珠江口盆地白云凹陷新生代構造-熱演化模擬

胡杰， 龍祖烈， 黃玉平， 張林友， 胡迪， 王一波， 胡圣標*

1 中國科學院地質與地球物理研究所， 巖石圈演化國家重點實驗室， 北京 100029 2 中國科學院地球科學研究院， 北京 100029 3 中國科學院大學， 北京 100049 4 中海石油深海分公司， 廣東 深圳 518000 5 中國地質調查局水文地質環境地質調查中心， 河北 保定 071051 6 油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室， 長江大學地球科學學院， 武漢 430100

0 引言

珠江口盆地是南海北部最大的中新生代沉積盆地，因為良好油氣勘探前景，其新生代以來的構造-熱演化過程一直備受中外學者關注.Nissen等(1995)利用純剪—單剪模型，討論了南海北部大陸邊緣的拉張機制，提出純剪切模型在解釋南海大陸邊緣大尺度張裂過程上優于單剪模型，而這兩種端元的聯合使用則可能會更好地解釋南海大陸邊緣的拉張變形(Nissen et al., 1995).Clift和Lin(2001)通過分析珠江口盆地與北部灣盆地30口鉆井的構造沉降數據，指出南海北部巖石圈是不均一拉張的(地殼拉張強于地幔拉張)(Clift and Lin, 2001).Shi等(2005)和趙中賢等(2010)研究了珠江口盆地的異常沉降現象，認為異常沉降與17 Ma左右的短期高速沉積速率有關(Shi et al., 2005; 趙中賢等, 2010).張云帆等(2014)通過計算白云凹陷的拉張因子，推測在23.8和13.8 Ma兩個時期，下地殼伸展及流動引起的盆地沉積沉降作用是控制陸架坡折發育位置的一個重要因素(張云帆等, 2014).He等(2017)通過對珠江口盆地的構造沉降研究識別出兩期快速的沉降，分別對應南海洋脊躍遷和臺灣的弧陸碰撞(He et al., 2017).但目前針對白云凹陷的構造-熱演化模擬并不多，且前人的研究主要集中在構造沉降，對其基底熱流史涉及較少，而基底熱流對探討盆地構造背景及指導油氣勘探有重要意義.

構造-熱演化模擬是一種巖石圈尺度的研究盆地熱史的方法，不僅可以恢復盆地基底熱流史，還可得到不同時期的應變速率及拉張系數，以探討盆地演化的地球動力學背景.構造-熱演化模擬能擺脫樣品數量限制，對研究區不同區域進行對比.白云凹陷地層完整、研究程度高，大量鉆井、地震剖面和熱流數據為構造-熱演化模擬提供了充足的基礎數據(Dong et al., 2009; Shi et al., 2017; Tang et al., 2014) .

本文收集了白云凹陷最新的三維地震剖面、鉆井巖性數據，選取6條地震解釋剖面通過多期非瞬時伸展模型進行構造-熱演化模擬，獲得了白云凹陷新生代各裂陷幕的構造沉降，進而預測了盆地基底熱流的演化史，在此基礎上對比了白云凹陷各區域拉張強度和構造-熱演化的時空差異性.研究成果可為探討盆地構造演化及深部動力過程提供啟示，并可指導油氣勘探.

1 地質背景

珠江口盆地位于南海北部被動大陸邊緣，其構造格局具有明顯“東西分塊，南北分帶”特征，呈現典型“三隆兩坳”地形(吳景富等, 2013; 張健和宋海斌, 2001).珠江口盆地的構造演化與南海擴張密切相關，總體上，經歷了裂前期、裂陷期、斷拗轉換期、拗陷期4個發育階段，各個階段發生多幕構造運動，其中包括神狐運動、珠瓊運動一幕、珠瓊運動二幕、南海運動、白云運動和東沙運動，最終盆地由早期分散分布的地塹、半地塹相互連通、擴展形成現今地貌(Hou et al., 2019;呂寶鳳 等, 2012; 廖杰等, 2011; 張功成, 2010; 趙陽慧, 2016).珠江口盆地現今大地熱流平均 71.5±13.4 mW·m-2，地溫梯度平均37.87±7.35 ℃·km-1，屬于典型“熱盆”，其中白云凹陷大地熱流平均值為 76 mW·m-2(Jiang et al., 2016，2019; 唐曉音等, 2014).珠江口盆地的熱流分布格局具有北低南高的特點，整體受地殼減薄控制，局部受到熱流體及巖漿作用影響(唐曉音等, 2018; 饒春濤和李平魯, 1991) .

圖1 珠江口盆地構造圖及相關鉆井Fig.1 Geological map of PRMB and the boreholes

圖2 珠江口盆地新生代地層柱狀圖，CR，MI和KO分別代表Cramer等(2009), Miller等(2011) and Kominz 等(2008)Fig.2 Generalized Cenozoic stratigraphic column. CR, MI and KO denote Cramer et al. (2009), Miller et al. (2011) and Kominz et al. (2008), respectively

白云凹陷位于珠江口盆地南部珠Ⅱ坳陷，水深大部分為500～1500 m，地殼厚度為18～28 km，從北到南厚度減薄(衛小冬等, 2011).凹陷西接云開低隆，東鄰東沙隆起，北接番禺低隆，南連荔灣凹陷，整體為東西走向(唐曉音等, 2016; 朱偉林, 2010).白云凹陷中心新生代沉積厚度可達13 km, 是盆地的沉降中心及沉積中心.其中，古新世一漸新世早期為湖泊充填期；漸新世晚期(珠海組沉積時)的海侵事件沉積了海相砂泥巖；早中新世珠江組下部為海相沉積；珠江組沉積晚期的再次海侵形成了開闊淺海，此后以泥質沉積為主(能源等, 2013; 張功成, 2010; 趙陽慧, 2016).

2 模擬方法及基礎數據

2.1 構造沉降恢復

本文使用回剝法(Backstripping)來恢復構造沉降.回剝技術是根據沉積壓實原理法則，在保持地層骨架厚度不變的條件下，以盆地內地層分層為基礎，按地質年齡從新到老把地層逐層剝去，從而恢復每個時代末所有沉積地層的形態及古厚度(Clift and Lin, 2001; Sclater and Christie, 1980).該方法需要進行四種校正：(1)脫壓實校正；(2)沉積物負荷校正；(3)古水深、古海平面校正(Allen and Allen, 2013).

(1) 脫壓實校正

在正常壓實情況下，孔隙度和深度關系服從指數分布：

φ=φ0e-cz，

(1)

脫壓實校正中假設巖石的體積分為兩部分：一是骨架顆粒Vs，認為在壓實過程中保持不變；二是孔隙體積Vh，隨著沉積壓實厚度呈指數降低，方程(2).

(2)

單位體積骨架占據的厚度表示為

(3)

方程式中，y1、y2：所回剝地層的頂界與底界；Vs：巖石骨架厚度；φ：地層的孔隙度.

按照假設，當巖石回剝到新的深度D′(y′2,y′1為上下層深度)時，其骨架厚度不變，僅孔隙度發生了膨脹，進一步展開求積分，即有

(4)

對上式采用數值求解的方式不斷迭代，即可得到去壓實的每一沉積時期內的地層沉積厚度和深度信息.

(2) 沉積物負載校正

根據均衡原理，沉積物的負載沉降量可以表述為

(5)

式中，S*為巖層去壓實后的地層厚度，ρs為盆地沉積層的平均密度，ρm為地幔密度，ρw為水的密度.

(3) 古水深、古海平面校正

古水深類似于沉積物負載，同樣會導致附加的沉降值，其大小表示為

(6)

其中，ΔSL：相對現今海平面，古海平面的高程.

經校正后的構造沉降量可表示：

(7)

其中，Y：構造沉降量；S′：壓實校正后的沉積物厚度；ρm：上地幔密度；ρs：沉積物垂向平均密度；ρw：水的密度；Wd伸展時古水深.

本次研究采用中海油深圳提供的六口實鉆井砂泥比值，同時參考珠江口盆地沉積相及基底巖性資料進行賦值(表1).

表1 白云凹陷地層巖性綜合統計表Table 1 Statistical table of lithology in the Baiyun Sag

孔隙度隨深度變化關系采用指數形式.不同巖性的孔隙度、壓實系數使用He等(He et al., 2017).

表2 白云凹陷砂、泥巖初始孔隙度及壓實系數Table 2 Initial porosities and compaction factors for sandstone and mudstone in Baiyun Sag

對于深水盆地而言，古水深估算是構造沉降中的一個決定性的因素.此次研究，我們先在白云凹陷各區域選取資料豐富的井作為控制井，確定其各時期古水深，再通過插值獲得整個區域古水深.中海油深圳分公司根據測井資料和地震層序研究得到的沉積相系統圖和鉆井樣品的古生物資料，是本次研究古水深的主要依據.一般來說，沖積-河流相沉積可忽略水深，濱-淺海水深20～200 m，上陸坡 200～500 m左右，陸坡至深海平原的濁積相沉積>500～2000 m(Allen and Allen, 2013; Xie et al., 2014; 龔再升等, 2004).裂陷期主要為陸相及洋陸過渡相，古生物豐富、古水深小且容易確定，對構造沉降影響也小.所以本次研究主要難點在裂后古水深.ODP 1148現今水深3294 m，Zhao(2005)指出古水深從32.8 Ma開始增長至今，中中新世(14 Ma)之后水深達到2500到3500 m, 超過現今水深的76%(Zhao, 2005).另外根據中海油深海分公司內部的最新研究成果，認為13.8 Ma以后陸架坡折一直維持在白云凹陷北側，與今天的位置基本一致，白云凹陷處于陸坡深水環境(Zhang et al., 2013; 柳保軍等, 2019).因此，我們斷定白云凹陷古水深陡增發生在14 Ma之前，并結合沉積學資料和海底地形，確定了白云凹陷的水深演化.

2.2 伸展模型

本文基于多期次非瞬時伸展模型(Chen, 2014; He et al., 2001)，在模型中我們假設巖石圈水平方向上的伸展導致垂向上的減薄，熱的軟流圈物質上涌補償缺失的巖石圈，溫度場隨之升高，伸展結束后由于熱衰減導致盆地熱沉降(Jackson et al., 2008; McKenzie, 1978).伸展過程中巖石圈的溫度場主要受控于平流傳熱，即軟流圈上涌，而在伸展結束后巖石圈溫度場的演化依賴于傳導傳熱作用，即熱沉降(He et al., 2001; 張林友等, 2016; 袁玉松等, 2009).熱傳導方程采用質點網格有限差分法求解，相對以往的模型有了更高的精度，同時可以實時追蹤模型中任何質點的溫度、壓力以及速度演化信息(Duretz and Gerya, 2013; Gerya, 2009).

巖石圈溫度場通過求解瞬時熱傳導方程來獲得，平流項由質點移動來實現(Gerya, 2009)，方程(8)可簡化為方程(9)：

(8)

(9)

其中，v為速度，k為熱導率，κ為熱擴散系數，ρ為密度，Cp為比熱，A為生熱率.

在得到溫度場信息后，盆地伸展導致的理論構造沉降量ys由艾瑞均衡獲得：

(10)

(11)

在做反演計算時，通過不斷地調整伸展速率建立不同的沉降曲線(Hmod)，并與回剝得到的構造沉降曲線(Hbackstripping)對比，尋找使兩者最接近的伸展速率.本次研究使用misfit(所有對比年齡點Hmod與Hbackstripping差的絕對值)來描述其相似度，那么上述問題轉化為對misfit進行最優化，求取其最小值對應的伸展速率，并以此計算熱史.本文使用最小二乘序列二次規劃SLSQP(Sequential Least Squares Programming)(Kraft, 1988)作為最優化算法來實現上述過程，其目標函數為

(12)

其中Hbackstripping為觀察到的構造沉降史，Hmod為模擬得到的構造沉降史，i為對比年齡點，n為對比年齡點數目.

在此次研究中模型上邊界為恒溫(0 ℃)，模型下邊界固定在90 km, 溫度保持在1300 ℃，初始溫度場根據穩態熱傳導方程計算得到.由于南海北部大陸邊緣構造演化復雜，通過珠江口盆地鉆遇的基底花崗巖樣品的地球化學分析，揭示它們形成于一個安第斯型的大陸弧構造背景(Holloway, 1982).因此巖石圈拉張開始前的巖石圈厚度并不一定為前人普遍使用的125 km(McKenzie, 1978)，巖石圈極有可能在拉張開始前就經歷過減薄.因為構造沉降對初始巖石圈厚度、初始地殼厚度相對敏感，在使用多組初始地殼及巖石圈厚度值進行試算之后，將沿各剖面的現今熱流及地殼厚度 (OBS1993剖面，(Yan et al., 2001))作為約束，最終將初始地殼厚度設置為28 km，其中上地殼17 km，下地殼11 km，初始巖石圈厚度90 km.地殼深部熱物性參數未有實測數據，巖石熱物性(生熱率和熱導率)10%的偏差將造成總構造沉降及熱流1%和3%的不確定(劉瓊穎和何麗娟, 2019)，因此本次模擬熱物性采用普適性參數.通過在熱傳導方程中提高熱導率以等效模擬軟流圈對流的熱效應(劉瓊穎和何麗娟, 2015)，通過多次試算，認為白云凹陷等效熱導率設置為6 W·(m·k)-1比較合理，模型中使用的參數如表3.

表3 地殼、巖石圈和軟流圈的初始厚度及模型中使用的熱物性參數Table 3 Initial thickness of crust, lithosphere and asthenosphere and thermal property values and used in the modelling

2.3 模擬虛擬井選點

本次研究在白云凹陷共收集選取6條側線(圖3)，并識別出T30(5 Ma)，T32(10 Ma)，T35(13.82 Ma)，T40(15.97 Ma)，T50(19.1 Ma)，T60(23.03 Ma)，T70(33.9 Ma)，T80(38 Ma)，WCSB4(41 Ma)，Tg(47.8 Ma)地震反射界面.本次選點為達到更好的擬合效果，僅選擇構造沉降較大人工井.同時為簡化模擬計算過程，本次模擬未考慮剝蝕.主要選擇根據中海油深海分公司提供的古水深以及巖性數據，共建立人工井 84口，并計算其構造沉降及熱流史.

圖3 白云凹陷剖面位置圖，紅點為人工井位置，等值線圖代表白云凹陷基底深度(m)Fig.3 Location of modeling profile in Baiyun Sag, the red points represent the artificial wells, the contour map indicates the depth of Tg in (m)

3 模擬結果

3.1 構造沉降特征

通過對白云凹陷84口虛擬井的模擬，得出白云凹陷始新世以來主要存在兩期快速沉降，并且構造沉降具有明顯的東、西差異.兩期快速沉降分別發生在始新世(47.8～33.9 Ma)與中新世(23.03～13.82 Ma).并且不同區域拉張因子各不相同，總體呈現北低南高，中間高、邊緣低.白云西洼第一期拉張強，拉張因子約1.4～1.6；第二期拉張因子約1.2～1.3，總體拉張因子1.8～2.0.白云東洼第一期拉張弱，拉張因子1.1～1.2；第二期1.3～1.4，總體1.6左右.白云主洼中心拉張因子最高，最大可達到3.5以上，第一期1.6～1.7，第二期1.9～2.1，總體3左右.白云南洼第一期拉張弱，拉張因子1.1～1.3，第二期強1.6～1.7，總體2左右.

3.2 基底熱流史及其特征

白云凹陷存在兩期拉張過程，第一期拉張自始新世 (47.8～33.9 Ma)，強烈裂谷作用，其中白云西洼和主洼拉張強，凹陷中心古基底熱流快速上升至～82 mW·m-2.第二期拉張中新世(23～13.8 Ma)，此次拉張在白云凹陷南部更強烈，白云凹陷主體在13.8 Ma達到最高古基底熱流，其中白云主洼中心最高古基底熱流～100 mW·m-2，此后進入冷卻階段，古基底熱流值緩慢下降、逐漸接近穩態.白云凹陷都在13.8 Ma達到最高古熱流，只是不同區域因為拉張強度不同導致熱流值存在差異.白云凹陷南部現今超過80 mW·m-2的基底熱流也一定程度反映第二期的強烈的拉張作用.

4 討論

4.1 深部變形的機制

在伸展過程中，地殼變形受控于伸展強度、地殼溫度場和地殼厚度(Choi et al., 2013; Lavier and Buck, 2002; McIntosh et al., 2014).Clift等(2002)認為白云凹陷為非均一拉張，地殼拉張強度大于地幔，且可能存在下地殼流(Clift et al., 2002).張云帆等(2014)認為白云凹陷的初始流變結果為減薄型地殼，下地殼的韌性伸展變形占總伸展變形更高的比例(張云帆等, 2014).但是前人在討論白云凹陷伸展時常忽略高速層(HVL)的影響.Zhao等(2010)通過對比Vp/Vs，認為珠江口盆地下地殼的成分為鎂鐵質，高速層為輝長質(Gabbro)(Zhao et al., 2010).Hu等(2020)以此計算流變學強度，得出現今珠江口盆地下地殼主體處于脆性域，不太可能發生韌性變形，而高速層強度低且處于韌性域(Hu et al., 2020).如此看來，前人研究的下地殼韌性層有可能為高速層.Wan等(2017)研究表明洋陸轉換帶(OCT)的HVL是與伸展相關的新生代巖漿活動造成的(Wan et al., 2017).考慮巖漿作用的時間，現今的測年顯示玄武巖火山活動幕在約56～38 Ma，早于南海海底擴張(～33 Ma)(Wang and Shu, 2012; 鄒和平, 1993).由此第一期拉張過程極有可能與高速層形成同期.在伸展過程中，形成高速層的巖漿作用通過平流作用將深部熱帶入地殼，極大地改變了地殼的溫度場.Moho面溫度升高，下地殼可能落入韌性域，流動性增強，脆性上地殼的高角度正斷層數量也減少.同時，上下地殼較大的流動性差異可能造成在拉張過程中上下地殼的解耦，既不均一拉張.而在第二期(～23 Ma)拉張開始前，白云凹陷下已經存在3～5 km厚度高速層.根據Hu等 (2020)的研究高速層現今強度弱易發生韌性流動，那么在第二期拉張時期，因為更大的深度，理論上處于比現今更高的溫度，應該具有與現今相當甚至更高的流動性 (Hu et al., 2020; 施小斌等, 2000).那么“軟弱”的高速層將極大地增加地殼中韌性厚度的比例，在裂后期當沉積速率很大時, 由于深部對地表過程即沉積物的加載的響應，韌性層在容納形變的過程中會發生橫向流動, 從而造成裂谷的進一步沉降(Li et al., 2019; Tetreault and Buiter, 2018).理論上，HVL的橫向流動遵循體積守恒的地殼均衡，也會造成軟流圈上拱，在我們的模型中，對計算結果影響主要來自于其物性參數與下地殼的差異，但如前所述10%的熱物性差異對構造沉降和熱流影響為1%和3%(劉瓊穎和何麗娟, 2019)，因此其對基底熱流的絕對值影響并不會很大，相對值和趨勢是可靠的.

4.2 裂后異常沉降

白云凹陷新生代沉降特征表現為“北低南高，中間高、邊緣低”的特征.“中間高，邊緣低” 主要由始新世強烈裂谷作用造成的，裂谷作用從中央到邊緣逐漸減弱.而“北低南高”的格局為裂后異常沉降導致，在南部深水區，存在更大的裂后沉降.白云凹陷中新世(約23～13.8 Ma)可以發現明顯的快速沉降.此次沉降可以大致與前人的研究對應，包括Clift和Lin(2001)關于珠江口盆地淺水區研究中的12～14 Ma的event 3(Clift and Lin, 2001)；Shi等(2005)研究中18.5～15.1 Ma的短期快速沉降(Shi et al., 2005)；Liao等(2011)白云凹陷研究中17.5～13.8 Ma的快速沉積事件(Liao et al., 2011)；Chen(2014)白云凹陷中17.5～10.5 Ma的快速裂后沉積(Chen, 2014)；He等(2017)中的第一期裂后快速沉積(He et al., 2017).此次沉降由北到南逐漸增強，但并沒有接受巨厚的沉積而是造成古水深的陡增.構造沉降誤差主要來源于初始孔隙度、壓實系數、古海平面和古水深矯正.其中古水深的不確定是造成白云凹陷構造沉降不確定的主要因素，特別是在白云凹陷南部(現今水深超過2000 m)(Higgs et al., 1999).因此不同學者對白云凹陷裂后沉降時間的差異極有可能來源于古水深的差異.關于裂后異常沉降的原因有多種，Clift和Lin(2001)和Chen(2014)認為是重啟的輕度的伸展或裂谷作用(Chen, 2014; Clift and Lin, 2001)；Shi等(2005)使用巖漿侵位來解釋其17 Ma的快速沉降(Shi et al., 2005)；Liao等(2011)推薦沉積負載造成的下地殼流來解釋裂后期的異常沉降，因為巖漿侵位不足以造成如此規模的沉降(Liao et al., 2011)；He等(2017)將異常沉降與白云運動聯系，提出坡折帶的躍遷是造成白云凹陷異常沉降的原因，但并沒有解釋其動力學機制(He et al., 2017).Xie等(2006)提出地幔動力地形來解釋此異常沉降，得出40 Ma以來造成約300 m的異常沉降，但也無法完全解釋深水區的巨大沉降(Xie et al., 2006).地幔動力地形是由板片俯沖擾亂地幔流造成的(Bertelloni and Gurnis, 1997; Burgess et al., 1997)，白云凹陷中生代處于俯沖帶邊緣，所以其在新生代繼承了中生代形成地幔動力地形(Zhou et al., 2006).而裂后異常沉降主要發生于～23 Ma到13.8 Ma，且未找到明顯證據支持裂前形成的地幔動力地形在裂后短暫的時間窗口快速作用.因此，地幔動力地形不太可能是裂后異常沉降的主要原因.此次沉降起始時間～23 Ma與南海洋脊躍遷(24～26 Ma)相近(Briais et al., 1993)，終止時間(～13.8 Ma)與南海停止擴張時間(～15 Ma)接近(Taylor and Hayes, 1983).我們推測南海擴張極有可能是裂后異常沉降的驅動力，白云凹陷此時處于伸展背景，伸展作用是造成異常沉降的主要原因.同時結合上小結論述，裂陷期形成的高速層可產生“下地殼流”，其也可產生相當的異常沉降.綜上，裂后的異常沉降可能是重啟的伸展作用與“下地殼流”共同造成的.

圖4 白云凹陷各剖面人工井的構造沉降曲線Fig.4 Tectonic subsidence evolution curves of artificial wells for the profiles in Baiyun Sag

圖5 白云凹陷各剖面人工井的基底熱流史,色標與圖4對應Fig.5 Basal heat flow history of artificial wells for the profiles in Baiyun Sag, same color in Fig.4

5 結論

1)新生代期間，白云凹陷的總拉張因子為1.4～3.5.第一期拉張被巨厚的裂陷期沉積物記錄，第二期拉張造成古水深陡增，達到1000～2000 m；

2)白云凹陷基底熱流經歷兩次增高事件，新生代初期(47.8 Ma)初始熱流為55 mW·m-2；第一期(47.8～33.9 Ma)增溫后熱流處于60～81 mW·m-2，平均～68 mW·m-2；第二期(23.8～13.82 Ma)達到最高古熱流，熱流區間73～100 mW·m-2，平均～80 mW·m-2；

3)白云凹陷拉張中心在始新世位于白云西洼和白云主洼，在中新世位于白云主洼和白云南洼；

4)裂后異常沉降可能由重啟的伸展作用和高速層引起的“下地殼流”共同控制的.

致謝感謝三位審稿專家提出的建設性修改意見,研究過程中得到中國地質科學院地質力學所唐曉音老師、中海油深圳分公司楊學奇工程師意見及幫助，在此表示感謝！