南海北部陆架断裂系统特征及其对南海打开的启示意义

惠格格, 李志刚, 王伟涛, 胡立天, 梁 浩, 张逸鹏,李冠华, 闫永刚, 孙 闯, 张培震

南海北部陆架断裂系统特征及其对南海打开的启示意义

惠格格1, 2, 李志刚1, 2, 王伟涛1, 2, 胡立天1, 2, 梁 浩1, 2, 张逸鹏1, 2,李冠华3, 闫永刚1, 2, 孙 闯1, 2, 张培震1, 2

(1. 中山大学 地球科学与工程学院, 广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室, 广东 珠海 519082; 2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 广东 珠海 519082; 3. 汕头大学 理学院, 广东 汕头 515063)

南海作为西太平洋最大的边缘海之一, 处于太平洋、欧亚以及印‒澳三大板块的俯冲汇聚作用之下, 具有复杂的形成机制和演化历史。白垩纪初期, 受太平洋板块俯冲后撤的影响, 南海北部和南部陆缘发育一系列 NE-NEE向张性剪切岩石圈断层, 渐新世以来断裂大多继承先存断裂继续活动。中新世晚期, 菲律宾海板块向西持续俯冲, 在南海北部陆缘出现大量的近EW-NEE向张性正断层和NWW-NW向剪性基底断裂。两期断裂在平面上相互交切, 代表了不同时间板块间的相互作用, 但这些断裂在垂向上经历了何种构造活动, 如何控制南海北部盆地群的沉积分布, 与周围板块的运动方式有何联系, 这些问题仍未得到系统解答。最重要的是, 这些断裂系统的形成过程对南海海盆的打开方式有何启示意义是一个值得深入探讨的问题。本文针对南海北部陆缘发育的NE-NEE向、NW向和E-W向断裂系统,选取NE-NEE向、NW向断裂系统最发育的珠江口沉积盆地, 利用重磁异常、沉积地层和地震反射剖面资料, 系统分析断裂结构特征及活动历史。结果表明, 南海北部陆缘一系列NEE向的断裂带(如滨海断裂带), 很可能为珠江口盆地内部控坳主控断层, 且断裂活动经历了早期低角度滑脱, 第二期高角度正断及第三期右旋走滑, 三期活动分别对应南海陆缘地区裂陷阶段、裂后坳陷阶段和断块活动三大构造阶段, 反映了南海周边板块俯冲汇聚速率和方向改变过程中该组断裂在南海打开的重要作用。

重磁异常; 南海北部陆缘; 断裂系统; 滨海断裂; 板块俯冲汇聚

0 引 言

南海位于西太平洋和特提斯两大动力体系域联合作用区, 受印度‒欧亚‒澳大利亚多板块俯冲汇聚作用的影响, 南海各盆地普遍经历了多阶段构造体制与热体制的变化。晚白垩世‒古新世, 太平洋板块由早期向欧亚大陆低角度俯冲逐渐转变为高角度俯冲, 使得东亚大陆边缘由挤压逐渐向伸展转化, 地壳结构逐渐伸展、垮塌、变薄, 在华南陆缘产生初始裂解(李武显和周新民, 1999)。始新世晚期, 印度‒欧亚板块碰撞及太平洋俯冲后撤, 欧亚板块下地幔岩石圈向东南方向蠕散进一步加速了南海北部陆缘的裂解过程, 出现大规模拉伸断裂和断陷活动。渐新世‒中新世, 古南海以北出现新的扩张中心, 古南海逐渐消失, 形成了现今的南海中央洋盆和洋壳(林鹤鸣和郝沪军, 2002; 郝天珧等, 2009; 鲁宝亮等, 2011; 程世秀等, 2012)。南海海盆扩张带来地壳运动第一个表现是强烈的水平方向变化, 分别在盆地南侧和北侧形成一系列NE-NEE向挤压剪切岩石圈断层。同时, 盆地周围发育不同性质的陆缘断陷盆地, 从西向东依次为北部湾盆地、琼东南盆地、珠江口盆地和台西南盆地, 现统称为“南海北部盆地群”(李三忠等, 2012)。新生代以来, 这些盆地不同程度地经历了神狐、南海、东沙等多期次构造运动。地震剖面显示, 早期形成的NE-NEE向右行基底走滑断裂呈花状构造, 继承了华南大陆边缘白垩纪‒始新世早期压剪性的断裂特征, 多数控制了盆地古近系(主力生烃层)的沉积分布(刘以宣等, 1993; 李三忠等, 2012; 王霄飞等, 2014; 王鹏程等, 2017)。平面上这些断裂几乎呈等间距分布, 广泛发育在北部陆坡地区; 纵向上断裂则切割岩石圈, 控制了南海北部陆缘盆地群的形成(徐杰等, 2006; 王霄飞等, 2014;曹敬贺等, 2014)。中新世晚期受到太平洋板块向欧亚板块北西向俯冲作用, 以及印度‒欧亚板块的碰撞影响, NE-NEE向断裂再次活化, 南海陆缘开始扩张, 断裂性质逐渐转为张性, 具明显的右行走滑特征。上新世‒第四纪, 该组断裂仍具有活动性, 控制了第四纪玄武岩和地震活动的产生(鲁宝亮等, 2015)。据现有资料, NE-NEE向断裂组合包括滨海断裂、长乐‒南澳断裂、吴川‒四会断裂、合浦‒北流断裂、丽水‒海丰断裂及其南海北部延伸段和邵武‒河源‒阳江断裂等(图1)。伴随菲律宾海板块向西持续俯冲, 在南海北部陆缘还新生大量近NEE-EW向张性正断和NW-NWW向剪性基底断裂(万玲和姚伯初, 2000; 鲁宝亮等, 2011; 程世秀等, 2012), 现今这些断裂依然是大震频繁的地震活动带。其中, NW-NWW向左旋张性断裂形成于南海第二次扩张期间, 其排布形态同样具有斜列式等间距的特点, 切割NE-NEE向断裂体系, 形成研究区“棋盘状”以及“南北分带, 东西分块”的构造格局(程世秀等, 2012; 王霄飞等, 2014; 王鹏程等, 2017)。最新形成的NEE-EW向断裂主要存在于早期NE-NEE向和NW-NWW向断裂共同围限的菱形盆地范围之内, 表现为一系列陡倾的正断层, 控制了盆地内一些次级凹陷的发育(图1)。

由此可见, 南海北部陆缘断裂构造体系复杂, 具有多期次、规模不同、活动强度不同等演化特点, 且力源复杂。由于南海北部盆地沉积过程中保留了洋盆扩张、洋脊跃迁和洋盆扩张停止等关键构造事件的完整记录,目前很多学者提出南海北部深水盆地群断裂系统的形成和演化与南海的打开过程息息相关, 特别是盆地的沉积证据都指向NE-NEE向断裂系统对南海北部地区的沉积‒构造过程具有一定的控制作用。利用断裂几何学、运动学特征解析等研究为盆地裂解和打开时期提供了重要信息。例如, 钟广见等(2008)通过区域重力、磁力异常对比, 认为NE向断裂构造密度最大, 发育较早, 是控制地形轮廓的主体断裂, 且继承了中生代区域构造线的方向, 在南海东北部构造格局形成中起到了十分重要的控制作用。李三忠等(2012)、程世秀等(2012)根据南海北部地区地质地球物理剖面资料, 结合华南陆缘断裂展布, 认为早期陆缘断裂十分发育, 并提出南海北部地区盆地群形成和演化的主控断层为NE-NEE向右行右阶的走滑断裂, 且该断裂为华南陆缘断裂向海域的延伸, 控制了南海北部盆地群内部棋盘状的构造展布形态。谢玉洪等(2015)在高精度二、三维地震资料系统解释的基础上, 指出琼东南盆地复杂的断裂系统是在先存构造条件下(NE-NEE向构造)叠加两期不同方向伸展变形, 其中南北向伸展(N-S向构造)递进变形起主导作用。由此可见, NE、NE-NEE方向断裂在南海北部盆地构造格架形成过程中起到了至关重要的作用。但是由于NE-NEE向断裂规模大, 延伸范围广, 且后期受NW向断裂的切割作用, 在地震剖面上和平面上都具有不连续分布的特征(陈冰等, 2005; 王霄飞等, 2014)。目前除油气勘探资料外, 获得的海底资料仍然相对较少, 对华南北部断裂缺少系统的研究工作, 对于南海打开过程中的动力学问题也未有统一的观点。因此南海北部断裂系统演化过程中控制盆地群形成和演化的主控断裂尚不清楚, 南海地质演化过程中的结构、过程和动力学机制等最核心的问题尚未得到解决。本文通过综合南海北部地区重磁、沉积及地震剖面等厘定的构造‒沉积特征, 对NE-NEE向断裂系统进行深入研究, 探讨其发育演化对盆地形成的控制机制, 进一步探讨南海北部断裂系统对南海打开的启示意义。

图中虚线所围限区域为珠江口盆地。1969 M6.4等为沿滨海断裂带两侧发育的历史地震记录时间和震级大小。

1 区域构造背景

南海属于东南亚大陆边缘最大的边缘海盆地, 具有复杂的多板块俯冲汇聚构造历史。中生代开始, 东亚陆缘长期处于古亚洲洋、特提斯洋和太平洋三大构造域的巨型汇聚背景之下, 经历了复杂的俯冲、增生, 微地块拼合、碰撞, 洋盆产生、消亡的复杂构造过程。新生代, 北部的古亚洲洋消失, 东亚陆缘开始处于特提斯构造域和太平洋构造域联合作用背景下, 大陆边缘的构造、地形、地貌演变受控于这两大构造域动力学体系的交锋过程(李三忠等, 2012)。在这个过程中, 东亚陆缘东部西太平洋活动大陆边缘完成了从安第斯型到西太平洋沟‒弧‒盆体系的转换(Taylor and Hayes, 1983); 同时南部印度板块与欧亚板块碰撞, 青藏高原形成, 东亚地形由中生代的东高西低转变为新生代的西高东低, 从青藏高原到东海、南海呈现出台阶式地貌格局。

随着古太平洋板块俯冲到西太平洋活动大陆边缘之下, 古太平洋洋壳面积逐渐减小。新生代早期, 古太平洋和太平洋之间的洋中脊到达西太平洋主动大陆边缘的俯冲带(Müller et al., 2008), 并且开始洋中脊俯冲, 形成西太平洋大陆边缘新生代盆地群。新生代早期, 太平洋板块俯冲方向为NNW向, 47 Ma俯冲方向转为NWW向(Maruyama and Seno, 1986),应力场逆时针旋转使得西太平洋大陆边缘形成S-N向和NE向断层, 盆地的长轴方向、新生断裂走向也发生逆时针旋转。而且前人也指出, 45 Ma东亚陆缘南部印度板块和欧亚板块处于软碰撞向硬碰撞转变阶段(刘池洋等, 2009; 夏林圻等, 2010), 挤压应力大幅度增加, 使得47～45 Ma开始, 西太平洋大陆边缘逐渐处于右行走滑的应力场下(李三忠等, 2010), 并且右行应力场向东不断迁移。在此构造背景下, 西太平洋大陆边缘陆区和海区盆地群, 包括渤海湾盆地、南黄海盆地、东海陆架盆地以及南海北部的台西南盆地、珠江口盆地、琼东南盆地、莺歌海盆地等开始快速形成(李三忠等, 2012; Hui et al., 2016a, 2016b; 王鹏程等, 2017)。

在南海北部, 自西向东发育北部湾盆地、琼东南盆地、珠江口盆地和台西南盆地等多个含油气沉积盆地, 前人将这些盆地统称为“南海北部盆地群”(李三忠等, 2012; 程世秀等, 2012; 王鹏程等, 2017)。这些盆地群均分布于南海北部大陆边缘减薄的陆壳之上, 且总体上呈NEE向展布。近年来, 许多学者对于南海北部盆地群的构造演化和油气储运体系进行了大量的研究(吴时国和秦蕴珊, 2009; 朱伟林等, 2010; Hui et al., 2016b), 揭示新生代华南大陆发生了强烈陆缘裂解, 34 Ma时南海洋盆开始扩张(Li et al., 2016), 两侧的被动大陆边缘和盆地群逐渐形成(Franke et al., 2014)。古新世, 南海北部盆地群开始沉积, 古近纪沉积厚度呈西厚东薄(Zang et al., 2016); 中‒晚始新世, 盆地群内部发生快速沉积, 沉积速率最大的区域位于琼东南盆地和珠江口盆地西部(任建业和雷超, 2011; Ren, 2014); 晚始新世‒早渐新世, 沉积中心则向东迁移到珠江口盆地东部及台西南盆地; 渐新世中期, 南海北部盆地群进入断陷末期, 南海洋盆从东向西穿时打开(Wang et al., 2021),盆地群内断裂停止活动, 盆地由断陷期进入热沉降期。在盆地演化、洋盆扩张和台湾造山带形成过程中, 南海北部的盆地群尤其是深水陆坡区保留了整个区域演化过程的构造变形、岩浆岩、沉积地层记录(孙珍等, 2005; 张功成等, 2010; 任建业和雷超, 2011; 解习农等, 2015), 对应着南海北部大陆边缘独特的地形‒地貌、重‒磁‒震特征、油气储运体系等(吴时国和秦蕴珊, 2009; 朱伟林等, 2010; 张功成等, 2010; Hui et al., 2016b)。

2 南海北部重磁异常特征

本次研究的重磁资料主要来源于全球公开的地球物理数据源。其中航磁异常数据来源于NOAA发表的EMAG2全球磁异常网格数据, 由卫星、船舶和航空磁测量数据汇编而成。磁异常是由地质特征增强或抑制局部磁场引起的, 可以增加对地表下结构和地壳组成的了解。重力异常网格数据来自重跟踪地球卫星和ERS-1测高的全球海洋重力, 主要基于ASCII xyz格式的全球1分网格中提取地形或重力数据。资料系统处理通过对已有重、磁异常数据的融合、转换和反演处理结果, 绘制重、磁异常分布规律平面成果图, 对南海北部地区基底起伏、断裂和地壳深部构造分布特征进行刻画; 在断裂构造追踪方面, 强调海陆构造联系, 重点追踪NE-NEE向、NW向断裂带的展布规律。一般重、磁异常可分为两部分: 小尺度局部异常和大尺度区域背景异常, 局部异常体为地下物质分布不均匀所引起的异常, 如断裂和隐伏岩体等。重磁异常圈闭表现为块状或者圆状, 指示构造单元走向不明显, 而呈带状或者椭圆状、串珠状表征构造单元具有一定走向, 很可能为沿断裂发育侵入岩的磁异常反射。

2.1 自由空间重力异常特征

自由空间重力异常对本区内的断裂反映较好。总体上, 南海北部重力异常起伏形态特征表现为条带状, 与南海北部陆缘和盆地区的隆起和凹陷具有很好的对应关系。由南向北, 华南陆块重力异常呈等轴状或长轴状分布, 长轴走向主体为NE向, 可能对应NE向基底主断裂; 次级异常长轴为NEE至E-W向, 可能对应NEE向次级断裂。南海北部陆缘重力异常呈明显的狭长带状分布, 且在华南沿海陆缘及陆架坡折带地区异常明显增强。东沙隆起带, 总体呈NE-NEE走向的大团块和长条带状重力正异常, 且异常向东逐渐增强。而在海南隆起带, 重力正异常隆起主要呈环形, 并在海南岛西北部和东南地区出现异常高值, 可能是NE-NEE向断裂与NW向走滑断裂活动导致岩浆侵入的结果。正、负重力异常梯度带总体也为NE-NEE向, 并沿南海北部盆地群南、北边界延伸, 说明控制南海北部盆地群坳陷沉降的主要断层为NE-NEE向。但这些异常呈不连续状分布, 且被NW向断裂错切, 呈明显的分段特征。由西向东, 正、负重力异常具有相间分布的特点, 与南海北部隆起与坳陷相间分布的主要构造特征一致(李三忠等, 2012)。这些现象进一步说明以NE-NEE向为边界断裂和控坳断裂的南海北部陆缘盆地在形成过程中经受了多期次不同方向的构造运动, 且在两组断裂交汇处岩浆易上涌而改造基底。

断裂构造识别方面, 可以用重力等值线梯度带区分。其中断裂处重力等值线可以稀疏、也可密集, 呈狭长带状或者线条状分布, 常稳定在一个方向展布, 即使被其他方向等值线错切, 只要水平错距在一定范围内, 仍可认定为一条断裂。滨海断裂带(图2中断裂A)东部异常值为红黄色, 而在断裂以西异常值为蓝色。整体上该断裂带福建‒台湾段沿NE-NEE向断裂在东部右阶排列, 且向东断裂切割深度和延伸规模明显增大。另外一组较为突出的断裂(图2 中断裂B)延伸为陆架坡折带处的NE-NEE向超壳断裂, 显示断裂处地壳厚度较北部盆地区小, 很可能为珠江口盆地南部边界断裂(后统称珠南断裂), 具异常减薄特征。

2.2 航磁异常特征

一般认为, 基性、中性侵入体磁性较强。南海北部陆缘航磁异常分布存在鲜明的特点, 近海岸线一侧显示为不连续的椭圆状磁异常高值, 而陆架外缘沿东沙‒北港隆起带的高磁异常呈现显著的连续条带状分布特征(图3中红色正异常区)。而层析成像结果显示, 东沙群岛新生界之下存在一套高速体。前人研究认为, 该异常很可能与晚中生代俯冲(或碰撞)的岩浆活动有关。姚伯初等(1995)认为该隆起带磁异常为侏罗纪‒白垩纪时期形成的火山弧; 周蒂等(2006)则提出该异常代表与中生代俯冲增生相伴的火山弧, 为一条与东沙‒闽浙隆起带平行分布的岩浆构造带。

A. 滨海断裂带; B. 珠江口盆地南部边界断裂。黑色实线和虚线分别代表陆地和海域已经识别出的断裂构造。

相较于自由空间重力异常展布特征(图2), 南海北部磁异常起伏形态的走向特征基本与其保持一致。磁场区异常条带总体呈NE-NEE走向展布特征, 局部也存在E-W向磁性异常体。华南及南海北部陆缘磁异常特征(图3)揭示, NE-NEE向、NW向磁异常连续性好、延伸较远, 两者相互错切。这两组磁异常或磁异常组合反映断裂规模较大, 与研究区NE-NEE向、NW向断裂系构成的总体断裂格架一致。从两组断裂交切关系来看, NE-NEE向断裂系磁异常较为连续; 但历史地震记录显示, 沿该断裂地震带间断分布, 很可能是该组断裂系被 NW-NWW 向断裂系切割导致其连续性变差。因此, NE-NEE向断裂系发育时间应早于NW向断裂系, 且NW向断裂系为走滑型。另外, 南海北部陆缘盆地内部还发育了一系列近E-W向长轴状磁异常, 多以负磁异常为主, 与该区域发育的控凹正断层吻合较好。在形态上, 这些磁异常受NE-NEE向断裂制约, 呈雁列式断续分布, 最后与NEE向断裂系一起被后期的NW向断裂系切割。断裂带识别方面, 在南海北部近海岸带分布一条巨大的负异常磁条带——滨海断裂带, 紧邻断裂两侧的磁异常呈现出明显的正异常。野外地质观测结果表明, 南海北部海岸带地区广泛分布的花岗岩应无磁性和弱磁性, 该大型负异常磁条带的产生很可能与深部贯入的强磁体有关, 是深大断裂存在的标志。沿断裂带走向, 粤东近海磁异常幅值升高, 形态细长; 粤西近海磁异常幅值升高不明显, 仅为孤立的细小高值圈闭, 揭示断裂带两侧的地壳厚度有变化(赵明辉等, 2004)。另外, 南海北部磁异常显示在滨海断裂带南侧陆架坡折带地区还存在一条与之基本平行展布的深大断裂, 该断裂磁异常特征走向与东沙‒北港隆起带近似平行分布, 表现为不连续的细长条状、串珠状的低磁异常。钟广见等(2008)通过跨陆架坡折带深地震反射剖面揭示该断裂是一条岩石圈断裂(珠南断裂), 很可能为南海北部地区洋壳‒陆壳的分界线, 该断裂往西延伸, 与西沙海槽南缘断裂、琼东南盆地南界断裂大体相连。

3 研究区沉积地层分布特征

南海北部陆缘新生代沉积分布广泛, 遍布整个南海北部陆架盆地群, 在陆架‒上陆坡区新生界沉积物厚度平均约3 km, 由陆架到深海沉积厚度逐渐变小。沉积中心往往对应断裂分布, 珠江口盆地沉积厚度等值线图(图4)显示, 沉积中心总体沿NE-NEE向展布呈串珠状排列, 新生代沉降中心靠近东北部地区, 位于珠Ⅱ坳陷和珠Ⅰ坳陷, 最大沉积厚度甚至超过4 km(张远泽等, 2019)。根据珠江口盆地新生界沉积物等厚线形态, 可以推测出南海北部地区断裂分布情况, 除去珠江三角洲地区沉积厚度与古地形、河流水系等的因素, 沉积中心的分布与断裂位置基本吻合(图4), 分别对应近海岸带滨海断裂带以及陆架‒陆坡破折带的珠江口盆地南部边界断裂。同时, 断裂对于沉积物等厚线的形态和展布以及河道水系的形成都具有重要的控制作用。另外南海北部陆缘新生界厚度等值线图(图4)显示, 除NE-NEE向断裂以外, 盆地内各次级凹陷中还广泛发育NW向断裂。其中NE-NEE向断裂控制的沉积等厚线连续性最好, 但在靠近华南陆缘一侧, 沉积中心除受NEE向断裂控制以外, 也受NW向断裂的影响。而且, 盆地内部一些沉积等厚线也表现为局部零散分布的近E-W向, 具备独立的等值线形态, 应与盆地内部发育的少数近E-W向的小型控凹断裂有关。

A. 滨海断裂带; B. 珠江口盆地南部边界断裂。黑色实线和虚线分别代表陆地和海域已经识别出的断裂构造。

除此之外, 盆地群沉积物厚度分布(图4)还显示在不同断裂区段, 等值线分布的密度和规模特征也不同。从南西到北东, 沉积厚度逐渐减小, 指示在断裂形成和演化过程的不同段落存在差异活动。如靠近华南沿海地区断裂活动过程中, 西部阳江凹陷、文昌凹陷沉积厚度可达4345 m; 而靠近中部西江凹陷、惠州凹陷沉积厚度为2130～4685.5 m, 即近东侧沉积中心厚度由陆丰凹陷的3392.5 m骤减至韩江凹陷的1484.2 m。在靠近陆架坡折带一侧, 沉积厚度等值线总体上表现为荔湾凹陷和白云凹陷两大沉积中心(陈长民, 2003; 钟志洪等, 2014; 吕彩丽等, 2017)。

4 南海北部陆缘NE-NEE走向断裂构造演化特征

4.1 滨海断裂带珠江口段Z07地震剖面反射特征

南海及邻区断裂构造十分发育, 综合地质、地球物理资料显示, 南海北部陆缘地区大型NE-NEE向断裂系统主要分布于华南大陆边缘, 很可能形成于中生代太平洋板块向华南大陆俯冲挤压过程中。平面上, 这组NE-NEE向断裂多呈左阶雁列式排列, 延伸距离长(达上千千米), 规模大, 包括滨海断裂带以及沿陆架坡折带强烈活动的断裂带‒珠南断裂带等。其中滨海断裂带北东起福建沿海的平潭一带, 经泉州、汕头、珠江口的担杆列岛和佳蓬列岛、阳江沿海和琼州海峡, 向南西方向继续延伸。该断裂带总体呈NE-NEE向分布于南海北部, 沿岸外30～50 m等深线展布, 大致与海岸线平行(刘以宣, 1986), 断裂带两侧地质构造单元、地球物理特征差异显著被认为是正常陆壳与减薄型陆壳的分界断裂(夏戡原和黄慈流, 2000; 徐杰等, 2006), 也是华南陆块与南海盆地的边界及珠江口盆地的北西边界(徐辉龙等, 2010)。海上浅地震剖面结果显示, 该断裂带错断了晚更新世以来的沉积层, 说明晚第四纪以来滨海断裂带具有很强的构造活动性, 表明其不仅控制了新生代的沉积分布, 还被认为是华南陆缘重要的孕震和发震构造。

红色实线和虚线分别代表陆地和海域已经识别出的断裂构造。

早期的深地震反射剖面探测结果显示, 滨海断裂宽约60 km, 由若干条互相平行斜列的断层组成, 位置对应于前文提到的重磁异常巨变异常带。曹敬贺等(2014)进一步利用多道地震探测揭示滨海断裂带珠江口段呈现为一系列倾向南东或北西的正断层, 表现为地堑、地垒式组合, 断裂带宽仅20 km。熊成等(2018)则认为滨海断裂带呈向南东倾的多米诺式组合, 断裂带宽度从40 km到55 km不等, 呈现东、西两头宽中间窄的形态。为此, 2017年中山大学重新布置了滨海断裂珠江口段的多道地震调查, 炮间距缩小至20 km左右, 得到了更多更加精细的多道地震剖面, 精确地厘定出滨海断裂珠江口段的几何学特征。

断裂带珠江口段地震剖面Z07结果显示, 滨海断裂带深部层系断面连续清晰(图5), 由深至浅断距逐渐变小, 多表现为低角度铲式正断层, 倾角约35°～55°, 主干断裂总体南倾, 断裂带东南侧发育呈西断东超的半地堑式断陷盆地, 其断陷阶段持续到～16 Ma。该断裂向下切穿了新生界基底, 控制了文昌组和恩平组的断陷沉积过程, 向上切至珠海组。剖面特征指示新近纪断裂仍持续活动, 是研究区早期裂陷的主控断裂, 控制了一系列NE-NEE走向带状坳陷的形成与演化。

4.2 滨海断裂带珠江口段Z10地震剖面反射特征

Z10地震剖面位于Z07以东, 结果显示NE-NEE向滨海断裂带在该段继续控制文昌组和恩平组沉积, 对应了神狐运动和珠琼运动Ⅰ幕和Ⅱ幕等断‒坳转换关键阶段(图6)。下文昌组沉积期对应裂陷Ⅰ幕中的初始‒强裂陷阶段; 上文昌组沉积期对应裂陷Ⅰ幕中的弱裂陷阶段; 下恩平组沉积期对应裂陷Ⅱ幕的初始‒强裂陷阶段; 上恩平组沉积期对应裂陷Ⅱ幕的弱裂陷阶段。地震剖面上, 主要反射界面 T70～T60对应珠海组, 体现区域从断陷湖盆到海相过渡的特点, 为断‒坳转换期。Z10剖面上, 我们还观察到了类似“包心菜”的新型构造样式, 这种构造样式常见于中国东部新生代沉积盆地中, 表现为断裂下盘凹陷之中形成“凹中隆”结构, 为一系列相向断层组成的构造现象, 其剖面结构形似“包心菜”。除了剖面结构形态上形似“包心菜”状外, 剖面中还显示较多倾向相向而生的断裂, 断裂切割地层较多, 各断层断距较小且比较平均。剖面结果显示外侧断裂规模较大, 越向“菜心”部断裂规模越小, 南倾和北倾断裂末端收敛于深部, 多条断裂在深部合并成一条或两条断裂, 可能与基底早期前古近纪褶皱或者逆冲断裂重合或者在此基础上发育。断裂活动性方面, 断距平均较小, 且外侧断距大于中部断距。自西向东, 滨海断裂带珠江口段断裂活动性和控盆作用逐渐加强, 兼具控盆和控坳功能, 为珠江口盆地的北部边界。

A. 始新统文昌组; B. 始新统恩平组; C. 渐新统珠海组; IBU. 初始裂解不整合面; Tg. 65 Ma; T80. 36 Ma; T70. 30 Ma; T60. 23 Ma。图中红色线为地震剖面上解译出的断裂。

Tg. 65 Ma; T80. 36 Ma; T70. 30 Ma; T60. 23 Ma。图中红色线为地震剖面上解译出的断裂。

4.3 南海北部NE-NEE走向断裂深、浅部耦合和多期演化特征

综上研究显示, 南海北部盆地群在不同沉积阶段发育了几个较为明显的不整合面。其中T80为研究区裂陷构造层内下‒中始新统(文昌组)与上始新统‒下渐新统(恩平组)之间的区域角度不整合面, 代表珠琼运动Ⅰ幕向珠琼运动Ⅱ幕构造转型。T70为始新统恩平组沉积向珠海组沉积转变形成的剥蚀不整合面。因此, 不整合面是南海北部地区多期次构造运动在沉积地层中的直接记录, 断裂体系是古近纪以来裂陷‒坳陷构造变形最主要的形式, 两者的形成往往与两幕构造调整事件密切相关, 同时对应的断裂活动也具有多期次活动的特征。

根据断裂在地震剖面上的构造样式差异, 研究区NE-NEE走向滨海断裂带的演化可分为深层、中层和浅层三套断裂体系。深层断裂体系表现为断面倾角低, 切穿基底面后逐渐与燕山期逆冲褶皱基底重合, 具有明显的大型水平滑脱构造层特征。中层断面断距较大, 剖面上具有明显的断错, 表现为生长断层的特征, 自下而上控制沉积作用逐渐变弱, 并且断裂位置经多期调整逐渐由缓变陡(图7)。浅层断裂体系在局部区域发育, 总体上表现为密集的张扭断裂, 在浅表为一系列正断层组合成的负花状构造。从剖面上看, 断裂体系呈上陡下缓的铲式或者板式正断层, 断裂浅层与深层发育位置的叠合反映了两者之间具有一定的继承关系。

研究认为, 南海北部陆缘基底上发育的NE-NEE向断裂构造为燕山期挤压构造作用下形成的先存逆冲构造体系, 其主体发育在前新生代花岗岩基底之上。神狐运动后, 陆缘发生大规模伸展, 受早期NE-NEE向及晚期 EW-NWW向两组先存体系联合控制, 导致坳陷整体展布方向为NE-NEE 向, 此时断裂活动以伸展断陷为主, 在剖面上表现为一系列楔形的半地堑沉积组合。在珠琼运动Ⅰ幕向Ⅱ幕转换的过程中, 区内应力场发生了变化, 构造运动由伸展为主逐渐向伸展兼走滑过渡, 产生断裂系统由深部的正断为主向浅部负花状走滑过渡和转变。南海运动以来, 陆缘裂解逐步减弱甚至停止, 伸展作用逐渐变弱, 以走滑为主。断裂活动整体减弱, 并且大面积停止活动。但由于周边板块俯冲系统运动方向和速度差异, 导致局部应力场的积累与释放作用在断裂不同段仍有活动。浅地层剖面资料显示, 晚更新世以来滨海断裂带珠江口段仍具活动性, 最浅切割深度为海底沉积物以下12.5 m, 影响晚更新世以来多期次海侵地貌的形成。地震剖面上表现为同一位置很多断裂与早期断裂具有较大的扇形交角, 伴随弧形构造反射(图7), 应为断裂在不断调整过程中产生的构造痕迹。地震剖面上现今仍然活动的断裂多具有陡直的断层面反射, 向上近乎切穿海底, 有些断裂向下逐步延伸继续活动。

综上, 晚中生代起, 断裂活动性质发生过多期次的转换(图7-Z09 A、B、C所在位置), 且深、浅部断裂具有继承和再次活化的特征。断裂活动性质包括第一期晚中生代低角度滑脱断层特征, 第二期以高角度正断层为主及第三期渐新世以来右旋走滑特征, 不同时期断裂构造在深、浅部转换耦合, 共同组成了复杂的断裂带系统。

A、B、C分别代表断裂活动性质多期次转变的位置。

4.4 珠江口盆地主控断裂的活动特征

断裂体系的演化规律可通过断裂活动性来反映, 断裂活动速率是断层活动性的最直接的定量表征。珠江口盆地始新世的断陷作用受控于NE-NEE向控盆断裂。根据该断裂系统(包含滨海断裂带)不同段的活动性不同, 可以将珠江口盆地划分为西、中和东部三部分(图8)。

西部的珠三坳陷控制沉积的主要断裂为NE-NEE向, 断裂活动可分为四期: ①中始新世(T90～T82, 49～42 Ma), 断裂活动速率为150 m/Ma; ②晚始新世(T82～T80, 42～36 Ma), 断裂的活动速率进一步变大, 可达200 m/Ma; ③晚始新世末期(T80～T70, 36～ 30 Ma), 断裂的活动速率达到峰值, 超过350 m/Ma; ④渐新世(T70～T60), 断裂的活动速率迅速下降, 且盆地中近E-W向断裂开始活跃, 断裂具有走滑性质, 到渐新世末期大部分断裂停止活动。

中部珠二坳陷的顺德凹陷和珠一坳陷的恩平凹陷、西江凹陷控制沉积的断裂主要为NE-NEE、E-W走向断裂, 其活动性分为两期: ①中始新世(49～ 40 Ma), 对应文昌组沉积期, 在恩平凹陷中断裂活动速率可达300 m/Ma, 在顺德凹陷断裂活动速率超过450 m/Ma; ②晚渐新世(40～32 Ma), 对应恩平组沉积期, 断裂的活动速率显著变小, 大约在100 m/Ma;恩平组沉积期之后, 断裂活动强度大幅减小, 多数断裂停止活动。

东部珠二坳陷的白云凹陷和珠一坳陷的惠州凹陷、陆丰凹陷和韩江凹陷控制沉积的主要断裂为NEE向和E-W向断裂。断裂的活动性分为两期: ①中始新世(49～40 Ma), 断裂活动速率较小, 在珠一坳陷中速率不到150 m/Ma(图8), 在白云凹陷中最大可达250 m/Ma; ②晚始新世(40～32 Ma), 断裂活动速率较中始新世变大, 在珠一坳陷中活动速率约300 m/Ma, 在白云凹陷中活动速率最大超过600 m/Ma;在T70之后, 除白云凹陷之外, 盆地中大部分断裂停止活动。

综上, 珠江口盆地断裂活动在不同阶段存在显著差异。断裂活动特征显示, 这些幕式断裂活动表现为一系列的NE-NEE向断层作用, 然后转为NEE向、E-W向断层作用, 表明始新世应力场为顺时针方向旋转(Wang et al., 2020)。随后, 裂陷强度急剧下降, 众多断层活动终止, 形成挠曲沉积。

同时, 从沉积范围来看, 早‒中始新世裂陷作用期, 南海北部古新世裂陷作用局限于珠江口盆地东、西部的陆丰凹陷和文昌凹陷, 沉积厚度小于1000 m的神狐组碎屑冲积相反映出NE-NEE向断裂活动普遍较弱(陈长民等, 2003; 钟志洪等, 2014)。始新统, 早‒中始新世作为主要裂陷期, 珠江口盆地西部NE-NEE 向基底正断层具有数量少、规模大(>50 km)、活动强度较高的特点。相较于裂陷初期, NE-NEE向控坳构造继承性活动增强, 裂陷范围进一步扩大, 沉积厚度大于 3000 m, 形成 NEE 轴向的较大规模断陷盆地, 凹陷内发育众多与EW向断裂斜交的NEE向次级断裂。晚始新世‒早渐新世, 珠江口盆地东部断裂系统发生重大转变, 盆地呈现显著差异性伸展裂陷过程(龚再升等, 1997; 董冬冬等, 2009; 解习农等, 2015)。晚渐新世, 在S-N向统一引张应力场作用下, 珠江口盆地西部NE-NEE 向构造基本消亡, 受一统暗沙左旋走滑断裂(也有学者认为是正断层性质; 姜华等, 2008)或右旋走滑性质(刘铁树, 1993)活动减弱和南海扩张的共同影响(张远泽等, 2019), 东部NWW-EW向构造继承活动性总体较前期有所减弱, 呈现北弱南强的特点, 恩平‒西江边界断裂活动性骤减, 白云凹陷边界断裂虽然活动速率较高, 但同构造沉积范围明显收缩。32 Ma以来, 珠江口盆地西部断裂停止活动, 珠海组呈毯状披覆于裂陷期恩平组上, 最先进入裂后热沉降期, NE-NEE向断裂同沉积作用逐渐减弱甚至停止。

图8 65 Ma以来珠江口盆地主控断裂的滑动速率统计(据Wang et al., 2021)

5 讨 论

综合前人和本次对南海地区重磁异常资料与地震剖面解析认为, 南海北部陆缘经历了中、新生代多次构造活动, 形成了NE-NEE向、NW向和E-W向三组数量多、规模较大、方向各异的断裂, 且断裂活动过程中经历了多次区域应力场改变。特别受西太平洋、印度和澳大利亚三大板块汇聚产生的区域构造运动的影响, 南海北部早期发育的NE-NEE向断裂系统存在再次活化的特点, 伴随的次级构造也大面积活动, 对南海北部盆地群的形成和演化具有重要的控制作用。板块汇聚速率显示(图9), 晚中生代至今, 东亚陆缘一直受西太平洋板块NNW向或NW向俯冲、印度板块北向俯冲和碰撞以及澳大利亚板块NNW向俯冲和碰撞影响, 三大应力共同作用导致东亚陆缘的超级剪切, 使东亚陆缘具独特的构造应力环境和复杂的构造演化历史。不同地质历史时期, 南海北部盆地群处于不同类型的大陆边缘, 各大板块的汇聚速率以及珠江口盆地所受应力场皆有改变。

燕山运动末期(晚白垩世)之后, 太平洋板块俯冲作用发生了两个显著的变化, 一个是俯冲速率迅速降低, 另一个是俯冲带后退(Wang et al., 2020), 也导致了中国东部陆缘由挤压环境转变为拉张环境, 陆缘的裂陷作用也发生了显著变化。伴随太平洋板块俯冲后撤, 华南陆缘由安第斯型大陆边缘转为拉张离散型被动大陆边缘。南海地区大部分NE-NEE向断裂实际上是新生和继承自华南大陆边缘中生代的基底逆冲‒走滑断裂。太平洋俯冲后撤后, 华南陆缘及南海东北部陆缘迅速由挤压状态逐渐向伸展转变, 使得中生代断裂系(包括滨海断裂带、西沙海槽南缘断裂、琼东南盆地南界断裂等)或区段复活且性质发生改变。陆区晚白垩世断陷盆地普遍进入断陷高峰期, 形成 NE-NEE走向的主断陷带, 南海北部陆缘发育以强烈伸展为代表的神狐运动。新构造时期, 伸展裂陷活动与南海陆缘活动密切相关, 同时也控制了南海地区盆地群的形成及坳陷沉积作用, 对南海北部陆缘盆地现今的构造格局成也起到了关键的控制作用。

图9 南海周缘板块俯冲汇聚速率和方向示意图(据Wang et al., 2020修改)

古新世, 南海北部断裂系统控制北部盆地群雏形的形成, 伸展作用和应力场释放沿NE-NEE向断裂在华南陆缘与南海北部东北部地区由东南向西北依次展开, 此时发育的较大断裂多为箕状断陷的边界断裂, 形成南北分带的盆地分布格局, 盆地内形成一系列断块和隆起、由地堑或半地堑组合而成的断陷带, 由北向南发育北部湾盆地、珠江口盆地、琼东南盆地、中建南盆地和南薇西盆地等早期断陷盆地雏形。这一过程在现今的南海东北次海盆处伸展作用最强, 因此最先在该地区产生新生代南海洋壳(图10A处)。同时伸展作用由东南向西北逐渐减弱, 断陷规模由南向北也逐渐减小。

始新世(50 Ma), 太平洋板块向欧亚板块NWW向斜向俯冲以及印度‒欧亚板块发生硬碰撞之后, 在南海北部发生珠琼Ⅰ幕运动(50 Ma)和珠琼Ⅱ幕运动(40 Ma), 盆地内断陷主要表现为NEE-EWW向的裂陷。新生代南海洋壳在南海东北部处形成之后, 南海扩张产生的洋脊推力在古南海南部边缘产生被动俯冲, 导致古南海洋壳启动初始俯冲, 南海海盆持续扩张。渐新世中期(30 Ma), 菲律宾海板块NWW向俯冲开始逆时针旋转, 区域构造应力场以近S-N向拉张为主, 南海大规模扩张, 南海北部产生的近E-W向断层和持续活化的NE-NEE向断裂系统控制了南海北部断陷盆地凹陷的基本构造格局。渐新世末‒中中新世, 南海北部陆缘盆地转入坳陷阶段, 此时盆地摆脱了早期箕状断陷边界断层的控制。早中新世(20 Ma), 陆缘地壳强烈减薄, 盆地发生快速沉降。中新世末‒中早中新世, 菲律宾海板块向西加速俯冲, 南海扩张停止, 陆缘地壳拉薄作用减弱乃至停止。盆地内以NNW向、近E-W向挤压为主, 为拗陷作用与断裂作用相伴的演化阶段, 包括断坳转折亚期和拗陷平静亚期。盆地以冷却‒缓慢沉降为特征, NE-NEE向构造活动相对平静, 沉积层表现为亚平行的地震相反射特征。

图10 NE-NEE向断裂在南海陆缘盆地和南海打开过程中作用示意图(据Wang et al., 2017修改)

6 结 论

本文结合研究区内重磁、沉积和断裂结构特征对南海北部地区陆缘断裂系统进行了系统分析, 特别是针对研究区内NE-NEE向、NW向和EW向断裂系统地震剖面特征及历史活动性开展研究, 得到以下初步认识:

(1) 南海北部地区重磁资料显示珠江口沉积盆地内部NEE、NW向断裂很发育, 分布最广泛。其中NEE向断裂控制的沉积等厚线的连续性最好, 但在靠近华南陆缘一侧沉积中心除受NEE向断裂控制以外, NW向断裂对于等厚线的控制也较为明显。同时局部零散分布的近E-W向独立等值线形态反映了盆地内部发育的少数近E-W走向的控凹小型断裂;

(2) 南海北部陆缘地区控坳断裂主控断层(如滨海断裂带)的形成经历以下三个阶段: 包括第一期次晚中生代的低角度滑脱断层特征, 第二期高角度正断为主以及第三期渐新世以来右旋走滑特征。

(3) 南海北部陆缘地区的断裂构造与盆地演化对应裂陷阶段、裂后坳陷阶段和断块活动三大构造阶段, 与周围板块的俯冲汇聚速率和方向息息相关。

致谢:本文撰写过程中所用重磁异常数据主要来源于EMAG2全球磁异常2弧′网格数据库及全球地形‒重力ASCII XYZ-格式1弧′数据, 地形数据版本V19. 1,重力数据版本V29.1。感谢本次研究中参与多道数据采集的所有航次成员, 感谢两位匿名审稿人提出了建设性修改建议。

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The Fault Assembly Characteristics on the Northern South China Sea Continental Margin and its Implications on the South China Sea Spreading

HUI Gege1, 2, LI Zhigang1, 2, WANG Weitao1, 2, HU Litian1, 2, LIANG Hao1, 2, ZHANG Yipeng1, 2,LI Guanhua3, YAN Yonggang1, 2, SUN Chuang1, 2, ZHANG Peizhen1, 2

(1. Guangdong Provincial Key Lab of Geodynamics and Geohazards, School of Earth Sciences and Engineering, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082, Guangdong, China; 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory, Zhuhai 519082, Guangdong, China; 3. School of Science, Shantou University, Shantou 515063, Guangdong, China)

Being the largest marginal sea on the southeastern continental margin, the South China Sea is controlled by the subduction and convergence of the Pacific, Eurasian and Indo-Australian plates, and has a complex formation mechanism and evolutionary history. At the beginning of the Cretaceous, a series of NE-NEE-trending extensional shear lithospheric faults developed in the south and north of the South China Sea Basin. During the Oligocene, most of the faults inherited the old fault activities. Ever since the late Miocene, the Philippine Sea Plate continued to subduct westward, and a large number of near-EW-NEE-trending extensional normal faults and NWW-NW-trending shear basement faults occurred in the northern continental margin of the South China Sea. Intersecting of the two-phase faults represents the interaction between plates at different times. However, issues concerning the vertical tectonic activities, factors controlling the distribution of sediments, and their relationships with the movement of the surrounding plates remain elusive. Most importantly, the formation process of these fault systems and the opening mode of the South China Sea basin are issues worthy of deep digging. Aiming at the NE and EW trending fault systems in the continental margin of the northern South China Sea, this paper selects the Pearl River Mouth Basin where the NEE- and NW- trending fault systems are most developed, and uses the gravity and magnetic anomalies, sedimentary strata and seismic reflection profiles to systematically analyze the structural characteristics and activity history of the faults. The results show that a series of NEE-trending fault zones (such as the Littoral Fault Zone) in the northern continental margin of the South China Sea are likely to be the main faults controlling depressions in the Pearl River Mouth Basin, and the faults experienced the early low-angle detachment, and the second phase high angle normal fault and the right-lateral strike-slip since the third Oligocene period. They correspond to three tectonic stages: rifting stage, post-rifting depression stage and fault block activity, reflecting the subduction and convergence rates of the plates around the South China Sea Basin, which demonstrates that this group of faults played an important role in the opening of the South China Sea during the change of subduction direction.

gravity-magnetic anomalies; northern South China Sea continental margin; fault system; Littoral Fault Zone; plate subduction and convergence

2021-12-10;

2022-02-25

国家自然科学基金项目(U1701641)、中国博士后创新人才支持项目(BX20190391)和广东省引进团队项目(2016 ZT06N331)联合资助。

惠格格(1988–), 女, 博士, 从事南海活动构造和盆地演化研究工作。E-mail: huigg@mail.sysu.edu.cn

P542

A

1001-1552(2022)03-0501-016

10.16539/j.ddgzyckx.2022.03.007