珠江口盆地裂后阶段性差异沉降及其成因机制*

郑金云 庞 雄 刘 军 张忠涛张青林 韩晋阳 贾兆扬

1 中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东深圳 5180542 中海石油深海开发有限公司，广东深圳 518054

珠江口盆地为南海北部陆缘的新生代裂陷盆地，盆地演化过程中经历了陆缘地壳伸展—薄化—破裂，再到扩张漂移—洋壳俯冲消亡的全过程(钟志洪等，2014；解习农等，2015；任建业，2018)。一般认为，该盆地属于被动陆缘裂陷盆地(朱伟林等，2015；Caoetal.， 2021)，但也存在明显不同于大西洋型典型被动陆缘盆地的现象，如盆地晚期的断裂和岩浆活动显著增强(李平鲁，1993)。尤其是2017—2018年针对南海北部陆缘破裂过程而实施的367/368/368X航次大洋钻探，证实了南海北部陆缘不同于大西洋型典型被动陆缘，兼具贫岩浆和富岩浆的双重性质，并提出“板缘型裂谷盆地”，重点强调了裂陷期周缘板块俯冲背景下伸展拆离和岩浆底侵耦合作用下盆地的形成和演化过程，具有南海边缘海的独特性(Sunetal.， 2019；林间等，2020；Cuietal.， 2021; Zhuetal.， 2021)，但对于盆地裂后期沉降过程及其独特性的分析相对较少。前人关于盆地裂后构造沉降的研究多集中于某一凹陷，缺乏整体性。其次，深水区构造沉降量的定量计算受古水深的影响大，存在较大的不确定性，不能仅依赖定量计算来揭示构造沉降规律(廖杰等，2011；赵中贤等，2011；谢辉等，2014；刘明辉等，2015；陈梅等，2017)。

利用近年来积累的大面积连片三维地震资料、钻井资料和大洋钻探研究成果，从沉积充填结构、沉积环境演变、沉积体系展布等入手，结合南海的构造演化，从整个盆地的角度，对裂后沉降的演变规律及其成因机制进行研究，从而揭示沉积体系展布的内在控制因素，探讨南海北部被动陆缘盆地形成演化的独特性。

1 区域构造背景

珠江口盆地呈北东向展布，具有“三隆三坳”的分布格局。以水深500m、1500m为界，可分为陆架浅水区和陆坡深水区—超深水区。其中，珠一坳陷、珠三坳陷位于浅水区，珠二坳陷、珠四坳陷主要位于深水区，白云凹陷和荔湾凹陷分别位于珠二坳陷和珠四坳陷(图 1)。

注： 柱状图据庞雄等，2018； 有修改图 1 珠江口盆地构造单元与地层柱状图Fig.1 Structural unit map and stratigraphic column map of the Pearl River Mouth Basin

区域构造演化上，以盆地破裂不整合面T70(～33.9Ma)为界，分为裂陷期、裂后期。裂陷期分为3幕裂陷作用，分别对应于珠琼运动一幕、惠州运动(施和生等，2020)、珠琼运动二幕，形成Tg、T83、T80、T70界面，控制始新统下文昌组、上文昌组、恩平组地层充填。裂后期包括渐新统珠海组以来的地层充填，期间经历了白云运动、东沙运动，白云运动以白云凹陷的强烈沉降为主要特征，对应于T60(～23Ma)反射界面；东沙运动以东沙隆起的强烈隆升、断裂作用重新活化为主要特征，对应于T32(～10Ma)反射界面，由于其不同于以拗陷沉降为主的典型断陷盆地裂后期构造变形，因而将该时期称为新构造运动时期(陈长民等，2003；龚再生和李思田，2004；庞雄等，2008；施和生等，2014；何敏等，2019)(图 1)。

区域沉积环境演变上，具有从早到晚、由南向北、由东向西逐渐海侵，经历了由陆相到海相、由浅水到深水沉积环境的演变。始新统文昌组—恩平组以陆相断陷湖盆沉积为主，晚期由东向西、由南向北海侵。367/368航次大洋钻探的U1501、U1502等站位所取得的古生物资料证实，盆地南缘在始新世晚期进入海相沉积环境，且其外侧可能发育深水凹槽(Jianetal.， 2019)；东部邻近的台西南盆地、南部共轭陆缘的礼乐盆地钻井及露头研究表明，始新世为海相沉积环境(李前裕等，2017；任建业，2018)；盆地珠一坳陷东部的韩江凹陷钻井资料研究表明，始新世也可能为海相沉积环境(李前裕等，2017)。随着渐新世南海扩张的开始，盆地进入裂后沉降阶段，发生大范围海侵，沉积环境由陆相逐渐转变为海相，盆地南部的珠二坳陷、珠四坳陷由陆架浅水逐步演化为陆坡深水沉积环境。

2 裂后期构造沉降事件及其沉积响应

构造沉降事件通常与沉积中心的迁移或沉积环境的显著变化具有很好的响应关系，尤其是区域构造沉降事件(任建业，2018)。地震剖面上，通常对应于下削、上超的区域不整合面。依托大面积连片三维地震资料和钻井资料，作者系统分析了研究区关键构造沉降事件、地层充填样式、沉积中心迁移特征。

2.1 关键构造沉降事件及其沉积响应

图 2 荔湾凹陷裂后期构造沉降事件响应特征(剖面位置见图 1，AA′)Fig.2 Response characteristics of tectonic subsidence events in the post-rifting stage of Liwan sag(location seen Fig.1，AA′)

荔湾凹陷渐新世深水扇的研究表明，SB27.2之前，陆架坡折带不明显，深水扇沉积体规模小，分布局限(柳保军等，2011)；而之后则发育大型进积型陆架边缘三角洲—深水扇沉积体系，陆架坡折带分布于凹陷西北部，深水扇垂直于陆架坡折带向东南方向推进，沿北西向狭长的凹槽地带展布，延伸长度可达30km，且该深水扇体已被L21钻井所证实，界面之上发育多套优质深水重力流砂体。

图 3 鹤山凹陷裂后期构造沉降事件响应特征(剖面位置见图 1，BB′)Fig.3 Response characteristics of tectonic subsidence events in the post-rifting stage of Heshan sag (location seen Fig.1，BB′)

图 4 揭阳凹陷裂后期构造沉降事件响应特征(剖面位置见图 1，CC′)Fig.4 Response characteristics of tectonic subsidence events in the post-rifting stage of Jieyang sag (location seen Fig.1，CC′)

2.2 地层充填及沉积中心迁移特征

宏观上，盆地裂后期由北向南发育4个主要沉积中心： 陆架浅水区珠一坳陷沉积中心和陆坡深水区白云凹陷、荔湾凹陷2个沉积中心，以及盆地南部西北次海盆沉积中心(图 1，图 7)。依据地震剖面上地层的沉积充填结构，裂后期沉积中心的迁移具有显著的旋回性，可以分为7个时期(图 5):

图 5 过珠江口盆地裂后期地层充填与叠置样式典型剖面(剖面位置见图 1，DD′)Fig.5 Typical section showing the filling characteristics and stacking patterns in post-rifting stage of the Pearl River Mouth Basin(location seen Fig.1，DD′)

该时期地层主要分布于白云凹陷及盆地外侧的珠四坳陷，珠一坳陷及中央隆起带缺乏该套地层或较薄，具有填平补齐的充填特征，沉积中心主要位于珠四坳陷荔湾凹陷和白云凹陷。荔湾凹陷内，受岩浆持续侵位所产生的隆升作用控制，隆起之间形成同隆升期mini盆地式巨厚充填，沉积中心较为分散。

2.2.2 渐新世晚期珠海组上段沉积时期(～27.2～23Ma)

地层分布于整个盆地，并形成较为典型的被动陆缘充填样式，分为陆架浅水区和陆坡深水区。陆架浅水区主要发育海相三角洲沉积，以低角度前积和加积为主，地层厚度由凹陷区向隆起区逐渐减薄，但差异相对较小，形成极为广阔的陆架区；在陆架边缘发育大型S形进积型陆架边缘三角洲—深水扇沉积体系，陆架坡折带处沉积厚度最大，以大角度前积层为主要特征，其下的深水区发育近水平叠置沉积充填，向周缘隆起区上超减薄，凹陷内岩浆活动显著减弱。由于陆坡区沉降并成为沉积物充填的主要场所，在盆地南部洋陆过渡区(外缘隆起)，该套地层普遍很薄或缺失。

2.2.3 中新世早期珠江组下段沉积时期(～23～19.1)

盆地北部陆架浅水区地层较薄，沉积中心集中在南部深水区，隆起区由早到晚地层灰质含量显著增加，表明持续海侵导致北部物源逐渐萎缩。该时期陆架坡折带位于白云北坡，发育陆架边缘三角洲—深水扇沉积，其南侧广阔地区表现为平行叠置的深水欠补偿沉积，以泥岩为主；白云凹陷、荔湾凹陷沉积中心成为一体，沉积相对较厚，向陆缘外侧逐渐减薄。局部区域有岩浆活动，呈近南北向展布，多与深大断裂有关。

2.2.4 中新世早期珠江组上段沉积时期(～19.1～16Ma)

地层沉积中心显著向北部珠一坳陷迁移，发育低角度前积和加积三角洲沉积，厚度由凹陷区向周缘隆起区减小，但差异较小。早期东沙隆起区碳酸盐岩礁滩沉积广泛发育，并以向高处迁移和湮灭的产状，反映沉降导致的海侵速度快过礁的生长速率；南部珠二坳陷、珠四坳陷继承性发育陆坡深水沉积，陆架坡折带位于白云北坡，晚期坡折带附近的前积特征较明显，其他区域以平行充填为主。地层较浅水区显著减薄，且向南逐渐减薄。

2.2.5 中新世中期韩江组沉积时期(～16～10Ma)

地层沉积中心由珠一坳陷迁移至南部白云凹陷，陆架浅水区地层厚度较一致，在白云北坡陆架坡折带处显著增大，陆架坡折带下方发育大量斜坡扇—深水扇，向凹陷南部逐渐过渡为平行充填，并逐渐减薄。表明陆架区沉降有所减缓，而深水区沉降增大，尤其陆坡区白云凹陷，承纳了主要的沉积物充填，形成了较为典型的陆坡内盆地沉积充填结构。

该时期地层珠一坳陷、珠二坳陷厚度差异较小，但在白云凹陷陆架边缘三角洲—深水扇沉积体系较为典型，陆架坡折带附近发育大角度前积层，坡折带下方大量斜坡扇—深水扇叠置发育，向南部急剧减薄，但在西北次海盆处显著加厚，呈平行充填，发育深水复合水道和深水扇砂体，且已被大洋钻探所证实(Sunetal.， 2018；朱伟林和郑金云，2020)，西北次海盆沉积中心开始形成。表明陆缘区沉降显著减弱，逐渐形成开放陆坡，陆缘沉积物得以进入西北次海盆沉积。

白云北坡陆架坡折带附近地层厚度最大，发育多期次具有大范围顶削特征的大角度前积层。向北部陆架浅水区地层逐渐减薄，南侧深水陆坡区普遍较薄，发育大型峡谷。西北次海盆沉积变厚，呈平行叠置充填，发育深水复合水道—深水扇沉积。表明陆缘区沉降逐渐停止，陆坡由沉积主要卸载区转变为沉积物过路区。

3 裂后阶段性有序差异沉降特征

图 6 珠江口盆地裂后期不同阶段构造沉降特征(剖面位置见图 1，DD′)Fig.6 Characteristics of tectonic subsidence in different stages of the Pearl River Mouth Basin during post-rifting stage(location seen Fig.1，DD′)

(a)—珠江口盆地T70-SB27.2地层厚度分布图；(b)—珠江口盆地T60-SB27.2地层厚度分布图；(c)—珠江口盆地T60-T32地层厚度分布图；(d)—珠江口盆地T32-海底地层厚度分布图图 7 珠江口盆地裂后期4个阶段地层厚度分布Fig.7 Stratigraphic thickness distribution in four stages of post-rifting stage of the Pearl River Mouth Basin

3.1 渐新世早期(～33.9～27.2Ma)沉降特征

盆地发生大规模海侵，以陆相为主的沉积环境向海相转变，地层充填具有填平补齐特征，沉积中心位于盆地外侧的珠二坳陷、珠四坳陷。盆地南缘珠四坳陷内，受岩浆侵位的影响较显著，隆起之间形成mini盆地式巨厚充填，呈多隆凹的不均衡分布，表明西北次海盆岩石圈破裂初期，邻近的陆缘区依然存在较强的岩浆活动。因此，该阶段为陆缘地壳破裂初期，在均衡调整背景下，以盆地整体缓慢沉降为主，以大规模海侵为主要特征，并伴有较强的岩浆作用。

3.2 渐新世晚期(～27.2～23.0Ma)沉降特征

3.3 中新世早-中期(～23.0～10.0Ma)沉降特征

3.4 中新世晚期以来(～10.0～0Ma)沉降特征

～10Ma以来，整个盆地的沉降显著减弱，尤其是陆坡区，使得陆架区大量沉积物推进至陆架坡折带附近，形成大角度前积结构，而陆架坡折带下方，经过前期的充填，形成开放陆坡，大量沉积物通过大型峡谷水道体系，输送至西北次海盆区沉积。同时，该时间对应于珠江口盆地东沙隆起的显著隆升，表明随着周缘板块的持续会聚，南海北部陆缘的沉降逐渐停止，并形成开放陆坡，陆架区的沉积物才能通过大型陆坡峡谷水道系统输送至西北次海盆。

4 裂后阶段性差异沉降的成因机制与地质意义

结合裂后不同阶段岩浆活动与沉降的耦合特征，珠江口盆地的裂后沉降与南海的扩张—停止过程密切相关，其沉降量的大小和沉降的阶段性，分别受控于裂陷期地壳薄化程度和南海扩张脊的跃迁(图 8)。

图 8 珠江口盆地裂后期阶段性差异沉降演化过程与成因机制Fig.8 Evolution process and genetic mechanism of differential subsidence in post-rifting stage of the Pearl River Mouth Basin

4.1 裂后沉降的阶段性与南海破裂扩张过程中幔源物质向南的有序撤离有关，具有显著的南海特色

珠江口盆地裂后3阶段沉降的起始时间分别对应于南海的初始扩张(～33.9Ma)和2次洋中脊的向南跃迁(～27～28Ma、～23Ma)(Briaisetal.， 1993；Sunetal.， 2009；LiandSong，2012；Lietal.， 2014；李春峰等，2020；丁巍伟，2021)。关于扩张脊向南跃迁的机制，存在2种可能： 与区域伸展应力场由早期的近S-N向转变为晚期的NW-SE和与地幔热点的向南迁移有关(丁巍伟，2021)。不论以何种方式实现跃迁，都将通过虹吸效应影响深部幔源物质的流动，从而引起临近陆缘盆地沉降和岩浆活动的响应。通过对南海磁条带的精细分析和研究表明，与陆缘毗邻的西北次海盆扩张脊的磁条带不如中央海盆、西南次海盆清晰(李春峰等，2020)，扩张所经历的时间相对较短。由此推测，在南海渐进式扩张方式下，西北次海盆处于扩张初始阶段(～33.9～27.2Ma)，尚未建立典型的海底扩张体系，扩张脊的虹吸效应不明显，使得邻近陆缘的珠四坳陷沉降不均衡，并伴有较强的岩浆活动。同时，陆缘岩石圈初始破裂期间因拉伸应力释放后产生挠曲回弹效应，对陆缘的裂后沉降有一定缓冲作用。因此，该阶段盆地整体表现为缓慢沉降的过程。

4.2 裂后沉降量的差异受控于裂陷期地壳薄化程度的大小

不同学者基于OBS、重磁反演等方法，研究认为南海北部陆缘的Moho面深度的变化与现今水深成显著的负相关(米立军等，2019；李海龙等，2020)，与地壳的薄化程度呈正相关，表明珠江口盆地裂后沉降量与其裂陷期地壳伸展薄化程度密切相关。珠江口盆地陆架浅水区、上陆坡区、下陆坡区现今地壳的厚度存在显著差异，近似对应于陆缘结构单元的近端带、细颈化带和远端带，陆架浅水区地壳厚度为22～26km，上陆坡区为22～15km，下陆坡区为15～8km，表明裂陷期地壳的薄化程度依次增大(米立军等，2019)。地壳薄化程度的差异性也体现在裂陷期凹陷的分布上，即分别控制了珠一坳陷/珠三坳陷、珠二坳陷、珠四坳陷的分布。现今水深变化与地壳厚度变化趋势基本一致，表明裂陷期地壳薄化程度的差异直接影响了裂后期沉降量的大小，薄化程度越强，裂后沉降量越大。

珠江口盆地裂后阶段性差异沉降与深部幔源物质的有序撤离相关，不同构造带沉降规律的差异也反映了热演化史的分带差异，进而导致储集层成岩演化、烃源岩的成烃演化的不同，从而具有不同的油气成藏规律。

5 结论

珠江口盆地是位于南海北部陆缘的新生代裂陷盆地，裂后沉降的演化过程与南海的破裂—扩张—消亡密切相关，具有显著的阶段性和分带差异性，不同于板内典型裂陷盆地。

2)珠江口盆地裂后沉降的阶段性与南海的初始扩张和2次向南跃迁，导致陆缘区深部幔源物质向南的有序撤离有关，使得陆缘盆地的沉降向北有序扩展；其沉降量的差异性受控于裂陷期陆缘岩石圈伸展薄化程度，薄化程度越强，裂后沉降量就越大。

3)珠江口盆地裂后阶段性差异沉降控制了不同时期深水与浅水沉积环境的演化和陆架坡折带的分布，进而控制了深水区不同类型储集层的空间分布。

致谢研究过程中，国际大洋发现计划(IODP)在南海北部陆缘实施的367/368/368X航次钻探所取得的系列研究成果，为作者提供了重要的标定和启发，并得到了同济大学朱伟林教授、中国科学院南海所孙珍研究员、中国地质大学任建业教授、雷超副教授提出的意见和建议，在此表示衷心的感谢。同时，衷心感谢各位评审专家给予的宝贵意见和建议。