The large deep-water turbidity fan system in southeastern South China Sea Basin: Formation and tectonic constraint

3.1   中中新世块体流为主的沉积体系

中中新世海盆总体沉积环境稳定，沉积基底起伏较小，海盆已经基本形成深海平原的地形地貌。东部次海盆南部水动力条件异常，块体流发育。

块体流是东部次海盆南部重要的沉积特色，主要发育在东南部的斜坡区。在地震剖面上表现为变振幅、连续性中—差的杂乱反射特征，该层序组发育于T₃和T₅两个强振幅高连续性的反射界面之间（图 2）。在结构上，该块体流呈楔形，并发生了明显的变形，靠近陆坡的上斜坡部分，在沉积过程中受到张性应力作用，在层内发育许多小型阶梯状正断层，断层倾向为海盆方向；块体流中部发生褶皱变形，发育层内小型逆断层；下斜坡部分在沉积过程中，由于坡度变得平缓，受到重力滑脱形成的挤压应力的作用，发育一系列的小型逆冲构造，可见微挤压褶皱和一系列向海盆中央逆冲的叠瓦状逆断层。根据块体流变形特征，可以划分为上斜坡伸展段、中部滑脱褶皱段和下斜坡挤压段三部分。此外，块体流沉积前端厚度逐渐减薄，地震相则由杂乱反射逐渐过渡为平行、连续反射的深海远洋沉积，由此可以判断出块体流的运动方向为从东部和南部向西部和北部延伸。

图 2.  南海海盆东南部地震相及中中新统块体流沉积放大解译图（剖面位置见图 1）

Figure 2.  Seismic facies and large interpretation map of mass-flow deposit about the middle Miocene in southeastern sea basin of South China Sea(the section location shown in Fig. 1)

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中中新世海盆块体流沉积体分布在南海南部陆坡和海盆的转换带上，主体发育在海盆内（图 3），长约170 km，宽约80 km，总体展布格局为从东南到西北方向延伸。

图 3.  晚中新世以来海底扇沉积体发育特征（剖面位置见图 1）

Figure 3.  Development characteristics of submarine fans since late Miocene(the section location shown in Fig. 1)

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3.2   晚中新世沉积物波和海底扇为主的沉积体系

晚中新世，南海海盆的沉积古地理环境已经完全演化为深海平原沉积地貌，其海平面处于一个相对低的水平面上，海盆处于欠补偿沉积阶段。在这种沉积背景下，水动力条件相对活跃，浊流非常发育，东部次海盆东南部发育海底扇、沉积物波等多种浊流沉积体系。

海底扇主要分布在靠近东部次海盆中央的区域，水道不太发育。在地震剖面上，以前积结构地震相为主，显示为“S”形前积反射结构，局部显示为高角度叠瓦状，斜交结构；以中—强振幅、中—低频、中—高连续性为主，成组出现（图 3），总体反射特征显示出局部区域水动力条件较强。同相轴组合表现为多个下超反射层的叠合，显示为退积现象，揭示出相对低海平面的逐步上升。

沉积物波主要发育在靠近陆坡的区域，以中部的低隆起隔开，分东西两侧发育，西侧规模大，东侧规模很小（图 4）。在地震剖面上表现为波状亚平行结构地震相，多组同相轴互相平行并呈波浪状起伏，波形起伏较小，不对称，波脊向东南部地形高方向迁移（图 5）；为中等振幅，局部强振幅，中—高频，中—高连续，反映水动力条件较强。对于沉积物波的形成机制，很多学者提出了多种观点（Shanmugam，2006；王海荣，2008；苏明等，2014），主要包括浊流成因、峡谷水道成因、内波成因、滑塌成因和等深流成因等，由于在上中新统沉积物波周缘未发现大型水道，推测可能为等深流和浊流共同作用的结果。

图 4.  中中新世—第四纪时期浊积扇分布图（底图为晕渲地形图）

Figure 4.  Turbidite fan distribution in middle Miocene-Quaternary (The base map is a shaded-relief map)

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平面图上，晚中新世沉积物波和海底扇组成的浊流沉积体，分东、西两部分。东部浊积体规模较小，延伸约50 km，宽约20 km；西部浊积体规模较大，呈扇形向海盆中部伸展，伸展长度约210 km，宽约130 km（图 4）。浊积体呈透镜状展布，叠层发育，形成了厚层的砂体，可作为良好的储层（彭勇民等，2011；Lei et al., 2019）。物源来自于南部礼乐滩及北巴拉望区域，沉积物质供应量较充足，浊积体呈现出向海盆中部延伸的趋势。

3.3   上新世沉积物波、水道、天然堤和海底扇为主的沉积体系

上新世时期，浊积扇发育依然是南海海盆东南部的重要沉积特色，主要包括海底扇、水道、天然堤、沉积物波等沉积体（图 2，图 3）。

水道和天然堤在上新世十分发育，两者往往相伴发育，主要分布在海盆东南部斜坡上。水道地震剖面上显示为谷形充填状变振幅地震相，为谷状外形，充填状结构；底部振幅强，往上逐渐变弱；中频、中连续反射为主。水道下切深度可超过200 m，以“V”形下切为主。从巴拉望岛向海盆方向延伸，趋势为南东到北西方向，长度可超过200 km。水道砂体和天然堤相伴生发育，成群展布，相互叠置，形成了厚层水道砂体，可作为良好的储层（Liang et al 2020）。

沉积物波在该时期非常发育。上新世和晚中新世发育的沉积物波的共同点是分布位置都位于南海海盆东南部的斜坡区，并且以地形隆起为界，分别在东、西两侧各自发育，但发育规模明显比晚中新世大。从地震剖面上可以看出，隆起西部发育的沉积物波在形态上近似为正弦曲线，呈波浪状起伏，起伏幅度较晚中新世时期更大，不对称发育，波脊向上坡方向迁移（图 5）。地震同相轴连续性较好，向海盆方向逐渐过渡为平行反射的深海远洋沉积。该沉积体下部表现为弱振幅特征，而上部具有强振幅反射特征，反映了沉积物类型发生了改变。东部沉积物波也具有似正弦曲线并向上坡迁移的特征（图 6），但是其波长明显大于西侧沉积物波，同相轴连续性较好，具有强、弱振幅上下交替出现的特征，这反映了该时期沉积物波的物源不稳定，或者为多物源供给。根据沉积物波地震剖面特征分析，结合该时期下切水道十分发育，认为上新世沉积物波的形成应该是浊流作用的结果。

图 5.  晚中新世以来西侧沉积物波沉积体发育特征（剖面位置见图 1）

Figure 5.  Development characteristics of western sediment waves since late Miocene(section position shown in Fig. 1)

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图 6.  上新世以来东侧沉积物波地震相特征（剖面位置见图 1）

Figure 6.  Development characteristics of eastern sediment waves since Pliocene(the section location shown in Fig. 1)

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该时期海底扇发育于上新统下部（图 3），可见“S”型高角度前积层发育，地震剖面上显示为前积结构地震相，以中等振幅、中—低频、中—高连续性为主。前积层成组出现，表现为多个下超反射层的叠合，显示出退积现象，震相组合结构揭示出物源来自东南方向。

平面上，上新世浊积体在地层中下部垂向上层层叠置，成群发育，形成厚层的浊积砂体，可作为良好的储层。物源主要来自南吕宋岛弧、北巴拉望及礼乐滩局部区域。东南部沉积体总体上由南向北、由海盆边部向海盆中央，呈扇形推进，推进距离约为240 km（图 4）。

3.4   第四系以沉积物波和水道为主、海底扇为辅的沉积体系

该时期海盆为深海平原沉积背景，以深水沉积为主。东南部沉积作用活跃，依旧是水道、沉积物波、海底扇等浊流沉积体的频繁发育区域。

3.4.1   浊积扇的地震反射特征

第四系浊积扇由沉积物波、海底扇、水道和天然堤组成，主要以沉积物波和水道为主，海底扇在浊积扇体周缘发育。

在海盆东南部的大部分区域，第四系中上部都有沉积物波沉积体发育（图 5，图 6），大多呈披覆状，覆盖在底部浊积体和水道之上。海底扇的结构与早期完全不同，显示为低角度扁平叠瓦状结构，显示出沉积环境水动力条件的变化。第四系下部浊积体一般为透镜状，在垂向上层层叠置发育，形成厚层的浊积体。水道十分发育，底部呈“V”型展布（图 2），边部有天然堤伴生发育。在海底地形图上（图 1）可见明显的下切水道，由南向北延伸，揭示出主物源来自南部礼乐滩及北巴拉望区域。东南部沉积体继承上新世的沉积格局，总体上由南向北、由海盆边部向海盆中央，呈扇形推进，推进距离为200~260 km（图 3）。

3.4.2   浊积扇的柱状样变化特征

海底柱状样测站的沉积物粒度分析结果证实了海盆东南部浊流沉积体的存在。

柱状样1位于海盆东南部下陆坡上，水深2695 m，柱长865 cm。岩性为土黄色、灰色、灰白色、青灰色、灰黑色、褐灰色粉砂、泥夹薄层砂质粉砂、砂质泥和含砾泥等（图 7），根据沉积物岩性和粒度垂向变化特征可分为A、B、C、D、E共5层，颜色多变，相互过渡和渗透，粒级以粉砂组分占明显优势，其次为黏土组分，且以细粉砂和粗黏土为主。频率曲线多次出现双峰或多峰，概率累积曲线由多段悬浮组分组成，表明其物质组成和来源较为复杂；中间多处出现薄层状和团块状砂质沉积物，说明其沉积环境并不稳定，多次出现了水动力较强的沉积环境（蔡观强等，2018）。揭示了该柱状样在沉积时期内多次出现非正常浊流沉积。

图 7.  柱状样测站1粒度分析结果图（测站位置见图 1和图 4）

Figure 7.  Granularity analysis results of the columnar sample 1 (location shown in Fig. 1 and Fig. 4)

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柱状样2位于海盆中，水深3733 m，柱长420 cm。岩性为黄褐色、灰黄色、灰色、灰黑色、深灰色、青灰色砂质粉砂、硅质黏土、含硅质含钙质黏土、含硅质钙质黏土、含钙质硅质黏土、硅质钙质黏土等。根据沉积物岩性和粒度以及CaCO₃和硅质生物含量的垂向变化特征可分为A、B、C共3层（图 8）。A层从上往下岩性无明显变化，粒度普遍较粗，以砂质粉砂为主，跳跃组分相对较高，水动力较强，其颜色极为杂乱，变化较大，多次出现颜色界线明显的现象；B层岩性为细粒的硅质钙质黏土夹薄层砂质粉砂，颜色杂乱多变，A、B层均见有较硬的半固结的泥砾出现；C层为较粗的砂质粉砂，跳跃组分亦相对较多，水动力较强。表明A、B、C层在沉积过程中其沉积环境较为动荡，A、C层水动力相对较强，B层相对较弱，总体为非正常的浊流沉积所致。

图 8.  柱状样测站2粒度分析结果图（测站位置见图 1和图 4）

Figure 8.  Granularity analysis results of the columnar sample 2 (location shown in Fig. 1 and Fig. 4)

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该柱状样3位于海盆中，采样点水深4149 m，共取样790 cm。岩性为黄灰色、灰黄色、黄褐色、灰色和青灰色砂质粉砂、砂质泥、含硅质黏土、硅质黏土、含硅质含钙质黏土、含硅质钙质黏土等（图 9）。根据沉积物岩性和粒度以及CaCO₃和硅质生物含量的垂向变化特征可将该柱状样分为A、B、C共3层。A层粒度普遍较粗，以砂质粉砂为主，跳跃组分相对较高，水动力较强，其颜色极为杂乱，多次出现颜色界线明显的现象；B层岩性为粗粒的砂质粉砂和细粒的含硅质含钙质黏土互为交错出现，A、B层均见有较硬的半固结的泥砾出现，表明A、B两层在沉积过程中水动力较强，其沉积环境多次发生改变，较为动荡，为非正常的浊流沉积所致。

图 9.  柱状样测站3粒度分析结果图（测站位置见图 1和图 4）

Figure 9.  Granularity analysis results of the columnar sample 3 (location shown in Fig. 1 and Fig. 4)

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由陆坡到海盆的3个柱状样测站，描述了浊积扇不同位置的浊流沉积物特征，证实了浊积扇沉积体系的存在，显示了从南海海盆东南部陆坡到海盆浊积扇发育的轨迹，很好地揭示了研究区的沉积环境演变，为海盆沉积充填序列研究提供了直接的证据。