粤海组沉积期(T2~T1), 珠江口盆地处在热沉降阶段, 且在盆地东南部东沙构造活动剧烈, 为陆坡深水沉积演化阶段(廖计华 等, 2016)。在白云凹陷南部的粤海组(T2~T1)为一套厚层泥岩夹薄层状砂岩。万山组及第四系沉积期(T1~海底), 盆地整体以热沉降为主, 构造活动较为稳定, 白云凹陷地区沉积环境为深水陆坡区(廖计华 等, 2016)。在白云凹陷中南部的万山组(T0~T1)及第四系(T0~海底)整体岩性为厚层泥岩夹薄层状砂岩(图2a)。

2 数据和方法

本研究所使用的数据是由中国海洋石油总公司采集和处理的三维反射地震数据。地震频率带宽在研究区大约为45~100Hz, 主频为75Hz。海底深度通过拾取地震数据中的海底反射得到, 海水速度取值1500m·s-1 (王俊勤 等, 2019)。研究区海底面垂直分辨率约为8m, 研究层位底部垂直分辨率约为10m。
由于研究区缺乏直接钻井数据进行井震结合, 因此本文选择对比相邻工区地震反射数据, 对珠江口盆地区域性地震反射界面(T1~T6)(图2b)进行追踪(赵淑娟 等, 2012; Zhao et al, 2015), 从而限定研究区主要研究层位的时期。此外, 在高振幅的连续反射和中-弱振幅的杂乱反射的交界, 本文还绘制了8个地震反射界面(H1~H7), H1~H7均为高振幅、高连续性的地震反射界面, 是在研究区识别的局部地层, 代表了MTCs顶底界面所在位置(图4b, 图5b)。本文基于研究区典型地震剖面振幅强弱、连续性、频率高低和内部反射结构(如: 丘状、块状), 并结合相邻工区相似地震相对研究区不同类型的地震相进行划分并解释, 从而对MTCs的地震相及其内部运动指示特征精确识别。
图4 NE—SW未解释的地震剖面(a), NE—SW已解释的地震剖面(b)和地质解释剖面示意图(c)

图b显示了研究区块体搬运沉积体系(MTCs)的整体发育情况, 包含3个关键层位(T2、T1和海底)以及MTCs主要发育位置。图中红色实线代表断层, 位置见图1b。各图中长虚线(T1和T2)代表研究区区域地层界面, 图中蓝色短虚线代表MTCs的边界

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

图5 NW—SE未经解释的地震剖面(a), NW—SE已解释的地震剖面(b)和地质解释剖面示意图(c)

图b显示了研究区块体搬运沉积体系(MTCs)的整体发育情况, 包含3个关键层位(T2、T1和海底)以及MTCs主要发育位置。图a和图b中红色粗实线代表断层, 位置见图1b。图c中红色实线表示断层, 各图中长虚线(T1和T2)代表研究区区域地层界面, 图中蓝色短虚线代表MTCs的边界

Fig. 5 (a) NW—SE trending seismic section showing the overall MTCs of the study area, (b) the interpreted NW—SE trending seismic section showing the main seismic facies and depositional element interpretation, and (c) diagrammatic map of interpretation profile

3 结果

3.1 层序地层单元划分

根据研究区区域地层连续性以及主要地震层序边界(T1~T6及H1~H7), 本文将研究区中新世以来的地层划分为4个沉积单元(单元1~单元4)(图2b)。
1) 单元1 (T6~T2)。厚度约为280m, 横向厚度基本不变, 但在南西侧地层发生抬升, 抬升高度约370m (图2b)。单元1由平行-近平行、中等振幅的连续地震反射层(上部)、中等振幅的杂乱型反射层(中部)和强振幅的连续反射层(下部)组成(图2b)。单元1主要由早中新世和中中新世沉积的珠江组(T6~T5)和韩江组(T5~T2)地层构成, 与下伏地层呈角度不整合接触(见不整合面T6)(图2)。珠江组(T6~T5)主要沉积以碎屑岩为主的深海沉积扇和以碳酸盐岩为主的碳酸盐岩台地(庞雄 等, 2008; 王昌勇 等, 2010; 李云 等, 2011; 廖计华 等, 2016), 而韩江组(T5~T2)主要沉积以碎屑岩为主的河流三角洲、滨-浅海沉积和以泥岩、泥质粉砂岩, 属浅海、深水陆架相(林畅松 等, 2018)。
2) 单元2 (T2~H2)。厚度从北西向南东逐渐减小, 在北东侧厚为240m, 在南东侧仅为35m, 平均厚度约140m (图2b)。单元2由中振幅、半透明、低连续性的地震反射层组成, 夹厚度较薄的中-强振幅、高连续性的地震反射单元(图2b)。单元2由上中新统粤海组地层组成, 地层连续性差, 与下伏珠江组地层呈角度不整合接触(见不整合面T2, 图2)。构成单元2的粤海组(T2~H2)主要沉积以细粒为主的海相泥岩或含砂海相泥岩(庞雄 等, 2008; 林畅松 等, 2018)。
3) 单元3 (H2~T1)。厚度约为170m, 横向厚度基本不变(图2b)。单元3下部、中部和上部均可见中等振幅、半透明、低连续性的杂乱型反射地层, 并以中-强振幅的连续型反射地层为间隔(图2b)。单元3由上中新统粤海组的中下部地层组成, 约占粤海组总厚度的77%, 整体连续性较差(图2b)。组成单元3的粤海组(H2~T1)主要为厚层的海相泥岩、砂质泥岩, 下部地层夹砂岩(庞雄 等, 2008; 林畅松 等, 2018)。
4) 单元4 (T1~海底)。厚度约为130m, 横向厚度变化不大(图2b)。单元4底部为振幅较弱、高连续的地震反射特征, 上部为中-低振幅、高连续的地震反射特征, 中部夹有一薄层中等振幅、半透明、低连续性的地震反射层序(图2b)。单元4由万山组地层和第四系沉积物组成, 地层整体呈平直连续, 地层接触关系为整合接触(图2b)。万山组和第四系地层主要由厚层的三角洲沉积泥岩、砂质泥岩组成(秦国权, 2002; 庞雄 等, 2008; 林畅松 等, 2018)。

3.2 主要地震相识别

根据地震反射振幅强度(强振幅或者低振幅)以及连续性(平直或者杂乱)可以将研究区划分为两类地震相: 1) 连续型地震相(Stratified seismic facies, 简称SFs), 以高连续性地震反射为特征, 根据振幅强弱可将其进一步细分(SFs1和SFs2); 2) 杂乱型地震相(Chaotic seismic facies, 简称SFc), 以中-弱振幅、低连续性的地震反射为特征, 根据内部反射特征可以将其进一步细分(SFc1和SFc2)(图3)。本文主要参考前人文献中类似的地震反射特征, 对本研究区的地震相及沉积过程进行详细解释, 如弱振幅的杂乱型地震相可被解释为MTCs (于兴河 等, 2005; Bull et al, 2009; 王秀娟 等, 2011; Li et al, 2018, 2020; 金丽娜 等, 2018; Wu et al, 2019a, b)。
3.2.1 连续型地震相(SFs)
SFs为高连续型的地震相, 中等振幅或者强振幅, 约占研究区沉积单元的40%。SFs是海相沉积中最常见的地震相单元之一(于兴河 等, 2005), 可解释为正常沉积地层(吴时国 等, 2011; Li et al, 2015; 白博 等, 2016; 金丽娜 等, 2018; Wu et al, 2019a)。根据振幅强弱可将SFs分为SFs1和SFs2 (图3)。其中, SFs1为中等振幅的连续地震反射相, 内部反射同相轴为水平状或者近水平状(图3), 厚度较为稳定, 在研究区内广泛发育, 约占SFs的80%以上(图4, 图5)。与SFs1相似的地震相, 在相邻区域内被解释为以垂向加积作用为主的沉积产物(于兴河 等, 2005; 金丽娜 等, 2018), 可代表浅海、半深海、深海等稳定的沉积环境或者是滨浅海、三角洲平原等不稳定沉积环境(于兴河 等, 2005; 秦志亮, 2012; 林畅松 等, 2018)。SFs2呈高振幅、高连续的地震反射相, 内部反射同相轴呈上下起伏的波形(图3)。SFs2厚度较为稳定, 在研究区发育较少, 在SFs中仅占15% (图4, 图5)。相邻区域内, 同SFs2相似的地震相被解释为洋流、底流或等深流等高能沉积环境(于兴河 等, 2005; 金丽娜 等, 2018; 林畅松 等, 2018)。
3.2.2 杂乱型地震相(SFc)
SFc是一种呈杂乱反射、中等-弱振幅的地震相, 在研究区内广泛发育, 约占研究区沉积单元的60%。相似的杂乱反射地震相, 在相邻地区被解释为MTCs (马宏霞 等, 2011; 刘军 等, 2011; 王志君, 2011; 吴时国 等, 2011; 李磊 等, 2012; 庞雄 等, 2014; Li et al, 2016, 2020; 王磊 等, 2016; 金丽娜 等, 2018)。根据内部反射结构, 可将SFc进一步细分(SFc1和SFc2)(图3)。SFc1为半透明、弱振幅的杂乱反射地震相, 上、下界面平行, 内部反射杂乱, 缺少有序排列的波阻抗界面(图3)。SFc1是MTCs体部层状流态典型的地震响应特征(马宏霞 等, 2011), 可解释为MTCs基质(Bull et al, 2009; 秦雁群 等, 2018; Wu et al, 2019a)。SFc1杂乱的地震相反映了地层内部分选差、杂乱无章的特征(马宏霞 等, 2011)。SFc2为中-强振幅的地震相, 内部地震反射呈中度变形, 弱连续性, 与周围杂乱反射具有明显边界(图3)。SFc2为MTCs内部块体的典型地质反射特征, 可解释为滑移块体(马宏霞 等, 2011; 吴时国 等, 2011; 秦志亮, 2012; 白博 等, 2016)。由于块体在搬运过程中变形程度不同, 有些滑移块体滑移距离较远, 变形程度较大, 呈向上凸起的丘状, 有些滑移块体滑移距离较短, 变形程度较差, 呈块状(图4)。

3.3 研究区MTCs分类

研究区共识别出10期MTCs, 这些MTCs纵向叠置, 可以占上中新统、上新统和第四系地层的60% (图4b)。根据MTCs的地质组成、所在沉积单元、平均厚度、地震相类型、和边界特征(表1)可将研究区10期MTCs划分为两类: 1) 多期MTC复合体: 由6期相互叠置的MTC共同构成, 单期MTCs厚度为15~25m, MTC复合体厚度变化范围较大, 从160m减少至0, 平均厚度约80m, 主要由SFc1组成, 边界模糊; 2) 单期MTCs: 由4期相互独立沉积MTC构成, 每期MTC厚度大小不等(20~40m), 平均厚度约30m, 主要由SFc1和SFc2组成, 边界清晰明显(图4, 图5)。
表1 两种类型块体搬运沉积体系(MTCs)的分类依据

Tab. 1 Classification standards of two types of MTCs

分类 地质组成 所在沉积单元 发育数量/个 平均厚度/m 地震相 边界特征
多期MTC复合体 由6期厚度较薄(约20m)的MTCs共同组成 单元2 1 80 SFc1 边界模糊
单期MTCs 由单期独立存在的MTCs构成 单元3和单元4 4 30 SFc1和SFc2 边界清晰
3.3.1 多期MTC复合体
3.3.1.1 描述
多期MTC复合体位于单元2中下部, 由6期小型的MTC多次纵向叠加构成, 总厚度约120m, 从北东到南西厚度递减, 整体呈楔状(图4, 图5)。组成多期MTC复合体的6期小型MTCs, 厚度大小不等(15~25m), 平均厚度约20m, 从北东向南西厚度也逐渐减小。受地形影响, 多期MTC复合体同一层位的地层在南西侧比北东侧最大高出约120m (图4b)。多期MTC复合体主要由MTCs基质(SFc1)组成(图4a, 图5a), 整体呈中等振幅、半透明、高连续的地震反射特征, 夹若干强振幅地震反射界面(图4, 图5)。该强振幅地震反射界面整体连续性较好, 但在北东侧和南西侧连续性变差(图4b)。多期MTC复合体的底界面为一中等振幅的连续反射界面(T2), 顶界面为一中等振幅、高连续的反射界面(H1, 图4a, 图5a)。多期MTC复合体顶、底界面均发生明显线性错动, 错动面可解释为断层(丁原章, 1994; 张功成 等, 2007; 何玉林 等, 2018)。断层规模较大, 从研究区底部向上发育至H1之上, 切穿并错动多期MTC复合体, 错动距离最大可达25m (图5c)。
3.3.1.2 解释
多期MTC复合体底界面与T2界面(10.5Ma)大致重合(图5b), 可推断多期MTC复合体最早形成于晚中新世早期(10.5Ma)。组成多期MTC复合体的6期MTCs厚度较薄, 说明在地层沉积厚度较薄的时候就发生了海底滑坡, 这很可能是沉积速率较低或者沉积时间较短所导致的。晚中新世及上新世(10.5Ma—2.6Ma), 海平面处于快速海侵阶段, 研究区沉积速率相对较低(董冬冬 等, 2009), 地层沉积厚度较薄。除此之外, 在晚中新世早期(10.5Ma)由于菲律宾板块向北西西方向运动, 导致吕宋岛弧和欧亚大陆碰撞, 进而引发东沙构造运动(吴时国 等, 2004; 赵淑娟 等, 2012)。受东沙构造运动影响, 研究区发生断块升降作用, 地层遭受剥蚀导致沉积速率进一步降低(赵淑娟 等, 2012; 董冬冬 等, 2009)。东沙构造运动还导致研究区发育大量断层, 使得地层活动较为剧烈(赵淑娟 等, 2012), 为多期MTC复合体的形成提供了有利条件。在多期MTC复合体内未发现明显的运动学指示标志, 所以无法判断多期MTC复合体的滑移方向。
3.3.2 单期MTCs
3.3.2.1 描述
MTC1~MTC3分别位于单元3的底部、中部和上部, 地震相特征为中等振幅、半透明、高连续(图4)。其厚度大小不等, 最大为40m (MTC1), 最小仅为20m左右(MTC2), 平均厚度约为30m (图4b, 4c)。其中: 1) MTC1主要由MTCs基质(SFc1)和滑移块体(SFc2)组成(图4, 图5)。MTC1的滑移块体主要集中在MTC1北东侧和北西侧, 由强振幅的连续反射组成, 呈矩形, 与周围的杂乱反射明显不同。滑移块体大小不等, 最大高度可达60m, 从北东向南西块体规模逐渐减小, 其中规模较大的滑移块体还会使MTC1顶界面(H3)形成向上凸起的正地形(图4b)。此外, MTC1南东侧发育平直状的侧边界, 走向为北东—南西(图6a); 剖面上, 侧边界将左侧正常沉积地层(SFs2)和右侧MTC1沉积体(SFc1)相分隔(图5b)。这种分隔MTC沉积体和周边正常沉积地层线状的侧边界, 可解释为侧壁(Bull et al, 2009; 吴时国 等, 2011; 王大伟 等, 2011)。2) MTC2主要包含MTCs基质(SFc1)和滑移块体(SFc2)(图4, 图5), 同MTC1相似。MTC2的滑移块体由强振幅的连续反射组成, 呈向上凸起的丘状, 主要分布在MTC2中部(图4b)。和MTC1相较, 在MTC2发育的滑移块体规模较小, 最高仅为20m, 且滑移块体从北东向南西发育规模逐渐变小(图4b)。MTC2在南东侧发育侧壁, 侧壁将左侧MTC2沉积体(SFc1)和右侧地层(SFs1)相分隔(图5b)。由于缺乏MTC2底界面的时间切片, 侧壁走向主要通过地震剖面识别, 大致为北东—南西(图5b)。3) MTC3整体呈半透明、杂乱的地震相(SFc1), 主要由MTCs基质组成(图4, 图5)。MTC3在南东侧和北西侧发育侧边界, 两侧边界大致平行, 北西侧边界呈近平直状, 走向为北东—南西, 南西侧边界呈圆弧状, 走向大体为北东—南西, 但在南部发生偏转, 变为北东东—南西西(图6b)。4) MTC4在单元4中发育, 从北东向南西方向厚度基本不变, 约20m (图4b)。MTC4整体呈半透明、杂乱的地震相(SFc1), 主要由MTCs基质组成(图4, 图5)。MTC4南东侧发育侧壁, 呈平直状, 走向大致为北北东—南南西(图6c)。
图6 MTC1 (a)、 MTC3 (b)和MTC4 (c)等T0图[据Zhao等(2015)修改]

图中红色箭头表示块体搬运沉积体系(MTCs)滑移方向, 粗虚线表示侧壁。位置如图1b所示

Fig. 6 Time structure map of the basal shear surface of (a) MTC1, (b) MTC3, and (c) MTC4

3.3.2.2 解释
总的来说, 单元3和单元4中共发育4期大型MTCs (MTC1~MTC4), 以T1 (5.5Ma)为界, MTC1~ MTC3在T1下部的单元3中发育, MTC4在T1上部的单元4发育。由此可推断, MTC1~MTC3的形成时间早于5.5 Ma, MTC4的形成时间晚于5.5 Ma。
这4期MTCs相互独立沉积, 边界明显, 厚度较大, 平均单期厚度可达30m, 其中MTC1~MTC3的厚度均大于30m。晚中新世, 东沙构造运动持续活动, 产生许多大规模断层, 断层延伸深度直至T1界面(图5)。同构造活动早期相较, 东沙构造活动晚期, 活动频率减弱, 但强度增大, 主要证据为断层活动。 研究区共发育3种不同类型的断层, 第一种断层在T2时就停止了活动, 第二种断层在H1时停止活动, 第三种断层在T1时停止活动。其中, 第三种断层发育数量最少, 仅占研究区中断层的10%, 但发育规模最大, 且形成于晚中新世末期, 反映了该时期构造活动频率低但强度大的特点(图5c)。总之, 东沙构造运动为MTC1~MTC3的形成提供了有利条件。和MTC1~MTC3相较, MTC4沉积厚度较薄, 仅为20m (图4, 图5)。此外由于钻井数据缺乏, MTC4的形成时代(上新世或第四纪)难以确定。上新世时期(5.5Ma—2.6Ma)研究区地层沉积环境较为稳定, 无大规模的构造活动, 而且由于大规模海侵使得研究区沉积速率相对较低(董冬冬 等, 2009)。第四纪以来(2.6Ma至今), 研究区进入海退阶段, 由于季风增大从而增加了排水区的侵蚀速率, 使得大量物源运输到陆架边缘界上陆坡, 使得沉积速率上升(林畅松 等, 2018); 研究区早更新世(1.87Ma—1.4Ma)在发育流花构造运动, 此次构造活动较为剧烈, 在研究区产生了大量的褶皱和断层(吴时国 等, 2004)。综上, 早更新世时期(1.87Ma—1.4Ma), 研究区高沉积速率和流花运动为MTC4的形成提供了有利条件, 由此推断MTC4形成于早更新世。
由Bull等(2009)可知, MTCs的滑移方向平行于侧壁走向, 并指向下坡区域。MTC1的侧壁走向为北东—南西, 且研究区北东高南西低(图6a), 由此可推断MTC1大致滑移方向为西南。同MTC1相似, MTC2和MTC4的侧壁走向分别为北东—南西、和北北东—南南西, 再结合北高南低的地势, 可推断MTC2和MTC4的大致滑移方向分别为西南和南南西。而MTC3的侧壁大致走向为北东—南西, 但在南部向北东东—南西西发生偏转, 整体地势为北高南低, 可推断MTC3的大致滑移方向为西南, 滑至研究区南部时滑移方向发生变化, 变为南西西。

4 讨论

4.1 MTCs的物源区

研究区位于南海珠江口盆地白云凹陷东南部, 整体呈“东高西低”的构造格局; 其中研究区东北部为东沙隆起, 东南部及南部为南部隆起带, 西部及北部为白云凹陷主体(图1a)。基于侧壁走向(北东到南西)(图5, 图6), 可推断MTC1~MTC4的滑移方向大致为北东到南西; 其中研究区北东向(东沙隆起方向)为MTCs上物源方向。
晚中新世(10.5Ma)以来, 海平面逐步下降至番禺隆起北部, 此时东沙运动开始发育(林畅松 等, 2018)。东沙运动造成东沙隆起和潮汕坳陷的韩江组、粤海组和万山组受到不同程度的剥蚀(李平鲁, 1993; 吴时国 等, 2004; 赵淑娟 等, 2012)。东沙隆起被剥蚀的内陆源沉积物受重力作用, 沿陆坡向地势较低的白云凹陷输送, 为MTCs复合体和MTC1~ MTC3的形成提供了物质基础。此时, 白云凹陷主要以远端细粒沉积的碎屑岩为主(林畅松 等, 2018)。直至第四纪(2.6Ma), 珠江口盆地进入海退阶段, 此时南海北部陆缘输送作用显著增强, 沉积速率可达49.01m·Ma-1 (刘汉尧 等, 2019); 在更新世早期(1.89Ma—1.4Ma), 吕宋岛弧向欧亚大陆及南海构造域碰撞, 造成东沙隆起东部发育流花构造运动(吴时国 等, 2004)。流花构造运动使得东沙隆起发生了抬升, 并产生了大量的断层和皱褶(吴时国 等, 2004)。东沙隆起被剥蚀的内陆源沉积物受重力作用, 沿陆坡向地势较低的白云凹陷输送, 同期沉积速率达到最大(50.7km3·km-1·Ma-1)(刘汉尧 等, 2019), 为MTC4的形成提供充足的物质基础。

4.2 珠江口盆地东南缘MTCs特征分析

珠江口盆地海底滑坡频发, 为探究研究区和相邻工区MTCs的相似性和特殊性, 本文结合相邻工区前人已发表文献(李云 等, 2011; 李磊 等, 2012; 雷亚妮 等, 2018; 林畅松 等, 2018), 分析对比珠江口盆地相邻工区中发育的MTCs。
4.2.1 相似性
南海珠江口盆地是MTCs的高发地带, 且绝大多数MTCs分布在地形坡度变化较大的陡坡区域, 如大陆架与大陆坡交界的坡折线附近、海底大陆坡上部区域和海底峡谷的陡谷两侧等部位(李磊 等, 2013; 白博 等, 2016; 刘科 等, 2017; 雷亚妮 等, 2018)。珠江口盆地MTCs分布的几何形态、面积受海底地形影响, 当海底地形没有限制时, MTCs分布广泛, 呈扇状展布(李磊 等, 2013); 当海底地形有限制时, MTCs的分布受海底地形限制, 整体呈面积小、厚度大的特点, 有时甚至出现MTCs滑移方向转变的现象(图6b)。地震剖面上, MTCs表现为低振幅、半透明、杂乱、丘状地震反射特征, 且受构造活动影响, MTCs被大量断层切割错断(图4, 图5) (李磊 等, 2012, 2013; Zhao et al, 2015; 白博 等, 2016; 雷亚妮 等, 2018)。此外, MTCs内部运动指示特征(能够指示MTCs滑移方向的结构, 如侵蚀凹槽、基底坡坪等)发育程度较低, 仅部分发育滑移块体(最高可达60m)(图5, 图6c)(白博 等, 2016)或侵蚀凹槽等(李磊 等, 2013)。
4.2.2 特殊性
前人对珠江口盆地MTCs的描写主要集中于发育在某一层位的单期次MTCs, 具厚度较大, 分布广泛的特点(李磊 等, 2012; 刘科 等, 2017; 林畅松 等, 2018)。和相邻工区的研究不同, 本文所展示的MTCs, 位于珠江口盆地白云凹陷东南部, 由10期次MTCs相互叠加形成, 埋藏深度达500m, 呈两种不同类型(多期MTC复合体和单期MTCs), 具发育期次多、埋深大的特点。本文从研究区两种不同类型的MTCs的地震响应特征着手, 全面展示了研究区多期次MTCs的形成过程。
晚中新世(10.5Ma—5.5Ma), 南海北部白云凹陷发育东沙构造运动, 活动较为剧烈, 东沙运动在番禺隆起、东沙隆起造成明显的差异沉降和局部的强烈构造抬升, 形成了大量断裂(赵淑娟 等, 2012), 且构造运动伴生地震活动(刘宗惠, 1994; 丁原章, 1994)。其中, 在晚中新世早期, 白云凹陷处于低沉积速率阶段, 地层沉积厚度较薄(董冬冬 等, 2009)。东沙运动伊始阶段, 活动较为剧烈, 构造活动频发, 地层稳定性差, 滑坡发生频率较高, 从而短时期内形成了纵向叠置的多期次MTCs (即多期MTC复合体)。晚中新世晚期, 东沙运动进入晚期阶段, 构造活动持续运动(吴时国 等, 2004; 赵淑娟 等, 2012)。东沙运动晚期活动频率降低, 但构造强度增大, 破坏地层深度较大, 便在研究区形成了规模相对较大的3期MTCs (即MTC1~MTC3)。上新世时期(5.5Ma—2.6Ma), 由于大规模海侵导致沉积速率相对较低, 地层沉积厚度薄(董冬冬 等, 2009)。在流花构造运动的触发下, 研究区在更新世早期形成了沉积厚度较薄的MTCs (即MTC4)。

4.3 MTCs成因分析

前人文献表明, 研究区及相邻工区的MTCs受相同因素和不同因素控制(白博 等, 2016; 刘科 等, 2017; 雷亚妮 等, 2018)。相同因素导致研究区及相邻工区的MTCs呈现出相似性, 不同的控制因素使得研究区MTCs呈现特殊性。
4.3.1 相似性控制原因
4.3.1.1 必要条件
造成海底滑坡的成因较多, 但总体看来, 其发生的必要条件如下: 1) 陆坡坡度。资料显示, 形成MTCs的斜坡一般需要大于2°~3°, 在这种情况下, 即将滑塌沉积物的重力下滑分量易大于沉积物的抗剪强度, 斜坡滑坡相对易发(白博 等, 2016)。2) 丰富的沉积物来源。丰富的物质来源是形成MTCs的基础。3) 一定的触发机制。MTCs的形成需要一定因素的触发, 如地震活动、高沉积速率、火山活动、水合物分解及构造活动等(Canals et al, 2004; Shanmugam, 2012; Elger et al, 2018)。
4.3.1.2 触发因素
1) 高沉积速率。高沉积速率会导致大量的沉积物在陆坡堆积, 为MTCs的发育奠定了一定的物质基础; 另一方面是因为较高的沉积速率会使沉积物处于欠压实阶段, 而沉积物欠压实会使其内部水分不能完全排空, 使得孔隙水压力增高, 沉积物抗剪强度降低。自晚中新世以来, 由于区域构造活动加剧以及气候变暖, 导致南海在晚中新世晚期(沉积速率为5.67cm·ka-1)和第四纪(13.27cm·ka-1)出现高沉积速率(Li et al, 2014; 董冬冬 等, 2009)。近2Ma—4Ma, 由于地球处于末次冰期阶段, 使得珠江口盆地的沉积速率异常增大, 是正常沉积速率的2~10倍(董冬冬 等, 2009)。因此高沉积速率极有可能是珠江口盆地MTCs触发条件之一。
2) 地震活动。地震活动是最常见的海底滑坡触发因素之一, 从而导致MTCs的形成。因为地震波中的纵波和横波成份能分别对沉积物施加水平向和垂向的载荷, 从而直接改变沉积物的应力状态。另外, 由于地震载荷的瞬时性和周期性, 由地震引发的孔隙压力上升在短时间内难以消除, 从而触发海底滑坡(吴时国 等, 2019)。珠江口盆地位于南海北部陆缘地震带和南海北部陆坡地震带之间, 与巴士系地震带相接(李平鲁, 1993; 刘宗惠, 1994), 属地震活动的频发地带。而在中新世以来(23.5Ma至今), 珠江口盆地是地震活动的高发区, 地震活动频发(丁原章, 1994; 刘宗惠, 1994), 导致珠江口盆地发育大量海底滑坡, 形成了许多MTCs (刘科 等, 2017)。
4.3.2 特殊性控制原因
东沙运动在东沙海区主要表现为断块升降活动, 造成差异沉降, 局部地区具有明显的构造抬升, 其中隆起区沉积物遭受剥蚀, 导致中新世及部分上新世地层缺失, 形成了角度不整合(T2)(图2b), 并发育了大量断层(图4, 图5)。地理位置上, 研究区MTCs的物源区为东沙隆起, 并位于东沙构造活动影响区域(图1); 时间上, 研究区共发育10期MTCs, 其中有9期MTCs (即多期MTC复合体和MTC1~MTC3)形成于晚中新世(10.5Ma—5.5Ma), 而东沙构造运动的活动时间同为晚中新世, 时间上具有高度一致性(图2a); 地震剖面上, 研究区发育大量的断层, 断层规模较大, 最大可达30m (自T1界面开始算起), 而大规模的断层活动通常形成于构造活动(图4, 图5)。由此可推断, 研究区多期次MTCs的发育极有可能与东沙构造活动有直接的关联。

5 结论

根据研究区三维地震数据得出以下结论:
1) 借助三维地震反射数据, 本文在南海北部白云凹陷东南部识别出两种地震相(连续型和杂乱型), 连续型地震相(SFs1和SFs2)可解释为正常沉积地层; 而杂乱型地震相可解释为MTCs。这两种地震相又可以划分为4类: 弱振幅水平状连续地震相(SFs1), 强振幅波状连续地震相(SFs2), 弱振幅半透明杂乱反射地震相(SFc1)和中-强振幅丘状连续反射地震相(SFc2)。其中, SFc1可解释为MTCs基质, SFc2可解释为MTCs内部发育的滑移块体。
2) 根据杂乱反射地震相可从研究区识别出10期MTCs, 根据MTCs的地质组成、所在沉积单元、平均厚度、地震相类型、和边界特征可将研究区10期MTCs划分为多期MTC复合体和单期MTCs。多期MTC复合体由6期相互叠置的MTC共同构成, 在单元2中发育, 厚度变化范围较大(160m~0), 平均厚度约80m, 主要由SFc1组成, 边界模糊; 单期MTCs由4期相互独立沉积MTC构成, 在单元3和单元4中发育, 每期MTC厚度大小不等(20~40m), 平均厚度约30m, 主要由SFc1和SFc2组成, 边界清晰明显。
3) 通过和相邻工区对比可知, 珠江口盆地发育的MTCs大多发育在地形坡度变化较大的陡坡区域, MTCs的分布受海底地形限制; 在地震剖面上, MTCs表现为低振幅、半透明、杂乱、丘状地震反射特征; 在地貌上, MTCs内部运动指示特征发育程度较低。南海北部珠江口盆地MTDs频发的主要原因是高沉积速率、地震活动。除此之外, 研究区MTCs表现出多期频发的特殊性, 而造成晚中新世以来研究区多期次MTCs的原因极可能是东沙构造活动。

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