南海北部陆缘地壳结构及其伸展破裂过程的差异性

郑金云，代一丁，刘军，庞雄，任建业，董明

1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东 深圳 518054 2.中国地质大学海洋学院，湖北 武汉 430074

南海是全球最大的边缘海之一，位于欧亚、印度-澳大利亚及太平洋三大板块的交汇处，夹于西部的特提斯构造域和东部的太平洋构造域之间，并经历了由中生代主动大陆边缘到新生代被动大陆边缘的转换[1]。受新生代的陆缘张裂的控制，在其周缘形成了多个沉积盆地，但不同边缘的构造动力学机制存在显著差异，如南、北两侧为张裂(被动)型边缘，而东侧为俯冲(主动)型边缘，西侧为剪切(转换)型边缘，所形成的裂陷盆地的结构、沉积充填特征各具特色，一直是国内外学者研究和争论的热点。其中，南海北部边缘分布有琼东南、珠江口、台西南等沉积盆地，并获得了大量的油气发现，尤其是在珠江口盆地和琼东南盆地的深水区(见图1)。因此，研究其盆地的形成演化过程、成因机制，对于深刻认识其石油地质特征具有重要意义。

图1 南海北部陆缘盆地分布图Fig.1 Distribution map of continental margin basins in the northern South China Sea

近年来，基于大西洋两岸被动陆缘岩石圈结构、伸展破裂过程等科学研究领域获得重要进展，建立贫岩浆型和富岩浆型伸展破裂模式，并认识到延伸至地壳内的低角度拆离断层对岩石圈的伸展薄化具有重要作用，且岩石圈结构及其流变性质从根本上控制了伸展过程中应变的集中、变形的迁移和转换，进而控制着裂陷盆地的形成和演化[2-5]。珠江口、琼东南盆地的研究和勘探实践表明，陆架浅水区与深水区盆地的结构、沉积充填、地温梯度等基础石油地质条件均存在明显差异[6-8]；陆架浅水区凹陷以高角度断层控制的箕状半地堑、对称或不对称地堑为主，与中国东部陆内典型断陷盆地具有可比性。然而深水区普遍发育大型拆离断裂系统控制的大型宽深断陷，部分具有拗陷的特征。显然，两者所经历的伸展破裂过程及其成因机制必然不同。因此，必须从陆缘岩石圈伸展破裂过程和成因机制的角度，深入分析深部构造变形与沉积盆地形成演化的耦合关系，而陆缘岩石圈结构及其耦合的构造变形特征是关键，尤其是深水和超深水区盆地。

笔者以南海北部陆缘珠江口盆地积累的大量船测重力、磁力以及地震数据为基础，基于重磁震联合反演所获得的地壳岩石圈结构特征，在前人研究成果的基础上，结合大量地震数据所展示的构造变形样式、地层充填与改造特征，系统分析了该区地壳岩石圈结构及其新生代伸展变形的差异性，并探讨了其成因机制，为该区陆缘张裂特征的研究及深水区裂陷盆地成盆机制的研究提供了借鉴。

1 研究概况

越来越多的研究结果表明，南海北部陆缘地壳岩石圈结构由陆到海、由东到西具有较大差异。根据地震层析反演结果，认为以珠江口外一条NNW向岩石圈断裂(推测为北卫滩断裂带)为界，东部和西部岩石圈结构差别很大[9]。多条主动源海底地震仪(ocean bottom seismometer，OBS)深探测剖面的研究表明，东部陆缘发育下地壳高速层，而西部却未发现[10，11]；基于深探测和重、磁资料的研究结果，依据中地壳低速层和下地壳高速层的分布特征，认为滨海断裂带是华南正常陆壳与陆缘减薄陆壳的分界，并发现从东到西地壳拉张减薄的程度和模式存在较大的差异，发育不同类型地壳结构(如正常陆壳、减薄陆壳、夭折裂谷型陆壳等)[12，13]。根据构造运动、火山活动、海底地形等差异，认为南海北部陆缘的洋陆转换带存在铲式断块和海山2种类型[14,15]。上述认识充分说明南海北部陆缘岩石圈结构存在由北向南、由东向西的差异，但目前的认识仍无法满足盆地分析的要求，对其横向差异性的界定及其成盆响应关系的研究仍需深入。为获得研究区更精细的地壳结构横向变化特征，以珠江口盆地以往的船测重力、磁力、地震数据为基础，补充部分卫星重力、磁力数据，采用重磁震三维联合反演技术，获得研究区Moho面深度和地壳厚度。

2 南海北部陆缘现今地壳结构的空间差异

2.1 重磁震联合反演数据和方法

1)基础数据。以研究区以往船测重力、磁力数据为基础，在船测资料相对缺乏区域，收集、补充了卫星重力资料和东亚磁力数据，并对不同来源、不同精度数据进行拼接、调整，编制了自由空间重力异常图、布格重力异常图、磁力异常图、磁力化极异常图等基础图件，作为联合反演的输出目标。收集、整理了珠江口盆地钻井、大洋钻探钻井资料和北部沿海陆上不同时代沉积地层的密度、磁性、速度等资料，以及上/下地壳、洋壳、下地壳高速体等密度、磁性、速度数据，并引入地震资料所确定的海底、新生代沉积基底作为界面约束，构建重磁震联合反演的初始地质模型。

2)反演方法及结果。首先依据收集、统计的资料构建三维岩石物性的初始模型，将模型按一定网格密度分为若干个立方体，每个立方体给定一个初始物性值；再利用正演公式分别计算每个网格在观测面上产生的异常场，得到一个计算场；然后通过建立观测异常场与计算场的目标函数关系式，反复迭代修正物性值，使目标函数达到最小值，即观测异常场与计算场充分拟合，最终获得研究区三维密度模型。以该密度模型中3.30g/cm3的密度界面作为Moho面，编制Moho面深度图(见图2)，以密度为2.67g/cm3作为沉积层底界面，计算地壳岩石圈的厚度。

图2 南海北部陆缘Moho面深度图及主要深大断裂带分布图 Fig.2 Moho depth map and distribution map of main deep-seated fault zones in the northern continental margin of the South China Sea

2.2 现今地壳结构特征

2.2.1 地壳结构的南北分带差异

上述反演结果对地壳结构横向变化规律的刻画较以往研究成果更为精细，可以看出研究区具有“南北分带、东西分段”的横向差异。宏观上，陆缘Moho面深度由北向南抬升，与现今海底地貌呈镜像对应关系。相对应的地壳厚度逐渐减薄，由北向南依次由华南正常陆壳(32～30km)过渡为陆架-陆坡区减薄陆壳(30～8km)，再过渡为海盆区的洋壳(8～6km)。这与该区地震层析[9]、长电缆深反射地震剖面、OBS2006-1[10]与OBS2006-3[11]等深探测剖面的研究结果基本相符。依据地壳厚度由北向南呈阶梯式减薄的特征，及其与海底的镜像对应关系，可将其分为3个带：

1)陆架均匀薄化带。邻近华南大陆的陆架区，Moho面深度变化平缓(为29～30km)。地壳厚度变化较小，约为24～28km，地壳伸展系数β<1.2，其中珠一、珠三坳陷对应区的地壳厚度相对较薄。

2)上陆坡楔形薄化带。上陆坡区Moho面显著抬升，由29km抬升至约20km，形成第1个梯级变化带，地壳厚度呈楔形减薄，由24km减薄至约15km，1.2<β<2，显著薄化区与盆地内的珠二坳陷相对应。其次，该薄化带内地壳薄化的快慢具有东西向的分段差异。珠江口盆地中段的白云凹陷、台西南盆地、琼东南盆地北侧均在较窄的范围(约50～70km)内快速减薄，其间的两段变化相对较缓(约120～170km)；与盆地西段较均匀的Moho面变化特征相比，东段较为凹凸不平(如东沙岛区)，地壳厚度上的这种差异更为明显，表明东段地壳结构的非均一性更强。

3)下陆坡异常薄化带。靠近海盆的下陆坡区为Moho面显著抬升的第2个梯级变化带，由20km抬升至约13km，地壳厚度由15km减薄至约8km，β>2，强烈薄化区与盆地内的珠四坳陷相对应，而该薄化带内由东向西地壳薄化快慢的分段差异则与上陆坡楔形薄化带相反。

2.2.2 陆坡深水区地壳结构的东西分段差异

相对于陆架区和海盆区，陆坡深水区(水深大于500m)Moho面显著抬升，地壳厚度快速减薄，普遍小于20km(β>1.5)，并发育3个由海盆向陆缘延伸的强烈抬升区：①西沙海槽区，呈E-W向陆延伸至琼东南盆地内，最浅处位于盆地东部的长昌凹陷；②珠江口盆地中部的深水区(白云-荔湾凹陷)，呈NNW向陆延伸，分别在白云凹陷中央和荔湾凹陷东部分布2个隆升中心；③台西南盆地深水区，呈近S-N向陆延伸，最浅处位于盆地南部坳陷中央。3个强烈抬升区与上述3个地壳强烈减薄区相对应，其间的东、西2个区域，Moho面在上陆坡的变化相对较缓，快速抬升的梯级带分布在下陆坡区。

陈汉宗等[16]等利用重、磁数据在南海北部识别了7条NW-SE向和多条NE向深大断裂带，展现出深部棋盘格式的构造特征。其中，NW-SE向深大断裂带被认为是晚中生代左行压扭应力场的产物，并切割NE走向的火山弧；而NE向的深大断裂带可能为新生代裂陷盆地发育的边界，如NW-SE向的神弧隆起西断裂带、南澳-台湾浅滩西断裂带为珠江口盆地边界；NE向的滨海断裂带为华南正常岩石圈与陆缘减薄岩石圈的分界[12](见图2)。

阳江-一统断裂带和北卫滩断裂带为珠江口盆地内的2条重要的隐伏深大断裂带，对应于莫霍面、地壳厚度东西向变化带，是地壳结构东西分段的重要转换边界。姚伯初等[9]据地震层析反演所识别出的NNW走向岩石圈断裂即为阳江-一统断裂带，认为其东部和西部陆缘岩石圈结构差别很大。同时，沿该断裂带可在地震剖面上识别大量裂后期基性火山活动，并被BY7-1构造的钻井所证实，即该断裂带深部岩浆向上运动的重要通道。此外，从盆地裂陷的展布特征来看，2条断裂带两侧，控洼断层的走向及其洼陷展布方向均出现明显的转换(见图1)，表明这2条断裂带在陆缘张裂过程中具有动力边界的构造属性，控制了裂陷区的平面展布。因此，珠江口盆地所在的陆缘以阳江-一统断裂带、北卫滩断裂带为界，由东向西可分为东、中、西3段。

神弧隆起西断裂带为珠江口盆地与琼东南盆地的分界，东、西两侧构造线走向发生偏转，以东为NE向(与珠江口盆地一致)，以西为NEE走向。在琼东南盆地深水区，该断裂带上发育大型中央火山，且其西侧控洼断裂与东侧控洼断裂倾向相反(见图1)，表明该断裂带也是一条隐伏深大断裂带。基于南海及其邻区总磁异常特征，指明东沙隆起外侧与台西南盆地被NW-SE向的吕宋-琉球转换边界分隔，其向陆的延伸为南澳-台湾浅滩西断裂带，也是珠江口盆地与台西盆地的分界。

综合上述Moho面与海底地形的起伏、地壳厚度的变化、深大断裂带的分布特征，可将南海北部陆缘由北到南分为3个带：陆架均匀薄化带、上陆坡楔形薄化带、下陆坡强烈薄化带；由东到西分为5段：台西南盆地陆缘，珠江口盆地东段陆缘、中段陆缘、西段陆缘，琼东南盆地陆缘。

3 陆缘盆地结构的南北分带差异

与南海北部陆缘地壳薄化程度的南北分带差异相对应，其沉积盆地结构也具有明显差异，其中以珠江口盆地中段最为典型。

3.1 陆架均匀薄化带盆地结构

陆架均匀薄化带主要发育于珠一坳陷和珠三坳陷，裂陷期盆地具有典型断陷盆地的基本特征，均以高角度断层控制的一系列箕状半地堑或对称、不对称地堑为主要特征，湖盆一般窄而深，横向分隔性强，而裂后期地层多为凹陷中心向周缘减薄的碟形，是较为稳定的裂后热沉降响应。

3.2 上陆坡楔形薄化带盆地结构

该区带对应于地壳快速薄化带，通常发育倾向陆或倾向洋的大型拆离断裂系统，由多条上陡下缓的犁式断层向下汇聚至同一拆离面而构成。拆离面一般向下延伸较大，最深可达Moho面附近。正是由于大型拆离断裂系统的发育，导致地壳在伸展过程中强烈减薄。而由该拆离断裂系统控制的裂陷盆地，整体表现为早断晚拗的宽深断陷，湖盆规模大，分隔性较弱，裂后沉降强，通常形成深水区，具有单边梭形充填特征，以白云凹陷最为典型(见图3)。

注：Tg为新生代基底；T83为文昌组下段顶界；T80为文昌组上段顶界；T70为恩平组顶界；T60为珠海组顶界；T32为韩江组顶界。图3 珠江口盆地白云凹陷典型地震剖面(剖面位置见图1)Fig.3 Typical seismic profiles of Baiyun Sag in Pearl River Mouth Basin (The location of the profile is shown in Figure 1)

3.3 下陆坡强烈薄化带盆地结构

下陆坡强烈薄化带靠近洋盆区，地壳强烈薄化，地壳厚度可小于10km，通常发育较为典型的低角度拆离断层，拆离面位于上、下地壳分界面附近，并伴有强烈的岩浆活动。受该拆离断裂系统控制，裂陷期盆地结构断控显著减弱，而拗陷特征更为明显，通常被岩浆作用强烈改造，造成局部隆升剥蚀、重力滑脱改造等，盆地原型难以恢复；裂后沉降量最大，以饥饿沉积为主，地层厚度相对较薄，以荔湾凹陷最为典型。

4 陆缘深水盆地结构的东西分段差异

4.1 台西南深水盆地典型结构特征

位于陆缘东部的台西南盆地深水区，盆地结构较为特殊，裂陷期盆地规模小，为箕状半地堑，拆离作用不明显。但裂后期沉降量巨大，沉积巨厚裂后期地层，且以深水沉积为主，表明盆地裂陷期地壳薄化强烈，但以韧性薄化为主，拆离薄化贡献小(见图4)。

注：Tg为新生代基底；T80为文昌组顶界；T70为恩平组顶界。图4 台西南盆地南部深水区典型地震结构剖面(剖面位置见图1)Fig.4 Typical seismic structural profile in deep water area of the Southwest Taiwan Basin (The location of the profile is shown in Figure 1)

4.2 珠江口盆地深水区盆地结构

1)陆缘东段。陆缘东段沿东沙隆起南缘发育靖海凹陷、揭阳凹陷等深水盆地，发育倾向陆和倾向洋的拆离断裂系统，并被后期岩浆作用所改造，造成南侧陡坡带被抬深剥蚀。从裂陷盆地的充填特征来看，裂陷早期主要为双断式地堑结构，地层以近平行充填为主，表明控凹断层倾角较陡；裂陷晚期断层活动具有显著拆离旋转特征，形成半地堑沉积充填；但与典型拆离伸展盆地相比，盆地横向伸展量相对较小，反映地壳依赖拆离断层的伸展薄化作用较弱。裂后期单边饥饿沉积充填特征较典型，裂后沉降量较大，且很快进入深水沉积环境，表明地壳整体薄化程度较大，在较窄的距离内快速薄化，且韧性减薄的贡献大于拆离薄化(见图5(a))。

2)陆缘中段。陆缘中段深水盆地的显著特点是拆离断裂系统的规模和活动强度最大，发育多排犁式断裂共同构成大型向洋和向陆拆离断裂系统，控制大型宽深断陷的发育，表明横向伸展量大。岩浆活动由陆向洋增强，以地壳内的侵位为主，导致地层的隆升剥蚀。裂后沉降量大，沉积巨厚地层，表明地壳薄化较强烈且发生在较宽的范围内，形成宽广的陆坡深水区。该段变形特征与大西洋典型贫岩浆型陆缘较为相似，但岩浆作用相对较强(见图5(b))。

3)陆缘西段。与陆缘东段相似，西段地壳的薄化也发生在较短距离内(约50km)，发育倾向洋的拆离断裂系统，但拆离旋转作用显著增强，造成早期裂陷地层近乎垂直，同时伴有较为强烈的岩浆作用，裂后期沉降较大，陆坡坡度较陡，与较短距离内快速薄化有关。该段裂陷盆地总体表现为垂向隆升作用较强，类似与纯剪切破裂模式(见图5(c))。

注：Tm为中生代基底；Tg为新生代基底；T80为文昌组顶界；T70为恩平组顶界；T60为珠海组顶界。图5 珠江口盆地陆坡深水区东段、中段、西段典型地震反射结构特征(剖面位置见图1)Fig.5 Characteristics of typical seismic reflection structures in the east, middle and west of the deep-water area on the continental slope of the Pearl River Mouth Basin (The location of the profile is shown in Figure 1)

4.3 琼东南深水盆地典型结构特征

琼东南盆地位于陆缘西部，裂陷期盆地东部发育倾向北的拆离断裂系统，而中西部发育倾向南的拆离断裂系统，拆离面均延伸至Moho面附近，呈斜向对置，控制大型宽深断陷的发育，裂后沉降量较大，尤其是裂后晚期，沉降区分布在相对较窄的范围，与地壳的强烈薄化区一致，不发育宽广陆架，并伴有较强的岩浆作用，长昌凹陷的中央发育大规模的火山。由于琼东南盆地未临近洋盆，处于西北次海盆向西的夭折裂谷区，且靠近海南地幔柱，裂后晚期的强烈沉降可能与地幔的再次上涌有关。因此，其薄化过程较为复杂，从拆离断裂、岩浆活动、裂后沉降特征来看，可能与邻近的珠江口盆地西段类似(见图6)。

注：T100为新生代底界；T80为始新统岭头组顶界；T70为下渐新统崖城组顶界；T60为上渐新统陵水组顶界；T50为下中新统三亚组顶界；T40为中中新统梅山组顶界；T30为上中新统黄流组顶界；T20为上新统莺歌海组顶界。图6 琼东南盆地中部典型凹陷结构剖面(据文献[17]，有修改)Profile of typical sag structure in the middle of Qiongdongnan Basin (Revised according to literature[17] )

5 成因机制与陆缘岩石圈伸展破裂模式

研究表明，被动陆缘地壳的伸展-薄化-破裂过程显著控制了之上沉积盆地的发育和演化[5，6,8,17]。大西洋型典型被动陆缘有贫岩浆型和富岩浆型2种伸展破裂模式[18-20]，而南海北部陆缘珠江口盆地的中段与贫岩浆型较为相似。为了验证该模式是否适用于南海北部陆缘，2017—2018年在珠江口盆地的中段洋陆过渡区，开展了367/368/368X两个航次的大洋钻探。基于大洋钻探的研究结果表明，有别于经典的大西洋贫岩浆型陆缘，研究区兼具贫岩浆和富岩浆的双重特征，表现出“先贫后富”的特征。在张裂早期，地壳强烈薄化，表现为贫岩浆型；而在张裂晚期高速下地壳岩浆底侵丰富，表现出富岩浆型特征[21]。然而，现今地壳结构和深水区盆地结构的“南北分带、东西分段”差异性表明，南海北部陆缘难以用一种模式来解释整个陆缘区域的地壳伸展破裂过程。由于南海北部陆缘地壳是在中生代主动陆缘的基础上经历了新生代的伸展-薄化-破裂，因此要研究其破裂过程的横向差异性，必须回到新生代伸展前构造格局所控制的地壳结构差异性上。

研究表明，中生代中晚期，(古)太平洋板块持续向欧亚板块俯冲消减，在南海北部陆缘形成壮观的陆缘岩浆弧和弧前盆地，呈NE-SW向展布，因此其地壳结构(如地壳厚度、流变性质等)必然具有北东向的分带差异。且在中生代晚期左行压扭应力场下形成的NW-SE向走滑断裂，构成伸展期的动力边界和深部岩浆大量底侵的通道，而岩浆的大量底侵所带来的热效应将导致地壳流变性质的变化，从而形成东西向的分段差异性。如，东沙隆起及其以东的东部陆缘发育下地壳高速体，且发育巨厚的中生代残留地层，最大厚度超过8km[11]，表明该区伸展前初始地壳更热、更薄，韧性占主导；珠江口盆地中段两侧阳江-一统断裂带、惠东-北卫滩断裂带在裂陷期发生大量岩浆底侵，导致地壳韧性增强，因此裂陷早期地壳经历了大型拆离断裂系统导致的薄化，而裂后晚期则以韧性伸展为主，并伴有较强的岩浆活动；珠江口盆地西段则表现为类似纯剪切的快速破裂特征，吴振利等[10]基于OBS2006-1剖面的分析结果，发现西北次海盆南、北共轭边缘的构造形态和速度结构具有对称分布特征，认为其岩石圈的伸展破裂可能为纯剪切张裂模式。依据上述地壳岩石圈初始结构的横向差异性，结合盆地结构样式、岩浆活动的响应关系，将南海北部陆缘岩石圈伸展破裂过程总结为3种模式：

5.1 自上而下的伸展破裂模式

该模式以珠江口盆地中段陆缘区最为典型，初始地壳结构脆性较强时，裂陷早期在上地壳发生的伸展破裂。随着地壳的进一步拉伸，发育大型拆离断裂系统，使得地壳强烈薄化，并发育大型裂陷盆地。随着地壳薄化，岩浆被动上涌，或沿先存深大断裂大量底侵至下地壳，导致下地壳韧性增强。裂陷晚期上地壳脆性薄化减弱，而下地壳韧性薄化增强，凹陷结构逐渐由断转拗。随着地壳的进一步薄化，岩浆作用显著增强，最后导致地壳快速破裂，然后地幔岩石圈破裂、洋壳开始发育(见图7(a))。

5.2 自下而上的伸展破裂模式

该模式以台西南盆地陆缘区最为典型，整个岩石圈的韧性较强，在伸展薄化的初期以韧性薄化为主，地幔岩石圈优先破裂或尖灭，然后是韧性下地壳。裂陷晚期在地幔物质上涌的驱动下，伴随着较强的岩浆作用，上地壳发生脆性破裂，即裂陷作用，随后整个岩石圈破裂、洋壳开始发育(见图7(b))。

5.3 似纯剪切快速伸展破裂模式

该模式以珠江口盆地西段陆缘区最为典型，初始地壳结构脆性较强，地壳在伸展薄化的初期以脆性破裂为主，但随后横向伸展相对受限，而幔源物质上涌占主导，导致陆缘发生被动拆离薄化，发育大型拆离断层，拆离旋转作用导致早期裂陷地层被强烈旋转改造，并伴随较强的岩浆作用，最后整个岩石圈快速破裂、洋壳开始发育(见图7(c))。该模式与纯剪切伸展较类似，但横向伸展量相对较大。

图7 南海北部陆缘岩石圈3种伸展破裂模式Fig.7 Three extensional fracture models of continental margin lithosphere in the northern South China Sea

6 结论

1)南海北部陆缘现今地壳结构的横向差异较大，具有“南北分带，东西分段”的特征。依据Moho面及海底地形的起伏、地壳厚度的变化、深大断裂的分布，可将其分为由北到南的陆架、上陆坡、下陆坡3带，以及由西到东的琼东南盆地陆缘，珠江口盆地西段陆缘、中段陆缘、东段陆缘，台西南盆地陆缘5段。

2)南海北部陆缘裂陷盆地结构与地壳的伸展-薄化-破裂过程密切相关，在南海渐进式扩张背景下，受先存构造格局的约束及岩浆作用的参与，地壳伸展薄化的方式和程度有差异，裂陷盆地的结构样式和规模随之不同。

3)结合地壳现今的结构及其沉积盆地的耦合特征，提出了自上而下伸展破裂模式、自下而上伸展破裂模式、似纯剪切快速伸展破裂模式的3种典型陆缘地壳伸展破裂模式，不同模式下深水盆地的结构样式、规模、改造程度均有不同。地壳深部结构及其构造过程的研究对于深入认识深水盆地的成盆演化过程和勘探潜力至关重要。