西沙海域甘泉海臺層序地層特征及發育演化過程

李學林，黃磊，郭旭東，吳剛，吳時國，陳萬利，孫悅，陳俊錦

1.廣州海洋地質調查局三亞南海地質研究所，三亞 572025

2.中國科學院深?？茖W與工程研究所海底資源與探測技術重點實驗室，三亞 572000

3.中國地質調查局廣州海洋地質調查局，廣州 510075

生物礁是固著底棲造礁生物原位生長而成的碳酸鹽巖建隆[1]，大型生物礁形成碳酸鹽臺地。南海自海底擴張以來，南北共軛大陸邊緣沉積了厚度大、面積廣的多個碳酸鹽臺地[2-3]。近年來生物礁碳酸鹽臺地的沉積過程與區域構造運動、相對海平面變化、氣候變化、洋流變化等之間聯系逐漸被揭示[2,4-10]，突顯了南海碳酸鹽臺地在南海大陸邊緣構造地質演化、古海平面變化和古海洋氣候環境研究中的重大科學意義。生物礁碳酸鹽巖易形成有效圈閉成藏，因此碳酸鹽臺地沉積特征對油氣勘探也具有重要意義[11-13]。

前人先后利用多口鉆井資料研究了西沙海域碳酸鹽臺地的地層特征[14-20]，Wu 等結合鉆井資料，利用高分辨率多道地震建立了西沙碳酸鹽臺地層序地層框架[21-22]（圖1）。西沙碳酸鹽臺地開始發育于晚漸新世，其發育演化過程主要受區域構造沉降和相對海平面變化的控制，中中新世碳酸鹽巖沉積進入繁榮期，后因海平面快速上升，大多數臺地逐漸被淹沒，稱淹沒碳酸鹽臺地，僅宣德環礁和永樂環礁發育至今，形成現代島礁。

圖1 西沙海域地震剖面（A）及層序地層劃分[21]（B）Fig.1 Seismic profile (A) and sequence stratigraphic division [21] (B) of the Xisha Islands, South China Sea

對于西沙碳酸鹽臺地，近年來關注點主要為現代島礁的沉積模式、發育演化及其控制因素[17-18,20,23-24]等方面。相比于現代島礁，西沙廣泛分布淹沒碳酸鹽臺地，由于缺乏高分辨率多道地震，目前尚無西沙淹沒臺地層序地層相關研究，對其地層結構和沉積模式了解不足，也難以探討臺地淹沒的機制。碳酸鹽臺地的生長發育和淹沒消亡均與相對海平面變化和氣候變化緊密相關，對比現代島礁生長機制和淹沒臺地消亡機制，對重建西沙相對海平面變化及古氣候變化均有積極作用。甘泉海臺處于西沙隆起邊緣，受水動力演變影響較深，本文選取甘泉海臺作為研究靶區，利用最新獲取的高分辨率多道地震，參考前人在西沙建立的層序地層框架[21]，結合已有鉆井資料和相對海平面變化資料，對甘泉海臺地層開展地震層序和層序地層學研究，厘定和劃分其地層結構特征，分析甘泉海臺發育演化模式。

1 地質背景

甘泉海臺是呈NE-NW 向展布的淹沒碳酸鹽臺地，多波束測深數據顯示甘泉海臺平均水深約為600 m，坐落于南海北部西沙隆起之上（圖2）。西沙隆起北部毗鄰西沙海槽和瓊東南盆地，西南部毗鄰中建南盆地，東部以中沙海槽與中沙臺地和西南次海盆相隔。西沙隆起由古新世期間兩側高角度斷層界定的過度裂谷演變而來[25]，在中生代之前暴露于地表，在漸新世晚期至中新世早期開始沉降，隨后逐漸被海平面淹沒，開始發育生物礁碳酸鹽臺地。鉆探結果表明，西沙隆起基底由片麻巖、花崗巖和玄武巖等多種巖石組成，指示了晚中生代時期的區域變質作用和晚侏羅世、古近紀時期的巖漿活動[26-28]。最近的研究還記錄了與晚中新世巖漿活動相關的熱液系統[29]。

圖2 甘泉海臺地形地貌位置和地震測線位置圖Fig.2 Topographic map of Ganquan Platform and position of seismic lines in the study area

西沙海域自早中新世（或晚漸新世）開始盛行東亞季風，影響其氣候和海洋環境[30]。5—9 月，來自西南的夏季風占主導地位，11 月至次年3 月，來自東北的冬季季風占主導地位，4 月和10 月是夏季和冬季季風之間的過渡期。目前冬季風強于夏季風，控制著西沙現代生物礁碳酸鹽臺地的相帶分布[31]。南海表層流受與東亞季風有關的季風驅動，夏季為反氣旋性環流，冬季為氣旋性環流[32]。

2 數據和方法

2.1 數據采集及處理流程

使用數據為廣州海洋地質調查局“海洋地質八號”在2022 年7 月采集的100 km 高分辨率二維多道地震，數據采集采用單邊放炮單邊接收非零炮檢距單纜觀測系統進行采集，震源采用氣槍震源，地震采集主要參數如表1 所示。

利用地震資料處理系統對原始數據進行處理，主要包括噪音壓制、多次波壓制、速度分析、疊前時間偏移和疊后處理。噪聲壓制主要采用低截濾波壓制強涌浪噪聲和AAA 技術衰減異常振幅噪音；多次波壓制采用多步串聯多次波壓制方法（SRME+RADON 變換+RES_DEMUL），該方法壓制了大部分的多次波，極大地提高了剖面信噪比，有利于后續的偏移處理效果；處理過程中，進行3 次迭代的速度分析，選取合適的去多次波速度、疊加和偏移速度，速度場變化符合地質體變化規律，遵循速度譜能量團拾取準確、道集同向軸拉平、與實際地層相匹配和成像聚焦效果好的原則；采用克?；舴虔B前時間偏移方法實現地層的準確歸位；疊后處理主要內容是對偏移疊加剖面進行適當的處理，以改善剖面的面貌，處理以不損害有效波、不破壞剖面的波組特征、保幅處理為原則（圖3）。

圖3 二維地震數據處理流程Fig.3 Flowchart of 2D seismic data processing

2.2 方法

層序地層學通過綜合時間和海平面相對變化來跟蹤巖相遷移，進而研究儲層發育展布特點，已被認為是分析碳酸鹽臺地發育歷史的有效方法。碳酸鹽巖層序地層學與碎屑巖層序地層學有一定相似性，層序界面均有整合和不整合的接觸關系，不整合的接觸關系通常指示沉積間斷，在剖面上顯示超覆、切蝕等特征；也有一定差異性，南海碳酸鹽臺地沉積作用多為化學沉積作用和生物化學沉積作用，機械沉積作用主要發生在水動力較強區域，且搬運距離較近，因此在碳酸鹽臺地地震剖面中碳酸鹽巖建造在地形和地貌上顯示出與碎屑巖不同的樣式。

本次研究結合前人在西沙地層建立的層序地層格架[21]，通過確定甘泉海臺碳酸鹽巖地層各層序界面的地震相特征來建立甘泉海臺層序界面的識別標志，基于識別標志，對所采集的地震資料進行同相軸追蹤和閉合，建立研究區的層序地層格架。

3 甘泉海臺層序地層特征

3.1 甘泉海臺地震相及層序地層劃分

不同地質體在地震剖面中顯示的振幅、連續性、外形和內部特性等反射特征有差異，對甘泉海臺地震剖面分析，識別出10 個特殊地震相，其地震相特征如圖4。臺地區地震相主要為中等振幅、平行反射（SF1），臺地內部主要以潟湖（SF2）沉積為主，也發育喀斯特（SF3），偶見由氣體上移或熱液上涌腐蝕而產生的煙囪（SF10）。臺地深部邊緣為進積斜坡（SF4），指示臺地面積擴大，頂部臺地邊緣為退積斜坡（SF5），指示臺地收縮。臺地周緣沉積可分為3 階段，第一階段以基底頂界面附近硅質碎屑與碳酸鹽碎屑的混合沉積（SF9）及點礁、塔礁等生物礁（SF6）發育為主；第二階段主要以半深海沉積（SF7）為主，物質來源于臺地頂部被剝蝕的碳酸鹽巖，以滑坡形式搬運至周緣沉積成巖；第三階段以等深流沉積（SF8）為主，物質主要來源于臺地碳酸鹽巖碎屑，隨海流搬運至周緣沉積成巖。

圖4 地震相描述和解釋Fig.4 Description and interpretation of seismic facies

結合前人建立的西沙層序地層框架（圖1）和海平面變化[18]，對甘泉海臺新采集的高分辨率多道地震進行層序地層分析，共識別4 個層序界面，參考西沙宣德環礁西科1 井資料[15]（圖5），認為其分別為下中新統底T60、中中新統底T50、上中新統底T40 和上中新統頂面T30（圖6）。其中T60 界面整體頻率較高，振幅較強，連續性較好。T50 界面以中等頻率、中弱振幅、連續性較好為主要特征。T40 界面振幅較弱、連續性較好。T30 界面斜坡區域頻率較高、振幅中等、連續性較差，臺地區域T30 界面即為碳酸鹽臺地頂面，表現為強振幅且連續性好。

圖5 西科 1 井的巖心柱以及西沙海域海平面變化曲線[15,18]Fig.5 Stratigraphic column of Wells XK-1, and the global sealevel curves [15,18]

圖6 甘泉海臺地震剖面（A）及層序地層劃分（B）Fig.6 A seismic profile of Ganquan Platform (A) and sequence stratigraphy division (B)

3.2 甘泉海臺地層特征

經過對高分辨率地震剖面層序地層分析，結合西科1 井鉆井資料，揭示了甘泉海臺臺地區地層和臺前斜坡區地層特征。

3.2.1 臺地區地層特征

西科1 井資料顯示，西沙海域自中新世以來沉積了近1 300 m 厚的碳酸鹽巖地層，最新取樣調查結果顯示甘泉海臺頂部零星區域有約4 m 的松散沉積物，大多區域為碳酸鹽巖地層裸露。結合甘泉海臺地震剖面，認為T60 之上地層均為碳酸鹽巖地層。地震剖面顯示，甘泉海臺時間域發育了0.6 s 碳酸鹽巖地層，以2 500 m/s 層速度[23]對臺地區碳酸鹽巖地層進行粗略時深轉換，認為甘泉海臺自中新世以來共生長約700 m 生物礁碳酸鹽巖地層。上新世期間相對海平面快速上升，生物礁逐漸處于透光帶以下而死亡，碳酸鹽巖停止產出（圖7）。

圖7 甘泉海臺臺地區地層解釋Fig.7 Interpretation of stratigraphy in the Ganquan Platform

對比西科1 井資料和西沙相對海平面變化，剖面顯示臺地區主要呈潟湖相（SF2），在T40 和T50 處也發育喀斯特（SF3）。中中新世發育了厚層的碳酸鹽巖，與該時期相對海平面穩定上升相關，早中新世和晚中新世碳酸鹽巖地層相對較薄。氣煙囪（SF10）指示臺地內部中中新世以后發育流體上涌侵蝕。中新世之前，部分低洼區域開始沉積硅質碎屑與碳酸鹽碎屑的混合沉積（SF9），深部地震相振幅較高，推測硅質碎屑含量高，淺部地震相振幅較低，推測碳酸鹽巖碎屑含量較高。

3.2.2 斜坡區地層特征

地震剖面顯示，西南部斜坡地勢較緩，東北部斜坡地勢較陡，兩側斜坡沉積結構差異較?。▓D8、9）。在早中新世期間斜坡主要以硅質-碳酸鹽巖碎屑混合沉積（SF9）為主，臺前斜坡也發育塔礁、點礁等生物礁（SF6）；中中新世和晚中新世期間，遠端斜坡主要以半深海沉積（SF7）為主，臺前斜坡重力流沉積較發育，臺地邊緣生物礁被破壞產生的生物礁碎屑是重力流的主要沉積物來源；上新世以來，臺地區已被淹沒，生物礁停止生長，臺地斜坡發育等深流沉積（SF8）。在西南部斜坡中中新統地層識別臺地進積相（SF4），指示臺地中中新世規模擴大（圖8），在東北部斜坡上中新統地層識別臺地退積相（SF5），指示臺地收縮（圖9）。

圖8 甘泉海臺西南側斜坡地層解釋Fig.8 Stratigraphic interpretation on the deposits in the southwest slope of the Ganquan Platform

圖9 甘泉海臺東北側斜坡地層解釋Fig.9 Stratigraphic interpretation of the northeast slope of the Ganquan Platform

4 西沙淹沒臺地發育演化模式

對比甘泉海臺地層特征與西沙相對海平面變化，甘泉海臺發育演化過程與相對海平面變化緊密相關。根據甘泉海臺地層特征和演化過程，結合西沙構造背景，建立西沙淹沒臺地的發育演化模式，認為西沙淹沒臺地演化可分為4 個時期：晚漸新世—早中新世碳酸鹽巖開始沉積，逐漸形成臺地，稱為萌芽期；中中新世碳酸鹽巖大量沉積，臺地擴大加深，稱為繁盛期；晚中新世碳酸鹽巖減緩沉積，臺地逐漸收縮，稱為衰退期；上新世碳酸鹽巖停止沉積，臺地淹沒消亡，稱為淹沒期（圖10）。

圖10 西沙淹沒碳酸鹽臺地發育演化模式Fig.10 The developmental and evolutionary model of the carbonate platform in the Xisha Islands

4.1 晚漸新世—早中新世萌芽期

32 Ma 以來隨著南海擴張，西沙區域逐漸被海水淹沒，遠離陸源，開始沉積生物礁碳酸鹽巖。隨著構造活動趨于穩定，相對海平面逐漸上升，碳酸鹽巖持續加積，形成碳酸鹽臺地。

晚漸新世，部分低洼區處于水下透光帶，開始生長生物礁，構造高點的基巖仍暴露于海平面之上。強動力海流對低洼區的生物礁和高點處的基巖破壞侵蝕搬運，此時期以硅質-碳酸鹽巖碎屑混合沉積為主。進入早中新世，西沙全區均被淹沒，構造高點處于水下透光帶，開始大規模生長生物礁，低洼地區處于透光帶以下，停止原位生長生物礁，主要沉積由高點搬運而來的碳酸鹽碎屑，混雜少量硅質碎屑。隨著海平面持續穩定上升，高點處生物礁大量生長堆積，發育為碳酸鹽臺地，在早中新世末期，碳酸鹽臺地已初具規模。

4.2 中中新世繁盛期

中中新世時期，南海停止擴張，西沙全區熱沉降，相對海平面持續穩定上升。早期發育的碳酸鹽臺地長期具備充足可容納空間，臺地規模發育加大，臺地內部形成潟湖。臺地周緣的斜坡-盆地逐漸進入半深海環境，開始接受大量以濁流形式搬運而來的重力流沉積，這些重力流沉積物主要來自臺地剝蝕。

臺地發育與次級相對海平面波動緊密相關，海平面上升時，碳酸鹽臺地縱向快速生長，且形成潟湖。海平面下降時，碳酸鹽臺地橫向擴大。

4.3 晚中新世衰退期

晚中新世時期，西沙熱沉降速率逐漸加劇[21]，相對海平面快速上升，臺地縱向生長，且開始收縮，斜坡進入半深海環境，碳酸鹽臺地發育成了孤立碳酸鹽臺地，臺地頂部受強水動力侵蝕，碳酸鹽巖碎屑常以重力流形式快速搬運至斜坡處沉積，因此斜坡沉積物較粗。

晚中新世早期，相對海平面穩定上升，臺地縱向加積。隨著后期海平面上升速率加快，臺地邊緣生物礁逐漸處于透光帶以下，且東北季風作用加強[33]，臺地出現收縮，碳酸鹽巖沉積效率也隨之降低，臺地逐漸顯示被淹沒趨勢。

4.4 上新世至今的淹沒期

上新世時期，相對海平面上升速率加快，臺地全部處于透光帶以下，生物礁死亡，碳酸鹽巖停止沉積，碳酸鹽臺地被淹沒。臺地淹沒后，海流持續侵蝕臺地邊緣和表面，臺地頂部突出生物礁逐漸被剝蝕，臺地表面趨于平坦。臺地斜坡逐漸處于深水區，且鮮有大量碳酸鹽巖碎屑重力流發育，斜坡處發育等深流，斜坡主要以較細粒的等深流沉積為主。

5 結論

（1）在甘泉海臺地震剖面中識別出10 個特殊地震相，指示臺地內部主要以潟湖沉積為主，臺地周緣沉積以硅質碎屑與碳酸鹽碎屑的混合沉積、半深海沉積和等深流沉積為主。識別出4 個層序界面，其分別為下中新統底T60、中中新統底T50、上中新統底T40 和上新統底T30。

（2）甘泉海臺早中新世時期開始大規模生長生物礁，中新世期間發育了約700 m 的碳酸鹽臺地，碳酸鹽臺地的發育演化主要受構造演化和海平面變化控制。中新世時期，碳酸鹽臺地產出高，大量碳酸鹽巖被剝蝕、破壞，并被重力流搬運至臺地周緣，碳酸鹽臺地成為周緣地層的主要沉積物來源。

（3）上新世相對海平面快速上升，甘泉海臺被淹沒，生物礁處于透光帶以下而死亡，碳酸鹽巖停止沉積，自臺地搬運而來的碳酸鹽巖碎屑減少，臺地周緣斜坡逐漸處于深海區域，受等深流侵蝕，開始發育以細粒為主的等深流沉積。

（4）西沙海域發育了多個淹沒碳酸鹽臺地，結合西沙構造背景和甘泉海臺沉積過程，揭示了西沙淹沒碳酸鹽臺地演化模式，可按地質歷史時期分為晚漸新世—早中新世萌芽期、中中新世繁盛期，晚中新世衰退期和上新世至今的淹沒期4 個階段。