珠江口盆地始新统“源-渠-汇”分析-以阳江东凹和开平凹陷为例

2022-10-26程昊皞李三忠彭光荣王光增索艳慧王鹏程刘仲强

海洋地质与第四纪地质 2022年5期

程昊皞，李三忠，彭光荣，王光增，索艳慧，王鹏程，刘仲强

1. 深海圈层与地球系统教育部前沿科学中心，海底科学与探测技术教育部重点实验室，中国海洋大学海洋地球科学学院，青岛 266100

2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，青岛 266237

3. 中海石油（中国）有限公司深圳分公司南海东部石油研究院，深圳 518054

珠江口盆地作为南海北部重要的油气产区之一，其古近系是主要的烃源岩目标层位，因此前人对该套地层开展了物源分析，用以评估珠江口盆地的生油潜力[1-2]。近年来由于勘探程度的增加，人们普遍认为珠江口盆地阳江东凹和开平凹陷的古近纪地层具有良好的油气勘探前景，因此对这两个区域的古近系“源-渠-汇”特征开展研究对油气资源的精确勘探具有重要意义。

碎屑沉积物物源分析可以揭示区域构造运动、地表隆起和环境演化[3]。由于锆石具有封闭温度高、抗风化和蚀变能力强、分布广泛等特点，因此碎屑锆石U-Pb定年方法是物源分析的重要手段[4]。前人对珠江口盆地古近系物源特征的研究多集中在珠一坳陷和珠二坳陷的白云凹陷[4-5]，而对位于阳江-一统暗沙断裂带以西的珠三坳陷及珠二坳陷西部的古近系物源研究较少，且对于珠江口盆地古近系物源的研究大多数依赖于单一的碎屑锆石UPb定年、岩石学观察或地震方法[3]，主要是“源-汇”研究，缺少“渠”这一环节。前人揭示珠江口盆地在古近纪整体呈凹隆相间的古地理格局[6]，各盆隆之间的构造转换带或调节带对沉积物的分布具有重要的控制作用[7]。因此，三维地震资料的分析和解释可以作为沟通“源”和“汇”的中间环节，为目标沉积物的潜在物源（如盆内隆起）、运移路径以及沉积方式提供重要证据[5]。

本文选取南海北部珠江口盆地阳江东凹和开平凹陷共3口探井的8组前古近系花岗岩和始新统碎屑岩样品，运用碎屑锆石U-Pb定年、地震剖面渠-汇分析、沉积相分析等手段，确定了研究区始新统沉积物源方向、运输通道和汇聚模式，从而建立研究区“源-渠-汇”耦合模式，以期为古近系油气勘探提供一定的思路。

1 区域地质概况

珠江口盆地位于南海北部大陆边缘（图1a），是发育在古生代及中生代复杂褶皱基底之上的大型含油气盆地[8]。珠江口盆地自北向南划分为北部隆起带、北部坳陷带（珠一坳陷和珠三坳陷）、中央隆起带（神狐隆起、番禺隆起和东沙隆起）、南部坳陷带（珠二坳陷）和南部隆起带（图1b），新生代经历了神狐运动、珠琼运动一幕、珠琼运动二幕、南海运动、白云运动和东沙运动等多期构造事件[9]，发育了NEE、NE、NW向多期断层，具有“棋盘格式”的构造格局（图1b）。

晚中生代，珠江口盆地位于受古太平洋板块俯冲控制的华南活动大陆边缘的火山弧部位[11]，因此其基底分布大量的燕山期花岗岩（图1b）。由于钻孔难度大，目前对珠江口盆地基底岩性的认识尚不统一，整体上认为基底岩性以阳江-一统暗沙断裂带为界，以东以中生代沉积岩、燕山期花岗岩为主；以西以印支期岩浆岩和古生代砂岩、变质岩为主，在南部隆起带和东沙隆起上分布有较多的新生代玄武岩[10,12-13]（图1b），造成珠江口盆地基底东西差异的原因可能与阳江-一统暗沙断裂带前新生代两侧差异隆升相关。新生代以来，珠江口盆地经历了古新世—始新世断陷期、渐新世断拗转换期和中新世以来的拗陷期3个阶段，具有典型的 “下断上坳”构造格局[9]。断陷期，珠江口盆地发育了以陆相湖泊、河流三角洲相为主的神狐组、文昌组和恩平组；断拗转换期，发育了以海陆交互相为主的珠海组；拗陷期，发育了以浅海相为主的珠江组、韩江组、粤海组、万山组和第四系（图2）。

研究区位于NW向阳江-一统暗沙断裂带以西，北接海南隆起，南到顺鹤隆起，神狐隆起和番禺低凸起贯穿其中（图1c）。由于中生代末期的神狐运动在珠江口盆地内波及范围有限，研究区未发育神狐组，基底之上直接不整合覆盖始新统。始新世早期（文昌组沉积期）为盆地裂陷高峰期，研究区沉降速率大，湖泊广泛发育，以湖相-暗色泥岩夹砂岩为主；始新世晚期（恩平组沉积期）构造活动减弱，为湖盆萎缩期，主要发育河流-沼泽相和浅湖相沉积[6]，与下伏文昌组地层为平行或角度不整合接触，在局部基底强烈隆升地区，该地层直接超覆于基底之上。开平凹陷具有“厚文昌、薄恩平”的特征，始新世早期为陆相地堑、半地堑，恩平组晚期遭受海侵[15]，具有“先陆后海，下断上坳”的结构特征[16]。

图1 珠江口盆地构造位置（a）、基底岩性（b）及构造单元划分（c）[10]Fig.1 The location (a), basement lithology(b), and tectonic unit division(c) of Pearl River Mouth Basin [10]

2 样品及实验方法

本文采用的阳江东凹及开平凹陷3口探井共8个岩屑样品均由中国海洋石油公司提供，样品位置及详细描述见图2和表1。利用中国海洋石油公司提供的测井数据和地层顶底数据确定取样层段，包括前古近系、文昌组和恩平组。锆石制靶工作在河北省区域地质矿产调查研究所完成，挑选清晰、结晶较好的锆石制成样品靶并进行抛光，对抛光后的样品靶进行阴极发光（CL）分析，从而获得锆石颗粒的内部结构特征和相关成因信息（图3）。碎屑锆石U-Pb定年在北京科荟公司完成，共测得谐和度大于90%的锆石数量619个，数据点数量充足，可以较好地代表各层位特征。其中对年龄小于1 000 Ma的锆石选取206Pb/238U年龄，对于年龄大于1 000 Ma的锆石选取207Pb/206Pb年龄。

3 碎屑锆石形态及年龄特征

阴极发光图像显示，大部分锆石颗粒具有岩浆振荡环带结构，前古近系和文昌组锆石样品大多呈长柱状，自形程度好，地层越年轻，自形程度越差（图3）。此外，Th/U比值也可以指示锆石成因[17]，研究样品显示，大多数锆石Th/U＞0.3，指示以岩浆成因为主，较少的变质成因锆石（Th/U＜0.1）集中在研究区恩平组（图4）。

图2 珠江口盆地地层综合柱状图[14]Fig.2 Stratigraphic column of the Pearl River Mouth Basin[14]

表1 碎屑锆石U-Pb定年测试样品信息Table 1 Specifications of detrital zircon U-Pb dating samples

图3 研究区样品部分碎屑锆石CL图像Fig.3 CL images of selected detrital zircons from sandstone samples

图4 研究区样品Th/U值和U-Pb年龄图Fig.4 Th/U ratios and U-Pb ages of detrital zircons

YJ1井位于阳江东凹南侧，神狐隆起北侧，阳江-一统暗沙断裂带西缘（图1），分别在前古近系、恩下段和恩上段层位取得样品YJ1-3、YJ1-2、YJ1-1（表1）。YJ1-3样品为前古近系花岗岩，年龄频谱图存在一个主峰值159 Ma和次峰值420 Ma，以侏罗纪锆石为主，早古生代和元古代锆石次之（图5）。YJ1-2样品为恩平组下段砂岩，锆石年龄频谱图存在434 、257、103 Ma等多个峰值（图5）。YJ1-1样品为恩平组上段砂岩，碎屑锆石年龄谱图存在主峰值157 Ma和次峰值429 Ma，中生代锆石含量占比相比同一井位YJ1-2样品明显增多，而古生代和前寒武系锆石相对减少。阴极发光图像显示，该井3组样品锆石均具有较明显的岩浆振荡环带结构，但自形程度均较差，Th/U值判别法指示，仅恩下段YJ1-2样品存在少量变质成因锆石，其余均为岩浆成因（图4）。

YJ2井位于阳江东凹东北侧，恩平凹陷西缘（图1），分别在前古近系花岗岩和文昌组细砂岩层位取得样品YJ2-2、YJ2-1（表1）。YJ2-2样品锆石年龄集中，均为侏罗纪锆石（145～164 Ma），年龄频谱图存在单峰值154 Ma（图5）。YJ2-1样品锆石年龄频谱图与YJ2-2样品十分相似，仍以侏罗纪锆石为主（图5）。阴极发光图像显示，YJ2井两个样品锆石形态相似，锆石自形程度均较好，呈长柱状、棱角分明，且大多含有岩浆生长振荡环带（图3）。Th/U值判别法指示样品均为岩浆成因锆石（图4）。

KP1井位于珠二坳陷开平凹陷，分别在文昌组、恩下段和恩上段层位取得样品KP1-3、KP1-2、KP1-1（表1）。KP1-3样品以细砂岩为主，年龄范围较同一层位YJ2-1样品宽，年龄谱图存在对称的155 Ma和232 Ma两个峰值，指示锆石年龄以侏罗纪和三叠纪为主（图5）。该样品与阳江东凹同一层位YJ2-1样品相比，最大的差异是存在较多的三叠纪锆石。KP1-2样品位于恩下段，岩性以中砂岩为主，锆石年龄范围广，年龄频谱图存在主峰值435 Ma和次峰值247 Ma。KP1-1样品以细砂岩、泥岩为主，锆石年龄特征与KP1-2样品相似，年龄频谱图存在247 、432 Ma两个主峰值和115、159 Ma两个次峰值。锆石阴极发光图像显示，该井位除KP1-3样品存在部分自行程度较好的锆石外，其余样品自形程度均较差，磨圆度较高（图3）。Th/U值判别法指示，仅KP1-1和KP1-2样品存在少量变质成因锆石，其余均为岩浆成因（图4）。

图5 研究区前古近系-恩平组锆石U-Pb年龄分布YS-燕山期，IS-印支期，CD-加里东期，JN-晋宁期。Fig.5 U-Pb age spectra of detrital zircons from pre-Cenozoic to Enping FormationYS: Yanshanian orogeny; IS: Indosinian orogeny; CD: Caledonian orogeny; JN: Jinninggian orogeny.

4 物源分析

对珠江口盆地始新统物源的分析主要包括盆内物源和盆外物源的分析，由于研究区始新统直接覆盖在基底之上，因此对盆内物源（盆内古隆起）分析的关键是盆地内部基底的差异性。研究区位于阳江-一统暗沙断裂带内，基底岩性复杂，研究区及邻区基底以燕山期岩浆岩、印支期岩浆岩、古生代砂岩、变质岩和中生代沉积岩为主（图1）。此外，本次研究在阳江东凹取得两组前古近系样品，均以侏罗纪花岗岩为主，其次为早古生代和元古代。

前人对珠江口盆地古近纪潜在盆外物源区进行了总结[17-19]，主要有：（1）印支地块东部，锆石年龄谱图具有不对称的双峰值特征，峰值年龄分别为247 和469 Ma，以印支期为主；（2）海南岛，具有100和242 Ma较对称的双峰值，以燕山期和印支期锆石为主，锆石年龄较印支地块东部年轻；（3）红河流域，分布有古元古代到新生代的多峰值年龄，主要来自华夏地块西部和长江供源；（4）珠江西部流域，与红河流域锆石年龄特征类似，年龄频谱图宽，存在多个峰值，以印支期和加里东期锆石为主，包括华南出露的前寒武系基底；（5）珠江东部流域，年龄频谱图较珠江西部流域简单，以古生代—中生代锆石为主，存在明显的燕山期峰值（图6）。

图6 珠江口盆地及邻区始新统碎屑锆石U-Pb年龄[5,17-20]Fig.6 Detrital zircon U-Pb ages of the Eocene strata in the Pearl River Mouth Basin and its adjacent areas[5,17-20]

结合前人对珠江口盆地始新统样品锆石UPb定年的证据（图6），基本排除了始新世珠江口盆地物源来自印支地块东部、海南岛和红河的可能[5,17-20]，认为盆外物源主要来自华南地块中的华夏地块。但也有学者认为，新生代早期南海北部存在一条源自南海西部古隆起的自西向东的“昆-莺-琼”河流系统，该系统自始新世开始向包括珠二坳陷在内的南海北部南侧地区输送了大量沉积物，并认为始新世珠二坳陷存在南海西部古隆起（西沙-中沙隆起带、印支地块东部）供源的可能[21]。

4.1 文昌期

始新世早期，珠三坳陷整体为一南断北超的箕状断陷[6]，阳江东凹各次洼相对独立，开平凹陷为一系列NE-NEE向断层控制的半地堑和地堑，研究区整体呈凹隆相间的古地理格局（图7）。神狐隆起位于阳江东凹南部、开平凹陷西北部，其前古近系基底面埋深比相邻凹陷高出2 000余米，被认为是开平凹陷周边规模最大的碎屑物质供应区[22]。

文昌组沉积期，阳江东凹与开平凹陷锆石年龄频谱图存在明显差异，阳江东凹YJ2-1样品锆石年龄与同一井位基底锆石年龄基本一致，以侏罗纪（153 Ma）锆石为主，且锆石自形程度高，磨圆度低，说明该时期阳江东凹主要接受盆内周边隆起快速供源，基本不接受盆外较古老物源供给。开平凹陷KP1-3样品以侏罗纪（155 Ma）和三叠纪（232 Ma）锆石为主，年龄谱图呈燕山期及印支期近对称的双峰状（图5），除与阳江东凹YJ2-1样品相似的燕山期物源外，还存在大量印支期物源。此外，该时期开平凹陷锆石自形程度较差，说明碎屑物质搬运时间较长。推测该时期开平凹陷除受相邻盆内隆起（如神狐隆起）供源外，还接受西部古隆起供源，这与前人认为的新生代早期南海北部存在源自南海西部古隆起的自西向东的“昆-莺-琼”河流系统向珠二坳陷输运碎屑物质相一致[21]。

图7 文昌期沉积相及物源方向位置见图1c，修改自文献[23]。Fig.7 Sedimentary facies and provenance direction during the Wenchang depositional periodSee location in Fig.1c, modified from reference [23].

研究区文昌组锆石年龄特征与前人对白云凹陷南部L21钻孔始新统样品的研究不同， L21钻孔始新统锆石年龄谱主要由燕山期组成，主峰值为110 Ma，次峰值为240 Ma（图6），被认为是东沙隆起在始新世为南海北部提供了大量早白垩世物源[19]。但研究区内文昌组时期白垩纪锆石极少，说明始新世东沙隆起的供源范围有限，并没有影响到阳江-一统暗沙断裂带以西的开平凹陷和珠三坳陷。

4.2 恩平组早期

恩平组早期研究区锆石年龄谱图跨度大，中生代锆石含量相对降低，古生代、前寒武系锆石含量增加（图5），且锆石自形程度变差，以椭圆状为主，长柱状锆石的数量已非常少（图3），反映了该时期两个凹陷的物源均经历了较长距离的搬运，供源区与文昌期存在较大差别。

该时期阳江东凹锆石年龄以印支期为主，其次为燕山期和晋宁期，锆石年龄频谱图与珠江西部流域年龄谱图相似（图5、6），说明该时期可能开始受到华夏地块西部的影响。开平凹陷锆石以加里东期为主，其次是印支期和燕山期，前寒武纪的锆石相对较少，说明该时期开平凹陷也开始受华南地块影响，但华南地块的影响能力有限。

4.3 恩平组晚期

恩平组晚期，阳江东凹锆石年龄特征与开平凹陷差异明显。开平凹陷锆石年龄特征较恩平组早期变化不大，以加里东期和印支期锆石为主，燕山期锆石次之，锆石磨圆度高（图3），说明仍接受西部古隆起和华夏地块双重供源。阳江东凹锆石年龄特征较同一井位恩平组早期变化大，燕山期锆石数量明显增多，而印支期和加里东期锆石减少，说明该时期阳江东凹以盆内近源隆起供源为主，接受的近源沉积较开平凹陷更多，两个凹陷在该时期存在不同的供源区或者各供源区供源能力不同。

5 渠-汇分析

5.1 物源通道

盆地结构和断裂形态对沉积物源输送具有重要影响，同时也会控制储集砂体及烃源岩的分布[24]。盆地中的构造高点既可能为沉积区提供物源，也可能成为沉积物输送的屏障，构造低点则可以起到沉积物输送通道的作用[17]。研究区位于阳江-一统暗沙断裂带内，发育NW、NE、NEE向多组走滑断层和正断层。走滑断层的压扭作用形成凸起，可以为沉积区提供剥蚀物源；张扭释压则有利于形成沟谷低地，为物源的输送起渠道的作用[25]。此外，正断层活动速率较大的部位通常形成陡崖，有利于沉积物搬运；盆地内部盆隆之间与地堑之间存在的各种构造变换带往往是河流进出盆地的位置，对沉积扇、三角洲的发育具有明显的控制作用，并影响物源体系的分布[6,26]。基于大量的地震剖面，在研究区分别识别出断槽、古沟谷和转换带三大类物源通道体系（图8、9）。

断槽在陆相断陷盆地中较为常见，一般发育在盆地或凹陷边缘部位，可以由两组相邻的断裂体系相交而发育地势相对低的槽道或断面沟道，也可以由一组同盆缘断裂斜交的断裂共同组成地堑，即中央槽道[27]。研究区内断槽物源通道主要发育在开平凹陷西侧和阳江东凹北侧的文昌组地层。选取垂直于物源搬运方向的地震剖面，断槽呈现为不对称的箕状结构，内部地震反射为楔形杂乱或充填结构（图8）。研究区内文昌期断槽多为丘状反射或杂乱反射，指示近源快速堆积体，部分呈中低连续反射、近平行的反射结构，指示水动力较强，可能为较好的储集砂体[28]。

图8 开平凹陷西北侧断裂特征位置见图1c。Fig.8 Characteristics of faults in the northwestern Kaiping SagSee location in Fig.1c.

图9 阳江东凹北部断裂特征位置见图1c。Fig.9 Characteristics of faults in the northern part of the Eastern Yangjiang sagSee location in Fig.1c.

古沟谷物源通道主要分布在阳江东凹，多呈“U”型、次“V”型，文昌组和恩平组均有发育，文昌组以连续—半断续反射为主，恩平组以孤立短轴状反射为主，反映河流搬运、携砂能力由弱变强。该物源体系多集中在远离凹陷边界的断裂不发育部位（图9），受断裂影响较少。

构造转换带是指在主断裂带附近地形高差变化较小的部位，是碎屑物质进入裂陷盆地的重要入口[26]。构造转换带在剖面上较难识别，但通过前人制作的断裂平面图，可以在阳江东凹北部和内部识别出NWW向的构造转换带，对NEE-NE向主干断裂起调节作用，可能是阳江-一统暗沙隐伏断裂带的一部分。

综上，研究区位于阳江-一统暗沙断裂带影响范围内，以发育张扭断裂为主，地震剖面上负花状构造明显（图9），但该断裂始新世早期平面展布特征不明显，主要以转换带的形式，调节NEE-NE向伸展构造的差异变形，并形成一系列NW向沟谷。始新世晚期（恩平组时期）研究区NW向断裂增多，阳江-一统暗沙断裂开始左行走滑，逐渐形成左行左阶拉分断裂体系[9]。断槽、古沟谷和构造转换带多集中在阳江-一统暗沙断裂带内或断裂带两侧，其发育演化必然会对物源输送产生重要影响。此外，阳江东凹NEE-NE向控洼断裂具有由南向北迁移的特征，文昌组沉积期南部断裂活动强，北部边界断裂活动相对较弱；恩平组沉积期北部断裂继续活动，而南部断裂活动减弱，断裂活动性迁移的特征有利于解释物源由盆内向北部盆外迁移的特征。

5.2 沉积相分析

研究区始新世整体上处于陆缘断陷湖盆环境，主要发育湖相、河流三角洲相。文昌组时期，受右行右阶走滑拉分作用的影响[9]，阳江东凹北部控洼断裂（阳江-一统暗沙断裂带）活动较强，形成陡崖，在陡坡带主要发育了扇三角洲相（图10），可作为较好的储集砂体[29]；向南的凹陷中心以半深湖、滨浅湖沉积为主，是烃源岩发育的重要区域[30]；靠近神狐隆起的缓坡带广泛发育辫状河三角洲沉积，也可以作为较好的储层或输导层。该时期开平凹陷北部边界断层活动速率大且持续时间长，湖盆范围由小变大，发育了半深湖、滨浅湖相沉积，扇三角洲主要分布在凹陷北部控凹断层的下降盘。恩平组时期，研究区断裂活动整体减弱，各洼陷逐渐连成一个整体，准平原化作用使文昌组时期以来的隆凹相间的地貌不再明显，宽缓的地形为恩平组辫状河三角洲提供了良好的古地理环境（图10）。

6 讨论

珠江口盆地始新统物源发生了巨大改变，但各个坳陷的物源时空转换并不一致。时间上，由于珠江口盆地中部隆起带的作用，珠一坳陷物源变化的时间要早于白云凹陷[31]，但珠三坳陷和开平凹陷物源转变的时间可能与珠一坳陷同步，早于白云凹陷。空间上，珠一坳陷和白云凹陷文昌组时期存在明显的100～110 Ma的峰值，认为是始新世早期东沙隆起对珠江口盆地的供源作用[18]。但研究区内文昌组时期缺少100～110 Ma的锆石，说明始新世早期东沙隆起对珠江口盆地的供源能力有限，并未影响到阳江-一统暗沙断裂带西侧的珠三坳陷和开平凹陷，研究区盆内主要以阳江-一统暗沙断裂带西侧的古隆起供源为主。

文昌组沉积期是珠江口盆地裂陷活动高峰期，研究区内凹陷边界断裂（如阳江-一统暗沙断裂）活动强度大，各个洼陷相对独立，在凹隆相间的古地理背景下，沉积区主要通过短程近源水系输送盆内基底或低隆起的物源（图11a），发育一系列湖相、河流三角洲相沉积（图10）。该时期研究区北部的海南隆起不仅起到提供物源的作用，而且阻挡了北部盆外物源；文昌组时期开平凹陷北部边界断层活动速率大[31]，为凹陷北部神狐隆起和南海西部古隆起供源提供了有利的构造环境，而南侧的顺鹤隆起发育一系列南倾的断层（图10），阻挡了南部隆起的供源。研究区内神狐隆起发育多条沟谷及分水岭（图7），这种大型沟谷及分水岭可能是研究区两凹陷文昌组锆石年龄特征不同的原因。

恩平组沉积期，阳江-一统暗沙断裂带活动性减弱及盆地准平原化作用加剧，研究区古地貌趋于平缓，在区域沉降的背景下有利于远程水系的发育以及盆外远源物质的搬运，研究区发育河流三角洲相沉积。恩平组沉积早期，研究区内前中生代锆石数量增多，且锆石自形程度较差，锆石年龄频谱图与华夏地块具有很好的对比性（图5、6），推测该时期研究区接受了较多华夏地块物源（图11c）。恩平组沉积晚期，由于研究区构造抬升，整个研究区沉积量较少，盆外供源能力减弱（图11d）。总体而言，恩平组时期是研究区盆内物源向盆内、盆外多物源转变的过渡时期，该时期阳江-一统暗沙断裂带的左行走滑作用逐渐加强，发育一系列NW向沟谷，为北部华南陆缘的物质运输提供了良好的通道（图8、9）。

图11 珠江口盆地始新统物源演化模式图各小图上圆代表阳江东凹锆石年龄组成，下圆代表开平凹陷锆石年龄组成，黑色箭头表示盆内物源，橙色箭头表示盆外物源。Fig.11 Eocene provenance evolution model diagram of the Pearl River Mouth BasinThe upper circle represents the age composition of zircons in the eastern Yangjiang Sag, the lower circle represents the age composition of zircons in theKaiping Sag, the black arrow represents the intrabasinal provenance, and the orange arrow represents the extrabasinal provenance.