莺歌海盆地拉张性质的研究

丁中一　杨小毛　马 莉　谢顺兴

摘 要 莺歌海盆地是南海北部陆架盆地的重要组成部分． 本文根据McKenzie（1978）的均匀拉张模型，并采用Middleton （1984）在地震地史分析中的做法，由地震剖面资料得到进行去压实校正所需的地层资料． 经过去压实校正和回剥处理，得出了盆地典型剖面的地层埋藏史和热沉降史． 然后，由热沉降史通过与McKenzie的理论曲线的对比， 求出拉张因子分布． 结果表明，莺歌海盆地为符合McKenzie模型的盆地，南海的两次扩张在莺歌海盆地形成过程中有明显的反映．
关键词 莺歌海盆地，回剥处理，McKenzie模型，拉张因子．

A STUDY OF THE STRETCHING BEHAVIOR OF THE YINGGEHAI BASIN

DING ZHONG-YI¹⁾ YANG XIAO－MAO²⁾ MA LI³⁾XIE SHUN－XING³⁾

1) Department of Geology, Peking University, Beijing 100871, China
2) Department of Urban and Environment, Peking University, Beijing 100871, China
3) Department of Earth & Space Sciences, UCLA, Los Angeles CA 90095, USA

Abstract The Yinggehai Basin is an important integral part of the northern shelf basins of the South China Sea. Based on McKenzie’s (1978) uniformly stretching model and using the approach similar to that adopted by Middleton (1984) in the seismic geohistory analysis, we take the observed seismic reflection data as the stratigraphy data employed in the correction of decompaction. Through decompaction and backstripping technique, the stratigraphic burial history and the thermal subsidence history for some profiles of the basin are obtained. The distribution of the stretching factor is then determined in terms of a comparison of the thermal subsidence history with the McKenzie’s theoretical curves. The results show that the Yinggehai Basin is a basin coinciding with the McKenzie’s model and that the two identified spreading events in the South China Sea played a significant role in the formation of the basin.
Key words Yinggehai Basin, Backstripping technique, McKenzie’s model, Stretching factor.

1 引 言

　　莺歌海盆地位于海南岛以西，中南半岛以东海域，是南海北部陆架盆地的重要组成部分^［1］． 最新的研究表明，喜马拉雅山造山带的中生代构造和新生代构造均是从红河口入海，经南海北部海域，切穿海南岛北部向北东方向延伸^［2］． 因此，莺歌海盆地的形成不仅与南海的扩张有关，而且还可能与红河断裂的走滑拉张作用有关． 张启明和张泉兴^［3］认为，莺歌海盆地是发育在走滑断裂上的第三纪张性盆地． Ru和Pigott^［4］指出，被动大陆边缘的形成一般可分成两个阶段，即早期的裂谷阶段和晚期的扩张阶段． 而南海北部陆架盆地具有突出的幕式裂谷作用的特点，它们以此区别于经典的大西洋边缘盆地。刘光鼎等人¹⁾则认为莺歌海盆地在走滑拉张过程中还受到周围块体的NS向或NNW向挤压以及盆地向东南的现代漂移运动，造成了盆地的沉降中心和Moho隆起的偏离． 以上主要是依据大地构造演化特征及地球物理资料对莺歌海盆地性质的推断，而没有作定量的研究，因而很有必要通过定量的模型对盆地的性质进行研究，并揭示盆地的演化历史． 关于这方面，王伟元等^［5］利用ProBases二维盆地模拟评价系统，根据崖13-1气田的地质及地球物理资料，探讨了盆地构造特点、温度分布及油气热成熟度． 本文将对莺歌海盆地的拉张性质作定量的数值模拟研究，着重在盆地的拉张模型、拉张时间及拉张量的研究．

2 研究盆地拉张性质的理论方法

　　莺歌海盆地是一个大陆边缘盆地，为了研究它的拉张性质，这里采用McKenzie^［6］的模型． McKenzie对被动大陆边缘盆地提出了经典性的均匀拉张模型． 他假定大陆岩石圈发生了迅速拉张使岩石圈变薄，热的软流圈物质被动上涌，导致地表产生初始沉降． 而后因热传导到表面逐渐冷却，导致了进一步的缓慢沉降，即所谓热沉降． 计算热沉降St的公式为

　　　　　(1)

其中a为岩石圈厚度，ρ_m为地幔密度，ρ_W为海水密度（如沉降后已充填沉积物，则为沉积物密度），π为体积热膨胀系数，T_m为岩石圈底部温度，β为拉张因子，τ为热时间常数，t是热沉降开始起算的时间．
　　Allen和Allen^［7］给出由单井的地层资料，通过去压实校正和回剥处理求热沉降的方法． 按此方法，首先对地层资料作去压实校正． 对于正常压力下的沉积地层，其孔隙度随深度y的变化满足

　　　　　　　　　　　　　　　(2)

其中φ₀是表面孔隙度，c是衰减系数． 根据去压实原理，可推出公式

其中y₁、y₂分别是地层顶、底的深度，z₁、z₂则是去压实后地层顶、底的深度． 上式可通过迭代法求解． 我们编制了相应的计算程序，根据去压实校正后得到的地层古厚度值，结合年龄数据，便得到地层埋藏史． 进一步对去压实后的地层深度数据进行回剥处理，即做沉积物载荷校正、海平面变化校正和古水深校正． 求构造沉降Y的公式为^［7］

　　　　　　　　　　　　　　　(3)

这里S是去压实校正后地层的总厚度；ρ_a是地层的平均密度；ρ_m，ρ_w分别为地幔和海水的密度；△_s为相对于现在的古海平面；W_d为古水深；Φ为挠曲均衡的补偿因子，对于Airy局部均衡，Φ＝1．按照MeKenzie^［6］的模型，拉张盆地基底的形成是裂谷作用的结果． 按公式（3），求裂谷作用停止以后各个去压实阶段的构造沉降，即得热沉降．
　　按Allen和Allen^［7］的方法，应由单井得到的沉积柱地层资料进行去压实校正． 由于缺乏足够的单井资料，这里采取Middleton［8］在地震地史分析中的做法，即由地震剖面资料得到进行去压实校正所需的地层资料． 采用这种方法时，假定所给的孔隙度－深度关系式（2）适用于整个地震测线．
　　综合上述各种理论，我们对莺歌海盆地拉张性质的研究办法是：将地震剖面作为基本资料，沿地震测线取若干个点，每个点沿垂向给出的地层资料作为单井资料，按Allen等的方法进行去压实校正和回剥处理，并由式（3）求出该点的热沉降． 再与McKenzie模型对比，以检验盆地是否符合McKenzie的拉张模型． 进一步则按式（1）由热沉降史求出拉张因子． 分析沿地震剖面的拉张因子的不同分布，得出对盆地拉张性质的一些认识．
　　本文将采用莺歌海盆地中两个近于互相垂直的剖面903505及904500的地层资料作为基本资料，其位置见图1． 这两个地震剖面的地层和构造见图2（据刘光鼎等^1））． 在后面的计算中，沿测线904500均匀地取79个点，对测线903505则均匀地取39个点． 对于这两条地震测线上的每个点，沿向下的垂线即可得出各反射界面（T₆，T₄等）的埋深，而各界面的时代见文献1）． 对于去压实校正，参考薛爱民^［9］的资料选取φ₀及c（见表1）． 由于该盆地在第三纪以来均为浅水相，故近似地取古水深为0． 古海平面变化按文献^［7］取值如表2所示．

图1　莺歌海盆地及地震剖面904500、剖面903505的位置示意图
Fig.1 A sketch showing the locations of the Yinggehai Basin and the seismic profiles 904500 and 903505

图2　本文采用的地震剖面的地层、构造图
Fig.2 Stratigraphic and tectonic map of the seismic profiles employed
(a)剖面904500；(b)剖面903505.图中横坐标下的数字表示取地层料的点号,区域Ⅰ、Ⅱ为磁异常区.
(a)Profile 904500,(b)profile 903505.The figures under the abscissa are the point numbers where the stratigraphic data are taken.The regionⅠ and Ⅱ are the magnetic anomaly area.

3 计 算 结 果

3.1 莺歌海盆地的拉张模型
　　按上述理论方法，我们得到了地震测线904500上79个点和903505上39个点的构造沉降史． 图3和图4给出一些典型位置点的构造沉降史． 图中各曲线的斜率给出沉降速率． 可以看到，不同时期的沉降速率有所不同． 距今39.5Ma到21Ma时间段内的沉降速率，不同于21Ma到12.5Ma的沉降速率，也不同于后面时间段的沉降速率． 最大的沉降速率主要发生在21Ma到12.5Ma这一时间段内． 从12.5Ma到2.8Ma和从2.8Ma到现在这两个时间段内，各地层的两段沉降曲线几乎成直线，这说明从12.5Ma以来，沉降速率没有大的变化． 对于莺歌海盆地，裂谷作用发生在39.5Ma左右，形成了T_g以下的前第三系基底． 因此，图3、图4给出的也是热沉降史． 有了热沉降史，将其与McKenzie^［6］给出的S_w，S_t-t^1／2理论曲线对比，便可判断盆地的形成机制是否符合McKenzie模型． 对地震测线上一些典型位置点的对比结果表示在图5、图6中． 从图6可见，经回剥后得到的实际地层的数据点均在理论曲线附近，这说明莺歌海盆地为基本上符合McKenzie模型的拉张盆地．

图3　构造沉降Y随绝对年龄t_a变化的曲线
Fig.3 Curves showing the variation of the tectonic subsidence Y with absolute age t_a
图(a),(b),(c),(d),(e),(f)分别对应于测线904500上的点2,25,68,79,35,59.
Figures(a),(b),(c),(d),(e) and (f)are corresponding to the spots 2,25,68,79,35 and 59 of the profile 904500,respectively

图4　构造沉降Y随绝对年龄t_a变化的曲线
Fig.4 Curves showing the variation of tectonic subsidence Y with absolute age t_a
图(a),(b),(c),(d)分别对应于测线904505上的点12,30,17,18.
Figures(a),(b),(c) and (d)are corresponding to the spots 12,30,17 and 18 of the profile 903505,krespectively.

图5　热沉降S_w,S_t阻随时间t的平方根t^1/2的变化
Fig.5 Variation of the thermal subsidence S_t with the square root of time t^1/2
图(a),(b),(c),(d),(e),(f)分别对应于测线904500上的点2,25,68,79,35,59.图中实线和点划线是Mckenzie的理论曲线(见文[7]图4),圆点是对测线上的关点的计算结果.S_w:水深;S_t:沉积物厚度.
Figures(a),(b),(c),(d),(e) and (f)are corresponding to the spots 2,25,68,79,35 and 59 of the profile 904500,respectively.In the figures,solid lines and dashed lines are Mackenzie's theoretical curves(see reference[7],Fig.4),and the dots are calculated results of the related spots.S_w:Water depth,S_t:Sediment thickness.

图6　热沉降S_w,S_t阻随时间t的平方根t^1/2的变化
Fig.6 Variation of the thermal subsidence S_t with the square root of time t^1/2
图(a),(b),(c),(d)分别对应于测线904505上的点12,30,17,18.图中实线和点划线是Mckenzie的理论曲线(见文献[6]图4),圆点是对测线上有关点的计算结果.

3.2 南海两次扩张在莺歌海盆地的反映
　　作为南海北部陆架盆地之一的莺歌海盆地，南海的演化过程不可避免地在其中留下烙印． 南海的发展演化相当复杂，与相邻的欧亚、太平洋、印度洋三大板块的移动、地球深部物质运动密切相关． 对南海磁异常条带研究表明，在南海深海平原内存在两组不同走向的磁异常条带：一组为近东西向，另一组为北东向． 通过磁条带的识别可以为南海的两次扩张提供证据，南海深海平原东部在32—17Ma发生了海底扩张，南海深海平原西南部的海底扩张发生的时间为15—11.8 Ma^［2］．
　　根据上面在地震测线不同地点得到的热沉降史，便可按式（1）求出不同地点的拉张因子β． 图7是这样得到的两个地震测线上不同位置的拉张因子分布曲线． 从图7看到，前两条曲线与后两条曲线差别较大，而后两条曲线几乎重合，这种情况对图（a）与图（b）均类同． 从理论上说，如果在距今39.5Ma盆地基底形成以来没有新的拉张事件发生，则图7（a）或（b）中的4条曲线应该重合． 对比曲线A与B，它们差别很大，我们认为，这应表明在距今21Ma曾发生过一次新的拉张事件． 同理，对比曲线B和C，应认为在距今12.5Ma时也曾发生过一次拉张事件． 然而，曲线C和D几乎重合，这表明在12.5Ma以后，没有发生新的拉张事件． 这里判断出的发生新拉张事件的时间，与图3与图4中沉降速率发生变化的时间是一致的． 由此得出结论：莺歌海盆地在21Ma和12.5Ma分别发生过一次拉张，12.5Ma以后就不再有拉张事件发生． 但是，我们只选择了几个反射界面，如果界面更精细些，发生上述两次拉张的时间也可定得更精确些．根据与上述南海两次扩张发生的时间对比，可以认为这里的结果与实际资料基本吻合．

图7　沿地震测线拉张因子β的分布曲线
Fig.7 Distribution curves of the stretching facdtor βalong the profiles
(a)测线904500;(b)测线903505.曲线A,B,C,D在不同的时间区间中得出,它们对应的距今时间区间是,曲线A:39.5—21Ma;曲线B:39.5—12.5Ma;曲线C:39.5—2.8Ma;曲线D:39.5Ma—现在.
(a)for profile 904500.(b)for profile 903505.Curves A,B,C and D are plottede in various time intervals (B.P.),the corresponding relations of which are,Curve A: 39.5—21Ma;B:39.5—12.5Ma;C:39.5—2.8Ma;D:39.5Ma—present.

4 结论和讨论

　　通过上面的分析研究，我们得到几点认识：
　　（1） 本文用地震剖面的地层资料代替单井的沉积柱地层资料来进行去压实校正，从而得到地层的构造沉降史，这在方法上是简便的、可行的． 它能在较大范围内得出地层的沉降史． 然而，地震剖面资料的精确度远不如单井资料，且假定了所给的孔隙度-深度关系式适用于整个地震测线．因此，用本方法时应注意其局限性．
　　（2） 计算得到的热沉降史与McKenzie理论曲线的对比结果表明，莺歌海盆地为基本上符合McKenzie模型的拉张盆地．
　　（3） 从热沉降反演求出拉张因子的方法是文献中已有的（例如，文献［7］）． 但如何在求拉张因子的过程中分析、确定是否发生过新的拉张事件，则未见文献报道． 本文提出了一种方法，通过对比在不同时间区段内作出的拉张因子分布曲线，判断出莺歌海盆地在距今39.5Ma裂谷作用停止以后，还曾在21Ma和12.5Ma各发生过一次拉张事件． 上述方法是初步的，尚需进一步完善．
　　（4） 本文得出的莺歌海盆地两次拉张事件发生的时间与由磁异常条带判断出的南海发生的两次扩张时间基本上是吻合的． 但红河断裂在莺歌海盆地的近旁，它理应对盆地的形成过程有相当大的影响，其影响情况有待于进一步研究．

*国家自然科学基金资助项目(49172132)
1)刘光鼎,杨小毛,焦灵秀等.南海北部大陆架西区盆地区域地球物理特征和深部构造研究.“八五”国家重点科技攻关项目成果报告.北京:中国科学院地球物理研究所,1994.
作者简介 丁中一， 男， 1935年生． 1957年毕业于北京大学力学专业． 1973年起在北京大学地质系任教，现为该系教授． 主要研究地球构造应力场、地球深部物理参数的反演和盆地构造演化等方面的地球动力学问题．
作者单位：丁中一　北京大学地质学系，北京 100871
　　　　　杨小毛　北京大学城市与环境学系，北京 100871
　　　　　马莉　谢顺兴　洛杉矶加州大学地球和空间科学系， 美国 CA90095

参考文献

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ZHANG Qi-Ming, KOU Cai-Xiu. Petroleum geology of cenozoic sedimentary basins in western part of northern shelf of the South China Sea. In: A Collection on Petroleum Geology of Yinggehai Basin (in Chinese). Beijing: Seismological Press, 1993. 1—9
2 刘光鼎． 中国海区及邻域地质地球物理特征． 北京： 科学出版社， 1992
LIU Guang-Ding.Geologic-geophysic Features of China Seas and Adjacent Regions (in Chinese). Beijing: Science Press, 1992
3 张启明， 张泉兴． 一个独特的含油气盆地——莺歌海盆地． 见： 莺歌海盆地石油地质论文集． 北京： 地震出版社， 1993， 10—17
ZHANG Qi-Ming,ZHANG Quan-Xing.A Distinctive hydrocarbon basin——Yinggehai Basin.In:ACollection on Petroleum Geology of Yinggehai Basin (in Chinese). Beijing: Seismological Press, 1993, 10—17
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9 薛爱民． 油气盆地热史研究［博士后研究报告］． 北京： 中国科学院地球物理研究所， 1993
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