地質大學張燕梅

⑴ 珠江口盆地深水區晚中新世以來構造沉降史特徵及其對BSR分布的影響

於興河¹，梁金強²，方競男¹，姜龍燕¹，叢曉榮¹，王建忠¹

於興河（1958－），男，教授，博士，主要從事油氣勘探開發研究，E-mail:[email protected]。

1.中國地質大學能源學院，北京100083

2.廣州海洋地質調查局，廣州510760

摘要：對珠江口盆地深水區構造沉降史的定量模擬研究，發現晚中新世以來區內構造沉降總體上具有由北向南、自西向東逐漸變快的演化趨勢；從晚中新世到更新世，盆地深水區經歷了構造沉降作用由弱到強的變化過程：晚中新世（11.6～5.3 Ma），平均構造沉降速率為67 m/Ma，上新世（5.3～1.8 Ma），平均構造沉降速率為68 m/Ma，至更新世（1.8～0 Ma），平均構造沉降速率為73 m/Ma。而造成這些變化的主因是發生在中中新世末—晚中新世末的東沙運動和發生在上新世—更新世早期的台灣運動：東沙運動（10～5 Ma）使盆地在升降過程中發生塊斷升降、隆起剝蝕，自東向西運動強度和構造變形逐漸減弱，使得盆地深水區持續穩定沉降；台灣運動（3 Ma）徹底改變了盆地深水區的構造格局，因重力均衡調整盆地深水區繼續沉降，越往南沉降越大。將BSR發育區與沉降速率平面圖進行疊合分析，發現80％以上的BSR分布於構造沉降速率值主要在75～125 m/Ma、沉降速率變化迅速的區域。

關鍵詞：珠Ⅱ坳陷；深水區；定量模擬；構造沉降；BSR

Tectonic Subsidence Characteristics and Its Impact on the BSR Distribution in Deep Water Area of Pearl River Mouth Basin Since Late Miocene

Yu Xinghe¹,Liang Jinqiang²,Fang Jingnan¹,Jiang Liongyan¹,Cong Xiaorong¹,Wang Jianzhong1

1.School of Energy resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China

2.Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China

Abstract:By means of quantitative basin modeling research of tectonic subsidence history of deep water area in Pearl River Mouth basin,tectonic subsidence has been generally characterized by accelerationfrom north to south andfrom west to east in the research area since Late Miocene.From Late Miocene to Pleistocene,deep-water area in the basin experinced the variational process of tectonic subsidence effect that wasfrom weak to stong:the average tectonic subsidence rate was 67m/Ma in the Late Miocene(11.6～5.3 Ma),the average tectonic subsidence rate was 68m/Ma in the Pliocene(5.3～1.8 Ma),and the average tectonic subsidence rate was 73m/Ma in the Pleistocene(1.8.～0 Ma).Moreover,the major reasons which causing these changes was Dongsha tectonic evnet from the end of the Middle Miocene to the end of the Late Miocene and Taiwan tectonic event from the Pliocene to the Early Pleistocene:Dongsha tectonic event(10～5 Ma) makedfault block uplifting and sagging,rise area eroding,and waning of movement intensity and structural deformation from east to west,which caused stable subsidence of deep-water area in the basin; Taiwan tectonic event(3 Ma) thoroughly changed the tectonicframework of deep-water area in the basin,which kept on subsiding and was subsiding more southward because of gravity balance.Overlaying the developed areas of BSR and ichnography of tectonic subsidence rate,it was discovered that more than 80%BSR tend to distributed in the area that the average tectonic subsidence rate rangedfrom 75 m/Ma to 125m/Ma and changed rapidly.

Key words:ZhuⅡdepression;deep water area ; quantitative basin modeling ; tectonic subsidence; BSR

1 區域地質背景

「深水（海）」這一術語通常是指位於陸架坡折向海一側包括陸坡、陸隆和深海平原的深水環境（水深＞200 m)^[1]。根據這一定義，珠江口盆地深水區主要為珠Ⅱ坳陷，位於珠江口盆地南部。珠Ⅱ坳陷由2個低凸起（雲開低凸起和白雲低凸起）和4個凹陷（開平凹陷、順德凹陷、白雲凹陷和荔灣凹陷）組成。坳陷大致呈NE—SW向展布，水深0.2～2 km，面積4×10⁴km²，北部以番禺低隆起和神狐暗沙隆起與珠I和珠Ⅲ凹陷相隔，南部以南部隆起為界，西部與神狐隆起相鄰，東部以東沙隆起為界（圖1）。

圖1 珠江口盆地深水區構造區劃圖據文獻[2]修改

珠Ⅱ坳陷的中新統－更新統均為海相沉積，自下而上劃分為韓江組、粵海組、萬山組和瓊海組（表1）。在珠江口盆地的地層中，中中新統（韓江組）和上中新統（粵海組）之間存在不整合（或假整合）。該期構造運動相當於珠江口盆地地震反射剖面中的地震反射層T₃，代表了一期重要的區域構造運動——東沙運動^[4,5]。中中新世之後，東沙隆起整體快速沉降，進入非補償沉積期，可容納空間高速增長^[6]。東沙運動對珠江口盆地深水區的塊斷升降有著重大地影響，其運動的強度和影響程度，東強西弱。上新世—更新時早期（3 Ma）的台灣運動徹底改變了珠江口盆地深水區的構造格局，褶皺隆起轉變為斷褶帶，且盆地深水區因重力均衡調整繼續沉降^[2,7]。

表1 珠江口盆地地層劃分^[3]

為了更為深入地研究珠江口盆地深水區晚中新世以來的構造沉降及其對BSR的影響，結合珠江口盆地深水區中中新世以來發生的構造運動和海平面升降變化，在珠江口盆地深水區識別出晚中新世以來的3個層序界面：自下而上分別為T₃、T₂和T₁，對應的時間分別是11.6 Ma,5.3 Ma,1.8 Ma（表1），相應的，自下而上可識別出層序Ⅲ、層序Ⅱ、層序Ⅰ 3個地層層序，大致對應於粵海組、萬山組和瓊海組。

2 構造沉降的計算方法

盆地在某一時刻的基底總沉降幅度（D_B）實際上包括2部分，即構造作用引起的構造沉降幅度（D_T）和沉積物負荷均衡作用引起的負載沉降幅度（D_L）。用回剝技術^[8-10]計算構造沉降，需要進行3方面的校正：①地層去壓實校正；②古水深校正；③古海平面變化校正^[11]。

經過校正的構造沉降幅度可以表示為^[8,12]：

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式中：Φ為補償量（衡量達到Any均衡的程度）；H為回剝方法確定的古地層厚度；ρ_m為地幔密度；_w為水的密度

ρ為沉積層平均密度；W_d為古水深；ΔS_L為古海平面相對現今海平面的升降值（高水位為正，低水位為負）。

由於珠江口盆地岩石圈強度很低，可以認為已達到完全的重力均衡^[13-15]，Φ取作1。這樣構造沉降幅度可以表示為

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2.1 孔隙度－深度關系與含砂率

在正常壓實的沉積層中，沉積物孔隙度和埋深呈指數關系^[16]，即：

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式中：φ為地層深度為y處岩石的孔隙度，％；φ₀為初始沉積（y=0）時岩石的孔隙度；C為壓實系數；C和φ₀與岩性有關（表2）。

表2 不同岩性的壓實系數與地表孔隙度^[17]

以位於珠江口盆地深水區北部白雲凹陷內的虛擬井點神－72為例，對應層序Ⅰ、層序Ⅱ、層序Ⅲ3個地層的含砂率分別11.0％、20.9％、19.7％，因此得到3套地層對應的不同岩性的含量（表3）。

表3 虛擬井點神－72不同岩性組成

2.2 去壓實校正

當深度為Y₁和Y₂之間的岩層回剝到

和

高度時，在回剝的位置上岩層的厚度由下式給出^[8]：

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如果地層中劃分出n種岩性，以P_i表示地層中第i種岩性的含量，則深度為Y₁和Y₂之間沉積層厚度為

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由二維地震資料得到神－72點對應的層序Ⅰ、層序Ⅱ、層序Ⅲ3個地層的現今地層厚度分別是44 m、186 m、733 m，以及對應的現今水深為548 m。那麼，層序Ⅰ、層序Ⅱ、層序Ⅲ3個地層的頂深分別為548 m、592 m、778 m。

圖2 連續去壓實概念模型^[17]

2.3 古水深校正

沉積物沉積時，其沉積界面在水下一定深度，所以沉積物厚度不能代表沉降深度。沉積盆地水深較大時，必須對古水深作校正才能得出正確的構造沉降。有了古水深W_d，則可以直接將古水深加上沉積物厚度，從而得到真正的深度。

古水深的計算是一項復雜而難於算準的問題，加上缺少珠江口盆地深水區各個時期沉積環境的准確資料，目前無法准確計算古水深數據。在由引張應力場轉變為擠壓應力場時，先存斷裂逆轉，伴隨著盆地的縮短，斷陷盆地褶皺並發生隆升，繼而遭受風化和剝蝕，造成破裂不整合面，而後發生坳陷^[18]。珠江口盆地具有下斷上拗的雙層結構，以晚漸新世早期「南海運動（24.8 Ma）」所形成的區域「破裂不整合面」為界，珠江口盆地分為上下兩套構造層和先陸後海的沉積組合^[19]。下構造層由分隔的斷陷沉積組成，自下而上為神狐組沖積相沉積、文昌組湖相沉積和恩平組湖泊一沼澤相沉積。上構造層由統一的海相沉積組成，代表了從晚漸新世開始的南中國海的廣泛海侵^[20,21]。因此借用計算鶯瓊盆地和珠江口盆地沉降曲線的方法^[10]，將古水深按線性增加處理。考慮到晚漸新世以前為湖相－陸相，對沉降量的計算影響較小，晚漸新世起，水深才開始發生升降變化^[22]，取28.4Ma之前水深為0^[23]，之後水深線性增加至現今深度，中間各層古水深由線性插值生成（圖3），差值公式為

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式中：t_i為時間（Ma）; h₀為現今水深（m）;h_i為t_i時對應的水深（m）。運用此方法計算得到神－72在11.6Ma、5.3Ma、1.8Ma時刻的古水深值分別是324 m、445 m、513 m。

圖3 古水深線性插值計算示意圖

2.4 海平面變化校正

層序地層學的研究表明，古今海平面變化較大，全球性的旋迴性沉積作用基本上或完全受全球范圍的海平面變化控制^[24]。因此，構造沉降的計算需要對海平面變化進行校正，將其統一到現今海平面的位置。由於研究年代跨距較小，海平面變化不大^[23,25]，所以△S_L近似取值為0。

2.5 構造沉降計算結果

本次研究根據上述原理，利用研究區的地層、岩性、水深及海平面等資料，運用PRA盆地模擬軟體對珠江口盆地深水區172個虛擬點進行了構造沉降的計算，定量恢復了研究區的構造沉降史；並且針對4條典型剖面和3套地層的平面沉降特徵進行分析，進而探討珠江口盆地深水區的構造演化特徵及其對BSR分布的影響。例如，恢復神－72的構造沉降史後，得到此點在不同時間的總沉降速率和構造沉降速率（表4）。

表4 虛擬井點神－72構造沉降計算結果

3 模擬結果分析

3.1 單井沉降史特徵

用在二維地震測線上選取的虛擬點進行沉降史的計算與分析。以位於順德凹陷的虛擬點神－72、荔灣凹陷的虛擬點神－23、白雲凹陷的虛擬點神－152以及位於南部隆起的虛擬點神－117（圖1）為例，定量地對盆地深水區的埋藏史和沉降史進行了模擬。這些點基本位於各個構造單元的中心部位，可以用來分析各凹陷或隆起的構造沉降演化特徵。

珠江口盆地深水區西南緣神－72點的構造沉降速率在不同時期相差較大，分別是晚中新世為104 m/Ma，上新世為43 m/Ma，而更新世則只有23 m/Ma（圖4A）。這表明順德凹陷的構造運動隨著時間的推移越來越弱。

盆地深水區東南緣的神－23點（圖4B）和南緣的神－117點（圖4C）具有相似的特徵：神－23點處晚中新世構造沉降速率為87 m/Ma，上新世為100 m/Ma，更新世為76 m/Ma；而神－117點晚中新世構造沉降速率為54 m/Ma，上新世為63 m/Ma，更新世為45 m/Ma。這種慢—快—慢的沉降速率特徵表明，荔灣凹陷和南部隆起在上新世都經歷了一次沉降高峰期，隨後沉降作用變弱。

盆地深水區東北部的神－152點與前面三者都不同，它的構造沉降速率變化不大：晚中新世為71 m/Ma，上新世為72 m/Ma，更新世為72m/Ma（圖4D）。這表明自晚中新世以來，白雲凹陷一直處於穩定的沉降期，該區新近紀構造變動不太。

深水區內各個凹陷沉降特徵各異，具有各自獨特的埋藏史和沉降史，但總體上呈現出持續穩定的沉降特徵。

結合二維地震資料可以得到（表5），4個虛擬點在各個時期的沉積速率均小於沉降速率，說明盆地深水區具有欠補償的沉積補給作用，且沉降速率較大。快速沉降作用和欠補償作用造成了盆地深水區的形成。

圖4 研究區各虛擬點埋藏史與沉降史曲線圖

表5 珠江口盆地深水區晚中新世以來典型單點沉降速率與沉積速率m/Ma

3.2 構造單元沉降速率對比

分析珠江口盆地深水區晚中新世以來各凹陷的沉降速率值（表6），不難發現各構造單元沉降速率之間存在明顯差異。晚中新世最大沉降速率出現在白雲凹陷，構造沉降速率120 m/Ma，總沉降速率達208 m/Ma；上新世最大沉降速率出現在荔灣凹陷，構造沉降速率達152 m/Ma，總沉降速率達200 m/Ma；更新世最大沉降速率仍在荔灣凹陷，構造沉降速率達122 m/Ma，總沉降速率達167 m/Ma。這表明盆地沉降中心的平面遷移規律：晚中新世，沉降中心位於盆地北部的白雲凹陷；上新世—更新世沉降中心往東部的荔灣凹陷遷移。

表6 珠江口盆地深水區晚中新世以來各構造單元沉降速率m/Ma

3.3 盆地沉降史特徵

盆地模擬結果表明（圖5）：盆地在自晚中新世以來的沉降過程中，T₃-T₂沉降時期，即晚中新世構造沉降作用最弱，平均構造沉降速率為67 m/Ma。這與發生在中中新世末—晚中新世末的東沙運動（10～5 Ma）時期相符。東沙運動使盆地在升降過程中發生塊斷升降、隆起剝蝕，並伴有擠壓褶皺斷裂和頻繁的演化活動，發育了NWW向斷裂，構造活動強烈^[7,26]。因此，在晚中新世，盆地各構造單元發生程度不同的沉降作用。

從晚中中新世到全新世，盆地經歷了構造沉降幅度由小變大，構造沉降量由大變小，構造沉降速率由小變大的變化過程，呈現出梯度變化趨勢，表現為伸展盆地的動力學背景。經過中中新世末期盆地抬升剝蝕之後，晚中新世盆地進入塊斷升降階段，沉降幅度和沉降速率開始增大，可容納空間增大。上新世時，平均構造沉降速率為68 m/Ma，相對晚中新世變化不甚明顯。至更新世時期，平均構造沉降速率為71 m/Ma，盆地構造活動變強。

3.4 剖面沉降史

選擇位於盆地深水區不同位置的4條典型的剖面進行構造沉降的計算，分析研究區縱向與橫向上的構造演化特徵。總體上，由陸向海方向，構造沉降速率總體表現為增大的趨勢，且自西向東構造沉降速率逐漸變快，這與盆地深水區平面沉降特徵相一致。

A剖面位於研究區西南部，由西北向東南方向穿過開平凹陷、神狐隆起、順德凹陷及南部隆起。晚中新世，從開平凹陷到神狐隆起，構造沉降速率一直減小，直至在順德凹陷中減小到42 m/Ma才開始上升，直到南部隆起中達100 m/Ma以上；上新世，構造沉降速率先在開平凹陷—神狐隆起—順德凹陷中由50 m/Ma左右增加到73 m/Ma，又在順德凹陷中經歷微弱的降低過程，最後在順德凹陷和南部隆起的交匯部位降到60 m/Ma後又開始急劇上升，直至90 m/Ma以上；更新世，構造沉降特徵與上新世相似，具有很好的繼承性，由45 m/Ma上升到76 m/Ma後，在順德凹陷和南部隆起的交匯部位降低到72 m/Ma，接著構造沉降速率快速增大，達到105 m/Ma以上（圖6）。

B剖面位於研究區中部偏東處，由北向南方向經過番禺低隆起、白雲凹陷、白雲低凸起、荔灣凹陷和南部隆起。3個時期的變化規律趨於一致：在番禺低隆起—白雲凹陷中，晚中新世、上新世、更新世構造沉降速率分別由60 m/Ma、32 m/Ma、39 m/M a左右升高到80 m/Ma、78 m/Ma、79 m/Ma左右，在白雲凹陷—白雲低凸起—荔灣凹陷中，構造沉降速率大小變化不大，而在荔灣凹陷和南部隆起的交匯部位，構造沉降速率急劇上升，直至150 m/Ma左右達穩定（圖7）。

C剖面位於研究區東南部的東沙隆起內。東沙隆起在3個時期的構造沉降速率由陸向海緩慢增大，晚中新世、上新世、更新世構造沉降速率分別由100 m/Ma、115 m/Ma、120 m/Ma左右增大到135 m/Ma、147 m/Ma、135 m/Ma左右（圖8）。

圖5 珠江口深水區不同時刻沉降幅度直方圖（a）、不同時期沉降量直方圖（b）及沉降速率直方圖（c）

D剖面橫穿整個研究區，從南西到北東，橫穿神狐隆起、順德凹陷、南部隆起、白雲凹陷、白雲低凸起和東沙隆起。在晚中新世，神狐隆起的構造沉降慢速下降，直至在順德凹陷中降低到40 m/Ma後急速增至55 m/Ma左右才趨於穩定，在南部隆起中經歷了一個緩慢的下降過程降到45 m/Ma後，從南部隆和白雲凹陷的交匯部位開始快速上升，而在東沙隆起達最高值93 m/Ma後又開始減小，這與東沙運動造成東沙隆起抬升剝蝕、並且具有東強西弱的特點相一致。D剖面在上新世和更新世構造沉降速率的變化趨勢與晚中新世相似，不同之處是在神狐隆起—順德凹陷中構造沉降速率由西北到東南方向經歷的是分別由43 m/Ma、38 m/Ma左右先快速增大到72 m/Ma、80 m/Ma左右繼而急速減小到54 m/Ma、60 m/Ma左右的變化過程，接著與晚中新世構造沉降特徵一致：經歷一個相對穩定的沉降時期後，在南部隆起中分別緩慢下降到43 m/Ma、42 m/Ma，接著急速上升到100 m/Ma、95 m/Ma後再下降至56 m/Ma、85 m/Ma（圖9）。

圖6 A剖面不同時期構造沉降速率對比剖面圖

圖7 B剖面不同時期構造沉降速率對比剖面圖

圖8 C剖面不同時期構造沉降速率對比剖面圖

圖9 D剖面不同時期構造沉降速率對比剖面圖

3.5 平面沉降史分析及其與BSR關系

天然氣水合物在地震剖面上通常出現一強反射波，大致與海底平行，故稱似海底反射（BSR)^[27,28]。它是水合物沉積層的高阻抗與其下伏沉積層的低阻抗之間的相互作用而形成的振幅較強的地震反射，它是天然氣水合物富集成礦的主要地球物理標志^[29,30]。目前認為，BSR已成為判斷海洋中存在天然氣水合物及查找其分布的重要證據^[31]。

圖10 珠江口盆地深水區晚中新世（a）、上新世（b）、更新世（c）時期及晚中新世以來（d）構造沉降速率與BSR疊合圖

珠江口盆地深水區各個時期的構造沉降速率整體上表現出從自東向西、由南向北逐漸減弱的變化規律（圖10）。晚中新世，BSR分布於深海地區（一般水深大於2 000 m），構造沉降速率主要在75～115 m/Ma（圖10(a），表7）；上新世， BSR分布在構造沉降速率曲線較密集地段與盆地邊界處，對應的構造沉降速率在45～135 m/Ma（圖10(b），表7）；更新世，未存在BSR（圖10(c），表7）。總之，發現80％以上的BSR分布趨於構造沉降速率值主要在75～125 m/Ma、沉降速率變化迅速的區域（圖10(d)）。

表7 珠江口盆地深水區構造沉降與BSR對應關系

4 討論

晚中新世後，盆地進入新構造運動及熱沉降坳陷階段，東部菲律賓板塊向NNW 方向俯沖推擠，在晚中新世一早上新世時期造成了東沙運動的發生。東沙運動是導致盆地塊斷升降、隆起剝蝕、擠壓褶皺和斷裂以及岩漿活動的根本原因及動力源。在盆地沉降過程中產生了一系列以NWW 向張扭性為主的斷裂。自東向西，東沙運動的強度和構造變形逐漸減弱，由此造成了珠江口盆地東部塊體升降和斷裂的晚期活動。在上新世—更新世早期（3 Ma）發生台灣運動中，珠江口盆地深水區因重力均衡調整而繼續沉降，越往南沉降越大。

在各個地質時期，盆地的構造沉降量占總沉降量的1/2以上，這表明了構造沉降作用始終控制著盆地總沉降的變化，因此控制了盆地可容納空間的變化，從而控制了盆地的沉積充填，最終影響盆地內部烴源岩的形成和儲集體的分布。

5 結論

沉降速率等值線越密集的地方越容易發育BSR，這是因為等值線密集的地方一般是盆地邊界或是坳隆交匯的部位，這些地方沉降速率變化快，斷層褶皺發育，可能形成特殊的斷裂帶、泥底辟、快速堆積體、滑塌體及增生楔等特殊構造環境與構造體。沉降速率高值區可提供的可容納空間大，有利於沉降物的快速堆積與BSR的形成。更新世不存在BSR是因為構造運動趨於停止後，盆地的構造活動減弱、構造沉降速率變化不大、可容納空間小、沉積速率小，有機質碎屑物不能被迅速埋藏，容易在海底氧化直接分解。

1）盆地深水區各個凹陷沉降特徵各異，具有各自獨特的埋藏史和沉降史，但總體上呈現出持續穩定的沉降特徵。

2）盆地深水區具有欠補償的沉積補給作用，且沉降速率較大。這說明快速沉降作用和欠補償作用造成了盆地深水區的形成。

3）晚中新世，沉降中心位於盆地北部的白雲凹陷；上新世—更新世沉降中心往東部的荔灣凹陷遷移。

4）中中新世—晚中新世末（10～5 Ma）發生的東沙運動造成了盆地深水區的塊斷升降和抬升剝蝕，構造活動強烈，使得晚中新世時期盆地深水區持續沉降。上新世—更新世早期（3 Ma）發生的台灣運動徹底改變了盆地深水區的構造格局，盆地深水區繼續沉降，越往南下沉越大。

5）構造沉降作用控制了盆地總沉降的變化，因此控制了盆地可容納空間的變化，從而控制了盆地的沉積充填，最終影響盆地內部烴源岩的形成和儲集體的分布。

6）沉降速率高值區可提供的可容納空間大，有利於沉降物的快速堆積與BSR的形成。

致謝：廣州地質調查局的沙志斌、王宏斌等為此基研究提出了相關資料與幫助，在此一並表示感謝！

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