中國南海西沙碳酸鹽巖臺地形成過程及控制因素：來自西科1井的地球化學(xué)證據(jù)*

魯 毅 崔宇馳 劉新宇 邵 磊 喬培軍

1同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092 2中海油海南能源有限公司，廣東湛江 524057

1 概述

南海是漸新世以來沿東亞大陸邊緣形成的熱帶—亞熱帶邊緣海盆地，面積約3.5×106ikm2，盆地大部分區(qū)域的沉積充填受周圍陸殼來源的陸源碎屑控制。在遠(yuǎn)離大陸的盆地內(nèi)隆升高地上，如西沙—中沙隆起區(qū)、東沙隆起區(qū)和南沙隆起區(qū)，則發(fā)育以生物礁相為主的碳酸鹽巖臺地。

生物礁是一種在造礁生物作用下形成的原生水下生物沉積體系(Riding，2002)，其形成條件與造礁生物的生存環(huán)境密切相關(guān)。研究揭示，海平面升降、區(qū)域構(gòu)造和氣候變化的相互作用，對生物礁的演化起到了直接控制作用(Shaoetal.，2017a)。長期以來，由于油氣勘探需要，南海陸緣礁研究主要圍繞油氣勘探開展工作。近年來隨著研究手段的增多，碳酸鹽巖臺地的研究重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅虾Ｅ璧匮莼腿驓夂蜃兓癁橹攸c(diǎn)。在過去40年中，石油工業(yè)鉆探已經(jīng)證實(shí)，南海盆地廣泛發(fā)育碳酸鹽巖臺地(Erlichetal.，1993；龔再升和王國純，1997；Wang and Li，2009)。在南沙群島禮樂灘上的Sampaguita-1井中，發(fā)現(xiàn)了厚達(dá)2100im的晚漸新世生物礁灰?guī)r(Taylor and Hayes，1983；Yaoetal.，2012)；在巴拉望，下中新統(tǒng)Nido組灰?guī)r以不整合的形式覆蓋在晚漸新世碳酸鹽巖臺地之上，在西北巴拉望盆地中，鉆井發(fā)現(xiàn)了晚漸新世的灰?guī)r層段(Steueretal.，2013)。1974年，中國地質(zhì)學(xué)家通過西沙永興島上的西永1井首次證實(shí)了西沙地區(qū)碳酸鹽巖臺地發(fā)育起始時(shí)間是早中新世(王崇友等，1979；朱袁智等，1997)，后續(xù)在西沙和南沙群島的另外5個(gè)深度不同的鉆孔中，均揭示了從中新世到現(xiàn)代的碳酸鹽巖臺地?，F(xiàn)有資料顯示，南海生物礁碳酸鹽沉積主要從晚漸新世開始，到早中新世明顯擴(kuò)展到更廣泛的區(qū)域。

但是，對于南海碳酸鹽巖臺地的生長發(fā)育規(guī)律及其控制因素、元素地球化學(xué)對碳酸鹽巖臺地生長環(huán)境的指示作用缺乏系統(tǒng)詳細(xì)研究，沒有明確結(jié)論。針對這一問題，自1974年完成西永1井的鉆探后，西沙地區(qū)陸續(xù)又完成了西石1井、西永2井和西琛1井等3口科探井，但由于極低的取心率和有限的鉆井深度，一直沒有獲得完整的碳酸鹽巖臺地生長發(fā)育記錄，極大地限制了南海碳酸鹽巖臺地的研究。2013年，中海油在西沙群島宜德環(huán)礁上的石島完成了西科1井的鉆探，完鉆深度1268.2im，基底為中生代花崗片麻巖(朱偉林等，2017)，全井取心，平均收獲率達(dá)70%，是目前為止西沙群島取心最完整的科學(xué)鉆井，也是國際上碳酸鹽巖臺地取心率最高的探井之一。該探井的完成為恢復(fù)南海生物礁沉積建造史、沉積環(huán)境演化史提供了難得的研究素材。

近10余年，采用地球化學(xué)方法研究碳酸鹽巖臺地的生長發(fā)育歷史以及沉積環(huán)境演變?nèi)〉贸晒Φ睦釉絹碓蕉?Becketal.，1992；Fallonetal.，2002;Schoutenetal.，2002，2008;Wyndhametal.，2004)。本研究采用地球化學(xué)方法，結(jié)合巖性組合特征，對西科1井長達(dá)1257im的完整巖心進(jìn)行了系統(tǒng)分析，恢復(fù)了西沙地區(qū)中新世以來相對海平面變化及沉積環(huán)境演變，嘗試性探討該地區(qū)的碳酸鹽巖臺地生長發(fā)育史及其控制因素。

2 區(qū)域地質(zhì)概況

西沙群島位于西沙隆起之上(15°43′～17°07′N，111°11′～112°54′E)，是在孤立碳酸鹽巖臺地背景上發(fā)育起來的生物礁灘體系，島嶼總面積約8ikm2(圖 1)。漸新世早期，伴隨南海盆地的擴(kuò)張，西沙隆起區(qū)由華南大陸裂離到現(xiàn)今位置(金慶煥，1989)；在23iMa隨著西南次海盆的打開，西沙隆升區(qū)沉入海下，成為水下隆起高地。由于缺乏陸源碎屑供給，該水下高地為生物礁生長發(fā)育提供了適宜的地形地貌條件(龔再升和王國純，1997；Fournieretal.，2005；吳時(shí)國等，2009)。適宜的溫度及水深，使該區(qū)分布了大規(guī)模的生物礁灘體系(呂修祥和金之鈞，2000；李穎虹等，2004；呂彩麗等，2011)。

A—西沙群島在南海的位置；B—西沙群島島礁分布；C—西科1井位置;D—西科1井地層巖性綜合柱狀圖

3 材料與方法

對西科1井1257im的碳酸鹽沉積物以0.5～2im的采樣間距密集取樣，共采集樣品1281個(gè)，底部年齡為23iMa。樣品完成元素地球化學(xué)分析1281個(gè)，分子有機(jī)化合物分析187個(gè)，并對巖石薄片進(jìn)行了觀察鑒定。

3.1 元素地球化學(xué)

在全巖沉積物元素地球化學(xué)分析測定中，常量元素使用電感耦合等離子光譜儀(ICP-AES)、微量元素使用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)測試。

首先將樣品用HF與HNO3的混合酸分解，在測定過程中全程加入1iμg/L的Ru作為內(nèi)標(biāo)對儀器穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，每個(gè)樣品測定6次，并由國際標(biāo)樣(AGV-2、BCR-2、BHVO-2和 GBW07120)、重復(fù)樣品以及空白樣品進(jìn)行校正，樣品準(zhǔn)確度及精確度由控制樣品及重復(fù)樣品監(jiān)控，所有樣品的相對偏差控制在±2%。樣品處理及測試均在同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3.2 分子有機(jī)化合物

甘油二烷基甘油四醚類脂物(glycerol dialkyl glycerol tetraethers，GDGTs)是一種膜脂，由古菌來源的類異戊二烯甘油二烷基甘油四醚化合物(isoprenoid-GDGTs，簡稱iGDGTs)和細(xì)菌來源的支鏈甘油二烷基甘油四醚化合物(branched-GDGTs，簡稱bGDGTs)組成。

iGDGTs是泉古菌細(xì)胞膜的主要脂類。泉古菌合成含有0～4個(gè)環(huán)戊烷基團(tuán)的異戊二烯類GDGT： GDGT-0～GDGT-4(質(zhì)荷比(m/z)1302、1300、1298、1296)(Schoutenetal.，2000)。氨氧化古菌生成1個(gè)環(huán)己烷加另外4個(gè)環(huán)戊烷基團(tuán)的Crenarchaeol V(m/z: 1292)及其同分異構(gòu)體V′(m/z: 1292′)(SinningheDamstéetal.，2002;Schoutenetal.，2008)。iGDGTs主要是在海洋中檢出，但它也可以在泥炭和土壤中檢測到極低的濃度(Hopmansetal.，2004)。

在生物標(biāo)記物的分析中，使用Hopmans等(2004)和Schouten等(2002)的方法進(jìn)行樣品處理。具體的有機(jī)質(zhì)萃取步驟如下： 稱取冷凍干燥后的粉末樣品約20ig置于離心試管中，再加入二氯甲烷/甲醇(體積比為3︰1)混合溶液和內(nèi)標(biāo)(C46-GDGT)，經(jīng)超聲儀超聲10imin、3500 rpm離心分離4imin后，收集清液用氮?dú)饬?水浴加熱不得超過40i℃)吹干，重復(fù)上述操作6次，以保證樣品中有機(jī)質(zhì)盡量完全提取。重新溶解于正己烷/異丙醇(體積比為99︰1)混合溶液，并通過0.45iμm 聚四氟乙烯(PTFE)過濾膜以去除顆粒物質(zhì)，重復(fù)操作5次后再次用氮?dú)獯蹈?，等待下一步分析?/p>

GDGTs的檢測與定量在高效液相色譜—三重桿質(zhì)譜儀(HPLC/APCI-MS-S，Agilent)上完成。具體分析條件和步驟為： 使用Alltech Prevail Cyano色譜柱(150.0imm×2.1imm，3iμm)，柱溫為30i℃，進(jìn)樣量為10imL；色譜分析初始5imin內(nèi)，流動(dòng)相為正己烷/異丙醇(體積比為99︰1)；在隨后45imin內(nèi)，異丙醇以0.2mL/min流速線性增加至1.8%。之后用異丙醇以0.2imL/min流速?zèng)_洗色譜柱10imin，在最后重新平衡為正己烷/異丙醇(體積比為99︰1)的混合溶液10imin，應(yīng)用APCI(atmosheric-pressure chemical inoization)源進(jìn)行化合物離子化，質(zhì)譜檢測模式為選擇性離子掃描，霧化壓力0.41iMPa；汽化溫度為400i℃；氮?dú)饬魉贋? L/min，溫度為200i℃；毛細(xì)管電壓為-3 kV；電流為5 μA(約3.2 kV)。最后選擇單離子掃描模式(SIM)檢測brGDGTs化合物所對應(yīng)的質(zhì)子化離子峰[M+H]+(1050、1048、1046、1036、1034、1032、1022、1020、1018)面積，定量分析通過比較目標(biāo)化合物與內(nèi)標(biāo)(C46)的峰面積來完成，并由iGDGTs和bGDGTs不同組分的含量來計(jì)算多種指標(biāo)(Schoutenetal.，2008)。所有樣品預(yù)處理和測試分析工作均在同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

由GDGTs的比值計(jì)算得到的TEX86被認(rèn)為是有效的古海水溫度重建指標(biāo)，計(jì)算方法依據(jù)Schouten等(2002)的公式：

TEX86=(Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ′)/(Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ′)

(1)

TEX86=0.015T+0.28

(2)

其中，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表GDGT-1、GDGT-2、GDGT-3的含量，Ⅴ′代表Crenarchaeol的同分異構(gòu)體(m/z:1292′)的含量，T為古海水溫度。

值得注意的是，該方程式主要設(shè)計(jì)用于開放大洋水體，而來自淺水站位如西科1井的樣品存在被污染的可能性，具體數(shù)值結(jié)果可能有一定偏差。因此，該指標(biāo)推算的結(jié)果僅用來分析其變化趨勢，而不考慮具體的溫度值。

4 結(jié)果

4.1 地層及巖性特征

西科1井碳酸鹽生物礁沉積自23iMa早中新世開始生長發(fā)育，完整記錄了中新世以來南海地區(qū)碳酸鹽巖臺地演化過程。地層劃分據(jù)Shao等(2017a，2017b)，0～216im為第四系樂東組，216～376im為上新統(tǒng)鶯歌海組，376～577im為上中新統(tǒng)黃流組，577～1032im為中中新統(tǒng)梅山組，1032～1257.5im為下中新統(tǒng)三亞組，其巖性特征如下(圖 1-D)：

紅線為15點(diǎn)移動(dòng)平均線，表示變化趨勢；西沙地區(qū)海平面曲線根據(jù)各指標(biāo)綜合恢復(fù)；全球海平面據(jù)Haq，1988

紅線為15點(diǎn)移動(dòng)平均線，表示變化趨勢；西沙地區(qū)海平面曲線根據(jù)各指標(biāo)綜合恢復(fù)；鶯—瓊盆地海平面據(jù)郝詒純等，2000；全球海平面據(jù)Haq，1988

第四系全新統(tǒng)—更新統(tǒng)樂東組(0～216im)： 頂部0～26im為弱固結(jié)—未固結(jié)的生物碎屑砂，局部見黑色有機(jī)質(zhì)軟泥；26im以下由固結(jié)較好的淺黃白色生物礁灰?guī)r組成，局部可見珊瑚、藻類和有孔蟲等生物碎屑。地層中發(fā)育多層暴露剝蝕面，剝蝕面上常見褐鐵礦等風(fēng)化礦物；下部以生物礁灰?guī)r夾薄層生物碎屑灰?guī)r為主，可見雙殼類印模和藻團(tuán)塊等。

新近系上新統(tǒng)鶯歌海組(216～376im)： 主要以生物碎屑灰?guī)r以及生物碎屑灰?guī)r與生物礁灰?guī)r互層為特征，可見藻紋層，局部白云巖化，風(fēng)化暴露面以土黃色生物碎屑灰?guī)r為主。

新近系上中新統(tǒng)黃流組(376～577im)： 以462im為界，上段376～462im以生物碎屑灰?guī)r以及生物碎屑灰?guī)r與生物礁灰?guī)r互層為特征，可見生物藻礁云巖，頂部為黃褐色風(fēng)化層；下段462～577im以泥晶白云巖及生物礁云巖為特征，藻云巖發(fā)育，可見珊瑚和雙殼類碎屑，固結(jié)好，輕度破碎，具強(qiáng)白云巖化作用。

新近系中中新統(tǒng)梅山組(577～1032im)： 在577～758im層段的頂部，為含生物碎屑泥晶灰?guī)r；向下以生物碎屑灰?guī)r為主，含藻團(tuán)塊和有孔蟲等，偶見雙殼類和螺化石。580im附近有機(jī)質(zhì)含量較高，見泥礫和炭屑；在758～1032im層段的上部，發(fā)育灰青色生物碎屑云巖，重結(jié)晶較強(qiáng)，形成細(xì)晶白云巖，在細(xì)晶白云巖層之上為暴露風(fēng)化面，溶蝕孔洞發(fā)育；下部以生物碎屑灰?guī)r夾生物礁灰?guī)r為主，部分生物碎屑灰?guī)r呈白堊狀。

新近系下中新統(tǒng)三亞組(1032～1257.5im)： 頂部為固結(jié)較差的生物砂；整段以生物礁灰?guī)r為主，偶見藻紋層。由于暴露風(fēng)化淋濾作用，巖石溶蝕強(qiáng)烈，溶洞、溶孔發(fā)育，并因鐵染呈黃紅色；下部35im由含灰黑色鈣質(zhì)泥巖、富含有機(jī)質(zhì)泥灰?guī)r、灰白、淺黃色薄層砂礫巖、淺肉紅色生物碎屑灰?guī)r等組成。

基底： 1257.5～1262im，為灰黑色角閃黑云片麻巖。1262im以下為二長花崗巖，與上部片麻巖呈突變接觸。

4.2 元素地球化學(xué)

4.2.1 常量元素

西沙碳酸鹽巖臺地常量元素以Ca和Mg為主，二者氧化物含量占總量的46%～60.9%。MgO含量和CaO含量呈完全鏡像的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖 2)，在290～310im與380～577im層段，MgO含量在10%～20%之間，為強(qiáng)白云巖化層段，與王振峰等(2015a)、翟世奎等(2015)利用XRD方法研究西科1井白云巖富集層段完全吻合。MgO、CaO、P2O5含量和Na2O/K2O值除在接近地表及底部基底層段有異常值外，井深30～1175im包含4個(gè)規(guī)律性變化層段(圖 2，圖 3)。具體表現(xiàn)為： 1175～1032im(下中新統(tǒng))，P2O5含量、Na2O/K2O值逐漸增高，MgO含量則處于全井段中的高值范圍，相反CaO含量一直保持在30%～35%低值區(qū)間；在1032～577im(中中新統(tǒng))，P2O5、MgO含量及Na2O/K2O值逐漸降低，有些含量甚至為0，CaO含量則逐漸上升，達(dá)到50%～60%，MgO含量除了在770～800im、620～650im出現(xiàn)2段高值外，在其他層段中基本都保持低值，與CaO含量變化剛好相反；在577～216im(上中新統(tǒng)—上新統(tǒng))，MgO含量、Na2O/K2O值以及P2O5含量又升高變大，而CaO含量則保持在低位；216im以上(第四系)，P2O5、MgO和Na2O/K2O值再次降低，CaO含量保持在50%～60%之間的高值，在接近地表附近，P2O5含量突然增高，Na2O/K2O值震蕩幅度較大，可能與地表生物后期污染有關(guān)。

4.2.2 微量元素

4.3 分子有機(jī)化合物

西科1井TEX86以及恢復(fù)的古海水溫度總體呈現(xiàn)高—低—高的變化趨勢(圖 2)，在1175～577im層段(下中新統(tǒng)—中中新統(tǒng))古海水溫度在30i℃左右波動(dòng)；到577～216im層段(上中新統(tǒng)—上新統(tǒng))古海水溫度驟降5～10i℃，維持在25i℃以下。在216～0im層段(第四系)，古海水溫度恢復(fù)到30i℃，并呈現(xiàn)2個(gè)大的波動(dòng)旋回。

5 討論

碳酸鹽巖臺地的發(fā)育依賴于各種全球和區(qū)域因素，包括構(gòu)造、二氧化碳、養(yǎng)分輸入和降水模式等(Wilson，2008，2012)，與水體溫度、酸堿度以及水體深度密切相關(guān)。由于西沙地區(qū)自中新世以來為大洋環(huán)境，酸堿度與全球大洋同步變化(Shaoetal.，2017b)，在此不再累述。海水溫度變化較為復(fù)雜，除受全球氣候變化影響外，還受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的海水深度變化控制。本研究結(jié)合巖性特征及溫度變化特征，重點(diǎn)討論西沙地區(qū)海平面變化對碳酸鹽巖臺地生長發(fā)育的控制作用。

5.1 西沙碳酸鹽巖臺地發(fā)育的控制因素

5.1.1 海水深度變化

研究區(qū)潟湖相的巖性為生物礁云巖以及藻云巖等，生物碎屑灘相的巖性為生物碎屑灰?guī)r，生物礁相的巖性為生物礁灰?guī)r。從巖性特征(圖 1-d)可以看出，西科1井沉積環(huán)境在早中新世為潟湖—生物碎屑灘為主，中中新世則以生物礁—生物碎屑灘為特征，顯示海水總體由深變淺的過程；到晚中新世—上新世，海水再次加深，沉積潟湖—生物碎屑灘相的碳酸鹽堆積，到第四紀(jì)，該地區(qū)海水變淺，形成生物礁—生物碎屑灘相沉積。因此，西科1井從早中新世到第四紀(jì)完整記錄了海水由深變淺的2個(gè)完整旋回。

海水深度的變化在元素含量及比值上反映明顯，Na2O/K2O、P2O5、Al/Sr、Ti/Sr、Zr/Sr和Th/U等元素氧化物及元素比值同樣顯示，西沙地區(qū)海平面經(jīng)歷了早中新世高—中中新世低—晚中新世到上新世高—第四紀(jì)低的4個(gè)階段(圖 3)。

海洋中的磷通常是由陸地沉積物輸入或富含營養(yǎng)的冷水上涌提供的(Kinsey and Davies，1979;Bertrandetal.，2000;Saltzman，2005)。在幾乎沒有陸源物質(zhì)輸入的西沙區(qū)域，可以認(rèn)為磷的變化是對上升流或區(qū)域環(huán)流強(qiáng)度變化的響應(yīng)，上升流強(qiáng)度的變化受控于相對海平面變化(Shaoetal.，2017a)。當(dāng)相對海平面處于高水位時(shí)期，上升流增強(qiáng)，P2O5含量增大；而海平面在低水位時(shí)期，上升流減弱，P2O5含量變小。西科1井下中新統(tǒng)和上中新統(tǒng)—上新統(tǒng)，P2O5含量較大，在0.04～0.08之間，是對于高海平面條件下強(qiáng)上升流的響應(yīng)；而中中新統(tǒng)和第四系，P2O5含量較小，普遍在0.02～0.04之間，對應(yīng)的是低海平面條件下弱上升流，到第四系頂部0～26im，P2O5含量升高到0.08，可能代表的是第四紀(jì)間冰期海平面的上升或是過于接近地表、由于現(xiàn)代生物活動(dòng)產(chǎn)生的異常值(圖 3)。

常量元素Na、Ka具有較高的化學(xué)遷移率，在海水中的含量高于淡水，Na在海水中比Ka更容易沉淀，特別是在高鹽海洋環(huán)境中，如蒸發(fā)碳酸鹽海岸帶或潟湖環(huán)境中(Lowensteinetal.，2001)。Na2O/K2O值的增加一般預(yù)示著沉積環(huán)境向水體更深、能量更低的方向變化。相反，當(dāng)Na2O/K2O值降低時(shí)，一般來說水體較淺，大氣環(huán)境起主導(dǎo)作用。圖 3顯示，西科1井Na2O/K2O值呈高—低—高—低的趨勢：1175～1032im(下中新統(tǒng))值比較高，顯示沉積環(huán)境為水體較深的低能環(huán)境，相對海平面較高；1032～577im(中中新統(tǒng))值低，顯示大氣主導(dǎo)的水體較淺的環(huán)境，相對海平面較低；577～216im(上中新統(tǒng)—上新統(tǒng))值比較高，顯示沉積環(huán)境為水體較深的低能環(huán)境，相對海平面較高；216～0im(第四系)值波動(dòng)劇烈，可能與冰期間冰期旋回性變化有關(guān)(圖 3)。

西科1井反映海平面變化趨勢的元素指標(biāo)與前人研究的海平面變化結(jié)果完全吻合(王振峰等，2015b；Shaoetal.，2017a)，印證了該方法的有效性，也與鶯瓊盆地海平面曲線(郝詒純等，2000)變化趨勢相似，但是與中新世以來一直緩慢下降的全球海平面曲線(Haq，1988)差異較大，表明西沙地區(qū)海平面變化更多地受區(qū)域性因素的影響。

5.1.2 海水溫度變化

圖 2顯示，在早中新世—中中新世，西沙地區(qū)古海水溫度在30±5i℃范圍內(nèi)波動(dòng)，與ODP1148站恢復(fù)的南海北部δ18O 古溫度記錄一致(Zachosetal.，2001；Tianetal.，2008)，該溫度十分有利于生物礁生長，尤其是中中新世珊瑚礁發(fā)育繁盛，礁體不斷擴(kuò)大。到晚中新世古海水溫度出現(xiàn)約5～10i℃的快速下降，與δ18O 記錄的該時(shí)期全球變冷事件基本一致，但是變冷速度較快。其急劇下降的原因與區(qū)域性構(gòu)造事件有關(guān)。晚中新世南海基底沉降加快，造成相對海平面快速上升的速率遠(yuǎn)大于碳酸鹽平均堆積速率，沉積環(huán)境為水深大于30im的中光層環(huán)境，生物礁生長環(huán)境從表層海水變?yōu)榇伪韺雍Ｋ?，次表層海水溫度小于表層海水溫度，加之全球總體溫度下降，西科1井記錄的海水溫度驟降5～10i℃。海水深度增大、水溫降低以及該時(shí)期冬季季風(fēng)增強(qiáng)等不利因素，對生物礁的生長產(chǎn)生了消極影響，南海碳酸鹽巖臺地面積銳減。這種情況一直持續(xù)到第四紀(jì)，造成現(xiàn)代南海珊瑚礁臺地仍處于萎縮狀態(tài)。

5.1.3 構(gòu)造作用

在新生代南海裂陷期，劇烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起明顯的差異升降，在盆地中形成一些構(gòu)造高地形。這些構(gòu)造高部位由于遠(yuǎn)離陸源碎屑物質(zhì)，而適合碳酸鹽巖臺地生長發(fā)育。早中新世隨著南海西南次海盆的快速打開，西沙古隆起開始沉入海平面之下，形成海盆中的高地形，成為淺海碳酸鹽巖臺地發(fā)育的理想場所。在16—15.5iMa南海東部次海盆與西南次海盆先后停止擴(kuò)張(Larsenetal.，2018)，整個(gè)海盆進(jìn)入熱沉降期。中中新世，構(gòu)造沉降的速率相對穩(wěn)定，海平面則一直保持在較低的水平，使西沙地區(qū)整體處于相對穩(wěn)定的淺海環(huán)境，為碳酸鹽巖臺地的發(fā)育提供了必要條件。晚中新世—上新世，南海基底沉降加快，達(dá)200～260im/Ma(Wuetal.，2014)，造成相對海平面快速上升速率遠(yuǎn)大于碳酸鹽平均堆積速率(～32im/Ma)，使西沙地區(qū)碳酸鹽巖臺地幾乎全部被淹沒，僅在構(gòu)造高部位保留部分碳酸鹽巖臺地，臺地的分布范圍明顯減小。西科1井所在位置是西沙地區(qū)的絕對高點(diǎn)，該階段沉積環(huán)境變?yōu)樗畲笥?0im的中光層潟湖環(huán)境。

然而，晚中新世—上新世廣泛存在白云巖，與先前認(rèn)為在晚中新世灰?guī)r沉積過程中普遍存在較深的中光層環(huán)境的觀點(diǎn)似乎是矛盾的，因?yàn)檫@些次生白云巖的形成需要頻繁的暴露環(huán)境。但實(shí)際上，晚中新世—上新世相對海平面并非一直快速上升，西科1井強(qiáng)白云巖化層段與西科1井恢復(fù)的海平面下降層段存在極好的耦合關(guān)系，290～310im(上新統(tǒng))與380～577im(上中新統(tǒng))層段為白云巖化層段，在這2段之后，西沙地區(qū)海平面下降。晚中新世—上新世白云巖形成原理是鈣質(zhì)藻類在海平面上升的中光層環(huán)境中大量繁殖，促進(jìn)了Mg的富集(Kamenosetal.，2009)。當(dāng)相對海平面下降后，碳酸鹽巖臺地暴露出海面，發(fā)生混合巖化作用，Mg取代Ca，先前在中光層環(huán)境中生成的灰?guī)r轉(zhuǎn)化為白云巖。在第四紀(jì)，地球化學(xué)替代性指標(biāo)均發(fā)生突變，反映相對海平面的急速下降，其時(shí)間略滯后于全球海平面的變化，但與瓊東南盆地海平面下降的開始時(shí)間一致(郝詒純等，2000)(圖 3)。

圖 4 南海西沙碳酸鹽巖臺地中新世以來演化模式Fig.4 Evolution patterns of carbonate platform in Xisha Island of South China Sea since the Miocene

總體來說，構(gòu)造作用對西沙碳酸鹽巖臺地的發(fā)育形成起到關(guān)鍵作用。南海裂陷期的構(gòu)造高點(diǎn)成為臺地形成發(fā)育的基礎(chǔ)，早中新世西南次海盆的打開使碳酸鹽巖臺地開始在西沙地區(qū)發(fā)育，中中新世南海進(jìn)入熱沉降期，相對穩(wěn)定沉降的構(gòu)造背景使該地區(qū)碳酸鹽巖臺地廣泛發(fā)育，形成巨厚的碳酸鹽堆積；晚中新世快速的海平面上升導(dǎo)致碳酸鹽巖臺地分布范圍驟減，僅在相對高部位殘存了碳酸鹽巖臺地；第四紀(jì)以來西沙大部分地區(qū)已經(jīng)變?yōu)榘肷詈！詈－h(huán)境，碳酸鹽巖臺地持續(xù)萎縮。

5.2 西沙碳酸鹽巖臺地的堆積速率

西科1井碳酸鹽堆積速率在不同時(shí)期存在明顯差異，反映了各時(shí)期珊瑚礁生長環(huán)境明顯不同。在早中新世(巖心1175～1032im)和晚中新世(巖心577～376im)，其堆積速率十分接近，分別為30im/Ma及32im/Ma；在上新世(巖心376～216im)，其堆積速率達(dá)59im/Ma，而在中中新世(巖心1032～577im)則高達(dá)91im/Ma。盡管在各時(shí)期均存在由于碳酸鹽巖臺地的抬升暴露而造成的地層缺失，這些堆積速率上的明顯不同仍可反映碳酸鹽巖臺地在不同時(shí)期的發(fā)育規(guī)模。

在第四紀(jì)(巖心216～0im)和中中新世(巖心1032～577im)，西沙地區(qū)相對海平面較低，水深為5～10im或更淺的淺水環(huán)境，形成固結(jié)較好的淺黃白色礁灘相生物礁灰?guī)r，夾薄層生物碎屑砂，珊瑚、藻類、有孔蟲等生物碎屑發(fā)育(Shaoetal.，2017b)，發(fā)育有多層短期風(fēng)化剝蝕面，褐鐵礦等常見。吳時(shí)國等(2018)通過分析橫穿西沙碳酸鹽巖臺地地震剖面發(fā)現(xiàn)，在中中新世，西沙碳酸鹽巖臺地層序以1組強(qiáng)振幅、丘狀反射為特征，平頂碳酸鹽巖臺地邊緣有明顯上超反射，是西沙地區(qū)碳酸鹽巖臺地分布范圍最廣的時(shí)期。

在晚中新世—上新世(巖心577～216im)和早中新世(巖心1175～1032im)，西科1井為典型的潟湖相沉積，珊瑚礁灰?guī)r被生物碎屑灰?guī)r及藻灰?guī)r取代。纖維狀和葉片狀膠結(jié)廣泛分布，在生物碎屑顆粒周圍形成薄紋層，這種形態(tài)反映了海水深度較大的沉積環(huán)境，與西沙地區(qū)相對海平面升高相對應(yīng)，海水變?yōu)槌^30im的中光層水體，碳酸鹽巖臺地發(fā)育較弱。在其他地勢低的區(qū)域，碳酸鹽巖臺地大多被淹沒，在地震相上整體以席狀、平行—亞平行、弱—中振幅、較連續(xù)—弱連續(xù)、中—較高頻率為特征，推測該時(shí)期的沉積以硅質(zhì)碎屑與碳酸鹽碎屑的混合沉積為主，碳酸鹽巖臺地發(fā)育規(guī)模有限(吳時(shí)國等，2018)，SiO2在該時(shí)間段含量也較高。

西沙地區(qū)在早中新世被海水淹沒，海平面變化震蕩頻繁，開始發(fā)育碳酸鹽巖臺地，堆積速率較低，出現(xiàn)與陸源碎屑互層以及碳酸鹽巖臺地暴露溶蝕的現(xiàn)象；到中中新世，海平面相對穩(wěn)定，處于全球海平面的低位狀態(tài)，其淺水環(huán)境適合珊瑚礁發(fā)育，臺地發(fā)育相對活躍，接受了巨厚的碳酸鹽沉積；晚中新世—上新世，由于海平面的快速升高，淹沒了大量珊瑚礁體，造成西沙地區(qū)碳酸鹽堆積速率明顯降低。到第四紀(jì)，西沙地區(qū)以及整個(gè)南海碳酸鹽巖臺地均處于萎縮消減狀態(tài)(吳時(shí)國等，2018)。

5.3 西沙碳酸鹽巖臺地的發(fā)育演化過程

根據(jù)西科1井的記錄可以看出，構(gòu)造沉降與氣候環(huán)境變化的雙重作用是西沙碳酸鹽巖臺地演化的主要控制因素，造成碳酸鹽巖臺地的繁盛或衰落(圖 4)。在早中新世，隨著南海西南次海盆的擴(kuò)張打開，西沙古隆起沉沒于海下。由于遠(yuǎn)離陸源碎屑，碳酸鹽巖臺地在先前裂谷期形成的構(gòu)造高部位開始發(fā)育。此時(shí)海平面波動(dòng)頻繁，造成碳酸鹽巖臺地表現(xiàn)出灘相、礁相和潟湖相之間的快速轉(zhuǎn)換。當(dāng)時(shí)氣候溫暖濕潤，適合碳酸鹽巖臺地生長發(fā)育，南海碳酸鹽巖臺地生長速度加快，分布面積變廣。到中中新世，西沙碳酸鹽巖臺地由巨厚的生物礁灰?guī)r組成，而其他海域如珠江口盆地、瓊東南盆地、中建南盆地以及南沙海域均有生物礁開始迅速擴(kuò)增的記錄(魏喜等，2006；呂彩麗等，2011)。反映該時(shí)期氣候溫暖濕潤、構(gòu)造沉降速率穩(wěn)定、海平面相對較低，適于珊瑚礁的生長發(fā)育，成為西沙碳酸鹽巖臺地發(fā)育的繁盛時(shí)期。到晚中新世—上新世，受快速構(gòu)造熱沉降、季風(fēng)冷卻及海水加深的不利影響，珊瑚礁處于寒冷、水體較深的中光層環(huán)境，大部分地區(qū)生物礁被淹沒，潟湖環(huán)境中累積了較多的生物碎屑物質(zhì)，碳酸鹽礁體生長受限。雖然部分生物礁通過遷移到高地而在晚中新世—上新世危機(jī)中存活下來，但西沙地區(qū)的碳酸鹽巖臺地總體遭受了嚴(yán)重的破壞，面積銳減(張明書，1989；Wuetal.，2014)。

進(jìn)入第四紀(jì)以來，西沙地區(qū)大部分區(qū)域已處于半深海—深海的沉積環(huán)境，碳酸鹽巖臺地收縮到區(qū)域高地，局限于西沙島礁周緣。這些以環(huán)礁為主的碳酸鹽建造一直延續(xù)至今。進(jìn)入更新世以來，隨著北極冰蓋完全形成，地球氣候進(jìn)入以冰期—間冰期旋回主導(dǎo)的氣候狀態(tài)。碳酸鹽巖臺地在冰期頻繁出露水面，在強(qiáng)盛的冬季風(fēng)作用下，碎屑物質(zhì)大量存在，碳酸鹽巖臺地發(fā)育停滯；間冰期珊瑚礁生長環(huán)境較為適宜。Yi(2018)標(biāo)定了石島風(fēng)成砂屑灰?guī)r各期次的形成年代，認(rèn)為沙丘主要在東北季風(fēng)(冬季風(fēng))的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生進(jìn)積和加積，東北季風(fēng)(冬季風(fēng))的增強(qiáng)與碳酸鹽巖臺地暴露和風(fēng)成沙丘的形成有良好的對應(yīng)關(guān)系，反映出該地區(qū)第四紀(jì)碳酸鹽建造更多地受氣候變化的影響(Lietal.，2018)。

6 結(jié)論

1)通過西沙群島西科1井所記錄的巖性特征、元素地球化學(xué)和生物標(biāo)志化合物等，獲得海水古溫度、營養(yǎng)鹽和碎屑成分輸入量等多種指標(biāo)隨時(shí)間的變化特征，較系統(tǒng)地揭示了西沙地區(qū)中新世以來碳酸鹽巖臺地的發(fā)育過程及形成環(huán)境。

2)晚漸新世—早中新世，南海西南次海盆的打開造成西沙隆起區(qū)的下沉淹沒，啟動(dòng)了西沙地區(qū)碳酸鹽巖臺地初始建造；中中新世南海擴(kuò)張停止，盆地整體進(jìn)入穩(wěn)定的熱沉降時(shí)期，加之“氣候適宜期”的穩(wěn)定溫暖環(huán)境，為碳酸鹽巖臺地的大規(guī)模發(fā)育創(chuàng)造了條件；南海快速的盆地沉降和季風(fēng)冷卻的雙重影響，觸發(fā)了晚中新世—上新世生物礁的全面收縮，僅在西沙地區(qū)高部位保存有碳酸鹽巖臺地；第四紀(jì)以來，西沙地區(qū)處于半深?！詈－h(huán)境，在構(gòu)造高部位殘存的碳酸鹽巖臺地繼續(xù)萎縮；更新世冰期—間冰期氣候旋回形成島礁上風(fēng)成生物砂屑灰?guī)r。生物礁苛刻的生長條件和對環(huán)境的敏感性，使其成為研究區(qū)域構(gòu)造演化和全球氣候變遷的重要素材。