西沙地块构造—地层特征及其记录的南海洋盆演化过程

张远泽 ，李 林 *，雷 超 ，任建业 ，刘博文 ，高圆圆 ，杨志力 ，王雪峰

1. 中国石油 杭州地质研究院，杭州 310023；2. 中国石油 集团杭州地质研究所有限公司，杭州 310023；3. 中国地质大学（武汉）海洋学院，武汉 430074；4. 中国地质大学（武汉）海洋地质资源湖北省重点实验室，武汉 430074

1 引言

被动陆缘深水区构造的复杂性导致人们对深水盆地形成机理的认识较为初步。近二十年来，对大西洋陆缘深水盆地（Manatschal and Bernoulli,1999）、南海洋陆转换带（孙珍等，2020；丁巍伟，2021; Nirrengarten et al., 2020；任建业等，2018；Lei et al., 2018）、南海北部陆缘荔湾凹陷（Lei et al., 2019; Zhang et al., 2020）和西沙海槽（Lei and Ren, 2016）的研究表明，大型拆离断层作用是陆缘地壳岩石圈发生大规模拉张减薄，并最终发生裂解作用形成扩张洋盆的主要机制。基于被动大陆边缘自陆向洋在莫霍面、地壳结构、盆地充填结构、断层构造样式和岩石圈地壳流变性等差异性，目前将被动陆缘划分为近端带、细颈化带、远端带、洋陆过渡带和洋壳带等构造单元（任建业等，2015及其引用参考文献）。根据岩石圈伸展破裂理论，在深水区发育的含油气盆地地壳厚度较薄（Sutra et al., 2013），而位于南海西北部深水区西沙地块呈现地壳厚度与陆架区域基本一致的特点，其形成机制如何一直是学术界和石油工业界关注的领域。

西沙地块位于南海的西北陆缘（图1a）,其夹持于南海西北次海盆和西南次海盆之间。目前研究认为南海洋盆的打开与岩石圈伸展、减薄、破裂和洋壳形成具有密切的联系。根据大洋钻探和海底磁异常条带分析，确定南海西北次海盆于～33 Ma打开而西南次海盆于～23 Ma打开（Briais et al., 2013），夹持于南海西北次海盆与西南次海盆之间的西沙地块堆积的沉积物保留了这些构造活动的沉积地层记录。对西沙海域地质的研究主要集中在生物礁的研究，该区域已被钻探发现了大量的生物礁沉积，如西科1井（朱伟林等, 2017）、西永1井（王崇友等, 1979）和西琛1井（魏喜等, 2008）等（图1a），研究发现生物礁主要开始发育于晚渐新世，随后大面积扩张，研究证实其是该区域油气聚集的主要对象（杨振等, 2017）。

图1 （a）西沙地块构造位置及其周缘海底地貌特征（绿色虚线代表西沙地块范围，蓝色虚线代表洋陆边界，黑色虚线代表中沙地块范围，图中海底磁异常据Briais等, 1993)；（b）南海所在的大地构造位置；（c）西沙海域新生代构造地层划分方案Fig. 1 (a) Tectonic location of the Xisha block and its surrounding seafloor geomorphology (the green dashed line represents the extent of the Xisha block, the blue dashed line represents the boundary of the ocean and land, and the black dashed line represents the extent of the Zhongsha block). Seafloor magnetic anomaly according to Briais et al., 1993), the seafloor magnetic anomaly in the figure; (b) the geotectonic location of the South China Sea; (c) Cenozoic tectono-stratigraphic division in the Xisha Sea Area

西沙地块沉积层下伏为结晶基底。早期对西永1井钻遇的基底年龄开展同位素测试显示为前寒武纪变质岩（王崇友等, 1979），最近对其周边开展了西科1井钻探，在新生代沉积层下钻遇了基底岩石为角闪斜长片麻岩，U-Pb定年显示变质年龄平均年龄为152.9±1.7 Ma，同时基底岩石中穿插了107.8±3.6 Ma的花岗岩，其可能是由于古太平洋的向东亚陆缘俯冲导致在华南陆缘形成的中生代花岗岩（朱伟林等, 2017）。通过重力反演获得西沙海域平均地壳厚度为23 km左右（Bai et al., 2015），与周缘盆地强烈减薄地壳厚度形成鲜明对比，如南海西北次海盆地壳厚度为6 km（郭晓然等, 2016）、琼东南盆地长昌凹陷（西沙海槽）陆壳最薄厚度达2.8 km（ Lei et al., 2020）。那么，隆坳相间、地形反差巨大的西沙地块是什么类型的构造控制的，一直困扰着学术界和石油工业界。

本次研究基于覆盖西沙地块的地质和地球物理资料，运用构造—层序地层学的原理和方法，进行地震地层的划分与对比，识别主要构造界面，对比主要界面发育前后西沙地块及其周缘构造单元的构造样式，阐明其发育的动力学过程，研究成果将对该区的成盆动力学和油气勘探具有启示意义。

2 区域地质概况

自中生代以来亚洲大陆东侧一直受到来自古太平洋的俯冲作用（周蒂等, 2006; Li et al., 2019），形成了东亚陆缘华夏山系，晚白垩开始古太平洋俯冲后撤导致华夏山脉的垮塌（邹和平, 2001），进入新生代以来华南陆缘在古南海向南俯冲（Hall,2002）作用下，形成“宽裂陷作用”形成的构造地貌特征（Lei et al., 2019），随后伴随拆离断层的发育地壳岩石圈拉伸减薄并破裂发育洋壳，在此过程中分离出较多的微型地块，如西沙地块、中沙地块、礼乐地块和南沙地块等。

自中生代以来华南陆缘岩浆作用较频繁，发育了多期岩浆活动（Li et al., 2012及其参考文献）。通过对西沙地块西科1井钻遇的花岗岩开展同位素年代学研究，认为西沙与华南陆缘同属于岩浆弧花岗岩的特征（张成晨等, 2019）。另外，Li等（2018）基于对南海区域的磁力异常数据研究发现西沙地块发育的火山弧可与华南陆缘的中生代弧后花岗岩带相连。

南海洋盆是西太平洋大型的边缘海盆地之一，平面呈NE-SW展布，其主要地质边界是东部以俯冲为主、北部以伸展为主、西部以走滑为主、南部以俯冲碰撞为主（李三忠等， 2012；雷超等，2015）。目前，基于盆地中发育的线性磁异常的展布特征和大洋钻探成果，基本建立了南海洋盆在渐新世和中新世早期多次扩张事件（Briais et al.,1993; Li et al., 2014），即～33 Ma洋盆扩张首先发生在南海东北部位，发育形成南海东部洋盆，扩张中脊逐渐向西发育；在25.5 Ma之后，洋脊扩展中心向南迁移，南海西北次盆扩张停止；约23 Ma以来，南海西南次海盆开始扩张（Briais et al., 1993）。在南海数次扩张过程中，中沙地块和西沙地块逐渐远离华南大陆，西沙与华南陆缘形成西沙海槽，中沙地块与华南陆缘以西北次海盆相隔，南沙地块甚至漂移至南海南部，在中中新世早期与婆罗洲相撞（Hutchison, 2004）。

西沙地块夹持于南海西北次海盆和西南次海盆之间（图1a），北临琼东南盆地中央坳陷带（西沙海槽），东与南海西北次海盆接壤，东南方向为中沙海槽和中沙地块，南临南海西南次海盆，西与莺琼结合部和中建盆地为邻。莺琼结合部和中建盆地发育了红河断裂向海延伸的走滑构造（雷超等，2022），其可与南海南部的走滑断裂体系一起共同组成了南海动力变形分区边界线（Morley, 2002）。

3 数据和方法

研究数据包括区域反射地震剖面和钻井资料，其中地震数据来自中国石油天然气集团公司提供的2D地震资料,覆盖了整个西沙地块。该套地震数据可揭示双程反射时间深度为8s以上的地壳结构、盆地构造和盆地充填序列特征。西沙地块上钻井主要钻遇生物礁和结晶基底岩石（朱伟林等，2017）。基于生物地层和层序地层的方法，该区建立了早中新世以来的地层划分方案（罗威等, 2018）。结合近年来对琼东南盆地深水区层序划分方案的修正（刘晓锋等，2018），通过关键界面在区域地震剖面上的识别、对比和追踪，本次研究在新生代地层中识别出7套地层，即始新世地层、崖城组、陵水组、三亚组、梅山组、黄流组、莺歌海—乐东组，其被地震界面 Tg、T80、T70、T60、T50、T40、T30 和T0界面限制（图1c）。

4 西沙地块构造—地层分析

4.1 北西—南东向地震剖面

图3为过西沙地块北西—南东向的地震剖面，剖面的中部为西沙地块，北西方向为西沙海槽长昌凹陷，南东方向为中沙海槽。西沙地块新生代沉积层与基底之间形成的界面Tg地震反射特征较清楚，界面的上覆为具有层状特征的地震反射，界面的下伏呈均一地震反射。Tg界面可被基底断层切断，但基底断层规模较小，断层产状较陡，反射地震剖面揭示基底断层一般活动到T60界面停止活动，基底断层控制的地层结构呈楔形几何学特征，但地层厚度较薄，与剖面北西方向的琼东南盆地长昌凹陷发育的断层控制的沉积厚度形成显著的差异（图3）。西沙地块上发育了较多的岩浆底辟构造，底辟构造自下向上刺穿地壳和上覆的沉积层，部分岩浆底辟甚至出露于现代海底。西沙隆起新近系地层主要被海底峡谷和海底滑坡改造。

图3 过西沙地块北西—南东向地震剖面L112的构造—地层综合解释（上图为地震剖面，下图为地质构造剖面）Fig. 3 Comprehensive tectonic-stratigraphic interpretation of NW-SE seismic profile L112 in the Xisha block(The top image shows the seismic section, while the bottom image shows the geological structure section)

相比于西沙地块，北部琼东南盆地长昌凹陷发育了大型的铲式断层，断层规模较大，对地壳的减薄作用显著，形成了大型的沉积物可容纳空间，堆积了较厚的古近系地层（图3）。西沙海槽已被高分辨率三维地震资料覆盖，该套地震资料可揭示双程反射时间10 s TWT的盆地结构特征（图4）（Lei et al., 2020）。图4为过西沙海槽东部的三维地震剖面，该地震剖面揭示在9 s TWT处发育一组振幅较强、连续性较好并近水平分布的地震反射轴，反射轴的上部1 s TWT的范围内被揭示具有类似的地震反射轴，但连续性较9 s TWT处发育的差。9 s TWT处地震反射轴的下部为均一反射特征。Lei等（2020）认为该组强反射为莫霍面，其分隔了下部的地幔和上部的下地壳，下地壳的地震反射特征具有显著的流变特征。Tg界面也可在图4所提供的地震剖面中清晰识别，Tg界面被一系列基底断层分割。地震反射界面Tg和莫霍面之间的地壳呈楔形几何学特征，在图4地震剖面中自东向西15 km处地壳厚度强烈减薄，厚度接近1 s TWT ，显示了地壳强烈减薄的特征，而靠近测线西南方向为西沙地块，地壳厚度呈逐渐增大趋势。琼东南盆地长昌凹陷基底断层具有上陡下缓、向深部延伸最终沿莫霍面消失的趋势，形成了大型的拆离断层系统，拆离断层向上可延伸到T60界面，表明断层基本停止活动于T60界面形成时间。

图4 西沙地块北部西沙海槽拆离断层控制的强烈减薄地壳(Lei et al., 2020; 上图为未解释地震剖面，下图为解释地质剖面)Fig. 4 Strongly thinned crust controlled by the Xisha trough disassembly fault in the northern Xisha block(Lei et al., 2020; top unexplained seismic profile, bottom interpreted geological profile)

西沙地块的南部为中沙海槽，呈北东—南西向展布（图1a）。中沙海槽控凹断层位于海槽的西部，断层呈上陡下缓的特征（图3），海槽内火山构造非常发育，根据地层和火山底辟构造接触关系确定火山侵入时间主要位于早中新世时期，海槽早期结构特征受到较大的破坏，但是海槽内Tg界面所在的深度位置明显与西沙地块所在Tg界面的位置低较多，显示岩石圈地壳减薄程度在中沙海槽内较大。

4.2 北东—南西向地震剖面

图5为过西沙地块北东—南西向地震剖面，剖面经过了中建盆地的北部、西沙地块和西北次海盆。结晶基底和新生代沉积地层之间的地震反射为Tg，西沙地块Tg地震反射界面所在位置主要位于1～2 s TWT深度位置，西北次海盆Tg地震反射界面所在深度主要位于7 s TWT位置，与西沙地块的Tg反射界面形成显著的深度差别，整体呈现从西沙地块到西北次海盆Tg地震反射界面具有逐渐加深的趋势。

西沙地块上发育的断层在图5中被揭示为高角度正断层，断层断开了Tg、T80和T70界面，停止活动于T60界面，这些断层控制的盆地结构为断陷结构，地层结构呈楔形几何学特征。T60界面上覆地层呈水平展布，主要受水道、海底滑坡和火山作用的影响。西沙地块发育火山底辟，火山构造与附近的沉积层显著的截然接触关系，火山底辟构造内部地震反射较均一。有些火山构造高度较高，在海底形成凸起构造，这些构造的顶部发育生物礁的地震反射特征。

图5 过西沙地块北东—南西向地震剖面L108的构造—地层综合解释（上图为地震剖面，下图为地质构造剖面）Fig. 5 Comprehensive tectonic-stratigraphic interpretation of the NE-SW seismic profile L108 in the Xisha Block(the top one is the seismic section, the bottom is the geological structure profile)

西沙地块的东部为西北次海盆地，通过海底磁异常数据确定其基底属性为洋脊扩张的玄武岩（Li et al., 2014; 李春峰等, 2012），基底Tg界面较平坦，发育的主要是小型的基底断层，断层活动主要在T60界面以下停止活动。基底之上除Tg和T60界面之间沉积受断层活动影响外，上覆地层呈水平展布。西沙地块与西北次海盆之间发育了大量的火山构造，火山构造强烈改变沉积构造，影响了该区域原型构造的恢复，但Tg界面深度从西沙地块到西北次海盆急剧降低的特征非常显著，这与OBS数据揭示的地壳减薄特征一致（图2）。

图2 西沙地块及其周缘地壳速度结构（据郭晓然等, 2016）Fig. 2 Crustal velocity structure of Xisha block and its periphery

4.3 新生代地层厚度特征

图6为西沙地块及其周缘根据全区地层追踪后编制的Tg界面和T0界面之间地层厚度图，揭示了西沙地块及其周缘部分区域新生代沉积厚度特征。西沙地块新生代地层厚度较薄，最大沉积厚度为2 s TWT，均值为0.5～1 s TWT，其沉积中心长轴方向为北东—南西方向，与断层的走向方向基本一致。西沙地块的周缘发育了多个大型的沉积中心，如乐东凹陷、华光凹陷、中建盆地、华光凹陷、西北次海盆等。乐东凹陷是本次研究测线覆盖区新生代沉积厚度最大的区域，最大厚度可达5 s TWT，其南部的华光凹陷沉积厚度平均3.5 s TWT。中建盆地也具有较厚的沉积厚度，厚度平均值在2.5 s TWT左右。西北次海盆沉积厚度平均值在2 s TWT 左右。西沙地块和中沙地块之间发育的中沙海槽地层厚度不大，与西沙地块的地层厚度较一致。西沙地块的北部为西沙海槽，该区前人发表了大量的有关地层厚度的数据，显示具有较厚的沉积特征（张功成,2010），与西沙地块沉积厚度具有显著的差别。

图6 西沙地块及其周缘新生代地层厚度图（作图范围见图1A, 绿色虚线代表西沙地块范围，蓝色虚线代表洋陆边界，黑色虚线代表中沙地块范围）Fig. 6 Cenozoic stratigraphic thickness map of Xisha block and its periphery(The mapping range is shown in Figure 1A. The green dashed line represents the Xisha block, the blue dashed line represents the ocean and land boundary, and the black dashed line represents the Zhongsha block)

5 讨论

5.1 西沙隆起演化过程分析

西沙地块的构造演化与南海岩石圈的拉伸、减薄和洋壳出露具有密切的关系。中晚始新世，西沙海域地壳岩石圈发生均一伸展，发生“宽裂陷作用”（图7）（Lei et al., 2019, 2020），高角度正断层控制形了成一系列半地堑盆地，形成隆凹相间的构造地貌（Lei et al., 2019）。早渐新世，早期的均一伸展随着应变的迁移，西沙地块的东南部开始发育低角度铲式断层（图7）（Lei et al., 2019; Zhang et al., 2020），拆离断层的三维形态特征显示倾角较小并控制一系列旋转断块(Lei et al., 2019)。晚渐新世，西沙地块北部拆离断层强烈减薄陆壳，长昌凹陷的地壳厚度极限减薄（Lei et al., 2020），基底大幅度沉降，而西沙地块进入海相的沉积环境（图7）。早中新世开始，西沙地块及其南北区域基底断层停止活动，但西沙地块南部开始发育大量的岩浆底辟构造，强烈破坏盆地的原型（图7）。由于本次研究中沙海槽地震测线覆盖较少，中沙海槽的结构需要进一步研究。早中新世以来，除发育岩浆构造外，稳定的构造环境是西沙地块生物礁生长的有利环境，自此生物礁在该区域发育生长（杨振等, 2017;罗威等, 2018）。

图7 经过西沙地块北西—南东向构造演化史剖面图Fig. 7 Cross section of NW-SE tectonic evolution history of Xisha block

构造演化史的分析表明西沙地块断层活动相对于其南北凹陷较弱，这可能与研究区的先存构造具有较大的关系。西沙地块地壳厚度比周缘的沉积盆地的地壳厚度大，可达23 km（郭晓然等, 2016），与长昌凹陷和中沙海槽下伏地壳厚度形成显著的区别，也与西南次海盆发育的洋壳地壳厚度形成显著差别（王强等, 2020）。目前先进的地磁研究和数据处理技术表明西沙地块所在的区域可能与中生代发育于主动陆缘的陆缘弧构造相关（Li et al.,2018），已被钻遇西沙地块基底的岩浆岩同位素定年确定（朱伟林等, 2017）。因此，相对于周缘强烈减薄陆壳盆地或者洋盆，具有较厚陆壳的西沙地块保存了华南陆缘弧具有均一地质属性的特征。

5.2 西沙地块及其周缘构造演化主控因素分析

近年来在南沙地块和婆罗洲之间发育古南海得到了层析成像结果的支持（Hall and Spakman,2015）。Clift等（2008）估算古南海在当时宽度在1400 km以上，俯冲方向为东南方向，直至早中新世末期古南海伴随着南沙地块和婆罗洲地块的碰撞而俯冲消亡，因此可以推断古南海在南海的演化中具有重要的作用。基于西沙地块结构构造和断陷沉积充填序列中各个重要构造变革界面的动力学背景分析，本文建立了西沙地块及其周缘构造演化模式，如图8所示。

中晚始新世，在古南海洋壳向南俯冲的构造背景下，中生代形成的华南陆缘山脉崩塌、岩石圈伸展和减薄，此时岩石圈应变较为均一，形成弥散分布的隆凹构造格局，断层构造样式主要为高角度的正断层，西沙地块深部保存的这种高角度断层控制的沉积（图8）。早渐新世早期，南沙北部由于岩石圈变形应力的迁移集中在南海西北次海盆的构造位置，导致该区域岩石圈地壳急剧减薄并最终破裂形成洋盆。处于西北次海盆洋盆延伸方向的西沙海槽长昌凹陷由于拆离断层的发育，其地壳也经历了强烈减薄，形成大型的盆地。早中新世早期，南海洋脊扩张跃迁到西沙南部，岩石圈地壳减薄、伸展和破裂并最终西沙地块与南沙地块的分离，形成西南次海盆。西沙地块断层停止活动，但岩浆活动在该时期较为活跃（Gao et al., 2019）。中中新世早期，古南海俯冲消亡于婆罗洲下（姚永坚等,2013），在南沙地块形成显著的碰撞不整合（孙珍等,2011），由于婆罗洲地块的负载作用使南沙地块挠曲沉降形成周缘前陆盆地（图8），南海停止扩张，西沙构造进入稳定期。

图8 基于区域动力学事件建立西沙海域及其周缘构造演化过程Fig. 8 The tectonic evolution process of Xisha Sea area and its periphery based on regional dynamic events

6 结论

本次研究以西沙地块作为研究对象，基于研究区新的区域地震剖面开展了地壳结构、盆地构造—地层综合分析，确定了盆地不同阶段的结构特征和主要断裂的发育样式，重点识别主要构造变革界面，分析和对比主要变革界面发育前后西沙地块构造样式，建立西沙地块的构造演化模式。本文获得如下结论：

（1）地震剖面揭示西沙地块主要为受高角度断层控制的断陷盆地，盆地规模较小，隆凹格局显著。

（2）开展与西沙地块周缘凹陷结构构造的对比工作，发现西沙地块基底和新生代沉积层之间的地震反射界面Tg与周缘拆离断层控制的盆地的Tg界面具有显著的差别，认为可能与西沙地块结晶基底均一地质属性有关。

（3）基于西沙地块及其周缘识别的重要变革界面，与周缘板块构造运动重要事件开展对比研究，认为渐新世早期拆离断层在西北次海盆的活动导致了西沙地块北部的岩石圈地壳的减薄，而中新世早期拆离断层在西南次海盆构造位置的活动导致了西沙地块与南沙地块的分离。

致谢：感谢中科院南海所赵明辉研究员提供图2地壳速度剖面。