Rio Muni盆地第四紀(jì)陸坡地震地貌學(xué)①②

李 磊 李志軍 閆 瑞 譚 卓 王小剛 都鵬燕

(1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710065;2.重慶科技學(xué)院 重慶 401331;3.中海油研究總院 北京 100027;4.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部資料解釋中心 河北三河 065201;5.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院 北京 102249)

近年來，地震地貌學(xué)已廣泛應(yīng)用于深水水道、海底麻坑以及海底滑坡等海底地貌單元的研究［1～8］?？v觀國內(nèi)外地震地貌學(xué)的研究可知，地震地貌學(xué)是指利用地貌探測手段獲得的地貌數(shù)據(jù)、三維地震數(shù)據(jù)及成像技術(shù)來開展地貌學(xué)的研究，主要研究盆地地表形態(tài)、結(jié)構(gòu)、成因、演化和分布規(guī)律［1，3，7］。地震地貌學(xué)逐漸由最初的定性分析發(fā)展到了定量分析，更準(zhǔn)確的表征了各種地貌單元的構(gòu)型，研究其成因、分布與演化。目前深水水道地貌的研究主要集中在深水水道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部形態(tài)、疊置樣式等沉積構(gòu)型的表征、演化及控制因素研究［1～6，9～13］。海底麻坑地貌已引起國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，對其形態(tài)、成因機制取得了一定的認(rèn)識［14～20］。而對于彎曲條帶狀海底麻坑與古埋藏水道的關(guān)系、形成過程、與滑坡等地質(zhì)現(xiàn)象的關(guān)系等方面的研究相對薄弱，將是海洋地質(zhì)研究的目標(biāo)之一［18］。

第四紀(jì)陸坡地貌遭受后期改造和破壞程度小，地震資料分辨率高，能夠反映地貌的原始形態(tài)，便于研究。本文基于Rio Muni盆地第四紀(jì)陸坡1 400 km2的三維地震數(shù)據(jù)(頻帶范圍2～120 Hz，主頻45 Hz)開展地震地貌學(xué)研究，分析陸坡地形特征，研究深水水道、麻坑及海底滑坡等陸坡地貌單元的成因、分布和演化過程，對深水儲層預(yù)測及海底災(zāi)害預(yù)測具有一定的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)陸坡地形

研究區(qū)位于Rio Muni盆地南部深水區(qū)，海底地形具有東西分帶，南北分區(qū)特點(圖1)。研究區(qū)由東向西，分別為陸架、上陸坡、中陸坡和下陸坡。陸架區(qū)水深小于200 m，地形較平緩，海底坡度小于0.03 rad。陸坡區(qū)水深200～1 600 m，上陸坡海底地形較陡，相對狹窄，其海底坡度大約為0.15～0.35 rad;中陸坡的坡度大約為0.05～0.15 rad;下陸坡臨近深海盆地，其地形較緩，海底坡度大約為0～0.05 rad(圖1)。南北區(qū)坡度低、中間區(qū)坡度高。北區(qū)的坡度大約為0～0.02 rad，中間區(qū)的坡度大約為0～0.04 rad，南區(qū)坡度大約為0～0.03 rad。

第四紀(jì)陸坡發(fā)育水道、滑坡、麻坑海底地貌單元(圖1)。由上陸坡至下陸坡區(qū)，陸坡海底分布了大量條帶狀負(fù)地形(水道)，鏟狀滑坡，圓形或橢圓形海底麻坑(圖1)。條帶狀海底負(fù)地形彎曲度介于1～1.5之間，差別較大。

2 研究區(qū)地貌單元

2.1 深水水道地貌

2.1.1 研究區(qū)水道地貌參數(shù)表征

Wood 和 Mize-Spansky［5］對水道構(gòu)型參數(shù)(水道寬度、水道深度、水道彎曲度、彎曲帶寬、彎曲帶長和彎曲弧高度)進行了定量研究。水道寬度是指左右堤岸脊之間的長度(圖2)。水道深度是水道底到堤岸脊的相對高度(圖2b)。水道彎曲度是水道軸線長度與水道的直線長度的比值，代表了水道彎曲的程度。水道的彎曲度大小可能與陸坡的巖性、坡度、重力流流速、粒度、供給量和持續(xù)時間有關(guān)。彎曲帶寬是兩條最外層彎曲帶切線之間的測量寬度，反映了水道遷移的程度(圖2)。彎曲弧高度是彎曲段的最外層彎曲界限到該彎曲段最大上傾拐點和最大下傾拐點連線的垂線距離(圖2)。彎曲帶長為兩個相鄰最大上傾拐點和最大下傾拐點間直線長度，代表一個完整的彎曲段(圖2)。

2.1.2 研究區(qū)水道地貌單元分類、分布及其構(gòu)型表征

研究區(qū)第四紀(jì)陸坡發(fā)育11條深水水道(圖1)。根據(jù)水道彎曲程度，研究區(qū)水道分為順直水道(Ch1、CH2、Ch3、Ch4、Ch7、Ch8、Ch9 和 Ch10)和彎曲水道(Ch5、Ch6和 Ch11)2類。順直水道的彎曲度小于1.2，而彎曲水道的彎曲度大于等于1.2。彎曲水道Ch5、CH6分布在北區(qū)，Ch11分布在南區(qū)，中區(qū)則主要發(fā)育順直水道。上陸坡水道較發(fā)育，且多為順直水道(圖1)。中陸坡，發(fā)育于上陸坡的水道交匯成一條水道(Ch1～Ch3交匯于Ch4形成一條水道，Ch6-1、Ch6-2、Ch6-3和它們之間的多條小型順直水道交匯成Ch6)。下陸坡，由于重力流供給減少，流速降低，侵蝕能力減弱，部分水道的深度逐漸減小，甚至消亡(Ch6～Ch10)。

(1)彎曲水道

由上陸坡至下陸坡，Ch11的橫剖面顯示，水道呈V或U形特征(圖3)。中—上陸坡，坡度較陡，重力流流速大，對海底侵蝕能力強。重力流對水道外彎帶不斷侵蝕，導(dǎo)致水道壁較陡(圖3a，b，e，f)。下陸坡，海底坡度變緩，重力流流速減小，侵蝕能力減弱，水道底部相對平緩，剖面呈 U形特征(圖3c，d，g，h)。與曲流河牽引流作用相類似，深水重力流也具有截彎取直作用，早期高彎曲帶被廢棄，形成廢棄水道帶(圖1、圖3d)。外彎帶的水道壁傾角大，堤岸窄，堤岸錐度大，而內(nèi)彎帶水道壁傾角小，堤岸較寬，錐度小。彎曲水道中的重力流對外彎帶有較強的沖蝕作用，而對內(nèi)彎帶的作用力較小。外彎帶不斷地被沖蝕而變得陡而窄，而重力流在內(nèi)彎帶不斷沉積從而使其變得寬緩。

圖1 研究區(qū)海底地形圖Fig.1 Topographic map of the seabed in the study area

圖2 水道地貌參數(shù)(a)Ch5平面圖;(b)Ch5橫剖面Fig.2 Geomorphic parameters of the submarine channel

圖3 典型彎曲水道(Ch11)橫剖面Fig.3 Cross-sections of the typical sinuous channel

對研究區(qū)典型彎曲水道(Ch6和Ch11)構(gòu)型參數(shù)定量分析可知(圖4a～e)，水道的彎曲弧長與彎曲帶長成正比關(guān)系，彎曲弧長越長，彎曲帶長也越長，而且隨坡度的減小，彎曲弧長與彎曲帶長都有減小的趨勢。彎曲度隨坡度的減小而有增大的趨勢。上陸坡，水道的寬深比與彎曲度整體呈反比關(guān)系。在中—下陸坡，水道的寬深比與彎曲度成正比關(guān)系，彎曲度越大，寬深比越大。

研究區(qū)水道的彎曲度與海底的坡度、重力流供給和持續(xù)時間密切相關(guān)。彎曲水道(Ch5、Ch6和Ch11)具有高彎曲度、低寬深比的特征，且均發(fā)育于陸架坡折(圖1)。上陸坡海底垮塌或陸架三角洲河流輸送的物質(zhì)不斷供給形成的持續(xù)重力流可能是中—下陸坡水道壁垮塌、水道彎曲度增大甚至廢棄的重要原因之一。

(2)順直水道

研究區(qū)順直水道較發(fā)育，南北中三區(qū)均發(fā)育(圖1)。上陸坡，重力流流速大，侵蝕能力強，以順直水道為主。重力流供給持續(xù)時間長的水道在中—下陸坡逐漸轉(zhuǎn)化為彎曲水道。起始于上陸坡中部的順直水道(Ch7～Ch10)(圖1)由于缺少長期得物源供給，由上陸坡至下陸坡，其水道寬度相對穩(wěn)定，而水道深度逐漸減少甚至消亡，寬深比增大(圖4f～h)。

2.1.3 陸坡地形與水道彎曲度、寬深比的關(guān)系

圖4 典型水道構(gòu)型參數(shù)(a)～(d)Ch11水道參數(shù);(e)Ch6水道參數(shù);(f)Ch7水道參數(shù);(g)Ch8水道參數(shù);(h)Ch9水道參數(shù)Fig.4 Parameters of typical channels

陸坡區(qū)，上陸坡至下陸坡，海底坡度逐漸減小。上陸坡發(fā)育的水道基本為順直水道，彎曲度小。陸架坡折帶海底滑坡或陸架河流輸送的陸源物質(zhì)形成的重力流，流經(jīng)上陸坡，在中—下陸坡由于海底坡度降低，重力流流速減緩且經(jīng)長距離搬運分選，粒度變細(xì)，水道的彎曲度逐漸增大。上陸坡至下陸坡，坡度逐漸降低，順直水道的寬深比逐漸增大(圖4f)。而彎曲水道的寬深比隨坡度的減小而減小(圖4a)。

2.2 麻坑地貌

海底麻坑一般認(rèn)為是由海底淺層的生物氣逸散，而在海底形成的負(fù)地形。海底麻坑呈圓形或橢圓形，橫剖面呈U型特征，左右一般不對稱(圖1、圖5a，b，c)。海底麻坑的分布特征可分為孤立麻坑和條帶狀麻坑。孤立海底麻坑在南、中和北區(qū)均有發(fā)育。孤立麻坑可以單獨出現(xiàn)也可以成片出現(xiàn)(麻坑隨機分布)。孤立麻坑下部發(fā)育的氣煙囪具有振幅增強、同相軸下拉特征(圖5a，b)。

條帶狀海底麻坑南北兩區(qū)均有發(fā)育，南區(qū)較發(fā)育。條帶狀海底麻坑則由多個海底麻坑排列成直線或曲線狀，長度延伸3～15 km，呈條帶狀分布(圖1、圖5a，b，c)。沿條帶狀海底麻坑走向剖面呈脊—槽相間地形特征(圖5c)。由NE至W方向，海底麻坑的深度和寬度均呈不規(guī)則變化。麻坑壁的坡度向海盆一側(cè)較陡，而向陸架一側(cè)較緩。每一麻坑下方地震同相軸具有同相軸下拉且振幅增強特征(圖5c)。在條帶狀海底麻坑下方地層中見強振幅充填地震相，推測為古埋藏重力流水道。由于重力流水道內(nèi)部沉積物埋藏淺、壓實程度低、沉積物固結(jié)程度低，孔隙好，便于淺層生物氣的富集，進而導(dǎo)致沉積物與周圍海底沉積物之間的波阻抗差異較大，振幅增強，頻率降低(圖5c)。麻坑下部則是氣體逃逸通道，由于大量含氣，速度降低，與周圍海底泥質(zhì)沉積具有較大的波阻抗差異，因此，在地震響應(yīng)上具有振幅增強，同相軸下拉特征?，F(xiàn)今海底發(fā)育的條帶狀海底麻坑基本上分布于古水道上方或兩側(cè)(圖6)。

2.3 海底滑坡地貌

根據(jù)滑坡發(fā)育的位置及滑塊體運動的方向可分為陸坡垮塌和水道壁垮塌［21］。陸坡重力失穩(wěn)，滑動、滑塌形成的滑塊體，具有朵狀幾何外形，滑塊體后部發(fā)育鏟狀滑塌槽(圖1、圖5d)?；瑝K體順滑脫面滑動，并發(fā)生一定程度的旋轉(zhuǎn)，內(nèi)部具有鏟式扇構(gòu)造特征。深水重力流對峽谷或水道長期侵蝕，水道壁重力失穩(wěn)，導(dǎo)致水道壁滑塌形成的滑塊體(圖1、圖5e)。

圖5 典型海底地貌單元剖面(a)，(b)孤立麻坑不同方向剖面;(c)過條帶狀麻坑剖面;(d)陸坡滑坡剖面;(e)水道壁滑坡剖面Fig.5 Profiles of typical submarine geomorphic elements

圖6 海底麻坑及古水道分布圖(古水道頂界面+20 ms沿層相干)(據(jù)文獻［18］修改)Fig.6 Distribution of the seabed pockmarks and palaeochannels(horizon coherence slice along the top of the palaeochannels+20 ms)(modified from the literature［18］)

3 典型地貌單元的演化

3.1 典型彎曲水道(Ch11)的演化

圖7 Ch11時間切片(a)152 ms;(b)96 ms;(c)16 ms;(d)0 msFig.7 Time slices of the CH11

在早期，存在與Ch11相伴生的一條古水道，兩條水道在一處匯聚一條(圖7a)。隨著時間的推移，Ch11彎曲度逐漸增大，部分高彎曲段呈“幾”形特征，而伴生的古水道逐漸被廢棄(圖7b)。在圖7c和圖7d時間切片上，與Ch11相伴生的古水道基本上完全消失，早期Ch11高彎曲段在重力流作用下截彎取直，高彎曲部分被廢棄，而在Ch11沿陸坡下方出現(xiàn)新的高彎曲段。與研究區(qū)其它順直水道相比(Ch7～Ch10)，Ch11水道頂端延伸至陸架邊緣，便于接受陸架邊緣三角洲分流河道輸送的陸源供給物質(zhì)，成為維持重力流活動的活躍通道。隨著陸緣物質(zhì)和上陸坡滑塌物質(zhì)的不斷供給，重力流對外彎帶水道壁不斷侵蝕，導(dǎo)致水道壁垮塌，水道彎曲度增加。因此，除陸坡地形、坡度、陸坡非均質(zhì)性以及重力流粒度等因素外，推測重力流供給也是影響水道彎曲度的重要因素之一。

圖8 條帶狀海底麻坑演化圖(a)～(d):152 ms、96 ms、16 ms、0 ms相干切片;(e)～(h):條帶狀海底麻坑演化模式(據(jù)文獻［23］修改)Fig.8 Evolution of the sinuous pockmark belts

3.2 條帶狀海底麻坑的演化

Kelley等［22］提出了流體持續(xù)緩慢滲漏形成海底麻坑的平衡模式和突發(fā)事件因素(地震、海嘯、海平面下降等)致使流體突然發(fā)生強烈滲漏或噴發(fā)形成海底麻坑的突變模式。一般認(rèn)為條帶狀海底麻坑是由于深水水道缺少重力流流體輸入，逐漸被廢棄甚至充填的階段，海底流體、氣體或孔隙水逸散而形成［23］。李磊等(2013)將條帶狀海底麻坑的形成過程總結(jié)為:古水道超壓形成—古水道超壓釋放—麻坑物質(zhì)沖洗以及麻坑形成4個階段［18］。早期重力流水道(圖8a，e)的由于物源供給減少或被襲奪，形成廢棄水道，廢棄水道軸向不均勻沉積(橢圓形及其周圍可能為富砂沉積)(圖8b，f)。后期深海泥質(zhì)披覆沉積均勻披覆在廢棄水道之上。廢棄水道內(nèi)富砂沉積體成為深部氣體或淺層氣聚集場所，聚集的氣體沿其上方的通道(斷層、裂縫、滲透性砂體等)向海底逃逸，滲漏的氣體致使近海底沉積地層疏松被海底洋流帶走，在其周圍形成圓形或橢圓形負(fù)地形(麻坑)(圖8c，g)。廢棄水道內(nèi)富砂沉積體系內(nèi)的氣體持續(xù)逃逸，最終在古水道上方或兩側(cè)形成條帶狀海底麻坑(圖 8e～h)。

4 結(jié)論

本文基于Rio Muni盆地高分辨率三維地震資料對研究區(qū)第四紀(jì)陸坡開展地震地貌學(xué)研究，主要取得了3點認(rèn)識:

(1)研究區(qū)海底受深水重力流及流體流作用的影響，發(fā)育滑坡、深水重力流水道及海底麻坑3類典型地貌單元。

(2)起源于上陸坡的彎曲度較低的深水重力流水道，由于重力流水道物源供給不足，在下陸坡逐漸消亡，水道末端朵體不發(fā)育。而彎曲度較高的Ch5、Ch6及Ch11則起源于陸架坡折帶之上的陸架區(qū)，且中下陸坡段的彎曲程度大于上陸坡，推測水道的彎曲程度受物源供給、陸坡坡度的控制。

(3)條帶狀麻坑分布在古水道上方或兩側(cè)的海底。推測古廢棄水道內(nèi)的不均勻沉積以及淺層氣的逸散是形成條帶狀海底麻坑的主要因素。

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