西沙西科1井三亚组生物礁沉积的磁性地层及其环境意义

易　亮,王振峰,张道军,刘新宇,尤　丽,罗　威,祝幼华,秦华峰,邓成龙,5

(1.同济大学海洋与地球科学学院 海洋地质国家重点实验室，上海 200092；2.中国科学院地质与地球物理研究所 岩石圈演化国家重点实验室，北京 100029；3.中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057；4.中国科学院南京地质与古生物研究所 资源地层学与古地理学重点实验室，江苏 南京 210008；5.中国科学院大学，北京 100049)



西沙西科1井三亚组生物礁沉积的磁性地层及其环境意义

易亮1,2,王振峰3*,张道军3,刘新宇3,尤丽3,罗威3,祝幼华4,秦华峰2,邓成龙2,5

(1.同济大学海洋与地球科学学院 海洋地质国家重点实验室，上海 200092；2.中国科学院地质与地球物理研究所 岩石圈演化国家重点实验室，北京 100029；3.中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057；4.中国科学院南京地质与古生物研究所 资源地层学与古地理学重点实验室，江苏 南京 210008；5.中国科学院大学，北京 100049)

生物礁沉积是南海乃至西北太平洋重要的沉积类型之一。本文利用新近钻进取芯的南海西沙西科1井生物礁沉积，开展了详细的磁性地层学研究。结果显示，早中新世三亚组记录了跨度为C5Dn～C6An正极性时的生物礁沉积。在综合全孔年代学结果的基础上，划分出新近纪西沙地区生物礁生长、发育的3个阶段：>约16.5 Ma和<约13.5 Ma两个稳定堆积时期，以及16.5～13.5 Ma快速堆积的“中中新世跃迁事件”。此外，本文推测西沙地区生物礁初始发育的时间显著早于过去认为的约20 Ma，同时三阶段的演化模式可能与南海扩张-结束的构造环境密切关联。

磁性地层；230Th定年；生物礁；南海；更新世

南海是西北太平洋地区最大的边缘海。由于其特殊的地理位置，南海地区的新生代演化在过去数十年中吸引了国内外大量学者的关注[1]。作为其中最为热门的话题之一，南海各次海盆演化的时间序列主要依靠地球物理(大洋磁条带等)的方法[2-10]或依据区域不整合面的粗略推断[2-3,11]。伴随着全球大洋发现计划 (IODP)的不断推进，Li等[12]通过地球物理勘测与IODP钻孔的磁性地层学研究，确定了南海东部次海盆于15 Ma结束扩张，而西南次海盆则在略早的16 Ma结束扩张。这些研究，为深入了解南海的演化历史、探讨大区域的构造关系提供了很好的视角。然而，由于南海地区具有较好的年代学控制的钻孔仅位于ODP Leg 184站位[1,11,13-14]和IODP Leg 349站位[12,15],其他地区年代学工作的匮乏，直接影响了我们对南海演化历史、区域环境过程、生物过程对全球变化响应机制等重大科学问题更为精确的认识。

生物礁是由珊瑚虫、藻类、苔藓虫等造礁生物组成的、具有抗浪结构的海相碳酸盐沉积体。作为碎屑沉积之外的另一大类沉积体，西北太平洋暖池控制下的南海地区也是全球生物礁生长、发育的主要区域，在全球碳循环等热点研究中有着突出的价值[1,16-19]。南海地区生物礁主要发育在中-西沙和南沙台地之上，地理上被西北次海盆和西南次海盆所隔离。

前人研究显示，中-西沙地区的生物礁于断块之上发育[20-21]，岩石地层特征与南沙地区永曙岛的基本一致[22]。地层学研究显示，虽然年龄上南沙地区的生物礁发育可能早于南海北部[23-24]，但两地的生物礁地层是可以对比的[22,25-26]。前人研究主要从沉积学、构造和生态过程等角度予以展开，作为反演长时间序列的生物礁发育过程的年代学研究则十分匮乏。因此，本研究针对这一现状，通过磁性地层学研究，构建西沙地区早中新世的三亚组生物礁沉积的年代学框架。在区域对比的基础上，讨论新近纪生物礁发育的可能过程。

1　区域地质状况与研究材料

西沙群岛大小共包括29个岛屿，总面积可达1 836 km2，其中以永兴岛最大(图1)。岛上生物繁盛，已发现38属127种造礁生物[27-28]。主要的构造背景是曾经与中生代暴露、晚古近纪沉入海底的西沙古隆起[29-30]；此后热带生物礁广泛发育，形成岛礁体系(图1)。

图1　南海区域构造背景[1]、西沙群岛和钻孔位置Fig.1　Regional tectonic background of the SCS[1], the locations of the Xisha Islands and the borehole XK-1

西科1井(XK-1)位于西沙群岛的东北缘的石岛上，由中海石油(中国)有限公司负责钻探，2013年完成钻进取芯(图2)。全孔进尺1 268 m，平均取芯率80%。从下而上，依钻孔岩性变化，可划分为5个组[31]，具体包括：1)三亚组(1 258～1 032 m)，该组上部为云灰岩和少量生物碎屑灰岩，中部以礁灰岩和碎屑灰岩互层为主，底部为棕色角砾岩和珊瑚礁。2)梅山组(1 032～577 m)，该组顶部为生物碎屑灰岩，上部是生物泥灰岩夹云灰岩和碎屑灰岩，中部为珊瑚礁和云灰岩，底部为碎屑灰岩和碎屑泥灰岩。3)黄流组(577～375 m)，该组上部为云灰岩，中下部为云灰岩和云质碎屑灰岩互层。4)莺歌海组(375～215 m)，该组上部为生物碎屑汇演夹少量生物粘结灰岩，中部为黄色云灰岩，顶部为碎屑灰岩。5)乐东组(215～0 m)，该组上部为礁灰岩叫碎屑灰岩，中、下部为礁灰岩与碎屑灰岩互层。

注：E1～E3,F1～F3,G1～G3分别为乐东组①、黄流组②和三亚组 (本文) 的磁极性序列对比;E3、F3、G3引自Hilgen等 [34]，D和F2中的灰色柱为数据空白区间图2　岩石地层单元、古地磁取样位置、特征剩磁磁倾角和磁极性柱Fig.2　Lithostratigraphic units, paleomagnetic sampling position, inclinations of the characteristic remanent magnetization and the magnetic polarity column of Borehole XK-1

2　研究方法与结果

由于西沙地区生物礁沉积的氧同位素变化与全球特征并不一致，不能从中提取出有效的年代学信息[32]，本研究采用磁性地层学方法构建钻孔的年代地层框架。全孔共获得718块古地磁研究样品。其中，王振峰等*王振峰，张道军，刘新宇，等.西沙西科1井乐东组生物礁沉积的磁性地层与230Th定年[J].地球物理学报，2016，59.(排版中)*王振峰，张道军，刘新宇，等.西沙西科1井中新世-上新世生物礁沉积的磁性地层学初步结果[J].地球物理学报，2016，59.(排版中)已对西科1井上部地层进行了详细的岩石磁学和古地磁学研究，本文着重介绍下部三亚组的结果。

首先利用台钻从岩性光滑表面定向钻取2.0 cm(直径)×2.5 cm(高)的圆柱体，共获得319块定向样品。剩磁测量在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室的低温超导磁力仪(2G Enterprises, USA)上完成。为去除黏滞剩磁影响，并获得特征剩磁方向，采用交变退磁方法，最高外加场强为80 mT，间距为2.5～10.0 mT，共14步(图3)。测量数据，采用Randolph J. Enkin开发的PGMSC(V4.2)数据处理软件，利用主成分分析法进行特征剩磁方向的计算。特征剩磁方向经过原点的线性拟合方式[33]获得，每次拟合利用不少于5个连续数据点进行，且最大角偏差小于15°。利用退磁矢量投影图(亦称Z-氏图)对退磁数据进行评价、分析，同时利用主成分分析方法[33]对退磁数据中不同磁成分进行有效分离。大部分样品表现为两种磁组分，通过20 mT交变磁步骤，可以基本消除次生磁成分的影响(图3)。因此，我们选用20～60 mT的区间剩磁分量，利用“最小二乘法拟合”方法[33]进行直线段拟合，最终获得了具有稳定特征剩磁的137块样品(约占总样品数的43%)。

图3　代表性样品的系统退磁曲线Fig.3　The systematical demagnetization curves of the representative samples

为与此前研究一致，本文采用从上而下的编号方式，全孔共63个磁极性区间，其中三亚组内，正极性区间编号为N27～N32，负极性区间为R27～R31(图2)。

3　分析与讨论

3.1磁极性序列的对比

在未发现明显的火山灰层的情况下，虽然受到样品保存与取芯条件的制约，在现阶段的研究中，古地磁学研究是能为西沙群岛的生物礁相沉积提供更多独立的年龄控制点的有效方法。由于受到取样的限制，西科1井很多层位未能获得古地磁结果(图2b)，这给磁极性序列的对比带来了很大的不确定性。为了更好地与地磁极性年表[36](ATNTS2012)进行对比，本文参考了古生物鉴定的一些结果(祝幼华,未发表数据)。该结果显示，黄流组属于晚中新世Messinian-Tortonian阶(5.33～11.63 Ma)、三亚组属于早中新世Burdigalian-Aquitanian阶(15.97～23.03 Ma)。在这一基础上，西科1井三个具有完整古地磁结果的特征时段的对比方案汇总如下(图2)：

1)乐东组①：正极性区间N1～N3分别对应于正极性时C1n(布容正极性时,0～0.78 Ma)、C1r.1n(加拉米洛,0.99～1.07 Ma)、C2n(Olduvai, 1.78～1.95 Ma)。

2)黄流组②：正极性区间N6～N12可对应正极性时C3An.2n～C5n.2n。具体的，正极性区间N6对应于C3An.2n(6.44～6.73 Ma)、N7～N9至C3Bn～C4n.2n(7.14～8.11 Ma)、N10至C4An(8.77～9.11 Ma)正极性时，以及N11～N12至C4Ar.2n～C5n.2n(9.65～11.06 Ma)。

3)三亚组 (本文)：正极性区间N27～N32可对应正极性时C5Dn～C6An。具体的，正极性区间N27对应于C5Dn(17.24～17.53 Ma)、N28至C5En(18.06～18.52 Ma)、N29至C6n(18.75～19.72 Ma)，以及N32至C6An.2n(20.44～20.71 Ma)。

3.2新近纪生物礁堆积过程

在上述年龄框架下，本文尝试给出西科1井新近纪以来生物礁堆积的可能过程。根据现有的年代学控制点(图2)，三亚组的沉积速率变化区间为(10.34～40.27) m/Ma，平均值为(31.07±4.62) m/Ma；黄流组的沉积速率略高于三亚组，为(14.38～60.98) m/Ma，平均值为(34.18±5.87) m/Ma；乐东组的沉积速率进一步升高，为(35.7～158.6) m/Ma，平均值为(76.7±21.9) m/Ma。由此可见，新近纪以来，西沙地区生物礁的沉积速率是逐步增加的。这一现象与此前碳酸盐台地的堆积速率估计[1,22]、西沙隆起周边盆地的沉降速率变化[21]基本一致，可能均与南海扩张后期的热沉降机制有关[1]。

为进一步解析沉积速率的变化规律、恢复新近纪生物礁发育的详细历史，需要更详细的时-深关系分析。通过一元二次函数拟合，本文对西科1井乐东组(0～200 m)、黄流组(470～575 m)和三亚组(1 081～1 170 m)三段时-深数据进行回归。其中乐东组和黄流组可用同一方程予以表达 (r=0.997,n=12,p<0.01)，表明生物礁的沉积速率自中中新世以来保持稳定，南海扩张后的构造运动也较平静。同时，基于乐东组和黄流组获得的时-深关系方程向钻孔底部外推后，发现三亚组的数据也具有一致性，但与钻孔上部趋势存在～320 m的显著“位移”。因此，本文将三亚组的这一“位移”量剔除后，重新再做回归分析，结果显示了全孔新近纪以来更为一致的模式(r=0.999,n=19,p<0.01)(图4)，从而由统计学的角度证实了这一“位移”的存在。

图4　西科1井时-深关系分析Fig.4　Age-depth relationship in Borehole XK-1

前人研究已经指出，生物礁的生长、发育受控于五大要素：生产率、构造活动、海平面变化、陆源物质输入和海流状况[18,21,35-36]。由于不同要素自身具有不同表征的周期特性，本文所观察到的过去两千余万年以来的生物礁沉积过程可由一回归方程予以表达，指示了在构造时间尺度上，构造活动是西沙地区新近纪生物礁发育的主控因素。此外，这一回归结果还指出了另一重要发现——生物礁发育在中中新世较短时间内，发生了一次极为快速的“堆积”过程，本文将其命名为生物礁发育的中中新世“跃迁”事件。此外，检查西科1井现场钻探记录发现，这一事件对应为溶洞广泛发育，是钻孔施工过程中的极低岩心获取区间(图4)。由此本文将新近纪以来生物礁发育的历史划分为3个特征阶段(图4)：约16.5 Ma之前与约13.5 Ma之后的稳定沉积阶段，16.5～13.5 Ma的中中新世“跃迁”事件。

此外，西沙生物礁沉积的初始年龄，不同的研究存在不同的估计。例如，基于地球物理的研究[21]直接将三亚组的底部对比至新近纪初期(23 Ma)，而沉积学研究[1,22]则限定于新近纪的早期(20 Ma)。根据本文已经获得的西科1井时-深函数进行外推，大约1 220 m处的年龄已超过23 Ma，钻孔底部1 258 m则老于25 Ma。由于目前尚未获得更多其他年代学证据，如果生物礁发育的初始年龄限定于23 Ma，则三亚组下部可能仍存在大约40 m的快速“堆积”过程，但无论何种情况，均不宜继续采用20 Ma这一年龄估计。

关于南海的形成机制，目前国内外存在两个主流观点：海底扩张说与碰撞-逃逸模式。

1)海底扩张说认为，在太平洋板块俯冲的背景下[37-39]，新的洋壳在南海三大次海盆内产生[5,40]，直至南海板块与周边板块发生碰撞而停止(图1)。根据这一理论，本文推测，西沙新近纪生物礁发育的两个稳定时期(阶段I和阶段III，图4)可能对应于南海扩张前后两个时期。具体的，南海扩张时，由于中-西沙台地受洋壳扩张的挤压，其下沉速率有限；南海扩张结束后，区域整体构造趋缓，下沉速率仍然较为稳定。另一方面，伴随着洋壳的扩张，大量岩浆参与了次海盆内洋壳的形成，而扩张结束后，岩浆活动逐渐平静；两种情况下，中-西沙台地受到岩浆活动的影响均较小。因此，南海扩张时与扩张结束后，西沙生物礁发育呈现稳定状态。

中中新世时期，情况则发生了改变。首先，三大次海盆的扩张结束并非同步，东部次海盆15 Ma结束扩张，而西南次海盆则在略早的16 Ma结束扩张[4,12]。当某一次海盆先行结束扩张，扩张时对中-西沙台地产生的双向挤压，变更为单向受力，可能造成了中-西沙台地在中中新世(16.5～13.5 Ma)的快速下沉；当所有洋壳扩张结束后，中-西沙台地受到的挤压重新达到平衡，从而恢复了较为稳定的堆积状态。另一方面，由于南海的洋壳扩张属于“被动”结束，而非内部岩浆活动的“主动”停止。当洋壳扩张停止时，大量的岩浆活动无法从洋中脊溢出形成新洋壳，从而对海盆周边台地的下沉过程产生了显著的促进作用。由于洋壳的扩张结束在三大次海盆内是并非同步，两次扩张结束事件可能诱发了西沙生物礁发育的“中中新世跃迁事件”。在此基础上，可进一步将这一事件划分为两个次级阶段(阶段II.1和阶段II.2，图4)。

2)碰撞-逃逸模式认为，印-亚板块的碰撞及其所诱发的哀牢山-红河断裂一线的构造逃逸是诱发南海扩张的主导因素[4,41](图1)。中中新世是作为印-亚板块碰撞的重要时期[42-43]，有可能促使壳-幔物质向南海盆地的运移[4,44]，从而引发了中中新世西沙生物礁的快速“堆积”过程。

然而，由于南海地区的具有良好年代学控制的深孔研究仍然缺乏，本文的上述推测仅基于西科1井单孔结果所获得，验证这些推测需要在今后的研究中在更大空间尺度上积累更多的证据。

4　结论

生物礁堆积是西北太平洋地区重要的沉积类型之一。由于过去研究中年代学结果的匮乏，极大的限制了长时间尺度上对生物礁发育过程的认识。本文在古地磁学研究的基础上，初步给出了西沙地区三亚组的年代学结果。在综合上部古地磁学结果的基础上，本文提出，新近纪以来西沙地区生物礁生长、发育在构造时间尺度上可划分为3个阶段，具体包括：约16.5 Ma之前的稳定堆积阶段、16.5～13.5 Ma快速堆积时期和13.5 Ma以来再次进入稳定堆积阶段。这一"三阶段"的发育模式，与南海洋壳扩张的结果过程密切联系，可能反映了南海整体构造演化对生物礁发育的控制作用。

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Magnetostratigraphy of Biogenic Reef in the Sanya Formation of Borehole XK-1 From Xisha Islands and Its Environmental Significance

YI Liang1,2, WANG Zhen-feng3, ZHANG Dao-jun3, LIU Xin-yu3, YOU Li3,LUO Wei3, ZHU You-hua4, QIN Hua-feng2, DENG Cheng-long2,5

(1.StateKeyLaboratoryofMarineGeology,TongjiUniversity, Shanghai 200092, China;2.StateKeyLaboratoryofLithosphericEvolution,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences, Beijing 100029, China;3.ZhanjiangBranch,ChinaNationalOffshoreOilCorporation, Zhanjiang 524057, China;4.NanjingInstituteofGeologyandPalaeontology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing 210008, China;5.UniversityofChineseAcademyofSciences, Beijing 100049, China)

Biogenic reef is one of the important sediment types not only in the South China Sea (SCS), but also in the Western Pacific Ocean, and plays an important role in modulating global climate and carbon cycle through biological processes. In this paper, a detailed study of paleomagnetic chronostratigraphy is carried out for a Neogene biogenic reef sequence of the Sanya Formation in Borehole XK-1 drilled recently in the Xisha Islands in the northern SCS. The main results are as follows: (1) The Early-Miocene Sanya Formation recorded C5Dn-C6An normal chrons. (2) Based on the age constraints of the whole borehole, the Neogene biogenic reefs in the Xisha region have three stages: two regular stages prior to about 16.5 Ma and after about 13.5 Ma, respectively and one rapid developing stage from 16.5 Ma to 13.5 Ma. The latter one is named 'Mid-Miocene Shift Event' herein. By comparing the new findings with the results obtained previously, it is speculated that the origin of the biogenic reefs in the Xisha region would be notably earlier than ～20 Ma which was considered in the past, and that the three-stage evolutionary model for the biogenic reefs was possibly related to the tectonic environment during the termination of seafloor spreading of the SCS.

magnetostratigraphy；230Th dating; biogenic reefs； South China Sea； neogene

1002-3682(2016)03-0001-11

2016-07-31资助项目：国家科技重大专项项目——南海北部深水区潜在富生烃凹陷评价(2011ZX05025-002)；中国海洋石油总公司项目——西沙生物礁古地磁学、古环境磁学与白云岩化形成机制研究(CNOOC-2013-ZJ-01)；国家自然科学基金项目——莱州湾南部晚新生代海-陆相沉积的磁性地层学研究(41402153)；国家自然科学基金项目——南海北部深水区晚渐新世-中新世海相微体古生物地层及古环境(41272014)作者简介：易亮(1982-)，男，博士，副研究员，主要从事海洋沉积与年代学方面研究．E-mail:yiliang@tongji.edu.cn*通讯作者：王振峰(1956-)，博士，教授级高级工程师，主要从事石油地质方面研究.E-mail: wangzhf@cnooc.com.cn(李燕编辑)

P31

Adoi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.03.001