珠江口盆地東北陸架邊緣斜坡帶晚中新世—第四紀層序模式與單向遷移水道

姜 靜,張忠濤,李 浩,羅 祎,田洪訓,劉漢堯

[1.中國大洋礦產資源研究開發協會,北京 100860; 2.中國地質大學(北京) 海洋學院,北京 100083;3.中國海洋石油(中國)有限公司 深圳分公司研究院,廣東 深圳 518000]

層序地層學是源自被動大陸邊緣的一門地層學分支學科,其建立的等時地層格架對于沉積體系研究和油氣勘探開發都具有十分重要的意義[1-4]。層序地層學自成立以來經歷了30多年不斷的發展和完善,隨著地震、鉆測井等資料品質的提高,陸架邊緣有關沉積體系及演化過程的研究和發展,原有的層序地層學模式不斷面臨新的挑戰,當前對層序的劃分方案存在很多學派和爭議,至今尚未形成統一的標準[5-10]。有關陸架邊緣的沉積作用和沉積過程,一直以來也都是國際上的熱點突出問題。珠江口盆地發育了很好的陸架邊緣斜坡沉積體系,且具有豐富的高品質3D和2D地震資料,可以清晰地識別出層序的結構和特征,為研究陸架邊緣斜坡帶的層序模式和沉積體系提供了很好的條件。

近年來,在南海北部神狐海域開展的天然氣水合物勘探和開采試驗取得重大進展,創造了“持續產氣60 d，產氣總量30.9×104m3”的世界紀錄,引起了廣泛的關注[11-13]。神狐海域的水合物鉆探區位于研究區的斜坡一帶,本文在對地震、測井、古生物等資料綜合解釋的基礎上,開展研究區的層序地層格架和模式研究,可以為揭示天然氣水合物資源的形成和影響因素,分布預測等提供依據。

1 區域地質背景

珠江口盆地位于南海北部的陸架邊緣區,是北部邊緣重要的新生代裂陷盆地之一,面積約17.5×104km2,油氣資源含量豐富[14-16]。珠江口盆地現今呈三隆兩坳的格局,走向沿NE-NEE,由北向南依次為北部斷階帶、北部坳陷帶、中央隆起帶、南部坳陷帶以及南部隆起帶[14,17-19]。研究區位于珠江口盆地的陸架邊緣帶,包括白云凹陷、番禺低隆起南部以及東沙隆起西南部(圖1)。

珠江口盆地晚中新世以來發育的地層自下而上依次為粵海組、萬山組和第四系(圖2)。粵海組厚約400～600 m,以廣泛發育的一系列平行展布于整個陸架斜坡帶的單向遷移水道為特征。萬山組在研究區相對較薄,僅100～300 m,在番禺低隆起區以平行反射為主,至白云凹陷北斜坡主要由斜坡水道組成,而東沙隆起附近則因地層遭受剝蝕而大量缺失。第四系相對較厚,陸架坡折帶附近可達500～700 m,以大規模發育的高角度斜坡前積層為主要特征。

圖1 珠江口盆地構造分區和研究區位置(根據中海油深圳分公司研究院資料整理)Fig.1 Tectonic division of the Pearl River Mouth Basin and location of the study area(revised on the basis of data from Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.)

圖2 珠江口盆地晚中新世—第四紀層序劃分和盆地充填演化Fig.2 Sequence classification and depositional evolution of the Late Miocene to Quaternary in the Pearl River Mouth Basin

2 層序劃分和界面特征

2.1 層序劃分方案

綜合利用單井分析、連井對比、3D和2D地震資料追蹤,在研究區晚中新世—第四紀的地層中識別出2個復合層序(CS1和CS2)和8個層序(S1—S8)(圖2,圖3)。其中,CS1大致對應粵海組和萬山組,CS2對應第四系,兩個復合層序底界面分別是區域不整合面CSB1和CSB2。CS1內部可進一步劃分為5個層序,層序對應底界面分別是SB1—SB5;CS2內部可劃分出3個層序,對應底界面為SB6—SB8。據生物地層資料的標定,研究區內的復合層序持續時間約3～7 Ma,可大致看作二級層序;8個層序持續的地質時間分別約0.8～2.3 Ma,可看作是三級層序[20]。

2.2 層序界面特征

根據層序劃分方案,研究區晚中新世以來發育的2個二級層序和8個三級層序分別對應二級層序界面CSB1,CSB2和三級層序界面SB1—SB8。這些層序界面的特征主要如下。

2.2.1 二級層序界面

二級層序界面的不整合分布范圍廣泛,可進行區域性對比,是建立區域性層序地層格架的基本單元[21]。二級層序的形成常受控于周期性的構造演化,又稱為“構造層序”[22]。研究區在晚中新世以來發育的地層中識別出2個區域性(二級)水進-水退旋回,分別對應區域性不整合界面CSB1和CSB2,其形成應該與構造運動有關[23],這些界面都可以進行區域性的追蹤和對比。

圖3 研究區晚中新世—第四紀層序地層格架(剖面位置見圖1)Fig.3 Late Miocene-Quaternary sequence stratigraphic framework of the study area(see Fig.1 for the location of the profile)

CSB1對應粵海組的底界面,即中中新世與晚中新世之間的區域不整合面,年齡約10.5 Ma。該不整合面在云荔低凸起和東沙隆起附近均表現出明顯的角度不整合特征,并且在番禺低隆起南部和白云凹陷北斜坡一帶大范圍遭受陸架邊緣斜坡水道的下切侵蝕。如圖3所示,CSB1在云荔低凸起附近與上覆地層呈角度不整合接觸,但是在番禺低隆起南部至白云凹陷北斜坡水道集中發育的地區,CSB1則表現為切割下伏地層,與上覆地層或呈平行接觸,或被上覆地層底超于界面之上(圖4a)。

圖4 珠江口盆地東北陸架邊緣帶層序界面地震反射及測井曲線特征Fig.4 Characteristics of sequence boundaries on seismic profiles and well logs at the northeastern shelf margin,Pearl River Mouth Basina,b.典型地震剖面特征,剖面位置見圖4d;c.典型測井曲線特征,井位見圖4d;d.研究區CSB1界面的時間-構造圖

圖5 珠江口盆地東北陸架邊緣帶CSB2不整合面地震反射特征Fig.5 Seismic reflection characteristics of the unconformity CSB2 at the northeastern shelf margin,Pearl River Mouth Basina.典型地震剖面特征,剖面位置見圖5b;b.橫切CSB2不整合面的方差屬性切片,圖中顏色偏白偏亮的部分代表界面的不連續特征

CSB2是第四系的底界面,上新統和第四系之間的區域性角度不整合面,年齡約3 Ma。CSB2界面在東沙隆起附近呈現出明顯的角度不整合特征,在番禺低隆起南部的陸架坡折帶被大范圍剝蝕而呈侵蝕不整合特征,至白云凹陷北斜坡則被幾乎覆蓋整個斜坡帶的水道所切割(圖3,圖5)。地震剖面中,該不整合面在東沙隆起附近表現為強振幅、高連續性反射的結構特征,界面之下為明顯的削蝕,界面之上為上超不整合(圖5)。

2.2.2 三級層序界面

三級層序是層序地層學中的基本層序單元,持續時間和不整合作用范圍都比二級層序要小,持續時限約0.5～3 Ma[20]。三級不整合面通常是低角度的侵蝕不整合[22],關于其成因,很多學者認為是氣候周期引起的基準面變化控制了三級層序的形成和旋回式的交替變化[24]。研究區內的粵海組—第四系可識別出8個三級層序界面(SB1—SB8),根據其特征大致歸為以下兩種類型。

1) 明顯的水道底部下切不整合面

研究區廣泛發育陸架邊緣斜坡單向遷移水道,位于水道底部的下切不整合是區內最典型的層序界面類型之一。雖然研究區的陸架邊緣水道不是陸上河流體系向盆地的延伸,其成因卻也與海平面下降有一定的關系。從S1至S8的層序界面均有水道下切不整合發育,尤其是CS1內的5個層序界面SB1—SB5。這種不整合面也是CS1內部劃分三級層序界面的一個重要標志,其中粵海組從外陸架至下斜坡均被這種水道所覆蓋。水道底部下切不整合面在地震剖面中表現為連續性差、變動振幅、V形或U形切割等特征,測井曲線對應箱形或鐘形的底界面(圖4)。

2) 水退-水進旋回的轉換界面

主要發育在第四紀,是研究區第四紀發育的三級層序界面主要特征(圖6),如SB7和SB8。在地震剖面中表現為強振幅反射、高連續性、削蝕下伏地層、且被上覆地層上超的特征(圖6a)。測井曲線上,SB7附近為一套低伽馬值的箱形反射,反映了水動力條件穩定且物源供應充足之下的快速沉積(圖6b)。SB8界面位于一套漏斗形反射的頂界面,界面之上為另一套漏斗形反射,反映了研究區在海退之后,快速海侵,之后又開始海退(圖6b)。

圖6 珠江口盆地東北陸架邊緣帶SB7和SB8層序界面地震反射及測井曲線特征Fig.6 Characteristics of sequence boundaries SB 7 and SB8 on seismic profiles and well logs at the northeastern shelf margin,Pearl River Mouth Basina.典型地震剖面特征,剖面位置見圖6c;b.典型測井曲線特征,井位見圖6c;c.研究區CSB1界面的時間-構造圖

2.2.3 四級層序界面

四級層序屬于高頻層序,持續年限大約0.1～0.15 Ma[24-25]。近些年,為滿足減小隱蔽油氣藏的勘探風險、優化開發方案等需求,層序地層學的研究也在由盆地規模的分析向儲層規模的高精度層序地層學發展[3]。

研究區第四紀發育的三級層序S6，S7和S8內部,可以進一步識別出多個水退-水進旋回的轉換界面。其中S6內部可進一步識別出3個四級層序界面,對應4個四級層序;S7內部可識別出3個四級層序界面,對應4個四級層序;S8包括4個四級層序界面,對應5個四級層序。這些層序界面具有相似的特征,都代表了海退至海侵的轉換界面,界面之下削蝕下伏的前積層,界面之上為上超,測井曲線上對應一套低伽馬值的齒狀反射的底部(圖6b)。

研究區晚中新世到上新世的地層大面積被單向遷移水道所覆蓋,從中識別出5個三級層序,每個層序都代表了一個主要的水道發育期次(水道底部的切割面),并且可以進行全盆追蹤。除此之外,在每一期水道的內部,也可以識別出一些四級層序界面,但是進行全盆追蹤的難度很大。這些次一級的層序界面在地震剖面上反射振幅弱且連續性差,其識別標志是界面之下的削截和界面之上的微弱上超等反射特征(圖4b),反映了一些小規模的水道切割事件,可能與次一級的海平面下降有關。

3 沉積體系和體系域模式

3.1 沉積體系

3.1.1 陸架邊緣斜坡單向遷移水道

研究區從外陸架到下斜坡發育了一系列的單向遷移水道,這些水道從中中新世開始在斜坡帶發育,晚中新世發育范圍擴至最大,外陸架至下斜坡均有發育,上新世至第四紀又退回斜坡帶[10,23,26]。從外陸架向下斜坡追蹤發育相對連續完整且受斷層影響小的水道C3,選取不同位置橫穿過C3的剖面h1—h8,依次由陸到海,追蹤其底部切割、側向遷移等特征的變化(圖7)。按照水道是否受限、水道的疊置樣式、成因、等級、寬深比和發育背景等主要特征,總結出4種類型: ① 局部受限的外陸架單向遷移復合水道(h1); ② 寬淺且非受限或局部受限的外陸架-陸架坡折帶侵蝕型水道復合體(h2;圖4a); ③ 深切且受限的斜坡垂-側向加積型單向遷移水道(h3—h6;圖4b);④ U形且非受限或局部受限的下斜坡垂向加積型復合水道體系(h7)。

局部受限的外陸架單向遷移復合水道主要發育在外陸架,主要特征是水道底部切割淺且范圍小,水道發育位置不固定,多個孤立小水道隨機分布或彼此間呈現出側向遷移的特征,形成復合水道;水道內部沉積物或側向遷移,或呈雜亂反射。

寬淺且非受限或局部受限的外陸架-陸架坡折帶侵蝕型水道復合體發育在外陸架-陸架坡折帶,隨地形坡度增加,水道切割深度、寬度均有進一步的發展。孤立小水道或復合水道逐漸形成寬淺的水道復合體,水道內部充填具有明顯的單向遷移特征。

深切且受限的斜坡垂-側向加積型單向遷移水道發育在大陸斜坡上,地形坡度較陡的地區。水道底部切割很深,水道復合體之間呈現單向遷移的特征,垂-側向疊置形成復合水道體系。

U形且非受限或局部受限的下斜坡垂向加積型復合水道體系發育在下斜坡水道快要結束的位置,最突出的特征是單個小水道垂向加積形成較大的水道復合體,沒有側向遷移或僅有微弱遷移,水道內部充填主要由加積層組成。

3.1.2 陸架邊緣斜坡前積體和陸架邊緣三角洲

研究區在第四紀發育了大套的高角度前積體,斜坡前積體內部可進一步識別出陸架邊緣三角洲體系。如圖6所示,三級層序S6內部發育的三角洲由外陸架向陸架邊緣前積,逐漸與斜坡前積體合為一體。綜合地震剖面和測井曲線分析,可以識別出3種沉積相:底部的前三角洲泥、三角洲前緣前積朵體和頂部的三角洲平原。其中,底部的前三角洲與斜坡前積混為一體。層序S6內部的陸架邊緣三角洲之上發育了一套外陸架三角洲,說明由S6至S7,海平面下降。

3.2 沉積體系域

綜合以上研究,研究區的斜坡層序結構和體系域的沉積構成從晚中新世至第四紀變化很大,不能簡單地用Exxon層序模式來進行解釋。晚中新世,研究區的地層自外陸架至下斜坡,大范圍的受到陸架邊緣斜坡單向遷移水道影響,導致其內部結構極其復雜,與Exxon層序模式有很大的差別。而第四紀因發育了一系列由高角度前積體充填的陸架坡折帶,且水道范圍大幅度收縮,其層序結構與Exxon模式非常相似。據此提出研究區晚中新世以來發育的兩種類型的沉積體系域構成模式。

圖7 珠江口盆地外陸架-下斜坡水道發育特征及演化Fig.7 Outer-shelf to lower-slope characteristics and evolution of the shelf-margin channels,Pearl River Mouth Basina.外陸架水道切割、遷移特征,剖面位置見圖7i;b.外陸架-陸架坡折帶水道切割、遷移特征,剖面位置見圖7i;c—f.斜坡帶水道切割、遷移特征,剖面 位置見圖7i;g,h.下斜坡帶水道切割、遷移特征,剖面位置見圖7i;i.研究區CSB1界面的時間-構造圖(自外陸架至下斜坡不同位置選取橫穿過水道C3的剖面h1—h8,展示其底部切割和側向遷移特征的變化。)

3.2.1 類型Ⅰ(S1—S5)

研究區晚中新世至上新世發育的層序(S1—S5)主要由廣泛發育的陸架邊緣斜坡單向遷移水道和相關的下斜坡扇體系組成。位于上斜坡的水道充填包括重力流滯留沉積、滑塌沉積和側向前積體,下斜坡至斜坡腳主要是斜坡扇沉積(圖8a)。

低位體系域:層序S1—S5的低位體系域主要由外陸架-上斜坡的水道侵蝕不整合和不整合面之上的重力流滯留沉積,以及下斜坡的斜坡扇沉積組成。在低水位至海平面上升的早期,陸架邊緣帶由于重力流作用加劇而遭受侵蝕,沉積物經水道搬運至下斜坡沉積而形成下斜坡扇,水道內只在底部堆積了少量的重力流滯留沉積物。

海侵-高位體系域:類型Ⅰ的海侵-高位體系域是由陸架邊緣單向遷移水道內部的側向前積體和滑塌沉積,以及位于下斜坡扇之上的海侵泥巖沉積組成。由于海侵作用使低位體系域的斜坡扇裙之上覆蓋了一層海侵泥巖,在地震剖面中表現為扇朵體之上的一套連續性很好的平行-亞平行反射;而在斜坡水道中則充填了厚層的滑塌體和側向前積體。

3.2.2 類型Ⅱ(S6—S8)

第四系的層序S6—S8是以發育厚層、高角度的陸架邊緣前積體、密集的斜坡水道和下斜坡扇為特征。這種層序發育模式與S1—S5完全不同,而且基本可以與Exxon層序模式對應[27]。在S6—S8層序內部,可以較為清楚的識別出低位體系域、海侵體系域、高位體系域和下降體系域(圖8b),關于其特征描述如下。

圖8 珠江口盆地東北陸架邊緣帶體系域構成模式Fig.8 Scheme graphs of the systems tracts at the northeastern shelf margin,Pearl River Mouth Basina. S1—S5體系域;b. S6—S8體系域

低位體系域:研究區第四系斜坡-下斜坡同樣密集發育了一系列斜坡單向遷移水道和下斜坡扇體,該類型層序的低位體系域也是由低位域早期水道內部的重力流滯留沉積、下斜坡扇沉積,以及低位晚期上超于斜坡之上的低位楔組成。

海侵體系域:隨著海平面繼續上升,沉積物覆蓋于低位體系域之上,并且越過陸架坡折,逐漸向陸地方向上超。研究區的海侵體系域厚度較小,在地震剖面上表現為平行-亞平行反射結構。

高位體系域:主要發育在陸架坡折之上,沉積厚度很大,地震剖面中呈一系列的高角度前積層,測井曲線表現為向上變粗的序列。在高位體系域的高角度前積層內部,可識別出次一級的層序界面,界面之下可觀察到削蝕、界面之上為上超。此外,S6的高角度前積層內發育有陸架邊緣三角洲。

下降體系域:在經典的Exxon層序地層模式中,一個完整的層序包括低位體系域、海侵體系域和高位體系域;但是在高位體系域中,有時可依據強制水退面進一步劃分出下降體系域[28]。因此下降體系域即高水位晚期,沉積基準面開始下降時形成的一套沉積體。隨著沉積基準面的下降,前積體呈下降式進積;同時在下降體系域的退覆式沉積中,可識別出次一級的層序界面,即在基準面整體下降的過程中,仍伴隨有幾次小規模的上升事件。

4 控制因素

研究區晚中新世以來經歷了兩大演化階段,其中出現了兩次大的區域性水進-水退旋回,層序結構和體系域構成都相應發生了很大的變化。經與Haq[1]全球海平面變化曲線對比,可以發現Haq曲線在晚中新世以來經歷了兩次主要的海退事件(10.5 Ma和3 Ma),分別可與研究區的兩個區域不整合面發育的時間對應(圖2)。但是研究區在第四紀初期經歷了一次明顯的海侵,這次海侵事件在Haq曲線中沒有響應。研究區的三級海平面旋回與Haq曲線在數量和時間上也基本可以對比。說明研究區的層序和沉積演化在一定程度上受到全球海平面變化的控制。

同時,研究區的兩個區域性不整合面(CSB1和CSB2)均表現出角度不整合的特征,且分別與兩次構造運動事件(東沙運動和流花運動)發生的時間和影響范圍相一致[29-32],據此推測這兩次區域不整合的形成可能受到構造運動的影響。

此外,經對比研究區的沉降速率曲線[10],晚中新世-上新世沉降速率較低,而第四紀沉降速率較高。據此推測晚中新世廣泛分布的陸架邊緣水道的側向遷移特征可能與該時期相對較低的沉降速率有關,而第四紀發育的厚層高角度前積體則與第四紀的高沉降速率有關。同時,第四紀廣泛發育的高角度前積層可能還受益于該時期大量的沉積物供應,并且第四紀的高沉積物供給速率具有一定的全球性,在全球范圍的多個地區都觀察到這種現象[33]。

5 結論

1) 研究區晚中新世以來的層序地層格架可以劃分為2個代表區域性旋回的二級層序(CS1和CS2)和8個三級層序(S1—S8),三級層序內部可進一步識別出次一級的層序。其中,二級層序界面特征以角度不整合和侵蝕不整合為主,三級、四級層序界面則以明顯的水道底部下切不整合面和水退-水進旋回的轉換界面為主要特征。

2) 研究區自晚中新世以來發育的沉積體系主要有:陸架邊緣斜坡單向遷移水道、陸架邊緣斜坡前積體和陸架邊緣三角洲。其中,陸架邊緣斜坡單向遷移水道可概括為4種類型:局部受限的外陸架單向遷移復合水道、寬淺且非受限或局部受限的外陸架-陸架坡折帶侵蝕型水道復合體、深切且受限的斜坡垂-側向加積型單向遷移水道以及U形且非受限或局部受限的下斜坡垂向加積型復合水道體系。陸架邊緣斜坡前積體和陸架邊緣三角洲發育在第四紀,三角洲由外陸架前積至陸架邊緣時,逐漸與斜坡前積體合為一體。

3) 研究區粵海組—第四系總結出2種類型的體系域構成模式。第一種發育在晚中新世—上新世,研究區以廣泛發育的陸架邊緣單向遷移水道為特征,總結出適用于斜坡水道的特殊的沉積體系域構成模式,與Exxon經典層序地層模式有所不同;第二種發育于第四紀,以一系列陸架邊緣前積層和由前積體充填的陸架坡折帶為特征。

4) 研究區晚中新世以來的層序結構和沉積演化受到海平面變化、構造作用、沉降速率和沉積物供應等多種因素的共同控制。層序發育和演化首先受到全球海平面變化的影響,區域性不整合面的形成受到構造運動和海平面疊加作用的控制,沉降速率和沉積物供應變化控制著沉積相的宏觀演化。