南海南部邊緣沉積盆地構(gòu)造-熱演化歷史

趙長煜，宋海斌，楊振武，宋洋，田麗花

1中化石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100031

2中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所油氣資源研究重點實驗室，北京 100029

3中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037

4冀東油田勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004

1 引言

南海位于歐亞大陸東南緣，處于歐亞板塊、太平洋板塊和印-澳板塊的交匯處，是西太平洋重要的邊緣海，面積約350萬km2.中生代以來，經(jīng)歷了東亞邊緣大規(guī)模的地塊拼合、擠壓和伸展-走滑，以及新生代華南大陸巖石圈的破裂、南海海盆擴張、太平洋板塊和印-澳板塊的俯沖、碰撞，造就了南海4個不同性質(zhì)的邊緣，即北部（瓊東南—珠江口盆地）為張性背景的陸緣，南部為擠壓型陸緣，東部則為俯沖帶，西部為走滑-剪切環(huán)境.南海豐富的地質(zhì)現(xiàn)象是研究張裂大陸邊緣形成演化與海底擴張的理想天然場所，被國內(nèi)外學(xué)者認為是研究大陸破裂過程及其大陸破裂驅(qū)動力的“地球上最好的天然實驗室”（Taylor and Hayes，1983；Briais etal.，1993）.

南海陸緣新生代沉積盆地蘊藏著豐富的石油資源，并且在南海北部殘留的中生代地層中也發(fā)現(xiàn)了一些油氣藏，揭示了南海巨大的油氣資源潛力，因此開展南海邊緣沉積盆地的構(gòu)造-熱演化歷史不僅有助于增進南海張裂大陸邊緣形成演化、海底擴張等重大科學(xué)的認識，同時有助于深化南海大陸邊緣深水區(qū)的油氣勘探的基礎(chǔ)地質(zhì)研究.

目前，南海地區(qū)的構(gòu)造-熱演化研究，多集中在南海北部邊緣，如珠江口盆地和瓊東南盆地（何麗娟等，1998；He etal.，2001；張健和汪集旸，2000；劉紹文等，2006），而南海南部盆地的研究多局限于構(gòu)造、沉降模擬，熱史模擬比較少（He etal.，2001；Shi etal.，2003）.因此，本文基于應(yīng)變速率方法（Jarvis and McKenzie，1980；Kusznir etal.，1991；White，1994；White and Bellingham，2002；陳林等，2008；Song etal.，2010），采用多期有限拉張應(yīng)變速率模型對南海南部邊緣沉積盆地部分測線進行了構(gòu)造-熱演化歷史模擬，完成了南海南部若干盆地的熱演化歷史的模擬，分析了基底熱流（受深部巖石圈構(gòu)造-熱演化控制的盆地基底的熱流）的變化過程，并且與北部邊緣的珠江口和瓊東南盆地進行了對比分析，對認識南海南部的構(gòu)造-熱演化過程和含油氣盆地的油氣資源潛力評估與發(fā)掘，具有重要的基礎(chǔ)研究科學(xué)價值.

2 南海南部區(qū)域地質(zhì)背景

圖1 南海南部邊緣的沉積盆地展布和測線分布Fig.1 Map showing distribution of sedimentary basins in the southern SCS and seismic and geology lines

南海南部地區(qū)自新生代以來經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化過程，先后經(jīng)歷了拉張、走滑、壓剪等構(gòu)造運動的改造（謝文彥等，2007），而且不同地區(qū)經(jīng)歷的新生代構(gòu)造活動也具有明顯的不同，造就了南部陸緣沉積盆地不同的構(gòu)造和熱歷史.中生代末南海南部與北部邊緣仍位于華南陸緣（Taylor and Hayes，1980），東亞陸緣發(fā)生應(yīng)力松弛后（金慶煥和李唐根，2000），發(fā)生區(qū)域伸展，形成一系列NE向的壘-塹構(gòu)造.新生代早期，南沙地塊隨著古南海俯沖的拖曳，逐漸從華南陸緣裂離（姚伯初，1996；周蒂等，2005），沿南海西緣斷裂右旋走滑；中始新世，隨著太平洋板塊俯沖方向的轉(zhuǎn)變（由NNW轉(zhuǎn)為NWW），以及印度板塊與歐亞板塊的碰撞，古南海向南加速俯沖（吳世敏等，2004），南海周緣進一步被拉伸（萬玲等，2003；姚伯初和劉振湖，2006）.漸新世，古南海繼續(xù)向南俯沖，新南海洋盆張開，印藏碰撞擠出，造成南海西緣發(fā)生左旋走滑剪切，南沙地塊南部與加里曼丹發(fā)生碰撞（萬玲等，2004），但是南沙塊體內(nèi)部依然以張性應(yīng)變?yōu)橹鳎ㄒτ缊缘龋?005）.早中新世，澳大利亞陸塊北緣與巽他爪哇溝弧系碰撞（Hall etal.，1995），菲律賓海板塊運動至南海東部（Rangin etal.，1990），新南海洋盆開始擴張，至中中新世新南海海底擴張逐漸停止.經(jīng)歷了一系列的地塊碰撞活動后（姚伯初和劉振湖，2006），早期的斷裂也由張性轉(zhuǎn)為壓或壓扭性質(zhì)（萬玲等，2003），并且導(dǎo)致北西向大斷裂發(fā)生右旋剪切，晚中新世以后區(qū)域構(gòu)造活動相對較弱.

3 構(gòu)造-熱模擬的方法

本文采用基于有限拉張應(yīng)變速率（Jarvis and McKenzie，1980；Kusznir etal.，1991；White，1994；White and Bellingham，2002；陳林等，2008；Song etal.，2010）的構(gòu)造-熱模擬方法對南海南部邊緣盆地進行模擬分析，該方法可以客觀、準確地反映盆地尺度的多期拉張事件，而且多期應(yīng)變速率反演，可以很好地實現(xiàn)像南海陸緣這樣經(jīng)歷多期伸展活動的含油氣盆地的伸展因子的計算，不需要知道拉張期次及拉張持續(xù)時間等先驗信息，進而實現(xiàn)南海陸緣盆地的構(gòu)造-熱歷史模擬，該方法在南海北部珠江口、瓊東南盆地的構(gòu)造-熱模擬中取得很好的應(yīng)用效果（宋洋等，2011），并且在疊合盆地中也可以取得較好的應(yīng)用效果（趙長煜等，2010）.其物理模型：假定巖石圈拉張前，盆地基底熱流值穩(wěn)定、均勻分布，地表溫度T（z＝a）＝0，巖石圈底部溫度T＝Tm（1300℃），區(qū)域的構(gòu)造運動使得巖石圈與地殼以速度u（x）水平拉伸，同時造成軟流圈物質(zhì)以垂向速度v（x，z）上涌以取代原先的巖石圈，垂向速度v從巖石底部的v0線性減小到地表的0（陳林等，2008），物理模型見圖2，參數(shù)見表1.

圖2 二維應(yīng)變速率正演模擬的物理模型（引自陳林等，2008）Fig.2 Physical model of 2Dforward modeling of strain rates（after Chen etal.，2008）

表1 模型的基本參數(shù)（White and Bellingham，2002）Table 1 Parameters of the model（White and Bellingham，2002）

有限拉張應(yīng)變速率方法的構(gòu)造-熱演化模擬即是通過正演模型計算的構(gòu)造沉降與反演計算的構(gòu)造沉降進行擬合，而且在計算的過程中古水深校正是一個很難確定的參數(shù)，古水深的校正方法非常有限，由于缺少鉆井和3D地震資料，無法利用沉積相分析南海南部邊緣的古水深變化，而采用由現(xiàn)今的水深和南海張裂初始時的水深進行線性插值的方法誤差很大（張云帆等，2011；趙中賢等，2011），因此本文通過應(yīng)變速率反演計算裂后沉降的同時估算古水深.

古水深與現(xiàn)今的水深、沉積歷史（古沉積厚度）具有一定的聯(lián)系，并且洋殼的厚度與其張裂時間具有一定的線性關(guān)系（趙長煜，2012）.因此，古水深的變化至少可以與現(xiàn)今的水深和歷史的沉積厚度（受構(gòu)造活動和沉積環(huán)境的交互作用）相結(jié)合進行估算：首先通過現(xiàn)今水深估算初次迭代的古水深Pwd（0），結(jié)合構(gòu)造反演結(jié)果計算構(gòu)造沉降量So，利用應(yīng)變速率反演計算構(gòu)造沉降量Sc，由于古水深是構(gòu)造-熱模擬過程中最主要的影響因素，因此假定二者的差值即為古水深的校正值Δ，進而得到第2次迭代的古水深Pwd（1），由此循環(huán)計算至限定的誤差內(nèi)（趙長煜，2012）.圖3為利用現(xiàn)今水深線性插值、沉積厚度校正和熱沉降反演校正后的結(jié)果對比圖.

4 測線分布和模擬參數(shù)

圖3 不同方法的古水深校正示意圖（趙長煜，2012）Fig.3 Sketch of different paleo-water-depth calibration methods（Zhao，2012）

南海南部陸緣發(fā)育多個新生代沉積盆地，本文進行構(gòu)造-熱演化模擬所用的數(shù)據(jù)主要來源于前人（Clift etal.，2008；Binh etal.，2007；丁巍偉和李家彪，2011；孫珍等，2011；呂彩麗等，2011；孫金龍等，2011；吳時國等，2011）公開發(fā)表的地震資料和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃973項目“南海大陸邊緣動力學(xué)與油氣資源潛力”的部分測線（丁巍偉和李家彪，2011；趙長煜等，2011），測線展布見圖1.南海南部邊緣沉積盆地的地質(zhì)年代劃分，見表1.南海南部邊緣在海盆擴張之前與北部陸緣同屬華南地塊，具有相同的構(gòu)造環(huán)境，因此為了便于與北部邊緣沉積盆地（宋洋等，2011）進行對比，南部邊緣熱模擬參數(shù)采用了和北部瓊東南盆地和珠江口盆地相同的模擬參數(shù)，詳見表2.

5 南海南部邊緣的構(gòu)造-熱演化模擬

南海南部邊緣沉積盆地的熱歷史具有明顯的區(qū)域特征，不同盆地的熱狀態(tài)具有明顯的差異性，可能源于西南次海盆海底擴張、南海南部陸緣的碰撞-走滑活動在不同盆地具有不同的響應(yīng).

表2 南海南部沉積盆地的地質(zhì)年代表（趙長煜，2012）Table 2 Geologic ages of the southern SCS basins（Zhao，2012）

5.1 南海南部邊緣的西部

南海南部邊緣西部的基底熱流，整體上呈現(xiàn)自西向東逐漸升高的趨勢：始新世—漸新世為主要的張裂-裂陷期，盆地的熱狀態(tài)呈現(xiàn)逐漸升溫的過程，進入熱沉降期后逐漸冷卻，西邊的湄公河盆地的基底熱流遠遠低于東部的曾母盆地.并且曾母的斷裂活動自中新世以來一直持續(xù)至第四紀，沉降歷史也呈現(xiàn)出多期的變化，晚中新世基底熱流達到最大值，上新世以后逐漸降低，現(xiàn)今的基底熱流普遍在80～100mW·m-2左右，為典型的熱盆，可能與南沙南部地塊碰撞活動有關(guān).

圖4 湄公河盆地Con Lon測線的模擬結(jié)果（a）地質(zhì)剖面；（b）構(gòu)造沉降曲線；（c）基底熱流變化剖面；（d）基底熱流變化曲線.Fig.4 Results of thermal modeling for the Mekong basin（a）Geological model；（b）Tectonic subsidence curve；（c）Basal heat flow distribution variation map；（d）Basal heat flow curve.

圖5 萬安盆地SJL-E測線的模擬結(jié)果（a）地質(zhì)剖面；（b）構(gòu)造沉降曲線（紅色虛線以下為深水區(qū)）；（c）基底熱流變化剖面，（d）基底熱流變化曲線（紅色虛線以上為深水區(qū)）.Fig.5 Results of thermal modeling for the Wan′an basin on survey line SJL-E（a）Geological model；（b）Tectonic subsidence curve（below the red dash line is the Deep water areas）；（c）Basal heat flow distribution variation map；（d）Basal heat flow curve（above the red dash line is the Deep water areas）.

（1）湄公河盆地，現(xiàn)今基底熱流50～60mW·m-2，是南部邊緣西部最冷的地區(qū)，晚始新世—漸新世基底熱流的快速上升對應(yīng)于該時期的快速沉降，漸新世末基底熱流達到歷史最大值，約55～62mW·m-2，隨后進入熱衰減期，逐漸冷卻（圖4）.

（2）萬安盆地的熱歷史，表現(xiàn)為“南北有差異、東西有不同”，局部變化非常明顯，淺水區(qū)基底熱流變化幅度比較均一，深水區(qū)中新世以后的基底熱流衰減比較快.始新世-漸新世處于快速升溫過程，漸新世末達到歷史最大值，約為70～75mW·m-2，深水區(qū)基底熱流最大約100mW·m-2.早中新世，深水區(qū)熱衰減非常明顯，基底熱流顯著降低，淺水區(qū)冷卻過程比較平緩，中中新世以后，全區(qū)進入熱衰減期，現(xiàn)今的基底熱流普遍在60～70mW·m-2，東部深水區(qū)基底熱流較高，約為85～90mW·m-2（圖5）.

圖6 曾母盆地SJL-A測線的模擬結(jié)果（a）地質(zhì)剖面；（b）構(gòu)造沉降曲線（紅色虛線以下為深水區(qū)）；（c）基底熱流變化剖面；（d）基底熱流變化曲線（紅色虛線以上為深水區(qū)）.Fig.6 Results of thermal modeling for the Zengmu on survey line SJL-A（a）Geological model；（b）Tectonic subsidence curve（below the red dash line is the Deep water areas）；（c）Basal heat flow distribution variation map；（d）Basal heat flow curve（above the red dash line is the Deep water areas）.

圖7 90N9測線的模擬結(jié)果（a）地質(zhì)剖面；（b）構(gòu)造沉降曲線；（c）基底熱流變化剖面；（d）基底熱流變化曲線.Fig.7 Modeling results of line 90N9（a）Geological model；（b）Tectonic subsidence curve；（c）Basal heat flow distribution variation map；（d）Basal heat flow curve.

（3）曾母盆地現(xiàn)今的基底熱流普遍大于80mW·m-2，遠遠高于萬安—湄公河盆地，曾母南部凹陷現(xiàn)今大地熱流高達130mW·m-2（He etal.，2001；Shi etal.，2003；單競男，2011），基底熱流也高達100mW·m-2.新生代以來，基底熱流經(jīng)歷了始新世—漸新世、早中新世和晚中新世三次升溫過程，深水區(qū)的基底熱流明顯高于淺水區(qū)，晚中新世基底熱流達到了歷史最大值，約80～90mW·m-2，深水區(qū)更高一些，晚漸新世以后深水區(qū)基底熱流明顯降低，淺水區(qū)第三次的加熱實際的影響大于深水區(qū)（圖6）.

5.2 南海南部邊緣的中部

該地區(qū)的基底熱流展布主要為南北向的差異，東西向的差異較小，北康盆地中—北部和南薇西盆地的熱流明顯低于北康盆地南部地區(qū).南薇西盆地的變化不大，現(xiàn)今基底熱流約70～80mW·m-2，晚漸新世末達到歷史極大值，約80～85mW·m-2，隨后逐漸衰減；北康盆地的熱流變化幅度明顯小于曾母盆地，但是區(qū)域橫向變化大，北康盆地中西部為高熱流背景，現(xiàn)今基底熱流約75mW·m-2，東部70mW·m-2左右，漸新世—早中新世達到歷史極大值，約80～85mW·m-2，而東部約70mW·m-2，裂后的熱沉降期，熱流變化比較平穩(wěn)（圖7）；九章、安渡北盆地的熱歷史與南薇西、北康盆地相似，東部的南沙海槽熱演化程度較高，具有較高的基底熱流，漸新世末最大約110mW·m-2，隨后進入熱衰減階段，現(xiàn)今基底熱流約80mW·m-2（圖8）.

圖8 So27-04測線的模擬結(jié)果（a）地質(zhì)剖面；（b）構(gòu)造沉降曲線；（c）基底熱流變化剖面；（d）基底熱流變化曲線.Fig.8 Modeling results of line So27-04（a）Geological model；（b）Tectonic subsidence curve；（c）Basal heat flow distribution variation map；（d）Basal heat flow curve.

圖9 L2測線的模擬結(jié)果（a）地質(zhì)剖面；（b）構(gòu)造沉降曲線；（c）基底熱流變化剖面；（d）基底熱流變化曲線.Fig.9 Results of line L2（a）Geological model；（b）Tectonic subsidence curve；（c）Basal heat flow distribution variation map；（d）Basal heat flow curve.

5.3 南海南部邊緣的東部

禮樂盆地位于南沙東部，是南部陸緣熱流較低的區(qū)域之一，尤其是禮樂盆地中部熱流非常低，遠低于湄公河盆地，且變化幅度劇烈，是南海南部邊緣最冷的區(qū)域.模擬結(jié)果表明：禮樂盆地中部的熱流異常低，現(xiàn)今的基底熱流50mW·m-2，漸新世末最大52～58 mW·m-2，而禮樂灘只有45mW·m-2左右；禮樂盆地北部稍高一些，漸新世末約65～70mW·m-2，現(xiàn)今基底熱流60～65mW·m-2（圖9和圖10）.

6 南海南、北邊緣沉積盆地對比

（1）新生代以來，南海南、北邊緣均經(jīng)歷了多期的拉張和伸展事件，在新南海海底擴張之前具有相似的大地構(gòu)造背景，早期的拉張活動（始新世—漸新世／早中新世），對應(yīng)于快速的沉降過程，隨后普遍進入裂后的熱沉降期（圖11）.

（2）南海北部瓊東南盆地東部存在的熱衰減延遲現(xiàn)象，在南海南部地區(qū)并沒有可對應(yīng)的衰減延遲現(xiàn)象，相應(yīng)時期的基底熱流變化比較平穩(wěn)，這可能是由于不同構(gòu)造單元對西南次海盆海底擴張的響應(yīng)不同.

圖10 NH973-02測線的模擬結(jié)果（a）地質(zhì)剖面，（b）構(gòu)造沉降曲線，（c）基底熱流變化剖面，（d）基底熱流變化曲線.Fig.10 Results of line NH973-02（a）Geological model；（b）Tectonic subsidence curve；（c）Basal heat flow distribution variation map；（d）Basal heat flow curve.

（3）西南次海盆海底擴張結(jié)束后，南、北邊緣各盆地表現(xiàn)出迥異的構(gòu)造、熱演化歷史，南海北部邊緣珠江口盆地與南部邊緣南沙中、北部和禮樂盆地均是在漸新世以后進入熱衰減期，而瓊東南盆地局部地區(qū)經(jīng)歷了晚期的熱異常事件，基底熱流至上新世才達到歷史最大值，南部邊緣的曾母盆地也同樣存在晚期的熱異常事件，雖然處于不同的構(gòu)造單元，但是均與晚期的走滑-剪切活動有關(guān)（圖12）.

7 結(jié)論和認識

南海南部邊緣的熱狀態(tài)整體特征表現(xiàn)為自SW向NE逐漸變冷，并且深水區(qū)熱流明顯高于淺水區(qū).西部湄公河盆地始新世—漸新世的張裂結(jié)束后，基底熱流逐漸降低，受南沙地區(qū)的碰撞-擠壓-走滑和西南次海盆的海底擴張的影響很小，是南海南部較冷的地區(qū).南沙中部的熱狀態(tài)比較穩(wěn)定，自北西向南東基底熱流逐漸增大，南沙海槽盆地表現(xiàn)為高熱流異常，但是低于西南次海盆陸坡深水區(qū)，也低于曾母盆地的熱異常.禮樂盆地為一個冷盆，現(xiàn)今的大地熱流遠遠低于南海南部周緣的其他地區(qū)（單競男，2011），是否是源于盆內(nèi)中生代地層對深部的熱擴散的阻擋或吸收，還不是很清楚.

南海南、北邊緣具有相似的熱演化特征，瓊東南盆地和曾母盆地都存在晚期相似的熱事件，曾母盆地的熱異?？赡芘c南部的擠壓、走滑改造有關(guān)，而瓊東南盆地的熱異?？赡芘c南海西北部的紅河斷裂的走滑活動有關(guān).

圖11 南海南、北邊緣沉積盆地構(gòu)造演化和沉降對比圖（解習(xí)農(nóng)等，2011）Fig.11 Comparison of tectonic evolution and subsidence of marginal sedimentary basins between the northern and southern South China Sea（Xie etal.，2011）

圖12 南海南、北邊緣沉積盆地基底熱流（趙長煜，2012）Fig.12 Basal heat flow curves of marginal sedimentary basins in the northern and southern South China Sea（Zhao，2012）

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