DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.014
珠江口盆地惠州凹陷裂后期沉降特征及成因分析
王聪1, 2，梅廉夫2，陈汉林1，施和生3，舒誉3，刘海伦2，王辉4
(1. 浙江大学 地球科学学院，浙江 杭州，310027；
2. 中国地质大学 构造与油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉，430074；
3. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东 广州，510240；
4. 中国石油集团测井有限公司长庆事业部，陕西 西安，710201)
摘要：为了认识惠州凹陷裂后期的整体沉降规律，运用回剥法对惠州凹陷的25口钻井和24口虚拟井进行沉降分析，计算不同沉积时期的沉降速率，分析裂后期沉降中心分布及迁移规律。研究结果表明：惠州凹陷裂后期沉降具有幕式特征，根据沉降曲线将其划分为3幕：裂后热稳定沉降幕(珠海组—珠江组下段)、加速沉降I幕(珠江组上段—韩江组)、加速沉降II幕(粤海组—第四系)。裂后期沉降中心呈现出明显的自NE向SE方向顺时针迁移规律。结合裂后期区域应力场、物源区以及沉积通量的分析，认为惠州凹陷周缘板块的运动学特征以及板块重组事件，对裂后期幕式沉降过程起到一定的控制作用，而珠江流域沉积通量的增加也可能是裂后期加速沉降的诱因之一。
关键词：加速沉降；裂后期；惠州凹陷；珠江口盆地
中图分类号：P542; P736 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)03-0807-12
Post-rift subsidence history and mechanism of Huizhou depression in the Pearl River Mouth Basin
WANG Cong1, 2, MEI Lianfu2, CHEN Hanlin1, SHI Hesheng3, SHU Yu3, LIU Hailun2, WANG Hui4
(1. School of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;
2. Key Laboratory of Tectonic and Petroleum Resource of the Ministry of Education, China University of Geoscience,
Wuhan 430074, China;
3. Shenzhen Branch of CNOOC Ltd, Guangzhou 510240, China;
4. Changqing Business, China Petroleum Logging Co., Ltd, Xi’an 710201, China)
Abstract: In order to master the whole post-rift subsidence law of Huizhou depression, 25 drilling boreholes and 24 virtual boreholes were analyzed via back-stripping method, and subsidence rates of different sedimentary periods were calculated and spatial-temporal variations of the subsidence were discussed. The result indicates that the Huizhou depression undergoes the episodic subsidence in the post-rift stage. The subsidence process can be divided into three substages by subsidence curve. The post-rift stable thermal subsidence episodic is the sedimentary period of Zhuhai Formation and lower Zhujiang Formation. The accelerated subsidence episodic I is the sedimentary period of upper Zhujiang Formation and Hanjiang Formation. The accelerated subsidence episodic II is the sedimentary period of Yuehai Formation, Wanshan formation and Quaternary. Post-rift subsidence centers present obvious clockwise migration from northeast to southeast. Based on the regional stress field, provenance and sediment flux, it can be inferred that the movement and regeneration of the surrounding plates may play an important role in the episodic subsidence process. Meanwhile, the increase of the sediment flux of Pearl River may be one of the reasons for post-rift accelerated subsidence.
Key words: accelerated subsidence; post-rift; Huizhou depression; Pearl River Mouth basin
惠州凹陷位于南海北部珠江口盆地珠一坳陷内，整体走向近东西向，面积为7 400 km2，是南海北部被动大陆边缘重要的富生烃凹陷[1-2]，具有独特的地球动力学环境，其形成演化对于揭示珠江口盆地及其周缘演化历史和地球动力学过程具有十分重要的作用。沉降是形成盆地的前提，没有沉降就没有沉积盆地的形成，盆地沉降史的研究一直以来都是含油气盆地分析的重要问题之一[3]。MCKENZIE[4]针对伸展盆地的结构构造特征提出一维伸展盆地模型，该模型探讨了岩石圈伸展、减薄、软流圈上隆、盆地沉降及其相应的热历史之间的定量关系，并将盆地的沉降过程分为同裂陷沉降(syn-rift)过程和裂后沉降(post-rift)过程，为盆地分析提供了新的方法和思路。同裂陷沉降主要是断层控制，其作用过程是瞬时的；而裂后沉降则受到岩石圈热收缩作用、沉积负载作用以及海平面、古水深影响，其沉降速率随时间呈幂指数率减小。然而，近年来国内外学者对世界上不同地区的伸展盆地沉降过程进行分析，用不同手段和方法揭示裂后期沉降幕次和沉降速率，结果显示，伸展盆地裂后期的沉降要比Mckenzie标准模型预测值大的多，并且表现为多幕、加速沉降演化的特点。如北大西洋周缘地区的美洲大西洋边缘、苏格兰盆地、西格陵兰边缘和北海盆地[5-6]；南非洲Cape和Karoo盆地[7]；Pattani盆地和Malay盆地[8]；莺歌海盆地[9]；琼东南盆地[10-11]以及珠江口盆地[12]。这些研究表明断陷盆地裂后期加速沉降具有普遍性。在惠州凹陷周边的西江凹陷、白云凹陷、东沙隆起[13-16]也存在裂后期加速沉降的特征，为了了解惠州凹陷裂后沉降的时空分布特点和形成机制以及其与周边地区裂后期沉降的异同，本文作者采用回剥法对惠州凹陷裂后期沉降史进行模拟，计算出凹陷不同部位的沉降量，厘定裂后期沉降幕次，分析裂后期沉降中心的分布和迁移规律，并对其沉降特征成因进行探讨。
1 区域地质概况
珠江口盆地位于南海北部大陆边缘，东邻台湾岛，西邻海南岛，呈北东向—南西向展布，长750 km，宽300 km，面积约为17.5×104 km2。基底为古生代以及中生代复杂褶皱基底，主控断裂体系呈NE向，坳陷内部NWW向断裂发育，两组断层共同作用控制了盆地“南北分带、东西分块”构造格局。盆地划分5个构造单元：北部隆起带、北部坳陷带、中央隆起带、南部坳陷带、南部隆起带。珠江口盆地新生代经历了神狐运动、珠琼一幕运动、珠琼二幕运动、南海运动以及东沙运动5次构造运动，其形成演化可划分为3个阶段：晚白垩世—早渐新世时期的断陷阶段、晚渐新世—早中新世的凹陷沉降阶段及中中新世以来的块断升降阶段。
惠州凹陷位于北部坳陷带珠一坳陷中部，走向为北东向，其西北部与北部断阶带相邻，南部与东沙隆起相接，东部通过惠陆低凸起与陆丰凹陷相邻，西部紧邻西江凹陷(图1)。地震、钻井和生物地层等多项地质资料揭示，惠州凹陷地层由前第三系基底和新生代的沉积盖层构成。基底岩性较为复杂，安山岩、花岗岩、英安岩以及变质岩都有分布[17]。沉积盖层从老到新依次为古近系始新统文昌组、始—渐新统恩平组、渐新统珠海组，新近系中新统珠江组下段、珠江组上段、韩江组、粤海组以及上新统万山组和第四系[18]。惠州凹陷具有良好的成藏条件，生烃层系为文昌组和恩平组；储集层为珠海组、珠江组下段以及珠江组上段的砂岩层；盖层为珠海组、珠江组上段和韩江组的部分泥质岩层；圈闭类型主要有披覆背斜构造圈闭、逆牵引背斜构造圈闭、岩性圈闭和生物礁地层圈闭。
图1 珠江口盆地惠州凹陷构造位置图(据陈长民等[18]修改)
Fig. 1 Structure location map of Huizhou depression,Pearl River Mouth basin (after CHEN Changmin, et al[18] modify)
图2 珠江口盆地惠州凹陷综合柱状图(据陈长民等[18]修改)
Fig. 2 Strata histogram of Huizhou depression,Pearl River Mouth basin (after CHEN Changmin, et al[18] modify)
2 沉降史分析
2.1 沉降史分析的基本原理
盆地沉降史是通过对盆地沉降不同地质时期沉降量的分析，恢复地质历史时期地层的形态特征以及沉降速率随时间的变化特征，再现盆地的地质历史。沉降史分析可以用来研究盆地沉降的构造驱动机制，分析盆地的形成和演化，以及研究含油气盆地的热演化史，预测油气的生成窗口[3]。在沉积盆地沉降史分析中，沉积盆地的总沉降量主要受到构造作用、均衡作用、沉积物压实、古水深以及海平面变化等因素的影响。因此，在进行沉降史模拟的过程中，考虑到这些因素对模拟结果的准确性和精度产生的影响，必须对沉积物压实、古水深、海(湖)平面以及负载沉降进行校正。
2.1.1 沉积物压实校正
沉积物在压实过程受到岩性、超压以及成岩作用等因素的影响，其中，岩性为最为主要的影响因素。对地层进行压实校正时，假定地层厚度减小仅仅是孔隙体积变小引起的，即地层厚度减小是由深度决定的，而且认为地层的压实过程是不可逆转的。在正常的压实情况下，孔隙度和深度的关系服从指数分布：
其中：
为深度为Z时的孔隙度；
为表面孔隙度；C为压实系数；和C主要与岩性有关。
2.1.2 沉积物负载校正
盆地沉降过程受到地壳均衡补偿作用的影响。当沉积盆地空间被沉积物充填时，随着沉积物重量的增加，使基底进一步下沉，从而形成被动增加的沉降，即由沉积物负载所引起的沉降[3]。假定岩层的孔隙度为，则岩层的密度为
多层沉积层的平均密度为
其中：
为水密度(kg/m3)；
为沉积物颗粒密度(kg/m3)；s为校正后的厚度(m)；
为每个单层的厚度(m)。假设构造沉降为Z，盆地被水充填，盆地中的水被沉积物代替后沉降为s，若只考虑局部均衡，则有
式中：
为地幔密度(kg/m3)。
2.1.3 古水深及海平面变化校正
在沉积物沉积过程中，其沉积界面处于水下一定深度，沉积物厚度并不能真实反映其沉降深度，需要排除古水深的影响。估计古水深主要通过沉积相、古生物组合以及地震剖面上的反射结构特征来估算古水深。在获得古水深资料的基础上，将沉积物的厚度直接加上古水深，可以得到真正的深度。若海平面发生变化，则此时得到的总沉降曲线并不能代表盆地总沉降，需要消除海平面变化造成的影响；若海平面上升，则总沉降量减去上升量；若海平面下降，则总沉降量加上下降量。
2.2 沉降史模拟参数设定
模型和参数的选取是进行模拟的基础，对于模拟的结果起着至关重要的作用。本次研究运用EBM盆地模拟系统，选取Airy均衡模型，对惠州凹陷裂后期地层进行了沉降史回剥分析，各个模拟参数的设定如下。
2.2.1 地层界面深度和地层年龄
考虑到钻井在盆地内部分布不均，为更好地了解惠州凹陷沉降时空分布规律，在分析研究区25口钻井的基础上，从穿过研究区主要构造单元的4条地震剖面建立了24口虚拟井(图3)。其方法是在地震剖面上按照一定间距进行数据点采集，然后结合研究区速度谱进行时-深转换，得出每个数据点上各个层位的底界面深度。每口虚拟井岩性物性参数参考附近井的资料数据。研究区地层的组段、层序界面以及相应的地质年代参考文献[19]。
2.2.2 地层岩石物理参数设定
根据珠江口盆地惠州凹陷古近纪以来的沉积古地理环境、古生物孢粉化石以及钻井取芯资料，参考文献[20]在北海盆地所确定的不同岩性的孔隙度、压实系数和密度数据，确定了研究区不同层位的岩石物理参数(表1)。
2.2.3 古水深校正和海平面变化
通常，古水深是通过古生物资料来确定。但是，古生物资料只能确定一个较大的范围，会对沉降历史模拟产生影响。为降低古水深对沉降模拟造成的误差，25口钻井古水深基于钻井的古生物资料、三维地震层序研究和中海油深圳分公司提供的沉积相图来确定。24口模拟井的古水深主要依据地震层序和沉积相图来确定，并用相邻钻井资料来校正。海平面变化参考秦国权[21]的海平面变化曲线，对海平面变化进行校正(表1)。
3 模拟结果分析
通过对惠州凹陷的25口钻井和24口虚拟井的回剥模拟，得到了各剖面裂后期(30.0 Ma以来)不同时期的沉降曲线，并计算出各时期的沉降速率(图4)。总体来看，惠州凹陷的沉降过程呈现一定的规律性：珠海组沉降速率为80~100 m/Ma，构造沉降量占总沉降量的30%~40%。珠江组下段沉降速率与珠海组相比略有下降，基本在50~80 m/Ma之间，而构造沉降量所占比例有所增加，为40%~50%。珠江组上段沉降速率迅速加快，增大到200~360 m/Ma，该时期的构造沉降量占总沉降量的30%左右。到韩江组沉积时，沉降速率有所减小，但也依然具有较高的沉降速率，基本维持在120~230 m/Ma。粤海组—第四系沉降速率明显减小，但也维持在较高的沉降速率，最大沉降速率为180 m/Ma，而此时期的构造沉降量占总构造沉降量的比例为30%~40%。从沉降史反演结果可以看出：沉降速率呈现出明显的规律：从珠海组—珠江组下段到珠江组上段—韩江组再到粤海组—第四系，沉降速率先逐渐增大后又逐渐减小，并在珠江组上段达到最大值。
图3 地震剖面简图及虚拟井位置
Fig. 3 Simplified seismic section and the locations of virtual wells
表1 惠州凹陷沉降史模拟参数
Table 1 Simulation parameters of subsidence history in Huizhou depression
惠州凹陷裂后期沉降曲线如图5所示。从图5可见：裂后期的沉降曲线与典型的裂谷盆地不同，沉降曲线在不同时期发生了明显的转折，曲线斜率先增大而后减小，表现为“Z”字形，反映裂后期沉降速率经历“慢—快—慢”的特征。因此，将惠州凹陷的裂后期沉降划分为3幕：1) 珠海组(30.0~23.8 Ma)—珠江组下段(23.8~18.5 Ma)的裂后稳定沉降幕；2) 珠江组上段(18.5~16.0 Ma)—韩江组(16.0~10.2 Ma)的加速沉降Ⅰ幕；3) 粤海组(10.2~5.3 Ma)—第四系(1.8~0 Ma)的加速沉降Ⅱ幕。
图4 不同井位裂后期沉降速率
Fig. 4 Post-rift subsidence rates of different wells
图5 裂后期沉降速率与沉降曲线图
Fig. 5 Post-rift subsidence rates and curves
4 裂后期沉降速率平面特征
综合钻井和虚拟井的沉降速率，编制了惠州凹陷不同沉积时期的沉降速率等值线图(图6)。在珠海组沉积时期，整体呈现出西部沉降速率大，东部沉降速率小的趋势。西部沉降速率为80~100 m/Ma，最大值可达120 m/Ma，东部沉降速率为60~80 m/Ma。全区发育多个沉降中心，集中在西部，其长轴方向呈NE向。珠江组下段沉降特征继承性发育珠海组沉降特征，沉降速率在50~80 m/Ma之间，沉降速率最大值位于西部，达到90 m/Ma。凹陷中心沉降速率在50 m/Ma左右。全区发育2个沉降中心，长轴方向为NNE向，都位于西部。到珠江组上段沉积时期，沉降速率突然增大，基本上在200~360 m/Ma之间，与珠江组下段相比，沉降速率增大4倍。该时期沉降中心位于凹陷中部，呈圆形分布。韩江组沉积时期，沉降速率较珠江组上段沉积期变小，但也具有较高的沉降速率，保持在120~230 m/Ma之间。全区发育多个沉降中心，长轴方向为NNW向，位于凹陷中部。粤海组沉积时期，沉降速率明显变小，维持在60~120 m/Ma之间。全区发育1个沉降中心，位于凹陷中部，其长轴方向为NNW向。与韩江组沉积时期相比，该时期的沉降中心数量明显减少，并且向北偏移。万山组和第四系，沉降速率呈现从凹陷中部向东西两边逐渐变小的趋势，保持在90~160 m/Ma之间。全区发育1个沉降中心，其长轴方向为NW向。与粤海组沉积时期相比，该时期的沉降中心具有继承性，只是略向北迁移。
综合对比裂后期不同地层沉积时期的沉降速率平面图可以看出：惠州凹陷裂后期沉降速率整体呈现“西高东低”的平面特征。在不同地层沉积时期，沉降速率变化较大，经历了由慢到快再到慢的波动过程。同时，沉降中心呈现明显的迁移规律，数量上呈现“多沉降中心—单一沉降中心—多沉降中心—单一沉降中心”的幕式旋回，空间上呈现顺时针方向迁移特征，由先向NE方向迁移到向SE方向迁移(图7)。
5 讨论
针对裂后期沉降演化过程的分析，尤其是裂后期异常沉降的现象，国内外学者提出了各种解释模式，主要包括板块构造重组事件以及板块之间相对运动产生的板内挤压应力、上地幔次生流作用、下地壳流作用、动力地貌作用、岩浆侵入作用等[22-24]。
图6 惠州凹陷不同沉积时期沉降速率等值线图
Fig. 6 Subsidence rates in different sedimentary periods of Huizhou depression
图7 裂后期沉降中心分布及迁移路线
Fig. 7 Distribution and migration of post-rift subsidence centers
XIE等[9]认为珠江口盆地陆架区裂后异常沉降量为300~700 m，并认为沉降与动力沉降以及后期的岩浆事件有关。SHI等[24]认为发生在白云凹陷17.0 Ma左右的加速沉降，与17.0 Ma左右的一期岩浆活动事件有关，在高密度岩浆活动之后能够立即导致明显的沉降。珠江口盆地珠一坳陷、珠二坳陷、番禺低凸起等地区的火山岩年代学研究表明[25]，大部分火山岩的年龄为古近纪，惠州凹陷最年轻的火山岩年龄为(41.1±0.7) Ma，这就表明至少在中中新世期间(18.5~16.0 Ma)，惠州凹陷并没有发生广泛的岩浆活动事件，因此，18.5 Ma以来的加速沉降可能并不完全是由岩浆活动所导致的。本文从惠州凹陷周缘板块的重组以及沉积物源的通量变化入手，探讨影响裂后期沉降的可能因素。
5.1 区域应力场影响
惠州凹陷周边地区沉降史研究表明，惠州凹陷周边的西江凹陷、番禺低凸起、白云凹陷以及东沙隆起在裂后期间都发生了加速沉降(图8)，其中，西江凹陷、番禺低凸起在18.5~16.0 Ma时期，沉降速率达到最大值，这与惠州凹陷的时期是一致的。白云凹陷在17.5~15.5 Ma裂后沉降也存在加速沉降，表明珠江口盆地在中新世期间可能发生过重大的构造事件[12]。从惠州凹陷及其周缘所处的构造背景来看，控制其形成演化的区域构造应力场的主要力源来自于太平洋板块向欧亚板块的俯冲、菲律宾海板块向欧亚板块的俯冲碰撞以及印度-欧亚板块碰撞产生的远程效应。研究表明，当板块俯冲速率大时，盆地伸展缓慢，沉降幅度小；当板块俯冲速率小时，盆地伸展加快，沉降幅度大[26]。在晚渐新世—中新世早期，印度板块和欧亚板块的碰撞速率保持在60 mm/a[27]，太平洋板块对欧亚板块的俯冲速率较大，而菲律宾海板块该时期没有影响到欧亚板块，该期盆地的伸展相对较小，沉降幅度小，盆地在该期处于稳定的热沉降期(图9)。早中新世时，印度板块和欧亚板块的碰撞速率由原来的 60 mm/a下降到45 mm/a，会聚角度由S—N向NE—SW方向偏移[24]，太平洋板块对欧亚的俯冲速率保持在90 mm/a[28]，由于印度和欧亚板块会聚速率的减小，导致南海扩张中心迁移、扩张速率发生变化，其远程效应可能引起珠江口盆地在该期存在一期较大的伸展活动，造成该时期发生区域性的加速沉降。自晚中新世以来，印度板块和欧亚板块的碰撞速率有所增加，太平洋板块的俯冲速率也大幅度增加，菲律宾海板块与欧 亚板块发生碰撞。在区域构造应力场的支配下，珠江口盆地发生1次局部性的构造运动即东沙运动[29]，使珠江口盆地北缘NEE向断层、NWW向断层以及南部NWW向断层活化[18-19]，导致块断升降，造成该期具有较高的沉降速率。因此，惠州凹陷周缘板块的运动学特征以及板块重组事件，导致该区域应力场发生动态的变化，对裂后期幕式沉降过程起到一定的控制作用。
图8 惠州凹陷与周边地区30 Ma以来沉降史及珠江沉积通量变化
Fig. 8 Subsidence history of Huizhou depression and surroundings and sediment flux variation of Pearl River since 30 Ma
图9 惠州凹陷裂后期沉降速率与周缘板块会聚速率对比
Fig. 9 Post-rift subsidence rates of Huizhou depression and convergence rates of surrounding plates
5.2 沉积通量变化的影响
WESTAWAY等[23]通过数值模拟的方法认为下地壳在沉积速率很大的裂后初期可能发生从裂谷中心向外的侧向流动，裂谷会发生进一步沉降，相应的莫霍面会抬升；当下地壳的物质流出大于沉积物的充填时，即地壳的减薄作用大于伸展作用，盆地发生异常沉降。惠州南部的ODP1148站和PY33井沉积物Nd(0)值显示，南海北部地区渐新世时期沉积物主要以华南沿海地区为主要源区，而到中新世以后沉积物源区向华南内部扩展[30]。惠州凹陷新近纪沉积物源研究也表明，珠江组上段和下段的物源方向发生过转变[31]，从18.5 Ma开始，东沙隆起区火山活动停止输送物源，开始发育生物碎屑碳酸盐岩沉积[32]，惠州凹陷物源来自珠江流域。此时，珠江源区拓展到青藏高原东麓的云贵高原碳酸盐岩，流域范围扩大、向西溯源侵蚀加剧，珠江来源物突然增多[33](图8)，沉积速率的加速增长影响了地壳的地热，并使盆地压力增加，这种变化增加了下地壳流动的侧向压力梯度，导致下地壳可能发生由盆地向物源区的侧向流动，造成更大的可容空间。而在此期间，喜马拉雅山脉发生快速的剥蚀作用[34]，季风作用加紧，珠江物源区—青藏高原东部这一时期发生过加速隆升[35]，因此，存在下地壳流从沉积盆地向物源区的流动的可能，从而可能成为惠州凹陷在18.5~16 Ma期间加速沉降的诱因之一。
6 结论
1) 惠州凹陷裂后期沉降具有幕式特征：从珠海组—珠江组下段到珠江组上段-韩江组再到粤海组—第四系，沉降速率先逐渐增大后又逐渐减小，并且在珠江组上段达到最大值。根据沉降曲线将其划分为3幕：珠海组—珠江组下段沉积时期的裂后热稳定沉降幕、珠江组上段—韩江组沉积时期的加速沉降Ⅰ幕、粤海组—第四系沉积时期的加速沉降Ⅱ幕。同时，裂后期沉降中心具有明显的迁移规律，沉降中心数量上呈现“多沉降中心—单一沉降中心—多沉降中心—单一沉降中心”的旋回特征，空间上呈现出“边界断层一侧—凹陷内部—内部断层一侧”的顺时针迁移规律。
2) 惠州凹陷裂后期加速沉降幕与周边白云凹陷、西江凹陷、番禺低凸起及东沙隆起等区域沉降特征相一致，并且与周缘板块的会聚速率相耦合，认为惠州凹陷周缘板块的运动学特征以及板块重组事件，对裂后期幕式沉降过程起到一定的控制作用。同时，珠江流域沉积通量的变化与裂后期加速沉降幕相一致，认为沉积通量的增加可能是裂后期加速沉降的诱因之一。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2015-03-17；修回日期：2015-05-21
基金项目(Foundation item)：国家科技重大专项(2011ZX05023-001-015) (Project(2011ZX05023-001-015) supported by National Science and Technology Major Program of China)
通信作者：梅廉夫，博士生导师，从事盆地构造分析和石油构造分析的研究；E-mail: lfmei@cug.edu.cn
