南海南部海域主要沉积盆地构造演化特征

作者&投稿:偶胁 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
南海中建南盆地构造沉降分析及沉积充填序列~

高红芳 白志琳
摘要 本文运用EBM盆地模拟系统,对中建南盆地的沉降过程进行了定量和动态模拟,得出盆地不同部位的沉降速率及变化图,再现了中建南盆地形成过程中经历的幕式沉降运动。并结合区域构造演化和盆地沉积、构造特征,分析了盆地的构造演化过程,论述了盆地的充填序列,认为盆地的幕式沉降与盆地的构造演化具有成因关系,而盆地构造沉降控制了盆地的充填过程。
关键词 盆地模拟 构造沉降 构造演化 充填序列
中建南盆地位于南海西部中建岛以南,其范围为11°20′~15°30′N,109°30′~112°00′E(白志琳、高红芳,1999)。该海域海底地形西陡东缓,水深200~3000m,地形走向大致为南北向,跨越了西部陆架和陆坡区(邱燕,1995)。盆地沉积厚度在2000~11000m,为被动大陆边缘的剪切拉张型盆地,勘探程度较低。
中建南盆地较早的勘查始于国家“八五”期间,调查了该区基本的沉积构造特征。在1997~1999年间,我国专属经济区和大陆架勘测专项“HY126-03-11”勘测报告中对中建南盆地进行了详细的补充调查研究,主要识别了六个地震反射界面,代表盆地的几个主要不整合面,划分了六个地震层序,各地震层序对应的地质时代见表1。
1 盆地构造沉降史模拟原理
盆地定量模拟是70年代末发展起来的一门新兴学科。它以地质模型和数理模型为基础,模拟或“仿真”盆地的动力学过程,重塑盆地的构造演化史、沉积发育史、地热史和烃的生成演化史等。使盆地的研究由静态定性分析,发展为对盆地演化的动态半定量、定量分析。
本文应用EBM盆地模拟系统(林畅松,1998),定量和动态模拟了中建南盆地的沉降过程,确定了盆地构造活动的主要规律。由此分析盆地的构造演化和充填序列。
1.1 沉降史回剥模型和参数
沉积盆地的总沉降量主要与构造作用、沉积物压实、均衡作用、沉积基准面变化或古水深变化等因素有关。在裂谷或断陷盆地中,盆地形成的构造作用主要是拉张作用,由于岩石圈的拉薄而引起盆地形成和沉降。在拉张过程中,软流圈上升引起一定的隆升,随后热衰减使盆地进一步沉降,盆地内充填沉积物和水会引起岩石圈的均衡调整下降。表层的沉积物具有较高的孔隙度,随着埋深加大而压实,可产生不可忽视的沉降量。水平面的变化使盆地相对沉积基准面发生变化,这也是必须考虑的因素,因此,盆地(纯水载盆地)的构造沉降可表述为:

表1 中建南盆地层序划分表 Table1 divided seismic sequence of ZhongJianNan Basin

构造沉降=总沉降-(沉积物和水负荷沉降+沉积物压实沉降+湖平面变化)显然,为了求得构造沉降,必须对沉积物压实进行校正。
1.2 沉积物压实校正
沉积物压实过程中受到岩性、超压、成岩作用等因素的影响,岩性往往起到主导的作用。在正常的压实情况下,孔隙度和深度关系可认为服从指数分布(Athy 1930;Hedbery1936;Ruby和Hubbert,1960):
Φ=Φ0e-cy
其中,Φ是深度为y时的孔隙度,Φ0为表面孔隙度,c为压实系数,Φ0和c主要与岩性有关。
在某一深度Y1和Y2之间岩层中水充填的孔隙

南海地质研究.12

沉积物的体积: Vs=Vt(整体)-Vw
那么,其厚度: Ys=Y2-Y1-Φ0×(Φ-cY2-Φ-cY1)/c
当把岩层回剥到 和
高度时,沉积物部分Vs不变,而只有孔隙中的水发生变化(Vw)。因此,在回剥的位置上岩层的厚度由下式给出(P.Allen,1990):

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砂岩、泥岩等单一的岩性的表面孔隙度据现代和实验室的结果已有较成熟的定量,混合的岩性可用表2提供的数值按比例加权得出。

表2 在正常情况下通常采用的压实系数 Table2 Coefficient of compaction under normal circumstances

(据Sclater和Chrjistic,1980)
1.3 沉积物的负荷校正
假若岩层的孔隙度为Φ,那么岩层的密度:
ρb=Φρw(水密度)+(1-Φ)ρsg(沉积物颗粒密度)
因此,有多层沉积层的平均密度:

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这里的S是校正后的厚度,是每一单层的厚度。
若构造沉降为Y(水充填),盆地中的水被沉积物代替后,厚度为S只考虑局部均衡,则有:
Y=S(ρm-ρs)/(ρm-ρw)
1.4 水深校正
沉积盆地水深较大时,必须对水深作校正才能得出正确的构造沉降。古水深的估计可通过沉积相分析、古生物组合等方法进行。一般来说,冲积—河流相可忽略水深计算:滨浅湖水深0~10m,半深湖—深湖沉积10~100m或更深;滨浅海水深0~50m,浅海50~200m,半深海—深海大于200m。在地震剖面上大型的前积层事实上是沉积斜坡体系。通过去压实后可恢复古斜坡的形态,从而估计古水深分布。
中建南盆地古水深变化如表3所示。

表3 中建南盆地古水深分布表 Table3 Distribution table of water-deep during Tertiary age of ZhongJianNan Basin

正确估计古水深后,很容易从总沉降中扣除水深的贡献。
若仅考虑局部均衡,水体的局部均衡沉降为Wd(ρm/(ρm-ρw)),其中Wd为古水深。因此,构造沉降可表述为(Steckler和Watts,1978;P.Allen,1992):
y=S(ρm-ρw)/(ρm-ρs)-Wd×ρm/(ρm-ρw)+Wd
2 模拟结果分析
通过对三条代表性剖面的构造沉降史定量模拟分析(测线A、B、C)(图1),对中建南盆地的沉降过程有了较系统的认识。图2、3、4分别是测线A、B和C典型部位的构造沉降速率结果。从这个沉降速率直方图中可以看出盆地的构造沉降速率出现两次沉降高峰期,它们分别为晚始新世—渐新世末期(T5—T4)和晚中新世时期(T3—T2)。构造沉降速率的这种变化反映了裂陷作用的不均速性和多幕性,显示了测区内构造活动的多期次性。

图1 模拟测线位置图 Fig.1 Modeling seismic profiles area

根据构造沉降速率在剖面上各点的变化,可以将沉降速率的变化分为三幕:
第一幕为古新世—中始新世末期,总沉降速率约为90~130m/Ma,构造沉降速率为40~70m/Ma。但这一幕经历的时间很长,约为27Ma,显示了盆地在中生代末期的神狐运动中,经剧烈的构造沉降运动之后,长期相对平静。盆地早期沉积厚度变化不大的原因是后期构造沉降速率慢而稳定。
第二幕为晚始新世—中中新世末期,盆地经历中始新世时期的缓慢沉降之后,开始快速沉降,总沉降速率可达到160m/Ma,构造沉降速率可达90m/Ma。在沉降速率突然加大时期,盆地中形成了一个可与区域上对比的不整合面。该时期内盆地大幅度向外扩张,可容纳空间急剧加大,沉积了厚度较大的烃源岩,是油气形成的主要时期。后期盆地沉降速率逐渐减小,到中中新世末期,沉降速率降到最低点,出现隆升现象,总沉降速率约为40~80m/Ma,构造沉降速率为20~40m/Ma。完成了裂陷运动的第二幕。使得T3反射界面成为一个区域性不整合面。
从晚中新世开始,沉降速率忽然加快。总沉降速率回升到80m/Ma,构造沉降速率回升到50m/Ma。此后逐渐降低,到第四系时期在盆地西部地区,构造沉降速率略有提高,至此完成了盆地构造运动的第三幕。
这三幕构造沉降运动在盆地构造格架上有明显反映:第一幕时期为盆地半地堑或地堑时期,范围比较窄小,构造相对简单;第二幕时期为盆地向外断块式上超,构造活动剧烈,构造样式复杂多样;第三幕时期断裂基本不再活动,盆地面积有所加大;沉降速率回升,盆地经受了区域沉降作用。

图2 中建南盆地中部深部位沉降速率变化图 Fig.2 Reconstructed subsidence rate of deep position in middle of ZhongJianNan Basin


图3 中建南盆地东部深部位沉降速率变化图 Fig.3 Reconstructed subsidence rate of deep setting in eastern of ZhongJianNan Basin

从盆地沉降量变化曲线中也可以看出构造沉降速率变化的规律,以测线B沉降量曲线的变化说明盆地的西部、中部和东部不同时期沉降速率的变化(图5、6、7)。在中中新世以前,盆地中部的构造沉降速率最大,西部次之,东部除局部坳陷外,普遍构造沉降速率较小;在中中新世以后,盆地西部沉降速率和中部和东部相比,明显偏大,说明在中中新世以后,沉降中心转至盆地西部。从T0—T3等厚度图可以看出,从中中新世至今,盆地沉积中心在盆地西部。这说明后期盆地沉降中心与沉积中心十分吻合。

图4 中建南盆地西南部深部位沉降速率变化图 Fig.4 Reconstructed subsidence rate of deep setting in southwestern of ZhongJianNan Basin

3 构造演化史
根据上节对剖面构造沉降模拟结果的分析,结合区域构造演化史和盆地沉积特征、构造特征的分析,将中建南盆地的构造演化分成两个阶段:裂陷阶段和裂后阶段。如前所述,这两个发展阶段所对应的构造学特征及沉积发育特征均有明显的差异。其中裂陷阶段
包括断陷阶段和断坳阶段,裂后阶段即后期区域沉降阶段,也就是坳陷阶段。裂陷期和裂后期分界的T3反射界面,是一个削截明显的角度不整合面,在区域上具有一致性。裂陷期内的T5反射界面,也是一个角度不整合面,在全区具有可对比性。由此将中建南盆地的构造演化(图8)分析如下:

图5 中建南盆地西部深部位沉降曲线 Fig.5 Subsidence curve of deep setting in western of ZhongJianNan Basin

断陷阶段
古新世早期,盆地拉开了新生代裂陷旋回的序幕。在白垩纪末期—第三纪早期发生的神狐运动的影响下,地壳应力由NW—SE向挤压转为NW—SE向拉张。这次张裂运动在南海北部大陆边缘和西部大陆边缘产生了一系列彼此分离的北东向和北北东向地堑、半地堑(姚伯初,1994,1998)。其中西部大陆边缘的一部分地堑和半地堑形成了中建南盆地的雏形。早期盆地范围较小,基底起伏不平,受断层影响明显,局部地区形成了多个小的沉降中心和沉积中心。发育反向正断层,显示了盆地早期具有张扭特征,结合南部万安盆地的资料,推断盆地早期受右旋走滑断层的影响。
断坳、压扭阶段
大约在始新世晚期,随着裂陷伸展作用的加强和盆地演化的继续,近南北向和北东向基底主断层的控制性地位提高,成为控制坳陷的主要同沉积断层,致使盆地早期形成的一系列小的地堑和半地堑或深坳带合并连通形成一个大的坳陷。此时盆地逐渐演变成为一个北东向的地堑型盆地。盆地内除已形成的断层继续活动,又形成一系列北东向新断层。沉降中心主体在盆地中部。由于这个时期强烈的水平伸展作用和差异升降运动,构造沉降速率大,盆地形成了巨大的可容纳空间,沉积了巨厚泥岩。但中中新世末期,万安运动使得区域应力场由NW—SE向拉张转为NWW—SEE挤压,盆地构造沉降速率急剧减小,盆地整体抬升,遭受长时期剥蚀,盆地出现微起伏褶皱现象。
坳陷阶段(区域沉降阶段)
经过中中新世末期的区域性隆起和剥蚀夷平后,晚中新世早期盆地发生了整体沉降。这一时期盆地的张裂作用基本停止,盆地边部基底主断层虽仍有不同程度的继承性活动,
但对沉积活动的控制作用减弱。

图6 中建南盆地中部深部位沉降曲线 Fig.6 Subsidence curve of deep setting in middle of ZhongJianNan Basin

总之,中建南盆地新生代构造演化经历了古新世—中始新世、晚始新世—中中新世、晚始新世—第四纪三个构造演化阶段,形成了一个较完整的裂陷-坳陷沉积旋回,与盆地的构造沉降幕式变化具有一致性。
4 盆地的充填序列
中建南盆地形成于陆架与西南海盆之间,物源丰富,沉积体系多样,盆内充填了数千米厚的陆缘湖盆、海洋沉积物。其总体的沉积演化受盆地构造沉降幕的影响,显示出一定的阶段性和多期次性。但由于盆地经历了由陆缘湖盆向陆缘海盆的过渡,因此其充填过程有一定特殊性。系统的沉积和古构造分析表明,盆地充填演化可划分以下几个阶段。

图7 中建南盆地东部深部位沉降曲线 Fig.7 Subsidence curve of deep setting in eastern of ZhongJianNan Basin

早期(Tg—T5)冲积—浅湖、沼泽盆地充填
包括冲积扇、河流和浅湖沼泽沉积。浅湖沼泽沉积主要分布于盆地中部,沿NNE到NE展布,代表最早期的裂陷盆地充填。四周是河流和冲积扇沉积体,其中北、西、南部的扇体规模大,而东部扇体规模很小,显示物源主要来自北、西、南部。由于这一阶段盆地差异沉降明显,在地震剖面上显示出低频,不连续到中连续,振幅中—低,变化快的反射特点。冲刷和切割现象较明显。
中期(T5—T4)扇三角洲、海-陆交互相充填
包括河流、扇三角洲、海-陆交互相、浅湖—沼泽相、浅湖—半深湖沉积,以前三种沉积体系为主,后两种沉积体系为残留相湖沉积。这一时期盆地沉降速率最大,可容纳空间明显加大,沉积了巨厚泥岩,是盆地烃源岩的主要发育时期。盆地边部的河流和扇三角洲是主要的储集层来源。
中晚期(T4—T3)开阔浅海—半深海充填
这个时期地形相对平缓,地堑、半地堑的差异沉降减小,盆地边缘地层上超。形成盆地边缘以河流、扇三角洲沉积为主,中部以海相泥岩、砂质泥岩沉积为主,局部地区残留有海陆交互相沉积。这一时期也是盆地烃源岩发育的重要时期。本期的隆起所导致的风化剥蚀,使得T3界面形成一个风化淋滤层,为不整合油藏的形成提供了条件。
后期(T3—T0)三角洲、滨浅海—半深海充填
这个时期在盆地西部、北部沉积了三角洲、滨海砂岩沉积,可作为盆地油气的储集体。中、东部为浅海—半深海泥岩沉积,为盆地区域盖层。在地势略高的部位,碳酸盐岩体比较发育,是重要的储层之一。

图8 中建南盆地沉积-构造发展史剖面图 Fig.8 The sedimento-structural development history of cross profile in ZhongJianNan Basin

5 结论
(1)盆地有三个快速沉降期,构造沉降速率的变化反映了盆地的幕式演化。
(2)盆地的沉积经历了从河流、冲积扇、浅湖、湖-海、浅海—半深海沉积,显示了一个大陆边缘盆地完整的充填演化过程,阶段性明显,反映出构造沉降的幕式变化同盆地充填演化阶段性的对应,进一步揭示了构造沉降对盆地沉积充填的控制作用。
(3)最大沉降速率时期与烃源岩的主要发育时期相对应。说明了在中建南盆地沉降速率对烃源岩发育的控制作用。
参考文献
1.林畅松,1998,盆地的形成和充填过程模拟,地学前缘Vol.6增刊,中国地质大学出版社。
2.姚伯初、曾维军等,1994,中美合作调研南海地质专报(GMSCS),中国地质大学出版社。
3.姚伯初,1998,南海新生代的构造演化与沉积盆地,南海地质研究第10期,中国地质大学出版社。
4.Allen P A,Allen J R.Basin Analysis:Principles and Applications.London:British Petroleum Company plc,1990.1~451.
5.Sclater,J.G.and P.A.F.Christie(1980):Continental stretching:an explanation of the postmid Cretaceous subsidence of the Central North Sea Basin,J.Geophys.Res.,85,3711~3739.
6.Watts,A.B.,G.Karner,and M.Steckler,1982,Lithosphere flexure and the evolution of sedimentary basin:Philosophical Transactions of the Royal Society of London,series A,V.305,p.249-281.
7.白志琳、高红芳,1999,南海海域沉积盆地多道地震补充调查研究报告(内部资料)。
8.邱燕等,1995.西沙西南海域勘查试点(内部资料)。
MODELING AND ANALYSIS OF STRUCTURE SUBSIDENCE HISTORIC AND FILLING SUCCESSION OF ZHONGJIANNAN BASIN
Gao Hongfang Bai ZhiLin
Abstract
Basin modeling technique has been used to reconstruct the subsidence rate in ZhongJianNan Basin.By subsidence rates in different areas,it has been shown that structure subsidence was being episode.Connected regional tectonic evolution and depositional-structural feature of basin,the writer analyzes tectonic evolution and filling succession of ZhongJianNan Basin.It has been found that there are genetic relationship of basin episode subsidence and tectonic evolution and structural subsidence controls basin filling succession.
Key word:Basin Modeling,structure subsidence,tectonic evolution,filling succession

1.2.1 概况
南海处于欧亚板块、太平洋板块和印度-澳大利亚板块之间,是东亚陆缘面积最大、位置最南的边缘海。南海形状极不规则,其长轴方向为北东向30°,长约2380km,总面积350×104km2。南海的北界为华南大陆,西界为中南半岛,东界和南界为一系列岛弧围绕。该系列岛弧北起台湾岛,往南和西南方向的主要岛屿有吕宋岛、民都洛岛、巴拉望岛、加里曼丹岛、苏门答腊岛等,构成南海外缘的自然边界,使南海成为半封闭的边缘海。南海东部和南部各以巴士海峡、民都洛海峡、巴拉巴克海峡等十多条海峡与大洋或外海相通。
南海总体地形从周边向中央倾斜,由浅至深依次分布着大陆架和岛架、大陆坡和岛坡、深海盆地等地貌类型。陆架和岛架总面积为168.5×104km2,约占南海总面积的48.15%,在南海北部和南部宽,东部和西部较窄。陆架和岛架的外缘坡折线水深各处差异较大,通常在100~300m之间,其上发育水下浅滩、水下三角洲、海底谷、水下阶地等次级地貌。大陆坡和岛坡总面积约为126.4×104km2,约占南海总面积的36.11%,其地形崎岖,高差起伏大,是南海地形变化最复杂的区域,发育有断褶型陆坡斜坡(或陡坡)、堆积型陆坡斜坡、深水阶地、海台、海岭、陆坡盆地、海山海丘群、海槽、海脊等次级地貌。深海盆地位于南海中部,总面积约为55.11×104km2,约占南海总面积的15.74%。盆地呈北东—南西向展布,以南北向的中南海山为界,分为中央海盆和西南海盆。深海盆地以平原地貌为主,高差悬殊、宏伟壮观的链状海山和线状海山分布其间。
南海的地形和地貌基本特征可从南海地形图(图1.2)和南海地貌图上反映出来。
1.2.2 南海北部地形地貌
南海北部大陆架是世界上最宽阔的陆架之一,长1425km,最大宽度310km。其主要地貌类型为现代海积平原地貌,水深范围为0~150m,地形平坦,平均坡度为0°03′~0°04′,沉积物主要为泥或粉砂质泥。由于板块运动、地质构造、海平面变化、现代海水动力作用之差异,区内三级地貌类型较多,发育滨海沙坡、海底浅滩、潮流沙脊、海釜、水下阶地、古海岸线、沙波与沙丘、古河道、水下三角洲、古三角洲等多种地貌类型。

图1.2 南海地形图(数值单位为m)

南海北部大陆坡东起台湾的西南端,西至西沙海槽的西端,呈NE向展布,全长约1350km,宽143~342km,与深海平原的分界水深为3400~3700m,呈西宽东窄状。大陆坡上部和中部,陆源物质丰富,以堆积型陆坡斜坡为主体,局部因受断裂构造控制,发育有断褶型陆坡斜坡和东沙海台。大陆坡下部以构造地貌为主,发育有西沙海槽、链状海山,局部伴有堆积地貌大陆隆。
1.2.3 南海西部地形地貌
南海西部大陆架北起北部湾口,南至加堆克群岛,陆架外缘水深为200~250m,呈SN向条带状分布,长720km,大部分宽65~115km,南北两端稍宽,中间窄,最窄处仅27km,按地貌特征分为陆架侵蚀-堆积平原和堆积平原,其三级地貌类型较为简单。
南海西部大陆坡北起西沙海槽,南面以盆西南海岭南端为界,陆坡外缘水深3600~4000m,呈北宽南窄状。由于板块运动和地质作用,地形变化复杂,地貌类型也比北部陆坡多。大陆坡西部以南北向延伸断褶型陆坡斜坡和深水阶地为主;北部和东北部以块体隆升的海台为特征,发育西沙海台、中沙海台、中建海台等;中北部以坡度较为平缓的堆积型陆坡斜坡为主体;中部和中南部以地势低洼的陆坡盆地为特征,发育中建南陆坡盆地和万安北陆坡盆地;东部地形起伏变化大,发育中沙海槽和中沙北海岭、盆西海岭、盆西南海岭等大型地貌。
1.2.4 南海南部地形地貌
南海南部大陆架包括著名的巽他陆架北部和加里曼丹北部陆架,与南海北部陆架同为NE—SW向展布,宽达300~400km。由于构造运动、海平面升降、现代水动力作用等诸因素,发育有陆架堆积平原、陆架侵蚀-堆积平原、水下阶地、古河道、古三角洲、海底扇等多种地貌类型。南海南部大陆坡西起巽他陆架外缘,东至马尼拉海沟南端,北东向延伸,长约1000km,其水深大部分在250~2000m之间,海底切割强烈,崎岖不平,地貌类型众多。南沙群岛位于其中,岛礁星罗棋布,有出露水面的岛屿、沙洲,有位于水面上下的环礁、台礁,有淹没水下的暗沙、暗礁和暗滩。
上陆坡因受同一方向的断裂构造控制和大量陆源碎屑物所覆盖,除陆坡上部为断褶型陆坡斜坡外,大部分为堆积型陆坡斜坡。断褶型陆坡斜坡主要分布在陆架外缘和上陆坡相接地段,呈条带状分布。堆积型陆坡斜坡主要分布在陆坡的西北部和加里曼丹岛的北侧,其坡度较为平缓,形态也较为单一。中陆坡又称南沙台阶,其地形变化复杂,可分为海台、陆坡盆地、海槽、海谷、海山海丘群、水下礁盘等。下陆坡是陆坡外缘往深海转折处的斜坡,水深由2000m开始,往下直落深达3500~4000m的西南海盆,其坡度比上陆坡陡,以断褶型陆坡陡坡为主体。
1.2.5 南海东部地形地貌
南海东部与菲律宾吕宋岛、巴拉望岛相邻,北面与我国台湾岛相衔接,南部隔南沙群岛与加里曼丹岛相望,西部则经中沙群岛、西沙群岛与中南半岛相望,中部大片地区海底地形较为平坦,属岛弧地貌,次级地貌分为岛架和岛坡地貌两类。
南海东部岛架由台湾岛至菲律宾的民都洛岛和巴拉望岛,呈南北向的狭长条带状,岛架外缘坡折水深100m左右,在民都洛西岸外缘坡折处,水深增大至100~200m,宽3~14km,坡度略大。
在南海东部岛坡分布着长而深的马尼拉海沟与吕宋海槽,海沟深达4500m以上。菲律宾巴拉望岛的西侧海区,大部分海底为巴拉望岛的西北岛坡。岛坡中部、南部斜坡地形比较简单,北部地形则较复杂,既有峡谷横切,又有深潭下落,显得崎岖不平。岛坡的西部有大片高起的台地,其顶面平坦,并有多个山峰环列于南翼。总体而言,南海东部岛坡海底地形表现出从东南往西北倾斜的趋势。
1.2.6 深海盆地地形地貌
海盆位于南海中部,水深3400~4300m,NE—SW向展布,大致以南北向的中南海山为界,分为东部次海盆和西南次海盆。
东部次海盆是南海海盆的主体,大约以珍贝海山和黄岩海山为界,分为南北两部分。
北部海盆自北部大陆坡脚水深3400~3600m向南水深逐渐加大,到珍贝海山和黄岩海山坡脚水深达4200m左右,以广阔平坦的平原地形为主体。海底自北向南微微倾斜,地形平坦。在广阔平坦的深海平原上有5条雄伟的东西向的链状海山分布,即珍贝-黄岩链状海山、涨中链状海山、宪南链状海山、宪北链状海山、玳瑁链状海山。南部海盆自南向北微微倾斜,其水深范围为4000~4400m,地形同样平坦开阔,平原面积占80%以上。该区也有东西向链状海丘分布,但数量比北部海盆少,且高度也较低,主要有黄岩南链状海丘、中南海山东链状海丘等。
西南次海盆长轴为NE向,长约525km,东北部最宽处达342km,向西南宽度逐渐变窄。海盆与陆坡交接处水深4000~4200m。海盆内以平原地形为主体,但在海盆中部分布着与海盆长轴平行的舟状洼地,其水深为4400m左右,因而盆底平原从东北和西南两侧向中部舟状洼地略微倾斜,平均坡度为0°02′~0°12′。海盆中有数条NE向线状海山和链状海山、海丘分布,以长龙线状海山及其南侧的三条线状、链状海山最为壮观。长龙海山长234km,宽20km左右,最大高差888m。

姚永坚1,2夏斌1徐行2

第一作者简介:姚永坚,女,1964年出生,教授级高工,主要从事海洋地质、石油地质研究。E⁃mail:http://www.jyao64@yahoo.com.cn

(1.中科院广州地球化学研究所与南海海洋研究所边缘海地质重点实验室广州 510640;2.广州海洋地质调查局 广州 510760)

摘要 南海南部海域主要沉积盆地沿南沙块体南部、西部两条不同的边界分布,其成盆时代、盆地类型、盆地演化历史以及油气资源效应都有较大的差异,它们的发生发展均与南海的两次海底扩张有关;构造演化具有明显的阶段性,早期均与区域拉张作用有关,都经历了中中新世末期的变形、改造和随后的区域沉降过程,并受到礼乐运动、西卫运动和南沙运动的影响。万安、曾母和北康盆地是南海南部海域具有代表性的新生代沉积盆地,分属于不同的盆地类型。万安盆地是叠置在较薄地壳和高热流值背景之上的一个新生代走滑拉张盆地,经历了三个构造演化阶段。曾母盆地是南沙块体向南俯冲与婆罗洲块体发生软碰撞而形成的一个周缘前陆盆地,经历了四个不同的构造演化阶段。北康盆地是在南沙块体上于白垩纪末—第三纪早期由于地壳拉伸、裂陷而形成的一个陆缘张裂盆地,经历了三个构造演化阶段。

关键词 南海南部海域 沉积盆地 构造演化

1 前言

南海南部海域具有丰富的油气资源,最新统计资料显示,其总的油气资源量在200×108t以上,至20世纪末,周边国家已钻各类探井约1423口,探明可采石油储量8.27×108t,天然气储量40958×108m3,发现含油气构造200多个,油田101个,其中位于我国传统疆界线以内的有28个油田、25个气田,并进行了掠夺性开采,近年来还继续扩大勘探范围,不断向我国陆坡深水区推进。

我国对南沙海域的油气调查始于1987年,迄今已完成8万多公里的多道地震调查及相应的重力、磁力和水深测量,取得一批重要的基础资料,查明了该海域盆地的分布范围、类型、沉积构造特征,基本掌握了油气资源的分布状况,为维护我国海洋主权权益提供了资源方面的依据。本文在多年油气勘探成果的基础上,结合国外已公开发表的钻井资料,探讨南海南部海域主要沉积盆地的构造演化特征。

2 区域地质背景

南海位于太平洋、欧亚和印⁃澳三大板块的交汇处,是在中生代大陆边缘背景上扩张而形成的新生代边缘海。其发生发展与印支块体(包括昆嵩地块、中⁃西沙地块和东马⁃西南婆罗洲地块)、南沙块体(包括礼乐⁃东北巴拉望地块、永暑⁃太平地块和曾母地块)和沙捞越⁃苏禄增生系在不同阶段的相互作用密切相关(图1),并在南海周缘形成了一批大中型的沉积盆地。其中,中建南、万安、曾母、北康、南薇西和礼乐六个主要沉积盆地分别位于南海南部、西部两条不同类型的边界上(图2),从其形成时间分析,以新生代为主。根据地球动力学性质、盆地所处的板块构造位置、盆地基底性质、地壳类型以及盆地内的沉积结构特征和充填样式等,将南海南部海域主要沉积盆地划分为四大类型:与走滑拉张有关的盆地,主要分布在南海西部边缘,是在晚白垩世末期古南海大陆边缘裂解⁃离散和内陆拆离过程中形成的,后期受走滑活动改造,以万安盆地和中建南盆地为代表;与挤压有关的盆地主要分布在南沙块体南部,具有代表性的盆地为曾母周缘前陆盆地;与陆缘张裂有关的盆地,是在南沙块体长期剥蚀夷平的基底上,于白垩纪末—第三纪早期由于地壳拉伸、裂陷而形成的,主要有北康和南薇西两个盆地;礼乐盆地是南海南部海域一个典型的中、新生代叠合盆地,位于南沙块体东部(金庆焕等,2000)。

图1 南海南部海域及邻区大地构造单元划分示意图

(据曾维军、万玲等,2003)

Fig.1 Map showing the tectonic units in southern part of South China Sea and its adjacent area

①卢帕尔断裂;②武吉米辛断裂;③克拉维特断裂;④南沙海槽东南侧断裂;⑤马尼拉海沟东断裂;⑥南海西缘断裂;⑦廷贾断裂;⑧巴拉巴克断裂;⑨乌鲁根断裂

图2 南海南部海域主要沉积盆地分布示意图

Fig.2 Distribution of the main sedimentary basins in southern part of South China Sea

3 主要盆地构造演化

3.1万安盆地

3.1.1 盆地基底性质

根据重磁场特征、钻井以及区域地质资料推测,万安盆地的基底可能由印支块体和沙捞越⁃苏禄增生系组成,主体坐落在印支块体之上。北部为海西—印支期褶皱变质岩并被燕山期岩浆⁃火山弧复杂化,20多口井钻到了基岩,大部分为花岗岩和花岗闪长岩类的中酸性侵入岩,少部分为火山岩和变质岩,其同位素年龄为97~178Ma,地质时代为中侏罗—中晚白垩世;南部则是一条中生代晚期的增生变形带,与燕山末期和喜马拉雅早期岩浆岩、火山岩一起构成盆地南部的基底。

3.1.2 构造单元划分

万安盆地面积约8.5×104km2,呈纺锤状南北向展布,由西向东跨越陆架和陆坡两大地貌单元,主体水深小于500m,最大水深约1800~2000m。根据盆地基底属性、地球物理场特征和沉积厚度可划分为十个二级构造单元(图2),它们由北往南依次为北部坳陷、北部隆起、中部坳陷、中部隆起、南部坳陷、东部隆起、东部坳陷,西部构造单元有西北断阶带、西部坳陷和西南斜坡。盆地发育始新世以来新生代地层,沉积厚度一般6000~8000m,最大厚度超过12500m。

3.1.3 盆地构造演化

万安盆地是叠置在较薄地壳和高热流值背景之上的一个新生代走滑拉张盆地(姚伯初,1994)。其构造演化受南海海底扩张和南海西缘走滑断裂双重控制,大致可分为以下三个阶段(表1、图3):

表1万安盆地新生代构造演化简表 Table1 Cenozoic tectonic evolution in Wan'an basin

图3万安盆地新生代构造演化示意图

Fig.3 Map of Cenozoic tectonic evolution in Wan'an basin

3.1.3.1 晚中生代—古近纪早期大陆抬升、局部裂谷拉张阶段

中生代末和新生代初,以块体碰撞、拼贴为特色的燕山运动结束后,东南亚大陆不断抬升,这一时期形成的裂谷盆地受到南海西缘断裂右旋平移活动作用,具有广盆的性质,其西侧近北东60°方向排列的一系列雁行断裂即为其次一级的右行张扭断裂,盆地构造走向也由北东向逐渐转为北北东向或近南北向,在它们的控制下形成盆内北东—北北东向的隆坳格局,隆坳走向与盆地走向呈一锐角相交,自北而南逐渐向北北东向偏移。E.Γ.拉舍维等(1996)认为,越南陆架区由始新世开始的大陆裂谷作用一直持续到渐新世,本应发展到洋盆张开,但由于地壳能量的不足,因而越南陆架上的裂谷形成幕没有得到进一步的发展,并立即被台向斜幕所取代。

3.1.3.2 新近纪早中期断坳和改造阶段

早中新世为断坳阶段,中中新世为走滑挤压、构造反转阶段(图3)。在南海东部海盆扩张和南海西缘走滑断裂活动的影响下,越南陆架上的大陆裂谷发生坳陷,自中新世起除昆仑、纳土纳等大型隆起外,均处于海平面以下。早中新世期间,在潮湿亚热带气候条件下,堆积了海岸—冲积相、三角洲—浅海相和浅海相砂泥岩堆积,以及浅海碳酸盐岩沉积。

南海扩张结束之后,在东南亚及周缘板块的重组、碰撞作用下,中中新世期间,南海西缘断裂走滑方向发生反转,万安盆地由拉张转为挤压。中中新世晚期的南沙运动主幕,导致T3区域不整合面的形成,全盆地隆升,普遍被剥蚀,一系列构造圈闭在这一时期定型,它们成为油气勘探的主要目标之一。受东部南沙块体运动影响,沉积层构造变形自东向西减弱。

3.1.3.3 新近纪晚期—第四纪区域沉降阶段(T3—T0

早期,在区域热沉降及海面升降的背景下发生填平补齐的沉积充填作用,在这一阶段发育的礁灰岩是最有利的储集构造。

晚期,越南陆架形成,发育巨厚的上新世—第四纪沉积,为油气创造了良好的保存条件。与海区强烈下沉相伴的是邻近陆地及其边缘上新世—第四纪碱性—亚碱性拉斑玄武岩的大规模喷发。

3.2 曾母盆地

3.2.1 盆地基底性质

曾母盆地的基底由四部分组成。盆地西侧为纳土纳隆起的延伸部分,西部斜坡AP⁃1X井、AY⁃1X井分别钻遇晚白垩世(K/Ar年龄为 79.3Ma)深成岩和古新世(K/Ar年龄为(54.6±2.7)Ma)火山集块岩,其基底由中生代晚期至古近纪的深成岩和火山岩组成。南部奠基于上白垩统—始新统拉让群之上,主要为古新世—始新世的浅变质、高变形的类复理石的浊流沉积,变质程度由南向北减弱,曾母暗沙以西的TM⁃1井(Temggiri Marine⁃1)处的始新统为未变质的碎屑岩。据各种文献资料分析,东部的南康台地区可能是一个大陆碎块(Hutshison,1984,1986),裂自华南大陆,推测其基底可能由前新生代变质岩、沉积岩和火山岩组成。曾母盆地北部基底情况不明,地震资料显示上覆沉积盖层巨厚(15~17km),对应重力高,推测有地壳减薄或地壳层缺失,上地幔物质(高密度)上涌。

3.2.2 构造单元划分

曾母盆地位于南海西南部宽达300km的北巽他陆架上,自南而北,水深由40m变化至2000m,主体水深小于500m,地形由向北西倾斜转向北东倾斜。盆地面积约17×104km2,呈北西走向的近三角形。根据国外有关资料及前人研究成果,盆地可划分为索康坳陷、拉奈隆起、塔陶垒堑、西巴林坚隆起、东巴林坚坳陷、南康台地、康西坳陷和西部斜坡八个二级构造单元(图2)。盆地新生代沉积厚度具有东厚西薄、北厚南薄的特点,沉积中心位于盆地中北部的康西坳陷,最大沉积厚度超过17000m。

3.2.3 盆地构造演化

曾母盆地经历了四个不同的演化阶段(图4),形成东西、南北不均衡的发展过程,构成“东西两台夹深坳和南挤北张”的构造格局,是一个不典型的周缘前陆盆地(姚伯初,1998),具有丰富的油气资源。

3.2.3.1 中生代末—古近纪早期被动大陆边缘断陷和断坳发育阶段

(1)中生代末—中始新世被动大陆边缘断陷发育阶段:中生代末—中始新世,华南和东南亚大陆在不断抬升背景下裂解,南沙块体西南缘不断沉降,在南海西南部被动大陆边缘上形成曾母盆地。钻井证实盆地南部基底古新统—中始新统为轻变质拉让群,其原岩为一套深海复理石。

(2)晚始新世—早渐新世断坳阶段:晚始新世—早渐新世,随着西南海盆扩展,南沙块体裂离华南大陆向南漂移,曾母盆地经短暂的隆升后,开始断坳发育阶段。晚始新世在盆地内局部发育陆相—三角洲沉积(Morbie,1983),早渐新世海相沉积逐渐广布。

图4 曾母盆地新生代构造演化示意图

Fig.4 Map of Cenozoic tectonic evolution in Zengmu basin

3.2.3.2 晚渐新世—早中新世周缘前陆盆地形成阶段

晚渐新世—早中新世,南沙块体向南俯冲与婆罗洲发生软碰撞,古南海消亡,曾母盆地形成一个以海退为主的沉积旋回。在构造负荷作用下,南沙块体西南缘和沙捞越⁃苏禄增生带发生扰曲沉降,此时古地理格局却发生了明显的变化,由先前的北高南低转为南高北低。渐新世早期除西部有部分陆相⁃三角洲相沉积和东部浅海相沉积外,南部、西南部和北部大部分地区抬升为陆地,并遭受剥蚀。早中新世,在半地堑、地堑基础上形成各主要坳陷。

3.2.3.3 中中新世前陆盆地定型和改造阶段

早中新世末,曾母盆地表现为南挤北张。盆地南部边缘发育推覆带、褶皱⁃冲断带,但东南部构造格局与西南部明显不同。西南部塔陶垒堑区以北西西向构造为主;东南部巴林坚坳陷发育的褶皱构造走向为北东向,表明南沙块体东南缘的碰撞要晚于西南缘,构造线从早期的北西西向转为晚期的北东向。这一过程可能与渐新世至早中新世时婆罗洲逆时针旋转活动有关(Hutchison,1989)。相反,中、北部则出现明显拉张和强烈沉降,康西坳陷主体表现为大规模的前积结构,发育三角洲沉积。东西方向上“两台夹深坳”的构造格局逐渐凸显,东部南康台地和西部斜坡在断裂作用下隆起,在台地上广泛发育碳酸岩盐、生物礁及滨浅海相碎屑岩,现已发现许多大、中型气田。而夹持在台地之间的康西坳陷堆积了多期三角洲复合体及浅海和半深海沉积物。

中中新世末,在南沙运动和北东走向廷贾断裂的右旋走滑挤压作用下,曾母盆地表现为强烈的隆升和剥蚀,使中中新统及以下地层发生剧烈的块断掀斜和褶皱变形,大部分局部构造在此时期基本形成。

3.2.3.4 晚中新世—第四纪区域沉降阶段

晚中新世以来,曾母盆地古海岸线由近南北向或北北西⁃南南东向转为北东⁃南西向,盆地进入填平补齐和随后区域沉降阶段。由于廷贾断裂再次发生走滑活动,盆地差异沉降突出,形成南北不对称结构,盆地沉降和沉积中心明显向北、东迁移,在康西坳陷北部泥底辟构造发育,是天然气有利的储集空间。

3.3 北康盆地

3.3.1 盆地基底性质

北康盆地位于南沙块体的南部,目前尚无钻井钻遇盆地的基底。据最新地球物理成果推断,盆地基底岩石由前新生代中酸性⁃基性火成岩及变质岩组成。

3.3.2 构造单元划分

北康盆地主体位于南沙中部海域陆坡区,水深范围200~2000m。盆地总体呈北东走向,面积约4.32×104km2,在盆地内划分了西部坳陷、中部隆起、东南坳陷、东部隆起、东北部隆起和东北坳陷六个二级构造单元(图1),其中西部坳陷和东南坳陷为盆地主体坳陷。盆地新生代沉积厚度一般为1000~10000m,坳陷沉积厚度较大,均大于3000m,最大沉积厚度达12000m。

3.3.3 盆地构造演化

北康盆地是在南沙块体长期剥蚀夷平的基底上,于白垩纪末—第三纪早期由于地壳拉伸、裂陷而形成的一个陆缘张裂盆地,其演化大致可分为以下三个阶段(图5)。

3.3.3.1 中生代末—古近纪早期被动大陆边缘裂前伸展、断陷阶段

中生代末期—古近纪早期,北康盆地在南沙块体上开始张裂,同时伴有岩浆的喷发活动。成盆初期,北康盆地表现为北高南低的古地理格局。北部、西部和南部、东部构造格局存有差异,前者受断裂控制,发育箕状小断陷,范围局限,凹凸明显;而后者受断裂控制较弱,呈宽缓的断陷、坳陷格局,分布范围较大。中始新世,随着西南海盆扩张,在拉张应力场控制下,北康盆地先前的凹陷得到进一步发展,断裂活动加剧,盆地的隆、坳结构突出,沉降和沉积中心位于东南部坳陷内,至此盆地进入大规模的断陷发育阶段。

图5 北康盆地新生代构造演化示意图

Fig.5 Map of Cenozoic tectonic evolution in Beikang basin

3.3.3.2 晚始新世—中中新世裂后断坳、改造阶段

中始新世末期,在西卫运动的影响下,盆地经短暂抬升和剥蚀,沿袭前期的构造格局,沉积范围和沉降速率加大。至早渐新世,北康盆地进入了广盆沉积阶段,即断坳发育阶段,沉积与沉降中心未发生明显迁移。

晚渐新世,受南海东部海盆扩张及全球海平面急剧下降(Vail,1977,1992)的影响,北康盆地进入坳陷发育阶段。早中新世末,随着南海东部海盆扩张结束,南沙块体内的北西向或近南北向断层走滑活动(廷贾断裂等)开始,造成盆地的局部抬升与挤压。中中新世末,廷贾断裂走滑活动加强(钟广见等,1995),盆地抬升并遭受大规模的剥蚀夷平。这一时期也是盆地断裂、岩浆活动及构造圈闭发育的鼎盛时期,广泛发育北东向压扭性断层及北西向和近南北向走滑断层。

3.3.3.3 晚中新世—第四纪区域沉降及构造活化期

晚中新世之后,廷贾断裂再次活动,从右旋变为左旋(钟广见等,1995),盆地进一步拉张并发生差异沉降,自东北向西南明显加厚,与中中新世之前的沉积层形成了“翘翘板”式结构,盆地的沉降和沉积中心从东北部转到西南部。

上新世后,区域应力场逐渐进入平静松弛状态,发生区域性沉降,形成了一套早期充填后期披覆加积的沉积序列。这一时期盆地大部分断裂活动明显减弱,而部分断裂再次张性活动,并伴随大规模的玄武岩喷发,形成海山或海丘。

4 结论

(1)南海南部海域万安、曾母和北康盆地分别位于不同块体及其结合部位上,盆地所处的大地构造环境、盆地基底性质、地球动力学和沉积结构特征及充填样式不同,盆地类型各异。万安盆地是叠置在较薄地壳和高热流值背景之上的一个新生代走滑拉张盆地,经历了三个构造演化阶段;曾母盆地是南沙块体向南俯冲与婆罗洲块体发生软碰撞而形成的一个周缘前陆盆地,经历了四个不同的构造演化阶段;北康盆地是在南沙块体上于白垩纪末—第三纪早期由于地壳拉伸、裂陷而形成的一个陆缘张裂盆地,经历了三个构造演化阶段。

(2)三个盆地构造演化历史都具有明显的阶段性和可比性,它们都有如下特点:盆地的大地构造背景和动力学环境均受到南海两次海底扩张、消亡及周缘板块活动与重组制约;盆地的构造演化主要受到三次构造运动的影响,即礼乐运动、西卫运动和南沙运动作用,盆地构造格局均在南沙运动中定格;盆地成盆初期几乎都与区域拉张伸展作用有关;都经历中中新世末期变形、改造以及其后的区域沉降过程。

参考文献

金庆焕,李唐根.2000.南沙海域区域地质构造.海洋地质与第四纪地质.Vol.20,No.1:1~8

姚伯初.1994.南海南部地区新生代构造演化.南海地质研究,Vol.6,1~15

姚伯初.1998.南海新生代构造演化与沉积盆地.南海地质研究,Vol.10,1~17

姚永坚,姜玉坤,曾祥辉.2002.南沙海域新生代主要构造运动的特征.中国海上油气(地质).Vol.16,No.2:113~117

Abdul Manf Mohammad,Robert H.F.Wong.1995.Seismic Sequence Stratigraphy of the tertiary Sediments,Offshore Sarawak Deepwater Area,Malaysia,Geol.Soc.Malaysia,57,545~561

Tectonic evolution of the main sedimentary basins in southern area of the South China Sea

Yao Yongjian1,2,Xia Bin1,Xu Xing2

(1.The Key Laboratory of Marginal Sea,Guangzhou Institute of Geochemistryand South China Sea Institute of Oceanology,CAS,Guangzhou,510640;2.Guangzhou Marine Geology Survey,Guangzhou,510760)

Abstract:The main sedimentary basins in southern areas of the South China Sea located at eastern,southern,and western boundarys around the Nansha Block,whose formation time,basinsˊtype,evolution process,and contribution to oil and gas resources are quite different,of which the formation and development were related to the twice sea⁃floor spreading of the South China sea.The tectonic evolution of the basins possesses distinct stages,from the stage related to territorial extension in the early period,to the stages of distortion and reconstruct in the end of middle Miocene and the succedent territorial subsidence,and to the stages under the influence of Lile movement,Xiwei movement,and Nansha movement.Wanˊan Basin,Zengmu Basin,and Beikang Basin are the representative Cenozoic basins in the southern areas of the South China Sea,belonging to different basin types.Wanˊan Basin is a Cenozoic slip⁃extension basin,superposing on the thin crust with the setting of high heat flux,and experienced three stages of tectonic evolution.Zengmu Basin is a peripheral foreland basin,formed from southern subduction of Nansha Block and gentle collision with Borneo Block,and experienced four stages of tectonic evolution.Beikang Basin is a peripheral extension⁃rift basin,formed from crust extension and rift of Nansha Block in the end of Cretaceous to early Tertiary,and experienced three stages of tectonic evolution.

Key words:The southern areas of the South China Sea sedimentary basin tectonic evolution




南海南部海域主要沉积盆地构造演化特征
摘要 南海南部海域主要沉积盆地沿南沙块体南部、西部两条不同的边界分布,其成盆时代、盆地类型、盆地演化历史以及油气资源效应都有较大的差异,它们的发生发展均与南海的两次海底扩张有关;构造演化具有明显的阶段性,早期均与区域拉张作用有关,都经历了中中新世末期的变形、改造和随后的区域沉降过程,并受到礼乐运动、西...

东部海区第四纪地层
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南海海域地形地貌基本特征
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南海、北海、黄海、东海、渤海,那四个是中国的海
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