The Sedimentary Facies and Gas Hydrate Accumulation Models Since Neogene of Shenhu Sea Area, Northern South China Sea
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摘要: 广州海洋地质调查局自2000年以来在南海北部陆坡区相继开展了多个航次的天然气水合物资源的调查及研究工作, 取得了非常丰富的地震资料.在对这些地震资料精细解释的基础上, 识别出了6种典型的地震相: 透镜状前积相、丘状前积相、V字型充填相、席状平行相、底辟—气烟囱状杂乱相、丘状杂乱相; 并由此分析出3种类型的沉积相: 深水浊积相、滑塌相、峡谷水道相.结合似海底反射(BSR) 在研究区范围内的分布, 研究BSR与各沉积相之间的空间位置关系, 由此分析出了3种水合物成藏模式: 断层沟通浊积扇体成藏模式、断层沟通峡谷水道成藏模式、断层沟通峡谷水道及滑塌扇体成藏模式.Abstract: Guangzhou marine geological survey have carried out a number of voyages for gas hydrate investigation and research at the continental slope of northern South China Sea since 2000 and has acquired abundance of seismic data.On the basis of detailed interpretation of those seismic data, this paper recognizes six typical seismic facies, namely lenticular progradation facies, hummocky progradation facies, V-shaped filling facies, sheet parallel facies, diapir-gas chimney disorder facies and hummocky disorder facies.Thus developed three sedimentary facies including deep sea fan, slump and canyon channel facies.Combined with the distribution of the bottom simulating reflector (BSR) in the study area and the spatial relationship of the BSR with the variety of sedimentary facies, three gas hydrate accumulation models have been established as follows: fault communication with deep sea fan, fault communication with canyon channel and fault communication with canyon channel and slump fan.
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Key words:
- northern South China Sea /
- gas hydrate /
- sedimetation /
- accumulation model /
- marine gology
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南海北部为拉张型被动大陆边缘(于兴河和张志杰, 2005), 属于欧亚板块、印度—澳大利亚板块及太平洋板块的交汇处, 区域地质背景复杂, 新生代发育巨厚沉积, 具有丰富的油气资源(何家雄等, 2008).2005年以来, 广州海洋地质调查局先后在南海北部神狐海域布置了多个准三维地震测网, 随后在多个地区发现了似海底反射(BSR)、振幅空白区和地震高速带等反应水合物存在的地球物理异常标志.2007年, 广州海洋地质调查局在神狐海域布置了8口水合物钻探井, 并成功获取天然气水合物样品, 这标志着神狐海域将成为未来几年水合物勘探的重点区域, 因此研究神狐海域特别是水合物赋存的新近系沉积相以及水合物的成藏模式将具有非常重要的现实意义.
1. 研究区概况
神狐海域天然气水合物存在的响应标志主要分布于南海北部珠江口盆地珠二坳陷, 并以其中的白云凹陷为重点靶区.白云凹陷位于珠江口盆地南部凹陷带, 水深为200~2 000 m, 其北部与番禺低隆起相接, 南端是珠江口盆地的南部隆起带(龚跃华等, 2009).2005至2009年, 广州海洋地质调查局在神狐海域布置了多个准三维地震测网, 其中本文的研究区如图 1所示.
从研究区的区域构造背景来看, 珠江口盆地的发展与南海演化密切相关, 南海是西太平洋地区一个最大的边缘海盆地(邵磊等, 2005), 受欧亚板块、太平洋板块和印—澳板块相互运动所制约, 具有典型的边缘构造特征: 东部为汇聚陆缘, 北部、西部为离散陆缘.在东部, 汇聚陆缘南海板块沿马尼拉海沟向东俯冲, 形成叠瓦状逆掩推覆的增生楔; 北部、西部离散陆缘发生一系列的扩张裂陷、剪切和沉降作用, 形成大中型沉积盆地(陆红锋等, 2006). 姚伯初(1993)认为南海北部陆缘新生代发生过3次区域性构造运动: 神狐运动、南海运动和东沙运动.神狐运动发生于白垩纪晚期—古新世早期, 在地震剖面上表现为区域性角度不整合(Tg), 上白垩统—中、下古新统地层缺失, 地壳迅速减薄, 南海北部陆缘的前新生代褶皱基底进入裂陷早期, 珠江口盆地北部断陷带开始发育; 南海运动发生于始新世晚期—早渐新世, 南海海底扩张形成破裂不整合面, 南海运动是最强烈的一次构造运动, 延续时间长, 海水从南向北大规模入侵, 盆地由裂陷向坳陷转化; 东沙运动发生于中中新世末, 使盆地在沉降过程中发生断块升降, 隆起剥蚀, 并伴有挤压褶皱、断裂和频繁的基性岩浆喷发.3大区域性构造运动对南海北部陆缘盆地的沉降、沉积充填具有明显的控制作用(袁玉松和丁玫瑰, 2008).珠江口盆地第三纪的构造演化与南海北部陆缘具有相似的过程, 经历了古近纪裂陷和新近纪坳陷两大阶段, 具有双层结构(刘铁树和何仕斌, 2001), 而白云凹陷是一个复式地堑, 垂向上具有断陷、断延和坳陷3层结构(张树林, 2007), 是一个强烈构造变形区, 岩石圈地壳强烈减薄, 凹陷长期持续沉降, 岩浆活动较多(孙珍等, 2005).
2. 神狐海域新近纪层序地层划分
前人已经开展过很多积极有效的南海北部的层序地层学研究工作, 本文结合2007年神狐海域水合物钻井层序划分(SH-7、SH-5) 以及ODP在南海北部1146、1148站位所获得的资料, 在神狐海域中新世以来的地层中识别出3个三级层序界面: 分别为T1、T2、T3; 分别对应于层序A、层序B、层序C (表 1).
表 1 神狐海域层序地层划分对比Table Supplementary Table 1 Recognition and comparison of sequence stratigraphy of Shenhu Sea area地质时代 年龄(Ma) SH-7井层位深度(m) SH-5井层位深度(m) 地震反射界面 层序 第四纪(Q) A 上新世(N2) 1.806 104.85 96.73 T1 B 5.332 171.2 T2 中新世(N1) 晚(N13) 11.608 T3 C 中(N12) 注: 数据来源于广州海洋地质调查局《南海北部神狐海域天然气水合物钻探报告》. 从地震资料来看, T1界面主要表现为高频、中振幅、连续反射的特征, 可见较为明显的上超和削截现象, 在研究区的西北部发育下切谷.T2界面总体表现为高频、弱振幅、连续性较差的反射特征, 可见上超反射, 该界面之上为杂乱反射层, 之下为一套前积反射层.T3界面表现为中高频、中振幅、连续性好的反射特征, 界面之上可见较为明显的下超反射, 并发育河道, 界面之下为一套连续的近平行反射.
3. 地震相类型及特征
地震相识别通常是在分析地震相标志的基础上来进行的, 常见的地震相标志可分为3类: 地震反射结构、地震反射构造和地震相单元外形.它们从不同的角度反映了不同的地质意义, 对地震相标志的识别, 形成了地震相及沉积相研究的主要内容.
综合分析地震反射特征之后, 笔者依据常规的地震相分类原则, 即“外部形态+内部属性”的命名原则, 在研究区内晚中新世以来的层序中共识别出了以下6种地震相类型(图 2), 分别为: 透镜状前积相、丘状前积相、V字型充填相、席状平行相、底辟—气烟囱状杂乱相和丘状杂乱相.其反射特征及相应的地质解释如表 2所示.
图 2 神狐海域地震相类型a.透镜状前积相; b.丘状前积相; c.V字型充填相; d.席状平行相; e.底辟—气烟囱状杂乱相; f.丘状杂乱相Fig. 2. The seismic facies of Shenhu Sea area表 2 神狐海域地震相类型及特征Table Supplementary Table Types and characters of seismic facies of Shenhu Sea area地震相类型 反射特征 发育层序 解释 振幅 连续性 内部结构 外部形态 透镜状前积相 中 中 前积 透镜状 C 与深海浊积扇体有关 丘状前积相 中 中 下超 丘状 B 与陆坡滑塌扇体有关 V字型充填相 中—强 好 平行 V字型 A、B、C 与海底峡谷有关 席状平行相 中 好 平行 席状 A、B 与深海沉积有关 底劈—气烟囱状杂乱相 中—弱 差 杂乱 穹隆状 C层序以下 与底劈构造发育有关 丘状杂乱相 中 差 杂乱 丘状 C层序以下 与底劈构造发育有关 4. 地震相—沉积相分析
沉积相分析建立在地震相划分的基础上, 主要通过对区域地质特征以及各层序的地震相和钻井资料的综合解释来研究.研究区位于南海北部陆坡中段的神狐暗沙东南海域附近, 二级构造单元隶属于白云凹陷.前人研究成果表明, 白云凹陷深水区发育了大量的深水扇体, 而陆坡处由于坡度的增加, 在表层多发育滑塌体.基于以上的认识, 再结合研究区内地震相标志的分析, 在研究区内识别出了3种类型的沉积相, 分别为深水浊积扇、滑塌沉积相以及峡谷水道相.下面就这3种沉积相分别加以阐述.
4.1 深水浊积扇
如图 3a所示, 层序C主要发育了以透镜状下超前积型地震相为主的一套地层.根据前人研究成果, 透镜状下超前积型地震相与短距离运输扇体有密切关系(于兴河和张志杰, 2005), 而在层序C沉积时期, 研究区处于南海北部陆坡的中段, 是浊积扇发育的有利区带.因此, 可以推测以下超前积反射为特征的层序C是浊流沉积作用的结果, 并在平面上形成了深水浊积扇体.
图 3 层序C深水浊积扇(a) 和层序B滑塌扇(b) 地震反射形态Fig. 3. The seismic reflection of deep sea fan of sequence C (a) and slump fan of sequence B (b)现代海底调查发现, 在大多数陆坡的下部海底峡谷口外的深海底, 都发育有大规模的扇状沉积体, 它们主要是浊流形成的泥砂质再沉积产物, 在纵向剖面上, 可以划分出扇根、扇中和扇端3个沉积亚相(于兴河, 2002).如图 3a所示, 根据地震相形态可以识别出扇中和扇端两个沉积亚相, 其中扇中主要是以前积反射为主, 且在层序的底界面上还可以发现小型的浊积水道, 而扇端则是处于比较远的位置, 地震反射形态也主要是以水平加积为主, 沉积物颗粒相对于扇中逐渐变细, 并向深海相过渡.
4.2 滑塌沉积相
如图 3b所示, 在层序B的底界面附近发育了一个以同相轴双向下超为反射特征的沉积体, 在该沉积体的上部发育了一系列断阶状正断层.其中断层F断面呈铲状展布并几乎与层序界面重合, 可以判定断层F是在拉张环境下由于重力作用而形成的一个剪切面, 上覆沉积物沿着这个剪切面向下滑移.在滑塌作用发生的最初阶段, 剪切面还未形成, 只有小量的沉积物发生了滑移, 它们在重力稳定区域内二次沉积, 逐渐形成了双向下超的滑塌扇体, 而随着上覆沉积物的不断堆积, 在一定的触发机制下, 沉积物沿着由于二次沉积而欠压实的塑性层面发生剪切滑动, 形成了滑塌剪切面, 在剪切面形成之后, 地层会随着上覆沉积物的增加而发生周期性的大规模的滑塌事件, 直至老的剪切面被上覆沉积物压实之后新剪切面的出现.
滑塌沉积相是本区最重要的一个沉积相类型, 沉积物由于滑塌作用而发生了二次沉积, 其压实程度应该是低于正常沉积的地层, 所以沉积物物性通常较好, 孔隙度较大, 有利于水合物的形成与发育, 但同时滑塌区通常也是构造的活跃区, 构造活动也会对水合物的成藏起到破坏作用, 因此, 在研究滑塌沉积相对水合物的成藏控制时要将各种因素综合起来分析.
4.3 峡谷水道相
如图 4所示, 在层序A与层序B之间发育了一个与围岩呈V字型接触, 内部反射呈平行—近平行状的地质体, 其发育范围严格受周围断层的控制.根据该地质体的外形特征以及受断层控制的特点, 可以判定该地质体具有废弃峡谷水道沉积的特征.在海底陆坡区域, 由于陆架碎屑流、浊流以及海底洋流的长时间作用, 时常会在构造薄弱带发育一些大规模的海底峡谷, 这些峡谷大多受深部断层控制.在峡谷发育的早期阶段, 陆架碎屑流、浊流携带大量泥砂对构造薄弱带的海底沉积物进行强烈的冲蚀作用, 逐渐发育成V字型的冲蚀沟, 这个时候海底峡谷内由于水动力作用强而几乎不接受细粒沉积, 地貌上表现为明显的下凹地形, 绝大多数的沉积物被搬运到更远更平缓的地方沉积, 但随着断层活动性的减弱以及可容纳空间的减少, 峡谷水道由于初期的粗粒沉积以及后期水道边缘和上游出现的滑塌事件而逐渐淤积, 导致陆架碎屑流及浊流的改道, 从而发生了峡谷水道的废弃作用, 淤积层呈平行—近平行状充填在峡谷水道里, 形成了地震剖面上平行—近平行状的同相轴反射特征.
由于峡谷水道的发育严格受断层发育的控制, 因此当断层的活动性增强时, 峡谷水道开始发育, 而当断层活动性变弱时, 峡谷水道则发生废弃作用.所以当断层的活动性发生周期性变化时, 峡谷水道的发育和废弃也会发生周期性的转变.如图 4所示, 在地震剖面上可以清晰地看到, 北边的高部位地区从深至浅发育了4期峡谷水道沉积, 它们沿着主断面相互叠置甚至切穿了前期的峡谷沉积, 随着主断层的活动发育和废弃.由于峡谷水道的侵蚀作用, 使得峡谷两岸的地势逐渐变陡而成为滑塌事件发育的有利场所, 如图 4所示, 可以清楚的观察到峡谷北岸由于滑塌而发育了一个不稳定体, 该不稳定体在海底洋流和重力的作用下会对峡谷进行逐步的充填, 从而完成峡谷的废弃作用.
5. 水合物成藏模式研究
通过对研究区内地震相—沉积相的分析, 再结合BSR在研究区内的空间分布, 本文总结出了研究区内3种类型的水合物成藏模式: 断层沟通浊积扇体成藏; 断层沟通峡谷水道成藏; 断层沟通峡谷水道及滑塌扇体成藏.
5.1 断层沟通浊积扇体成藏模式
如图 5所示, 在层序C的西北方向发育了一套浊积扇的沉积, 虽然受气体及断裂的影响, 扇体发育部位的地震反射显得较为杂乱, 但是仍可以根据图 3a所示的反射特征对其进行识别.在这个剖面上, 可以发现两条深大断裂将深部的游离气聚集到浊积扇体中, 再通过浅表发育的断层向上运移, 及至水合物稳定带, 在特定的温压条件下, 形成水合物, 在地震剖面上可以观察到BSR以及由于游离气的聚集而形成的空白带.
图 5 断层沟通浊积扇体成藏模式a.地震反射剖面; b.成藏模式Fig. 5. The accumulation model of fault communication with deep sea fan这种成藏模式主要发育在研究区的西北部, BSR在平面上分布与层序C发育的浊积扇体相吻合, 表明水合物的发育严格受到了浊积扇体的控制, 这主要是因为浊积扇体由于具有较好的物性而能成为游离气的储集场所, 保证了形成水合物的气源条件, 再加上众多大断裂及微小断裂的发育, 从而促使了水合物的成藏.
5.2 断层沟通峡谷水道成藏模式
如图 6所示, 在层序C内发育了一条早期受深部断裂控制的峡谷水道, 在地震剖面上表现为明显的V字型充填反射特征, 这条峡谷水道后因峡谷的废弃作用被充填掩埋, 而控制峡谷水道发育的断层并没有延伸至海底, 说明断层在现阶段已经不活动了, 从而不会对水合物的成藏起破坏作用.峡谷水道沉积由于粗碎屑较多而具有较大的孔隙度, 是游离气储存及运移的良好通道, 深部的游离气通过断层和峡谷水道的粗碎屑沉积向上运移至水合物稳定带, 形成水合物.地震剖面上仍然可见清晰的BSR, BSR与峡谷水道之间发育的空白带也非常明显.
图 6 断层沟通峡谷水道成藏模式a.地震反射剖面图; b.成藏模式图Fig. 6. The accumulation model of fault communication with canyon channel这种成藏模式主要发育在研究区中部有峡谷水道存在的部位, 在平面上严格的受峡谷水道的控制, 主要原因是由于峡谷水道沉积具有较好的物性.峡谷水道发育本身受深大断裂的控制, 因此是游离气良好的运聚通道, 从而为水合物的形成创造了有利的条件.
5.3 断层沟通峡谷水道及滑塌扇体成藏模式
如图 7所示, 在层序C内发育了一条峡谷水道, 该峡谷水道与图 6所示的峡谷水道在平面上为同一条水道, 从地震反射形态来看, 内部呈平行至近平行状, 外部呈明显的V字形.而在层序B内则发育了一套滑塌扇体的沉积, 从地震反射形态来看, 滑塌扇体内部以同相轴双向下超为特征, 外部通常呈丘状, 主要发育在斜坡—坡折的位置.从物性来看, 峡谷水道沉积具有较粗的颗粒, 滑塌扇体也由于经过搬运分选及二次沉积而具有较大的孔隙空间, 这两种沉积相类型都是游离气运移及汇聚的良好场所.深部的游离气由于众多断裂的沟通, 迅速向峡谷水道及滑塌扇中聚集, 再向上运移至水合物的稳定带, 形成水合物.在这个剖面上仍可以发现明显的BSR以及游离气在峡谷水道及滑塌扇中形成的空白带(图 7).
图 7 断层沟通峡谷水道及滑塌扇体成藏模式a.地震反射剖面图; b.成藏模式图Fig. 7. The accumulation model of fault communication with canyon channel and the slump fan这种成藏模式主要发育于研究区的东部峡谷水道及滑塌扇体发育的部位, 峡谷水道和滑塌扇体具有良好的物性以及众多断层的沟通是这种成藏模式发育的关键因素.峡谷水道与滑塌扇体虽然具有良好的物性, 但只是作为游离气运移与汇聚的场所, 并非水合物成藏的场所, 这主要是因为水合物成藏要满足特定的温压条件, 只有在水合物稳定带内才能成藏, 这也是水合物成藏与油气成藏的差异所在.
6. 结论
南海北部神狐海域水合物研究区新近纪以来主要发育了3种类型的沉积相, 分别为深水浊积扇、滑塌沉积以及峡谷水道.深水浊积扇主要分布在晚中新世层序C中, 滑塌沉积主要分布在上新世层序B及第四纪层序A中, 峡谷水道则在3个层序中均有分布.这3个沉积相类型与断裂的组合控制了水合物的成藏, 研究区内主要发现了3种类型的成藏模式, 分别为断层沟通浊积扇体成藏模式、断层沟通峡谷水道成藏模式、断层沟通峡谷水道及滑塌扇体成藏模式.值得注意的是, 这3种类型的沉积相虽然具有良好的物性, 却不是水合物的储层, 只是游离气运聚的有利场所, 水合物的成藏仍然要受到温压条件的限制.
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图 2 神狐海域地震相类型
a.透镜状前积相; b.丘状前积相; c.V字型充填相; d.席状平行相; e.底辟—气烟囱状杂乱相; f.丘状杂乱相
Fig. 2. The seismic facies of Shenhu Sea area
图 3 层序C深水浊积扇(a) 和层序B滑塌扇(b) 地震反射形态
Fig. 3. The seismic reflection of deep sea fan of sequence C (a) and slump fan of sequence B (b)
图 5 断层沟通浊积扇体成藏模式
a.地震反射剖面; b.成藏模式
Fig. 5. The accumulation model of fault communication with deep sea fan
图 6 断层沟通峡谷水道成藏模式
a.地震反射剖面图; b.成藏模式图
Fig. 6. The accumulation model of fault communication with canyon channel
图 7 断层沟通峡谷水道及滑塌扇体成藏模式
a.地震反射剖面图; b.成藏模式图
Fig. 7. The accumulation model of fault communication with canyon channel and the slump fan
表 1 神狐海域层序地层划分对比
Table 1. 1 Recognition and comparison of sequence stratigraphy of Shenhu Sea area
地质时代 年龄(Ma) SH-7井层位深度(m) SH-5井层位深度(m) 地震反射界面 层序 第四纪(Q) A 上新世(N2) 1.806 104.85 96.73 T1 B 5.332 171.2 T2 中新世(N1) 晚(N13) 11.608 T3 C 中(N12) 注: 数据来源于广州海洋地质调查局《南海北部神狐海域天然气水合物钻探报告》. 
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表 2 神狐海域地震相类型及特征
Table 2. Types and characters of seismic facies of Shenhu Sea area
地震相类型 反射特征 发育层序 解释 振幅 连续性 内部结构 外部形态 透镜状前积相 中 中 前积 透镜状 C 与深海浊积扇体有关 丘状前积相 中 中 下超 丘状 B 与陆坡滑塌扇体有关 V字型充填相 中—强 好 平行 V字型 A、B、C 与海底峡谷有关 席状平行相 中 好 平行 席状 A、B 与深海沉积有关 底劈—气烟囱状杂乱相 中—弱 差 杂乱 穹隆状 C层序以下 与底劈构造发育有关 丘状杂乱相 中 差 杂乱 丘状 C层序以下 与底劈构造发育有关
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