鐘志洪施和生朱 明龐 雄何 敏趙中賢劉思青王 菲

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司; 2.中國科學院南海海洋研究所)

珠江口盆地構(gòu)造-地層格架及成因機制探討*

鐘志洪1施和生1朱 明1龐 雄1何 敏1趙中賢2劉思青2王 菲1

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司; 2.中國科學院南海海洋研究所)

珠江口盆地位于南海北部大陸邊緣東部,是新生代形成的被動陸緣伸展盆地。該盆地自下而上劃分為中生代基底構(gòu)造層、古新世—早漸新世裂谷構(gòu)造層和晚漸新世以來的漂移構(gòu)造層,各個構(gòu)造層均代表了該盆地在被動大陸邊緣演化過程中的一個特定成因階段。分析認為,該盆地裂谷階段的構(gòu)造格架具有東西分段、南北分帶特征。兩幕不同區(qū)域構(gòu)造背景下的伸展作用是控制盆地東西分段格局形成的主要原因:古新世—中始新世的伸展作用主要是在太平洋板塊俯沖作用下發(fā)生,而晚始新世—早漸新世的伸展作用是在印支半島旋轉(zhuǎn)擠出及古南海向南俯沖的背景下發(fā)生。盆地南北分帶的構(gòu)造特點受巖石圈伸展機制差異的控制:古新世—中始新世裂陷幕在厚地殼和薄巖石圈背景下以寬裂谷方式伸展,形成盆-嶺式結(jié)構(gòu);晚始新世—早漸新世裂陷幕在正常巖石圈背景下發(fā)生窄裂谷方式伸展,裂陷作用集中在現(xiàn)今的南海北部大陸邊緣。物理模擬實驗表明:北部裂谷帶經(jīng)歷加厚型地殼-正常地殼-減薄型地殼的伸展過程,而南部裂谷帶則主要經(jīng)歷減薄型地殼-超減薄型地殼的演化過程,由此導致南、北裂谷帶構(gòu)造-沉積格局的顯著差異。盆地漂移階段的沉降過程與南海海底擴張期間地幔上升流向南遷移有關。

珠江口盆地;構(gòu)造-地層格架;成因機制;裂谷構(gòu)造層;漂移構(gòu)造層;被動大陸邊緣;巖石圈伸展

珠江口盆地位于南海北部大陸邊緣東部,是新生代形成的被動陸緣伸展盆地(圖1)。經(jīng)過30多年的油氣勘探,隨著地球物理、鉆井資料的積累和研究工作的深入,對珠江口盆地的構(gòu)造、沉積地層和盆地演化過程的認識不斷深化。早期研究者確定了珠江口盆地新生代發(fā)生的5次構(gòu)造運動[1],并且從斷陷盆地發(fā)育演化角度,將盆地演化劃分為始新世—漸新世斷陷、早—中中新世拗陷沉降和中中新世晚期—第四紀塊斷升降等3個階段[2-3]。2003年以后,隨著深水區(qū)勘探研究的開展,龐雄等[4]提出了23.8 Ma的重要構(gòu)造事件——白云運動,認為該期構(gòu)造運動導致白云凹陷由珠海組淺水三角洲向珠江-韓江組深水扇轉(zhuǎn)化;朱偉林等[5]從邊緣海構(gòu)造演化角度將南海演化劃分為始新世及其以前的陸內(nèi)裂谷、漸新世陸間裂谷和早—中中新世大洋裂谷等3個階段,其中北部陸緣盆地在陸內(nèi)和陸間裂谷階段經(jīng)歷初始裂谷、主裂谷和晚裂谷期演化,在大洋裂谷階段形成被動大陸邊緣。本文在盆地構(gòu)造、沉積地層、沉降史及物理模擬資料基礎上,從被動大陸邊緣發(fā)育演化與巖石圈伸展角度分析珠江口盆地構(gòu)造演化特征及成因機制。

圖1 珠江口盆地新生代構(gòu)造綱要圖

1 盆地構(gòu)造-地層格架

根據(jù)地震反射不整合、構(gòu)造活動、沉積作用及巖漿活動特點,可以將珠江口盆地自下而上劃分為中生代基底構(gòu)造層、古新世—早漸新世裂谷構(gòu)造層和晚漸新世以來的漂移構(gòu)造層,其中漂移構(gòu)造層可進一步劃分為晚漸新世的過渡-早漂移層序、早—中中新世晚漂移層序和晚中新世以來受構(gòu)造活動改造的晚漂移層序(圖2)。各構(gòu)造層均代表了珠江口盆地在南海北部被動大陸邊緣演化中的一個特定成因階段。

圖2 珠江口盆地構(gòu)造-地層格架與區(qū)域構(gòu)造事件

1.1 基底構(gòu)造層

基底構(gòu)造層是珠江口盆地裂陷以前的中生代結(jié)晶基底和沉積地層,地震反射剖面和鉆井資料揭示為2種巖石建造:侵入巖系和沉積巖系。侵入巖系以花崗巖為主,其次為花崗閃長巖、閃長巖、石英閃長巖和石英二長巖。沉積巖系包括中—上侏羅統(tǒng)潮州群和白堊系汕頭群,為一套由淺海到深海再到陸相沉積旋回組成的碎屑巖[6]。

1.2 裂谷構(gòu)造層

裂谷構(gòu)造層是珠江口盆地在大陸張裂期間和海底擴張以前發(fā)育的地層,鉆遇地層包括古新統(tǒng)神狐組、下—中始新統(tǒng)文昌組和上始新統(tǒng)—下漸新統(tǒng)恩平組,為一套受半地塹或地塹結(jié)構(gòu)控制、局限分布的陸相河流-湖泊沉積。恩平組與下伏文昌組為角度不整合或平行不整合接觸。

1.3 漂移構(gòu)造層

受南海海盆擴張歷史及晚期周邊構(gòu)造事件影響,珠江口盆地漂移構(gòu)造層可進一步劃分為3個層序。

1)過渡-早漂移層序:由漸新統(tǒng)珠海組構(gòu)成,代表南海北部裂谷作用終止、陸殼收縮塌陷和南海海底擴張開始時期沉積的地層,與下伏恩平組呈較明顯的角度不整合接觸,為一套河流-海陸過渡相沉積。

2)晚漂移層序:代表南海海底擴張至成熟邊緣海盆地時期沉積的地層,包括下中新統(tǒng)珠江組和中中新統(tǒng)韓江組,為一套以淺海相為主的沉積,在東沙隆起臺地上沉積了碳酸鹽巖和生物礁灘灰?guī)r,在盆地陸坡以南的區(qū)域為半深海相沉積。

3)構(gòu)造活動改造的晚漂移層序:是在南海海底擴張停止,受菲律賓海板塊持續(xù)向NWW向運動導致的呂宋島弧與臺灣陸架之間的弧-陸碰撞作用影響下發(fā)育的,包括上中新統(tǒng)粵海組、上新統(tǒng)萬山組和第四系,為一套淺海—半深海相沉積,其中上中新統(tǒng)粵海組與下伏韓江組之間存在沉積間斷。

2 裂谷階段構(gòu)造-地層特征及成因機制

2.1 構(gòu)造-地層特征

珠江口盆地新生代裂谷構(gòu)造層是在中生代活動大陸邊緣基底構(gòu)造層基礎上發(fā)育的。重磁資料揭示,該盆地中生代基底構(gòu)造主要受NE和NW向斷裂控制[7],這兩組斷裂同時也控制了古近紀斷裂發(fā)育格局。兩幕裂陷作用形成的NE—NEE、EW和NWW向斷陷整體呈NE走向展布,組成了南、北兩組NE走向的裂谷帶(圖1)。NW向一統(tǒng)暗沙和北衛(wèi)灘基底斷裂在張裂過程中均產(chǎn)生了NW向的雁列式斷裂帶,使盆地形成東、中、西部等3個裂陷段,各個裂陷段具有相對獨特的構(gòu)造-地層特征(圖3)。

圖3 珠江口盆地不同裂谷段的構(gòu)造剖面(據(jù)文獻[4]修改,剖面位置見圖1)

2.1.1 南北分帶特征

1)北部裂谷帶

包括由文昌和陽江凹陷組成的珠三坳陷以及由恩平、西江、惠州、陸豐和韓江凹陷組成的珠一坳陷,裂陷期的構(gòu)造樣式以主斷層控制的半地塹構(gòu)造為主,局部發(fā)育地塹構(gòu)造;各凹陷為多個半地塹或地塹組合形成的相對獨立的斷陷區(qū);主斷層對沉積的控制作用強,斷裂活動產(chǎn)生的斷塊翹傾作用通常導致同裂谷地層的剝蝕。

2)南部裂谷帶

為由順德、開平、白云、荔灣、興寧等凹陷組成的珠二坳陷,裂陷期構(gòu)造樣式以一統(tǒng)暗沙斷裂為界存在較明顯差異,西部順德、開平凹陷為半地塹結(jié)構(gòu)的斷陷區(qū),而東部白云、荔灣凹陷則為由半地塹和大型地塹組合成的復式斷陷區(qū)[8];與北部裂谷帶相比,南部裂谷帶的斷裂活動產(chǎn)生的斷塊翹傾作用弱,在白云凹陷西南部和東北部發(fā)育的半地塹中,同裂谷期的文昌組和恩平組沉積基本上覆蓋了緩坡帶。

2.1.2 東西分段特征

1)東部裂谷段

包括韓江、陸豐凹陷和惠州凹陷東部,裂谷期沉積發(fā)育在NE、NWW向斷裂控制的半地塹內(nèi)。該段構(gòu)造-沉積特點:①基底發(fā)育中生界的沉積層;②裂陷作用集中在北部裂谷帶,東沙隆起及其南部裂陷作用弱;③陸豐、韓江凹陷有多口井鉆遇代表裂陷早期的神狐組火山沉積層;④始新統(tǒng)與上覆地層之間的構(gòu)造繼承性差,東部普遍缺失恩平—珠海組。從以上特點看,東部裂谷段的構(gòu)造屬性比較接近于臺灣海峽盆地及東海的臺北坳陷[9-10],裂陷過程受控于古太平洋俯沖作用,裂谷期火山活動較強,古新世—中始新世裂陷高峰期發(fā)育海相沉積,晚始新世開始發(fā)生抬升剝蝕。

2)西部裂谷段

包括北部裂谷帶的文昌、陽江凹陷和南部裂谷帶的順德、開平凹陷,裂谷期沉積主要受NE向的半地塹控制;盆地基底為古生代變質(zhì)巖和燕山早期侵入巖,文昌組與恩平組之間的構(gòu)造繼承性相對較好,均為NE走向,恩平期裂陷作用主要對文昌組斷陷進行擴展或同向改造。

3)中部裂谷段

包括北部裂谷帶的恩平、西江凹陷以及惠州凹陷西部和南部裂谷帶的白云、荔灣凹陷,裂谷期沉積受NE、EW和NWW向半地塹或復式斷陷控制,前第三系基底目前主要鉆遇燕山中、晚期的侵入巖。該段構(gòu)造-沉積特點:①文昌組與恩平組之間的構(gòu)造繼承性差,文昌組主要發(fā)育在NE向斷陷,而恩平組主要發(fā)育于EW和NWW向斷陷(圖4);②恩平期裂陷區(qū)的面積遠大于文昌期,同時番禺低隆起也是在恩平期發(fā)生NWW向斷陷而形成;③受NW向基底斷裂的走滑作用影響形成了復式結(jié)構(gòu)的斷陷,如受北衛(wèi)灘斷裂的影響,惠州凹陷西部裂陷期形成四周受斷裂控制的菱形斷陷結(jié)構(gòu),白云凹陷寬地塹結(jié)構(gòu)的發(fā)育也與一統(tǒng)暗沙斷裂在裂陷期的走滑作用有關。

圖4 珠一坳陷文昌組和恩平組裂谷結(jié)構(gòu)與伸展應力場

2.2 成因機制

2.2.1 東西分段的成因機制

珠江口盆地裂谷構(gòu)造層主要受同期發(fā)育的NE—NEE、EW和NWW向斷裂活動形成的斷陷控制,裂陷過程可以分為兩幕,即古新世—中始新世裂陷幕和晚始新世—早漸新世裂陷幕。在不同的區(qū)域構(gòu)造背景下發(fā)生的兩幕裂陷作用導致裂陷特征存在顯著區(qū)別,由此也促使盆地形成東西分段的構(gòu)造格架。

1)古新世—中始新世裂谷作用

珠江口盆地古新世—中始新世裂陷幕形成沉積神狐組和文昌組的斷陷,控制斷陷發(fā)育的斷裂以NE-NEE向為主(圖4),同時發(fā)育NNE、EW和NWW向斷裂,斷層活動強度表現(xiàn)為NNE向＞NE—NEE向＞NWW向＞EW向(圖5),反映了NW—SE向的伸展作用。本期裂陷過程中強烈的斷塊旋轉(zhuǎn)形成了分割性強的斷陷湖盆,其中沉積物主要以辮狀河、辮狀三角洲、扇三角洲、近岸水下扇、濱淺湖和中深湖(亞)相為主。斷陷初始階段形成向盆地中心變厚的神狐組或文昌組下段楔狀沉積,在凹陷的中心部位發(fā)育濱淺湖沉積;斷陷高峰階段的湖侵作用持續(xù)時間較長,沉積較厚的文昌組中段中深湖相泥巖;斷陷萎縮階段湖盆逐漸萎縮,沉積了以濱淺湖、河流、三角洲相砂泥巖互層為主的文昌組上段。

圖5 珠一坳陷裂谷階段不同走向斷裂活動強度對比

晚白堊世—中始新世,伴隨古太平洋板塊俯沖潛沒,現(xiàn)代太平洋板塊開始向中國東部大陸邊緣俯沖。在早白堊世末微地塊向大陸邊緣增生的背景下,太平洋板塊俯沖作用發(fā)生了2個顯著的變化,即俯沖速率迅速降低和俯沖帶后退,導致中國東部陸緣由擠壓環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓘埈h(huán)境[11],受太平洋板塊俯沖作用影響的裂陷具有自東向西擴展的特征。盆地東部裂谷段的韓江凹陷鉆遇含海相夾層的中始新統(tǒng)文昌組[12],其下尚發(fā)育由大套近平行反射層組成的斷陷期地層,推測為古新統(tǒng)—下始新統(tǒng)海相沉積,類似于臺灣海峽盆地及東海臺北坳陷。上述地區(qū)裂陷起始于晚白堊世,古新世—早中始新世裂陷高峰期沉積較厚的海相同裂谷沉積,晚始新世開始抬升剝蝕[9-10]。而盆地中部和西部裂谷段裂陷開始于古新世,鉆遇的最老地層為古新統(tǒng)神狐組的火山碎屑沉積,裂陷高峰期為早—中始新世,沉積文昌組陸相湖泊沉積。

2)晚始新世—早漸新世裂谷作用

珠江口盆地晚始新世—早漸新世裂陷幕形成沉積恩平組的斷陷,控制斷陷發(fā)育的斷裂主要以EW和NWW向為主(圖4),NE—NEE向斷裂也存在活動,斷裂活動強度表現(xiàn)為EW向＞NWW向＞NE—NEE向(圖5),反映了近SN向拉張應力場作用。本期裂陷過程中斷塊旋轉(zhuǎn)普遍較弱,各半地塹內(nèi)部的古地貌分割性弱,斷陷內(nèi)部地勢平緩;與文昌組相比,恩平期洼陷范圍擴大,有些洼陷合并。同時,華南陸區(qū)的山系發(fā)育,向珠江口盆地提供充足物源,大型河流-三角洲體系在珠一坳陷北部廣泛發(fā)育,形成大面積的三角洲平原區(qū)。恩平組以河流-三角洲、湖沼相和濱淺湖相為主,較深水湖區(qū)不發(fā)育,或僅在局部斷陷內(nèi)(西江、白云凹陷等)發(fā)育。

在中始新世晚期(43.5 Ma),夏威夷皇帝火山島鏈方向的改變顯示太平洋板塊的絕對運動方向由NNW向轉(zhuǎn)變?yōu)镹WW向,同時板塊的運動速率逐漸增大[11]。珠江口盆地恩平17斷裂、番禺4斷裂控制的文昌期NE向裂陷結(jié)束(圖4),同時盆地東部裂谷段普遍發(fā)生抬升剝蝕,形成明顯的角度不整合面。因此,太平洋構(gòu)造域在此期間主要產(chǎn)生壓性構(gòu)造應力,導致早期NE向的裂陷作用減弱,在此區(qū)域構(gòu)造背景下,印支半島的擠出運動[13]對晚始新世—中中新世南海北部陸緣區(qū)伸展和南海海底擴張具有明顯控制。南海北部同期的裂陷作用具有西強東弱的特征,西部沿印支與華南地塊之間的紅河走滑斷裂帶形成了NW向的鶯歌海左旋扭張斷陷盆地[14]。瓊東南盆地構(gòu)造發(fā)育特征及物理模擬實驗表明[15],受印支半島旋轉(zhuǎn)擠出作用,盆地西部形成了以漸新統(tǒng)沉積為主的崖北、崖南凹陷,同時整個盆地普遍表現(xiàn)出晚始新世—早漸新世裂陷強度大于古新世—中始新世。珠江口盆地西部裂谷段珠三坳陷晚始新世—早漸新世裂陷強度大于古新世—中始新世裂陷[16];東部裂谷段的韓江凹陷在晚始新世—早漸新世裂陷幕主要發(fā)生構(gòu)造抬升,缺失或局部地區(qū)發(fā)育薄的恩平組,陸豐凹陷恩平期的裂陷強度明顯比文昌期弱。

分析認為,控制珠江口盆地兩幕裂陷作用的區(qū)域動力條件存在顯著差異。受太平洋板塊俯沖控制的古新世—中始新世裂陷作用具有東早西晚的特征,表明與該幕裂陷相關的SE向伸展應力場起源于盆地東部;而受印支半島擠出作用強烈影響的晚始新世—早漸新世裂陷作用則表現(xiàn)出西強東弱的特征,表明與此相關的近SN向伸展應力場來自盆地西部。以上兩幕裂陷作用之間區(qū)域動力條件的轉(zhuǎn)化是導致盆地不同裂谷段構(gòu)造-沉積結(jié)構(gòu)差異顯著的原因。另外,盆地內(nèi)部發(fā)育的NW向一統(tǒng)暗沙和北衛(wèi)灘基底斷裂在兩幕裂陷過程中均起調(diào)節(jié)作用,區(qū)域動力條件的改變促使沿基底斷裂發(fā)育的斷陷內(nèi)部發(fā)生構(gòu)造-沉積結(jié)構(gòu)的明顯變遷,如惠州凹陷西部文昌期裂陷幕形成了受NEE向斷裂控制的SW斷NE超半地塹,而恩平期裂陷幕則形成了受NWW向斷裂控制的NE斷SW超半地塹(圖6)。

2.2.2 南北分帶的成因機制

Buck[17]認為對裂陷模式起控制作用的是裂陷初期地殼厚度和巖石圈熱狀態(tài),并提出了變質(zhì)核雜巖、寬裂谷與窄裂谷等3種伸展模式。珠江口盆地經(jīng)歷兩幕動力學條件不同的裂陷作用,兩幕裂陷初期具有不同的地殼厚度和巖石圈熱結(jié)構(gòu),導致裂陷特征存在明顯不同。

1)古新世—中始新世的伸展特征

珠江口盆地古新世—中始新世裂陷前的地質(zhì)背景為中生代活動大陸邊緣[6,10,18-23],裂陷前巖石圈結(jié)構(gòu)具有如下特點(圖7a):陸緣火山弧區(qū)發(fā)育加厚的地殼和減薄的巖石圈地幔;寬闊弧前區(qū)發(fā)育的海相地層預示減薄或正常的地殼和巖石圈地幔結(jié)構(gòu)。在此背景下,古新世—中始新世的巖石圈伸展主要表現(xiàn)為寬裂谷的伸展模式,具體表現(xiàn)為發(fā)育盆-嶺式的斷陷盆地系(圖7b)。因此,南、北裂谷帶在初始裂陷以前處于不同的地殼環(huán)境,導致其巖石圈伸展模式存在顯著差異。

圖7 珠江口盆地古新世—中始新世巖石圈伸展模式

北部裂谷帶位于中生代火山弧帶,其南部及東沙隆起鉆遇燕山中、晚期的侵入巖和熱動力變質(zhì)巖,巖石圈伸展的運動學方式主要是通過上地殼簡單剪切和下地殼及巖石圈地幔純剪切的撓曲梁伸展模式[24]發(fā)生,從而形成了以半地塹為結(jié)構(gòu)單元的斷陷盆地。南部裂谷帶由于在中生代位于靠近俯沖帶的弧前區(qū),伸展前的地殼沒有被大規(guī)模加厚,地殼上部的脆性層較薄,下部的韌性層較厚,巖石圈伸展的運動學方式主要是通過上、下地殼純剪切的巖石圈頸縮方式[25]發(fā)生,導致伸展期間斷塊旋轉(zhuǎn)不強烈,其中白云凹陷產(chǎn)生大型地塹式斷陷結(jié)構(gòu)。

此外,在中生代的NW向與NNE—NE向基底斷裂交匯區(qū),軟流圈上涌促使下地殼或殼幔之間的區(qū)域性塑性流動和巖漿侵入加強,由此產(chǎn)生的基底剪應力使Anderson斷層機制所假設的、垂直的最大主應力軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)[26],從而在上地殼中發(fā)育低角度的正斷層,形成了恩平凹陷的文昌組拆離半地塹(圖8)。

圖8 恩平凹陷緩傾角斷裂構(gòu)造剖面(剖面位置見圖1)

2)晚始新世—早漸新世的伸展特征

經(jīng)歷前期裂谷作用的調(diào)整,北部裂谷帶及華南陸區(qū)由加厚型地殼恢復為正常地殼,玄武巖地球化學特征表明新生代主要表現(xiàn)為巖石圈地幔的加厚[22]。因此,南海北部陸緣巖石圈結(jié)構(gòu)在晚始新世—早漸新世裂陷前表現(xiàn)為正常的、自陸向海逐漸減薄的大陸邊緣巖石圈(圖9a)。在印支半島旋轉(zhuǎn)擠出及古南海俯沖聯(lián)合作用下,晚始新世—早漸新世伸展機制表現(xiàn)為大陸邊緣區(qū)的窄裂谷伸展模式(圖9b),裂陷作用集中在現(xiàn)今的南海北部大陸邊緣。北部裂谷帶在裂谷期處于正常大陸巖石圈環(huán)境,斷陷內(nèi)充填恩平組陸相沉積,巖石圈伸展的運動學方式繼承了早期北部撓曲梁伸展模式;而南部裂谷帶處于減薄的巖石圈環(huán)境,發(fā)育海相同裂谷地層,如瓊東南盆地崖城組為海陸過渡相沉積,巖石圈以頸縮方式伸展。

圖9 珠江口盆地晚始新世—早漸新世巖石圈伸展模式

分析認為,珠江口盆地北部裂谷帶與南部裂谷帶構(gòu)造變形存在顯著差異(圖3剖面AA′、CC′),其成因與上述兩期巖石圈伸展過程中的地殼厚度變化有關,其中北部裂谷帶經(jīng)歷加厚型地殼-正常地殼-減薄型地殼的伸展過程,而南部裂谷帶則主要經(jīng)歷減薄型地殼-超減薄型地殼的演化過程。為了驗證不同初始地殼結(jié)構(gòu)對淺層裂陷模式的控制,開展了物理模擬實驗研究。其中,北部裂谷帶初始伸展為加厚地殼,具有相對厚的、脆性的上地殼+相對薄的、韌性的下地殼;在第2幕伸展期為正常的地殼。南部裂谷帶長期處于大陸與大洋過渡帶,兩幕伸展前均為減薄的地殼,具有較薄的脆性上地殼+較厚的韌性下地殼。模擬采用脆(韌)性雙層模型,分別模擬上地殼、下地殼尺度的變形。干燥的粒狀砂用以模擬上地殼脆性變形,而非牛頓體的硅酮模擬下地殼的韌性變形,模擬材料放在剛性底板上。按珠江口盆地三段式裂谷展布特點將初始斷裂由西向東設置成X(N45°)、Y(N75°)和Z(N60°)段。根據(jù)前述分析,設置了3組實驗用以模擬不同脆(韌)性地殼厚度比的變形特點,分別為砂層與硅酮層厚度為2∶1、1∶1和1∶2。實驗采用等量拉伸,觀察不同厚度比時脆(韌)性層的變形特點。

圖10為3組實驗經(jīng)歷4%拉伸時的斷裂發(fā)育特點,虛線為初始斷裂在拉伸后的位置。其中,圖10a為砂層與硅酮層厚度為2∶1時的模擬和解釋結(jié)果,砂層的斷裂規(guī)模較大,呈NE走向,初始斷裂對砂層斷裂發(fā)育的影響弱,初始斷裂轉(zhuǎn)折的Y段未造成砂層斷裂走向的變化。圖10b為砂層與硅酮層厚度為1∶1時的模擬和解釋結(jié)果,砂層斷裂規(guī)模存在明顯變化,在X和Z段斷裂規(guī)模小,并且大部分斷裂被限制在初始斷裂發(fā)生位移的區(qū)域內(nèi),在初始斷裂轉(zhuǎn)折的Y段內(nèi)斷裂規(guī)模變大,同時其走向也受到初始斷裂走向的影響。圖10c為砂層與硅酮層厚度為1∶2時的模擬和解釋結(jié)果,砂層斷裂規(guī)模小,同時斷裂展布明顯受到初始斷裂位移區(qū)的限制。

圖10 不同脆(韌)性層厚度比在等量拉伸下的構(gòu)造變形模擬實驗(據(jù)文獻[27]修改,白色為南傾斷裂、黑色為北傾斷裂)

以上模擬實驗說明了珠江口盆地裂陷期的發(fā)育特點。圖10a代表古新世—中始新世北部裂谷帶在厚地殼背景下的伸展作用,該期裂陷形成的斷陷走向在中、西部均以NE走向為主(圖4a),東部受中生代NW向基底斷裂控制,發(fā)育NWW向斷陷。圖10b代表晚始新世—早漸新世北部裂谷帶的伸展特征,在經(jīng)歷了早期伸展和下地殼的熱恢復后,北部裂谷帶地殼厚度明顯減薄,晚始新世—早漸新世的新一期裂谷作用受初始基底斷裂的影響強度增加,在中部裂谷段的構(gòu)造轉(zhuǎn)換區(qū),拉伸作用產(chǎn)生了大量受轉(zhuǎn)換帶影響的EW和NWW向斷裂(圖4b)。圖10c代表南部裂谷帶的伸展特征,該區(qū)中生代為弧前區(qū),新生代拉張作用發(fā)生時處于減薄地殼狀態(tài),裂陷期間主要通過大量延伸長度較短的斷裂來控制斷陷的發(fā)育,由此造成斷陷內(nèi)單條斷裂對沉積的控制不明顯(圖3剖面CC′)。

3 漂移階段沉降特征及成因機制

3.1 沉降特征

珠江口盆地珠海期以來的沉積是在南海海底擴張開始之后發(fā)育的,代表被動大陸邊緣漂移階段的沉積層序。該層序的沉積過程受控于北部大陸邊緣的裂后沉降過程、物源供給及全球海平面變化。

通過回剝技術對地層去壓實,再經(jīng)過古水深和基準面的校正,去除水負載引起的巖石圈均衡沉降,就可以得到各時期的空盆構(gòu)造沉降[28-30]。利用該方法計算了珠江口盆地中部裂谷段圖3剖面CC′在北部及南部的裂后沉降特征(圖11)。盆地北部在裂后存在兩期由快到慢的沉降幕,分別是30.0～18.5 Ma和18.5～0 Ma,把它換算成空盆構(gòu)造沉降(圖11中虛線),即30.0～23.8 Ma沉降速率約為50m/Ma, 23.8～18.5 Ma減小至15m/Ma;18.5～16.0 Ma的沉降速率迅速增大到70m/Ma,16～0 Ma又減小至19m/Ma。盆地南部的裂后沉降(圖11中實線)表現(xiàn)為30.0～23.8 Ma沉降速率約為29m/Ma, 23.8～18.5 Ma增大至97m/Ma;18.5～16.0 Ma的沉降速率再次增大到113m/Ma,16～0 Ma又減小至44m/Ma。

圖11 珠江口盆地北部與南部漂移階段沉降史對比

通過對比發(fā)現(xiàn),珠江口盆地北、南部裂后構(gòu)造沉降特征為:

1)過渡-早漂移層序發(fā)育期間,北部為快速沉降,而南部為慢速沉降。

2)晚漂移層序發(fā)育期間,北部構(gòu)造沉降減弱、南部構(gòu)造沉降增強。其中,23.8～18.5 Ma,北部為相對慢速沉降,而南部為快速沉降;18.5～16.0 Ma,北、南部均為快速沉降,但南部沉降速率大于北部;16～0 Ma,整個盆地沉降速率迅速下降,但南部沉降速率仍大于北部。

3.2 成因機制

3.2.1 過渡-早漂移層序

晚漸新世過渡-早漂移層序代表南海北部裂谷作用終止、陸殼收縮塌陷和南海海底擴張開始時期沉積的地層,盆地北部沉降速率明顯比南部大,這與南海西北及東部海盆同期海底擴張作用有密切關系。分析認為,海底擴張有關的地幔次生上升流的形成促使海底擴張脊周圍的陸殼發(fā)生相對抬升(圖12a),與此過程相對應,靠近擴張海盆的荔灣凹陷南部開始發(fā)育一系列的底辟構(gòu)造,反映靠近海盆區(qū)因地幔上升流而導致的邊緣陸殼抬升。洋陸過渡區(qū)的抬升及陸架區(qū)陸殼收縮塌陷造成陸架坡折帶在白云凹陷南部發(fā)育,珠江口盆地大部分區(qū)域處于陸架區(qū)。珠海組對早期裂陷區(qū)具有填平補齊作用,因差異壓實作用,斷裂在地層沉積期間存在較明顯活動。

圖12 地幔上升流遷移與珠江口盆地裂后沉降模式

3.2.2 晚漂移層序

中新世晚漂移層序沉積期間,南海海底擴張脊向南躍遷,海盆北部洋殼及南海北部陸緣地殼的冷卻收縮導致北部陸緣整體發(fā)生朝南的傾斜沉降,從而造成珠江口盆地北部構(gòu)造沉降減弱和南部構(gòu)造沉降增強。區(qū)域沉降和早期沉積物壓實作用促使海侵作用首先沿早期的斷陷區(qū)發(fā)生,發(fā)育三角洲沉積,而早期隆起區(qū)則主要發(fā)育濱岸沉積。分析認為,因控制海盆擴張的地幔上升流向南遷移,珠江口盆地南部因地幔上升流產(chǎn)生的支撐作用消失(圖12b), 23.8～18.5 Ma發(fā)生快速構(gòu)造沉降,從而導致陸坡快速遷移至白云凹陷北部及東沙隆起中部,形成具有典型陸棚-陸坡-陸隆的沉積地貌格局,并且一直持續(xù)至現(xiàn)今,同期的珠江組—韓江組發(fā)育三角洲、碳酸鹽巖和深水扇沉積。

3.2.3 構(gòu)造活動改造的晚漂移層序

此層序是在南海擴張停止、菲律賓海板塊持續(xù)向NWW向運動導致的呂宋島弧與臺灣陸架之間的弧-陸碰撞背景下發(fā)育的。該套地層的沉積地貌基本上繼承了晚漂移層序北部淺水區(qū)和南部深水區(qū)的格局,沉積了淺海和半深海相碎屑巖。受菲律賓海板塊持續(xù)向NWW向運動導致的呂宋島弧與臺灣陸架之間的弧-陸碰撞作用,該套地層沉積時期盆地東部的東沙隆起和潮汕坳陷發(fā)生長軸為NE向的穹隆狀隆升。伴隨該區(qū)的撓曲作用,東沙隆起和潮汕坳陷發(fā)育大量晚中新世以來活動的NE向斷裂(圖3剖面EE′)。珠一坳陷及東沙隆起東部的白云凹陷,中中新世以來為連續(xù)沉積,其中NWW和EW向斷裂控制了淺層的斷塊活動,形成粵海期以來發(fā)育的條帶狀裂谷帶或掀斜斷塊帶。上述構(gòu)造活動是引起晚中新世至今的慢速構(gòu)造沉降的原因。

4 結(jié)論

1)珠江口盆地自下而上可以劃分為中生代基底構(gòu)造層、古新世—早漸新世裂谷構(gòu)造層和晚漸新世以來的漂移構(gòu)造層,其中漂移構(gòu)造層可進一步劃分為晚漸新世過渡-早漂移層序、早—中中新世晚漂移層序和晚中新世至今構(gòu)造活動改造的晚漂移層序。各個構(gòu)造層序均代表了珠江口盆地在被動大陸邊緣演化過程中的一個特定成因階段。

2)珠江口盆地裂谷階段經(jīng)歷了兩幕性質(zhì)不同的裂陷作用。古新世—中始新世的伸展作用主要是在太平洋板塊俯沖作用下發(fā)生,而晚始新世—早漸新世的伸展作用是在印支半島旋轉(zhuǎn)擠出及古南海向南俯沖的背景下發(fā)生。兩幕裂陷作用之間區(qū)域動力條件的轉(zhuǎn)化導致盆地形成東西分段的構(gòu)造格局。

3)珠江口盆地兩幕裂陷的巖石圈伸展機制存在差異。古新世—中始新世裂陷幕在厚地殼和薄巖石圈背景下以寬裂谷方式伸展,形成盆-嶺式結(jié)構(gòu);晚始新世—早漸新世裂陷幕在正常巖石圈背景下發(fā)生窄裂谷方式伸展,裂陷作用集中在現(xiàn)今的南海北部大陸邊緣。兩期巖石圈伸展過程中的地殼厚度變化導致盆地南、北裂谷帶構(gòu)造特點不同。模擬實驗表明,北部裂谷帶經(jīng)歷加厚型地殼-正常地殼-減薄型地殼的伸展過程,而南部裂谷帶則主要經(jīng)歷減薄型地殼-超減薄型地殼的演化過程。

4)珠江口盆地過渡-早漂移層序及晚漂移層序的沉降過程與海底擴張過程中地幔上升流向南遷移有成因聯(lián)系。

致謝:研究工作中得到了朱偉林、陳斯忠、李平魯、蘇乃容等專家的指導和幫助,在此表示感謝!

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A discussion on the tectonic-stratigraphic framework and its originmechanism in Pearl River Mouth basin

Zhong Zhihong1 ShiHesheng1 Zhu Ming1 Pang Xiong1He Min1 Zhao Zhongxian2 Liu Siqing2 Wang Fei1
(1.Shenzhen Branch of CNOOC,Guangzhou,510240; 2.South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou,510301)

Located in the eastpart of the continentalmargin along the northern South China Sea,Pearl River Mouth basin is a Cenozoicpassive-margin-extension basin.From the bottom to thesurface,there are three tectonic levels in the basin,i.e.the Mesozoic basement,the Paleocene-Lower Oligocene rift and the driftsince Upper Oligocene,and each level represents aspecial episode of basin origin during thepassivemargin evolution.The tectonic framework during rifting in the basin is characterized by the west-eastsegmentation and north-south zonation. The west-eastsegmentation wasmainly controlled by two extension episodes in different regionalstructures:Paleocene-Middle Eocene extension occurredmainly due to Pacificsubduction;and Late Eocene-Early Oligocene extension was caused by Indochina rotation-extrusion and thesouthwardsubduction ofproto-South China Sea.The north-south zonation was controlled by differentmechanisms of lithosphere extension:Paleocene-Middle Eocene rifting episode occurred as an extension with wide-riftstyle in thesetting of thick crust and thin lithosphere,resulting in a basin-rangestructure;and Late Paleocene-Early Oligocene rifting episode occurred as an extension with narrow-riftstyle in thesetting of normal lithosphere,with the rifting concentrated on themargin in the northern South China Sea.An experiment ofphysicalsimulation hassuggested that there is an extension of thickened-normal-thinned crust and an evolution from thinned to ultra-thinned crust respectively in the north andsouth rift zone,resulting in thesignificant differences instructural-sedimentary framework between the two rift zones.Thesubsidence during drifting in the basin was related to thesouthwardmigration ofmantle upwelling duringseafloorspreading in South China Sea.

Pearl River Mouth basin;tectonic-stratigraphic framework;originmechanism;tectonic level of rift;tectonic level of drift;passivemargin; lithosphere extension

2014-03-26改回日期:2014-06-27

(編輯:張喜林)

*NSFC-廣東省聯(lián)合基金重點項目“南海共軛陸緣穿時破裂過程對深水盆地構(gòu)造發(fā)育及油氣成藏的影響(編號:U1301233)”、國家自然科學基金重點項目“南海早期構(gòu)造演化的沉積記錄(編號:91128207)”、“十二五”國家科技重大專項“南海北部深水區(qū)儲層識別技術與評價(編號: 2011ZX05025-003)”、“十二五”國家科技重大專項“近海大中型油氣田形成條件與分布(編號:2011ZX05023-006)”部分研究成果。

鐘志洪,男,博士,現(xiàn)從事盆地分析和石油地質(zhì)綜合研究。地址:廣州市江南大道中168號海洋石油大廈1521室(郵編: 510240)。電話:020-84258216。E-mail:zhongzhh2@cnooc.com.cn。