琼东南盆地块体搬运沉积体系成因及其对水合物成藏的影响

杜 浩 石万忠* 梁金强 王 任 何玉林 徐立涛

(①中国地质大学(武汉)构造和油气资源教育部重点实验室，湖北武汉 430074 ；②中国地质调查局广州海洋地质调查局，广东广州 510075；③南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)，广东广州 511458)

0 引言

块体搬运沉积体系(mass transport deposits，MTDs)在外陆架—上陆坡、峡谷、隆起(火山、底辟和盐丘等)翼部、水道侧壁广泛发育[1-2]，在世界范围的深水盆地中普遍出现，引起业界密切关注[3]。通常在海平面下降时形成深水MTDs，要求特定的坡度、丰沛的物源以及相应的触发机制[4]，其中触发机制主要为海平面变化、地震、岩浆活动、海啸、构造变动、天然气水合物分解等[5-7]。有关MTDs成因机制众说纷纭。Dixon等[8]认为MTDs的形成主要与海平面变化及地震相关。Rothwell等[9]推测在地中海西部发现的巨大浊积岩是由天然气水合物分解造成的。王志君[10]推断，当水合物总分解量小于25%时，海底斜坡稳定性随水合物分解量增加而显著降低。王大伟等[11]认为地震和水合物分解对南海北部陆坡MTDs形成起决定性作用。因此，不同地质背景下MTDs的成因机制不同，需分析盆地的地质背景、地质特征等。MTDs与天然气水合物也密切相关。挪威外陆架、中国南海北部、西地中海、日本海南部、加拿大北岸等出现天然气水合物成藏区域，发现水合物均与MTDs在空间上叠合发育的现象。有人认为MTDs在一定程度上控制水合物形成。Riedel等[12]指出在韩国近海的郁陵盆地内部的裂缝系统控制水合物差异聚集。王秀娟等[13]认为致密的MTDs在水合物成藏中具有重要的封盖作用。MTDs不仅是深水盆地中的典型沉积体、大陆边缘重要沉积类型，同时也在一定程度上影响天然气水合物成藏[14-15]。MTDs的相关研究对大陆边缘沉积体系研究和水合物勘探、开发具有重要的科学意义和研究价值。琼东南盆地深水区赋存丰富的天然气水合物资源并发育多期MTDs[12]，但目前MTDs对水合物成藏的影响机理仍不明确。为此，本文利用岩心、钻测井、地震及区域地质资料，在精细刻画MTDs主要特征的基础上，联系区域火山活动背景分析MTDs与水合物的内在联系。同时综合分析影响水合物成藏的多种因素，以不同背景的MTDs耦合关系为切入点，深入探讨琼东南盆地MTDs成因及其对水合物成藏的影响，以期为琼东南盆地的天然气水合物勘探、开发提供参考。

1 区域地质概况

琼东南盆地位于中国南海北部，面积约为6.0×104km2，为新生代被动大陆边缘断陷盆地，其西南以一号断裂带与莺歌海盆地相接，东北以神狐隆起与珠三凹陷相隔，西北靠海南隆起区，东南邻永乐隆起区，整体呈北东向延伸[16-17]。构造格局具“南北分带、东西分块”的特点[18]，由西北向东南依次为北部坳陷、中部隆起、中央坳陷、南部隆起等一级构造单元；深水区面积约为4.5×104km2，占盆地面积的3/4，由西向东依次为乐东凹陷、陵南低凸起、陵水凹陷、北礁凹陷、松南低凸起、松南—宝岛凹陷、北礁凸起、长昌凹陷[19-20]等二级构造单元(图1)。

图1 琼东南盆地区域地质构造图(据文献[21，26]修改)

琼东南盆地为典型的“下断上拗”型结构，其构造演化过程自始新世以来分为断陷期、拗陷期和新构造期三个阶段(图2)。始新世沉积环境以断陷湖盆为主，渐新世依次沉积崖城组、陵水组，沉积环境由湖盆逐渐变为局限海和浅海；中新世晚期以来发育半深海—深海沉积，依次沉积三亚组、梅山组、黄流组，其中三亚组以不整合面T60与下伏陵水组为界，黄流组以不整合面T40与下伏梅山组为界；上新世以后开始逐渐分异出明显的陆架—陆坡体系，沉积莺歌海组，与上覆第四系乐东组以不整合面T20为界[21-26]。

2 琼东南盆地MTDs发育特征

MTDs是重力流的一种，来自陆坡或上陆架等浅水沉积环境，与深水区海底原位沉积在成分、粒径等方面均有差异。加之在搬运过程中受到多种应力作用，地震反射、测井曲线、沉积等特征均与海底原位泥质沉积差异明显。同时，不同发育背景的MTDs之间也存在一定差异。本文从沉积、岩心、测井曲线、地震反射等特征阐述MTDs的特征。

2.1 MTDs概况

前人的研究表明，自上新世逐渐形成陆坡—陆架体系以后[22]，琼东南盆地北部陆坡发育多期叠置的MTDs[13]，同时在刺穿海底的火山翼部也发现数期MTDs或小型垮塌体。北部陆坡(大致与300m水深线平行展布，图1)较陡峭，背靠海南隆起，物源充足，为MTDs的形成提供了重要先决条件；南部隆起岩浆活动剧烈，发育海底火山，并在其翼部发育MTDs和一些小型重力垮塌。

按照发育位置和发育背景将琼东南盆地MTDs分为北部陆坡MTDs和南部隆起MTDs，二者在发育时期、规模、地震反射特征、成因、主要控制因素等方面具有一定差异(表1)。北部陆坡MTDs规模大、延伸距离远、沉积厚度大、发育期次多，主要形成时期为5.5Ma(T30)至今，其中以1.64Ma(T20)以来为主[1,11,27]。前人认为陆坡形成MTDs的主要控制因素为海平面变化、陆坡坡度、沉积物供给、一定的触发机制[28]。南部隆起MTDs规模较小，延伸距离较近、沉积厚度小，主要发育时期为1.64Ma(T20)以来。前人认为类似背景的MTDs主要受控于区域岩浆活动[26,29]。

表1 琼东南盆地北部陆坡与南部隆起的MTDs特征

2.2 MTDs岩相类型与岩相组合

目前，关于MTDs岩相类型尚未达成统一的共识，这主要是由于不同地质背景、不同成因的MTDs的岩相类型及岩相组合方式不尽相同，甚至差异十分明显[28]。现阶段主要有特征描述、沉积物成因以及相级次—特征描述等深水重力流岩相划分方法[7,30]，这些方法对不同发育背景、不同研究角度的MTDs岩相研究具有重要指导意义。本文依据琼东南盆地的地质特点及实际研究需要，选用Tripsanas等[30]的岩相划分及岩相组合方案，将深水MTDs岩相划分为6大类(F1至F6)，并进一步划分为12个亚类，同时基于岩相划分指定了13种不同的MTDs岩相组合方案(FA1至FA6)。笔者依据该岩相划分方案对琼东南盆地较常见的海底火山翼部MTDs的岩相组合进行划分(图3)[7]。

图3 深水MTDs岩相类型及岩相组合(据文献[7，30]修改)

2.3 地震反射及结构特征

海底原位沉积主要为深海泥质沉积，MTDs总体上较海底原位沉积密度更大，且受异地搬运沉积过程中复杂应力作用的影响，与原位沉积存在一定的波阻抗差，其顶、底界面一般为连续性较好的强反射界面，内部通常连续性较差，除漂浮块体外通常为弱反射[31](图4)。在MTDs不同部位表现出不同的重力流过程、流态以及应力状态，故不同部位具有独特的内部结构特征[31]。现选取研究区陆坡下段的近现代MTDs解剖其结构，依据应力状态及反射特征将其分为三个部分，即头部、体部、趾部(图4)。头部在地震剖面上表现为一些犁式正断层、平移断层、旋转断层，并伴生一系列滑移块体，使海底形成一个或多个陡崖。随着地层坡度逐渐减小，体部表现为滑移、挤压为主的特征，内幕反射结构杂乱、不连续，其中裹挟一些漂浮块体，地震反射结构表现为振幅强、成层性较好。趾部发育多种挤压构造，如褶皱、逆冲构造等，沉积层呈叠瓦状[31]；同时，由于侵蚀下切作用强弱不一，可能会形成一定程度的侵蚀残留[28]。

图4 琼东南盆地MTDs地震响应特征(剖面位置见图1)

2.4 岩心及测井响应特征

图5 为琼东南盆地A井岩心—测井响应。由图可见：①深水区A井第四纪原位沉积(深海泥质沉积段)主要为灰黑—黑色、均一、细粒的泥质，手标本中未见明显颗粒。②MTDs段41mbsf～52mbsf(在海底之下41～52m)为灰黑色泥质，沉积物颜色较原位沉积浅，沉积物黏结成块状，夹白色、深灰色砾石颗粒，颗粒粒径为0.1～1.5cm，其中绝大部分颗粒粒径为0.1～0.2cm，少数为0.2～1.5cm，内部存在生物碎屑，大小不等，主要为贝壳碎片等，同时在围岩中并没有发现类似的生物活动痕迹。该段的声波时差减小、电阻率升高、密度变大，沉积物与海底原位沉积差异明显。结合地震剖面(图6、图7)以及岩心、测井曲线特征，综合判定该段为来自陆坡的一期MTDs。③在A井钻探过程中，57mbsf～120mbsf出现天然气水合物，饱和度由浅至深逐渐降低，在岩心及测井曲线上呈较典型的特征(图5)。测井曲线自57mbsf开始出现声波时差明显降低、电阻率明显升高等现象，同时该段岩心潮湿、粘稠、颜色较浅，因水合物降压分解而呈现“粥状/糊状”特征。

图5 琼东南盆地A井岩心—测井响应

在水合物层下伏地层中可见大面积(近似为长轴为40km、短轴为30km的椭圆形)连续分布的与海底近似平行的强振幅BSR界面(图6、图7)。

图6 地震剖面BB1(剖面位置见图1)

A井钻遇一套大型MTDs的趾部(图7)，岩相组合属于低速率黏结性碎屑流(FA4c)。作为一种深水重力流沉积，MTDs与深海原地沉积的测井响应差异明显，MTDs颜色浅、固结程度高、且更加致密等(图3)，具有声波时差减小、电阻率升高、自然伽马升高、孔隙度减小等特征[13]。

图7 地震剖面EE1及井震标定(剖面位置见图1)

3 岩浆活动与MTDs的等时耦合关系

3.1 岩浆活动概况

琼东南盆地是典型的南海北部被动陆缘断陷盆地。新生代早期，南海北部陆缘从华南块体伸展裂解，岩浆活动有限，从而在南海北部形成非火山型大陆边缘[32-33]。新生代中晚期，在南海海盆扩张、马尼拉海沟俯冲、台湾造山带形成、青藏高原隆升、印支地块挤出等多种动力因素的先后影响下，南海北部岩浆活动开始大规模、大范围地喷发至地表或侵入沉积地层中，使南海北部陆缘在新生代中晚期异常活跃[25,34]。琼东南盆地中刺穿现代海底的岩浆岩体较发育，在南部隆起、松南—宝岛凹陷、长昌凹陷中均发育海底火山，指示该盆地近现代以来岩浆活动活跃。Sun等[32]对南海北部裂后期的岩浆活动定年表明，南海北部被动陆缘在8.2Ma以来岩浆活动活跃，两个最主要的岩浆活动时期分别为5.2Ma左右及2.8Ma以来。

界面T20(1.64Ma)是琼东南盆地关键的不整合界面，指示1.64Ma以来南部隆起发生多期次岩浆活动[25-26]。笔者结合前人研究成果和地震资料将盆地内出露海底的岩浆岩体平面位置标注在图1中[21,26]。盆地中部的地震剖面 BB1(图6)以及东北部的地震剖面DD1(图8)显示，剧烈的岩浆活动侵入浅部地层，南部隆起和松南—宝岛、长昌凹陷的岩浆岩体刺穿现代海底，形成海底火山，指示琼东南盆地在第四纪仍有剧烈的岩浆侵入活动[26,34]。值得一提的是，在盆地中央坳陷内发育两个低位侵入体，分别为陵南低凸起和松南低凸起，二者顶部均伴生气烟囱构造，为深部天然气向稳定域运移、进而形成天然气水合物提供了高效、稳定的通道(图6、图8)[17,35]。

3.2 不同发育背景下MTDs等时耦合关系

由地震剖面DD1(图8)可见：北部陆坡发育六期规模较大的MTDs和两期近海底的小型重力垮塌体；南部隆起一侧发育刺穿海底的火山，在其翼部共发育三期MTDs或重力垮塌。由于研究层位较浅，岩石固结程度低，原位海底沉积多为松散的泥质，MTDs与其存在一定的波阻抗差。识别北部陆坡MTDs的主要标志有：顶、底界面的强反射、内部的杂乱反射及漂浮块体、侵蚀残留等[29]。以南部MTDs(1L、2L、3L)底界面为基准建立沟通盆地南北的等时格架。

4 MTDs成因分析

依据MTDs与岩浆活动的等时耦合关系可知，琼东南盆地多期MTDs与岩浆活动联系密切，但影响MTDs形成的因素众多，下文分别讨论北部陆坡以及南部隆起的MTDs成因。

4.1 南部隆起的MTDs成因

琼东南盆地南部隆起发育一定规模的MTDs，其长轴方向(即搬运方向)由南部隆起指向盆地内部，在海底火山的南部没有形成较大规模的MTDs。由图1可见：海底火山南侧为南部隆起，地形崎岖且总体地势较高，不具备沉积物远距离搬运的基本条件；海底火山北部为甘泉西凹陷，自海底火山到盆地中心为一宽缓的斜坡，有利于形成MTDs，故MTDs主要在海底火山北侧发育。琼东南盆地南部的整体抬升形成了自南部隆起到中央坳陷的稳定、连续的斜坡，为MTDs发育提供了重要的先决条件。

由地震剖面BB1(图6)可见，南部隆起MTDs的头部位于海底火山翼部坡度较陡处，趾部位于坡度较平缓处，即搬运方向由海底火山近端向海底火山远端，指示南部隆起MTDs的物源与海底火山的形成和活动相关。岩浆隆升形成海底火山，改变海底地形地貌，形成陡峭的坡度，同时对附近的沉积物造成剧烈的扰动，使其重力失稳，沿斜坡形成MTDs[26]。此类MTDs需要大规模岩浆活动，小规模的海山隆起对海底地形的改造有限，对沉积物的扰动有限，难以形成大规模的MTDs，如图1中的海底火山③和④，二者虽然刺穿了海底，形成了海底火山，但由于规模有限，其周围没有发育MTDs。大规模岩浆活动对南部隆起MTDs具有重要控制作用。总体来看，大型海底火山对海底地形的改造和对沉积物的扰动是南部隆起MTDs形成的主要控制因素。Ricardo等[29]指出，海底火山周边的MTDs与区域岩浆活动关系密切，二者的发育时期呈耦合关系，岩浆活动是该类MTDs的主要控制因素。

4.2 北部陆坡的MTDs成因

地震剖面(图6、图8)显示琼东南盆地北部陆坡自上新世至今发育多期MTDs，无论平面范围还是垂向叠置厚度均相当可观。区别于海底火山翼部，陆坡MTDs成因复杂，海平面变化、海底地形坡度、岩浆活动等因素都对其形成产生影响(图9)。

图9 琼东南盆地MTDs发育模式

海平面变化对于MTDs的控制作用明显[32]。当海平面较高时，陆源粗粒沉积物滞留、沉积在陆架区，距陆架坡折带有一定距离，不具备形成MTDs的条件；当海平面下降时，沉积中心向深海迁移，同时将松散的陆源粗粒沉积物搬运、堆积至陆架坡折带附近，在重力临界状态下由扰动导致重力失稳，从而形成MTDs。总体来看，海平面变化是连续的、长期的过程，对MTDs形成的控制作用是宏观的、长期的，即当海平面处于高位时不易形成MTDs，当海平面处于低位时易形成MTDs[28]。琼东南盆地自10.5Ma开始加速沉降, 5.5Ma以来处于高速沉降期，海平面逐渐下降[34]，来自海南岛的丰沛物源不断进积，同时水体迅速加深，陆架—陆坡体系逐渐成型，陆坡坡度加大，这些有利条件是形成陆坡MTDs的先决条件[31]。触发机制对MTDs形成也具有重要作用，处于重力临界状态的沉积物堆积在陆架坡折带附近，需要一定的扰动打破临界状态，并使其重力失稳[28,32]。

上新世莺歌海组沉积时期，盆地开始快速沉降，可容纳空间加大，海底地形坡度逐渐增大，来自海南岛的物源逐步进积，海平面开始下降，发育两期MTDs(5N、6N)，此阶段形成MTDs的主要控制因素为海平面变化。琼东南盆地乐东组发育多期MTDs(1N、2N、3N、4N)及小规模的重力垮塌，主要的触发机制较莺歌海组沉积时期有一定的变化。前已述及，1.64Ma以来南部隆起岩浆活动频繁，构造隆升，形成水下隆起区，伴生海底火山MTDs[32]。北部陆坡三期较大规模MTDs(1N、2N、3N)与南部隆起海底火山翼部MTDs分别处于同一等时格架，在发育时间上具有一定耦合关系(图8)。南部隆起MTDs主要受控于大型岩浆活动，证明北部陆坡MTDs与琼东南盆地南部隆起岩浆活动存在等时耦合关系。这种等时耦合关系说明二者在成因上具有一定联系。大规模的岩浆活动在区域上引发剧烈扰动，从而触发北部陆坡处于临界状态的浅部松散沉积物形成MTDs[36]，使二者在地震剖面中呈等时耦合关系。盆地中大型的岩浆活动也是北部陆坡MTDs的一个重要触发机制。

总体来看，琼东南盆地南部隆起的整体抬升是南部形成MTDs的重要先决条件，局部剧烈的、规模较大的岩浆活动和海山隆起是南部MTDs的主控因素。自5.5Ma以来，琼东南盆地快速沉降导致海平面下降、物源进积以及陆坡坡度加大等为北部陆坡形成MTDs提供了良好条件。莺歌海组沉积时期主要由海平面变化控制MTDs形成，而乐东组沉积时期海平面进一步下降，物源持续进积是第四纪MTDs频繁发育的根本原因。南部隆起岩浆活动频繁，大型的岩浆活动也可触发北部陆坡形成MTDs(图9)。

5 MTDs对水合物成藏影响

天然气水合物成藏需要适宜的温压条件及一定饱和度的天然气，但稳定域内多为未固结或固结程度较低的泥岩，渗透率较高，封盖能力较差，天然气向海底散失速率快，造成天然气向海底逸散，难以达到形成水合物的天然气饱和度门限。故封盖层对于水合物成藏具有重要作用。

MTDs较正常沉积层更致密、孔隙度更低，较浅层围岩具有更出色的封盖能力，同时在A井中观察到MTDs与水合物之间仍沉积一套薄层深海泥质。深海泥质为细粒泥质沉积，压实程度低，孔隙度大。MTDs作为一种事件性沉积，具有沉积时间短、沉积速率大(相对正常海底沉积速率)、密度大等特点[37]。A井中MTDs厚约10m，下伏厚约2～3m的深海泥质(无水合物段)被异常压实，二者联合封盖向上渗漏的天然气，使天然气在稳定域内富集，形成天然气水合物。在没有MTDs或其他有效封盖层的部位，天然气自由逸散至海底形成麻坑、冷泉等特殊构造，形成具勘探价值天然气水合物藏的可能性较低[35]。

琼东南盆地晚中新生世以来岩浆活动频繁，由岩浆底辟伴生的气烟囱构造十分常见，深部天然气沿岩浆底辟及气烟囱通道运移而上，造成局部高浓度天然气聚集，并由浅部MTDs封盖，在稳定域内形成高丰度天然气水合物藏(图10)。A井位于琼东南盆地中央坳陷陵南低凸起，深部气源沿着底辟及其衍生的通道运移至稳定域内，并且由浅部的MTDs封盖形成水合物藏。据此成藏模式，位于盆地中央的陵南、松南低凸起应为有利勘探目标，低凸起提供向上的运移通道，由来自陆坡的MTDs封盖天然气，最终形成天然气水合物藏。在琼东南盆地地震资料中观察到的大规模BSR主要分布于松南、陵南低凸起顶部，且位于MTDs以下(图7、图8)。由于深部热成因气的充注以及浅部MTDs的封盖，在低凸起顶部形成了面积可观且连续分布的BSR，指示其上覆地层水合物的勘探潜力和价值(图8)。近些年，针对松南、陵南低凸起的水合物钻探取得了良好效果，也印证了琼东南盆地水合物成藏模式的合理性[35]。

图10 琼东南盆地水合物成藏模式

6 结论

(1)通过对比琼东南盆地北部陆坡与南部隆起的MTDs底界，结合海底火山翼部MTDs的发育背景以及岩浆活动与MTDs形成时间的耦合关系，认为岩浆活动、南部隆起MTDs、北部陆坡MTDs三者存在等时耦合关系。

(2)琼东南盆地不同背景的MTDs形成模式有一定的差异。总体来看，南部隆起整体抬升是形成南部隆起MTDs的先决条件。剧烈的岩浆活动改造海底地形、扰动原位沉积物形成MTDs。北部陆坡MTDs主要受控于海平面下降、物源进积、断层活动等因素。大型岩浆活动是北部陆坡MTDs重要的触发机制之一，使琼东南盆地南部和北部MTDs呈现一定的等时耦合关系。

(3)琼东南盆地MTDs面积大，且多期叠置，较围岩的封盖能力更强，并且对下伏地层具有压实作用，二者联合封盖天然气，使其在稳定域内集聚、形成水合物藏。结合琼东南盆地岩浆底辟伴生的气烟囱构造，总结了琼东南盆地天然气水合物成藏模式：深部气源沿着底辟及其衍生的通道运移至稳定域内，并且由浅部的MTDs封盖，使其在适宜的温压条件下形成天然气水合物藏。