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Journal of Tropical Oceanography >

2025 , Vol. 44 >Issue 5: 108 - 124

DOI: https://doi.org/10.11978/2024233

Marine Geology

Identification and analysis of kinematic indicators of early pliocene mass transport complexes: A case study of the northeastern continental slope in the Qiongdongnan Basin*

  • JU Zelong , 1, 2 ,
  • ZHAN Wenhuan , 1, 2 ,
  • GUO Jian 3 ,
  • WU Xiaochuan 4, 5 ,
  • LI Jian 1 ,
  • YAO Yantao 1 ,
  • FENG Yingci 1 ,
  • SUN Jie 1 ,
  • WANG Pin 1 ,
  • YI Hu 1, 2 ,
  • HUANG Jiaxian 1, 2 ,
  • XIONG Xin 6
Expand
  • 1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology (South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences), Guangzhou 511458, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. Shandong Provincial Geo-mineral Engineering Exploration Institute (801 Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources), Jinan 250014, China
  • 4. National Joint Local Engineering Research Center for Shale Gas Exploration and Development, Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources, Chongqing 401120, China
  • 5. Key Laboratory of Shale Gas Exploration, Ministry of Natural Resources, Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources, Chongqing 401120, China
  • 6. School of Surveying and Geoinformation Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China
ZHAN Wenhuan. email:

Received date: 2024-12-13

  Revised date: 2025-02-21

  Online published: 2025-02-26

Supported by

Major Talent Project in Guangdong Province(2023JC07H110)

National key Research and Development Program of China(2022YFC3103800)

National Natural Science Foundation of China(42206069)

National Natural Science Foundation of China(42272098)

Science and Technology Projects of Guangzhou(2023A04J0191)

Hainan Provincial Natural Science Foundation of China(423QN321)

Fold

Abstract

Through detailed interpretation of high-resolution 3D seismic data from the deepwater area of the Qiongdongnan Basin, this study identifies four stages of Mass Transport Complexes (MTCs) on the northeastern slope of the basin: MTC1, MTC2, MTC3, and MTC4. Among these, MTC1, MTC2, and MTC4 are relatively small in scale with low internal compression, averaging 130-150 m in thickness, while MTC3 is the largest and exhibits the most intense internal deformation, with an average thickness of 200 m. By identifying and analyzing the kinematic indicators within and outside MTC3, its southwestward transport direction was determined, and its developmental process was divided into three stages: initial slope instability, sliding, and fluid transformation. Based on the morphology and internal structural characteristics of the identified MTCs, combined with the tectonic and climatic evolution of the study area, it is concluded that the development of these multi-stage MTCs is influenced by the combined effects of stratigraphic slope, sea-level fluctuations, and high sedimentation rates, with the continuous strike-slip movement of the Red River Fault Zone being the dominant controlling factor. Specifically, the rapid fall and rise of sea levels after the late Miocene (10.5 Ma) altered sediment strength and stratigraphic pressure parameters, promoting MTC development. The rapid subsidence of the Qiongdongnan Basin since 5.5 Ma increased accommodation space, enhanced sediment progradation, and steepened slopes, creating conditions for multi-stage MTC formation. Additionally, fault activity triggered by the continuous strike-slip movement of the Red River Fault Zone is the primary factor triggering the multi-stage MTCs in this region. This study enhances the understanding of the depositional characteristics and triggering factors of multi-phase MTCs on the northeastern slope of the Qiongdongdong Basin and provides insights for exploring MTC development in the South China Sea.

Key words： Qiongdongnan Basin; mass transport complexes; seismic reflection characteristics; kinematic indicators; development process

Cite this article

JU Zelong , ZHAN Wenhuan , GUO Jian , WU Xiaochuan , LI Jian , YAO Yantao , FENG Yingci , SUN Jie , WANG Pin , YI Hu , HUANG Jiaxian , XIONG Xin . Identification and analysis of kinematic indicators of early pliocene mass transport complexes: A case study of the northeastern continental slope in the Qiongdongnan Basin*[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2025 , 44(5) : 108 -124 . DOI: 10.11978/2024233

块体搬运沉积复合体(mass transport complexes, MTCs), 是大陆斜坡、峡谷、水道、或隆起构造翼部等区域, 重力作用导致不稳定的海底沉积物发生滑移和搬运而形成的沉积体(Weimer, 1990; Bryn et al, 2005; Cheng et al, 2021; Scarselli, 2022)。MTCs在全球海域广泛分布, 是深水盆地地层记录的重要组成部分。MTCs可以运输大量的沉积物(Bernhardt et al, 2017), 是大陆边缘沉积物转移到深海的重要途径(Hampton, 1972; Locat et al, 2002; Posamentier et al, 2011; Scarselli, 2022), 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; 马宏霞 等, 2011)。
MTCs也是最主要的海底地质灾害之一, 其在海底的运动不但会破坏深海油气钻探、输油管道、海底电缆等海底工程设施; 同时它还可能在搬运过程中, 速度快、体积大而导致海底地形急剧升降, 进而引起水体扰动, 最终形成海啸, 对沿海人民的生命财产造成难以估量的损失(Piper et al, 1999; Bondevik et al, 2012; Harbitz et al, 2014; Schnyder et al, 2016)。
对于深海油气田勘探而言, 不同岩性的MTCs既可作为盖层, 也可作为储层。其中, 富泥质的MTCs不仅具有低孔、低渗特征, 并且底界面由于剪切作用而发生液化、脱水和超压作用(Wu et al, 2021), 从而使其封闭性进一步增强, 因此可以作为一种良好的区域型顶部封闭和侧向封闭地层。而富砂质碎屑的MTCs则可成为潜在的油气储层(Mac Mcgilvery et al, 2004; 王大伟 等, 2011; Wu et al, 2021), 因为富含砂质的MTCs往往压实作用不足而导致孔隙度较高, 一旦有油气注入就可以成为有开发价值的油田。
琼东南盆地东北部陆坡区富含大量的油气资源, 并发育多期MTCs (王大伟 等, 2009); Qin 等(2015)在琼东南盆地东北部陆坡识别出3个超大型第四纪MTCs, 并且对其展布范围和厚度进行了统计; 王大伟等(2009)和李伟等(2013)在琼东南盆地中央峡谷区识别出了第四纪期间发育的MTCs; 孟苗苗等(2024)和杜浩等(2021)探讨了琼东南盆地第四纪发育的MTCs对水合物成藏的潜在影响。已有研究主要集中在对琼东南盆地第四纪以来MTCs的识别与分析, 而对于更早时期发育的MTCs则鲜有报道。其原因主要是, 一方面受限于过去调查技术和数据处理方法带来的分辨率不足而难以揭示更精细的深部地质信息; 另一方面以往该区域的相关研究多基于二维地震数据, 这在一定程度上限制了对更早期MTCs的深入认识。
近20年来, 随着三维地震勘探技术在MTCs运动标志研究领域的应用与发展, 极大地增进了人们对MTCs运动过程的认识(Posamentier et al, 2003; Martinez et al, 2005; Gee et al, 2005, 2006, 2007; Moscardelli et al, 2006; Bull et al, 2009; Posamentier et al, 2011; Bernhardt et al, 2017)。三维地震数据的高分辨率使得我们能够对海底进行大规模的层位追踪, 从而精细重建海底地形地貌特征; 通过从地貌学的角度分析地震剖面、水平切片和属性图, 我们能够揭示各沉积单元的细节特征(Posamentier et al, 2003; Gamboa et al, 2015)。这些技术的进步为我们深入理解海底地质结构和沉积过程提供了强有力的工具。
本研究利用三维地震数据在琼东南盆地东北部陆坡识别出中新世晚期—上新世发育的多期次MTCs, 并利用三维地震数据的优势, 对多期次MTCs中规模最大、发育特征最为显著的MTC3进行了运动标志的精细刻画与分析, 旨在探讨MTC3的运动过程和发育阶段。同时, 本研究综合考虑了多期次MTCs的地震反射特征与区域地质构造背景, 探讨了它们的形成机制及主要控制因素。本研究不仅填补琼东南盆地东北陆坡区第四纪前MTCs精细研究的空白, 而且为该区域晚中新世以来的沉积物搬运、沉积过程及相关的古海洋学研究提供了宝贵的证据。

1 地质背景

琼东南盆地位于南海西北部, 面积约为4.5×104km2 (图1)。该盆地是西太平洋最大的被动大陆边缘盆地之一, 古近纪以来在南海大陆裂谷作用下, 由岩石圈伸展而逐渐形成(Hu et al, 2024)。琼东南盆地北接海南岛, 西接红河断裂带和莺歌海−宋洪盆地, 东接珠江口盆地, 南接广乐和永乐隆起(图1a)。琼东南盆地新生代以来经历了复杂的构造活动, 从初始裂陷期发展到裂后沉降期, 整体上形成了“三坳两隆”的构造格局。琼东南盆地古近纪—新近纪地质演化可划分为裂谷期、裂陷期、热沉降期和加速热沉降期4个主要阶段(Zhao et al, 2016)。与这些构造演化相对应的是以古新世—渐新世为代表的非海相沉积和早中新世—中中新世为代表的近岸和浅海沉积(Xie et al, 2006)。
图1 研究区示意图(a)和研究区地形地貌特征图(b)

图a基于南海地质地球物理图系(杨胜雄 等, 2015)的审图号为JS(2015)02-107的标准地图制作, 底图无修改。图a中黑色虚线代表琼东南盆地的分布范围[据胡守祥(2021)修改], 红色实线代表红河断裂带, 黄色实线代表西沙海槽, 黑色方框为研究区位置。图b中红色方框表示三维地震数据范围, 白色虚线分别为图2b和图6d地震剖面所在的位置, 红点为CC26-1-1井所处位置

Fig. 1 (a) Schematic map of the study area and (b) topographic and geomorphological features of the study area

琼东南盆地北部陆坡在晚中新世开始发育, 期间受到红河断裂带和太平洋NW向俯冲的影响, 盆地沉降幅度大, 陆架坡折形态逐渐形成, 而且坡度进一步变陡。琼东南盆地受红河和海南岛双物源供给的影响, 晚中新以后陆架边缘沉积物供给充足, 沉积物不断向陆架坡折推进, 形成了明显的陆架−陆坡体系(马云 等, 2012; 李艳 等, 2021; 马畅 等, 2022)。通过地震地层学和测井资料分析, 可在研究区新生代地层中识别出5个地层界面(Xie et al, 2006; Wu et al, 2021), 这些界面把地层分为三亚组、梅山组、黄流组和莺歌海组(T60—T20)(图2a)。本研究的MTCs所涉及的地层包括晚中新世砂层黄流组和上新世以细粒沉积为主的莺歌海组(图2a)。晚中新世以来, 琼东南盆地及海南岛地区断裂持续活动, 地震时有发生, 这些因素增加了沉积地层的不稳定性, 导致该地区形成了较多的MTCs (马云 等, 2012)。此外, 中新世末期以来琼东南盆地开始了新一轮的海侵及快速海退的过程, 经历了多次大规模的海平面变化(谢金有 等, 2012; 李伟 等, 2013)。
图2 琼东南盆地地层柱状示意图(a)和地震层序界面(b)

图a中地层修改自Hu等(2024), 岩性剖面来自蔡佳(2017), 沉积速率来源于Zhao等(2016), 海平面变化曲线据李伟等(2013)和Zhao等(2016); 红色实线框所对应的地层(晚中新世—上新世地层)为研究目标地层。图b中白色曲线分别表示研究区区域地震反射界面T20~T60, 黑色实线表示断层, 黄色虚线表示水道的边界, 浅蓝色虚线表示西沙海槽的边界, V.E代表该地震剖面的横纵比

Fig. 2 (a) Integrated stratigraphic column of Qiongdongnan Basin and (b) seismic sequence boundaries

2 数据和方法

本研究所使用的三维(3D)地震数据体由中国海洋石油总公司提供, 覆盖面积约为334km2。该地震资料的基本参数为: 总接收道数为576道, 炮间距为37.5m, 共中心点间距为12.5m; 地震频率带宽约为40~60Hz, 主频约为55Hz。基于4ms的垂直采样率和25m采样间隔, 研究层段平均垂直分辨率为5~10m。尽管本研究的3D数据体覆盖范围内缺乏钻井资料, 但位于研究区以北的CC26-1-1井(钟佳 等, 2019; Li et al, 2021; Li et al, 2023)能够为本研究提供关键的地层对比信息。此外, Li等(2021, 2023)对研究区的地震测线解释成果也可为本研究地震剖面解释中的层序界面追踪提供重要参考。
依据Zhao等(2016)通过地震剖面和钻井数据得到的地层时深转换公式, 本研究以2000m·s-1的平均地层速度来计算运输块体规模和MTCs的厚度。根据钟佳等(2019)对CC26-1-1的地层沉积特征和年代学研究结果, 同时参考Li等(2021, 2023)对研究区所识别的地震层序界面, 本研究建立了琼东南盆地东北部陆坡的地层年代格架(图2b), 并解释了5个关键的地震反射界面, 其中在T40至T20界面内识别出多期次的MTCs。此外, 对高振幅的连续反射和中−弱振幅的杂乱反射的交界面进行追踪, 以识别MTCs内部的沉积特征和层序结构。本研究基于研究区典型地震剖面的振幅强弱、连续性、频率高低和内部反射结构, 并结合所创建的振幅时间切片和相干切片, 对MTCs的地震相及其内部运动标志进行精细识别和解释。在此基础上, 获得MTCs的运移方向和内部结构特征, 最后结合区域地质背景, 探讨MTCs的发育过程和主要控制因素。

3 解释结果

3.1 地层划分

地震剖面的地层单元解释结果显示, 本研究的沉积地层共识别出5个地震反射界面(T60、T50、T40、T30和T20), 并由此确定了4个地层组, 从下至上依次为三亚组、梅山组、黄流组和莺歌海组(图2a)。其中, 三亚组(T60—T50)的沉积时代大致为早中新世(23.3Ma—15.5Ma), 地震反射呈中强振幅中高频连续前积相; 岩性上可能为灰白色、浅灰色粉细砂岩与深灰色泥岩的不等厚互层, 指示浅滨海相−半深海相的环境(蔡佳, 2017)。梅山组(T50—T40)沉积于中中新世(15.5Ma—10.5Ma), 地震反射呈中强振幅中频连续席状地震相; 岩性与三亚组相比无太大变化, 但沉积物中多含灰质, 以半深海相沉积体系为主(冯杨伟 等, 2016; 闫琢玉 等, 2023)。黄流组(T40—T30)沉积于上中新世(10.5Ma—5.5Ma), 地震反射呈弱振幅低频连续地震相; 岩性可能呈浅灰色粉砂岩、泥质粉砂岩与深灰色泥岩的不等厚互层, 以半深海相沉积体系为主(李杰 等, 1999; 罗泉源 等, 2023)。莺歌海组(T30—T20)沉积于上新世(5.5Ma—1.9Ma), 地震反射呈弱振幅低频杂乱地震相, 并出现有丘状和楔状的反射结构。岩性上对应于CC26-1-1中的浅海−半深海相沉积(付超 等, 2017), 以深灰色泥岩, 间夹灰色砂岩和泥质砂岩为主。
本研究所识别出的MTCs主要发育于晚中新世黄流组砂层和上新世莺歌海组的细粒沉积层中。晚中新世黄流组的地震反射顶、底界面平行, 内部反射杂乱, 缺少有序排列的波阻抗界面, 代表MTCs层状流态典型的地震响应特征(马宏霞 等, 2011)。上新世莺歌海组中还可以识别出MTCs内部块体的典型地震反射特征: 中−强振幅, 内部反射中度变形, 连续性较好, 与周围杂乱反射具有明显的边界(图2)。

3.2 多期次MTCs发育特征

本研究利用高分辨率三维地震数据, 对杂乱地震反射内的高振幅、高连续性反射界面进行追踪, 共识别出8个连续界面(H1~H8)(图3c), 代表了MTCs的顶底界面所在位置。在这些界面所限定的地层中则发育有4期具一定厚度的可明显识别的MTCs, 由下至上依次被标示为MTC1、MTC2、MTC3、MTC4 (图3b)。各期MTCs在地震相特征、运动标志、平均厚度等方面都存在着差异(表1)。
图3 NE—SW未解释的地震剖面(a)、NE—SW已解释的地震剖面和MTC3内发育的运动标志(b)和MTCs的顶底界面和块体(c)

图b显示了研究区块体搬运沉积复合体(MTCs)的整体发育情况, 包含4个关键层位(T40、T30、T20和海底)、MTCs主要发育位置和MTC3 内发育的运动标志。图c展示了MTC3和MTC4中的块体, 图c中H1~H2、H3~H4、H5~H6和H7~H8分别代表MTC1、MTC2、MTC3和MTC4的顶底界面。图中白色实线(T20~T40)代表研究区区域地层界面, 白色虚线代表MTC1、MTC2、MTC4的顶底界面, 绿色和黄色虚线分别代表MTC3的顶界面和基底剪切面, 蓝色虚线代表西沙海槽边界

Fig. 3 (a) Uninterpreted NE-SW seismic profiles, (b) interpreted NE-SW seismic profiles showing kinematic indicators developed within MTC3, and (c) top-bottom interfaces and blocks of MTCs

表1 各期MTCs发育的运动标志和地震相特征

Tab. 1 Kinematic indicators and seismic facies characteristics of MTCs development in each stage

MTCs 类型 时代 平均厚度/m 运动标志 地震相特征
MTC4 含块体 上新世 130 挤压脊、块体和滑动轨迹 中−强振幅, 杂乱反射, 块体内部表现为杂乱、
透明反射特征
MTC3 含块体 上新世 200 挤压脊、沟槽、块体、
滑动轨迹和逆冲褶皱带		 中−强振幅, 杂乱反射, 块体内部表现为强振幅平行、
倾斜堆叠反射特征
MTC2 不含块体 早中新世 150 挤压脊 弱振幅, 高连续性, 水平状
MTC1 不含块体 早中新世 140 挤压脊 弱振幅, 半透明, 杂乱反射
1) MTC1位于多期次MTCs的底部, 多边形断层的上部。其地震相特征为弱振幅、半透明、混乱叠置。受到T40界面形态的约束(图3b), MTC1在地震剖面上表现为西南侧较厚、东北侧较薄的特征, 最大厚度为150m, 最小厚度约为130m, 平均厚度约为140m。MTC1不含块体, 可识别的运动标志为挤压脊。
2) MTC2同MTC1相似, 不含块体。MTC2地震相特征为弱振幅、半透明。同样受到T30和T40界面的约束(图3b), 厚度整体表现为西南侧较厚东北侧较薄, 平均厚度为150m。
3) MTC3含运输块体, 整体呈现中−强振幅、杂乱的地震反射特征。MTC3从东北向西南方向厚度逐渐减小, 平均厚度为200m。其发育有MTCs较为完整的体−趾部结构, 包括挤压脊、运输块体、逆冲褶皱带、滑动沟槽等。逆冲褶皱带表现为强振幅的倾斜堆叠反射, 呈阶梯状排列(图3b)。MTC3的运输块体由强振幅的平行、倾斜堆叠反射组成, 在地震剖面上呈向上凸起的丘状, 其分布主要集中在MTC3的西南侧(图3c)。
4) MTC4位于多期次MTCs的顶部, 整体表现为中−强振幅、杂乱的地震相。MTC4含巨型块体, 块体内部呈现杂乱、透明的地震反射。MTC4厚度变化较大, 平均厚度为130m, 块体主要集中在西南侧(图3c)。
上述各期MTC中, MTC3规模最大, 内部挤压结构也更为发育, 其顶界面和基底剪切面反射清晰(图3b)。此外, MTC3的基底剪切面较为连续, 且与下方未变形地层平行, 在三维地震数据中可以对MTC3的基底剪切面进行大面积的追踪。因此, 本研究将重点分析MTC3的外部侵蚀特征和内部变形结构, 并由此来探讨研究区中MTCs的运动过程和控制因素。

3.3 MTC3运动标志

在振幅时间切片上可以清晰识别MTC3的陡坎, 但其侧边边界相对模糊。然而, 在地震剖面上, MTC3的侧边边界则清晰可辨。通过将其在地震剖面上的位置与振幅时间切片相结合, 可以精准地在时间切片上界定MTC3的侧边边界。本研究主要在振幅时间切片上对MTC3体−趾部发育的滑动沟槽、逆冲褶皱带、挤压脊、运输块体和滑动轨迹进行识别(图4), 并尽可能利用三维地震数据进行大面积追层重塑, 然后在此基础上对这些运动标志展开详细描述。
图4 MTC3内部提取的均方根振幅切片显示的运动标志

逆冲褶皱带及其外围的碎屑流特征共同构成了同沉积逆冲断层双重构造

Fig. 4 Kinematic indicators displayed in root-mean-square (RMS) amplitude slices extracted from within MTC3

3.3.1 滑动沟槽

在MTC3振幅时间切片和地震剖面上, 均可识别出6条滑动沟槽(图5)。这些滑动沟槽在走向上沿NE—SW展布, 且均发育在逆冲褶皱带的上坡方向(图4)。滑动沟槽延伸长度2696~3793m, 宽度37~121m; 沟槽间隔头部较宽, 大于200m, 尾部小于100m (图5a)。地震剖面显示滑动沟槽呈U形或V形, 发育于MTC3的基底剪切面上(图5b)。滑动沟槽下伏地层(基底剪切面)同相轴被断开, 其内部为杂乱或者空白反射, 呈波状弱连续的地震相特征。
图5 3580ms均方根振幅切片展示的滑动沟槽分布(a)和地震剖面展示的滑动沟槽(b)

图中a—f表示6条滑动沟槽

Fig. 5 (a) Groove distribution shown on 3580 ms RMS amplitude slice and (b) grooves displayed on seismic profile

3.3.2 逆冲褶皱带

逆冲褶皱带在MTCs的趾部以连续的弧形沿陆坡下倾方向凸出(图6a), MTCs沉积层内表现为低振幅或局部中强振幅及连续性差的地震反射特征。沉积物呈叠瓦状排列在地震剖面上主要表现为丘状外形及波状反射, 总体呈弱振幅, 局部为中强振幅、弱连续性的地震反射特征(图6c)。内部发育的叠瓦式逆冲断层厚度较大, 达数百米, 常出现在MTCs的末端, 基本都止于滑坡体内部, 其上面充填基质与顶面相接(图6c)。MTC3趾部的逆冲断层覆盖面积为6.7km2, 约占趾部空间的60%。在平面解释图上, 断层被不同的剪切边界所分割(图6b)。研究区的逆冲断层几乎都向上坡方向倾斜, 并且在基底剪切面上分离。叠瓦状扇片只是一个板状体, 它是由一组紧密而规则地间隔开的、尺寸和最大位移大致相等的逆冲断层变形而来, 单个断层最大长度约为250m。
图6 MTC3内发育的逆冲褶皱带

a. 逆冲褶皱带振幅切片; b. 振幅切片解释图, 玫瑰花图表示挤压断层的走向, 反映MTC3的运动方向; c. 逆冲褶皱带中的横向地震剖面; d. 逆冲褶皱带中的纵向地震剖面

Fig. 6 Thrust-fold systems developed within MTC3. (a) Amplitude slice of thrust-fold belt; (b) interpreted amplitude slice; (c) cross-sectional seismic profile through thrust-fold belt; (d) longitudinal seismic profile through thrust-fold belt

3.3.3 挤压脊

挤压脊是MTCs形成初期软质沉积物受挤压变形的结果, 通常发育于MTCs的趾部。由于它们的规模很小, 在地震剖面中通常难以分辨, 故利用MTCs振幅时间切片(3490ms)进行识别和分析。挤压脊与MTCs基质有关, 出现在MTCs的顶部, 表现为以一种无约束的方式向运输方向自由扩展的叶状地貌(图7a), 因此本研究将MTC3顶界面上呈现细长的彼此平行或亚平行的地形起伏、双程旅行时(two way time, TWT)约为15ms的结构判定为挤压脊(图7b)。MTC3的挤压脊在逆冲褶皱带区域更为明显, 相较于其他区域其起伏程度也更剧烈。
图7 MTC3内发育的挤压脊

a. MTC3顶界面均方根振幅切片, 图中白色虚线为挤压脊; b. 穿过挤压脊的地震剖面

Fig. 7 Pressure ridges developed within MTC3. (a) RMS amplitude slice at top interface of MTC3; (b) seismic profile crossing compressional ridge

3.3.4 运输块体和滑动轨迹

运输块体是在MTCs主体内部或向运输方向搬运的沉积物连贯体。相较于MTCs主体的杂乱反射特征, 块体内部反射强(图8)。但由于运输作用, 块体内部结构会随着搬运或滑动距离的增加而表现为平行、倾斜、弯曲和反射轻微中断的地震反射特征(图8c)。块体呈现向上渐缩的横截面, 并且顶部向上凸起造成顶界面凹凸不平。块体主要分布在MTC3逆冲褶皱带的西侧(图8a、8b), 呈现带状排列, 块体间距较小。运输块体在移动过程中会切割MTCs两侧基底面或者下伏沉积物, 并留下条纹状的线形特征—滑动轨迹(图8d)。这些线形特征可用于重建运输块体的运动路径, 同时对判断MTCs整体运输方向有一定作用。滑动轨迹主要发育在逆冲褶皱带前端, 少部分发育在逆冲褶皱带外围。
图8 MTC3内的运输块体和滑动轨迹

a. 振幅切片; b. 相干切片。图中绿色虚线表示滑动轨迹; c. 穿过运输块体的横向地震剖面; d. 穿过运输块体的纵向地震剖面。地震剖面上显示的滑动轨迹为基底剪切面上留下的凹陷; 白色线框代表放大MTC3底界面地震图像, 黄色圆圈代表块体的运动方向由屏幕向外

Fig. 8 Translated blocks and glide track within MTC3. (a) Amplitude slice; (b) coherence slice; (c) cross-sectional seismic profile through translated block; (d) longitudinal seismic profile through translated block

4 讨论

4.1 MTC3的发育过程

Bull等(2009)将MTCs划分头部−拉张区、体部−滑移区和趾部−挤压区3个区域(图9), 并基于高分辨率的三维地震数据在 MTCs 内部识别出大量运动标志, 这些运动标志记录了MTCs 的运动学信息。Gee等(2005)、Moscardelli 等(2006)和Bull等(2009)认为MTCs的头部是斜坡地质体失稳形成的伸展构造和断块体, 块体沿断裂面或基底剪切面向下滑移, 常表现为陡崖或断层崖、铲式正断层和断块等海底结构或地貌单元。MTCs在滑动过程中受到强烈的摩擦力作用, 形成了MTCs体部明显可见的变形构造, 如滑动沟槽、挤压脊等。该部分块体搬运沉积体的运动以滑塌和滑移为主, 内部呈现弱变形或中等程度变形(Shanmugam, 2012)。MTCs趾部是块体搬运沉积体最主要的沉积物堆积区。沉积物叠置推挤, 受阻于前方和侧方地层, 形成了挤压褶皱到叠瓦状逆冲褶皱带的构造格局, 前缘还可见到运输块体和滑动轨迹(Bull et al, 2009; Shanmugam, 2012)。
图9 MTCs的结构示意图[据Bull等(2009)修改]

Fig. 9 Schematic diagram of MTCs structure (modified after Bull et al, 2009)

目前关于MTCs的发育过程仍然存在一些争论, 没有形成一个统一的认识。其中, Dott (1963)将MTCs的发育过程分为崩塌、滑塌、碎屑流、浊流4个阶段; 大多数学者则认为MTCs的发育过程不包括浊流, 浊流仍是沉积物密度较低的碎屑流(Hampton, 1972; Parsons et al, 1998), 因而普遍将其运动过程划分为滑动、滑塌、碎屑流(Nisbet et al, 1998; Moscardelli et al, 2008)。国内对MTCs的发育过程研究较少, 主要归因于针对深水地质过程的探测手段相对有限。三维地震数据为获取精细的地质结构提供了一种有效手段(Cartwright et al, 2005), 从而有助于我们对 MTCs 运动过程开展深入的研究。
在本研究中, 我们利用三维地震数据对研究区上新世发育的MTC3 体部和趾部区域的运动标志进行了精细识别, 获得了一些关于MTC3形成过程的认识。首先, 根据滑动沟槽N—E的展布方向(图5a)、逆冲褶皱带NW—SE的走向(图6b)和连续挤压脊N—E的平移方向(图7b), 确定了MTC3的运动方向为NE—SW。此外, 根据研究区MTC3体−趾部区域的运动标志与Gee等(2006)和Qin等(2015)对MTCs发育过程研究结果的对比分析, 本研究认为MTC3的发育过程分为如下3个阶段:
1) 初始边坡失稳阶段
当重力超过地层有效应力的临界值时, 上坡地层崩塌形成巨型块体(图10a)。这些块体在向下滑动时, 在拉张力的影响下会破裂形成更小的块体。在此阶段, 侵蚀性碎屑流在块体前方产生并伴随其流动。
图10 MTC3随时间演化过程模型[据Gee等(2006)修改]

a. 初始边坡失稳阶段; b. 滑移阶段; c. 流体转换阶段

Fig. 10 Evolutionary process model of MTC3 over time (modified after Gee et al, 2006)

2) 滑移阶段
在此阶段, 一些滑塌体和滑动块体会破碎, 并在块体间形成基质(图10b), 而另一些滑塌体和滑动块体则维持有限变形, 形成巨型块体或运输块体。随着块体搬运沉积体(由连续的滑动块体和基质组成)继续向下坡运动, 它对底部剪切面会造成较为强烈的侵蚀, 形成一系列NE—SW向的滑动沟槽(图5)。这些滑动沟槽与Mac Mcgilvery等(2004)在文莱近海所观察到的细长状沟槽在形态上具有相似性, Posamentier等(2003)认为这类型的侵蚀特征是基底剪切面独有的属性。块体搬运沉积体到达趾部挤压区后会形成强烈变形的逆冲褶皱带(图6), 这与该处的地形限制有着密切的联系(Moscardelli et al, 2006)。在本研究中, 逆冲褶皱系统的前缘受到早期变形地层(陡坎)的制约(图6b), 而其侧向挤压则是受到邻近地层的限制(图6d), MTC3内的逆冲断层并未穿透其顶界面。
3) 流体转换阶段
随着块体搬运沉积体继续向前移动, 强烈的挤压作用使得逆冲褶皱带不断发展, 底部剪切面厚度变大, 导致滑动沟槽停止发育。在这种强烈的挤压作用下可能会触发二次碎屑流(Gee et al, 2005), 碎屑流将大量的沉积物继续向下坡方向运输(图10), 运输的沉积物包括MTCs内部的块体, 以及侵蚀基底剪切面和侧向边界上的块体。这些块体可能在很大程度上分解并融入二次碎屑流。振幅切片上的同沉积逆冲断层构成的双重构造(图4)也说明该区域的块体搬运类型已经演化为二次碎屑流(王大伟 等, 2009)。

4.2 多期次MTCs成因分析

MTCs的控制因素可分为内部因素和外部因素(Masson et al, 2006)。内部因素包括力学性质、海底地形地貌、软弱层等, 外部因素有地震、火山、海啸、流体逸散、异常高沉积速率、断层活动、超孔隙压力和天然气水合物分解等(Locat et al, 2002; Owen et al, 2007; Scarselli, 2022)。MTCs的发育通常受多种因素共同控制, 但由于不同地区地质背景的差异性, 各因素对MTCs发育的影响程度存在显著差异。前人研究表明, 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; 雷亚妮 等, 2018; 李艳, 2022)。相同因素是导致MTCs产生的必要条件, 而不同因素则因地质背景的差异, 使得研究区MTCs表现出独特的发育特征。

4.2.1 共性控制因素分析

4.2.1.1 必要因素

造成MTCs的成因较多, 但总体来看, 其发生的必要条件如下: 1) 陆坡坡度。前人研究表明(Qin et al, 2015; Guan et al, 2016), 只要地层坡度大于1°便有可能触发MTCs。本文基于地震剖面解释结果, 测得不同期次MTCs底界面的坡度分别为: MTC1为1.5°~4°, MTC2为1°~2°, MTC3为2°~4°, MTC4为2.5°~5° (图3c)。又因为研究区位于琼东南盆地东北陆坡的缓坡区, 多期次MTCs的头部位于三维地震测线未覆盖的陡坡区域, 因此我们推测多期次MTCs头部区域的地形坡度普遍大于4°。在这种情况下, 研究区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(李艳 等, 2021)。3) 必要的触发因素。MTCs的形成需要一定外部因素的触发, 常见的外部因素有地震活动、高沉积速率、火山活动、构造活动等因素(Owen et al, 2007; Scarselli, 2022)。

4.2.1.2 触发因素

1) 高沉积速率。一定时期内大量沉积物的堆积会使得地层压力增大甚至超压, 而超压地层中孔隙流体的运移可导致斜坡区域沉积层失稳和坍塌, 从而形成MTCs (Locat et al, 2002; Dugan et al, 2012; Yamamoto et al, 2019)。根据CC26-1-1井位揭示的沉积速率, 在T30—T20期间海平面快速下降−上升旋回中, 海平面快速下降的同时还伴随着沉积速率突然陡增, 这也许是促使MTC3成为该多期次MTCs中发育规模最大的原因之一。因此, 高沉积速率也是造成琼东南盆地陆坡区MTCs发育的一个主要因素。
2) 海平面的波动。海平面的波动对陆坡沉积物的稳定性也有着重要的影响。海平面波动能够改变沉积物的水动力条件、沉积速率以及剪切强度, 进而可能导致沉积物失稳(Smith et al, 2013; Urbah et al, 2013; 何云龙 等, 2013)。在南海北部, Sun等(2017)、Wang等(2018)和Li等(2019)认为海平面变化是琼东南盆地MTCs的触发机制之一。通过对琼东南盆地的海平面变化曲线(李伟 等, 2013)和多期次MTCs发育时期的对比分析, 我们发现琼东南盆地在MTCs形成期间经历了多次较频繁的海平面升降, 特别是在T30—T20期间存在一次斜率较大的海平面快速下降和快速上升旋回, 而这一旋回的时间正好对应了MTC3的上部沉积(图2)。因此, 本研究认为海平面的快速波动是研究区多期次MTCs的重要触发因素。

4.2.2 特殊控制因素分析

红河断裂带起源于世界屋脊之称的青藏高原东南部, 向南海海域延伸, 进入莺歌海盆地, 总长超过1000km (图1a)。红河断裂带在海域的延伸被认为是琼东南盆地的西界(孙珍 等, 2003), 琼东南盆地的演化历史与红河断裂带的构造演化有着紧密的联系(袁玉松 等, 2008)。琼东南盆地从T40界面沉积至今属于加速热沉降期, 在这一时期盆地逐渐变为被动大陆边缘型沉积, 地层快速沉降, 物源供应很快, 沉积物厚度增大, 地层以轻微角度向南部倾斜。此时琼东南盆地控盆构造活动较弱, 但红河断裂带持续进行左旋运动, 运动时间持续到10Ma—5.5Ma (雷超 等, 2022)。自5.5Ma以来, 红河断裂带从左旋运动转变为右旋运动, 且断层活动性进一步加大(胡守祥 等, 2021)。地理位置上, 研究区MTCs位于琼东南盆地北部陆坡区域, 该区域受到红河断裂带活动影响(图1)(Cheng et al, 2021); 时间上, 研究区发育4期MTCs形成于晚中新世—上新世(10.5Ma—1.9Ma), 与红河断裂带的活动时间高度一致。地震剖面上, 可以观察到多期次MTCs下部与大量多边形断层紧密相连(图2b), 其中一些断层甚至延伸至MTC1的底界面(图3c)。红河断裂带的持续运动会导致多边形断层重新活动(Xie et al, 2006; Ren et al, 2014)。这些断层形成于早中新世晚期(Hu et al, 2024), 并在晚中新世期间活动性显著增强。在晚中新世末期(5.5Ma), 受红河断裂带影响, 研究区断层从左旋走滑转变为右旋走滑, 并且活动性在第四纪进一步增强。由此可以推断, 红河断裂带的持续运动会导致多边形断层活动, 对西沙海槽北部陆坡沉积物的稳定性存在显著影响, 进而成为触发该区域多期次MTCs的主要因素。

5 结论

1) 琼东南盆地东北部陆坡发育了多期次MTCs沉积, 构成了该区域新近纪以来地层中的重要沉积单元。研究区MTCs的地震反射总体特征为弱振幅、半透明及杂乱反射。
2) MTC3在该多期次MTCs中规模最大, 且内部变形程度最为强烈。研究区主要包括MTC3体−趾部, 体部滑移区以波状弱连续地震相为主要特征; 趾部以挤压作用为主, 以强振幅的叠瓦式逆冲褶皱带为主要特征。在MTC3的内部和顶底界面总共识别了4组运动标志: 滑动沟槽、逆冲褶皱系统、挤压脊、运输块体和滑动轨迹。通过对运动标志的分析确定了MTC3的迁移方向为西南方向, 并将MTC3的运动过程划分为初始边坡失稳阶段、滑移阶段和流体转换阶段。
3) 琼东南盆地东北部陆坡多期次MTCs的发育受到地层坡度、海平面波动和高沉积速率等因素的共同影响, 其中红河断裂带持续走滑运动是研究区发育多期次MTCs的主导因素。

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