南海北部陆缘盆地形成的构造动力学背景

摘要：南海北部陆缘盆地处于印度板块与太平洋及菲律宾海板块之间,但三大板块对南海北部陆缘盆地的影响是不同的。通过对三大板块及古南海演化的研究,可知南海北部陆缘地区应力环境于晚白垩世发生改变。早白垩世处于挤压环境,晚白垩世以来转变为伸展环境并且不同时期的成因不同。晚白垩世-始新世,华南陆缘早期造山带的应力松弛、古南海向南俯冲及太平洋俯冲板块的滚动后退导致其处于张应力环境。始新世时南海北部陆缘裂陷盆地开始产生,伸展环境没有变,但因其是由太平洋板块向西俯冲速率的持续降低及古南海向南俯冲引起的,南海北部陆缘盆地继续裂陷。渐新世-早中新世,地幔物质向南运动及古南海向南俯冲导致南海北部陆缘地区处于持续的张应力环境;渐新世早期南海海底扩张;中中新世开始,三大板块开始共同影响着南海北部陆缘盆地的发展演化。     

多期走滑拉分盆地的沉积响应:以南海北部珠江口盆地为例

南海北部陆缘位于太平洋和新特提斯两大构造域之间,其形成与演化受到多期多向构造叠加作用,珠江口盆地是南海北部陆缘的重要构造单元.自新生代早期珠琼运动以来,由于太平洋板块向华南大陆俯冲在珠江口盆地形成两期强烈的走滑拉分作用,从而导致早期弥散状地堑与后两期拉分盆地的三层盆地叠合现象.本文在综合珠江口盆地的地质、构造物理和数值...     

琼东南盆地南部隆起带新生界沉积体系及其构造-沉积演化

新特提斯洋的弧后扩张导致古南海消亡与新南海扩张,西沙、中沙等微陆块从华南陆缘分离,使琼东南盆地形成并持续沉降。琼东南盆地南部隆起带崖城组沉积期以填平补齐为特征,主要发育近物源的扇三角洲-浅海陆棚沉积体系,物源主要来自松南低凸起和南部隆起剥蚀区。陵水组-梅山组沉积期,由于构造沉降叠加全球海平面上升使海侵扩大,南部隆起带主要发育浅海陆棚沉积,仅在西沙(永乐)隆起发育孤立碳酸盐台地(生物礁)。琼东南盆地及其南部隆起带新生代的构造-沉积演化是在古南海消亡与新南海扩张导致盆地持续沉降的构造背景下完成的,并叠加了全球海平面显著下降对滨海-浅海陆棚剥蚀夷平的强烈影响。     

南海新生代构造演化及岩石圈三维结构特征

地震层析资料表明，南海地区，自红河口向南经南海、苏禄海到苏拉威西海，岩石圈速度低，底部横波速度仅4．4km／s，岩石圈厚度在60～80km之间，为薄岩石圈地区。软流层的速度也较低，在4．2-4．4km／s之间，但厚度较大，大于200km。从红河-莺歌海断裂带经南海到苏禄海，存在一条北西向宽约200km的上地幔北西向低速带，面波速度在4．05～4．25km／s之间。由上述资料可见，东亚大陆边缘及边缘海的上地幔存在一巨型低速带，在南海地区低速带的走向为北西向，在东海地区为北北西向。这种走向与地表的区域构造走向基本一致，反映这里新生代构造活动可能与地幔低速带分布有关，即上地幔低速带反映了岩石圈的区域流动。这类岩石圈区域流动引起岩石圈表层的张性构造，形成裂谷及稍后的海底扩张，在亚洲东部边缘形成一系列边缘海盆。     

南海中北部陆架-陆坡区新生代构造-沉积演化

南海中北部陆架-陆坡区作为南海地区的一个重要地质构造单元,记录了大陆张裂到海盆扩张的丰富信息。通过对研究区地震剖面的解释,分析了该地区新生代的构造与沉积特征,同时通过平衡剖面恢复工作,建立了新生代演化模型。研究显示南海中北部陆架-陆坡区新生代构造演化可以分为三个阶段：古新世—始新世的裂陷阶段、渐新世—早中新世的裂陷-坳陷过渡阶段以及中中新世以来的坳陷阶段。沉积环境经历了河流-湖泊、浅海和深海的演化过程。南海北部陆缘下NW-SE方向流动的地幔流的存在使得伸展活动具有由北向南发育的机制。同时陆坡区盆地（如白云凹陷）显示出韧性伸展的特征,这与地幔上涌热岩石圈伸展引起的该区域地壳强烈韧性减薄和颈缩变形相关。     

南海岩石圈厚度变化特征及其构造意义

地震层析资料表明,南海地区,自红河口向南经南海、苏录海到苏拉威西海,岩石圈速度低,底部横波速度仅4.4km/s,岩石圈厚度在60～80km,为薄岩石圈地区;而软流层的速度也较低,在4.2～4.4km/s,但厚度较大,大于200km。从红河—莺歌海断裂带经南海到苏录海,存在一条北西向宽约200km的上地幔北西向低速带,速度在4.05～4.25km/s(面波速度)。它反映了新生代南海地区上地幔的动力学过程。南海岩石圈厚度变化存在明显差异,南海陆缘,岩石圈厚度在70～80km,而在南海洋盆之下,岩石圈厚度超过100km,岩石圈底部存在高速岩石层,并且洋盆下的岩石圈之厚度比大陆边缘厚,在海盆岩石圈下部的60～80km深度上存在一高速层,纵波速度为8.2～8.3km/s。特别是中央海盆及西北海盆与西南海盆,其下部岩石圈中均存在一高速岩石层,这是非常具有构造意义的。由此笔者提出大陆岩石圈裂离、上地幔因减压而部分熔融所产生的基性岩浆形成南海新生代洋壳的猜想。     

华南北东向断裂在南海北部陆架的延伸

南海北部陆缘发育大量含油气盆地,且南海北部陆坡存在丰富的天然气水合物资源,厘清其总体构造格局,对理解南海北部陆缘的构造演化及动力学机制、地震灾害评估与资源开发等具有十分重要的意义。本文通过重磁异常、二维地震资料解译,结合地震活动及构造地貌特征分析,发现华南陆块和南海北部陆缘的NE向主干断裂延伸方向一致且特征可进行对比,即华南发育的滨海、长乐-南澳、政和-大埔及邵武-河源-阳江四条NE向主干断裂可自然延伸至南海北部陆缘。延伸至南海北部的四条主干断裂控制了相应盆地的发育,其中,滨海断裂为珠二凹陷的东界,长乐-南澳断裂横穿珠江口盆地的珠一和珠二凹陷,政和-大埔断裂位于珠一、珠二坳陷的西界以及北礁凹陷的东界,河源-阳江断裂为琼东南盆地的西界。南海北部陆缘盆地群与华南陆缘盆地群在成因上具有相似性,皆为拉分盆地。南海北部陆缘分布的NE向右行断裂对盆地的发育以及展布起决定性作用,为控盆断裂。NEE向断裂控制盆地内部坳陷的充填样式,为控坳断裂。     

南海北部新生代海陆变迁与不同盆地的沉积充填响应*

新生代以来南中国海的多幕旋回运动形成了其北部陆坡性质各异、演化有别的多个陆缘沉积盆地。依据各盆地新生界发育特征、主干地震剖面及钻井资料对南海北部的相对海平面变化与沉积环境进行系统分析,采用年代地层对比的方法探讨南海北部构造演化序列与海陆变迁规律的内在联系,再现了南海北部陆缘新生代的海陆变迁过程,从而建立了南海北部陆缘裂谷盆地、走滑拉分盆地和陆内裂谷盆地的构造—沉积充填一体化模式。新生代海平面整体呈上升趋势,古近纪各盆地以陆相河流、粗粒三角洲湖相沉积为主;而新近纪主要发育滨浅海及三角洲相,呈现出明显的早陆后海的规律。靠近陆地一侧的陆内裂谷盆地北部湾盆地海侵最晚,其古近系充填厚度明显大于新近系,以发育近源扇三角洲为特色;而靠近海域一侧的走滑拉分盆地(莺歌海盆地)则以新近纪海相沉积占优势;陆缘裂谷盆地(琼东南与珠江口盆地)古近纪陆相与新近纪海相相对均衡发育,发育大型三角洲与碳酸盐岩台地。不同盆地的沉积充填特征主要受构造运动与海侵规模控制,并由此奠定了不同盆地的资源前景。     

南海西北陆缘深水沉积体系内部构成特征

深水沉积是近年来我国海域油气勘探重点之一,利用高精度二维和三维地震剖面的精细解剖,揭示了南海西北陆缘区深水沉积体系类型及其内部构成特征.这些深水地区除堆积正常深海-半深海泥岩外,还发育大量深水重力流沉积,包括块体流沉积、深水峡谷、沉积物波等大型沉积体.研究表明,南海西北陆缘区发育4类陆坡, 即进积型、滑塌型、水道化型、宽缓渐变型陆坡.不同陆坡类型具有不同地貌形态,发育不同的沉积体类型.大型块体流沉积主要发育于滑塌型和水道化型陆坡,沉积物波主要发育于宽缓渐变型陆坡下部及深海中央峡谷长昌段的周缘地区.由于南海西北陆缘自晚中新世以来形成向东开口的喇叭形变深的地貌形态,导致在盆地中央形成了独特的与陆坡走向一致的深海峡谷体系——中央峡谷.该峡谷的沉积充填不仅包括来自于西部峡谷头部的浊积水道沉积,还包括来自于北部陆坡的块体流沉积,特别是来自于滑塌型陆坡的块体流沉积.中央峡谷体系构成了西北陆缘区多源汇聚的深水沉积物输送系统,同时也是南海西北陆缘深水区重要的油气储层发育层系.      

南海北部新生代海陆变迁与不同盆地的沉积充填响应

新生代以来南中国海的多幕旋回运动形成了其北部陆坡性质各异、演化有别的多个陆缘沉积盆地。依据各盆地新生界发育特征、主干地震剖面及钻井资料对南海北部的相对海平面变化与沉积环境进行系统分析,采用年代地层对比的方法探讨南海北部构造演化序列与海陆变迁规律的内在联系,再现了南海北部陆缘新生代的海陆变迁过程,从而建立了南海北部陆缘裂谷盆地、走滑拉分盆地和陆内裂谷盆地的构造—沉积充填一体化模式。新生代海平面整体呈上升趋势,古近纪各盆地以陆相河流、粗粒三角洲湖相沉积为主;而新近纪主要发育滨浅海及三角洲相,呈现出明显的早陆后海的规律。靠近陆地一侧的陆内裂谷盆地北部湾盆地海侵最晚,其古近系充填厚度明显大于新近系,以发育近源扇三角洲为特色;而靠近海域一侧的走滑拉分盆地(莺歌海盆地)则以新近纪海相沉积占优势;陆缘裂谷盆地(琼东南与珠江口盆地)古近纪陆相与新近纪海相相对均衡发育,发育大型三角洲与碳酸盐岩台地。不同盆地的沉积充填特征主要受构造运动与海侵规模控制,并由此奠定了不同盆地的资源前景。     

Cenozoic Volcanism in South China Sea and Its Vicinity and South China Sea Spreading

The rock series, rock types and Sr-Nd isotopic dating of the Cenozoic volcanic rocks in the South China Sea are similar to those in its vicinity. On the basis of the spreading age of the South China Sea, the Cenozoic volcanic rocks are divided into three stages: the pre-spreading stage, the spreading stage and the post-spreading stage. The deep process characteristics of the asthenosphere and lithosphere may be inferred from the study on primary basaltic magma. The top layers of the asthenosphere both in the spreading stage and in the pre-spreading stage are closer to the earth surface than that in the post-spreading stage. From the pre-spreading stage to the spreading stage, the top layer of the asthenosphere decreased in depth, while the amount of interstitial partial melts increased. The evolution of the primary basaltic magma shows a progressive evolution sequence of the rifting volcanism and a faster lithospheric spreading velocity. From the spreading stage to the post-spreading stage, the top layer of the asthenosphere gradually increased in depth, but the amount of interstitial partial melts decreased. The evolution of primary basaltic magma shows a retrogressive evolution sequence of the rifting volcanism and a gradual decrease in the lithospheric spreading velocity. The depth recognized by the study on the Cenozoic volcanism demonstrates the deep environment for the formation and evolution of the South China Sea.     

东南沿海及南海新生代火山作用与南海的形成演化

中国东南沿海地区和南海海域新生代火山岩系列、类型和SrNd同位素特征十分相似,具有板内玄武岩的特征。根据南海扩张时代,将新生代的火山岩划分为扩张期前、扩张期和扩张期后3大阶段,并利用原生岩浆推导了软流圈岩石圈的一些深部作用特征。扩张期前（接近扩张期）和扩张期软流圈顶部埋深较浅。从扩张期前（接近扩张期）到扩张期软流圈顶部埋深变浅,隙间熔浆增加,原生岩浆的演化具有前进式裂谷火山作用的演化序列,岩石圈扩张速率变大。从扩张期到扩张期后（直至第四纪）,软流圈顶部埋深逐渐变深,隙间熔浆减少,原生岩浆的演化表现出后退式裂谷火山作用的序列,岩石圈扩张速率逐渐变慢。新生代火山作用显示出的深部作用特征与南海的扩张和闭合一致,这为我们提供了南海形成和演化的深部作用证据。     

南海东北部及其邻近地区地壳上地幔P波速度结构

利用中国地震台网和ISC台站记录的P波到时数据,采用球坐标系有限差分地震层析成像方法反演了南海东北部及其邻近地区壳幔三维P波速度结构,并分析了不同地质单元的构造差异及其深部特征。结果表明:南海东北部表现出陆架地区的岩石层特性,属于华南大陆向海区的延伸,岩石层厚度较大,现今不存在大规模的地幔热流活动,推测大陆边缘张裂作用仅限于地壳内部而没有延伸进入上地幔,具有非火山型大陆边缘的深部特点。中央海盆附近上地幔P波速度明显降低,与海盆下方地幔热流活动密切相关。不同的速度异常特征表明:华南大陆暨台湾地区属于欧亚大陆的正常地壳或是与菲律宾海板块相互作用产生的增厚型地壳,冲绳海槽则是弧后扩张产生的减薄型地壳。滨海断裂带作为华南大陆高速异常和南海北部高速异常的分界,代表了一定地质时期华南地块和南海地块的拼合边界。断裂附近的上地幔低速异常揭示了闽粤沿海岩浆作用的深层动力机制。吕宋岛弧、马尼拉海沟、东吕宋海槽的速度异常与其所处的特殊构造位置有密切的关系,清晰地反映出岛弧俯冲带的地壳结构差异;台湾南部至吕宋岛弧的上地幔低速异常揭示了两个重要火山链的深部构造特征,北吕宋海脊下方100 km深度的条带状高速异常有可能代表了俯冲下沉的岩石层板片。     

Lithospheric structure of the Southwest South China Sea: implications for rifting and extension

ABSTRACT

The South China Sea (SCS) is an excellent site for studying the process of conjugate margin rifting, and the origin and evolution of oceanic basins. Compared with the well-defined northern margin of the SCS, the western and southern segments of the SCS margin have not been researched in significant detail. To investigate the regional structure of the southwestern SCS, a gravity model is constructed, along with the lithospheric thermal structure along a wide-angle seismic profile. The profile extends across the conjugate margins of the Southwest Sub-Basin (SWSB) of the SCS and is based on the latest multiple geophysical measurements (including heat flow and thermo-physical parameters). The results show that the average thicknesses of the crust and thermal lithosphere along the profile are about 15 km and 57 km, respectively. The overall amount of extension of continental crust and lithosphere is more than 200 km. Thermal structure of the lithosphere shows that the continental margins are in a warm thermal state. The southwest SCS is characterized by ultra-wide, thinned continental crust and lithosphere, high Moho heat flow, early syn-rift faulted basins, undeformed late syn-rifting, and high seismic velocities in the lower crust. These various pieces of evidence suggest that the break-up of the mantle lithosphere occurred before that of the continental crust favouring a depth-dependent extension of the southwestern SCS margin.     

南海北部深水区油气勘探关键地质问题

南海北部深水区已经获得了重大的天然气发现,正逐渐成为全球深水油气勘探的热点区之一。通过与相邻陆架区以及世界上典型深水盆地的类比发现,南海北部深水区具有独特的石油地质特征。南海北部大陆边缘经历了从燕山期主动陆缘向新生代边缘海被动陆缘的转变,其演化过程和成盆机制复杂;陆坡深水区具"热盆"特征,凹陷发育超压,其生烃机制不明;深水区距离物源区较远,缺乏世界级大河系的注入,具远源沉积特征,未发现盐层及其相关构造,其油气成藏条件具有特殊性。此外,南海北部深水区海底地形崎岖、多火山,还面临着地震采集、处理等地球物理难题。因此,南海北部深水油气勘探需要在借鉴相邻陆架区和世界其他深水区成功经验的基础上,一方面深入研究其独特的油气地质特征,另一方面研发适应于我国深水环境的地球物理勘探新技术,切实推动深水油气勘探的进程。     

南海北部古构造格局对中、新生界发育的影响

南海北部中生界是南海海域进一步油气勘探的新领域和新层系。对于中生界的形成演化背景与分布特征一直广受关注,南海北部的地质地球物理调查研究成果揭示, 该区与华南东部陆区分块明确,其边界是珠外-台湾海峡断裂带和丽水-海丰-琼东南断裂带。由此划分的南海北缘-台湾地块与南华活动区有亲缘关系,即可视为南华活动区的组成部分,其形成演化过程与华南加里东构造旋回密切相关。南海北部陆缘区与华南东部陆区在加里东造山期所遗留的古缝合带和地壳分块性仍不同程度影响区内中、新生界的发育特征,南海东北部出现大套海相海陆交互相上三叠统-下侏罗统、上侏罗统-下白垩统和上白垩统-始新统见证了这一现象。     

南海北部古河流演变对欧亚大陆东南缘早新生代古地理再造的启示

欧亚大陆东南缘早新生代古地理演变包含了华南沿海中生代山脉的逐步消减与南海的逐步扩张形成等重大事件。南海北部始新统—下中新统“源-汇”路径研究发现,南海沉积物物源在该时期发生了巨大改变。在始新世和早渐新世,源自南海西部古隆起的“昆—莺—琼”河流系统向南海东部地区输送了大量沉积物,包括珠二坳陷在内的南海北部南侧大部分地区受南海西部物源的控制,仅在珠一坳陷接受来自华南大陆珠江的沉积物;晚渐新世,南海西部物源逐步被北部珠江物源取代;到早中新世,珠江来源沉积物全面越过番禺低凸起进入珠二坳陷,大量来自华南内陆的沉积物被珠江运输至南海盆地,“昆—莺—琼”古河流进一步萎缩,仅在南海西部琼东南盆地分布,并且由西向东沉积物源区昆嵩地块逐渐被海南岛取代。南海西部自晚中新世以来发育的中央峡谷正是该古河流的残余。南海新生代早期“昆—莺—琼”河流系统的发现及珠江演变过程的构建,对于深刻认识该地区新生代早期古地理特征、整个欧亚大陆东南缘的古地貌重建以及盆地的油气勘探均具有重要意义。     

南海大陆边缘盆地构造演化差异性及其与南海扩张耦合关系

南海大陆边缘盆地由于边界条件的差异,不仅形成了不同类型的陆缘盆地,如离散型、走滑伸展型和伸展挠曲复合型,而且这些盆地构造演化存在明显的非同步性。这些陆缘破裂过程与南海扩张作用过程呈现明显不一致性。研究表明,南海扩张时期南海南、北大陆边缘均形成了一系列裂陷盆地,然而,南海南部、北部大陆边缘盆地裂陷作用结束时间不同,北部大陆边缘盆地裂陷作用结束于23 Ma或21 Ma,而南部大陆边缘盆地裂陷作用结束于15.5 Ma,显然北部大陆边缘盆地裂陷结束时间明显早于南部大陆边缘盆地。南海扩张停止后,南海南、北部陆缘仍表现出明显差异,北部陆缘仍以伸展作用为主,晚中新世以来出现快速沉降幕,而南海南部陆缘则以挤压作用为主,且其挤压时间及强度呈现南早北晚的特点,即南部曾母盆地明显早于南薇西盆地和北康盆地。南海南、北大陆边缘盆地形成演化的差异性,特别是构造转型差异变化,为新生代南海扩张的迁移性提供了有力的佐证,可以推断南海不同期次海盆扩张可能存在向南的突然跃迁。因此,本次研究梳理出的南海不同陆缘盆地张裂伸展的非同步性可为南海洋盆扩张演化过程解释提供新的证据。     

南海北部洋-陆过渡带深部结构与岩石圈破裂过程

洋-陆过渡带是理解大陆岩石圈破裂和海底初始扩张的关键位置,但是在南海北部地区仍然存在关于相关地质过程的诸多疑问.通过近年开展的国际大洋发现计划航次以及深部地质地球物理探测,取得以下4个方面的认识.（1）南海北部的洋-陆边界一般与自由空间重力异常的正-负值过渡位置对应,而更加准确地限定需要结合反射、折射地震资料.稳定大洋岩石圈生成与大陆岩石圈最终破裂之间的洋-陆过渡边界的位置比以往认为的还应往深海盆方向移动.（2）洋-陆过渡带代表了远端带构造作用减弱和岩浆作用逐渐增强的区域.陆坡地壳发育扩张后岩浆底侵、洋-陆过渡带发育同破裂期岩浆喷出结构和侵入反射体.（3）在中生代的古俯冲带弧前区域,新生代的断裂沿着早期的构造开始活动,岩石圈多处发生强烈的共轭韧性剪切作用.随着大陆岩石圈的进一步拉伸减薄,部分靠陆一侧的裂谷中心停止张裂,成为夭折裂谷,以台西南盆地南部凹陷、白云凹陷、西沙海槽为代表,而南海陆缘异常伸展和最终破裂的地方集中在南侧裂谷中心.夭折裂谷下亦发现地幔蛇纹石化,进一步反映了较弱的同破裂岩浆活动.（4）南海初始洋壳的增生沿着大陆边缘走向具有显著的变化,南海东北部洋-陆过渡带下伏地幔明显抬升和部分蛇纹石化,地震纵、横波速度以及折射波衰减特征都支持此观点,反映南海东北部是一个贫岩浆型大陆边缘.未来,南海北部洋-陆过渡带有望成为南海“莫霍钻”的理想备选钻探区.      

Denudation History of South China Block and Sediment Supply to Northern Margin of the South China Sea

On the basis of apatite fission track (AFT) analyses,this article aims to provide a quantitative overview of Cenozoic morphotectonic evolution and sediment supply to the northern margin of the South China Sea (SCS).Seventeen granite samples were collected from the coast to the inland of the South China block.Plots of AFT age against sample location with respect to the coastline show a general trend of youngling age away from the coast,which implies more prolonged erosion and sediment contribution at the inland of the South China Sea during post break-up evolution.Two-stage fast erosion process,Early Tertiary and Middle Miocene,is deduced from simulated cooling histories.The first fast cooling and denudation during Early Tertiary are recorded by the samples along the coast (between 70 and 60 Ma) and the inland (between 50 and 30 Mu),respectively.This suggests initial local erosion and deposition in the northern margin of the SCS during Early Tertiary.Fast erosion along the coast ceased since ca.50 Ma,while it had lasted until ca.30 Ma inland,indicating that the erosion was transferred from the local coastal zone initially toward the continental interior with unified subsidence of the northern margin,which resulted in the formation of a south-dipping topography of the continental margin.The thermal stosis in the South China block since ca.30 Mu must det'me the time at which the northern margin became dynamically disconnected from the active rifting and stretching that was taking place to the south.The lower erosion rate is inconsistent with higher sedimentary rate in the Pearl River Mouth basin during Late Oligocene (ca.25 Ma).This indicates that the increased sedimentation in the basin is not due to the erosion of the granite belt of the South China block,but perhaps points to the westward propagation of the paleo-Pearl River drainage related to the uplift of the eastern margin of Tibet plateau and southward jumping of spreading axis of the South China Sea.The socond erosion acceleration rate of the Middle Miocene (ca.14 Ma) cooling could have been linked to the long-distance effect of uplift of the Tibet plateau or due to the enhanced East Asian monsoon.