蘇明， 沙志彬， 喬少華， 楊睿， 吳能友 *， 叢曉榮， 劉杰

1 中國科學院天然氣水合物重點實驗室， 廣州 510640 2 中國科學院廣州天然氣水合物研究中心， 廣州 510640 3 中國地質(zhì)大學(武漢)資源學院， 武漢 430074 4 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局， 廣州 510075

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南海北部神狐海域天然氣水合物鉆探區(qū)第四紀以來的沉積演化特征

蘇明1, 2， 沙志彬3, 4， 喬少華1, 2， 楊睿1, 2， 吳能友1, 2 *， 叢曉榮1, 2， 劉杰1, 2

1 中國科學院天然氣水合物重點實驗室， 廣州 510640 2 中國科學院廣州天然氣水合物研究中心， 廣州 510640 3 中國地質(zhì)大學(武漢)資源學院， 武漢 430074 4 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局， 廣州 510075

南海北部神狐海域是我國首次獲取海洋天然氣水合物實物樣品的海域.然而，陸坡區(qū)深水水道和海底峽谷的侵蝕以及頻發(fā)的沉積物失穩(wěn)，將會加劇地層對比和沉積相識別的難度，導致目前該區(qū)域典型地震相-沉積相特征、沉積體類型、成因機制和空間匹配關(guān)系等方面還缺少精細的研究，特別是第四紀以來的沉積演化涉及較少，區(qū)域內(nèi)水合物形成和分布的沉積地質(zhì)條件尚不清晰.基于海底地形特征的描述、層序地層格架的對比和地震資料的綜合解釋，本次研究在第四紀以來的沉積充填序列中識別出5種典型的地震相類型，并分析了對應(yīng)的沉積體類型：進積型的陸坡、第四紀早期發(fā)育的小型濁積水道、沉積物失穩(wěn)(滑移和滑塌)、海底峽谷和伴生的沉積物變形、以及深海沉積-塊體流沉積的復(fù)合體.通過沉積單元的空間匹配關(guān)系，將沉積演化劃分為3個階段：濁積水道侵蝕-沉積物再沉積階段、陸坡進積-沉積物失穩(wěn)階段、海底峽谷的侵蝕-充填階段.研究結(jié)果表明，受第四紀早期小型濁積水道的侵蝕，再沉積的沉積物將在中-下陸坡以“近源”的方式堆積下來，可能具有相對較好的物性條件，從而可被視為適于水合物賦存的有利沉積體.進積型陸坡帶來的沉積物易于發(fā)生失穩(wěn)，在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布，因其具有較小的沉積物顆粒粒度和較好的垂向連續(xù)性，可被認為是水合物的區(qū)域蓋層.大量發(fā)育的海底峽谷及伴生的沉積物變形，將會侵蝕和破壞先前沉積的有利沉積體，使其呈現(xiàn)為“斑狀/補丁狀”的平面展布特征，進而影響了神狐海域水合物的分布.因此，神狐海域第四紀以來的沉積演化是鉆探區(qū)水合物不均勻性分布的關(guān)鍵控制因素之一.

天然氣水合物； 地震相； 沉積演化； 神狐海域天然氣水合物鉆探區(qū)； 南海北部

1 引言

作為西太平洋最大的邊緣海之一(Tamaki and Honza, 1991)，南海被認為具有良好的天然氣水合物資源潛力，尤其是在南海北部陸坡區(qū)域，已經(jīng)識別出一系列與水合物相關(guān)的地質(zhì)、地球物理和地球化學異常特征，并自西向東劃分了4大水合物前景區(qū)：瓊東南區(qū)域、西沙區(qū)域、神狐區(qū)域和東沙區(qū)域(張光學等，2002；Guo et al., 2004; Wu et al., 2005, 2007; Matsumoto et al., 2011; 吳能友等，2013).2007年在南海北部神狐海域，由國土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局組織實施了中國首個海洋水合物的鉆探航次(GMGS-1)，獲取了水合物的實物樣品(Wu et al., 2008; Yang et al., 2008).鉆探結(jié)果表明，水合物位于水合物穩(wěn)定帶的底部，以浸染狀分布于細粒沉積物之中，其分布具有明顯的不均勻性特征，僅在SH2、SH3和SH7這三個站位中獲取了水合物的樣品，SH1和SH5站位具有測井曲線的異常，但并未獲取實物樣品，SH4、SH6和SH9站位因為異常特征不明顯而放棄取心(圖1)(Wu et al., 2008; Yang et al., 2008).

神狐海域水合物樣品的獲取，為研究這一區(qū)域含水合物層的沉積學特征提供了良好的素材.例如，針對水合物巖心樣品的生物組分和地球化學特征描述(陳芳等，2009，2010；王彥美等，2012)、含水合物層的粒度特征測試(陳芳等，2011；Liu et al., 2012; Zhang et al., 2012)、晚中新世以來的地層沉積速估算(陳芳等，2013)、基于地震資料解釋的含水合物層特征描述和沉積相識別(李守軍等，2010；匡增桂和郭依群，2011；李文等，2013；馬俊明等，2013)，研究區(qū)沉積特征與水合物成藏關(guān)系的初步分析(沙志彬等，2009；吳時國等，2009；蘇正等，2012)等.然而，現(xiàn)有的研究還存在諸多問題，主要表現(xiàn)在以下方面：(1)目前的研究多集中在單站位或單剖面的解釋和分析，對于空間上的沉積分布和沉積演化很少涉及；(2)神狐水合物鉆探區(qū)位于中-下陸坡區(qū)域(圖1b)，鉆探區(qū)的資料無法滿足系統(tǒng)揭示沉積物來源、搬運和堆積的需求；(3)神狐海域大量發(fā)育的海底峽谷(圖1b)具有明顯的侵蝕作用，加劇了區(qū)域沉積演化描述的難度.除了在沉積體類型、沉積空間展布、沉積演化等方面存在爭議之外，上述沉積問題也導致了在神狐水合物鉆探區(qū)內(nèi)沉積作用與水合物成藏及分布的關(guān)聯(lián)、水合物不均勻性分布的關(guān)鍵控制因素等仍是模糊不清的.

圖1 南海北部陸坡區(qū)神狐海域區(qū)域位置圖(a)珠江口盆地(紫色虛線)、神狐海域(紅色矩形)位置及水深特征；(b)神狐海域2D地震測線(灰色實線)和海底峽谷(灰色陰影)分布特征，以及水合物鉆探區(qū)(紫色矩形)的位置；(c)神狐水合物鉆探站位、似海底反射(bottom simulating reflectors, BSRs)和氣煙囪的分布范圍，鉆探區(qū)海底地形圖引自(Wu et al., 2008).Fig.1 The location of the Shenhu Area in the northern continental slope of the South China Sea(a) Locations of the Pearl River Mouth Basin (purple dotted line) and the Shenhu area (red rectangle) with bathymetric characters；(b) Distributions of 2D seismic lines (grey solid lines) and submarine canyons (grey shadows), and the location of the Shenhu gas hydrate drilling area (purple rectangle)；(c) Drilling sites, bottom simulating reflectors, and gas chimneys in the Shenhu gas hydrate drilling area cited from Wu et al., 2008.

本次研究將神狐水合物鉆探區(qū)納入到整個神狐海域2D地震測線覆蓋的范圍之內(nèi)(圖1b)，選擇第四紀以來的沉積充填序列作為重點研究對象，描述了5種典型的地震相特征，分析了對應(yīng)的沉積類型，重建了第四紀以來的沉積演化.研究結(jié)果表明，第四紀以來，神狐海域的沉積充填序列在垂向上可劃分為3個主要的階段：濁積水道侵蝕-沉積物再沉積階段、陸坡進積-沉積物失穩(wěn)階段、海底峽谷的侵蝕-充填階段.受第四紀早期小型濁積水道侵蝕的影響，再沉積的沉積體可能對應(yīng)為水合物的潛在儲集層；廣泛發(fā)育的沉積物失穩(wěn)可以作為水合物的區(qū)域蓋層；數(shù)量眾多、侵蝕特征明顯的海底峽谷將會破壞水合物的有利沉積體，使其呈“孤立條帶狀”分布在峽谷的脊部.因此，第四紀以來的沉積演化可能是研究區(qū)內(nèi)水合物分布和成藏的關(guān)鍵控制因素之一.

2 區(qū)域地質(zhì)背景

神狐海域位于南海北部陸坡600～1500 m的水深范圍之內(nèi)(圖1a)，構(gòu)造上隸屬于珠江口盆地的珠II坳陷.珠江口盆地的構(gòu)造演化階段以23.8 Ma為界可以劃分為2個階段，始新世—漸新世的裂陷階段和新近系—第四紀的裂后階段(Ru and Pigott, 1986).中中新世以來，珠江口盆地的構(gòu)造活動趨于穩(wěn)定，受東沙運動的影響，構(gòu)造沉降速率表現(xiàn)為異常高值的特征(于興河等，2012).同時期的沉積充填序列以海相沉積為主，常見陸架邊緣三角洲、深水濁積水道、塊體流沉積體等(Wu et al., 1999; Lüdmann et al., 2001; Pang et al., 2007).在這一地質(zhì)歷史時期，神狐海域的構(gòu)造-沉積背景與珠江口盆地具有一致性.

從研究區(qū)內(nèi)2D地震測線的海底追蹤和淺表層地震反射特征來看(圖2)，神狐海域位于陸坡至盆底的范圍.自北向南的剖面中，沉積地貌由較大的坡度、明顯的進積特征變化為海底粗糙、海底峽谷大量發(fā)育、沉積物失穩(wěn)頻發(fā)的區(qū)域，再變化為坡度較緩的開闊區(qū)域；自西向東的剖面中，海底峽谷非常清晰，呈現(xiàn)為“U”型或“V”型的形態(tài)特征，并顯示出對下伏地層的侵蝕.2007年神狐水合物鉆探區(qū)位于陸坡的中-下段(圖1b)，鉆探站位分布在海底峽谷的脊部(圖1c).因此，只有對神狐海域2D地震測線進行詳細的描述和解剖，才能完整觀察到沉積物從源到匯的過程，進而揭示水合物鉆探區(qū)的沉積體特征和沉積演化過程.

3 層序地層格架

基于地震資料的精細解釋、對比和追蹤，共識別出3個關(guān)鍵的地震反射界面，自下而上為T3界面(晚中新世底界面，約11.6 Ma)、T2界面(上新世底界面，約5.5 Ma)和T1界面(第四紀底界面，約2.0 Ma)(沙志彬等，2009).這3個關(guān)鍵界面將晚中新世以來的地層充填序列劃分為3個三級層序.從區(qū)域?qū)有虻貙痈窦艿慕忉寔砜?圖2)，似海底反射(bottom simulating reflectors, BSRs)出現(xiàn)在T1界面的附近，說明水合物賦存于第四紀以來的沉積物之中.因此本次研究以第四紀以來的沉積充填序列作為主要的研究對象.

在不同的地貌單元中，隨著自北向南水體深度、地形坡度、沉積組合的變化，T1界面在SSE向地震剖面中表現(xiàn)為不同的地震反射特征：在陸坡進積區(qū)，該界面為一套進積特征明顯的沉積單元底界面；在沉積物失穩(wěn)區(qū)，T1界面的特征不明顯；而在沉積物匯聚區(qū)，該界面為連續(xù)的地震反射界面，界面之下具有明顯的前積結(jié)構(gòu)(圖2a、2b和2c).而在NEE向的地震剖面中，可以清晰的觀察到T1界面在沉積物失穩(wěn)區(qū)的特征，即為一套濁積水道的底界面，表現(xiàn)為明顯的不整合界面特征(圖2d和2e).

4 地震相特征及解釋

在第四紀以來的地層中，共識別出5種典型的地震相類型(圖3).地震相A為一套中等反射強度，連續(xù)性較好的地震反射同相軸，整體為楔狀的外部形態(tài)，具有明顯的進積特征，根據(jù)同相軸的接觸關(guān)系

圖3 神狐海域第四紀以來典型的地震相類型及特征(剖面位置見圖1b)Fig.3 Characteristics of seismic facies since Quaternary in the Shenhu area(See Fig. 1b for profile locations)

圖4 神狐海域第四紀濁積水道侵蝕-沉積物再沉積階段Fig.4 Development stage of turbidite channel erosion and re-deposited sediments in Quaternary of Shenhu area

圖5 (a)SSE向2D地震剖面顯示北部第四紀早期小型濁積水道的地震反射特征；(b)SSE向3D地震剖面揭示中-下陸坡處BSR界面之上的地震反射特征，插入的放大圖顯示，BSR界面之上存在薄層、雜亂的、“透鏡狀-扁豆狀”的地震反射同相軸(剖面位置見圖4)Fig.5 (a) SSE-trending 2D seismic profile showing small-scale turbidite channels developed in early Quaternary. (b) SSE-trending 3D seismic profile displaying characteristics of deposits upon interface BSR on middle-lower slope. Enlarged insert shows the thin-bedded, chaotic, lenticular seismic reflectors at the bottom(See Fig. 4 for profile locations)

可進一步劃分為多個進積單元(圖3a)，將其解釋為進積型的陸坡.地震相B表現(xiàn)出雜亂、連續(xù)性差的特征，底部可見對下伏地層明顯的削截，內(nèi)部常見一系列小型不整合界面(erosional discordances)(圖3b)，根據(jù)形態(tài)特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，認為該地震相對應(yīng)為小型的濁積水道，位于第四紀底界面(T1界面)附近.地震相C具有中等反射強度、連續(xù)性較好的特征，解釋為沉積物失穩(wěn)(滑移和滑塌)，根據(jù)接觸關(guān)系可區(qū)分出多個單元，每一個單元隨著地形坡降方向具有向下滑動的特征，這些單元底界的包絡(luò)面構(gòu)成了沉積物失穩(wěn)的底界面(圖3c).單元之間的同相軸有些發(fā)生了明顯的錯段，有些則具有連續(xù)的特征(圖3c)，我們將單元之間的界面解釋為“滑脫斷層”，在界面附近能夠觀察到地震反射同相軸表現(xiàn)出相對雜亂的特征.地震相D具有明顯的地形起伏，形態(tài)上為“V”型(圖3d)，表現(xiàn)為海底峽谷的特征，從海底峽谷的充填結(jié)構(gòu)來看，峽谷的內(nèi)部具有多個侵蝕-充填旋回，一方面說明峽谷底界面并不是現(xiàn)今海底，而是一系列的侵蝕包絡(luò)面，另一方面則表明這些海底峽谷經(jīng)歷了復(fù)雜的演化歷史.同時，在峽谷兩側(cè)的峽谷壁上發(fā)育大量的雜亂-連續(xù)的沉積單元，指示出受地勢變化和重力誘導，原先的失穩(wěn)沉積物可能會發(fā)生進一步的變形(圖3d).地震相E平面上分布于神狐海域南部地形較為平緩的盆底區(qū)域(圖1b)，具有中等振幅強度-連續(xù)和弱振幅-雜亂的2種反射結(jié)構(gòu)(圖3e)，其中弱振幅-雜亂的地震反射同相軸還具有一定的侵蝕和沖刷能力，具有典型的塊體流沉積特征(mass transport complex, MTC).同時在地震相E內(nèi)部還可以觀察到一些規(guī)模較小的強振幅反射，推測為小型的水道沉積.在靠近東部的隆起處，能夠發(fā)現(xiàn)一些發(fā)育在斜坡上具有進積特征的沉積單元(圖3e).這種層狀-雜亂反射結(jié)構(gòu)并存的現(xiàn)象說明沉積物匯聚區(qū)北側(cè)的沉積物供給在地質(zhì)歷史時期存在著差異，特別是每一條海底峽谷的沉積物輸送和供給能力是不同的.因此，這種地震相被解釋為深海沉積-塊體流沉積的復(fù)合體.

5 神狐海域第四紀以來的沉積演化特征

基于現(xiàn)今海底地形特征的描述、第四紀以來典型地震相-沉積相的識別、沉積單元的時空匹配關(guān)系，將神狐海域第四紀以來的沉積演化劃分為3個階段：濁積水道侵蝕-沉積物再沉積階段、陸坡進積-沉積物失穩(wěn)階段、海底峽谷的侵蝕-充填階段.

5.1 濁積水道侵蝕-沉積物再沉積階段

神狐海域北部T1界面的濁積水道是這一階段特征最為明顯的沉積單元.每一個濁積水道的規(guī)模較小，寬約2～6 km(如圖3b)，垂直陸坡分布.通過對2D地震剖面的解釋和追蹤，可以勾繪出第四紀早期小型濁積水道的北部侵蝕邊界(圖4，紫色實線)，整個侵蝕區(qū)呈SSW—NNE向平行陸坡展布(圖4，淺紫色透明區(qū)域).受水道侵蝕作用的影響，先前的沉積物會沿著地形變化發(fā)生自北向南的輸送和再沉積，然而，廣泛發(fā)育的海底峽谷和沉積物失穩(wěn)將會破壞地層充填序列(圖2)，導致地層和沉積的對比難度較大.蘇明(2014)選取神狐海域東部海底峽谷較少發(fā)育的區(qū)域，根據(jù)地震反射特征自北向南的變化，描述了再沉積沉積物的沉積過程和沉積范圍，識別出再沉積的邊界(圖4，綠色實線)，為近NEE向展布(圖4).從SSE向地震剖面中也能發(fā)現(xiàn)，T1界面在上陸坡(海底峽谷的北側(cè))表現(xiàn)為“不整合”的特征，顯示出對下伏地層的侵蝕，界面上部的充填也表現(xiàn)為濁積水道的地震反射結(jié)構(gòu)(圖5a).而在中-下陸坡(海底峽谷的南側(cè))，BSR之上(此處可能也對應(yīng)為T1界面)的沉積充填可以明顯地劃分為2個單元：下部為薄層、雜亂的、“透鏡狀-扁豆狀”的地震反射同相軸，上部為厚層、連續(xù)性好、中等強度的地震反射同相軸(圖5b).與圖3c展示的沉積物失穩(wěn)相似，上部連續(xù)性好的地震反射單元被解釋為經(jīng)由進積型陸坡輸送的沉積物，在中-下陸坡受重力誘導而形成的沉積物失穩(wěn)(滑移和滑塌).雖然由于海底峽谷的存在(圖5a)，無法將地震剖面中的濁積水道和下部的雜亂反射直接聯(lián)系起來，但是我們推測，下部具有雜亂反射特征的沉積單元可能是先前沉積物受北部小型濁積水道侵蝕，發(fā)生近距離搬運和再次沉積的結(jié)果(圖4，淺黃色透明區(qū)域).因此，在下陸坡和地形平緩的盆底處，并不能觀察到雜亂反射的沉積單元(圖5b)，在這一階段，下陸坡和盆底可能只發(fā)育了少量正常的半深海-深海細粒沉積(圖4，藍色透明區(qū)域).

5.2 陸坡進積-沉積物失穩(wěn)階段

在這一階段中，進積的陸坡(圖3a)和中-下陸坡中的沉積物變形(圖5b)最為發(fā)育.進積特征明顯的陸架陸坡體系可將沉積物從淺水區(qū)輸送至下陸坡和盆底區(qū)域，陸架坡折線向海的逐漸推進(圖3a)暗示著沉積物供給較為充足，可以根據(jù)進積的特征圈定出陸坡的范圍(圖6，黃色透明區(qū)域).受神狐海域自北向南地形變化的影響，經(jīng)由陸坡輸送而來的沉積物在重力勢的誘導下，易于發(fā)生失穩(wěn)，可以形成反射雜亂、內(nèi)部存在地層攪渾特征的滑塌體(龔躍華等，2009)和中等-強振幅、連續(xù)性好的滑移體(蘇明等，2013).沉積物失穩(wěn)在平面上表現(xiàn)為NNE向帶狀分布(圖6，灰色透明區(qū)域).而在盆底處，由于地形較為平緩，沉積物在垂向上多以層狀的加積為主(圖5b).

5.3 海底峽谷的侵蝕-充填階段

海底峽谷是神狐海域現(xiàn)今海底最為典型的地貌特征(圖1b).這些峽谷垂直于陸架陸坡，其深泓線沒有發(fā)生大的彎曲，呈NNW—SSE向平行展布，構(gòu)成了海底峽谷群(圖1b).海底峽谷寬1～8 km，長30～50 km，顯示出對下伏地層明顯的侵蝕和沖刷，地形起伏最大約為450 m(圖3d).受海底峽谷沖刷和侵蝕的影響，早期的沉積物會沿著峽谷的軸部發(fā)生自北向南的輸送，在盆底的開闊地帶可能以塊體流沉積體的方式堆積下來(圖7，深灰色陰影).由于海底峽谷的侵蝕和沉積物輸送能力存在差異，從位于盆底處的NEE向剖面中可以發(fā)現(xiàn)，既存在層狀垂向加積的充填序列，也存在雜亂反射的塊體流沉積體，還可以發(fā)育小型的水道沉積(圖3e).海底峽谷存在也會導致峽谷側(cè)壁處地形坡度很陡，會誘發(fā)側(cè)壁和峽谷脊部沉積物發(fā)生再次的變形(圖3e)，這些沉積體常分布在峽谷的兩側(cè)(圖7，橙色陰影部分).

6 沉積演化與水合物成藏

6.1 濁積水道侵蝕-沉積物再沉積與水合物的儲層深水沉積背景下，受侵蝕-再沉積的影響，沉積物的物性條件將會得到改善，從而具有更為優(yōu)越的儲集性能(Ali et al., 2010; Schneider et al., 2011).因此，神狐海域北部T1界面附近處小型濁積水道的發(fā)育和中-下陸坡區(qū)域BSRs之上2套地震反射結(jié)構(gòu)的識別(圖5)，說明，雖然從水合物鉆探區(qū)取樣的巖心樣品中，得知BSRs之上的沉積物在巖性和

圖6 神狐海域第四紀陸坡進積-沉積物失穩(wěn)階段Fig.6 Development phase of prograding slopes and sediments failures in Quaternary of Shenhu area

圖7 神狐海域第四紀海底峽谷的侵蝕-充填階段Fig.7 Development stage of erosion and sedimentation of submarine canyons in Quaternary of Shenhu area

粒度上相似，均為細粒的泥質(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)泥(陳芳等，2009)，但是BSRs之上的沉積體并不是在同一個沉積背景下形成的.底部的薄層、雜亂、透鏡狀的地震反射單元，對應(yīng)著受北部小型濁積水道侵蝕，沉積物發(fā)生再次沉積的結(jié)果.成因機制上的差異可能暗示了，底部的再沉積單元具有相對較好的物性條件，可以被視為研究區(qū)水合物的潛在儲層.

由于再沉積單元具有近距離搬運和近距離沉積的特征，因此再沉積單元與小型濁積水道的分布相平行，也呈NEE向帶狀分布(圖4).這就導致2007年布置的神狐水合物鉆探站位(圖1c)并不是全部位于再沉積單元分布范圍之內(nèi)(圖4)：SH2、SH3和SH7站位位于有利沉積區(qū)帶之內(nèi)；SH4、SH5、SH6和SH9站位則位于有利沉積區(qū)帶之外；SH1站位位于南部沉積邊界附近(圖1c).而實際的鉆探結(jié)果與上述站位的分布具有良好的匹配關(guān)系，SH2、SH3和SH7站位均獲取了水合物實物樣品，SH1、SH4、SH5、SH6和SH9站位則未獲取(圖1c)(Wu et al., 2008; Yang et al., 2008).我們認為這種空間匹配關(guān)系表明，第四紀早期的小型濁積水道侵蝕-沉積物再沉積事件可能控制了適于水合物聚集的有利沉積體的展布，進而影響了水合物的空間分布.

6.2 陸坡進積-沉積物失穩(wěn)與水合物的區(qū)域蓋層

由陸坡進積引起的沉積物失穩(wěn)，在神狐海域廣泛分布(圖6).這套沉積體在地震反射特征上具有連續(xù)性好、中等振幅強度的特征(圖3c)，說明它們在垂向上具有良好的延續(xù)性，是相似環(huán)境背景下的沉積結(jié)果.通過對鉆探獲取的不連續(xù)取心資料進行粒度分析，可以得知，這套沉積單元由細粒沉積物組成，其成分主要為泥質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)泥(陳芳等，2009).而地震反射特征所揭示的垂向上至海底都表現(xiàn)為連續(xù)性好、中等振幅強度的特征(圖3c和圖5b)，進一步說明這套沉積體在垂向上的可以被視為均質(zhì)的，即都表現(xiàn)為細粒沉積物的特征.因此，沉積物失穩(wěn)被視為是神狐海域水合物的區(qū)域蓋層.

利用地球化學分析的結(jié)果，神狐海域水合物鉆探站位計算出的硫酸鹽還原-甲烷厭氧氧化界面(sulphate methane interface, SMI)深度為17～27 m，說明神狐海域的垂向甲烷通量是很低的(Wu et al., 2011).作為一個厚的、垂向上為細粒的均質(zhì)層，沉積物失穩(wěn)的存在必然會阻礙含氣流體的向上運移.此外，沉積物失穩(wěn)位于再沉積單元之上(圖5b)，水合物在有利的再沉積單元之內(nèi)形成，也會阻礙含氣流體的向上運移.這些都將會導致低通量的甲烷可能只有很少能夠順利的“運移至沉積物失穩(wěn)單元之中”.也就是說，在沉積物失穩(wěn)單元之中，甲烷的濃度可能低于甲烷的溶解度，從而導致在這些沉積物當中無法形成水合物.這與SH2、SH3和SH7站位中水合物僅在BSRs上部20～40 m范圍內(nèi)賦存的結(jié)果(Wu et al., 2008; Yang et al., 2008)是相一致的.

沉積物失穩(wěn)中大量發(fā)育的滑脫斷層(即失穩(wěn)單元之間的邊界)(圖3c)，通常溝通了水合物穩(wěn)定帶的底界和海底，為含氣流體的散逸提供了“逃逸通道”(蘇明等，2014).當然，在這些斷層中也可能會形成少量的裂縫充填型水合物.

6.3 海底峽谷的侵蝕-充填對水合物成藏的影響

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的海底峽谷對下伏地層的侵蝕作用，不僅加大了地層對比和地震相-沉積相分析的難度，峽谷和伴生的沉積物變形還會對先前的有利沉積體造成破壞和改造，使得水合物的潛在儲層呈現(xiàn)出“斑狀/補丁狀”的平面展布特征(圖6).這一侵蝕-沉積過程造成水合物鉆探區(qū)內(nèi)有利沉積體僅在峽谷的脊部發(fā)育，這和水合物鉆探的站位布置和實際鉆探結(jié)果是一致的(圖1c)(Wu et al.,2008; Yang et al.,2008).此外，峽谷對下伏地層的破壞可能會誘發(fā)含氣流體的逃逸，如在峽谷的谷壁上能夠觀察到類似“缺口”的特征(徐華寧等，2012)，這可能是神狐海域存在滲漏型水合物的證據(jù)之一.流體的逃逸也會引起峽谷側(cè)壁沉積物變形的加劇，與地形因素一起導致了峽谷兩側(cè)的沉積物充填至峽谷之中(圖3d).

7 結(jié)論

本文通過海底地形特征的描述、層序地層格架的建立和對比、以及地震資料的解釋，在神狐海域第四紀以來的沉積充填中刻畫了5種典型的地震相類型，并分析了它們對應(yīng)的沉積體類型：進積型的陸坡、T1界面發(fā)育的小型濁積水道、沉積物失穩(wěn)(滑移和滑塌)、海底峽谷和伴生的沉積物變形、以及深海沉積-塊體流沉積的復(fù)合體.基于地震相平面分布和垂向疊置的特征，將神狐海域第四紀的沉積演化劃分為3個階段，濁積水道侵蝕-沉積物再沉積階段、陸坡進積-沉積物失穩(wěn)階段、海底峽谷的侵蝕-充填階段.第四紀早期的濁積水道對下伏地層產(chǎn)生了侵蝕，再沉積的沉積體具有相對較好的物性條件，可作為水合物賦存的儲層.研究區(qū)廣泛分布的沉積物失穩(wěn)，具有較細的沉積顆粒和較好的垂向連續(xù)性，被視為均質(zhì)層，可作為水合物的區(qū)域蓋層.大量發(fā)育的海底峽谷將對先前沉積的有利沉積體造成破壞和改造，使得有利沉積體呈現(xiàn)出“斑狀/補丁狀”的平面展布特征.

需要指出的是，海底峽谷“缺口”特征的識別及流體滲漏機制，暗示神狐海域的水合物經(jīng)歷了動態(tài)的成藏過程，與西非大陸邊緣海底峽谷處的水合物成藏具有相似性(Davies et al., 2011).受峽谷侵蝕-沉積作用的影響，原先的水合物層可能發(fā)生分解，將與下部的游離氣一起進一步向上運移，在新的水合物穩(wěn)定帶之內(nèi)形成新的水合物層，這一過程中，甲烷的垂向通量會得到增加，這可能是導致該區(qū)域細粒沉積物中水合物飽和度較高的主要原因.當然，這方面需要進一步的研究工作，從更為精細的地震資料解釋、地質(zhì)模式分析和水合物成藏數(shù)值模擬的角度共同加以驗證.

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(本文編輯 張正峰)

Sedimentary evolution since Quaternary in the Shenhu hydrate drilling area, northern South China Sea

SU Ming1,2， SHA Zhi-Bin3,4， QIAO Shao-Hua1,2， YANG Rui1,2， WU Neng-You1,2*， CONG Xiao-Rong1,2， LIU Jie1, 2

1KeyLaboratoryofGasHydrate,GuangzhouInstituteofEnergyConversion,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510640,China2GuangzhouCenterforGasHydrateResearch,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510640,China3FacultyofEarthResources,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China4GuangzhouMarineGeologicalSurvey,Guangzhou510075,China

The marine gas hydrate samples in China were for the first time acquired in the Shenhu area, northern continental slope of the South China Sea. However, due to erosion by the submarine canyons, the stratigraphic comparison and identification of sedimentary facies were difficult, leading to the lack of description of seismic-sedimentary facies, analysis of forming mechanisms and distribution of the sedimentary units. Moreover, few researches focused on the sedimentary evolution since Quaternary, and the crucial controlling factors on the heterogeneous distribution of gas hydrate are not clearly understood. Using high-resolution 2D/3D seismic data, this study attempts to classify the seismic facies and discuss the sedimentary evolution in this area since Quaternary.This work is based on the high-resolution 2D and 3D seismic data obtained by Guangzhou Marine Geological Survey in 2006, with a trace interval of 12.5 m and vertical resolution of 10～20 m. Firstly, we make an integrated analysis of seafloor topographic features, sequence stratigraphic framework and high-resolution seismic data, perform a classification of seismic facies have been classified, and describe morphological features and internal architectures accurately. Secondly, in terms of sediment supplies from the north and seafloor topography, deep-water sedimentary process is analyzed. Also, the sedimentary evolutions since Quaternary are re-built. Subsequently, the relationship between deep-water sediments since Quaternary and distribution of gas hydrates are discussed.Five types of seismic facies were identified, involving prograding slopes, small-scale turbidite channels in the Early Quaternary, sediment failures (including slides and slumps), submarine canyons and concomitant transformation of deposits, and the mixture of abysmal deposits and mass transport complex. The three phases of sedimentary evolution since Quaternary in the Shenhu area were re-built, which are turbidite channels erosion and re-deposited sediments, prograding slopes and sediments failures, and erosion and sedimentation of submarine canyons.Eroded by small-scale turbidites, re-deposited sediments would be near-source stacked with relatively good property conditions, which might be regarded as the potential suitable reservoirs for gas hydrates. The deposits transported from prograding slopes could lose the balance easily and result in sediments failures widespread in the Shenhu area. Because of the fine-grain particle and vertical continuity, sediment failures could be thought as the regional cap rock. Abundant submarine canyons and concomitant transformation of deposits could erode and destroy underlying strata, which modified suitable deposits as patch distribution. Hence, the sedimentary evolution since Quaternary was considered as one of the crucial controlling factors on the heterogeneous distribution of gas hydrate in the Shenhu hydrate drilling area, northern South China Sea.

Gas hydrate； Seismic facies； Sedimentary evolution； Shenhu hydrate drilling area； Northern South China Sea

國家自然科學基金項目(41202080),油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學)開放基金項目(PLC201407),中國石油科技創(chuàng)新基金研究項目(2013D-5006-0105)和中國科學院重點部署項目(KGZD-EW-301)聯(lián)合資助.

蘇明，男，1983年07月出生，博士，副研究員，主要從事深水沉積體系及資源效應(yīng)、海域天然氣水合物成藏地質(zhì)條件分析等方面的科研工作.E-mail:suming@ms.giec.ac.cn

*通訊作者吳能友，男，1965年10月出生，博士，研究員，主要從事海洋天然氣水合物成藏機制和資源評價、海洋石油天然氣資源評價等方面的科研工作.E-mail:wuny@ms.giec.ac.cn

10.6038/cjg20150829.

10.6038/cjg20150829

P736

2014-03-11，2014-08-18收修定稿

蘇明，沙志彬，喬少華等. 2015. 南海北部神狐海域天然氣水合物鉆探區(qū)第四紀以來的沉積演化特征.地球物理學報，58(8):2975-2985,

Su M, Sha Z B, Qiao S H, et al. 2015. Sedimentary evolution since Quaternary in the Shenhu hydrate drilling area, northern South China Sea.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(8):2975-2985,doi:10.6038/cjg20150829.