中國(guó)南海西北次海盆西北陸緣洋陸過(guò)渡區(qū)深水沉積體系特征①②

陳 慧 解習(xí)農(nóng) David Van Rooij 蘇 明

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院構(gòu)造與油氣教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074;2.Department of Geology and Soil Science，Renard Centre of Marine Geology，Ghent University，Krijgslaan 281 s8，B-9000 Ghent，Belgium;3.中國(guó)科學(xué)院可再生能源與天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510640)

0 引言

近年來(lái)“深水沉積體系研究”持續(xù)得到廣泛關(guān)注，其對(duì)于全球自然資源與能源勘探開(kāi)發(fā)和古海洋古氣候研究具有重大意義［1］。諸如“濁流沉積體系”、“塊體流沉積體系”和“等深流沉積體系”等深水沉積體系普遍發(fā)育于大陸邊緣陸架陸坡及深海半深海環(huán)境［2，3］，這些沉積記錄可反映古海洋條件的變化［4，5］。

中國(guó)南海西北次海盆的地理位置十分獨(dú)特——因西沙海槽東端尾部、南海北緣洋陸過(guò)渡帶和南海中央次海盆深海平原三者在此交匯(圖1)。迄今在南海北緣各新生代盆地已廣泛開(kāi)展重力流沉積體系研究工作并取得顯著成果，如瓊東南盆地和珠江口盆地［6］。目前等深流沉積體系的相關(guān)研究主要集中于東沙隆起以南和臺(tái)灣島以南陸坡區(qū)，尚屬初步研究階段［7～9］。國(guó)內(nèi)外至今較少涉及有關(guān)西北次海盆西北緣洋陸過(guò)渡區(qū)的深水沉積體系研究［10～12］。

本文將報(bào)道中國(guó)南海西北次海盆西北緣洋陸過(guò)渡區(qū)(水深1 000～3 000 m)的重力流、底流相關(guān)深水沉積體系，包括描述其地形地貌特征、空間展布特征、地震沉積特征并探討其成因演化。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)經(jīng)緯度地理坐標(biāo)區(qū)間為18°～19°N，113°15’～114°30’E，水深范圍主要集中于 1 000～3 000 m，屬于中國(guó)南海西北次海盆西北緣洋陸過(guò)渡區(qū)。研究區(qū)北側(cè)部分屬于珠江口盆地北緣的南部隆起區(qū)(神狐隆起以南);南側(cè)部分與西沙海槽和深海平原相鄰(圖1，圖2)。海底地形顯示1 200～1 400 m水深范圍出露一座海山(圖2)，因其位于神狐隆起以南，稱(chēng)其“神狐南海山”。

西北次海盆經(jīng)歷了南海的前期擴(kuò)張(32～30 Ma)，該擴(kuò)張結(jié)束于 23 Ma［13］。早中新世(23 Ma)以來(lái)，南海北緣珠江口盆地已由海陸交互相過(guò)渡為濱淺海相沉積環(huán)境，局部更有深海—半深海相出現(xiàn)［14，15］(圖3)。南海北部陸緣自晚中新世(11.5 Ma)以來(lái)已基本轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏练e環(huán)境［16，17］。

南海溫鹽環(huán)流自中中新世—上新世開(kāi)始穩(wěn)定發(fā)生［18，19］。現(xiàn)代南海溫鹽循環(huán)主要發(fā)生在三個(gè)深度:水深小于350 m為南海表層水循環(huán)，水深在350～1 350 m之間為中層水循環(huán)(南海局部地區(qū)該水團(tuán)范圍可達(dá)1 500 m或更深)，水深大于1 350 m為深層水循環(huán)［10，20～22］。其中南海表層水循環(huán)的方向受季風(fēng)影響呈現(xiàn)季節(jié)性變換(冬季順時(shí)針夏季逆時(shí)針)［23，24］。中層水和和深層水循環(huán)研究程度較低［25～27］，已有資料顯示中層水循環(huán)大致呈順時(shí)針?lè)较颍?0，28，29］而深層水循環(huán)則相反［7，8］。

圖1 研究區(qū)位置和地理格局示意圖Fig.1 Location and overview map of the study area

2 方法和資料

本文使用的高分辨率2D地震數(shù)據(jù)資料由中海油湛江分公司采集處理后提供。地震數(shù)據(jù)總覆蓋面積＞4 200 km2，剖面總長(zhǎng)度＞1 500 m，平均剖面間距為5 m左右，頻率約60 Hz。本文所使用地震剖面位置見(jiàn)圖2。使用2D地震數(shù)據(jù)研究海底地形地貌時(shí)，本文默認(rèn)海水的P波速度為1 500 m/s。

圖2 研究區(qū)地震剖面及主要地理單元位置示意圖Fig.2 Bathymetry of the study area showing the locations of the seismic profiles

3 結(jié)果和討論

3.1 等深流沉積體系

(1)海山相關(guān)等深流沉積體系

“等深流環(huán)槽(contourite moat)”用于定義那些通常與伸長(zhǎng)狀—丘狀的孤隔型漂積體(elongated－mounded separate drift)共生發(fā)育在突起地形(如出露的海山)邊緣的底流侵蝕特征［30］。海底地形特征和2D地震資料共同顯示，神狐南海山北側(cè)發(fā)育典型等深流環(huán)槽，環(huán)槽南側(cè)(海山北坡)發(fā)育黏附型漂積體(plastered drift)，環(huán)槽北側(cè)發(fā)育伸長(zhǎng)狀—丘狀漂積體(圖4A，B)。“等深流水道(contourite channel)”定義為由底流侵蝕形成的平行陸坡方向展布的侵蝕特征［30］。研究區(qū)東北部陸坡(水深1 500 m附近，坡度＜1.14°)的NNE—SSW方向2D地震剖面上可見(jiàn)平行陸坡方向展布的水道(寬度0.5～2 km，下切深度10～20 m)(圖4C，D)。對(duì)該區(qū)域地震反射界面進(jìn)行閉合解釋后，地震沉積記錄顯示上述侵蝕/沉積特征在地層界面T40(11.5 Ma)至現(xiàn)今的海底地層中發(fā)育穩(wěn)定加積序列(圖4A～D)。底流侵蝕能力較弱時(shí)形成下切深度小于10 m的侵蝕現(xiàn)象稱(chēng)為“犁溝(furrow)”［30］。研究區(qū)等深流環(huán)槽以北的伸長(zhǎng)狀—丘狀漂積體沉積物表面發(fā)育有平行陸坡方向排列的等深流犁溝(圖4A)。上述沉積單元共同構(gòu)成神狐南海山附近“海山相關(guān)等深流沉積體系”。

圖3 古新世以來(lái)南海珠江口盆地地層序列及演化歷史Fig.3 Schematic overview of the stratigraphic sequence and tectonic evolution in the Pearl River Mouth Basin，of South China Sea since the Palaeocene

在北半球海山突起地形附近，自西往東的水流受到科氏力作用(右偏)在海山北側(cè)受到地形限制，水流速度大幅增加，水流侵蝕能力大于沉積沿海山北側(cè)邊緣形成環(huán)槽;環(huán)槽北側(cè)陸坡接受水流沉積作用，發(fā)育伸長(zhǎng)狀—丘狀漂積體［30，31］。當(dāng)環(huán)內(nèi)水流因地形變化速度減緩時(shí)，會(huì)在海山北側(cè)山坡形成黏附型漂積體［32］。遠(yuǎn)離海山的底流未被強(qiáng)烈加速，在環(huán)槽北側(cè)漂積體沉積物上形成常規(guī)的等深流水道和犁溝。同一時(shí)刻在海山南側(cè)區(qū)域，受到科氏力作用右偏的水流未受到地形限制，易形成沉積區(qū)(圖4A)［30］。該現(xiàn)象亦指示自西向東的水流方向。因此，我們推測(cè)“海山相關(guān)等深流沉積體系”主要受反氣旋方向(由西向東)南海中層水循環(huán)的底流行為控制。

研究區(qū)海山附近等深流侵蝕特征最早被發(fā)現(xiàn)于晚中新世早期(地層界面T40之上)(圖4)。在其后至現(xiàn)今海底地層中，該區(qū)都發(fā)育較穩(wěn)定的等深流沉積/侵蝕特征加積序列，指示南海西北次海盆西北緣陸坡區(qū)的穩(wěn)定底流沉積/侵蝕過(guò)程可追溯至晚中新世早期。

(2)席狀等深流沉積體系

在坡度較緩且地形較平整的大陸邊緣下陸坡區(qū)，大范圍流速較緩的底流易產(chǎn)生沉積作用形成“席狀漂積體(sheeted drift)”［33］。通過(guò)本研究區(qū)東南部水深大于2 500 m緩坡區(qū)(平均坡度約1.5°)的2D地震資料，可識(shí)別出厚度超過(guò)70 ms TWT的席狀漂積體沉積物。地震剖面顯示其具有連續(xù)性強(qiáng)、平行/亞平行的中等振幅反射特征;外部形態(tài)以平整、平滑為主要特征。峽谷的出現(xiàn)會(huì)直接破壞席狀漂積體沉積物平整一致的外形(圖4E)，斷層密集區(qū)席狀漂積體發(fā)生局部變形(圖4F)。該套漂積體沉積構(gòu)成神狐南海山以南下陸坡“席狀等深流沉積體系”。

席狀等深流沉積多發(fā)育在緩而平坦的陸坡，如深海平原，該體系主要受分散的、流速較低的深層面狀底流控制［32］。結(jié)合太平洋深層水經(jīng)呂宋海峽入侵南海北部后所形成南海深層水團(tuán)的行為模式以及該深層水團(tuán)沿南海北部陸緣的流動(dòng)路徑［7，25］，推測(cè)本區(qū)深層底流可能屬于自東往西流向的南海深層水循環(huán)(圖5)。

3.2 重力流滑塌體系和峽谷體系

2D地震剖面顯示神狐南海山以南水深約1 500～2 000 m 陡坡區(qū)(坡度2°～4°)具有坡移(mass-wasting)滑塌(slump/sliding)現(xiàn)象(圖4E)。滑塌沉積物外形呈階梯狀起伏，各起伏單元內(nèi)部具平行/亞平行、中等—高振幅的地震反射特征，起伏單元之間的地震反射軸被清晰的滑移面切斷。

圖4 A，B:海山相關(guān)等深流沉積體系，包括環(huán)槽、伸長(zhǎng)狀—丘狀漂積體、黏附型漂積體、犁溝;C，D:等深流水道;E:重力流滑塌沉積、峽谷C.1和等深流沉積席狀漂積體;F:等深流沉積席狀漂積體;G:峽谷C.1具不對(duì)稱(chēng)V字型下切形態(tài)和明顯ENE方向遷移;H:峽谷C.2具對(duì)稱(chēng)U字型下切形態(tài)，兩側(cè)發(fā)育具明顯加積特征的丘狀天然堤沉積，西側(cè)天然堤沉積物上發(fā)育沉積物波。Fig.4 A，B:seamount related contourite sedimentary system，including the moat，elongated-mounded drift，plastered drift，contourite furrows;C，D:contourite channels;E:the deposits and canyon of gravity flow slump(C.1)and contourite sheeted drift;F:contourite sheeted drift;G:C.1 shows an asymmetric V-shaped morphology with an obvious ENE migrating pattern;H:C.2 presents a flat-bottomed U-shaped morphology with an aggradational levee-system on the both sides.The levee sediments on the WSW side show continuous waveshaped reflectors.

圖5 中國(guó)南海西北次海盆西北緣洋陸過(guò)渡區(qū)底流活動(dòng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of bottom current activities on the northwestern margin slopes of the Northwest Sub-Basin，South China Sea

海底地形圖顯示在中國(guó)南海西北次海盆西北陸緣普遍發(fā)育深切峽谷(圖2，5)。本文所研究地震剖面展示了其中位于神狐南海山東南方向的峽谷C.1(圖4G)和神狐南海山以南的峽谷C.2(圖4H)。峽谷C.1在水深2 000 m及以上處呈NNW—SSE走向，在2 000 m以下其走向轉(zhuǎn)變?yōu)閃NW—ESE走向，直至水深3 500 m處該峽谷下切下陸坡后匯入深海平原(圖2，5)。圖4G的地震剖面位于水深1350m左右，坡度為 0.9°的區(qū)域(圖4G)，該剖面顯示峽谷 C.1下切形態(tài)呈不對(duì)稱(chēng)V字型(寬度6.5 km，下切深度140 m)，具明顯的ENE方向遷移特征。峽谷C.2在水深約1 800 m及以上處呈NNW—SSE的走向，向下其走向轉(zhuǎn)變?yōu)镋NE—WSW方向，至水深約2 500 m處該峽谷下切進(jìn)入西沙海槽(圖2，5)。圖4H地震剖面位于水深1 870 m左右的陸坡，該剖面顯示峽谷C.2底部平坦，下切形態(tài)呈U字型，無(wú)明顯遷移特征;其兩側(cè)發(fā)育丘狀天然堤沉積，加積特征較明顯，且西側(cè)天然堤體系出現(xiàn)波狀沉積(圖4H)。

3.3 等深流沉積體系對(duì)重力流滑塌體系和峽谷體系的影響

本區(qū)坡移現(xiàn)象主要發(fā)育于較陡陸坡區(qū)域，周邊地震活動(dòng)較少，未見(jiàn)淺層天然氣或氣體水合物的指示。據(jù)此我們認(rèn)為較陡的坡度(＞2°)是導(dǎo)致本區(qū)滑移活動(dòng)的決定性因素［1］。與此同時(shí)，在較陡陸坡基本未見(jiàn)等深流沉積記錄，可能因坡度較陡，沉積環(huán)境不穩(wěn)定而導(dǎo)致常規(guī)底流活動(dòng)沒(méi)有能力在該區(qū)留下侵蝕/沉積記錄，或?qū)е碌壬盍鞒练e記錄被頻繁的重力流活動(dòng)強(qiáng)烈破壞而無(wú)法被識(shí)別［5，34］，進(jìn)而不利于等深流沉積體系的發(fā)育和保存。

本文所展示峽谷C.1和峽谷C.2表現(xiàn)出完全不同的外形形態(tài)和遷移模式。(1)處于神狐南海山東南側(cè)水深約1 350 m處的峽谷C.1具不對(duì)稱(chēng)V字形和明顯的ENE方向遷移。此遷移現(xiàn)象指示峽谷體系可能受到較強(qiáng)烈自西向東的底流改造作用而強(qiáng)制性東向遷移。此自西向東的底流與前文形成環(huán)槽和漂積體的水流方向一致，很可能同屬南海中層水循環(huán)(圖5)。在研究區(qū)鄰近陸坡，Zhu et al.［10］和 Li et al.［11］報(bào)道過(guò)類(lèi)似現(xiàn)象。值得注意的是，峽谷的東向遷移現(xiàn)象亦能夠在神狐南海山以南水深超過(guò)1 350 m陸坡區(qū)(約1 500 m)被發(fā)現(xiàn)，可能與局部地區(qū)南海中層水循環(huán)范圍可達(dá)1 500 m或更深［22］有關(guān)。(2)處于神狐南海山南側(cè)水深約1 850 m(坡度＞2°)處的峽谷C.2呈對(duì)稱(chēng)U字型，兩側(cè)發(fā)育具加積序列的丘狀天然堤沉積，暗示該處峽谷未受到強(qiáng)烈底流活動(dòng)影響。丘狀天然堤上的波狀沉積物可能系濁流活動(dòng)導(dǎo)致的沉積物波［35］。

4 結(jié)論

(1)中國(guó)南海西北次海盆西北緣洋陸過(guò)渡帶(水深1 000～3 000 m)發(fā)育有“海山相關(guān)等深流沉積體系”、“席狀等深流沉積體系”、“重力流滑塌體系”和“峽谷體系”一系列深水沉積體系。

(2)“海山相關(guān)等深流沉積體系”主要受屬于南海中層水循環(huán)(反氣旋方向)的底流行為控制。自西往東的水流受到科氏力作用后(右偏)在海山北側(cè)受到地形限制，水流速度大幅增加，侵蝕大于沉積從而沿海山北緣形成環(huán)槽。環(huán)槽北側(cè)陸坡接受水流沉積作用，發(fā)育伸長(zhǎng)狀—丘狀漂積體。當(dāng)水流因地形變化速度減緩時(shí)，在環(huán)槽南側(cè)(海山北坡)發(fā)育黏附型漂積體。遠(yuǎn)離海山的底流未被強(qiáng)烈限制(加強(qiáng))，僅在環(huán)槽北側(cè)的丘狀—伸長(zhǎng)狀漂積體上形成常規(guī)的等深流水道和犁溝。“席狀等深流沉積”易發(fā)育在緩而平坦的陸坡，主要受分散的、流速較低的深層面狀底流控制，本區(qū)該深層底流可能屬于自東往西流向的南海深層水循環(huán)。

(3)南海西北次海盆西北陸緣神狐南海山附近較緩陸坡區(qū)的穩(wěn)定底流沉積/侵蝕過(guò)程可追溯至晚中新世早期(T40之后)。神狐南海山以南坡度較陡區(qū)沉積環(huán)境不穩(wěn)定，頻繁發(fā)生重力流活動(dòng)而不利于等深流沉積發(fā)育和保存。

致謝 感謝第五屆沉積學(xué)大會(huì)海洋地質(zhì)與沉積學(xué)專(zhuān)題各位專(zhuān)家和審稿人提出的寶貴意見(jiàn)和建議。

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