南海西南次海盆兩側(cè)陸緣新生代構(gòu)造沉降特征及演化過程

朱榮偉，劉海齡，姚永堅，聶鑫，徐子英

1. 自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760

2. 中國科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點實驗室，中國科學(xué)院南海海洋研究所，廣州 510301

3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州)，廣州 511458

南海位于歐亞板塊、印-澳板塊和太平洋-菲律賓海板塊相互作用的交匯處，新生代經(jīng)歷了陸緣張裂、海底擴張到俯沖碰撞的復(fù)雜演化過程，被認為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[1-3]。晚白堊世后，由于太平洋板塊的后撤，南海區(qū)域應(yīng)力場由原先的壓扭性應(yīng)力場反轉(zhuǎn)為張性應(yīng)力場[4-10]，南海北部陸緣開始發(fā)生張裂作用，隨著巖石圈伸展減薄直至破裂以及南海海盆的形成，中—西沙以及南沙等微地塊與華南大陸分離并逐漸向南漂移至現(xiàn)今位置[11]。在這期間，南海地區(qū)先后發(fā)生了禮樂運動、西衛(wèi)運動、南海運動和南沙運動等4 次重要的區(qū)域構(gòu)造運動[12-14]，并且發(fā)育形成了一系列新生代裂陷盆地。然而，由于南海不同部位邊界條件和新生代以來構(gòu)造活動特征存在明顯差異[15-16]，使得南海不同部位的沉積盆地具有不同的構(gòu)造特征和演化歷史，因而精準(zhǔn)地了解各個盆地新生代構(gòu)造沉降特征及演化過程對各個盆地礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)尤為重要。

本文擬結(jié)合南海西南次海盆兩側(cè)陸緣地質(zhì)資料和多道地震剖面等地球物理資料，在地震地層解釋的基礎(chǔ)上，采用回剝法和平衡剖面技術(shù)分析西南次海盆兩側(cè)陸緣構(gòu)造沉降特征及伸展過程，以此來對比分析西南次海盆兩側(cè)陸緣的新生代構(gòu)造演化過程，以期為南海西南次海盆兩側(cè)陸緣沉積盆地的油氣和天然氣水合物的勘探開發(fā)提供重要的科學(xué)背景支持。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

依據(jù)地質(zhì)、地球物理特征，南海新生代海盆可進一步劃分為東部次海盆、西北次海盆和西南次海盆[1-3,17]。其中，西南次海盆是位于南海西南部的一個呈V 型的三角形盆地，從東北向西南方向延伸，形態(tài)由寬變窄[17]（圖1），是研究南海中—新生代構(gòu)造演化歷史和進行南海共軛邊緣對比研究的有利區(qū)域[18-19]。西南次海盆兩側(cè)發(fā)育一對非對稱的共軛陸緣，其西北緣為中—西沙地塊，東南緣為南沙地塊[20]。其中，中—西沙地塊西側(cè)以南海西緣斷裂為界，與印支半島相鄰，北側(cè)為西沙海槽和西北次海盆，東南隔西南次海盆與南沙地塊相望；南沙地塊內(nèi)部海底地形復(fù)雜，島礁分布密集，其西側(cè)以廷賈斷裂為界，東側(cè)與菲律賓巴拉望島相接，東南邊緣則是古南海的俯沖消減帶，目前只留下南沙海槽的痕跡[21]。

在構(gòu)造演化方面，南海內(nèi)散落的中-西沙地塊、南沙地塊等微地塊曾是華南大陸的一部分[11,22-28]。自晚白堊世開始，南海區(qū)域應(yīng)力場由擠壓反轉(zhuǎn)為拉張，軟流圈物質(zhì)上涌，地殼-巖石圈拉張減薄，至晚漸新世南海開始擴張，同時華南-印支地塊出現(xiàn)向洋離散作用，中-西沙以及南沙等微地塊開始向東南-南方向裂離印支-華南古陸；至中中新世，隨著南沙地塊與婆羅洲和西北巴拉望俯沖碰撞，南海擴張停止[11]。關(guān)于南海擴張期次，多數(shù)學(xué)者認為南海至少存在兩期海底擴張[1-2,29-30]，在～32 Ma 時，南海北部的西北和東部次海盆發(fā)生近N-S 向海底擴張，在～23 Ma 時，南海擴張脊向南躍遷至西南次海盆發(fā)生第二次海底擴張，并且擴張方向由近N-S 向變?yōu)镹W-SE 向，至～15 Ma 時南海擴張停止[1-2,29-30]。同時，伴隨著晚白堊世—新近紀(jì)地殼拉張減薄及周緣斷裂的伸展、走滑等作用，西南次海盆兩側(cè)陸緣形成了中建南盆地、南薇西盆地和北康盆地等為代表的新生代沉積盆地。

在地層方面，西南次海盆兩側(cè)陸緣新生代地層自下而上可識別出 Tg、T8，T7、T6、T5、T3、T2、T1及T0（海底）等多個地震反射界面（圖2）。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造運動，研究區(qū)地層自上而下可劃分為上、中、下三套構(gòu)造層。其中，上構(gòu)造層（T0—T5）為裂后的披覆沉積；中構(gòu)造層（T5—Tg）又可分為裂陷期（T6—Tg）和斷-拗轉(zhuǎn)換期（T5—T6），為新生代早期的裂陷充填沉積和局部范圍內(nèi)的披覆沉積，T6界面下伏地層表現(xiàn)為斷陷充填沉積的特點，上覆地層為斷拗充填特征[31-32]；下構(gòu)造層（Tg界面之下）為裂前沉積，該構(gòu)造層分布較局限，地層厚度相對較大，且內(nèi)部存在褶皺、逆沖斷裂等擠壓構(gòu)造變形[24-28,33-37]。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置及測線分布圖TXNB-臺西南盆地；PRMB-珠江口盆地；QDNB-瓊東南盆地；BBWB-北部灣盆地；YGHB-鶯歌海盆地；ZJNB-中建南盆地；MGB-眉公盆地；WAB-萬安盆地；NWXB-南薇西盆地；ZMB-曾母盆地；BKB-北康盆地；JZB-九章盆地；YSB-永暑盆地；ADB-安渡盆地；LYB-禮樂盆地；LYBB-禮樂北盆地Fig.1 The locations of study area and MCS profiles

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 構(gòu)造沉降量計算方法

沉降作用是盆地形成的前提條件。一般而言，沉積盆地的總沉降量主要與構(gòu)造作用、沉積物壓實、均衡作用、沉積基準(zhǔn)面變化或古水深變化等因素有關(guān)，盆地的總沉降可表述為：總沉降（基底沉降）＝構(gòu)造沉降＋（沉積物和水負載沉降＋沉積物壓實沉降＋海平面/古水深變化）[38-43]。因此，盆地的構(gòu)造沉降量可通過回剝法得到總沉降量后經(jīng)過去壓實、古水深、載荷、海平面變化等一系列校正后獲得[38]。

假設(shè)研究區(qū)的沉降機制符合艾里均衡，則某時刻載水構(gòu)造沉降Stt可表示為[38-39]：

式中，Stt為構(gòu)造沉降量，St為去壓實后的沉積厚度，Wd為古水深，ΔSL為古海平面相對于現(xiàn)今海平面的高度；ρm、ρs和ρw分別表示地幔密度、沉積物平均密度和水密度，參考前人研究成果[37-38]，本文中ρm、ρs和ρw依次取為 3.3，2.8 和 1.03 kg/m3。

有關(guān)壓實校正中孔隙度與深度的關(guān)系采用式（2）的指數(shù)形式：

圖2 南海西南次海盆兩側(cè)陸緣盆地地層柱狀圖與構(gòu)造演化簡圖 （巖性組合及沉積環(huán)境參考文獻[15-16]，地質(zhì)年代參考2018 年地層年代表[36]，全球海平面變化曲線引自文獻[37]）Fig.2 Integrated stratigraphic column showing tectonic evolution stage of the Continental marginal basins of the Southwestern Sub-basin, South China Sea

式中，φ為地層埋深y時的孔隙度；φ0為原始孔隙度；c為壓實系數(shù)，巖性不同，其取值不同；y為地層埋深。不同巖性的孔隙度、壓實系數(shù)和密度主要參考北海地區(qū)的實測結(jié)果[41]。古水深可通過對沉積相和古生物組合等的綜合分析進行估計[42-44]（表1）。海平面變化參考全球海平面變化曲線[37]，取三級層序?qū)?yīng)的海平面值，若海平面上升則減去上升量，若海平面下降則加上下降量[44]。

2.2 伸展系數(shù)、伸展量、伸展速率的計算

借助2D move 軟件中非運動學(xué)算法“單剪切去褶皺法”和運動學(xué)算法“斜剪切法”去除地震剖面中新生代地層對現(xiàn)今地質(zhì)剖面進行平衡剖面恢復(fù)，計算現(xiàn)今地質(zhì)剖面各發(fā)育時期剖面長度，在此基礎(chǔ)上求取總的伸展系數(shù)各時期伸展速率和伸展量ΔLi。在平衡剖面恢復(fù)過程中，同樣需要進行去壓實、古水深和古海平面變化等校正，其參數(shù)選取與構(gòu)造沉降計算所采用的參數(shù)相同。

表1 不同類型沉積相古水深參考值Table 1 Paleo-depth reference values for different types of sedimentary facies

伸展系數(shù)可用來表征盆地總體伸展特征，即盆地在整個斷陷發(fā)育過程中因伸展作用而引起的拉張作用累積效應(yīng)，計算公式為：

其中，L0為伸展前的剖面長度（km），L1為伸展后的剖面長度（km）。

不同沉積時期盆地的伸展情況可以用伸展量和伸展速率來衡量，計算公式分別為：

式中，Lit為第i層頂界面沉積時的剖面長度（km）；Lib為第i層底界面沉積時的剖面長度（km）；ΔTi為第i層的沉積時間（Ma）。

由于地震剖面分辨小斷層的能力有限，Walsh等（1991）指出約40%的拉張是無法通過地震剖面求得的[45]，Clift 和 Sun（2006）在研究瓊東南盆地的拉張情況時也提出小斷層引起的水平伸展最大有40%未被發(fā)現(xiàn)[46]。因此，通過地震剖面求得的拉張強度是實際拉張強度的60%，為了解決這一誤差，本文將平衡剖面計算得到的剖面長度除以60%來加以修正。

2.3 數(shù)據(jù)的選取

為了對比分析南海西南次海盆兩側(cè)陸緣沉積盆地新生代構(gòu)造沉降和伸展特征，本文選取了橫穿南海西南次海盆兩側(cè)陸緣的多道地震剖面測線NH973-3（圖 3）和 NH973-1+SO27-04 聯(lián)合剖面（圖 4），并在多道測線上選取15 個測點抽取層位信息生成偽井?dāng)?shù)據(jù)，選取其中 T0、T5、T6、T7、T8和 Tg等 6 個界面進行回剝計算，界面深度根據(jù)中海石油研究中心提供南沙地區(qū)地震波走時數(shù)據(jù)擬合成的時間-深度轉(zhuǎn)換公式的基礎(chǔ)上進行了適當(dāng)修正，公式為：

圖3 NH973-3 測線的偽井位置分布 （測線位置見圖1，剖面據(jù)文獻[47]修改）Fig.3 Distribution of pseudo-wells from the line NH973-3（The line location is shown in Fig. 1）

圖4 NH973-1+SO27-04 測線偽井位置分布（測線位置見圖1，剖面據(jù)文獻[48]修改）Fig.4 Distribution of pseudo-wells from the line NH973-1+SO27-04 （The line location is shown in Fig. 1）

式中，Y代表地層深度，單位為m；X代表雙程走時，單位為 s；Xs代表海底（T0）雙程走時，單位為 s，海水速度按照 1 500 m/s 計算。

根據(jù)這些偽井的構(gòu)造沉降量計算結(jié)果繪制了構(gòu)造沉降曲線（圖5），以及各偽井不同時期的構(gòu)造沉降量和沉降速率（圖5 和圖6）以及不同時期的伸展系數(shù)、伸展量、伸展速率（圖7）。

3 結(jié)果

3.1 兩側(cè)陸緣新生代構(gòu)造沉降特征

由南海西南次海盆南北兩側(cè)陸緣測線上偽井生成的構(gòu)造沉降曲線圖可知（圖5），西南次海盆兩側(cè)陸緣的構(gòu)造沉降曲線特征不同于典型被動裂陷盆地構(gòu)造沉降曲線的兩段式，均表現(xiàn)為裂谷初始期曲線斜率平緩，裂谷強烈期和末期曲線斜率較陡，斷-坳轉(zhuǎn)換期和坳陷期曲線斜率又回歸相對平緩的反“S”形的多段式特征。根據(jù)南海西南次海盆兩側(cè)陸緣構(gòu)造沉降的周期性變化，可將西南次海盆兩側(cè)陸緣構(gòu)造沉降過程劃分為5 個沉降幕（圖5，圖6）。

圖5 NH973-3 測線（a）和 NH973-1+ SO27-04 測線（b）偽井構(gòu)造沉降曲線Fig.5 Tectonic subsidence curve of the pseudo-wells from the lines NH973-3 （a） and NH973-1+ SO27-04 （b）

圖6 NH973-3 測線（a）和 NH973-1+SO27-04 測線（b）各偽井不同地質(zhì)時期構(gòu)造沉降速率Fig.6 Tectonic subsidence rates of the pseudo-wells from the lines NH973-3 （a） and NH973-1+ SO27-04 （b）in different geologic periods

圖7 南海西南次海盆南北兩側(cè)陸緣伸展系數(shù)、拉張量和拉張速率變化Fig.7 Variation of the extension coefficient, extension amount and the extension rate of the continental margins of the southwest sub-basin, South China Sea

3.2 兩側(cè)陸緣新生代伸展特征

根據(jù)南海西南次海盆兩側(cè)陸緣測線（NH973-3 測線和NH973-1+SO27-04 測線）各時期的伸展特征（伸展系數(shù)、伸展量和伸展速率）（圖7），可將西南次海盆兩側(cè)陸緣新生代伸展過程劃分為5 個階段：初始裂陷期，65～38.5 Ma），裂陷強烈期38.5～32.0 Ma），裂陷末期32.0～23.0 Ma），斷-拗轉(zhuǎn)換期23.0～15.5 Ma），裂后熱沉降期15.5～0 Ma）。

西南次海盆兩側(cè)陸緣測線各時期的伸展系數(shù)變化結(jié)果表明（圖7），兩側(cè)陸緣新生代拉張作用主要發(fā)生于裂陷期，其中北側(cè)陸緣在新生代呈持續(xù)伸展?fàn)顟B(tài)，且總伸展系數(shù)大于南側(cè)陸緣，其值高達約1.92，暗示了北側(cè)陸緣深部構(gòu)造活動較劇烈，巖石圈減薄程度要大于南側(cè)陸緣。南側(cè)陸緣的伸展系數(shù)在漸新世末期（23.0 Ma）達到最大，隨后，出現(xiàn)較低幅度減小的現(xiàn)象，表明南側(cè)陸緣在漸新世之后，南側(cè)陸緣地殼發(fā)生一定程度的擠壓增厚現(xiàn)象，這可能與早中新世期間，西南次海盆擴張，古南海俯沖殆盡，南部陸緣與婆羅洲發(fā)生碰撞這一構(gòu)造運動有關(guān)。

西南次海盆兩側(cè)陸緣測線各時期的伸展速率和伸展量變化結(jié)果表明（圖7），兩側(cè)陸緣拉張速率和拉張量的高峰期均出現(xiàn)于裂陷強烈期時期），而西南次海盆兩側(cè)陸緣構(gòu)造沉降高峰期并未出現(xiàn)在陸緣裂陷強烈期，而是出現(xiàn)在陸緣裂陷末期時期），具有一定的延遲滯后性。受西南次海盆擴張和古南海俯沖碰撞影響，南側(cè)陸緣伸展速率和伸展量在晚漸新世末期之后發(fā)生大幅度的減小，并且在早中新世沉積期間出現(xiàn)負值現(xiàn)象。

4 討論

4.1 兩側(cè)陸緣構(gòu)造沉降作用延遲機制探討

南海西南次海盆兩側(cè)陸緣構(gòu)造沉降特征和伸展特征分析結(jié)果表明，西南次海盆兩側(cè)陸緣構(gòu)造沉降高峰期與伸展裂陷作用高峰期不對應(yīng)，具有一定的延遲滯后性。關(guān)于構(gòu)造異常沉降，前人提出了許多成因機制，如深部熱異常[42,50-51]、巖漿活動[4]、巖石圈強度[38]、巖石圈分層伸展差異[38,42]以及沉積物負載引起的下地殼流[52]等。

徐行等（2018）通過分析南海西南次海盆及其相鄰陸緣的87 個有效地?zé)崃鲾?shù)據(jù)以及一些測站沉積物熱導(dǎo)率、生熱率等實測地?zé)釁?shù)[53]，結(jié)果顯示西南次海盆南北兩側(cè)陸緣平均熱流值分別為79±15.5 Mw/m2和 78±15.6 Mw/m2，表明西南次海盆兩側(cè)陸緣不存在深部熱異常。通過分析前人有關(guān)西南次海盆兩側(cè)陸緣深部構(gòu)造特征結(jié)果可知[30,54-55]，西南次海盆兩側(cè)陸緣上地殼中存在許多張性正斷層，部分?jǐn)鄬酉蛳陆嵌茸兊?，為梨式正斷層，這些斷層多收斂于同一滑脫面上，形成拆離斷層；而下地殼中多發(fā)生塑性變形，形成“布丁構(gòu)造”，且南部陸緣伸展因子計算結(jié)果表明南部陸緣在縱向上的伸展不均一，其上地殼脆性伸展因子與全地殼伸展因子之間存在較大差異[32,56]。這種上地殼與全地殼的伸展減薄程度不一致現(xiàn)象在南海珠江口盆地、瓊東南盆地等地區(qū)均有發(fā)現(xiàn)[56-58]。綜合以上分析，可初步判斷南海西南次海盆兩側(cè)陸緣巖石圈的伸展與深度相關(guān)，即其上、下地殼的伸展減薄程度存在差異。這種巖石圈分層的差異可能導(dǎo)致西南次海盆兩側(cè)陸緣的構(gòu)造沉降在裂陷強烈期沉降不足，存在明顯虧損，后期的快速沉降可能是對前期沉降虧損的補償。

4.2 兩側(cè)陸緣構(gòu)造沉降對南海形成演化過程的響應(yīng)

本文研究結(jié)果表明南海西南次海盆兩側(cè)陸緣構(gòu)造沉降與南海形成演化過程緊密相關(guān)，受到南海陸緣伸展和南海西緣斷裂走滑活動等因素的復(fù)合影響。

在古新世—中始新世沉積期間，西南次海盆兩側(cè)陸緣位于華南大陸南部，屬于華南大陸的一部分[11,22-25]。此期間南海陸緣開始張裂，兩側(cè)陸緣基底受區(qū)域拉張作用的影響形成了一系列塹壘構(gòu)造，由于拉張作用和地殼性質(zhì)的不均一性，局部地區(qū)強烈伸展并且快速沉降，形成沉降中心并開始接受沉積。

至晚始新世—早漸新世，斷裂活動強度增大，伸展作用進一步加強，伸展速率和伸展量在此階段達到高峰，兩側(cè)陸緣構(gòu)造沉降量也快速增大。由于在古新世至早漸新世期間西南次海盆兩側(cè)陸緣并未分離，因此在晚漸新世前南海西南次海盆兩側(cè)陸緣的平均構(gòu)造沉降速率并未表現(xiàn)出較大差異。

晚漸新世沉積期間，南海北部開始海底擴張[1,2,26-27]，西南次海盆兩側(cè)陸緣的伸展速率和伸展量較上一時期均有所減小，但西南次海盆兩側(cè)陸緣構(gòu)造沉降速率在此階段均達到高峰，并且由于西南次海盆兩側(cè)陸緣巖石圈的分層差異伸展以及南海西緣斷裂的右旋走滑活動造成西南次海盆兩側(cè)陸緣的平均構(gòu)造沉降速率開始出現(xiàn)較大差異。從構(gòu)造沉降速率結(jié)果可知，該時期是西南次海盆兩側(cè)陸緣沉積盆地的主要形成期。同時，位于北側(cè)陸緣由于受到南海西緣斷裂右旋走滑活動改造的影響而形成與走滑-伸展作用相關(guān)的中建南盆地。

早中新世沉積期間，西南次海盆開始發(fā)生海底擴張[1,2,26-27]，西南次海盆兩側(cè)陸緣進入斷-拗轉(zhuǎn)換沉降期，兩側(cè)陸緣伸展速率和伸展量表現(xiàn)為快速減小，并且受西南次海盆擴張和古南海向婆羅洲地塊俯沖碰撞影響，南側(cè)陸緣遭受擠壓[1,2,18,35,56]，伸展速率和伸展量出現(xiàn)負值。此階段, 西南次海盆南側(cè)陸緣因受到擠壓碰撞改造的影響而形成北康盆地、南薇西盆地等相關(guān)的伸展-撓曲復(fù)合型盆地。

中中新世至今，西南次海盆擴張停止，西南次海盆兩側(cè)陸緣大部分?jǐn)嗔淹Ｖ够顒?，北?cè)陸緣伸展速率和伸展量繼續(xù)減小，南側(cè)陸緣伸展速率和伸展量略微增大，兩側(cè)陸緣構(gòu)造沉降進入熱穩(wěn)定沉降期。

5 結(jié)論

（1）南海西南次海盆兩側(cè)陸緣的構(gòu)造沉降曲線特征不同于典型的被動陸緣裂陷盆地構(gòu)造沉降曲線的兩段式，均表現(xiàn)為裂陷初始期曲線斜率平緩，裂陷強烈期和末期曲線斜率較陡，斷-拗轉(zhuǎn)換期和拗陷期曲線斜率又回歸相對平緩的反“S”形的多段式特征。

（2）南海西南次海盆兩側(cè)陸緣的構(gòu)造沉降高峰期與兩側(cè)陸緣伸展裂陷高峰期不對應(yīng)，具有一定的延遲滯后性，造成此現(xiàn)象的原因可能與西南次海盆陸緣巖石圈的分層差異伸展及晚漸新世南海西緣斷裂的右旋走滑活動有關(guān)，并且該時期南海西緣斷裂的右旋走滑活動導(dǎo)致西南次海盆兩側(cè)陸緣的構(gòu)造沉降中心向南遷移以及兩側(cè)陸緣構(gòu)造沉降速率出現(xiàn)較大差異。

（3）南海西南次海盆兩側(cè)陸緣沉積盆地的主要形成期為晚漸新世，北側(cè)陸緣在晚漸新世因受南海西緣斷裂右旋走滑活動的改造影響而形成伸展-走滑相關(guān)的沉積盆地，南側(cè)陸緣在早中新世因受到擠壓碰撞改造影響而形成伸展-撓曲復(fù)合型的沉積盆地。