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热带海洋学报 >

2018 , Vol. 37 >Issue 2: 63 - 71

DOI: https://doi.org/10.11978/2017047

南海北部新生代构造应力反演及其动力学背景探讨*

  • 刘见宝 , 1, 2 ,
  • 孙珍 , 3 ,
  • 王振峰 4 ,
  • 黄安敏 4 ,
  • 曾小宇 4
展开
  • 1. 河南理工大学, 河南 焦作 454000
  • 2. 河南工程学院, 资源与环境学院, 河南 郑州 451191
  • 3. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室(南海海洋研究所), 广东 广州 510301
  • 4. 中海石油(中国)有限公司湛江分公司, 广东 湛江 524057
孙珍(1971—), 女, 研究员, 博士生导师, 主要从事构造分析与模拟研究。E-mail: zhensun@scsio.ac.cn

作者简介: 刘见宝（1982—）, 男, 河南省开封市人, 讲师, 博士后, 现从事构造地质的研究、教学工作。Email：

收稿日期: 2017-04-18

  要求修回日期: 2017-06-30

  网络出版日期: 2018-04-11

基金资助

国家自然科学基金(41206037)

河南工程学院博士基金项目(D2015010)

收起

Cenozoic tectonic stress inversion in the northern South China Sea and its dynamic background

  • LIU Jianbao , 1, 2 ,
  • SUN Zhen , 3 ,
  • WANG Zhenfeng 4 ,
  • HUANG Anmin 4 ,
  • ZENG Xiaoyu 4
Expand
  • 1. Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China
  • 2. School of Resource and Environment, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191, China
  • 3. CAS Key Laboratory of Marginal Sea and Ocean Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China
  • 4. Zhanjiang Technical Department, China National Offshore Oil Corporation, Zhanjiang 524057, China
Corresponding author: SUN Zhen. E-mail:

Received date: 2017-04-18

  Request revised date: 2017-06-30

  Online published: 2018-04-11

Supported by

National Natural Science Foundation of China (41206037)

Doctoral foundation of Henan University of Engineering (D2015010)

Copyright

热带海洋学报编辑部
Fold

摘要

南海北部为我国重要的含油气区之一, 但目前南海北部盆地的演化史及其与周边构造事件的关系仍不明确。基于钻孔和地震资料, 通过数学模拟, 反演了琼东南盆地和珠江口盆地的构造应力演化特征和初始地壳厚度。结果表明, 南海北部盆地具有较薄的初始地壳厚度和岩石圈厚度。珠江口盆地存在两期应力松弛期, 而琼东南盆地在深水区和浅水区分别存在一期应力松弛期。南海北部第一期应力松弛在空间上具有连续性, 主要分布在深水区, 在时间上东早西晚; 第二期应力松弛空间上存在东西分异性。分析认为, 南海北部深水区应力松弛期由东至西的演化应为西北次海盆由东至西的剪刀式张裂所致。珠江口盆地第二期构造应力松弛与局部岩浆侵入有关, 琼东南盆地浅水区的构造应力松弛期与红河走滑断裂平静期相对应。

关键词： 南海北部; 新生代; 构造应力反演; 初始地壳厚度

本文引用格式

刘见宝 , 孙珍 , 王振峰 , 黄安敏 , 曾小宇 . 南海北部新生代构造应力反演及其动力学背景探讨*[J]. 热带海洋学报, 2018 , 37(2) : 63 -71 . DOI: 10.11978/2017047

Abstract

The northern part of the South China Sea (SCS) is one of the important oil and gas bearing areas in China. However, the evolution history of the basins located in the northern SCS and their relationship with the surrounding tectonic events are still unclear. Based on the drilling and seismic data, the tectonic stress evolution characteristics and the initial crustal thickness of the Qiongdongnan Basin and Pearl River Mouth Basin are calculated by using mathematical simulation. The results show that the basins of the northern SCS have thinner initial crust thickness and lithospheric thickness. There exist two stress relaxation periods in the Pearl River Mouth Basin, and two stress relaxation periods in the Qiongdongnan Basin, one in shallow water and the other in deep water. The first period of stress relaxation in the northern SCS was continuous in space, which is mainly distributed in the deep water area, and was earlier in the east and later in the west. The second period was different in the east and west. The analysis shows that the stress relaxation periods in the deep water of the northern SCS were related with shear rifting from east to west of the northwest sub-basin of the SCS. The second period of stress relaxation in the Pearl River Mouth Basin was related to local magmatic intrusion, and the stress relaxation period in the shallow water of the Qiongdongnan Basin corresponded to the quiet period of the Red River fault.

Key words： northern South China Sea; Cenozoic; structural stress inversion; initial crustal thickness

随着油气勘探开发新技术、新理论的不断发展和完善, 近20年来国外在深水区的油气勘探取得了引人瞩目的成果, 如在南大西洋沿岸、墨西哥湾、北海、东南亚, 以及澳大利亚西北大陆架诸盆地深水区都相继发现了一些大型油气田。可以发现, 取得重大突破的区域主要是在被动大陆边缘盆地的陆坡区及与之毗邻的深海平原(杨川恒 等, 2000)。南海北部也属于被动陆缘, 并发育了一系列深水盆地, 其油气开发的重点也逐步移向深水区。近年来, 继珠江口盆地白云凹陷之后, 琼东南盆地深水区是油气勘探开发的又一个重点。然而, 南海形成的形成机制目前尚存在多种假说, 比如印支半岛挤出效应(Tapponnier et al, 1990)、古南海洋壳向南俯冲拖曳(Holloway, 1982)、与地幔流有关的海底扩张(Flower et al, 1998)、太平洋板块俯冲形成的弧后盆地(郭令智 等, 1983)等。因此, 南海北部盆地演化动力学机制及其与周边区域构造事件的关系尚不明确。南海北部各盆地基底特征、构造背景、构造演化均存在较大差异(Yin et al, 2015; Xia et al, 2016)。琼东南盆地和莺歌海盆地夹于红河走滑断裂和南海海盆北部边缘之间, 其构造应力场特征必然受二者的影响。通过一维模型反演出新生代构造应力场, 分析应力场在时间和空间上的演化和迁移, 不仅能在理论上帮助揭示含油气盆地发育与南海海盆演化及红河断裂走滑的关系, 而且对盆地油气勘探的研究工作具有指导意义。本文利用钻孔沉降数据进行构造应力反演, 进而探讨南海北部盆地新生代构造演化历程及其与区域构造背景之间的关系。

1 地质背景

南海北部大陆边缘位于欧亚板块、印度—澳大利亚板块及太平洋板块三大板块交汇处, 由西至东依次分布着莺歌海盆地、琼东南盆地和珠江口盆地, 其西界为红河走滑断裂在海域的延伸, 南邻西北次海盆(刘见宝 等, 2012)(图1)。盆地基底由前新生界的火成岩、变质岩及沉积岩组成。新生代地层岩性主要由砂岩、泥岩组成, 且总体呈现向上砂岩含量逐渐减少、泥岩含量逐渐增加的趋势。南海北部陆缘盆地基本上经历了裂陷和坳陷两个时期, 且自东向西断坳转换时期渐晚, 珠江口盆地在T70时期(30Ma)断裂活动基本停止, 而琼东南盆地至T60时期(21Ma)才开始进入坳陷阶段(王章稳, 2013)。琼东南盆地和珠江口盆地新生代地层单元划分及分界年龄具体见表1(王章稳, 2013; 钟志洪 等, 2014; 谢玉洪 等, 2015; 丁琳 等, 2016)。
Tab. 1 Stratigraphic division of the marginal basins in the northern South China Sea

表1 南海北部陆缘盆地地层单元划分

地层单元 琼东南盆地 珠江口盆地
系 统 组 界面 时间/Ma 组 界面 时间/Ma
第四系 乐东组 T20 1.64 T20 1.8
新近系 上新统 莺歌海组 T30 5.5 万山组 T30 5.3
中新统 黄流组 T40 10.5 粤海组 T32 10.5
梅山组 T41 13.8 韩江组 T40 16
T50 15.5
三亚组 T51 16.5 珠江组 T50 18.5
T52 17.5
T60 21 T60 23.8
古近系 渐新统 陵水组 T61 23 珠海组 T70 30
T62 25.5
T70 30
崖城组 T71 32 恩平组 T80 39
T80 36
始新统 T100 54 文昌组 T90 49
古新统 神狐组 Tg 65
前新生界

2 钻孔沉降数据及地壳厚度

综合考虑大陆架和大陆坡的构造差异性, 由西至东在琼东南盆地选择了9个钻孔和2个地震模拟钻孔, 在珠江口盆地珠一、珠二和珠三凹陷各选取1个钻孔作为代表(高红芳 等, 2006), 两个盆地共计选择14个钻孔进行构造沉降史恢复(图1)。
构造沉降的计算利用一维回剥分析得到。在正常压实情况下, 孔隙度和深度关系服从指数分布：f=f0exp(-cz), 其中, f是深度为z时的孔隙度, f0为地表孔隙度, c为压实系数(Sclater et al, 1980)。回剥过程中参数选取如下(Sclater et al, 1980)。泥岩：f0=0.63, c=0.51×10-5, 沉积物颗粒密度为2.72g·cm-3; 砂岩：f0=0.49, c=0.27×10-5, 沉积物颗粒密度为2.65g·cm-3; 泥质砂岩：f0=0.56, c=0.39×10-5, 沉积物颗粒密度为2.68g·cm-3。古水深根据古生物以及沉积相进行判断：浅海0~100m, 中浅海100~200m, 半深海150~400m。假设现今海平面为0m, 则古海平面在T20、T30、T40、T50、T60、T70、T80和T100时期分别取70、100、130、150、140、170、200和215m(Haq et al, 1987)。钻孔现今水深数据见图1和表2。地壳厚度根据地震剖面数据获得。根据OBH测线的地壳结构剖面(Qiu et al, 2001), 以纵波层速度6.4km·s-1为界分为上下地壳, 分别取上、下地壳的平均速度6.2km·s-1和6.6km·s-1, 又考虑到上、下地壳厚度基本等厚的形态, 整个地壳取平均速度6.4km·s-1来估算沉积基底与莫霍面之间地壳厚度。
Tab. 2 Values of parameters

表2 相关参数取值

参数符号 参数名称 取值
k 温度扩散系数 10-6m2·s-1
α 热膨胀系数 3.0×10-5K-1
φ 随深度变化的脆性破坏 24.0MPa·km-1
υ* 孔隙水与岩石基质的密度比 0.38
c 比热 1050J·kg-1·K-1
ρ0uc 0℃状态上地壳密度 2800kg·m-3
ρ0lc 0℃状态下地壳密度 2900kg·m-3
ρ0m 0℃状态地幔密度 3300kg·m-3
H 放射热源 0.647μW·m-3
R 气体常数 8.314J·mol-1·K-1
A*uc 上地壳材料常数 1.10000×10-21Pa-n·s-1
nuc 上地壳应力幂指数 2.61
Quc 上地壳蠕变活化能 145kJ·mol-1
A*lc 下地壳材料常数 5.60000×10-23Pa-n·s-1
nlc 下地壳应力幂指数 3.20
Qlc 下地壳蠕变活化能 238kJ·mol-1
A*m 地幔材料常数 1.90000×10-15Pa-n·s-1
nm 地幔应力幂指数 3.00
Qm 地幔蠕变活化能 420kJ·mol-1
Fig. 1 Tectonic background of the South China Sea. The base map stands for depth of water, which is from http://www. ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html; SCS: South China Sea; QB: Qiongdongnan Basin; PRMB: Pearl River Mouth Basin

图1 南海区域构造背景
底图水深数据, 来自于http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html; SCS: 南海; QB: 琼东南盆地; PRMB: 珠江口盆地; 图幅南北长约886km, 东西宽约1110km

Fig. 2 Schematic of the one-dimensional model of lithospheric extension. Pure shear thinning is assumed for the entire lithosphere. The applied extensional force Fa is as a function of time. The lithosphere is composed of three material layers: upper crust, lower crust and mantle. The initial crustal thickness is tc-. The mass density of the upper crust, lower crust and mantle is 2800, 2900 and 3300 kg·m-3, respectively. The thickness of thermal lithosphere is defined by the depth of the 1350℃ isotherm. The temperature at the upper and lower boundary of the model is 0 and 1350℃, respectively

图2 岩石圈伸展一维模型示意图
模型假设整个岩石圈纯剪减薄。构造应力Fa(t)为时间的函数。岩石圈由上地壳、下地壳和地幔组成。地壳初始厚度为tc-。ρ0uc、ρ0lc和ρ0m分别为上地壳、下地壳和地幔的密度。岩石圈热厚度由1350℃等温线深度所限定。模型上边界和下边界的温度分别设定为0℃和1350℃

3 应力反演方法

反演模型为简单的一维模型, 由Yamasaki教授开发, 在地中海、黑海、中国东海和日本海等弧后盆地已有成功应用先例(Yamasaki et al, 2009a, b, 2011)。根据回剥分析所得钻孔构造沉降曲线, 在地壳厚度、岩石圈厚度等约束条件下, 基于Mc Kenzie瞬时拉伸理论(McKenzie, 1978)正演钻孔沉降史, 使正演沉降曲线与回剥反演沉降曲线相吻合, 在此过程中计算出构造应力和应变速率。应力增加代表区域拉伸强烈, 应力松弛代表区域应力缓和, 可反映出周边区域构造事件的演化序列。模型假设整个岩石圈在给定的构造应力Fa作用下发生纯剪伸展。岩石圈模型包含三层：上地壳、下地壳和地幔; 上地壳与下地壳厚度相等(图2)。岩石圈热厚度分别假设为60、90、125和150km四种情况, 由1350℃等温线深度所限定。地壳初始厚度tc-为未知参数, 将通过匹配模型预测结果与回剥的构造沉降以及现今地壳厚度来确定。
岩石圈材料的密度决定于温度, ρ=ρ0(1-αT), 其中α为热膨胀系数, T为温度, ρ0为0℃状态下的密度, 上地壳ρ0uc、下地壳ρ0lc和地幔ρ0m 在0℃状态下的密度分别为2800、2900和3300g·cm-3。
构造应力Fa随时间的变化通过匹配计算的构造沉降ζc与插值的回剥构造沉降ζ0来确定。假设岩石圈总强度S与Fa相等, 在这个过程中, 岩石圈的热状态、韧性应力和应变速率(ε̇)的变化同时被计算出来。每一时间步长, 在给定的Fa下, ζc通过满足S=Fa的ε̇ 得到, 通过改变Fa直至ζc与ζ0吻合来迭代计算出Fa。
ζc的计算包含了因为地壳减薄和热膨胀/收缩导致的密度变化引起的岩石圈局部均衡。在整个计算时间步长Δt内(0.5Ma), Fa设为常数。如果为了与回剥的沉降相吻合而使得ε̇大于10-13s-1, 停止计算, 因为如此大的ε̇在整个岩石圈尺度是不合理的。模型忽略了黏性松弛引起的应力重新分布的时间影响, 在较短的地质时期内, 这对一个相对热的岩石圈来说是可行的。
拉伸因子β是初始地壳厚度tc-与拉伸后的地壳厚度之比。初始地壳厚度经常采用裂陷盆地边缘地壳厚度。尽管这并不一定正确, 尤其是假设裂陷作用被各向异性所局限的时候, 例如比地幔具有更高热梯度和较弱地壳构成的局部增厚地壳。一个直接与tc-相关的参数是现今(即裂陷后)地壳厚度tc+。本研究中, 通过将计算的tc+与地震观测的地壳厚度相匹配来估算tc-的范围。
S是通过整个岩石圈应力的整合得出的。每一深度的应力通过脆性应力σb和塑性应力σd的较小者给出。σb主要是地压的函数, σb =φ(1-υ*)z, 这里φ为常数, υ*为孔隙水与岩石基质的密度比, z为深度。塑性变形假设符合幂率蠕变规律, σd =(ε̇/A*)1/nexp(Q/nRT), 这里ε̇为应变速率, A*为材料常数, Q为活化能, n为应力幂指数, R为气体常数, T为绝对温度。
因为瞬时温度分布对ζc和σd有较大影响, 利用显式有限差分解出热传导方程∂T/∂t = k(∂2T/∂z2) - (ε̇z)(∂T/∂z) + H/ρc, 这里T为温度, k为温度扩散系数, H为整个地壳中的平均分布的放射热源, ρ为密度, c为比热。热计算过程中采用50m的网格步长。边界条件为模型顶、底边界温度分别为0和1350℃。初始温度由在ε̇ =0时的方程静态解给出。相关参数取值详见表2(Yamasaki et al, 2009a)。

4 反演结果

从构造应力Fa的发展历程看, 南海北部盆地经历了多幕裂陷作用, 并且在西部和东部的表现不同, 在深水区和浅水区也存在差异。从构造应力Fa和应变速率ε̇反演图上可以看出(图3、4), 南北方向上, 琼东南盆地应力松弛期(Fa=0)由深水区的25.5—23Ma(T62—T61)逐渐转移至浅水区的15.5—5.5Ma(T50—T30)。两个深水区模拟钻孔SIMUE0和SIMUW0受沉积物供应的影响, 回剥沉降曲线平直, 模拟结果没有显示出应力松弛期。东西方向上, 应力松弛期由东向西发展, 东部珠江口盆地两期应力松弛时间分别为39—30Ma(T80—T70) 和18.5—16Ma(T50—T40), 而西部琼东南盆地两期应力松弛时间分别为深水区25.5—23Ma(T62—T61)和浅水区15.5—5.5Ma(T50—T30)。
模型假设岩石圈厚度为60、90、125、150km四种情况。模型反演发现只有当岩石圈厚度为60km时才能模拟出所有钻孔的沉降曲线, 而随着岩石圈厚度的增大, 一些钻孔的剥蚀沉降曲线与模拟的沉降曲线无法吻合(表3), 而且随岩石圈厚度增大这种情况越来越多。这说明南海北部岩石圈为减薄的岩石圈, 其厚度应小于60km。从地壳初始厚度数据可以看出(表3), 分布于深水区的钻孔, 包括琼东南盆地的QB007、QB008、QB009、SIMUE0、SIMUW0和珠江口盆地的ZHU001、ZHU002、ZHU003, 其初始地壳厚度范围分别在25~34km和27~38km, 平均厚度分别为30和33km; 分布于浅水区的钻孔, 包括琼东南盆地的QB001、QB002、QB003、QB004、QB005、QB006, 其初始地壳厚度范围为20~32km之间, 平均25km。
Tab. 3 Estimate of initial crustal thickness

表3 初始地壳厚度估算

钻井 现今水深/m 位置 tc+/km tc- (a=60km) tc- (a=90km) tc- (a=125km) tc- (a=150km)
ZHU001 120 浅水 17.0 27~30 28~31 30~33 32~34
ZHU003 100 浅水 17.0 32~35 34~36 37~39 39~41
QB001 195 浅水 17.0 25 25~26 27~29 30~31
QB002 195 浅水 14.7 29~32 31~34 35~37 37~39
QB003 180 浅水 13.5 26~28 28~30 32~33 35~36
QB004 100 浅水 9.5 20~21 23~24 n/a n/a
QB005 110 浅水 8.5 23 26~28 31~32 n/a
QB006 150 浅水 14.9 25~28 28~30 32~33 36
ZHU002 950 深水 15.0 35~38 37~39 41~42 43~45
SIMUE0 1670 深水 6.5 30~32 34~35 38~40 41~42
SIMUW0 710 深水 3.5 29 n/a n/a n/a
QB007 1730 深水 7.9 25~27 29~30 34 37
QB008 1500 深水 13.9 31~34 34~36 38~40 41~42
QB009 1460 深水 17.0 32~34 34~36 38~39 40~42

注: tc+为现今地壳厚度; tc-为初始地壳厚度; a为岩石圈厚度; n/a 代表不适用, 即在假设的岩石圈厚度和现今地壳厚度的约束下, 没有适合的初始地壳厚度使得模拟的沉降曲线和回剥的沉降曲线相吻合

Fig. 3 Structural stress and strain rate inversion based on tectonic subsidence of borehole in shallow water

图3 基于钻孔构造沉降的构造应力及应变速率反演(浅水区)

Fig. 4 Structural stress and strain rate inversion based on tectonic subsidence of borehole in deep water

图4 基于钻孔构造沉降的构造应力及应变速率反演(深水区)

5 讨论

南海北部盆地深水区应力松弛期在珠江口盆地(第一期)为39—30Ma(T80—T70), 在西部琼东南盆地为25.5—23Ma(T62—T61), 其由东至西的发展规律, 应该与南海北部陆缘盆地由东至西的剪刀式张裂有关(Dong et al, 2008; Zhang et al, 2013; Liu et al, 2015a)。珠江口盆地T70开始进入断坳转换期, 直至T60盆地完全进入坳陷期; 而西部的琼东南盆地在T60开始进入断坳转换期, 至T40开始进入坳陷期(赵卫 等, 2013)。琼东南盆地应力松弛期由深水区逐渐转移至浅水区, 应该与南海洋中脊发生向南跃迁以及红河断裂走滑活动规律相关。Briais等(1993)将南海的扩张划分为三个阶段: 从32—30Ma, 洋底扩张发生在西北和中央次海盆, 西北次海盆扩张作用持续至30Ma即停止; 之后扩张只在东部次海盆进行, 并且于26Ma扩张脊南迁, 洋中脊走向也由东西向转变为北东—南西向, 西南次海盆开始扩张; 东部次海盆和西南次海盆扩张基本上同时停止于16Ma。南海西北次海盆扩张停止后, 红河断裂进入走滑平静期(17—5Ma)(Aurelio et al, 2013), 致使琼东南盆地浅水区的构造应力松弛(15.5—5.5Ma)。之后的右旋走滑(5Ma)导致盆地北部浅水区上地壳拉张应力急剧增大(Zhao et al, 2013)。珠江口盆地第二期应力松弛18.5—16Ma(T50—T40)应与下地壳岩浆岩体侵入关系密切(Clift et al, 2001; Shi et al, 2005; 李亚敏, 2010; 宋洋 等, 2011), 热的岩浆体侵入导致热膨胀隆升, 此阶段断裂活动微弱(孙龙涛 等, 2008), 构造拉伸应力趋于消失, 即Fa=0。
深水区钻孔初始地壳厚度较大, 平均厚度在琼东南盆地和珠江口盆地分别为30km和33km; 而浅水区初始地壳厚度较小, 平均厚度为25km。初始地壳厚度估值应与影响沉降史回剥的沉积效应有一定的关系。在应力松弛期时, 浅水区沉积物受剥蚀, 通过水流和重力作用搬运至深水区沉降下来, 增大了深水区沉积物厚度(Liu et al, 2015b; Zhao et al, 2015), 导致浅水区钻孔沉降曲线变缓而深水区钻孔沉降曲线较陡直。模拟过程中, 在现今地壳厚度的约束下, 为了使模拟的沉降曲线与回剥的沉降曲线相吻合, 需要拉张系数β在浅水区较小, 而深水区较大, 相应地初始地壳厚度在浅水区被低估, 在深水区被高估, 致使模拟估算的初始地壳厚度在深水区偏大, 而在浅水区偏小(施小斌 等, 2006; 雷超 等, 2013)。因此, 南海北部盆地总体上是发育在较薄的岩石圈(60km)和初始地壳之上的。

6 结论

1) 南海北部盆地发育在热减薄的岩石圈及初始地壳之上, 岩石圈厚度约为60km, 初始地壳厚度均值小于33km。
2) 南海北部构造应力场时空上存在东西差异及南北差异。珠江口盆地存在两期构造应力松弛, 琼东南盆地深水区和浅水区均存在一期应力松弛。南海北部盆地深水区构造应力松弛期在东部珠江口盆地的时间为39—30 Ma (T80—T70), 向西逐渐发展到琼东南盆地的时间为25.5—23Ma(T62—T61)。南北方向上, 琼东南盆地深水区构造应力松弛期发育较早, 时间为25.5—23Ma(T62—T61), 浅水区应力松弛期较晚, 时间为15.5—5.5Ma(T50—T30)。
3) 南海北部深水区应力松弛期由东至西的演化应为西北次海盆由东至西的剪刀式张裂所致。珠江口盆地第二期构造应力松弛18.5—16Ma(T50—T40), 与岩浆热侵入有关, 琼东南盆地浅水区的构造应力松弛期与红河走滑断裂平静期相对应。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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