南海北部深水区，包括琼东南盆地南部、中建南盆地北部、珠江口盆地深水区、台西南盆地深水区，是南海油气资源研究的重点区域。中国于2005年启动南海北部深水油气的战略选区项目，实际钻探结果证明南海北部陆坡深水区属于深海油气和天然气水合物的共生区域^[1]。南海北部拥有丰富的油气资源，同时沉积速率高，构造环境复杂，天然气渗漏系统十分发育^[2]。尤其是在南海东北部、台湾岛西南地区，科学家利用多道反射地震记录识别出大量表征天然气水合物、浅层气存在的BSR(Bottom Simulating Reflection，似海底反射)和声空白等异常反射特征，同时结合多波束地形资料发现该区域泥火山十分发育^[3-5]。泥火山是以高压泥浆和气体为主的流体在超压体系和挤压构造应力作用下向上运移，并穿透海底，沉积物在海底表面堆积的结果，因此，其表面形态一般呈锥形，有些泥火山顶部还带有火山口一样的凹陷。全球90%的泥火山喷发出的气体都来自于下部的油气藏，因此，泥火山对研究油气成藏意义重大^[6]。本文利用多波束地形资料在南海东北部深水区新发现了一些中等规模的泥火山，描述了其大小形态特征，并结合前人研究结果探讨了该区域泥火山成因。

南海东北部是欧亚板块、菲律宾板块、太平洋板块接合的地方，内部主要包含两大构造单元：东部南海洋壳向东俯冲形成的主动大陆边缘(叠瓦状增生楔)和西部伴随南海扩张形成的南海北部被动大陆边缘。如图 1所示，二者的分界线是一条北起台湾岛南到马尼拉海沟的变形前缘(deformation front)。东部主动大陆边缘包含高屏陆架和高屏陆坡2个部分，从东向西依次发育了NE—SW走向的枋寮、高屏、澎湖三大海底峡谷带，下坡重力流(浊流)长期侵蚀海床形成了海底峡谷并且将来自台湾造山带的沉积物向海洋输送。高屏陆架水深很小，沉积相对较厚；高屏陆坡由于受到挤压应力作用发育了西延的褶皱冲断构造，在海底表面表现为多条近N—S或NW—SE向的海脊和海槽，其前半部分地层中有一系列西倾的构造挤压形成的埋在岩层里的盲冲断层，而后半部分则发育了一系列向西延展的突出的逆冲断层和褶皱构造，并呈叠瓦状排列，最西缘即为变形前缘^[7-9]。被动大陆边缘包括南海陆架、陆坡和陆隆3部分，东北部张裂大陆边缘地层中发育较多ENE—WSW向铲状正断层，这些断层都为聚集流体运移提供了通道。西北部则地形平坦，古近纪裂谷盆地上沉积了许多中新世—新近纪裂后时期的进积加积型斜坡沉积。陆坡下半部分冲沟和峡谷发育。新近纪裂后时期，南海东北部深水区域充填了巨厚的中新统及上新统大套海相泥页岩，为该区泥火山、泥底辟的发育提供了丰厚的物质基础，同时也是烃类气体的主要来源。弧陆碰撞和俯冲作用产生的挤压应力则为聚集流体运移提供了动力。综上，南海东北部地区油气资源丰富，地层中聚集流体运移十分活跃，泥火山、泥底辟等海底渗漏特征发育^[8-10]。

图  1  南海东北部构造特征和水深图(构造特征据文献[9])

Figure 1.  Bathymetric map and tectonic features of the northeastern South China Sea (tectonic features from reference[9])

南海东北部海域沉积巨厚，泥源层提供了丰富的烃类和泥质来源，构造背景复杂，北部陆坡和增生楔上的断裂系统为油气的运移提供了重要的通道^[11]。该区域是研究聚集流体运移和天然气水合物形成的理想区域。关于南海东北部深水区域天然气水合物的研究主要分为3个部分：①Liu等^[3]在台湾岛西南部增生楔地震剖面上识别出的BSR；②广州海洋地质调查局2013年在珠江口盆地东部进行的GMGS2钻探测井研究^[12-14]；③何家雄等^{[10, 15-16]}研究的该区域“泥火山型油气藏”，即泥火山及其伴生圈闭构造为渗漏型天然气水合物的富集提供了有利条件。

在南海东北部海域多道反射地震剖面上识别出的大量的BSR、声空白等异常反射特征以及泥底辟、泥火山、断层、气烟囱等都表明南海东北部地层中有游离气存在，且聚集流体运移活跃。含气流体沿断层、泥底辟等通道运移，在合适的温度压力条件下形成天然气水合物，因此，BSRs的分布与地形、构造活动都有关系。全球已发现的天然气水合物大多集中于大陆边缘的海洋中，其中主动大陆边缘的水合物储藏占了60%。南海东北部海域接受高盐的太平洋海水注入，生物生产率较高，产生丰富有机质，沉积速率大，为天然气水合物的形成提供了物质条件；自中新世末以来，菲律宾板块NW向的运动使得其与欧亚板块碰撞，对该海域产生NW向挤压，为含气流体的运移提供了动力；碰撞造成许多的断层和褶皱，良好的构造环境为天然气水合物的富集提供了通道和场所。如图 2所示，南海东北部BSRs在增生楔和南海北部被动大陆边缘上都有，但主要集中在增生楔上。BSRs水深在500~3 500 m之间且分布面积不少于2×10⁴ km²，在海脊处汇聚，因含气流体在浮力的驱动下倾向于向构造高处运移，聚集形成天然气水合物^{[3, 9, 17]}。

图  2  南海东北海域的增生楔区域BSRs分布和GMGS2钻探研究区域分布图(GMGS2钻探研究区域水合物富集区及钻探取心站位据文献[13]，BSRs据文献[18])

Figure 2.  The distribution of BSRs and GMGS2 study area in the northeastern South China Sea (gas hydrate areas and drilling sites from reference[13] and BSRs from reference[18])

广州海洋地质调查局^[12-14]2013年5月28日至9月8日在珠江口盆地东部进行了长达104天的钻探测井——GMGS2，这是我国第2次在南海北部进行天然气水合物钻井，第1次是2007年在神狐海域进行的GMGS1钻探测井。此次共钻探了13个站位，其中10个站位有随钻测井资料，后续又取得了一系列的地球化学分析和样品化验分析等资料，此前还在该区域取得了相关反射地震剖面。研究结果表明，珠江口盆地东部天然气水合物发育，钻探、测井结果亦表明该区域浅部粉砂质黏土或生物碎屑灰岩中存在中等—高饱和度的水合物。这些高饱和度天然气水合物同流体运移等特征相关，而深部BSR上方存在低饱和度的含天然气水合物沉积薄层。

除上述反射地震、测井和钻井资料以外，地球化学资料显示该区域天然气水合物气源主要是生物成因气，天然气水合物饱和度在45%~100%之间。样品化验分析表明其中主要成分是甲烷，纯度达到99%，属于Ⅰ型天然气水合物。该区域流体运移活跃，天然气水合物埋藏较浅，海底200 m以内有含天然气水合物的沉积层。利用上述资料，圈定出了面积达55 km²的水合物藏分布范围，经过初步估算其储量相当于一个特大型天然气田。综上所述，GMGS2钻探测井区域是一个地形地貌复杂且天然气水合物发育好、埋深浅、饱和度高、甲烷纯度高的资源潜力区。

除了在增生楔地层中发现大量BSRs表征天然气水合物以外，南海东北部还发现了众多的泥火山(图 3)，主要集中在台湾岛的西南海域深水凹陷区，其中台湾岛陆上台南—高雄地区还发现了伴有油气苗的陆上泥火山，泥火山的发育演化和分布同油气的运聚成藏有密切联系，且控制了沉积盆地中油气资源的分布^[10]。科学家们研究认为，该区域巨厚欠压实的泥源层既是泥火山形成的基础，同时也是气源岩、烃源岩。含气泥浆上侵形成的管状结构为含气流体的高效大规模运移提供了垂向通道。同时泥火山发育过程中底辟上隆形成的伴生构造圈闭为油气的聚集成藏提供了场所。而生烃的热力学条件和油气运聚成藏的驱动力则来自于泥火山孕育的高温超压特性，因此，泥火山具有独特的油气成藏系统，其分布即意味着油气藏分布的规律^{[16, 19]}。

图  3  南海东北部前人发现的泥火山、泥底辟以及新发现的部分泥火山的分布(前人泥火山位置据文献[3, 20, 22]，泥底辟位置据文献[3, 22])

Figure 3.  The previously discovered mud volcanoes, diapirs and newly found mud volcanoes in the northeastern South China Sea (previously discovered mud volcanoes locations from references[3, 20, 22] and mud diapirs locations from references[3, 22])

Chiu等^[20]根据浅地层剖面和多道反射地震剖面在南海东北海域一共发现了50个泥火山，这些泥火山的直径为100~200 m，高出正常海底15~50 m，水深范围为300~2 000 m。如图 3所示，两大构造单元上的泥火山分布不一，被动大陆边缘泥火山集中在陆坡部位，陆架上仅发育了几个单独的泥火山。增生楔部位的泥火山可分为4个部分：高雄海岸带、靠近高屏的海底峡谷带、枋寮海底峡谷带及永安线形构造带。每个带都包含几个或十几个泥火山：高雄海岸内沿旗山断裂线性分布了10~15个泥火山；靠近高屏海底峡谷带的单个独立泥火山侧壁倾角很陡，表明泥岩黏性很高；枋寮海底峡谷带有20个泥火山，发育在底辟之上，这些泥火山形状对称，高3~5 m，直径100 m左右；永安线性构造带上发现有锥形泥火山，并伴有BSR、断层。增生楔的陆架上半部分(水深 < 100 m)处的泥火山都和底辟活动性相关。Chen等^[21]利用多波束测深资料发现13个泥火山，都发育在底辟构造之上，高65~345 m，直径为680~4 100 m，侧壁倾角为5.3°~13.6°，表明此处泥流体运移活跃且泥岩黏性较大。流体运移通道对泥火山的发育至关重要，增生楔深水区虽无底辟构造，但发育有逆冲断层。除此之外峡谷也会控制泥火山的形成与分布，高雄、枋寮海底峡谷带中都发现有泥火山存在，峡谷的侵蚀作用导致泥底辟上覆压力减轻，从而含气高压泥浆冲破海底，形成泥火山^[22]。

本文使用的多波束测深数据均是在IEDA(Integrated Earth Data Applications)网站合作系统MGDS(Marine Geoscience Data System)中免费下载而来，其中MGL0905、MGL0906、MGL0907、MGL0908航次所取得的水深数据采集时间为2009年4—7月，所用仪器均为挪威Kongsberg公司的EM122型号，工作频率在26~34 kHz之间，测深范围为20~11 000 m。EW9509航次的多波束水深数据采集时间为1995年8—9月，仪器采用德国ATLAS公司生产的Hydrosweep DS多波束测深声呐，工作频率为15 kHz。测深数据经过处理，保留的是100 m×100 m网格的高分辨率水深数据，水深测量准确度平均值约为3‰。利用该数据，新发现了一批前人未发现的泥火山，分布在南海东北部海域。图 1~3所示底图是由GEBCO(General Bathymetric Chart of the Oceans)免费提供下载的1分×1分(1分≈1.85 km)的全球海洋测深数据，主要使用Global Mapper对图中等深线进行成图。多波束水深数据展现了各种海底微地貌特征，描绘了海底泥火山地貌的分布特征。

在多波束测深剖面上，泥火山表现为单个的锥状或拉长形的正地形异常。如表 1所示，南海东北海域新发现了27个泥火山，可分成9个泥火山群，每个群包含2~6个泥火山。新发现的泥火山高出正常海底5~120 m，直径为300~1 500 m，侧翼倾角为4.9°~17°，较之前发现的典型直径100~200 m、高出海底15~50 m的泥火山要大，但比Chen等^[21]在高屏陆坡上半坡发现的泥底辟上发育的泥火山要小。有些泥火山周围还会有凹陷存在，称之为壕沟，一般是由沉积物塌陷所致。由于多波束水深资料分辨率的限制，Chiu等^[20]、Liu等^[3]在多道地震剖面上和浅地层剖面上识别出的泥火山在本文资料中并不明显。

如表 1、图 4和5所示，泥火山群1位于永安线性构造带西南方向澎湖海底峡谷带的顶端分支中，水深约1 400 m，包含2个泥火山，仅高出正常海底5 m，宽度300~400 m。在附近永安线性构造带中，Chiu等^[20]在浅层剖面和地震剖面上发现了一个直径200 m、高3 m的锥形泥火山，并且地层中伴有BSR和断层。泥火山群2位于南海陆坡峡谷中段，水深约2 000 m，包含2个泥火山，高出正常海底几十米，直径400 m以上。泥火山群3位于南海陆坡上半部分坡脊处，水深约1 365~1 745 m，包含4个泥火山，高出正常海底40~75 m，宽度为400~1 000 m。Chiu等^[20]利用多波束水深资料在22°05’N, 119°11’E发现了一群泥火山，同时在水深较浅的大陆边缘区域的浅层剖面和地震剖面上也发现了几个直径300 m左右的泥火山。泥火山群4位于台湾峡谷顶端分支中，水深约2 100 m，包含2个泥火山，高出正常海底逾40 m，宽1 000 m余。泥火山群5位于南海陆坡峡谷末端，水深约2 600 m，包含2个泥火山，高出正常海底45 m，长900 m余，宽600 m余。泥火山群6位于枋寮峡谷末端分支及高屏峡谷附近，水深变化很大，为800~1 700 m，包含3个泥火山，高出正常海底70~120 m，直径约1 200 m。3个泥火山中的MV6_2位于高屏峡谷之中，MV6_3发育在Chen等^[21]发现的泥底辟区域内，泥底辟控制了高屏陆坡上半部分地形，同时，这些泥底辟之上发现有13个锥形泥火山，高65~345 m，直径为680~4 100 m，侧壁倾角5.3°~13.6°，表明该区域泥流体垂向运移活跃且黏性很大。泥底辟和泥火山的形成是超压沉积层、构造挤压和含气流体运移共同作用的结果。泥火山群7位于增生楔变形前缘附近，水深在3 000 m以上，包含2个泥火山，高出正常海底几十米，直径1 000 m以上。泥火山群8位于恒春海脊的西部，水深在1 335~1 450 m，包含4个泥火山，高出正常海底90~95 m，宽度为800~1 000 m。泥火山群9位于恒春海脊的南部，水深为1 460~1 700 m，包含6个泥火山，分布密集，高出正常海底10~45 m，宽度为300~700 m。

图  4  南海东北部海域新发现泥火山群(MV1-9)位置图

Figure 4.  The locations of newly-found mud volcanoes (MV1-9) in the northeastern South China Sea

图  5  新发现泥火山群的多波束地形图

Figure 5.  Bathymetric maps of newly-found mud volcanoes

南海东北部海域海底侵蚀现象普遍，形成了很多冲沟或峡谷，新发现的这一批泥火山大都发育在海底峡谷中，水流的侵蚀作用可能会导致峡谷中底辟上覆沉积物缺失，压力减小，从而使得高压泥浆穿透海底表面形成泥火山。新发现的泥火山最高达到120 m，直径为310~1 425 m，侧壁倾角也很大，为4.9°~17.0°，表明南海东北部海域不仅含气流体活跃，而且泥质的黏性也很大，容易堆积形成泥火山。通过分析表 1中南海东北部新旧泥火山的统计数据，得到图 6所示的泥火山直径-高度图。新旧泥火山高度和直径具有线性关系，拟合曲线斜率k=0.078 9，泥火山的高度随着直径的增大而增大。线性回归判定系数R²=0.860值较大，拟合程度较好，南海东北部的新旧泥火山的高和直径呈正比，表明新旧泥火山的形成原因具有高度一致性。

图  6  南海东北部泥火山的直径-高度线性拟合关系

Figure 6.  The linear fitting relationship of diameter and height of mud volcanoes in the northeastern South China Sea

泥火山形成包含3个条件：①物质基础即泥源层；②含气流体向上运移的动力条件；③含气流体向上运移的通道。南海东北部地层深部发育密度较小的中新世及上新世(半)深海相凹陷沉积的巨厚欠压实泥页岩，不仅为泥火山的形成提供了泥质，同时泥源层还具有生烃能力，使得该区域天然气水合物发育气源充足，水合物分解产生的天然气同高压流体一起向上运移。南海东北部含气流体向上运移的动力来源于菲律宾板块对欧亚板块向西的挤压构造应力和快速沉积形成的超压体系作用。南海东北部大部分的泥火山都位于高屏陆架和高屏陆坡的上半坡，此区域地层内泥底辟发育(图 3)，为含气流体运移提供了通道(图 7)，而在增生楔区域，泥底辟减少，含气流体沿破碎带和逆冲断层向上运移，并穿透海底表面形成泥火山。

图  7  南海东北部泥火山地震剖面图及其地质解释图(据文献[22])

Figure 7.  Seismic refiection profile (a) and interpreted profile (b) of mud volcanoes in the northeastern South China Sea(from reference [22])

南海东北部泥火山和泥底辟发育。结合前人研究发现，这些泥火山有大有小，最小的直径仅为5 m，而最大的泥火山直径超过4 000 m，高出海底5~200 m。该区域泥火山的形成同该区域活跃的海底天然气渗漏相关。南海东北部沉积速率较快，因此，海底地层中泥质和烃类来源充足，且超压现象明显。外加南海东北部是欧亚板块、菲律宾板块、太平洋板块接合的地方，强烈的挤压构造应力作用，使得该区域天然气渗漏活跃，含气高压泥浆沿含气沉积层、断层或者泥底辟上涌，穿透侵蚀活动强烈的海底峡谷地层，在海底表面堆积形成泥火山。