南海热幔柱构造与油气分布

真允庆，牛树银，孙爱群

（1.江苏省有色金属华东地质勘查局，南京 210093；2.江苏省有色金属华东地质勘查局814队，江苏 镇江 212005；3.中国冶金地质勘查总局三局，太原 030002；4.石家庄经济学院资源学院，石家庄 050031）

0 引言

南海为西太平洋成熟洋壳的边缘海盆，是东南亚地区极好的油气远景区，为继波斯湾、欧洲北海和墨西哥湾之后的世界四大海洋油气聚集中心之一。全区以产天然气为主，石油次之，油、气分布具有“外油内气”的环状分布特征［1］：沿大陆架或近陆部位以油田为主，在大陆坡（包括临近大陆架部分区域）至海盆区以气田为主。本文试图通过热幔柱构造特征分析，探讨南海地区油、气环带分布的成因机理。

1 区域地质概况

南海位于东亚西太平洋巨型裂谷系的南部，处在欧亚、印度—澳大利亚和太平洋—菲律宾海三大板块所夹持的地带（图1），亦是古特提斯构造域和古太平洋构造域相互叠置区域，其形成、演化不仅与上述板块俯冲、碰撞有关，更重要的是与热幔柱活动紧密相联［2－3］。南海以富产石油、天然气和天然气水合物等能源资源而著名，油气田呈环状分布。

2 南海地质构造特征

南海是西太平洋最大的边缘海之一，呈菱形，四周高，中间低，NE向长轴3 000km，宽约1 600km，平均水深＞1 000m，面积约350×104km2。地形地貌极其复杂，岛屿密布。按海底形态可分为陆架、陆坡及深海平原（海盆）几个部分。全区以海盆为中心，周围遍布众多含油气盆地。

图1 南海大陆边缘盆地区域及板块构造位置［2］Fig.1 Basin area and location of plate tectonics in the continental margin of South China Sea

南海广泛分布新生代地层，姚伯初等［4］研究南海新生代构造演化史时指出，在北部发生过3次区域构造运动：第一次为中生代末至新生代早期（K3－E1）的神狐运动，产生了一系列NE向构造，形成张裂不整合面（rifting uncomformity）；第二次为晚始新世的南海运动，形成分离不整合面（break upcomformity）；第三次为中新世末期的东沙运动（南部命名为万安运动），构造方向为NW－SE向。

南海全区具“北断（裂）、南褶（皱）、东（俯）冲、西（碰）撞”的构造特征。北部以琼北—珠外—台湾海峡断裂带与华南陆地分开，主要发育一系列阶梯状拆离断裂及不同规模的隆坳构造带；西缘以红河—万安东断裂带与印支板块碰撞分隔，成为走滑－拉张型边缘；南部为卢帕尔—武吉米辛—沙巴北缝合带，这是一条复杂的褶皱增生带，自南向北发育一系列逆掩叠瓦状构造，属挤压型大陆边缘；东部以马尼拉海沟与台湾—吕宋岛弧连接，是南海向东俯冲形成现代活动岛弧带，属于俯冲型边缘［5］。

中生代末期，华南与印支大陆东南边缘发生裂解和海底扩展，古南海陆缘分裂成台琼块体、中西沙块体和南沙块体。南沙块体内进一步划分为礼乐—东北巴拉望地块、永署—太平地块和曾母地块。南海沿各岩石圈块体边缘大型断裂发育（图2），分布着一系列性质各异的新生代沉积盆地。

南海莫霍面总体特征是自周缘陆区向海盆呈向上隆起趋势，海岸线的莫霍面深度为30km左右，而中央海盆区仅为10km。环绕着中央海盆地区，形成一封闭的莫霍面陡变带，中央海盆的莫霍面变化明显变缓，从而形成以中央海盆为中轴的莫霍面凸起（图3a）。另外，南海的地壳厚度等值线方向以NE－NNE向和SN向为主，大致形成一不甚规则的封闭的椭圆形，长轴呈NNE向。华南、印支半岛、台湾岛、海南岛等陆区，地壳厚度较大（＞28km）；而南海区域地壳较薄，在中央海盆一带地壳厚度＜10km，为南海地区地壳厚度最薄的区域（图3b）［6］。不难看出，本区的构造特征也是热幔柱表象的佐证之一。

3 南海地幔热柱构造的主要标志

南海地幔热柱的初步厘定得到地质、地球物理等多方面资料的有力支持。

图2 南海构造格架图［5］Fig.2 Tectonic framework of the South China Sea

图3 南海莫霍面深度图（a）和地壳厚度图（b）［6］Fig.3 Map showing depoth of Moho discontinuity surface（a）and thickness of lithosphere（b）in the South China Sea

表1 南海及其周边地区新生代玄武岩同位素数据［12］Table 1 Isotopic data for Cenozoic basalts from the South China Sea and adjacent areas

3.1 南海为潜在的大火成岩省

本文所称南海及其周边地区，包括三水盆地［8－9］、雷琼半岛、海南岛、北部湾盆地、广西北海涠洲岛、越南、泰国以及南海等地，广泛分布有新生代碱性玄武 岩［10－11］和 花 岗 岩。 鄢 全 树 等［12］称 其 为 潜在的大火成岩省。

就热幔柱的演化而论，三水盆地为中、新生代幔枝构造。从三水盆地向南到苏拉威西海的火山岩年龄演化可知，以南海中央海盆为中心（3.49Ma），向北珠江口盆地火山岩形成时间为51～17Ma，北部湾和琼北火山岩年龄为16Ma，具有向两侧逐渐变老（46～65Ma）的趋势，成为火山活动岛链的印迹。南海与三水盆地火山岩的时空演化具有一样的特点（中心新、两侧老）（图4）。可将三水盆地幔枝构造视为南海亚幔柱构造早期产物。

南海及其周边地区新生代玄武岩Sr，Nd，Pb同位素数据见表1。从所绘制同位素比值变异图（图略）得知，本区主要为碱性玄武岩，具有板内OIB型玄武岩特征［13－14］，岩浆来自中等亏损的似印度洋MORB型软流圈地幔和来自EMⅡ源区的混合，类似于印度洋DUPAL异常区。但在华南大陆南缘（珠江口盆地等）及中南半岛地区（越南、泰国境内）的玄武岩，均具有以EMⅡ型地幔端元为主，混有HIMU和EMⅠ型端元的地幔源区性质，表明岩浆受到大陆岩石圈的轻微混染。

鄢全树等利用南海新生代碱性玄武岩中的橄榄石斑晶推算出该区地幔潜在温度平均为1 661℃［12］，介于夏威夷（tp＝1 688℃）与冰岛（tp＝1 637℃）热点之间［15］，无疑为地幔柱活动提供了有力的证据。

图4 华南边缘海盆地分布（a）及三水盆地火山岩分布（b）简图［9］Fig.4 Sketch map showing distribution of marginal sea basins of the South China Continent and distribution of volcanics in（a）in the Sanshui basin（b）

3.2 南海地幔流动呈涡旋式上侵

为了更清晰地了解南海及其邻区地幔流动情况，程光琼等［16］运用层析成像PMEAN和黏度模型new o3，绘制了经度60°E—140°E，纬度10°S—60°N范围内不同深度的地幔垂直流动速度平面图（图5）。图中浅色部分表示地幔上升流，深色部分表示地幔下降流。在115～1 000km深度，环状构造最为明显，其中心部位基本是地幔上升区域，周边为下降区，为典型的涡旋构造［17］或旋转板块（rotating platea）的表征［18］，实际是热幔柱和冷幔柱“双模式”活动的特征。

地幔上升流起源于核幔边界，主要表现在下地幔和下地幔下部，到地表和现代热点相吻合。蔡学林等解析东亚西太平洋圈和软流圈面波层析成像三维vS速度结构时发现［19－20］，南海地区软流圈存在巨大的“工”字形低速异常带，大体分布在南海中央西侧地带内。它的上部呈“工”字形结构，中间为圆柱形，底部呈散发形的地幔上升流。究其成因，可能是在中生代至新生代早期，南海处于巨型裂谷体系南端，在南海减薄型碎块状岩石圈下的软流圈内，已发育近SN向的低速异常带；新生代晚期（17～15Ma）以来，因四周板块相向俯冲碰撞，逐步停止扩张，转变为挤压环境，当岩石圈高速块体继续俯冲、断离到软流圈中，软流圈中部挤压变形，上下部分侧向拉张扩展，从而形成“工”字形结构［16］。

3.3 S波速度图像是地幔柱的有力证据

杨文采等（2011）运用高分辨率S波速度成像的研究成果，分析了亚洲地区和南海S波速度结构与地幔流体运动模式，证实了上地幔地震S波速度扰动分布是和板块运动理论相容的。一般来说，负S波速度扰动区指示地幔热流运动通道，通道内热流运动总趋势为由下向上的垂直方向，当热流体向上运动到达边界层，遇岩石圈670km间断面，热流体运动可转为侧向，即近水平方向（图6，箭头表示地幔热流体运动方向）。

南海典型的20°N速度扰动剖面（图6a）业已揭示，整个地幔大都为负S波速度扰动覆盖，从地幔底部直到岩石圈主干，可能反映地幔热柱或地幔对流的热流体上升，在670km间断面上几乎断开，说明670 km间断面对热流体上涌确实有重要的阻挡作用。因此，在菲律宾海板块670km断面下方的低速异常分支，可推测为沿间断面分流的热流体，看上去像是下地幔的半边热对流。但在西侧情况有所不同，印度克拉通板块的670km间断面上方的低波速异常，沿间断面通向下地幔负异常主干，可能对应侧向分流的热流体，像进入上地幔的地幔柱分支。在110°E的SN向S波波速扰动剖面图（图6b）上，S波负波速扰动异常受阻挡，看来更加清晰。总之，南海深部上地幔S波波速扰动可分3节：首先是地幔底部低速层上拱，然后是670km断面上方的低波速异常团块，最后是上地幔的低波速异常团块。这种波速结构反映地幔热流体从地幔底部上升到顶部地区，在670km间断面明显减弱，受到阻挡作用［21］。

图5 南海不同深度地幔垂直流动速度图［16］Fig.5 Map showing vertical flow velocity of mantle plume at different depth

3.4 巨型复蘑菇状地幔低速柱特征

如上所述，南海地区软流圈中存在巨大的“工”字形低速异常体，即巨型复蘑菇状地幔柱的柱头［22］。复蘑菇状柱头东西宽1 800～2 500km，南北宽2 500～2 800km，平面呈椭圆形，南北方向延伸和南海范围近似，与东亚西太平洋巨型裂谷体系方向近于平行［19］。柱头的中心大体在南海中部6°～16°N，110°～116°E，深仅65km左右。据蔡学林等（2010）研究，在上地幔350km至下地幔2 000 km的范围为蘑菇柱的柱体，亦呈椭圆状，直径大约为800～1 200km。在柱体边缘流体垂直上升流动较慢，速度为1～1.5cm／a，上部（1 000～400km）为3.0～5.5cm／a，中、下部（2 000～1 000km）上升速度为1.5～2.5cm／a，而柱体外围流体呈垂直下降流动状态。2 000km以下为柱尾，呈喇叭形，至2 700km深处逐渐消失［16］，该处为核幔边界（CMB），存在高速异常体，可能为古海洋板块俯冲到下地幔，积聚成毯状和片状的岩石圈残留物，即地幔内部物质可以直接流向下地幔［23］。

图6 沿纬度和经度切过东亚的两条S波速度扰动剖面图Fig.6 The S－wave velocity perturbation sections in the mantle beneath the eastern Asia

在西沙、中沙和南沙地块岩石圈下部，存在互不相连的小型透镜状高速体，称其为幔块构造（图7），构成南海巨大蘑菇状柱头以上的减薄型碎块状岩石圈［24］。岩石圈减薄幅度较大，现今岩石圈厚度多为59～71km，海盆区最小厚度约59km。在幔块构造中，不相连的透镜状高速体之间的低速带成为玄武岩浆上升通道，即形成幔枝构造，向下与蘑菇体柱头相通，如雷琼幔枝和印支幔枝等均发育有拉斑玄武岩和碱性玄武岩。

图7 加里曼丹—南海—三峡地区（110°E）岩石圈及软流圈结构和地幔动力学模式［16］Fig.7 lithosphcric and asthenospheric structurcs and mande dynamic model of the Kalimantan－south China Sea－Three Gorges

玄武岩浆喷发（溢）活动是地幔热柱活动的标志之一。南海地区的玄武岩主要发育在2个时期：一是扩张时形成的玄武岩，如南海西部珠江口盆地碱性玄武岩钾氩年龄为（17.1±2.5）Ma和（20.2±3.0）Ma［25］，南海中央的宪北海山碱性玄武岩钾氩年龄为15.26～22.09Ma［26］，尖峰海山粗安质浮岩年龄为（18.6±4.85）Ma，玳瑁山拉斑玄武岩年龄（14.1±1.14）Ma，研究表明，由扩张中心向北，玄武岩成岩时代逐渐变老，酸性程度有所增加［27］；二是扩张后形成的玄武岩分布极广，如海盆分布的黄岩海山橄榄玄武岩形成时代为9.7Ma［28］，中南海山碱性玄武岩形成年龄为（3.49±0.58）Ma［27］，南海西缘印支（多乐）地区和北缘雷琼地区发育大量晚中新世至全新世玄武岩［29］，澎湖列岛见有上新世至更新世碱性玄武岩［28］，莺歌海盆地北侧井中（Y32－1－1）石英拉斑玄武岩形成年龄为3.85Ma［25］。上述地区玄武岩及其中的深源包体地球化学研究，阐明玄武岩浆成因与地幔柱活动引起的岩石圈扩张有关［30］，而与板块俯冲作用关系不大［3｀］。

4 地幔热柱演化与南海形成

很显然，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。在晚白垩世后期至始新世末期（85～32Ma），南海就有来自核幔边界的超低速层，因热扰动形成地幔热柱体，以单波脉冲运动上升到地幔中［32］。当受到岩石圈阻挡，不仅发生隆起和张裂，而且产生流变，在其底部软流圈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。早渐新世到中新世末（32～17Ma）为南海主导扩张期，由于地幔热柱快速上升，使岩石圈高速体减薄拉断，形成碎块结构的幔块构造（图7），与此同时，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，并在众多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。自中新世（17Ma）以来，在相邻板块联合作用下，南海已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［33］，形成玄武岩浆喷发，并未成为大面积喷溢。但在南海的南部有所不同，受地幔热柱活动影响不大，表现在万安盆地、曾母盆地和北康盆地稳定下沉形成大型碳酸盐岩台地。从晚上新世（10Ma）开始，因四周板块相向俯冲，南海周边板块岩石圈内高速块体继续俯冲，在100～300km 软流圈中，发育众多高速块体［34］，促使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［35－36］，从而引起软流圈物质减压熔融上涌，故在海盆海山中发育9.7～3.6Ma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，而且在南海南部因为巽他地块与南沙地块发生碰撞（万安运动），引起曾母残留洋盆地壳消失，所以在晚上新世开始转变为前陆沉积盆地［37］，同时，欧亚板块沿马尼拉海沟对菲律宾海板块向东俯冲，吕宋弧相对欧亚板块向西运移［38－39］。在中新世末发生山脉运动，引起吕宋弧的北段形成台湾中央造山带和海岸造山带，在台湾南部西侧深部有南海洋壳［40］，吕宋弧的南部海盆继续沿马尼拉海沟向东俯冲消减，故在马尼拉增生楔之下有南海洋壳成分。

图8 南海“外环油、内环气”油气田分布图［1］Fig.8 Ring distribution pattern of"external oil and inner gas"in the South China Sea region.

概而言之，南海的形成是与深部的地幔热柱活动和浅部的板块构造运移存在着相辅相成、密不可分的依存关系。

5 南海油气田呈“外油内气”环带有序分布机理的讨论

美国能源情报局的数据表明，目前南海探明石油储量居世界海洋石油的第五位，天然气探明储量居第四位，已成为世界上一个新的重要含油气区［1］。

海底地貌揭示，南海大陆架和大陆坡环绕中央洋壳区（海盆）呈环形分布，在大陆架和大陆坡上的众多盆地已发现的油田，主要分布在靠近陆地的陆架区或其上侵部位；天然气主要分布在陆坡及陆架的下倾部位，两者呈“外环油、内环气”环带分布［1］（图8）。

图9 南海热流图［1］Fig.9 Heat－fiw Map showing heat flow in the South china Sea

众所周知，石油和天然气的分布主要受烃源岩和热场双重因素控制，南海各沉积盆地主要发育始新统湖相泥岩、渐新统滨海沼泽相煤系和中新统海相泥岩3套烃源岩（表2）。外环带的石油受中深湖相或海相泥岩烃源岩及相对低的热场控制；内环带天然气分布受海陆过渡相烃源岩、海相陆源沉积有机质烃源岩及相对高热场控制（图8，表2）

从张功成等（2010）根据南海数百个热流数据编制的热流趋势分布图（图9）可知，南海热流值由陆架区向海盆区呈逐渐增高的趋势，与本区莫霍面深度图（图3a）十分吻合。南海及其周边区域热流值介于13～170mW／m2之间，且80.6%集中于50～120mW／m2，热流算术平均值为76.15mW／m2，应属热盆，中央海盆具有显著高热流特征。东、西、南、北各大陆边缘的热流值并不相同，总体上，西南部最高，西部较高，北部次高，东部最低。即便是在同一大陆边缘，也存在纵横向的差异，一般多具西高东低的特点：如西南部莺歌海—琼东南盆地高于珠江口盆地；南部大陆边缘曾母盆地高于文莱—沙巴盆地。但在同一大陆边缘，陆坡区普遍高于陆架区，下陆架区高于上陆架区，各大陆边缘内带高于外带。高热流场区的烃源岩以生成天然气为主，低热流场区以生成原油为主［1］。

表2 南海沉积盆地烃源岩特征［1］Table 2 The character of source rock of basina in the South China Sea

现以南海北部珠江口盆地为例，来剖析“源热共控”的论点。该盆地的北部坳陷带（珠Ⅰ坳陷和珠Ⅲ坳陷）为外带，南部珠Ⅱ坳陷带为内带。外带陆架区地温梯度为30～40°C／km，平均热流值（66±9.8）mW／m2；陆坡内带区地温梯度60～160°C／km，平均热流值（77.5±14.8）mW／m2。外带主要烃源岩是始新统文昌组湖相烃源岩，次为渐新统恩平组湖沼相烃源岩。前者具有高的有机质丰度，主体属好－很好的烃源岩，有机质类型为Ⅱ型，以生油为主；后者发育河－湖相沉积，煤系较发育，有机质主要来源于陆生高等植物，有机类型为Ⅱ2，Ⅲ型，煤系含有较为丰富的壳质等富氢显微组分，具有一定生油能力，但以生气为主。因外带（珠Ⅰ坳陷和珠Ⅲ坳陷）具有相同的热状态，且两坳陷主要烃源岩存在差异，其生烃产物和生烃潜力就有所不同，珠Ⅰ已发现数亿吨原油，天然气很少；而珠Ⅲ坳陷已发现原油地质储量不到1亿吨油当量，以天然气的储量为主，通过这一实例，充分体现了“源热共控”的论据。而在内带，珠Ⅱ坳陷主要烃源岩亦为渐新统恩平组沼泽相和湖相沉积，次为渐新统珠海组和始新组、文昌组，但在热－高温条件下，有机质成熟度明显高于外带，迅速进入生气门限，总体以生成天然气为主。

综合上述，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。从南海热流图（图9）看出，在西南部高热流区，它是受红河—万安碰撞带控制，并且深部分布有NW向低速带，浅部见有花岗岩和玄武岩，但总体上热流值亦呈现了“外低内高”的环带轨迹，正和南海“外环油、内环气”油气田分布（图8）相吻合。

6 结束语

南海热幔柱构造不仅控制着含油气盆地围绕海盆呈环状展布，而且也是形成油气田“外油内气”环形有序分布的原因。从近年地质勘查信息获悉，南海境内的天然气水合物同样亦呈环形分布［42］（将另文讨论），无疑为今后扩大油气勘查提供了新的思路。

南海是复蘑菇云岩石圈地幔发育地区，最有利于无机成因油气的生成。建议今后应加强地震勘探，研究基底三维含油气构造特征，并在预测无机油气田有望地区尽快布置参数钻，以了解沉积层位和基底的含油性，达到扩大找藏远景［43－44］的目的。

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