珠江口盆地白云凹陷始新世—中新世沉积物物源研究

2020-04-20侯元立邵磊乔培军蔡国富庞雄张道军

海洋地质与第四纪地质 2020年2期

侯元立，邵磊，乔培军，蔡国富，庞雄，张道军

1. 同济大学海洋地质国家重点实验室，上海 200092

2. 中海油（中国）有限公司深圳分公司研究院，深圳 518064

3. 中海石油（中国）有限公司湛江分公司，湛江 524057

近年来，随着海洋深水勘探技术的发展，深水盆地逐渐成为油气勘探和开发的热点。我国南海北部广泛分布的深水盆地因其良好的油气前景成为我国油气勘探的重点区域，吸引了众多研究者。位于南海北部的珠江口盆地为新生代陆缘裂陷盆地，经受了复杂的构造运动和沉积过程，由于受中生代末板块俯冲拼合的控制，在新生代初期呈现东西向展布的隆坳相间的古地理特征。南海北部白云深水区位于珠江口盆地南部珠二坳陷，处于减薄的过渡陆壳上[1-4]，总面积大于20 000 km2，水深200～2 000 m，沉积厚度大于11 km，由主洼和一系列次洼组成，在新生代早期经历了复杂的构造-沉积充填演化过程（图1）。

图1 珠江口盆地构造分区及研究样品井位和地震剖面位置示意图Fig.1 Tectonic map of Pearl River Mouth Basin, with cores locations and seismic profile locations

白云凹陷在新生代受到断裂活动和热活动的共同影响，表现出长期持续的沉降特征，在新生代堆积了厚达万米的巨厚沉积物。主要经历了裂陷期、热沉降期和新构造活动期3 个主要的构造演化阶段[1-3]，其中裂陷期包括早中始新世、晚始新世—早渐新世、晚渐新世三幕裂陷作用[3-6]。在裂陷期发育文昌组、恩平组、珠海组地层，热沉降期发育珠江组和韩江组地层，新构造期对应粤海组和万山组地层[3]。这些沉积物的来源及其随时间和空间的演变规律目前并不十分清楚，阻碍了对南海北部沉积演化的整体认识。因此，查明该区沉积物不同时期的沉积物源特点及演变过程，对深刻认识南海北部沉积环境的变迁具有重要理论意义，对指导该区油气资源勘探至关重要。

1 区域背景

1.1 构造演化

中生代末，南海北部的珠琼运动一幕形成了全区的基底，对应于珠江口盆地地震反射剖面的Tg 界面（图2a）。该界面在地震剖面上表现为强震幅、连续的地震反射特征。界面之上地层多表现为上超，由凹陷边缘向中心呈发散状反射特征，界面之下地层基本上为杂乱反射特征。该运动后，整个珠江口盆地处于强烈的拉张作用下[1]，白云凹陷发育一系列半地堑和地堑组成的复式结构，这些复式结构形成的洼陷之间彼此相连，成为一个统一的大凹陷，内部具有多个沉积体系，形成多洼共存的格局[3]。

晚始新世，珠江口盆地发生珠琼运动二幕，在该区形成大规模区域不整合界面T80（距今约40 Ma），该界面反射特征主要以中弱震幅、断续特征为主。界面之上地层以上超为主，界面之下地层向凹陷中心呈发散状反射特征，边缘处超覆于Tg 之上。此次构造运动基本上结束了文昌组沉积时候断拗分隔的现象，具有统一的沉积和沉降中心。发生在早/晚渐新世的南海运动，是珠江口盆地最强烈的一次构造运动，形成区域性不整合面T70[7]。T70 界面在地震剖面上反射特征相当明显，表现为中强振幅，中高连续。界面之上地层连续性好，见上超，界面之下地层多为杂乱反射，连续性较差。南海运动结束了断陷沉积，盆地性质由断陷转为拗陷[8]。

图2 白云凹陷地震测线图Fig.2 Seismic profiles cross Baiyun Sag

渐新世末期的白云运动与南海扩张脊的南迁与转折同时发生，伴随着强烈的热沉降，使南海北部陆架坡折带由白云凹陷南侧快速跃迁至白云凹陷北侧，并稳定在白云凹陷北坡[4-6]。T60 界面受白云运动的影响，地震剖面上，该界面主要以中震幅、平行连续反射为主。界面之上地层连续性较好，界面之下发生削蚀，表现为中弱震幅、中等连续反射。白云运动是盆地结构的又一次调整事件，此后盆地进入相对稳定的时期。晚中新世以来，白云深水区构造活动加强，主要表现为晚期断裂和岩浆的强烈活动[2-3]，并发育了一系列NW、EW 向的断裂群。由于构造沉降加速和相对欠补偿的沉积作用，深水区由此形成。

1.2 区域沉积物源

南海北部沉积物源主要受古珠江等大型河流以及局部隆升区的控制。研究显示，在早中新世现代意义上的珠江基本形成，成为珠江口盆地的主要源区[9]。如果将珠江流域的锆石年龄分成两组，可以看出，西江支流的年龄谱系跨度很大，除了主要的中生代锆石外，还有较多的吕梁期（1 800 Ma）甚至更老地层的锆石记录；而北江和东江支流的锆石年龄谱系跨度相对较小，以中生代燕山期和印支期地层的锆石为主，仅含少量古生代的锆石（图3）。

海南岛的中小型河流以及岩浆岩局部隆起区也可能是南海北部的潜在物源区。这些区域锆石年龄谱系普遍表现出双峰特征，年龄主要集中在燕山期（95 Ma）和印支期（230 Ma）两个区间。

代表南海西部源区的琼东南盆地古河流沉积物锆石年龄谱系，表现出跨度较大的分布特征，其中加里东期、晋宁期和吕梁期的信号均十分明显[10-12

南海南部的巴拉望沉积物在始新世主要以115～135 Ma 的燕山期锆石为主，包含部分加里东期及前寒武纪锆石[13]。民都洛岛则表现为1 800 M左右吕梁期锆石占主导，含有一定量印支期和晋宁期锆石[14]。婆罗洲在始新世以110 Ma 和200 Ma 的燕山期和印支期为主，含有一定的元古代及太古代锆石[15]。可以看出，南海及周边不同物源区的锆石U-Pb 年龄谱系差异明显，可以采用该方法对南海北部不同时期的物源演变特征进行判定。

图3 南海北部潜在物源区锆石U-Pb 年龄频谱图(n 代表谐和锆石数。珠江锆石数据来源于文献[16],海南岛锆石数据来源于文献[17])Fig.3 Zircon U-Pb age of potential source areas from north SCS. （n= number of concordant zircon grains. Zircon age data of Pearl River are from reference [16]; zircon age data of Hainan Island are from reference [17])

2 材料与方法

本文采用的南海北部古近纪探井样品、地层年龄和地震测线数据均由中国海洋石油公司提供，测线和样品位置及详细描述见图1 和表1，对包括珠江口盆地的源区河流样品22 个共2 215 个谐和锆石定年数据进行了综合分析。其中L13、L21、X28、B18 四口井的数据部分与Shao 等[12]共享。

样品粉碎后经重液分选和电磁分选出碎屑锆石。每个样品挑出至少1 000 颗锆石，并从中随机选出250 颗制靶。用环氧树脂固定并抛光，在扫描电子显微镜下获取阴极发光（CL）照片。使用和Thermo Elemental X-Series ICP-MS 相连的New Wave 213 nm 激光剥蚀系统完成锆石U-Pb 定年工作，重复频率为10 Hz，激光束斑直径采用30 μm。样品经过剥蚀后，由He 气作为载气，与Ar 气混合后进行分析。测试过程中，选取20 s 的空白信号和50 s 的样品信号，以国际标准锆石91500（1 065.4 ± 0.3 Ma[18]）为外标，并采用锆石标样Plešovice（年龄为337.1 ±0.4 Ma[19]）来校正。实验分析测试在同济大学海洋地质国家重点实验室完成，同位素比值及年龄计算采用ICPMSDataCal 软件完成[20]，利用Andersen 方法进行普通Pb 校正[21]。每个样品中均有74 至167颗锆石进行统计，年龄不确定度为1σ。选取年龄谐和度大于90% 的锆石后，根据Compston 等的计算方法[22]，对年轻于1 000 Ma 的锆石和老于1 000 Ma的锆石分别采用206Pb/238U 和207Pb/206Pb 得出的年龄。本文实验结果数据采用Vermeesch（2012）Density Plotter 软件来展示[23]。

表 1 样品碎屑锆石数量及地层时代汇总Table 1 Number of zircon grains and age of samples of this study

3 结果

早中始新世，NW-SE 向和SW-NE 向地震剖面均显示，凹陷西侧存在物源输入（图2b，2c）。该时期的锆石年龄谱系主要以中生代峰值为主，其中L21 井呈现明显的燕山期单峰和印支期的一个弱小峰值（图4），燕山期（115 Ma 左右）的锆石占比超过80%，L6 井的锆石年龄谱系则仅有110 Ma 左右的单峰。

晚始新世—早渐新世，地震剖面显示白云凹陷沉积物中存在大量大型前积反射层，揭示沉积物从凹陷的西北以及西侧逐步向凹陷中心推进的过程，在凹陷东部的东沙隆起也向盆地输送沉积物（图2d）。该时期锆石年龄谱系分布与早中始新世沉积物出现了较明显差别。其中B18 井和珠I 坳陷的X28井年龄谱系特征完全一致，除了中生代侏罗纪峰值外，均出现了420 Ma 前后加里东期的锆石，以及少量古生代及元古代年龄；L13 井的加里东期峰值明显超过了中生代燕山期。特别是B18 和X28 两口井在中生代依然发育有燕山期和印支期的双峰特征，而L13 井在中生代则呈现单峰特征。L18 井则出现115 Ma 和171 Ma 两个明显峰值及少量古老锆石年龄。L21 井仍以燕山期单峰为特征，但是峰值范围比早中始新世明显变大（图4）。

图 4 白云凹陷锆石 U-Pb 年龄频谱图(n 代表谐和锆石数)Fig.4 Detrital zircon U-Pb age of Baiyun Sag （ n=number of concordant zircon grains）

晚渐新世，本区NW-SE 向地震剖面上的前积反射层显示，该时期物源主要是来自于白云凹陷西侧及北侧（图2e）。锆石U-Pb 年龄谱系与晚始新世—早渐新世相比明显不同。除了L18 井外，包括珠I 凹陷的X28 井和各井位均发育有较为明显的420 Ma前后的加里东期锆石年龄（图4）。另外可以看到，B18、L21 和X28 井在900 Ma 左右均出现较多的锆石年龄记录，其中L21 井在979 Ma 出现峰值（图4）。总体上看，晚渐新世时期该区域各井位的锆石数据主体上表现为以中生代燕山期（150 Ma）为主，且出现有印支期的次峰，同时在加里东期（420 Ma）有较多的记录，更老的地层如900 Ma 前后的晋宁期也有较为明显的数据记录。

早中新世，本区NW-SE 向地震剖面上可以看出古珠江沉积物北侧沉积，发育三角洲相，进而在下陆坡方向发育深水扇（图2f）。锆石U-Pb 年龄谱系分布则进一步扩大，出现800 Ma 前后的晋宁期以及1 800 Ma 左右的吕梁期峰值（图4）。

4 讨论

4.1 始新世沉积环境与沉积充填

中生代末的珠琼运动一幕使整个珠江口盆地处在强烈拉张作用下，发育了一系列NW-EW 向断裂，将白云凹陷分割成多个半地堑，在早中始新世沉积了巨厚的湖相沉积[24]，下段为白色厚层细—中粗砂岩，夹少量灰色页岩与浅灰色泥岩，为滨浅湖相沉积；上段为灰色及褐色泥岩，含少量钙质及碳质薄层，富含孢粉和藻类化石，指示了生产力较高的中深湖相沉积环境。在凹陷西北及西南发育扇三角洲，沉积物碎屑锆石年龄谱系以110～115 Ma的单峰为主，反映该时期沉积物源以凹陷周边的中生代近源隆起区为主（图5）。

一般认为，巴拉望地块在始新世仍拼合于南海北部，从晚始新世—早渐新世开始向南漂移，逐步到达南海东南部现今位置[25]。Shao 等.通过对锆石U-Pb 年龄MDS 分析指出始新世时期巴拉望地块的沉积物可能与南海东北部受相同物源影响[13]，但是由于其为海相沉积环境，不可能成为物源区向南海北部通过沉积物；婆罗洲锆石年龄频谱中明显出现古老锆石的特征，显示与同时期珠江口盆地沉积物源明显不同。因此，该时期白云凹陷可以排除南侧物源供给的可能性，应该为近源输入为主。

图5 白云凹陷始新世—早中新世区域沉积地质图Fig.5 Development pattern of Eocene-early Miocene sedimentary facies in Baiyun Sag

4.2 渐新世沉积环境及充填

晚始新世—早渐新世白云凹陷为沉积中心[24]，普遍发育泛滥平原煤系地层以及河流相沉积，晚期则发育三角洲沉积及海侵沉积（图5）。苗顺德等[26]对白云凹陷B18 井和L2 井进行古生物种类鉴定后发现，B18 井中河湖相藻类包括盘星藻（Pediastrum）和球藻（Granodiscus & Leiosphaeridia）。海相沟鞭藻在晚期样品中均有发育，共包括15 个种属，其中典型海相沟鞭藻Homotryblium spp.含量最高，认为早渐新世沉积环境为海陆过渡相沉积环境；凹陷东南侧的L2 井古生物化石则包括Cleistosphaeridium、Cordosphaeridium、Homotryblium、Hystrichokolpoma，Hystrichosphaeridi-umdeng、Polysphaeridium等陆架浅海类型和Spinifenrites之类的广布类型，指示为水体相对稳定的浅海相沉积环境。

该时期沉积物碎屑锆石年龄谱系分布特征显示，B18 井和珠I 坳陷的X28 井年龄谱系特征完全一致，发育有燕山期和印支期的双峰以及420 Ma前后加里东期的峰值和少量古生代及元古代峰值，代表古珠江物源；L13 井的加里东期峰值明显超过了中生代燕山期，在中生代则呈现单峰特征，反映南海西部源区的特点；L18 井可能代表了东沙隆起物源的特征。L21 井仍然代表了局部中生代隆起区物源的特点，但是范围有所扩大。

最新的研究成果显示，晚始新世—早渐新世开始，南海北部发育一条昆莺琼古河[27-28]，在早中始新世，该河流仅出现在琼东南盆地东侧，把南海西部沉积物输送到南海东部的白云凹陷，甚至台西南盆地及礼乐-巴拉望等地区；到晚始新世—早渐新世，该河流发育达到了鼎盛阶段；到了晚渐新世，由于南海扩张，海侵范围逐步扩大，该河流开始萎缩，大部分淹没在南海中[29]。

因此，白云凹陷在该时期除少数北部地区接受少量古珠江沉积物外，凹陷大部分地区主要接受源自南海西部昆莺琼古河提供的物质供给。

晚渐新世，整个白云凹陷以滨海和浅海沉积为主，以发育大型三角洲为特征。柳保军等[30]认为该时期深水区为局限海湾的沉积环境，凹陷北侧出露地表，陆架坡折位于凹陷南侧，陆架坡折带下方的荔湾凹陷则发育了一定规模的深水扇，整体构成了一套从北向南、沉积环境从海陆过渡相—浅海相—陆坡深水相沉积体逐步过渡的景观（图5）。

沉积物碎屑锆石年龄谱系特征显示，晚渐新世样品受古珠江物源供给量明显增大，源自南海西部昆莺琼古河主要影响B18 及L21 井沉积物，反映出该时期古珠江沉积物已经大量越过番禺低隆起搬运到白云凹陷，白云凹陷同时接受古珠江和昆莺琼古河双物源的影响。