珠江口盆地白云凹陷东沙25凸起构造演化

张翠梅，赵中贤，孙 珍，庞 雄，柳保军，李鹏春

1.中国科学院南海海洋研究所边缘海地质重点实验室，广州 510301

2.中国海洋石油有限公司深圳分公司研究院，广州 510240

当前世界上大油田中相当大的一部分和构造有直接关系，特别是一些同期隆起带或断裂带，是重要的油气聚集部位，国内外的勘探实践也充分证明了这点［1－2］。隆起带对油气的生成和运移、储集相带的分布等都有较大的控制作用，因而隆起构造的形成和演化是制约这类油气藏形成的关键。长期以来，众多学者依赖单一手段，如沉降史恢复或生长地层等研究隆起构造的演化，而分析结果往往不是缺乏对重大地质事件的发掘和强调，就是分析精度不高，仅作出了定性判断。

珠江口盆地白云凹陷东沙（DS）25凸起位于陆坡深水区，海水深度为500～1 000m，是我国深水油气勘探的重要选区。笔者以该凸起为对象，在地震资料精细解释的基础上，分别运用生长地层法、沉降史恢复和剩余构造沉降分析的方法划分了DS25凸起的演化阶段，并对比和综合各方法的合理与精华部分，重建DS25凸起演化的历史。

1 区域地质概况

白云凹陷位于珠江口盆地南部坳陷带，是珠江口盆地系列凹陷中面积最大的一个深水凹陷，北侧是番禺低隆起，东侧为东沙隆起，西侧以一条北西走向的基底断裂、岩浆活动带和云开低凸起为界，南部为珠江口盆地南部隆起带，是南海北部最具代表性的新生代深水陆坡沉积区［3－5］。研究区DS25凸起位于白云凹陷东部与东沙隆起的接合部位，是一个三面被洼陷夹持、由北东向南西方向倾伏的大型凸起（图1）。

白云凹陷经历了断陷、断坳和坳陷期3个构造演化阶段。断陷期（Tg-T70）沉积了厚层达数千米的中－深湖相暗色泥岩，形成主力烃源岩。断坳转换阶段开始，随着南海的扩张，白云凹陷发育了大规模的海陆过渡相和海相沉积。坳陷期白云主洼发生了快速大幅沉降，沉积了巨厚的地层，且受菲律宾板块北西西向俯冲影响，在白云凹陷及其临区发育大量的晚期断层。新生代以来共经历了5次构造运动［6］，自老而新为晚白垩世-古新世神狐运动，早、中始新世之间珠琼运动一幕，晚始新世珠琼运动二幕，渐新世中期南海运动及中中新世至晚中新世末东沙运动。

2 生长地层法分析DS25凸起演化

2.1 生长地层分析法

同沉积褶皱生长地层通过记录地层厚度、地震剖面反射终端结构、沉积物堆积样式和不整合面等信息反映褶皱变形的运动学及发展演化过程。对生长地层的几何学分析，结合地层年代资料，可以揭示沉积与构造的相互影响［7］，确定沉积速率与构造（褶皱）抬升速率的细微变化关系及褶皱的活动期次［8］。目前，生长地层已成为分析褶皱运动学特征以及断层与褶皱相互关系的有效工具［9－11］。

褶皱翼部的生长地层呈楔状、扇状展布，地层倾角由深层到浅层逐渐变缓，代表了以翼部旋转为变形机制的一类褶皱；对于以坡折带迁移为变形机制的褶皱，生长地层的长度从地层底部向上逐渐变短，形成生长楔［9，12］。根据生长地层内部结构特征，其代表的构造抬升速率（Ru）和沉积速率（Rs）之间的关系可划分为以下4种［13］（图2）：

1）Rs≫Ru，出现披覆结构，褶皱顶部接受沉积，地层特征为顶薄翼厚，如图2A。

2）Rs＞Ru，地层从翼部向核部上超，如图2A。

3）Rs＜Ru，出现退覆结构，如图2B；凸起顶部无沉积；由于河道的下切和充填作用可见局部形成不整合面，如图2C。

4）Rs≪Ru，凸起强烈抬升翘倾，顶部地层遭受剥蚀形成不整合，如图2D。

因此，生长地层划分同沉积褶皱活动期次主要依据反射终端和地层结构，如上超、披覆与不整合面等，前两者指示褶皱缓慢抬升并伴随沉积作用，不整合面则指示了褶皱的强烈隆升。

图1 白云凹陷DS25凸起构造位置和新生代地层特征Fig.1 Distribution and filling sequences of the study area，showing the location of the analogous wells referred to in the text

图2 背斜翼部生长地层的几何形态和内部结构示意图Fig.2 Architecture and geometries of the growth strata on the monocline

2.2 DS25凸起的活动历史

通过二维和三维地震剖面的解释、追踪和闭合，共识别出DS25构造带的3个不整合界面，分别为T70、T20和T10，这些不整合是重大地质事件如构造转换和沉积环境突变等响应，也成为划分演化阶段的重要依据。通过剖面分析发现：

Tg-T70沉积时期，DS25凸起的西南斜坡部位受早期同沉积断层控制，表现为半地堑结构，楔形地层向凸起上尖灭（图3），说明DS25构造是一个新生界之前存在的古隆起。T70下伏断陷期地层向隆起掀斜，并遭受强烈剥蚀，形成不整合，表明DS25凸起在T70界面沉积前曾发生过大规模抬升。

T70-T60沉积时期，盆地进入裂后沉降阶段，接受海陆交互相沉积。珠海组的6套层序向隆起顶部上超，沉积层仅出现在隆起西南翼，且地层很厚，隆起顶部则无沉积作用，地层呈楔形，说明在该时期凸起的沉积速率微大于抬升速率。

T60-T50沉积时期，出现披覆式沉积，DS25凸起顶部和翼部均接受沉积，厚度较薄，且顶薄翼厚。在局部地区翼部地层出现前积结构，说明该期沉积物供给比较充足，沉积速率远大于抬升速率。

T50-T20沉积期间，凸起结构与上一阶段类似，但该时期沉积厚度很大，占整个新生界沉积厚度的1／3，顶薄翼厚的披覆式沉积继承发育，该阶段凸起沉积速率远大于抬升速率。

图3 过DS25凸起NE测线构造－地层格架Fig.3 Regional NE seismic section and our interpretation across the DS25uplift showing tectonics and stratigraphic architecture

T20-现今，凸起翼部沉积异常厚，T20地层遭受强烈剥蚀，在顶部形成不整合。值得一提的是T10界面的削截特征亦很强，核部高点局部现今仍处于剥蚀状态（图4）。T10界面上下地震相发生突变：界面之下为弱振幅反射，之上在凸起翼部表现为高频强振幅反射，连续性好，平行或亚平行反射，向凸起核部上超。

结合生长地层分析，将DS25凸起构造划分为5个演化阶段：新生界沉积之前DS25凸起形成，T70界面沉积之前，DS25构造大规模隆升；T70-T60沉积时期，沉积速率略大于隆升速率；T60-T50沉积时期，沉积速率远大于隆升速率；T50-T20沉积期间，沉积速率远大于隆升速率；T20沉积之前，隆起再次发生大规模隆升，持续至现今。

3 沉降史恢复DS25凸起演化

3.1 沉降史分析原理

盆地沉降史定量分析的目的就在于恢复盆地沉降速率随时间的变化，区分出构造沉降、沉积物或盆地水体的负载沉降、沉积物压实沉降、海平面变化等对盆地总沉降的贡献，通过构造沉降剖析盆地演化的本质。回剥技术是盆地沉降史模拟中最为精确的方法［14－15］，在盆地构造分析中广为采用［16－18］。其主要原理是利用现今沉积物厚度逐层反演恢复到地表，通过一系列校正，包括沉积物压实、负载均衡校正和海平面校正等，得到各个时期盆地的总沉降量和构造沉降量。盆地的构造沉降可表述为：构造沉降＝总沉降（基底沉降）－（沉积物和水负载沉降＋沉积物压实沉降＋海平面（古水深）变化）；构造沉降速率＝构造沉降量／地层沉积时间。

3.1.1 回剥分析流程

回剥分析主要分为以下3个步骤：

1）地层回剥去压实

沉积物在正常的压实情况下，孔隙度（Φ）和深度（y）关系服从指数分布［19］：

式中：Φ是深度为y时的孔隙度，%；Φ0为表面孔隙度，%；c为压实递减系数，km－1，与岩性有关。

根据沉积物体积不变原理，在回剥位置上由下式给出岩层的厚度：

式中：y1和y2为地层现今顶、底埋深，m；y′1和y′2为地层回剥至地表的顶、底埋深，m。

2）沉积物和水的负载均衡校正

沉积负载校正即为从盆地总沉降（S）中去除负载沉降（U），从而得到构造沉降（Y）的过程。运用局部（Airy）均衡模式计算得到构造沉降为

式中：Y为构造沉降量；S为总沉降量；U 为沉积负载；ρs为沉积岩平均密度，一般取2.7g／cm3；ρm为地幔密度，取3.33g／cm3；ρw为孔隙流体密度，取1.0g／cm3。

3）古水深校正

当沉积盆地的古水深较大时，须作古水深校正才能得出正确的构造沉降量。沉积物沉积时，其沉积面在水下一定深度，有了古水深Wd，则可以直接将古水深加上沉积物厚度，从而得到真正的深度：

3.1.2 参数选取

图4 过DS25凸起NW测线构造－地层格架Fig.4 Part of NW reflection seismic profile across the DS25uplift showing our interpretation of the tectonics and stratigraphic architecture

白云凹陷地层及岩性如表1所示，主要岩性根据研究区DS25凸起附近的LW3－1－1井及地震地层数据确定；表面孔隙度参数Φ0采用Sclater和Christi［20］对北海多口井的统计数据。考虑到30 Ma时期珠江口盆地形成破裂不整合，则30Ma之前为湖相－陆相沉积，古水深对沉降量的计算影响较小，所以Tg-T70期间不考虑古水深，即假设古水深为0。参照庞雄［6］总结的白云凹陷古陆架坡折变迁特征，研究区在23.8～21Ma陆架坡折由白云凹陷南部迁移到白云凹陷与番禺低隆起之间，因此，在设置古水深时，把23.8Ma的古水深设为200m，21 Ma古水深设为500m，中间各层古水深值通过线性插值生成；21Ma之后白云凹陷处于陆坡深水区，研究区较小范围内古水深的横向变化忽略不计，均取500m。

表1 地层格架及岩性参数Table1 Stratigraphic frame and lithologic parameters

3.2 DS25凸起剩余构造沉降分析

前述划分了DS25凸起演化的5个阶段，而仅依据生长地层法，无法揭示DS25凸起的运动形式，即该凸起是经历了绝对抬升，还是因与周围地区的差异沉降发生了相对抬升。在此，需要引入剩余构造沉降法对DS25凸起进行分析。

剩余构造沉降是通过实测构造沉降减去理论构造沉降所得到，其结果反映构造的绝对沉降或抬升。当剩余构造沉降量为负值时，指示构造抬升；反之，正值指示构造沉降。实测沉降包含了负载沉降和热沉降，通过回剥分析计算可知；理论沉降采用Stretch（英国Badley Geoscience Ltd的软件产品）对盆地进行正演模拟得到。该软件的理论基础是挠曲悬臂梁模型［21］，即认为岩石圈是一个弹性悬臂梁，施于某点的重力不仅会引起该点的沉降，还会引起相邻点的沉降；正演时从初始模型开始伸展，通过调节有效弹性厚度（Te）、断层参数和伸展量，得到张裂后的盆地形态、结构和地层厚度等，并与二维回剥得到的张裂期盆地形态模板进行对比；当两者拟合较好时，程序会自动给出岩石圈伸展系数（β）的曲线和数值，在此基础上继续进行裂后热沉降的正演模拟，得到剖面的理论裂后热沉降量，最终与回剥反演得到的张裂期和裂后期“实测”构造沉降相对比，明确构造的抬升或沉降作用以及异常沉降的存在与否。基于挠曲悬臂梁模型的Stretch模拟软件已成功地用于许多伸展盆地，如北海［22］、珠江口盆地［23］和琼东南盆地［24］。

通过计算DS25凸起的剩余构造沉降变化，图5的结果表明：DS25构造经历了2期抬升，分别发生在30Ma之前和10.5Ma至今。由于凸起顶部65～30Ma地层大量缺失，利用剩余构造沉降无法得知DS25凸起具体抬升的时间，结合区域地质背景，仅能大致推断在30Ma左右，也即珠江口盆地破裂不整合T70形成时期发生了抬升。30～10.5Ma，DS25凸起发生持续沉降，存在3个异常沉降期，分别在23.8～21Ma，18.5～16.5Ma和13.8～10.5 Ma。10.5Ma至今，剩余构造沉降表现为负值，代表该阶段DS25凸起处于持续的抬升阶段。

图5 DS25凸起剩余构造沉降速率变化Fig.5 Variation of the remnant tectonic subsidence on the DS25uplift

4 DS25凸起的沉降特征

鉴于DS25凸起与周缘不同部位的构造沉降变化差异，笔者选取DS25凸起上的A点进行沉降史分析，并选取位于白云东凹内的B和中部低隆起带的C点与A点进行一维回剥分析和对比，见图1和图6a。由于B点地层较连续，沉积间断时间较小，其分析结果可合理地代表整个区域的沉降背景。

沉降计算结果表明，A、B和C点的总沉降量表现出B＞C＞A的特征，说明DS25凸起的沉降量明显要小于周缘地区，见图6b。65～30Ma（Tg-T70），A在早期古隆起上无沉降作用。该时期白云凹陷处于断陷期，沉降中心主要分布在B点和白云主凹，该阶段沉降中心具有明显分隔性。

30Ma至现今，根据总沉降和构造沉降的周期性变化，将DS25凸起的沉降过程分为3幕，如图6c，每幕的沉降速率均表现出相同的变化趋势，并且A点的沉降明显小于B点和C点。

第一沉降幕：30～18.5Ma（T70-T50），A 点沉降表现出由弱（30～23.8Ma）到强（23.8～21Ma）到弱（21～18.5Ma）的变化规律，构造沉降速率最大达到80m／Ma，3点的构造沉降速率和总沉降速率均大于上一期。但A点的总沉降和构造沉降均小于其他两点，发生了明显的差异沉降。

第二沉降幕：18.5～13.8Ma（T50-T30），沉降速率由弱（18.5～16.5Ma）到强（16.5～13.8 Ma），最大值均高于上一期。A点的沉降速率最大为90m／Ma，与地震剖面上厚层披覆沉积对应，但仍落后于B点和C点，形成差异沉降。

第三沉降幕：13.8Ma至今（T30至现今），沉降速率呈现由强到弱的变化，在13.8～10.5Ma时期，3点的构造沉降速率较快，平均约95m／Ma，A点相对最慢，约75m／Ma；10.5Ma至今，整个白云凹陷受东沙运动影响，白云凹陷沉降极其缓慢，DS25构造区表现为隆升。

图6 DS25凸起与周缘ABC 3点的沉降量变化Fig.6 Subsidence variations on ABC sites of the DS25uplift and surrounding area

5 讨论

应用生长地层法、沉降史恢复和剩余构造沉降3种分析方法，分别建立了DS25凸起的演化，见表2。生长地层结构分析表明DS25凸起形成之后经历了5个阶段的演化；沉降史上表现为3幕构造沉降和3期异常沉降；剩余构造沉降识别出DS25构造的2期抬升和3幕沉降。由于各种分析方法的手段和侧重点不同，造成判断的DS25凸起的演化历史不尽相同，但各有优劣：

生长地层法是构造、沉积和海平面变化的综合响应，从地层反射结构出发，结合地层厚度，定性判断凸起的演化阶段，具有简单、快捷和直观的特点。但在缺少具有明显指示意义的反射终端时（如上超和削截等），则无法确定隆起活动的强弱、详细地起止时间和区分隆起的抬升与差异沉降作用。

回剥法分析定量揭示了DS25构造的沉降史演化，并与周缘地区建立对比关系，具有时空对比强、阶段划分精细的特点，但缺点是容易受中间参数如古水深、剥蚀量恢复等的影响。

剩余构造沉降速率分析从新的角度给出了隆起构造的活动特征，明确了DS25构造在各个时期经历构造抬升，抑或是差异沉降作用，可以作为生长地层分析的重要补充；其划分的沉降幕与沉降史恢复的结果具有一致性。

以上3种方法相互补充：生长地层和剩余构造沉降分析明确了30、10.5和5.5Ma重要的抬升运动，区域上它们与大的板块活动时间关联。在30 Ma时期，南海海盆开始扩张，地幔物质上涌，地壳由于热浮力发生回弹，在南海南部和北部陆缘形成重要的破裂不整合，珠江口盆地即在该区域背景下发生抬升，加之海平面的大规模下降（图7A），形成了T70重要剥蚀面。10.5Ma至今，受菲律宾板块向南海逆冲引起的东沙运动影响，区域内大范围抬升遭受剥蚀，形成显著的区域不整合面（T20），相应地建立了DS25凸起演化的理论模型，如图7B。沉降史恢复和剩余构造沉降分析精细划分了沉降阶段，如图7C和7D所示，2种方法刻画的阶段具有较好的一致性，特别是裂后异常沉降的3个阶段：23.8～21Ma，18.5～16.5Ma和13.8～10.5Ma。对于各异常沉降的形成机制，不同学者针对南海北部陆缘的不同区域提出了不同的观点，主要有裂后期发生新的张裂事件［25］、玄武岩体侵入冷凝导致的异常沉降［26］、动力地貌变化影响［27］、下地壳流影响［28］、上地幔次生流影响［29］等。这些机制能否用来解释白云凹陷DS25凸起的强烈沉降，尚需进一步探讨。

表2 DS25凸起演化的综合分析和对比Table2 Integrated analysis and comparison of three methods used for the DS25uplift evolution

6 结论

生长地层、回剥法和剩余构造沉降分析3种方法互相验证，各种方法所得结论与笔者的理论推测具有较好的一致性。DS25凸起的构造演化过程划分为如下5个阶段：1）＜65～30Ma，盆地处于断陷阶段，凸起顶部遭受剥蚀，翼部出现局部的沉积中心。2）30Ma左右，DS25凸起发生大规模隆升，为南海开始扩张时期岩石圈的破裂回弹作用导致。3）＜30～23.8Ma，DS25凸起微弱沉降，推测与南海洋中脊在24Ma左右向南跃迁有关。沿北西和中央次海盆洋中脊的海底扩张对位于洋中脊北部的白云凹陷及其东侧产生一个弱的挤压力，使得研究区在裂后早期仅发生了微弱沉降。4）＜23.8～10.5 Ma，DS25凸起区发生沉降，且出现3幕异常沉降，分别发生在23.8～21Ma，18.5～16.5Ma和13.8～10.5Ma；各异常沉降阶段的控制机制和动力学背景仍需进一步深入分析。5）10.5Ma开始，DS25凸起受东沙运动影响，发生大规模隆升，从5.5Ma至今，抬升作用持续强烈。

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