南海西南次海盆两侧陆缘新生代构造沉降特征及演化过程

朱荣伟，刘海龄，姚永坚，聂鑫，徐子英

1. 自然资源部海底矿产资源重点实验室，广州海洋地质调查局，广州 510760

2. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室，中国科学院南海海洋研究所，广州 510301

3. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)，广州 511458

南海位于欧亚板块、印-澳板块和太平洋-菲律宾海板块相互作用的交汇处，新生代经历了陆缘张裂、海底扩张到俯冲碰撞的复杂演化过程，被认为是研究张裂大陆边缘形成演化与海底扩张的理想天然场所[1-3]。晚白垩世后，由于太平洋板块的后撤，南海区域应力场由原先的压扭性应力场反转为张性应力场[4-10]，南海北部陆缘开始发生张裂作用，随着岩石圈伸展减薄直至破裂以及南海海盆的形成，中—西沙以及南沙等微地块与华南大陆分离并逐渐向南漂移至现今位置[11]。在这期间，南海地区先后发生了礼乐运动、西卫运动、南海运动和南沙运动等4 次重要的区域构造运动[12-14]，并且发育形成了一系列新生代裂陷盆地。然而，由于南海不同部位边界条件和新生代以来构造活动特征存在明显差异[15-16]，使得南海不同部位的沉积盆地具有不同的构造特征和演化历史，因而精准地了解各个盆地新生代构造沉降特征及演化过程对各个盆地矿产资源勘探开发尤为重要。

本文拟结合南海西南次海盆两侧陆缘地质资料和多道地震剖面等地球物理资料，在地震地层解释的基础上，采用回剥法和平衡剖面技术分析西南次海盆两侧陆缘构造沉降特征及伸展过程，以此来对比分析西南次海盆两侧陆缘的新生代构造演化过程，以期为南海西南次海盆两侧陆缘沉积盆地的油气和天然气水合物的勘探开发提供重要的科学背景支持。

1 区域地质概况

依据地质、地球物理特征，南海新生代海盆可进一步划分为东部次海盆、西北次海盆和西南次海盆[1-3,17]。其中，西南次海盆是位于南海西南部的一个呈V 型的三角形盆地，从东北向西南方向延伸，形态由宽变窄[17]（图1），是研究南海中—新生代构造演化历史和进行南海共轭边缘对比研究的有利区域[18-19]。西南次海盆两侧发育一对非对称的共轭陆缘，其西北缘为中—西沙地块，东南缘为南沙地块[20]。其中，中—西沙地块西侧以南海西缘断裂为界，与印支半岛相邻，北侧为西沙海槽和西北次海盆，东南隔西南次海盆与南沙地块相望；南沙地块内部海底地形复杂，岛礁分布密集，其西侧以廷贾断裂为界，东侧与菲律宾巴拉望岛相接，东南边缘则是古南海的俯冲消减带，目前只留下南沙海槽的痕迹[21]。

在构造演化方面，南海内散落的中-西沙地块、南沙地块等微地块曾是华南大陆的一部分[11,22-28]。自晚白垩世开始，南海区域应力场由挤压反转为拉张，软流圈物质上涌，地壳-岩石圈拉张减薄，至晚渐新世南海开始扩张，同时华南-印支地块出现向洋离散作用，中-西沙以及南沙等微地块开始向东南-南方向裂离印支-华南古陆；至中中新世，随着南沙地块与婆罗洲和西北巴拉望俯冲碰撞，南海扩张停止[11]。关于南海扩张期次，多数学者认为南海至少存在两期海底扩张[1-2,29-30]，在～32 Ma 时，南海北部的西北和东部次海盆发生近N-S 向海底扩张，在～23 Ma 时，南海扩张脊向南跃迁至西南次海盆发生第二次海底扩张，并且扩张方向由近N-S 向变为NW-SE 向，至～15 Ma 时南海扩张停止[1-2,29-30]。同时，伴随着晚白垩世—新近纪地壳拉张减薄及周缘断裂的伸展、走滑等作用，西南次海盆两侧陆缘形成了中建南盆地、南薇西盆地和北康盆地等为代表的新生代沉积盆地。

在地层方面，西南次海盆两侧陆缘新生代地层自下而上可识别出 Tg、T8，T7、T6、T5、T3、T2、T1及T0（海底）等多个地震反射界面（图2）。结合区域构造运动，研究区地层自上而下可划分为上、中、下三套构造层。其中，上构造层（T0—T5）为裂后的披覆沉积；中构造层（T5—Tg）又可分为裂陷期（T6—Tg）和断-拗转换期（T5—T6），为新生代早期的裂陷充填沉积和局部范围内的披覆沉积，T6界面下伏地层表现为断陷充填沉积的特点，上覆地层为断拗充填特征[31-32]；下构造层（Tg界面之下）为裂前沉积，该构造层分布较局限，地层厚度相对较大，且内部存在褶皱、逆冲断裂等挤压构造变形[24-28,33-37]。

图1 研究区区域位置及测线分布图TXNB-台西南盆地；PRMB-珠江口盆地；QDNB-琼东南盆地；BBWB-北部湾盆地；YGHB-莺歌海盆地；ZJNB-中建南盆地；MGB-眉公盆地；WAB-万安盆地；NWXB-南薇西盆地；ZMB-曾母盆地；BKB-北康盆地；JZB-九章盆地；YSB-永暑盆地；ADB-安渡盆地；LYB-礼乐盆地；LYBB-礼乐北盆地Fig.1 The locations of study area and MCS profiles

2 方法与数据

2.1 构造沉降量计算方法

沉降作用是盆地形成的前提条件。一般而言，沉积盆地的总沉降量主要与构造作用、沉积物压实、均衡作用、沉积基准面变化或古水深变化等因素有关，盆地的总沉降可表述为：总沉降（基底沉降）＝构造沉降＋（沉积物和水负载沉降＋沉积物压实沉降＋海平面/古水深变化）[38-43]。因此，盆地的构造沉降量可通过回剥法得到总沉降量后经过去压实、古水深、载荷、海平面变化等一系列校正后获得[38]。

假设研究区的沉降机制符合艾里均衡，则某时刻载水构造沉降Stt可表示为[38-39]：

式中，Stt为构造沉降量，St为去压实后的沉积厚度，Wd为古水深，ΔSL为古海平面相对于现今海平面的高度；ρm、ρs和ρw分别表示地幔密度、沉积物平均密度和水密度，参考前人研究成果[37-38]，本文中ρm、ρs和ρw依次取为 3.3，2.8 和 1.03 kg/m3。

有关压实校正中孔隙度与深度的关系采用式（2）的指数形式：

图2 南海西南次海盆两侧陆缘盆地地层柱状图与构造演化简图 （岩性组合及沉积环境参考文献[15-16]，地质年代参考2018 年地层年代表[36]，全球海平面变化曲线引自文献[37]）Fig.2 Integrated stratigraphic column showing tectonic evolution stage of the Continental marginal basins of the Southwestern Sub-basin, South China Sea

式中，φ为地层埋深y时的孔隙度；φ0为原始孔隙度；c为压实系数，岩性不同，其取值不同；y为地层埋深。不同岩性的孔隙度、压实系数和密度主要参考北海地区的实测结果[41]。古水深可通过对沉积相和古生物组合等的综合分析进行估计[42-44]（表1）。海平面变化参考全球海平面变化曲线[37]，取三级层序对应的海平面值，若海平面上升则减去上升量，若海平面下降则加上下降量[44]。

2.2 伸展系数、伸展量、伸展速率的计算

借助2D move 软件中非运动学算法“单剪切去褶皱法”和运动学算法“斜剪切法”去除地震剖面中新生代地层对现今地质剖面进行平衡剖面恢复，计算现今地质剖面各发育时期剖面长度，在此基础上求取总的伸展系数各时期伸展速率和伸展量ΔLi。在平衡剖面恢复过程中，同样需要进行去压实、古水深和古海平面变化等校正，其参数选取与构造沉降计算所采用的参数相同。

表1 不同类型沉积相古水深参考值Table 1 Paleo-depth reference values for different types of sedimentary facies

伸展系数可用来表征盆地总体伸展特征，即盆地在整个断陷发育过程中因伸展作用而引起的拉张作用累积效应，计算公式为：

其中，L0为伸展前的剖面长度（km），L1为伸展后的剖面长度（km）。

不同沉积时期盆地的伸展情况可以用伸展量和伸展速率来衡量，计算公式分别为：

式中，Lit为第i层顶界面沉积时的剖面长度（km）；Lib为第i层底界面沉积时的剖面长度（km）；ΔTi为第i层的沉积时间（Ma）。

由于地震剖面分辨小断层的能力有限，Walsh等（1991）指出约40%的拉张是无法通过地震剖面求得的[45]，Clift 和 Sun（2006）在研究琼东南盆地的拉张情况时也提出小断层引起的水平伸展最大有40%未被发现[46]。因此，通过地震剖面求得的拉张强度是实际拉张强度的60%，为了解决这一误差，本文将平衡剖面计算得到的剖面长度除以60%来加以修正。

2.3 数据的选取

为了对比分析南海西南次海盆两侧陆缘沉积盆地新生代构造沉降和伸展特征，本文选取了横穿南海西南次海盆两侧陆缘的多道地震剖面测线NH973-3（图 3）和 NH973-1+SO27-04 联合剖面（图 4），并在多道测线上选取15 个测点抽取层位信息生成伪井数据，选取其中 T0、T5、T6、T7、T8和 Tg等 6 个界面进行回剥计算，界面深度根据中海石油研究中心提供南沙地区地震波走时数据拟合成的时间-深度转换公式的基础上进行了适当修正，公式为：

图3 NH973-3 测线的伪井位置分布 （测线位置见图1，剖面据文献[47]修改）Fig.3 Distribution of pseudo-wells from the line NH973-3（The line location is shown in Fig. 1）

图4 NH973-1+SO27-04 测线伪井位置分布（测线位置见图1，剖面据文献[48]修改）Fig.4 Distribution of pseudo-wells from the line NH973-1+SO27-04 （The line location is shown in Fig. 1）

式中，Y代表地层深度，单位为m；X代表双程走时，单位为 s；Xs代表海底（T0）双程走时，单位为 s，海水速度按照 1 500 m/s 计算。

根据这些伪井的构造沉降量计算结果绘制了构造沉降曲线（图5），以及各伪井不同时期的构造沉降量和沉降速率（图5 和图6）以及不同时期的伸展系数、伸展量、伸展速率（图7）。

3 结果

3.1 两侧陆缘新生代构造沉降特征

由南海西南次海盆南北两侧陆缘测线上伪井生成的构造沉降曲线图可知（图5），西南次海盆两侧陆缘的构造沉降曲线特征不同于典型被动裂陷盆地构造沉降曲线的两段式，均表现为裂谷初始期曲线斜率平缓，裂谷强烈期和末期曲线斜率较陡，断-坳转换期和坳陷期曲线斜率又回归相对平缓的反“S”形的多段式特征。根据南海西南次海盆两侧陆缘构造沉降的周期性变化，可将西南次海盆两侧陆缘构造沉降过程划分为5 个沉降幕（图5，图6）。

图5 NH973-3 测线（a）和 NH973-1+ SO27-04 测线（b）伪井构造沉降曲线Fig.5 Tectonic subsidence curve of the pseudo-wells from the lines NH973-3 （a） and NH973-1+ SO27-04 （b）

图6 NH973-3 测线（a）和 NH973-1+SO27-04 测线（b）各伪井不同地质时期构造沉降速率Fig.6 Tectonic subsidence rates of the pseudo-wells from the lines NH973-3 （a） and NH973-1+ SO27-04 （b）in different geologic periods

图7 南海西南次海盆南北两侧陆缘伸展系数、拉张量和拉张速率变化Fig.7 Variation of the extension coefficient, extension amount and the extension rate of the continental margins of the southwest sub-basin, South China Sea

3.2 两侧陆缘新生代伸展特征

根据南海西南次海盆两侧陆缘测线（NH973-3 测线和NH973-1+SO27-04 测线）各时期的伸展特征（伸展系数、伸展量和伸展速率）（图7），可将西南次海盆两侧陆缘新生代伸展过程划分为5 个阶段：初始裂陷期，65～38.5 Ma），裂陷强烈期38.5～32.0 Ma），裂陷末期32.0～23.0 Ma），断-拗转换期23.0～15.5 Ma），裂后热沉降期15.5～0 Ma）。

西南次海盆两侧陆缘测线各时期的伸展系数变化结果表明（图7），两侧陆缘新生代拉张作用主要发生于裂陷期，其中北侧陆缘在新生代呈持续伸展状态，且总伸展系数大于南侧陆缘，其值高达约1.92，暗示了北侧陆缘深部构造活动较剧烈，岩石圈减薄程度要大于南侧陆缘。南侧陆缘的伸展系数在渐新世末期（23.0 Ma）达到最大，随后，出现较低幅度减小的现象，表明南侧陆缘在渐新世之后，南侧陆缘地壳发生一定程度的挤压增厚现象，这可能与早中新世期间，西南次海盆扩张，古南海俯冲殆尽，南部陆缘与婆罗洲发生碰撞这一构造运动有关。

西南次海盆两侧陆缘测线各时期的伸展速率和伸展量变化结果表明（图7），两侧陆缘拉张速率和拉张量的高峰期均出现于裂陷强烈期时期），而西南次海盆两侧陆缘构造沉降高峰期并未出现在陆缘裂陷强烈期，而是出现在陆缘裂陷末期时期），具有一定的延迟滞后性。受西南次海盆扩张和古南海俯冲碰撞影响，南侧陆缘伸展速率和伸展量在晚渐新世末期之后发生大幅度的减小，并且在早中新世沉积期间出现负值现象。

4 讨论

4.1 两侧陆缘构造沉降作用延迟机制探讨

南海西南次海盆两侧陆缘构造沉降特征和伸展特征分析结果表明，西南次海盆两侧陆缘构造沉降高峰期与伸展裂陷作用高峰期不对应，具有一定的延迟滞后性。关于构造异常沉降，前人提出了许多成因机制，如深部热异常[42,50-51]、岩浆活动[4]、岩石圈强度[38]、岩石圈分层伸展差异[38,42]以及沉积物负载引起的下地壳流[52]等。

徐行等（2018）通过分析南海西南次海盆及其相邻陆缘的87 个有效地热流数据以及一些测站沉积物热导率、生热率等实测地热参数[53]，结果显示西南次海盆南北两侧陆缘平均热流值分别为79±15.5 Mw/m2和 78±15.6 Mw/m2，表明西南次海盆两侧陆缘不存在深部热异常。通过分析前人有关西南次海盆两侧陆缘深部构造特征结果可知[30,54-55]，西南次海盆两侧陆缘上地壳中存在许多张性正断层，部分断层向下角度变低，为梨式正断层，这些断层多收敛于同一滑脱面上，形成拆离断层；而下地壳中多发生塑性变形，形成“布丁构造”，且南部陆缘伸展因子计算结果表明南部陆缘在纵向上的伸展不均一，其上地壳脆性伸展因子与全地壳伸展因子之间存在较大差异[32,56]。这种上地壳与全地壳的伸展减薄程度不一致现象在南海珠江口盆地、琼东南盆地等地区均有发现[56-58]。综合以上分析，可初步判断南海西南次海盆两侧陆缘岩石圈的伸展与深度相关，即其上、下地壳的伸展减薄程度存在差异。这种岩石圈分层的差异可能导致西南次海盆两侧陆缘的构造沉降在裂陷强烈期沉降不足，存在明显亏损，后期的快速沉降可能是对前期沉降亏损的补偿。

4.2 两侧陆缘构造沉降对南海形成演化过程的响应

本文研究结果表明南海西南次海盆两侧陆缘构造沉降与南海形成演化过程紧密相关，受到南海陆缘伸展和南海西缘断裂走滑活动等因素的复合影响。

在古新世—中始新世沉积期间，西南次海盆两侧陆缘位于华南大陆南部，属于华南大陆的一部分[11,22-25]。此期间南海陆缘开始张裂，两侧陆缘基底受区域拉张作用的影响形成了一系列堑垒构造，由于拉张作用和地壳性质的不均一性，局部地区强烈伸展并且快速沉降，形成沉降中心并开始接受沉积。

至晚始新世—早渐新世，断裂活动强度增大，伸展作用进一步加强，伸展速率和伸展量在此阶段达到高峰，两侧陆缘构造沉降量也快速增大。由于在古新世至早渐新世期间西南次海盆两侧陆缘并未分离，因此在晚渐新世前南海西南次海盆两侧陆缘的平均构造沉降速率并未表现出较大差异。

晚渐新世沉积期间，南海北部开始海底扩张[1,2,26-27]，西南次海盆两侧陆缘的伸展速率和伸展量较上一时期均有所减小，但西南次海盆两侧陆缘构造沉降速率在此阶段均达到高峰，并且由于西南次海盆两侧陆缘岩石圈的分层差异伸展以及南海西缘断裂的右旋走滑活动造成西南次海盆两侧陆缘的平均构造沉降速率开始出现较大差异。从构造沉降速率结果可知，该时期是西南次海盆两侧陆缘沉积盆地的主要形成期。同时，位于北侧陆缘由于受到南海西缘断裂右旋走滑活动改造的影响而形成与走滑-伸展作用相关的中建南盆地。

早中新世沉积期间，西南次海盆开始发生海底扩张[1,2,26-27]，西南次海盆两侧陆缘进入断-拗转换沉降期，两侧陆缘伸展速率和伸展量表现为快速减小，并且受西南次海盆扩张和古南海向婆罗洲地块俯冲碰撞影响，南侧陆缘遭受挤压[1,2,18,35,56]，伸展速率和伸展量出现负值。此阶段, 西南次海盆南侧陆缘因受到挤压碰撞改造的影响而形成北康盆地、南薇西盆地等相关的伸展-挠曲复合型盆地。

中中新世至今，西南次海盆扩张停止，西南次海盆两侧陆缘大部分断裂停止活动，北侧陆缘伸展速率和伸展量继续减小，南侧陆缘伸展速率和伸展量略微增大，两侧陆缘构造沉降进入热稳定沉降期。

5 结论

（1）南海西南次海盆两侧陆缘的构造沉降曲线特征不同于典型的被动陆缘裂陷盆地构造沉降曲线的两段式，均表现为裂陷初始期曲线斜率平缓，裂陷强烈期和末期曲线斜率较陡，断-拗转换期和拗陷期曲线斜率又回归相对平缓的反“S”形的多段式特征。

（2）南海西南次海盆两侧陆缘的构造沉降高峰期与两侧陆缘伸展裂陷高峰期不对应，具有一定的延迟滞后性，造成此现象的原因可能与西南次海盆陆缘岩石圈的分层差异伸展及晚渐新世南海西缘断裂的右旋走滑活动有关，并且该时期南海西缘断裂的右旋走滑活动导致西南次海盆两侧陆缘的构造沉降中心向南迁移以及两侧陆缘构造沉降速率出现较大差异。

（3）南海西南次海盆两侧陆缘沉积盆地的主要形成期为晚渐新世，北侧陆缘在晚渐新世因受南海西缘断裂右旋走滑活动的改造影响而形成伸展-走滑相关的沉积盆地，南侧陆缘在早中新世因受到挤压碰撞改造影响而形成伸展-挠曲复合型的沉积盆地。