珠江口盆地中中新世SQ14.8层序‒沉积演化及其地质意义

陈维涛, 孙 珍, 何 敏, 张 琴, 王文勇, 王绪诚, 徐少华

珠江口盆地中中新世SQ14.8层序‒沉积演化及其地质意义

陈维涛1, 2, 3, 孙 珍1, 何 敏3, 张 琴3, 王文勇3, 王绪诚3, 徐少华4*

(1.中国科学院 南海海洋研究所 边缘海与大洋地质重点实验室, 广东 广州 510301; 2.中国科学院大学, 北京 100049; 3.中海石油(中国)有限公司 深圳分公司, 广东 深圳 518000; 4.重庆科技学院 复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室, 重庆 401331)

中中新世, 位于南海北部陆缘的珠江口盆地发生了构造、沉积和古气候格局的骤然变迁, 而对古珠江沉积体系层序、沉积的研究为重塑该变革提供了良好契机。本文利用珠江口盆地三维地震和钻井资料, 选取中中新世SQ14.8三级层序开展了系统的层序地层和沉积解剖, 通过厘定关键层序、体系域界面, 建立了高精度区域四分体系域格架, 并在此基础上重建陆架‒陆坡区主要沉积体系的宏观展布特征和演化过程。研究发现, SQ14.8三级层序记录了珠江口盆地新近纪以来最大规模的一次相对海平面下降, 引发沉积滨线跨越陆架长距离迁移到陆架坡折, 发育了从低位到强制海退完整的体系域单元。古珠江三角洲作为陆架区主要的沉积体系, 在相对海平面升降旋回的驱动下, 其发育位置从内陆架到陆架边缘的迁移过程中, 发育主控因素也由河流作用为主逐渐变为河流和海洋水动力共同控制。强制海退体系域的识别及沉积展布研究为预测深水储层提供了依据, 该时期发育的陆架边缘三角洲下方陆坡区是寻找富砂重力流储集体的有利地区, 而陆架边缘三角洲侧翼砂质沉积较少, 下方的扇体以泥质扇为主。综合分析认为中中新世变冷事件是造成13.8 Ma相对海平面强烈下降的主要原因, 在珠江口盆地促成SQ14.8层序典型强制海退体系域及陆架边缘三角洲的发育, 进一步证明该事件是一次全球性的气候事件, 其响应不仅可以在大洋钻孔获取的O同位素中找到证据, 在边缘海盆的沉积记录中也有明显反映。

层序地层; 古珠江三角洲; 珠江口盆地; 强制海退体系域; 中中新世

0 引 言

大陆边缘作为沉积物堆积的主要区域, 记录了气候演变、海陆交互作用和陆缘构造演化, 因此一直是沉积学和古海洋学研究的热点(Helland and Hampson, 2009; William et al., 2009; 于兴河等, 2016; 林畅松等, 2018)。珠江口盆地位于南海中央海盆北部的大陆边缘(图1), 宽阔的陆架‒陆坡古地理背景、古珠江流域稳定的供源、周期性的海平面升降和持续的构造沉降, 使得该区发育了厚逾3000 m以海相碎屑岩为主的新近纪沉积(陈维涛等, 2012; 朱锐等, 2015; 施和生等, 2015, 2017)。这些地层不仅蕴藏了丰富的油气和水合物资源, 更是开展层序地层学、沉积学以及古气候学研究的天然实验室。

图1 珠江口盆地构造单元划分及研究区位置(带编号的不规则区域为三维地震区)

中中新世中期, 南海北部发生了大规模的海平面下降, 并引起古珠江三角洲体系在陆架区大规模的迁移和明显的变化。He et al. (2017)对这一时期的陆架三角洲进行研究, 重点分析了中中新世前后古珠江三角洲的形态变化, 并推测其为全球气候变化的响应。易雪斐等(2014)、李文静等(2018)和周家伟等(2018)分别在中中新世中期识别出陆架边缘三角洲, 并对其层序特征、单元组成和控制因素进行分析。但是, 目前对中中新世中期古珠江三角洲从陆架到陆坡区沉积体系的迁移和演化过程的研究尚未见到类似报道, 对其在一个完整相对海平面升降过程中发生了怎样的演变、形成了怎样的砂体展布和层序结构也鲜有报道, 更缺少对这一过程控制机理的深入研究, 也无法评价沉积体系的变化与气候事件的响应关系(胡修棉和王成善, 1999; 陆钧和陈木宏, 2006)。而且, 伴随着南海北部地区油气勘探的进展, 陆架、陆坡区砂体展布和发育规律的研究对于陆架区寻找岩性圈闭和深水区寻找优质储层变得越来越重要。SQ14.8层序(14.8～13.8 Ma)作为这一时期的典型层序, 记录了完整的海平面变化和体系域发育, 其层序结构和沉积体系展布特征的研究, 对于深入认识气候事件对层序和沉积的控制作用, 以及陆架‒陆缘砂体展布的“源‒汇”耦合关系, 进而进行优质储集砂体的预测具有重要的意义(陈维涛等, 2012;李小平等, 2016)。

1 区域地质概况

珠江口盆地构造呈NE-NEE走向, 面积约26.68×104km2(庞雄等, 2007a; 陈维涛等, 2012; 施和生等, 2017; 柳保军等, 2019), 是南海北部面积最大、油气资源最丰富盆地。自北向南可划分为北部隆起带、北部坳陷带(包括珠一坳陷和珠三坳陷)、中央隆起带、南部坳陷带(包括珠二坳陷)和南部隆起带5个主要构造单元(图1)。地层由老到新依次为古近系神狐组(古新统)、文昌组(始新统)、恩平组‒珠海组(渐新统), 新近系珠江组‒韩江组‒粤海组(中新统)、万山组(上新统)和第四系(图2)。盆地内沉积类型丰富, 古近纪早期以断陷期湖相沉积为主, 晚期逐渐过渡为断拗转换期的海陆过渡相沉积, 该地层为主要的烃源岩发育层段; 新近系以拗陷期浅海陆架三角洲沉积体系、滨浅海相和深海相沉积为主, 发育优质储盖组合(庞雄等, 2007a; 柳保军等, 2011; 钟志洪等, 2014; 施和生等, 2017)。本文研究目的层位于中中新统韩江组下段, 中中新世南海北部已经演化为被动大陆边缘, 整个珠江口盆地处于裂后热沉降为主的构造背景(孙珍等, 2005; 庞雄等, 2007b; 高金尉等, 2015; 王殿举等, 2019), 构造活动相对较弱。研究区主要以古珠江三角洲沉积体系和陆坡深水沉积体系为主, 层序和沉积展布主要受控于沉积物供应和相对海平面升降, 其中相对剧烈的海平面升降控制下的三级层序最为典型, 是进行陆缘层序地层和沉积学研究的首选层段。

图2 珠江口盆地综合柱状图

2 数据和研究方法简介

珠江口盆地油气勘探所采集的大量三维地震资料、部分二维地震资料和150余口钻井资料为本文的研究提供了基础。三维地震资料总面积超过2× 104km2, 分别覆盖惠西南地区、西江主洼、番禺4洼、恩平凹陷及白云凹陷(图1)。三维地震资料的时间采样率为2 ms, 目的层段SQ14.8主频约为30 Hz, 纵向分辨率约为21 m, 平均速度约为2500 m/s, 经过叠后时间偏移处理, 整体品质较高。除三维地震数据外, 研究区另有若干二维地震资料, 这些资料覆盖范围较大, 可有效用于不同三维地震资料间的对比及闭合性检查。同时, 研究区尚有150余口钻遇SQ14.8的石油钻井, 这些井均获取了自然伽马、声波时差、地层密度、电阻率等测井数据以及岩屑录井数据, 能够满足井震结合的地层对比和基于录井岩性及测井相分析的沉积相判断。

本文层序界面采用Hunt and Tucker (1992)将层序边界置于强制海退体系域(FSST)顶界的划分方案, 层序划分采用从三级层序界面到体系域界面逐步精细的划分方法。通过深入开展钻测井和古生物层序地层划分对比, 合成地震记录开展井震桥式精细标定, 做到钻井、古生物和地震三位一体, 识别出SQ14.8顶、底层序界面。进而利用三维区之间的二维地震剖面进行跨三维区的三级层序区域解释, 通过反复调整, 建立起SQ14.8从陆架区到陆坡区的区域三级层序地层格架。在落实顶、底层序界面的基础上, 利用三维地震资料分析层序内部地层的叠置关系, 结合钻井资料反映的沉积旋回特征进行体系域界面的识别, 同样通过井震标定和区域追踪对比, 落实体系域界面, 最终建立区域井震结合的四分体系域格架(图3)。因取心较少, 沉积相主要依据测井相、地震反射构型以及地震属性等信息, 结合砂岩厚度图、含砂率图以及构造古地貌等分析。

3 层序地层划分及沉积演化规律

3.1 层序界面的识别

3.1.1 底部层序界面SB14.8

底部层序界面SB14.8不整合主要表现在珠一坳陷地区, 为Ⅱ型层序边界, 在地震剖面上最显著的特征为近物源区大规模的河道下切和层序界面之上的超覆。西江主洼三维区临近物源, 是河道主要发育区, SB14.8层序界面附近发育大量“U”型下切谷, 深切至前一层序高位体系域晚期的沉积物中, 在剖面上表现为层序界面之下的地震同相轴被下切谷截断(图4a)。番禺4洼三维区, SB14.8总体上为连续、平行‒亚平行、中等振幅反射特征, 偶尔见到大型下切谷, 下切深度较大, 可切穿前一层序的高位体系域, 直至海侵体系域(图4b)。恩平三维区距离物源较西江主洼三维区远, 主要发育分支河道, 规模较小; 受分辨率的限制, 下切河道在地震剖面上多表现为地震同相轴下凹和强振幅特征(图4c)。在上述三维区, 层序界面之上都可见明显的上超特征, 反映了之后的海侵充填作用。白云凹陷三维区, SB14.8逐渐表现为高连续性、弱振幅反射特征, 界面之下偶尔可见顶超型前积, 但主要为整合接触。测井曲线上SB14.8层序界面主要表现为岩性突变面。

图3 SQ14.8从陆架至陆坡区的层序地层格架

图4 SB14.8在珠一坳陷不同三维区内的地震识别特征

3.1.2 顶部层序界面SB13.8

SB13.8是上、下韩江组的分界面, 该时期珠江口盆地经历了较大规模的相对海平面下降, 在地震剖面及钻测井资料上均具明显的识别特征, 为Ⅰ型层序边界。在地震剖面上, SB13.8对应于一高连续性的强波谷反射, 为上、下两套强、弱波组的分界面(图5)。界面之下为一套连续性好、强振幅波组, 削截现象明显; 界面之上为一套平行‒亚平行、中‒弱振幅反射。两套波组的振幅特征差异明显, 反映出界面上、下沉积环境发生了显著变化。在西江主洼三维区、惠州三维区西侧和恩平三维区西北侧, 界面之下都可见明显的削截特征, 通过追踪SQ14.8的最大海泛面(MFS, maximum flooding surface), 发现该层序高位体系域在近物源区都具有明显的减薄趋势, 一方面是层序界面处暴露削截所致, 同时也反映了高位体系域时期沉积中心已经开始明显地向海迁移。在上述3个三维区的外缘(向海一侧)以及番禺4洼三维区, 层序界面之上由海向陆一侧的上超特征也十分明显, 反映了强烈海退之后的大规模海侵。由于海平面下降强烈, 在外陆架到陆架坡折区的白云凹陷北侧发育强制海退体系域沉积, 层序界面位于该套强制海退体系域的顶面(图6)。界面之下为厚层的前积层并且具有下降的陆架边缘迁移轨迹, 前积层在临近SB13.8表现为顶超。在主物源区, 与之下的强制海退体系域(FSST)明显不同, 界面之上低位体系域(LST)仍表现为加积和进积, 其地震反射的振幅更强且频率更低(图6a、b); 在物源区的侧翼即白云凹陷中部P11至P9附近, SB13.8界面之下的前积层倾角平缓, 其识别主要依靠强振幅反射和界面之上的上超特征(图6c、d)。

SB13.8对应于珠江口盆地最大规模的相对海平面下降, 在测井曲线上通常位于多期反旋回叠置砂体的顶部。从惠州三维区顺物源方向的连井剖面可以看出, SB13.8界面多数井均位于多套反旋回叠置砂岩的顶部, 界面之上砂岩含量明显降低, 且顺物源方向, 界面之下沉积物的粒度由粗变细, 反映了沉积相带由三角洲逐渐过渡到陆架沉积。西江主洼三维区因靠近物源区, 层序界面特征主要表现为界面之上含砂率显著降低。番禺4洼三维区及恩平三维区SB13.8界面也主要位于反旋回的顶部, 不过与惠州三维区测井特征不同, 位于番禺4洼及恩平地区的钻井在SB13.8以上砂岩仍然十分发育, 尤其是位于恩平地区的多口井在紧邻SB13.8以上发育大套具有箱型或钟型特征的厚层砂岩(图7)。这种砂岩区域分布的差异, 是由于13.8 Ma以后陆架区古珠江三角洲向西南方向偏转导致的。

图5 SB13.8在珠一坳陷的地震响应特征(三维地震区同图1)

图6 SB13.8在外陆架至陆坡区的地震响应及其在三维空间上的侧向变化

3.2 体系域划分及其沉积体系展布

本文采用Catuneanu et al. (2009)提出的四分体系域层序模型, 从下向上把SQ14.8依次分为低位体系域(LST, lowstand systems tract)、海侵体系域(TST, transgression systems tract)、高位体系域(HST, highstand systems tract)和强制海退体系域(FSST, falling-stage systems tract), 并以体系域框架进行沉积体系的分析(图8)。

3.2.1 SQ14.8低位体系域

14.8 Ma时期海平面下降幅度较小, 未到达陆架坡折附近, 因此SQ14.8 LST主要发育于外陆架到陆坡区。其底界面为SB14.8, 顶界面为最大海退面(MRS)或初始海泛面(FFS), 是岸线向海推进最远并即将向陆回退的转换面, 最主要的识别特征是LST三角洲前积体顶部逐渐被海泛泥岩所超覆。在钻井上MRS主要表现为砂泥岩的分界面, 界面之下为厚层泥岩夹砂岩多期叠置, 砂岩厚度一般小于10 m, 测井曲线上呈漏斗状或指状, “齿化”现象丰富, 当多套砂泥岩互层突变为以泥岩为主的地层时即为MRS。除了外陆架可清晰识别MRS外, 向内陆架MRS往往与层序界面和海侵冲刷面相重合, 而向陆坡区MRS往往表现为整合界面。

SQ14.8 LST主要发育外陆架三角洲和陆坡深水沉积(图8a), 伴随着前一个三级层序海平面的下降, 沉积滨线向海一侧迁移, 同时受海底古地貌和地形坡度的影响, LST三角洲萎缩到东沙隆起西南侧至番禺低隆起一带。由于海平面下降, 广阔的陆架暴露, 河道下切幅度增大而变得更加稳定(因为分辨率的原因, 这种低位下切河道在平面图上并未画出), 更进一步限制了三角洲的摆动, 使之呈现出局部发育小规模三角洲。LST三角洲主体为前缘相, 又可分为含砂率相对较高的三角洲内前缘和受波浪改造明显的以河口坝沉积为主的外前缘; 三角洲平原相不发育, 一方面与陆架区河道下切导致分支河道不发育有关, 另一方面LST三角洲的向陆部分可能在海侵期被冲刷改造而没有保留下来。由于外陆架区洋流作用增强, 在三角洲外缘发育一定数量的陆架砂脊复合体和陆架砂席复合体, 陆架砂脊复合体平行陆坡呈条带状分布, 陆架砂席复合体呈不规则的片状分布。从发育位置来看, 陆架砂脊复合体主要分布于三角洲西南侧, 而砂席复合体主要分布于东南侧, 推测与南海表层流的优势流向有关。陆架坡折及陆坡区主要为细粒沉积, 砂岩含量较低。由于受到陆坡古地形的影响, 在白云凹陷中部发育明显的沉积充填且厚度最大, 并向周边逐渐减薄。在陆架坡折带附近发育一定数量的滑塌体, 东侧相对较多, 西侧减少, 大部分滑塌体顺陆坡走向呈条带状分布, 且多个滑塌体往往叠置在一起形成滑塌复合体。滑塌体的下方发育重力流水道, 顺陆坡倾向延伸, 相对平直, 在水道的前方可能发育一些扇体, 但不在研究区范围内, 未做识别。

3.2.2 SQ14.8海侵体系域

SQ14.8 最大洪泛面(MFS, maximum flooding surface)在地震剖面和测井曲线上都具有明显的特征(图4)。地震剖面上对应于一个中‒强振幅、中连续性的反射同相轴, 在中外陆架区下超特征明显。在钻井资料上, 对应一套区域泥岩的顶界面, 虽然向物源方向, 泥岩明显减薄, 但通过界面上下地层的旋回特征仍能较好的识别。

虽然海平面上升速率超过沉积物供应速率, 但由于古珠江三角洲供源量大, 在SQ14.8 TST时期仍然发育完整的三角洲沉积体系(图8b), 三角洲主体覆盖珠一坳陷的惠州三维区西部、西江主洼、番禺4洼、恩平三维区大部分以及北侧的北部隆起区, 从位置上看属于内陆架到中陆架三角洲。这一时期的沉积相以古珠江三角洲和陆架沉积体系为主(图9)。古珠江三角洲受两大物源通道共同控制, 由于沉积迁移和纵向叠置, 三角洲呈现出叠置连片的特征。两大物源中右侧物源通道较大, 向下延伸过程中分为两支, 一支向东南展开, 覆盖了惠州三维区的西部, 并在河道末端发育河口坝复合体; 另一支向南西方向延伸, 进入西江主洼三维区, 并在西江主洼三维区的南部进一步分支, 其中一支向东南发育, 将沉积物输送至番禺4洼中部, 另一支一部分发育于番禺4洼三维区的西部, 一部分继续向西南延伸至恩平工区的南部。左侧物源规模相对较小, 其越过北部隆起带之后进入恩平三维区的北侧, 与右侧的一支物源一起在恩平三维区发育了大量的河道和河口坝沉积。

图7 SB13.8在恩平地区的测井响应特征

在三角洲沉积体系的外侧, 也许是对前期沉积物的改造, 也许是当期海侵体系域三角洲砂体被风暴等事件携带过来, 在外陆架区发育一系列陆架砂脊复合体和陆架砂席复合体。其中陆架砂脊复合体主要分布于西南侧, 平行陆坡呈条带状展布, 陆架砂席主要位于东南侧, 呈片状分布, 无规则形状。TST时期粗碎屑沉积主要在内陆架到中陆架区, 远离陆架坡折, 所以深水区的储层十分不发育, 陆架坡折区相对稳定, 滑塌和水道等重力流沉积也不发育。此时, 陆架坡折及陆坡区主要以细粒泥质沉积为主。

(a) 低位体系域时期, 沉积主体位于东沙隆起和番禺低隆起南侧以及白云北坡, 主要发育外陆架三角洲和陆坡深水沉积; (b) 海侵体系域时期, 沉积主体位于珠一坳陷及以北地区, 以古珠江三角洲和陆架沉积体系为主; (c) 高位体系域时期, 沉积展布与海侵体系域类似, 但沉积范围较海侵体系域明显向海方向迁移; (d) 强制海退体系域时期, 沉积主体位于番禺低隆起、东沙隆起南侧到白云凹陷地区, 主要发育陆架边缘三角洲、沿岸砂坝复合体、深水水道以及斜坡扇体等。

图8 珠江口盆地SQ14.8不同体系域的沉积相图

Fig.8 The sedimentary facies plan view of SQ14.8 in the Pearl River Mouth Basin

3.2.3 SQ14.8高位体系域

SQ14.8 HST在陆架区主要以SB13.8为顶面, 到外陆架和陆架坡折区逐渐以BSFR为顶界。HST时期, 相对海平面上升变缓, 沉积滨线逐步向海推进, 高位三角洲沉积体系的范围不断扩大, 覆盖了惠州三维区大部分, 并跨越西江主洼、番禺4洼和恩平三维区直至番禺低隆起和白云凹陷西侧。整体来看, HST较TST粗碎屑沉积体系的范围更广, 沉积地层的厚度更大, 含砂率更高; 根据所处的位置, 这一时期的三角洲主要为内陆架至中陆架三角洲。

与TST类似, HST的沉积相展布特征主体为古珠江三角洲和陆架沉积体系(图8c)。与TST物源位置基本相同, HST也发育左右两个物源体系, 但右侧物源在原有规模基础上有明显向海推进趋势, 其右侧分支延伸到东沙隆起西侧, 覆盖了惠州地区的大部分; 左侧分支的河道及末端朵体几乎完全覆盖了番禺4洼地区, 三角洲内前缘也相应推进到了番禺4洼工区的西北部。HST时期左侧物源的规模和大小相比TST变化不大, 但向西的自旋回迁移痕迹明显, 左侧物源形成的三角洲越过了恩平地区抵达番禺低隆起的中南部。两物源的河道特征在地震剖面上表现为强振幅, 并具有极高的含砂率和箱状测井相特征。在三角洲沉积体系的外侧, 仍然发育陆架砂脊复合体和陆架砂席复合体, 与TST时期的展布特征类似, 西侧以砂脊复合体为主, 东侧以砂席复合体为主, 但规模相对变小。陆架坡折之下发育有平行陆坡的上‒中陆坡滑塌复合体, 为陆架坡折失稳时的沉积物。部分地区零星散布少量陆坡滑塌体, 多为混杂堆积, 在振幅属性上表现为强振幅特征。

3.2.4 SQ14.8强制海退体系域

由于相对海平面快速下降, FSST地层具有清晰的前积和逐级下降的叠置样式, 特征明显且易被识别(Posamentier and Morris, 2000; 谢利华等, 2009; 朱筱敏等, 2017; 余烨等, 2018)。FSST向陆逐渐尖灭于HST, 同时受海平面下降影响, 沉积物快速向海推进到陆架坡折处, 并在自身重力滑塌和陆坡坡度之间达到平衡, 使得陆架坡折带不断向海推进(祝彦贺等, 2011; 李文静等, 2018)。SQ14.8 FSST主要发育在番禺低隆起、东沙隆起南侧到白云凹陷地区, 地层厚度呈南北双向减薄的趋势, 在番禺低隆起中部尖灭于HST, 向南进入深水、超深水区, 厚度也明显变薄。

海平面a. 三角洲位于内陆架, 以河控三角洲为主; 海平面b. 三角洲位于中陆架, 波浪改造作用增强; 海平面c. 三角洲位于陆架边缘的局限位置, 控制了陆坡富砂扇体的发育。

通过恢复FSST的沉积相图, 认为该时期主要发育陆架边缘三角洲、沿岸砂坝复合体、深水水道以及斜坡扇体(图8d)。陆架边缘三角洲主要发育于番禺低隆起南侧到白云凹陷中西部, 在主供源位置的白云凹陷中部地区, 可见大型前积体, 倾角约2°～4°, 向盆地延伸较远, 厚度最大, 钻井平均厚度超过110 m, 在测井曲线上表现为多期反旋回砂体的叠置。而偏离物源方向的白云凹陷东部地区前积角度明显变缓, 地层厚度也明显变小, 在测井曲线上表现为一些薄层箱状的砂岩, 根据砂体的形态和展布特征, 推断该区的沉积物受到SW-NE 向水流的强烈改造而成为沿岸砂坝复合体。在陆架坡折带以下的陆坡上发育大量的重力流水道, 尤其是陆架边缘三角洲的前方, 形成一些大型的峡谷水道和斜坡扇体。

4 讨 论

4.1 对体系域划分的启示

层序地层划分的最终目的是把沉积地层划分成相对等时的、具有成因联系的地层单元。体系域是可容纳空间和沉积相互作用的结果, 具有特定的地层叠置样式, 是三级层序的基本单元, 因此, 对体系域的合理划分对于认识一个完整沉积旋回过程中的沉积体系展布和演化具有重要的意义(陈维涛等, 2012; 秦雁群等, 2017)。通过对SQ14.8三级层序体系域的划分和体系域格架下沉积体系的分析得出3点启示, 以期对于被动大陆边缘环境下的层序地层分析有借鉴意义:

(1) 体系域是进行盆地级区域沉积相分析较为合理的地层单元。虽然区域沉积相的分析依赖资料的丰富程度具有不同的详略级别, 但从准确认识一个地区的区域沉积相的演化过程和展布规律来看, 体系域单元的编图兼顾了区域的宏观格架和不同位置、不同演化阶段的优势相带的充分表达, 应是盆地级区域沉积相图最合适的编图单元。

(2) 在体系域四分方案中, FSST与HST、LST的有效区分是关键。在实际操作中优先选择主物源方向的典型剖面进行前积结构特征和滨线迁移轨迹的分析, 依据典型地区体系域划分的结果向周缘拓展最终形成符合全区的体系域划分方案。

(3) 体系域的划分依赖于一个沉积旋回过程中各个成因单元的发育和保存程度, 并不是每个三级层序都能够进行四分体系域划分。例如, 由于部分时期海平面下降幅度有限, 从而使得HST和FSST均发育于中、内陆架上, 物源方向地层的叠置样式均以前积为主而难以进行严格的区别。

4.2 海平面升降旋回控制下的三角洲类型演化

把三角洲的类型和演化过程与相对海平面的升降旋回结合起来, 为我们认识三角洲演化过程中水动力条件的变化、砂体的展布以及深水储层的发育提供了一个全新的视角。传统上, 对于三角洲类型认识往往依据沉积过程中河流、波浪和潮汐能量贡献的相对大小, 把三角洲认为是一个相对稳定的盆地内沉积(Janok and Brian, 2001; Janok and Liviu, 2003; Vander et al., 2010; Santra et al., 2013)。从SQ14.8各个体系域三角洲的展布特征可以发现, 在一个完整的相对海平面升降旋回过程中, 三角洲的内部特征和外部几何形态都会发生很大的变化。对于SQ14.8三级层序来说, 三角洲从LST、TST、HST到FSST不仅发育位置发生大规模的迁移, 其发育规模、形态、残余的优势相带都具有巨大的变化, 这种变化也反映出在陆架不同位置的海洋水动力条件会有巨大的差异。当三角洲位于内陆架时, 海底地貌更加趋于平坦, 波浪和潮流水动力会由于远离广海而趋于减弱, 河流的作用相对增强, 因此更容易形成建设性的河控三角洲。伴随着三角洲向中陆架迁移, 陆架变得更加开阔, 三角洲往往会发生大规模的摆动, 形成规模巨大的沉积体系; 同时海洋水动力增强, 三角洲前缘的一部分砂体会被改造成垂直物源方向的砂坝, 部分砂体会被带到陆架区在沿岸流及潮汐作用下形成陆架砂脊(图9)。随着海平面下降, 到外陆架至陆架边缘, 地形坡度显著增大, 从而使得三角洲更加局限在海底地貌控制的特定位置, 三角洲进积的角度明显增大, 而波浪和潮汐改造作用增强, 部分砂体被带到三角洲的侧翼形成沿岸砂坝。此外, 三角洲进入外陆架和陆架坡折, 为深水沉积体系的发育提供了粗碎屑物质基础, 陆架边缘三角洲的发育往往预示着陆坡和深水盆地大概率的发育粗碎屑的重力流沉积, 为深水储层的预测提供了指引; 而三角洲到达外陆架, 也使得之后的海侵体系域中更多地发育受洋流改造形成的陆架砂沉积体系。

4.3 强制海退体系域的识别对深水储层预测的意义

近年来南海北部深水区油气勘探不断取得突破, 已经成为我国油气增长的重要勘探新领域。鉴于深水钻井的高昂成本, 能否准确找到大型深水储集体是深水油气勘探的关键所在(庞雄等, 2007a)。强制海退体系域的识别及沉积展布研究对于精确预测深水储层具有重要的指导意义。强制海退期形成的陆架边缘三角洲是深水地区储层发育最为主要的物源, 三角洲发育位置、规模、岩相组合对深水储层发育具有决定性作用(徐少华等, 2018)。在SQ14.8层序内, 伴随强制海退体系域的发育, 古珠江三角洲逐步推进到陆架坡折, 在番禺低隆起西南侧发育陆架边缘三角洲, 在番禺低隆起东南侧及东沙隆起南侧发育沿岸砂坝, 由此便带来相应陆坡区截然不同的深水砂体发育潜力(图10a)。在白云凹陷西侧, 强制海退期形成的陆架边缘三角洲触发大量浊流活动, 形成了典型的重力流水道和相应浊积扇体, 均方根振幅属性图上显示出明显的强振幅, 钻探证实为砂质储层; 与此形成鲜明对比的是, 在白云凹陷的东侧, 垂直于水道方向的地震剖面上有垮塌、重力流侧向加积等特征, 但下切不明显, 下端的扇体振幅较弱, 以泥质扇为主, 扇体之上可能发育少量砂质水道(图10b)。

4.4 对古气候和古海洋的启示

SQ14.8三级层序从HST到FSST沉积滨线发生了长距离的迁移(周家伟等, 2018), 从内陆架横跨近300 km的南海北部陆缘一直到达陆架坡折, 反映了该时期相对海平面大幅下降。通过对中新世南海北部的构造演化和海平面升降曲线分析, 认为南海北部在中新世处于稳定的被动大陆边缘, 没有发生明显的构造事件(秦国权, 2002)。而南海北部相对海平面升降曲线表明, 与新近纪以来该区呈现的“台阶式”海侵特征形成对比, 13.8 Ma存在新近纪以来最大规模的一次海平面下降(秦国权, 2002; 朱锐等, 2015)。

对于13.8 Ma时期发生如此大规模的海平面下降的原因, 目前尚未取得统一认识。本文研究发现, 中中新世变冷事件可能是造成13.8 Ma时期强烈海平面下降的主要触发因素。中中新世变冷事件最初是由Miller et al. (1988)通过对DSDP-522及ODP563、608和747孔底栖有孔虫研究时, 发现O同位素显著正偏移而提出的(胡修棉和王成善, 1999; 陆钧和陈木宏, 2006), 并命名为Mi3(图11a), 且认为该事件造成了南极冰盖扩张和永久性形成, 时间为14.2～13.6 Ma。Woodruff and Savin (1991)对西南太平洋588站底栖有孔虫O同位素研究, 也同样在该时期发现O同位素变重事件(图11d的F变重事件)。Holbourn et al. (2014)对东太平洋IODP1338站位的δ13C、δ18O、Si/Ti值等数据分析发现, 在14.7～13.8 Ma之间碳酸盐含量显著减少而δ18O值明显正偏, 说明这一时期存在一次气候变冷事件, 同时发现13.8 Ma沉积物供给率发生了剧烈增大。西太平洋赤道区南海ODP1148站位研究也得到中新世(25 Ma)以来完整连续的高分辨率底栖有孔虫O、C同位素变化曲线, 同样发现14.4～13.6 Ma呈现δ18O值剧烈快速正偏移, 震幅达0.9‰(图11b、c)(赵泉鸿等, 2001; 陈晓良等, 2002; 黄奇瑜等, 2012)。白云深水区BY7-a井中获取的该时期O同位素曲线也反映出相同规律(秦国权, 2002)。

综上, 中中新世变冷事件的影响具有显著的全球性, 对应于南极冰盖的迅速扩张, 伴生全球海平面下降、底层水显著变冷等。SQ14.8三级层序从高位到强制海退体系域强烈的海平面下降, 三角洲沉积体系的长距离向海迁移, 海底峡谷、迁移水道以及富砂的斜坡扇体的发育, 说明中中新世变冷事件不仅在深水的O同位素中可以找到证据, 在陆架到陆坡区地层中也有显著的沉积记录响应。

5 结 论

(1) 应用珠江口盆地的地震、钻井等资料, 对SQ14.8三级层序开展了层序和体系域界面的识别, 建立了该层序四分模式的层序地层格架, 分析了不同界面的识别特征和有利识别位置。在此基础上得出3点启示, 对于被动大陆边缘盆地的层序地层划分和对比具有一定的借鉴意义: ①体系域单元的编图兼顾了区域格架和优势相带的充分表达, 是进行盆地级区域沉积相分析较为合理的地层单元; ②FSST与HST、LST的有效区分是一个三级层序进行四分体系域的关键; ③并不是每个三级层序都能够进行完整的四分体系域划分, 取决于各个成因单元的发育和保存程度。

(2) 以四分体系域为格架, 分析了每个体系域的沉积展布特征, 重点对古珠江三角洲的演化过程进行分析, 认为在海平面升降旋回的驱动下, 三角洲不仅发育位置发生从陆架至陆坡区长距离的迁移, 更形成不同的外部形态和砂体展布特征。对于SQ14.8, 当三角洲位于内陆架时, 以河流作用为主, 形成建设性的河控三角洲; 当三角洲迁移到中陆架至外陆架时, 波浪和潮汐作用增强, 使其前缘和陆架区发育被改造形成的砂坝或砂脊; 当三角洲到达陆架边缘时, 形成高角度前积的陆架边缘三角洲, 在其侧翼发育受波浪和沿岸流改造的沿岸砂坝。

(3) 强制海退体系域的识别及沉积展布研究对于精确预测深水储层具有重要的指导意义。SQ14.8强制海退体系域在番禺低隆起西南侧发育陆架边缘三角洲, 因此在其下方的白云凹陷西侧是寻找富砂的重力流水道和浊积扇体的有利地区; 在番禺低隆起东南侧及东沙隆起南侧以泥质沉积为主, 仅发育少量波浪和沿岸流携带而来的沿岸砂坝, 相应的下端扇体以泥质扇为主, 仅在扇体顶部可能发育少量砂质水道。

(a) 强制海退体系域的沉积展布及其与深水沉积体系的响应关系模式图; (b) 均方根振幅属性显示SQ14.8强制海退体系域陆架边缘及陆坡的砂体展布。

(c) 图为1148站O同位素5点平滑曲线, 垂直虚线分别为3个平台δ18O的平均值; Mi1～Mi7代表中新世δ18O变重事件; A～D代表O同位素变轻事件; E、F为O同位素变重事件; NHG代表北半球冰盖形成事件。同位素数据据Woodruff et al., 1991; Miller et al., 1991; Miller and Mountain, 1996; 赵泉鸿等, 2001; 陈晓良等, 2002; 黄奇瑜等, 2012。

(4) 综合分析认为中中新世变冷事件是造成13.8 Ma时期相对海平面强烈下降的主要原因, 在珠江口盆地促成SQ14.8层序典型FSST和陆架边缘三角洲的发育。同时, 进一步证明中中新世变冷事件是一次全球性的气候事件, 不仅导致南极冰盖的扩张和永久形成, 也引起整个全球海平面的急剧下降, 其响应不仅可以在深水有孔虫的O同位素中找到证据, 在陆缘地区的地层中也有清晰的沉积记录响应。

中海石油(中国)有限公司深圳分公司研究院的多位专家、首席在论文写作过程中提供了很多有益的建议和想法; 中国科学院南海海洋研究所卓海腾副研究员对论文提升提出了很多的修改意见; 几位审稿专家提出了非常中肯、十分有价值的修改意见, 在此一并表示感谢！

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The Mid-Miocene Stratigraphic-depositional Evolution Recorded by the SQ14.8 Layer in Pearl River Mouth Basin and its Geological Significances

CHEN Weitao1, 2, 3, SUN Zhen1, HE Min3, ZHANG Qin3, WANG Wenyong3, WANG Xucheng3and XU Shaohua4*

(1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, Guangdong, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Shenzhen Branch of CNOOC Ltd., Shenzhen 518000, Guangdong, China; 4. Chongqing Key Laboratory of Complex Oil and Gas Field Exploration and Development, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

Located on the northern margin of the South China Sea, the Pearl River Mouth Basin experienced an abrupt change in tectonics, sedimentation, and paleoclimate conditions during the Middle Miocene. Research of the sequence stratigraphy and sedimentation of the ancient Pearl River sedimentary system is critical to decode this important transition. The SQ14.8 layer deposited during the Mid-Miocene was studied by utilizing 3D seismic and borehole data. Through systematic study of the sequence stratigraphy and the key stratigraphic boundaries, we established a high-resolution, four-order sequence stratigraphic framework for the SQ14.8 layer, and mapped the shelf to slope distribution and evolution of major depositional systems. Our results revealed that the SQ14.8 layer possibly recorded the largest sea level drop since the Neogene for the entire Pearl River Mouth Basin. This sea level drop triggered a long-distance migration of the depositional shorelines across the shelf to the shelf edge, forming a set of lowstand to forced-regressive deposition. Along with the progradation from the inner shelf to the shelf margin, the sedimentary process of the ancient Pearl River Delta which dominated the shelf region, had changed from river-dominated to wave- or wave-current dominated types, driven by the relative sea-level fall. It should be noted that the recognition of the forced regressive units provided valuable insights into the prediction of deep-water sandy reservoirs. For instance, it will be much easier to pinpoint deep-water sands beyond the region with the presence of shelf-edge deltas associated with the forced regression. In contrast, only muddy submarine fans tended to form within the flank region of the same shelf-edge delta. After comprehensive analysis, it is believed that that the Mid-Miocene cooling event was the most important driver for the relative sea level fall at 13.8 Ma, which final led to the development of the typical forced regressive units as well as the shelf-edge deltas. Our results also demonstrated that the cooling event should be a global one, and its profound responses can be found not only in the oxygen isotopes from cores in major oceans, but also in the depositional records from the marginal sea basins.

sequence stratigraphy; ancient Pearl River Delta; Pearl River Mouth Basin; forced regressive systems tract; Mid-Miocene

2020-04-06;

2020-07-05

十三五国家科技重大专项课题“南海东部海域勘探新领域及关键技术”(2016ZX05024-004)、南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0104、GML2019ZD0205、2019BT2H594)联合资助。

陈维涛(1983–), 男, 博士研究生, 海洋地质学专业。Email: chenwt2@cnooc.com.cn

徐少华(1987–), 男, 讲师, 主要从事层序地层学和沉积学等研究工作。Email: xsh_xu@163.com

TE51

A

1001-1552(2021)05-0875-017

10.16539/j.ddgzyckx.2021.05.004