Depositional pattern and exploration prospect of the deepwater sediments in Shuangfeng basin
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摘要: 南海是中国海洋地质调查、油气和天然气水合物勘探的重点区域，随着南海浅水区勘探程度不断提高，南海北部深水区逐渐成为研究热点。然而，南海北部深水区双峰盆地研究程度仍然较低，以该区2D多道地震及围区钻井资料为基础，使用地球物理地震勘探理论和类比分析的方法研究了盆地地层沉积结构样式和油气勘探前景。在双峰盆地追踪了7个主要反射面，以不整合面为界划分了3套地震层序。研究认为盆地新生界地层厚度较大，中—晚中新世后，盆地进入半深海-深海相沉积环境，发育了以下切水道、深水扇及滑塌体为代表的深水沉积。盆地西部和北部坳陷渐新统湖相-海湾相泥岩，现今已达到成熟-早成熟阶段，具有一定的生烃能力。周缘发育冲积扇和扇三角洲沉积，盆内发育斜坡扇和盆底扇，可为良好储层。早中新世以来发育的半深海相泥岩，可为良好的区域盖层，具有较好的生储盖组合，预测该区具有良好的油气勘探前景。Abstract: The South China Sea is an important region offshore China for exploration of oil and gas resources and gas hydrate. As the exploration in the shallow waters is moving into a mature stage, the deep water area in the northern part of the South China Sea has gradually become a research hotspot. The study of the Shuangfeng Basin in the deep water basins of the northern South China Sea is obviously lagged behind the others. In this paper, seismic geophysical exploration theories and analogy methods are applied to study the tectono-sedimentary pattern and oil and gas exploration prospects of the basin, based on the 2D multi-channel seismic data and the drilling data of the basin and surrounding areas. A large amount of seismic data were processed and analyzed, and seven reflection horizons traceable recognized in the Shuangfeng basin. Three sets of the seismic sequence are established according to unconformable boundaries. Data shows that after mid-Late Miocene, the basin entered into a bathyal-pelagic depositional environment dominated by deep water sediments, such as undercut channel-fillings, deep water fans and slump deposits. The Cenozoic in the basin is quite thick. Analogy analysis of drilling data and basin modeling suggest that the Oligocene lacustrine-gulf facies in the western and northern depressions have reached the maturity or early maturity stage and had certain hydrocarbon generation capacity. The alluvial fan and fan deltaic deposits developed around the periphery, and the slope fan and the pelvic fan developed in the basin center could be good reservoirs. The bathyal mudstone deposited since Early Miocene are good in quality as regional cap rocks. Excellent source-reservoir-cap systems are available for oil and gas accumulation.
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Keywords:
- deep-water sediment /
- depositional pattern /
- exploration prospect /
- Shuangfeng basin
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马里亚纳弧前发育目前全球已知的、唯一仍在活跃的蛇纹岩泥火山群，马里亚纳俯冲带属于非增生型板块汇聚边缘，蛇纹岩泥火山作用喷发的物质未经历弧前增生楔的强烈改造作用，是示踪俯冲带深部过程的绝佳载体[1-4]，因此，蛇纹岩泥火山自被发现以来受到科学界的持续关注[1-2,5-10]。大型蛇纹岩泥火山喷发活动停止或者间歇期，泥火山顶部可发育低温、强碱性流体渗漏；渗漏流体性质受泥火山与海沟距离控制，与泥火山之下不同俯冲深度所发生的地球化学过程有关[11-14]。渗漏流体上升到海底附近，在泥火山顶部发育烟囱状、手指状以及结壳状等自生沉积物，其矿物成分也受泥火山与海沟距离控制[1,14-15]，说明蛇纹岩泥火山顶的自生沉积物记录了渗漏流体活动，甚至记录了泥火山之下与俯冲作用有关的地球化学过程的信息。
马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山顶发育的流体渗漏成因的自生沉积物几乎不含碎屑物质[4,15-16]。在矿物组成上，与海沟较近的泥火山顶部发育的自生沉积物主要由水镁石组成；与海沟较远的泥火山顶部发育的自生沉积物主要由碳酸盐矿物组成，偶尔也发育硅酸盐矿物[4,15,17]。目前研究主要集中于南Chamorro、Conical及Quaker蛇纹岩泥火山发育的自生碳酸盐岩[4,12,15-16]。蛇纹岩泥火山顶的自生碳酸盐岩一般以较低的δ13C值及较高的δ18O值为特征，指示渗漏流体具有较重的氧及较轻碳同位素组成，有学者认为这种较轻的碳同位素组成可能与无机成因甲烷的缺氧氧化作用有关[4,13,15,18-19]，较重的氧同位素组成与俯冲带的板片源流体的演化有关[4,15]。自生碳酸盐岩的87Sr/86Sr值一般低于海水值，指示渗漏流体具有贫放射成因锶的特征[4,15,20]。未见关于这些自生碳酸盐岩稀土元素等微量元素特征的研究。Conical蛇纹岩泥火山是目前唯一报道发育硅酸盐质烟囱状自生沉积物的蛇纹岩泥火山，其成分主要为一种罕见的含水无定形富镁硅酸盐[17]，但只有岩石学和微观形貌的报道[4,15]，未见关于该硅酸盐矿物地球化学特征的研究。这些自生沉积物元素地球化学研究的缺失可能与早期研究未对自生沉积物的研究意义给予足够重视，以及样品匮乏有关，但地球化学研究的缺失直接影响对渗漏流体的示踪。
因此，本文对马里亚纳弧前Conical蛇纹岩泥火山顶发育的自生沉积物开展研究，在岩石学、矿物学及主量元素分析基础上，结合稀土元素分析，对比不同类型自生沉积物及通过渗漏流体与海水两端元混合模型模拟的稀土元素特征间的差异，揭示Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物所记录的渗漏流体信息。
1. 地质背景
马里亚纳弧前是指马里亚纳海沟和岛弧之间的狭长地带（图1a），由向西北俯冲的太平洋板块和上覆的菲律宾板块形成。马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山主要由未固结的粉砂质、泥质蛇纹石胶结块状及砾状蛇纹岩或蛇纹石化超基性岩和变质岩等组成[1,5-7,21]。在马里亚纳俯冲带，太平洋洋壳自海沟处向下俯冲，随着俯冲深度的增加，温度和压力逐渐增加，俯冲板片逐渐发生压实、脱水等过程，产生的流体与上盘地幔楔橄榄岩发生蛇纹石化[22-26]，在拉伸构造背景下，蛇纹岩化的地幔楔沿弧前深断裂上升，喷发至海底形成蛇纹岩泥火山[1,8-9,27-29]。此类蛇纹岩泥火山主要呈串珠状分布于马里亚纳弧前12°~20°N区间，距离海沟轴线30～100 km宽的狭长弧前范围内，其直径约10～30 km、高度约0.5～2 km[1,8,13-14,30]。
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Conical蛇纹岩泥火山位于马里亚纳弧前北部，19°32′N、146°40′E范围内（图1b），大致呈现圆锥形，底部直径约为20 km，高出正常海底1500 m，山顶水深约3 100 m[4,7,15,31]。距离海沟轴线约86 km，位于俯冲界面上方19 km，是距离海沟最远、对应俯冲深度最深的一座蛇纹岩泥火山，山顶或裂缝处发育活跃的流体渗漏活动[1,13-15,17]。
2. 样品与方法
研究样品由2003年夏威夷大学组织的马里亚纳弧前航次（RI/OCE0002584）利用无人深潜器（ROV）Jason II，在第32次下潜期间从Conical蛇纹岩泥火山顶部采集，水深约3 100 m。样品在海底呈厚结壳状，覆盖并突出于蛇纹岩泥质沉积物之上。采集的Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物用去离子水清洗后自然风干。样品呈疏松多孔状，中间发育不规则型的残余流体通道，通道周围发育黄色球粒状沉积物，远离通道白色沉积物含量增加（图2a）。样品极易碎，碎后样品呈黄或白色的不规则球粒状及小块状（图2b—c），以及含有针状矿物的薄片状（图2d）。使用牙钻或镊子分别对不同产状样品进行分类取样，并用玛瑙研钵研磨至200目用于元素地球化学分析。挑选典型样品制作光学薄片并进行扫描电镜观察。
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图 2 Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物手标本a. 具有不规则型残余流体通道的疏松多孔自生沉积物，箭头指示残余流体通道；b. 薄片状碎块；c. 黄色球粒状碎块；d白色球粒状碎块。Figure 2. Authigenic deposition from Conical serpentine mud volcanoa. Loose porous authigenic deposition with irregular residual fluid path marker by the arrow; b. lamellar fragment; c. yellow spherical fragment; d. white spherical fragment.岩石学和矿物学观察在上海海洋大学海洋沉积地球化学分析实验室完成，所用仪器为Olympusa偏光显微镜和库塞姆EM-30台式扫描电镜。主量及微量元素分析在中国科学院地球化学研究所完成，主量元素的分析使用700 Series ICP-OES，微量元素的分析使用Plasma Quant MS。由于Conical蛇纹岩泥火山的自生沉积物几乎不含碎屑物质，主量及微量元素分析采用全溶消解法。称量50 mg样品放入15 mL特氟龙杯，加入二次蒸馏的优纯级HF和HNO3各1 mL，185℃烘箱加热36小时；冷却后蒸干，加入4 mL去离子水、2 mL HNO3及1 mL内标（微量元素加入Rh内标，主量元素加入Cd内标）后上机测试。主量元素及稀土元素平均相对标准偏差优于5%。
3. 结果
3.1 岩石学及矿物学
Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物主要由黄色或白色球粒状组分及白色薄片状组分构成，黄色球粒状组分主要集中在残余流体通道附近，几乎不含有碎屑沉积物（图3a）。样品极易碎，碎裂后的碎块宏观产状呈白色薄片状和黄色或白色球粒状（图2b—d）。薄层片状碎块的显微结构观察显示由针状文石和短柱状方解石组成（图3a—c），局部发育镁硅酸盐，碳酸盐矿物与镁硅酸盐矿物间孔隙明显（图3c），说明二者间可能存在沉积间断。黄色或白色球粒状样品由不同大小的不规则球状物质组成（图3d—f），单个球体直径约几微米到几百微米，表面光滑（图3e—f），能谱分析显示由Si、O和Mg组成（图3f）。Conical蛇纹岩泥火山以往的研究均显示自生碳酸盐岩烟囱及镁硅酸盐烟囱均含有无定形镁硅酸盐[4, 13, 15, 17]，因此，球状集合体组成的黄色或白色球粒状沉积物主要成分为无定形的镁硅酸盐。
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图 3 Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物显微结构特征a. 薄片状碎块发育针状文石的显微薄片照片（正交偏光）及b扫描电镜照片；c. 薄片状碎块中棱柱状方解石与针状文石伴生发育，碳酸盐矿物与镁硅酸盐矿物间孔隙明显，能谱分析显示1、2和3分别为文石，镁硅酸盐和方解石；d. 球粒状碎块由块状及边缘的球状（箭头）无定形镁硅酸盐组成（单偏光）；e—f. 为球状无定形镁硅酸盐扫描电镜照片，能谱分析结果显示主要元素组成为Si、O、Mg。红色小圈为能谱测试点。Figure 3. The microstructure features of authigenic deposition from Conical serpentinite mud volcanoa. Thin section photo of lamellar fragments showing acicular aragonite (polarized light); b. Photo showing acicular aragonite under scanning electron microscope (SEM); c. SEM photo showing prismatic calcite associated with acicular aragonite, but separated with irregular magnesium silicate by obvious porosity; the energy dispersive spectrometer (EDS) results indicate that 1, 2 and 3 are aragonite, magnesium silicate and calcite, respectively; d. Thin section photo showing spherical fragments are composed of massive parts and spherular parts at edges (single polarized light); e-f. SEM photos of amorphous magnesium silicates showing spherular structure; EDS results show that spherular fractures are composed of Si, O, Mg elements.3.2 主量元素
Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物主量元素分析结果（表1）显示，薄片状碎块CaO含量为49.3%～53.3%，MgO含量为2.3%～4.5%。球粒状碎块CaO含量为0.5%～2.9%，MgO含量为25.5%～29.1%。薄片状和球粒状碎块的混合样品CaO含量为11.2%～41.2%，MgO含量为7.8%～22.5%。样品的MgO含量与CaO含量显示了强烈负相关性，与Na2O和K2O含量显示了较好的正相关性（图4b、c）。TiO2和MnO含量均低于0.01%。
表 1 Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物主量元素特征Table 1. Characteristics of major elements in authigenic deposition from Conical serpentine mud volcano% 样品编号 碎块类型 MgO CaO Na2O Al2O3 P2O5 K2O Fe2O3-T h1 薄片状 2.3 53.3 1.1 0.02 0.02 0.01 0.010 9 h2 薄片状 3.8 50.1 1.2 0.11 0.03 0.02 0.073 6 h3 薄片状 4.5 49.3 1.3 0.00 0.03 0.02 0.0030 h4 薄片状 3.4 49.7 1.1 0.01 0.02 0.01 0.006 3 h5 薄片状 2.5 52.8 1.2 0.22 0.03 0.02 0.053 0 h6 薄片状 2.3 50.9 1.1 0.27 0.06 0.02 0.130 2 h7 混合碎块 8.6 39.3 1.3 0.02 0.03 0.05 0.011 8 h8 混合碎块 18.9 18.2 1.8 0.06 0.03 0.10 0.025 5 h9 混合碎块 11.6 33.9 1.4 0.01 0.02 0.06 0.003 0 h10 混合碎块 7.8 41.1 1.4 0.01 0.03 0.04 0.006 8 h11 混合碎块 22.5 11.2 2.1 0.02 0.03 0.11 0.008 0 h12 混合碎块 8.0 40.6 1.4 0.01 0.03 0.04 0.003 3 h13 球粒状 28.1 0.7 2.0 0.01 0.02 0.14 0.013 0 h14 球粒状 27.2 2.1 2.1 0.00 0.03 0.13 0.006 7 h15 球粒状 28.6 0.7 2.2 0.00 0.02 0.13 0.001 1 h16 球粒状 28.1 0.7 2.2 0.00 0.02 0.13 0.001 5 h17 球粒状 27.9 0.5 2.3 0.01 0.02 0.13 0.002 2 h18 球粒状 27.7 0.9 2.6 0.00 0.03 0.14 0.000 2 h19 球粒状 27.0 0.8 2.5 0.00 0.02 0.13 0.002 7 h20 球粒状 25.5 2.9 2.2 0.00 0.03 0.13 0.002 3 h21 球粒状 29.1 0.5 2.5 0.01 0.02 0.14 0.002 3 h22 球粒状 27.0 2.2 2.4 0.00 0.03 0.13 0.003 4 注：主量元素分析结果未包含碳和硅元素含量，以及部分氧元素含量。 ![]()
图 4 Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物部分主量元素含量图Figure 4. Part of the major element contents in authigenic deposition from Conical serpentine mud volcano3.3 稀土元素
Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物均显示了较低的稀土元素（REE）含量（表2），且类薄片状碎块的总稀土含量（ΣREE为227.2～4 136.6 ng/g，平均值1 306.3 ng/g）略高于球粒状碎块的总稀土含量（ΣREE为115.4～3 64.9 ng/g，平均值192.5 ng/g）。薄片状和球粒状碎块的混合样品的稀土元素特征与薄片状碎块相似，具有相对高的总稀土含量（ΣREE含量为156.7～514.8 ng/g，平均值285.5 ng/g）。所有样品均显示了Eu正异常特征（薄片状碎块的Eu/Eu*为1.17～8.00，粒状碎块的Eu/Eu*为2.46～37.14，混合碎块的Eu/Eu*为1.88～5.96）。
表 2 Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物稀土元素含量及特征Table 2. Contents and characteristics of REE in authigenic deposition of Conical serpentinite mud volcanong/g 样品编号 La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Y Ho Er Tm Yb Lu ΣREE Ce/Ce* Eu/Eu* h1 40.5 155.8 7.3 89.7 8.8 10.0 5.8 3.1 9.3 125.0 3.0 9.3 0.4 6.2 1.4 350.6 2.07 5.40 h2 89.1 168.9 29.4 121.6 14.0 16.7 37.4 6.3 28.6 371.7 10.3 26.4 2.3 29.8 3.0 583.7 0.75 2.36 h3 51.9 97.7 6.5 36.2 9.2 5.5 2.0 1.4 7.2 99.0 2.9 3.7 0.3 2.8 0.3 227.2 1.17 8.00 h4 51.0 147.4 15.6 66.6 4.6 13.9 12.3 1.9 11.8 118.4 3.2 7.0 − 8.5 1.1 344.9 1.19 5.33 h5 848.4 161.5 121.1 516.9 84.9 22.6 89.4 12.9 107.9 1 201.3 24.0 67.3 14.0 105.3 18.4 2 194.8 0.11 1.17 h6 1 620.9 547.2 245.7 1 020.1 174.9 45.2 127.2 16.7 125.7 1 079.9 26.7 70.5 16.2 85.2 14.6 4 136.6 0.20 1.48 h7 47.7 91.5 9.2 37.4 9.0 7.3 12.0 2.0 22.3 160.1 3.2 7.8 1.4 9.8 2.1 262.7 1.00 3.22 h8 55.8 127.5 20.0 82.3 30.3 12.9 38.6 6.5 56.0 461.0 13.5 27.1 5.9 33.3 5.2 514.8 0.86 1.88 h9 16.9 69.1 3.6 20.6 8.0 10.1 11.9 1.0 5.6 89.0 2.2 4.5 0.4 0.9 1.9 156.7 2.06 4.88 h10 35.0 67.8 8.6 31.0 2.0 7.1 5.6 2.8 11.0 114.3 3.1 7.5 0.4 10.8 1.5 194.3 0.90 5.96 h11 54.8 124.6 8.0 48.3 19.4 11.9 13.6 4.2 14.1 120.7 5.3 7.8 − 12.4 1.4 325.7 1.34 4.56 h12 49.2 86.0 5.5 42.1 15.1 8.4 24.7 1.8 11.1 104.6 4.1 6.0 − 4.1 0.8 258.8 1.13 1.96 h13 55.7 142.5 6.1 54.4 11.6 12.4 17.8 4.4 16.0 319.6 6.3 16.0 1.8 18.4 1.3 364.9 1.67 3.71 h14 32.6 77.2 5.3 23.1 6.4 4.1 6.0 1.1 9.9 80.0 4.3 7.4 0.5 2.7 2.5 183.2 1.33 3.47 h15 21.9 50.9 2.5 25.1 4.8 3.6 2.5 1.6 11.4 139.5 3.6 8.0 − 6.1 1.3 143.3 1.49 5.50 h16 9.8 70.8 1.0 17.0 − 6.6 − 0.3 0.7 58.8 2.1 3.9 0.5 1.6 1.2 115.4 4.78 37.14 h17 57.0 81.8 9.0 42.0 2.9 9.1 8.2 2.1 8.6 158.3 3.4 6.3 0.4 12.1 1.8 244.7 0.82 5.29 h18 8.5 105.6 3.2 8.1 3.1 9.5 8.2 1.7 8.0 109.1 1.6 3.7 0.1 5.0 0.7 167.0 4.57 7.01 h19 8.3 97.9 − − − 4.3 8.3 0.3 14.0 61.8 2.9 5.2 − 2.6 0.6 144.5 11.32 3.36 h20 16.8 58.1 4.1 4.0 1.0 4.6 8.0 1.0 5.1 121.1 2.9 7.3 2.2 8.9 3.8 127.9 1.61 3.61 h21 48.8 135.2 6.4 67.3 9.5 5.5 9.9 0.6 5.3 126.1 2.6 7.6 0.1 2.5 1.2 302.6 1.69 2.46 h22 10.0 77.6 1.7 6.0 0.9 7.3 4.0 0.6 9.8 74.2 2.5 5.5 0.8 4.4 0.3 131.5 4.30 10.67 Ce/Ce*=2CeN/(LaN+PrN)，Pr/Pr*=2PrN/(CeN+NdN)，Eu/Eu*=EuN/(0.33NdN+0.67GdN)，ΣREE不包括Y。“−”表示未检出。 4. 讨论
4.1 渗漏流体与海水的贡献比例
马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山渗漏流体的稀土含量较低，配分模式以轻稀土略微富集为特征[14]，而Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物显示了轻微的重稀土富集特征（图5），说明其形成过程中同时受到了渗漏流体和海水稀土元素组成的影响。Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物中方解石和文石的形成被认为与碳酸盐矿物沉淀过程中海水与渗漏流体贡献比例差异有关[15]。但是，除碳酸盐矿物外，本文研究的Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物中还发育较多黄色或白色球粒状无定形镁硅酸盐（图2），主要由镁和硅组成（图3f、 表1），自生沉积物样品镁含量与钠和钾含量具有非常好的正相关性（图4b、c），说明无定形镁硅酸盐中还含有少量钠和钾。
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图 5 Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物及马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山渗漏流体澳大利亚后太古代页岩标准化稀土配分模式图海水与渗漏流体数据来自文献[14]。Figure 5. Rare earth element patterns of authigenic deposition from Conical serpentinite mud volcano and of seepage fluids from Marianas forearc serpentinite mud volcanoes standardized by Post-Archean Australian ShaleData of seepage fluids and seawater after reference [14].Fleet等[32]曾利用稀土元素混合模型对铁锰结核中不同成因组分进行了定量研究，我们把类似方法应用于马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山自生沉积物，利用渗漏流体和海水的稀土元素组成建立两端元混合模型，获得不同比例混合后流体的稀土元素含量，并将其稀土配分模式与自生沉积物的稀土配分模式进行比较（图6a）。由于尚未有Conical蛇纹岩泥火山渗漏流体稀土元素含量的报道，本文选取与Conical蛇纹岩泥火山地质背景类似的南Chamorro蛇纹岩泥火山的渗漏流体的稀土元素组成作为参考端元值[14,33]，海水端元的稀土元素含量根据蛇纹岩泥火山底层海水值[14]。与海水典型的重稀土元素富集特征不同，南Chamorro蛇纹岩泥火山的渗漏流体显示轻微轻稀土富集的平坦型稀土配分模式，以及显著Eu正异常的特征[14]。两端元混合模型显示，如果混合流体中海水比例超过了约10%（渗漏流体比例低于90%），混合流体的稀土配分模式就显示了类似海水配分模式的形态特征，即显著的重稀土富集，La正异常以及显著Ce负异常特征（图6a）。这是由于海水端元稀土含量（ΣREE为1.86×10−2 ng/g）显著高于渗漏流体端元（ΣREE为1.85×10−3 ng/g）[14]。但是，Conical蛇纹岩泥火山发育的大部分自生沉积物的稀土配分模式显示了与海水显著不同的特征（图5），说明这些自生沉积物沉淀于与海水稀土特征显著不同的流体环境中，且这种流体中的海水比例应低于10%，渗漏流体贡献应超过90%。因此，Conical蛇纹岩泥火山的大部分自生沉积物形成于较强的流体渗漏环境。
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图 6 渗漏流体与海水混合流体的澳大利亚后太古代页岩标准化稀土配分模式（a）及Eu/Eu*值与拟合海水贡献比例（b）a中0%代表南Chamorro渗漏流体，b中曲线根据海水与南Chamorro渗漏流体定量混合后与其对应的Eu/Eu*值拟合；样品中海水贡献比例根据混合流体曲线对应拟合函数计算，不在曲线上的点默认海水贡献为0。Figure 6. The rare earth partitioning patterns of mixed fluids of seepage fluids and seawater standardized by Post-Archean Australian Shale (a) and Eu/Eu* values V.S. modeled seawater contribution ratios (b)a. 0% represents the REE pattern of the seepage fluid from South Chamorro serpentinite mud volcano; b.The curve is deduced according to the Eu/Eu* values of mixed fluids of seawater and the seepage fluid from South Chamorro serpentinite mud volcano; The proportion of seawater contribution in the sample is calculated according to the corresponding fitting function of the mixed fluid curve, The seawater ratios of the points with Eu/Eu* values beyond the curve were taken as 0.Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物中绝大部分样品（除两个稀土含量相对较高样品外）均具有非常显著的Eu正异常特征（图5）。Eu正异常是南Chamorro蛇纹岩泥火山渗漏流体的典型特征[14]。尽管超过10%海水的混合流体就显示了重稀土富集的海水型特征，但是就Eu元素特征来说，在混合模型中，即使海水比例达20%，混合流体的稀土配分模式仍显示轻微的Eu正异常特征（图6a）。因此，Eu/Eu*值似乎更加适合用于进一步半定量估算形成Conical蛇纹岩泥火山形成自生沉积物样品海水与渗漏流体所占的比例。拟合结果显示，稀土含量最高的两个碳酸盐型样品具有最低的Eu/Eu*值（1.17与1.48），其形成流体中的海水所占比例最高（0.2与0.34，图6b），说明这两个样品形成过程中受海水影响更加显著。部分样品的Eu/Eu*值高于渗漏流体端元值取值范围（图6b），说明尽管南Chamorro蛇纹岩泥火山渗漏流体与Conical蛇纹岩泥火山渗漏流体均具有显著Eu正异常特征，但后者可能具有更高的Eu/Eu*值，这可能导致流体混合比例反演结果对海水比例的低估。尽管海水比例最高的样品出现在薄片状碳酸盐岩碎块样品中，但总体而言薄片状碳酸盐岩碎块、球粒状镁硅酸盐碎块和混合碎块样品的Eu/Eu*值及其拟合的海水比例并不存在类型间的系统性差异（图6b），说明薄片状碎块和球粒状碎块均形成于较强的渗漏环境，海水参与程度及渗漏强度并非是自生沉积物中碳酸盐和无定形镁硅酸盐矿物同时发育的原因。
4.2 渗漏流体类型
马里亚纳弧前Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物主要由碳酸盐矿物和无定形镁硅酸盐组成，自生沉积物中的碳酸盐矿物常结合成薄片状，而无定形镁硅酸盐呈小球状，在宏观上基本可区分（图2），混合碎块样品可能是样品破碎时的物理混合。扫描电镜下观察也显示镁硅酸盐与碳酸盐矿物之间有明显的沉积间隔（图3c），说明碳酸盐矿物和无定型镁硅酸盐可能并非共沉淀。前人也曾报道在Conical蛇纹岩泥火山顶的碳酸盐烟囱晶洞中发育少量凝胶状镁硅酸盐，说明镁硅酸盐沉淀晚于碳酸盐，为不同期次流体作用的结果[9,17]。热力学上，碳酸盐矿物在碱性条件下稳定，而镁硅酸盐矿物在碱性条件下稳定性差，二者形成于不同的酸碱条件。这些特征说明，Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物中碳酸盐矿物碎块和无定形镁硅酸盐碎块可能分别是两种不同性质流体的渗漏活动的产物。
在Conical蛇纹岩泥火山顶碳酸盐烟囱状自生沉积物发育的邻近区域报道有烟囱状硅酸盐自生沉积物发育，且硅酸盐烟囱一般比碳酸盐岩烟囱更加粗大，成分与碳酸盐烟囱晶洞中的硅酸盐成分一致[17]。形成碳酸盐岩质烟囱的渗漏流体的碳酸盐碱度极高，可达海水值的20倍以上（52～69 meq/Kg）[13-14]，其硅含量低于或者略高于底层海水值[13-14]。沉淀硅酸盐质烟囱的渗漏流体的pH值（9.28）也高于海水，但碱度（约6 meq/Kg）仅略高于海水值，其硅含量却高于底层海水数倍[4, 17]，这说明Conical蛇纹岩泥火山顶发育“低硅型”和“高硅型”两种性质明显不同的渗漏流体。因此，基于本研究自生沉积物中薄片状碳酸盐碎块和球粒状硅酸盐碎块样品间显著的岩石学和矿物学差异，以及二者并非形成于同种渗漏流体、不同渗漏强度产物的特性，推测本研究中Conical蛇纹岩泥火山的薄片状碳酸盐样品应形成于“低硅型”渗漏流体活跃阶段，球粒状无定形镁硅酸盐样品应形成于“高硅型”渗漏流体活跃阶段，Conical蛇纹岩泥火山在同一渗漏点发育“低硅型”和“高硅型”两种渗漏流体的动态演化。
在Conical蛇纹岩泥火山顶海底的不同位置已报道发育“低硅型”和“高硅型”两种流体的渗漏[13-14,17]，但是关于同一个渗漏点发育“低硅型”和“高硅型”两种类型流体动态演化的机制目前尚不清楚。地震被认为是除蛇纹岩浮力与俯冲带深部超压以外，引起蛇纹岩泥火山间歇性喷发的重要原因[1]，地震等脉冲事件是否可能为引起多种性质渗漏流体转换及动态演化的原因需要进一步深入研究。
5. 结论
马里亚纳弧前Conical蛇纹岩泥火山自生沉积物由两种矿物组成，分别是白色薄片状碳酸盐矿物以及黄色或白色球粒状无定型镁硅酸盐。前者CaO含量较高，MgO含量较低，主要由针状文石和棱柱状方解石组成，后者MgO含量较高，CaO含量较低，微观下呈球状集合体。二者均形成于较强的渗漏环境，渗漏流体与海水稀土元素混合模型显示形成大部分自生沉积物的流体中的渗漏流体比例应高于90%，碳酸盐及无定形镁硅酸盐可能分别由“低硅型”和“高硅型”两种性质流体渗漏所引起。自生沉积物的这些特征说明，Conical蛇纹岩泥火山同一渗漏点可能发育“低硅型”和“高硅型”两种性质渗漏流体的动态演化，但诱发二种流体转换的机制有待进一步研究。
致谢：感谢美国夏威夷大学Fryer P教授提供样品和采样信息，感谢审稿人提出的宝贵意见。
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图 11 双峰盆地珠江组斜坡扇地震反射特征
Figure 11. Seismic reflection characteristics of slope fan deposits of Zhujiang Formation, Shuangfeng basin
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图 12 深水扇分流水道地震反射特征
Figure 12. Seismic reflection characteristics of deepwater fan-channel filling deposits
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图 13 双峰盆地北部坳陷储盖组合剖面图（测线3）
Figure 13. A “source rock-reservoir-seal system” in Northern depression, Shuangfeng basin (Line 3)
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图 14 双峰盆地油气资源勘探前景评价
Figure 14. Hydrocarbon exploration evaluation map of Shuangfeng basin
表 1 地震相类型及特征
Table 1 Seismic facies types and characteristics
序号 地震相类型 沉积相类型 类 亚类 ① 平行-亚平行相 弱振幅、弱连续 湖、海 ② 中—强振幅、连续 湖、海 ③ 席相 中振幅、中连续 中—深湖、半深湖—深海 ④ 强振幅、连续 浅湖 ⑤ 杂乱相 — 扇三角洲、冲积扇、
滑塌体⑥ 前积相 S形 三角洲（低水流能量） ⑦ 复合形 三角洲（中水流能量） ⑧ 斜交形 三角洲（高水流能量） ⑨ 叠瓦状 三角洲（斜坡区浅水环境强水流） ⑩ 充填相 平行 河流、下切水道 ⑪ 杂乱 ⑫ 丘形反射相 — 海（湖）底扇、
扇三角洲、礁
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表 2 国内外深水扇（盆底扇、斜坡扇）储集砂体物性统计[22-27]
Table 2 Reservoir properties of deepwater fan (basin floor fan, slope fan)
储集砂体 面积/km2 厚度/m 孔隙度/% 渗透率/10−3 μm2 代表井 盆底扇和浊积水道砂岩 18.6～87.0 20 11.72 琼东南盆地LD30-1-1A 盆底扇砂岩 179 193 16 11.8 琼东南盆地YA35-1-1井 浊积砂体 ＞6 000 30～100 25～30 532.94 巴西Marlin、Albacora油田 盆底扇砂岩 370～630 ＞100 30 白云凹陷LH33-1、BY7-1和BY14-1 浊积砂体 76 20～24 20～4 000 北海北克莱莫尔油田 深水水道砂岩 13.2 1.52 琼东南盆地YC35-1-1 盆底扇砂岩 193 25～30 深水水道砂岩 18.6～87.0 20 11.88 琼东南盆地西部LD30-1-1井 浊积砂岩 20～30 ＞1 000 坎波斯盆地 深水水道砂岩 15～37 40～1 000 美国墨西哥湾深水区 斜坡扇 27～35 0.2～4.0
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[1] 龚再升, 李思田, 谢泰俊, 等. 南海北部大陆边缘盆地分析与油气聚集[M]. 北京: 科学出版社, 1997. GONG Zaisheng, LI Sitian, XIE Taijun, et al. Continental Margin Basin Analysis and Hydrocarbon Accumulation of the Northern South China Sea[M]. Beijing: Science Press, 1997.
[2] 张功成, 米立军, 吴时国, 等. 深水区——南海北部大陆边缘盆地油气勘探新领域[J]. 石油学报, 2007, 28(2):15-21. [ZHANG Gongcheng, MI Lijun, WU Shiguo, et al. Deepwater area——the new prospecting targets of northern continental margin of South China Sea [J]. Acta Petrolei Sinica, 2007, 28(2): 15-21. doi: 10.3321/j.issn:0253-2697.2007.02.003 [3] 朱伟林, 钟锴, 李友川, 等. 南海北部深水区油气成藏与勘探[J]. 科学通报, 2012, 57(24):3121-3129. [ZHU Weilin, ZHONG Kai, LI Youchuan, et al. Characteristics of hydrocarbon accumulation and exploration potential of the northern South China Sea Deepwater Basins [J]. Chinese Science Bulletin, 2012, 57(24): 3121-3129. [4] 杨胜雄, 梁金强, 陆敬安, 等. 南海北部神狐海域天然气水合物成藏特征及主控因素新认识[J]. 地学前缘, 2017, 24(4):1-14. [YANG Shengxiong, LIANG Jinqiang, LU Jing'an, et al. New understandings on the characteristics and controlling factors of gas hydrate reservoirs in the Shenhu area on the northern slope of the South China Sea [J]. Earth Science Frontiers, 2017, 24(4): 1-14. [5] 张功成, 米立军, 吴景富, 等. 凸起及其倾没端-琼东南盆地深水区大中型油气田有利勘探方向[J]. 中国海上油气, 2010, 22(6):360-368. [ZHANG Gongcheng, MI Lijun, WU Jingfu, et al. Rises and their plunges: favorable exploration directions for major fields in the deepwater area, Qiongdongnan basin [J]. China Offshore Oil and Gas, 2010, 22(6): 360-368. doi: 10.3969/j.issn.1673-1506.2010.06.002 [6] 钟广见. 南海西北次海盆新生代构造事件的沉积记录[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2014. ZHONG Guangjian. Sedimentary records for cenozoic tectonic event in northwest sub-basin of South China Sea (SCS)[D]. Beijing: China University of Geosciences (Beijing), 2014.
[7] 丁巍伟, 黎明碧, 赵俐红, 等. 南海西北次海盆新生代构造-沉积特征及伸展模式探讨[J]. 地学前缘, 2009, 16(4):147-156. [DING Weiwei, LI Mingbi, ZHAO Lihong, et al. Cenozoic tectono-sedimentary characteristics and extension model of the Northwest Sub-basin, South China Sea [J]. Earth Science Frontiers, 2009, 16(4): 147-156. doi: 10.3321/j.issn:1005-2321.2009.04.014 [8] 周洋, 刘海龄, 朱荣伟, 等. 南海北部陆缘古双峰-笔架碰撞造山带空间展布特征[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2016, 36(4):77-84. [ZHOU Yang, LIU Hailing, ZHU Rongwei, et al. Spatial distribution of ancient Shuangfeng-Bijia orogen on northern continental margin of South China Sea [J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2016, 36(4): 77-84. [9] 陈慧. 南海西北次海盆西北陆缘深水沉积体系及其演化研究[D]. 中国地质大学(武汉) 博士学位论文, 2014. CHEN Hui. Characteristics and evolution of deep-water sedimentary systems on the northwestern margin slopes of the northwest sub-basin, South China Sea[D]. Doctor Dissertation of China University of Geosciences (Wuhan), 2014.
[10] 钱星, 张莉, 易海, 等. 南海北部双峰南陆坡区的构造层序及沉积充填过程[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2015, 35(1):21-27. [QIAN Xing, ZHANG Li, YI Hai, et al. Tectonic sequence and its sedimentary filling process of the Shuangfengnan slope in northern South China Sea [J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2015, 35(1): 21-27. [11] 雷振宇, 苏明, 张莉, 等. 南海北部陆坡琼东南盆地晚中新世以来沉积物来源及输送样式[J]. 海洋学研究, 2016, 34(2):35-42. [LEI Zhenyu, SU Ming, ZHANG Li, et al. Sediment sources and transport patterns of Qiongdongnan Basin in Northern Slope of South China Sea since Late Miocene [J]. Journal of Marine Sciences, 2016, 34(2): 35-42. doi: 10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.005 [12] 刘睿, 周江羽, 张莉, 等. 南海西北次海盆物源供给模式及油气勘探前景[J]. 地质学报, 2012, 86(11):1826-1832. [LIU Rui, ZHOU Jiangyu, ZHANG Li, et al. Provenance supply model and exploration prospect of the northwestern sub-basin, South China Sea [J]. Acta Geologica Sinica, 2012, 86(11): 1826-1832. doi: 10.3969/j.issn.0001-5717.2012.11.012 [13] Ludwig W J. The Manila Trench and west Luzon Trough-III. Seismic-refraction measurements [J]. Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts, 1970, 17(3): 553-571. doi: 10.1016/0011-7471(70)90067-7
[14] Tapponnier P, Molnar P. Slipline field theory and large scale continental tectonics [J]. Nature, 1976, 264(5584): 319-324. doi: 10.1038/264319a0
[15] Tapponnier P, Peltzer G, Le Dain A Y, et al. Propagating extrusion tectonics in Asia: new insights from simple experiments with plasticine [J]. Geology, 1982, 10(12): 611-616. doi: 10.1130/0091-7613(1982)10<611:PETIAN>2.0.CO;2
[16] Karig D E. Origin and development of marginal basins in the western Pacific [J]. Journal of Geophysical Research, 1971, 76(11): 2543-2561.
[17] 郭令智, 施央申, 马瑞士. 西太平洋中、新生代活动大陆边缘和岛弧构造的形成及演化[J]. 地质学报, 1983, 57(1):11-20. [GUO Lingzhi, SHI Yangshen, MA Ruishi. On the formation and evolution of the mesozoic-cenozoic active continental margin and island arc tectonics of the western pacific ocean [J]. Acta Geologica Sinica, 1983, 57(1): 11-20. [18] Ben Avraham Z, Uyeda S. The evolution of the China Basin and the Mesozoic paleogeography of Borneo [J]. Earth and Planetary Science Letters, 1973, 18(2): 365-376. doi: 10.1016/0012-821X(73)90077-0
[19] 龚再生, 李思田, 谢泰俊, 等. 南海北部大陆边缘盆地分析与油气聚集[M]. 北京: 科学出版社, 1997: 111-126. GONG Zaisheng, LI Sitian, XIE Taijun, et al. Continental margin basin analysis and hydrocarbon accumulation of the northern South China Sea[M]. Beijing: Science Press, 1997: 111-126.
[20] Wang C, Jianming Y, Weilin Z, et al. Some problems in understanding basin evolution [J]. Earth Science Frontiers, 1995, 2(3-4): 29-44.
[21] 姚伯初. 南海海盆新生代的构造演化史[J]. 海洋地质与第四纪地质, 1996, 16(2):1-13. [YAO Bochu. Tectonic evolution of the South China Sea in cenozoic [J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 1996, 16(2): 1-13. [22] 周蒂, 陈汉宗, 吴世敏, 等. 南海的右行陆缘裂解成因[J]. 地质学报, 2002, 76(2):180-190. [ZHOU Di, CHEN Hanzong, WU Shimin, et al. Opening of the South China Sea by dextral splitting of the east Asian continental margin [J]. Acta Geologica Sinica, 2002, 76(2): 180-190. doi: 10.3969/j.issn.1006-7493.2002.02.007 [23] 赵钊, 赵志刚, 沈怀磊, 等. 南海北部超深水区双峰盆地构造演化与油气地质条件[J]. 石油学报, 2016, 37(S1):47-57. [ZHAO Zhao, ZHAO Zhigang, SHEN Huailei, et al. Tectonic evolution and hydrocarbon geological conditions of Shuangfeng Basin in the ultra-deep water area of the northern South China Sea [J]. Acta Petrolei Sinica, 2016, 37(S1): 47-57. doi: 10.7623/syxb2016S1005 [24] 万玲, 曾维军, 吴能友, 等. 南海北部陆缘西沙海槽-台湾恒春半岛地学断面[J]. 中国地质, 2009, 36(3):564-572. [WAN Ling, ZENG Weijun, WU Nengyou, et al. Geotransect from Xisha Trough in the northern continental slope of the South China Sea to Hengchun Peninsular in Taiwan [J]. Geology in China, 2009, 36(3): 564-572. doi: 10.3969/j.issn.1000-3657.2009.03.006 [25] 房殿勇, 王汝建, 邵磊, 等. 南海ODP1148站深海相渐新统硅质成岩作用[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2002, 22(2):75-79. [FANG Dianyong, WANG Rujian, SHAO Lei, et al. Silica diagenesis of deep-sea oligocene at ODP site 1148, the South China Sea [J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2002, 22(2): 75-79. [26] 何仕斌, 张功成, 米立军, 等. 南海北部大陆边缘盆地深水区储层类型及沉积演化[J]. 石油学报, 2007, 28(5):51-56. [HE Shibin, ZHANG Gongcheng, MI Lijun, et al. Reservoir type and sedimentary evolution in the continental margin deepwater area of the northern South China Sea [J]. Acta Petrolei Sinica, 2007, 28(5): 51-56. doi: 10.3321/j.issn:0253-2697.2007.05.009 [27] 姜涛, 解习农, 汤苏林. 浊流形成条件的水动力学模拟及其在储层预测方面的作用[J]. 地质科技情报, 2005, 24(2):1-6. [JIANG Tao, XIE Xinong, TANG Sulin. Hydrodynamic simulation of turbidity and its application for reservoir prediction [J]. Geological Science and Technology Information, 2005, 24(2): 1-6. doi: 10.3969/j.issn.1000-7849.2005.02.001
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