珠江口盆地13.8 Ma陆架边缘三角洲与陆坡深水扇的“源-汇”关系

祝彦贺，朱伟林，徐强，吴景富

(1. 中国海洋石油总公司 中海油研究总院，北京，100027；2. 中海石油(中国)有限公司 勘探部，北京，100010)

20世纪 90年代末，美国国家自然科学基金会(NSF)和联合海洋学协会(JOI)组织专家提出大陆边缘计划(MARGINS计划)，其中沉积学和地层学项目组制定了S2S(Source to Sink)——从源到汇复合体系科学计划[1]。在中国，南海北部珠江口盆地成为该研究的主要热点区域[2]，特别是中新世底界面T60构造层的形成，使陆架-陆坡区形成了特殊的构造古地貌和相对海平面变化特征[3]，促使古珠江三角洲形成不同类型的陆架三角洲，其中一种类型——陆架边缘三角洲最为特殊，其与陆坡滑塌体、深水扇有碎屑物质沟通，形成陆架-陆坡复合沉积体系[4]。2003年，在美国休斯敦召开了GCSSEPM基础研究年会，会议的主题是“陆架边缘三角洲和陆坡深水发育的石油系统”，陆架边缘三角洲开始受到石油地质学家的关注。之后，众多学者热衷于墨西哥湾的陆架边缘三角洲研究，并结合露头描述、钻井岩心分析、地震解释等手段，提出陆架边缘三角洲形成的多元混合影响因素(波浪、潮汐、河流)、发育过程、沉积模式及与陆坡重力流之间关系[4-6]，其中，以Steel的研究成果最受关注。他提出了陆架边缘三角洲的多种分类(按相对海平面变化分为低位陆架边缘三角洲和高位陆架边缘三角洲，按所处陆架边缘位置有无断层影响分为稳定陆架边缘三角洲和不稳定陆架边缘三角洲，按三角洲形成驱动机制分为物源驱动陆架边缘三角洲和可容空间变化驱动陆架边缘三角洲)、影响因素、陆架边缘三角洲沉积构型、三角洲与深水扇共生关系等[7-9]，系统剖析了该类型三角洲的沉积特征。可以说，陆架和陆坡的石油地质研究进入了一个新的发展阶段。陆架边缘三角洲指发育于大陆架边缘的特殊陆架三角洲，随着相对海平面下降，其越过大陆架坡折向陆坡延伸，随物源供给增多，沉积主体不断向陆坡方向推进，陆架逐渐向陆坡方向生长，沉积坡折随之迁移，且下部断裂活动影响古地貌，控制三角洲沉积，形成一种发育于陆架坡折处向陆、向海沉积厚度减薄的特殊类型三角洲，其发育的大陆架坡度一般小于 1°，陆坡坡度一般为3°～6°，最高可达8°。陆架边缘三角洲在生长过程中，三角洲沉积碎屑不断向陆坡方向搬运，由于断裂活动、物源供给等因素的影响，相当一部分沉积物会在自身重力的作用下越过坡折发生再沉积，成为深水陆坡区沉积物的供给“背景源”。

珠江口盆地是我国南海北部中新生代被动大陆边缘裂陷盆地，在南海和东沙2次构造运动后形成南北分带，东西分块的构造格局。经过20多年的勘探开发，已在陆架区获得诸多发现，近年在陆坡区亦发现了LW311深水扇体，该井的勘探成功标志着南海北部陆架-陆坡的油气勘探进入重要阶段，从浅水到深水的“源-汇”研究开始兴起。

1 中新世层序结构及沉积特征

1.1 层序结构

前人结合珠江口盆地中新统地震界面超削关系、相对海平面变化曲线、钻井岩心、测井曲线特征和古生物化石鉴定资料，对比中新世陆架区惠州凹陷内层序格架和陆坡深水区白云凹陷的层序格架，将珠江口盆地中新统地层按年代划分为7个三级层序，8个层序界面，以年代命名分别为SQ23.8，SQ21，SQ17.5，SQ16.5，SQ15.5，SQ13.8，SQ12.5 和 SQ10.5[10]。层序界面在陆架和陆坡内具有不同的反射特征。在中新世T60构造层形成，惠州凹陷处于缓慢沉降期，地层沉积平缓，厚度薄，在凹陷边界和东沙隆起西北缘可见到削蚀、上超现象。白云凹陷由陆架环境快速沉降为上陆坡环境[11]，主要发育下切谷、复合水道、滑塌体和深水扇，下切谷成凹形双向上超充填，水道化明显，底部层序界面之上为向陆、向海的上超特征，并逐渐超覆[12]，深水扇可见底部侵蚀和丘状轮廓，内部为杂乱反射特征，滑塌体为席状不连续的杂乱反射，陆架-陆坡的衔接处见到多期的水道沉积，厚度较薄(图1)。

1.2 沉积特征

与陆架有关的三角洲共有4种类型：内陆架三角洲(inner shelf delta)、大陆架三角洲(mid-shelf delta)、陆架边缘三角洲(shelf-margin delta)和湾头三角洲(bayhead delta)[4]。不同的海平面变化时期，随着物源供给、海洋水动力等因素的影响，常常在不同类型的三角洲之间转换，沿大陆架向海洋逐渐发育湾头三角洲(水进期)—内陆架三角洲(高位期早期)—大陆架三角洲(高位期晚期和低位期早期)—陆架边缘三角洲(低位期晚期)[7-8]。在中新世不同层序发育时期，古珠江三角洲受多因素影响，构成不同类型的陆架三角洲，并相互转化。

珠江口盆地中新统沉积时期，相对海平面变化频繁，在不同的时期内构成相对完整的海进-海退旋回。从图1可见：相对海平面经历多次的下降、上升旋回，低位期下降幅度大，变化迅速，持续时间短，造成低位域的沉积体系短期内快速发育。而与相对海平面变化对应的陆源碎屑供给强度亦有相似的变化关系[12-16]，相对海平面高位晚期和低位期，物源供应强度大，三角洲发育，分布面积大，易形成陆架三角洲和陆架边缘三角洲，而水进期和高位早期，物源受到海洋潮流、潮汐、风暴流和波浪的冲洗改造作用，发育规模受到限制，常形成内陆架三角洲。中新世末期10.5 Ma三角洲的物源供给已经变得很弱，相对海平面达到最高点，三角洲以富泥沉积为主。所以，中新世古珠江三角洲在内陆架三角洲、大陆架三角洲和陆架边缘三角洲之间相互转换(图2)。

图1 中新世层序地层格架及地震反射特征(相对海平面变化曲线(据文献[10]))Fig.1 Sequence framework in Miocene and seismic reflections (sea level line from Ref.[10])

图2 珠江口盆地中新世相对海平面变化控制的陆架三角洲类型及演化Fig.2 Types and evolution of shelf delta caused by sea level in Miocene of Pearl River Mouth Basin

2 陆架-陆坡“源-汇”系统主控因素

被动大陆边缘盆地作为国内外研究的热点，多数学者常常将研究重点放在盆地结构、充填模式和成藏主控因素上，而实际决定盆地充填特征、生储盖组合的是沉积相的时空展布，特别是广阔的陆架-陆坡区，由于存在的沉积相类型多，富泥、富砂背景不确定，往往使研究重点单独放在陆架或者陆坡，无法二者兼顾，并从整体深入到局部。所以，国外学者提出了“从源到汇”的研究思想，让地质家的勘探思路开阔起来，并结合诸多的分析化验手段解决陆架-陆坡之间碎屑沉积物的搬运、沉积和再搬运、再沉积之间的复杂关系，以及该整合系统的运转情况。

对于陆架-陆坡的“源-汇”系统而言，影响其发育的主要控制因素分为内因、外因2种。其中外因包括相对海平面变化、陆架坡折演化和海洋水动力作用，内因包括沉积物供给强度，二者的辩证关系决定了系统的运转特征。内、外因不协调导致突发事件产生，过多的沉积物向陆坡搬运，沉积重心向海偏移，形成陆坡内事件性重力流沉积；内、外因协调发展使系统正常运转，沉积物总体分配均匀，陆架充填多数的碎屑物质，陆坡以细粒沉积为主，达到沉积重心平衡，形成稳定的陆架-陆坡沉积系统。

2.1 相对海平面变化

中新世相对海平面变化呈整体上升趋势，但SQ15.5沉积时期发生了1次快速下降，之后在SB13.8达到较低位置，随后反弹，开始上升(图1)。这一迅速的相对海平面变化引起了陆架-陆坡体系内沉积相的时空变化，特别是陆架上三角洲类型的变化。SB15.5和 SB13.8时期的滨岸线位置和陆架坡折之间的关系如图3所示。从图3可以看到，滨岸线与坡折之间的距离自西向东逐渐变窄，且最近距离发育在东沙隆起南部和番禺低隆起的东部，距离为10～85 km。这种相对海平面的迅速下降造成滨岸线与陆架坡折之间的距离逐渐缩小，同时使陆架沉积体迅速向坡折方向生长，不断的进积、加积使三角洲前缘带变宽、变厚，并呈东西向展布，在坡折处的三角洲前缘沉积物不稳定性增加，容易发生事件性的重力流沉积。

2.2 陆架坡折演化

珠江口盆地陆架与陆坡的衔接处发育多种坡折，包括断裂型坡折、沉积型坡折[12-13,15]，均分布在层序界面附近。中新世以来，由于T60构造层的发育，在南东-近南北向拉张应力的作用下形成了北西、近东西和北东向三组断层，向白云凹陷为逐渐变深的阶梯状正断层，番禺低隆起南部发育少量反向正断层，形成掀斜断块或翘倾半背斜，使断裂坡折集中在白云凹陷北坡-番禺低隆起南部一带，随着相对海平面上升，坡折向陆迁移[13,15]。纵向上的坡折类型亦有规律变化，靠近陆架方向发育多级断裂型坡折，多级坡折使古珠江三角洲向陆坡生长，当相对海平面缓慢上升时，三角洲前缘呈持续的加积作用，形成生长型沉积坡折，坡度较缓。所以，纵向上形成靠陆发育断裂坡折、靠海发育沉积坡折的陆架坡折分布特征(图4)。

坡折本身在陆架边缘呈带状分布，造成坡折处的古地貌十分复杂，有大角度的陡坡带，亦有小角度的缓坡带，同时，相对海平面的快速升降使滨岸线快速迁移，造成陡坡带水深高差变化大，缓坡带水深高差变化小，形成不同变化率的可容空间，影响坡折处的三角洲前缘沉积体的展布和发育。

2.3 物源供给

物源是汇水区内沉积体形成的物质基础，从珠江口盆地发育过程看，青藏高原隆升与南海扩张直接影响着珠江口盆地内的充填物质和充填序列[12-15]。从沉积总量来看，搬运到盆地内的碎屑物质及其他外源物质在陆架-陆坡区的分配关系决定了沉积体的规模和发育，特别是对于一定总量的沉积物，陆架区与陆坡区的“量”的分配均匀与否决定了“源-汇”系统的稳定性。陆架区分配多(图5中A)，陆坡区分配少(图5中C)，形成富砂陆架和富泥陆坡，上陆坡复合水道为富泥充填(图5中B)；陆架区分配少(图5中A)，陆坡区分配多(图5中 C)，形成陆坡的重力流沉积体系，其中上陆坡的复合水道为富砂或者砂泥混合充填(图5中B)，这里所说的多少不是绝对概念，而是相对概念。在具体决定分配量的过程中，相对海平面变化、陆架坡折演化及海洋水动力共同作用沉积物，使其经历不同的搬运过程和搬运距离，从而形成多因素控制的物源供给体系和分配体系(图5)。

图3 滨岸线位置与陆架坡折位置之间的关系(以SB15.5和SB13.8为例)Fig.3 Relationship between shore line and break position (Taking SB15.5 and SB13.8 as examples)

图4 珠江口盆地陆架坡折的类型及演化(以SQ13.8坡折类型为例，坡折分布据文献[15])Fig.4 Types and evolution of shelf break of Pearl River Mouth Basin(Taking SQ13.8 as an example,break position from Ref. [15])

图5 陆架-陆坡沉积物总量分配的多主体概念模式Fig.5 Multi-main-block conceptual model of shelf and slope supply distribution

2.4 海洋水动力作用

海洋水动力作用方式较多，包括波浪、潮汐、风暴流和内波、内潮汐等，在漫长的地质历史中，陆架区持续的水动力作用主要为波浪、潮汐、风暴流，而内波、内潮汐只存在于上陆坡的峡谷中，是驱动峡谷内残留沉积向中、下陆坡再搬运的往复水流。通过大量陆架区的水动力研究，Leeder[17]认为，自陆向海的沉积体系中，从内陆架、中陆架到外陆架，海洋水动力具有此消彼长的特征。在内陆架环境中，靠近海岸，波浪和沿岸流是搬运、改造沉积物的主要水动力；在广阔的中陆架，由于在浪基面附近，波浪影响范围变小，风暴流、潮汐开始大范围的作用于沉积物，并重新改造沉积物，分配沉积物的沉积地点，特别是风暴流，其影响的范围甚广；之后过渡为外陆架，潮汐作用被放大，周而复始的涨潮落潮形成双向水流，不断改造着陆架边缘上的沉积物，特别是陆架坡折处的三角洲前缘带，不断的被改造和再搬运，很容易在各种因素的触发下发生垮塌。

3 中新世 SQ13.8陆架-陆坡的“源-汇”关系

在SQ13.8的发育过程中，体系域内的主控因素之间协调作用各异，形成不同的“源-汇”系统运转特征。对于低位域发育的陆架边缘三角洲，四大控制因素调控着其发育特征及与陆坡重力流沉积体之间的关系。下面针对低位期的“源-汇”系统进行剖析。

3.1 地震反射及沉积解释

结合地震反射特征不难发现，自陆架向陆坡延伸的狭长地带，靠近层序界面的陆架坡折处存在明显的三角洲进积和上陆坡的滑塌体、深水扇反射特征，在向陆一侧的上陆坡内还见到下切明显的多期水道叠置及下切谷(图6)。在番禺低隆起南坡的东部(图6中AA′)见到断裂坡折控制的向陆、向海双向变薄的陆架边缘三角洲沉积，同时，向隆起西南方向由于地形、地貌变低，发育陆架边缘三角洲与上陆坡滑塌体、深水扇的反射特征(图6中BB′和DD′)。图6中 BB’显示层序界面之上杂乱反射的斜坡滑塌体，由于地貌上存在一个缓冲的阶梯，使顺陆架坡折滑下的碎屑物质停滞，堆积成内部混杂的滑塌体。图6中DD′显示了进积型陆架边缘三角洲，由于断裂坡折的控制，物源供给增加形成生长型沉积坡折，并逐渐向上陆坡内沉积，并在下方见到大型的深水扇体。靠近陆架坡折向陆坡一侧，发育多期叠置水道充填的下切谷(图6中CC′)，其作为碎屑物质的搬运通道将陆架沉积物向陆坡内搬运，形成陆架边缘三角洲-上陆坡复合水道-上陆坡滑塌体、深水扇的三位一体沉积格局。

3.2 牵引流向重力流转化机制

沉积物从陆架向陆坡的搬运过程中，4种控制因素不断的调整沉积物的搬运、分配，以使陆架-陆坡的沉积物协调发育，并不断的处于运转之中。南海北部台湾浅滩陆坡存在自陆架向陆坡发育的多级陆架-陆坡坡折系统，自陆架向陆坡的重力流沉积过程中，存在坡度的逐渐变小，以及坡度控制的重力流流态的演化[18]，SB13.8界面之上的低位域沉积亦有此特征。陆架边缘三角洲处于平坦的陆架上，物源供给使三角洲前缘带向陆坡进积，由于陆架坡折的存在，坡度不断变陡，通常大于 3°，最高可达 6°(图6 中BB′和DD′)，随后沉积物的不断沉积及坡度变化容易触发重力垮塌，启动重力流的活动，之后快速搬运使沉积物在上陆坡内的局部可容空间(坡度变小，3°～4°)形成滑塌体(图6中BB′)，随着坡度变缓，沉积物继续向陆坡方向搬运，坡度变为 1°～2°(图6中DD′)，形成碎屑流深水扇体，而细粒浊流扇体在更远的地区沉积下来(坡度小于 1°)，形成陆架向陆坡的沉积物供给过程，完成 1期的快速“源-汇”物质沟通，过程连续而短暂，呈事件性发育(图7)。

3.3 形成“源-汇”的内、外因联系

SQ13.8的低位域具有特殊性，内、外因彼此不协调，存在沉积物分配不均，形成“源-汇”系统内陆坡区的重力流沉积体系。相对海平面在SQ13.8初期下降到低点，使古珠江三角洲进积至番禺低隆起南部，此时陆架坡折迁移到白云凹陷北坡，两者之间距离较小，陆架区的可容空间变小，源源不断的物源供给使三角洲不断向陆架坡折生长，此时的外陆架潮汐往复水流改造前缘带，使沉积物重新分配，当其供给沉积量大于可容空间的时候，三角洲前缘沉积物会越过陆架断裂坡折向上陆坡内堆积，来调整沉积总量分配的不均衡性，同时，进积生长形成沉积坡折。多类型坡折使陆坡存在分带性坡度变化，改变了重力垮塌的启动，上陆坡内的复合水道与进积前缘带连接，在复杂水道搬运系统的衔接下，上陆坡深水区形成滑塌体-碎屑流扇体-浊流扇体，从而形成 SQ13.8低位期的特殊“源-汇”沉积系统内多流态演化格局。

图6 SQ13.8低位期陆架-陆坡“源-汇”系统内多类型沉积体地震反射特征(剖面位置见图3)Fig.6 Multi-sedimentary bodies’ seismic reflection in shelf and slope S2S system during LST of SQ13.8(Profiles position from Fig.3)

图7 SQ13.8低位期“源-汇”系统内牵引流向重力流流态演化特征Fig.7 Evolution of sediment from traction current to gravity current in LST of SQ13.8

4 结论

(1) 南海中新世三级层序内，相对海平面变化控制古珠江三角洲类型，水进期和高位期早期为内陆架三角洲，高位期晚期和低位期早期为大陆架三角洲，低位期晚期为陆架边缘三角洲。

(2) 相对海平面变化、陆架坡折演化、沉积物供给和海洋水动力共同作用古珠江三角洲，在中新世低位期晚期使其供给沉积量大于相对海平面和陆架坡折控制的可容空间，并使三角洲前缘带越过断裂坡折向上陆坡内生长形成沉积坡折，形成向陆、向海厚度减薄的陆架边缘三角洲。

(3) SQ13.8低位期具有典型的“源-汇”系统发育特征，陆架边缘三角洲形成后，持续的物源供给使沉积物总量分配不均，过多的沉积物向上陆坡内沉积，此时上陆坡内分带性的坡度变化改变这部分沉积物的重力垮塌启动，并在坡度变化的控制下形成滑塌体-碎屑流扇体-浊流扇体的流态变化特征。

(4) 由于“源-汇”关系的存在，陆架坡折附近沉积大量三角洲前缘砂体，成为油气勘探的主力区带。同时，上陆坡内发育的重力流沉积，由于“背景源”均是三角洲前缘砂，其内部储层会有细微差异，但都应该作为油气勘探的主要目标，其中重点是靠近坡折带的缓坡地貌处，其常常为碎屑流和浊流扇体的沉积地点。

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