琼东南盆地第四纪中央峡谷体系沉积演化与油气前景

Sedimentary Evolution and Hydrocarbon Exploration Prospect of the Quaternary Central Canyon System in the Qiongdongnan Basin

摘要

基于琼东南盆地中央峡谷已有钻井和高品质新地震资料，对第四纪中央峡谷体系的外部形态、内部构成、沉积演化过程及其主控因素等进行了系统梳理和研究，明确中央峡谷体系经历了晚中新世侵蚀充填期（Ⅰ期），早上新世平静充填期（Ⅱ期）和第四纪早期回春充填期（Ⅲ期）3期演化阶段，提出控制中央峡谷体系前两期形成的负地貌和物源供给在第四纪峡谷西段仍然存在.进一步研究表明西段早期多物源体系在第四纪变为昆嵩隆起秋盆河单物源，进积型陆坡控制了半限制型负地貌和砂质沉积逐渐向南东迁移，并在第四纪早期（S₁₄）填平峡谷.在此认识指导下首次在峡谷西段浅层发现了3期第四纪半限制型海底扇群，具备"深浅双源供烃-优势通道复合输导-浅层水合物地层封盖-海底扇成藏"的成藏模式，是下一步深水区浅层寻找大中型气田的有利新领域.

关键词

中央峡谷体系 / 第四纪 / 沉积演化 / 油气前景 / 琼东南盆地 / 石油地质

Key words

central canyon system / Quaternary / sedimentary evolution / hydrocarbon prospects / Qiongdongnan Basin / petroleum geology

0 引言

琼东南盆地是南海北部主要含油气盆地之一，超1/2面积处于深水环境，一直是国内外石油公司关注的焦点.中央峡谷体系是目前琼东南盆地深水区主要的天然气发现场所，也是油气地质研究的重中之重（Crossey et al.， 2006； Mayall et al.， 2006； Weimer et al.， 2006； Jiang et al.， 2014， 2015； Cao et al.， 2015； Fan et al.， 2018）.晚中新世以来沿琼东南盆地长轴方向发育的中央峡谷与陆坡基本平行，呈"S"型延伸，峡谷沉积从中新统黄流组一直延续到第四系乐东组，乐东-陵水段简称西段，宝岛-长昌段简称东段，且不同期次、不同段发育特征差异巨大，显示出该地区峡谷体系沉积的复杂性.关于中央峡谷成因前人做了大量的研究，邵磊等认为南海北部陆坡区存在北东-南西向的深水底流搬运和沉积作用，陆源碎屑物质大致沿陆坡等深线位置由北东向西南方向搬运，沿途形成水道以及水道边堆积体（邵磊等，2010）；朱伟林等认为莺歌海盆地南部与广海不连通，只能通过琼东南盆地东部与广海相连，琼东南盆地成为莺歌海盆地的"纳潮口"，在巨大水流量强烈冲刷下产生大型中央水道（朱伟林等，2008）；苏明等认为东西段差别明显的原因在于东段受构造作用控制，西段受控于深海沉积作用（苏明等，2009）；袁圣强将中央峡谷的成因归结为中新世以来红河充足的物源供给， 大规模海平面下降和红河断裂带在5 Ma 时期反转等3 种因素， 并建立了自西向东的浊积水道侵蚀-沉积模式（袁圣强等，2009）. 综上所述，前人共识是中央峡谷是多种地质因素共同作用的产物，第四纪时期峡谷体系仅在盆地东区发育，盆内西段的峡谷体系在上新世以后就已经消亡. 然而，近些年新获取的连片三维地震资料清晰显示盆内西段已发现油气的早期峡谷之上继续发育晚期第四纪峡谷体系，引起了研究人员强烈兴趣.据此，开展第四纪中央峡谷体系的沉积特征与演化过程的研究有助于完善对晚中新世以来的峡谷体系整体认识，同时把中央峡谷的勘探层系从黄流组-莺歌海组拓展到浅层第四系乐东组，这将极大推动琼东南盆地深水区的天然气勘探进程.

1 区域地质背景

琼东南盆地是南海西北部新生代裂谷盆地，位于海南岛南侧，与莺歌海大型走滑拉分盆地毗邻，总体上呈北东向展布.盆地构造演化受到欧亚板块、太平洋板块和印度板块共同影响，经历断陷期、断拗期、热沉降期和加速沉降期4个构造演化阶段.盆内自北向南依次为北部坳陷、中部隆起、中央坳陷、南部隆起4个一级构造单元，平面上具有南北分带、东西分块的构造特征（图1）.古近系依次沉积始新统陆相岭头组、下渐新统海陆过渡相崖城组、上渐新统滨浅海相陵水组地层，新近纪发育滨浅海相-深海相沉积，包括下中新统三亚组、中中新统梅山组、上中新统黄流组、上新统莺歌海组和第四纪乐东组地层.中央峡谷主要形成于新近纪的加速沉降期，这一时期琼东南盆地水体快速加深，中央坳陷为半深海-深海环境（图2）.

中央峡谷主体位于水深300~3 000 m的坳陷内，规模宏大，总长度超过400 km，宽度5~30 km，是莺-琼盆地周缘昆嵩隆起和海南隆起的陆源碎屑物质向深水区汇聚的重要路径和场所.中央峡谷水下输砂通道最远源头可追溯到海南隆起西北部昌化江水系-莺歌海盆地莺东斜坡北段临高区，以复杂的多支侧向叠置水道复合体为特征，沿南东方向经一号断裂带附近的莺琼结合部进入琼东南盆地中央坳陷内，与陆坡基本平行呈"S"型延伸，早期以大型的V型和U型侧向切割或垂向叠置复合水道为特征，向东汇入西沙海槽，最终进入西北次海盆.

2 第四纪中央峡谷特征和充填序列

2.1　峡谷特征

琼东南盆地第四纪中央峡谷与新近纪中央峡谷分布特征基本一致，自西向东横贯盆地，向东延伸至西沙海槽（图1、图3）.同样可分为东、西两段，东段为宝岛-长昌段，与下部新近纪峡谷基本叠置（图1、图4c，4d）；西段为乐东-陵水段，位于新近纪峡谷南部，最远处相距约40 km（图4a，4b）.第四纪中央峡谷整体呈西宽东窄形态，东、西段有较明显差异.西段多期发育，叠合性较差，自古至新不断向南东方向迁移，单一期次峡谷宽度约25~36 km，深度约150~230 m，呈宽缓的U型特征，峡谷北壁不明显，南壁限制性较强，下切作用较弱.距离昆嵩隆起大物源区较近，物源供应充足，内部发育大型水道化海底扇沉积；东段南壁陡峭，北壁平缓，宽度约6~9 km，深度约130~250 m，下切作用明显，限制性较强，但远离昆嵩隆起大物源区，北部海南隆起-神狐隆起供物源能力有限，南部西沙隆起大部分淹没于水下，内部整体表现为欠补偿的深海泥岩沉积.

2.2　充填序列

伴随着第四纪陆坡发育，中央峡谷内最典型的充填特征是发育了3期大型水道化海底扇，分别位于盆地西部乐东组五段、四段、三段，垂直于西部陆坡，呈近NE-SW向长条状展布，面积为1 424~4 780 km²，厚度67~108 m，其随着北部和西部陆坡的进积在平面上不断向东南横向迁移，扇体叠合面积超过3 000 km²（图1）.

具体说来，乐东组五段低位体系域发育第一期海底扇（图5a），垂直于物源方向上扇体双向下超于S₂₀层序界面之上，呈丘状外形，顺物源方向可见明显的前积特征，扇体中下部发育V型下切主水道，地震上表现为低频、连续、强振幅反射特征，朵体表现为中-强振幅、中连续反射特征，上覆海侵-高位域为弱振幅、中-弱连续反射泥岩（图6~图8）；乐东组四段低位体系域发育第二期海底扇（图5b），位于S₁₈层序界面之上，与第一期海底扇特征基本类似，扇体主水道切割乐东组五段海侵-高位域泥岩.第一期、第二期海底扇主体位于盆地西部近昆嵩隆起位置，规模较大，保存较为完整；乐东组三段低位体系域发育第三期海底扇（图5c），位于S₁₆层序界面之上，第三期海底扇发育规模虽然小于第一、二期海底扇，但是水道化特征更为明显，水道下切深度更大，局部切割第二期海底扇，地震上整体表现为低频、连续、强振幅反射特征，后期被泥质水道和块体流沉积切割；之后的乐东组二段和一段（地层旋回4、地层旋回5）位于加积型陆坡发育时期，反映物源供应不足，主要为块体流和深海泥沉积，局部发育浊积砂（图6）.

3 第四纪峡谷沉积充填和演化过程

3.1　沉积体系类型

借助高精度三维地震资料对第四纪中央峡谷内部结构进行精细解释，并结合地震属性等对峡谷内部沉积体进行研究，认为第四纪峡谷内部主要发育4种沉积相类型：（水道化）海底扇、后期泥质水道、块体流和深海泥（图7，8）.

（水道化）海底扇：是第四纪峡谷深水重力流沉积体系最重要的沉积单元，主要发育在乐东组下层序.地震上表现为强振幅、高连续性、延伸长的单个同相轴或多个同相轴联合体，单层厚度小.受西部物源大量碎屑物质的输入影响，扇体主要分布在近物源的西段，水动力强，水道化明显，扇体呈分枝状向前推进，内部可进一步识别出砂质水道、朵体等微相.砂质水道侵蚀下切特征明显，被后期泥质水道切割分成多块，地震相表现为强振幅、高频和中连续反射特征，轴向上分布稳定.朵体沉积发育于砂质水道末端，为最终浊流沉积产物，并向远处过渡为深海细粒沉积.地震上表现为中-强振幅、中-高频和较好连续性反射特征.海底扇是目前主要储集体之一.

块体流：即块体搬运沉积体系（mass transport depositions，简称MTDs），是陆源碎屑以滑动、滑塌和碎屑流等重力流搬运方式向深海输送的物质（王大伟等，2009；李磊等，2010），也是深水区乐东组主要沉积类型之一.在地震剖面上表现为弱振幅、空白、杂乱的反射特征，底部具有明显的侵蚀擦痕，西段均普遍发育，东段沉积受限严重，捕获少，块体流相对少.

后期泥质水道：外型和浊积水道相似，内部为后期泥质充填沉积，地震上表现为空白、弱振幅、低连续反射，呈强烈的"V"形侵蚀特征，将早期（水道化）海底扇切割成多块.第四纪泥质水道充填主要发育在乐东组下层序.来自西部的水下河道体系发育，对于近物源的西段早期沉积切割严重.

深海泥：多发育于峡谷顶部，地震上表现为弱-中振幅、高连续和平行席状反射，在第四纪峡谷体系中普遍发育，尤其是峡谷充填平静期地层中占比最高（朱继田等，2020）.

3.2　峡谷演化过程分析

中央峡谷西段的演化可以划分为3个阶段：峡谷侵蚀充填阶段（对应于上中新统黄流组（T₄₀~T₃₀）沉积早期强制海退-后期海平面快速上升时期）、峡谷平静充填阶段（对应于上新统莺歌海组（T₃₀~T₂₀）沉积期稳定深水时期）、回春充填阶段（对应于第四纪（T₂₀~现今）早期海退-后期海平面快速上升时期），构成峡谷体系由开始发育到逐渐沉寂之后再次回春的完整过程（苏明等，2013）（图9）.

3.2.1　侵蚀充填阶段

在东沙运动影响下，琼东南盆地在晚中新世处于加速沉降早期，海平面以早期强制海退和后期快速上升为特征.峡谷内钻井未钻遇黄流组二段的水道沉积，说明黄流组早期处于强制海退阶段，中央峡谷早期以下切作用为主，V型和U型限制型地貌发育，直到黄流组一段时期才发生沉积充填.从地理位置、古地貌和稀土元素-锆石分析来看，砂质浊流沉积物来自于红河、海南隆起和昆嵩隆起水系，表现出红河-昆嵩隆起-海南隆起西部等多物源汇聚特征（解习农等，2012；张道军等，2017；尤丽等，2018；谢玉洪，2020），并以昆嵩隆起为主，物源供给丰富，大量的砂质沉积物从盆地西边的莺琼结合部进入琼东南盆地中央坳陷带（图10a），主要沉积类型以峡谷底部碎屑流、浊积水道为主，后期泥质水道和块体流为辅.总体来看，盆地东部最先出现中央峡谷体系雏形，后向西溯源发展，最终呈S型贯穿整个盆地，并汇聚来自不同方向的碎屑物质继续改造和充填在峡谷内.

3.2.2　平静充填阶段

受早上新世新构造运动（5.5 Ma）影响，盆地进入快速沉降期.此时海平面升至最高点后逐渐下降，但整体维持在高位.该阶段钻井显示以粉细砂岩、粉砂质泥岩和泥岩为主，古生物资料表明该段为深海相沉积.地震剖面显示西段的黄流组中央峡谷"U"或"V"字形水道基本已经被填平补齐，但峡谷西段南部隆起限制性地貌依然存在，控制了北部和西部方向物源沉积.峡谷内T₃₀界面平缓，表明进入相对稳定的深水期，其侵蚀能力已远不如峡谷早期.东段距离物源区远，水动力条件弱，"U"或"V"限制型地貌从早期峡谷侵蚀期形成后至今未填平，仍然处于饥饿沉积状态.

本期继承晚中新世物源特征，同样发育汇聚型物源体系（图10b）.主要沉积类型以块体流、（水道化）海底扇和深海泥为主.钻井证实早期海底扇砂体沉积受限变弱，面积变大，粒度变细，并且部分地区砂体开始向南迁移.晚期海底扇不发育，以平行席状充填的深海泥为主.从演化过程看，晚中新世到上新世峡谷体系西段演化经历了一个完整的生长和消亡旋回.

3.2.3　回春充填阶段

在新构造运动2幕（1.8 Ma）影响下，盆地沉降速度继续加快，海平面逐渐下降， 至S₁₄到达顶峰，其后又反复震荡.早期海平面快速下降和西段物源供给能力增强，利于第四纪早期低位海底扇形成，后期海平面上升，物源供给减弱，主要发育饥饿欠补偿状态泥质沉积. 因此，第四纪是整个峡谷体系演化的第二个旋回.

砂质碎屑沉积来自昆嵩隆起的秋盆河等水系，主要沉积在峡谷西段.此时莺歌海盆地仅见少量来自海南隆起西部物源的点砂坝，而秋盆河等水系一直向东推进并越过坡折进入中央峡谷凹槽内，物源体系由多物源汇聚型演变成秋盆河单物源型（图11）.西段早期主要沉积类型以海底扇为主，晚期与早上新世平静期相似.

东段距离物源远，西物源砂质碎屑未能输送至东段，但此期盆地东部和北部滑塌型陆坡和水道化型陆坡处发育大量的陆坡峡谷，这些陆坡峡谷将大量的沉积物输送至深海平原之中，少部分沉积物被现今中央峡谷东段所捕获，但仍然以泥质沉积为主，"U"或"V"限制型地貌依旧存在，并且至今还未填满，仍与西沙海槽相通.

4 第四纪峡谷发育控制因素

峡谷是深度大于宽度，谷坡陡峻的谷地，一般是一定构造背景条件下在谷坡由坚硬岩石组成的地段形成的，因此，具有构造成因机制的负地貌是关键.而峡谷体系还包括内部充填的各种类型和规模的沉积体，这些沉积体主要受到物源供给条件控制，并且对于多期沉积的峡谷体系而言，在其生命晚期的宽深比较大，形成的沉积体粒度细，单层厚度相对薄但面积更大.

综合分析认为，第四纪中央峡谷体系的形成演化主要受构造活动和物源供给联合控制（苏明等，2014； 王亚辉等，2016； Chen et al.， 2020），其中构造活动是峡谷形成的基础，物源供给是峡谷充填的必要条件.在两个关键要素的控制下，第四纪中央峡谷体系西段由老到新逐渐南迁，且不同段表现为不同的充填特征.

4.1　构造控制

研究区的构造样式和地形地貌特征，对中央峡谷体系的形成起着至关重要的作用.莺歌海海域长期受昆嵩隆起、海南隆起和中建凸起的遮挡，与南海广海不直接相连，主要通过琼东南海域与南海进行水体交换.进入新近纪，琼东南盆地由多凸多凹的断陷阶段转变为具有统一沉积中心的拗陷阶段，沉积中心位于中央坳陷，沿盆地长轴方向展布.晚中新世琼东南盆地进入加速沉降期，受东沙运动、区域强制海退事件和陆架-陆坡体系向海推进的共同影响，盆地中央沿长轴方向形成大型的限制性负地貌，是莺歌海海域水体交换的重要通道.各个物源方向的碎屑物质、滑塌体、块体流汇聚于陆坡之下，在水流的作用下沿盆地中央轴向负地貌向东搬运，侵蚀下部地层，形成晚中新世大型限制性中央峡谷.

上新世晚期，区域构造活动减缓，盆地中央西段限制性地貌逐渐被块体流和深海泥岩填平，中央峡谷沉寂，但要注意的是虽然北部限制性地貌已经填平消失，但是南部隆起限制型地貌依旧存在，持续到第四纪早期（S₁₄）.东段距离物源远，限制性地貌一直未填平.

第四纪时期，琼东南盆地沉降速度继续加快，受新构造运动、区域强制海退事件和气候因素的共同影响，盆地中央限制性负地貌特征依然存在（图11），盆地西部近物源位置发育大型海底扇沉积.同时，第四纪早期受北部、西部陆架坡折快速向海推进的影响，盆地中央西区限制性负地貌逐渐向南迁移，中央峡谷受其控制也发生南迁（图9）.东段北部为加积型-宽缓渐进型陆坡，峡谷迁移不明显.

4.2　物源控制

物源供给条件控制峡谷充填规模和充填类型.新近纪中央峡谷沉积充填可能受昆嵩隆起在内的多个方向物源的影响（图10）.第四纪南部隆起基本位于水下，北部海南隆起供源能力有限，西部坡折推进加速，表明物源供应充足.因此，第四纪峡谷沉积物主要来自西物源昆嵩隆起.物源供给条件决定西段充填规模大于东段，西段充填砂质沉积物，被松南低凸起阻隔远离物源区的东段以深海泥饥饿沉积充填为主（图1、图4d）.

昆嵩隆起河流体系水系丰盈，中部水系包括蓝江、里河、秋盆河、归仁河等流域10 350 km²，径流量达10 600 m³/s，物源充沛且搬运距离远.进一步研究表明，秋盆河水系是峡谷西段主要的沉积物来源.南海多波束地貌测量显示，现今秋盆河在陆架坡折区可见明显海底水系，水下分流河道一直延续到研究区第四纪峡谷海底扇LS_X前（Wang et al.，2015）（图11，12）；东西向源汇剖面显示，更新世以来西物源供给能力有逐渐加强的趋势，以S₁₄面为分界线，乐东组下部表现为明显前积反射结构，发育大型陆架边缘三角洲，而乐东组下层序陆架边缘三角洲已推进至坡折边缘，钻井揭示为多套细砂岩-粗粉砂岩组合.地震相为中强振幅，丘状反射结构，与陆坡陆架泥区别明显.其下陆坡区发育大量下切谷，表现出明显底部侵蚀，呈现U、V和W等外型特征，切谷深20~100 m，宽30~200 m不等，可为坡下第四纪中央峡谷西段输送物源.

4.3　峡谷西段发育模式

西段S₁₄界面是进积型陆坡向加积型陆坡的转换面，将乐东组分为上层序和下层序.峡谷西段乐东组下层序（水道化）海底扇具有"陆架三角洲供源-斜坡大型沟谷群输砂-坡脚汇扇-三期叠置"的源汇模式.第四纪多期海退有利于昆嵩隆起物源区碎屑物质向盆地低洼处搬运，形成盆地内低位域海底扇发育.第四纪早期，海平面下降，三角洲推进距离最远，可至陆架边缘，上覆水体载荷减弱，低于陆架区域，易造成陆坡失稳，在构造运动诱发下形成以泥质为主的块体流滑塌，并对下伏较老的深海泥或浊流沉积形成强烈的侵蚀，主要分布在坡脚及其附近区域.随着海平面进一步持续下降，陆架边缘三角洲富砂沉积物剥蚀滑塌，在盆地中央形成碎屑流或浊流沉积.后期随着海侵和高位旋回，陆架三角洲逐渐向陆退积，在陆坡和深海平原区形成深海泥，披覆在早期砂质沉积之上（图13）.整体而言，峡谷西段乐东组下层序自下而上形成以（水道化）海底扇和深海泥的纵向沉积序列，且这种沉积序列在三期海平面升降旋回中重复出现，形成下层序三期水道化扇沉积.第四纪晚期随着进积型陆坡向加积型陆坡转换，物源供给能力减弱，乐东组上层序主要发育深海泥和块体流等泥质沉积.

综上所述，峡谷西段第四纪（水道化）海底扇群是在从晚中新世开始一直持续到第四纪早期（S₁₄）的半限制型地貌基础上发育的具有相同方向物源控制充填形成的多期规模海底扇群，与新近纪晚期的峡谷（水道化）海底扇充填类似，从构造成因机制和内部充填沉积来看，是新近纪峡谷体系在晚期继承性发展.因此，第四纪中央峡谷不仅仅在东段发育，同时还在西段发育，并且西段的砂质沉积对于油气成藏更有意义，但是其消亡略早于东段（S₁₄）.

5 第四纪峡谷体系油气勘探前景

第四纪中央峡谷油气成藏条件研究表明，位于乐东、陵水和北礁等（潜在）富生烃凹陷包围中的峡谷西段海底扇群（最新钻井已证实为发育粉-细砂岩（细砂岩为主）和深海泥互层海底扇），具有深部大型构造脊背景，与其下已发现中央峡谷千亿方气田同属一个含油气系统.深部古近系早渐新统煤系成熟烃源岩和浅层上中新统-上新统海相烃源岩（生物气窗）两套烃源岩可同时供烃，合计可提供超过千亿方天然气.发育有浅层裂隙、深层气烟囱和具有构造脊形态且稳定分布的大面积砂体等构成了复合输导体系.盖层由第四纪晚期深海泥和块体流构成，含天然气水合物的泥岩封堵能力强于浅水区同层系.由此构成了"深浅双源供烃-气烟囱/构造脊等优势通道复合输导-浅层水合物封盖-大型轴向峡谷海底扇成藏"等要素耦合的成藏新模式（图14），是深水区有利勘探领域.

6 结论

（1） 中央峡谷西段经历晚中新世峡谷侵蚀充填期、早上新世平静充填期和第四纪早期回春充填3期演化，第四纪的演化受到构造活动和物源供给等联合控制，东西段差异明显.

（2） 控制新近纪中央峡谷体系形成的负地貌和物源供给在第四纪峡谷西段仍然存在，早期多物源体系在第四纪变为昆嵩隆起秋盆河单物源，供应充分，进积型陆坡控制半限制型负地貌和砂质沉积逐渐向南东迁移，并且在第四纪早期（S₁₄）填平.

（3） 峡谷西段浅层发育三期第四纪半限制型规模海底扇群，具有"陆架三角洲供源-斜坡大型沟谷群输砂-坡脚汇扇-三期叠置"的源汇模式，成藏条件优越，具有"深浅双源供烃-优势通道复合输导-浅层水合物地层封盖-海底扇成藏"的新模式，是寻找大中型气田的有利新领域.

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基金资助

中海油科技项目(KJZH-2021-0002-00)