南海西南部萬安盆地新生代沉降分析及構(gòu)造意義*

王蓓羽，張健，艾依飛

(中國科學院大學地球與行星科學學院 中國科學院計算地球動力學重點實驗室，北京 100049)(2018年11月15日收稿； 2019年5月20日收修改稿)

圖1 萬安盆地地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure of Wan’an Basin

萬安盆地位于南海西南部(圖1(a))，是南沙海區(qū)重要的新生代含油氣盆地之一。該區(qū)地處特提斯、環(huán)太平洋和古亞洲3大構(gòu)造域的交匯區(qū)，具有極其獨特的大地構(gòu)造，同時受歐亞、太平洋和印—澳3大板塊相互作用的控制，形成了復雜的地質(zhì)構(gòu)造，具有豐富的油氣資源，是研究和認識南海擴張、資源聚集規(guī)律和環(huán)境變遷的天然實驗室[1-4]。萬安盆地的沉降與伸展均和南海擴張密切相關[5]，共經(jīng)歷了晚始新世—早漸新世、上新世—第四紀、早中新世3次快速的構(gòu)造沉降過程[6]。利用地震剖面對構(gòu)造沉降量、構(gòu)造沉積速率與拉伸因子的反演結(jié)果，表明萬安盆地具有差異性構(gòu)造沉降的特點[5, 7]。漸新世表現(xiàn)為北快南慢，具有北部坳陷和中部坳陷2個沉降中心；早中新世存在北部坳陷、中部坳陷和東南坳陷3個沉降中心，其中，中部坳陷、北部坳陷沉降中心先后西移，東南坳陷則向東遷移；上新世萬安盆地的沉降表現(xiàn)出從西向東和從南向北逐漸增強的特征[5, 7]。由以上可見，前人對萬安盆地構(gòu)造沉降和伸展的研究主要集中在沉降量大小和沉降中心所處位置兩個方面[5, 8-9]，但對于相關斷裂帶性質(zhì)對萬安盆地沉降、伸展、基底熱流影響的理解相對薄弱。因此，本文利用回剝法進行相關研究，以期深化對萬安盆地構(gòu)造控制與形成演化的認識。

1 地質(zhì)構(gòu)造

1.1 構(gòu)造特點

萬安盆地位于南海西南部，東經(jīng) 107°50′～110°20′，北緯5°40′～9°30′，面積約 8.5×104km2，呈紡錘狀、近南北向展布，主體水深小于500 m，最大水深約1 800～2 000 m，屬于新生代走滑拉張盆地，如圖1(b)(圖1中盆地邊界、斷層位置、構(gòu)造分區(qū)來自前人研究結(jié)果[5, 8, 10-11])。沉積蓋層為上始新統(tǒng)—第四系，最大厚度達12 500 m[6, 12]，其構(gòu)造格局復雜，形成“四坳四隆一階一斜”的構(gòu)造格局，自北向南分別為西北斷階帶、北部坳陷、北部隆起、中部坳陷、中部隆起、西部隆起、西南斜坡、 南部坳陷、東部隆起和東部坳陷10個二級構(gòu)造單元(圖1(b))[5]。萬安盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，以張扭性NE-SW向切割基底的正斷層為主，具有多期性、多層次性的特點。根據(jù)前人的研究成果，本文在圖1(b)中標出了萬安盆地邊界內(nèi)的一級斷裂和二級斷裂。其中一級斷裂與盆地區(qū)域構(gòu)造走向一致，二級斷裂控制著盆地二級構(gòu)造格局的形成與地層的發(fā)育。萬安斷裂位于萬安盆地東部邊界，呈北北東走向延伸，是一條基底斷裂，形成于中生代，并具有多期次的活動和左—右行走滑交替變化的特征[13-16]，第四紀以來，表現(xiàn)為弱右行走滑的特征。其他各條斷裂大多表現(xiàn)為張性正斷層性質(zhì)，少見走滑斷層和反轉(zhuǎn)斷層[5, 8, 10-11]。

1.2 地層劃分

根據(jù)地震反射與鉆井資料，萬安盆地自下而上可識別出Tg、 T5、 T4、 T31、 T3、 T2 和 T1 共7個區(qū)域不整合面，分別對應下始新統(tǒng)人駿群(65 Ma)、下始新統(tǒng)—漸新統(tǒng)西衛(wèi)群(37.8 Ma)、下中新統(tǒng)萬安組(23.03 Ma)、中中新統(tǒng)李準組(15.79 Ma)、上中新統(tǒng)昆侖組(11.63 Ma)、上新統(tǒng)廣雅組(5.33 Ma)、第四系(2.58 Ma)底界面。但不整合面T5和Tg之間的人駿群只在極少處深凹部位可見，大多數(shù)地區(qū)處于缺失狀態(tài)[5, 8]，見圖2(a)、2(b)。人駿群形成于初始裂谷期，受禮樂運動的影響，沉積相為河流湖泊沉積相，巖性為粉砂質(zhì)泥巖和砂礫巖。西衛(wèi)群主要形成于裂谷期，受西衛(wèi)運動和南海運動的影響，沉積相為濱海沼澤相、海灣相，巖性為頁巖、砂巖、煤層；萬安組主要形成于裂谷期，受洋脊躍遷的影響，沉積相為三角洲、濱淺海、碳酸鹽巖臺地相，巖性為頁巖、砂巖、灰?guī)r；李準組形成于走滑改造期，受南沙運動的影響，沉積相為三角洲、濱淺海、碳酸鹽巖臺地相，巖性為頁巖、砂巖、灰?guī)r；昆侖組形成于走滑改造期，受萬安運動的影響，沉積相為濱淺海-半深海相，巖性為頁巖、砂巖、灰?guī)r；廣雅組與第四系形成于裂后加速沉降期，受廣雅運動的影響，沉積相為濱淺海-半深海相，巖性為頁巖、砂巖[9]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 地質(zhì)與地震數(shù)據(jù)

為研究斷層活動對萬安盆地沉積特征的影響，本文選取穿插于斷裂的兩條經(jīng)廣海局人員解譯后的人工地震剖面，通過時深轉(zhuǎn)換獲得兩條剖面A-B、C-D的地層層位，如圖2(位置見圖1(b))。圖2橫坐標為距離剖面NW向起點的距離，縱坐標為通過時深轉(zhuǎn)換得到的地層深度，方塊處的數(shù)字表示利用各地層的巖性數(shù)據(jù)計算得到的各地層的巖性密度，具體參數(shù)與計算方法在下文研究方法里詳細列出，圓點處的數(shù)字表示通過地層厚度與雙程反射時間的關系求得的各層平均地震波速。從圖1中可看出剖面A-B穿過中部隆起、南部坳陷、東部隆起3個區(qū)域，其中間標出的3條斷裂為圖1(b)中穿過斷層的3條斷裂；剖面C-D 穿過中部坳陷和中部隆起2個區(qū)域，其左邊第2條斷裂為圖1中最左側(cè)穿過剖面C-D的斷裂。從圖2中可看到兩條地質(zhì)剖面均具有6個地層層位，分別為西衛(wèi)、萬安、李準、昆侖、廣雅、第四系；沉積層厚度在2 000～9 000 m，斷層處厚度異常增大；不同層位巖石密度隨深度增加而增加，與壓實程度正相關，數(shù)值位于1.65～2.54 g/cm3之間；不同層位的地震波速具有明顯差距，與密度深度正相關，數(shù)值位于2.03～3.53 km/s之間(圖2)。

2.2 研究方法

將地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)通過逐層剝?nèi)?，脫壓實，利用迭代求解逐層回剝后的深度，得到地質(zhì)剖面的構(gòu)造演化圖，再除去沉積物負荷沉降、古水深以及海平面變化等對各沉積時期沉積厚度的影響，最終得到構(gòu)造沉降量[17-18]。經(jīng)過去壓實、古水深和古海平面變化等校正后的 Airy 均衡構(gòu)造沉降量St表達式[19-20]為

(1)

圖2 地質(zhì)剖面圖(剖面位置參見圖1)Fig.2 Geological sections (see Fig.1 for the location of the sections)

(2)

φj=φ0e-cz.

(3)

式中:φ0為巖石的初始孔隙度；z為深度；c為壓實系數(shù)。本次計算，各層巖性的參數(shù)主要參考研究區(qū)20口井的鉆井地層巖性的分析[5]，見表1，沉積物的孔隙度參考前人在北海區(qū)域的實測結(jié)果[26-28]，見表2。

表1 萬安盆地地層巖性[5]Table 1 Formation lithology of Wan’an Basin[5] %

表2 萬安盆地巖性物理參數(shù)[5]Table 2 Lithological physical parameters of Wan’an Basin[5]

在這里,將萬安盆地的構(gòu)造沉降簡化為幾次盆地拉張的結(jié)果，以回剝法獲得的構(gòu)造沉降數(shù)據(jù)為約束，通過McKenzie純剪切拉伸模型反復調(diào)整拉張因子擬合構(gòu)造沉降史[29]，最終得到盆地在該時間范圍內(nèi)的伸展特征。McKenzie純剪切拉伸模型中St包括初始裂陷量(Si)和裂后熱沉降(ST)[30]

St=Si+ST.

(4)

(5)

(6)

式中:h1為巖石圈初始厚；hc為地殼初始厚度，此處在White和Bellingham[31]提出的初始值的基礎上以現(xiàn)今地殼厚度作為約束條件，分別取120、31 km；ρc為地殼密度，取2.8 g/cm3；T1為軟流圈頂界的溫度取1 330 ℃；α為巖石圈的熱膨脹系數(shù)，取3.28×10-5℃-1；β為地殼的初始拉伸系數(shù)；K為巖石圈的熱擴散率，取8.04×10-7m2·s-1[32]。盆地基底熱流包括兩部分，一部分為地殼巖石本身放射性衰變釋放的熱，一部分為由地球深處向上傳導的地幔熱[33]。其中，地殼放射性衰變產(chǎn)生的熱流為地殼厚度與地殼生熱率的乘積，本文中地殼巖石的生熱率是鄰區(qū)地殼結(jié)構(gòu)對比結(jié)果的平均生熱率0.54 mW/m3 [29]，而來自地幔的熱流則根據(jù)熱力學的基本原理，通過巖石圈的熱傳導方程[30]求取：

(7)

式中:k為巖石圈的熱導率，取7.5×10-3cal·cm-1·s-1；h為從地基到巖石圈底界的深度，cm。

3 研究結(jié)果

3.1 地質(zhì)剖面發(fā)育演化

根據(jù)剖面位置(圖1(b))與地質(zhì)剖面發(fā)育演化圖(圖3)，可以得知出地層厚度分布不均勻，隆起區(qū)域地層具有大幅減薄的特征，而坳陷區(qū)地層厚度較大。地層厚度的變化除受構(gòu)造位置的影響，也與斷層活動密切相關，沿斷層位置向兩層變薄，下盤地層厚度減小的速度比上盤地層厚度減小的速度大。11 Ma后，由于斷層活動的減弱，斷層處與其他位置的地層厚度差逐漸變小。萬安盆地的構(gòu)造格局受斷層活動程度的影響，在相連地層內(nèi)具有繼承性特征，如西衛(wèi)組與萬安組、李準組與昆侖組、廣雅組與第四系兩兩之間都具有相似的地層特征。其中西衛(wèi)組與萬安組受斷層活動影響較大，斷陷分塊作用明顯，李準組與昆侖組為斷層活動減弱的過度地層，廣雅組與第四系則為裂后沉積階段，該階段斷層活動幾乎停止，沉積物豐富，形成了較厚的覆蓋地層。對比兩條剖面并結(jié)合剖面穿過的二級構(gòu)造，可發(fā)現(xiàn)剖面A-B的斷裂數(shù)量比剖面C-D的斷裂數(shù)量多，具有更為明顯的裂陷分塊特征，由此表明南部坳陷區(qū)域較中部坳陷區(qū)域受斷層活動的影響更嚴重。綜合剖面C-D的沉積厚度自NW至ES減小的趨勢與剖面C-D比剖面A-B沉積層厚度大的現(xiàn)象，可發(fā)現(xiàn)萬安盆地的沉積層厚度具有自盆地中心向盆地周緣遞減的趨勢。

3.2 沉降與伸展

圖4(a)為利用剖面A-B與剖面C-D分別計算的平均總沉降量、構(gòu)造沉降量、構(gòu)造沉降速率繪制的折線柱狀圖。從圖中可以看出剖面C-D的最終平均總構(gòu)造沉降量約為2 300 m，平均總沉降量約為4 500 m，剖面A-B的最終平均總構(gòu)造沉降量約為1 850 m，平均總沉降量約為3 750 m，其中構(gòu)造沉降僅占總沉降量的50%～60%。構(gòu)造沉積曲率呈現(xiàn)高低起伏的規(guī)律，可將其分為3個階段：37.8—16 Ma，16—5 Ma，5 Ma—現(xiàn)今，分別對應萬安斷裂的右旋、左旋、弱右旋3個階段[13]，也與南海的擴張和停止響應。5 Ma—現(xiàn)今整個萬安盆地處于向東傾斜的陸架上，物源豐富，此時萬安斷裂處于弱右旋，整個盆地構(gòu)造活動弱，構(gòu)造沉積速率達到3個階段中的最大：剖面C-D可達210 m/Ma， 剖面 A-B可達130 m/Ma。16-5 Ma期間南海擴張停止，周緣陸架受其影響沉降速率減少：剖面C-D約20 m/Ma， 剖面A-B約10 m/Ma。在此期間，構(gòu)造沉降曲線與總沉降曲線形成 “凸”的形狀，此時構(gòu)造沉降量占總沉降量的比重偏低。37.8—16 Ma期間，在南海擴張、洋脊跳躍和擴張方向的轉(zhuǎn)換的影響下，周圍陸緣構(gòu)造活動增強，斷層活動增加，沉降量增多。

圖3 地質(zhì)剖面發(fā)育演化圖Fig.3 Geological section development and evolution

圖4 沉降與伸展概況圖Fig.4 Settlement and extension diagrams

由于第3次快速構(gòu)造沉降作用為區(qū)域構(gòu)造作用引起，非盆地本身構(gòu)造作用所引起[29]，且5.3 Ma后，萬安盆地伸展因子變化較小[5]，所以本文將只計算5.3 Ma前的伸展因子與速率。從圖4(b)可以看出在23—16 Ma期間，盆地伸展速率達到最大，這與此時萬安斷裂處于右旋階段，在研究區(qū)產(chǎn)生NW-SE向的扭張作用和該期間南海擴張脊向西南躍遷、西南次海盆由NE往SW方向漸進式的擴張有關。在16—11 Ma，萬安斷裂處于左旋階段，產(chǎn)生 NW-SE 向的扭壓作用和南海海盆擴張停止，盆地伸展速率達到最小。剖面C-D的平均伸展因子為1.8，平均最大伸展速率為4.2 mm/a；剖面 A-B 的平均伸展因子為1.6，平均最大伸展速率為3.9 mm/a，對比剖面 C-D、A-B 的平均伸展因子、平均伸展速率，可發(fā)現(xiàn)剖面C-D 比剖面 A-B 具有更加強烈的伸展活動。這與剖面所處的位置有關，剖面C-D與萬安斷裂的距離較剖面A-B與萬安斷裂的距離更短，受其活動的影響更大。并且剖面C-D處于南海西南次海盆擴張脊的延伸線上，受到南海東部次海盆和西南次海盆兩次不同方向海底擴張產(chǎn)生的伸張作用。根據(jù)沉降量、伸展量與萬安斷層左右旋的對應關系——右旋期間盆地的沉降量、伸展量大于左旋期間的沉降量、伸展量(圖4)，我們提出:萬安斷裂左旋活動期間，在研究區(qū)產(chǎn)生扭壓作用、萬安盆地以地殼活動為主;右旋活動期間，在研究區(qū)產(chǎn)生扭張作用、以地?；顒訛橹鳌?/p>

綜合分析圖4(a)、4(b)，在37—23 Ma期間剖面A-B與剖面C-D的構(gòu)造沉降量、沉降速率與伸展速率幾乎相同，說明該段時間整個萬安盆地都處于伸展階段，并未出現(xiàn)區(qū)域性不均勻伸展的特征。在23 Ma后盆地的伸展具有明顯的不均勻性，剖面C-D較剖面A-B具有較高的沉降、伸展，這說明盆地中部較南部具有更為劇烈的構(gòu)造活動，萬安盆地發(fā)育具有“北早南晚”的特征。結(jié)合姚永堅等[5]對各條測線的伸展系數(shù)與伸展速度的計算結(jié)果等，得出漸新世初期萬安盆地EW向的伸展速率大于NE-SW向的伸展速率。此時，EW向的伸展速率達到整個時間歷程的最大值。NE-SW向的伸展速率在早中新世時期突然迅速增大達到峰值后降低，但速率整體上大于東西向。綜合上述分析，我們認為萬安盆地的伸展作用主要受西南次海盆擴張的影響，并以早東西向伸展為主，晚南北向伸展為主。

3.3 伸展速率與基地熱流

將計算得到的基底熱流與沉積層生熱相加，得到該區(qū)的表面熱流，值為43～100 mW/m2，該值與該地區(qū)真實的熱流值所處區(qū)間相符，說明反演結(jié)果具有可靠性。為研究斷層位置對伸展速率和基底熱流的影響，將不同時間的伸展速率與基底熱流網(wǎng)格化(基底熱流取拉伸后的熱流計算值)得到圖5。從圖5可以發(fā)現(xiàn)A-B的伸展速率為0～9 mm/a、基底熱流為20～70 mW/m2，C-D的伸展速率為0～12 mm/a、基底熱流為25～100 mW/m2，斷層附近基底熱流和伸展速率形成圈狀異常。隨著遠離斷層的位置，伸展速率、基底熱流都逐漸變低。對比圖3可以發(fā)現(xiàn)伸展速率與基底熱流異常區(qū)位于斷層的下盤，該側(cè)斷層較多，構(gòu)造活動較活躍，說明伸展速率和基底熱流與構(gòu)造活動正相關。圖5(a)、5(b)中伸展速率在23—16 Ma較其他時間段伸展速率具有明顯的異常，與南海擴張洋中脊的跳躍[34]相對應。我們認為西北次海盆的南北擴張轉(zhuǎn)向西南次海盆的NW-SE向擴張對萬安盆地的伸展具有更大影響。

圖5 伸展速率與基地熱流分布圖Fig.5 Stretch rate and base heat flow distribution

4 討論

印度板塊楔入歐亞大陸[35-36]，導致印支地塊向SE方向擠出逃逸[37-38]，沿紅河斷裂和鶯歌海盆地 1號斷裂的左旋走滑和印支地塊的旋轉(zhuǎn)導致萬安盆地的發(fā)育。32 Ma 時期古南海的俯沖控制萬安盆地的持續(xù)伸展，到漸新世末期，古南海的俯沖導致洋脊躍遷，中央海盆擴張，并向西南方向擴展，西南次海盆逐漸發(fā)育[34]，對萬安盆地的伸展具有重要的作用。早中新世末期沙巴造山運動發(fā)生，南沙地塊和婆羅洲地塊及卡加延地塊碰撞，南海擴張停止，萬安盆地全面進入裂后熱沉降階段，該區(qū)域斷層在左右旋轉(zhuǎn)化過程中對盆地有改造作用?？傊?，新生代以來，萬安盆地主要劃分為：初始裂陷期、斷層改造期、裂后沉降期，坳陷區(qū)還具有“下斷上坳”的特征。

在前人研究的基礎上，根據(jù)所選剖面有關沉降量、伸展、熱流的計算結(jié)果，本文繪制萬安盆地的沉降、伸展程度與盆地內(nèi)斷層位置的關系的模式示意圖，見圖6(參考前人有關萬安盆地地層剖面的研究成果[11, 39])。圖中虛線代表萬安盆地內(nèi)的斷層，黑線為萬安盆地的地層層序，黑點的密度代表異常值——盆地沉降量、伸展系數(shù)、基底熱流(由于三者之間正相關，所以三者統(tǒng)稱異常值)的大小。從圖中可以看出萬安盆地沉積層的平均基底埋深約為7～8 km[11]，大多數(shù)地區(qū)的T5和Tg之間的人駿群處于缺失狀態(tài)，斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，以正斷層為主，坳陷區(qū)域具有“下斷上坳”的特征。萬安盆地莫霍面的平均深度約為24 km[11]，且在重力均衡的作用下坳陷區(qū)莫霍面深度淺，隆起區(qū)域莫霍面深。整體上，萬安盆地的沉降與伸展活動則在萬安斷裂右旋期間T5-T31(37—16 Ma)伸展活動較劇烈，與南海擴張和洋脊的跳躍相關，我們認為此時地?；顒訌娪诘貧せ顒?。局部上萬安盆地沉降、伸展、熱流有以斷裂帶為中心向兩側(cè)逐漸減少的趨勢，斷裂發(fā)育密集的區(qū)域異常(沉降、伸展、熱流)強，反之較弱。

圖6 萬安盆地沉降模式示意圖Fig.6 Schematic of the settlement mode of Wan’an Basin

5 結(jié)論

萬安盆地作為南海西南陸緣的重要沉積盆地，具有豐富的油氣資源。本文基于構(gòu)造格局、地層層序等區(qū)域地質(zhì)資料，利用回剝法和McKenzie模型對萬安盆地的沉降、伸展特征、基底熱流、動力學來源進行研究，主要結(jié)論如下：

1)萬安盆地演化階段主要劃分為：初始裂陷期、斷層改造期、裂后沉降期，地層厚度分布不均勻，存在自盆地中心向盆地周緣遞減的趨勢。

2)整體上萬安盆地的沉降、伸展作用主要受西南次海盆擴張和萬安斷裂走滑運動的影響，具有獨特的時空演化特征：沉降作用整體上呈“V型轉(zhuǎn)折”的特性，而伸展作用以“早東西、后南北”為主要特點；局部上萬安盆地的沉降、伸展呈現(xiàn)出以斷裂帶為異常軸，向兩側(cè)以不同速率逐漸減弱的特征。

3)根據(jù)沉降量與萬安斷層左右旋的對應關系——右旋期間沉降、伸展大于左旋期間，認為左旋活動期間產(chǎn)生扭壓作用、萬安盆地以地殼活動為主，右旋活動期間產(chǎn)生扭張作用、以地?；顒訛橹?。