鄭金云,代一丁,劉軍,龐雄,任建業,董明
1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518054 2.中國地質大學海洋學院,湖北 武漢 430074
南海是全球最大的邊緣海之一,位于歐亞、印度-澳大利亞及太平洋三大板塊的交匯處,夾于西部的特提斯構造域和東部的太平洋構造域之間,并經歷了由中生代主動大陸邊緣到新生代被動大陸邊緣的轉換[1]。受新生代的陸緣張裂的控制,在其周緣形成了多個沉積盆地,但不同邊緣的構造動力學機制存在顯著差異,如南、北兩側為張裂(被動)型邊緣,而東側為俯沖(主動)型邊緣,西側為剪切(轉換)型邊緣,所形成的裂陷盆地的結構、沉積充填特征各具特色,一直是國內外學者研究和爭論的熱點。其中,南海北部邊緣分布有瓊東南、珠江口、臺西南等沉積盆地,并獲得了大量的油氣發現,尤其是在珠江口盆地和瓊東南盆地的深水區(見圖1)。因此,研究其盆地的形成演化過程、成因機制,對于深刻認識其石油地質特征具有重要意義。

圖1 南海北部陸緣盆地分布圖Fig.1 Distribution map of continental margin basins in the northern South China Sea
近年來,基于大西洋兩岸被動陸緣巖石圈結構、伸展破裂過程等科學研究領域獲得重要進展,建立貧巖漿型和富巖漿型伸展破裂模式,并認識到延伸至地殼內的低角度拆離斷層對巖石圈的伸展薄化具有重要作用,且巖石圈結構及其流變性質從根本上控制了伸展過程中應變的集中、變形的遷移和轉換,進而控制著裂陷盆地的形成和演化[2-5]。珠江口、瓊東南盆地的研究和勘探實踐表明,陸架淺水區與深水區盆地的結構、沉積充填、地溫梯度等基礎石油地質條件均存在明顯差異[6-8];陸架淺水區凹陷以高角度斷層控制的箕狀半地塹、對稱或不對稱地塹為主,與中國東部陸內典型斷陷盆地具有可比性。然而深水區普遍發育大型拆離斷裂系統控制的大型寬深斷陷,部分具有拗陷的特征。顯然,兩者所經歷的伸展破裂過程及其成因機制必然不同。因此,必須從陸緣巖石圈伸展破裂過程和成因機制的角度,深入分析深部構造變形與沉積盆地形成演化的耦合關系,而陸緣巖石圈結構及其耦合的構造變形特征是關鍵,尤其是深水和超深水區盆地。
筆者以南海北部陸緣珠江口盆地積累的大量船測重力、磁力以及地震數據為基礎,基于重磁震聯合反演所獲得的地殼巖石圈結構特征,在前人研究成果的基礎上,結合大量地震數據所展示的構造變形樣式、地層充填與改造特征,系統分析了該區地殼巖石圈結構及其新生代伸展變形的差異性,并探討了其成因機制,為該區陸緣張裂特征的研究及深水區裂陷盆地成盆機制的研究提供了借鑒。
越來越多的研究結果表明,南海北部陸緣地殼巖石圈結構由陸到海、由東到西具有較大差異。根據地震層析反演結果,認為以珠江口外一條NNW向巖石圈斷裂(推測為北衛灘斷裂帶)為界,東部和西部巖石圈結構差別很大[9]。多條主動源海底地震儀(ocean bottom seismometer,OBS)深探測剖面的研究表明,東部陸緣發育下地殼高速層,而西部卻未發現[10,11];基于深探測和重、磁資料的研究結果,依據中地殼低速層和下地殼高速層的分布特征,認為濱海斷裂帶是華南正常陸殼與陸緣減薄陸殼的分界,并發現從東到西地殼拉張減薄的程度和模式存在較大的差異,發育不同類型地殼結構(如正常陸殼、減薄陸殼、夭折裂谷型陸殼等)[12,13]。根據構造運動、火山活動、海底地形等差異,認為南海北部陸緣的洋陸轉換帶存在鏟式斷塊和海山2種類型[14,15]。上述認識充分說明南海北部陸緣巖石圈結構存在由北向南、由東向西的差異,但目前的認識仍無法滿足盆地分析的要求,對其橫向差異性的界定及其成盆響應關系的研究仍需深入。為獲得研究區更精細的地殼結構橫向變化特征,以珠江口盆地以往的船測重力、磁力、地震數據為基礎,補充部分衛星重力、磁力數據,采用重磁震三維聯合反演技術,獲得研究區Moho面深度和地殼厚度。
1)基礎數據。以研究區以往船測重力、磁力數據為基礎,在船測資料相對缺乏區域,收集、補充了衛星重力資料和東亞磁力數據,并對不同來源、不同精度數據進行拼接、調整,編制了自由空間重力異常圖、布格重力異常圖、磁力異常圖、磁力化極異常圖等基礎圖件,作為聯合反演的輸出目標。收集、整理了珠江口盆地鉆井、大洋鉆探鉆井資料和北部沿海陸上不同時代沉積地層的密度、磁性、速度等資料,以及上/下地殼、洋殼、下地殼高速體等密度、磁性、速度數據,并引入地震資料所確定的海底、新生代沉積基底作為界面約束,構建重磁震聯合反演的初始地質模型。
2)反演方法及結果。首先依據收集、統計的資料構建三維巖石物性的初始模型,將模型按一定網格密度分為若干個立方體,每個立方體給定一個初始物性值;再利用正演公式分別計算每個網格在觀測面上產生的異常場,得到一個計算場;然后通過建立觀測異常場與計算場的目標函數關系式,反復迭代修正物性值,使目標函數達到最小值,即觀測異常場與計算場充分擬合,最終獲得研究區三維密度模型。以該密度模型中3.30g/cm3的密度界面作為Moho面,編制Moho面深度圖(見圖2),以密度為2.67g/cm3作為沉積層底界面,計算地殼巖石圈的厚度。

圖2 南海北部陸緣Moho面深度圖及主要深大斷裂帶分布圖 Fig.2 Moho depth map and distribution map of main deep-seated fault zones in the northern continental margin of the South China Sea
2.2.1 地殼結構的南北分帶差異
上述反演結果對地殼結構橫向變化規律的刻畫較以往研究成果更為精細,可以看出研究區具有“南北分帶、東西分段”的橫向差異。宏觀上,陸緣Moho面深度由北向南抬升,與現今海底地貌呈鏡像對應關系。相對應的地殼厚度逐漸減薄,由北向南依次由華南正常陸殼(32~30km)過渡為陸架-陸坡區減薄陸殼(30~8km),再過渡為海盆區的洋殼(8~6km)。這與該區地震層析[9]、長電纜深反射地震剖面、OBS2006-1[10]與OBS2006-3[11]等深探測剖面的研究結果基本相符。依據地殼厚度由北向南呈階梯式減薄的特征,及其與海底的鏡像對應關系,可將其分為3個帶:
1)陸架均勻薄化帶。鄰近華南大陸的陸架區,Moho面深度變化平緩(為29~30km)。地殼厚度變化較小,約為24~28km,地殼伸展系數β<1.2,其中珠一、珠三坳陷對應區的地殼厚度相對較薄。
2)上陸坡楔形薄化帶。上陸坡區Moho面顯著抬升,由29km抬升至約20km,形成第1個梯級變化帶,地殼厚度呈楔形減薄,由24km減薄至約15km,1.2<β<2,顯著薄化區與盆地內的珠二坳陷相對應。其次,該薄化帶內地殼薄化的快慢具有東西向的分段差異。珠江口盆地中段的白云凹陷、臺西南盆地、瓊東南盆地北側均在較窄的范圍(約50~70km)內快速減薄,其間的兩段變化相對較緩(約120~170km);與盆地西段較均勻的Moho面變化特征相比,東段較為凹凸不平(如東沙島區),地殼厚度上的這種差異更為明顯,表明東段地殼結構的非均一性更強。
3)下陸坡異常薄化帶。靠近海盆的下陸坡區為Moho面顯著抬升的第2個梯級變化帶,由20km抬升至約13km,地殼厚度由15km減薄至約8km,β>2,強烈薄化區與盆地內的珠四坳陷相對應,而該薄化帶內由東向西地殼薄化快慢的分段差異則與上陸坡楔形薄化帶相反。
2.2.2 陸坡深水區地殼結構的東西分段差異
相對于陸架區和海盆區,陸坡深水區(水深大于500m)Moho面顯著抬升,地殼厚度快速減薄,普遍小于20km(β>1.5),并發育3個由海盆向陸緣延伸的強烈抬升區:①西沙海槽區,呈E-W向陸延伸至瓊東南盆地內,最淺處位于盆地東部的長昌凹陷;②珠江口盆地中部的深水區(白云-荔灣凹陷),呈NNW向陸延伸,分別在白云凹陷中央和荔灣凹陷東部分布2個隆升中心;③臺西南盆地深水區,呈近S-N向陸延伸,最淺處位于盆地南部坳陷中央。3個強烈抬升區與上述3個地殼強烈減薄區相對應,其間的東、西2個區域,Moho面在上陸坡的變化相對較緩,快速抬升的梯級帶分布在下陸坡區。
陳漢宗等[16]等利用重、磁數據在南海北部識別了7條NW-SE向和多條NE向深大斷裂帶,展現出深部棋盤格式的構造特征。其中,NW-SE向深大斷裂帶被認為是晚中生代左行壓扭應力場的產物,并切割NE走向的火山弧;而NE向的深大斷裂帶可能為新生代裂陷盆地發育的邊界,如NW-SE向的神弧隆起西斷裂帶、南澳-臺灣淺灘西斷裂帶為珠江口盆地邊界;NE向的濱海斷裂帶為華南正常巖石圈與陸緣減薄巖石圈的分界[12](見圖2)。
陽江-一統斷裂帶和北衛灘斷裂帶為珠江口盆地內的2條重要的隱伏深大斷裂帶,對應于莫霍面、地殼厚度東西向變化帶,是地殼結構東西分段的重要轉換邊界。姚伯初等[9]據地震層析反演所識別出的NNW走向巖石圈斷裂即為陽江-一統斷裂帶,認為其東部和西部陸緣巖石圈結構差別很大。同時,沿該斷裂帶可在地震剖面上識別大量裂后期基性火山活動,并被BY7-1構造的鉆井所證實,即該斷裂帶深部巖漿向上運動的重要通道。此外,從盆地裂陷的展布特征來看,2條斷裂帶兩側,控洼斷層的走向及其洼陷展布方向均出現明顯的轉換(見圖1),表明這2條斷裂帶在陸緣張裂過程中具有動力邊界的構造屬性,控制了裂陷區的平面展布。因此,珠江口盆地所在的陸緣以陽江-一統斷裂帶、北衛灘斷裂帶為界,由東向西可分為東、中、西3段。
神弧隆起西斷裂帶為珠江口盆地與瓊東南盆地的分界,東、西兩側構造線走向發生偏轉,以東為NE向(與珠江口盆地一致),以西為NEE走向。在瓊東南盆地深水區,該斷裂帶上發育大型中央火山,且其西側控洼斷裂與東側控洼斷裂傾向相反(見圖1),表明該斷裂帶也是一條隱伏深大斷裂帶。基于南海及其鄰區總磁異常特征,指明東沙隆起外側與臺西南盆地被NW-SE向的呂宋-琉球轉換邊界分隔,其向陸的延伸為南澳-臺灣淺灘西斷裂帶,也是珠江口盆地與臺西盆地的分界。
綜合上述Moho面與海底地形的起伏、地殼厚度的變化、深大斷裂帶的分布特征,可將南海北部陸緣由北到南分為3個帶:陸架均勻薄化帶、上陸坡楔形薄化帶、下陸坡強烈薄化帶;由東到西分為5段:臺西南盆地陸緣,珠江口盆地東段陸緣、中段陸緣、西段陸緣,瓊東南盆地陸緣。
與南海北部陸緣地殼薄化程度的南北分帶差異相對應,其沉積盆地結構也具有明顯差異,其中以珠江口盆地中段最為典型。
陸架均勻薄化帶主要發育于珠一坳陷和珠三坳陷,裂陷期盆地具有典型斷陷盆地的基本特征,均以高角度斷層控制的一系列箕狀半地塹或對稱、不對稱地塹為主要特征,湖盆一般窄而深,橫向分隔性強,而裂后期地層多為凹陷中心向周緣減薄的碟形,是較為穩定的裂后熱沉降響應。
該區帶對應于地殼快速薄化帶,通常發育傾向陸或傾向洋的大型拆離斷裂系統,由多條上陡下緩的犁式斷層向下匯聚至同一拆離面而構成。拆離面一般向下延伸較大,最深可達Moho面附近。正是由于大型拆離斷裂系統的發育,導致地殼在伸展過程中強烈減薄。而由該拆離斷裂系統控制的裂陷盆地,整體表現為早斷晚拗的寬深斷陷,湖盆規模大,分隔性較弱,裂后沉降強,通常形成深水區,具有單邊梭形充填特征,以白云凹陷最為典型(見圖3)。

注:Tg為新生代基底;T83為文昌組下段頂界;T80為文昌組上段頂界;T70為恩平組頂界;T60為珠海組頂界;T32為韓江組頂界。圖3 珠江口盆地白云凹陷典型地震剖面(剖面位置見圖1)Fig.3 Typical seismic profiles of Baiyun Sag in Pearl River Mouth Basin (The location of the profile is shown in Figure 1)
下陸坡強烈薄化帶靠近洋盆區,地殼強烈薄化,地殼厚度可小于10km,通常發育較為典型的低角度拆離斷層,拆離面位于上、下地殼分界面附近,并伴有強烈的巖漿活動。受該拆離斷裂系統控制,裂陷期盆地結構斷控顯著減弱,而拗陷特征更為明顯,通常被巖漿作用強烈改造,造成局部隆升剝蝕、重力滑脫改造等,盆地原型難以恢復;裂后沉降量最大,以饑餓沉積為主,地層厚度相對較薄,以荔灣凹陷最為典型。
位于陸緣東部的臺西南盆地深水區,盆地結構較為特殊,裂陷期盆地規模小,為箕狀半地塹,拆離作用不明顯。但裂后期沉降量巨大,沉積巨厚裂后期地層,且以深水沉積為主,表明盆地裂陷期地殼薄化強烈,但以韌性薄化為主,拆離薄化貢獻小(見圖4)。

注:Tg為新生代基底;T80為文昌組頂界;T70為恩平組頂界。圖4 臺西南盆地南部深水區典型地震結構剖面(剖面位置見圖1)Fig.4 Typical seismic structural profile in deep water area of the Southwest Taiwan Basin (The location of the profile is shown in Figure 1)
1)陸緣東段。陸緣東段沿東沙隆起南緣發育靖海凹陷、揭陽凹陷等深水盆地,發育傾向陸和傾向洋的拆離斷裂系統,并被后期巖漿作用所改造,造成南側陡坡帶被抬深剝蝕。從裂陷盆地的充填特征來看,裂陷早期主要為雙斷式地塹結構,地層以近平行充填為主,表明控凹斷層傾角較陡;裂陷晚期斷層活動具有顯著拆離旋轉特征,形成半地塹沉積充填;但與典型拆離伸展盆地相比,盆地橫向伸展量相對較小,反映地殼依賴拆離斷層的伸展薄化作用較弱。裂后期單邊饑餓沉積充填特征較典型,裂后沉降量較大,且很快進入深水沉積環境,表明地殼整體薄化程度較大,在較窄的距離內快速薄化,且韌性減薄的貢獻大于拆離薄化(見圖5(a))。
2)陸緣中段。陸緣中段深水盆地的顯著特點是拆離斷裂系統的規模和活動強度最大,發育多排犁式斷裂共同構成大型向洋和向陸拆離斷裂系統,控制大型寬深斷陷的發育,表明橫向伸展量大。巖漿活動由陸向洋增強,以地殼內的侵位為主,導致地層的隆升剝蝕。裂后沉降量大,沉積巨厚地層,表明地殼薄化較強烈且發生在較寬的范圍內,形成寬廣的陸坡深水區。該段變形特征與大西洋典型貧巖漿型陸緣較為相似,但巖漿作用相對較強(見圖5(b))。
3)陸緣西段。與陸緣東段相似,西段地殼的薄化也發生在較短距離內(約50km),發育傾向洋的拆離斷裂系統,但拆離旋轉作用顯著增強,造成早期裂陷地層近乎垂直,同時伴有較為強烈的巖漿作用,裂后期沉降較大,陸坡坡度較陡,與較短距離內快速薄化有關。該段裂陷盆地總體表現為垂向隆升作用較強,類似與純剪切破裂模式(見圖5(c))。

注:Tm為中生代基底;Tg為新生代基底;T80為文昌組頂界;T70為恩平組頂界;T60為珠海組頂界。圖5 珠江口盆地陸坡深水區東段、中段、西段典型地震反射結構特征(剖面位置見圖1)Fig.5 Characteristics of typical seismic reflection structures in the east, middle and west of the deep-water area on the continental slope of the Pearl River Mouth Basin (The location of the profile is shown in Figure 1)
瓊東南盆地位于陸緣西部,裂陷期盆地東部發育傾向北的拆離斷裂系統,而中西部發育傾向南的拆離斷裂系統,拆離面均延伸至Moho面附近,呈斜向對置,控制大型寬深斷陷的發育,裂后沉降量較大,尤其是裂后晚期,沉降區分布在相對較窄的范圍,與地殼的強烈薄化區一致,不發育寬廣陸架,并伴有較強的巖漿作用,長昌凹陷的中央發育大規模的火山。由于瓊東南盆地未臨近洋盆,處于西北次海盆向西的夭折裂谷區,且靠近海南地幔柱,裂后晚期的強烈沉降可能與地幔的再次上涌有關。因此,其薄化過程較為復雜,從拆離斷裂、巖漿活動、裂后沉降特征來看,可能與鄰近的珠江口盆地西段類似(見圖6)。

注:T100為新生代底界;T80為始新統嶺頭組頂界;T70為下漸新統崖城組頂界;T60為上漸新統陵水組頂界;T50為下中新統三亞組頂界;T40為中中新統梅山組頂界;T30為上中新統黃流組頂界;T20為上新統鶯歌海組頂界。圖6 瓊東南盆地中部典型凹陷結構剖面(據文獻[17],有修改)Profile of typical sag structure in the middle of Qiongdongnan Basin (Revised according to literature[17] )
研究表明,被動陸緣地殼的伸展-薄化-破裂過程顯著控制了之上沉積盆地的發育和演化[5,6,8,17]。大西洋型典型被動陸緣有貧巖漿型和富巖漿型2種伸展破裂模式[18-20],而南海北部陸緣珠江口盆地的中段與貧巖漿型較為相似。為了驗證該模式是否適用于南海北部陸緣,2017—2018年在珠江口盆地的中段洋陸過渡區,開展了367/368/368X兩個航次的大洋鉆探。基于大洋鉆探的研究結果表明,有別于經典的大西洋貧巖漿型陸緣,研究區兼具貧巖漿和富巖漿的雙重特征,表現出“先貧后富”的特征。在張裂早期,地殼強烈薄化,表現為貧巖漿型;而在張裂晚期高速下地殼巖漿底侵豐富,表現出富巖漿型特征[21]。然而,現今地殼結構和深水區盆地結構的“南北分帶、東西分段”差異性表明,南海北部陸緣難以用一種模式來解釋整個陸緣區域的地殼伸展破裂過程。由于南海北部陸緣地殼是在中生代主動陸緣的基礎上經歷了新生代的伸展-薄化-破裂,因此要研究其破裂過程的橫向差異性,必須回到新生代伸展前構造格局所控制的地殼結構差異性上。
研究表明,中生代中晚期,(古)太平洋板塊持續向歐亞板塊俯沖消減,在南海北部陸緣形成壯觀的陸緣巖漿弧和弧前盆地,呈NE-SW向展布,因此其地殼結構(如地殼厚度、流變性質等)必然具有北東向的分帶差異。且在中生代晚期左行壓扭應力場下形成的NW-SE向走滑斷裂,構成伸展期的動力邊界和深部巖漿大量底侵的通道,而巖漿的大量底侵所帶來的熱效應將導致地殼流變性質的變化,從而形成東西向的分段差異性。如,東沙隆起及其以東的東部陸緣發育下地殼高速體,且發育巨厚的中生代殘留地層,最大厚度超過8km[11],表明該區伸展前初始地殼更熱、更薄,韌性占主導;珠江口盆地中段兩側陽江-一統斷裂帶、惠東-北衛灘斷裂帶在裂陷期發生大量巖漿底侵,導致地殼韌性增強,因此裂陷早期地殼經歷了大型拆離斷裂系統導致的薄化,而裂后晚期則以韌性伸展為主,并伴有較強的巖漿活動;珠江口盆地西段則表現為類似純剪切的快速破裂特征,吳振利等[10]基于OBS2006-1剖面的分析結果,發現西北次海盆南、北共軛邊緣的構造形態和速度結構具有對稱分布特征,認為其巖石圈的伸展破裂可能為純剪切張裂模式。依據上述地殼巖石圈初始結構的橫向差異性,結合盆地結構樣式、巖漿活動的響應關系,將南海北部陸緣巖石圈伸展破裂過程總結為3種模式:
該模式以珠江口盆地中段陸緣區最為典型,初始地殼結構脆性較強時,裂陷早期在上地殼發生的伸展破裂。隨著地殼的進一步拉伸,發育大型拆離斷裂系統,使得地殼強烈薄化,并發育大型裂陷盆地。隨著地殼薄化,巖漿被動上涌,或沿先存深大斷裂大量底侵至下地殼,導致下地殼韌性增強。裂陷晚期上地殼脆性薄化減弱,而下地殼韌性薄化增強,凹陷結構逐漸由斷轉拗。隨著地殼的進一步薄化,巖漿作用顯著增強,最后導致地殼快速破裂,然后地幔巖石圈破裂、洋殼開始發育(見圖7(a))。
該模式以臺西南盆地陸緣區最為典型,整個巖石圈的韌性較強,在伸展薄化的初期以韌性薄化為主,地幔巖石圈優先破裂或尖滅,然后是韌性下地殼。裂陷晚期在地幔物質上涌的驅動下,伴隨著較強的巖漿作用,上地殼發生脆性破裂,即裂陷作用,隨后整個巖石圈破裂、洋殼開始發育(見圖7(b))。
該模式以珠江口盆地西段陸緣區最為典型,初始地殼結構脆性較強,地殼在伸展薄化的初期以脆性破裂為主,但隨后橫向伸展相對受限,而幔源物質上涌占主導,導致陸緣發生被動拆離薄化,發育大型拆離斷層,拆離旋轉作用導致早期裂陷地層被強烈旋轉改造,并伴隨較強的巖漿作用,最后整個巖石圈快速破裂、洋殼開始發育(見圖7(c))。該模式與純剪切伸展較類似,但橫向伸展量相對較大。

圖7 南海北部陸緣巖石圈3種伸展破裂模式Fig.7 Three extensional fracture models of continental margin lithosphere in the northern South China Sea
1)南海北部陸緣現今地殼結構的橫向差異較大,具有“南北分帶,東西分段”的特征。依據Moho面及海底地形的起伏、地殼厚度的變化、深大斷裂的分布,可將其分為由北到南的陸架、上陸坡、下陸坡3帶,以及由西到東的瓊東南盆地陸緣,珠江口盆地西段陸緣、中段陸緣、東段陸緣,臺西南盆地陸緣5段。
2)南海北部陸緣裂陷盆地結構與地殼的伸展-薄化-破裂過程密切相關,在南海漸進式擴張背景下,受先存構造格局的約束及巖漿作用的參與,地殼伸展薄化的方式和程度有差異,裂陷盆地的結構樣式和規模隨之不同。
3)結合地殼現今的結構及其沉積盆地的耦合特征,提出了自上而下伸展破裂模式、自下而上伸展破裂模式、似純剪切快速伸展破裂模式的3種典型陸緣地殼伸展破裂模式,不同模式下深水盆地的結構樣式、規模、改造程度均有不同。地殼深部結構及其構造過程的研究對于深入認識深水盆地的成盆演化過程和勘探潛力至關重要。