南海西北次海盆深水扇系统沉积演化特征

刘 睿 周江羽 张 莉 刘晓峰 韦振权 钱 星 帅庆伟 廖锦芳

(1.中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室 武汉 430074;2.广州海洋地质调查局 广州 510760)

深水扇作为深水重力流的重要产物，以其规模大、砂质含量高的显著特点，已成为深水油气勘探的优质目标［1～6］。工业需求极大的促进了深水扇相关科学研究的发展。Walker通过对古代、现代深水扇模式的归纳和总结，建立了深水扇经典沉积模式，突出了深水扇的典型识别标志，如扇上水道—堤坝、朵体、扇体叠置等［4，7］;Mitchum 等基于层序地层理论，建立了首个与深水扇相关的地震(层序)地层模型，强调了海平面变化对深水扇发育的控制作用［8，9］;Nilsen等开始发现单一的深水扇沉积模式存在局限性，并提出将深水扇划分为大型三角洲物源供给下的细粒型和峡谷物源供给下的粗粒型两类［10］;Richards等基于深水扇发育的物源背景(点、线、多物源以及富泥质、富砂质、富砾物源)和构造背景(斜坡、坡脚、盆底平原)对深水扇进行了进一步类型划分，并分别建立相模式，突出了不同物源和构造背景对深水扇发育的控制作用［2，6，11，12］。

众多模式基本总结了深水扇发育的控制因素，显示了水道和朵体为深水扇的基本组件。前人对这些组件进行了深入分析，特别是相关的限制性水道［13～16］、水道—堤坝体系［16～19］、水道—朵体转换带［20］及水道—朵体体系［21～27］，系统总结了这些构成组件的形态、结构以及岩性特征，将其发育的控制因素再次归纳为地形限制性、物源供给(频率、强度)构造活动等，并建立起了相应储层模型。此外，通过物理模拟与岩芯、露头观察，对于深水扇相关沉积机理产生了新的认识，从传统的浊流发展到高密度浊流、碎屑流，甚至不同阶段存在不同流体状态的转换［1，28，29］。

随着国内深水油气勘探的不断深入，先后在南海北部深水区发现了珠江深水扇系统［5，30～32］、红河海底扇［33］，其中，珠江深水扇油气勘探已经取得了重大突破。南海北部深水扇系统与孟加拉扇、印度深水扇的发育均以青藏高原隆升为物源背景［5，31，34，35］，它们均可归纳为大型河流三角洲供给下的点或线型物源作用结果。不同的是珠江深水扇、红河海底扇规模较小且均局限于陆坡上，而印度扇、孟加拉扇则规模巨大并已经延展至深海平原。南海北部的深海平原区——西北次海盆内是否存在大规模深水扇成为疑点。

南海北部琼东南中央峡谷的发育为西北次海盆内发育深水扇创造了有利条件［33，34，36～42］。基于现有大量高品质2D地震资料，对南海北部深海平原区西北次海盆内大规模深水扇系统进行了识别。深水扇系统以琼东南中央峡谷—水道为主要物源供给通道。本文就该深水扇系统的地震反射结构特征、物源供给以及时空演化规律进行分析。

1 区域地质背景

西北次海盆位于南海北部深水区，西部为西沙海槽，北部为南海北部陆坡，西南部为中西沙隆起，东部为中央海盆，现今盆地最大水深可达3 500 m(图1a、b)。晚白垩纪南海北部陆缘发生近S—N向裂陷，形成一系列NEE—NE向断陷;32～16 Ma南海进入扩张期［43～45］，扩张过程受印度—欧亚板块碰撞、哀牢山—红河断裂带左旋走滑以及地幔柱上涌联合机制作用［46］;32～30 Ma西北次海盆与中央海盆发生自东向西“剪刀式”扩张，伴随海水侵入，沉积环境从陆相过渡为海陆交互相;28 Ma左右西北次海盆扩张衰减，中央海盆继续扩张，南海北部边缘叠加在早期断陷之上的陆架—陆坡—海盆格局基本成型，西北次海盆沉积环境转变为深海相;25～23 Ma左右南海扩张轴向南跃迁，随之西北次海盆停止扩张并进入初始热沉降阶段，跃迁过程中南海北部陆架坡折线从白云凹陷南侧跳跃至北侧;16 Ma左右南海海盆停止扩张，海盆整体进入热沉降期;10.5～5 Ma南海西北部莺—琼盆地快速沉降，莺—琼盆地坡折线向西北后退形成向东开口的喇叭状地形，西沙海槽断层活动性也逐渐加强［45，47～55］，与此同时，10.5 Ma 左右全球海平面的显著下降(图1c)，中央峡谷—水道开始发育，向西北次海盆输送大量沉积物［34，36，38，56，57］，据此，Wang等预测了西北次海盆内深水扇的存在［33］，Yuan等在西北次海盆内初步识别出深水侵蚀水道［34］。

图1 (a)研究区地形图，①红河海底扇(据Wang等，2012)，②琼东南中央峡谷—水道及相关钻井(据许怀智等，2012)，③研究区，④珠江深水扇系统(据彭大钧等，2007)，箭头指示不同物源;(b)西北次海盆深水扇系统平面展布图，F1-F3及L1-L4指示剖面线，I-V代表深水扇复合体/期;(c)地震反射界面与海平面变化关系，红色箭头指示琼东南中央峡谷侵蚀期次Fig.1 (a)Topographic map of the study area，①Red River submarine fan(Accorded to Wang et al.，2012)，②Qiongdongnan center canyon-channel and boreholes(Accorded to Xu et al.，2012)，③Study area，④Pearl River deep-water fan system(Accorded to Peng et al.，2012)，Arrows indicate the different provenance systems，A and B show the cross sections in Fig.8a and 9;(b)Sketch distribution of the deep-water fan system complex in the Northwestern Sub-basin，F1-F3 and L1-L4 show the cross sections in Fig.3-7;(c)Relations between sea level variation and seismic reflectors，Red arrows show the central canyon erosion times

图2 深水扇与深水水道空间特征示意图(据Walker，1978;Jonathan等，2012改编)Fig.2 Sketch map of space characteristics of deepwater fan and channels(modified after Walker，1978;Jonathan，et al.，2012)

2 地震反射结构特征

2.1 深水扇识别

基于Walker等［7］建立的深水扇经典沉积模式(图2)，以及地震反射剖面中典型的高振幅反射(High Amplitude reflections，HARs)特点，在西北次海盆内自T4地震反射界面(10.5 Ma左右)以上识别出大规模深水扇。

经典单一物源深水扇模式中，上扇存在物源供给峡谷的延伸，中扇的重要特征为大规模扇体相互叠置区，下扇水道逐渐消失，据此可将本区深水扇划分为上扇、中扇以及下扇三部分。

上扇为限制性水道复合体发育带，限制性水道复合体具有整体强反射、宽缓的U状形态，宽度可达4 km左右，厚度可达0.5 s(双程反射时间)，内部填充有相对杂乱、弱反射特征的小规模U或V形水道，以及平行、连续、中低频、强反射的内岸坝，不太发育外岸堤坝，单个小型水道宽度在0.5～1.5 km左右，水道表现出明显的向SE方向的侧向迁移特点(图3-F1，图4);

中扇存在明显扇体的空间叠置，单个扇体内部为大规模水道—堤坝复合体，水道—堤坝复合体在剖面上具有整体强反射特征、呈透镜状或海鸥翼状形态，其宽度可达10 km以上，厚度在0.3 s(双程反射时间)左右，内部仍填充有相对较小规模的U或V形杂乱反射水道，水道外侧发育亚平行、连续、中低频、强反射的外岸堤坝，部分堤坝外缘存在具有杂乱反射特征的滑塌体(图3-F2，图5);

下扇水道消散，发育典型的水道—朵体体系，水道—朵体体系剖面上具有整体亚平行、连续、强反射特征，呈宽缓的透镜状或上突丘状形态，单个水道—朵体体系宽度可达16 km以上，厚度较薄;内部水道特征不太明显，开始弥散消亡;朵体的边缘可见侧向的上超特征(图33-F3)。

2.2 深水扇的空间特征

2.2.1 扇体内水道的充溢改道

本区深水扇系统的上扇部位剖面显示，存在多期“侵蚀——废弃”的水道复合体(图4)。Flood等［58］首次在Amazon扇的上扇部位发现这一现象，将其成因归纳为间歇性强烈重力流作用突破堤坝的束缚，流体破坏堤坝边坡并漫溢改道，新的水道侵蚀形成，旧水道废被弃。本区深水扇发育的第一次深水重力流在三级层序T4界面(约10.5 Ma)开始侵蚀形成水道复合体Ⅰ;之后在三级层序T3界面(约5.5 Ma)第二次强烈重力流向NE方向充溢偏移，并侵蚀形成水道复合体Ⅱ;第三次强烈重力流在次一级层序T2＇界面(约4.2 Ma)向WS方向偏移，与水道复合体Ⅱ问存在平行、连续、弱反射分隔层，水道复合体Ⅱ被废弃，流体侵蚀形成Ⅲ;三级层序T2界面(约2.6 Ma)以上水道复合体Ⅳ、Ⅴ的发育与水道复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类似，水道复合体Ⅳ、Ⅴ也受到弱反射层分隔，相比之下，水道复合体Ⅳ、Ⅴ内侵蚀水道规模远小于水道复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，推测与2.6 Ma(T2界面)、1.9 Ma的重力流强度减弱有关(图4)。

图3 西北次海盆内扇体基本单元(剖面位置见图1b)Fig.3 Basic sedimentary units of the deepwater fan in the Northwestern Sub-basin(location of profile is shown in Fig.1b)

图4 西北次海盆内深水扇上扇水道充溢改道(剖面位置见图1b)Fig.4 Channel avulsion on the upper deepwater fan in the Northwestern Sub-basin(location of profile is shown in Fig.1b)

五期充溢侵蚀不仅对应着全球海平面的快速下降期，而且与琼东南中央峡谷—水道的侵蚀期次［36，39，40］也具有较好的对应关系。层序地层分析表明，全球海平面在10.5 Ma、5.5 Ma、4.2 Ma、2.6 Ma以及1.9 Ma存在显著下降(图1c)，与此同时琼东南中央峡谷—水道也存在 10.5 Ma、5.5 Ma、4.2 Ma、2.6 Ma四期明显下切侵蚀［36，39～42，59］，琼东南中央水道东段出口即为西北次海盆，海盆内也在10.5 Ma、5.5 Ma、4.2 Ma、2.6 Ma以及 1.9 Ma 分别发育深水扇。时间—空间耦合为西北次海盆内深水扇系统的期次划分提供了依据(图4)。

2.2.2 扇体的空间叠置

上扇部位的限制性水道充溢改道可直接导致中或下扇扇体的侧向迁移、摆动，其侧向迁移距离可达几十或上百公里［3，58］。本区深水扇中扇部位就存在明显的扇体的空间相互叠置现象，迁移方向、叠置规律均与上扇水道充溢方向基本吻合(图4、图5);不同的是，中扇部位各期次级扇体内水道分支明显增多，复合水道宽度显著增加(部分可达10 km)、厚度降低，复合水道内部仍然存在明显的水道侧向摆动迁移(图5)。

3 物源供给

西北次海盆内深水扇系统的主要物源供给通道为琼东南中央峡谷—水道［34，36，38，40，60］，汇聚了来自于红河、北侧陆架—陆坡、中—西沙隆起区的沉积物。在时空上可基本推断为:晚中新世(10.5～5.5 Ma)以北部陆架—陆坡物源为主导，上新世(5.5 Ma、4.2 Ma)以北部陆架—陆坡和红河物源为主导，第四纪则以北部陆架—陆坡、中—西沙隆起区气候作用下物源为主。

图5 西北次海盆内深水扇中扇扇体空间叠置(剖面位置见图1b)Fig.5 Suprafan region of the middle deepwater fan in the Northwestern Sub-basin(location of profile is shown in Fig.1b)

在南海扩张背景下，10.5 Ma左右莺—琼盆地边缘陆架坡折基本形成，造成了整个莺—琼盆地整体呈现向东喇叭状开口地形格局［56］。在此过程中西沙海槽盆地(长昌凹陷)进入加速沉降期［53］，盆地内先存断裂的继承性活动形成琼东南中央峡谷—水道的东段［36］。伴随海平面大规模下降，重力流首先垂直于水道轴线侧向侵蚀北侧陆架—陆坡［59］，沉积物到达东段水道底部后则平行于水道轴部继续向东侵蚀，将大量沉积物输送至西北次海盆，其北部陆坡区T4(10.5 Ma)界面上下振幅差异明显，具有明显侵蚀特征(图6);5.5 Ma左右，随着陆坡向西上溯及红河断裂的右旋走滑达到高峰［61，62］，中央峡谷—水道向西迁移并东西连通，对峡谷—水道的钻井证实红河物源开始沿中央水道轴部向东侵蚀并最终进入西北次海盆［38，42］，北部陆架—陆坡物源自 T3(5.5 Ma)界面也以大规模滑塌或块体流形式垂直于水道轴线侧向进入中央水道，之后转变方向平行于水道轴线向东为深水扇系统做出物源贡献(图6)。4.2 Ma存在海平面明显下降(图1c)，再次促进了红河物源向西北次海盆的供给;3.6 Ma之后海平面回升，对中央峡谷—水道的钻井揭示红河物源逐渐削弱［38，40］。更新世以来在约2.6 Ma、1.9 Ma全球海平面波动，并联合气候作用，陆架区及中—西沙隆起区沉积物以滑塌形式侧向进入中央峡谷—水道，受到阻挡后平行于水道轴线向深水扇系统输送沉积物(图6)。琼东南与珠江口盆地陆架边缘三角洲显著的前积以及位于陆坡坡脚附近的ODP1148站约2.6 Ma、1.9 Ma沉积速率剧烈波动都预示了陆架区沉积物供给加强［50，57］。

图6 深水扇系统物源供给系统分析(剖面位置见图1b)Fig.6 Provenance system of deepwater fan system in the Northwestern Sub-basin(location of profile is shown in Fig.1b)

由于研究区缺乏可靠的钻井资料，关于物源的推断是否与红河物源区(包括中南半岛)的物质供应、早期物源供应是否与西沙海槽—琼东南中央水道的沉降历史有关、以及与海平面变化之间的关系等，有待进一步工作。

4 控制因素与演化模式

4.1 控制因素

目前对深水沉积体系的发育及空间展布控制因素研究较多［1，2，15，21，27］，可归纳为物源属性和古地形两大主控因素。其中，物源属性包括沉积物供给浓度、粒度、速度等，地形则主要体现在与构造相关的空间限制性、坡度等。

如上所述，物源供应上呈现先强后弱的特点，即晚中新世较强、上新世最强、第四纪最弱。与之对应，上新世存在红河及北部陆架—陆坡多重充足物源供给，水道侵蚀显著(图6)，扇体规模最大，为本区深水扇系统发育的壮年期;第四纪扇体规模最小，空间上逐渐向西沙海槽内后退萎缩，标志着本区深水扇整体进入老年期(图1b、图8)。

西北次海盆内5期深水扇的空间展布受到先存地形的控制。在上扇区，地形坡度较大，流体动力强，水道充溢频率较高，造成水道的多期废弃与侵蚀改道(图4);在中扇区，地形限制性削弱开始大规模扇体叠置，但依据南海扩张时期形成的双峰海山，扇体空间展布可基本划分为南北两部分，其中以深水扇Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ位于双峰海山以北，深水扇Ⅲ则基本位于双峰海山以南(图1b、图7)，深水扇III的向南发育一方面受到早期扇体沉积后的地形限制，另一方面推测与双峰海山以南在上新世发生沉降有关。

此外，南海北部“三段式”陆坡地形影响了整个南海北部深水扇的发育。南海北部、西部陆坡存在明显的上、中、下“三段式”结构，整体上“宽而缓”，珠江深水扇、红河海底扇主要发育中陆坡，珠江深水扇所在的中陆坡可长达80～100 km，红河深水扇所在中陆坡长达250 km以上;而与之相对，孟加拉湾陆坡“窄而陡”，且不发育明显的中陆坡(图8)。

南海北部、西部中陆坡的发育一方面减缓了陆坡坡度，削弱了流体动力，另一方面中陆坡断陷发育，对沉积物进一步向下陆坡运移存在一定阻碍。在南海北部、西部中陆坡还发育一些列NEE向断陷，其中北部NEE向断陷与珠江近SN向的物源相垂直，自21 Ma垂直白云凹陷轴向发育的珠江深水扇系统表现出明显的线型物源特征，在10.5 Ma之后珠江口盆地海平面变化幅度不足导致珠江物源的削弱(仅在第四纪再次加强)，以及白云凹陷中新世以来的快速沉降，不利于大量沉积物穿越整个北部陆坡进入到西北次海盆;相反，西北部NNE断陷与红河SE向物源近于平行，且在10.5 Ma以来的物源供给加强、坳陷沉降导致NEE向断层的活化，共同促进了琼东南中央峡谷—水道发育并贯穿过上百千米的陆坡进入到深海平原，沉积形成西北次海盆深水扇系统。

图7 双峰海山对深水扇系统的分隔作用(剖面位置见图1b)Fig.7 The deep-water fan system is divided by the Shuangfeng seamount(location of profile is shown in Fig.1b)

图8 (A)南海北部“三段式”陆坡地震剖面(剖面位置见图1a-B)，(B)孟加拉湾陆坡地震剖面［63］Fig.8 (A)Seismic profile across the northern"Three step"continental slope of South China Sea(location of profile is shown in Fig.1a-B)，(B)Seismic profile across the continental slope of Bengal Bay［63］

4.2 演化模式

在“三段式”陆坡背景下，可将西北次海盆内深水扇系统发育模式归纳如下:10.5 Ma左右位于“中—下陆坡”附近的西沙海槽内近NEE向断裂活动加强以及全球海平面下降，北侧陆架—陆坡遭受侵蚀，沉积物经过琼东南中央峡谷—水道东段向西北次海盆输入，并沉积形成深水扇Ⅰ，扇体进入盆地后受到双峰海山和北部陆坡的围限，深水扇Ⅰ略向北部偏移，与此同时位于“上—中陆坡”的红河海底扇开始发育(图1b、图9);5.5 Ma左右琼东南中央峡谷—水道东西连通，横切整个南海西北部陆坡，红河物源、北部陆架—陆坡物源经中央峡谷—水道输入到西北次海盆(图9)，陆坡坡脚较强的流体动力促使水道的冲溢改迁(图4)，受到早期扇体和双峰海山的限制，在双峰海山与北部陆坡之间沉积形成深水扇Ⅱ(图1b);4.2 Ma海平面下降，中央峡谷—水道仍贯穿整个南海西北部陆坡，红河物源、北部陆架—陆坡物源再次经中央峡谷—水道向西北次海盆输送，水道向南冲溢决口，从而在双峰海山以南沉积形成深水扇Ⅲ(图1b、图9);4.2 Ma之后伴随海平面的回升，上陆坡红河物源逐渐消亡;2.6 Ma、1.9 Ma存在海平面下降，位于中—下陆坡北侧陆架—陆坡发育大量滑塌体或块体流，沉积物进入中央峡谷—水道后受到阻挡并对峡谷—水道底部形成侵蚀，沉积物继续向西北次海盆输送形成深水扇Ⅳ、Ⅴ(图1b、图9)。在多物源充足供给下，深水扇Ⅱ、Ⅲ空间展布范围巨大(图11b、图9);第四纪红河物源逐渐消亡且海平面整体回升，中—下陆坡附近陆架、中—西沙隆起区物源供给能力有所削弱，深水扇Ⅳ、Ⅴ逐渐向西沙海槽内后退萎缩(图1b、图9)。

5 结论

通过对二维地震反射界面和结构的详细分析，揭示南海西北次海盆内自上中新世(约10.5 Ma)开始发育规模巨大的深水扇系统，覆盖面积达18 000 km2。扇体表现出整体的强振幅反射特征，剖面上呈透镜状，边缘具有下超或上超特征。深水扇系统上扇为限制性水道复合体发育区，内部水道多次充溢改道;中扇为扇体叠置区，内部以水道—堤坝沉积为主;下扇则以水道—朵体沉积为主。

琼东南中央峡谷—水道为本区深水扇系统的主要物源通道。根据地震反射结构和层序界面以及琼东南中央峡谷—水道的侵蚀期次，可将深水扇系统内部划分为5期:晚中新世一期(深水扇Ⅰ/10.5 Ma)、上新世两期(深水扇Ⅱ/5.5 Ma、Ⅲ/4.2 Ma)、第四纪两期(深水扇Ⅳ/2.6 Ma、Ⅴ/1.9 Ma)。在上、中、下“三段式”陆坡背景下，晚中新世以中—下陆坡北侧物源为主导，上新世以上陆坡红河物源为主导，第四纪则以中—下陆坡北侧陆架—陆坡、中—西沙隆起区物源为主。本区深水扇系统被双峰海山分为南北两部分，其中深水扇Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ位于双峰海山以北，深水扇Ⅲ则基本位于双峰海山以南。各个深水扇之间存在明显的侧向上叠迁移特征。本区深水扇系统的发现将为南海北部深水区提供新的油气勘探领域和勘探目标。

图9 西北次海盆深水扇系统演化模式图(剖面位置见图1a-A)Fig.9 Model showing evolution of the deepwater fan system in the Northwestern Sub-basin(location of profile is shown in Fig.1a-A)

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