地球物理学报  2018, Vol. 61 Issue (12): 4901-4920   PDF    
南海北部陆缘深水-超深水盆地成因机制分析
任建业1, 庞雄2, 于鹏3, 雷超1, 罗盼1     
1. 中国地质大学海洋学院, 武汉 430074;
2. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司, 广东深圳 518054;
3. 同济大学 海洋与地球科学学院, 上海 200092
摘要:本文以海洋地质调查和油气勘探开发中积累的地质和地球物理资料的解释和分析为基础,描述和划分了南海北部被动陆缘地壳岩石圈结构构造单元,由陆向海划分出近端带、细颈化带、远端带和洋陆转换带(OCT,含边缘高地)四个构造单元.从细颈化带到OCT基本处于现今陆架坡折带之外的深水-超深水区的范围,以强烈的地壳薄化和发育大型拆离断层控制的拆离盆地为特征.这些深水-超深水盆地的同裂陷阶段均经历了早期均一断陷、中晚期拆离式断陷的演化过程,受控于南海北部大型拆离断层作用及其所导致的岩石圈临界破裂过程.新的深水-超深水盆地形成机理的认识为南海北部陆缘岩石圈的非瞬时伸展破裂过程的分析提供了新的视角,同时,陆缘深水-超深水盆地具有独特的构造-沉积体系配置和构造-热演化过程,将为科学评价南海北部陆缘深水-超深水盆地油气勘探潜力提供新的思路.
关键词: 南海北部陆缘      深水-超深水盆地      拆离断层      非瞬时伸展破裂模式     
Characteristics and formation mechanism of deepwater and ultra-deepwater basins in the northern continental margin of the South China Sea
REN JianYe1, PANG Xiong2, YU Peng3, LEI Chao1, LUO Pan1     
1. College of Marine Science and Technology, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
2. China National Offshore Oil CorporationLimited, Guangdong Shenzhen 518054, China;
3. College of Marine and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092, China
Abstract: This work is based on the interpretation and analysis geological and geophysical data collected by marine geological investigations and petroleum exploration and production. The purpose is to delineate the architectural elements of the northern continental margin in the South China Sea. From land to sea, this region can be divided into four first-order tectonic units, i.e. the proximal, necking, distal, and the Ocean-Continent Transition (OCT) (including Outer High) zones. The region from the necking to the OCT is largely located in the deepwater and ultra-deepwater area, almost in the southern present-day continental shelf break zone. This region is characterized by the hyper-extended continental crust where a series of large-scale detachment fault systems controlling the supra-detachment rift basin. At the syn-rifted period, the deepwater and ultra-deepwater basins all experienced initial uniform rifting and subsequently detachment rifting, which was related to the detachment faulting and final continental breakup in the northern South China Sea. This new understanding on the formation mechanism for the deepwater and ultra-deepwater basins provides new insights on the non-instantaneous continental extension in the northern South China Sea. In addition, these deepwater and ultra-deepwater basins show a typical tectono-sedimentary configuration and tectono-thermal evolution, which will provide new ideas for scientifically evaluating the potential petroleum exploration in deep/ultra-deep water basins of the northern continental margin of the South China Sea.
Keywords: Northern South China Sea    Deepwater and ultra-deepwater basin    Detachment fault    Non-instantaneous extension and breakup model    
0 引言

随着陆上油气资源被逐渐开发和勘探难度越来越大,未来油气资源勘探将极大地依赖于被海水覆盖的沉积盆地,尤其是陆缘深水-超深水盆地,业已被证明具有丰富的有效烃源岩和适宜的地热条件,被认为是最后的油气工业勘探前缘阵地和油气储量的增长点(Alves et al., 2014).目前位于被动大陆边缘深水区的巴西、安哥拉、墨西哥湾等深水区油气勘探已经发现了多个巨型和超巨型油气田(Pettingill and Weimer, 2002).

南海是东南亚陆缘最大的边缘海,也是中国大陆边缘唯一发育了洋壳的海盆,海盆边缘的新生代盆地在中国含油气盆地中具有特殊重要性(龚再升等, 1997Hall,2002姚伯初等,2005庞雄等, 2007汪品先等,2009孙珍等,2011王振峰等,2011李家彪等,2012Li et al., 2014张功成等,2015朱伟林等, 2016).先前我国南海海域发现的油气田主要集中于北部陆架浅水区,2006年在南海北部陆缘白云凹陷水深1500m处钻遇了56 m厚的纯天然气层,揭开了南海北部陆缘深水油气勘探的序幕.2014年9月中海石油(中国)有限公司在南海西北部琼东南盆地中央坳陷深水区轴向峡谷带高产油气流的勘探成功(朱伟林等,2016),将南海北部陆缘的深水油气区进一步由东部扩展到西部,展现了南海北部陆缘深水区域油气勘探的巨大潜力.

但是,整体上来看,南海北部陆缘深水区的油气勘探仍处于早期阶段,深水-超深水盆地的发育机制是目前急需解决的瓶颈科学问题,已经成为学术界和产业界关注的焦点领域.本文以海洋地质调查和油田勘探开发中积累的地质地球物理资料的解释和分析为基础,确定南海北部陆缘地壳岩石圈的构造单元、阐明陆缘深水-超深水盆地的结构构造特征及其发育分布状况,分析其形成演化过程和成盆机理,试图揭示盆地充填序列中岩石圈伸展破裂过程的信息,并为南海北部陆缘深水-超深水盆地的油气勘探提供地质构造依据.

1 区域地质概况

南海周边的陆缘发育了十多个大型的沉积盆地,从盆地形成演化和动力机制的角度,可以红河—越东—Lupar线为界,划分出 “古南海俯冲拖拽构造区”和“挤出-逃逸构造区”控制的两大沉积盆地群(任建业和雷超,2011).在南海北部和西部陆缘,分布于西北侧的莺歌海盆地和越东沿岸走滑伸展盆地等归属于“挤出-逃逸构造区”,而作为南海北部和西部陆缘主体的北部湾盆地、琼东南盆地、中建南盆地、珠江口盆地和台西南盆地则归属于“古南海俯冲拖拽构造区”,其中珠江口盆地是本文的主要研究区.

珠江口盆地面积约175000 km2,是南海北部陆缘规模最大的中新生代沉积盆地,盆地内水深大于200 m的区域约111000 km2,是盆地陆架浅水区面积的2倍(图 1).珠江口盆地基底主要由元古代结晶变质岩、古生代浅变质岩和中生代酸性火成岩等前新生代岩石组成.盆地的裂陷始于白垩纪末期,一直持续到渐新世早期(Tg~T70)(龚再升等, 1997庞雄等, 2007朱伟林等, 2016)(图 2).神狐组为裂陷初期发育的一套杂色岩系,之后在文昌组沉积时期,盆地进入裂陷作用的高峰,水体逐步加深、沉积物堆积范围扩大,早期为河流相和滨浅湖沉积,中晚期则发育中深湖沉积,文昌组晚期,盆地水位有所下降,沉积了河沼-滨浅湖相.恩平组为裂陷作用晚期,断陷湖盆开始萎缩,盆地沉降减缓,陆架以河沼-滨浅湖相为主,但是白云凹陷及其南部的凹陷或IODP349航次U1435钻井所在区域已经是浅海陆架沉积环境(Li et al., 2014).从珠海组沉积开始,珠江口盆地进入了裂后热沉降阶段,为海平面下降后逐渐海侵背景下形成的海相沉积.珠海组主要由厚度较大但相对水深不大的沉积组成.珠江组沉积时期,海侵范围逐渐扩大,为较大范围的半封闭浅海环境,沉积了一套较稳定的浅海泥岩,中中新世韩江组及其以后的粤海组和万山组一直为开阔海沉积.

图 1 南海北部陆缘盆地分布图 Fig. 1 Map showing basin distribution in the Northern continental margin of the South China Sea
图 2 南海北部陆缘主要盆地地层序列 Fig. 2 Cenozoic stratigraphic sequence of major basins in the northern continental margin of the South China Sea
2 陆缘地壳岩石圈结构和构造单元划分 2.1 地壳厚度的平面变化

地壳内部的重要界面,如莫霍面(Moho)、康拉德面、结晶基底界面和大型断裂系统是表征地壳岩石圈结构构造的主要参数.基于南海北部陆缘基底岩石地球物理特征和岩石密度之间关系的统计分析,本研究首先确定了地壳岩石圈重要界面的密度参数,即3.3 g·cm-3的密度界面为地幔岩石圈和地壳岩石圈之间的Moho面,2.65 g·cm-3为划分上、下地壳康拉德界面;然后开展了系统的重磁震联合反演确定这些重要界面的深度,进而确定地壳、上地壳、下地壳的深度和厚度,并以深反射长电缆剖面和已发表的地壳速度资料对相关数据进行了校正.需要强调的是,本研究确定的是基底地壳的厚度,是从基底顶界面,而不是沉积层的顶界面来计算的.基底深度通过常规地震资料的解释和计算获得,与运用重磁震联合反演获得的莫霍面深度两者之间的差值获得了地壳的厚度(图 3),基底地壳的厚度可以更准确地反应地壳岩石圈的拉伸程度和伸展破裂过程.

图 3 珠江口盆地区域地震解释剖面(a)及其重磁震联合反演密度剖面(b)(位置见图 1) M1-OCT中成分Moho面;M2-OCT中地震Moho面; M3-底侵岩浆界面;M4-剥露在海底的大陆下伏地幔顶界面;M5-原洋岩浆侵入体;M6-正常洋壳Moho面;M7-正常洋壳顶界面;C11, C10-洋壳磁异常编号. Fig. 3 Sesmic geological interpretation profile (a) and density profile from joint inversion of gravity-magnetic-sesmic data (b) in the Pearl River Mouth Basin M1-Compositional Moho in the OCT; M2-Seismic Moho in the OCT; M3-Boundary for the underplating magma; M4-Top of the exhuming mantle; M5-Proto-oceanic magma; M6-Moho of the stable ocean; M7-Top of the stable oceanic crust; C11, C10-Magnetic anomaly.

图 3表示了南海北部陆缘地壳厚度总体变化特征,现今陆架区地壳的厚度保持在22~30 km之间,其中珠一坳陷和珠三坳陷地壳厚度较薄,为22~24 km;到现今的陆坡区,地壳厚度迅速减小到20 km之下,而在大于1500 m水深之外的区域,地壳的厚度进一步减小到10 km之下.因此,总体上整个陆缘从陆向海方向地壳厚度逐渐薄化.不过,在陆缘的同一构造带内凹陷区的地壳厚度相对较薄,而隆起区的地壳厚度相对较厚.此外,在南海北部陆缘深水-超深水区域,地壳厚度的变化还有一个典型的特征,即从洋盆向陆方向观察,发育三个向陆延伸的地壳薄化区带,中部的薄化区带分布在白云—荔湾凹陷地区,地壳厚度等值线向陆方向呈U型内凹,形成宽度达到250 km的地壳薄化区,并形成分别向西和向东延伸的分支.向西方向,这一薄化区近东西向延伸(Lei and Ren, 2016),经鹤山凹陷和西沙海槽与琼东南盆地中央坳陷带相连,形成近东西向或NEE向、长约500 km的狭长的薄化带.向东方向则经过靖海凹陷NEE向狭窄的薄化带之后,与位于台西南盆地的宽阔的地壳薄化区相连(图 1).

2.2 地壳结构构造的地震剖面解释和密度结构反演

图 3a是横跨南海北部珠江口盆地珠一坳陷、番禺低隆起、白云凹陷和荔湾凹陷的区域地震剖面.在现今的陆架区,大体在双程反射时间为9~10 s的深度,可以追踪识别出断续延伸的一组较强振幅的反射波组所代表的Moho面,Moho面波组向南连续延伸到现今的陆坡位置时开始向上抬升变浅,并在荔湾凹陷的南侧与基底界面相交,在当时的海底出露.由此可见,整个南海北部陆缘由陆向海方向陆壳厚度逐渐变薄,并最终尖灭,整体上表现为楔形.在该剖面的南端C11号磁异常条带为南海的最老洋壳发育的位置(Briais et al., 1993Li et al., 2014),往SE方向C10号磁异常一带,代表Moho界面的反射波组位于地震剖面双程时间为9 s深度,波组的连续性好,振幅强,Moho面与基底面之间岩石厚度稳定,保持在双程时间2 s左右,为典型的洋壳的属性,洋壳厚度为标准的6 km厚.在C11号磁异常条带位置,洋壳一侧连续的Moho界面反射波组突然中断,被向上延伸到当时海底的地震反射模糊带或空白反射带刺穿.过C11号磁异常条带向陆一侧,在与洋壳一侧Moho面基本同一深度(即双程反射时间为9 s深度)再次出现强反射波组,但是与洋壳Moho面相比其连续性变差,且向陆一侧延伸逐渐分为上下两支.上面的一支大体延伸到荔湾凹陷的中部与前述陆壳的Moho面相交,下面的一支持续向陆一侧延伸到云荔凸起的深部.

由此可见,在地震剖面上陆架陆坡区和深海洋壳区Moho面的标志比较清晰,可以比较明确地被识别出来,但是在陆壳和洋壳的过渡区段的地壳内,出现地震反射模糊带、Moho面中断和多界面重现等复杂的情况.类似的现象在大西洋、红海、印度大陆东南缘等被动大陆边缘洋陆转换带也有出现,常被解释为剥露在海底的大陆岩石圈地幔、板底垫拖作用侵入的岩浆或初始洋壳等(Lavier and Manatschal, 2006Welford et al., 2010;Lars et al., 2013;Becker et al., 2014).与国外典型被动大陆边缘洋陆转换带实例对比分析(Manatschal, 2004Masini et al., 2013Peron-Pinvidic et al, 2013Sutra et al., 2013Huismans and Beaumont, 2014Mohn et al., 2015),结合南海北部陆缘为伸展破裂被动陆缘的实际地质情况,笔者认为地震剖面上荔湾凹陷南侧延伸到海底的Moho面为“成分Moho面”,是基性和超基性岩的分界面,在海底的出露点既是陆壳的尖灭点,也是大陆岩石圈地幔在海底开始被剥露的点.中间的界面,即双程反射时间为9 s的界面,在洋侧是正常海底扩张形成的洋壳的Moho面,而在陆侧则代表(不含水)地幔的顶界面,P波速度为8 km·s-1,是所谓的“地震Moho面”,成分Moho面和地震Moho面之间为水化地幔,由蛇纹石化橄榄岩组成.在图 3a剖面上,M10~M11号磁异常条带之间,地震Moho面中断,蛇纹石化地幔模糊化,应该是岩石圈破裂过程中强烈的岩浆侵入或喷发作用所致,代表了岩石圈初始裂解,初始洋盆开始发育的位置.此外,在这条剖面上洋陆转换带向陆一侧,地震Moho面与其之下的界面之间的的区域可能为岩石圈强烈薄化裂解阶段侵入到Moho面附近的岩浆体.

南海北部陆缘地壳结构研究主要是在双船地震(ESP)、海底地震仪(OBS)、海底水听器(OBH)和声呐浮标探测等一系列地质-地球物理调查基础上建立的,代表性的如Nissen等(1995)根据双船扩展排列剖面计算过南部北部陆缘东沙地区ESP-E剖面地壳结构,这一结构模型中,珠江口盆地东部由陆架到深水区Moho埋深逐渐抬升.测线北部Moho埋深约30 km,地壳厚度为28 km,上地壳薄,下地壳厚;测线中部地壳厚度明显减薄;测线南部Moho埋深仅为10 km.在剖面南侧底部还存在宽约300 km,厚为3~17 km的高速层.本研究基于重磁震联合反演获得的地壳岩石圈密度结构剖面, 除了Moho面之外,还表示了南海北部陆缘上下地壳的分界面—康拉德界面的位置(图 3b),相比于前人的地壳结构模型,由陆向海方向地壳整体变薄的趋势是一致的,但是地壳内部结构细节上有显著的差异.整体上,Moho面深度和地壳厚度的变化具有与图 3a类似的特征.首先是Moho面与盆地基底隆坳格局呈现镜像关系;另外,从陆向海的方向上,Moho面整体向上变浅抬升,地壳厚度薄化.从图 3b可见,在陆架区康拉德界面深度一般在18 km±1 km,其所限定的上地壳厚度一般在15~18 km左右;而在陆坡及深水盆地分布区,该界面深度变浅,但具有较大的范围起伏波动.在云荔凸起一带,康拉德界面较深,大体在15 km深度,向南到荔湾凹陷,该界面向上抬升到8 km±1 km的深度范围,再向南到南部隆起,界面继续抬升到5 km深度.从上下地壳厚度变化来看,尽管在强烈的断陷区,如白云凹陷和荔湾凹陷区上地壳显著薄化,甚至断失,但是,对比来看,由陆向海,下地壳的厚度薄化程度更为强烈.在陆架区下地壳厚度在13~15 km左右,而向南到现今的陆坡区,下地壳厚度明显薄化,在白云凹陷、云荔凸起和荔湾凹陷其厚度基本保持在4 km之下,再向南到陆壳-洋壳转换区带下地壳薄化消失.由此可见,在洋陆转换带部位地壳完全薄化尖灭之前,南海北部陆缘由陆向洋方向地壳的整体薄化在很大程度上是通过下地壳的薄化来实现的.

除了地壳、上地壳和下地壳厚度的特征性变化之外,地震剖面解释还发现,南海北部陆缘地壳岩石圈表层的构造也随着地壳厚度的变化而发生了显著的变化.在陆架区,地壳厚度一般大于20 km,地壳表层的半地堑和地堑式盆地主要受控于一系列陡倾的正断层,这些断层向下延伸大多在接近康拉德界面而逐渐消失.从陆坡开始向深水洋盆方向,地壳厚度减薄到20 km之下,表层盆地的控盆边界断层倾角开始变缓,整体表现为上陡下缓的拆离断层几何特征,断层往下延伸至中下地壳,甚至Moho面上.这种拆离断层在白云凹陷和荔湾凹陷均有典型的表现,拆离断层的地震剖面断面波特征明显,呈现为较强波阻抗、较高振幅和较好连续性的地震反射波组特征.

2.3 地壳岩石圈结构构造单元划分及其流变学特征

在南海北部陆缘正常的陆壳和正常的洋壳之间,地壳岩石圈总体上均表现为楔形薄化和尖灭的形态,且地壳岩石圈表层发育了一系列规模不等的H地块、大型拆离断层、伸展外来体和边缘高地等丰富多彩的构筑陆缘地壳结构的基本构造要素(Peron-Pinvidic and Manatschal, 2010任建业等, 2015).依据地壳岩石圈厚度变化、拉伸程度和盆地结构构造特征,从陆到洋方向将南海北部陆缘地壳岩石圈划分为近端带、细颈化带、远端带和洋陆转换带(OCT)四个构造单元(图 45).

图 4 南海北部陆缘结构构造单元划分剖面图 Fig. 4 Tectonic units in the northern continental margin of the South China Sea
图 5 南海北部OCT分布和陆缘结构单元划分 白云凹陷和台西南盆地主体位于细颈化带中,但是局部强烈伸展区地壳厚度减小到了10 km之下,因此,存在小范围的远端带单元.s Fig. 5 OCT distribution and subdivision of tectonic units in the northern continental margin of the South China Sea Note: Baiyun Sag and most portion of the Taixinan Basin is located in the Necking zone, except of some local area with less than 10 km thick continental crust located in the Distal zone.

近端带靠近北侧华南大陆物源区,地壳厚度为32 km,接近华南大陆地壳的平均厚度,在珠一坳陷有所减薄,在20~32 km之间,拉伸系数1.2~1.5,以发育陡倾正断层控制的地堑或半地堑盆地群为特征,这些盆地群分布在宽度为10~30 km区域内,且断陷期沉积厚,而裂后期沉积物较薄,甚至缺失.南海北部陆缘近端带构造单元的面积较大,包括了珠一和珠三坳陷、潮汕坳陷和台西南盆地的一部分、琼东南盆地北部隆起区和南部隆起区等,潮汕坳陷和珠三坳陷所在的位置是南海北部陆缘近端带宽度最大的部位.

从现今的陆坡带开始向南,南海北部陆缘地壳厚度急剧减薄到20~10 km范围之内,拉伸系数为1.5~3.0,地壳Moho面抬升并向陆倾斜,倾角可达到35°.这个区段为南海北部陆缘的第二个结构构造单元,即细颈化带.上凹型拆离断层的发育是该带的主要特征,局部可导致中地壳岩石的剥露.从这个构造单元开始进入了南海北部陆缘的深水区,断陷盆地的发育受控于拆离断层,为典型的拆离盆地,规模较大,盆地裂后期沉积比较厚,构造变形样式从近端带的小幅度掀斜断块向大幅度旋转的拆离断块转变.白云凹陷和长昌凹陷等是发育在细颈化带内的典型盆地.

第三个结构构造单元是远端带,该带的地壳被强烈拉伸,地壳厚度小于10 km,拉伸系数大于3.0,以发育伸展拆离断层、伸展外来体、剥离地体等构造为特征.盆地沉积充填较薄,以饥饿型沉积为主.荔湾凹陷是南海北部陆缘远端带内发育的典型的盆地.此外,像鹤山凹陷和靖海凹陷等,这些断陷盆地都受到了大型的低角度拆离断层的控制,但是由于地壳薄化带较窄,实际上难以区分这些盆地所归属的构造单元是细颈化带还是远端带.

第四个结构构造单元是OCT.典型的贫岩浆型被动大陆边缘OCT是以剥露在海底的陆壳之下的地幔所组成(Lavier and Manatschal, 2006Sutra et al., 2013Huismans and Beaumont, 2014Mohn et al., 2015),南海北部陆缘的这类OCT还未能被IODP钻探所证实,地震剖面揭示具有典型的“双Moho面”特征.不过,与典型的Iberia边缘OCT对比,南海北部陆缘的OCT宽度窄,且组成可能更为复杂,除了蛇纹石化橄榄岩地幔之外,还可见强烈的岩浆侵入体和基底杂岩组成的边缘高地(图 3a),除了拉伸应力作用,岩浆作用也可能是南海陆缘岩石圈最终破裂的重要因素.

在近端带和细颈化带内,陡倾正断层或铲式拆离断层向下延伸一般消失于中地壳层内,上地壳和下地壳没有一起变形,中间存在一个上下地壳过渡层,或中地壳层构成的解耦带,从岩石圈流变学的角度,这个带也被描述为非耦合带或不连续变形带(图 4).但是在远端带单元中,大型拆离断层切穿整个地壳,并沿Moho面拆离滑脱,整个地壳一起变形,这个带即耦合带或连续变形带(图 4).从OCT开始,地壳尖灭或仅仅残留一些上地壳组成的小型伸展外来体,大陆之下的地幔开始被剥露到海底,这个带也称剥露带(图 4).

在整个南海北部陆缘,各个构造单元的宽度不是均一的,具有空间上的变化性.图 3剖面所示的位置穿过珠一坳陷、白云凹陷和荔湾凹陷,该剖面位置具有相对较窄的近端带和比较宽阔的、大约250 km宽的地壳强烈薄化带(细颈化带—远端带—OCT),而在图 3剖面的西侧,从珠三坳陷向南穿过神狐隆起、顺德凹陷,一直到南部隆起这样一个约320 km的宽阔的区域内,Moho面的深度和地壳的厚度基本不变,保持在30 km左右,从鹤山凹陷开始,在很短的、不到50 km的距离内,Moho面突然抬升,地壳厚度快速减小,形成一个比较狭窄的、不到50 km宽的地壳薄化带构成的陆缘深水区.类似的窄陆缘结构也发育在南海北部陆缘的潮汕坳陷的南侧,类似的宽陆缘结构也在台西南盆地和琼东南盆地中央坳陷带发现.“宽”“窄”陆缘结构带的发育实际上与地壳岩石圈的拉伸程度、流变性和拉伸速率等因素有关,其沿南海北部陆缘分布的变化显示了南海北部陆缘深水-超深水区地壳结构的复杂性,也必然会影响到深水-超深水盆地的发育规模和形成演化过程.在“宽陆缘”区发育有规模巨大的深水-超深水盆地,而在“窄陆缘”区则发育规模较小的深水-超深水盆地.

3 南海北部陆缘深水-超深水盆地群及其构造地层格架 3.1 深水-超深水盆地群的分布

在油气勘探中,深水区主要是工程勘探的含义,是指现今海水深度超过300 m的区域(也有定义是指超过500 m水深的区域),而水深超过1500 m的区域被称之为超深水区.在伸展大陆边缘,这种深水区域的人为划分大体上可以与地壳的厚度变化及其结构构造单元吻合.因此,尽管深水-超深水是从油气勘探工程的角度划分的,但实际上也有其形成的地质构造背景.南海北部陆缘的细颈化带和远端带基本上位于大于500 m水深的区域,OCT带大体与3000 m水深线一致,深水-超深水油气勘探区分布在500~3000 m水深范围内.

图 1所示,南海北部陆缘深水-超深水盆地分布区的西部边界为莺歌海盆地1号断层,向东进入2号断层控制的琼东南盆地中央坳陷带,这是一个近东西向延伸的地壳显著薄化带,受控于由3条弧形次级断裂组成的2号断层带.该断裂带倾向总体南倾,在剖面上断层上陡下缓,向下汇聚到沿Moho界面的主滑脱带.所以2号断层实际上为大型的拆离断层,其所控制的盆地(图 16)由西向东为乐东凹陷、陵水凹陷、松南宝岛凹陷和长昌凹陷,其中陵水和松南宝岛凹陷的结构构造特征表现为北断南超的大型拆离断层控制的滚动背斜,二者的过渡部位为陵南低凸起,主要的构造为2号断裂和北礁凹陷边界铲式断裂控制的双向滑动背斜.向东到长昌凹陷转变为南断北超的拆离盆地,南部的边界断裂常常由多条正断层组成台阶式结构.

图 6 琼东南盆地主干地震剖面解释(位置见图 1) Fig. 6 Interpretation of the main seismic profile in the Qiongdongnan basin

过西沙海槽进入鹤山凹陷,南掉的拆离断层系及其所控制的一系列强烈旋转掀斜断块是该深水凹陷的主要特征(图 1);进一步向东进入白云—荔湾深水凹陷区,相较于西部狭窄的地壳薄化带,该区的地壳薄化带显著变宽(图 15).深水凹陷区的结构特征为陆条构造,即云荔凸起所分隔的南断北超的白云凹陷和北断南超的荔湾凹陷组成的拆离盆地群,接近洋壳盆地变浅.向东深水区变窄进入兴宁—靖海凹陷,该区的整体的盆地结构样式与白云—荔湾凹陷类似,也是由中间的陆条所分开、并由拆离断层控制的两个深水凹陷.北部的为南断北超结构,南部为北断南超结构,不过相对于白云凹陷,规模明显变小、变浅.再向东进入台西南盆地区,没有连续的地震剖面可供编图,从公开发表的资料,这个区域是一个比较宽的地壳薄化区,在中国台湾和美国联合实施的Tiger计划完成的几条地震剖面上可以观测到比较明显的拆离断层、抬升变浅的Moho、可能的剥露地幔、相向倾斜的共轭正断层夹持的“夹石”(也称H构造,地壳厚度多小于20 km)以及相背倾斜的共轭正断层夹持的陆条等(Kirk et al., 2014).所以这个区域的深水盆地也具有与上述深水区类似的结构构造特征.继续向东到马尼拉海沟俯冲带和台湾的弧陆碰撞缝合线,构成了南海北部陆缘的深水-超深水盆地群的东部边界.上述深水-超深水盆地的边界断层走向近东西向或NE向,倾向或北倾或南倾,洋壳相邻区域的拆离断层以向海倾斜为主,各个拆离盆地之间通过相向重叠型或相背重叠型构造转换带相互连接和转换过渡,总体上在南海北部陆缘形成一个规模巨大、面积愈12万km2的深水-超深水盆地群.

南海北部陆缘深水大型拆离盆地群发现,改变了传统深水盆地为陡倾正断层控制的断陷盆地(群)的认识.与陆架区相比较,深水-超深水盆地分布区的地壳和盆地的结构构造具有以下重要的特征:第一,深水/超深水盆地分布区域是一个地壳强烈薄化的地带,地壳厚度一般不超过20 km,平均在10~15 km,β>1.5的区域,主要分布在细颈化带、远端带和OCT地壳的结构构造单元内;第二,下伏Moho界面和软流圈顶界面强烈抬升,具有高热的构造背景;第三,构造上发育Moho界面为主拆离滑脱面的大型拆离断层系及其所控制的拆离盆地群.

3.2 深水-超深水盆地构造变革界面及构造地层格架

本文重点要描述和分析南海北部陆缘盆地充填序列中的构造层序界面.基底顶界面Tg为新生代盆地的底界面,代表新生代南海北部岩石圈破裂开始之前的一个界面,是一个一级层序界面,界面反射同相轴振幅高、低频,可以区域性追踪,尤其是近端带区域,尽管有正断层断开该界面,但是由于水平断距较小,断块掀斜幅度也不大,因此,基本上可以追踪识别.而在岩石圈强烈伸展区(从细颈化带开始向洋的方向),如白云凹陷、靖海凹陷的南部和鹤山凹陷等地,识别起来比较不易,这一方面是由于大型拆离断层的发育导致该界面被远距离分离,另一方面则由于上盘断块被大幅度旋转,基底界面变陡所致.现今的海底界面是新生代盆地沉积充填的的顶界面,该界面是水/沉积物两种不同密度物质的分界,因此地震剖面成像非常清晰.该界面近端带较浅,从强烈伸展区开始有明显的加深,显示出深水区域盆地的大幅度沉降.Tg界面和现今的海底这两个界面控制了新生代盆地充填实体,而从Tg界面到现今的海平面控制了新生代沉积盆地总可容空间的大小,由于深水区的显著沉降,从近端带到远端带,总的可容空间是增大的.

在珠江口盆地的整个新生代充填序列中,T70界面是一个能够在整个陆缘都比较容易追踪对比的界面,长期以来被认为是代表南海北部陆缘岩石圈裂解的响应界面,并认为以角度不整合为特征,构成了断陷和坳陷之间的断坳转换界面.根据McKenzie(1978)裂后不整合或破裂不整合(Breakup Unconformity)概念的含义,T70界面是覆盖在南海最老洋壳(C11号磁异常条带)之上的第一个界面(图 34),这意味着T70界面是南海北部岩石圈完全破裂之后在原洋洋壳之上最先形成的一条沉积相关的界面,是岩石圈最终破裂的响应界面.McKenzie(1978)的裂后不整合概念还强调岩石圈的伸展破裂是一种“瞬时破裂”,即整个岩石圈从近端带、细颈化带、远端带和OCT应该同时破裂.这样,在各个构造单元中伸展盆地的断坳转换面应该都与T70界面一致,但是实际的情形并非如此.

图 7中穿过白云凹陷的3D地震剖面上可见,在盆地边部基底隆起的部位,T70界面地震反射具有削截的几何结构形态,但是边界拆离断层被盆地中的Pd界面削截,该界面之上盆地内部的地震反射同相轴开始显示出向两侧双向上超的反射结构特征,意味着Pd界面是拆离断层活动停止的响应界面.因此,尽管在接近盆地两侧的隆起部位Pd界面被T70界面削截,但是盆地内部的断坳转换界面,即伸展断层停止活动的界面是Pd界面,而不是T70界面.这样的地层接触关系表明,当洋侧的岩石圈完全破裂的时候,白云凹陷的伸展作用已经较早地在Pd界面发育时就结束了,即T70界面的发育是在断陷活动停止一段时间后才形成的.由此可见,整个陆缘断陷活动结束的时间是不等时的,陆缘岩石圈破裂的时间不是瞬时的.

图 7 白云凹陷盆地构造地层格架及拆离盆地模式 Fig. 7 Tectonic-stratigraphic framework and model of detachment basin in the Baiyun depression

实际上,T70界面所记录的是南海北部陆缘岩石圈最终裂解的不整合界面,可以称之为岩石圈裂解不整合面,依习惯仍可称之为裂后不整合面或破裂不整合面.而在陆缘的某一个具体的盆地中,如上述白云凹陷,由断陷向坳陷转换的界面Pd仅仅指示了白云凹陷断陷作用的结束,而不是整个陆缘断陷作用的结束.该界面也是一个构造响应界面,只不过代表的是更为局部的构造界面,可使用一个描述性的术语“断坳转换面”来定义这类界面.断坳转换界面可以与裂后不整合界面是同一条界面,如侵蚀比较强烈的隆起部位,也可以是分开的两条界面,如盆地沉降区内.尽管断坳不整合界面的发育具有局部性,但是从整个陆缘来看具有幕式阶段性和规律性迁移的特征.

进一步明确T70界面的地质含义,有利于南海北部陆缘伸展破裂过程的认识.T70界面仍然是南海北部陆缘新生代盆地(主要是珠江口盆地)充填序列中的一条重要界面,该界面的地质意义在于是南海北部岩石圈最终裂解的响应界面,至此开始,整个南海北部陆缘伸展裂陷过程结束,盆地的演化进入到了以热动力控制的拗陷作用阶段,同时中脊扩张系统建立,洋盆的开始发育,岩石圈的拉伸应力由陆缘开始集中在洋中脊扩张系统之中.因此,从层序的级别上来划分,T70界面也是一条分隔不同盆地原型的一级构造层序界面.

图 7中,云荔凸起的北部边界是控制白云凹陷同裂陷结构的大型拆离断层,该断层北倾,且上部陡倾,但向下延伸变缓归并到地壳深部韧性剪切带中.这条大型的北倾铲式断层上盘发育滚动背斜,构成了白云凹陷北部番禺古隆起的基本构造格架.滚动背斜的南翼比较陡,形成了番禺古隆起的南斜坡.基底可见一系列小型的北倾断裂控制了多个小型断陷盆地,由于后期沿拆离断层的顺时针旋转,这些小型正断层倾角变缓、变平,且向上延伸多终止于盆地同裂陷充填序列中的Sd界面.在小断陷之间断垒部位,Sd界面显示局部的侵蚀削截反射结构.由此可以确定,Sd界面是一个控制下伏小型断陷系统形成活动的界面,该界面形成之后,其下伏的小型断陷盆地控盆断裂不再活动.Sd界面向北延伸可以一直上升变浅到番禺低隆起的顶部,然后被T70界面削截.Sd界面向南延伸则向下变深,并被白云凹陷南侧的拆离断层切割.白云凹陷南边界拆离断层不是一条单一的断层,相伴生发育许多小型的伴生断层,总体构成“Y”型断层系.这套断层向上延伸到盆地同裂陷充填序列中的Pd界面而中止,并被Pd界面削截,因此,该界面是作为白云凹陷边界断层的拆离断层系停止活动的响应界面.在Sd界面和Pd界面之间发育一套具有生长结构的地层,是拆离断层活动期间发育的一套同生地层.从其所控制的地层厚度和范围来看,拆离断层控制的断陷活动是白云凹陷的主断陷期,并由此导致了上盘的滚动旋转,滚动背斜的南翼变陡,而早期的陡倾小型正断层产状变缓.此外,对于白云凹陷而言,Pd界面和T70界面之间的地层形态为中间厚向两侧变薄的碟形,结构上是一种坳陷型的盆地,表明Pd界面形成之后,盆地的结构已经转变,该界面实际上成为白云凹陷的“断坳转换面”,但是,不属于通常意义上的“裂后不整合界面”.如前所述,“裂后不整合界面”,即T70界面代表南海陆缘岩石圈最终裂解,整个陆缘断陷活动停止,而不仅仅是某一个盆地,如白云凹陷断陷活动停止的界面.盆地的“断坳转换面”和“裂后不整合界面”实际上不是同一条界面,不能混同使用.

由于Sd界面代表了盆地拆离断层开始活动的界面,而Pd界面则代表拆离断层活动停止的界面,因此,本文将Sd和Pd分别称之为“同拆离断层活动界面”和“后拆离断层活动界面”.Sd界面和Pd界面分隔了白云凹陷的多幕断陷作用,属于盆地内发育的二级构造层序界面.所以,依据Sd界面和Pd界面可以将白云凹陷的同裂陷阶段划分为三幕断陷活动,第一幕为小型陡倾正断层控制的盆岭式断陷盆地系,控制界面为Tg和Sd,一般情况下断层向下延伸深度有限,不会超过上地壳,因此,这应该是一种地壳表层破裂背景下发育的盆地;第二幕为拆离断层控制的规模较大的以拆离盆地为特征的断陷活动,控制界面为Sd和Pd,发育于地壳薄化的背景之下,边界断层可以延伸到中下地壳,是一种中下地壳破裂背景下发育的盆地.这两幕同生构造运动发生在文昌组地层沉积期间,从下到上文昌组划分为文一段到文五段,Sd界面基本上可以与文一段的顶界面相对应,而Pd界面则与文四段的顶界对应.第一幕的裂陷作用地层记录大体对应文一段地层,不排除有古新世的神狐组,时代为古新世—早始新世;而第二幕的拆离断层控制的裂陷作用的地层记录为文二段、文三段和文四段地层,时代为中始新世期间.Pd界面和T70界面之间的碟形地层代表了白云凹陷同裂陷阶段的第三幕构造演化,断层活动停止或仅有微弱的隐伏式活动,代表同裂陷演化阶段到裂后期演化阶段的过渡,时代为晚始新世—早渐新世.

从白云凹陷向北到番禺低隆起,实际上已经由南海北部陆缘的细颈化带构造单元进入了近端带构造单元.在这一隆起带上,发育一系列小型断陷盆地,图 8为位于该隆起之上的惠州35洼,边界断层为陡倾正断层,该断层控制的生长地层主要在Tg~T80界面之间,T80~T70界面之间,地层的楔形的形态已经不是很显著,而主要呈现为中间厚两端薄的碟形,所以盆地的主要断陷活动时期是文昌组时期,到恩平组时期已经很微弱了.与南部的白云凹陷地层对比,惠州35洼缺乏与白云凹陷拆离断层活动时期对应的地层.目前地震剖面解释确定的T80界面可以与白云凹陷中的Sd界面对比,表明惠州35洼主要在第一幕裂陷作用时期活动,第二幕裂陷作用活动停止,裂陷作用向南(向海)方向迁移到了白云凹陷.同时也表明,第一幕裂陷作用主要与近端边缘的演化相关,第二幕伸展裂陷作用则导致了细颈化带和远端边缘的形成,陆缘总的演化过程则被前裂陷,同裂陷和裂后沉积以及南海北部陆缘的地层格架详细地记录下来.要揭示陆缘的伸展演化过程,就需要通过重要层序界面在不同构造单元中的产状、类型、属性以及层序内部的沉积记录等来建立陆缘整体的地层格架.

图 8 番禺低隆起惠州35洼地震解释剖面图 Fig. 8 Interpretation of the seismic profile of Huizhou sag in Panyu low uplift

研究表明,南海北部陆缘发育以下三种类型的陆缘盆地构造地层格架(图 9):

图 9 南海北部陆缘盆地构造地层格架类型 Fig. 9 Tectonic-stratigraphic framework types of the basins in the northern continental margin of the South China Sea

(1) 近端边缘构造地层格架.以珠一坳陷和中央隆起带的残洼为代表,盆地的基底为上地壳,主要受第一幕裂陷作用影响,形成一系列均一分布的小型断陷盆地系,地壳拉伸系数β<1.5.地层格架为分别以Tg和Sd/T80为界的楔形或梯形地层充填,这套地层,尤其是中央隆起带残洼的地层应该为神弧组和文昌组早期阶段的沉积,之后沿Sd/T80界面可能有比较长期的剥蚀.Sd/T80界面剥蚀或无沉积期间,在远端带边缘则正在经历第二幕裂陷作用.恩平组时期也为断陷盆地地层格架,代表的是第三幕裂陷作用时期的地层充填实体,常常是早期边界断层的继承性活动.在这类盆地中裂后不整合界面T70界面与盆地的断坳转换面一致,之后盆地拗陷阶段主要发育一套近水平的地层充填,被新近纪的断层切割.所以,近端边缘构造地层格架位于上地壳之上,以发育两套断陷层和一套坳陷层为特征.断陷层主要为湖泊河流相沉积,坳陷层则以滨浅海和陆架三角洲沉积为主.

(2) 远端边缘构造地层格架.包括了细颈化带和远端带内的拆离盆地,以白云凹陷的构造地层格架为代表,盆地的基底出现了中下地壳的岩石,地壳拉伸系数β>1.5.与近端边缘构造地层格架最显著的差别是受拆离断层的控制,发育与近端边缘同时期的第一幕裂陷作用(Tg~Sd),由于拆离断层作用的改造,早期的同裂陷层的产出状态相对于初始产状发生了变化.作为第二幕裂陷作用主要的控制性构造—拆离断层活动形成了规模更大的拆离盆地(Sd~Pd),构造相对复杂,出现旋转幅度较大的断块、伸展外来体或伸展断弯褶皱,由此也导致第二幕裂陷作用期同构造层的形态比较复杂的变化.远端边缘构造地层格架中,Pd是盆地的断坳陷转换面,其与岩石圈裂解界面T70之间控制了一套断坳陷转换型地层充填,属于细颈化带和远端带中断拗过渡期的沉积体,基本上可以与近端带的第三幕裂陷作用同构造层对比.裂后期主要是陆架陆坡向海推进形成的一套前积为主的地层充填,盆地以半饥饿型或饥饿型沉积为特征.

远端边缘构造地层格架也可以细分为白云凹陷型和荔湾凹陷型两个亚类.前者靠近近端带源区,构造地层格架发育完整,地层巨厚;后者远离近端带源区,尽管地层格架单元也比较完整,但是沉积厚度较薄.远端边缘构造地层格架发育于显著薄化的地壳之上,不过其中的断陷层仍然主要为湖泊河流相沉积为主,只是沉积体系规模比较大,坳陷层早期以陆架边缘三角洲,之后以陆坡深水沉积为特征.另外,鹤山凹陷和兴宁—靖海凹陷也表现为远端边缘构造地层格架,但是断拗转换期的沉积充填体比较薄,属于后期的侵蚀残余.

(3) OCT构造地层格架.盆地的基底为地幔或强烈薄化的地壳,常常有岩浆侵入或喷发.盆地充填的构造地层格架中Pd界面几乎与T70一致,盆地的底部为剥离断层,局部可见伸展外来体,切入地幔的断层可以是比较陡倾的平面状断层.断陷层主要记录的是第二幕~第三幕裂陷作用过程,断陷层格架形态变化比较复杂,沉积相可能为海相,由于远离物源,厚度不大.T70界面之后的坳陷层以远洋沉积为主,饥饿型沉积环境.

4 断裂活动性、盆地沉降速率定量对比研究

构造界面的识别、构造地层格架的建立和主要结构构造样式的分析表明,南海北部陆缘的断裂活动性、沉降史和盆地可容空间的变化在各个构造单元之间有显著变化,总体上具有构造活动性由陆向洋的渐次变化.此外,油气勘探实践需要进一步明确在陆缘深水盆地发育期间是否有足够的可容空间形成规模烃源岩,伸展减薄过程如何影响深水油气的成藏过程.由此,本文选择图 3所示的剖面开展了断裂活动性、沉降史和盆地可容空间的定量分析.定量分析主要选择陆架浅水区的珠一坳陷和深水区的白云凹陷做对比分析.分析的参数有沉降速率、古落差、水平断距和断层倾角,这些参数的计算都是经过地震剖面时深转换之后来计算的(图 10).

图 10 跨南海北部陆缘陆架浅水盆地和陆坡深水盆地构造对比 Fig. 10 Comparision of basin structures between shallow water basins on the continental shelf and deepwater basins on the continental slope in the northern continental margin of the South China Sea

华南大陆零星发育白垩纪晚期—古新世的红盆,之后长期处于隆升剥蚀状态,基本保持了新生代伸展断陷之前的地壳岩石圈厚度(图 45).陆架浅水盆地区下伏地壳具有一定程度的薄化,属于伸展型的陆壳,位于近端带构造单元中.该构造单元内的盆地经历了由神狐组—文昌组早期地层记录的第一幕裂陷作用、恩平组地层记录的第三幕裂陷作用和珠海组沉积以来地层记录的裂后期演化过程.计算表明第一幕裂陷作用的总沉降速率和构造沉降速率分别达到2300 m/Ma和1180 m/Ma, 边界断裂的活动性为944 m/Ma,古落差和水平断距分别为3305 m和1290 m,断层的倾角为68°;第二幕裂陷作用期间这个区域处于抬升剥蚀状态,没有地层记录;第三幕裂陷作用的总沉降速率和构造沉降速率分别达到180 m/Ma和62 m/Ma, 边界断裂的活动性为385 m/Ma,古落差和水平断距分别为2700 m和1250 m,断层的倾角为65°;一些地震剖面上可以识别出在裂后构造演化阶段有一定的断裂活动,但是活动的强度非常弱,测定的定量数据一般不超过百米级别.

陆坡深水盆地区下伏显著薄化的陆壳,属于细颈化带和远端带构造单元,局部地壳的薄化到小于10 km.这个强烈伸展区域中的地层充填是陆缘盆地中最厚的,同时经历了相对连续、比较完整的构造演化过程,即除了上述的第一幕和第三幕裂陷作用过程,最独特的是经历了第二幕以拆离断层活动为特征的裂陷作用.在近端带陆架浅水区恩平组经历较弱的断陷作用的同时,在白云深水区则表现为断陷向坳陷的转换过渡时期,形成了坳陷型构造地层记录.在这个构造单元中,第一幕裂陷作用的总沉降速率和构造沉降速率分别达到1650 m/Ma和850 m/Ma, 边界断裂的活动性为724 m/Ma,古落差和水平断距分别为1450 m和2170 m,断层的倾角为35°;第二幕裂陷作用期间,总沉降速率和构造沉降速率分别达到1800 m/Ma和800 m/Ma, 边界断裂的活动性为1032 m/Ma,古落差和水平断距分别为4130 m和11200 m,断层的倾角为28°;断坳转换期间的总沉降速率和构造沉降速率分别达到180 m/Ma和62 m/Ma, 边界断裂的活动性为385 m/Ma,古落差和水平断距分别为200 m和80 m;裂后阶段同样可以在一些地震剖面上识别出弱的断裂活动.综合分析上述数据可见:

(1) 无论是陆架浅水区还是陆坡深水区都经历了早期以陡倾正断层为主控边界断层的第一幕断陷作用,说明南海北部岩石圈早期的变形是分布在整个岩石圈范围内的,盆地规模小且以孤立断陷为主,但是其所代表的变形分布具有均一性和弥散性,小型断陷成群发育,岩石圈整体变形的特点明显,属于纯剪切变形.

(2) 尽管陆架浅水区具有第三幕作用,但是只有深水区经历了导致岩石圈强烈减薄的拆离断层作用,并形成了一套由文昌组地层构成的大型拆离盆地.这表明岩石圈的变形在这个阶段发生了迁移和集中,变形由早期的整个岩石圈范围,开始迁移集中在细颈化带和远端带内.岩石圈的变形集中,并发育几乎切穿地壳的大型低角度拆离断层意味着岩石圈局部变形,且变形模式转变为简单剪切作用(Lei and Ren, 2016Lei et al., 2018).

(3) 裂后阶段陆架边缘经历了整体的热沉降,且深水区热沉降速率和幅度比浅水陆架区大,这受控于地壳的薄化程度.这套构造层,无论是陆架浅水区还是陆坡深水区都经历了强度和幅度基本一致的断裂变形,这与岩石圈的薄化无关,是其他区域动力因素作用的结果.

图 11是基于过白云—荔湾凹陷剖面建立的南海北部陆缘地壳伸展破裂和盆地发育演化剖面图.神狐组(?)—文昌组早期(古新世—始新世初期)是白云凹陷同裂陷阶段的均一断陷活动时期,以陡倾正断层控制的小型断陷盆地系发育为特征;文昌组中晚期(始新世中期),变形迁移集中在白云凹陷南部向陆倾斜的和荔湾凹陷北部的向海倾斜的主控边界拆离断层上,并控制了陆缘细颈化带和远端带盆地的沉降,成为深水-超深水区盆地伸展变形作用最强的阶段,拆离断层的古落差与活动速率远远高于同时期其他断层,同时也高于早期陡倾正断层.近端带上早期活动的多个小型的断陷型沉降中心几乎不再活动,而细颈化带和远端带中则转变为主拆离断层控制的一个(或二个)大型的沉降中心.恩平组沉积时期(始新世晚期—渐新世初期)白云凹陷的拆离断层微弱活动,整体表现为断拗式沉降,从恩平组的顶界面T70(32 Ma)开始,整个盆地开始进入到裂后热沉降的演化阶段,T70成为分隔盆地同裂陷阶段和裂后阶段的“裂后不整合界面”.

图 11 跨南海陆架边缘区域大剖面地壳伸展破裂和盆地发育演化过程 Fig. 11 Continental crust extensional breakup and related basin evolution in the northern continental margin of the South China Sea

在琼东南盆地的中央坳陷带主干剖面的构造解释和沉降史回剥表明(Ren et al., 2014),分隔该盆地的同裂陷阶段和裂后热沉降阶段的裂后不整合界面为渐新世末期形成的T60界面(23.8 Ma).另外,这个区域深水盆地同裂陷阶段的拆离断层的活动在始新世晚期到渐新世,早期陡倾正断层控制的小型断陷盆地群则主要形成于始新世早中期.由此可见,相对于东部的白云凹陷,无论是拆离式断层活动,还是裂后不整合界面的发育时间均比较晚,当白云凹陷拆离断层活动停止,已经转入裂后热沉降阶段的时候,琼东南盆地的深水区仍然处于拆离式断陷阶段.

“裂后不整合界面”的概念是基于大西洋陆缘裂谷盆地的研究提出来的,在中大西洋被认为是代表Aptin事件(112Ma)的界面(Peron-Pinvidic et al., 2007).这一概念经典的含义是界面的发育时间与岩石圈破裂和洋壳开始扩张的时间一致,而且在整个大陆边缘,裂后不整合界面等时发育(McKenzie,1978).上述南海北部陆缘深水盆地的构造演化研究表明,简单地将裂后不整合进行全陆缘盆地的对比是不合适的,不同构造单元内盆地充填序列中不整合界面的发育和演化比传统的认识更为复杂,地壳岩石圈破裂的同时,并没有在远端边缘发育正常的洋壳,而是经历了一个地幔岩石圈剥露和上地幔岩石圈薄化的转换阶段.真正记录岩石圈裂解的裂后不整合界面为覆盖在洋盆边缘最老磁条带之上的第一个界面,由海向陆的方向,该界面在深水盆地内和陆架浅水盆地内都可能要比真正的断拗转换界面晚,期间会有一个过渡层序发育.另外,南海西北次海盆的扩张是由东向西,意味着岩石圈的裂解时代向西变新,因此,裂后不整合界面的发育和拆离断层的活动时代也会表现为向西变新的规律.从南海北部陆缘的研究来看,南海洋盆由东向西的扩张不是一种渐次扩张,很可能是一种由近南北向走滑断层为界的、由东向西的区段式扩张或伸展,对此有待于今后更为深入的研究和分析.

由此可见,在陆缘盆地中,断陷-坳陷的转换界面不能完全等同于记录岩石圈裂解的裂后不整合界面,陆缘伸展盆地的控盆边界断层活动一旦停止,即会进入到没有断层控制的拗陷阶段,二者之间可以出现一个地震剖面上能够识别出来的断陷-坳陷转换界面.在长期活动的伸展盆地中,这类界面可以发育有多个,并记录了这些界面所在部位的幕式裂陷作用过程.从南海陆缘的研究来看,这些记录盆地幕式断陷的界面具有从陆向洋方向逐渐变新的规律.

5 深水-超深水盆地成因机制讨论

被动大陆边缘伸展盆地的成因机制与岩石圈伸展破裂模式密切相关.Anderson模式(1951)是最早为地质学家所接受的一种描述岩石圈拉伸破裂的概念模式,主要是针对地表和近地表脆性断层形成机制的解释和分析,无论是板块构造理论中描述岩石圈伸展破裂和洋盆发育的被动大陆边缘形成的模式,还是影响广泛、且是首次引入定量计算裂谷变形量方法的Mckenzie(1978)纯剪切模式都是以Anderson模式的应力状态为基础的.20世纪80年代初,在北美西部盆岭省变质核杂岩构造的研究基础之上提出的Wernicke模式(1981)使人们认识到正断层并非只以Anderson模式的应力状态高角度产出,也可以呈低角度发育,并可以具有巨大的位移,进而使得中下地壳的中高级变质岩被抽拉到地表.Mckenzie模式和Wernicke模式被作为岩石圈拉伸破裂的两种端员模式在其后的大陆岩石圈和大洋岩石圈拉伸破裂过程的研究中得到非常广泛的应用.

不过,上述这些以经典的板块构造为基础的模型中,大陆的伸展和破裂被认为是一个瞬时的地质过程,由此在许多著名的被动大陆边缘模式中,从陆壳向洋壳的转变是截然的一个界面,意味着整个被动陆缘的裂后不整合界面是同时形成的,且由陆向洋正断层的几何特征和样式一致.20世纪80年代以来,中大西洋Iberia-Newfoundland深海边缘的ODP钻探(Leg103/104/173/210)(Reid, 1994Bronner et al., 2011)、众多被动大陆边缘高质量地球物理探测和综合研究(Welford et al., 2010),以及阿尔卑斯造山带内出露地表的中生代特提斯被动陆缘OCT露头、大型拆离断层及其所控制的旋转断块(Sutra et al., 2013)的发现表明洋壳和陆壳之间的过渡不是一个截然的界面,而是具有一定宽度的、地壳强烈减薄的(小于5 km或地幔直接出露)OCT,OCT及其附近的远端带区域主要发育大型的拆离断层.特别是关于Iberian-Newfoundland共轭边缘裂陷作用的研究发现(Huismans and Beaumont, 2014Mohn et al., 2015),在洋中脊开始扩张之前的两期主要的裂陷作用具有迁移性,第一期为晚三叠世,以陡倾正断层控制的深断陷盆地为特征,主要分布于现今的陆架区(近端带);第二期为晚侏罗世—早白垩世,伸展变形作用由近端带迁移到远端带,地壳岩石圈破裂,形成OCT;第二期裂陷作用结束之后大约20 Ma左右,整个岩石圈最终破裂,洋壳出露,正常的洋中脊扩张系统开始建立起来.由此可见,岩石圈的拉伸破裂过程并非原先认为的瞬时破裂,而是具有一个“过程”,是一个伸展变形由陆向洋,或向岩石圈最终破裂的方向迁移和集中的过程.

图 12表示了岩石圈拉伸破裂的新模式.最简单的情况下,假设岩石圈是均一脆性材料组成,这时,当岩石圈遭受拉伸作用时,将沿共轭剪切破裂面脆性破裂拉开而调节岩石圈的伸展应变(图 12a).而假设岩石圈是均一韧性材料组成,并遭受拉伸作用时,岩石圈也将沿共轭剪切破裂面变形,但是表现为韧性流变和细颈化(图 12b).不过,岩石圈既非整体脆性,也非整体韧性,而是由具有不同流变属性岩石所组成的层状岩石体,其中地壳岩石圈和地幔岩石圈之间的界面—Moho面是岩石圈内最显著的流变界面.

图 12 岩石圈非瞬时拉伸破裂过程及变形模式 Fig. 12 Model for lithospheric non-instantaneous extensional breakup process and deformation

图 12c表示了具有分层流变特征的岩石圈的伸展破裂过程模式图.该模式强调岩石圈的伸展破裂过程的非瞬时性和变形机制的非单一性.拉伸应力状态下,岩石圈的变形仍然是沿潜在的共轭剪切破裂面进行,但是由于岩石圈具有的流变学结构,变形样式发生了变化.岩石圈的伸展变形首先是纯剪切伸展变形作用,在岩石圈表层形成均匀分布的、陡倾正断层控制的盆岭式断陷盆地系,地壳Moho面和岩石圈的底界在均衡作用下微弱上隆;随着拉伸作用的持续,强度增大,发生应变集中,岩石圈表层的变形开始集中到几条大型的边界断层之上,这些断层向下延伸到中地壳、Moho界面,甚至岩石圈底界面等岩石圈流变属性突变的界面变缓并发生远距离水平位移,形成大型拆离断层,并控制了拆离盆地的发育,岩石圈的伸展变形由以纯剪切变形为主转变为以简单剪切变形为主.大型拆离断层在非岩浆型边缘深水区普遍发育,尤其是OCT及其附近区域,Moho界面常常作为主拆离断层面使得其下盘的地幔橄榄岩通过沿拆离断层的大规模位移,被向上“抽拉”而出露到海底,进而形成OCT.OCT的形成是岩石圈拉伸破裂过程的一个重要阶段,这个阶段软流圈强烈抬升,岩石圈中的地壳完全破裂,会导致整个岩石圈的拉伸变形作用进一步集中在OCT部位.随着拉伸作用的持续,岩石圈的热动力作用增强,岩浆作用频繁.最后,大量岩浆侵入产生的“岩墙作用(dyking)”使得岩石圈裂解,软流圈出露海底,正常的洋壳扩张系统建立,原洋盆地形成,岩石圈的伸展变形最终集中在扩张中心,岩石圈的变形再次恢复到伸展初期对称的纯剪切变形状态.

南海北部陆缘深水超深水盆地主要发育于细颈化带和远端带,以地壳薄化和大型拆离断层及其所控制的拆离式盆地为特征.从琼东南盆地中央坳陷带,经白云—荔湾凹陷一直到台西南盆地,南海北部陆缘深水区发育有一个规模巨大的深水-超深水盆地群,构造演化史的研究表明,这些盆地的同裂陷阶段均经历了早期均一断陷和中晚期拆离式断陷演化过程,显示出南海北部陆缘岩石圈均一伸展、变形集中、迁移和最后破裂的规律.其中,地壳中位移量巨大的拆离断层会导致地壳岩石圈迅速减薄,形成地壳岩石圈的细颈化.一旦拆离断层面沿地壳底界面发育,地壳岩石圈将被逐渐拆离消失,下伏地幔被剥露到海底,形成蛇纹石化地幔橄榄岩组成的OCT.在细颈化带和远端带内,由于下地壳的强烈的伸展减薄和裂后阶段上地壳挠曲沉降的均衡响应,使这个区段的岩石圈表层相对于近端带发生更快速和更大幅度的沉降,导致了陆缘深水坳陷区的形成.国外有不少学者对发育在被动大陆边缘的这类盆地的发育过程和成因机制进行过细致的数值模拟研究(Sutra et al., 2013Huismans et al., 2014),尽管个别学者也对南海陆缘进行过模拟研究(Brune et al., 2017),但仍然是初步的,是今后南海陆缘深水盆地成盆机制研究方面需要继续深化的重要方面.

6 结论

(1) 以地震剖面解释和分析为基础,结合重、磁、震等地球物理数据,深入开展了南海北部陆缘构造单元的识别和划分,由陆向洋识别出近端带、细颈化带、远端带、OCT和洋壳等结构构造单元,确定了深水-超深水盆地主要发育在细颈化带—远端带—OCT构造单元之内,分布在南海北部陆缘从西部的琼东南盆地中央坳陷带、过中部的白云—荔湾凹陷到东部的台西南盆地规模巨大的地壳薄化带内,深水-超深水盆地的面积达到12万km2.

(2) 揭示了南海北部深水-超深水盆地的结构型式,表现为大型拆离断层控制的拆离盆地.在陆缘不同构造单元的沉积盆地充填序列中识别出Tg、Sd、Pd、T70等重要的、不同级次构造的响应界面,明确了沉积盆地断坳转换面和岩石圈裂解界面地质属性及其之间的差异和相互关系,建立了近端带、远端带和OCT三类盆地的构造地层格架,揭示出深水区发生了以中始新世拆离断层作用为特征的第二幕裂陷作用.

(3) 基于断裂活动性和盆地沉降史的定量计算和分析,提出南海北部陆缘经历了三幕裂陷作用,第一幕裂陷作用以岩石圈整体伸展、均匀纯剪切变形为特征,形成弥散式断陷盆地系;第二幕裂陷作用以岩石圈显著薄化、应变集中、简单剪切变形为特征,导致了细颈化带和远端带内拆离盆地的发育;第三幕裂陷作用集中发生在远端向洋边缘,导致了地幔剥露及其之后的切割地幔的高角度断陷.由此认识到,大型拆离断层控制的简单剪切作用是南海北部陆缘岩石圈薄化、深水-超深水盆地发育和演化的主要控制机制;地壳岩石圈的伸展破裂过程不是传统认为的瞬时破裂过程,而是纯剪切变形、简单剪切变形等多种变形机制联合的非瞬时伸展破裂过程.

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