付 超，于兴河，何玉林 ，梁金强，匡增桂，董亦思，金丽娜

(1.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083; 2.广州海洋地质调查局，广东 广州 510760; 3.中国科学院 地质与地球物理研究所，北京 100029)

0 引 言

神狐海域沟壑纵横，发育多期不同形态的水道。深水水道发育形态受控因素较多，如重力、底流(或等深流)、大洋涡流共同作用，除此之外，水下峡谷中往复的潮汐底流、各种内波、上升流和下降流等都对其有所影响[1-3]。同时，受限于地震精度不高、自由气影响地震同相轴极性等因素，仅依靠地震反射终止关系很难对峡谷附近的层序有较好的划分方案[4-5]。然而深海区域等时界面的建立对确立各时期的沉积过程、沉积参数等沉积特征具有重要的意义[6]。因此，前人对其进行深入研究，Olabode[7]提出利用地震反射特征(极性、连续性)差异对峡谷区的层序进行划分。 Di Celma[5]在此基础上提出利用单井数据识别出四级侵蚀界面，从而确定不同尺度下层序的划分方案。随着层序标准化的发展，针对深水峡谷区这类侧向剧烈变化的情况，Berton[8]和Neal[9]认为仅利用地震接触关系和典型井点难以进行标准层序划分。

除了难以空间对比之外，目前仅利用定性描述的方法来研究深水峡谷的层序结构和层序格架是不够的，原因是该方法不能反映形成层序的机制。Amorosi 2016年在研究Adriatic Sea和Jiang 2016年在研究南海北部陆坡晚中新世沉积结构时均指出，不能将层序演化仅仅归纳为可容纳空间的演化。尤其是这种划分方法无法解释低位域和高位域时期在峡谷内部可以发育大量粗粒沉积物的现象[10]。

本次研究通过对神狐峡谷的层序结构进行分析，指出高位域发育粗粒沉积物是由于层序结构差异发育造成的。通过统计加积距离(A)、进积距离(P)、加积速率(Ra)、进积速率(Rp)、沉积通量(Fc)和陆架坡折迁移轨迹(TSe)[11]，发现研究区存在两种类型的层序结构：物源驱动型层序和沉降驱动型层序。提出了这两种层序结构的区别、划分方案和演化模式。

采用多尺度的层序识别方法，通过地震同相轴接触关系对三级层序进行划分，然后井震结合划分出四级层序界面。通过对8口井的四级界面识别确定对应的各层序沉积参数，建立三维层序格架，在此基础上分析影响层序形成的多重因素。

1 区域地质背景

神狐研究区位于南海北部陆坡中部，珠江口盆地南部白云凹陷的深海沉积区(图1(a))。经度范围为113°10″～113°20″。珠江口盆地为新生代沉积盆地，在古近纪后共发生3次构造运动，即古新世至早渐新世裂谷阶段、晚渐新世过渡阶段和早中新世到第四纪坳陷阶段[12-13]。晚渐新世至早中新世，南海发生一次较大规模构造运动，称白云运动。该运动使得珠江口外陆架坡折向北跃迁，沉积中心随之北移，白云凹陷演化为深水陆坡环境[14]。

图1 2015年神狐水合物钻探区位置及本次研究中使用的水合物钻探井位置Fig.1 Location of the gas hydrate drilling sites in 2015 (study area), and those analyzed in this study(a)构造分区；(b)海底地貌；(c)综合柱状图；1.开云低凸起；2.番禺低凸起；3.东沙隆起；4.白云凹陷

Haq等[15]建立了全球海平面变化曲线，在此基础上，Han等[16]根据Haq曲线研究指出南海在晚中新世后海平面不断上升，南海北部海侵程度增强。珠江口陆架三角洲向海方向沉积推进受到限制，沉积作用明显向北迁移。海平面旋回(图1(c))在低位期下降到中陆架的位置(即珠一坳陷南部边界)，粗粒物质主要沉积在外陆架的番禺低隆起区，白云凹陷的沉积速率大大降低，大量细粒或泥质沉积物进入到白云深水区。水合物新钻遇区位于珠江口盆地南部深水区，粒度相对较细[14]。

本次研究的主要井位分布在峡谷两侧的隆起区(井位坐标见图1(b))，峡谷位于白云凹陷中部(2007年中国第一次海域天然气水合物钻探航次(GMGS1)西侧)，多为北北西走向。根据陈芳等[17]研究认为水合物储层岩性为粤海组的含有孔虫细粒粉砂岩—泥岩，上部万山组的细粒沉积物可以作为水合物储层的区域盖层；下部韩江组的高有机质泥岩沉积可以为水合物储层提供气源(图1(c))。根据海底地形的多波束数据可以确定其斜坡上部主要形态为不对称的Ⅴ型和对称的U型，斜坡下部较为平坦。研究区坡度较大，最大坡度可以达到2°，深度为800～2 000 m。新钻探区(2015年中国第三次海域天然气水合物钻探航次GMGS3)和GMGS1沉积背景相近，沉积单元类型相似。依据Wang等[18]对GMGS1沉积单元的研究，GMGS3沉积单元的类型具体可以分成谷底沉积(TDs)、斜坡沉积(LIDs)、基底侵蚀间断(BEDs)和沉积物(SW)。

2 层序界面识别

根据相对海平面变化曲线，白云凹陷粤海组时期海平面相对较高，而万山组时期海平面相对较低，故其深水重力流沉积物通量不同[11,19]。首先根据Clift 2015年对工区北部(番禺低隆起)PY33-1-1的定年研究，识别万山组底界(对应5.5 Ma)和粤海组底界(对应11.5 Ma)。然后通过临区钻井对比(LW3-1-1)和W18的合成地震记录(图2)，确定研究区地震地层的地质年代。

为了精细对比沉积结构的差异，本次研究摒弃了传统的可以涵盖所有层序模式的概念及方法，而是以体系域、层序界面为研究对象的标准化层序研究[4,20]。同时，采用Di Celma[5]对峡谷层序研究提出的分级方案及研究手段，将研究层段分成三级层序(大型峡谷侵蚀界面)和四级层序(峡谷内小型摆动水道侵蚀面)。依据Vail[21]对三级层序时间跨度的要求(0.5～3 Ma)，地震接触界面和井震标定，划分出3个三级层序界面(T1、T2、T3)，其中T1对应更新世琼海组的底界面；T2对应上新世万山组的底界面；T3对应晚中新世粤海组的底界面。在T2和T3界面间划分出3个层序界面(T21、T22、T23)(划分方案见图1)。

2.1 地震识别标志

峡谷区由于水道相互交切，根据地震界面难以准确判断各侵蚀界面的级次。Deptuck[22]在对Niger斜坡的水道进行研究时指出水道演化具有阶段性特点。本次研究利用侵蚀面作为等时界面，确定峡谷侵蚀区三级层序界面的相对位置。但是在不同峡谷形成阶段，判断侵蚀面的方法不同。

图3 不同类型水道侵蚀与三级层序界面识别Fig.3 Different canyon evolution stages and the identified three-order stratigraphic boundary

(1)侵蚀阶段。水道下切侵蚀不深，有清晰的下切边界(图3)[23-24]，水道易迁移形成连续的下切侵蚀面。一般认为侵蚀面底部为等时界面。(2)改造阶段。水道侵蚀易造成沉积物失稳，造成峡谷两侧发生大量滑塌体，滑塌体对底部水道滞留沉积产生置换(Displacement)[25](图3)，由于滑塌体形成是伴随水道侵蚀形成的，故可以将滑塌体底部和水道侵蚀面确定为等时的层序边界。(3)充填阶段。内部多期水道相互交切，并且通常伴随侧向迁移(图3)，在同一时间段内多期叠加水道可以共存在一个峡谷中[5,23]，因此可将其共同的侵蚀界面作为等时的层序边界。(4)差异沉降阶段。受不稳定沉降作用导致峡谷轴向距离较宽，形成小型的微盆地(mini-basin)[26]，连续的上超点可以作为微盆地边缘的标志，从而将其作为等时的层序边界。

2.2 单井识别标志

图4 四级次水道侵蚀识别和井震结合层序划分Fig.4 Four-order stratigraphic boundary distinguished and the integrated core-well-seismic data analysis

在三级侵蚀界面识别基础上，可以完成峡谷区T2—T3的刻画。但是对于侵蚀较为严重的T1，仅在地震资料上是很难识别的。T2和T3受水道定向迁移作用影响(图4)，同相轴错乱，因此针对这种在限制性峡谷内峡谷定向摆动的水道界面定义为四级层序界面。对于四级侵蚀界面，仅仅根据地震资料同样较难划分，故本次研究参考Di Celma[5]的方法(图4)，依据其垂向沉积韵律，结合测井岩心资料，在空间上识别出次级侵蚀界面[5]。选取从陆坡上游到下游的三条过井剖面，在峡谷充填内部可见明显的同相轴极性的韵律性叠置，通过井震标定(图4)后确定极性变化处均发生GR值的突变，在成像测井和岩心上可见明显的侵蚀界面。

3 层序差异分析

依据界面识别标志，对NNW 向的剖面进行层序格架的建立。并且依据Catuneanu[4]提出的体系域的划分标准，对其体系域进行识别(图5)。认为在层序Ⅲ和层序Ⅳ中峡谷下切较深，有明显的侵蚀谷；在上部的层序Ⅰ、层序Ⅱ和下部的层序Ⅴ和层序Ⅳ中，其层序边界侵蚀谷不明显，但层序上部发育较为明显的进积楔(图5)。Muto[27]对滨岸轨迹(shoreline trajectory)进行研究，计算深海峡谷可容纳空间大小和物源供给通量。

图5 峡谷区层序划分与解剖Fig.5 Canyon stratigraphic division and seismic profile analysis

研究区在晚渐新世—早中中新世时期受白云运动作用，海平面上升到北部的番禺低隆起上(图1)，使研究区完全处于深水陆坡环境中[28]。参考Moto[27]提出的陆架前积体模型，本次研究将其扩展到深水陆坡环境，用于求取陆坡峡谷区的沉积参数(海平面升降和物源供给、古地貌和可容纳空间)。目前对峡谷区的层序定量计算通常采用Moto[27]和Neal[9]提出的层序定量化统计参数：加积距离(A)，进积距离(P)、加积速率(Ra)、进积速率(Rp)、沉积通量(Fc)和陆架坡折迁移轨迹(TSe)。

两种类型的层序参数计算方法不同：对于物源驱动型层序结构中加积速率(Ra)主要由物源供给速率(S)决定(Ra=S)；对于沉降驱动型层序结构中加积速率(Ra)由沉积物供给速率(S)和沉降速率(D)共同控制(Ra=S-D)。

3.1 物源驱动型层序参数计算

加积速率(Ra)计算方法：物源供给速率(S)主要依靠GR值和粒度数据推算(图6)。在深海沉积中，主要的快速堆积类型为远源浊流和近源垮塌体。Yu[29]指出该研究区中粗粒物质代表沉积速率相对较快，并且得到粒度和物源供给速率(S)间的量化关系(S=4.2Φ-0.2)。利用其关系得到物源供给速率(S)。物源供给速率(S)的垂向分量表示加积速率(Ra)。在具体计算过程中，通过统计地震剖面中水道充填厚度(B)和水道平均充填时间(T)得到，根据如下计算公式：

Ra=B/T=S

(1)

进而确定其加积速率。

进积速度(Rp)计算方法：首先通过统计剖面上前积同相轴的长度，得到沉积体长轴方向距离(L)，然后依据Moto 2002年的计算公式：

Rp=L/T

(2)

依据上述计算方法，层序 Ⅲ和层序Ⅳ中加积距离(A)顺陆坡向下逐渐增大后迅速减小，进积距离(P)变化不明显。加积速率(Ra)为40～80 m/Ma，进积速率(Rp)为1.0～1.5 km/Ma。层序 Ⅲ沉积参数变化幅度和范围大于层序Ⅳ。可以解释为层序 Ⅲ和层序Ⅳ物源供给主要来自远源的浊流沉积和近源陆坡垮塌，因此在陆坡转折处加积速率最快；在海底平原范围内主要沉积半深海泥质沉积，沉积物通量下降迅速降低。层序 Ⅲ和层序 Ⅳ的沉积参数变化可能是海平面的频率变化引起的(图1)。

根据剖面解释(图5)，这种类型海底陆坡转折点的运动轨迹是向远离岸线方向移动，呈现上超型曲线。进积曲线和沉积通量曲线为明显的三段式。

3.2 沉降驱动型层序参数计算

加积速率(Ra)计算方法：由物源供给(S)减去沉降速率(D)得到。研究区沉积物的密度和粒度相近，压实程度不高，因此压实校正、古水深校正和海平面变化校正均可忽略。其沉降速率(D)参考Liao[30]对白云凹陷沉降计算方法，分成构造沉降(H)和热沉降(W)，其中构造沉降(H)对研究区的影响可以通过统计断点间的垂向距离差得到。

加积速率(Ra)的计算公式为地震剖面中水道充填厚度(B)减去构造沉降(H)，和沉积时间(T)的比值：

Ra=(B-H)/T=S

(3)

进积速度(Rp)计算方法：可以按照公式(2)计算方法，通过统计前积体的长轴距离得到。

依据上述计算方法，层序Ⅴ和层序 Ⅳ的加积距离和进积距离相对稳定，没有较大的变化。层序Ⅴ和层序 Ⅳ沉积过程相对稳定，没有发生较为明显的变化，沉积物持续提供，但沉积物通量相比较小，不发生明显的沟谷侵蚀。但受东沙运动作用(图1)影响，底部发生铲式断裂，断距为50～150 m，造成进积曲线和沉积通量曲线呈现明显的四段式。

4 深水区峡谷层序演化模式

4.1 物源驱动型层序演化模式

通过对层序Ⅲ和层序Ⅳ进行精细解剖，深水峡谷区在快速沉积充填过程中可以划分成“三元”结构，即低位域、海侵域和高位域。对于低位域的峡谷区，大量的远源浊流沉积由古珠江三角洲提供。浊流对峡谷的侵蚀造成峡谷区峡谷侧壁的失稳，从而增加了浊积水道侧向迁移的可能(图5层序Ⅲ和层序Ⅳ剖面)。不稳定的峡谷环境发育大量的近源滑塌体，堆积在陆坡底部转折处。同时由于低位域可容纳空间较小，并且没有新的可容纳空间产生(构造沉降产生新的可容纳空间)，因此大量的沉积物对底部侵蚀，形成明显的下切侵蚀谷，进而形成了峡谷区沟壑相间的特点。

对于海侵域的峡谷区，海平面持续上升，但沉积物供给量下降。在地震反射特征上表现为下切侵蚀谷上部连续性较好、反射极性较强。在沉积过程中将其解释为滑塌体数量减少、浊积水道收缩、侵蚀程度下降。即由于可容纳空间增加，沉积物供给量减少，出现上超型前积反射。

对于高位域的峡谷区，海平面相对较高。此时沉积中心不断后撤，浊流沉积和近源滑塌不发育。在地震剖面上(图5)显示该层段大量发育波状平行反射，连续性较好。Gong[31]将其解释为该时期底流作用较强，对峡谷区原有的沉积物进行侵蚀，形成大面沉积物波和细粒牵引流沉积。综合认为物源驱动型层序演化模式符合经典的陆坡沉积演化过程[21]，即一般发育完整的“三元”层序结构。

4.2 沉降驱动型层序演化模式

通过对层序Ⅴ和层序Ⅳ进行精细解剖，深水峡谷区在沉降过程中其沉积过程可以划分成“四元”结构，即低位域、海侵域、高位域和海退域。对于低位域的峡谷区，有大量沉积物供给，但是相比物源供给型层序结构沉积物供给量较小，因此无法形成大范围的侵蚀峡谷。并且，由于铲式正断层的发育，使可容纳空间增加，因此在低位域时期可以看到较为完整的透镜状地震相(图5层序 Ⅳ剖面)，将其解释为陆坡扇和盆地扇。

对于海侵域和高位域的峡谷区，海平面持续上升，但沉积物供给量下降，沉积中心不断后撤，底流改造作用增强，体系域内充填样式和物源供给驱动型层序演化模式相似。

海退域的划分主要依据Catuneanu[4]的层序标准化的要求提出的，即依据不同的沉积叠加样式划分体系域。在地震剖面上((图5)层序Ⅴ和层序Ⅳ高位域为下谷上部较为连续的一套地震反射轴，极性较强。但其在层序Ⅳ和层序Ⅲ的低位侵蚀谷底界面中存在一系列成明显“S”型进积的同相轴。根据层序内参数统计结果(层序Ⅴ和层序Ⅳ在该阶段加积速率(Ra)和进积速率(Rp)均增加)，将其划分成海退域。该时期，沉积无供应增加，浊积流体和近源滑塌增加。同时底流作用也较强，因此形成了大面积底流改造的粗粒沉积物，同时该时期沉积物波和天然堤较为发育。

5 深水区峡谷层序演化控制因素

根据前文描述，神狐峡谷区层序结构多样，分布规律和几何形态不均一，说明其所受的影响因素并不单一。参考Yuan[32]的研究成果，认为构造背景、气候和海平面变化、古海底地形都可以成为峡谷区层序样式的控制因素。结合Clark[33]在研究尼罗河三角洲时指出断裂对层序样式也具有控制作用。综上所述及大量前人对峡谷区层序样式的主控因素的研究成果，认为研究区主要处于深水环境，古气候和海平面对新近系峡谷影响不大，将古地貌变化和断裂构造(物源供给和可容纳空间)归为深水区峡谷层序演化多样的主要原因[33-35]。

图7 两种类型层序演化模式Fig.7 Two evolution patterns of stratigraphic evolution

图8 古地貌对层序演化的控制作用Fig.8 Controls of paleo-geomorphology on stratigraphic evolution

物源驱动型层序演化模式沉降驱动型层序演化模式体系域组成低位域+海侵域+高位域低位域+海侵域+高位域+海退域海平面变化幅度海平面变化明显(层序Ⅳ)、海平面变化不明显(层序Ⅲ)同时存在海平面变化不明显(层序Ⅴ和层序Ⅳ)层序界面具有明显的峡谷侵蚀界面作为初始洪泛面(FS);最大海泛面(MFS)反射较弱,但连续性强具有较明显的峡谷侵蚀界面作为初始洪泛面(FS);最大海泛面(MFS)反射较强,中部有明显错断;海泛面上部发育较为整齐的前积体底界面为最大海退面(MRS)主控因素物源供给、海平面变化、气候物源供给、海平面变化、气候,基底构造运动沉积单元斜坡扇、盆地扇(低位域);沉积物波,水道体系(高位域和海侵域)斜坡扇、海底扇(低位域);沉积物波,水道体系、斜坡扇(高位域和海侵域)识别标志同相轴内部连续性较好,顶部有明显的峡谷侵蚀同相轴内部存在明显错断,侵蚀面上下均可见整齐同相轴前积

根据层序Ⅱ—层序Ⅳ的古地貌演化特征(图8)，峡谷A、B、C在新近系定向迁移的方向不同，因此推断，该时期峡谷移动主要受地貌的差异抬升造成的，而非底流作用。新近系以来研究区西部受差异压实而缓慢抬升，因此导致峡谷A和峡谷B逐步向东侧移动。正是由于这种峡谷的定向迁移导致峡谷A和B逐渐分离形成汇聚性水道。

峡谷区地貌的变化，改变了侵蚀的强度和物源供给量[36]。层序Ⅳ时期斜坡倾角较小，全区物源供给量较少，因此有利于沉降驱动型层序边界的形成；相反，在层序Ⅱ和层序Ⅲ中，地层倾角不断增大，随着AB水道的汇聚，物源供给持续增加，因此更有利于物源驱动型层序的形成。

断裂构造在神狐峡谷区主要发育两种类型：由于断裂错动导致的大型滑脱断裂和由于差异压实导致的小型失稳断裂。前者控制着基底的相对位置，进而控制可容纳空间的大小[37]。在图5的剖面解释中，层序Ⅴ和层序Ⅳ中发育同生断裂，导致上盘同相轴向下错断。除了大型断裂，在层序内部还发育少量小型同生断裂，由于其对层序影响较小，因此，研究中可以忽略这类断裂。

6 结 论

(1)通过将峡谷演化和多级次层序界面相结合，在南海北部陆坡白云凹陷神狐海域确定了6个四级层序。其中各层序界面平面样式不同：在层序Ⅲ和层序Ⅳ的界面上可见明显的下切谷，而层序Ⅴ和层序Ⅳ层序中可见同生断裂。其中层序Ⅲ、Ⅳ属于物源驱动型层序，层序Ⅴ、Ⅳ属于沉降驱动型层序。

(2)确定两种类型的层序参数的统计公式，认为沉降驱动型层序和物源驱动型层序的加积速率(Ra)方法不同，沉降驱动型层序在计算加积速率(Ra)仅需考虑物源供给速率(S)，而物源驱动型层序在计算加积速率(Ra)要考虑到物源供给速率(S)和构造沉降(H)。

(3)提出两种类型的层序演化模式。物源驱动型层序，受控于沉积物供应，易发育大规模的侵蚀峡谷和重力流沉积，可以划分成3个体系域：低位域浊积水道发育，近源垮塌较多；海侵域浊积水道萎缩，近源垮塌减少；高位域底流改造增强。沉降驱动型层序，沉积过程伴随同生断裂，其可以划分成4个体系域：低位域、海侵域和高位域沉积特征和物源驱动型层序相同，海退域中底流改造和快速堆积同时存在。同时对造成层序结构的内外原因进行总结，外因为古气候、海平面，内因为古地貌变化和断裂构造。认为内因是控制新近系深水区峡谷层序演化的主要原因。

致谢：本次研究数据由广州海洋地质调查局提供，在此对为本次研究提供帮助的林霖、唐倩宇、赵晨帆表示感谢。