Three-dimensional Sedimentary Characteristics and Evolution of Ancient Beach Ridges in the Early to Middle Miocene of the Northern South China Sea Shelf

随着构造型油气藏勘探难度的日益增大,岩性圈闭的勘探变得尤为重要^[1⁃2]。南海北部珠江口盆地是我国海洋油气勘探的重要阵地,而惠州凹陷作为珠江口盆地内重要的富烃凹陷,近年来更是在岩性圈闭勘探方面连续取得重要突破,成为了岩性圈闭勘探的重要战场^[1⁃4]。前人针对惠州凹陷的解剖表明^[1⁃3],平行岸线展布的条带砂体是凹陷岩性圈闭的主要勘探目标,但是对于这些条带砂体形成的水深、沉积相带和水动力条件等尚存在差异性解释,包括海侵期的陆架潮流砂脊和海退时期波浪、潮汐共同作用的砂体等^[5⁃9]。近年来,古海滩脊作为滨岸环境重要的沉积单元组成,也是重要的条带砂类型,逐渐成为沉积学领域研究的热点之一^[10⁃11]。古海滩脊通常由一系列近平行岸线的条状富砂质海滩脊和富泥质洼地组成,在平面上二者一般交替出现,剖面上表现为一系列的前积结构^[12]。海滩脊形成于前滨,在滨线向海进积的过程中原本受到海洋动力改造的砂脊便会被废弃在原地,并成为古海滩脊的一部分,因此大规模发育的古海滩脊通常与海退过程相关^[13⁃14]。针对古海滩脊的解剖不仅有利于揭示滨岸沉积动力过程,还可重建古滨线、古海洋和古气候信息^[12],其伴生的优质砂体也具有较高的油气勘探潜力^[15]。截至目前,国内与海相三角洲地层中古海滩脊沉积相关的研究实例较少。本次研究以高分辨三维地震、测井和岩心数据为手段,识别并刻画了古海滩脊沉积的三维沉积结构,并探讨了其发育演化的控制因素。

珠江口盆地位于南海北部大陆边缘,总体呈NE—SW向展布,是我国重要的新生代含油气沉积盆地。地壳拉张使得位于欧亚、太平洋和印度洋板块交汇处的珠江口盆地形成了南北分带、东西分块的格局,由北向南依次为北部断阶带、北部坳陷带、中央隆起带、南部坳陷带和南部隆起带（图1a）。

Figure 1.  Location of study area

珠江口盆地主要经历了早始新世—中渐新世时期的伸展断陷阶段,晚渐新世—中中新世的坳陷沉降阶段及晚中新世以后的块断升降阶段,具有“先断后坳”“先陆后海”的特点^[16⁃17]。珠江口盆地沉积地层包括始新统文昌组、始新统—渐新统恩平组、渐新统珠海组、下中新统珠江组、中中新统韩江组、上中新统粤海组、上新统万山组和第四系（图2）。其中断陷湖盆时期发育的文昌组和恩平组是区域内主要的烃源岩,珠海组时期开始发生海侵,主要发育海陆过渡相沉积。

Figure 2.  Stratigraphic summary of the Huizhou Sag in the Pearl River Mouth Basin and sequence framework for the interval of interest (modified from references [9,18])

研究区位于珠江口盆地东部的惠州凹陷南部（图1b）,主要目的层段为早—中中新世地层（即T60~T35界面之间地层）（图2）,这一时期研究区西南部主要发育三角洲—滨岸沉积相带^[18],而惠州凹陷东部紧靠的东沙隆起区域则主要发育碳酸盐岩台地,在海平面的变化和沉积物供给的控制下,东沙隆起台地早期主要向陆扩张生长,后期则逐渐被海水淹没并停止生长^[19⁃21]。

现今南海北部陆架水动力条件较为复杂（图1a）,其中影响研究区的水动力条件主要包括广东沿岸流以及黑潮分支^[22]。广东沿岸流主要受到东亚季风的控制进而随季节方向发生变化,但考虑到冬季风强度比夏季风更大,持续时间也更长,因此可以认为其主要流向与冬季风相同,为西南向（图1a）。此外,黑潮进入吕宋海峡后便分成了两个向西南和东北方向流动的分支^[23],其中西南方向流动的分支仍具有足以搬运砂质沉积物的流速（30~50 m/s）^[24]。此外,潮汐水动力作为背景动力过程普遍存在于研究区内^[25⁃26],也是不能忽视的一种水动力过程。值得注意的是,考虑到构造、沉积背景的剧烈变迁,古海洋水动力条件与现今水动力分布特征无疑很难简单类比,但现今水动力的类型和过程分析对于古水动力条件的恢复具有一定价值。

研究使用了惠州凹陷南部约5 600 km²高分辨率三维地震数据（数据体范围见图1）、90余口测井数据（图1）及4口钻井取心段数据。基于近年来较新的沉积层序划分理念^[27],利用不同体系域独特的堆砌样式以及在自然伽马（GR）曲线上的旋回性变化,对研究区进行了层序的划分（图3,4）,并根据识别出的层序界面（SB）、最大海退面（MRS）、最大海泛面（MFS）和强制海退底界面（BSFR）等重要界面将一个层序划分为不同的体系域,建立了区域地层格架。在搭建的地层格架下,首先利用地球物理软件Paleoscan^TM进行全三维地震解释并制作均方根振幅和分频RGB融合切片,利用属性切片提供的地震地貌学信息结合地层格架在平面上识别出古海滩脊沉积体并确定其在地层格架内的位置,之后便结合地震、测井和岩心数据对其进行精细刻画和分析。

Figure 3.  Sequence stratigraphic framework and shore⁃parallel sandstone bodies in the study area (location in Fig.1b)

Figure 4.  Stratigraphic correlation based on logging data in the depositional⁃dip⁃oriented study area (location in Fig.1b)

前人在研究中针对惠州地区的层序地层界面和最大海泛面识别特征多有报道^[2,6,17]。总体来看,层序界面在地震剖面上的靠陆方向表现为强振幅反射特征,具有下切再充填的特征,GR测井曲线通常位于箱状砂的底界面,称为陆上不整合面；在靠海方向上则表现为相对整合面,为强制海退体系域与低位体系域的分界（图4）；最大海泛面（MFS）在地震上则表现为连续性较好的中—弱振幅反射,GR曲线上表现为整个层序最富泥的部位,为海侵体系域和高位体系域的分界（图4）；最大海退面（MRS）在地震上表现为连续性较好的强—中振幅反射,GR曲线上表现为低位体系域砂体的顶界面（首次水深突然增加的位置）,标志着海退向海侵转换（图4）。经过基于三维地震和测井资料的分析,在研究区目的层段内（T60~T35）识别出16个层序界面（SB）并划分出15个高频层序（图2,3）。

值得注意的是,经过对关键过井地震剖面的分析,发现在多个层序的顶部均存在一强振幅楔状沉积体,其发育范围总体较为局限,在向海和向陆方向均存在明显的减薄趋势（图3,4）。同时,考虑到三分体系域的划分方式将其和高位体系域没有作出合理的区分,因此,本次研究在楔状体的底部识别出强制海退底界面（BSFR）这一界面（图4）,增加了强制海退体系域的识别,进而根据识别出的SB、MFS、MRS和BSFR将一个层序划分为4个不同的体系域^[27⁃29],实现了研究区高精度层序地层格架的划分（图4）。

利用三维地震剖面、地层属性切片、测井以及岩心数据,在目的层段识别出多期强振幅沉积体,其中较为典型的六期包括BR4A（SQ4）、BR5A（SQ5）、BR10A（SQ10）、BR11A（SQ11）、BR11B（SQ11）和BR12A（SQ12）,其在地震切片上呈现明显的条带状特征,且展布方向与岸线基本平行（图5）。

Figure 5.  Color⁃blending (RGB) spectral decomposition attribute map of six stages for ancient beach ridges recognized in this study

该六期古海滩脊在平面上皆呈现出北东窄—南西宽的特征,平均宽度约15 km,平均长度约60 km,厚度最大约35 m。其中BR4A最窄处仅约7.5 km（图5a）,BR5A最宽处可达23 km（图5b）。每一期古海滩脊不同部位在分频RGB融合切片上亮度也存在变化,整体来看头部（区域带1）亮度最大,中间部分次之（区域带2）,尾部（区域带3）最暗（图5）,其中BR11A、BR11B和BR12A的头部区域高亮特征尤为显著（图5d~f）。在BR4A和BR5A发育时期,古东沙隆起较为靠近古海滩脊发育位置,因此在分频RGB融合图上可见碳酸盐岩台地的极亮特征（图5a,b）。通过岩心、测井和三维地震的综合分析,认为惠州地区中新世的条带状砂体很可能为古海滩脊沉积（图5）。下文将在BR4A和BR5A两期关键古海滩脊精细解剖的基础上,阐明古海滩脊成因机制。

1） 地震相特征

古海滩脊整体厚度在中间部位较厚,并向两侧的头部和尾部逐渐减薄（图6a,b）。根据BR4A在沉积倾向地震剖面上内部地震反射结构的差异可以划分出三种地震相：（1）地震相1,位于古海滩脊靠海一侧,在剖面上表现为连续性较好的强振幅反射并呈向海尖灭的楔状体形态（图6a,b）；（2）地震相2,位于头部地震相与尾部地震相之间,其同相轴连续性差,表现为中等振幅并向海方向呈叠瓦状排列的前积反射（图6a,b）；（3）地震相3,位于古海滩脊靠陆一侧,表现为连续性中等的弱振幅反射。

Figure 6.  Seismic characteristics of BR4A

整体上看,从尾部的地震相3到中间的地震相2再到头部的地震相1,同相轴的前积角度经历了逐渐增大再减小的过程；而在连续性方面,地震相3和地震相1的同相轴连续性中等,而中部的地震相2则较差。在不同的位置地震相2内部的前积结构也存在差异,在靠近东北的位置其前积角度较缓（图6a）,而往西南方向的位置其表现出密集且陡峭的前积特征（图6b）。地震相3和地震相2类似,在不同的位置其发育范围也存在差异（图6a,b）。

2） 平面地震地貌

如上文所述,根据三维地震地层切片提供的地震地貌学信息,可以在平面上对BR4A进行刻画。BR4A范围较窄,整体具有条带状结构,呈北东—南西向展布并且沿着南西方向逐渐发散,展布范围也逐渐变宽（图5a、图6c,d）。在RGB融合切片上砂体表现为较亮区域,暗色区域则代表泥质沉积。根据BR4A平面上内部特征的差异,将其划分为三个北东—南西向展布的区域带,分别对应上文提及的三种地震相：（1）地震相1,在平面上对应古海滩脊的最外缘带,其内部结构连续,在RGB切片上具有高亮特征并向海逐渐尖灭至暗色的陆架泥岩中；（2）地震相2,在平面上对应海滩脊平原的中间地带,内部表现为明显的砂泥互间条带特征,对应了剖面上的一系列前积体反射,随着前积体的角度变陡,平面上的亮色砂岩和暗色泥岩互间特征变得更加明显（图5a、图6）；（3）地震相3,在平面上对应古海滩脊靠陆一侧地带,其在RGB切片上表现为中等亮度,与前两者相比其泥质沉积物占据区域面积更大并且内部条带状特征不明显。在BR4A发育时期,研究区东南部发育碳酸盐岩台地,其在RGB融合切片上表现为引人注目的极亮特征（图5a、图6c,d）,此时东沙隆起边缘发育了一系列走向与BR4A不一致的条带砂体（图5a、图6c,d）。

3） 岩心相—测井相特征

古海滩脊砂体通常上部为波浪建造的纯净砂岩,下部则以砂泥岩互层为主,代表水体相对较深。BR4A岩心内部可见波浪侵蚀面,其上为发育块状层理的纯净细砂岩,下部则为生物扰动强烈的砂泥岩互层,其内部发育波状和透镜状层理（图7a）。BR4A岩心内可见其顶界面,界面之上发育泥质粉砂岩,界面之下则发育粒度更粗的细砂岩（图7b）。

Figure 7.  Core and logging characteristics of BR4A

古海滩脊在测井上通常与同期的滨面沉积共同组成反旋回砂体（图7c,d）。据连井剖面特征可见BR4A尖灭于古东沙隆起之上,其厚度逐渐增大（图6c、图7c）。而其厚度在倾向连井剖面上向海逐渐增大,测井曲线表现为底突变砂岩特征并超覆于古东沙隆起之上（图7d）,暗示了波浪侵蚀面的存在。

1） 地震相特征

同BR4A类似,BR5A在地震剖面上同样可以划分为头部的强振幅反射、中部的高角度前积反射和尾部的弱振幅反射三种地震相（图8a,b）。但相对于BR4A,BR5A在沉积倾向上的展布范围更为宽广（图8a,b）。其内部的地震相2在不同的倾向剖面上存在一定差异,在靠西南的倾向剖面上其内部的前积体密集且陡峭,并且还存在向海前积角度逐渐增大的特征（图8a）,而在靠东北的倾向剖面上其前积角度则相对较缓（图8b）

Figure 8.  Seismic characteristics of BR5A

2） 平面地震地貌

BR5A在平面上也可以看出其宽度明显大于BR4A,并且同样呈北东—南西向展布并向南西逐渐发散（图5a,b、图6c,d、图8c,d）。其内部同样存在对应三种地震相的三个区域带：地震相1在平面仍然表现为内部结构连续并逐渐向海尖灭的条带；而其中最引人瞩目的则是地震相2在平面上的特征,其内部发育轮廓明显且相互平行的砂泥互间特征,并且上文已经提及在西南倾向剖面上其内部存在前积角度逐渐变陡的现象,而在平面上的反映为更陡的前积角度对应了更加清晰明显的条带状轮廓（图8c,d）；地震相3在平面上相对于其他两个区域内部的暗色泥岩区域明显增大,内部的条带状结构也不如二者显著,并且砂泥区域之间的边界更加不规则（图8c,d）。

3）岩心相—测井相特征

同BR4A类似,BR5A岩心内部以纯净的细砂岩为主,并且可见平行层理（图9a,b）。在其岩心内部还可见古海滩脊顶界面,界面之上为粒度较细的砂泥岩互层,内部发育波状层理和透镜状层理,界面之下则为平行层理发育的纯净细砂岩,为典型的古海滩脊沉积特征（图9b）。

Figure 9.  Core and logging characteristics of BR5A

BR5A在测井上同样表现为反旋回砂体特征（图9c,d）。走向上其厚度在西南方向更大,砂体也更加纯净且粒度较粗,表现为底突变砂岩特征；在东北方向其厚度相对较小,砂体粒度也较细；中间砂体厚度则最薄（图9c）。倾向上BR5A同样在测井上表现为底突变砂岩特征,并且沿着向海方向厚度存在先减小再增大,最后再减小的特征（图9d）,说明BR5A底部同样存在波浪侵蚀面。

Otvos^[13]将海滩脊进积过程分为连续和不连续两种类型：连续性进积海滩脊是在快速进积过程中形成的,此时内部海滩脊较为狭长且互相紧靠,轮廓分明；不连续进积海滩脊进积则较为缓慢,形成的坡度较缓,海滩脊之间被较宽广的洼地隔开,并且长期受到泥质充填及侵蚀^[13⁃14]。根据地层切片上地貌特征的不同,将BR4A和BR5A划分出三个区域,在BR5A的区域带3中可以看出其内部的平行条纹状特征不如区域带2明显,还存在大面积的富泥沉积地貌（可能是潟湖或沼泽沉积）；而区域带2内部的古海滩脊紧密排列且轮廓分明（图5b、图8c,d）,在剖面上可以看出其前积角度明显更大,且向海逐渐变陡（图8a,b）；区域带1在平面上则表现为内部结构连续的条带特征,可能代表了古海滩脊在发育末期形成的水下沿岸沙坝。虽然BR4A整体范围相对BR5A较窄,但特征基本类似。因此,研究区内古海滩脊的区域带3和区域带2可能分别对应了不连续进积和连续进积过程。

研究区古海滩脊在测井上表现出独特的底突变砂岩特征,并且厚度也存在不规律的变化,显示出其与底部渐变的正常海退砂体存在明显差别（图7c,d、图9c,d）。研究区的古海滩脊以反旋回砂岩特征为主,其岩心内部主要由纯净的细砂岩组成（图7a,b、图9a,b）。前人对BR4A东北部分研究较为透彻,认为主要受到波浪和潮汐的共同作用,可能与其狭窄的古地形特征有关^[6]；而本次研究则发现其在西南部分主要受到开阔滨岸地带的波浪作用影响,因此形成了更为宽广的条带砂体。

古海滩脊是海退海岸沉积环境常见的沉积单元,通常是古滨线向海逐渐进积的结果^[13,30]。目前,依据最新的层序地层学理论进展,根据地层叠置样式的不同,将海退过程划分为正常海退和强制海退两种^[27⁃29]。正常海退情况下,海平面处于稳定或上升阶段,此时沉积物供给速率大于可容纳空间上升速率,海岸线发生进积；强制海退情况下,海平面处于下降阶段,此时无论沉积物供给速率几何,海岸线会强制性地向海进积^[29,31⁃32]。古海滩脊最为理想的发育条件为高速率沉积物供给情况下快速进积至较低或者逐渐减少的可容纳空间内^[33],有学者认为古海滩脊在海平面下降阶段发育的情况较为常见,而海平面上升或者稳定时期发育的古海滩脊则是高沉积物供给的体现^[34]。因此,无论是正常海退还是强制海退,在高沉积物供给速率和低可容纳空间条件下都有利于古海滩脊的发育,这也是古海滩脊与沉积物供给、可容纳空间关系密切的原因^[11,34]。

研究区内较为典型的BR4A和BR5A在地震剖面上内部同相轴分别顶超于SB18和SB17.5,同时也下超于BSFR界面（图6a,b、图8a,b）；而BR5A在倾向连井剖面上的砂体厚度变化规律与向海逐渐变细变薄的正常海退砂体不同,具有由厚减薄再增厚的现象（图9c,d）,这与Posamentier et al.^[31]1992年提出的强制海退砂体厚度变化特征非常吻合。同时,GR曲线显示出明显的底突变反旋回砂岩特征,而海滩脊BR4A同样在测井上存在底突变砂岩特征（图7d）,并且岩心上可见波浪侵蚀面（图7a）,这些现象均表明BR4A和BR5A可能主要形成于强制海退阶段。

古海滩脊的发育除了上述提到的强制海退过程以及沉积物供给以外,一个重要的控制因素则是沿岸流的影响。沿岸流不仅可以对沉积物进行再搬运从而为古海滩脊生长提供物质来源,同时也控制古海滩脊的整体形态^[12⁃13,33]。前人对黑海地区多瑙河三角洲的实例研究中则体现了这一点,其侧翼的海滩脊皆沿着沿岸流流动方向发散^[35]（图10）。

Figure 10.  Development of beach ridges of the Danube delta in the Black Sea and associated longshore currents (modified from reference [35])

本研究所展示的古海滩脊沉积体在平面上基本为北东—南西向展布,并且北东部分窄且南西部分宽,整体呈现出由北东向南西发散的特征（图5、图6c,d、图8c,d）,而研究区内识别出的其他期次的古海滩脊皆是如此,这暗示了研究区海滩脊平原在海退时期的生长过程中同时还受到向南西流动的古水流影响。研究区内可识别出最早的北东—南西走向的海滩脊平原沉积形成于21 Ma以来（SQ2）,说明北东—南西向流动的古水流场至少在21 Ma就已经存在,并可能在后续的海平面旋回中持续地影响古珠江三角洲。前已述及,南海北部陆架发育复杂的水动力条件,并且在近岸—浅海区域内也呈现出南西向水流的主导趋势^[36]。此外,有研究认为自13.8 Ma以来南海环流系统已经较为稳定^[9]。因此,现代水动力环境与古水流场的类比价值及其适用条件值得进一步探讨。

前人研究认为研究区内东沙隆起在21~16.5 Ma暴露于海水之上并且发育碎屑岩与碳酸盐岩混合沉积,而在16.5 Ma之后则完全被海水淹没^[19⁃21]。在BR4A和BR5A发育的时期东沙隆起边缘发育了走向一致的条带状砂体,并且这些条带砂体受到了平行东沙隆起边缘沿岸流的控制作用（图6c,d、图8c,d）,这也说明研究区古水流在东沙隆起靠近古滨线的短暂时期分成了向南西流动和沿着东沙隆起边缘流动两个分支。此外,因东沙隆起而形成的构造高部位形成的条带砂体受到波浪淘洗作用更加强烈,因此容易形成储集性较好的砂体^[6,9]。目前在研究区内部的古海滩脊砂体中已取得油气勘探发现^[6,37]。

根据前述分析,结合区域带2和区域带3体现了古海滩脊不同时期的不同进积特点（图6c,d、图8c,d）,本次研究认为古海滩脊从区域带3发育到区域带2经历了强制海退早期到中晚期的变化,并由此提出了珠江口盆地惠州地区古海滩脊的沉积发育模式。随着上游的稳定沉积物供给,在强制海退早期阶段,此时海平面相对较高且海平面下降速率较低,因此较慢的进积速率形成了坡度较缓且间隔洼地较宽的区域带3；而随着海平面逐渐降低以及下降速率逐渐增大,古海滩脊处于强制海退中晚期阶段,较快的进积速率形成了前积角度逐渐变陡的古海滩脊,在平面上表现为一系列狭窄、轮廓分明且紧密排列的条带状结构；到了强制海退末期,海平面下降速率变低,因此形成了前积角度相比区域带2较低并向海尖灭的区域带1,其在平面上表现为内部结构连续的条带状结构（图6c,d、图8c,d、图11）。并且在整个强制海退过程中,北东—南西向古水流持续搬运沉积物并控制了古海滩脊的形态展布,同时在古东沙隆起靠近古滨线的时期（T50-SB17.25）中,北东—南西向古水流还会形成另一个沿着古隆起边缘流动的分支并形成紧靠隆起边缘的条带砂体（图6c,d、图8c,d、图11）。值得一提的是,虽然强制海退整体上控制了古海滩脊的发育,但在强制海退过程中同样存在更高级次的海侵—海退旋回,导致海滩脊内部出现高频、间互性的泥质充填^[15]。

Figure 11.  Developmental model of ancient beach ridges in the Early to Middle Miocene of the Huizhou area

由于地震资料分辨率有限或者后期侵蚀作用导致难以根据滨线迁移轨迹特征区分正常海退和强制海退的具体边界,但仍然可以通过倾向连井剖面的对比判断研究区海滩脊砂体主要形成于强制海退阶段（图7d、图9d）。区域带1在剖面上表现出引人注目的强振幅特征,可能是因为最远端的砂体含砂量较高,也可能是因为砂体厚度减薄引发的调谐作用所导致^[38⁃39]。与BR5A相比,BR4A发育的范围较窄,内部同相轴前积角度也相对较低（图6、8）,说明不同时期海平面变化与沉积物供给速率的差异导致古海滩脊发育状况也不同。

（1） 南海北部珠一坳陷惠州地区T60~T35层段可识别出16个典型的层序界面（SB）,并在多个层序内识别出了典型的强制海退体系域,进而建立了研究区四分体系域的高精度层序格架。

（2） 研究区大型古海滩脊的发育与强制海退过程和沉积物供给具有密切关系：强制海退早期,海滩脊进积速率较慢,总体前积角度较低且间隔较宽,海滩脊之间存在潟湖沉积；强制海退中晚期,较快的进积速率形成了一系列前积角度较高、排列紧密且轮廓明显的海滩脊；强制海退末期,古海滩脊厚度减薄且前积角度又变缓,之后便被低位、海侵泥岩超覆并保存下来,形成具有较大岩性圈闭勘探潜力的砂体。

（3） 古海滩脊的沉积演化过程可能受控于北东—南西向的古水流场,且该古水流场很可能在21 Ma左右已经存在。此外,东沙隆起作为古代正地形,其形成的限制型地貌对于古水流场的流体增速具有一定意义,且隆起周边发育的条带砂体可能具有与古海滩脊相似的发育条件。