沖繩海槽西部陸坡泥底辟和泥火山特征及其形成動力機制

駱迪，蔡峰，閆桂京，李清，孫運寶，董剛，李昂

1. 自然資源部天然氣水合物重點實驗室，中國地質調查局青島海洋地質研究所，青島 266071

2. 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，青島 266071

泥底辟和泥火山具有相同的形成機制和相似的發(fā)育演化特征，都是由低密度、高塑性的泥頁巖在浮力作用下向上運移而形成的地質構造，是深層超壓流體釋放的結果。泥底辟為深部富含甲烷流體向上運移提供了良好的通道，流體沿泥底辟或與泥底辟相連的斷裂和裂隙向上運移，泥火山常位于泥底辟之上，是深層泥底辟發(fā)展到最終階段的表現(xiàn)。大多數泥底辟和泥火山出現(xiàn)在以擠壓構造背景為主的增生楔地區(qū)，如地中海[1-3]、巴巴多斯[4]、加的斯灣[2,5]、中國南海東北部[5]、馬克蘭增生楔[6]等，也有一些發(fā)生在伸展構造背景地區(qū)，如黑海[7]，中國南海瓊東南盆地、珠江口盆地等地區(qū)[8-10]。

海底泥底辟和泥火山具有重要的研究意義，泥底辟和泥火山活動伴生以甲烷為主的烴類流體，是巖石圈甲烷通量的重要來源[11]，對理解海底深部的地球化學過程和全球碳循環(huán)具有重要的意義。已發(fā)現(xiàn)大量與泥底辟和泥火山相伴生的油氣和天然氣水合物資源，是海底資源勘查的重要標志[12]。海底泥火山和泥底辟活動可能會影響鉆井作業(yè)、環(huán)網安裝和管道路線等[13-14]。泥火山與活動斷層和地震密切相關[15-16]，是新構造運動的標志[17]。

沖繩海槽位于中國東海大陸架邊緣（圖1），具有非常獨特的地質背景，是一個初期階段的弧后伸展盆地。雖然沖繩海槽泥底辟和泥火山已有零星報道[19-21]，但由于缺少詳細的地球物理數據，對于沖繩海槽泥底辟和泥火山的系統(tǒng)性研究相對較少。近年來，在沖繩海槽西部陸坡進行了多道地震、海底淺剖、多波束和淺鉆取樣等地質調查，為深入研究該區(qū)泥底辟和泥火山的特征及分布規(guī)律提供了重要的數據基礎。

圖1 研究區(qū)位置圖a. 研究區(qū)位置和沖繩海槽及鄰區(qū)斷裂圖[18]，b. 研究區(qū)多波束水深圖。Fig.1 Schematic geographic map of studied areaa. location of the study area and faults map of Okinawa Trough and adjacent areas[18],b. Multibeam bathymetric map of the study area.

1 地質背景

沖繩海槽位于歐亞板塊和太平洋板塊的匯聚邊緣，自中新世以來，由于太平洋板塊向西俯沖，歐亞板塊向東蠕散，琉球弧后開始擴張而形成，是一個邊緣盆地，介于主動邊緣和被動邊緣之間，處于大陸裂谷作用的初始階段[22]。沖繩海槽的西部陸坡與東海大陸架相連，緊鄰東海大陸架外緣，呈NESW向弧形條帶狀分布，地形由大陸架向海槽驟然變陡，是大陸架向沖繩海槽的過渡帶。由于新生代以來構造變動比較強烈，海底地形復雜，地貌類型多樣，陸坡上發(fā)育一系列特殊的地質構造，如海底峽谷、滑塌體、斷塊隆基、泥火山等類型。沖繩海槽主要發(fā)育大陸坡和槽底平原兩個地貌單元，局部發(fā)育龍王隆起構造帶。大陸坡和槽底平原之間張性正斷裂活動發(fā)育，在海底形成階梯狀地貌，海底地形坡度大，水深變化快，呈斷塊下沉，大陸坡水深約150 m，槽底平原水深超過2 000 m。

沖繩海槽發(fā)育兩條重要的NW向走滑斷裂，即吐嘎喇斷裂和宮古斷裂，將海槽劃分為北、中、南3段，不同部位的構造活動存在差異，表現(xiàn)出不同的構造特征。北段和中段張裂作用開始于中中新世，表現(xiàn)為一系列雁列式地塹和半地塹，而南部弧后張裂始于早更新世[23]，呈現(xiàn)出幾乎對稱的斷裂系統(tǒng)。沖繩海槽主要發(fā)育NEE-NE、NNE-NS和NW向3組斷裂。NEE-NE向斷裂占據主導地位，與海槽現(xiàn)代張裂活動有關，控制著整體沉積和構造格架。NNE-NS向斷裂表現(xiàn)為右行張扭，使沖繩海槽的軸部地塹發(fā)生進一步拉伸裂陷。NW向斷裂橫切構造走向，由中國東部大陸發(fā)育的NW向斷裂向東擴展而形成，切割或限制NE向斷裂[24]，屬于水平走滑斷裂，大部分具有左旋性質[25-26]。

沖繩海槽沉積了巨厚的第四紀沉積層（圖2），主要發(fā)育新近系地層，劃分為全新統(tǒng)、更新統(tǒng)和上新統(tǒng)，以第四紀沉積為主。全新統(tǒng)為半深海軟泥沉積物，厚度約幾米至幾十米，在海槽中心的張裂地塹內，厚度明顯增大，在海槽中部的伊平屋地塹和南部的八重山地塹厚度可達30 m，并顯示出濁流沉積特征。第四系在海槽軸部厚度最大，向兩側槽坡處減薄。上更新統(tǒng)為濁流沉積與半深海軟泥沉積，地震反射以平行反射結構為主，在陸坡上部發(fā)育三角洲前積層。中更新統(tǒng)沉積層為以陸屑為主的海相沉積，厚度較大，地震反射呈亞平行或波狀起伏的內部反射結構，厚度變化較大，幾米至上千米，最厚可達1 500 m，一般北部厚度比南部大，并且由中心向兩側減薄。下更新統(tǒng)沉積層呈水平分布，與上覆地層呈斜交接觸，厚度約1 000～2 000 m。上新統(tǒng)沉積層主要為淺海相泥巖，局部發(fā)育，主要發(fā)育在海槽兩坡，其厚度在海槽兩坡大，向海槽中心減薄直至消失[28-30]。沖繩海槽沉積中有機質含量高，碳含量為0.75%～1.25%。沖繩海槽長期以來一直是中國大陸風化剝蝕產物經搬運入海后的一個主要匯聚盆地，沉積物主要是陸源和生物源成分，富含有機物的沉積物快速堆積下來，大量的有機物得以保存，經細菌作用轉變?yōu)榇罅康募淄椤＞哂休^高的沉積速率，據估計，平均沉積速率為3～4 m/ka，短期內局部可達8 m/ka，較快的沉積速率容易形成沉積物欠壓實區(qū)，構筑了良好的流體輸導體系[31]。

圖2 沖繩海槽地震剖面[27]Fig.2 A seismic profile of Okinawa Trough[27]

2 數據與方法

在沖繩海槽西部陸坡進行了高分辨率多道地震、淺地層剖面和多波束等地球物理調查。使用多道地震和淺地層剖面，可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢，在穿透性和分辨率方面互補。本文高分辨率多道地震采用20 kJ電火花震源，48道采集，道間距6.25 m，炮間距12.5 m，電火花震源沉放深度2 m，電纜沉放深度2 m，最大炮檢距331.25 m，采樣間隔為0.5 ms。電火花震源主頻較高，約200 Hz，頻帶寬（70～400 Hz），因此，具有更高的垂向與橫向勘探分辨率，垂向分辨率可達1～3 m[32-33]。淺地層剖面所用的采集設備為船載TOPAS PS18參量聲源淺地層剖面儀，該淺地層剖面儀基于水柱中的兩個高強度聲束在較高頻率下（約18 kHz中心對稱）的非線性相互作用而產生的低頻聲波，產生的信號具有較高的相對帶寬（約80%），窄波束剖面（接近所發(fā)射的高頻信號）沒有旁瓣，適用于高分辨率淺地層剖面和水下目標探測，工作水深為20 m到全海深，其穿透能力較好，且分辨率非常高[34]。采用Chirp波作為發(fā)射信號，激發(fā)頻率2～6 kHz，Chirp波是介于Ricker波和Bursts波之間的一種波形，兼顧了一定的分辨率與穿透能力，適用于水深1 000～2 500 m的海域。多波束數據采用船載EM122多波束系統(tǒng)，使用Qimera處理軟件，原始數據經過船只吃水改正、聲線折射改正、數據濾清、數據恢復等處理步驟，有效消除了異常點，保留了海底的各種地貌特征。

3 泥底辟和泥火山的地球物理識別及特征

3.1 泥底辟特征

沖繩海槽西部陸坡泥底辟構造發(fā)育，大多數泥底辟在地震剖面中主要表現(xiàn)為橫向同相軸的突然中斷，內部呈不連續(xù)的雜亂或空白反射，圍巖與其分界明顯，但與火山相比，泥底辟與圍巖之間沒有明顯的波阻抗界面。沖繩海槽西部陸坡發(fā)育多種類型的泥底辟，根據泥底辟的形態(tài)，可將其分為錐狀（圖3a）和蘑菇狀（圖3b）。由于泥底辟活動時上侵擠入底辟的垂向上拱作用力強，底辟拱起幅度高，其底辟能量達到兩側地層的破壞力，使圍巖具有清晰的上翹牽引特征，如圖3b。當流體充注沉積層，導致地震波速度降低，從而引起反射同相軸下拉，通常表現(xiàn)為水平反射層向下傾斜或彎曲（圖3）。根據泥底辟的規(guī)模、活動能量及侵入高度，可將泥底辟分為淺埋型和深埋型[35]，深埋型泥底辟的特點是拱起的幅度較低，僅刺穿深度地層，被上覆巨厚的沉積層所覆蓋，在地震剖面中呈低幅度背斜（圖4a）。淺埋型泥底辟的活動能量相對較強，拱起幅度較高，但尚未完全刺穿上覆地層達到海底（圖4b）。

圖3 多道地震剖面顯示的不同形態(tài)泥底辟a. 錐狀泥底辟，b. 蘑菇狀泥底辟。Fig.3 Mud diapirs with different morphology in multi-channel seismic sectiona. conical shaped mud diapir,b. mushroom shaped mud diapir.

圖4 不同規(guī)模泥底辟a. 深埋型泥底辟，b. 淺埋型泥底辟 。Fig.4 Different scales of mud diapirsa. deep buried mud diapir,b. shallow buried mud diapir.

3.2 泥火山特征

多波束資料顯示，沖繩海槽西部陸坡泥火山發(fā)育，主要位于900～1 000 m水深處，泥火山規(guī)模各不相同，與世界其他地區(qū)的泥火山相比相對較小，高度從高于海底數米至幾十米不等，一般不超過100 m，直徑約100～600 m，坡度約1°～16°。根據泥火山的形態(tài)特征，可分為3種類型：第1種泥火山口較為平緩，高度和坡度較?。▓D5），該泥火山僅高出海底約2～4 m，坡度1°～2°，直徑約250 m，內部呈空白反射，兩翼地層沒有明顯的上拱（圖5b）。第2類泥火山的頂部呈復雜形狀，尺寸相對較大（圖6），該泥火山口呈不規(guī)則形狀，直徑約300～600 m，高出海底之上約20 m。第3類泥火山呈圓錐狀，高度和坡度相對較大（圖7），該泥火山高度約為海底之上400 m，坡度約15°（圖7a），通道內部呈空白反射，兩翼地層存在明顯上拱（圖7b）。

圖5 第1種類型泥火山多波束地形圖和淺地層剖面a. 多波束地形圖；b. 過泥火山的淺地層剖面，測線位置如圖5a所示。Fig.5 Multi-beam bathymetry map and sub-bottom profile of the first type of mud volcanoa. multi-beam bathymetry map;b. the sub-bottom profile crossing the mud volcano,see Fig. 5a for location.

圖6 不規(guī)則狀泥火山口多波束地形圖和淺地層剖面a. 多波束地形圖；b. 過泥火山的為淺地層剖面，測線位置如圖6a所示。Fig.6 Multi-beam bathymetry map and sub-bottom profile of the irregular mud volcano summit calderaa. multi-beam bathymetry map;b. the sub-bottom profile crossing the mud volcano. See Fig.6a for location.

圖7 圓錐狀泥火山多波束地形圖和淺地層剖面a. 多波束地形圖；b. 過泥火山的淺地層剖面，測線位置如圖7a所示。Fig.7 Multi-beam bathymetry map of conical mud volcanoesa. multi-beam bathymetry map;b. the sub-bottom profile crossing the mud volcano. See Fig.7a for location.

3.3 泥底辟和泥火山與甲烷流體活動

孔隙水地球化學特征是研究甲烷滲漏的重要手段，對沖繩海槽西部陸坡泥火山發(fā)育區(qū)重力柱取樣獲得的沉積物進行了孔隙水研究，研究成果揭示了泥火山發(fā)育區(qū)的沉積物中富含甲烷流體，甲烷氣源為熱解成因或以熱解成因為主的混合成因氣體[36-38]。

泥底辟和泥火山構造具有較強的氣體滲漏作用[39]，因此，通常在其頂部或兩側存在明顯的“亮點”強振幅異常反射 （圖8）。氣煙囪是底辟作用發(fā)展至強刺穿—塌陷階段的結果，常伴隨泥底辟出現(xiàn)，位于泥底辟之上。圖8剖面發(fā)育規(guī)模較大的泥底辟，形成于早更新世以前，僅刺穿早更新世地層。該泥底辟呈圓錐狀，頂部存在強振幅異常和氣煙囪通道，氣煙囪內部呈雜亂弱振幅反射，具有明顯的“下拉”特征。隨著泥底辟的活動和甲烷流體的運移及噴發(fā)使海底在氣煙囪上部形成麻坑，進一步證明了甲烷流體活動的存在。

圖8 泥底辟之上發(fā)育“亮點”異常反射、氣煙囪及麻坑Fig.8 “Hot spot” abnormal reflections,notice the gas chimneys and porkmarks developed on the top of mud diapirs

泥火山為甲烷流體向海底運移提供了良好的通道，圖9為淺地層剖面，該剖面中發(fā)育3處泥火山，泥火山內部表現(xiàn)為寬度與泥火山直徑相近的垂直空白帶，泥火山內部和兩翼圍巖可見明顯的“上拉”特征，泥火山頂部可見拋物線狀繞射波，高約20 ms，推測為氣體運移到水體中所形成的羽狀流，淺層沉積物的流動和甲烷流體的噴發(fā)在泥火山周邊形成環(huán)形凹陷（圖10）。

圖9 泥火山淺地層剖面Fig.9 The sub-bottom profile showing details of the mud volcanoes

圖10 泥火山周邊發(fā)育環(huán)狀塌陷構造Fig.10 Mud volcanoes surrounded by collapse- subsidence structure

圖11所示泥火山是沖繩海槽西部陸坡橫向規(guī)模最大的泥火山，該泥火山位于水深約930 m處，發(fā)育于泥底辟之上，底辟頂部發(fā)育多個規(guī)模較小的正斷層或裂隙，整個泥火山通道內部均可見斷裂或裂隙，但未達海底。泥火山左側存在一些延伸至海底的正斷層，規(guī)模相對較大，方向大致與沖繩海槽的走向平行，這些斷層或裂隙為流體運移提供了良好的通道。由瞬時頻率剖面顯示，泥火山和泥底辟內部呈低頻特征，推測為氣體的存在導致了高頻的快速衰減。在泥火山周圍可觀察到一些氣煙囪，表現(xiàn)為低頻特征，地震波呈“上拉”或“下拉”特征，泥火山通道兩側存在“亮點”強振幅異常反射（圖12），以上證據表明泥火山周邊存在甲烷流體活動。

圖11 研究區(qū)最大的泥火山a. 和b分別為過泥火山的多道地震剖面和淺地層剖面，位置如圖11c所示；c. 多波束地形圖；d. 瞬時頻率屬性剖面。Fig.11 The largest mud volcano in the studied areaa. and b. are multi-channel seismic section and sub-bottom profile crossing the mud volcano,See Fig.11c for location.;c. multi-beam bathymetry map;d. instantaneous frequency profile.

圖12 泥火山周邊發(fā)育強振幅異常Fig.12 Strong amplitude anomalies around mud volcanoes

4 討論

通常情況下，泥火山形成的主要驅動力是構造擠壓作用，但是，沖繩海槽是一個高熱流背景下的弧后盆地，沒有明顯的構造擠壓作用。結合沖繩海槽區(qū)域構造特征和構造演化，分析認為，泥火山的形成動力演化的動力學過程與成因主要包括3個方面，即區(qū)域拉張作用形成的構造薄弱帶，快速沉積造成的超壓和浮力以及流體驅動作用。

區(qū)域拉張作用是觸發(fā)泥火山形成的關鍵因素[40]。沖繩海槽是活動大陸邊緣弧后盆地的早期演化階段，同時又具有被動大陸邊緣拉張裂離的特點[26]，拉張作用形成大量的斷裂和裂縫，由地震資料顯示（圖13），沖繩海槽西部陸坡發(fā)育大量的NE向正斷層，近平行于構造走向，呈雁列狀展布，大多正斷層直達海底，表明這些斷裂至今仍處于活動中。斷裂活動造成易于遭受破壞的構造薄弱帶，為深部超壓的釋放提供了通道，進而為泥底辟和泥火山的形成提供了驅動力。研究區(qū)發(fā)現(xiàn)的泥火山和泥底辟主要集中于斷裂發(fā)育區(qū)，大部分泥火山沿著活動斷裂分布。

圖13 地震剖面顯示正斷層Fig.13 Seismic profile showing normal faults

快速沉積造成的超壓和浮力作用是沖繩海槽泥火山形成的主要動力。沖繩海槽沉積數千米厚度的上新統(tǒng)—更新統(tǒng)地層，在冰川時期，海平面下降導致大陸架變窄，長江攜帶大量的陸源物質直接輸送到大陸架，在沖繩海槽西部陸坡附近快速沉降[41]，因此，沖繩海槽西部陸坡具有較高的沉積速率，巖心測年分析結果顯示，沖繩海槽沉積速率一般為10～40 cm/ka，最高可達80 cm/ka[30]。快速沉積是超壓形成的主要因素，當快速沉積導致覆巖載荷急劇增加時，孔隙流體無法排出，導致孔隙體積減小，不能達到平衡。然后，孔隙流體將承受部分載荷壓力，導致動水壓力大于靜水壓力，從而產生超壓[42]。超壓是泥火山形成的首要條件。當孔隙流體壓力超過內力或靜巖壓力時，將會產生垂直的水力壓裂。超壓地層最初被上部地層隔離，水力壓裂形成的裂隙將打破上部地層，形成流體運移通道[40]?？焖俚某练e作用使黏土層不斷地被淺海陸源碎屑物埋藏，導致黏土層中的水也被封閉起來，隨著埋深的增大，處于封閉狀態(tài)孔隙中的流體受到上覆地層的負荷，壓力逐漸升高，從而形成欠壓實的黏土巖。同時由于高密度的陸源碎屑物堆積在泥巖層之上，形成密度倒轉。密度倒轉欠壓實的泥巖常具有高壓異常，密度較小，由密度差而產生的浮力使泥核向上生長發(fā)育，從而形成泥底辟構造。泥底辟的形成為流體運移提供了通道，而流體的排出造成浮力作用增加，從而進一步促進泥火山的形成。分析可知，泥火山和氣煙囪大多發(fā)育在泥底辟上部，且流體活動對沖繩海槽研究區(qū)泥火山型構造的形成起到重要的作用。當泥底辟發(fā)育到噴發(fā)階段，大量流體噴出，造成孔隙度增加、密度減小，導致浮力急劇增加，進而形成泥火山，而麻坑則是深部流體通過流體通道在海底強烈快速噴逸或緩慢滲漏而形成的海底地貌[8]，常與泥火山相伴生。

沖繩海槽西部陸坡泥底辟和泥火山通常發(fā)育于斷裂活動強烈的區(qū)域。當向上運移的流體受到不透水層的阻擋，斷裂等構造薄弱帶為流體的向上運移提供了良好的運移通道。首先，在浮力和不平衡壓實作用下，低密度泥巖在超壓帶內發(fā)生塑性變形并上拱，形成泥底辟的初始階段。早期底辟形成的背斜形態(tài)與泥巖層熱流活動的增加共同作用，導致底辟核部流體壓力進一步增大。當孔隙流體壓力超過內力或靜巖壓力時，形成垂直水力壓裂。水力壓裂為超壓力流體的向上運移提供了良好的通道，隨著流體活動和水力壓裂的進一步加劇而與構造斷裂相連，超壓流體和泥巖沿著通道進一步刺穿，從而形成泥底辟。最后，晚期泥底辟強烈刺穿圍巖，形成壓力急劇下降，氣體溶解度降低，泥底辟內大量氣體排出，造成孔隙度增加，密度下降，進一步加大了泥底辟的浮力。孔隙流體和大量氣體通過泥底辟周緣輸導通道大量逸散、噴發(fā)，形成氣煙囪，隨之在海底形成泥火山或麻坑。泥火山、麻坑的發(fā)育反映了流體滲漏強度或輸導能力的差異。

5 結論

（1）沖繩海槽西部陸坡泥底辟和泥火山發(fā)育，多發(fā)育于斷裂活動強烈的區(qū)域，泥底辟和泥火山頂部或兩翼存在強振幅異常，內部表現(xiàn)為低頻特征，泥火山和氣煙囪多發(fā)現(xiàn)于泥底辟上方，隨著泥底辟的活動和甲烷流體的運移及噴發(fā)使海底在氣煙囪上部的局部形成麻坑，進一步證明了泥底辟和泥火山與甲烷流體活動存在密切的聯(lián)系。

（2）泥火山和氣煙囪大多發(fā)育在泥底辟上部，且流體活動對沖繩海槽研究區(qū)泥火山型構造的形成起到重要的作用。當泥底辟發(fā)育到噴發(fā)階段，大量流體噴出，造成孔隙度增加、密度減小，導致浮力急劇增加，進而形成泥火山。

（3）沖繩海槽是一個高熱流背景下的弧后盆地，沒有明顯的構造擠壓作用。結合沖繩海槽區(qū)域構造特征和構造演化分析認為，泥火山和泥底辟的形成演化的動力學過程與成因主要包括3個方面，即區(qū)域拉張作用形成的構造薄弱帶、快速沉積造成的超壓和浮力作用以及流體的驅動作用。