2011, Vol. 54
2. 中国科学院研究生院,北京 100049;
3. 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院,北京 100083;
4. 中海石油(中国)有限公司北京研究中心,北京 100027
2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. School of Geophysics &Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083,China;
4. CNOOC Research Center, Beijing 100027, China
新生代南海大陆边缘在南海扩张、红河断裂带走滑和菲律宾海板块聚敛的共同作用下，经历了多期次构造演化，发育有珠江口、琼东南等沉积盆地[1～6].前人针对南海大陆边缘的基底性质、构造-岩浆活动及盆地沉积建造等方面都做了比较细致的研究，取得了一系列新的认识和进展[2～6].在构造-热演化模型及数值模拟方面，学者们开展了大量的研究工作：Su 等[7]、姚伯初[8]利用均匀拉张模型分析了南海北部陆缘的构造沉降史；Nissen等[9]利用纯剪-单剪模型讨论了南海北部大陆边缘的拉张机制；Su等[10]、何丽娟等[11]用有限拉张模型分析构造沉降数据，估算盆地岩石圈的拉张因子；He等[12]、何丽娟等[13]、张健等[14]分析南海热流特征并探讨其与新生代多期拉张和海底扩张、深部软流圈物质上涌的关系；Clift等[15， 16]、Lin 和Watts[17]利用挠曲悬臂梁模型正演沉积盆地的基底变化，并解释南海北部的地壳特征；Xie等[18]和陈林等[19]分别根据钻井沉降数据反演了应变速率，分析南海北部陆缘的裂后异常沉降现象，对相应的拉张因子进行了估算.前人的这些工作深化了南海北部拉张过程的认识，为本文的研究提供了基础.
本文采用多期有限拉张-应变速率法计算各地区的古热流值，恢复盆地的热演化史.该方法的优点在于：
(1) 可通过反演给出应变速率和拉张随时间的演化，无需人为设定拉张期次，因此，不需要明确知道拉张期次、拉张持续时间和热冷却时间等相关信息就可以估算拉张因子；
(2) 具有多期有限拉张模型的特性，总的拉张因子为各期拉张因子之积，有利于拉张因子的估算.因此将多期的有限拉张模型和一维应变速率反演法相结合，通过沉降数据反演应变速率，求取拉张因子和热流值，在一定程度上可以更客观、更准确地反映研究区域的多期拉张事件.
2 区域地质背景珠江口盆地和琼东南盆地位于南海北部边缘，东为澎湖隆起，北以华南滨外断裂和华南沿海隆起为界，西至北部湾断陷，南至中央海盆北缘断裂.琼东南盆地介于海南岛与西沙群岛之间，总面积约5.2×104km2，始新世为陆相沉积环境，早渐新世为海陆交互相，晚渐新世以滨海-浅海相为主.珠江口盆地总面积约17.5×104 km2，与琼东南盆地紧紧相连总体呈NE-SW 向展布.两者虽同样隶属于南海北部边缘，以洋-陆过渡壳为主[20]，但珠江口盆地和琼东南盆地的地壳减薄方式、断裂样式和拉张期次等均存在明显的差异[21～25].琼东南盆地的地壳厚度，由西南8～10km 增加至东北方向16km，与盆地的走向一致；而珠江口盆地介于陆架-陆坡减薄过渡带，地壳厚度向洋盆方向递减，其中白云主凹的地壳厚度只有12km[26， 27].
琼东南盆地和珠江口盆地属于新生代沉积盆地，具有双层结构特征，即早期(古近纪)为断陷，晚期(新近纪)为坳陷，成盆期为古近纪-新近纪，都经历了多幕式的裂陷期、区域热沉降期和晚中新世以来的新构造期三个构造演化阶段[28～31].这三个构造演化阶段对应的区域性构造事件(神狐事件、南海事件、东沙事件)形成了三个明显的区域性不整合，对应于珠江口盆地的Tg，T70和T20三个反射界面，而对应于琼东南盆地的Tg，T60和T40界面(图 1).
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图 1 琼东南盆地、珠江口地层与盆地演化对比图(据张功成(2007)[28]修改) Fig. 1 Comparison diagram of seismic stratigraphy and evolution in the Qiongdongnan Basin and the Pearl River Mouth Basin (Modified after Zhang G C (2007)[28]) |
利用多期有限拉张-挤压模型的一维应变速率法[32， 33]，进行反演计算得到盆地的基底热流、拉张因子，进而探讨沉积盆地的构造演化历史和热历史.一维应变速率反演[34]的基础是有限拉张模型，与瞬时拉张模型相比它能提供拉张期间热流与沉降的演变过程，具有更加广泛的应用价值.只有在拉张持续时间较短的盆地(15～20 Ma)，瞬时拉张模型(均匀拉张模型[35]和各种非均匀拉张模型[36～39])才是有效的.考虑到南海北部地区的多幕式伸展，都是在热扰动没有完全消失的情况下又开始了新的一期拉张事件，而后期的热扰动必然叠加在前期尚未稳定的温度场上.因此将多期有限拉张模型和一维应变速率法结合进行数值模拟，得到的结果将更加符合南海北部边缘实际的热演化历史.
假定拉张前岩石圈处于热稳态，设地表(z=a)温度T=0，岩石圈底部温度维持在T=Tm.
应变速率G(t)与拉张因子β之间的关系为
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(1) |
构造沉降S(t)为
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(2) |
通过(1)和(2)式可以解得应变速率G(t)与构造沉降S(t)之间的关系为
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(3) |
其中：
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(4) |
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(5) |
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(6) |
tc 与a分别是地壳与岩石圈拉张前的厚度，ρc* 与ρm* 分别是地壳与岩石圈地幔在0℃时的密度，α是热膨胀系数，ρa是1333℃时软流圈密度，ρw是海水密度.
对于温度演化分两部分考虑，岩石圈拉张前处于热均衡n态，温度由(7)式给出：
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(7) |
边界条件为
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(8) |
忽略横向热传导与地壳中的放射性生热效应，温度演化由带平流项的热传导方程确定：
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(9) |
拉张期间应变速率随时间呈指数衰减，拉张结束后应变速率G变为0，即
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(10) |
式中G0 是拉张开始(t=0)时的应变速率，常数Δτ决定指数衰减的快慢.
结合公式(7)、(8)、(10)解带平流项的热传导方程(9)可以得到岩石圈拉张期间的温度演化.
当岩石圈进入热冷却收缩阶段，此时温度演化由下面的方程确定：
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(11) |
将拉张结束时的温度作为初始条件，解热传导方程(11)可以得到岩石圈冷却阶段的温度演化.
在得到岩石圈温度演化的情况下，可以进一步计算热流：
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(12) |
其中κ为热扩散系数，k为热导率.本文针对南海珠江口和琼东南盆地具体情况模型中的参数值如表 1所示.
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表 1 模型参数及取值 Table 1 Definitions and values of model parameters |
本次的模拟工作，共选取了13条穿越琼东南和珠江口盆地的典型剖面.由于每条地震测线的长度有限，对典型区域的测线进行了拼接(实际中使用了25条地震测线)，各有6 条典型剖面分别位于琼东南和珠江口盆地，1条位于两盆地结合部位，区内分布有陵水、松南、宝岛、长昌、顺德、开平、白云等一系列凹陷(图 2).本文仅选取了有代表性、垂直构造走向的地震测线(琼东南：AA，CC 和EE；珠江口：II，KK 和MM)进行描述.
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图 2 南海北部琼东南一珠江口盆地构造单元图和测线分布AA，CC，EE分别为图3、图4和图5地震测线所在位置；II，KK，MM分别为图 6、图 7和图 8地震测线所在位置.LD-乐东凹陷；LS-陵水凹陷；BD-宝岛凹陷；BJ-北礁凹陷；XJ-西江凹陷；SEW顺德凹陷；KP-开平凹陷；BY-白云凹陷 Fig. 2 Tectonic regionalization of Qiongdongnan-Pearl River Mouth Basin and seismic lines distribution in the northern South China Sea AA,CC and EE lines are seismic profiles respectively displayed in Fig. 3， Fig. 4 and Fig. 5； H, KK and MM lines are seismic profiles respectively displayed in Fig. 6，Fig. 7 and Fig. 8. LD-Ledong depression； LS-Lingshui depression； BD-Baodao depression； BJ-Beijiao depression； XJ-Xijiang depression； SD-Shunde depression； KP-Kaiping depression； BY-Baiyun depression |
琼东南盆地和珠江口盆地具有典型的双层结构(图 3a～图 8a)，上层表现为披盖式坳陷，下层则是断陷和断隆，具有典型的张性环境下断陷盆地的构造特征，受NE 向主干断裂控制形成了断-隆相间的格局.北部浅水区半地堑主要形式是断陷，横剖面上，表现为一侧是正断层，另一侧是超覆的半地堑，比一般的半地堑复杂.经过琼东南盆地的三条测线其地层比较完整，其中测线AA 经过琼东南盆地西侧乐东凹陷，始新统最大埋深达到13650 m，测线CC和EE 横穿琼东南盆地中东部地区，通过陵水和松南-宝岛凹陷(图 3a～图 5a).珠江口盆地层位缺失比较严重，测线II 经过顺德-开平凹陷，KK，MM 经过白云凹陷(图 6a～图 8a).其中深水区的白云凹陷则具有对称性地堑结构特征(图 7a～图 8a)，盆地充填分成裂陷充填阶段和裂后充填阶段，具有被动大陆边缘的一般特征.结合图 3a～图 8a来看，北部陆缘盆地的裂谷型构造特征一致表明：北部陆缘珠江口盆地和琼东南盆地是在新生代拉张应力场的背景下，岩石圈伸展形成的盆地.
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图 3 琼东南盆地西部测线AA(乐东凹陷)的构造-热演化历史 (a)地层格架；(b)构造沉降史；(c)古热流. Fig. 3 Tectono-thermal evolution of AA (Ledong depression) profile in the western Qiongdongnan Basin (a) Stratigraphic framework； (b) Tectonic subsidence； (c) Heat flow . |
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图 4 同图 3,但为琼东南盆地中西部测线CC(陵水凹陷) Fig. 4 Same as Fig. 3 , but for CC (Lingshui depression) profile in the mid-western Qiongdongnan Basin |
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图 5 同图 3,但为琼东南盆地东部测线EE(宝岛凹陷、北礁凹陷) Fig. 5 Same as Fig. 3, but for EE (Baodao depression and Beijiao depression) profile in the eastern Qiongdongnan Basin |
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图 6 同图 3,但为珠江口盆地西部测线Ⅱ(顺德、开平凹陷) Fig. 6 Same as Fig. 3, but for Ⅰ (Shunde depression and Kaiping depression) profile in the western Pearl River Mouth Basin |
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图 7 同图 3,但为珠江口盆地中部测线KK(白云凹陷) Fig. 7 Same as Fig. 3 , but for KK (Baiyun depression) profile in the middle Peari River Mouth Basin |
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图 8 同图3,但为珠江口盆地中东部测线MM(白云凹陷) Fig. 8 Same as Fig. 3 , but for MM(Baiyun depression) profile in the eastern Pearl River Mouth Basin |
通过构造-热演化模拟得到南海北部陆缘琼东南盆地和珠江口盆地构造沉降史(图 3b～图 8b)和热史(图 3c～图 8c).琼东南盆地和珠江口盆地的构造演化特征：琼东南盆地主要经历三期快速沉降和一期缓慢沉降，三期快速沉降时间分别为始新世、渐新世-早中新世以及上新世以来.琼东南盆地的裂陷期：56～23.3 Ma，坳陷期：23.3～5.4 Ma，晚期快速沉降：5.4～0 Ma.珠江口盆地始新世以来都存在两期相对快速的沉降过程，即始新世和渐新世，渐新世以后，盆地进入缓慢沉降阶段.珠江口盆地的裂陷期：56～23.3 Ma，坳陷期：23.3～0 Ma.琼东南盆地Ma以来具有明显的加速沉降特征，西部乐东凹陷构造沉降速率相对较大，中东部地区相对较小，而珠江口盆地在晚期主要表现为较强烈的断层、岩浆活动.
拉张因子是描述伸展型盆地地壳伸展程度的参数，研究拉张因子的变化特征有助于理解盆地成因机制和南海北部大陆边缘形成和演化等问题.琼东南盆地始新世以来的三期拉张：第一期拉张因子1.1～1.2，东西差异不大，西部乐东凹陷最大拉张因子为1.2，中东部的陵水、松南凹陷为1.17；第二期拉张因子1.7～1.9，西部地区拉张因子较大，中东部相对较小，西部乐东凹陷最大拉张因子为1.9，而中东部松南宝岛最大拉张因子为1.8；第三期拉张因子1.14～1.3，从西向东(乐东-陵水-松南-宝岛)，第三期的最大拉张因子逐渐减小.琼东南盆地总的最大拉张因子从西往东亦逐渐减小，西部总的最大拉张因子达2.38，中东部总的最大拉张因子为1.8(表 2和图 9).
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表 2 拉张因子特征 Table 2 Main parameters of stretching factor |
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图 9 南海北部拉张因子分布图 Fig. 9 Distribution map of stretching factor in the northern South China Sea |
珠江口盆地始新世以来存在两期明显的拉张：第一期拉张因子为1.1～1.3；第二期拉张因子1.2～1.32，总的最大拉张因子为1.28～1.38.
白云凹陷拉张程度最大，第一期、第二期和总的最大拉张因子分别为1.3、1.32和1.38.南海北部的拉张因子由陆地向海洋逐渐增大，对应于南海形成过程中北部边缘由陆向洋地壳伸展程度逐渐增大，厚度逐渐变薄的变化趋势[27].琼东南盆地拉张因子自西南向东北逐渐减小；珠江口盆地拉张因子相对较小，但是自北向南逐渐增大，反映了地壳由陆向洋减薄的特征.
4.2 热史模拟结果琼东南盆地始新世以来热演化史：存在三次热流升高的过程(图 3c～图 5c)，东部地区自始新世时期(56～32 Ma)盆热流缓慢升高，乐东凹陷基底热流由54 mW/m2 升高到60 mW/m2；渐新世时期(32～23.3 Ma)热流升高比较快速，如乐东凹陷基底热流由60 mW/m2 升高到70 mW/m2；中新世(23.3～5.4 Ma)基底热流开始冷却，直至5.4 Ma热流又开始急剧升高，2.48 Ma达到最大值，随后再次下降.琼东南盆地东、西部的热史差异不仅表现在热流值横向上的不一致---东高西低，还表现在加热持续时间横向上的不一致---东部地区第二期热流快速升高发生在32～16 Ma，而西部地区的热流从23.3 Ma开始已经进入冷却过程.
珠江口盆地始新世以来热演化史(图 6c～ 图 8c)存在两次热流升高的过程：第一期加热过程为56.5～32 Ma；第二期加热过程为32～23.3 Ma，珠江口盆地自23.3 Ma以来基底热流一直缓慢降低.整个盆地东西部热演化时间一致，但热流的上升幅度存在一定的差异.从图 6c～图 8c可见，到23.3Ma为止，在珠江口盆地的西部顺德、开平凹陷基地古热流上升的幅度较慢，48～56mW/m2，而在东部白云凹陷基地古热流上升的幅度较快，由54mW/m2升高到73mW/m2.
南海北部陆缘新生代存在的多期拉张事件决定了琼东南-珠江口盆地具有多期加热过程的热演化特征.盆地裂谷阶段热演化具有多幕特征：琼东南盆地存在三期不同的热体制，56.5～32 Ma热流缓慢升高，32～16 Ma热流快速升高，自5.4 Ma热流急剧升高，前两期为连续加热过程(图 10).珠江口盆地存在两期不同的热体制，56.5～23.3 Ma加热过程表现为基底热流快速升高特征，而自23.3 Ma以来基底热流总体趋势表现为缓慢降低，反映了离散陆缘的热收缩的沉降机制(图 10a和图 10b).热沉降阶段存在热流升高的加热过程：琼东南盆地中东部第二期热流升高的加热过程从渐新世(32 Ma)一直延续到早中新世末(16Ma)而不是止于23.3Ma，同时还存在晚期(5.4 Ma)加热事件，由西向东加热事件逐渐变弱，主要表现为从5.4 Ma开始，热流值再次上升到2.48 Ma，达到最大，表现出裂后期的再活动特征(图 10c和图 10d).
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图 10 琼东南一珠江口盆地热史演化图 (a)32 Ma；(b)23. 3 Ma；(c)5. 4 Ma；(d)2. 48 Ma. Fig. 10 Thermal evolution of the Qiongdongnan-Pearl River Mouth Basin |
根据南海北部大陆边缘的热流数据，其中分布于珠江口和琼东南盆地的钻井实测热流数据110个，按克里格插值法计算得到珠江口和琼东南盆地热流分布图(图 11).深水区实测热流数据非常有限，尤其是琼东南盆地除西沙海槽有少数几个海底探针获得的热流数据外，其余大片地区基本上为空白区.现今地表热流在平面上从陆到海的方向总体上具有逐渐增高的趋势，与向南地壳减薄趋势一致，但存在显着的局部高值或低值异常点.珠江口盆地北部平均热流值60～70 mW/m2，由北向南热流逐渐升高，高值异常区主要位于西部凹陷区域.琼东南盆地西部因受莺歌海断裂走滑影响而具有高温特征，但位于断裂附近的热流平均值又较低，可能与近期快速堆积产生的热披覆效应有关.通过现今大地热流的实测数据从宏观上约束构造-热模拟结果，利于对模型的修改和参数的取值.理论模拟地表热流这一部分工作主要是由其他人负责完成，地表热流数据就是在文中模拟得到的基底热流再加上沉积层放射性生热对地表热流的贡献[39].计算结果比较符合南海北部大陆边缘的热流趋势，因此将实测地表热流数据和理论模拟的地表热流数据进行插值处理得到珠江口、琼东南盆地热流分布图.结合琼东南-珠江口盆地热史演化和现今大地热流分布来看，琼东南盆地的第三期加热事件、珠江口盆地现今的“热盆”属性和大地热流平面图上存在的局部异常应该都是对新构造运动的响应.
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图 11 琼东南一珠江口盆地大地热流分布图 Fig. 11 The distribution map of terrestrial heat flow of the Qiongdongnan-Pearl River Mouth Basin |
南海北部大陆边缘在构造属性上属于被动大陆边缘，具有下断上坳的双层结构特征，但其热体制和沉降模式却与典型的被动大陆边缘盆地不完全相同.典型的被动大陆边缘盆地一般只经历一次裂谷阶段和一次裂后热沉降阶段，并且在裂谷阶段热流急剧升高，紧接着为热衰减冷却阶段，分割两阶段的是破裂不整合[40， 41].也就是说，根据经典模式，南海大陆边缘的破裂不整合是32 Ma的界面，南海陆缘应该是在32 Ma就进入热沉降-坳陷阶段.但对南海北部陆缘而言，存在多期次裂谷作用、热流升高的特征；“热沉降”阶段也非完全处于热衰减期，晚期存在热流升高的加热事件，这些都有别于典型的被动大陆边缘盆地的热演化模式.南海北部陆缘新生代存在的多期拉张事件决定了琼东南-珠江口盆地具有多期加热过程的热演化特征.琼东南加热事件结束时间较晚，时间上与南海海底扩张停止相对应，而珠江口盆地23.3 Ma的热衰减过程与被动大陆边缘缓慢沉降阶段对应.南海扩张开始时，琼东南盆地与珠江口盆地仍处于拉张阶段，破裂不整合并不对应裂谷期与裂后热沉降期的分界，这一问题值得进一步深入分析.
本文通过对南海北部琼东南盆地和珠江口盆地的构造-热演化模拟研究，得到以下几点认识：
(1) 具有多期的加热和冷却过程：琼东南盆地存在三期加热过程和两期冷却过程，与构造运动及断裂活动、岩浆活动之间存在很好的对应关系.第二期加热事件与南海运动和海底扩张相对应，两者都开始于32Ma，琼东南西部和珠江口盆地结束于23.3 Ma，而琼东南东部结束于16Ma.
(2) 加热持续时间具有横向不一致性：第二期加热事件琼东南西部和珠江口盆地持续了9 Ma(32～23.3Ma)，琼东南中东部持续了16Ma(32～16Ma).
(3) 晚期加热事件：琼东南盆地晚期5.4 Ma以来存在一期非常强烈的快速沉降，由西向东加热事件逐渐变弱.影响因素可能是新生代盆地在晚期受深部强烈拉张引发的热异常至今尚未恢复热平衡的结果，也可能是红河走滑断裂晚期拉张作用导致的结果.而珠江口盆地在没有晚期加热事件的作用下，现今地温仍表现为“热盆”[41， 42]的特征，主要是新构造期断裂、岩浆活动加强的一种表现.
总之，通过构造-热模拟方法得到的基底热流数据可以分析大陆边缘不同时期的热状态，认识其张裂作用、岩浆作用等构造演化特征，揭示盆地新生代时期的地热背景及其热演化过程，为南海大陆边缘动力学研究提供重要基础数据.进一步认识相关沉积盆地的构造史和热史，有利于盆地内含油气资源的勘探评价.
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