中中新世以來南海南部前隆的遷移: 來自北康盆地的證據(jù)

王龍樟,姚永堅,張 莉,周江羽,徐 行,肖嬌靜,沈 奧,徐 喬

(1.中國地質(zhì)大學 構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室,湖北 武漢 430074; 2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣東 廣州 510760)

南海南部海域富集大量油氣資源,主要來自前陸盆地系統(tǒng)[1-5]。前人的研究尤其關(guān)注早中新世不整合面(EMU),該界面分隔了兩期前陸盆地系統(tǒng):早期屬于周緣前陸盆地,直接覆蓋在消減的古南海之上[1,6-7];晚期屬于陸內(nèi)前陸盆地,發(fā)育在婆羅洲西北緣[8]南沙海槽之上[9-10](圖1)。

圖1 中國南海南部研究區(qū)位置、測線以及前陸盆地位置(A.K1-E[11];B+C.N-Q[12])Fig.1 Locations of the research area, seismic lines and the foreland basin in southern South China Sea(A：K1-E[11];B+C：N-Q[12])

早期前陸盆地的形成可能與沙撈越運動有關(guān),該次運動在婆羅洲逆時針旋轉(zhuǎn)過程中沙巴-巴拉望南部與南沙-禮樂灘地塊碰撞,導致古南海閉合[8,13-14];拉讓(Rajang)褶皺逆沖帶橫穿沙撈越馬蹄形山[15],再疊置在晚白堊世—始新世古南?；颉袄尯！毙纬傻脑焐胶笃谇瓣懪璧刂蟍1];至早中新世末期,前淵已經(jīng)推進到南沙海槽,但它位于南沙海槽的確切位置尚不清楚,推定為南沙東南側(cè)的巴拉望盆地地區(qū)[16]。

前隆在晚漸新世—早中新世南海擴張期擠壓作用開始發(fā)育,從中中新世開始,褶皺逆沖帶向北西方向遷移到婆羅洲—巴拉望一帶沉沒,這一過程被記錄在碳酸鹽巖沉積體系之中[17]。隨后,婆羅洲—巴拉望逆沖前緣楔向北逆掩[4,18],前淵和前陸位置也向北西方向遷移[18],前隆在中中新世已經(jīng)移至南沙位置,正值裂后熱收縮沉降期。南沙地塊從華南板塊裂離,其深部構(gòu)造與周邊具有顯著區(qū)別[19]。中中新世之后,南沙地塊持續(xù)向婆羅洲增生楔俯沖,并一直持續(xù)至今[18,20-21]。

本文聚焦于南海擴張期后階段,重點關(guān)注位于EMU之上的披覆層系(draping strata)和水平層系(horizontal strata或ponded sediments)成因特征,試圖通過地震反射特征和EMU之上的地層構(gòu)型,解析南海擴張期后階段前隆是否延續(xù)了與擴張期一樣繼續(xù)向北西方向遷移的問題,探索與巖石圈撓曲可能機制,最后聚焦于圈閉的形成、演化與預測,以推進油氣勘探進程。

1 地質(zhì)背景

南海南部邊緣是歐亞板塊的一部分,位于板塊的最南部,中生代向南面對特提斯洋,后者與太平洋連通[22]。從晚白堊世到早新生代,南海所在陸塊持續(xù)裂陷,至漸新世開始海底擴張[23-25]并伴有古南海洋殼的俯沖消減;期間,與婆羅洲西北部發(fā)生碰撞[26],克羅克(Crocker)-巴拉望增生楔逆掩推覆在減薄的陸殼之上[27-31],在褶皺逆沖帶的負荷作用下,前隆和前淵也向西北方向遷移[17,32],逐漸形成具有撓曲前陸盆地性質(zhì)的南沙海槽盆地[33]。因此,南沙海域前隆的隆升、形成,逐漸為生物礁生長發(fā)育提供了前提條件[17]。

根據(jù)露頭剖面與井震資料[25,34-40],早中新世以來南海洋殼部分俯沖到太平洋板塊之下[28],直到早中新世末期沙巴(Sabah)運動開始[41]和卡加延(Cagayan)島弧碰撞沒入菲律賓海板塊西部[42]以后,那里的海底擴張才結(jié)束。中中新世以來南海南部的前陸盆地雖然變化不大,但是褶皺逆沖帶卻出現(xiàn)了不同的褶皺系[3],且婆羅洲-巴拉望逆沖楔還不斷向北西方向推進[4,18]。由于發(fā)生剪刀式碰撞,前陸盆地也不斷向北東方向延展[43-44]。

2 地震數(shù)據(jù)與解釋

地震數(shù)據(jù)資料是來自廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局95航次的偏移剖面,于2016年重新處理后分辨率有顯著提高。通過地震相分析,建立了地震地層格架;利用同相軸追蹤刻畫地震相地層構(gòu)型。

在地震解釋過程中,有一個非常清晰的區(qū)域不整合面將裂后地層與下覆裂陷地層分隔,這個不整合面的形成與南海海底擴張有密切關(guān)系,也標志著區(qū)域性沉降(熱收縮沉降)的開始。這個區(qū)域不整合面與前人報導的中中新世不整合面(MMU)[10,14,45]是同一個面,且與沙巴陸緣地區(qū)[46-48]和婆羅洲增生楔造山帶[21]的深部區(qū)域不整合面(DRU,中中新世)可比。正如Hutchison[16]所述:MMU面實際上是早中新世至中中新世多個構(gòu)造事件復合界面;通過整個陸緣70多口井生物地層對比,確定不整合面準確年齡是早中新世晚期(約19～17 Ma)[49]。地震資料解釋的不整合面是一個區(qū)域性不整合面,在整個南海南部海域都可以對比[11,32,50],文獻中常用“南海不整合面”命名[51],本文認為沿用“EMU”較為合適。

EMU不整合面上下的構(gòu)造樣式截然不同,其下,發(fā)育大量正斷層,它們大部分未斷穿EMU,表明EMU形成之前盆地具有伸展性質(zhì);當沙巴-南沙地塊碰撞,在褶皺逆沖帶負荷作用下前隆和前淵不斷向西北方向遷移[17,32],形成新一期前陸盆地[13,16,51-52]。因此,我們在地震解釋剖面發(fā)現(xiàn)的EMU不整合,是前隆和前淵遷移留下的形跡。

通過NW-SE向剖面解釋EMU面之上發(fā)育披覆層系(draping strata)和水平層系(horizontal strata)兩套地層(圖2a,b)。披覆層系直接覆蓋在EMU不整合面之上,薄層狀,所有沉積層系與不整合面幾近完全平行,整個層系向南東方向加厚(圖2c),具體高頻、中等振幅、高連續(xù)性特征,橫向厚度均一,縱向上也基本一致。

水平層系發(fā)育在低洼處,逐漸超覆并覆蓋在早期的披覆層系之上(圖2c)。水平層系可以進一步區(qū)分為厚層與薄層兩類,二者交互成層:厚層層系是水平層系中的主要沉積層,橫向上變化大,薄層夾雜其中;地震反射呈空白、雜亂反射特征,連續(xù)性差,底部反射強;薄層層系的層厚較小但連續(xù),向北西方向薄層增多,地震反射呈高頻、中振幅和高連續(xù)特征?？傮w上講,水平層系向北西方向(遠離隆起的低洼處)加厚。

3 結(jié)果與討論

3.1 披覆層系形成機制

在多條地震測線上都可以看到,披覆層系與EMU不整合面平行披覆狀(圖2,圖3),形成機制如下。

1) 披覆層系的形成機制。披覆層系是均一、薄層狀、密集多層的沉積層系;橫向上高連續(xù),每一細層都可追蹤很遠距離,且厚度幾乎不變,表明沉積環(huán)境穩(wěn)定,沉積條件非常一致;其次,每一細層都與EMU不整合面平行,呈相似褶皺特征;結(jié)合上下地層在區(qū)域上的環(huán)境特點可以推斷,這些披覆層系形成于平靜的深海環(huán)境,鮮有濁流活動。因此,沉積區(qū)推測為深海隆起區(qū),沉積物披覆在隆起上,地形起伏比較平緩,極少發(fā)生同沉積期重力滑動變形。由此推定,披覆層系是沉積在前陸盆地隆升的前隆構(gòu)造上。

2) 披覆層系的橫向變化。披覆層系向海底隆起區(qū)方向(SE)厚度加大,表明披覆層系在隆起區(qū)方向具有更長期的沉積作用。這種情況有兩種解釋:一種情況是EMU形成以來的前隆寬度不斷縮小,北西方向的前隆不斷沉沒,導致南東方向隆起區(qū)始終處于披覆沉積狀態(tài);另一種情況是前隆向南東方向遷移一定的距離,而南東方向的隆起區(qū)由于瀕臨前淵,所以始終保持披蓋型沉積。由此認為,披覆層系覆蓋在前隆,沉積越厚,前隆隆起的時間越長,披覆層系的加厚意味著前隆向南東方向遷移,隆后盆地隨之遷移。

3.2 水平層系形成機制

水平層系覆蓋在早期的披覆層系之上,且向南東方向上超,具體分析如下(圖2，圖4)。

1) 水平層系的形成機制。根據(jù)地震地層分析,水平層系是以厚層沉積物為主夾薄層沉積物。厚層沉積物一般呈不連續(xù)、雜亂狀地震反射特征,表明內(nèi)部成層性差,快速沉積的特點;底部一般有一個強反射界面,表明底部可能存在沖刷面。因此厚層沉積物很可能是一種高能的事件沉積過程,一般為濁流沉積。薄層沉積物以連續(xù)、平行反射為特征,反映一種靜水的遠洋沉積環(huán)境,這種環(huán)境常常因濁流活動中斷。

圖2 地震資料解釋Fig.2 Interpretation of seismic dataa.地震反射剖面;b.地層對比和構(gòu)造解釋;c.地震剖面上的披覆層系 前EMU.始新統(tǒng)～下中新統(tǒng);中中新統(tǒng);上中新統(tǒng);N2.上新統(tǒng);Q.第四系;披覆層系.用豎條紋表示。 界面:T0.海底;T1.中新統(tǒng)頂界面;T2.中中新統(tǒng)頂界面;T3.EMU。

2) 水平層系的橫向變化。在南東方向上超于海底隆起區(qū)(前隆)之上,反映隆后盆地(低地)朝南東方向(前隆方向)范圍擴大或遷移。這種隆后盆地的擴張或遷移與前隆的后退或遷移同步進行,直接結(jié)果是前隆在南東方向保持隆升狀態(tài)。

3.3 前陸盆地隆升和遷移過程

根據(jù)南沙海槽西北邊緣諸多島嶼沉積物分析,Steuer等[17]認為,EMU不整合面的強烈隆升和暴露源自前隆形成及隨后的強烈隆升。相關(guān)研究提出了早中新世-中中新世的遷移模式:在西北婆羅洲褶皺逆沖帶負荷作用下,前隆跨越EMU不整合面,向北西方向遷移[19,32]。隨著古南海洋殼逐步消減和新南海洋殼逐步擴張,南沙地塊減薄的陸殼不斷向南東方向遷移并最終下插到西北婆羅洲陸殼之下,前淵也從西北婆羅洲躍遷到南沙海槽。本文的研究恰好補充了中中新世之后的這段歷史,可以反映大洋擴張結(jié)束以后,南海南部大陸巖石圈的撓曲和反彈過程,該過程具有撓曲反彈與斜向碰撞特征。

1) 撓曲反彈過程。古地磁資料表明中生代以來婆羅洲地塊緯度幾乎沒有變化[53]。顯而易見,南海擴張會導致古南海洋殼向南消減;而南海停止擴張以后,南海南部如何消減成了未解之迷。根據(jù)筆者推斷,前隆隆升和遷移應該是巖石圈撓曲反彈的結(jié)果:超負荷引起的前隆北西向遷移[17]到此結(jié)束;中中新世—晚中新世南康臺地發(fā)育了超過200個碳酸鹽巖隆,北康盆地在中中新世也廣泛發(fā)育了生物礁[54],都說明這個地區(qū)撓曲隆升事實的存在,而不是構(gòu)造沉靜期(tectonical quiescence[55])。

2) 幾乎所有的古地磁數(shù)據(jù)都證明了早中新世—中中新世(25～10 Ma)婆羅洲地塊發(fā)生了逆時針旋轉(zhuǎn)[27-28,53]。這種旋轉(zhuǎn)可能導致南沙地塊與西北婆羅洲發(fā)生剪刀式碰撞,并且是沿南沙海槽東南側(cè)由南西向北東方向依次碰撞。因此,最強烈的碰撞發(fā)生在南沙海槽西南端,這里也正是與廷賈—西巴蘭姆線(the Tinjar-West Baram Line)[56-57]的交匯處,也是南康碳酸鹽臺地的北部邊緣[55];強烈碰撞之后的巖石圈反彈會引起南沙地塊東南邊緣強烈隆升和在北西方向的快速沉降(圖5)。

3) 自始新世以來沿廷賈—巴蘭姆線發(fā)生了交替進行的右旋和左旋的走滑斷裂[57-59],表現(xiàn)為斷裂兩側(cè)應力條件的不同[21,57,60]。中中新世—晚中新世期間,主要以左行走滑斷裂為主[59]。因此,斷裂東側(cè)(研究區(qū)所在)的擠壓應力較小,前隆隆升比較緩慢;而上新世以來主要以右行走滑斷裂為主[59],導致南沙地塊與西北婆羅洲碰撞加劇,西北婆羅洲褶皺逆沖帶的負荷作用以及南沙海槽的擠壓應力加劇,前隆隆升速度加快,且會因巖石圈的撓曲作用,導致在隆升的同時前隆向南東方向遷移。

圖3 披覆層系地震反射特征Fig.3 Seismic reflection characteristics of draping layer seriesa.地震反射剖面;b.強反射波峰的線性追蹤

前隆的遷移是由于西北婆羅洲負荷以及南沙海槽前淵盆地充填等超負荷重力作用結(jié)果,巖石圈撓曲形變加大,前隆在強烈隆升的同時也向前淵方向遷移;而隆后盆地也加劇沉降并向前隆方向遷移,最終結(jié)果造成前隆逐漸加高和變窄,并向南東方向遷移到前淵附近,而隆后盆地逐漸沉降和變寬(圖6)。

3.4 披覆層系發(fā)育時間

披覆層系在南沙地塊普遍發(fā)育,由于前人并未意識到其存在的意義,因此沒有針對這套地層做針對性的研究。這套地層的發(fā)育時間可以從一些圖件中看到,發(fā)現(xiàn)前人對其年齡的判斷總體而言具有爭議,有人把披覆層系劃入中中新統(tǒng)[61],也有人認為披覆層系從中中新世開始發(fā)育,至今一直沒有間斷過[62]。

圖4 水平層系地震反射特征Fig.4 Seismic reflection characteristics of horizontal layer seriesa.地震反射剖面;b.強反射波峰的線性追蹤

披覆層系的極薄層特征表明,它們是在遠洋靜水環(huán)境下沉積形成的,而這種環(huán)境的沉積速率特別緩慢,且區(qū)域上有恒定的沉積速率,因此才會具有厚度變化極小,地震反射平行而連續(xù)的特征。由此推斷,披覆層的厚度與披覆沉積的時間成正比。在研究區(qū),披覆層系向南東方向海底隆起區(qū)增厚,表明南東方向的隆起區(qū)作為正地形持續(xù)時間更長;南東方向隆起區(qū)也完全未被水平層系覆蓋,說明自早中新世末期隆升以來,該區(qū)域一直處于隆升狀態(tài);而在低洼的北西方向一側(cè),披覆層系很薄,上面覆蓋著水平層系,說明自中中新世隆升以后,該區(qū)隆升快速停止乃至沉降,被沉積物(主要是濁積物)充填。

綜合隆升和沉積過程的分析,發(fā)現(xiàn)前隆自形成以后并沒有繼續(xù)向北西方向推進,而是松弛回返,或在西北婆羅洲褶皺逆沖帶負荷作用下繼續(xù)撓曲變形,形成更大曲率的前隆并向南東方向小幅遷移(圖5)。因此,披覆層系的發(fā)育時間是從中中新世開始的,一直持續(xù)到現(xiàn)在。

圖5 南海南部晚新生代前隆遷移模式Fig.5 Migration model of the Late Cenozoic forebulge in southern South China Seaa.漸新世—早中新世;b.中中新世—第四紀

圖6 第四紀前陸盆地系統(tǒng)發(fā)育情況Fig.6 Development of the Quaternary foreland basin system

圖8 古潛山構(gòu)造圈閉(據(jù)文獻[32]修改)Fig.8 Structural traps of buried hills (modified from reference[32] )

3.5 披覆層系在圈閉形成過程中的作用

EMU是南沙海域的區(qū)域性不整合面,是重要轉(zhuǎn)折關(guān)鍵作用界面,其上下地層的構(gòu)造環(huán)境發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。在不整合面之下,伸展性的斷層特別發(fā)育,形成了大量的箕狀斷陷盆地[62];在不整合面形成以后,構(gòu)造環(huán)境發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變,處于緩慢的整體隆升和沉降階段,斷層不發(fā)育,以披覆沉積層和盆地充填為主,形成了披覆層系和水平層系。因此,這種構(gòu)造環(huán)境的變化有利于潛山構(gòu)造的形成,同時,披覆沉積作用也有利于圈閉的形成。

根據(jù)前人區(qū)域古地理研究,EMU不整合面上下是沉積環(huán)境的重大轉(zhuǎn)折期[63]。EMU之下,在南沙海域主要是海陸交互環(huán)境,有利于粗碎屑沉積和生物礁灘的形成,是儲集層的重要形成時期(圖7);EMU形成之后,南沙地塊大幅度沉陷,以遠洋泥質(zhì)沉積為主,是封蓋層的重要形成時期。因此,從巖性的角度分析,也有利于古潛山構(gòu)造圈閉和巖性圈閉的形成與保存,特別是碳酸鹽巖-生物礁類型的圈閉發(fā)育,已經(jīng)得到了鉆井的佐證[32](圖8)。

4 結(jié)論

1) 隨著早中新世末期EMU不整合面的形成,一個新的前陸盆地系統(tǒng)形成了,這個盆地系統(tǒng)是在原前陸盆地系統(tǒng)的北西方向。前人的模式只總結(jié)了新前陸盆地系統(tǒng)的形成,形成以后的歷史未予以總結(jié),本文補充了這段歷史:通過北康盆地的地震反射特征和地震相分析,將EMU以上地層歸納為兩種特征截然不同的地震反射類型，即披覆層系和水平層系,前者源自盆地披覆沉積作用,后者形成于盆地充填沉積作用。

2) 披覆層系向南東方向加厚,表明巖石圈撓曲和均衡反彈作用導致了前陸盆地前隆(南沙地塊)的持續(xù)隆升和向南東方向遷移。這種巖石圈形變是西北婆羅洲作為褶皺逆沖帶自中中新世以來不斷增加負荷作用的結(jié)果,無論是俯沖-碰撞模式[64]或是碰撞-逃逸模式[23,65-66],前陸盆地的基本格局都沒有改變。

3) EMU不整合面形成前后,構(gòu)造、沉積環(huán)境先后發(fā)生重大轉(zhuǎn)變,構(gòu)造環(huán)境從伸展環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檎w升降環(huán)境,沉積環(huán)境從海陸交互環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)樯詈！肷詈－h(huán)境,這種變化有利于古潛山圈閉和巖性圈閉(包括生物礁-碳酸鹽巖臺地或碎屑巖儲層)的形成,有利于生儲蓋層的匹配成藏。

致謝：特別感謝廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局為本研究提供地震反射資料,感謝國家自然科學基金(項目編號:41576068,91428205)經(jīng)費支持,非常感謝審閱人提出的建設(shè)性建議。