综述

东沙海区泥火山调查进展*

  • 阎贫 , 1, 2, 3 ,
  • 王彦林 1, 2, 3 ,
  • 于俊辉 1, 2, 3 ,
  • 罗伟 1, 4, 5 ,
  • 刘兴健 1, 2, 3 ,
  • 靳永斌 1, 2, 3 ,
  • 李鹏春 1, 2, 3 ,
  • 刘杰 1, 2, 3 ,
  • 钟广见 6 ,
  • 易海 6
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), 南海生态环境工程创新研究院, 广东 广州 510301
  • 2.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 5111458
  • 3.中国科学院海洋地质与环境重点实验室, 山东 青岛 266071
  • 4.中海石油(中国)有限公司深圳分公司, 广东 深圳 518054
  • 5.中国科学院大学, 北京, 100049
  • 6.广州海洋地质调查局, 广东 广州 510760
阎贫。email:

阎贫(1965—), 男, 新疆阿克苏人, 研究员, 博士, 从事地震勘探方法和南海地质研究。email:

Copy editor: 林强

收稿日期: 2020-11-26

  要求修回日期: 2020-12-13

  网络出版日期: 2020-12-13

基金资助

国家自然科学基金(U1901217)

国家自然科学基金(91855101)

国家自然科学基金(41876052)

南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0104)

广东省特支计划(2019BT02H594)

“科学”号高端用户项目(KEXUE2019G10)

中国科学院海洋地质与环境重点实验室开放基金课题(MGE2018KG14)

自然资源部地质调查专项(DD20190212)

广东省自然科学基金(2018A0303130125)

版权

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Surveying mud volcanoes over the Dongsha Waters in the South China Sea

  • YAN Pin , 1, 2, 3 ,
  • WANG Yanlin 1, 2, 3 ,
  • YU Junhui 1, 2, 3 ,
  • LUO Wei 1, 4, 5 ,
  • LIU Xingjian 1, 2, 3 ,
  • JIN Yongbin 1, 2, 3 ,
  • LI Pengchun 1, 2, 3 ,
  • LIU Jie 1, 2, 3 ,
  • ZHONG Guangjian 6 ,
  • YI Hai 6
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  • 1. Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 5111458, China
  • 3. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Qingdao 266071, China
  • 4. CNOOC (China) Co., Ltd. Shenzhen Branch, Shenzhen 518054, China
  • 5. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 6. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, China
YAN Pin. email:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2020-11-26

  Request revised date: 2020-12-13

  Online published: 2020-12-13

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National Natural Science Foundation of China(U1901217)

National Natural Science Foundation of China(91855101)

National Natural Science Foundation of China(41876052)

Key Special Project for Introduced Talents Team of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou)(GML2019ZD0104)

Special Support Program for Cultivating High-level Talents in Guangdong Province(2019BT02H594)

CAS Senior User Project of RV KEXUE(KEXUE2019G10)

CAS Open Fund of the Key Laboratory of Marine Geology and Environment(MGE2018KG14)

Geological Survey Program of the Ministry of Natural Resources of the People’s Republic of China(DD20190212)

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摘要

泥火山是地球运动和深部含流体物质向表层迁移的一种重要形式, 其喷溢及喷出物对认识地质动力、地层岩性和资源环境具有重要的意义。东沙海区新生界薄(~1km), 中生界厚(>5km), 是南海最典型的中生代沉积区和油气勘探待突破区。区内有众多的海山海丘, 过去都被推测为不利于油气成藏的岩浆火山。但近年来针对这些海山进行的调查发现了大量海底地层底辟形变与断裂、流体充注空白反射带和喷溢释放结构。通过浅表层取样采获了丰富的自生碳酸盐岩结核及深水珊瑚、海绵等生物, 表明众多海山、海丘具有明显的泥火山活动特征。东沙泥火山的发现表明区内具有良好的油气生成和运移条件, 为勘探源于中生界的油气和水合物提供了重要线索; 而大量深水珊瑚和海绵的出现指示东沙泥火山区可能是深水珊瑚礁、海绵礁发育区, 为研究油气泄漏、化养生物和环境三者的关系提供了重要的研究对象。

本文引用格式

阎贫 , 王彦林 , 于俊辉 , 罗伟 , 刘兴健 , 靳永斌 , 李鹏春 , 刘杰 , 钟广见 , 易海 . 东沙海区泥火山调查进展*[J]. 热带海洋学报, 2021 , 40(3) : 34 -43 . DOI: 10.11978/YG2020008

Abstract

As an important expression of Earth’s movement and a migration way for fluid-rich materials from substrates to the surface, mud volcanism and the entrained materials carry with ample information that is important for understanding the geodynamics, stratigraphic lithology, resources, and environment. Featuring thin (~1 km) Cenozoic Erathem and considerably thick (>5 km) Mesozoic Erathem, the Dongsha Waters is deemed as the best but unproven prospect for petroleum sourced from the Mesozoic Erathem. It is also rich with seamounts and submarine hills that are believed as magmatic volcanoes, a potential risk factor for petroleum accumulation. However, it is revealed from recent geophysical surveys that many of the seamounts and hills have developed with remarkable diapiric deformation and faults, fluid infill-led blank reflection zone, fluid seepage, and emission. By sampling with box dredges over tens of seamount and hill, plentiful authigenic carbonate nodules and deep-water corals, sponges, etc., have been collected, which feature them mud volcanoes. Discovery of the mud volcanoes shows favorable conditions for petroleum source and migration over the waters, and provides excellent lines to explore the petroleum and gas hydrates sourced from the Mesozoic Erathem. Abundance of deep-sea coral, sponge and others implies the Dongsha mud volcanoes as potential province for deep-sea coral and sponge reefs, meaningful to study the relationship among petroleum seepage, growth of chemosynthetic community and marine environment.

*感谢国家自然科学基金委共享航次(NORC2014-08; NORC2016-05, 06; NORC2017-05, 06, 07; NORC2018-05, 06; NORC2020-05, 06)及“嘉庚号”、“实验2号”调查队。
泥火山是地下含流体物质喷溢至地表或海底堆积形成的似火山形地质构造(Milkov, 2000), 喷溢物中通常包含大量地下气体(多为甲烷、其他烷烃、CO2、H2S、N2等)和泥浆、盐水、石油及地层岩块。全球大多数泥火山甲烷气源都来自油气藏泄漏, 例如新疆独山子、乌苏等泥火山气源来自克拉玛依油田油气层(黄华谷等, 2015), 墨西哥湾膏盐层下底辟型油气藏泄漏形成了海底油火山、沥青火山、深水珊瑚和海绵礁(MacDonald et al, 2000, 2004; Freiwald et al, 2005; Sitjà et al, 2019), 因此泥火山喷出的油气和养育的生物常被作为寻找油气的线索(“油气苗”)。
当泥火山喷发发生在海底时, 可以形成海底丘滩礁山; 喷溢的甲烷和其他有机质也可供养嗜、生甲烷菌等微生物, 形成化养海底生态群落(Freiwald et al, 2005), 以及自生碳酸盐岩和生物参与的金属矿物结核(Marlow et al, 2014)。在深海高压低温条件下, 泥火山喷溢的甲烷气可以在海底浅表层裂隙和断裂带冷却聚集形成水合物斑块, 成为高品位水合物资源(Tinivella et al, 2012)。作为地球活动和物质循环的一种重要形式, 泥火山的喷发和喷出的物质包含着深部地质的重要信息, 对认识地质动力、地层岩性和资源环境都具有重要的意义(Mazzini et al, 2017)。
位于全球板块挤压活动带上的许多国家, 如阿塞拜疆、伊朗、罗马尼亚、印尼、澳、日、俄、美等国(Dimitrov, 2003), 以及我国新疆、台湾等地区都发现存在泥火山(Chen et al, 2004; 黄华谷 等, 2015)。随着海洋探测技术发展和调查的展开, 海区也发现有大量泥火山, 如里海、黑海、地中海、巴伦支海、波罗的海、西非外海、墨西哥湾、日本Nankai海槽, 以及我国台湾西南海区。根据早期调查预计, 全球陆地及海洋泥火山数量不下数十万座(Dimitrov, 2003)。我国海区近年也有一系列发现泥火山的报道: 台湾岛南部到西南近海区有70多座泥火山(Chen et al, 2004); 东海陆架区(Yin et al, 2003)及冲绳海槽(李清 等, 2020)、南海东北部九龙甲烷礁附近和南海珠江口盆地神狐区反射地震剖面显示滑坡体上有一些零星的小海丘(Li et al, 2013; 谢蕾 等, 2013; 刘伯然 等, 2015; Chen et al, 2016); 在西沙、琼东南、中建南海区、南沙周缘反射地震剖面及多波束水深显示较多与麻坑间杂共存的海丘(Sun et al, 2013; 陈江欣 等, 2015; Lu et al, 2017; Wan et al, 2019)。环东沙岛海区海山海丘众多, 可能是南海泥火山最丰富的地区之一(陈森 等, 2016; 赵旭 等, 2016; Yan et al, 2017)。

1 东沙海区的构造背景与研究状况

本文中东沙海区(图1)指环东沙岛海区(不同于广州海洋地质调查局水合物调查中“东沙海区”定义为九龙甲烷礁及周围海区)。通过区域地质和油气地质调查发现: 东沙海区与周围的台西南盆地、珠江口盆地及琼东南盆地相比, 具有以下特点: (1)新生界普遍薄(<1000m)甚至缺失, 中生界普遍较厚(2000~5000m), 存在一个形成于中生代的东沙盆地(Yan et al, 2014), 是我国海域中生界油气的主要探区(郝沪军 等, 2009; 张莉 等, 2014), 尚未获得油气勘探发现, 但存在高有机质丰度的海相侏罗系泥岩层段, 近期在其外缘有一些关于存在BSR(Bottom simulating reflector, 似海底反射, 以下同)和钻获水合物的报道(李杰 等, 2020; Zhong et al, 2020); (2)新生代晚期发生构造隆升和形成众多海山海丘; (3)下地壳存在高速层(Nissen et al, 1995; Yan et al, 2001; Wang et al, 2006; 卫小东 等, 2011)。
图1 南海北部盆地及东沙海区位置

底图引自杨胜雄等(2015), 审图号JS(2015)02-107

Fig. 1 Map of sedimentary basins in the northern SCS, with the box indicating the Dongsha Waters.

The base map is from Yang et al (2015)

东沙海区新生代晚期的构造隆升也称东沙运动(姚伯初, 1993; Lüdmann et al, 2001; 栾锡武 等, 2010), 以往推测为台湾与南海东部弧陆碰撞的远程构造响应; 而众多的海山被推测为岩浆火山, 似乎与下地壳高速层岩浆底侵解释一致(Nissen et al, 1995; Yan et al, 2001; Wang et al, 2006; 卫小东 等, 2011), 但一直缺少取样调查。

2 东沙海区的泥火山调查及结果

自2005年起, 通过搭载国家自然科学基金共享航次及广州海洋地质调查局专项等10余个航次, 我们在东沙岛周围海区(水深300~2000m)陆续开展了反射地震(~400km)、浅地层剖面(~1000km)、多波束(~200km), 以及海底取样(~60个站位, ~200抓次)等侦察(图2), 为确认泥火山性质提供了大量基础数据。
图2 东沙海区地球物理测线及海底抓斗站位位置

底图位置引自杨胜雄等(2015), 审图号为JS(2015)02-107

Fig. 2 Geophysical lines and box dredging sites over the Dongsha Waters.

The base map is from Yang et al (2015)

2.1 地球物理

由于地形崎岖及水域管辖因素, 东沙岛附近海区缺少高精度水深测量资料。新采集的反射地震和浅地层剖面(图3)清楚地显示了大量出露于海底和埋藏的海山海丘, 它们或成群、或分散, 或呈塔锥形、或呈复合丘陵状, 大者高出周围海底100~200m、宽2km, 复合体可达10km宽(阎贫 等, 2014; Yan et al, 2017; 赵旭 等, 2016 )。一些海山地层发生明显褶皱、断裂和底辟扰动;有的海山周围存在明显的喷发环边陷坑(RD, 图3e), 内部存在高角度流体溢出管。浅地层剖面更清晰地显示了海山区的硬质海底强反射屏蔽现象(图3b) 以及高达50m的疑似气体羽(图3c)。这些海山喷溢的山-坑结构与墨西哥湾、地中海等海区的典型泥火山十分相似(Kohl et al, 1994; Kirkham et al, 2018), 极有可能是大量流体喷溢和塌陷的结果。有些海山出现疑似BSR现象(图3a、d), 存在地震极性反转、下伏地层纵波速度降低等特征, 在AVO(amplitude variation with offset, 振幅随偏移距变化)属性泊松比变化率剖面中表现为高负值, 高频衰减强, 气流体充注响应明显(王潇 等, 2020)。
图3 多道反射剖面MCS2507段(a)、与之同线的浅地层剖面SUB2507段(b)、SUB2507局部放大段(c)、反射剖面MCS2504选段(d)及MCS2522选段(e)

MV: 疑似泥火山; RD: 环边坳陷(rimmed depression); BSR: 似海底反射(bottom Simulating reflection)

Fig. 3 Sections of MCS and subbottom profiles. (a) MCS2507; (b) SUB2507; (c) zoom of SUB2507; (d) MCS2504; and (e) MCS2522.

MV: mud volcano; RD: rimmed depression; BSR: bottom simulating reflection

2.2 海底浅表层物质组成

根据以往的工程地质环境调查(冯志强 等, 1996), 东沙海区底质普遍较硬, 在底质分类图上属于粗粒沉积区(杨胜雄 等, 2015)。早期海底沉积采样因遭遇硬底, 成功率较低。通过不断尝试改进抓斗设备性能(阎贫 等, 2014; Yan et al, 2017), 我们在东沙周围水深300~2000m海山海丘上的约100个站位进行了海底取样, 其中约60个站位成功采获了含粗粒硬质的海底样品。沉积物中最为丰富的是自生碳酸盐岩沉积、生物碎屑胶结块、有孔虫壳体及其它生物、含钙粘土质泥流 (图4)。其中碳酸盐岩沉积呈现为结核、结板、结壳、烟囱、喷发角砾、原岩碎屑, 薄片观察可见结核内部往往包裹大量生物壳体、方解石晶体、碎屑石英。一些站位(如2013S202, 水深~950m)采集到与大量生物碎屑、结核伴存的粗粒长石、石英。
图4 东沙西南海山表层采集的沉积样品

a. 碳酸盐岩结核; b. 碳酸盐岩结板; c. 碳酸盐岩烟囱; d. 碳酸盐岩结核与含钙粘土质软泥(干); e. 结核中的生物壳体(扫描电镜照片); f. 结核中的方解石晶体(扫描电镜照片); g. 砾级长石及石英颗粒

Fig. 4 Sedimentary samples collected from the shallow seabed of the Dongsha Waters.

a) carbonate nodules; b) carbonate slab; c) carbonate chimney; d) carbonate nodule and calcareous ooze; e) enclosed bio-crusts in carbonate nodule (SEM); f) calcite microcrystals in carbonate nodule (SEM); and g) feldspar and quarts gravels

多数碳酸盐岩结核样品的碳酸钙含量达到70%以上(表1), 也有部分样品含Fe、Mn氧化物或粘土矿物较高。
表1 5个代表性结核样品的XRD分析矿物组分

Tab. 1 Minerals of five representative samples analyzed using X-Ray Diffraction

样品 矿物名 含量/% 样品 矿物名 含量/%
H208 石英 3.9 H55 石英 33.4
方解石 5.5 高岭石 6.5
镁方解石 7.3 伊蒙混层矿物 20.5
铁白云石 3.5 浊沸石 16.3
伊利石 29.7 绿泥石 18.4
高岭石 13.5 方解石 5.0
针铁矿 14.3 H110 石英 6.4
闪叶石 10.5 伊利石 14.5
镁橄榄石 11.8 方解石 31.8
H170 钠长石 6.6 高镁方解石 36.0
高岭石 1.5 高岭石 3.1
伊利石 3.8 绿泥石 5.1
铁白云石 60.0 铁白云石 3.0
高镁方解石 3.0 H35-2 石英 80.4
方解石 0.6 浊沸石 6.6
石英 9.0 拉长石 13.0
白云石 15.6

2.3 生物多样性

海底抓斗采获的生物样品则有数量多、种类丰富的深水生物活体及骨骼、化石, 其中包括深水石珊瑚、柳珊瑚、黑珊瑚、管虫、海绵、苔藓虫、螺、蛤、贝, 以及许多未知生物(Yan et al, 2017)。其中一些深水石珊瑚样品与大西洋、太平洋区已定优势种多孔珊瑚(Lophelia pertusa)和多筛珊瑚(Madrepora oculata)的外形结构近似, 是否新属种有待鉴定。图5显示了部分珊瑚、海绵、帽贝等未定种属样品。
图5 东沙西南海山表层采集的生物样品

图中无标注比例尺均为1cm。a. 丛生石珊瑚 (站位: 202009MV65; 水深: 666m); b. 独居石珊瑚集(站位: 202009DZ202; 水深: 617m); c. 似棘柳珊瑚(站位: MWT3; 水深: 321m); d. 似多孔冠珊瑚Lophelia pertusa (站位: 2016MZ8; 水深: 570m); e. 似多孔冠珊瑚Lophelia pertusa及枝狀多目珊瑚Madrepora oculata (站位: 202009MV65; 水深: 666m); f. 竹珊瑚(站位: 202009MV65; 水深: 666m); g. 多种三角杯珊瑚及尼帕德網沙珊瑚Rhombopsammia niphada (站位: 202009DZ202; 水深: 617m); h. 齿形花叶珊瑚(Anthemiphyllia dentata) (站位: 201609MV10; 水深: 654m)正(主图)、反面(左下角插图); i. 海绵及其它生物碎片集(站位: 202006MZ8; 水深: ~900 m); j—l. 海绵碎片(站位: 202006MZ8; 水深: ~900m); m—n. 海绵碎片及其SEM照片(站位: 201609MZ6-1; 水深: ~610m); o. 多种帽贝(站位: 202006MZ8; 水深: ~900m); p. 螺与贝(站位: 202006S15; 水深: ~314m) ; q. 具有起伏曲面的蛤(站位: 202009DZ202; 水深: 617m); r. 未知(站位: 202009MV70; 水深: 337m); s. 未知(站位: 202009MV70水深: 337m); t. 未知(站位: 202009DZ202; 水深: 617m)

Fig. 5 Biologic samples dredged from the Dongsha Waters. The scale bar is 1 cm except specified.

a) Colonial stony corals; b) solitary stony corals; c) an alive fan-like gorgonian (cf. Acanthogorgiidae); d) cf. Lophelia pertusa; e) cf. Lophelia pertusa; f) bamboo coral; g) cake-like stony corals (cf. Deltocyathus magnificus) and Rhombopsammia niphada; h) Anthemiphyllia dentata; (i- n): glass sponges; Limpets; (o-q) mussel; and (r-t) unknowns

3 讨论

3.1 泥火山喷溢的物源

我国海区已发现、试采的水合物多属于扩散型(Zhang et al, 2007), 都形成于新生代晚期快速沉积组成的重力滑塌/滑坡构造以及麻坑、底辟等明显的浅层构造, 甲烷气源包含浅层生物分解弥散气, 以及沿断裂渗漏深层热解气(雷新民 等, 2009; 吴能友 等, 2009; Li et al, 2013; Tong et al, 2013)。东沙海区新生界普遍较薄(~1000m), 油气成熟度和产生能力较低; 中生界较厚(~5000m), 包含侏罗系海相地层, 油气成熟度和产生能力较高(钟广见 等, 2007; 郝沪军 等, 2009)。泥火山多位于400m以深区域(图1), 落入水合物稳定带, 具备形成水合物的温压条件。如果这些海山确定为与油气藏相关的泥火山, 那它们极可能形成高品位的泥火山型水合物。最近, 李杰 等(2020)在东沙海区东侧的揭阳凹陷发现了明显的BSR现象; Zhong等 (2020)报导, 广州海洋地质调查局“海洋地质10号”针对该区BSR进行了钻探, 在从海底之下60m所获沉积物中发现有疑似水合物, 分析其气源来自于潮汕坳陷的中生界地层。泥火山的活动一方面可以促进地层油气的迁移聚集, 但也会造成向浅部的逸散, 对油气和水合物勘探利弊共存。

3.2 深水生物的兴盛机制

兴盛的深水珊瑚代表了大洋深处生机盎然的黑暗群落, 其资源价值、形成机制及与环境的关系都有待研究。在大西洋、美国西海岸、夏威夷乃至南大洋都已有大量发现深水珊瑚的报道(汪品先, 2019), 尽管认为种群数量庞大, 已鉴别的深水石珊瑚种类屈指可数(Roberts, 2019)。南海也陆续有一些深水珊瑚的发现, 包括东沙海区的石珊瑚、柳珊瑚等(邹仁林, 1988; Yan et al, 2017; 陈忠 等, 2018), 越南陆架外的石珊瑚(Latypov, 2014), 以及南海海盆区海山上的竹珊瑚林(Li et al, 2020)。关于深水珊瑚的兴盛机制, Hovland等 (1998)推测沿地层断裂和泥火山活动喷溢的油气供养了冷水生物的生长; 但Kano等 (2010)陈忠 等(2018)等分别对北大西洋泥火山和东沙海区的深水珊瑚礁同位素分析, 发现珊瑚样品的δ13C值负偏较小、与环境值差别不大, 认为丰富的营养主要由强劲底流带来, 深水珊瑚主要受到底流等环境影响, 泥火山形成的地形和底质仅为深水珊瑚生长提供了有利定居区。但也有学者(罗中原 等, 2019)对此质疑: 深水珊瑚与各种化能自养和异养微生物共生的现象, 表明深水珊瑚在某种程度上能够相对独立于表层海洋环境。从东沙海区调查来看, 深水珊瑚在一些海山上特别兴盛, 难以用大尺度环境的变化匹配, 更容易与能提供嗜甲烷菌生态链营养的泥火山局部喷溢契合。已报道的深水珊瑚礁大多具有泥火山、冷泉活动背景(Hovland et al, 1998; MacDonald et al, 2004; Niemann et al, 2006; Cunha et al, 2013), 后者的营养因素仅以δ13C作为依据而被排除可能过于简单(Sano et al, 2017)。东沙海区泥火山是深水珊瑚和海绵的兴盛区, 极有可能形成深水珊瑚礁、海绵礁, 为进一步发现新的深水珊瑚种属以及探究油气泄漏、深水珊瑚、环境三者的相互关系提供了重要的研究对象。

4 结论

东沙海域经历了中新生代海-陆-海相沉积的变化, 中生代地层在新生代晚期经历了明显的隆升和形变, 形成了大量海山, 其中多具泥火山特征, 反映了该区具有供应泥火山活动的充足油气源, 为油气及水合物勘探提供了重要线索。
东沙泥火山海底取样结果表明, 这些泥火山也是深水珊瑚、海绵等生物兴盛和自生碳酸盐岩发育区, 构成了深水生物礁。泥火山活动与这些深水生物应当存在密切成因关系, 有待深入研究。
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