姜 静,张忠涛,李 浩,罗 祎,田洪训,刘汉尧

[1.中国大洋矿产资源研究开发协会,北京 100860; 2.中国地质大学(北京) 海洋学院,北京 100083;3.中国海洋石油(中国)有限公司 深圳分公司研究院,广东 深圳 518000]

层序地层学是源自被动大陆边缘的一门地层学分支学科,其建立的等时地层格架对于沉积体系研究和油气勘探开发都具有十分重要的意义[1-4]。层序地层学自成立以来经历了30多年不断的发展和完善,随着地震、钻测井等资料品质的提高,陆架边缘有关沉积体系及演化过程的研究和发展,原有的层序地层学模式不断面临新的挑战,当前对层序的划分方案存在很多学派和争议,至今尚未形成统一的标准[5-10]。有关陆架边缘的沉积作用和沉积过程,一直以来也都是国际上的热点突出问题。珠江口盆地发育了很好的陆架边缘斜坡沉积体系,且具有丰富的高品质3D和2D地震资料,可以清晰地识别出层序的结构和特征,为研究陆架边缘斜坡带的层序模式和沉积体系提供了很好的条件。

近年来,在南海北部神狐海域开展的天然气水合物勘探和开采试验取得重大进展,创造了“持续产气60 d，产气总量30.9×104m3”的世界纪录,引起了广泛的关注[11-13]。神狐海域的水合物钻探区位于研究区的斜坡一带,本文在对地震、测井、古生物等资料综合解释的基础上,开展研究区的层序地层格架和模式研究,可以为揭示天然气水合物资源的形成和影响因素,分布预测等提供依据。

1 区域地质背景

珠江口盆地位于南海北部的陆架边缘区,是北部边缘重要的新生代裂陷盆地之一,面积约17.5×104km2,油气资源含量丰富[14-16]。珠江口盆地现今呈三隆两坳的格局,走向沿NE-NEE,由北向南依次为北部断阶带、北部坳陷带、中央隆起带、南部坳陷带以及南部隆起带[14,17-19]。研究区位于珠江口盆地的陆架边缘带,包括白云凹陷、番禺低隆起南部以及东沙隆起西南部(图1)。

珠江口盆地晚中新世以来发育的地层自下而上依次为粤海组、万山组和第四系(图2)。粤海组厚约400～600 m,以广泛发育的一系列平行展布于整个陆架斜坡带的单向迁移水道为特征。万山组在研究区相对较薄,仅100～300 m,在番禺低隆起区以平行反射为主,至白云凹陷北斜坡主要由斜坡水道组成,而东沙隆起附近则因地层遭受剥蚀而大量缺失。第四系相对较厚,陆架坡折带附近可达500～700 m,以大规模发育的高角度斜坡前积层为主要特征。

图1 珠江口盆地构造分区和研究区位置(根据中海油深圳分公司研究院资料整理)Fig.1 Tectonic division of the Pearl River Mouth Basin and location of the study area(revised on the basis of data from Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.)

图2 珠江口盆地晚中新世—第四纪层序划分和盆地充填演化Fig.2 Sequence classification and depositional evolution of the Late Miocene to Quaternary in the Pearl River Mouth Basin

2 层序划分和界面特征

2.1 层序划分方案

综合利用单井分析、连井对比、3D和2D地震资料追踪,在研究区晚中新世—第四纪的地层中识别出2个复合层序(CS1和CS2)和8个层序(S1—S8)(图2,图3)。其中,CS1大致对应粤海组和万山组,CS2对应第四系,两个复合层序底界面分别是区域不整合面CSB1和CSB2。CS1内部可进一步划分为5个层序,层序对应底界面分别是SB1—SB5;CS2内部可划分出3个层序,对应底界面为SB6—SB8。据生物地层资料的标定,研究区内的复合层序持续时间约3～7 Ma,可大致看作二级层序;8个层序持续的地质时间分别约0.8～2.3 Ma,可看作是三级层序[20]。

2.2 层序界面特征

根据层序划分方案,研究区晚中新世以来发育的2个二级层序和8个三级层序分别对应二级层序界面CSB1,CSB2和三级层序界面SB1—SB8。这些层序界面的特征主要如下。

2.2.1 二级层序界面

二级层序界面的不整合分布范围广泛,可进行区域性对比,是建立区域性层序地层格架的基本单元[21]。二级层序的形成常受控于周期性的构造演化,又称为“构造层序”[22]。研究区在晚中新世以来发育的地层中识别出2个区域性(二级)水进-水退旋回,分别对应区域性不整合界面CSB1和CSB2,其形成应该与构造运动有关[23],这些界面都可以进行区域性的追踪和对比。

图3 研究区晚中新世—第四纪层序地层格架(剖面位置见图1)Fig.3 Late Miocene-Quaternary sequence stratigraphic framework of the study area(see Fig.1 for the location of the profile)

CSB1对应粤海组的底界面,即中中新世与晚中新世之间的区域不整合面,年龄约10.5 Ma。该不整合面在云荔低凸起和东沙隆起附近均表现出明显的角度不整合特征,并且在番禺低隆起南部和白云凹陷北斜坡一带大范围遭受陆架边缘斜坡水道的下切侵蚀。如图3所示,CSB1在云荔低凸起附近与上覆地层呈角度不整合接触,但是在番禺低隆起南部至白云凹陷北斜坡水道集中发育的地区,CSB1则表现为切割下伏地层,与上覆地层或呈平行接触,或被上覆地层底超于界面之上(图4a)。

图4 珠江口盆地东北陆架边缘带层序界面地震反射及测井曲线特征Fig.4 Characteristics of sequence boundaries on seismic profiles and well logs at the northeastern shelf margin,Pearl River Mouth Basina,b.典型地震剖面特征,剖面位置见图4d;c.典型测井曲线特征,井位见图4d;d.研究区CSB1界面的时间-构造图

图5 珠江口盆地东北陆架边缘带CSB2不整合面地震反射特征Fig.5 Seismic reflection characteristics of the unconformity CSB2 at the northeastern shelf margin,Pearl River Mouth Basina.典型地震剖面特征,剖面位置见图5b;b.横切CSB2不整合面的方差属性切片,图中颜色偏白偏亮的部分代表界面的不连续特征

CSB2是第四系的底界面,上新统和第四系之间的区域性角度不整合面,年龄约3 Ma。CSB2界面在东沙隆起附近呈现出明显的角度不整合特征,在番禺低隆起南部的陆架坡折带被大范围剥蚀而呈侵蚀不整合特征,至白云凹陷北斜坡则被几乎覆盖整个斜坡带的水道所切割(图3,图5)。地震剖面中,该不整合面在东沙隆起附近表现为强振幅、高连续性反射的结构特征,界面之下为明显的削蚀,界面之上为上超不整合(图5)。

2.2.2 三级层序界面

三级层序是层序地层学中的基本层序单元,持续时间和不整合作用范围都比二级层序要小,持续时限约0.5～3 Ma[20]。三级不整合面通常是低角度的侵蚀不整合[22],关于其成因,很多学者认为是气候周期引起的基准面变化控制了三级层序的形成和旋回式的交替变化[24]。研究区内的粤海组—第四系可识别出8个三级层序界面(SB1—SB8),根据其特征大致归为以下两种类型。

1) 明显的水道底部下切不整合面

研究区广泛发育陆架边缘斜坡单向迁移水道,位于水道底部的下切不整合是区内最典型的层序界面类型之一。虽然研究区的陆架边缘水道不是陆上河流体系向盆地的延伸,其成因却也与海平面下降有一定的关系。从S1至S8的层序界面均有水道下切不整合发育,尤其是CS1内的5个层序界面SB1—SB5。这种不整合面也是CS1内部划分三级层序界面的一个重要标志,其中粤海组从外陆架至下斜坡均被这种水道所覆盖。水道底部下切不整合面在地震剖面中表现为连续性差、变动振幅、V形或U形切割等特征,测井曲线对应箱形或钟形的底界面(图4)。

2) 水退-水进旋回的转换界面

主要发育在第四纪,是研究区第四纪发育的三级层序界面主要特征(图6),如SB7和SB8。在地震剖面中表现为强振幅反射、高连续性、削蚀下伏地层、且被上覆地层上超的特征(图6a)。测井曲线上,SB7附近为一套低伽马值的箱形反射,反映了水动力条件稳定且物源供应充足之下的快速沉积(图6b)。SB8界面位于一套漏斗形反射的顶界面,界面之上为另一套漏斗形反射,反映了研究区在海退之后,快速海侵,之后又开始海退(图6b)。

图6 珠江口盆地东北陆架边缘带SB7和SB8层序界面地震反射及测井曲线特征Fig.6 Characteristics of sequence boundaries SB 7 and SB8 on seismic profiles and well logs at the northeastern shelf margin,Pearl River Mouth Basina.典型地震剖面特征,剖面位置见图6c;b.典型测井曲线特征,井位见图6c;c.研究区CSB1界面的时间-构造图

2.2.3 四级层序界面

四级层序属于高频层序,持续年限大约0.1～0.15 Ma[24-25]。近些年,为满足减小隐蔽油气藏的勘探风险、优化开发方案等需求,层序地层学的研究也在由盆地规模的分析向储层规模的高精度层序地层学发展[3]。

研究区第四纪发育的三级层序S6，S7和S8内部,可以进一步识别出多个水退-水进旋回的转换界面。其中S6内部可进一步识别出3个四级层序界面,对应4个四级层序;S7内部可识别出3个四级层序界面,对应4个四级层序;S8包括4个四级层序界面,对应5个四级层序。这些层序界面具有相似的特征,都代表了海退至海侵的转换界面,界面之下削蚀下伏的前积层,界面之上为上超,测井曲线上对应一套低伽马值的齿状反射的底部(图6b)。

研究区晚中新世到上新世的地层大面积被单向迁移水道所覆盖,从中识别出5个三级层序,每个层序都代表了一个主要的水道发育期次(水道底部的切割面),并且可以进行全盆追踪。除此之外,在每一期水道的内部,也可以识别出一些四级层序界面,但是进行全盆追踪的难度很大。这些次一级的层序界面在地震剖面上反射振幅弱且连续性差,其识别标志是界面之下的削截和界面之上的微弱上超等反射特征(图4b),反映了一些小规模的水道切割事件,可能与次一级的海平面下降有关。

3 沉积体系和体系域模式

3.1 沉积体系

3.1.1 陆架边缘斜坡单向迁移水道

研究区从外陆架到下斜坡发育了一系列的单向迁移水道,这些水道从中中新世开始在斜坡带发育,晚中新世发育范围扩至最大,外陆架至下斜坡均有发育,上新世至第四纪又退回斜坡带[10,23,26]。从外陆架向下斜坡追踪发育相对连续完整且受断层影响小的水道C3,选取不同位置横穿过C3的剖面h1—h8,依次由陆到海,追踪其底部切割、侧向迁移等特征的变化(图7)。按照水道是否受限、水道的叠置样式、成因、等级、宽深比和发育背景等主要特征,总结出4种类型: ① 局部受限的外陆架单向迁移复合水道(h1); ② 宽浅且非受限或局部受限的外陆架-陆架坡折带侵蚀型水道复合体(h2;图4a); ③ 深切且受限的斜坡垂-侧向加积型单向迁移水道(h3—h6;图4b);④ U形且非受限或局部受限的下斜坡垂向加积型复合水道体系(h7)。

局部受限的外陆架单向迁移复合水道主要发育在外陆架,主要特征是水道底部切割浅且范围小,水道发育位置不固定,多个孤立小水道随机分布或彼此间呈现出侧向迁移的特征,形成复合水道;水道内部沉积物或侧向迁移,或呈杂乱反射。

宽浅且非受限或局部受限的外陆架-陆架坡折带侵蚀型水道复合体发育在外陆架-陆架坡折带,随地形坡度增加,水道切割深度、宽度均有进一步的发展。孤立小水道或复合水道逐渐形成宽浅的水道复合体,水道内部充填具有明显的单向迁移特征。

深切且受限的斜坡垂-侧向加积型单向迁移水道发育在大陆斜坡上,地形坡度较陡的地区。水道底部切割很深,水道复合体之间呈现单向迁移的特征,垂-侧向叠置形成复合水道体系。

U形且非受限或局部受限的下斜坡垂向加积型复合水道体系发育在下斜坡水道快要结束的位置,最突出的特征是单个小水道垂向加积形成较大的水道复合体,没有侧向迁移或仅有微弱迁移,水道内部充填主要由加积层组成。

3.1.2 陆架边缘斜坡前积体和陆架边缘三角洲

研究区在第四纪发育了大套的高角度前积体,斜坡前积体内部可进一步识别出陆架边缘三角洲体系。如图6所示,三级层序S6内部发育的三角洲由外陆架向陆架边缘前积,逐渐与斜坡前积体合为一体。综合地震剖面和测井曲线分析,可以识别出3种沉积相:底部的前三角洲泥、三角洲前缘前积朵体和顶部的三角洲平原。其中,底部的前三角洲与斜坡前积混为一体。层序S6内部的陆架边缘三角洲之上发育了一套外陆架三角洲,说明由S6至S7,海平面下降。

3.2 沉积体系域

综合以上研究,研究区的斜坡层序结构和体系域的沉积构成从晚中新世至第四纪变化很大,不能简单地用Exxon层序模式来进行解释。晚中新世,研究区的地层自外陆架至下斜坡,大范围的受到陆架边缘斜坡单向迁移水道影响,导致其内部结构极其复杂,与Exxon层序模式有很大的差别。而第四纪因发育了一系列由高角度前积体充填的陆架坡折带,且水道范围大幅度收缩,其层序结构与Exxon模式非常相似。据此提出研究区晚中新世以来发育的两种类型的沉积体系域构成模式。

图7 珠江口盆地外陆架-下斜坡水道发育特征及演化Fig.7 Outer-shelf to lower-slope characteristics and evolution of the shelf-margin channels,Pearl River Mouth Basina.外陆架水道切割、迁移特征,剖面位置见图7i;b.外陆架-陆架坡折带水道切割、迁移特征,剖面位置见图7i;c—f.斜坡带水道切割、迁移特征,剖面 位置见图7i;g,h.下斜坡带水道切割、迁移特征,剖面位置见图7i;i.研究区CSB1界面的时间-构造图(自外陆架至下斜坡不同位置选取横穿过水道C3的剖面h1—h8,展示其底部切割和侧向迁移特征的变化。)

3.2.1 类型Ⅰ(S1—S5)

研究区晚中新世至上新世发育的层序(S1—S5)主要由广泛发育的陆架边缘斜坡单向迁移水道和相关的下斜坡扇体系组成。位于上斜坡的水道充填包括重力流滞留沉积、滑塌沉积和侧向前积体,下斜坡至斜坡脚主要是斜坡扇沉积(图8a)。

低位体系域:层序S1—S5的低位体系域主要由外陆架-上斜坡的水道侵蚀不整合和不整合面之上的重力流滞留沉积,以及下斜坡的斜坡扇沉积组成。在低水位至海平面上升的早期,陆架边缘带由于重力流作用加剧而遭受侵蚀,沉积物经水道搬运至下斜坡沉积而形成下斜坡扇,水道内只在底部堆积了少量的重力流滞留沉积物。

海侵-高位体系域:类型Ⅰ的海侵-高位体系域是由陆架边缘单向迁移水道内部的侧向前积体和滑塌沉积,以及位于下斜坡扇之上的海侵泥岩沉积组成。由于海侵作用使低位体系域的斜坡扇裙之上覆盖了一层海侵泥岩,在地震剖面中表现为扇朵体之上的一套连续性很好的平行-亚平行反射;而在斜坡水道中则充填了厚层的滑塌体和侧向前积体。

3.2.2 类型Ⅱ(S6—S8)

第四系的层序S6—S8是以发育厚层、高角度的陆架边缘前积体、密集的斜坡水道和下斜坡扇为特征。这种层序发育模式与S1—S5完全不同,而且基本可以与Exxon层序模式对应[27]。在S6—S8层序内部,可以较为清楚的识别出低位体系域、海侵体系域、高位体系域和下降体系域(图8b),关于其特征描述如下。

图8 珠江口盆地东北陆架边缘带体系域构成模式Fig.8 Scheme graphs of the systems tracts at the northeastern shelf margin,Pearl River Mouth Basina. S1—S5体系域;b. S6—S8体系域

低位体系域:研究区第四系斜坡-下斜坡同样密集发育了一系列斜坡单向迁移水道和下斜坡扇体,该类型层序的低位体系域也是由低位域早期水道内部的重力流滞留沉积、下斜坡扇沉积,以及低位晚期上超于斜坡之上的低位楔组成。

海侵体系域:随着海平面继续上升,沉积物覆盖于低位体系域之上,并且越过陆架坡折,逐渐向陆地方向上超。研究区的海侵体系域厚度较小,在地震剖面上表现为平行-亚平行反射结构。

高位体系域:主要发育在陆架坡折之上,沉积厚度很大,地震剖面中呈一系列的高角度前积层,测井曲线表现为向上变粗的序列。在高位体系域的高角度前积层内部,可识别出次一级的层序界面,界面之下可观察到削蚀、界面之上为上超。此外,S6的高角度前积层内发育有陆架边缘三角洲。

下降体系域:在经典的Exxon层序地层模式中,一个完整的层序包括低位体系域、海侵体系域和高位体系域;但是在高位体系域中,有时可依据强制水退面进一步划分出下降体系域[28]。因此下降体系域即高水位晚期,沉积基准面开始下降时形成的一套沉积体。随着沉积基准面的下降,前积体呈下降式进积;同时在下降体系域的退覆式沉积中,可识别出次一级的层序界面,即在基准面整体下降的过程中,仍伴随有几次小规模的上升事件。

4 控制因素

研究区晚中新世以来经历了两大演化阶段,其中出现了两次大的区域性水进-水退旋回,层序结构和体系域构成都相应发生了很大的变化。经与Haq[1]全球海平面变化曲线对比,可以发现Haq曲线在晚中新世以来经历了两次主要的海退事件(10.5 Ma和3 Ma),分别可与研究区的两个区域不整合面发育的时间对应(图2)。但是研究区在第四纪初期经历了一次明显的海侵,这次海侵事件在Haq曲线中没有响应。研究区的三级海平面旋回与Haq曲线在数量和时间上也基本可以对比。说明研究区的层序和沉积演化在一定程度上受到全球海平面变化的控制。

同时,研究区的两个区域性不整合面(CSB1和CSB2)均表现出角度不整合的特征,且分别与两次构造运动事件(东沙运动和流花运动)发生的时间和影响范围相一致[29-32],据此推测这两次区域不整合的形成可能受到构造运动的影响。

此外,经对比研究区的沉降速率曲线[10],晚中新世-上新世沉降速率较低,而第四纪沉降速率较高。据此推测晚中新世广泛分布的陆架边缘水道的侧向迁移特征可能与该时期相对较低的沉降速率有关,而第四纪发育的厚层高角度前积体则与第四纪的高沉降速率有关。同时,第四纪广泛发育的高角度前积层可能还受益于该时期大量的沉积物供应,并且第四纪的高沉积物供给速率具有一定的全球性,在全球范围的多个地区都观察到这种现象[33]。

5 结论

1) 研究区晚中新世以来的层序地层格架可以划分为2个代表区域性旋回的二级层序(CS1和CS2)和8个三级层序(S1—S8),三级层序内部可进一步识别出次一级的层序。其中,二级层序界面特征以角度不整合和侵蚀不整合为主,三级、四级层序界面则以明显的水道底部下切不整合面和水退-水进旋回的转换界面为主要特征。

2) 研究区自晚中新世以来发育的沉积体系主要有:陆架边缘斜坡单向迁移水道、陆架边缘斜坡前积体和陆架边缘三角洲。其中,陆架边缘斜坡单向迁移水道可概括为4种类型:局部受限的外陆架单向迁移复合水道、宽浅且非受限或局部受限的外陆架-陆架坡折带侵蚀型水道复合体、深切且受限的斜坡垂-侧向加积型单向迁移水道以及U形且非受限或局部受限的下斜坡垂向加积型复合水道体系。陆架边缘斜坡前积体和陆架边缘三角洲发育在第四纪,三角洲由外陆架前积至陆架边缘时,逐渐与斜坡前积体合为一体。

3) 研究区粤海组—第四系总结出2种类型的体系域构成模式。第一种发育在晚中新世—上新世,研究区以广泛发育的陆架边缘单向迁移水道为特征,总结出适用于斜坡水道的特殊的沉积体系域构成模式,与Exxon经典层序地层模式有所不同;第二种发育于第四纪,以一系列陆架边缘前积层和由前积体充填的陆架坡折带为特征。

4) 研究区晚中新世以来的层序结构和沉积演化受到海平面变化、构造作用、沉降速率和沉积物供应等多种因素的共同控制。层序发育和演化首先受到全球海平面变化的影响,区域性不整合面的形成受到构造运动和海平面叠加作用的控制,沉降速率和沉积物供应变化控制着沉积相的宏观演化。