地球物理学进展  2016, Vol. 31 Issue (3): 1342-1350   PDF    
南海深部过程及与含油气盆地耦合关系研究进展
鲁宝亮1, 王万银1, 张功成2, 冯旭亮1, 纪晓琳1     
1. 长安大学地质工程与测绘学院, 长安大学重磁方法技术研究所, 西安 710054;
2. 中海油研究总院, 北京 100027
摘要: 作为西太平洋最大的边缘海, 南海是地质科学研究和资源勘探开发的热点. 本文整理和分析了近年来南海深部过程、洋盆扩张、形成动力学机制及其与含油气盆地耦合关系等研究成果. 结果表明, 洋盆扩张作为南海形成演化的核心问题, 扩张模式与年代、动力学机制以及深部过程均存在较大争议. 但普遍认为南海是在伸展作用下, 伴随着大规模的岩石圈减薄而形成的. 南海含油气盆地广泛发育, 均认为其形成演化主要受南海深部动力过程作用的控制, 但关于南海深部过程对盆地和油气分布规律的控制作用等基础问题, 目前的研究结果尚不能准确回答它们之间的耦合关系. 基于前人研究工作, 结合本文开展的南海深部构造界面反演, 初步建立了南海深部过程及与沉积盆地耦合模型. 在此基础之上, 建议开展更为细致深入的综合地球物理研究, 确定南海深部结构及构造, 构建南海深部演变过程, 结合南海周缘含油气盆地分布及性质, 明确南海深部过程对含油气盆地的控制作用, 对比分析南海盆地的油气资源分布特征, 从而阐明油气资源与深部构造及过程的关系, 以期更好的理解南海深部过程及其对含油气盆地的控制作用.
关键词: 南海     洋盆扩张     深部过程     含油气盆地     动力学机制     居里面    
Overview of the deep processes and their coupling relationships with the petroliferous basins in the South China Sea
LU Bao-liang1, WANG Wan-yin1, ZHANG Gong-cheng2, FENG Xu-liang1, JI Xiao-lin1    
1. School of Geology Engineering and Geomatics, Institute of Gravity and Magnetic Technology, Chang'an University, Xi'an 710054, China;
2. Exploration Department of CNOOC China Ltd., Beijing 100027, China
Abstract: As the largest marginal sea in the western Pacific, the South China Sea is the hotspot of geological scientific research and nature resource exploration and development. In this paper, we systematically review the recent progresses of the deep processes, ocean basin expansion and the dynamics of formation of the South China Sea, and their coupling relationships with hydrocarbon basins. The result suggests that the expansion mode and age, as well as deep process dynamic mechanism of the South China Sea are all considerable controversy. But most researchers generally agreed that the South China Sea was formed in the background of extended actions, along with large-scale lithospheric thinning. In addition, petroliferous basins are widely developed in the South China Sea, whose formation and evolution are mainly controlled by the deep process of the South China Sea. But the current research results cannot yet be accurately answered the coupling relationship between them. Based on the previous research and combined with deep structures surfaces inversion in this paper, we propose a preliminary model of the deep processes and their coupling relationships with the petroliferous basins in the South China Sea. In order to understand deep process and its controls on the distribution of the petroliferous basins, we suggest carrying out a deeper comprehensive geophysical study to specify the tectonic and structure, construct the deep processes of the South China Sea, and combined by the distribution of the petroliferous basins to make clear the controlling effect. Furthermore, based on comparative analysis of the oil and gas resources distribution, clarify the relationship between the oil and gas resources and the deep structure and processes in the South China Sea.
Key words: South China Sea     ocean basin expansion     deep process     hydrocarbon basin     dynamic mechanism     Curie surface    
0 引 言

南海作为西太平洋最大的边缘海,面积350×104 km2,水深可达5500 m, 分布有20余个新生代沉积盆地(图 1),蕴含丰富的油气资源(张功成等,2010),其形成演化受控于欧亚板块、印-澳板块、菲律宾海板块以及太平洋板块等作用之下,具有独特的发育演化过程,形成了裂谷、海盆、挤压、推覆、走滑等多种地质构造以及陆壳、过渡壳、洋壳等多种不同性质的下伏地壳(Taylor and Hayes, 1983; Briais et al.,1993; 姚伯初等,2006). 南海构造演化复杂,历来为国内外地质与地球物理学家研究的热点,主要围绕南海形成原因、扩张时限、动力学机制等开展了大量的地质、地球物理调查及研究工作. 自2010年南海深部计划及2014年IODP349航次的实施(图 1),对南海地质的研究更是取得了重大进步和突破. 但是,目前关于南海深部过程对盆地与油气分布规律的控制作用等基础问题,认识仍存在很大的不确定性或争论,尚不能准确回答南海深部过程与含油气盆地之间的耦合关系. 这些问题的解决不仅具有重要学术价值,而且对深化南海深部过程及油气资源的认识都至关重要. 我们认为通过研究南海地区新生代构造演化史和深部构造及过程,将有助于明确南海深部过程对含油气盆地的控制作用,对比分析南海周缘盆地的油气资源分布特点,使我们更好地理解沉积盆地油气资源与深部构造及过程的关系.

图 1 南海地形特征与含油气盆地分布. 水深数据来自Smith和Sandwell, 1997. IODP349航次站位据李春峰和宋晓晓,2014 Fig. 1 Topographical features and distribution of petroleum basins in the South China Sea. Bathymetric data are from Smith and Sandwell, 1997. Stations of IODP349 are from Li and Song, 2014
1 南海扩张模式及年代争议

南海形成是海底板块的生长与消减. 南海海底经历了海底扩张形成大洋壳、岩浆溢出造成火山链、以及板块俯冲消减等三个时期,其中海底扩张是南海形成的核心. 海底扩张的年代及其动力学的研究很大程度上需要依靠海底磁异常条带的鉴别. 几十年来,各个研究单位积累了丰富的南海磁异常资料,也提出了不同的扩张期次及年代. 即便是同一磁资料不同的学者也会有不同的解释. 针对不同动力学机制观点,对南海扩张期次及年代有很大争议. 有单期扩张模式、两期扩张模式、甚至是三期扩张模式. 不同的扩张模式还对应了不同扩张年代. Ben-Avraham和Uyeda(1973) 首先发现南海中央海盆存在东西向的磁异常条带,识别出NEE向和近EW向的磁异常条带5D-11序列,提出南海为对称式海底扩张模式,并推测南海海盆是在晚白垩世至古近纪时通过海底扩张而形成的. Taylor和Hayes(1983) 分析和对比了地磁场的资料,认为南海海底扩张的时间为中渐新世-早中新世(32~17 Ma),推测西南海盆是与中央海盆同时产生的. 但国内有学者持不同意见,霍明远(1985)在计算了边缘海和大洋的相似度后指出,南海盆地不存在标准的磁异常条带. 黄福林(1986) 也指出Taylor和Hayes(1983) 等所发现的南海磁条带线性特征并不典型. Ru和Pigott(1986) 通过区域地质构造及地热资料模拟,提出自晚白垩世以来,南海地区经历了三次张裂事件(晚白垩世、晚始新世和早中新世)和两次海底扩张,认为南海中央海盆的形成时代与Taylor和Hayes(1983) 的估算相同,西北海盆的年龄为35~36 Ma或32 Ma, 西南海盆的年龄为55 Ma, 从而提出南海经历幕式张裂和幕式扩张的演化模式. 何廉声和陈邦彦(1987) 根据南海西南海盆鉴别出M1-M11(126~119 Ma)的磁异常条带,提出南海发生过两次海底扩张: 第一次发生在白垩纪早期,第二次发生在晚渐新世至早中新世. 吕文正等(1987) 提出南海发育三个海底扩张期: 第一次海底扩张发生在晚白垩世至早古新世(70~63 Ma),扩张方向为NW-SE; 第二次海底扩张于中渐新世-渐新世末(32~26 Ma),呈NNW-SSE向扩张;第三次海底扩张发生于渐新世末-早中新世(26~17 Ma),呈近N-S向扩张. Briais等(1993) 依据印度板块与欧亚板块碰撞的模型实验和南海海盆中的磁异常条带,认为南海地区在32~30 Ma期间发生NW-SE方向的张裂; 30~26 Ma期间南海发生第一次海底扩张,南北向扩张,形成了中央海盆南北地区的洋壳; 23~16 Ma期间南海发生第二次海底扩张,北西-南东向扩张,形成南海西南海盆和中央海盆的中间部分.

Barckhausen(Barckhausen and Roeser, 2004; Barckhausen et al.,2014)通过对磁异常条带研究,认为南海扩张为两期,并且是对称扩张. 第一期海底扩张始于32 Ma, 速率为5.6 cm/yr, 扩张轴在中部为近东西向. 在25 Ma时,扩张轴向南跃迁50 km. 与此同时或稍晚一些,第二次扩张中心出现在了南海西南地区,它是从原扩张脊分离而来,形成了西南次海盆. 在20.5 Ma时,两个扩张脊同时停止扩张,洋壳形成结束. 西南次海盆磁异常条带为(6B~6A1),即扩张年代为22~20.5 Ma. Hsu等(2004) 在台湾岛西南部海域发现了海底磁异常条带,通过研究识别出南海地区最老的洋壳为37 Ma, 磁异常条带分布为17至5C, 即37~15 Ma, 而且是以4. 4 cm/yr的速率半扩张方式进行. 因此认为,南海扩张至少是从37 Ma开始,并于15 Ma停止扩张. 姚伯初等(20042006)提出南海地区在新生代发生过两次海底扩张,第一次发生在42~35 M, 可能是受印度板块和欧亚板块碰撞而引起欧亚大陆之下的地幔向东南方向流动导致,海底扩张方向为NW-SE向,产生了西南次海盆和西北次海盆;第二次海底扩张发生于32~17 Ma前,可能是由于太平洋板块向欧亚板块俯冲,且俯冲的大洋岩石圈已达700 km的深度,阻挡了欧亚大陆上地幔向东南方向的流动,转向南流动,由此引起南海地区南北向的海底扩张,从而产生了南海中央海盆. Cullen等(2010) 通过对Barckhausen和Roeser(2004) Hsu等(2004) 磁异条带成果综合研究,认为南海扩张时限为37~20.5 Ma, 扩张由东向西进行. Li和Song(2012) 依据东亚磁异常数据发现南海北部陆缘存在的最早磁异常为C12(~32 Ma),南部陆缘则不确定是否存在C12,也不排除有更早洋壳存在的可能. 而西南次海盆的扩张年龄仍具有较大的多解性. 可见,南海扩张模式及扩张的年代均有很大争议.

综上所述,洋盆扩张作为南海形成演化的核心问题,学者们基于不同磁测资料以及不同处理手段,对南海的扩张模式、年代以及速率研究产生许多不同的观点,有单期扩张、两期扩张以及三期扩张等不同扩张模式,甚至认为发生扩张脊跃迁等事件. 不同的扩张模式对应了不同的扩张年龄. 目前对南海中央海盆扩张年龄看法较为一致,基本上在32~15 Ma之间,也基本上认可自东向西的渐进式扩张方式. 而对西南次海盆和西北次海盆则有较大争议. IODP349航次以及深拖磁测的实施有望揭开南海洋盆的生命演化历史(图 1),从而为南海深部过程演化提供约束,为研究南海深部过程对浅部沉积盆地以及油气分布规律控制作用奠定基础.

2 南海形成动力学机制争议

南海地壳浅部受深部过程的影响而产生盆地,进而控制了南海陆缘盆地的形成与油气的聚集. 南海是太平洋边缘海之一,其起源至今是一个富有争议的问题,至今缺乏定论. 南海的形成和演化机制一直被国内外地质学家所关注,对于南海形成演化的动力学机制,许多学者提出了不同的模式,Sun等(2006) 总结了目前具有代表性的6种观点:

(1) 弧后扩张模式: Karig(1971) Ben-Avraham和Uyeda(1973) 以及郭令智等(1983) 等提出南海是吕宋岛弧的弧后扩张盆地,与古西太平洋的洋中脊俯冲作用有关. 由于磁异常条带的发现,从而否定了这种动力学模式.

(2) 古南海俯冲拖曳模式: Holloway(1982) Taylor和Hayes(19801983)和Hall(1996) 认为,白垩纪末至古新世时,由于古南海洋壳向东南俯冲于吕宋和苏禄弧之下,俯冲板块的拖曳导致了华南陆缘的伸展和南海的张开.

(3) “碰撞-挤出-拉张”模式: 南海扩张与印-藏碰撞和印支半岛南东向挤出作用有关,Tapponnier等(1990) Briais等(1993) Leloup等(2001) 认为印度与欧亚大陆的碰撞导致印支半岛在早第三纪沿红河断裂带发生了大规模左行位移,在其末端的左行拉分作用导致海底扩张.

(4) “地幔柱活动”和“地幔上涌”模式: 与地幔流有关的扩张模式,Tamaki(1995) Flower等(1998) 根据地震层析结果、地幔地球化学和南海北部沉积盆地的多方向的伸展研究,认为在南海之下存在地幔柱和侧向地幔流,可能引起海底扩张.

(5) 东亚陆缘右行裂解模式: 周蒂等(2002) 等通过南海与日本海的比较分析后,认为南海的张开是在太平洋俯冲带后撤、印度地块向北俯冲碰撞引起地幔舌南东向流动和澳大利亚NNW向俯冲和碰撞的共同驱动下,东亚陆缘发生右行张裂作用的产物.

(6) Morley模式: Morley(2002) 提出任何南海扩张的模式都必须考虑古南海俯冲和印支半岛的挤出作用,并指出印支半岛挤出作用与古南海俯冲通过红河断裂相连,红河断裂沿走向转化为右旋走滑断裂,辅助完成印支半岛的挤出,推动古南海的俯冲,而古南海的俯冲导致了海底扩张. 另外,还有学者认为既受太平洋板块俯冲的影响,又受印度—亚洲大陆碰撞的远程效应形成的右旋走滑作用的控制(任建业和李思田,2000). 可见,南海具有复杂的演化历史,其形成需要考虑多种因素的影响作用,但现有的模型很难解释南海的形成演化. 南海处于多个板块相互作用部位,其形成演化应考虑多种因素的共同影响作用.

尽管在形成的动力学机制上有不同认识,但为多数学者所接受的观点为,南海是在伸展作用下,受欧亚板块、印度板块、澳大利亚板块、太平洋板块和菲律宾等板块运动的影响,先后发生陆内裂谷、陆间裂谷和大洋裂谷作用,并形成了裂谷、海盆、挤压、走滑等多种地质构造现象的小洋盆(姚伯初等,2006). 在特殊构造背景下形成的南海海盆,周围陆缘性质不同: 北部为被动大陆边缘,西部为走滑边缘,东部为俯冲边缘,南部为挤压边缘,在这些边缘上发育了不同类型的新生代含油气盆地.

3 南海深部过程与含油气盆地的耦合研究进展 3.1 南海深部过程的复杂性

岩石圈浅部盆地中,凡具有长期沉降与沉积充填条件的地域,可以成为丰富的油气区,而这种沉降盆地的产生,取决于岩石圈深部构造运动及其相应的地质结构变化. 针对南海深部过程主要有以下三种的观点:

(1) 地幔侵蚀说. 黄福林(1986) 根据地质和物探资料显示的深断裂,基底断裂等构造格局及其与周缘地质的关系,并从拉蒙特研究所等单位已刊的地震折射和声纳浮标资料,侧重从南海基底和地壳结构特征两个方面来探讨南海成因,认为南海是在“南海地台”上发生发展而成. 深部过程可概括为地幔上拱,引起区域隆升在张应力控制下深断裂活动,裂谷发育,地壳侵蚀变薄,然后强烈沉降,陆壳下沉到热的上地幔中,地幔熔融物取代原来陆壳形成新洋壳. 这种观点认为南海演化过程当中不存在海底扩张. 显然从已发现的海底磁条带来讲,这种观点不能令人信服.

(2) 陆缘扩张说. 在中生代晚期华夏型地洼区处于强烈的造山带期,南海北部曾存在巨厚地壳,可能是底侵作用的结果;新生代以拆沉作用为主,地幔以水平流动为主,与印度-欧亚板块碰撞引起地幔流的东南方向流动或者海底扩张导致的地幔对流有关(陈国达,1992; Zhang and Wang, 2001; 邹和平,20012005; 蔡周荣等,2007; 徐义刚等,20022012). 南海区域白垩纪末以来的岩石圈演化主要表现为陆缘裂离—海底扩张—区域沉降的过程,现存的壳-幔耦合模式显然为岩石圈纵向演化产物,其过程大致可分为白垩纪末至中始新世的陆缘裂离、中始新世晚期至中新世早期的海底扩张和中新世晚期以来的区域沉降等三个阶段(吴能友等,1999). 南海北部陆缘扩张是该区大陆构造演化到大陆活化造山带后期,在深部壳-幔的相互作用下,岩石圈所发生的垂向减薄和侧向伸展,既不同于弧后扩张,也不是受控于大西洋式的海底扩张(邹和平,20012005). 徐义刚等(2002) 根据对南海北缘新生代玄武岩中幔源包体的研究揭示了该地区上地幔的不均一性和复杂的地幔过程,深源岩石记录的信息支持南海海盆是陆缘扩张引起的主动盆地的观点,认为南海北缘地幔包体记录了该地区岩石圈的快速减薄以及软流圈的快速上涌,该地区深部作用过程与陆缘扩张有成因上的联系. 新生代以来,南海北缘深部岩石圈受软流圈的热侵蚀而减薄,深部地幔流的快速上升以及随后的软流圈地幔的热扩散、冷却,导致了新岩石圈的增生;地幔流上升导致了浅部岩石圈的张裂下陷以及南海北缘众多拉张断陷盆地的形成.

(3) 热地幔柱说. 南海的构造演化受控于海南地幔柱(崔学军等,2005; 肖龙等,2006; 鄢全树和石学法,2007)或南海地幔柱(程先琼等,2006; 真允庆等,2013). 在对三水盆地火山岩岩石学特征研究的基础上(董月霞等,2006),与已经获得的珠江口、琼北-北部湾盆地火山岩的地球化学资料进行对比研究,这些火山岩的形成时间和地球化学和同位素特征表明它们经历了连续的软流圈地幔上涌和部分熔融过程,受控于自晚中生代以来的地幔柱构造. 南海的形成是地幔柱活动引起的地幔上涌和大陆裂解作用的结果(肖龙等,2006). 从三水盆地向南到苏拉威西海构建的火山岩年龄剖面上(朱炳泉等,2002),强烈显示出南海中央盆地为中心(3.49 Ma),火山岩年龄向两侧逐渐变老(46~65 Ma)的特点,与三水盆地火山岩的时空演化趋势向一致(董月霞等,2006),暗示了可能存在的以南海中央盆地为中心的软流圈上涌,或地幔柱活动. 从岩石圈减薄的时间上来看,三水盆地属于晚中生代-新生代岩石圈减薄-扩张事件的伴生产物. 它与相邻盆地火山活动时间上的差异反映了地幔柱上涌期间地幔柱与上覆板块的相对运动方向. 即:地幔柱由内陆向东南沿海的迁移(向东南方向)的特征. 另外,基于地球物理学、地球化学及矿物化学方面的证据,结合数字模拟实验资料,也表明在海南岛及邻近区域之下存在地幔柱活动(鄢全树和石学法,2007). 最近的研究结果也显示南海地区存在地幔柱,认为印-澳板块和太平洋板块的持续俯冲作用以及从俯冲板片拆离出来的高密度玄武质岩层的封隔作用可能导致了该区地幔柱的形成(Wang X C et al.,2013). 但有学者研究认为海南地幔柱的活动目前看来主要在于中新世中期之后,而且南海的裂谷过程并不具备火山型的特征,说明南海的裂谷和扩张与地幔柱无关(徐义刚等,2012).

可见,南海形成演化的成因模式和动力学机制还存在着很大的争议,但其形成演化过程中伴随着大规模的岩石圈减薄却是大多数学者认同的事实,南海形成演化过程中伴随着大规模的底侵作用和拆沉作用,加速了北部陆缘岩石圈的伸展减薄. 从目前研究进展来看,似乎学者更倾向于热地幔柱说.

3.2 深部过程与含油气盆地耦合研究进展

板块理论和全球变化是20世纪地球科学中的两大突破性进展. 进入21世纪,地球系统科学进入将这两方面结合起来,探索地球深部和表层系统的相互作用(汪品先,2009). 大中型能源盆地的形成和演化,主要受地球深部动力作用的控制,后者总体上代表了盆地的形成机制,孕育了盆地的构造属性,制约着盆地的热演化及其变化. 盆地演化和其深部作用均与油气等能源矿产的赋存、富集和分布密切相关(李思田,1995; 刘池洋等,2000; 宋晓东等,2004). 因此,沉积盆地分析越来越重视地球深部作用过程与浅表层作用过程之间的关系(解习农等,2012). 现有的研究表明上地幔物质的塑性流动可对地球表层地貌产生显著的影响(Braun, 2010),如大洋岩石圈的冷却、收缩可形成海底大范围起伏的地貌(Turcotte and Schubert, 2001). 许多学者认为地球浅表层正向和负向单元可由多种动力学机制形成,如造山作用(Molnar et al.,1993)、榴辉岩地壳或克拉通地幔岩石圈的拆沉作用(Zandt et al.,2004;Frassetto, et al.,2011)、俯冲作用导致大陆的掀斜(Faccenna and Becker, 2010)、全球地幔流动导致的远程效应(Liu and Gurnis, 2008)和地幔柱的撞击作用(Lowry et al.,2000). 反之,地球表层作用过程也可以影响地球深部过程. 在剥蚀作用强烈地区,由于地表卸荷的均衡作用,地壳会发生反弹升高,而在沉积物堆积地区则因地壳荷载而下沉(Watts, 2001).

南海海域约发育20多个沉积盆地,总面积超过100 km2,主要分布在陆架和陆坡区;共计发现数百个油气田,合计探明油气总地质储量上百亿吨当量,目前探明石油储量位居世界海洋石油的第五位,天然气探明储量位居第四位,已成为世界上一个新的重要含油气区. 南海大陆坡和大陆架环绕中央洋壳区呈环带状分布. 在陆架和陆坡区总计约发现数百个油气田,油气田分布呈“外环油内环气”分布特征. 油田主要分布在靠近陆地的陆架区或其上倾部位,天然气主要分布在陆坡区及陆架区下倾部位(图 2;张功成等,2010). 南海海域发育湖相、海陆过渡相和陆源海相三类烃源岩. 由南北两侧向中央海盆,烃源岩类型由湖相逐渐过渡到海陆过渡相与陆源海相;从东向西,盆地主力烃源岩层位逐渐变新,由始新统-渐新统逐渐过渡到渐新统-中新统;南海海域烃源岩的分布规律与盆地破裂不整面存在密切关系(图 2;梁建设等,2013). 目前针对南海深部过程与含油气盆地的耦合关系研究的成果较少.雷超等(2013) 在二维长电缆深反射地震剖面资料基础上,采用挠曲悬臂梁模型和挠曲回剥模型算法,计算上地壳、地壳和整个岩石圈拉伸系数,表明洋陆转换带盆地岩石圈随深度增加,拉伸量逐渐变大,导致盆地裂后阶段加速沉降,随深度相关的岩石圈不均一变形,可能是下地壳和地幔岩石圈物质的主动流出,导致盆地基底沉降速率加快,沉积物可容纳空间增大,容纳了巨量沉积物.

图 2 南海主力烃源岩与油气分布规律. 在红实线以内为洋壳区,黑实线与黄实线之间为油环区,红实线与黄实线之间为气环区; 油气环带分布据张功成等(2010) ; 烃源岩分布据梁建设等(2013) Fig. 2 Distribution map of the main source rocks and oil and gas in the South China Sea. Oceanic crust area within the red solid line; Oil region between the solid line and the yellow solid black line; Gas region between the red and yellow solid line. Distribution of oil and gas are from Zhang et al.,(2010) . Distribution of sources rocks are from Liang et al.,(2013)

真允庆等(2013) 通过南海热幔柱构造(程先琼等,2006)特征分析,探讨南海地区油、气环带分布的成因机理,将地幔柱发育的不同阶段、南海扩张过程与盆地演化形成联系起来. 认为南海“外油内气”环带有序的成因是与中新生代地幔热柱构造分不开的. 认为复蘑菇云状地幔柱的发育和演化对南海的形成起着主导作用,主要可划分为四期:①晚白垩世后期至始新世末期(85~32 Ma),软流圈底部内形成蘑菇云状柱头,促使岩石圈底侵和伸展、减薄,并进而形成裂谷盆地,同时伴有中酸性和基性岩浆侵入和喷发;②早渐新世到中新世末(32~17 Ma),地幔热柱快速上升,使岩石圈高速体减薄拉断,形成碎块结构的幔块构造,地幔熔融物质沿构造薄弱带上涌,甚至发生基性岩浆喷发,促成海盆洋壳产生,伸展裂陷盆地中沉积了大量有机质黑褐色泥岩,提供丰富的物源;③中新世(17 Ma)以来,南海从伸展构造环境转变为挤压构造环境. 在热幔柱上升同时,印澳板块俯冲下插至软流圈,逐渐被下沉的板片高速体所置换,形成玄武岩浆喷发;④晚上新世(10 Ma)开始:上地幔软流圈内蘑菇云状柱头中部强烈挤压变形,激发再度活化,岩石圈再次减薄,局部扩张,从而引起软流圈物质减压熔融上涌,故在海盆海山中发育9. 7~3. 6 Ma玄武岩,以及南海北缘、西缘中新世至更新世大规模玄武岩热点.

深部动力作用的代表了盆地的形成机制,制约了盆地的构造属性,控制着盆地的热演化. 前人认为南海深部过程控制了浅部含油气盆地分布特征,但南海深部过程并未明确,进一步南海深部过程究竟对浅部沉积盆地和油气分布有着怎样的控制作用,目前对此研究也存在较大争议和不确定性.

4 深部过程与盆地耦合初步模型

本文在前人的研究基础之上,采用双界面模型位场快速正、反演方法(王万银和潘作枢,1993)以及切线法对重、磁数据进行了深部构造界面反演工作,计算了跨越南海主要构造单元的两条主剖面,反映了主要的深度构造界面—莫霍面、磁性基底以及居里面(图 34). 结果表明,南海莫霍面的起伏与地形呈明显的镜像关系,莫霍面深度表征了南海地区的地壳类型,主要分为大陆型地壳、洋陆过渡型地壳和大洋型地壳三类,深度一般在26~22 km之间. 大陆型地壳主要分布在北部的陆架区和南部陆架区. 南海海域内另一显著特征是:多处存在微陆块,如中、西沙群岛,礼乐地区等. 西沙群岛呈现微陆块性质,西沙群岛地壳厚度在24~22 km.在南部陆缘在礼乐地区,地壳厚度达到了24~20 km. 南海洋陆过渡壳主要表现为地壳厚度急剧变化的梯度带,在北部陆缘存在一条明显的梯度带,在比较狭窄的区段内,莫霍界面深度由26 km急剧抬升到14 km, 形成明显的梯度带. 中央海盆与南沙群岛之间也存在一条较明显的梯度带,地壳厚度由20 km急剧减少到12~14 km. 中央海盆的西侧,中沙、西沙附近海域地壳厚度约14~20 km, 该较宽阔的海域也是洋陆壳过渡地带. 南海大洋型地壳主要分布在中央海盆、西南次海盆以及西北次海盆,其范围基本上由14~12 km的莫霍界面等深线所围限. 中央海盆和西北海盆内莫霍界面较平缓,深度大部分为12 km. 西北次海盆莫霍面也较平缓,基本上在16~14 km范围内,西南海盆的地壳厚度比中央海盆厚(鲁宝亮等,2015). 从磁性基底埋深界面来看,南海南北差异不大,该界面主要反映了沉积层的厚度,在盆地区深度较大,如南海北缘的琼东南盆地、珠江口盆地以及南海南部陆缘的文莱盆地和礼乐盆地. 南海居里面埋深整体表现为洋壳区浅、周缘深的特点,由南海北缘、跨越中央海盆向南缘逐渐加大,由-23 km逐渐下降到-34 km(图 34). 中央海盆残留洋中脊北侧的居里点深度明显要小于南侧的居里点深度,而且在西北次海盆居里面急剧变浅,这表明洋中脊北侧的深部热活动更为活跃,这表现为北部的海底火山较南部也更为发育. 这种“北浅南深”的居里点分布特征可能的解释是扩张中心逐渐向南部迁移所造成的,或者与简单剪切模式的扩张有关. 另外在西南次海盆,居里点深度相对较深,达到了-32 km, 这可能与窄洋盆的快速冷却有关(Li and Song, 2012).

图 3 海南-文莱深部构造剖面(AA’剖面位置见图 1) Fig. 3 Deep structures of Hainan-Brunei (Location of AA’ profile in Fig. 1)

图 4 珠江口-巴拉望深部构造剖面(BB’剖面位置见图 1) Fig. 4 Deep structures of Pearl River Mouth-Palawan (Location of BB’ profile in Fig. 1)

中、新生代以来,南海地区经历了古南海的消亡和新南海的扩张(鲁宝亮等,2014). 晚侏罗世,南沙地块向华南大陆开始漂移,古南海进一步强烈扩张. 早白垩世末期,南沙地块对南海北缘地块完成了俯冲拼贴,形成了南海北部俯冲增生带以及华夏陆缘造山带,南海北缘与南沙地块具有了统一的构造-沉积环境. 晚白垩世,南沙地块开始裂离华南大陆,古南海向南俯冲,南海陆缘形成裂谷系. 至渐新世,伴随着新南海洋壳出现,该地区普遍发生热沉降作用,从而广泛发育裂谷—热沉降双层结构沉积盆地. 同时,古南海加速消亡于巽他地块之下,在南海南部地区形成了一系列的俯冲增生系和前陆盆地.

基于前人的研究结果,通过对地壳类型、磁性基底、莫霍面以及居里面特征分析,建立了一个南海深部过程与浅部耦合的初步模型:

(1) 晚白垩世末期—始新世: 印度板块与欧亚大陆板块发生碰撞,地幔发生东南侧向流动,导致了华夏陆缘造山带之下大规模拆沉事件,华夏陆缘造山带“山根”沉入下部软流圈之中. 岩石圈拆沉导致软流圈物质上涌,并诱发地幔热柱上升. 由于均衡调整,引起了该地区岩石圈的普遍伸展,地壳减薄,莫霍面深度变浅. 由于地幔侧向流动,引起了不对称的简单剪切运动,在地壳浅部表现为显著的裂谷作用,同时伴有中—酸性和基性岩浆侵入和喷发. 居里面从而表现为由北向南逐渐变深的趋势(图 34中绿线). 在北西向伸展机制控制下,形成一系列NE-NNE向分布的初始裂陷,为一套陆相湖盆沉积.

(2) 渐新世—中中新世: 由于地幔热柱快速上升,使岩石圈高速体减薄拉断,地幔熔融物质沿构造薄弱带上涌,加之简单剪切导致的“南北向构造拉张”作用,从而促使了南海洋壳出现,南沙地块开始裂离华南大陆,古南海开始俯冲消亡于巽他地块之下. 扩张中心具有逐渐向南部迁移的特征(即迁移至现今中央海盆洋脊处),导致中央海盆北侧热活动更加剧烈,使得居里面较洋盆南侧要浅1~3 km(图 34中绿线). 另外,南海扩张表现为由东向西的渐进式扩张,由中央海盆开始扩张,逐渐向西从而形成了西南次海盆. 该时期南海发生的南北向扩张作用将原来的坳陷和隆起错断、切割,形成多个凹陷和凸起. 该时期南海地区发了热沉降和均衡沉降,主要沉积了一套海陆交互相-海相沉积地层.

(3) 晚中新世—至今: 由于印—澳板块前缘与巽他大陆碰撞,南海从伸展构造环境转变为挤压构造环境,南海大约在15.5 Ma停止扩张. 受菲律宾海板块与澳大利亚板块碰撞造成区域上的挤压、吕宋岛与卡加廷脊及北巴拉望碰撞、礼乐—东北巴拉望和加里曼丹—苏禄地块碰撞、吕宋微板块与南海边缘碰撞、菲律宾板块和巴拉望地块碰撞、印支地块与东南婆罗—西南巴拉望地块碰撞等构造事件的影响,海盆进入了压缩和封闭的阶段. 与此同时,热点继续活动,直到第四纪还有碱性玄武岩喷出地表. 该时期南海地区发生持续区域沉降,为一套广泛的海相沉积.

上述为初步建立的耦合模型,还难以准确回答南海深部过程与浅部含油气盆地之间的关系. 该模型可能还存在较大的问题,还需进一步更深入细致的研究.

5 下步研究建议

通过综述可以看到,关于南海深部过程对盆地以及对油气分布规律的控制作用等基础问题仍存在很大的不确定性或争论. 尽管本文提出了一个初步的模型,但是南海深部过程与含油气盆地之间的耦合关系尚未明确. 鉴于南海形成演化、深部过程及其与含油气盆地耦合关系的研究进展和问题,为了更好的理解南海深部过程及其对含油气盆地的控制作用,建议今后开展以下关键问题研究: 确定南海深部结构及构造,构建南海深部演变过程,结合南海周缘沉积盆地性质及分布,明确南海深部过程对含油气盆地的控制作用,对比分析南海周缘盆地的油气资源分布特点,从而阐明油气资源与深部构造及过程的关系(图 5).

图 5 南海深部过程对含油气盆地控制研究建议 Fig. 5 Research suggestion for the South China Sea

建议从以下四个方面着手研究:(1) 海陆联测与综合地球物理研究南海深部结构特征. 明确地壳与岩石圈深度及其差异特征;反演磁性基底和居里面深度,构建磁性结构;综合分析岩石圈或地壳断裂以及主要板块缝合带,明确南海地区大地构造单元特征.(2) 南海深部过程研究. 建立古南海消亡与新南海扩张的统一演变过程;分析岩石圈/地壳减薄或加厚、地幔的流向; 深部热体制的转变; 研究华南、印支造山带的形成、规模及其拆沉事件,从而明确南海含油气盆地发育的深部约束条件.(3) 南海含油气盆地演化史及其油气分布规律研究. 明确南海含油气盆地的分布规律、盆地类型、盆地结构、构造-沉积-演化以及油气分布规律等. 为深部过程与浅部油气分布耦合关系建立奠定基础.(4) 南海深部过程对含油气盆地演化控制研究. 从时空角度出发,明确南海深部过程与盆地构造—沉积充填及油气分布的耦合关系.

致 谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!

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