南海北部白垩纪—渐新世早期沉积环境演变及构造控制*

吴 哲 张丽丽 朱伟林 邵 磊 杨学奇

1 中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东深圳 5180542 同济大学 海洋地质国家重点实验室，上海 200092

南海是西太平洋最大的边缘海，总面积约350×104km2，处在特提斯和环太平洋两大超级汇聚带交汇处，受欧亚、印度—澳大利亚和太平洋三大板块相互作用的影响，不仅是地质科学研究的理想场所，而且蕴藏丰富的油气资源(朱伟林等，2010)。

中生代末/新生代初期南海北部经历了从主动大陆边缘到被动大陆边缘的转换过程，记录了大陆张裂、破裂、海底扩张过程的地质信息(龚再升和李思田，2004；李家彪，2005；Lietal.， 2007；黄奇瑜等，2012；Xuetal.， 2016；邵磊等，2019；Cuietal.， 2021)。由于南海北部白垩系—渐新统下部埋藏深、钻探揭示少、地震资料品质差，研究程度相对较低，许多地质问题存在较大争议，包括晚中生代构造格局及沉积特征、从主动向被动陆缘转换发生的时间及动力学机制、新生代的张裂过程和沉积响应等(Taylor and Hayes, 1983; Hall，2002；姚伯初等，2004；周蒂等，2005；Shi and Li，2012；于兴河等，2016； Cuietal.， 2021)。因此，对南海北部白垩纪—渐新世早期的沉积特征及裂陷过程进行研究，不仅有助于理解南海海底扩张前的 “古南海”历史，还可以确定华南板块东南缘从主动大陆边缘转为被动大陆边缘的时间及沉积响应。基于近年来钻井、地震资料以及区域岩相研究等最新成果，对南海北部白垩纪—渐新世早期的沉积特征及裂陷过程开展整体研究： (1)通过地层和主要不整合面的发育特征揭示盆地构造-地层之间的关系；(2)通过古生物组合、单井相、地震沉积学分析，开展沉积体系类型和展布特征的研究，理清南海北部裂陷过程的沉积特征；(3)探讨沉积环境演变及构造控制因素。

1 地质背景

南海北部发育的主要盆地有琼东南盆地、珠江口盆地(图 1)，面积分别约为4.5×104km2和17.5×104km2，都以NE走向为主。琼东南盆地北邻海南岛，南部以西沙群岛与中建南盆地相隔，西界为1号断裂带，东侧以神弧隆起与珠江口盆地相连接。珠江口盆地北依华南大陆，南临南海洋盆，西靠海南岛，东邻澎湖列岛，包含珠一坳陷、珠二坳陷、珠三坳陷以及潮汕坳陷。在白垩纪—始新世，南海尚未打开形成，现今位于南海南部的南沙和礼乐—巴拉望等块体还未与南海北部分离，其地质记录对南海北部的研究同样至关重要。

图 1 南海北部珠江口盆地—琼东南盆地构造划分及典型地震剖面位置Fig.1 Tectonic division of Pearl River Mouth Basin and Qiongdongnan Basin of the northern South China Sea and location of typical seismic profiles

2 构造-地层关系

基于钻井地层分析，并结合横穿盆地的地震—地质解释剖面分析(图 2，图 3)，南海北部晚白垩世—渐新世早期形成的主要不整合面有Tg、T80(37～40Ma)和T70(30～32Ma)。沉积地层在2个盆地中的发育既有共性，彼此间也存在着差异性，发育时间有早、晚的差别，发育范围存在广泛和局限之分。珠江口盆地新生代基底以中生代中酸性岩浆岩(以花岗岩为主，还有安山岩、流纹岩和凝灰岩等)为主，存在部分陆相沉积岩；琼东南盆地则钻遇中生代岩浆岩(花岗岩、闪长岩和英安流纹岩等)和大量侏罗—白垩纪变质沉积岩。

a—珠江口盆地；b—琼东南盆地图 2 南海北部白垩系—渐新统上部综合图(白垩系据邵磊等，2007；有修改)Fig.2 Stratigraphic correlation of the Cretaceous-Upper Oligocene in the Northern South China Sea(partially modified from Shao et al.， 2007)

图 3 横穿南海北部地震—地质解释剖面(测线位置见图1)Fig.3 Representative interpreted seismic profiles crossing the northern South China Sea(profile location seen Fig.1)

一般认为，Tg界面对应神狐运动，开始接受古新世沉积，代表南海北部初始张裂的开始。该界面在南海北部发育时间并不一致，在珠江口盆地发育于65Ma左右，琼东南盆地为56～40Ma。目前仅在珠三坳陷及北部湾盆地钻遇神狐组，主要由火山岩或火山碎屑岩组成，分布范围十分狭小，明显受地形控制。因此，笔者认为神狐组极有可能是古新世隆升山脉中山间盆地的残余沉积。

T80界面对应中始新世末所发生的珠琼运动二幕，在琼东南盆地不能被很好地连续追踪和识别，只在部分凹陷的深部位置存在，在珠江口盆地是各凹陷内部都存在的区域性不整合面，而在台西南盆地的地震剖面解释中很难被识别，大多数区域与T70相重合。文昌组和岭头组差异性地分布于盆地的深凹位置。珠江口盆地多口井钻遇文昌组，可见文昌组广泛分布于珠江口盆地的各个凹陷，岩性以灰色泥岩为主，夹少量灰色砂岩。琼东南盆地钻井揭示的岭头组为深灰色泥岩夹暗绿色凝灰岩，局部含粉砂和砂质，结合地震剖面反射特征，认为岭头组只局限分布于部分凹陷的深部位置，表现为中振幅杂乱前积反射特征，为山间盆地堆积的产物。

T70界面是一个区域性的构造变动界面，地震剖面上具有强振幅高连续反射特征，界面之下有明显的顶超、削截现象，在琼东南盆地和珠江口盆地陆坡位置该界面之上断裂对地层还有一定的控制作用，而在珠江口盆地陆架区域该界面之上为典型的热沉降披覆式沉积。恩平组和崖城组是在珠江口盆地与琼东南盆地广泛分布的一套含煤地层，恩平组下部为砂岩、含砾砂岩夹泥岩，上部为泥岩与薄层砂岩互层；崖城组下部多是灰白色砂岩与深灰色泥岩的不等厚互层，中部以深灰色厚层泥岩为主，上部灰白色砂砾岩与深灰色泥岩互层，夹煤层和碳质泥岩。

3 沉积环境特征

基于古生物证据、单井相和地震沉积学研究资料，分析南海北部白垩纪—渐新世早期的沉积体系展布情况。

白垩纪—古新世： 最新研究资料表明，白垩系在南海北部广泛分布，在不同地区沉积特征存在明显差异。南海北部东侧的潮汕坳陷发育下白垩统海陆过渡相夹火山碎屑岩相沉积，上白垩统潟湖相沉积，南侧巴拉望从北向南则发育从潮坪相、浅海相及深海浊积岩相沉积，反映海水从北向南逐步加深的过程(Zhangetal.， 2019，2020)。在南海北部西侧普遍发育白垩纪浅海相砂泥岩沉积，岩石均发生了浅变质作用(Zhuetal.， 2021)。同时在南海北部始新—渐新世地层中，经常能发现再搬运的白垩纪化石，也反映出白垩系在南海北部发育的广泛性。相对而言，古新统在南海北部的分布极为有限，仅在珠三坳陷有证据确凿的古新统发育，主要为红色火山碎屑岩沉积，极有可能为山间盆地堆积的产物。

始新世早-中期： 珠江口盆地文昌组以湖泊相为特征，大规模发育滨浅湖相沉积，凹陷中部发育了中深湖相沉积，凹陷边缘发育扇三角洲沉积(朱伟林和米立军，2010)。琼东南盆地岭头组分布十分有限，仅在个别凹陷有少量分布(图 4)，应该为山间盆地堆积的产物，但并未有探井钻遇到该套地层。

始新世晚期—渐新世早期： 白云凹陷东侧开始出现海相矿物海绿石、海相沟鞭藻以及有孔虫和超微化石，显示海相沉积开始发育，以滨浅海相为主，凹陷中部发育浊积扇(图 4)。特别需要指出的是，该时期在白云凹陷西部发育大型河流三角洲及三角洲平原，沉积了大套厚层砂岩，发育多套煤层，为昆莺琼古河流初始发育的结果(Shaoetal.， 2019；邵磊等 2019)。珠江口盆地珠一、珠三坳陷该时期湖泊整体变广变浅，珠三坳陷广泛分布河沼相和滨浅湖相沉积(朱伟林和米立军，2010)。琼东南盆地在渐新世早期较晚时间进入海相沉积环境，以滨浅海相为主。南海大洋钻探IODP1435站钻遇的上始新统属于滨浅海相沉积(Shaoetal.， 2017)。

a—始新世早-中期；b—始新世晚期—渐新世早期图 4 南海北部古近系沉积体系分布Fig.4 Sedimentary system distribution of the Paleogene in northern South China Sea

4 构造演变

沉积产物是构造演化过程的直接记录，依据主要不整合界面特征，结合热年代学分析成果，可将南海盆地白垩纪—渐新世分为5期： 白垩纪、古新世、始新世早-中期、始新世晚期—渐新世早期、渐新世晚期(图 5)。

图 5 南海海域盆地白垩纪—渐新世的构造古地理重建Fig.5 Tectono-palaeogeography of the Cretaceous to Oligocene in South China Sea

4.1 白垩纪： 安第斯型大陆边缘“弧—盆”体系发育期

南海北部及其围区处于古太平洋板片NW向俯冲作用控制下的安第斯型大陆边缘(Lietal.， 2007，2012；Xuetal.， 2016；李三忠等，2018；Cuietal.， 2021)，岩浆活动终止时间在90～85Ma之间(Cuietal.， 2021；Zhuetal.， 2021)。其中，华南陆上为板内伸展区，珠江口盆地主体、西沙、南沙以及现今印支半岛东南部区域组成陆缘岩浆弧，在岩浆弧之前的潮汕坳陷、礼乐—巴拉望地区为弧前盆地(图 5-a)。白垩纪的海相环境在南海北部呈东北—西南向展布，沉积环境从西北向东南为海陆过渡相—滨海相—浅海相—半深海相，如华南陆上以三水盆地为代表，发育了百足山组和白鹤洞组的火山—湖泊相沉积(广东省地质矿产局，1988)，潮汕坳陷LF35-1-1井揭示下白垩统属于海陆过渡相沉积(邵磊等，2007)，台西南盆地CIT-1、CJA-1、DP21和CFC-10等多口井也揭示为海陆过渡相沉积，礼乐滩的A-1、Sampaguita-1井均钻遇下白垩统内陆架滨浅海相沉积(Schlüteretal.， 1996)，东北巴拉望发育深海到半深海放射虫硅质岩、浊积页岩和砂岩，增生杂岩发育(Aurelioetal.， 2012)。在南沙地块南侧的婆罗洲则发育包括枕状玄武岩之内的蛇绿岩套堆积，是古南海洋壳向南俯冲增生的产物。

4.2 古新世(65～56Ma)： 山间盆地发育期

由于古太平洋板块的俯冲后撤，古新世在南海北部隆升山脉内开始零星发育一些NE-NEE向小型山间盆地(图 5-b)，现在揭示的神狐组仅分布在珠三坳陷，为一些小规模的火山碎屑沉积；北部湾盆地在乌石凹陷、迈陈凹陷发育古新统长流组沉积，多为近源、红色冲积扇—河流相粗碎屑；珠江口盆地珠一坳陷多口钻井揭示到的古新统神狐组沉积，采用碎屑锆石定年分析发现，其包含了大量45～38Ma年龄的碎屑锆石。因此，古新统在珠一坳陷及白云凹陷是否存在尚有待研究；南沙地区仍处于隆升剥蚀状态，其南侧的婆罗洲北部发育深海相浊积岩。

4.3 始新世早-中期(56～40Ma)： 裂陷活动期

始新世早-中期是南海地区发生大规模大陆张裂的时期，形成大陆裂谷型盆地，“被动”裂陷是主要的远场应力构造过程，整个岩石圈范围内发生均匀伸展减薄，与中国东部该时期内的大规模裂陷作用相统一，奠定了现今盆地的基本轮廓(图 5-c)，但是各个盆地的裂陷强度与沉积相特征存在着差异，裂陷强度从东向西变小，裂陷时间由老变新。东部台西南盆地最早发生裂陷，该时期处于海相沉积环境，珠江口盆地接受广泛的湖泊相沉积，西部琼东南盆地只在局部凹陷存在少量沉积，显示整体地形从东向西逐步抬高，在地形条件上有利于东西向古河流的发育。

4.4 始新世晚期—渐新世早期(40-32Ma)： 应力体制转变、复杂的陆缘破裂期

南海地区应力体制发生转变，如珠江口盆地断裂活动特征反映出受近SN向拉张应力场作用。从始新世晚期开始，南海自东向西，发生“三阶段式”的陆缘破裂、海底扩张过程，早期的陆缘破裂发生在南海东北部潮台地区与礼乐—巴拉望块体结合的弧前盆地增生楔薄弱带(图 5-d)，礼乐—巴拉望块体通过转换断层向东南方向漂移，南海北部初次受到海侵作用的影响，海侵范围主要集中在台西南盆地和白云凹陷中东部地区，琼东南盆地在渐新世早期较晚时间才开始受到海侵作用的影响，珠一坳陷及珠三坳陷均为陆相湖泊—河流相沉积(张浩等2015)。该时期也是南海北部东西向昆莺琼古河流发育活动昌盛的时期，为琼东南盆地东侧及白云凹陷西侧输送了大量砂泥质沉积，由于该古河流流经板块拼合带，流域内发育大量由基性、超基性岩组成的洋壳物质，使沉积物中稀土元素Eu含量呈明显的正异常，并且从西向东Eu元素含量的正异常强度逐步减弱，显示在古河流搬运过程中其他物源的混入(Shaoetal.， 2019)。

4.5 晚渐新世(32-23Ma)： 东部海盆稳定扩张期

南海进入东部海盆南北向的稳定扩张时期，礼乐—巴拉望块体逐渐漂移至现今位置(Briaisetal.， 1993)(图 5-e)，由于远离陆源碎屑物的补给，在北巴拉望开始发育碳酸盐岩台地—圣保罗灰岩沉积，反映出巴拉望地块成为大洋中孤立隆起的特征。南海北部全面受海侵作用影响，珠一坳陷处于大型河流三角洲发育的海岸平原相环境。南海西部莺歌海盆地已与南海北部联系在一起，白云凹陷受昆莺琼古河和古珠江双物源影响(邵磊等，2019)。台西南盆地为浅海相环境，主要发育页岩，含薄层灰岩。

5 构造转换的动力学机制

南海北部晚侏罗世—白垩纪在构造位置上处于俯冲形成的“弧—盆”体系中，主要由陆缘火山弧及弧前盆地2部分组成，在古新世仍处于隆升剥蚀为主的状态，造成古新统普遍缺失，到始新世开始进入裂陷阶段，伴有较多的火山活动(图 6)。有关这个过程的动力学机制，前人做了许多探讨，并提出了多种动力学模式，包括古太平洋俯冲带后撤(Lietal.， 2007，2012；Shi and Li，2012；周蒂和孙珍，2017)、古太平洋俯冲板片拆离(Clementsetal.， 2011)、造山带的岩石圈拆沉—拉伸滑塌(邹和平，2001)以及转换断层产生的走滑作用效应(Yangetal.， 2012)等等(图 6-a，6-b)。白垩纪末，古太平洋俯冲板片的拆离(俯冲角度变陡或俯冲速度降低)都可能引起俯冲板片的后撤，产生一种动力均衡作用，使南海北部、西部以及巽他地区发生普遍的挠曲回弹效应，原来的动力地形低位发生抬升剥蚀，南海海域这样的区域性隆升剥蚀作用有从北向南变强的趋势，造成古新统普遍缺失的现象，美济礁NK-1井揭示上渐新统直接覆盖在三叠系岩浆岩之上(Weietal.， 2021)，是这种强烈隆升剥蚀作用的直接体现。随着俯冲板片后撤作用的进一步发展，中国东部大陆内原来中生代的左行压扭应力体制转变为右行张扭，形成一系列走滑拉分盆地(朱夏，1986)。在南海则形成一系列近东西向由早期断陷到晚期大型拆离作用控制的沉积盆地(Renetal.， 2018；Zhaoetal.， 2018；Sunetal.， 2019)。

图 6 南海盆地白垩纪—渐新世早期沉积环境及构造控制示意图(据 Wu et al.， 2016，有修改)Fig.6 A conceptual model showing the Cretaceous to Oligocene tectonic and depositional evolution in the South China Sea(modified from Wu et al.， 2016)

南海扩张拉开的部位处于中生代末板块俯冲的弧前增生楔(潮汕/巴拉望均有混杂堆积产出)到大陆弧(琼东南盆地)位置(Caoetal.， 2020；Cuietal.， 2021)。因此，南海是陆缘扩张形成(Huangetal.， 2019)。

6 结论

1)南海北部新生代不整合界面Tg、T80、T70在不同地区存在差别，南海东北部Tg界面之下基底为中生代海相沉积地层，而其他区域以岩浆岩、变质岩为主；始新世早-中期，琼东南盆地只在部分凹陷深部发育了小规模沉积，白云凹陷以大规模发育的湖泊相为特征，而台西南盆地接受了浅海相沉积；始新世晚期—渐新世早期，白云凹陷受到海侵作用的影响，以海岸平原相和滨浅海相为主，琼东南盆地在渐新世早期较晚时间开始发生海侵。源自南海西侧的昆莺琼古河流始新世晚期开始发育，为白云凹陷输送了大量沉积物，形成大型三角洲沉积。

2)从“活动论”角度重建南海北部白垩纪—渐新世早期构造-古地理特征，划分为5个阶段： 白垩纪安第斯型大陆边缘 “弧—盆”体系发育期；古新世山间盆地发育期；始新世早-中期裂陷活动期；始新世晚期—渐新世早期复杂的陆缘破裂期；渐新世晚期南海东部海盆稳定扩张期。

3)南海北部由主动边缘进入被动陆缘是多重因素影响下的复合模式，南海海域盆地初始裂陷过程具有从北向南、从东向西变新的特征。南海北部始新世早-中期和始新世晚期—渐新世早期形成2期不同的原型盆地，前者是与俯冲带后撤有关的 “被动裂陷”，后者为多重因素控制下的“主动裂陷”，并且2个阶段所反映出的海相沉积特征存在明显差别。

4)南海是陆缘扩张的产物，扩张位置与古太平洋板块与欧亚大陆板块俯冲拼合带基本一致，在南海东部从弧前盆地增生楔部位拉开，在南海西侧则斜穿入大陆边缘火山岩带中。