珠江口盆地构造-地层格架及成因机制探讨*

钟志洪施和生朱 明庞 雄何 敏赵中贤刘思青王 菲

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司; 2.中国科学院南海海洋研究所)

珠江口盆地构造-地层格架及成因机制探讨*

钟志洪1施和生1朱 明1庞 雄1何 敏1赵中贤2刘思青2王 菲1

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司; 2.中国科学院南海海洋研究所)

珠江口盆地位于南海北部大陆边缘东部,是新生代形成的被动陆缘伸展盆地。该盆地自下而上划分为中生代基底构造层、古新世—早渐新世裂谷构造层和晚渐新世以来的漂移构造层,各个构造层均代表了该盆地在被动大陆边缘演化过程中的一个特定成因阶段。分析认为,该盆地裂谷阶段的构造格架具有东西分段、南北分带特征。两幕不同区域构造背景下的伸展作用是控制盆地东西分段格局形成的主要原因:古新世—中始新世的伸展作用主要是在太平洋板块俯冲作用下发生,而晚始新世—早渐新世的伸展作用是在印支半岛旋转挤出及古南海向南俯冲的背景下发生。盆地南北分带的构造特点受岩石圈伸展机制差异的控制:古新世—中始新世裂陷幕在厚地壳和薄岩石圈背景下以宽裂谷方式伸展,形成盆-岭式结构;晚始新世—早渐新世裂陷幕在正常岩石圈背景下发生窄裂谷方式伸展,裂陷作用集中在现今的南海北部大陆边缘。物理模拟实验表明:北部裂谷带经历加厚型地壳-正常地壳-减薄型地壳的伸展过程,而南部裂谷带则主要经历减薄型地壳-超减薄型地壳的演化过程,由此导致南、北裂谷带构造-沉积格局的显著差异。盆地漂移阶段的沉降过程与南海海底扩张期间地幔上升流向南迁移有关。

珠江口盆地;构造-地层格架;成因机制;裂谷构造层;漂移构造层;被动大陆边缘;岩石圈伸展

珠江口盆地位于南海北部大陆边缘东部,是新生代形成的被动陆缘伸展盆地(图1)。经过30多年的油气勘探,随着地球物理、钻井资料的积累和研究工作的深入,对珠江口盆地的构造、沉积地层和盆地演化过程的认识不断深化。早期研究者确定了珠江口盆地新生代发生的5次构造运动[1],并且从断陷盆地发育演化角度,将盆地演化划分为始新世—渐新世断陷、早—中中新世拗陷沉降和中中新世晚期—第四纪块断升降等3个阶段[2-3]。2003年以后,随着深水区勘探研究的开展,庞雄等[4]提出了23.8 Ma的重要构造事件——白云运动,认为该期构造运动导致白云凹陷由珠海组浅水三角洲向珠江-韩江组深水扇转化;朱伟林等[5]从边缘海构造演化角度将南海演化划分为始新世及其以前的陆内裂谷、渐新世陆间裂谷和早—中中新世大洋裂谷等3个阶段,其中北部陆缘盆地在陆内和陆间裂谷阶段经历初始裂谷、主裂谷和晚裂谷期演化,在大洋裂谷阶段形成被动大陆边缘。本文在盆地构造、沉积地层、沉降史及物理模拟资料基础上,从被动大陆边缘发育演化与岩石圈伸展角度分析珠江口盆地构造演化特征及成因机制。

图1 珠江口盆地新生代构造纲要图

1 盆地构造-地层格架

根据地震反射不整合、构造活动、沉积作用及岩浆活动特点,可以将珠江口盆地自下而上划分为中生代基底构造层、古新世—早渐新世裂谷构造层和晚渐新世以来的漂移构造层,其中漂移构造层可进一步划分为晚渐新世的过渡-早漂移层序、早—中中新世晚漂移层序和晚中新世以来受构造活动改造的晚漂移层序(图2)。各构造层均代表了珠江口盆地在南海北部被动大陆边缘演化中的一个特定成因阶段。

图2 珠江口盆地构造-地层格架与区域构造事件

1.1 基底构造层

基底构造层是珠江口盆地裂陷以前的中生代结晶基底和沉积地层,地震反射剖面和钻井资料揭示为2种岩石建造:侵入岩系和沉积岩系。侵入岩系以花岗岩为主,其次为花岗闪长岩、闪长岩、石英闪长岩和石英二长岩。沉积岩系包括中—上侏罗统潮州群和白垩系汕头群,为一套由浅海到深海再到陆相沉积旋回组成的碎屑岩[6]。

1.2 裂谷构造层

裂谷构造层是珠江口盆地在大陆张裂期间和海底扩张以前发育的地层,钻遇地层包括古新统神狐组、下—中始新统文昌组和上始新统—下渐新统恩平组,为一套受半地堑或地堑结构控制、局限分布的陆相河流-湖泊沉积。恩平组与下伏文昌组为角度不整合或平行不整合接触。

1.3 漂移构造层

受南海海盆扩张历史及晚期周边构造事件影响,珠江口盆地漂移构造层可进一步划分为3个层序。

1)过渡-早漂移层序:由渐新统珠海组构成,代表南海北部裂谷作用终止、陆壳收缩塌陷和南海海底扩张开始时期沉积的地层,与下伏恩平组呈较明显的角度不整合接触,为一套河流-海陆过渡相沉积。

2)晚漂移层序:代表南海海底扩张至成熟边缘海盆地时期沉积的地层,包括下中新统珠江组和中中新统韩江组,为一套以浅海相为主的沉积,在东沙隆起台地上沉积了碳酸盐岩和生物礁滩灰岩,在盆地陆坡以南的区域为半深海相沉积。

3)构造活动改造的晚漂移层序:是在南海海底扩张停止,受菲律宾海板块持续向NWW向运动导致的吕宋岛弧与台湾陆架之间的弧-陆碰撞作用影响下发育的,包括上中新统粤海组、上新统万山组和第四系,为一套浅海—半深海相沉积,其中上中新统粤海组与下伏韩江组之间存在沉积间断。

2 裂谷阶段构造-地层特征及成因机制

2.1 构造-地层特征

珠江口盆地新生代裂谷构造层是在中生代活动大陆边缘基底构造层基础上发育的。重磁资料揭示,该盆地中生代基底构造主要受NE和NW向断裂控制[7],这两组断裂同时也控制了古近纪断裂发育格局。两幕裂陷作用形成的NE—NEE、EW和NWW向断陷整体呈NE走向展布,组成了南、北两组NE走向的裂谷带(图1)。NW向一统暗沙和北卫滩基底断裂在张裂过程中均产生了NW向的雁列式断裂带,使盆地形成东、中、西部等3个裂陷段,各个裂陷段具有相对独特的构造-地层特征(图3)。

图3 珠江口盆地不同裂谷段的构造剖面(据文献[4]修改,剖面位置见图1)

2.1.1 南北分带特征

1)北部裂谷带

包括由文昌和阳江凹陷组成的珠三坳陷以及由恩平、西江、惠州、陆丰和韩江凹陷组成的珠一坳陷,裂陷期的构造样式以主断层控制的半地堑构造为主,局部发育地堑构造;各凹陷为多个半地堑或地堑组合形成的相对独立的断陷区;主断层对沉积的控制作用强,断裂活动产生的断块翘倾作用通常导致同裂谷地层的剥蚀。

2)南部裂谷带

为由顺德、开平、白云、荔湾、兴宁等凹陷组成的珠二坳陷,裂陷期构造样式以一统暗沙断裂为界存在较明显差异,西部顺德、开平凹陷为半地堑结构的断陷区,而东部白云、荔湾凹陷则为由半地堑和大型地堑组合成的复式断陷区[8];与北部裂谷带相比,南部裂谷带的断裂活动产生的断块翘倾作用弱,在白云凹陷西南部和东北部发育的半地堑中,同裂谷期的文昌组和恩平组沉积基本上覆盖了缓坡带。

2.1.2 东西分段特征

1)东部裂谷段

包括韩江、陆丰凹陷和惠州凹陷东部,裂谷期沉积发育在NE、NWW向断裂控制的半地堑内。该段构造-沉积特点:①基底发育中生界的沉积层;②裂陷作用集中在北部裂谷带,东沙隆起及其南部裂陷作用弱;③陆丰、韩江凹陷有多口井钻遇代表裂陷早期的神狐组火山沉积层;④始新统与上覆地层之间的构造继承性差,东部普遍缺失恩平—珠海组。从以上特点看,东部裂谷段的构造属性比较接近于台湾海峡盆地及东海的台北坳陷[9-10],裂陷过程受控于古太平洋俯冲作用,裂谷期火山活动较强,古新世—中始新世裂陷高峰期发育海相沉积,晚始新世开始发生抬升剥蚀。

2)西部裂谷段

包括北部裂谷带的文昌、阳江凹陷和南部裂谷带的顺德、开平凹陷,裂谷期沉积主要受NE向的半地堑控制;盆地基底为古生代变质岩和燕山早期侵入岩,文昌组与恩平组之间的构造继承性相对较好,均为NE走向,恩平期裂陷作用主要对文昌组断陷进行扩展或同向改造。

3)中部裂谷段

包括北部裂谷带的恩平、西江凹陷以及惠州凹陷西部和南部裂谷带的白云、荔湾凹陷,裂谷期沉积受NE、EW和NWW向半地堑或复式断陷控制,前第三系基底目前主要钻遇燕山中、晚期的侵入岩。该段构造-沉积特点:①文昌组与恩平组之间的构造继承性差,文昌组主要发育在NE向断陷,而恩平组主要发育于EW和NWW向断陷(图4);②恩平期裂陷区的面积远大于文昌期,同时番禺低隆起也是在恩平期发生NWW向断陷而形成;③受NW向基底断裂的走滑作用影响形成了复式结构的断陷,如受北卫滩断裂的影响,惠州凹陷西部裂陷期形成四周受断裂控制的菱形断陷结构,白云凹陷宽地堑结构的发育也与一统暗沙断裂在裂陷期的走滑作用有关。

图4 珠一坳陷文昌组和恩平组裂谷结构与伸展应力场

2.2 成因机制

2.2.1 东西分段的成因机制

珠江口盆地裂谷构造层主要受同期发育的NE—NEE、EW和NWW向断裂活动形成的断陷控制,裂陷过程可以分为两幕,即古新世—中始新世裂陷幕和晚始新世—早渐新世裂陷幕。在不同的区域构造背景下发生的两幕裂陷作用导致裂陷特征存在显著区别,由此也促使盆地形成东西分段的构造格架。

1)古新世—中始新世裂谷作用

珠江口盆地古新世—中始新世裂陷幕形成沉积神狐组和文昌组的断陷,控制断陷发育的断裂以NE-NEE向为主(图4),同时发育NNE、EW和NWW向断裂,断层活动强度表现为NNE向＞NE—NEE向＞NWW向＞EW向(图5),反映了NW—SE向的伸展作用。本期裂陷过程中强烈的断块旋转形成了分割性强的断陷湖盆,其中沉积物主要以辫状河、辫状三角洲、扇三角洲、近岸水下扇、滨浅湖和中深湖(亚)相为主。断陷初始阶段形成向盆地中心变厚的神狐组或文昌组下段楔状沉积,在凹陷的中心部位发育滨浅湖沉积;断陷高峰阶段的湖侵作用持续时间较长,沉积较厚的文昌组中段中深湖相泥岩;断陷萎缩阶段湖盆逐渐萎缩,沉积了以滨浅湖、河流、三角洲相砂泥岩互层为主的文昌组上段。

图5 珠一坳陷裂谷阶段不同走向断裂活动强度对比

晚白垩世—中始新世,伴随古太平洋板块俯冲潜没,现代太平洋板块开始向中国东部大陆边缘俯冲。在早白垩世末微地块向大陆边缘增生的背景下,太平洋板块俯冲作用发生了2个显著的变化,即俯冲速率迅速降低和俯冲带后退,导致中国东部陆缘由挤压环境转变为拉张环境[11],受太平洋板块俯冲作用影响的裂陷具有自东向西扩展的特征。盆地东部裂谷段的韩江凹陷钻遇含海相夹层的中始新统文昌组[12],其下尚发育由大套近平行反射层组成的断陷期地层,推测为古新统—下始新统海相沉积,类似于台湾海峡盆地及东海台北坳陷。上述地区裂陷起始于晚白垩世,古新世—早中始新世裂陷高峰期沉积较厚的海相同裂谷沉积,晚始新世开始抬升剥蚀[9-10]。而盆地中部和西部裂谷段裂陷开始于古新世,钻遇的最老地层为古新统神狐组的火山碎屑沉积,裂陷高峰期为早—中始新世,沉积文昌组陆相湖泊沉积。

2)晚始新世—早渐新世裂谷作用

珠江口盆地晚始新世—早渐新世裂陷幕形成沉积恩平组的断陷,控制断陷发育的断裂主要以EW和NWW向为主(图4),NE—NEE向断裂也存在活动,断裂活动强度表现为EW向＞NWW向＞NE—NEE向(图5),反映了近SN向拉张应力场作用。本期裂陷过程中断块旋转普遍较弱,各半地堑内部的古地貌分割性弱,断陷内部地势平缓;与文昌组相比,恩平期洼陷范围扩大,有些洼陷合并。同时,华南陆区的山系发育,向珠江口盆地提供充足物源,大型河流-三角洲体系在珠一坳陷北部广泛发育,形成大面积的三角洲平原区。恩平组以河流-三角洲、湖沼相和滨浅湖相为主,较深水湖区不发育,或仅在局部断陷内(西江、白云凹陷等)发育。

在中始新世晚期(43.5 Ma),夏威夷皇帝火山岛链方向的改变显示太平洋板块的绝对运动方向由NNW向转变为NWW向,同时板块的运动速率逐渐增大[11]。珠江口盆地恩平17断裂、番禺4断裂控制的文昌期NE向裂陷结束(图4),同时盆地东部裂谷段普遍发生抬升剥蚀,形成明显的角度不整合面。因此,太平洋构造域在此期间主要产生压性构造应力,导致早期NE向的裂陷作用减弱,在此区域构造背景下,印支半岛的挤出运动[13]对晚始新世—中中新世南海北部陆缘区伸展和南海海底扩张具有明显控制。南海北部同期的裂陷作用具有西强东弱的特征,西部沿印支与华南地块之间的红河走滑断裂带形成了NW向的莺歌海左旋扭张断陷盆地[14]。琼东南盆地构造发育特征及物理模拟实验表明[15],受印支半岛旋转挤出作用,盆地西部形成了以渐新统沉积为主的崖北、崖南凹陷,同时整个盆地普遍表现出晚始新世—早渐新世裂陷强度大于古新世—中始新世。珠江口盆地西部裂谷段珠三坳陷晚始新世—早渐新世裂陷强度大于古新世—中始新世裂陷[16];东部裂谷段的韩江凹陷在晚始新世—早渐新世裂陷幕主要发生构造抬升,缺失或局部地区发育薄的恩平组,陆丰凹陷恩平期的裂陷强度明显比文昌期弱。

分析认为,控制珠江口盆地两幕裂陷作用的区域动力条件存在显著差异。受太平洋板块俯冲控制的古新世—中始新世裂陷作用具有东早西晚的特征,表明与该幕裂陷相关的SE向伸展应力场起源于盆地东部;而受印支半岛挤出作用强烈影响的晚始新世—早渐新世裂陷作用则表现出西强东弱的特征,表明与此相关的近SN向伸展应力场来自盆地西部。以上两幕裂陷作用之间区域动力条件的转化是导致盆地不同裂谷段构造-沉积结构差异显著的原因。另外,盆地内部发育的NW向一统暗沙和北卫滩基底断裂在两幕裂陷过程中均起调节作用,区域动力条件的改变促使沿基底断裂发育的断陷内部发生构造-沉积结构的明显变迁,如惠州凹陷西部文昌期裂陷幕形成了受NEE向断裂控制的SW断NE超半地堑,而恩平期裂陷幕则形成了受NWW向断裂控制的NE断SW超半地堑(图6)。

2.2.2 南北分带的成因机制

Buck[17]认为对裂陷模式起控制作用的是裂陷初期地壳厚度和岩石圈热状态,并提出了变质核杂岩、宽裂谷与窄裂谷等3种伸展模式。珠江口盆地经历两幕动力学条件不同的裂陷作用,两幕裂陷初期具有不同的地壳厚度和岩石圈热结构,导致裂陷特征存在明显不同。

1)古新世—中始新世的伸展特征

珠江口盆地古新世—中始新世裂陷前的地质背景为中生代活动大陆边缘[6,10,18-23],裂陷前岩石圈结构具有如下特点(图7a):陆缘火山弧区发育加厚的地壳和减薄的岩石圈地幔;宽阔弧前区发育的海相地层预示减薄或正常的地壳和岩石圈地幔结构。在此背景下,古新世—中始新世的岩石圈伸展主要表现为宽裂谷的伸展模式,具体表现为发育盆-岭式的断陷盆地系(图7b)。因此,南、北裂谷带在初始裂陷以前处于不同的地壳环境,导致其岩石圈伸展模式存在显著差异。

图7 珠江口盆地古新世—中始新世岩石圈伸展模式

北部裂谷带位于中生代火山弧带,其南部及东沙隆起钻遇燕山中、晚期的侵入岩和热动力变质岩,岩石圈伸展的运动学方式主要是通过上地壳简单剪切和下地壳及岩石圈地幔纯剪切的挠曲梁伸展模式[24]发生,从而形成了以半地堑为结构单元的断陷盆地。南部裂谷带由于在中生代位于靠近俯冲带的弧前区,伸展前的地壳没有被大规模加厚,地壳上部的脆性层较薄,下部的韧性层较厚,岩石圈伸展的运动学方式主要是通过上、下地壳纯剪切的岩石圈颈缩方式[25]发生,导致伸展期间断块旋转不强烈,其中白云凹陷产生大型地堑式断陷结构。

此外,在中生代的NW向与NNE—NE向基底断裂交汇区,软流圈上涌促使下地壳或壳幔之间的区域性塑性流动和岩浆侵入加强,由此产生的基底剪应力使Anderson断层机制所假设的、垂直的最大主应力轴发生旋转[26],从而在上地壳中发育低角度的正断层,形成了恩平凹陷的文昌组拆离半地堑(图8)。

图8 恩平凹陷缓倾角断裂构造剖面(剖面位置见图1)

2)晚始新世—早渐新世的伸展特征

经历前期裂谷作用的调整,北部裂谷带及华南陆区由加厚型地壳恢复为正常地壳,玄武岩地球化学特征表明新生代主要表现为岩石圈地幔的加厚[22]。因此,南海北部陆缘岩石圈结构在晚始新世—早渐新世裂陷前表现为正常的、自陆向海逐渐减薄的大陆边缘岩石圈(图9a)。在印支半岛旋转挤出及古南海俯冲联合作用下,晚始新世—早渐新世伸展机制表现为大陆边缘区的窄裂谷伸展模式(图9b),裂陷作用集中在现今的南海北部大陆边缘。北部裂谷带在裂谷期处于正常大陆岩石圈环境,断陷内充填恩平组陆相沉积,岩石圈伸展的运动学方式继承了早期北部挠曲梁伸展模式;而南部裂谷带处于减薄的岩石圈环境,发育海相同裂谷地层,如琼东南盆地崖城组为海陆过渡相沉积,岩石圈以颈缩方式伸展。

图9 珠江口盆地晚始新世—早渐新世岩石圈伸展模式

分析认为,珠江口盆地北部裂谷带与南部裂谷带构造变形存在显著差异(图3剖面AA′、CC′),其成因与上述两期岩石圈伸展过程中的地壳厚度变化有关,其中北部裂谷带经历加厚型地壳-正常地壳-减薄型地壳的伸展过程,而南部裂谷带则主要经历减薄型地壳-超减薄型地壳的演化过程。为了验证不同初始地壳结构对浅层裂陷模式的控制,开展了物理模拟实验研究。其中,北部裂谷带初始伸展为加厚地壳,具有相对厚的、脆性的上地壳+相对薄的、韧性的下地壳;在第2幕伸展期为正常的地壳。南部裂谷带长期处于大陆与大洋过渡带,两幕伸展前均为减薄的地壳,具有较薄的脆性上地壳+较厚的韧性下地壳。模拟采用脆(韧)性双层模型,分别模拟上地壳、下地壳尺度的变形。干燥的粒状砂用以模拟上地壳脆性变形,而非牛顿体的硅酮模拟下地壳的韧性变形,模拟材料放在刚性底板上。按珠江口盆地三段式裂谷展布特点将初始断裂由西向东设置成X(N45°)、Y(N75°)和Z(N60°)段。根据前述分析,设置了3组实验用以模拟不同脆(韧)性地壳厚度比的变形特点,分别为砂层与硅酮层厚度为2∶1、1∶1和1∶2。实验采用等量拉伸,观察不同厚度比时脆(韧)性层的变形特点。

图10为3组实验经历4%拉伸时的断裂发育特点,虚线为初始断裂在拉伸后的位置。其中,图10a为砂层与硅酮层厚度为2∶1时的模拟和解释结果,砂层的断裂规模较大,呈NE走向,初始断裂对砂层断裂发育的影响弱,初始断裂转折的Y段未造成砂层断裂走向的变化。图10b为砂层与硅酮层厚度为1∶1时的模拟和解释结果,砂层断裂规模存在明显变化,在X和Z段断裂规模小,并且大部分断裂被限制在初始断裂发生位移的区域内,在初始断裂转折的Y段内断裂规模变大,同时其走向也受到初始断裂走向的影响。图10c为砂层与硅酮层厚度为1∶2时的模拟和解释结果,砂层断裂规模小,同时断裂展布明显受到初始断裂位移区的限制。

图10 不同脆(韧)性层厚度比在等量拉伸下的构造变形模拟实验(据文献[27]修改,白色为南倾断裂、黑色为北倾断裂)

以上模拟实验说明了珠江口盆地裂陷期的发育特点。图10a代表古新世—中始新世北部裂谷带在厚地壳背景下的伸展作用,该期裂陷形成的断陷走向在中、西部均以NE走向为主(图4a),东部受中生代NW向基底断裂控制,发育NWW向断陷。图10b代表晚始新世—早渐新世北部裂谷带的伸展特征,在经历了早期伸展和下地壳的热恢复后,北部裂谷带地壳厚度明显减薄,晚始新世—早渐新世的新一期裂谷作用受初始基底断裂的影响强度增加,在中部裂谷段的构造转换区,拉伸作用产生了大量受转换带影响的EW和NWW向断裂(图4b)。图10c代表南部裂谷带的伸展特征,该区中生代为弧前区,新生代拉张作用发生时处于减薄地壳状态,裂陷期间主要通过大量延伸长度较短的断裂来控制断陷的发育,由此造成断陷内单条断裂对沉积的控制不明显(图3剖面CC′)。

3 漂移阶段沉降特征及成因机制

3.1 沉降特征

珠江口盆地珠海期以来的沉积是在南海海底扩张开始之后发育的,代表被动大陆边缘漂移阶段的沉积层序。该层序的沉积过程受控于北部大陆边缘的裂后沉降过程、物源供给及全球海平面变化。

通过回剥技术对地层去压实,再经过古水深和基准面的校正,去除水负载引起的岩石圈均衡沉降,就可以得到各时期的空盆构造沉降[28-30]。利用该方法计算了珠江口盆地中部裂谷段图3剖面CC′在北部及南部的裂后沉降特征(图11)。盆地北部在裂后存在两期由快到慢的沉降幕,分别是30.0～18.5 Ma和18.5～0 Ma,把它换算成空盆构造沉降(图11中虚线),即30.0～23.8 Ma沉降速率约为50m/Ma, 23.8～18.5 Ma减小至15m/Ma;18.5～16.0 Ma的沉降速率迅速增大到70m/Ma,16～0 Ma又减小至19m/Ma。盆地南部的裂后沉降(图11中实线)表现为30.0～23.8 Ma沉降速率约为29m/Ma, 23.8～18.5 Ma增大至97m/Ma;18.5～16.0 Ma的沉降速率再次增大到113m/Ma,16～0 Ma又减小至44m/Ma。

图11 珠江口盆地北部与南部漂移阶段沉降史对比

通过对比发现,珠江口盆地北、南部裂后构造沉降特征为:

1)过渡-早漂移层序发育期间,北部为快速沉降,而南部为慢速沉降。

2)晚漂移层序发育期间,北部构造沉降减弱、南部构造沉降增强。其中,23.8～18.5 Ma,北部为相对慢速沉降,而南部为快速沉降;18.5～16.0 Ma,北、南部均为快速沉降,但南部沉降速率大于北部;16～0 Ma,整个盆地沉降速率迅速下降,但南部沉降速率仍大于北部。

3.2 成因机制

3.2.1 过渡-早漂移层序

晚渐新世过渡-早漂移层序代表南海北部裂谷作用终止、陆壳收缩塌陷和南海海底扩张开始时期沉积的地层,盆地北部沉降速率明显比南部大,这与南海西北及东部海盆同期海底扩张作用有密切关系。分析认为,海底扩张有关的地幔次生上升流的形成促使海底扩张脊周围的陆壳发生相对抬升(图12a),与此过程相对应,靠近扩张海盆的荔湾凹陷南部开始发育一系列的底辟构造,反映靠近海盆区因地幔上升流而导致的边缘陆壳抬升。洋陆过渡区的抬升及陆架区陆壳收缩塌陷造成陆架坡折带在白云凹陷南部发育,珠江口盆地大部分区域处于陆架区。珠海组对早期裂陷区具有填平补齐作用,因差异压实作用,断裂在地层沉积期间存在较明显活动。

图12 地幔上升流迁移与珠江口盆地裂后沉降模式

3.2.2 晚漂移层序

中新世晚漂移层序沉积期间,南海海底扩张脊向南跃迁,海盆北部洋壳及南海北部陆缘地壳的冷却收缩导致北部陆缘整体发生朝南的倾斜沉降,从而造成珠江口盆地北部构造沉降减弱和南部构造沉降增强。区域沉降和早期沉积物压实作用促使海侵作用首先沿早期的断陷区发生,发育三角洲沉积,而早期隆起区则主要发育滨岸沉积。分析认为,因控制海盆扩张的地幔上升流向南迁移,珠江口盆地南部因地幔上升流产生的支撑作用消失(图12b), 23.8～18.5 Ma发生快速构造沉降,从而导致陆坡快速迁移至白云凹陷北部及东沙隆起中部,形成具有典型陆棚-陆坡-陆隆的沉积地貌格局,并且一直持续至现今,同期的珠江组—韩江组发育三角洲、碳酸盐岩和深水扇沉积。

3.2.3 构造活动改造的晚漂移层序

此层序是在南海扩张停止、菲律宾海板块持续向NWW向运动导致的吕宋岛弧与台湾陆架之间的弧-陆碰撞背景下发育的。该套地层的沉积地貌基本上继承了晚漂移层序北部浅水区和南部深水区的格局,沉积了浅海和半深海相碎屑岩。受菲律宾海板块持续向NWW向运动导致的吕宋岛弧与台湾陆架之间的弧-陆碰撞作用,该套地层沉积时期盆地东部的东沙隆起和潮汕坳陷发生长轴为NE向的穹隆状隆升。伴随该区的挠曲作用,东沙隆起和潮汕坳陷发育大量晚中新世以来活动的NE向断裂(图3剖面EE′)。珠一坳陷及东沙隆起东部的白云凹陷,中中新世以来为连续沉积,其中NWW和EW向断裂控制了浅层的断块活动,形成粤海期以来发育的条带状裂谷带或掀斜断块带。上述构造活动是引起晚中新世至今的慢速构造沉降的原因。

4 结论

1)珠江口盆地自下而上可以划分为中生代基底构造层、古新世—早渐新世裂谷构造层和晚渐新世以来的漂移构造层,其中漂移构造层可进一步划分为晚渐新世过渡-早漂移层序、早—中中新世晚漂移层序和晚中新世至今构造活动改造的晚漂移层序。各个构造层序均代表了珠江口盆地在被动大陆边缘演化过程中的一个特定成因阶段。

2)珠江口盆地裂谷阶段经历了两幕性质不同的裂陷作用。古新世—中始新世的伸展作用主要是在太平洋板块俯冲作用下发生,而晚始新世—早渐新世的伸展作用是在印支半岛旋转挤出及古南海向南俯冲的背景下发生。两幕裂陷作用之间区域动力条件的转化导致盆地形成东西分段的构造格局。

3)珠江口盆地两幕裂陷的岩石圈伸展机制存在差异。古新世—中始新世裂陷幕在厚地壳和薄岩石圈背景下以宽裂谷方式伸展,形成盆-岭式结构;晚始新世—早渐新世裂陷幕在正常岩石圈背景下发生窄裂谷方式伸展,裂陷作用集中在现今的南海北部大陆边缘。两期岩石圈伸展过程中的地壳厚度变化导致盆地南、北裂谷带构造特点不同。模拟实验表明,北部裂谷带经历加厚型地壳-正常地壳-减薄型地壳的伸展过程,而南部裂谷带则主要经历减薄型地壳-超减薄型地壳的演化过程。

4)珠江口盆地过渡-早漂移层序及晚漂移层序的沉降过程与海底扩张过程中地幔上升流向南迁移有成因联系。

致谢:研究工作中得到了朱伟林、陈斯忠、李平鲁、苏乃容等专家的指导和帮助,在此表示感谢!

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A discussion on the tectonic-stratigraphic framework and its originmechanism in Pearl River Mouth basin

Zhong Zhihong1 ShiHesheng1 Zhu Ming1 Pang Xiong1He Min1 Zhao Zhongxian2 Liu Siqing2 Wang Fei1
(1.Shenzhen Branch of CNOOC,Guangzhou,510240; 2.South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou,510301)

Located in the eastpart of the continentalmargin along the northern South China Sea,Pearl River Mouth basin is a Cenozoicpassive-margin-extension basin.From the bottom to thesurface,there are three tectonic levels in the basin,i.e.the Mesozoic basement,the Paleocene-Lower Oligocene rift and the driftsince Upper Oligocene,and each level represents aspecial episode of basin origin during thepassivemargin evolution.The tectonic framework during rifting in the basin is characterized by the west-eastsegmentation and north-south zonation. The west-eastsegmentation wasmainly controlled by two extension episodes in different regionalstructures:Paleocene-Middle Eocene extension occurredmainly due to Pacificsubduction;and Late Eocene-Early Oligocene extension was caused by Indochina rotation-extrusion and thesouthwardsubduction ofproto-South China Sea.The north-south zonation was controlled by differentmechanisms of lithosphere extension:Paleocene-Middle Eocene rifting episode occurred as an extension with wide-riftstyle in thesetting of thick crust and thin lithosphere,resulting in a basin-rangestructure;and Late Paleocene-Early Oligocene rifting episode occurred as an extension with narrow-riftstyle in thesetting of normal lithosphere,with the rifting concentrated on themargin in the northern South China Sea.An experiment ofphysicalsimulation hassuggested that there is an extension of thickened-normal-thinned crust and an evolution from thinned to ultra-thinned crust respectively in the north andsouth rift zone,resulting in thesignificant differences instructural-sedimentary framework between the two rift zones.Thesubsidence during drifting in the basin was related to thesouthwardmigration ofmantle upwelling duringseafloorspreading in South China Sea.

Pearl River Mouth basin;tectonic-stratigraphic framework;originmechanism;tectonic level of rift;tectonic level of drift;passivemargin; lithosphere extension

2014-03-26改回日期:2014-06-27

(编辑:张喜林)

*NSFC-广东省联合基金重点项目“南海共轭陆缘穿时破裂过程对深水盆地构造发育及油气成藏的影响(编号:U1301233)”、国家自然科学基金重点项目“南海早期构造演化的沉积记录(编号:91128207)”、“十二五”国家科技重大专项“南海北部深水区储层识别技术与评价(编号: 2011ZX05025-003)”、“十二五”国家科技重大专项“近海大中型油气田形成条件与分布(编号:2011ZX05023-006)”部分研究成果。

钟志洪,男,博士,现从事盆地分析和石油地质综合研究。地址:广州市江南大道中168号海洋石油大厦1521室(邮编: 510240)。电话:020-84258216。E-mail:zhongzhh2@cnooc.com.cn。