珠江口盆地沉降历史的定量模拟与分析
(广州海洋地质调查局广州510760)
第一作者简介:高，女，1971出生，硕士，高级工程师，主要从事含油气盆地综合分析与研究。
利用Petrosys盆地模拟系统，对珠江口盆地三个主要凹陷的沉降过程进行了定量和动态模拟，探讨了沉降速率的变化与生、储、盖层发育的关系。认为珠江口盆地的构造沉降史具有幕式和多期变化的特点。第一、二幕沉降是盆地发展的主要时期，奠定了盆地的构造格局，形成了盆地的主要沉积地层和油气资源。第三幕沉降是盆地的改造和完善阶段，是盆地区域盖层发育的主要时期。
珠江口盆地幕式沉降定量模拟
1概述
图1珠江口盆地位置图
图1珠江口盆地位置图
珠江口盆地位于南海北部和华南大陆南缘的离散大陆边缘(图1)。珠江口盆地的发展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双层结构，走向为东北，由三个凹陷组成，即朱彝凹陷(图2)、朱彝凹陷(图3)和朱三凹陷(图4)，被低凸起隔开。其新生代地层以T7为界分为上、下两个构造层。下部构造层发育古新世、始新世和渐新世沉积，为陆相沉积，下部为河流-冲积扇和浅湖-沼泽，上部为浅湖-半深湖沉积。新近纪，即上部构造层发育中新世、上新世、全新世，为海相沉积。上、下构造层的地质特征完全不同，表现出不同的演化过程。
图2珠江口盆地朱彝凹陷地震剖面显示
图2珠江口盆地珠1凹陷地震剖面图
图3珠2凹陷地震剖面显示
图3珠2凹陷地震剖面图
晚白垩世以后，一系列的构造运动导致华南大陆边缘的地壳和岩石圈不断减薄，造成了地壳的沉降。各种机制的沉降导致沉积物的充填埋藏和构造演化，因此研究盆地沉降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和模拟中的一项重要技术。本文以Petrosys盆地模拟系统为研究对象，对珠江口盆地的伸展沉降过程进行了定量动态模拟，定量动态分析了盆地构造沉降和总沉降的变化趋势和演化历史。
2盆地构造沉降历史模型及参数
沉积盆地的总沉降主要与构造作用、沉积物压实、平衡、沉积基准面变化或古水深变化等因素有关(林，张艳梅，1995)。
沉积盆地(纯水性盆地)的构造沉降可以表示为
构造沉降=总沉降-(水沙负荷沉降+泥沙压实沉降+湖平面变化)
2.1沉积物压实校正
沉积物的压实过程受岩性、超压、成岩作用等因素的影响，岩性往往起主导作用。在正常压实条件下，孔隙度与深度的关系可以认为是指数分布(Athy，1930):
φ=φ0 e-cy
式中:φ为深度y处的孔隙度；φ0为表面孔隙度；c是压实系数；φ0和c主要与岩性有关。
深度Y1至Y2之间岩层中的充水孔隙为
南海地质研究。2006
沉积物的骨架体积:Vs=Vt-Vw
那么，它的厚度:ys = y2-y 1-φ0(e-cy2-e-cy 1)/c。
其中:Vs是沉积物的骨架体积，即沉积物除去孔隙部分的体积；Vt是整个岩层的体积；Vw是孔隙体积(假设孔隙充满水)；Ys为压实校正后深度Y1至Y2之间的岩层厚度(深度Y1小于Y2)。
当岩层剥离回总高度时，沉积物部分Vs保持不变，但只有孔隙中的水发生变化(Vw)。因此，剥离位置的岩层厚度由以下公式给出(Allen et al .，1990):
南海地质研究。2006
砂岩、泥岩等单一岩性的地表孔隙度有成熟的经验值，混合岩性可用表1提供的值按比例加权得到。
表1正常情况下常用的压实参数表1正常情况下的压实系数
(根据Sclater和Christie，1980)
2.2沉积物的负荷修正
如果岩层的孔隙度为φ，则沉积层的平均密度为:
南海地质研究。2006
式中:φi为各单层的孔隙度；s是校正厚度；ρs为沉积层的平均密度；ρw为水体密度；ρsgi是每个单层沉积物的颗粒密度；是每一层的厚度。
若构造沉降为Y(充水)，盆地内的水被沉积物置换后，厚度为S，仅考虑局部平衡，则有:
Y=S(ρm-ρs)/(ρm-ρw)
其中ρm是地幔密度。
2.3水深校正
当沉积盆地水深较大时，需要对水深进行校正，以得到正确的构造沉降量。古水深的估算可以通过沉积相分析和古生物组合来进行。一般来说，计算水深时可以忽略冲积-河流相。浅湖水深0 ~ 10 m，半深湖-深湖沉积水深10 ~ 100 m以上。浅水深度0 ~ 50m，浅水深度50 ~ 200m，半深海-深海深度200m以上。在地震剖面上，大型叠前实际上是一个斜坡沉积体系。通过去压实可以恢复古斜坡的形状，从而估计古水深的分布。
表2显示了盆地古水深的变化。
表2估算古水深分布表2珠江口盆地第三纪水深表
图4珠3凹陷地震剖面显示
图4珠3凹陷地震剖面图
估算出古水深后，就很容易从总沉降量中扣除水深的影响。
2.4均衡校正
因为地壳(尤其是上地壳)是弹性的，所以具有一定的抗弯刚度。因此，岩石圈的平衡实际上是一种挠曲平衡。偏转平衡与局部平衡的比值为
C=(ρm-ρs)/[ρm-ρs+(2π/λ)4D/g]
其中:c是平衡比；d为抗弯刚度，主要取决于有效弹性厚度。一般来说，有效弹性厚度为3 ~ 5公里(库斯尼尔，1992)。南海岩石圈减薄主要是纯剪切减薄，表层脆性变形深度较小，有效弹性厚度应较小。上式中，2π/λ称为波数，λ为盆宽的两倍。如果盆地很宽或者有效弹性厚度很小，即(2π/λ)4D/g趋近于零，c趋近于1，这是一个局部均衡。同时，如果裂陷不是瞬时的，地壳在拉伸过程中会逐渐受热，使有效弹性厚度大大减小。
如果只考虑局部平衡，水体的局部平衡沉降为Wd [ρ m/(ρ m-ρ w)]，其中Wd为古水深。因此，构造沉降可以表示为
y = S(ρm-ρS)/(ρm-ρw)-Wdρm/(ρm-ρw)+Wd
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梯度变化趋势，表现出伸展盆地的沉降特征，显示了珠江口盆地伸展盆地的动力学背景。通过分析盆地沉降速率直方图和曲线，发现珠江口盆地不同地质时期的沉降速率和沉降量明显不同，表现出明显的沉降不均一性。在新生代盆地的形成和发展中，构造因素引起的沉降一直是盆地沉降的主要因素，构造沉降在盆地沉降中起主导作用，控制着盆地总沉降的变化。在盆地的发展演化过程中，主要有三个沉降峰，分别为古新世晚期、渐新世晚期和中新世。这三个沉降峰将盆地的构造沉降史分为三幕。
第一个场景是古新世晚期到渐新世早期，分为三个阶段，沉降速率由大变小。
第一阶段为古新世晚期沉降期，是整个珠江口盆地构造沉降速率最高的阶段。这一时期盆地沉降剧烈，构造沉降速率一般可达100 ~ 180 m/ma，总沉降速率一般为200 ~ 300 m/ma。构造沉降一般为600 ~ 1000 m，总沉降量为800 ~ 1600 m，为盆地发展早期裂谷发展的初始阶段，可与南海北部神狐运动时期相对应。在盆地所有构造单元中，珠二坳陷是盆地中最大的沉降中心，构造沉降最大，沉降速度最快，裂谷强度最强。
第二阶段为始新世早中期沉降期。在此期间，裂谷作用继续，地壳的伸展造成盆地内断块之间的差异抬升运动，导致盆地再次发生构造沉降。构造沉降明显增加，一般为700 ~ 1500m，总沉降可达1000 ~ 4000m。构造沉降速率开始明显下降，一般为40 ~ 100 m/ma，总沉降速率一般为100 ~ 200 m/ma。这一阶段对应于区域构造运动中的朱琼运动场景。盆地已经开裂，面积不断扩大，容纳空间大大增加。深湖和半深湖相沉积发育，形成多个深水湖盆，是珠江口盆地烃源岩的主要发育时期，盆地内沉积了文昌组最重要的烃源岩。盆地最大的沉降中心仍位于珠尔凹陷，其沉降量和沉降速率远大于其他两个凹陷。
第三阶段为晚始新世-早渐新世沉降期。盆地延伸继续，但强度减弱。构造沉降开始减小，一般200 ~ 400 m，总沉降一般400 ~ 1000 m，构造沉降速率再次减小，一般20 ~ 35 m/ma，总沉降速率一般50 ~ 85 m/ma。在此期间，发生了两次朱琼运动，盆地先是隆升剥蚀，然后开裂，面积继续扩大。湖盆水体开始变浅，但仍有空间，浅水湖泊和沼泽泥岩发育，也是盆地烃源岩的重要发育时期。盆地内各坳陷沉降差异不大，沉降中心分散在各坳陷内。
盆地的第二次沉降发生在渐新世晚期至中新世中期，经历了三个阶段。
渐新世晚期，构造沉降和总沉降曲线曲率增大，构造沉降速率回升，拉开了盆地第二幕沉降的序幕。构造沉降速率一般为30 ~ 65m/ma，总沉降速率一般为60 ~ 135m/ma。构造沉降一般为150 ~ 400 m，总沉降一般为400 ~ 880 m，这一时期发生了南海运动，盆地首先经历了区域性的隆升和剥蚀，地壳变薄，随后开始沉降，构造沉降再次加强，由断陷转为坳陷，盆地演化进入裂后发展阶段。
图5珠江口盆地朱彝凹陷沉降速率直方图(a)和沉降曲线(b)。
图5珠江珠1凹陷沉降速率图(A)和沉降曲线图(B)
到中新世早期，盆地沉降速度开始减缓。构造沉降速率降至15 ~ 35m/ma，总沉降速率降至30 ~ 75m/ma。构造沉降一般为80 ~ 280 m，总沉降一般为250 ~ 550 m，盆地内各构造单元沉降差异不大，珠2凹陷沉降略强。随着盆地沉降的减弱，可容空间明显缩小，盆地的沉积体系也发生了明显的变化。三角洲和沿海浅海等砂岩沉积和碳酸盐岩、礁、滩极其发育。因此，这一阶段是珠江口盆地储层的主要发育时期。
珠江口盆地珠儿凹陷沉降速率直方图(a)和沉降曲线(b)。
图6珠2凹陷沉降速率(A)和曲线(B)图
中新世中期盆地的沉降特征发生了变化。珠1凹陷沉降速率略有下降，珠2凹陷和珠3凹陷沉降速率略有上升，盆地局部地区可容空间略有增加。
在盆地沉降的第一幕和第二幕中，构造沉降速率经历了由大到小的两次变化，显示了盆地裂陷由强到弱直至转为坳陷的演化过程。不同地质时期的构造沉降变化略有不同，经历了由小到大、由大到小的过程，呈现出初始快速裂谷—强烈裂谷扩张—稳定裂谷扩张—停止裂谷的演化历史。珠江口盆地早期沉降在珠儿凹陷最强烈，其次是朱三凹陷。构造沉降控制了盆地总沉降量的变化，因此控制了盆地可容空间的变化，盆地的沉积和充填也随之变化，发育了一系列烃源岩和储层较好的沉积层。
图7朱三凹陷沉降速率直方图(a)和沉降曲线(b)。
图7珠3凹陷沉降速率(A)和曲线(B)图
到中新世晚期，沉降逐渐加强，开始了盆地沉降的第三幕。沉降量和速率都有所增强，可分为晚中新世和全新世两个阶段。晚中新世构造沉降一般为150 ~ 600 m，总沉降一般为350 ~ 1000 m，构造沉降速率为30 ~ 60 m/ma，总沉降速率一般为70 ~ 150 m/ma。到全新世沉降阶段，珠1凹陷沉降强度弱，珠2凹陷和珠3凹陷沉降强度强。构造沉降80 ~ 300m，总沉降一般为150~750m ~ 750m，构造沉降速率为15 ~ 40m/ma，总沉降速率一般为30 ~ 110m/ma。盆地的第三次沉降伴随着东沙运动和南海的热沉降。构造运动造成了隆起区的抬升和剥蚀，但对坳陷影响不大。区域热沉降是该时期盆地沉降的主要原因，为盆地创造了新的可容空间，为区域盖层的形成创造了良好的条件。
4结论
综合以上分析，珠江口盆地的构造沉降史表现为伸展盆地的幕式和多期次变化，反映了盆地裂陷的非均匀性和多期次特征以及区域构造活动的多期次特征。第一幕和第二幕沉降是盆地发展的主要阶段，奠定了盆地的构造格局，形成了盆地的主要沉积地层和油气资源。第三幕沉降是盆地的改造和完善阶段，是盆地区域盖层发育的主要时期。盆地的幕式和多期沉降为烃源岩、储层和盖层的形成、发展和演化创造了有利条件。因此，珠江口盆地油气资源丰富，而珠儿凹陷在整个珠江口盆地早期沉降最强，适合烃源岩发育，可能具有较好的油气前景。
参考
陈昌民，石，许等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，张艳梅。1995。伸展盆地模拟的理论基础和新进展。地球科学前沿，2 (3 ~ 4): 79 ~ 88。
丛龙飞艾伦私人有限公司，邮编1990。盆地分析:原理与应用。伦敦:英国石油公司
Athy L F.1930。沉积岩的密度、孔隙度和密实度。公牛石油地质协会，14:1~24
克里斯蒂拍卖行，1980。大陆伸展对北海盆地中部白垩纪后期沉降的一种解释。地球物理学报，85，3711~3739
南海珠江口盆地沉降历史的定量模拟与分析
高红方杜德利种光建
(广州海洋地质调查局，广州，510760)
文摘:利用Petrosys盆地模拟系统，定量模拟了珠江口盆地三个主要凹陷的沉降史，进而讨论了沉降速率与烃源岩、储层和盖层发育的关系。结果表明，珠江口盆地沉降史具有幕式多阶段演化的动力学特征。第一次和第二次幕式沉降是珠江口盆地演化的主要阶段，它们确立了珠江口盆地的构造格局，形成了主要的沉积和油气资源。在第三幕沉降作用下，盆地完成改造和定型，这一时期产生了区域性盖层。
关键词:珠江口盆地定量模拟沉降史幕式沉降