珠三拗陷南断裂带新生代发育演化的分段性及其对区域构造背景的响应

Segmentation of Cenozoic Development and Evolution of Southern Fault Zone in Zhu-3 Depression and Its Response to Regional Tectonic Setting

摘要

为明确珠三拗陷南断裂带新生代发育演化过程的分段性，揭示其动力学成因机制.基于高精度的三维地震资料，对南断裂带几何学、运动学特征进行了系统精细解析，进一步结合前人研究成果探讨了南断裂带分段演化对区域构造背景的响应.结果表明：南断裂带走向上存在明显的分段性，不同分段的产状、与次级断裂的组合关系、下降盘沉积地层等均存在差异，整体可以分为两支六段.南断裂带新生代构造演化可以划分为3个阶段：古新世-中始新世分段复活、孤立生长，活动强度相对较弱；晚始新世-渐新世断层活动增强、逐渐连接，文昌C凹段在该时期停止活动，文昌B凹北段发生构造反转；中新世至今断层活动强度降低，分段性重新显现、逐渐消亡.新生代太平洋板块俯冲方向及速率转变、印度-欧亚板块的碰撞、菲律宾海板块的楔入、古南海的俯冲消亡和新南海的扩张等复杂的构造运动导致了南海北部陆缘新生代区域伸展方向的转变，南断裂新生代发育演化特征的分段性体现了晚中生代先存断裂系统与新生代区域伸展方向转变的共同控制作用.

关键词

南断裂带 / 分段特征 / 发育演化 / 区域构造背景 / 珠三拗陷 / 石油地质 / 构造

Key words

southern fault zone / segmentation characteristics / development and evolution / regional tectonic background / Zhu-3 depression / petroleum geology / tectonics

0 引言

断陷盆地内大尺度的伸展断层通常具有分段性（Peacock，2002；Fossen andRotevatn，2016），由多个走向、断距等存在差异的小尺度断层组成，不同分段早期孤立发育，此后伴随着伸展作用的增强发生相互作用，以软连接或硬连接的方式最终连接成一条规模较大、特征复杂的大尺度断层（Frankowicz andMcClay，2010；孙思敏等，2016）.作为一个递进的动态发展过程，伸展断层生长连接过程中不同的演化阶段具有不同的位移分配样式（Peacock and Sanderson，1991；Peacock，2002），当多条断层发生连接时，其位移-距离曲线多呈锯齿状，不同分段断层的连接位置一般对应位移极小值（雷宝华，2012）.这种大尺度断层的分段生长特征体现了盆地演化过程中不同期次构造运动的叠加作用结果，对于明确盆地演化过程、区域动力背景以及油气勘探具有重要意义（田巍等，2015；王迪等，2018）.

珠三拗陷位于南海北部大陆边缘珠江口盆地西部，北邻海南隆起，东接珠一拗陷，南接神狐隆起，其内部包含多个构造单元，走向以NE、NEE为主，面积约3.6×10⁴ km²（图1）.珠三拗陷是在前古近系基底之上发育而成的新生代断陷-拗陷型盆地，新生界构成了珠三拗陷的主要沉积盖层，古近系神狐组、文昌组、恩平组为陆相断陷阶段的湖相沉积，古近系珠海组和新近系珠江组为断-拗转换阶段的湖相、滨浅海相沉积，新近系珠江组、韩江组、粤海组、万山组和第四系琼海组为拗陷期的浅海相沉积（李辉等，2014；Zheng et al.， 2023）.前人研究认为，珠三拗陷位于华南板块陆缘，中生代经历了印支期华南板块与印支板块碰撞拼合、燕山期古太平洋板块向欧亚板块俯冲的构造演化（陆蕾蕾等，2021）.新生代受太平洋板块俯冲方向及速率变化、菲律宾海板块楔入、印支地块NE向挤出和华南地块NEE向挤出、地幔上涌岩石圈减薄、古南海消亡和新南海扩张的共同影响（Engebretson et al.，1985；张迎朝等，2013），经历了神狐运动、珠琼运动2幕、南海运动、东沙运动多幕构造运动（李辉等，2014）.南断裂带为拗陷南部边界断裂，对珠三拗陷发育演化、地层沉积、油气生成、聚集成藏具有重要的控制作用（李辉等，2014；杨希冰等，2020）.受以往资料精度及勘探程度所限，人们对南断裂带的分段性研究并不深入，尤其是不同分段演化过程差异性以及生长连接过程，从而制约了对珠三拗陷构造演化、油气成藏条件以及富集规律的整体认识和深入开展.本文基于珠三拗陷高精度的三维地震资料，通过对南断裂带几何学、运动学特征的精细描述和系统解析，揭示了南断裂带的分段发育特征、生长连接过程，进一步结合前人研究成果探讨了南断裂带分段演化对区域构造背景的响应.本文的研究有助于进一步丰富并深化珠三拗陷乃至整个南海北部陆缘盆地研究成果，为珠三拗陷油气勘探提供借鉴.

1 几何学特征的分段性

南断裂带整体呈NE走向，但是并不平直、连续，存在明显的分段性，不同分段的产状、与次级断裂的组合关系、下降盘沉积地层等均存在差异，整体可以分为东西两支，其中东支延伸距离较短，分为文昌C凹段和北部残凹段，西支可以分为文昌B凹南段、文昌B凹北段、文昌A凹南段、文昌A凹北段（图2），不同分段的断裂产状特征存在差异.

1.1　文昌C凹段

文昌C凹段整体走向NNE，断裂仅在古近系深部神狐组、文昌组发育，珠海组及以上中浅层不发育.剖面上整体呈低角度板式正断层，断面较缓，次级断层不发育，控制早期神狐组、文昌组地层沉积（图3a）.

1.2　北部残凹段

文昌A凹东侧残凹的控凹断层，整体走向NE-NNE，断层自下而上均有发育，深、浅层连续性均较好，次级断层不发育.剖面上铲式为主，断面相对较缓，控制古近系文昌组、珠海组地层沉积，向上可切割至新近系韩江组或粤海组（图3b）.

1.3　文昌B凹南段

整体走向NE，断裂在古近系深层连续性好，浅层连续性变差，次级断层发育较少.剖面上表现为铲式正断层，与次级断层组成滑动断阶或多级“Y”字形构造样式，控制古近系文昌组、恩平组和珠海组、珠江组地层沉积，向上可切割至新近系韩江组或粤海组（图3c）.

1.4　文昌B凹北段

整体走向NE-NNE，中、深层断裂形迹明显，连续性较好，浅层主干断裂连续性变差，同时在其西侧发育一系列近EW向次级断裂与之相交，构成马尾状或帚状断裂组合.剖面上主干断裂表现为板式或轻微铲式，倾角较陡；南部主要切割古近系文昌组、恩平组和珠海组地层，北部切割至新近系地层.断层上盘发育一定数量的次级断层，与主断层组合成Y字形、多级Y字形或滑动断阶组合（图3d）.

需要注意的是，尽管文昌B凹北段现今表现为正断层，但在其上盘凹陷处地层表现出明显的下凹上凸形态，恩平组-韩江组地层均发生了明显地层弯曲上拱，形成规模较大的断-背斜构造，轴面近于直立，背斜核部恩平组地层遭受削截（图3d），珠海组地层向背斜核部超覆，与典型的同沉积断层上盘发育的滚动背斜构造具有明显差异，表明该断层后期经历了局部挤压作用导致的构造反转.

1.5　文昌A凹南段

整体走向NEE，中、深层主干断裂明显，浅层主干断裂不发育，由一系列NWW次级断裂雁列式分布组合而成.剖面上主干断裂倾角较缓，以板式或轻微铲式发育为主，主要切割古近系文昌组、恩平组和珠海组地层.断裂上盘次级断层大量发育，与次级断层构成滑动断阶、多级Y字形等组合.需要注意的是，文昌A凹南段对深部文昌、恩平组地层沉积的控制作用并不明显，文昌、恩平组地层由凹陷深处向断裂处逐渐超覆、减薄（图3e）.

1.6　文昌A凹北段

文昌A凹北段位于南断裂带最北端，整体走向NE，进一步被NWW向断裂分隔成两个亚段.两个亚段特征十分相似，深浅均发育明显的主干断裂，中浅层NWW向次级断层与主干断裂组成帚状构造.剖面上表现为上陡下缓的铲式正断层，控制古近纪文昌-珠海组地层沉积，向上可切割至海底，与次级断层组合成Y字形、多级Y字形构造样式（图3b，3f）.

整体而言，南断裂带不同分段几何学特征存在明显差异，对地层沉积的控制作用、切割层位也不尽相同.前人对文昌凹陷陆相坡折带类型（李辉等，2014）、烃源岩厚度的研究（杨希冰等，2020）也揭示了南断裂带的这种分段性.此外，南断裂带西支不同分段之间具有不同的连接关系，借鉴Morley et al.（1990）和漆家福（2007）的分类方案，文昌B凹南段和B凹北段之间表现为硬连接的关系，文昌B凹北段与A凹南段、A凹南段和A凹北段之间为软连接（图2a）.

2 演化过程的分段性

大尺度断层的分段性不仅体现在其几何学特征上，在运动学演化过程上不同分段同样具有明显的差异性（Faulds andStewart，1998）.断层的活动性分析包含断层的活动时间及活动强度等方面，其中断层的活动时间可以依据地震剖面上断层两盘地层厚度、两盘反射特征、断层最新的切割层位等进行分析判断（李伟等，2019）.本文通过对南断裂带不同分段地震测线的分析解释，首先明确了不同分段开始活动的时间，进而利用断层活动速率参数定量表征断层的活动强度（图4a），基于珠三拗陷三维地震资料的精细解释，以每20道（约500 m）一条地震剖面的密度进行了计算（图4b~4d），明确了南断裂带不同分段、不同演化演化阶段活动特征的差异性.

古新世-中始新世（神狐组-文昌组沉积期）南断裂带开始活动，表现为正断层，但活动强度相对较弱，均小于100 m/Ma（图4）.值得注意的是，尽管文昌A凹南段现今表现为边界断层，下降盘沉积了厚度较大的文昌组，但从地震反射特征上看，文昌组地层是由凹陷深处向近断层处超覆（图3e），表明该时期文昌A凹南段并没有开始活动.

晚始新世-早渐新世（恩平组沉积期），文昌C凹段在该时期停止活动（图4b），北部残凹段也不活动，北支的文昌A凹南段在该时期仍未开始活动，其余各分段活动强度普遍增大，普遍在200 m/Ma以上，最大可达500 m/Ma（图4d）.晚渐新世（珠海组沉积期），南断裂带各分段活动强度略有降低，但仍相对较大，文昌A凹南段在该时期开始活动，北部残凹段复活，文昌A凹北段与文昌A凹南段、文昌A凹南段与文昌B凹北段软连接，文昌B凹北段与文昌B凹南段硬连接（图4d）.

早中新世（珠江组沉积期），南断裂带各分段断层活动强度显著降低，活动速率小于50 m/Ma，断裂的分段性重新显现（图4d）.中中新世（韩江组沉积期）至今，南断裂带各分段断层活动强度进一步降低，除文昌A凹北段外，其他各分段长度显著减小，断裂趋于消亡（图4c、4d）.

3 新生代南断裂带分段演化及其对区域构造背景的响应

前人研究认为，中生代晚白垩世由于太平洋俯冲带大幅度向东后撤，中国东南部普遍处于伸展环境，发生陆缘张裂，形成了NE、NW两组方向的张性断裂，广泛发育于南海北部陆缘（孙晓猛等，2014；Ye et al.，2018）.珠三拗陷南断裂带应该正是形成于该时期，此外还发育了NW向的西部断裂和阳江-一统暗沙断裂（王鹏程，2017）.晚白垩世末期受古南海洋中脊扩张所导致的挤压作用影响，早期断层伸展作用停止，南断裂带转变为一系列NE向挤压逆冲断层（Ye et al.，2018）.新生代珠三拗陷以伸展断-拗作用为主，经历了多期次差异显著的构造演化过程，Zheng et al.（2023）系统研究了珠三拗陷新生代区域伸展方向的转变规律，进而合理解释了珠三拗陷不同构造单元发育演化特征的差异性.受此启发，本文认为NE走向的南断裂带在新生代作为先存断裂复活，在区域构造背景和局部构造应力特征的共同影响下，尤其是区域伸展方向的转变，不同分段的几何学、运动学特征存在差异，经历了复杂的生长、连接过程，可以划分为古新世-中始新世、晚始新世-渐新世、中新世至今3大构造演化阶段.

3.1　古新世-中始新世(神狐-文昌组沉积期)：分段复活、孤立生长阶段

该时期在太平洋板块俯冲速率下降和沿NNW向俯冲后撤（Northrup et al.，1995），以及印度板块向北与欧亚大陆碰撞的共同作用下（Hall andSpakman，2015；雷超等，2015），华南大陆发生陆缘裂解，南海北缘进入初始裂陷阶段（任建业，2018；漆家福等，2019）.由于大陆岩石圈向东南方向蠕散，地幔上涌导致脆性的上地壳破裂，塑性的下地壳受到水平拉张、地壳减薄，区域伸展方向以（N）NW-（S）SE向为主（张迎朝等，2013；胡阳等，2016；张远泽等，2019）.在此背景下，与区域伸展方向近于垂直的NE-NNE走向的南断裂带文昌B凹南段、文昌B凹北段、文昌A凹北段复活，但活动强度相对较弱，各分段之间孤立生长，而近EW走向的文昌A凹南段未被激活（图4）.受断层分段活动影响，神狐-文昌组残留地层展布具有较强的分隔性，NNE-NE方向展布，最大厚度超过1 500 m，体现了早期断孤立生长层对地层沉积的控制作用（图5a，图6a）.

3.2　晚始新世-渐新世(恩平组-珠海组沉积期)：差异演化、断层连接阶段

进入晚始新世，全球板块发生重组（任建业，2018），受此影响珠三拗陷构造发生了重大变革，南断裂带活动增强，由孤立分段逐渐连接为一条规模较大的断层，不同分支断层开始具明显差异，可以进一步划分为晚始新世-早渐新世（恩平组沉积期）、晚渐新世（珠海组沉积期）两个阶段.

3.2.1　晚始新世-早渐新世

晚始新世（40 Ma）以来，太平洋板块俯冲方向由NNW转为NWW、俯冲速率增大（Engebretson et al.，1985；Maruyama andSend，1986），与此同时菲律宾海板块持续向太平洋板块楔入（Maruyama andSend，1986）.印度板块继续向北推进与欧亚大陆发生“硬碰撞”（王嘉等，2021），导致印支地块沿SE向发生旋转挤出.受周边板块作用影响，南海西北次海盆发生扩张，古南海向南部婆罗洲地块俯冲，进而对南海北部陆缘产生向南的拖拽力（Hall，2012；胡阳等，2016），导致南海北部大陆边缘受到近SN向（解习农等，2015；漆家福等，2019）的拉张应力，区域伸展方向由NW-SE向逐渐转变为近SN向.加之红河断裂的走滑运动诱导北部陆缘伸展，与古新世-中始新世裂陷初始期相比，南海北部陆缘经历了最为强烈的地壳减薄，裂陷作用达到峰值，各分段断层活动强度显著增大，开始向两端扩展，但并未连接，文昌A凹南段仍未开始活动（图4）.受断层活动影响，恩平组残留地层分隔性减弱，最大厚度超过1 200 m，最大厚度主要发育在文昌A凹南部和文昌B凹北部（图5b，图6b）.

需要注意的是，在近SN向区域伸展背景下，南断裂带各分段断层发育演化差异性开始体现.一是文昌B凹北段的构造反转现象，由于区域伸展方向转为近SN向，与整体NE走向的南断裂带各分支断裂斜交，尤其是NNE走向的文昌B凹北段，其与近SN向区域伸展方向夹角≤30°.根据童亨茂等（2018）提出的裂陷盆地内预测断层性质伸展应变椭圆图解，文昌B凹北段在晚始新世以来应为正走滑或正斜滑断层，以右旋水平走滑活动为主，与其他分段存在明显差异.此外，走向上文昌B凹北段存在明显的向内弯曲（图2），在走滑作用下导致局部应力状态发生改变，派生局部增压作用（李伟等，2021；Li et al.，2021），从而导致了文昌B凹北段的构造反转；二是文昌C凹段自该时期停止活动，其原因可以用先存断层的选择性复活规律来解释，文昌C凹段产状较缓（倾角20°~30°）、走向NNE（10°~40°）（图2、图3a），古新世-中始新世区域伸展方向为NW向，文昌C凹段走向与区域伸展方向近于垂直，活动强烈；进入晚始新世，区域伸展方向转为近SN向，依据童亨茂等（2011）提出的判断先存断裂活动性的“不协调性准则”，文昌C凹段与区域伸展方向小角度斜交（夹角≤40°），加之断层倾角较缓，复活难度较大.与之相比，发育于西侧的文昌B凹北段尽管与区域伸展方向斜交，但由于倾角较大（60°左右）（图3e），更加容易复活.在这种情况下，文昌C凹段消亡，文昌B凹北段活动强度逐渐增大.

3.2.2　晚渐新世

晚渐新世30 Ma以来，西北次海盆持续扩张，古南海自北向南加速向婆罗洲地块俯冲，南沙块体向南漂移（解习农等，2015），整个南海地区的岩石圈伸展减薄中心也开始向南迁移，包括珠江口盆地在内的南海北缘盆地开始由断陷向拗陷转变，进入断-拗转换阶段，区域伸展方向仍为近SN向（胡阳等，2016）.在此背景下，NE向、NNE向南断裂带各分支断层活动强度略有减弱，近EW走向的文昌A凹南段在该时期开始活动，与文昌A凹北段和文昌B凹北段软连接形成叠覆型转换带，而文昌B凹北段与南段之间为硬连接（图6c）.与此同时，珠三拗陷近EW和NWW向断裂开始活动，为晚中生代NW向先存断裂地复活，这些近EW和NWW向断层与南断裂带各分支断层关系复杂，一是切割改造了早期活动的NE向南断裂带各分支断层，典型如文昌A凹北段（图2）；二是与南断裂带各分支断层构成帚状或马尾状组合，如文昌B凹北段（图6c）.该时期地层分隔性进一步减弱，地层展布方向受NE和近EW向断层共同控制，残留厚度最大超过1 200 m（图5c）.

3.3　新近纪-第四纪：走滑改造、断裂消亡阶段

古近纪末或新近纪初，澳大利亚板块与太平洋板块和亚洲板块碰撞，南海由西北次海盆扩张转至中央次海盆和西南次海盆扩张（解习农等，2015；任建业，2018），洋中脊的跃迁导致岩石圈减薄中心也随之发生迁移.在此背景下，距扩张中心较远的珠三拗陷断陷作用停止，进入裂后热沉降阶段，断裂活动强度显著降低，依据断裂发育演化的差异性，可以进一步划分为早中新世（珠江组沉积期）、中中新世（韩江组沉积期至今）至今两个阶段.

3.3.1　早中新世

进入新近纪早中新世珠江组沉积期，南断裂带各分段断层活动强度显著降低（图4）.该时期区域伸展方向仍为近SN向（张迎朝等，2013），除文昌A凹北段外，南断裂带各分支连续性明显变差，表现为一系列沿NE方向展布的雁列式次级断层，次级断层走向为近EW或NWW向（图6d）.受整体断层活动强度减弱和区域拗陷的影响，残留地层具披覆式沉积特点，NE和NWW向展布为主，普遍在700 m以上，厚度中心发育在文昌A凹南部（图5d）.

3.3.2　中中新世至今

中中新世以来，古南海持续俯冲、消亡，南部婆罗洲地块发生沙巴造山运动（解习农等，2022），受澳大利亚陆架与班达弧碰撞及菲律宾岛弧向南海仰冲的影响，新南海海底扩张停止、逐渐关闭（王鹏程等，2017）；菲律宾海板块由NNW向转为NWW向运动，仰冲于南海洋壳之上，同时吕宋岛弧与欧亚板块发生弧‒陆碰撞（吴时国等，2013）.在NWW向仰冲-碰撞联合作用下，包括珠江口盆地在内的南海北部应力场表现为NNE向伸展环境（张迎朝等，2013；占华旺等，2021）.在此背景下，南断裂带各分支断裂活动性均显著降低、逐渐消亡，珠三拗陷以NWW向断裂活动为主，以文昌A凹中部和南部最为显著，切割改造了文昌A凹北段（图6e）.残留地层厚度普遍在1 000 m以上，NE和NWW向展布为主，厚度中心发育在文昌A凹南部和中部（图5e）.

4 结论

（1）南断裂带作为珠三拗陷的南部边界断裂，走向上存在明显的分段性，不同分段的产状、与次级断裂的组合关系、下降盘沉积地层等均存在差异.南断裂带北支不同分段之间具有不同的连接关系，文昌B凹南段和B凹北段之间表现为硬连接，文昌B凹北段与A凹南段、A凹南段和A凹北段之间为软连接.

（2）南断裂带新生代构造演化可以划分为3个阶段：古新世-中始新世（神狐组-文昌组沉积期）分段复活、孤立生长，活动强度相对较弱，文昌A凹南段并没有开始活动；晚始新世-渐新世（恩平组-珠海组沉积期）断层活动增强、逐渐连接，文昌C凹段在该时期已经停止活动，文昌B凹北段发生构造反转；中新世（珠江组沉积期）至今断层活动强度降低，分段性重新显现、逐渐消亡.

（3）新生代太平洋板块俯冲方向及速率转变、印度-欧亚板块的碰撞、菲律宾海板块的楔入、古南海的俯冲消亡和新南海的扩张等复杂的构造运动导致了南海北部陆缘新生代区域伸展方向的转变，南断裂新生代发育演化特征的分段性体现了晚中生代先存断裂系统与新生代区域伸展方向转变的共同控制作用.

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基金资助

国家自然科学基金项目(42302155;42072169;42072235)

山东省自然基金项目(ZR2023QD016)