西沙西科1井三亞組生物礁沉積的磁性地層及其環(huán)境意義

易　亮,王振峰,張道軍,劉新宇,尤　麗,羅　威,祝幼華,秦華峰,鄧成龍,5

(1.同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院 海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092；2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點實驗室，北京 100029；3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；4.中國科學(xué)院南京地質(zhì)與古生物研究所 資源地層學(xué)與古地理學(xué)重點實驗室，江蘇 南京 210008；5.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

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西沙西科1井三亞組生物礁沉積的磁性地層及其環(huán)境意義

易亮1,2,王振峰3*,張道軍3,劉新宇3,尤麗3,羅威3,祝幼華4,秦華峰2,鄧成龍2,5

(1.同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院 海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092；2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點實驗室，北京 100029；3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；4.中國科學(xué)院南京地質(zhì)與古生物研究所 資源地層學(xué)與古地理學(xué)重點實驗室，江蘇 南京 210008；5.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

生物礁沉積是南海乃至西北太平洋重要的沉積類型之一。本文利用新近鉆進取芯的南海西沙西科1井生物礁沉積，開展了詳細的磁性地層學(xué)研究。結(jié)果顯示，早中新世三亞組記錄了跨度為C5Dn～C6An正極性時的生物礁沉積。在綜合全孔年代學(xué)結(jié)果的基礎(chǔ)上，劃分出新近紀西沙地區(qū)生物礁生長、發(fā)育的3個階段：>約16.5 Ma和<約13.5 Ma兩個穩(wěn)定堆積時期，以及16.5～13.5 Ma快速堆積的“中中新世躍遷事件”。此外，本文推測西沙地區(qū)生物礁初始發(fā)育的時間顯著早于過去認為的約20 Ma，同時三階段的演化模式可能與南海擴張-結(jié)束的構(gòu)造環(huán)境密切關(guān)聯(lián)。

磁性地層；230Th定年；生物礁；南海；更新世

南海是西北太平洋地區(qū)最大的邊緣海。由于其特殊的地理位置，南海地區(qū)的新生代演化在過去數(shù)十年中吸引了國內(nèi)外大量學(xué)者的關(guān)注[1]。作為其中最為熱門的話題之一，南海各次海盆演化的時間序列主要依靠地球物理(大洋磁條帶等)的方法[2-10]或依據(jù)區(qū)域不整合面的粗略推斷[2-3,11]。伴隨著全球大洋發(fā)現(xiàn)計劃 (IODP)的不斷推進，Li等[12]通過地球物理勘測與IODP鉆孔的磁性地層學(xué)研究，確定了南海東部次海盆于15 Ma結(jié)束擴張，而西南次海盆則在略早的16 Ma結(jié)束擴張。這些研究，為深入了解南海的演化歷史、探討大區(qū)域的構(gòu)造關(guān)系提供了很好的視角。然而，由于南海地區(qū)具有較好的年代學(xué)控制的鉆孔僅位于ODP Leg 184站位[1,11,13-14]和IODP Leg 349站位[12,15],其他地區(qū)年代學(xué)工作的匱乏，直接影響了我們對南海演化歷史、區(qū)域環(huán)境過程、生物過程對全球變化響應(yīng)機制等重大科學(xué)問題更為精確的認識。

生物礁是由珊瑚蟲、藻類、苔蘚蟲等造礁生物組成的、具有抗浪結(jié)構(gòu)的海相碳酸鹽沉積體。作為碎屑沉積之外的另一大類沉積體，西北太平洋暖池控制下的南海地區(qū)也是全球生物礁生長、發(fā)育的主要區(qū)域，在全球碳循環(huán)等熱點研究中有著突出的價值[1,16-19]。南海地區(qū)生物礁主要發(fā)育在中-西沙和南沙臺地之上，地理上被西北次海盆和西南次海盆所隔離。

前人研究顯示，中-西沙地區(qū)的生物礁于斷塊之上發(fā)育[20-21]，巖石地層特征與南沙地區(qū)永曙島的基本一致[22]。地層學(xué)研究顯示，雖然年齡上南沙地區(qū)的生物礁發(fā)育可能早于南海北部[23-24]，但兩地的生物礁地層是可以對比的[22,25-26]。前人研究主要從沉積學(xué)、構(gòu)造和生態(tài)過程等角度予以展開，作為反演長時間序列的生物礁發(fā)育過程的年代學(xué)研究則十分匱乏。因此，本研究針對這一現(xiàn)狀，通過磁性地層學(xué)研究，構(gòu)建西沙地區(qū)早中新世的三亞組生物礁沉積的年代學(xué)框架。在區(qū)域?qū)Ρ鹊幕A(chǔ)上，討論新近紀生物礁發(fā)育的可能過程。

1　區(qū)域地質(zhì)狀況與研究材料

西沙群島大小共包括29個島嶼，總面積可達1 836 km2，其中以永興島最大(圖1)。島上生物繁盛，已發(fā)現(xiàn)38屬127種造礁生物[27-28]。主要的構(gòu)造背景是曾經(jīng)與中生代暴露、晚古近紀沉入海底的西沙古隆起[29-30]；此后熱帶生物礁廣泛發(fā)育，形成島礁體系(圖1)。

圖1　南海區(qū)域構(gòu)造背景[1]、西沙群島和鉆孔位置Fig.1　Regional tectonic background of the SCS[1], the locations of the Xisha Islands and the borehole XK-1

西科1井(XK-1)位于西沙群島的東北緣的石島上，由中海石油(中國)有限公司負責(zé)鉆探，2013年完成鉆進取芯(圖2)。全孔進尺1 268 m，平均取芯率80%。從下而上，依鉆孔巖性變化，可劃分為5個組[31]，具體包括：1)三亞組(1 258～1 032 m)，該組上部為云灰?guī)r和少量生物碎屑灰?guī)r，中部以礁灰?guī)r和碎屑灰?guī)r互層為主，底部為棕色角礫巖和珊瑚礁。2)梅山組(1 032～577 m)，該組頂部為生物碎屑灰?guī)r，上部是生物泥灰?guī)r夾云灰?guī)r和碎屑灰?guī)r，中部為珊瑚礁和云灰?guī)r，底部為碎屑灰?guī)r和碎屑泥灰?guī)r。3)黃流組(577～375 m)，該組上部為云灰?guī)r，中下部為云灰?guī)r和云質(zhì)碎屑灰?guī)r互層。4)鶯歌海組(375～215 m)，該組上部為生物碎屑匯演夾少量生物粘結(jié)灰?guī)r，中部為黃色云灰?guī)r，頂部為碎屑灰?guī)r。5)樂東組(215～0 m)，該組上部為礁灰?guī)r叫碎屑灰?guī)r，中、下部為礁灰?guī)r與碎屑灰?guī)r互層。

注：E1～E3,F1～F3,G1～G3分別為樂東組①、黃流組②和三亞組 (本文) 的磁極性序列對比;E3、F3、G3引自Hilgen等 [34]，D和F2中的灰色柱為數(shù)據(jù)空白區(qū)間圖2　巖石地層單元、古地磁取樣位置、特征剩磁磁傾角和磁極性柱Fig.2　Lithostratigraphic units, paleomagnetic sampling position, inclinations of the characteristic remanent magnetization and the magnetic polarity column of Borehole XK-1

2　研究方法與結(jié)果

由于西沙地區(qū)生物礁沉積的氧同位素變化與全球特征并不一致，不能從中提取出有效的年代學(xué)信息[32]，本研究采用磁性地層學(xué)方法構(gòu)建鉆孔的年代地層框架。全孔共獲得718塊古地磁研究樣品。其中，王振峰等*王振峰，張道軍，劉新宇，等.西沙西科1井樂東組生物礁沉積的磁性地層與230Th定年[J].地球物理學(xué)報，2016，59.(排版中)*王振峰，張道軍，劉新宇，等.西沙西科1井中新世-上新世生物礁沉積的磁性地層學(xué)初步結(jié)果[J].地球物理學(xué)報，2016，59.(排版中)已對西科1井上部地層進行了詳細的巖石磁學(xué)和古地磁學(xué)研究，本文著重介紹下部三亞組的結(jié)果。

首先利用臺鉆從巖性光滑表面定向鉆取2.0 cm(直徑)×2.5 cm(高)的圓柱體，共獲得319塊定向樣品。剩磁測量在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁與年代學(xué)實驗室的低溫超導(dǎo)磁力儀(2G Enterprises, USA)上完成。為去除黏滯剩磁影響，并獲得特征剩磁方向，采用交變退磁方法，最高外加場強為80 mT，間距為2.5～10.0 mT，共14步(圖3)。測量數(shù)據(jù)，采用Randolph J. Enkin開發(fā)的PGMSC(V4.2)數(shù)據(jù)處理軟件，利用主成分分析法進行特征剩磁方向的計算。特征剩磁方向經(jīng)過原點的線性擬合方式[33]獲得，每次擬合利用不少于5個連續(xù)數(shù)據(jù)點進行，且最大角偏差小于15°。利用退磁矢量投影圖(亦稱Z-氏圖)對退磁數(shù)據(jù)進行評價、分析，同時利用主成分分析方法[33]對退磁數(shù)據(jù)中不同磁成分進行有效分離。大部分樣品表現(xiàn)為兩種磁組分，通過20 mT交變磁步驟，可以基本消除次生磁成分的影響(圖3)。因此，我們選用20～60 mT的區(qū)間剩磁分量，利用“最小二乘法擬合”方法[33]進行直線段擬合，最終獲得了具有穩(wěn)定特征剩磁的137塊樣品(約占總樣品數(shù)的43%)。

圖3　代表性樣品的系統(tǒng)退磁曲線Fig.3　The systematical demagnetization curves of the representative samples

為與此前研究一致，本文采用從上而下的編號方式，全孔共63個磁極性區(qū)間，其中三亞組內(nèi)，正極性區(qū)間編號為N27～N32，負極性區(qū)間為R27～R31(圖2)。

3　分析與討論

3.1磁極性序列的對比

在未發(fā)現(xiàn)明顯的火山灰層的情況下，雖然受到樣品保存與取芯條件的制約，在現(xiàn)階段的研究中，古地磁學(xué)研究是能為西沙群島的生物礁相沉積提供更多獨立的年齡控制點的有效方法。由于受到取樣的限制，西科1井很多層位未能獲得古地磁結(jié)果(圖2b)，這給磁極性序列的對比帶來了很大的不確定性。為了更好地與地磁極性年表[36](ATNTS2012)進行對比，本文參考了古生物鑒定的一些結(jié)果(祝幼華,未發(fā)表數(shù)據(jù))。該結(jié)果顯示，黃流組屬于晚中新世Messinian-Tortonian階(5.33～11.63 Ma)、三亞組屬于早中新世Burdigalian-Aquitanian階(15.97～23.03 Ma)。在這一基礎(chǔ)上，西科1井三個具有完整古地磁結(jié)果的特征時段的對比方案匯總?cè)缦?圖2)：

1)樂東組①：正極性區(qū)間N1～N3分別對應(yīng)于正極性時C1n(布容正極性時,0～0.78 Ma)、C1r.1n(加拉米洛,0.99～1.07 Ma)、C2n(Olduvai, 1.78～1.95 Ma)。

2)黃流組②：正極性區(qū)間N6～N12可對應(yīng)正極性時C3An.2n～C5n.2n。具體的，正極性區(qū)間N6對應(yīng)于C3An.2n(6.44～6.73 Ma)、N7～N9至C3Bn～C4n.2n(7.14～8.11 Ma)、N10至C4An(8.77～9.11 Ma)正極性時，以及N11～N12至C4Ar.2n～C5n.2n(9.65～11.06 Ma)。

3)三亞組 (本文)：正極性區(qū)間N27～N32可對應(yīng)正極性時C5Dn～C6An。具體的，正極性區(qū)間N27對應(yīng)于C5Dn(17.24～17.53 Ma)、N28至C5En(18.06～18.52 Ma)、N29至C6n(18.75～19.72 Ma)，以及N32至C6An.2n(20.44～20.71 Ma)。

3.2新近紀生物礁堆積過程

在上述年齡框架下，本文嘗試給出西科1井新近紀以來生物礁堆積的可能過程。根據(jù)現(xiàn)有的年代學(xué)控制點(圖2)，三亞組的沉積速率變化區(qū)間為(10.34～40.27) m/Ma，平均值為(31.07±4.62) m/Ma；黃流組的沉積速率略高于三亞組，為(14.38～60.98) m/Ma，平均值為(34.18±5.87) m/Ma；樂東組的沉積速率進一步升高，為(35.7～158.6) m/Ma，平均值為(76.7±21.9) m/Ma。由此可見，新近紀以來，西沙地區(qū)生物礁的沉積速率是逐步增加的。這一現(xiàn)象與此前碳酸鹽臺地的堆積速率估計[1,22]、西沙隆起周邊盆地的沉降速率變化[21]基本一致，可能均與南海擴張后期的熱沉降機制有關(guān)[1]。

為進一步解析沉積速率的變化規(guī)律、恢復(fù)新近紀生物礁發(fā)育的詳細歷史，需要更詳細的時-深關(guān)系分析。通過一元二次函數(shù)擬合，本文對西科1井樂東組(0～200 m)、黃流組(470～575 m)和三亞組(1 081～1 170 m)三段時-深數(shù)據(jù)進行回歸。其中樂東組和黃流組可用同一方程予以表達 (r=0.997,n=12,p<0.01)，表明生物礁的沉積速率自中中新世以來保持穩(wěn)定，南海擴張后的構(gòu)造運動也較平靜。同時，基于樂東組和黃流組獲得的時-深關(guān)系方程向鉆孔底部外推后，發(fā)現(xiàn)三亞組的數(shù)據(jù)也具有一致性，但與鉆孔上部趨勢存在～320 m的顯著“位移”。因此，本文將三亞組的這一“位移”量剔除后，重新再做回歸分析，結(jié)果顯示了全孔新近紀以來更為一致的模式(r=0.999,n=19,p<0.01)(圖4)，從而由統(tǒng)計學(xué)的角度證實了這一“位移”的存在。

圖4　西科1井時-深關(guān)系分析Fig.4　Age-depth relationship in Borehole XK-1

前人研究已經(jīng)指出，生物礁的生長、發(fā)育受控于五大要素：生產(chǎn)率、構(gòu)造活動、海平面變化、陸源物質(zhì)輸入和海流狀況[18,21,35-36]。由于不同要素自身具有不同表征的周期特性，本文所觀察到的過去兩千余萬年以來的生物礁沉積過程可由一回歸方程予以表達，指示了在構(gòu)造時間尺度上，構(gòu)造活動是西沙地區(qū)新近紀生物礁發(fā)育的主控因素。此外，這一回歸結(jié)果還指出了另一重要發(fā)現(xiàn)——生物礁發(fā)育在中中新世較短時間內(nèi)，發(fā)生了一次極為快速的“堆積”過程，本文將其命名為生物礁發(fā)育的中中新世“躍遷”事件。此外，檢查西科1井現(xiàn)場鉆探記錄發(fā)現(xiàn)，這一事件對應(yīng)為溶洞廣泛發(fā)育，是鉆孔施工過程中的極低巖心獲取區(qū)間(圖4)。由此本文將新近紀以來生物礁發(fā)育的歷史劃分為3個特征階段(圖4)：約16.5 Ma之前與約13.5 Ma之后的穩(wěn)定沉積階段，16.5～13.5 Ma的中中新世“躍遷”事件。

此外，西沙生物礁沉積的初始年齡，不同的研究存在不同的估計。例如，基于地球物理的研究[21]直接將三亞組的底部對比至新近紀初期(23 Ma)，而沉積學(xué)研究[1,22]則限定于新近紀的早期(20 Ma)。根據(jù)本文已經(jīng)獲得的西科1井時-深函數(shù)進行外推，大約1 220 m處的年齡已超過23 Ma，鉆孔底部1 258 m則老于25 Ma。由于目前尚未獲得更多其他年代學(xué)證據(jù)，如果生物礁發(fā)育的初始年齡限定于23 Ma，則三亞組下部可能仍存在大約40 m的快速“堆積”過程，但無論何種情況，均不宜繼續(xù)采用20 Ma這一年齡估計。

關(guān)于南海的形成機制，目前國內(nèi)外存在兩個主流觀點：海底擴張說與碰撞-逃逸模式。

1)海底擴張說認為，在太平洋板塊俯沖的背景下[37-39]，新的洋殼在南海三大次海盆內(nèi)產(chǎn)生[5,40]，直至南海板塊與周邊板塊發(fā)生碰撞而停止(圖1)。根據(jù)這一理論，本文推測，西沙新近紀生物礁發(fā)育的兩個穩(wěn)定時期(階段I和階段III，圖4)可能對應(yīng)于南海擴張前后兩個時期。具體的，南海擴張時，由于中-西沙臺地受洋殼擴張的擠壓，其下沉速率有限；南海擴張結(jié)束后，區(qū)域整體構(gòu)造趨緩，下沉速率仍然較為穩(wěn)定。另一方面，伴隨著洋殼的擴張，大量巖漿參與了次海盆內(nèi)洋殼的形成，而擴張結(jié)束后，巖漿活動逐漸平靜；兩種情況下，中-西沙臺地受到巖漿活動的影響均較小。因此，南海擴張時與擴張結(jié)束后，西沙生物礁發(fā)育呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

中中新世時期，情況則發(fā)生了改變。首先，三大次海盆的擴張結(jié)束并非同步，東部次海盆15 Ma結(jié)束擴張，而西南次海盆則在略早的16 Ma結(jié)束擴張[4,12]。當某一次海盆先行結(jié)束擴張，擴張時對中-西沙臺地產(chǎn)生的雙向擠壓，變更為單向受力，可能造成了中-西沙臺地在中中新世(16.5～13.5 Ma)的快速下沉；當所有洋殼擴張結(jié)束后，中-西沙臺地受到的擠壓重新達到平衡，從而恢復(fù)了較為穩(wěn)定的堆積狀態(tài)。另一方面，由于南海的洋殼擴張屬于“被動”結(jié)束，而非內(nèi)部巖漿活動的“主動”停止。當洋殼擴張停止時，大量的巖漿活動無法從洋中脊溢出形成新洋殼，從而對海盆周邊臺地的下沉過程產(chǎn)生了顯著的促進作用。由于洋殼的擴張結(jié)束在三大次海盆內(nèi)是并非同步，兩次擴張結(jié)束事件可能誘發(fā)了西沙生物礁發(fā)育的“中中新世躍遷事件”。在此基礎(chǔ)上，可進一步將這一事件劃分為兩個次級階段(階段II.1和階段II.2，圖4)。

2)碰撞-逃逸模式認為，印-亞板塊的碰撞及其所誘發(fā)的哀牢山-紅河斷裂一線的構(gòu)造逃逸是誘發(fā)南海擴張的主導(dǎo)因素[4,41](圖1)。中中新世是作為印-亞板塊碰撞的重要時期[42-43]，有可能促使殼-幔物質(zhì)向南海盆地的運移[4,44]，從而引發(fā)了中中新世西沙生物礁的快速“堆積”過程。

然而，由于南海地區(qū)的具有良好年代學(xué)控制的深孔研究仍然缺乏，本文的上述推測僅基于西科1井單孔結(jié)果所獲得，驗證這些推測需要在今后的研究中在更大空間尺度上積累更多的證據(jù)。

4　結(jié)論

生物礁堆積是西北太平洋地區(qū)重要的沉積類型之一。由于過去研究中年代學(xué)結(jié)果的匱乏，極大的限制了長時間尺度上對生物礁發(fā)育過程的認識。本文在古地磁學(xué)研究的基礎(chǔ)上，初步給出了西沙地區(qū)三亞組的年代學(xué)結(jié)果。在綜合上部古地磁學(xué)結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文提出，新近紀以來西沙地區(qū)生物礁生長、發(fā)育在構(gòu)造時間尺度上可劃分為3個階段，具體包括：約16.5 Ma之前的穩(wěn)定堆積階段、16.5～13.5 Ma快速堆積時期和13.5 Ma以來再次進入穩(wěn)定堆積階段。這一"三階段"的發(fā)育模式，與南海洋殼擴張的結(jié)果過程密切聯(lián)系，可能反映了南海整體構(gòu)造演化對生物礁發(fā)育的控制作用。

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Magnetostratigraphy of Biogenic Reef in the Sanya Formation of Borehole XK-1 From Xisha Islands and Its Environmental Significance

YI Liang1,2, WANG Zhen-feng3, ZHANG Dao-jun3, LIU Xin-yu3, YOU Li3,LUO Wei3, ZHU You-hua4, QIN Hua-feng2, DENG Cheng-long2,5

(1.StateKeyLaboratoryofMarineGeology,TongjiUniversity, Shanghai 200092, China;2.StateKeyLaboratoryofLithosphericEvolution,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences, Beijing 100029, China;3.ZhanjiangBranch,ChinaNationalOffshoreOilCorporation, Zhanjiang 524057, China;4.NanjingInstituteofGeologyandPalaeontology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing 210008, China;5.UniversityofChineseAcademyofSciences, Beijing 100049, China)

Biogenic reef is one of the important sediment types not only in the South China Sea (SCS), but also in the Western Pacific Ocean, and plays an important role in modulating global climate and carbon cycle through biological processes. In this paper, a detailed study of paleomagnetic chronostratigraphy is carried out for a Neogene biogenic reef sequence of the Sanya Formation in Borehole XK-1 drilled recently in the Xisha Islands in the northern SCS. The main results are as follows: (1) The Early-Miocene Sanya Formation recorded C5Dn-C6An normal chrons. (2) Based on the age constraints of the whole borehole, the Neogene biogenic reefs in the Xisha region have three stages: two regular stages prior to about 16.5 Ma and after about 13.5 Ma, respectively and one rapid developing stage from 16.5 Ma to 13.5 Ma. The latter one is named 'Mid-Miocene Shift Event' herein. By comparing the new findings with the results obtained previously, it is speculated that the origin of the biogenic reefs in the Xisha region would be notably earlier than ～20 Ma which was considered in the past, and that the three-stage evolutionary model for the biogenic reefs was possibly related to the tectonic environment during the termination of seafloor spreading of the SCS.

magnetostratigraphy；230Th dating; biogenic reefs； South China Sea； neogene

1002-3682(2016)03-0001-11

2016-07-31資助項目：國家科技重大專項項目——南海北部深水區(qū)潛在富生烴凹陷評價(2011ZX05025-002)；中國海洋石油總公司項目——西沙生物礁古地磁學(xué)、古環(huán)境磁學(xué)與白云巖化形成機制研究(CNOOC-2013-ZJ-01)；國家自然科學(xué)基金項目——萊州灣南部晚新生代海-陸相沉積的磁性地層學(xué)研究(41402153)；國家自然科學(xué)基金項目——南海北部深水區(qū)晚漸新世-中新世海相微體古生物地層及古環(huán)境(41272014)作者簡介：易亮(1982-)，男，博士，副研究員，主要從事海洋沉積與年代學(xué)方面研究．E-mail:yiliang@#edu.cn*通訊作者：王振峰(1956-)，博士，教授級高級工程師，主要從事石油地質(zhì)方面研究.E-mail: wangzhf@cnooc.com.cn(李燕編輯)

P31

Adoi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.03.001