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(guó)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]。縱觀國(guó)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(cè)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(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注,對(duì)其形態(tài)、成因機(jī)制取得了一定的認(rèn)識(shí)[14~20]。而對(duì)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(duì)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(duì)深水儲(chǔ)層預(yù)測(cè)及海底災(zāi)害預(yù)測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。
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(diǎn)(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(duì)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。
2.1.1 研究區(qū)水道地貌參數(shù)表征
Wood 和 Mize-Spansky[5]對(duì)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(zhǎng)和彎曲弧高度)進(jìn)行了定量研究。水道寬度是指左右堤岸脊之間的長(zhǎng)度(圖2)。水道深度是水道底到堤岸脊的相對(duì)高度(圖2b)。水道彎曲度是水道軸線長(zhǎng)度與水道的直線長(zhǎng)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(shí)間有關(guān)。彎曲帶寬是兩條最外層彎曲帶切線之間的測(cè)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(diǎn)和最大下傾拐點(diǎn)連線的垂線距離(圖2)。彎曲帶長(zhǎng)為兩個(gè)相鄰最大上傾拐點(diǎn)和最大下傾拐點(diǎn)間直線長(zhǎng)度,代表一個(gè)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(duì)海底侵蝕能力強(qiáng)。重力流對(duì)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(duì)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(duì)外彎帶有較強(qiáng)的沖蝕作用,而對(duì)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(duì)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(zhǎng)與彎曲帶長(zhǎng)成正比關(guān)系,彎曲弧長(zhǎng)越長(zhǎng),彎曲帶長(zhǎng)也越長(zhǎng),而且隨坡度的減小,彎曲弧長(zhǎng)與彎曲帶長(zhǎng)都有減小的趨勢(shì)。彎曲度隨坡度的減小而有增大的趨勢(shì)。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(shí)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(qiáng),以順直水道為主。重力流供給持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)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(zhǎng)期得物源供給,由上陸坡至下陸坡,其水道寬度相對(duì)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(zhǎng)距離搬運(yùn)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)。
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(duì)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(dú)出現(xiàn)也可以成片出現(xiàn)(麻坑隨機(jī)分布)。孤立麻坑下部發(fā)育的氣煙囪具有振幅增強(qiáng)、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(gè)海底麻坑排列成直線或曲線狀,長(zhǎng)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(qiáng)特征(圖5c)。在條帶狀海底麻坑下方地層中見強(qiáng)振幅充填地震相,推測(cè)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(shí)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(jìn)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(qiáng),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(qiáng),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)。
根據(jù)滑坡發(fā)育的位置及滑塊體運(yùn)動(dòng)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(dòng)、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(dòng),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(duì)峽谷或水道長(zhǎng)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(xiàn)[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])
圖7 Ch11時(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)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(duì)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(cè)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(xiàn)[23]修改)Fig.8 Evolution of the sinuous pockmark belts
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(qiáng)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(gè)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(chǎng)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)。
本文基于Rio Muni盆地高分辨率三維地震資料對(duì)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(diǎn)認(rèn)識(shí):
(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(cè)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(cè)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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