Question

珠江口盆地沉降史定量模拟和分析

Answer 1

高红芳　杜德莉　钟广见

（广州海洋地质调查局 广州 510760）

第一作者简介：高红芳，女，1971年生，硕士，高级工程师，主要从事含油气盆地综合分析与研究工作。

摘要 运用Petrosys 盆地模拟系统，定量和动态地模拟了珠江口盆地三个主要坳陷的沉降过程，论述了沉降速率的变化与生储盖发育之间的关联，认为珠江口盆地构造沉降史具有幕式、多阶段变化的特征。盆地第一幕和第二幕沉降是盆地发育的主要时期，奠定了盆地的构造格架，形成了盆地主要的沉积地层和油气资源。第三幕沉降为盆地的改造和完成阶段，是盆地区域盖层发育的主要时期。

关键词 珠江口盆地 定量模拟 沉降史 幕式沉降

1 概述

图1 珠江口盆地位置图

Fig.1 The location map of Pearl River Mouth Basin

珠江口盆地位于南海北部、华南大陆南缘离散性大陆边缘（图1）。珠江口盆地的发育经历了早期断陷和晚期坳陷，新生代地层具有典型的下断上坳的双层结构，走向为北东向，由珠一坳陷（图2）、珠二坳陷（图3）和珠三坳陷（图4）三个坳陷组成，各坳陷之间以低隆起相隔。其新生代地层以T₇为界分为上下两套构造层。下构造层发育古新统、始新统和渐新统沉积，为陆相沉积，下部为河流-冲积扇、浅湖-沼泽相等，上部为浅湖-半深湖相沉积；新第三纪即上构造层发育中新统、上新统和全新统，为海相沉积。上下构造层的地质特征完全不同，显示了不同的演化历程。

图2 珠江口盆地珠一坳陷地震剖面显示图

Fig.2 The seismic profile of Zhu1 depression of Pearl River Mouth Basin

图3 珠二坳陷地震剖面显示图

Fig.3 The seismic profile of Zhu2 depression

晚白垩世以后一系列的构造运动导致华南陆缘地壳岩石圈厚度不断减薄，这种拉张减薄作用，引起地壳的沉降。各种机制的沉降作用，导致了沉积物的充填埋藏和构造演化，因此研究盆地沉降作用的演化过程是盆地分析的基础。沉降史分析一直是盆地分析与模拟中的重要技术，本文运用Petrosys盆地模拟系统，以珠江口盆地地层发育较完整的珠一、珠二、珠三坳陷为研究对象，定量和动态模拟了盆地的拉伸沉降过程，对盆地构造沉降和总沉降的变化趋势和演化历史进行了定量和动态的分析。

2 盆地构造沉降史模型和参数

沉积盆地的总沉降量主要与构造作用、沉积物压实、均衡作用、沉积基准面变化或古水深变化等因素有关（林畅松、张燕梅，1995）。

沉积盆地（纯水载盆地）的构造沉降可表述为

构造沉降=总沉降-（沉积物和水负荷沉降+沉积物压实沉降+湖平面变化）

2.1 沉积物压实校正

沉积物压实过程中受到岩性、超压、成岩作用等因素的影响，岩性往往起主导作用。在正常的压实情况下，孔隙度和深度关系可认为服从指数分布（Athy，1930）：

φ=φ₀·e^-cy

式中：φ是深度为y时的孔隙度；φ₀为表面孔隙度；c为压实系数；φ₀和c主要与岩性有关。

在深度Y₁和Y₂之间岩层中水充填的孔隙为

南海地质研究.2006

沉积物的骨架体积：V_s=V_t-V_w

那么，其厚度：Y_s=Y₂-Y₁-φ₀（e^-cy2-e^-cy1）/c

式中：V_s为沉积物的骨架体积，即不包含孔隙部分的沉积物体积；V_t为岩层整体的体积；V_w为孔隙体积（假设孔隙被水充填）；Y_s为经过压实校正后深度Y₁和Y₂之间岩层的厚度（深度Y₁小于Y₂）。

当把岩层回剥到

和

高度时，沉积物部分V_s不变，而只有孔隙中的水发生变化（V_w）。因此，在回剥的位置上岩层的厚度由下式给出（Allen等，1990）：

南海地质研究.2006

砂岩、泥岩等单一岩性的表面孔隙度已有较成熟的经验值，混合的岩性可用表1提供的数值按比例加权得出。

表1 在正常情况下通常采用的压实参数　Table1 Coefficient of compaction under normal circumstance

（据Sclater和Christie，1980）

2.2 沉积物的负荷校正

假若岩层的孔隙度为φ，沉积层的平均密度：

南海地质研究.2006

式中：φ_i为每一单层的孔隙度；S为校正后的厚度；ρ_s为沉积层的平均密度；ρ_w为水体的密度；ρ_sgi为每一单层沉积物的颗粒密度；

为每一单层的厚度。

若构造沉降为Y（水充填），盆地中的水被沉积物代替后，厚度为S只考虑局部均衡，则有：

Y=S（ρ_m-ρ_s）/（ρ_m-ρ_w）

式中，ρ_m是地幔密度。

2.3 水深校正

沉积盆地水深较大时，必须对水深作校正才能得出正确的构造沉降。古水深的估计可通过沉积相分析、古生物组合等方法进行。一般来说，冲积-河流相可忽略水深计算，滨浅湖水深0～10m，半深湖—深湖沉积水深10～100m或更深；滨浅海水深0～50m，浅海水深50～200m，半深海—深海水深大于200m。在地震剖面上大型的前积层事实上是斜坡沉积体系。通过去压实后可恢复古斜坡的形态，从而估计古水深分布。

盆地古水深变化如表2所示。

表2 珠江口盆地估计古水深分布表　Table2 Water-deep table during Tertiary age of Pearl River Mouth Basin

图4 珠三坳陷地震剖面显示图

Fig.4 The seismic profile of Zhu3 depression

估计古水深后，很容易从总沉降中扣除水深的影响。

2.4 均衡校正

由于地壳（尤其是上地壳）是具有弹性的，即有一定的挠曲刚度。因此，岩石圈的均衡事实上是挠曲均衡。挠曲均衡和局部均衡的比值为

C=（ρ_m-ρ_s）/［ρ_m-ρ_s+（2π/λ）⁴D/g］

式中：C为均衡比值；D为挠曲刚度，主要取决于有效弹性厚度。一般来说，有效弹性厚度为3～5km（Kusnir，1992）。南海岩石圈的变薄主要是以纯剪变薄为主，表层的脆性变形深度小，有效弹性厚度应是较小的。上式中2π/λ 称为波数，λ 为二倍的盆地宽度。若盆地很宽或有效弹性厚度很小时，即（2π/λ）⁴D/g趋近于零，C则趋近于1，为局部均衡。同时，如果裂陷作用不是瞬时完成的，在拉张过程中地壳受到逐渐的加热，这将会大大减小有效的弹性厚度。

若仅考虑局部均衡，水体的局部均衡沉降为W_d［ρ_m/（ρ_m-ρ_w）］，其中W_d为古水深。因此，构造沉降可表述为

Y=S（ρ_m-ρ_s）/（ρ_m-ρ_w）-W_d·ρ_m/（ρ_m-ρ_w）+W_d

3 模拟结果分析

根据盆地沉降史模拟结果（图5、图6、图7），盆地构造沉降曲线从古新世到全新世，呈现出梯度变化的趋势，表现为拉张盆地的沉降特征，显示了珠江口盆地伸展盆地的动力学背景。通过分析盆地的沉降速率直方图和沉降曲线图，发现在不同的地质时期，珠江口盆地的沉降速率和沉降量具有明显的不同，显示出沉降作用的明显不均匀性。在新生代盆地的形成发展过程中，构造因素形成的沉降一直为盆地沉降的主要因素，构造沉降在盆地各沉降作用中占主导地位，控制了盆地总沉降的变化。在盆地发育演化过程中，主要出现了三次沉降高峰期，它们分别为晚古新世、晚渐新世和中中新世沉降时期，这三次沉降高峰期将盆地的构造沉降历史分为三幕。

第一幕为晚古新世到早渐新世时期，主要可分为三个变化阶段，经历了沉降速率由大变小的过程。

第一个阶段为晚古新世沉降时期，这是整个珠江口盆地构造沉降速率最大的阶段。该时期盆地急剧沉降，构造沉降速率一般可达到100～180m/Ma，总沉降速率一般为200～300m/Ma。其构造沉降量一般为600～1000m，总沉降量为800～1600m，为盆地发育初期的初始裂陷发育阶段，可对应于南海北部的神狐运动活动时期。在盆地的各构造单元中，以珠二坳陷构造沉降量最大，沉降速率最快，裂陷强度大，为盆地最大的沉降中心。

第二个阶段为早-中始新世沉降时期。该时期裂陷作用继续进行，地壳的伸展引起盆地内断块间的差异升降运动，导致盆地再次发生构造沉降。构造沉降量有明显增加，一般为700～1500m，总沉降量可达到1000～4000m；构造沉降速率开始明显减少，一般为40～100m/Ma，总沉降速率一般为100～200m/Ma。该阶段对应于区域构造运动的珠琼运动一幕，盆地发生张裂，面积不断扩大，可容纳空间大幅度增加，深湖、半深湖相沉积发育，形成了多个深水湖盆，是珠江口盆地烃源岩的主要发育时期，沉积了盆地最主要的文昌组生油岩。盆地最大沉降中心仍然位于珠二坳陷，其沉降量和沉降速率都远远大于其他两个坳陷。

第三个阶段为晚始新世—早渐新世沉降时期。盆地张裂作用继续进行，但强度减弱。构造沉降量开始减少，一般为200～400m，总沉降量一般为400～1000m，构造沉降速率再度降低，一般为20～35m/Ma，总沉降速率一般为50～85m/Ma。该时期发生珠琼运动二幕，盆地先被抬升剥蚀，然后发生张裂，面积持续扩大，湖盆水体开始变浅，但仍具一定可容纳空间，发育浅湖、沼泽相泥岩，也是盆地烃源岩的重要发育时期。盆地各坳陷沉降作用差别不大，沉降中心分散于各坳陷内。

盆地第二幕沉降为晚渐新世到中中新世时期，经历了三个变化阶段。

到晚渐新世时期，构造沉降和总沉降曲线曲率变大，构造沉降速率回升，拉开了盆地第二幕沉降作用的序幕。其构造沉降速率一般为30～65m/Ma，总沉降速率一般为60～135m/Ma。构造沉降量一般为150～400m，总沉降量一般为400～880m。该时期南海运动发生，盆地先发生区域性抬升剥蚀，地壳减薄，然后开始沉降，构造沉降作用再度加强，由断陷转化为坳陷，盆地的演化进入了后裂谷发育阶段。

图5 珠江口盆地珠一坳陷沉降速率直方图（A）和沉降曲线图（B）

Fig.5 Chart of subsidence rate（A）and subsidence curve（B）in Zhu 1 depression of Pearl River

至早中新世，盆地沉降速度开始减慢。构造沉降速率降为15～35m/Ma，总沉降速率降为30～75m/Ma。构造沉降量一般为80～280m，总沉降量一般为250～550m。盆地各构造单元沉降作用差别不大，以珠二坳陷沉降作用略强。伴随盆地沉降作用变弱，可容纳空间明显减少，盆地的沉积体系也发生了明显变化，三角洲、滨浅海等砂岩沉积体和碳酸盐岩、生物礁、滩极为发育，因此，该阶段是珠江口盆地储集层的主要发育时期。

图6 珠江口盆地珠二坳陷沉降速率直方图（A）和沉降曲线图（B）

Fig.6 Chart of subsidence rate（A）and curve（B）in Zhu 2 depression

中中新世时期盆地沉降特征有所变化。在珠一坳陷沉降速率略有降低，而在珠二坳陷和珠三坳陷沉降速率有所回升，盆地部分区域可容纳空间略有增大。

在盆地第一幕和第二幕沉降过程中，构造沉降速率经历了两次由大到小的变化，显示了盆地裂陷作用由强到弱，直至转变为坳陷作用的演化过程；构造沉降量在各地质时期的变化略有不同，经历了由小到大，又由大到小的过程，展示了盆地初始快速裂陷—强烈裂陷扩张—稳定裂陷扩张—停止裂陷的演化史。珠江口盆地早期沉降作用以珠二坳陷最强，其次为珠三坳陷。构造沉降作用控制了盆地总沉降变化，因此控制了盆地可容纳空间的变化，盆地的沉积和充填也随之变化，发育了一系列具有良好生油岩和储集体的沉积层位。

图7 珠三坳陷沉降速率直方图（A）和沉降曲线图（B）

Fig.7 Chart of subsidence rate（A）and curve（B）in Zhu 3 depression

至晚中新世，沉降作用又逐渐加强，开始了盆地的第三幕沉降。沉降量和沉降速率都有所增强，可分为晚中新世和全新世两个沉降阶段。晚中新世构造沉降量一般为150～600m，总沉降量一般为350～1000m，构造沉降速率为30～60m/Ma，总沉降速率一般为70～150m/Ma。到全新世沉降阶段，沉降作用强度在珠一坳陷较弱，在珠二坳陷和珠三坳陷较强。构造沉降量为80～300m，总沉降量一般为150～750m，构造沉降速率为15～40m/Ma，总沉降速率一般为30～110m/Ma。盆地第三幕沉降伴随着东沙运动的发生和南海区域热沉降活动，构造运动引起了隆起区的抬升剥蚀，但对坳陷影响较小。区域热沉降活动是该时期盆地沉降作用的主因，给盆地营造了新的可容纳空间，为区域盖层的形成创造了良好条件。

4 结论

综合以上分析，珠江口盆地构造沉降史具有拉张盆地幕式、多阶段变化的特征，反映了盆地裂陷作用的不均速性、多幕性和区域构造活动的多期次性。盆地第一幕和第二幕沉降是盆地发育的主要阶段，奠定了盆地的构造格架，形成了盆地主要的沉积地层和油气资源。第三幕沉降为盆地的改造和完成阶段，是盆地区域盖层发育的主要时期。盆地的幕式、多阶段沉降的特点，为生油岩、储集层、盖层的形成、发育及演化创造了良好的条件，因此，珠江口盆地具有丰富的油气资源，而珠二坳陷虽然水深较大，但其早期沉降作用在整个珠江口盆地最强，适宜烃源岩发育，可能具有更好的油气前景。

参考文献

陈长民，施和生，许什策等.2003.珠江口盆地（东部）第三系油气藏形成条件.北京：科学出版社，110～120

林畅松，张燕梅.1995.拉伸盆地模拟理论基础及新进展.地学前缘，2（3～4）：79～88

Allen P A，Allen J R.1990.Basin Analysis：Principleand applications.London：British Petroleum Company.52～53

Athy L F.1930.Density，porosity and compaction of sedimentary rocks.Bull Am Assoc Petrol Geol，14：1～24

Sclater J G，Christie.1980.Continental stretching an explanation of the postmid Cretaceous subsidence of the Central North Sea Basin.J.Geophys.Res.，85，3711～3739

Quantitative Simulation of Subsidence History and Analysis of Pearl River Mouth Basin in South China Sea

Gao Hongfang　Du Deli　Zhong Guangjian

（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）

Abstract：Using Petrosys basin modelling system，the writers simulate quantitatively the subsidence history of three main depressions in Pearl River Mouth Basin，then discuss the relating of subsidence rate and development of source rock，reservoirs and cover rock.The result shows the subsidence history of Pearl River Mouth Basin has the dynamic character of episodic and muli stage evolution.The first and second episodic subsidence are the primary phases of Pearl River Mouth Basin evolution，which establish the structure pattern and form the dominating sediment and oil and gas resources.Under the third episodic subsidence operating，Basin finish rebuilding and shaping the configuration，this epoch gives birth to the regional cover rock.

Key Words：Pearl River Mouth Basin Quantitative simulating Subsidence history Episodic subsidence