FINE-GRAINED TURBIDITES IN GMGS01 OF THE SHENHU AREA, NORTHERN SOUTH CHINA SEA AND ITS SIGNIFICANCE
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摘要: 利用广州海洋地质调查局在神狐海域采集的高分辨率地震数据，结合2007年第一次水合物钻探航次(GMGS01)获取的岩心资料，从地震反射结构和岩心粒度特征两个方面对GMGS01区块内残留在峡谷群脊部的细粒浊积体进行了识别和特征刻画。过水合物钻探站位的准3D地震剖面显示，GMGS01区块似海底反射(bottom simulating reflectors，BSR)之上的沉积体表现为2套特征迥异的反射单元：位于下部的薄层透镜状的杂乱反射单元，位于上部的厚层波状起伏形态的连续性中—强振幅反射单元。实际钻获岩心的粒度分析结果表明，沉积物的粒度为4~63 μm，为细粒的粉砂或粉砂质泥。自下而上，沉积物的岩性和粒度特征没有发生大的变化，较为相似。但通过粒度CM图，可以发现，含水合物层段与不含水合物层段的沉积物表现为不同的特征，含水合物层段沉积物的结果近似与C=M基线平行，暗示了细粒浊积体的存在。结合神狐海域区域性覆盖的2D地震资料，研究认为发育在神狐海域北部的一系列小型水道，将会侵蚀下部地层的沉积物，使其沿着陆坡坡降的方向发生自北向南的再次搬运，在中—下陆坡的位置以细粒浊积体的形式再次沉积下来。神狐海域细粒浊积体的识别，将为从深水沉积的角度探讨GMGS01区块内水合物的不均匀性分布提供依据，从而有助于进一步揭示该区域水合物的成藏机制和富集规律。Abstract: Based upon the high-resolution seismic data acquired by the Guangzhou Marine Geological Survey and the cores collected by the First Hydrate Drilling Expedition (GMGS01), a kind of fine-grained turbidite is identified in the Shenhu Area of the northern South China Sea. According to the seismic profiles crossing hydrate drilling sites, two seismic units are recognized above the BSR (bottom simulating reflectors): the Unit 1 at the bottom consisting of thin-bedded lenticular chaotic seismic reflectors and the Unit 2 at the top consisting of thick continuous moderate-amplitude seismic reflectors with wavy structures. Grain size analysis illustrates that the deposits are composed of fine-grained silt or silty clay ranging 4-63 μm in grain size. Both the lithological features and grain size parameters are consistent from bottom to top without significant changes. It implies that all the deposits should be the results of a similar depositional process. Moreover, on the C-M diagram, the samples from the hydrate bearing sediments show a distribution pattern parallel to the C=M baseline, indicating an origin of fine-grained turbidites. Regional survey suggests that these fine-grained turbidites might be associated with some small-scale channels in the north of the Shenhu Area. The sediments provided by these small channels move downslopewards and re-deposited in the middle to lower slope as fine-grained turbidites. Based upon the above interpretation, a model is proposed to reveal the relationships between fine-grained tuebidites and hydrates, It says that the heterogeneous distributions of gas hydrates in GMGS01 of the Shenhu Area, northern South China Sea probably owes its origin to the uneven distribution of fine grained turbidites.
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位于南海北部陆坡区域的神狐海域是我国海域天然气水合物勘探的重要区域之一，自20世纪90年代开始，国土资源部广州海洋地质调查局在该区域进行了大量的地质、地球物理和地球化学调查航次，并圈定了水合物的可能富集区域。2007年在神狐海域进行了我国首个海域水合物的钻探(GMGS01)，获得了实物样品[1, 2]，2017年在该区域成功进行了水合物的试采工作，使得该区域成为目前海域水合物研究的热点区域之一。
针对神狐海域的含水合物沉积层，前人从岩性组分和粒度特征[3-5]、生物组分与地层沉积速率[6-10]、地球化学特征[11-13]、地震反射特征和沉积相[14-16]、测井曲线响应[17, 18]等角度开展了精细的描述工作，并尝试对神狐海域水合物的成藏机制和分布规律给出解释[19-25]。基于神狐海域GMGS01区块的准3D地震资料，苏明等认为峡谷群脊部处可能存在着薄层的细粒浊积体[26]；通过对GMGS01区块内8个站位的对比，结合SH7站位的粒度分析资料，Su等认为尽管岩心资料显示自下而上无论是岩性组分和粒度特征都没有大的变化，但BSR(bottom simulating reflectors，似海底反射)之上存在着2套沉积单元，下部为薄层的细粒浊积体，并认为细粒浊积体的空间展布是区域内水合物不均匀性分布的关键控制因素之一[27]。
区域地质背景研究表明，神狐海域水合物GMGS01区块位于珠江口盆地白云凹陷的北部陆坡区域(图 1a)，区域内的近17条陆坡限制型海底峡谷位于珠江口峡谷的东北侧，垂直于陆坡，峡谷的深泓线弯曲度较小，呈NNW-SSE向线状分布(图 1b)，钻探区位于神狐海底峡谷群的中—下游段位置(图 1c)[29, 30]。海底峡谷群及大规模发育的沉积物失稳现象[31, 32]说明，GMGS01区块内存在着类型多样、成因复杂的深水沉积体，并且多是重力诱发的结果。因此，为了更好地描述神狐海域GMGS01区块内，特别是水合物钻探站位所揭示的深水沉积体类型，本次研究利用广州海洋地质调查局所采集的高分辨率地震数据，结合岩心粒度分析结果，尝试从地震反射结构、岩心粒度特征和粒度CM图等方面来刻画似海底反射BSR之上含水合物层和不含水合物层的差异，从而对细粒浊积体进行识别并总结其井震响应特征。此外，结合区域沉积演化，本次研究将探讨细粒浊积体对水合物形成与分布的影响，进而分析南海北部陆坡神狐海域GMGS01区块内水合物不均匀性分布的关键控制因素，进一步深化该区域的水合物成藏机制与富集规律。
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图 1 南海北部陆坡神狐海域区域位置图(a)、海底地貌特征图(b)及GMGS01区块内的钻井分布(c) [28]Figure 1. (a) Location map of the Shenhu Area on the northern continental slope of the South China Sea; (from Ding et al, 2013[28]) (b) Bathymetric map of the study area (Shenhu Area) showing nearly seventeen slope-confined submarine canyons; (c) Locations of hydrate drilling sites of GMGS01 in the Shenhu Area1. 区域地质背景
南海北部是我国海域水合物勘探的重点区域，自20世纪90年代开始，广州海洋地质调查局在南海北部进行了大量的水合物调查航次，圈定了多个指示水合物存在的地质、地球物理和地球化学异常标志。2007、2013、2015和2016年，广州海洋地质调查局在南海北部组织实施了4次水合物钻探(GMGS01、02、03和04)，均获取了水合物实物样品，显示了南海北部优异的水合物资源前景。2017年5—7月，国土资源部中国地质调查局在南海北部神狐海域进行了我国首次海域天然气水合物试采工作，连续试气点火60天，累计产气30.9万m3，平均日产5 151 m3，甲烷含量最高达99.5%[33]。
神狐海域位于南海北部陆坡的中段，介于西沙海槽和东沙群岛之间(图 1a)。西北部是珠江水下三角洲，可能代表了主要的沉积物供给来源，东南部为珠江口外海底峡谷和西北次海盆，代表了沉积物最终的汇聚区域(图 1a)。地理条件上来看，神狐海域位于200~1 700 m的水深范围，区域内的海底温度几乎都低于4 ℃，海底受到的水深压力大于10 MPa，满足水合物形成所需要的低温高压条件[34]。构造上，神狐海域隶属于珠江口盆地珠II坳陷的白云凹陷，具有相同的构造-沉积演化特征。中中新世以来，受东沙和台湾等构造运动的影响，构造沉降速率在神狐海域表现为异常高值的特征[21, 16]。利用高分辨率地震资料，前人揭示了该区域广泛存在的断裂体系、气烟囱构造、底辟构造等[19-21, 24, 35]，并初步分析了含气流体运移通道对水合物成藏的影响。受沉积物供给(北部珠江水系和珠江水下三角洲)和地形坡度变化的影响，中中新世以来，神狐海域发育大量的深水水道、海底峡谷、沉积物失稳(滑移、滑塌)等，呈现出类型多样、相互叠置、成因复杂的深水沉积特征。尤其是现今海底地貌图上的陆坡限制型海底峡谷群(图 1b)，表现为“U”型或“V”型的形态特征，显示出对下伏地层的侵蚀[29, 30]。
2. GMGS01区块水合物钻探结果及不均匀性分布特征
2007年，广州海洋地质调查局在神狐海域组织实施了我国首个水合物钻探航次(GMGS01)，实际完成钻探站位8个(图 1c)，取心站位5个(SH1、SH2、SH3、SH5和SH7)，结合地震资料、测井数据和取心样品，证实钻探区内水合物分布总面积约22 km2，气体储量约为194亿m3 [1, 2]。神狐海域GMGS01区块水合物实物样品的获取，使得我国成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划在海底钻探获得水合物实物样品的国家。
GMGS01区块的钻探结果表明，水合物具有明显的空间分布不均匀性特征：平面上，仅在SH2、SH3和SH7这3个站位中获取了水合物的样品，SH1和SH5站位具有测井曲线的异常，但并未获取实物样品，SH4、SH6和SH9站位因为异常特征不明显而放弃取心(图 1c)；垂向上，水合物以浸染状分布于细粒沉积物之中(图 2)，且仅仅位于水合物稳定带基底之上10~40 m的范围之内[1, 2]。
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图 2 神狐海域GMGS01区块SH1、SH2、SH5和SH7站位岩性及测井曲线特征Figure 2. Correlation of core samples and logging curves at Sites SH1, SH2, SH5 and SH7 in GMGS01 of the Shenhu Area3. GMGS01区块沉积物的岩性及粒度特征
取心站位测井曲线、岩心样品及沉积物粒度的分析表明，神狐海域GMGS01区块内沉积物表现为如下特征：(1)沉积物由粉砂、黏土质粉砂、粉砂质黏土等岩性构成，钙质生物(主要是有孔虫、钙质超微化石)丰富(图 2)[6, 7]；(2)自然伽马和电阻率曲线整体上特征变化幅度较小，齿化程度较高；(3)沉积物的粒度较细，SH1、SH2、SH5和SH7等4个站位处沉积物的平均粒径(Mz)范围为6.2~7.9 Φ(图 3)。
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图 3 神狐海域GMGS01区块SH1、SH2、SH5和SH7站位岩心平均粒径分析结果Figure 3. Variation in mean grain sizes at Sites SH1, SH2, SH5 and SH7 in GMGS01 of the Shenhu Area神狐海域GMGS01区块内的钻探结果表明，水合物以浸染状或弥散状分布于细粒的泥质粉砂—粉砂质泥当中[3, 4]，自下而上，无论是岩性特征还是粒度大小，没有发生明显地变化(图 2和图 3)。也就是说，GMGS01区块内，含水合物层与不含水合物层之间的差异很小。以SH2和SH7站位为例，SH2站位中，含水合物层粒级组分以中粉砂(0.032~0.016 mm)、细粉砂(0.016~0.008 mm)和极细粉砂(0.008~0.004 mm)粒级为主，砂含量偏低，没有发现细砂—粗砂，仅见极细砂，总体上，与含水合物层上下层位相比粒级组分含量差别不大；SH7站位中，尽管含水合物层的沉积物颗粒要略粗，以中砂和极细砂为主，但垂向上的差异并不明显[3]。
4. BSR之上2套沉积单元特征及细粒浊积体的识别
4.1 地震反射结构及差异
不连续岩心样品的岩性和粒度自下而上没有发生大的变化(图 2和图 3)，说明水合物稳定带之上，含水合物沉积体和不含水合物沉积体是相似的[3, 4]。但是，通过GMGS01区块内的高分辨率地震资料，在BSR之上，仍然可以发现2套特征迥异的地震反射单元[26, 27]。为了更好地展示它们的差异，本次研究选择了GMGS01区块内过SH7和SH3站位的准3D地震剖面加以刻画(图 4)。
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图 4 神狐海域GMGS01区块过SH7和SH3站位的地震测线揭示的BSR之上的2套地震反射单元Figure 4. Seismic profile across Sites SH7 and SH3 in GMGS01 of the Shenhu Area, revealing two distinct seismic units above BSR with different seismic reflections高分辨率地震测线穿过了陆坡限制型海底峡谷西部一侧的脊部(图 1c)，从地震剖面上，可以发现BSR之上存在着2个特征不同的反射单元(图 4)。单元1位于底部，表现为薄层、透镜状/扁豆状的形态(图 4中的放大部分)，地震反射同相轴的振幅较强，局部为杂乱反射特征。单元2位于上部，厚层，表现出与下部截然不同的特征。一方面，地震反射同相轴为中等反射强度，连续性较好，整体具有波状起伏的形态结构；另一方面，尽管局部可见一些小规模的错段，但内部的层理大多保持原有的样式和特征，并未见到明显地扰动和破坏(如杂乱反射等)(图 4)。具有波状起伏形态特征和连续性中等反射强度的单元2在神狐海域内广泛发育，尤其是位于陆坡限制型海底峡谷群的脊部，GMGS01区块内的高分辨率地震资料能够较为清晰地揭示其形态和结构特征[27]，该沉积单元被解释为沉积物失稳(也称海底滑坡体或滑移体)[27, 31, 32]。
4.2 粒度C-M图特征及差异
以SH7站位为例(图 4)，神狐海域GMGS01区块内的水合物钻探站位揭示了上述2套沉积单元[27]，下部的沉积单元1对应于含水合物层段(155~176.7 mbsf(meters below seafloor))，上部的沉积单元2对应于不含水合物层段(0~155 mbsf)。岩心样品以及粒度测试分析结果可用于获得粒度C-M图版，其中C是粒度分析资料累积曲线上颗粒含量1%处对应的粒径，M值是累计曲线上50%处对应的粒径，即粒度中值。C值与样品中最粗颗粒的粒径相当，代表了水动力搅动开始搬运的最大能量；M值是中值，代表了水动力的平均能量[36]。当样品数量能够保证时(一般要多于20~30个样品数值)，根据数值的整体形态、分布范围以及与C=M基线的关系等特点，结合其它特征，从而对沉积环境作出综合判断[36]。利用SH7站位处的116个样品的粒度分析资料，Su等[27]获得了该站位的粒度C-M图版，并指出含水合物层段的样品在C-M图版中几乎与C=M基线平行，结合薄层透镜状强振幅的地震反射特征，推测沉积单元1为浊流沉积体。
本次研究选择了SH1、SH2、SH5和SH7共4个站位，利用广州海洋地质调查局的粒度分析结果，获得了4个站位的粒度C-M图版(图 5)。其中SH2和SH7站位为获取水合物实物样品的站位(图 5a和图 5b)，而SH1和SH5站位为未获得水合物的站位(图 5c和图 5d)。从图 5中不难发现，SH2和SH7站位中，含水合物深度段内样品点主要分布在M值7~20、C值60~100的范围之内，且整体趋势表现出与C=M基线近似平行的特征(橙色实心圆点)，说明含水合物深度段的样品为浊流沉积的结果。而不含水合物的层段在C-M图版中位于M值4~20之间(主体数值小于10)，且C值分布范围较广(60~500之间)(蓝色实心三角形)。这种特征在SH1和SH5站位中更为明显，样品的M值主要集中在3~10的范围之内，而C值的分布范围较广(20~400)(图 5c和图 5d)。
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图 5 神狐海域GMGS01区块SH2、SH7、SH1和SH5站位的粒度C-M图版Figure 5. Grain size C-M pattern at sites SH2, SH7, SH1 and SH5 in GMGS01 of the Shenhu Area将上述4个站位的结果综合在一起(图 6)，能够更为清晰地揭示GMGS01区块内含水合物层段与不含水合物层段之间的关系，从整体上揭示2套沉积单元在微观粒度特征上的差异。从图 6中可以发现，GMGS01区块内含水合物样品的结果(橙色实心圆点)位于图版中M值7~20、C值60~100(主体都小于100)的范围之内，整体趋势表现为与C=M基线近似平行的特征(图 6中右上角的点推测为异常值)，为浊流沉积体。与之相对，GMGS01区块内不含水合物样品的结果(蓝色实心三角形)位于图版中M值2~20(主体都小于10)、C值20~500的范围之内，整体趋势与C=M基线具有一定的夹角。
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图 6 神狐海域GMGS01区块粒度C-M综合图版(利用SH2、SH7、SH1和SH5站位)Figure 6. Comprehensive C-M pattern in GMGS01 of the Shenhu Area(using the results of sites SH2, SH7, SH1 and SH5)利用多个站位获得的粒度C-M综合图版(图 6)能够清晰地展示GMGS01区块含水合物样品与不含水合物样品之间的差异，通过其数值分布范围和整体趋势，结合沉积单元在地震反射特征上的差异，综合判断下部沉积单元1为浊流沉积体。此外，区块内不同站位之间的对比(图 5)，能够明显地显示含水合物站位(如SH2和SH7)与不含水合物站位(如SH1和SH5)之间的差异，说明沉积单元1在SH1和SH5站位中并没有出现或被揭示，这也暗示了沉积差异(即沉积单元1是否存在)可能与水合物的产出差异具有密切的关联。
5. 讨论
基于GMGS01区块高分辨率地震资料和水合物钻探站位岩心粒度分析结果，综合宏观上地震反射结构的差异(图 4)和微观上岩心粒度C-M图的差异(图 5和图 6)，尽管自下而上岩心在岩性和粒度特征上没有发生大的变化(泥质粉砂或粉砂质泥)，具有相似性[3, 4]，但站位岩心所揭示的并不是相同沉积环境下的沉积结果。BSR之上的细粒沉积物可以划分为2个沉积单元：下部的薄层细粒浊积体(沉积单元1)和上部的厚层细粒沉积物失稳体(沉积单元2)。通过区域性沉积演化过程分析，薄层细粒浊积体被认为与神狐海域北部区域性分布的小型水道相关，早期沉积物将被侵蚀，沿着坡降发生自北向南的再次搬运，在下陆坡的位置以细粒浊积体再次沉积下来[26, 27]；而厚层细粒沉积物失稳被认为是北部充足的沉积物供给[37, 38]与地形坡降共同控制所形成的结果[31, 32]。也就是说，这2套细粒沉积单元具有不同的成因机制和演化过程。
海洋沉积环境中，浊流沉积体通常代表着沉积物再搬运和再沉积的结果，与半远洋和远洋的细粒沉积物相比具有较好的沉积物物性条件，能够为海域水合物提供适宜的储集空间。如卡斯卡迪亚大陆边缘[39]、印度Krishna-Godavari盆地[40]、美国墨西哥湾[41, 42]、日本南海海槽[43, 44]、韩国郁龙盆地[45, 46]等，均已证实浊积体与水合物之间存在着密切的关联。而对于沉积物失稳而言，特别是在其内部层有发生大的扰动和破坏而改变其原始层理的状态下，往往是软的沉积物发生变形作用导致的结果[47]。而这一相对持续时间较长的过程必然会导致其内部颗粒之间具有更高的接触程度[48]，从而引起物性条件的降低。此外，软的沉积物变形过程中伴随着含水沉积物(或者液化沉积物)的流动，使得细粒沉积物当中泥基含量增加[49]，这也会引起物性条件的降低。因此，在深海环境中，沉积物失稳通常不被认为具有良好的储层潜力。
基于上述分析，本次研究认为，BSR之上2套具有不同成因机制和沉积过程的细粒沉积单元对于水合物的形成和富集起到了不同的作用。下部的薄层细粒浊积体与上部的厚层细粒沉积物失稳相比，具有更好的沉积物性条件，因此，沉积单元1(细粒浊积体)被视为水合物的储集层，而沉积单元2(细粒沉积物失稳)可能更多地表现为水合物的盖层。我们进一步认为BSR之上的沉积差异可能是神狐海域GMGS01区块内水合物不均匀性分布的关键控制因素。如图 7所示，较低垂向通量的甲烷[12]将会沿着气烟囱发生垂向运移，进入到水合物稳定带内。这些甲烷将会优先在物性条件较好、位于下部的薄层细粒浊积体(沉积单元1)之中富集，并形成水合物；而上覆的细粒沉积物失稳(沉积单元2)将会表现为区域盖层，阻碍含气流体的进一步垂向运移。同时，细粒浊积体中已经形成的水合物也会阻碍含气流体的进一步垂向运移。因此，位于上部的厚层细粒沉积物失稳中甲烷的含量将会很少，从而使得水合物全部被“限制”在细粒浊积体当中[27]。垂向上，薄层细粒浊积体位于BSR之上的下部，能够初步解释在SH2、SH3和SH7站位处，水合物通常位于稳定带基底之上10~40 m的范围之内；而平面上，苏明等[26]提出的细粒浊积体的分布范围，可以初步解释SH1、SH4、SH5、SH6和SH9站位未获取水合物的原因，即这5个站位处薄层的细粒浊积体均不发育。
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6. 结论
综合神狐海域区域地质背景和前人研究认识，本次研究利用神狐海域水合物GMGS01区块高分辨率地震资料和岩心粒度分析结果，从宏观的地震反射结构和微观的粒度C-M图版特征对研究区BSR之上的细粒浊积体进行了识别和特征的刻画。尽管从岩性和粒度特征上看，GMGS01区块站位岩心自下而上没有发生大的变化，均为细粒的泥质粉砂和粉砂质泥。但是，利用过站位的高分辨率地震剖面，在BSR之上仍可以识别出2套特征差异明显的单元：下部的单元1为薄层的、透镜状、杂乱强振幅反射，上部的单元2为厚层的、连续性、波状起伏、中等强度反射。综合岩心粒度分析资料，也能够揭示上述2套单元在粒度C-M图版上的差异，对应于下部的沉积单元1，含水合物深度段的样品在整体趋势上表现为与C=M基线近似平行的特征。综合地震反射特征差异和岩心粒度C-M图版差异，并结合区域沉积过程分析，本次研究将下部的薄层沉积单元1解释为细粒浊积体，而上部的厚层沉积单元2解释为细粒沉积物失稳。
神狐海域GMGS01区块内2套细粒沉积单元的识别，将为该区域水合物的成藏富集规律提供沉积学角度的解释和分析。下部的细粒浊积体可视为水合物的储集层，而上部的细粒沉积物失稳则表现为水合物的区域性盖层。当低垂向通量的含气流体通过气烟囱等运移通道进入到水合物稳定带内时，甲烷将优先在细粒浊积体中富集并形成水合物，而在细粒沉积物失稳中的甲烷含量过低从而导致水合物无法形成。因此，细粒浊积体的空间分布将是GMGS01区块内水合物不均匀性分布的关键控制因素之一。
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图 1 南海北部陆坡神狐海域区域位置图(a)、海底地貌特征图(b)及GMGS01区块内的钻井分布(c) [28]
Figure 1. (a) Location map of the Shenhu Area on the northern continental slope of the South China Sea; (from Ding et al, 2013[28]) (b) Bathymetric map of the study area (Shenhu Area) showing nearly seventeen slope-confined submarine canyons; (c) Locations of hydrate drilling sites of GMGS01 in the Shenhu Area
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图 2 神狐海域GMGS01区块SH1、SH2、SH5和SH7站位岩性及测井曲线特征
Figure 2. Correlation of core samples and logging curves at Sites SH1, SH2, SH5 and SH7 in GMGS01 of the Shenhu Area
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图 3 神狐海域GMGS01区块SH1、SH2、SH5和SH7站位岩心平均粒径分析结果
Figure 3. Variation in mean grain sizes at Sites SH1, SH2, SH5 and SH7 in GMGS01 of the Shenhu Area
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图 4 神狐海域GMGS01区块过SH7和SH3站位的地震测线揭示的BSR之上的2套地震反射单元
Figure 4. Seismic profile across Sites SH7 and SH3 in GMGS01 of the Shenhu Area, revealing two distinct seismic units above BSR with different seismic reflections
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图 5 神狐海域GMGS01区块SH2、SH7、SH1和SH5站位的粒度C-M图版
Figure 5. Grain size C-M pattern at sites SH2, SH7, SH1 and SH5 in GMGS01 of the Shenhu Area
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图 6 神狐海域GMGS01区块粒度C-M综合图版
(利用SH2、SH7、SH1和SH5站位)
Figure 6. Comprehensive C-M pattern in GMGS01 of the Shenhu Area
(using the results of sites SH2, SH7, SH1 and SH5)
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