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文档简介

南海南部地区油气资源丰富,基本处于我国油气勘探开发的盲区。出于油气勘探开发的目的,东南亚各国以及美国、日本等纷纷通过国际合作对南海南部地区进行了多次综合地质地球物理调查。调查结果显示,在南沙海域分布着几个中小型沉积盆地,包括中建南、曾母、北康、南薇西、礼乐、西巴拉望和北巴拉望(后文简称为西北巴拉望盆地)、南沙海槽、文莱沙巴等盆地。通过采集到的海域地球物理资料,许多学者对该区的深部结构、构造、沉积地层和沉积相特点进行了一定的研究工作,并从各个角度分析了这些盆地的构造与演化特征(钟广见,1996;姚永坚等,2002;杜德莉等,1998;姚伯初等,2004;戴春山,2011;吴世敏等,2005)。南沙海域南部这些主要的沉积盆地都经历了拉张、俯冲碰撞及走滑等各种演化阶段。在不同的构造演化阶段,各盆地具有不同盆地原型和沉积构造特征。换言之,各盆地尤其是主要盆地是不同原型盆地的复合叠置型盆地(张翀等,2007)。但以往的研究将盆地的演化和构造边界的演化割裂开来,没有从统一、演化的角度进行研究,或是从单个的盆地演化阶段或演化背景出发,没有考虑南海南部主要的新生代盆地在演化过程中动力学成因上的一致性与特殊性(熊莉娟,2012),本课题以南海南部深部背景、板块作用过程以及构造热时间等大地构造背景为基础,将断裂演化与盆地演化结合起来研究。南海深部地壳结构蕴含着南海海盆形成演化历程的重要信息,是探讨边缘海形成演化的“骨架”及深部动力学的基础。为加强南海南部及深海盆洋壳区的深部结构探测,从南海全局的角度研究其形成演化问题。2009年在国家科技部“973”项目“南海大陆边缘动力学及油气资源潜力”的支持与资助下,中国科学院南海海洋研究所、国家海洋局二所和中国科学院地质与地球物理研究所合作,在南海南部海区完成了条海底地震测(OBS2009-1、OBS2009-2),填补了南海南部深地震探测的空白,对于构建南海的形成演化理论具有重要科学意义(赵明辉,2011)。研究区内礼乐滩表现为自由空间重力高值异常带,南部的南沙海槽为一条NE-SW走向的负重力梯度带(金庆焕和李唐根,2000);中央次海盆地区为低值正异常区,盆内的海山处为高值负异常(姚伯初等,1994);西南次海盆空间重力异常呈北东向分布,对应于海盆扩张脊的长龙海山表现为一个负异常,这与大洋中脊的重力异常特征一致(金庆焕和李唐根,2000),说明扩张脊相对于周围岩石来说表现为低密度物质。研究区磁异常特征主体走向以和近向为主,由西南部的-100nT向东北礼乐滩南部增至100nT;南沙群岛岛礁区表现为局部高值磁异常区,异常值在-50100nT之间变化(金庆焕和李唐根,2000)。深海盆区表现为磁条带异常区,以中南海山分界,中央次海盆磁条带近EW向,磁异常较高,而西南次海盆展示近NE向磁条带,磁异常较低(Li et al,2007)。磁异常强度的差异可能是由于基底岩石磁化率不同,或是由于西南次海盆高的热流值导致较薄的磁化层而引起的(Li et al,2007)。南海南部的深部结构研究主要是根据重力和水深资料来计算地壳厚度及莫霍界面深度(苏达权等,1996;苏达权,2002;Braiterberg et al,2006),地震探测资料主要是根据有限的国外公开发表的声纳浮标、单道地震和双船扩展地震剖面(Ludwiget al,1979;Taylor and Hayes,1983)。研究区莫霍面埋深总体变化趋势与水深呈镜像关系,又不同程度地受到新生代隆坳格局影响。南沙岛礁区的莫霍面埋深多在20km以上,表现为自SW向NE逐渐加深,至礼乐滩达到最大(28km);在西南次海盆与中央次海盆的交界处,莫霍面等值线表现为急剧变化的梯度带,在海盆内莫霍面埋深降至12km以内;在南海南缘的新生代沉降带内,出现多处莫霍面上隆现象,万安盆地、曾母盆地、南沙海槽等处莫霍面埋深仅12-16km,若除去新生代沉积层,这些地区地壳非常薄(赵明辉,2011)。岩浆活动与构造变动有着千丝万缕的联系。中国科学院南沙综合科学考察队采集的多道地震剖面表明,南沙海区前新生代基底主要由变质或未变质的沉积岩组成,被侵入岩和喷出岩所复杂化(Liu et al.,2004)。南沙海区及其西部和南部陆区在中生代时有强烈的中酸性岩浆活动,显示了这些地区的陆壳性质,即前人所谓巽他古陆的存在(周蒂,2005)。现在,在南海北部陆架基底中发现大量燕山期花岗岩类(李平鲁等,1988),而且在南沙岛礁区的地震剖面上也发现沉积基底中有一些可能是岩浆岩的地段。Kudrass et a1.(1986)报道在礼乐滩西南仁爱礁和仙娥礁西北坡拖网获得蚀变闪长岩,流纹凝灰岩及蚀变橄榄辉长岩,同网获得的页岩时代为中三叠世以及晚三叠世-早侏罗世。是否在南沙岛礁区存在燕山期中酸性岩浆岩?其分布如何?对这些问题作进一步研究有助于确定巽他古陆的东界位置。早已消失殆尽的古南海,在纳土纳岛加里曼丹岛北部巴拉望岛一线的蛇绿岩和混杂岩中留下了踪迹(周蒂,2005)。加里曼丹岛的北部是由数个蛇绿岩块体组成的,这些块体是白垩纪和古新近纪时的混杂岩带(Hamilton,1979)。卢帕尔阿迪杂岩带从纳土纳群岛向东南延至沙捞越,并向东至沙巴的阿迪缝合带,再向北东延到巴拉望杂岩带。该带的蛇绿岩套一直作为“古南海”存在的证据。加里曼丹岛中生代地层分布与卢帕尔缝合带有关。它是西布构造带和古晋构造带之间的俯冲缝合带,缝合于早渐新世(刘海龄,1999)。以卢帕尔断裂为界,断裂以北为古南海的北地槽带。卢帕尔断裂附近有基性、超基性侵入体,为始新世晚期古南海洋壳向南的俯冲带(Hamilton,1979;Katili,1981;Hutchison,1996;刘海龄,1999),也是古晋带和分界线。西布带的拉羌群的Barremian 燧石为晚白垩世(Hutchison,1996),是古南海向加里曼丹西南巴拉望地块俯冲式的沉积(姚伯初,1996)。卢帕尔杂岩带向东在沙巴与阿迪(adio) 缝合线会合,该带为一条近南北走向的狭窄基性超基性岩带,长约70 km ,由绿片岩、构造岩和蛇纹石化的蛇绿岩组成(姚伯初,1996)。沙巴俯冲增生带出露有侏罗系中中新统蛇绿岩套,其主要特点有基纳巴卢山花岗闪长岩( K-Ar 年龄为1012Ma) (周蒂,2005) 和喜玛拉雅期的基性、超基性侵入岩,基性、超基性岩侵入于细碧岩和玄武岩中,并出现中等到强烈褶皱和浅变质到深变质作用。沙巴的蛇绿岩岩石地球化学显示大洋洋底沉积物和大洋地壳(MORB 拉斑) 以及岩石圈地幔特点(Omang S,1996)。西布带向东北延伸与菲律宾的巴拉望俯冲增生带相连(张文佑,1986)。巴拉望俯冲增生带晚白垩世发生强烈活动,古近纪末再次活动。沿断裂带有蛇绿岩出露,蛇绿岩从下往上由层状的方辉橄榄岩、辉长岩、枕状玄武岩和细碧岩、红色放射虫燧石、泥质岩和微晶灰岩组成,形成一个完整的序列。巴拉望带燕山期岩浆岩以晚白垩世大规模的海底基性火山喷溢和基性、超基性岩浆侵入形成的蛇绿岩套为特征。南巴拉望块体被蛇绿岩占据,蛇绿岩逆冲到Panas组的长英质浊积岩之上产生了多种浅变质岩(Hutchison,1996)。加里曼丹出露有大量的新生代岩浆岩,它们分布于古晋构造带和西布构造带内,呈弧形展布(Carlile,1994),弧形构造均向南和西南凸出(Hutchison,1996)。在时间上,新生代岩浆活动由东向西、由北向南有减弱的趋势。加里曼丹新生代岩浆活动以钙碱性为主,大都与俯冲作用相关(Soeria-Atmadja,1999)。一些学者认为(丁清峰,2004),始新世中中新世的钙碱性岩浆,活动与古南海的南向俯冲有关。 南海南部的万安断裂、卢帕尔断裂、廷贾断裂、巴拉巴克断裂等深大断裂将该区分割成几个部分,并控制了本区的基本构造格架该区的主体部分为万安断裂以东、廷贾断裂以北的南沙块体,包括南沙、礼乐东北巴拉望个地块(姚伯初和刘振湖,2006);万安断裂西侧的部分为万安盆地,因发育过程受南海西缘断裂影响而被认为是走滑拉分盆地(姚伯初,1997;姚伯初等,2004);廷贾断裂西南侧为曾母块体,其主体部分曾母盆地是南沙地块与加里曼丹地块相撞后,在造山带前缘形成的一个不典型的周缘前陆盆地(金庆焕和李唐根,2000;姚伯初和刘振湖,2006)。由于本区构造十分发育,在断裂系统划分时,不同学者着眼点和侧重点不同,使得对断裂系统的划分存在一定的差别并且断裂的分布位置也不尽相同。金庆焕(2000)等在南沙海域区域地质构造研究中,根据断裂的力学性质将南沙海域断裂划分为正断裂系统、逆冲断裂系统和走滑断裂系统。龚铭(2001)等在南沙海域构造特征与盆地演化中,根据断裂的展布规律和形态划分出了4大断裂系统,即NE向断裂系统、NW向断裂系统、SN向断裂系统和南缘弧形断裂系统。宋海斌(2002)等在南海地球物理场特征与基底断裂体系研究中,根据重、磁场和地震资料对南海断裂进行了识别,将南海南部的断裂展布方向划分出北西向断裂组、北东向断裂组、南北向断裂组。吴世敏(2004)等根据反射地震和重、磁场特征,结合大陆区域分析对南沙地块的一级构造边界进行了研究,强调南沙地块北部边界为南海西南次海盆的扩张脊,南部边界是一条由西往东逐渐封闭的俯冲碰撞带,自西向东依次为卢帕尔断裂、克罗克碰撞造山带和巴拉望北侧断裂。邱燕(2005)利用重、磁资料识别断层,按其发育规模分为三级,并按照二、三级断裂对一级断裂具有依附关系,将本研究区断裂带可归并为西缘断裂体系、西南缘断裂体系、东南缘断裂体系、东缘断裂体系、岛礁区断裂体系和海盆断裂体系。谢文彦(2007)等在对南沙群岛海域断裂体系构造特征及其形成机制中,根据断裂的构造特征和演化机制将南海南部断裂划分为伸展断裂、走滑断裂和逆冲断裂3类。邱燕(2005)、高红芳(2011)分别对于南海西缘断裂带的断层活动期次和形成机理进行了初步探讨。对于控盆断裂与盆地群成因的关系也是近几年才开始研究(熊莉娟,2012)。以上可以看出前人对南海南部的断裂研究主要集中在识别、归纳、分类和分布上,对于断裂带的时空演化没有作太多的描述。对于南海南部构造演化研究中涉及到的主要盆地有中建南盆地、万安盆地、曾母盆地、南薇西盆地、北康盆地、南沙海槽盆地、文莱-沙巴盆地、巴拉望盆地、礼乐盆地。这些盆地总体具有南断北超的箕状结构,靠近北部陆坡部位具有单一地堑结构,但是靠近南部具有两层结构,下部为箕状断陷,上部为叠瓦式逆冲推覆体(熊莉娟等,2012)。这些主要的沉积盆地沿南沙块体南部、西部两条不同的边界分布, 其成盆时代、盆地类型、盆地演化历史以及油气资源效应都有较大的差异(姚永坚,2005)。众多学者(杜德莉等,1998;姚伯初等, 2004;吴世敏等,2004;金庆焕等,2000;解习农等,2011;熊莉娟等,2012;)从各个角度出发对这些盆地进分类,比较全面的分类是根据地球动力学性质、盆地所处的板块构造位置、盆地基底性质、地壳类型以及盆地内的沉积结构特征和充填样式等, 将南海南部海域主要沉积盆地划分为四大类型:与走滑拉张有关的盆地, 主要分布在南海西部边缘,是在晚白垩世末期古南海大陆边缘裂解-离散和内陆拆离过程中形成的,后期受走滑活动改造, 以万安盆地和中建南盆地为代表;与挤压有关的盆地主要分布在南沙块体南部,具有代表性的盆地为曾母周缘前陆盆地;与陆缘张裂有关的盆地,是在南沙块体长期剥蚀夷平的基底上,于白垩纪末-第三纪早期由于地壳拉伸、裂陷而形成的,主要有北康和南薇西两个盆地;礼乐盆地是南海南部海域一个典型的中、新生代叠合盆地,位于南沙块体东部(金庆焕等,2000)。对于南沙海槽盆地的形成目前有三种不同的看法:一是以Taylor和Hayes为代表的地质学家认为南沙海槽是古俯冲带(海沟);另一看法是以Hinz为代表的地质学家认为南沙海槽是陆壳弯曲而形成的水槽;第三种看法认为,南沙海槽的北段为一仰冲带,南段为古南海的俯冲带(姚伯初,1996)。这三种看法孰是孰非?究竟南沙海槽的形成机制及其在南海新生代构造演化历程中的地位如何? 文莱-沙巴盆地位于廷贾断裂以东,沙巴岸外及文莱沿海一带,呈NE走向,是南沙地块向巽他地块俯冲所形成的弧前盆地。北巴拉望盆地位于乌鲁根断裂以东的巴拉望岛和卡拉绵岛西北大陆架及大陆坡上,从区域地质资料来看,北巴拉望地块和礼乐地块是连贯的大陆碎块,它们曾作为亚洲大陆的一部分一起从中国大陆分离出来,因此,北巴拉望盆地和礼乐盆地一样,属于裂离陆块型盆地(姚伯初,2004)。南海南部海域万安、曾母和北康盆地分别位于不同块体及其结合部位,三个盆地构造演化历史都具有明显的阶段性和可比性, 它们都有如下特点盆地的大地构造背景和动力学环境均受到南海两次海底扩张、消亡及周缘板块活动与重组制约盆地的构造演化主要受到三次构造运动的影响, 即礼乐运动、西卫运动和南沙运动作用(姚永坚,2005)。对南海南部海域的构造运动,吴进民(1994)在研究万安盆地地层时首次提出“万安运动”,亦被称作“南沙运动”,这是根据中中新世和晚中新世地层之间存在一区域不整合面而推测的,是一次比较强烈的构造运动。此后,我们在进行南沙中部海域的科学考察时,进一步命名了发生于中生代末至新生代早期的“礼乐运动”和发生于晚始新世的“西卫运动”。礼乐运动和西卫运动主要表现为拉张性质,礼乐运动造成盆地初始裂离、断陷,西卫运动使盆地断陷、断拗加剧;南沙运动主要表现为挤压性质,该时期所形成的构造圈闭是油气勘探的主要目标(姚永坚,2002)。南海南部其他盆地是否也经历了这三期构造运动?这三期构造运动对于盆地的控盆断裂发育以及地层沉积影响如何?南海南部大地构造上处于欧亚板块东南边缘,欧亚、印度洋澳大利亚和西太平洋(含菲律宾海)三大板块结合处南沙海区受三大板块沿特提斯构造域和滨太平洋构造域的相互作用,发生拉薄、裂解、滑移、旋转、会聚和碰撞等组合过程(赵中贤,2011)。根据板块运动资料,晚古新世印度板块和欧亚板块碰撞,36Ma以后主要受控于印支地块向160方向的顺时针旋转挤出(洪汉净,1998),,前人将南海的开启与印支地块的挤出联系起来,而印支地块挤出又与印度板块和欧亚板块主体在青藏高原的碰撞密切相关(Briais,1993;Tapponnier,1982)。晚白垩世古新世,NNW向向欧亚大陆之下俯冲的太平洋板块平均速率为120-140mm/,并以10逐渐变为80的俯冲角度俯冲(李显武,1999),使得东亚大陆边缘由挤压型的安第斯型大陆边缘逐渐转变为现今的西太平洋型沟弧盆体系发育的大陆边缘,东亚大陆地壳逐渐伸展、垮塌、变薄。华南、东海、黄海、南海几乎都是在这个动力学体系下开启了裂解过程。至始新世晚期50Ma以后,印度板块以100-110mm/a的平均速率NNE向与欧亚板块发生硬碰撞,造成欧亚大陆岩石圈向东南的蠕散及板内块体间的大规模滑移(Hall,1996;Tapponnier,1986);西太平洋俯冲开始向东后撤,这种动力学背景使欧亚东南陆缘的右行张扭应力场更进一步发展,并导致了陆壳的进一步破裂和强烈裂解区域向东继续迁移(Zhou D,1995)。印度与欧亚大陆强烈碰撞开始于中始新世(42Ma),导致中国东部再次总体处于NW-SE向的右旋张扭作用下(Tian Z Y,1987)并持续大规模拉分断陷。太平洋板块的运动方向则由NNW向转为NWW向,板块俯冲速度增大,华南内陆沿海隆起,裂陷中心南移并发生顺时针旋转,南海北部陆缘裂陷活动达到高峰,裂陷中心自西向东扩展,构造特征相应逐渐向东迁移。中始新世晚始新世(42-36Ma),华南陆块逐渐减薄,南沙中沙地块依次从华南大陆裂离,开启了南海西北次海盆。早渐新世,印度洋东西向洋中脊的快速扩张,导致加里曼丹微板块快速北西向运移,其推挤作用制约了西北次海盆的扩张,南海地区发生区域性沉降(闫义,2005)。晚渐新世,印支地块东南向挤出和顺时针旋转(陈文寄,1996;Wang P,2000),印度板块向北楔入欧亚板块产生的右旋应力场对东亚大陆边缘的作用增强,太平洋板块向西的俯冲带发生向东的后撤,南海东北角和东海陆架盆地东部相连的地方开始出现弯曲裂解,表现出“对开门”的形式开裂,先是礼乐曾母盆地的剪刀式裂解,随后南海剪刀式开裂并向西南方向拓展,并发生顺时针旋转,形成平面上向东开口的楔形盆地。中中新世以后,随着印度的楔入和青藏地区岩石圈的韧性形变和增厚,印度洋洋中脊快速扩张,但印度欧亚板块的碰撞速率进一步降低,以高原抬升的形式吸收了大量应变,深部向东的地幔流向北迁移,可能导致华南快速南移挤出,印支地块挤出不明显,因而南海西部陆缘再次处于右行走滑控制之下;但南海东部和南部分别由于菲律宾岛弧向南海仰冲、澳大利亚板块快速不断向北推挤作用的影响,南海东部和北部陆缘处于左行压扭应力状态,南海东部和南部逐步收缩,南海海盆开始关闭,最终形成现今的菱形中央海盆(李三忠,2012)。构造演化上,南海西南部中生代末期位于华南陆缘(Taylor and Hayes,1980)。由于太平洋板块俯冲方向和速度的改变(Northrup el al.,1995),导致东亚陆缘发生应力松弛(金庆焕和李唐根,2000),南海北部陆缘开始伸展扩张,形成一系列NE向的垒堑构造。新生代早期,随着古南海俯冲的拖曳作用,南沙地块沿南海西缘断裂右旋走滑,逐渐裂离华南陆缘(姚伯初,1996;周蒂等,2005)。中始新世,随着印藏碰撞的发生(Dewey et a1,1989),以及太平洋板块俯冲方向由NNW转为NWW (Hilde,1977),古南海加速向南俯冲(吴世敏等,2004),并自西段开始封闭;渐新世,南沙地块首先与加里曼丹地块碰撞,形成曾母前陆盆地,引发西卫运动,使得该区进一步被拉伸(万玲等,2003;姚伯初和刘振湖,2006)。渐新世开始,新南海洋盆张开,推动该区继续向南俯冲,而印藏碰撞导致印支地块挤出,南海西缘断裂转为左旋走滑剪切同时,南沙块体南部开始与加里曼丹碰撞,形成碰撞褶皱带(万玲等,2004),但在块体内部,仍然以拉张为主(姚永坚等,2005)。早中新世,澳大利亚陆块北缘与巽他弧沟系碰撞(Hall et al.,1995);20Ma左右,菲律宾岛弧在沿一条NW走向的断裂左行滑动约2000km,也到达南海东部(Rangin et al.,1990)。二者共同作用,导致新南海洋盆扩张,并在中中新世逐渐停止。此时,菲律宾海板块上的吕宋岛与苏禄海盆内的卡加延脊及北巴拉望碰撞(约15Ma)、东南苏拉威西地块与西苏拉威西碰撞(13Ma),以及礼乐-东北巴拉望地块与加里曼丹-苏禄地块的碰撞(11Ma),这些碰撞引起南沙运动(姚伯初和刘振湖,2006),使得巴拉望地块向南沙地块仰冲、礼乐南缘地壳下坳,在西北巴拉望北侧产生一系列的逆冲断层,地壳进一步下坳,形成西北巴拉望前陆盆地,并使该区构造应力场由拉张转为挤压,区内的NW向大断裂转为右旋剪切,先期的断裂也由张性转为压性或压扭(万玲等,2003)。此后该区构造活动相对平静。整体上,该区应力场在新生代以来经历了“拉张拉张和走滑压剪”的演变特征(谢文彦等,2007)。在这一构造背景下,该区不同块体新生代的构造活动特征有明显的差异性,并使得位于这些块体上的沉积盆地其成因类型和演变过程等也各不相同。参考文献姚伯初, 万玲, 刘振湖. 南海海域新生代沉积盆地构造演化的动力学特征及其油气资源J. 地球科学中国地质大学学报, 2004, 29(5):543-549.杜德莉. 南海及邻域中、新生代盆地类型与油气资源关系探讨J. 地质论评, 1998, 44(6):580-589.吴世敏, 丘学林, 周蒂. 南海西缘新生代沉积盆地形成动力学探讨J. 大地构造与成矿, 2005, 29(3):346-353.今庆焕, 李唐根. 南沙海域区域地质构造J. 海洋地质与第四纪地质, 2000, 20(1):1-8.姚永坚, 姜玉坤, 曾祥辉. 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