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Journal of Tropical Oceanography >

2017 , Vol. 36 >Issue 5: 59 - 71

DOI: https://doi.org/10.11978/2017007

Orginal Article

The characteristics of post-rift fault activities and sedimentary response on the northern slope of the Baiyun Sag in the northern margin of the South China Sea

  • XIE Zhiyuan , 1, 4 ,
  • YANG Jianmin 2 ,
  • SUN Longtao , 1 ,
  • ZHENG Jinyun 3 ,
  • SUN Zhen 1 ,
  • QIU Ning 1
Expand
  • 1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China
  • 2. China National Offshore Oil Corporation, Tianjin Branch, Tianjin 300452, China
  • 3. China National Offshore Oil Corporation, Shenzhen Branch, Shenzhen 518067, China
  • 4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Corresponding author: SUN Longtao. E-mail:

Received date: 2017-01-09

  Request revised date: 2017-05-03

  Online published: 2017-09-22

Supported by

National Major Scientific and Technological Special Project during the Twelfth Five-year Plan Period (2011ZX05025-003-005)

Joint Program of National Natural Science Foundation of China and Guangdong Province (U1301233)

National Natural Science Foundation of China (41576070, 41576068)

Science Foundation of Guangdong Province (2014A030313741)

Copyright

热带海洋学报编辑部
Fold

Abstract

For deep understanding of the evolution of a fault in the passive continental margin slope, we analyzed the characteristics of fault activities and sedimentary response on the northern slope of the Baiyun Sag in this paper. Based on geological structural interpretation of 3D seismic profiles, fault activities were studied by using growth index. The results showed that the fault strike mainly is NWW-trending, while the rest are NEE- to EW-trending of small faults in the eastern and northern slope zones of the Baiyun Sag. In the vertical sections, these faults exhibited ladder and conjugated shaped combinations, while a single fault may be of planar shape. There were three episodes of post-rift fault activities, namely, 23.03-21 Ma, 19.1-15.97 Ma and 10-2.59 Ma. There has been a significant increasing activity since 10 Ma. The study of faults’ orientation indicates that Cenozoic stress field rotated clockwise from NS to NNE and the deflection angle is about 8 degrees. The main controlling factor of fault activities on the northern slope zone of the Baiyun Sag was the continuing strong abnormal subsidence and rapid sedimentation, while the rifting of the South China Sea was also an important factor that formed weak compressive stress on the northern margin; and the convergence between South China Sea plate and Philippine Sea plate played a key role in faults’ reactivation. Sedimentary units responded to tectonic movements directly in a series of deformation. The Dongsha Event was most obvious by canyon incisions, strata truncation and fault reactivation. We suggest the driving force came from the east.

Key words： Baiyun Sag; post-rift fault activities; tectonic reactivation; sedimentary response

Cite this article

XIE Zhiyuan , YANG Jianmin , SUN Longtao , ZHENG Jinyun , SUN Zhen , QIU Ning . The characteristics of post-rift fault activities and sedimentary response on the northern slope of the Baiyun Sag in the northern margin of the South China Sea[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2017 , 36(5) : 59 -71 . DOI: 10.11978/2017007

在我国东部的中、新生代沉积盆地中, 生长断层非常发育, 它是指在沉积过程中长期发育、逐渐“生长”起来的断层, 即边沉积、边发育的断层。生长断层在油气勘探中非常重要, 不仅控制沉积盆地的形成演化, 而且控制了沉积盆地内的沉积地层等特征。对盆地中的生长断裂进行分析, 有助于理解盆地的演化特征和油气的运移、聚集规律。随着油气勘探的发展, 对断裂系统的演化过程分析进行定量的研究和计算。目前定量研究断裂活动性的方法主要有生长指数法(Thorsen, 1963)、活动速率法(赵密福 等, 2000)、落差法(赵勇 等, 2003)和位移-距离法等(Cowie et al, 2000), 这些方法在盆地研究中得到了广泛的应用。
斜坡断层紧邻主凹, 对凹陷的构造发育最为敏感, 可以直观反映凹陷发育过程与模式, 作为油气垂向运移的通道之一, 斜坡断层的活动时间、断裂样式和贯通性对油气成藏有重要影响。白云凹陷是我国深水油气勘探的热点地区和南海北部深水区最具潜力的富生烃凹陷之一, 经过十多年的研究, 对其构造发育机理(孙珍 等, 2005; 任建业 等, 2015)、沉积模式(彭大钧 等, 2004; 庞雄 等, 2007; 柳保军 等, 2011)、断裂特征(孙龙涛 等, 2008)等方面已有初步认识; 但受资料精度影响, 对凹陷斜坡带裂后期断裂的发育特征、模式和主控因素等问题尚需深入研究。
本文利用最新的三维地震资料, 在精细的地层、构造和沉积解释的基础上, 基于白云凹陷北坡断裂的生长指数统计分析, 研究裂后活动历史, 剖析断裂发育的平面展布及剖面构造样式, 结合断裂活动期间的构造沉积响应分析, 试图总结南海北部被动大陆边缘凹陷斜坡带裂后期断裂演化机制。

1 区域地质背景

珠江口盆地位于南海北部大陆边缘, 处于欧亚板块、菲律宾板块和太平洋板块三大板块的交汇处, 属离散型大陆边缘盆地, 是南海北部最大的中、新生代断陷盆地(图1)。前人研究表明南海北部陆缘经历多幕构造活动, 珠江口盆地的新生代演化(图2)主要经历了裂陷期(白垩纪末—早渐新世)、裂后热沉降期(晚渐新世—早中新世)和断块升降期(晚中新世—第四纪)3个阶段(陈长民 等, 2003)。裂陷阶段经过神狐运动、珠琼一幕、二幕3次构造活动形成了珠江口盆地三隆两坳的构造格局(孙珍 等, 2005), 裂后热沉降阶段由裂陷转为拗陷, 同时南海开始扩张, 形成破裂不整合面, 随后经历东沙运动, 断块升降而造成局部不整合(Lüdmann et al, 1999; Wu et al, 2014)。
隶属于珠二坳陷的白云凹陷是南海北部陆坡深水区面积最大、沉积最厚的新生代凹陷, 面积超过20000km2, 沉积最厚处大于11km, 位于珠江口盆地东西分块、南北分带的中央位置, 水深范围200~2000m, 主体位于深水区, 是处于新生代构造转换带、减薄的洋陆过渡带上的复式地堑(孙珍 等, 2005)。白云凹陷位于地壳减薄的梯度带, 由陆向海方向莫霍面呈阶梯式上升, 莫霍面深度范围为18~28km(黄春菊 等, 2005), 向洋盆方向地壳逐渐减薄至不足8km, 属于超伸展大陆边缘(Sun et al, 2016; 任建业 等, 2015)。白云凹陷的演化受深部岩石圈地幔作用影响, 在裂后期持续强烈热沉降(Zhou et al, 2009)。白云凹陷新生代经历了古近纪陆相河流-湖泊沉积、渐新世的浅海陆架沉积和新近纪以来的陆坡深水沉积3个主要沉积充填演化阶段(柳保军 等, 2011)。
Fig. 1 Tectonic division of the study area. The red rectangle is 3D seismic survey

图1 研究区域位置及构造划分(红框为三维地震工区)

Fig. 2 Cenozoic stratigraphy and tectonic evolution of the Baiyun Sag. Revised after Pang Xiong et al (2007)

图2 白云凹陷新生代构造地层格架(修改自庞雄 等, 2007)

2 白云北坡断裂发育特征

2.1 断裂平面展布特征

根据断裂平面分布, 将北坡断裂划分出4条断裂带, 分别为NWW走向的1组、2组、3组断裂带, 以及近E—W走向的4组断裂带(图3)。该研究区的断裂平面组合样式主要为雁列状和平行状两种组合: 1组为NEE走向平行排列的雁列状断裂带; 2组和3组均为NWW走向平行排列断裂带; 4组为近E—W走向的断裂带, 断裂带内断裂数量相对该研究区其他断裂带较少, 单条断裂规模相对较大。通过对北坡T60界面1组、2组、3组、4组共4条断裂带的断裂走向分析, 根据长度加权计算走向平均值 (4km权重为1, 8km为2, 12km为3, 并依次累计), 1组断裂带平均走向113°, 为NWW走向; 2组断裂带平均走向为103°, 为NWW至EW走向; 3组断裂带平均走向值为110°, 为NWW走向; 4组断裂带平均走向为95°, 为近E—W向。南侧的2组和4组断裂带相对于北侧的1组和3组断裂带走向有一定逆时针偏转。通过对比T70 (33.9Ma)、T60 (23.03Ma)、T51 (21Ma)、T38 (14.78Ma)、T32 (10Ma) 5个重要界面的断裂分布来看(图3), 裂后整体断裂数量为减少趋势, 由T70时的259条减少至T32时的153条, 尤其是靠近主凹中心的近E—W向断裂减少迅速, 断裂条数的减少主要是靠近主凹的斜坡南倾断裂变化; 与此同时, 断裂走向由近E—W向往NW走向转变, 平均走向由103.2°顺时针偏转至111.5°, 说明区域张应力轴发生顺时针旋转, 旋转角度约为8.3°。
Fig. 3 Fault ichnography of the northern slope zone

图3 白云主凹北坡各界面断裂展布图

2.2 断裂剖面发育样式

通常区域的地质应力状态对断层的发育样式具有决定性的作用, 因此可以通过研究断裂发育的剖面形态及断层组合样式来分析研究区的应力场演化特征。研究区主要表现为伸展型构造样式, 主要发育张性及张剪性正断层, 逆断层不明显, 断层继承性发育, 活动时间较长, 断距大多较小, 对沉积的控制作用不强。
该研究区位于白云主凹的北坡带, 整体上研究区断裂发育样式相对简单, 断裂以发育倾向主凹中心的板状、铲式正断层为主, 是白云凹陷北坡最常见的一类断裂(图4)。多条断裂形成平行状、阶梯状组合样式。在陆架坡折以北, 断裂为N倾向的反向断层, 坡折以南为S倾向的同向断层, 所以白云凹陷北坡大致以陆架坡折带为界, 发育南倾同向断层和北倾反向断层, 同向断层间大致呈平行, 倾向于凹陷中心, 顺次呈阶梯状下沉, 反映出白云主凹的沉降对断层发育形态的影响。同向和反向断层在陆架坡折带附近形成“X”形正断裂组合样式(图5), 这是张性或张扭性应力环境下的一种常见构造样式(包项 等, 2010)。
Fig. 4 Stratigraphic architecture and faults’ style of L2 profile

图4 L2剖面地层结构及断裂样式

Fig. 5 Seismic sections on the northern slope. Positions of lines a, b, c, and d are given in Fig. 3

图5 白云凹陷北坡地震剖面图
a. 测线a; b. 测线b; c. 测线c; d. 测线c。测线位置见图3

3 白云北坡断裂活动定量分析

断裂活动性分析是盆地构造发育的主要切入点, 活动性定量分析主要有生长指数和断层活动速率2种定量分析方法。生长指数的概念(Thorsen, 1963)为断层上下盘厚度之比, 通过比较不同时代地层的断层生长指数, 来反映断层的活动情况以及断层性质的变化。在伸展构造盆地, 以发育拉张正断层为主, 一般认为断层生长指数一般大于 1.0; 指数值越大, 反映该套地层沉积期断层活动越剧烈, 如果断层非常平静, 则指数值为1.0; 如果出现小于1.0, 则反映断层可能发生极性反转。断层活动速率引入时间概念, 在生长指数基础上更进一步。生长指数在补偿性的沉积盆地中应用较为广泛, 在欠补偿的陆坡深水区, 生长指数评估断层活动强度的准确性要受到沉积速率和古水深变化等的制约。由于研究区处于盆地斜坡, 断裂对沉积的控制较弱, 区域沉积速率较快(Zhou et al, 2009), 白云运动后区域水深相对稳定(Xie et al, 2014), 因而本文应用更为直观的生长指数作为统计方法。
我们分析研究区断裂平均生长指数(图6a), 裂后期从33.9~21Ma期间, 统计了295个测点, 平均生长指数为1.16左右, 区域断层处于活动期; 21~ 19.1Ma期间, 统计测点数量为364个, 平均生长指数为1.03, 区域上断层处于相对平静期, 基本不活动; 19.1~15.97Ma时期, 统计了343个测点, 平均生长指数达1.19左右, 为断裂活动期, 其中19.1~ 17.5Ma达到1.22, 为裂后期区域平均生长指数最大值; 15.97~14.78Ma时期, 统计了277个测点, 平均生长指数为1.1, 也处于断层的相对活动期; 14.78Ma后断层平均生长指数在1.0左右, 处于相对平静期。10~2.59Ma期间, 统计了122个点, 平均生长指数为1.36, 表示整体处于活动较为强烈期, 其中10~7.16Ma的平均生长指数为1.34; 7.16~5.33Ma为1.22; 5.33~3.6Ma为1.52; 3.6~2.59Ma为1.33。

3.1 西区断裂活动特征

1组断裂位于西区北部, 该区域的断裂平均生长指数显示: 33.9~23.03Ma期间断裂基本不活动, 甚至部分断裂可能发生反转; 23.03~21Ma和19.1~ 17.5Ma两个时期为断裂主要活动期次, 17.5~ 15.97Ma时期也有较强的活动性; 21~19.1Ma断裂的活动性不明显, 相对处于平静期; 15.97~12.5Ma区域内断裂不活动或发生反转, 其中14.78~13.8Ma期间反转强度最大; 12.5Ma后断裂活动性有一定的增强, 10 Ma后断裂活动显著增强, 平均生长指数可达1.25。
2组断裂位于西区南部, 该区域的断裂平均生长指数显示: 33.9~23.03Ma时期活动性不强, 处于较平静期; 到23.03~21Ma时期断裂活动性最强, 平均生长指数约为1.33, 为该区裂后一期活动时期; 21~19.1Ma时期区域活动性又处于较弱阶段, 断裂的活动性相对较弱; 19.1~15.97Ma为该区裂后二期活动时期, 活动强度次于一期; 15.97Ma之后活动性迅速降低, 断裂总体活动性不强(图6b)。
Fig. 6 The growth index of fault on the northern slope (a) and the growth index of individual faulting zone (b)

图6 白云凹陷北坡断裂整体平均生长指数图(a)及分区断裂平均生长指数图(b)

3.2 东区断裂活动特征

3组断裂位于东区北部, 该区域的断裂平均生长指数显示: 33.9~21Ma时期, 该区断裂有一定的活动性, 但相对较弱; 21~19.1Ma断裂平均生长指数为0.95, 显示该时期处于反转期次; 19.1~14.78Ma时期, 为断裂活动较强时期, 其中19.1~17.5Ma时期平均生长指数最大, 达到1.36左右, 活动性最强; 14.78Ma之后断裂活动强度不明显, 至12.5Ma活动性有较弱增强。10 Ma后断裂活动明显增强, 平均生长指数可达1.49(图6b)。
4组断裂位于东区南部, 该区域的断裂平均生长指数显示: 33.9~21Ma时期活动性较强, 其中33.9~23.03Ma时期的平均生长指数为该区域裂后最大值, 达1.26; 21~19.1Ma平均生长指数降低, 区域上断裂活动性相对减弱; 19.1~14.78Ma时期为断裂的裂后二期活动, 其中19.1~17.5Ma活动性相对较强; 14.78Ma之后断裂平均生长指数趋近于1, 断裂处于相对平静期。10Ma后断裂活动明显增强, 平均生长指数可达1.47(图6b)。

3.3 活动特征小结

对比分析4条断裂带的活动特征, 在裂后33.9~23.03Ma时期, 西区的1、2组断裂基本不活动, 而东区的3、4组断裂则显示较强的活动性, 23.03~21Ma时期全区域都处于活动性较强时期, 这表明东区的3、4组断裂裂后一期活动早于西区的1、2组断裂, 而在21~19.1Ma时期又都处于不活动或反转的时期; 1、2组区域的裂后二期活动时间跨度为从19.1~15.97Ma, 而3、4组区域二期活动的时间跨度为19.1~14.78Ma; 14.78~ 10Ma全区的断裂活动性整体很弱; 10Ma后全区的断裂活动普遍显著增强。
上述断裂活动特征表明, 白云北坡裂后期断裂一期活动开始具有东早西晚的特点, 而结束时期一致, 一期之后的反转时期也具有区域上的一致性。裂后阶段二期活动开始时期基本一致, 而结束时期则具有东晚西早的特点。10Ma后全区断裂活动出现活化趋势, 即裂后三期活动, 同样呈现出东强西弱的特征, 这与东沙运动的时间一致 (表1)。
Tab 1 Statistics of fault growth index in various regions

表 1 北坡分区断裂生长指数汇总

1组 2组 3组 4组 西区 东区 全区
裂后一期 1.13 1.32 1.11 1.15 1.23 1.13 1.18
裂后二期 1.1 1.15 1.32 1.2 1.12 1.26 1.19
裂后三期 1.25 无 1.5 1.44 1.25 1.47 1.36

4 裂后构造沉积响应

4.1 白云运动期间沉积响应特点

T70—T60时期, 沉降沉积中心位于白云主凹, 最大构造沉降量达3000m(Xie et al, 2014), 北部番禺低隆起表现为明显的隆升状态。该期陆架坡折带位于白云凹陷南部, 白云北坡整体处于海陆过渡区, 地层沉积呈楔状, 地震反射表现为强振幅、中等连续性反射特征, 具有明显的前积结构, 属于三角洲前缘沉积(图7a), 同时白云凹陷可以接受来自于旁边高地势物源的快速堆积, 沉积物在主凹堆积。T60—SB21时期, 沉降中心范围增大, 最大构造沉降量达到3600m(Xie et al, 2014), 北部番禺低隆起由抬升状态转为沉降状态。在该期陆架坡折跃发生北迁, 白云北坡整体处于饥饿状态, 沉积物在此阶段供应相对不足, 来自北部番禺低隆起输送而来的沉积物穿越斜坡带, 在斜坡底部和主凹附近堆积形成扇体, 具有双向下超结构, 地震反射表现为强振幅、连续性好的反射特征(图7b)。
Fig. 7 Sedimentary response to Baiyun Event on the northern slope of the Baiyun Sag: (a) T70-T60, and (b) T60-T51

图7 白云北坡对白云运动的沉积响应
a. T70—T60; b. T60—T51

4.2 异常沉降期间沉积响应特点

21~10Ma期间构造活动不显著, 没有明显的构造事件变动, 地层较为整合。区域海平面变化和沉积物供给控制了该时期沉积物的类型和展布样式。该时期沉降沉积速率很大, 陆架区发育三角洲沉积体系, 陆坡区则主要发育典型的深水沉积体系, 包括深水扇、浊流、斜坡碎屑流等(Shanmugam, 2000), 在白云主凹可见垂向上多期叠置双向下超的深水扇朵体(庞雄 等, 2006)。
21~17.25Ma, 海平面可以下降到陆架坡折带下方, 从而发育低位体系域, 该时期发育低位陆架边缘三角洲(Porebski et al, 2006), 大量沉积物经海底峡谷以重力流(浊流或斜坡砂质碎屑流)方式搬运到深海区快速堆积形成斜坡扇和盆底扇, 低位陆架边缘三角洲为形成深海砂体提供了物质基础(图8a)。17.25~13.82Ma, 海平面无法下降到陆架坡折附近,因此不再发育低位体系域, 但此时高位体系域内陆架三角洲较发育(Porebski et al, 2006), 17.25Ma后发育的高位内陆架三角洲沉积可能越过陆架坡折带, 以浊流或碎屑流形式搬运至陆坡, 为深水扇的发育创造条件(图8b), 远洋泥质沉积在同期占据重要地位。13.82Ma再次发生大规模海退事件, 海平面可以下降到陆架坡折带附近, 白云北坡再次处于低位体系域, 陆架边缘三角洲和深海扇体尤其发育。
Fig. 8 Delta evolution in the period of abnormal subsidence (a. lowstand system tract; b. highstand system tract) and its RMS attribute (c). Revised after Porebski et al (2006)

图8 异常沉降期三角洲演化(a.低位体系域; b.高位体系域)及其均方根振幅属性(c)(改自Porebski et al, 2006)

为了进一步验证陆架边缘三角洲砂体的存在, 我们对21~19.1Ma低位期沉积地层进行了地震属性分析。作为地震属性重要内容的均方根振幅是识别岩性和预测沉积相的有效方法, 一般认为振幅越强含砂量越大(李飞 等, 2011)。我们提取了目标层位的均方根振幅属性, 结果显示在白云北坡地震反射强振幅特征显著, 暗示砂岩体非常发育, 这对应于21Ma海平面低位时期陆架坡折附近发育的陆架边缘三角洲(图8c)。

4.3 东沙运动期间沉积响应特点

晚中新世(约10Ma)以后, 南海北部陆缘进入到裂后构造活化期, 即东沙运动, 主要构造表现是较集中的一组NWW向断裂表现出较强的张剪活动性。白云凹陷北坡明显表现出水道下切作用增强和地层削截特征。为了研究其沉积响应特点, 我们在白云北坡自西向东选取了4条剖面(图1), 追踪其沉积样式变化特点。
白云凹陷西部地区10Ma以来活动断裂数量较少, 可断穿3.6Ma界面, 甚至到达海底。在10~ 5.33Ma期间, 主要表现出多个界面的顶部削截和水道下切, 在L1剖面上(图9a), 10Ma在北部斜坡区对下伏地层削截较弱, 水道主要出现在斜坡底部, 表现出双向上超充填特征, 推测有横向物源供给。斜坡上的沉积反射相对杂乱; 7.16Ma界面对下伏地层削截不强, 主要出现在水道附近, 且水道下切主要出现在陆架坡折附近, 水道充填主要表现为顶超前积特征, 推测物源主要来自陆架; 10~7.16Ma期间沉积最厚的区域主要出现在陆架坡折带上下; 7.16~5.33Ma后陆架沉积变薄, 最大厚度的沉积出现在斜坡底部。5.33Ma界面对下伏地层顶部削截较明显, 水道下切向南出现在斜坡上。5.33Ma以后, 见不到地层削截特征, 但斜坡上出现有杂乱的波状反射特征。现今的海底陆架沉积较平直, 斜坡上出现冲蚀水道和滑移体。
与L1相比, 其东侧L2剖面上水道下切更深(图9b), 水道充填也主要表现为顶超前积特征, 推测物源主要来自陆架; 陆架坡折附近7.16、5.33和3.6Ma 3个界面顶部的削截特征更明显, 范围更大, 持续时间更长。之后区域上主要表现为进积特征, 与L1剖面相似, 近期暴露海底的水道下切尚未被充填。早期下切冲蚀的沉积物就近堆积在水道下游。
与西部相比, 中部L3剖面上10Ma以后沉积的各地层厚度已明显变薄, 活动断裂增多, 多数集中在北部陆架坡折附近发育, 剖面上表现为弱张性特征。断裂断至3.6Ma界面上下, 少量可断至更浅, 之后又趋于平静(图9c)。10Ma界面上削截特征不明显, 也未见到明显水道下切, 在7.16Ma界面上, 可见到坡折之下明显的地层削截与侵蚀。5.33Ma界面上的水道下切作用最强, 且出现位置从陆架坡折到整个斜坡, 表现出强度逐渐减弱, 宽度逐渐变大的水道下切特征, 未见到类似西部剖面的近缘堆积的河道冲蚀沉积。水道多数表现出双向上超和单向前积交替出现的特征, 推测即有来自陆缘的纵向物源, 也有来自侧向的横向物源。与西部剖面一致的是, 3.6Ma至现今的进积作用较明显。
在靠近东部的L4剖面上, 断裂数量不多, 多数断至3.6Ma左右(图9d)。从10 Ma至现今, 水道下切都比较明显, 水道相对位置变化与西部地区相似, 相对10Ma, 7.16Ma时期水道向陆架方向移动, 之后到5.33Ma和3.6Ma期间水道又开始向陆坡下方迁移, 且沉积厚度中心也向陆坡下方迁移。在水道的下游方向, 可见到地表形态不规则, 反射特征先杂乱后平行的沉积体, 推测杂乱反射部分可能受到水道侵蚀堆积的影响。多数水道表现出单向前积为主, 偶尔有双向上超特征, 推测物源主要为来自陆缘的纵向物源, 偶有横向物源的影响。同样, 在7.16、5.33和3.6 Ma, 陆架区界面顶部的削截较明显。
Fig. 9 Sedimentary response to Dongsha Event on the northern slope of the Baiyun Sag: (a) L1, (b) L2, (c) L3, and (d) L4The positions of these lines are given in Fig. 1

图9 东沙运动期间白云北坡沉积响应特点
a. L1; b. L2; c. L3; d. L4。测线位置见图1

5 讨论

5.1 裂后断裂多期活动机制

根据断裂活动定量分析结果, 本文将裂后断裂活动分为3个阶段, 分别23.03~21Ma、19.1~15.97Ma和10~2.59Ma。其中前2期属于裂后继承性活动, 断裂活动强度不大, 第3期断裂活动性显著增强, 并明显呈现东强西弱的特征。结合区域构造演化的相关认识, 本文认为裂后断裂多期活动机制如下。
1) 23.03~21Ma断裂处于裂后阶段第一期活动。23.03Ma前后, 南海海盆扩张轴南迁, 白云凹陷受深部幔源作用产生强烈沉降, 陆架坡折带向北跃迁至白云凹陷北坡处, 并伴随 Nd 同位素的突然降低以及其他地球化学元素的变化, 这次构造事件被定义为白云运动(庞雄 等, 2007)。Xie等 (2014) 认为南海海盆扩张轴南迁导致白云凹陷地壳下的次生地幔对流(Praeg et al, 2005)消失, 使得白云凹陷地壳失去下部支撑, 从而发生快速沉降, 快速沉降形成了斜坡重力势, 从而有利于裂后期断裂的继承性发育, 这次快速构造沉降事件也与裂后断裂第一期活动时间相一致; 此外, 孙珍 等(2005)认为南海扩张中心向南跃迁, 对北部陆缘的挤压作用减弱, 可产生新一轮的拉张, 也对正断层的发育产生积极作用。因此裂后断裂第1期活动与白云运动及伴随的快速沉降作用密不可分。
2) 19.1~15.97Ma断裂处于裂后阶段第2期活动, 活动强度具有东强西弱的特点, 结束具有东晚西早的特征。该期构造活动不显著, 地层也相对整合, 但却是白云凹陷沉积速率最大的时期(Zhou et al, 2009); 较高的沉积速率可能与季风增强和青藏高原隆升有关(Clift et al, 2008), 快速沉积作用造成的重力势差是导致同期断裂活动的重要因素(Sun et al, 2014)。15.97~10Ma期间, 断裂活动整体处于较平静时期, 其中12.5~10Ma全区断裂活动性有一定程度的增加, 但强度不大; 该期沉积沉降速率开始明显减弱, 整体处于中等水平, 推测断裂活动强度的减弱与此相关。
3) 10~2.59Ma断裂处于裂后阶段第3期活动, 该期断裂活动强度显著增加, 但同期沉积沉降速率整体处于较低水平(Zhou et al, 2009; Xie et al, 2014), 从而不大可能对断裂活化产生明显作用。而此时东沙运动开始, 南海岩石圈向马尼拉海沟下俯冲(Hall, 2002), 并与吕宋岛弧发生弧陆碰撞(Huang et al, 2000; Lin et al, 2002; Wu et al, 2014), 白云北坡受此运动影响出现构造活化趋势, 表现为断块升降现象及局部不整合面的形成。

5.2 构造沉积响应特点对东沙运动的启示

虽然已确定东沙运动主导了裂后第3期的断裂活化, 然而对东沙运动的动力学机制仍存在争议, 目前主要有俯冲碰撞说和底侵说。Lüdmann等 (1999) 认为南海板片与吕宋岛弧的弧陆碰撞产生了张扭性应力场, 软流圈物质上涌而造成隆升剥蚀及断裂活化现象; 赵淑娟 等(2012)认为东沙运动是由于下地壳高速体底侵引起的地壳均衡回弹而产生; Franke (2013) 则怀疑下地壳高速体发生底侵作用, 这与沉降模拟结果不符合。本文从白云北坡构造沉积响应特点出发, 结合断裂活动特征探究东沙运动的动力来源。
白云北坡沉积单元发育对东沙运动产生了明显的响应, 表现为一系列水道下切、沉积滑塌和削截抬升现象, 该期变形作用具有东强西弱的特征, 影响东侧持续至3.6Ma, 西侧在5.33Ma以后则活动微弱; 断裂活动强度研究显示5.33~3.6Ma期间断裂活动性最强, 同样呈现出东强西弱的特点。根据上述构造变形和沉积响应的东西差异, 我们推测东沙运动的构造应力主要来自东侧, 在5.33~3.6Ma构造活动性最强; 受东沙运动的影响, 白云北坡断裂主要表现为张性-张剪性特征, 地层则表现为抬升和削截特征。
研究区域内断层多数为NWW走向的张性-张剪性正断层, “X”形的断裂样式同样暗示张扭性的应力环境, 在研究区域以东的潮汕凹陷、台西南盆地和澎湖盆地等地的断层发育多为NE—NEE走向(杜德莉, 1991; Huang et al, 2001)。如果东沙运动的动力来源于垂向的底侵或岩浆上涌, 断裂的展布应该表现出放射状特征, 活动强度也应为同心圆状特征, 然而实际情况并非如此。此外, 南海东北部陆缘已钻遇的新近纪火成岩年龄集中分布于早中新世, 珠江口盆地BY7-1-1及BY6-1-1井钻遇的玄武岩通过K-Ar定年分别为17.1±2.5Ma和20.2±3.0Ma (Yan et al, 2006), 台西南盆地一处火成岩经定年为22Ma (Hsu et al, 2004), 这远早于东沙运动的起始时间。由于缺乏确凿证据表明晚中新世南海东北部发生大规模岩浆活动, 现有的资料并不能有力支持东沙运动的底侵说。因此作者倾向于俯冲碰撞说, 南海板片向马尼拉海沟俯冲挠曲在前缘隆起区域产生张性应力环境 (Yu, 2004), 为正断层发育创造了条件 (Naliboff et al, 2013)。由于本文的研究区域距离海沟较远, 南海板片向马尼拉海沟俯冲挠曲形成的前缘隆起是否规模足够大到其影响至番禺低隆起和白云北坡, 值得进一步的深入研究。

6 结论

本文利用最新的三维地震资料, 在精细地层、构造和沉积解释的基础上, 统计白云凹陷北坡断裂的生长指数并分析其活动历史, 剖析断裂发育的平面展布及剖面构造样式, 结合构造活动期的沉积响应分析, 以白云凹陷北坡断裂为例, 总结南海被动大陆边缘凹陷斜坡带裂后断裂演化机制, 主要得到以下结论:
1) 白云北坡断裂整体以NWW走向为主, 局部发育有NEE至近E—W向小断裂, 北坡断裂大致以陆架坡折带为界, 发育北侧反向断裂和南侧同向断裂; 断裂剖面主要发育板状断裂形态, 断裂剖面组合样式主要有平行状、阶梯状和“X”形共轭断裂等, 反映区域处于张扭性的应力环境。
2) 白云北坡断裂具有多期活动的特征, 23.03~ 21Ma、19.1~15.97Ma和10~2.59Ma是裂后阶段断裂的3期主要活动, 其中第3期断裂活动最为强烈。白云运动对裂后第1期的断裂活动具有深刻影响, 南海扩张中心南迁引起的新一期的拉张作用及快速沉降是第1期活动主要原因; 裂后第2期的断裂活动则主要受到了异常沉降和快速沉积的控制, 来自北部陆架丰富的物源供给在斜坡带形成了重力势, 给生长断层活动创造了条件; 南海块体和西菲律宾海板块的汇聚活动所致的东沙运动则主导了裂后第3期断裂的活化。
3) 白云北坡的沉积单元发育对构造活动具有较为明显的响应, 尤其是在裂后构造活化期, 受东沙运动影响, 白云北坡表现为一系列水道下切、沉积滑塌和削截抬升, 根据其变形特点, 推测东沙运动的构造应力主要来自东侧, 表现出东强西弱的特征, 现有证据倾向于支持东沙运动与南海块体向马尼拉海沟俯冲碰撞有关, 大规模岩浆底侵的可能性不大。

The authors have declared that no competing interests exist.

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