西沙海域新近纪生物礁的发育演化及控制因素

杨 振，张光学，张 莉，夏 斌

(1.国土资源部海底矿产资源重点实验室，广州海洋地质调查局，广州 510075;2.中山大学海洋学院，广州 519082)

西沙海域新近纪生物礁的发育演化及控制因素

杨 振1，张光学1，张 莉1，夏 斌2

(1.国土资源部海底矿产资源重点实验室，广州海洋地质调查局，广州 510075;2.中山大学海洋学院，广州 519082)

南海北部西沙海域发育大量的生物礁，活跃于整个新近纪，蕴含有丰富的油气资源。对西沙海域高精度地震数据及钻井数据的研究表明，早中新世时期，少量的生物礁初始发育于地势高点之上。至中中新世早期，生物礁进入了全面发育阶段，礁体类型众多，如点礁、台地边缘礁、塔礁等，广泛分布于西沙隆起西部的斜坡之上。在发育过程中，随着水体的加深，生物礁逐渐向隆起等地势高部位迁移。至中中新世晚期，进入衰退阶段，以马趾礁、台地边缘礁为代表，主要分布于西沙隆起之上。晚中新世以来，生物礁的发育进入了淹没阶段，并以垂向生长的环礁为代表，主要分布于西沙隆起之上的岛礁周缘。构造作用和相对海平面变化为西沙海域新近纪生物礁发育演化的主要控制因素，其中构造断裂产生的构造高点控制生物礁初始发育的位置，后期基底构造沉降和相对海平面变化控制了生物礁发育演化的各个阶段，三级相对海平面周期性浮动也影响了生物礁旋回性的退积过程。

生物礁;发育模式;控制因素;新近纪;西沙海域

生物礁为固着底栖生物原地生长而形成的一种特殊的碳酸盐岩建造，具有良好的储集性能，在油气勘探中占有重要的地位［1－2］。生物礁的生长发育与地质环境、构造背景密切相关。我国南海得益于优越的地理位置和适宜的气候条件，生物礁广泛发育于海盆周缘的断陷盆地之中，蕴含丰富的油气资源。至今，已在南海发现30多个中新世的生物礁油气田［3－4］。西沙海域自早中新世以来，也发育了大量的生物礁。前人根据单井岩心和有限的2D地震资料等信息，对该区的生物礁进行了识别，并依据相对海平面变化初步建立了碳酸盐岩台地的发育模式［5］。同时依据野外露头，对于西沙群岛周缘的生物礁也开展了沉积学方面的研究［6］。受限于地震数据的品质和钻井的缺乏，尚未理清新近纪生物礁的时空分布，对其发育过程也有待于加强。通过对西沙海域高精度地震数据的精细解释及利用波阻抗反演等技术手段，首次刻画了各时期生物礁的分布，划分其发育演化阶段，建立其发育模式，讨论了构造活动和相对海平面变化的控制作用。以上工作的开展，对下一步开展西沙海域生物礁储层预测具有重要的指导意义。

1 区域地质背景

西沙海域位于南海北部陆坡之上，水深变化较大，从暴露的西沙群岛逐渐过渡到水深超过3 km的深海盆(图1a)，大地构造隶属于中—西沙地块。古近纪早期，随着南海北部陆缘张裂、岩石圈减薄及随后海底的扩张等构造活动的进行，该地块逐渐从华南地块中裂离出来［7－10］。渐新世末期(23.3 Ma)，西北次海盆的海底扩张停止，扩张脊跃迁至中央海盆和西南次海盆［11－12］，同时中—西沙地块的裂离活动结束，到达了现今的位置(图1b)。对琼东南盆地古近纪断裂组合样式的研究结果表明:这种裂离过程明显受到了研究区西侧红河走滑断裂的影响［13］。在此进程中，研究区发育大量的北东向断裂，形成了琼东南盆地、中建南盆地、广乐隆起、西沙隆起、双峰盆地等5个主要构造单元，造就了盆地—隆起—深海盆这一特殊陆坡的地貌形态。

图1 南海北部沉积盆地分布(a)及西沙海域构造区划、地震测线(b)Fig.1 Sedimentary basins in the northern South China Sea(a)and tectonic division and seismic lines in the Xisha sea area(b)

全区的构造演化以23.3 Ma(T6)为界，可划分为裂陷期和裂后期2个演化阶段。裂陷期为断裂活动的主要时期，这些断裂控制盆地、隆起等构造单元分布的格局，自下而上沉积了湖相的岭头组、海陆过渡相的崖城组和海相的陵水组等地层。自早中新世开始，西沙海域进入裂后期的构造演化阶段，热沉降为其主要的表现形式［14－16］。根据沉降速率的差异，以10.5 Ma(T4)为界面将裂后期进一步划分为热沉降阶段和加速沉降阶段［17］，然而西沙海域上新世以来缓慢的构造沉降与同期琼东南盆地北侧斜坡的快速沉降有一定的差异［4］。自下而上沉积滨浅海—半深海相的三亚组、梅山组、黄流组等和半深海—深海相的莺歌海组和乐东组等新近纪地层(图2)。

2 生物礁的地震识别

生物礁的地震识别主要是依据礁体的外形、顶底界面的反射特征、内部反射结构以及与周缘地层的接触关系等特点进行识别［5，18］。不同的生物礁具有不同的生长形态，各自对应的反射结构也不尽相同，同时因分类依据和研究目的的不同导致了生物礁分类的多样性［1，19］。本文根据生物礁发育的位置和生长形态对其进行分类。通过对西沙海域地震测线精细的解读，利用对生物礁最为敏感的波阻抗反演等地震属性进一步确认，在研究区识别出点礁、台地边缘礁、塔礁、马趾礁及环礁等6种类型的生物礁。

图2 西沙海域综合地层柱状图Fig.2 Stratigraphic column of the Xisha sea area

2.1 点礁

外形呈丘形，两翼近对称，顶部为连续的强反射，内部反射较弱或呈空白反射，底部与下伏地层界限不明显(图3a)。在波阻抗反演剖面上，点礁表现为顶部高阻抗，而内部阻抗低，横向上连续性较差(图3b)。这类礁体规模较小，空间展布为1～2.5 km，主要发育于西沙隆起西部边缘或西部斜坡的断层上盘之上。

2.2 台地边缘礁

整体呈丘形，顶部为连续的强反射，内部为杂乱反射，有时可见1～2个同向轴，强反射的外形易区分于周缘弱反射的地层(图4a，5)。台地边缘礁的阻抗整体较强，底部与下伏强阻抗地层的界面不明显(图4b)。台地边缘礁主要发育于台地边缘，其规模因台地边缘地形特点差异而不同，横向上展布为2～5 km不等。在其生长过程中，部分礁体碎屑受重力作用滑塌而堆积于坡脚，形成反射杂乱的礁前滑塌(图5)。该类礁体广泛分布于西沙隆起西部边缘。

2.3 塔礁

整体呈现塔形，地震剖面上表现为连续丘形强反射的垂向叠加。单个丘体内部为杂乱的弱反射，底部近空白反射，顶部反射较强与上覆地层的界面明显。塔礁横向上约2.5 km，而垂向高度可达1 km，表明其具有多期持续生长的特点，同时也反映其生长速度与相对海平面的上升速度一致(图4a)。在波阻抗反演剖面上，不同期次生长塔礁的阻抗具有明显的差异(图4b)。第一期生长的塔礁与周缘的台地边缘礁具有相似的顶部强阻抗，底部阻抗弱的特征;第二期的阻抗整体较弱，而顶部的阻抗相对较强，这可能由于第二期塔礁的快速生长而导致其与周缘地质体的较小阻抗差所引起。由于塔礁主要发育靠近台地边缘部位，较强的水动力环境导致其侧翼通常会有水道伴随发育，表现为强振幅“U”型反射，同时呈现出向地势高部位迁移的特征，表明在其发育时期，海平面是在持续上升的。该类礁体广泛分布于西沙隆起西部斜坡之上。

2.4 马趾礁

马趾礁为大量点礁空间上有规律的分布而形成马趾状的礁体。单个礁体与点礁具有相似的地震相，整体为丘形，顶部为连续的强反射体，内部反射杂乱，底部反射较弱，两翼近对称，同时周围地层出现上超(图5)。单个礁体的直径在5 km左右，空间展布可达20 km以上，该类礁体主要发育于西沙隆起之上。

图3 西沙隆起西部斜坡典型的点礁地震剖面及其波阻抗反演剖面Fig.3 Typical seismic profile of point reefs on the west slope of Xisha Uplift and its P-wave impedance inversion

图4 西沙隆起西部斜坡典型的生物礁地震剖面及波阻抗反演剖面Fig.4 Typical seismic profile of reefs on the west slope of Xisha Uplift and its P-wave impedance inversion

图5 西沙隆起之上典型的生物礁地震剖面Fig.5 Typical seismic profile of reefs on the Xisha Uplift

2.5 环礁

环礁为碳酸盐岩台地淹没阶段生物礁的主要类型，多具有垂向快速生长的特点。其地质形态有一定的差异，整体呈丘形，礁体顶部为连续的强反射，而内部为杂乱的弱反射。其横向规模2～4 km不等(图5)，部分环礁的生长高度可达1 km，主要发育于地势高部位的台地顶部，广泛分布于西沙隆起岛礁区域。此外，在西沙隆起东北部的部分海域也有环礁的分布。

3 西沙海域新近纪生物礁的时空分布

根据西沙海域的沉积和构造演化背景，在对西沙海域地震数据精细地识别和地震层序划分的基础之上，结合区域的钻井资料分析［20－22］，本文建立了该区生物礁及碳酸盐岩台地的4个时期的沉积相，分别为早中新世、中中新世早期、中中新世晚期和晚中新世至今等。此沉积相带的建立较前人［4］的结果做了较为精细的刻画，首次建立了早中新世时期的生物礁及碳酸盐岩台地的沉积相带，明确了生物礁的时空分布，细化碳酸盐岩台地内部的沉积相带等(图6)。

3.1 早中新世

早中新世时期，广乐隆起周缘的碳酸盐岩台地围绕滨海相呈环带状分布，而西沙隆起周缘的碳酸盐岩台地主要分布于其西部和西南部(图6a)，隆起内部也有孤立碳酸盐岩台地的发育。这些台地规模小，后期多遭受暴露而白云岩化，并已有少量的生物礁发育，主要分布于西沙隆起周缘台地的西南侧。

3.2 中中新世早期

中中新世早期(梅山组沉积早期)，生物礁广泛发育于广乐隆起与西沙隆起周缘(图6b)。广乐隆起北部的斜坡之上有一定规模的生物礁，其东南边缘也有少量的点礁。西沙隆起西部和西南部有大量的生物礁生长，而西沙隆起北部和东部少见生物礁，以滩相沉积为主。台地内部的潟湖规模不等，台缘斜坡发育大量的水道，碳酸盐岩的碎屑通过这些水道被搬运至凹陷深水区，形成深水扇。

3.3 中中新世晚期

中中新世晚期(梅山组沉积晚期)，广乐隆起东北部的斜坡上有一定规模的生物礁，多为前期继承性生长，而西沙隆起西部的生物礁数量众多，隆起之上也有部分生物礁的沉积(图6c)。早期出露海面的火山，随着相对海平面的上升，逐渐接受碳酸盐岩的沉积，形成孤立碳酸盐岩台地，在这些台地的西南缘也有一定数量生物礁的分布。两台地之间的水道体系已经发育成熟，形成南北2个分支，一支向北流向琼东南盆地，另一支向南流向中建南盆地。

3.4 晚中新世至今

晚中新世时期，生物礁大多分布于西沙隆起之上岛礁孤立台地西南侧(图6d)，中建台地的周缘也有少量的生物礁，台地周缘的水道继承性发育。晚中新世末期，该区发育大规模的块体搬运体系，其西部红河断裂的走滑反转可能为其触发机制［23］。现今，全区大部分区域已处于半深海—深海的沉积环境，碳酸盐岩台地局限于西沙岛礁周缘，如永兴岛、宣德群岛等，这些生物礁以环礁为主，大型环礁的顶部发育潟湖，种类多样［5］。

4 生物礁的发育演化

图6 西沙海域新近纪生物礁及碳酸盐岩台地沉积相Fig.6 Sedimentary facies of reefs and carbonate platform during the Neogene in the Xisha sea area

通过对西沙海域生物礁及碳酸盐岩台地精细的解释和钻井分析，根据时空分布特点，本文将西沙海域生物礁的发育演化分为:初始发育阶段、繁盛阶段、衰退阶段及淹没阶段等4个阶段，分别对应早中新世时期、中中新世早期、中中新世晚期及晚中新世至今。关于西沙海域生物礁及碳酸盐岩台地的发育演化模式，前人也做了一些工作，主要为西沙岛礁孤立碳酸盐岩台地的发育演化模式［5］和西沙海域碳酸盐岩台地的发育模式［4］。然而，这2个模式都有一定的局限性，前者建立的模式为在三级相对海平面变化控制下碳酸盐岩台地生长的一个旋回，而后者依据二级相对海平面建立的碳酸盐岩台地的发育模式，没有涉及生物礁相关的信息。据前文的分析，西沙海域生物礁的演化分为4个阶段，并有自西沙隆起西部斜坡区逐渐向隆起之上的岛礁区逐渐退积的过程，以上2个模式都没有反映出生物礁这一发育特点。为此，基于西沙海域生物礁及碳酸盐岩台地生长发育的特点，综合考虑区域的沉积、沉降、地层的压实变形、相对海平面的变化及生物礁沉积环境等多种地质条件之后，笔者尝试建立了较为符合实际情况的西沙海域生物礁及碳酸盐岩台地的发育模式(图7)。

4.1 初始发育阶段

早中新世，西沙隆起西部的斜坡区处于滨浅海环境，碳酸盐岩台地开始发育于地势高点，数量少、规模小的点礁主要发育于台地边缘(图7a)。随着水体逐渐上升，西沙隆起局部区域也开始接受碳酸盐岩的沉积，形成一些孤立碳酸盐岩台地，部分台地边缘发育生物礁。

4.2 繁盛阶段

早中新世早期，全区普遍接受沉积，稳定的滨浅海环境利于生物礁及碳酸盐岩台地全面发育。首先于斜坡下部的台地上发育一定数量的点礁，形成点礁复合体(图7b)，并发育礁前滑塌。随着相对海平面的缓慢上升，生物礁随台地逐渐向斜坡上部退积，礁体类型全，如:点礁、台地边缘礁和塔礁等(图4a)。相对海平面的进一步上升，生物礁及碳酸盐岩台地收缩至隆起边缘，发育大量的台地边缘礁。纵观整个阶段，生物礁类型全、数量多，具有明显的从斜坡区不断向岛礁区迁移的特点。

4.3 衰退阶段

中中新世晚期，随着相对海平面持续上升，生物礁及碳酸盐岩台地向隆起高部位逐渐收缩(图7c)。生物礁主要发育于西沙隆起西部边缘，以台地边缘礁为主，西沙隆起之上也发育部分生物礁，其中马趾礁最为典型(图5)。此后，相对海平面快速上升，致使生物礁向隆起高部位的岛礁区进一步迁移，标志着生物礁的发育演化进入了另外一个阶段。

4.4 淹没阶段

图7 西沙海域生物礁及碳酸盐岩台地的发育演化模式Fig.7 Evolution model of reefs and carbonate platform in the Xisha sea area

晚中新世至今，生物礁及碳酸盐岩台地局限于岛屿周缘，其发育处于淹没阶段(图7d)。晚中新世早期，生物礁主要发育于西沙隆起之上岛礁的西南侧。至晚中新世末期，相对海平面急剧下降(图2)，导致晚中新世沉积的碳酸盐岩再次暴露而白云岩化。随后相对海平面的快速上升，仅在岛礁的地势高点残存垂向生长的环礁。

5 生物礁发育演化的主控因素

生物礁的生长需要适宜的环境，水深、光照、温度、营养盐及构造活动等，任一条件的变化都可能改变生物礁的造礁类型或生物礁的生长形态［24－26］。西沙海域尤其是西沙隆起自早中新世以来，一直为远离陆源碎屑影响的孤立台地［4－5］，因而，西沙海域生物礁的发育演化主要受控于构造作用和相对海平面变化。此外，基于钻井揭示纵向上珊瑚—藻类等造礁生物阶段性的变化，可能是由于温度的变化而引起，但基于本文数据的基础，重点分析构造作用和相对海平面变化。

5.1 构造作用

古近纪时期，在中—西沙地块从华南地块裂离过程中，西沙海域发育以北东向为主的基底断裂，大多活跃至渐新世末期(23.3 Ma)，并形成区域重要的不整合面(T6)［15］。这些断裂控制着区域构造单元的分布格局，同时也产生大量的构造高点，这给生物礁及碳酸盐岩台地的初始发育创造了条件。而自早中新世以来，区域构造演化进入了裂后期的热沉降阶段，这一阶段构造沉降速率的变化前人已经做了较为初步的计算［4，17］，其与生物礁的生长发育密切相关。早中新世时期，构造沉降较为缓慢，利于生物礁的初始发育，但西沙隆起之上尚处于滨海环境，部分区域尚未接受沉积，这将生物礁的发育局限于孤立碳酸盐岩台地的周缘(图6a，7a)。中中新世早期，全区普遍接受沉积，基底缓慢的沉降利于生物礁的全面发育。至中中新世末期，构造沉降开始加速，导致碳酸盐岩台地边缘逐渐向地势高部位迁移(图7b)，而生物礁也随着台地边缘的迁移向隆起等高部位收缩，同时造礁生物的类型较为单调，以藻类为主［21］，致使生物礁的发育进入了衰退阶段。晚中新世时期，基底的构造沉降进一步加速，早期发育于隆起边缘或隆起之上的生物礁大部分已经淹没，生物礁及碳酸盐岩台地快速向隆起之上更高部位的岛礁区迁移(图7d)，导致了生物礁的发育进入淹没阶段。上新世以来，仅有部分生物礁残存于岛礁之上，并以环礁为代表。

5.2 相对海平面变化

生物礁及碳酸盐岩台地的生长对水深变化极为敏感，目前已发现的与碳酸盐岩台地相关的生物礁主要生活在60 m以上的水体环境中［24］，相对海平面的上升或者下降对生物礁的生长发育都有一定的影响。

早中新世时期，相对海平面相对稳定(图2)，隆起周缘的浅海环境，利于生物礁的发育，此时期三级相对海平面变化出现2个旋回，其浮动范围在100 m左右，这可能导致早中新世碳酸盐岩暴露而白云岩化。中中新世早期，相对海平面开始上升，全区普遍接受沉积，西沙隆起及其周缘整体处于滨浅海环境，为生物礁的广泛发育创造了条件。随着相对海平面的持续上升，生物礁从隆起边缘的斜坡逐渐向隆起顶部等地势高部位退积，生物礁在退积过程中表现出3个生长旋回响应了三级相对海平面旋回性变化(图2)。至中中新世晚期，随着相对海平面的继续上升，生物礁退出了斜坡区，主要发育于西沙隆起之上(图7b)，此时生物礁的发育演化已经进入了衰退阶段。晚中新世以来，基底的加速沉降导致的相对海平面的快速上升，致使隆起之上大部分的生物礁开始淹没，仅有部分生物礁残存于岛礁之上。岛礁周缘，远离陆源碎屑，干净清澈的水体环境，使得生物礁的生长速率与相对海平面的变化速率能保持一致。而上新世以来，相对海平面再次快速上升，迫使生物礁的垂向生长，同时相对海平面的上升过程中表现出了多个旋回，导致了生物礁周期性的暴露。

6 结论

(1)西沙海域新近纪生物礁类型众多，有点礁、台地边缘礁、塔礁、马趾礁及环礁等，主要分布于西沙隆起的西部、西南部和广乐隆起的东北部、东南部，广乐隆起顶部的生物礁数量较少，而西沙隆起顶部有一定数量的生物礁。

(2)西沙海域生物礁的发育演化经历了4个演化阶段:早中新世的初始发育阶段、中中新世早期的繁盛阶段、中中新世晚期的衰退阶段和晚中新世至今的淹没阶段。

(3)在生物礁的发育演化过程中，活跃于古近纪的断裂产生的构造高点，为生物礁的初始发育创造了条件，而裂后期的构造沉降和二级相对海平面的变化，控制了生物礁发育演化阶段，三级相对海平面的周期性变化，影响了生物礁旋回性退积过程。

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(编辑 黄 娟)

Development and controlling factors of Neogene reefs in Xisha sea area

Yang Zhen1，Zhang Guangxue1，Zhang Li1，Xia Bin2
(1.MLR Key Laboratory of Marine Mineral Resources，Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，Guangdong 510075，China; 2.School of Marine Science，Sun Yat-Sen University，Guangzhou，Guangdong 519082，China)

During the Neogene a large number of reefs developed in the Xisha sea area with a great potential for oil and gas exploration.High-resolution seismic data and extensive well drilling data provided an opportunity to understand the evolution of reefs in this area.A few reefs initially developed on a basement high in the early Miocene.In the early Middle Miocene，the reefs，such as point reefs，platform-edge reefs，and pinnacle reefs，flourished on the western slope of Xisha Uplift.They gradually back stepped to the elevated topographic highs in response to a relative sea level rise.In the late Middle Miocene，reefs began to wither and mainly grew on the Xisha Uplift represented by horse toe reefs and platform-edge reefs.Since the Late Miocene，many reefs formerly developing on the edge of the Xisha Uplift were submerged and only some atolls survived around the islands on the Xisha Uplift.Tectonics and eustasy controlled the development of Neogene reefs in the Xisha sea area.Tectonics controlled the topography for the initial growth of reefs，and tectonic subsidence combined with rapid relative sea-level changes controlled reef evolution during the Neogene.In addition，the rhythm of relative sea-level changes in a short time also influenced the sedimentary cycles of reefs.

reef;evolutionary model;controlling factors;Neogene;Xisha sea area

TE12<2.2 class="emphasis_bold">2.2 文献标识码:A2.2

A

1001－6112(2016)06－0787－09

10.11781/sysydz201606787

2016－03－17;

2016－08－17。

杨振(1984—)，男，在站博士后，从事碳酸盐岩深水油气研究。E-mail:yangzhen011043@163.com。

张光学(1965—)，男，教授级高级工程师，从事深水油气与天然气水合物研究。E-mail:zhguangxue@tom.com。

中国地质调查局项目(GZH20120511)和国家基金委南海重大计划—重点基金项目(91228208)资助。