2011, Vol. 54
2. 中国科学院研究生院,北京 100049;
3. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司研究院,广州 510240
2. Graduate Univ. of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Institute of Science and Technology, Shenzhen Branch, China National Offshore Oil Corporation, Guangzhou 510240, China
白云深水区处于珠江口盆地陆坡区，发育在洋、陆过渡带位置，为新生代伸展减薄型的地壳[1～4]，通过地震剖面分析，白云深水区是一个为中央低隆起分隔的复式地堑(北部为白云凹陷，南部为荔湾凹陷)[5]，断裂密集发育但不控凹，新生代有超过1×104 m 的沉积物，白云深水区油气资源丰富，近年来连续有LW3-1、LH34-2 和LH29-1 等重大油气发现，已成为我国深水油气勘探的重点.
岩石圈伸展系数计算和沉降演化规律分析是认识白云深水凹陷发育机制的重要手段.Zhang 等[4]通过统计断裂伸展量的方法分层计算了上、下地壳的伸展系数，认为白云凹陷在变形前为一个热减薄的地壳；Clift等[6]利用挠曲悬臂梁模型正演盆地形态的方法，认为白云凹陷下地壳粘度低，伸展量大于上地壳，并用下地壳流来解释裂后异常沉降；Xie等[7]通过一维回剥方法和动力学地貌模拟，表明白云深水区存在900～1200m 的裂后异常沉降，但动力学地貌已无法解释，推测与后期的岩浆活动有关；Liao等[8]通过挠曲悬臂梁模型也证实裂后异常沉降的存在，并探讨了几种可能的机制.本文在前人对白云深水区岩石圈伸展变形和裂后异常沉降认识的基础上，利用空盆沉降(没有负载的沉降)技术，在更加详细的层序地层分层基础上，结合纯剪模型正演岩石圈伸展的方法[9]，计算了深水区两条测线的岩石圈伸展系数和裂后异常沉降，划出了沉降演化阶段，分析了岩石圈伸展系数、裂后异常沉降与基底隆凹单元之间的关系，并探讨了岩石圈的破裂对白云深水区裂后沉降的影响.
2 研究区概况 2.1 概况珠江口盆地位于南海北部，是在新生代拉伸背景下形成的被动大陆边缘，发育有宽阔的陆架、陆坡体系(约400km)(图 1)，白云深水区位于珠江口盆地陆坡位置，由北部的白云凹陷和南部的荔湾凹陷组成，水深变化在200～3000m，现为饥饿沉积的凹陷地形.从莫霍面等深图(图 1)[3]上看，研究区地幔隆升，呈典型的鼻状构造，与陆架和周边的盆地在深部结构上区别显着，这也是白云深水区新生代1 万多米巨厚沉积的响应.
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图 1 研究区构造简图（莫霍面来自重力异常解释[3]，陆架坡折参考庞雄[15]) Fig. 1 Simplified structural sketch of research region (Moho depth calculated from gravity anormaly[3] and refer shelfbreak to Pang[15]) |
珠江口盆地新生代发生多期构造运动[10～12]，其中，白云运动对白云深水区的构造-沉积环境影响最大，是白云凹陷由陆架浅水向陆坡深水环境改变的转折点，图 1显示了白云运动前后的陆架坡折位置的变迁[12]，在23.8 Ma 坡折位于白云凹陷南部，21 Ma则迁移到白云凹陷北部.李平鲁[13]通过分析不整合、地层间断、断裂和岩浆活动等构造事件认为珠江口盆地在晚白垩世-早渐新世为裂陷阶段，30 Ma为破裂不整合面，30 Ma后进入裂后阶段，这与通过磁条带对比得到的30 Ma为南海张开时间(Briais，1993)[14]一致.
2.2 白云深水区地层结构白云凹陷处于珠江口盆地东、西部构造单元的转换带上[5， 16]，其横向结构存在着显着差异，从选取的两条由陆架直达洋陆边界的地层剖面看(图 2)，东部的L1 剖面为由一隆起分隔的两个地堑组成，北部地堑(白云凹陷)深达8500 m，南部地堑(荔湾凹陷)深7000m，向西L2 剖面则过渡为一宽地堑(白云凹陷)，发育有12km 的新生代沉积，南部为隆起带.中海油东部公司在高精度层序地层解释的基础上，对白云深水区划出了18个地层，在图 2上标出了部分代表性的地层，测线上a、b、c、d四点为从两条测线上选取的4个回剥点.
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图 2 L1 剖面（a）和L2 剖面（b）测线地层结构a,b,c,d为测线上的4个回剥点 Fig. 2 Stratigraphic structure of two profiles（a,b,c,dare selected backstripped points along profiles L1 and L2) |
盆地沉降史是成盆过程的再现，回剥是沉降史恢复的重要手段，它是在现今地层划分、古水深和海平面校正的基础上，依次进行地层去压实和负载均衡校正，以求得各时期沉积基底的埋深.Scalter[17]、Stam[18]等的研究给出了包含水负载在内的盆地构造沉降，本文所用方法是在水负载沉降上，继续去除水负载的影响，得到空盆构造沉降，这是反应由地球动力引起的纯构造沉降，也是研究成盆动力机制的基础.对回剥分析影响较大的因素有古水深、海平面和岩性参数，这里选取了Haq 等[19]的三级全球海平面，同时对各层古水深和岩性参数分别进行了恢复和拟合.
3.2 古水深恢复古水深是盆地回剥中最重要的参数，直接影响了结果的准确性，目前对古水深的恢复仍没有简单、直接可用的方法.这里通过钻井、岩芯以及地震剖面沉积相的解释分别恢复了裂陷期和裂后期各界面的古水深.具体设置为：裂陷开始时(65 Ma)的古水深设为零；裂陷结束时(30 Ma)的古水深则根据以下资料进行估算：①ODP1148 井(图 1)渐新世下部的深水有孔虫，可与现今1000～2000 m 的南海有孔虫相比[20]，同时，过ODP1148井的地震剖面也显示在渐新世下可能仍为深水沉积[20]；②钻井和地震剖面表明此时的白云深水区已成为统一的集水区，白云深水区的地势表现为东北高和西南低，番禺低隆起此时为河流平原相[15， 21]；裂后各界面的古水深则根据中海油提供的沉积相和陆架坡折数据解释得到.典型界面的古水深恢复如图 3所示.
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图 3 L1剖面（a)和L2剖面（b)典型界面古水深恢复 Fig. 3 Paleo-water depth recovery of selected sequences |
沉积物在沉积初期含有大量的孔隙水，尤其是泥岩，孔隙水的含量可达到70% ～90%[22].沉积物沉积后不断埋深，并在上覆水层、沉积物及构造变形的作用下，沉积物颗粒将会发生重新排列、变形、水分排出，孔隙度降低，渗透率变小，即受到压实作用[22， 23].由于不同岩性在不同条件下受到的压实作用不同，白云深水区新生代沉积厚，岩性以泥岩和砂岩为主，这里在钻井岩性分析和测井声波时差曲线解释的基础上分别拟合了砂、泥岩各自孔隙度随深度变化的函数关系.
泥岩孔隙度(φm)随深度的变化关系是由#1、#2(图 1)和ODP1148井(图 1)拟合得到，关系为公式(1)，如图 4b所示；砂岩孔隙度(φs)随深度的变化关系则由#2、#3、#4、#5、#6、#7、#8共7口井的数据拟合得到，关系式为公式(2)，如图 4a所示.
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图 4 砂岩（a)和泥岩（b)的岩性参数拟合 Fig. 4 Fitted parameters of lithology |
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(1) |
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(2) |
其中，x为深度(单位：m)，R2 为决定系数.
4 结 果在古水深恢复和地层去压实校正的基础上，对L1 和L2 两条测线进行空盆沉降计算(图 5)，并选取了两条测线上a、b、c、d四个点做沉降速率分析(图 1，图 2，图 6).本文在沉降恢复的基础上，首先区分出裂陷期和裂后期的沉降总量，再根据裂陷期的沉降量用Mckenzie的纯剪模型[9]反演岩石圈的伸展系数，然后由伸展系数计算沿测线的理论裂后热沉降，最后比较实测裂后沉降与理论裂后沉降值，分析研究区裂后沉降异常及其分布特征.
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图 5 L1(A)和L2(B)测线岩石圈伸展变形和构造沉降(COB:洋陆边界） Fig. 5 Stretching factor and tectonic subsidence (COB, continent-ocean boundary) |
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图 6 沉降速率 Fig. 6 Subsidence rate |
在回剥的基础上，本文区分出了裂陷和裂后期的沉降量(图 5)，白云深水区裂陷和裂后的沉降除受基底形态影响外，还明显表现出向洋陆边界增加的趋势(图 5).L1 测线裂陷和裂后期均有两个沉降中心，裂陷期的沉降受基底形态影响大，由NW 向SE方向变化在200～2000m之间，裂后沉降除在基底隆起有小幅波动外，整体变化平缓，由NW 向SE方向由1000m 增加到1500m.L2 测线裂陷和裂后沉降明显受基底形态影响，都有一个沉降中心，裂陷期的沉降量变化在200～2100 m，裂后沉降变化小在1000～1500m.
沿L1 和L2 测线，选取了a、b、c、d四个点计算了17个层的沉降速率(图 6)，其中a、b、c三点均选在了沉降中心处，d点为L2 测线的南部隆起上，四点计算结果表明，白云深水区新生代沉降具有幕式特征，由快到慢共分四幕，分别为：① 65～24.4 Ma；② 24.4～18.5 Ma；③ 18.5～13.8 Ma；④ 13.8～0Ma；并且，在裂后存在3期典型的快速沉降(24.4～21Ma，18.5～16.5Ma，13.8～10.5 Ma)和4期慢速沉降(或隆升)(30～24.4 Ma，21～18.5 Ma，16.5～13.8 Ma，10.5～0 Ma).
4.2 岩石圈伸展变形根据裂陷期的沉降量计算了岩石圈的伸展系数，L1 测线的伸展系数变化在1～4之间，最大值4出现在南部的荔湾凹陷，拉伸系数向洋陆边界不断增大.L2测线的拉伸系数变化在1～7之间，最大值7出现在凹陷处.同时由根据重力异常反演的莫霍面深度[3](图 1)计算了全地壳的拉伸系数(图 5)，图中的误差值表示初始地壳厚度假设为28～32km的范围，全地壳的伸展系数与岩石圈的伸展系数变化趋势非常相似，在凹陷处，地壳的伸展系数小于岩石圈的伸展系数，在隆起和洋陆边界处，地壳的伸展系数等于或稍大于岩石圈的伸展系数.
4.3 异常沉降分布由岩石圈的伸展系数计算了理论裂后热沉降(图 5)，两条测线的理论热沉降与实测到的裂后沉降相比具有以下特点：理论值与实测值分布趋势一致，此外，理论值要小于实测值.因此，把裂后实测值减去理论值即得到裂后异常沉降.L1 和L2 测线的裂后异常沉降大都在300～700 m 之间，与基底形态之间的关系为，凹陷处的异常沉降小，在300 m左右，隆起处异常沉降大，在600m 左右，在NW 端的隆起处更是达到1100m.
5 讨 论(1) 本文对岩石圈伸展系数的计算是以裂陷期沉降量为基础进行的.一般对岩石圈伸系数的计算有两种方法，一是根据裂陷期岩石圈的沉降量作反演，如应变速率法[7， 24]等；另一是根据裂后沉降量来反演，如岩石圈随深度伸展变化模型[25]等.根据裂后沉降量反演岩石圈的伸展系数是假设岩石圈的裂后沉降全部是正常的热沉降，而本文的研究目的是为探索实测到的裂后沉降是否正常，因此本文选取以裂陷期沉降量来计算岩石圈的伸展系数.所以准确恢复裂陷期的沉降量就很重要，尽管本文对裂陷期的古水深作了校正，但由于没有考虑珠江口盆地裂陷期的多幕拉伸[26]和岩石圈在破裂后的可能持续伸展[27]，都可能低估裂陷期沉积物的厚度，从而使计算的岩石圈伸展系数变小，而使裂后异常沉降变大.
(2) 白云深水区岩石圈的伸展系数与全地壳的伸展系数变化趋势一致，即在凹陷处伸展系数大，在隆起处伸展系数小，同时，凹陷处的岩石圈伸展系数大于全地壳的伸展系数，隆起处和洋陆边界位置岩石圈的伸展系数和全地壳的伸展系数相当，或略小.白云深水区裂后异常沉降变化在300～700 m 之间，表现出与基底形态负相关，即在隆起处的异常沉降最大(600m 左右)，凹陷处的异常沉降最小(300m左右)(图 4).
图 7横坐标表示的是沿测线的伸展系数从小到大的排列，纵坐标表示的是裂后期与裂陷期沉降量之比，其中黑线为实测的裂后沉降与裂陷期沉降量之比，红线为理论的裂后沉降与裂陷期沉降之比，结果表明，理论值之比接近0.5，实测值之比在伸展系数大的地方接近0.5，而在伸展系数小的地方则远大于0.5，这也反应了白云深水区裂后存在异常沉降，且主要分布在岩石圈伸展系数较小的隆起处.
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图 7 L1(a)和L2(b)测线上不同伸展系数对应的裂后与裂陷期沉降量之比 Fig. 7 atio of post-rift to syn-rift subsidence with respect to different stretching factors along L1 and L2 profiles |
(3) 白云深水区裂后异常沉降与基底形态负相关的可能成因.由Mckenzie模型[9]假设的盆地裂后沉降都是由热沉降造成的，而没有考虑岩石圈的破裂对盆地沉降的影响.Braun[28]通过有限元模拟了岩石圈的破裂对洋陆过渡带隆起和凹陷的沉降影响，如图 8所示，假设岩石圈有一定的强度，用图 8b中的强硬层来表示，在伸展作用下，岩石圈表层形成隆起和凹陷，随后在岩石圈均衡调整的基础上，强硬层发生挠曲变形(图 8b).粗箭头表示强硬层在板内纤维应力作用下产生的垂向力矩，此时如果岩石圈发生破裂，则板内纤维应力消失，垂向力矩也消失，随后隆起处发生下沉，凹陷处抬升，如图 8a所示，其幅度则由岩石圈的强度决定.由于白云深水区处于洋陆过渡带位置，其隆起和凹陷构造单元则受岩石圈破裂的影响不同，即凹陷处的抬升量要大于隆起处的抬升量，或者凹陷处的沉降量要小于隆起处的沉降量，因此，在裂后的沉降中，岩石圈破裂对隆起处的贡献更大，这可能是造成白云深水区裂后异常沉降与基底形态负相关的一个重要原因.
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图 8 岩石圈颈缩变形和均衡调整示意图 Fig. 8 Ⅰllustration of necking and isostatic adjustment of lithosphere |
白云深水区裂陷期和裂后期沉降受基底形态影响，并向洋陆边界不断增加，裂陷期沉降量变化在200～2100m，裂后沉降量变化在1000～1500m.白云深水区新生代的构造沉降具有幕式特点，由快到慢共分4幕：① 65～24.4 Ma；② 24.4～18.5 Ma；③ 18.5～13.8 Ma；④ 13.8～0 Ma.在裂后存在3期快速沉降(24.4～21 Ma，18.5～16.5 Ma，13.8～10.5 Ma)和4期慢速沉降(或隆升)(30～24.4 Ma，21～18.5 Ma，16.5～13.8 Ma，10.5～0 Ma).
岩石圈伸展系数变化在1～7之间，和全地壳的伸展趋势一致，在基底隆起处伸展系数小，凹陷处伸展系数大，此外，在凹陷处岩石圈的伸展系数比地壳的伸展系数大，在隆起和洋陆边界处二者相同，或地壳的伸展系数略大.白云深水区裂后存在异常沉降，在300～700m 之间，并与基底形态负相关，隆起处异常沉降大，在600m 左右，凹陷处异常沉降小，在300m 左右，可能与岩石圈破裂引起的洋陆过渡带不同构造单元的差异沉降相关.
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