中国南海北部珠江口盆地白云凹陷的动力学分析

中国南海北部珠江口盆地白云凹陷的动力学分析摘要：白云凹陷是珠江口盆地斜坡上发展出的一个深凹陷，它作为一种水平式的复合地堑，是由两个洼陷和一个低隆起组成的。

垂向上沉积体系可以分为三层即底部的断陷层、位于中部断裂韧性伸展层和顶部的覆盖层。

凹陷的主要断裂阶段具有韧性延伸和地壳减薄的特点，这个特殊的变形方式是有可能归结于白云凹陷恰好位于先前存在的薄弱区的构造转换带上，特殊的构造位置使得白云凹陷成为强烈构造变形区，并伴随以岩石圈地壳强烈减薄和剧烈的岩浆活动作为特征。

白云凹陷下急剧上升的地幔是发生韧性变形的重要机制，它还引起了上地幔的部分熔融。

这部分熔融物质上涌至地壳上部的沉积层受到张应力的作用并引起垂向的无间断沉积。

岩浆在第一个断裂阶段后在构造转换带聚集，向白云凹陷东北东部分和西西南部分运移至北西向基底深大断裂处, 在基地断裂处北西西向剪切断裂发展为断裂群。

该断层活动和白云凹陷的沉积历史受到了在24Ma左右洋中脊跃迁事件和在16Ma左右海底扩张停止事件的影响。

关键词：白云凹陷动力分析构造转换带韧性伸展1 引言深水勘探自上世纪90年代以来就已经取得了巨大进步，例如墨西哥就已经发现了超过124个的深水油田，其中储量最大的达到了15亿桶。

这个深水扇形系统成为了增加石油产量和储量的主要勘探目标，超过60多个国家致力于深水的研究与勘探。

作为中国南海北部陆坡上最大的一个深水凹陷，白云凹陷吸引了各大石油公司和海洋科学家们的集体关注。

它的研究也标志着中国深水扇形系统展开全面研究的开始。

白云凹陷位处珠江口盆地的珠二坳陷内（如图 1），整体走向近东西，面积约2x104 km2。

白云主凹与南凹之间以低隆起相隔，其中南凹还是南隆起区域的一部分。

白云凹陷的北侧是番禺低隆起。

西侧以一条北西走向的基底断裂和岩浆活动带为界与东沙隆起和开平坳陷相邻；凹陷的东侧是东沙隆起。

白云凹陷在断裂阶段聚集了一层厚的早第三纪沉积。

在Zhu-1和Zhu-2洼陷的勘探表明早第三纪的烃源岩具有良好的生烃潜力。

位处珠江口，白云凹陷有足够的陆源沉积供应。

在热沉降阶段频繁的海平面升降变化导致了白云凹陷主要部分大型低位扇形系统的形成，使得低位深水沉积的总厚度超过4000m。

在2006钻井LM3-1-1验证了白云凹陷良好的生烃能力。

图 1 白云凹陷的大地构造位置与结构简图白云凹陷自断陷期以来就一直保持持续沉降，在不同阶段深水低位扇体反复叠置在近相同的位置。

推测这应该是和凹陷的演变密切相关的。

所以白云凹陷的构造历史和动力学机制是深水扇形系统和烃聚集研究的关键。

为正确的认识凹陷的动力学机制，我们将从整个珠江口盆地的全局出发来研究它。

2 珠江口盆地和白云凹陷的地理特征2.1 盆地的主要断陷历史珠江口盆地于中国南海的北部大陆边缘。

在漂流以前盆地在第三纪历经了三个断陷阶段，第一个阶段名为深沪事件始于晚白垩纪时期在南海的北边缘发生，而此时的珠-1坳陷中被北东北-东北向断裂控制的沉积可追溯到晚古新世时期（大约54个百万年），这个裂陷阶段导致了地震剖面上的区域不整合以Tg作为标记，这个不整合也是新生代裂谷的基底。

第二个裂陷时期又名为朱琼一幕，从早中新世开始，裂陷在这个阶段从东北向转向东北东向，而又第二断陷阶段引发的局部不整合在地震剖面上用T9标记。

到了第三个裂陷阶段命名为朱琼二幕始于晚新世中期（大约 39-36Ma），在这个阶段形成的裂陷大致呈东北东向向东西方向的趋势，第三个断陷阶段形成的区域不整合在地震剖面上用T8标记。

在第三纪主要的构造运动如图 2所示。

南海事件是裂陷到漂移的标志性里程碑，而珠江口盆地形成于海洋沉积之后。

在10到5个百万年间，东沙事件引起了珠江口盆地的断陷阻碍运动，一些地区上升隆起并发生侵蚀引发了一系列褶皱，断层和岩浆活动的形成，这些都有可能是由于菲律宾海板块向中国南部地块仰冲所形成的。

2.2 盆地的断陷和结构特征从北向南珠江口盆地由三个隆起区域和两个坳陷区组成也就是北隆起区域、珠-3和珠-1坳陷；中部隆起区域，它由深沪隆起、番禺低隆起和东沙隆起组成；珠-2、潮汕坳陷和南隆起区域。

从西往东盆地被三条西北向断层F1、F2和F3划分为四个主要部分，断层带的主体部分F1断层的西部笔直而又纤长的，并从北北西向向南西西南方向发生方向转换，在此过程中，地堑和地垒呈北西向。

而F1断层的东部，断层带的方向由东-东北方向向近乎东西的方向转 图2 珠江口盆地的地层划分和主要构造事件简图移，其中番禺低隆起往西向西北方向偏移往东向西西偏北方向延伸。

F3断层的东部，边界裂陷、坳陷和隆起都趋向于东北向，而凹陷里的裂陷或邻近F3断层的裂陷大致呈东西向向西西偏北向，此外，它还将珠-1坳陷分成了若干个西西偏北向凹陷。

断裂在东沙隆起的北部的坳陷要比南部剧烈，东沙隆起北部坳陷中的弱断裂在第三纪时期于潮汕坳陷处发生。

从大体视图上看（如图3），珠江口盆地发育三种样式的断裂结构单元：半地堑、窄地堑和宽地堑。

它们的特征示意图如图 4 所示。

图 3 根据西江和白云凹陷横切地震剖面图制作的简要结构示意图图 4 珠江口盆地的断裂结构单元样式图在许多近海盆地中半地堑是主要的断裂结构单元样式，如北部湾盆地，珠江口盆地典型的半地堑能够在番禺低隆起处找到并表现为具有一定规模样式的凹坑。

在简要视图上以简单的沉降控制断层为特征，结果使得沉积中心位于沉降板块与控制断层之间的交叉点上而同步运动层通过上升与分离汇聚到控制断层。

西江凹陷的断裂结构单元确定为一个窄地堑，这个窄地堑是受对面边界断层控制的。

它们倾向下相互横切，这也在一定程度上限制了地堑的宽度。

沉积中心由两个断层所控制同步运动层之间相互平行或接近于平行。

白云主凹的断裂结构单元被定义为一个宽地堑，这是因为它的宽长比率要远远大于窄地堑的比率，事实上，它仍然窄且深。

这个宽地堑的边界断层没有捷径向下横切，从而断层的垂向偏移很小。

由于沉积中心地层较薄而两翼较厚，同步运动层呈现向下凸起的状态。

下地壳和上地幔在主边界断层的下盘处上浮。

我们猜想同步运动层的减薄是决定断裂结构方式的一个重要因素，在珠江口盆地的研究中这一结论已得到证实。

番禺低隆起下的地壳（部包括沉积物）总厚度大约为26Km，在这形成了一个半地堑。

西江凹陷地壳厚度为17-23Km，形成了一个窄地堑，而白云凹陷下的地壳厚度几近于7Km，形成了一个宽的复合式地堑。

2.3 珠江口盆地的岩浆作用及其地球化学珠江口盆地的火山体多数位于白云凹陷的西北向边界断层F1和F2上（如图1），火山岩石位于白云主凹的西北和东南部体积相对较大年龄相对较小，它们爆发于10.5Ma后。

岩浆侵入地壳并喷发出地表形成白云凹陷的沉积物，摆布相对较少，中部和南部分布更多（如图3）。

早第三纪的岩浆蕴含铁镁质玄武岩和中性物质，这类中性物质为钙碱性火山系列；晚第三纪的岩浆岩都为玄武岩，由碱性玄武岩和拉斑玄武岩组合而成。

在地球化学的基础研究组合，邹涛等（1997）认为早第三纪的中性岩浆岩来源于大陆地壳下部的地幔中，而新近纪中的组合玄武岩来自软流圈地幔的熔融，而深源部位岩浆岩的增加反映了岩浆在岩石圈内的延伸增加。

徐等在海南以及麒麟关于地幔包体的研究（2002）支持了中国南部边缘新生界发生大陆断裂的历史。

2.4 白云凹陷的断层和结构白云主凹位于珠江口盆地的分段和成带中心，伴随着断层在东北和西南部分的延伸从表面上观看白云主凹形似一只蝴蝶，断层呈脆性，大部分断层由西北偏西向几近东西方向趋近，还有一些则趋向于东北偏东方向，伴随着这些断层，火山岩暴露地表。

从简要的视图上看，白云凹陷的大部分断层有较小的垂直偏移现象尽管它们自23.8Ma 以来一直保持着持续的活动（如图 5和 6）。

虽然凹陷的边界断层F1和F2的东西方向有着相对较大的垂直偏移（如图 6），它们显然不是导致断裂阶段发生沉降的唯一因素，来自Tg 和T7的沉降中心坐落于边界断层的中间而不是边沿部分，我们猜想地壳中的韧性减薄可能会消灭大面积的范围并在很大程度上促进凹陷的沉降。

从早期提到的Tg持续反射面下，我们意识到了白云主凹的另一个表面Tx。

位于Tx和Tg表面中的沉积物似乎真的是早期断裂阶段的作用结果，可能白云凹陷（Tg）的断裂基准面下移至Tx。

断裂阶段和断裂后阶段的不整合断裂在白云凹陷处并不明显从而使得T7（30Ma）下的沉积物发生的侵蚀仅在凹陷肩部的低隆起部位暴露。

伴随着海侵，沉积物披覆了整个珠江口盆地，形成了T6（大约23.8Ma）的连续边界层。

T7和T6之间断裂后的沉积物是白云凹陷北部地层中最厚的，此后，沉积中心向北方迁移至白云主凹（庞等，2004）。

图 5 珠江口盆地主要地层层序地震解释示意图图 6 白云凹陷东北向的海侵示意图白云凹陷的主凹从基底到海底由三个结构层组成（如图 3）：底部的第一层（从Tx不整合层序组到T7）为正断层系所控制的交错层；第二层为交错的韧性伸展层，位于中部（Tg-T7），并以同期断裂活动和韧性减薄为特征；第三层位于最顶部（T7到海底）是一个覆盖层，伴随着一些活动断裂和海侵沉积形成于热沉降阶段（如图5），因此，白云凹陷的脆性断裂阶段是短暂的，脆性断裂结构也小。

凹陷历经伸展运动主要由于韧性减薄和颈缩作用所造成的。

以T7和T8分别作为参考层P1从B至C的地层层序平铺示意图（如图 7）中可看出白云主凹和北凹部分在断裂阶段属于同一个大的地堑，这个大地堑又能被一些低地垒划分成许多小地堑，这些地垒是由持续沉积层所覆盖的，这种类型的结构在西湖凹陷（—位于中国东海）中也出现过，并把这种类型的结构命名为复合断裂结构。

根据热分析和莫荷界面下的等体积线，钟等（2003）推测复合断裂结构是由于热岩石圈的伸展所形成的。

图 7 以T7和T8分别作为参考层P1从B至C的地层层序平铺示意图主凹与北凹之间的低隆起形成较晚，大约在T8后（如图 7），这个低隆起能在核心复杂扩展模式中。

根据核心复杂的结构模式（Buck，1991），这个扩展模式在下地壳地壳厚度较大并具有一个低粘滞性能够很容易流动的情况下是成立的，另外，它总是伴随着岩浆活动。

在白云凹陷的低隆起部位两个类似火山口的强有力反射器北观测到（如图 5，在低隆起上小固体面积内的强反射）。

在它们之间低隆起下具有多对高速率的浸渍强反射在地震剖面上以5-9秒的频率出现，猜想它有可能死火山体。

在白云北凹出现了类似的情况，在示意图上展示了一个“W”的样式（如图 5）。

大陆地壳的岩浆底侵作用是减少下地壳粘滞力的重要机制，拉恩等.（1994）推测部分熔融物质的存在能够产生局部的延伸，导致了脆性地壳的强烈减薄（B值高达2.25），而脆性地壳的减薄是以韧性下地壳的上升和剥露来进行补偿的，塑性流在穹顶区域内引起下地壳的相对增厚和地表出露以填补由于上地壳的延伸而产生的空隙。