轉換陸緣海底扇的沉積特征與沉積模式
——以赤道大西洋漂移晚期陸緣為例

田納新，龔承林，吳高奎，朱一杰，李軍

1.中國石化石油勘探開發研究院，北京 102206

2.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249

0 引言

依據板塊構造理論，按照巖石圈板塊之間的擴張作用、俯沖作用和剪切作用可將大陸邊緣分別劃分為被動陸緣、活動陸緣和轉換陸緣[1-2]。相較于被動陸緣和活動陸緣，轉換陸緣分布相對較少，約占全球大陸邊緣面積的16%，而且其發現時間也較晚[3-4]。在Wilson[1]識別發現轉換斷層的基礎上，Failet al.[5]研究指出轉換斷層向陸延伸到大陸邊緣則形成轉換陸緣，隨后Mascle[6]首次提出轉換陸緣是與被動陸緣和活動陸緣并列的第三種大陸邊緣類型。如圖1a 所示，圣保羅（St.Paul）斷裂帶、羅曼徹（Romanche）斷裂帶和Chain斷裂帶走向與板塊裂離方向相同，以連接錯斷的南大西洋赤道段洋中脊為主要特征，為典型轉換斷層[7]。這些轉換斷層由洋中脊向陸延伸至大西洋赤道段大陸邊緣形成轉換陸緣，這些轉換陸緣往往與被動陸緣相鄰出現（圖1）[4,7]。

圖1 （a）大西洋赤道段轉換陸緣和被動陸緣區域地質背景圖；（b）區域地貌圖示意了平面屬性圖以及地震剖面的平面位置Fig.1 (a) Regional map showing the geological background of transform and passive margin segments from the Equatorial Atlantic Ocean;(b) regional map illustrating the plane-view locations of attribute maps and regional seismic profiles

20 世紀末大洋鉆探計劃159 航次（ODP 159）針對轉換陸緣進行了科學鉆探和系列研究，而后轉換陸緣相關研究才正式開展起來[8]。目前，研究最為系統的轉換陸緣來自大西洋赤道段兩岸，非洲板塊和南美洲巖石圈板塊在圣保羅、羅曼徹和Chain轉換斷層走滑作用下，在赤道大西洋形成一“轉換陸緣域”[7]。沿順時針方向，赤道大西洋轉換陸緣域依次為非洲西海岸的塞拉利昂（Sierra Leone）轉換陸緣、利比里亞—象牙海岸（Liberia-Ivory Coast）轉換陸緣、象牙海岸—加納（Ivory Coast-Ghana）轉換陸緣，以及南美洲東海岸的菩提瓜爾（Potiguar）轉換陸緣、巴雷里尼亞斯（Barreirinhas）轉換陸緣和圣保羅（St.Paul）轉換陸緣；本文的研究區位于赤道大西洋菩提瓜爾轉換陸緣（圖1）[7,9]。

本文利用赤道大西洋轉換陸緣菩提瓜爾盆地采集的1 200 km2三維地震資料（圖1），采用PaleoScan全三維智能解釋手段和三色（RGB）混相分頻技術精細刻畫漂移晚期海底扇的沉積構成，在轉換陸緣地貌特征分析的基礎上建立了菩提瓜爾轉換陸緣海底扇沉積模式。

1 區域地質概況

赤道大西洋轉換陸緣域的菩提瓜爾盆地總面積約4.8×104km2，由陸上和海上兩個部分組成，其中陸上面積約2.15×104km2，海上面積約2.65×104km2；此次研究區來自菩提瓜爾盆地的海上部分（圖1）[13]。

在構造演化上，菩提瓜爾盆地受內陸張裂作用與沿羅曼徹和Chain 兩大轉換斷裂帶形成的剪切作用的共同影響，經歷了“裂谷期、轉換期和漂移期”的構造演化過程[14-15]。在裂谷期，菩提瓜爾盆地以地殼伸展減薄導致強烈裂陷為主要特征，相應形成一系列不對稱的地塹或半地塹[14-15]。在轉換期，菩提瓜爾盆地的構造活動急劇減弱，構造沉降速率由陸向海不斷增加[14]。漂移期可進一步劃分為漂移早期和漂移晚期，在此期間，巖石圈冷卻、菩提瓜爾盆地的構造活動基本終止，演化為被動陸緣階段[14-15]。

與三期構造演化相對應，菩提瓜爾陸緣沉積充填由“裂谷層序、轉換層序和漂移層序”組成；它們被如圖2a所示的T10、T20和T30三個不整合面所分隔。菩提瓜爾陸緣裂谷層序主要發育Pendência 組與Pescada組兩套地層，以湖相、河流三角洲和扇三角洲沉積為主。轉換層序主要由Alagamar 組組成，發育河流三角洲、海相頁巖和泥灰巖[16]。菩提瓜爾陸緣漂移早期層序主要發育Quebradas 組，以海相頁巖和重力流沉積為主；而菩提瓜爾陸緣漂移晚期層序主要發育Ubarana 組，整體上以重力流沉積為主[16]。本文的研究目的層為菩提瓜爾陸緣漂移晚期發育的Ubarana組，其以T30為底界面；Ubarana組內部發育不整合面T31，界面之下大規模侵蝕下切特征明顯，界面之上侵蝕下切規模有所減?。▓D2）。

圖2 （a）區域地震剖面（平面位置見圖1a）示例了菩提瓜爾陸緣地層充填序列的地震反射特征；（b）區域地震剖面（平面位置見圖1a）展示了菩提瓜爾陸緣漂移晚期Ubarana 組（本文研究目的層）內的層位堆疊體提取情況Fig.2 (a) Regional seismic line (see Fig.1a for line location) illustrating cross-sectional appearance of sedimentary successions of the Potiguar margin;(b) regional seismic transect showing cross-section view of horizon stacks of the Ubarana Formation in the Potiguar margin (i.e.,the study interval of interest)

2 數據和方法

本文研究主要基于菩提瓜爾陸緣的高分辨率三維（3D）地震資料；3D 地震數據的面積約1 200 km2，覆蓋水深介于20～2 100 m。所使用的3D地震資料為深度域，地震資料的處理面元為18.75 m × 12.5 m。地震資料的采樣間隔為5 m，以SEG 負極性顯示，在這樣的剖面上正反射系數對應波阻抗的增加，對應地震反射剖面上的波谷（圖2）。

學生解析片段后，教師講解寫景有關知識，讓學生根據這些知識，進一步理解片段寫景，從中體會作者嫻熟的語言運用技巧，為下面微作文寫作做好鋪墊。

主要采用剖面地震地層學和平面地震地貌學相結合的手段來識別菩提瓜爾盆地漂移晚期海底扇的沉積構成和形態特征[17-18]。地震地層學分析主要依據地震相的反射外形、反射參數和反射結構來識別地震相；而平面地震地貌學主要依據平面地震屬性和外部形態（朵狀、條帶狀和舌狀等）[17-18]。主要使用三色（RGB）混相分頻屬性和均方根振幅（RMS）屬性來識別菩提瓜爾盆地漂移晚期海底扇的沉積構成。均方根振幅是將振幅平方的平均值開平方，故其對強振幅較敏感，常常用于對富砂沉積體（如水道充填）的雕刻。三色（RGB）混相分頻屬性是利用時頻變換算法對原始地震數據進行分頻處理，得到低（5 Hz）、中（20 Hz）和高（35 Hz）三個單頻數據體，并對這三個單頻數據體賦以紅（R）、綠（G）和藍（B）三色；繼而在所形成的具有通頻信息的三色數據體上進行富砂沉積單元的識別和雕刻。

三色（RGB）混相分頻屬性和均方根振幅（RMS）屬性的提取是依托PaleoScan全三維智能解釋平臺完成的，屬性提取的時間窗統一設置為默認值7 ms。具體來說，手動識別并閉合解釋漂移晚期Ubarana組底界面T30、頂界面海底和內部不整合面T31，這三個層位解釋精度為937.5 m × 625 m。在此基礎上，利用PaleoScan 軟件在目標水道頂底界面之間定義200個層位，并進行自動追蹤、制作相應的層位堆疊體（如圖2b 中的黃色層位）。利用PaleoScan 智能解釋軟件，分別對第82 張、第116 張和第172 張切片提取三色（RGB）混相分頻屬性和均方根振幅屬性；這些屬性用于刻畫菩提瓜爾陸緣漂移晚期海底扇的沉積構成。

3 漂移晚期轉換陸緣的地貌特征

3.1 陸架地貌特征

通過對赤道大西洋轉換陸緣域現今陸架地貌的分析，發現巴雷里尼亞斯（Barreirinhas）轉換陸緣的陸架寬度介于63～80 km，平均寬度為72 km；陸架坡度從0.04°到0.09°不一，平均坡度為0.06°。菩提瓜爾轉換陸緣的陸架寬度介于30～60 km，平均寬度為43 km；陸架坡度從0.05°到0.13°不一，平均坡度為0.10°（圖3）。

圖3 （a）巴雷里尼亞斯和菩提瓜爾轉換陸緣現今地貌剖面圖（區域平面位置見圖1a）；（b）巴雷里尼亞斯和菩提瓜爾轉換陸緣陸架和陸坡形態參數（寬度和坡度）Fig.3 (a) Modern topographic profiles of the Barreirinhas and Potiguar transform margins;(b) shelf and slope morphometrics (widths and gradients) of the Barreirinhas and Potiguar transform margins

全球地貌統計數據表明被動陸緣的陸架平均寬度為88 km[19]，是轉換陸緣陸架寬度的1.5 倍；被動陸緣的陸架平均坡度約為0.1°[19]，是轉換陸緣陸架坡度的1.3倍（圖3）。

綜上所述，與被動陸緣不同的是，以菩提瓜爾陸緣為代表的轉換陸緣具有相對較小的陸架寬度，與被動陸緣相同的是，以菩提瓜爾陸緣為代表的轉換陸緣具有相對平緩的陸架；轉換陸緣整體上具有“窄且緩”的陸架地貌特征（圖3）。

3.2 陸坡地貌特征

通過對赤道大西洋轉換陸緣域現今陸坡地貌的分析，發現巴雷里尼亞斯（Barreirinhas）轉換陸緣的陸坡寬度介于16～38 km，平均寬度為27 km；坡度從3.2°到7.0°不一，平均坡度為5.3°。菩提瓜爾轉換陸緣的陸坡寬度介于10～30 km，平均寬度為23 km；坡度從4.0°到8.0°不一，平均坡度為5.4°（圖3）。

全球地貌統計數據表明：被動陸緣的陸坡平均寬度為46 km[19]，是轉換陸緣陸坡寬度的1.8倍；被動陸緣的陸坡平均坡度約為4.0°[19]，轉換陸緣陸坡坡度是其1.3 倍；全球活動陸緣的平均陸坡坡度約為5.0°，與轉換陸緣的陸坡坡度大體相當。在如圖3a所示的轉換陸緣現今地貌剖面圖上，轉換陸緣在中下陸坡處往往發育一正向地形凸起；該凸起的高度從0.6 km 到2.7 km 不一，平均高度為1.8 km，這些正向凸起為轉換陸緣上的海山或轉換脊[7]。這些海山或轉換脊是轉換陸緣陸坡段所特有的地貌單元，其在全球轉換陸緣上均發育存在[7,20-21]。

綜上所述，與被動陸緣不同的是，以菩提瓜爾陸緣為代表的轉換陸緣具有相對較小的陸坡寬度和較大的陸坡坡度；轉換陸緣整體上具有“窄而陡，外緣見海山或邊緣脊”的陸坡地貌特征（圖3）。

4 漂移晚期海底扇的沉積構成

菩提瓜爾陸緣漂移晚期發育的海底扇由“深水水道和末端朵葉”兩大沉積單元構成，它們與被動陸緣上發育出現的深水水道和末端朵葉具有差異的剖面形態和沉積構成特征。

4.1 深水水道

4.1.1 剖面地震相特征

在剖面上，深水水道以“U形或V形、強振幅—中低頻—低連續、充填反射”為典型地震相特征（圖4）。在形態上，單期水道復合體（channel complexes）寬度介于1 430～3 717 m，平均寬度為2 612 m；深度介于104～339 m，平均深度為196 m；寬深比介于7～30，平均為14。水道沉積體系的平均寬度約為5 000 m，深度可達950 m，具有窄且深的剖面形態特征（圖4）。在沉積構成上，單期水道復合體兩翼不發育天然堤，呈孤立的侵蝕下切狀；部分水道沉積體系在整個漂移晚期連續發育，無明顯的沉積間斷（被“席狀、弱振幅—中高頻—高連續、平行亞平行的深海披覆泥”所分割）出現（圖4）。

圖4 垂直物源方向的地震剖面（平面位置見圖1b）描繪了漂移晚期發育的深水水道的地震反射特征Fig.4 Depositional dip-view seismic lines (see Fig.1b for its plane-view location) illustrating cross-sectional seismic appearance of submarine channels developed during the late drift stage

在被動陸緣上，深水水道兩翼往往被呈“楔狀、弱振幅空白反射的”天然堤所“夾持”，整體上呈展翅翱翔海鷗的鷗翼狀；且不同的深水水道往往被深海披覆泥所分隔，典型深水水道剖面地震相實例如Howlettet al.[22]、Posamentieret al.[23]以及龔承林等[24]所示。與這些經典深水水道相較，菩提瓜爾陸緣漂移晚期發育的深水水道在剖面上具有“兩翼不發育天然堤，呈孤立下切狀”以及“多期水道復合體連續無間斷發育”兩大特征（圖4）。

4.1.2 平面地貌相特征

在平面上，深水水道呈“寬窄不一的強振幅亮色（圖5a、圖6a、圖7a）或暖色（圖5b、圖6b、圖7b）條帶”。這些強振幅亮色或暖色條帶相對孤立，無伴生的天然堤或決口扇等沉積單元出現；平面彎曲度介于1.02～1.26，平均彎曲度為1.08，中值彎曲度為1.06。

圖5 三色（RGB）混相分頻屬性（a）和均方根振幅屬性（b）（剖面位置見圖2）刻畫了晚漂移期菩提瓜爾陸緣海底扇的地震地貌學特征Fig.5 Red-green-blue (abbreviated as RGB) spectral decomposition-attribute (a) and root mean square (RMS) amplitude attribute (b) maps (see Fig.2 for their plane-view locations) showing the seismic geomorphological appearance of submarine fans developed during the late-drift stage on the Potiguar margin

圖6 三色（RGB）混相分頻屬性（a）和均方根振幅屬性（b）（剖面位置見圖2）刻畫了晚漂移期菩提瓜爾陸緣海底扇的地震地貌學特征Fig.6 Red-green-blue (abbreviated as RGB) spectral decomposition-attribute (a) and RMS amplitude attribute (b) maps (see Fig.2 for their plane-view locations) showing the seismic geomorphological appearance of submarine fans developed during the late-drift stage on the Potiguar margin

圖7 三色（RGB）混相分頻屬性（a）和均方根振幅屬性（b）（剖面位置見圖2）刻畫了晚漂移期菩提瓜爾陸緣海底扇的地震地貌學特征Fig.7 Red-green-blue (abbreviated as RGB) spectral decomposition-attribute (a) and RMS amplitude attribute (b) maps (see Fig.2 for their plane-view locations) showing the seismic geomorphological appearance of submarine fans developed during the late-drift stage on the Potiguar margin

在被動陸緣上，深水水道的彎曲度往往從低彎度的順直狀到高彎度的蛇曲狀均發育出現，典型深水水道平面地貌特征如Howlettet al.[22]、Posamentieret al.[23]以及龔承林等[24]所示；且兩翼往往發生濁流的溢出或決口現象，從而形成漫溢扇、決口扇、沉積物波或天然堤等沉積單元[24-25]。與這些經典的深水水道不同的是，菩提瓜爾陸緣漂移晚期發育的深水水道在平面上具有“相對順直或低彎曲度”以及“無溢岸或決口現象”兩大特征（圖5～7）。

4.2 末端朵葉

4.2.1 剖面地震相特征

在剖面上，末端朵葉以“席狀、強振幅—中高頻—高連續、平行亞平行反射”為典型地震相特征（圖8）。這些中強振幅—中高頻—高連續地震反射之間平行或亞平行；且往往出現在深水水道的末端（圖8）。

圖8 垂直物源方向（a）和平行物源（b）的地震剖面（平面位置見圖1b）描繪了晚漂移期菩提瓜爾陸緣末端朵葉的地震反射特征Fig.8 Depositional dip-view (a) seismic profile and depositional strike-view (b) seismic transect (see Fig.1b for their plane-view locations) illustrating the cross-sectional seismic appearance of terminational lobes developed during the late-drift stage on the Potiguar margin

在被動陸緣上，典型的末端朵葉與本文所述的菩提瓜爾陸緣末端朵葉具有相同的剖面地震相特征，均表現為“席狀、強振幅—中高頻—高連續、平行亞平行反射”，末端朵葉典型剖面地震相特征如Howlettet al.[22]、Posamentieret al.[23]、龔承林等[24]和Doughty-Joneset al.[26]所示。這些末端朵葉往往被認為是：深水水道內濁流在水道—朵葉轉換帶處通常會經歷“限定性→半限定性”的流體轉換造成粗碎屑卸載堆積所形成的產物[23-24,27]。

4.2.2 平面地貌相特征

在平面上，末端朵葉呈“扇狀或葉狀亮色強振幅（圖5a、圖6a、圖7a）或暖色強均方根振幅屬性（圖5b、圖6b、圖7b）堆積體”，它們往往出現在前已述及的深水水道的“末端出口處”。這些扇狀或葉狀亮色混相分頻屬性（圖5a、圖6a、圖7a）或暖色強均方根振幅屬性（圖5b、圖6b、圖7b）堆積體的面積介于16～90 km2，平均面積為39 km2，中值面積為32 km2。相較于典型的濁積朵葉[23-24,27]，菩提瓜爾陸緣漂移晚期末端朵葉平面規模較小。

在被動陸緣上，伴隨著深水水道內濁流在水道—朵葉轉換帶處由近至遠地向盆地一側流動，隨著限定程度越來越弱導致流速也越來越低，從而在每一條深水水道的前方形成彼此相對孤立的末端朵葉[23-24,27]。與這些經典的末端朵葉不同的是，菩提瓜爾陸緣漂移晚期形成發育的末端朵葉往往在陸坡上呈多期匯聚狀，部分朵葉具有“匯聚疊置”的特征（圖5～7）。

5 漂移晚期海底扇的沉積模式

以菩提瓜爾陸緣為代表的轉換陸緣具有“窄緩陸架、窄陡陸坡”的地貌特征，這一轉換陸緣特殊的地貌背景導致轉換陸緣海底扇具有和被動陸緣海底扇不同的沉積模式。

5.1 剖面發育模式

前已述及，菩提瓜爾轉換陸緣具有“窄緩”的陸架地貌特征，平均陸架寬約43 km（圖3）；這一陸架寬度與轉換陸緣的平均陸架寬度（31 km）大體相當[19]。在窄緩的陸架地貌條件下，陸源碎屑在淺水陸架上的“駐留”時間往往較短、向深水中搬運輸送已不再受到基準面變化的調控；從而導致粗碎屑顆粒既可以在基準面下降的下降體系域和低位體系域，也可以在基準面上升的海侵體系域和高位體系域向深水區搬運沉積[28]。窄陸架（陸架寬度小于50 km）使得粗碎屑顆粒向深水中搬運分散不受基準面變化控制，典型實例來自美國懷俄明州的Washakie 盆地的Lewis陸緣，晚白堊紀Lewis陸緣的陸架寬度約為40～50 km；與菩提瓜爾轉換陸緣漂移晚期一樣，均具有典型的窄陸架特征[29]。在這一陸緣上，既在指示基準面下降的下行水退型陸架坡折遷移（坡折軌跡呈平坦—低角度下降狀）前方發育出現海底扇，也在指示基準面上升的上行水進型陸架坡折遷移（坡折軌跡呈上升狀）前方識別到海底扇[28-29]。

與晚白堊紀Lewis陸緣一樣，窄陸架使得粗碎屑顆粒以重力流的方式，向漂移晚期菩提瓜爾轉換陸緣深水區搬運分散形成海底扇的過程，不再受基準面變化的控制。換言之，海平面變化的任何時刻菩提瓜爾轉換陸緣深水區均可能發育大規模的重力流及其所形成的海底扇，從而導致重力流及其所伴生的水道復合體在剖面上連續無間斷發育、縱向上呈“連續疊置”狀（圖4）。在白堊紀幾內亞轉換陸緣上，“窄緩陸架地貌”背景下形成發育的海底扇具有與漂移晚期菩提瓜爾陸緣海底扇相同的剖面發育特征，均表現為“多期水道復合體連續疊置”的剖面發育模式[10,30]。

5.2 平面發育模式

前已述及，菩提瓜爾轉換陸緣具有“較陡”的陸坡地貌特征，平均陸坡坡度約5.4°（圖3）；這一陸坡坡度與全球活動陸緣的平均陸坡坡度（5.0°）大體相當[19]。前人研究表明：在較陡的陸坡地貌條件下，重力流往往具有較高的流速和較強的侵蝕能力[31]。如此“強勁”的重力流抑制了溢岸和決口現象的發生，從而使得菩提瓜爾轉換陸緣漂移晚期發育的深水水道以“平面上相對順直、剖面上兩翼不發育天然堤”為主要特征（圖4、圖8a、圖9）。與此同時，“無明顯溢岸和決口現象”使得深水水道在沉積建造過程中以垂向上的生長為主，不易發生側向擺動[32]，導致水道—朵葉復合體的平面規模相對較小。

圖9 （a）立體顯示的三色（RGB）混相分頻屬性（區域平面位置見圖1b）刻畫了漂移晚期菩提瓜爾陸緣海底扇的平面發育特征；（b）漂移晚期菩提瓜爾陸緣海底扇發育模式圖Fig.9 (a) Three-dimensional perspective view of RGB spectral decomposition-attribute map (see Fig.1b for its regional plane-view location) illustrating the plane-form geomorphological characteristics of submarine fans developed during the late drift stage on the Potiguar margin;(b) schematic illustration of submarine fans formed during the late drift stage on the Potiguar margin

此外，以漂移晚期菩提瓜爾陸緣為代表的轉換陸緣具有較窄的陸坡地貌特征，且在中下陸坡處發育海山或轉換脊[7,20-21]。海山或轉換脊的存在對轉換陸緣上的重力流起到了阻擋作用，從而使得朵葉在其前緣多期匯聚疊置，在平面表現為“裙邊狀”（圖5～7、圖9）。此外，陸坡較窄使得陸源物質越過陸架坡折向深水中搬運分散的距離較短，故轉換陸緣上形成發育的海底扇的粒度往往偏粗[10]。在白堊紀幾內亞轉換陸緣上，“限定性的，陡窄陸坡地貌”背景下形成發育的海底扇與漂移晚期菩提瓜爾陸緣海底扇具有相同的平面發育特征，均表現為“單期平面規模較小、多期匯聚成裙邊狀”的平面發育模式[10,30]。

6 結論

本文以漂移晚期菩提瓜爾陸緣為例，分析了陸架和陸坡的地貌特征，識別了海底扇的沉積構成，進而揭示了海底扇的發育演化模式，取得的成果認識如下。

（1）漂移晚期菩提瓜爾陸緣具有“窄緩”的陸架地貌特征和“窄陡，外緣見海山或邊緣脊”的陸坡地貌特征。其中，陸架平均寬度為43 km，平均坡度約為0.1°；陸坡平均寬度為23 km，平均坡度約為5.4°。

（2）菩提瓜爾陸緣漂移晚期海底扇主要由深水水道和末端朵葉兩個亞相單元構成。在剖面上，深水水道兩翼不發育天然堤，呈多期連續疊置狀；而末端朵葉呈“席狀、強振幅—高連續、平行亞平行反射”。在平面上，深水水道呈順直狀或低彎度狀；而末端朵葉單期平面規模較小，多期匯聚成裙邊狀。

（3）窄緩的陸架地貌使得陸源碎屑在基準面變化的任何時刻均可被搬運分散到深水陸坡區，從而導致重力流及其所伴生的水道復合體在剖面上連續無間斷發育，呈多期連續疊置狀。窄陡的陸坡地貌使得重力流往往具有較高的流速和較強的侵蝕能力、抑制了濁流的溢岸和決口現象，導致深水水道以垂向上的生長為主，所形成的單期水道—朵葉復合體平面規模往往較??；這些小規模的朵葉被海山或邊緣脊所遮擋，導致多期朵葉往往匯聚疊置成裙邊狀。

致謝 論文得到了馮志強教授的悉心指導，尤其是對轉換陸緣結構和沉積特征的獨到認識，對論文的選題和海底扇模式的建立意義重大；編委會及審稿專家對論文修改提出了寶貴建議，在此一并表示感謝。