西沙海槽盆地是一个位于南海北部陆坡深水区，与南海扩张脊大致平行且同步演化的凹槽，同时也是连接西北次海盆和琼东南盆地沉积物的通道(图 1)。新生代地层厚度达7000m，较完整地记录了大陆张裂和南海扩张过程^[1-3]，其沉积环境演化研究对南海扩张和油气研究均具有重要意义。自20世纪80年代以来，前人对西沙海槽成因、沉积、构造等方面已开展过大量研究，多数学者认为它是一个新生代裂谷盆地^{[4, 5]}，部分学者将其划归琼东南盆地的一个凹陷(长昌凹陷)^{[6, 7]}。在新生代沉积过程中，主要经历了断陷(古新世-渐新世)、拗陷(早中新世-中中新世)和区域沉降(晚中新世至今)3个阶段，断陷阶段推测为陆相河湖相沉积，拗陷阶段和区域沉降阶段为浅海-半深海沉积^[8-11]。由于目前盆内钻井资料稀缺，地层、构造、沉积和油气的相关研究主要依据地球物理资料，地震反射界面的年代、沉积演化过程研究程度等较低^[8-13]。

图  1  研究区位置图(据广海局修改)

Figure  1.  The location of Xisha Trough Basin (modified after Guangzhou Marine Geological Survey)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

本文利用广州海洋地质调查局最新的地震资料，通过琼东南盆地、西沙海槽盆地和白云-荔湾凹陷的地震地层对比和层序地层结构分析，将西沙海槽盆地新生代地层分为9个地层单元。同时采用地震线描的方法恢复各地层单元的沉积期形态(包括地层内幕结构和古地貌)。依据古地貌及地震相分析判别沉积环境，重建西沙海槽盆地新生代以来的沉积环境演变过程。

1.   区域地质背景

西沙海槽盆地位于南海北部陆坡区，西临琼东南盆地，东接双峰盆地，北靠珠江口盆地，南临西沙隆起区，水深200~3000m，盆地整体呈北东东走向，面积约2×10⁴km²。受断层控制，可划分为北部断阶带、西部断阶带、南部断阶带、东部斜坡带、北部斜坡、南部斜坡和中央凹陷带7个二级构造单元^[10](图 1)。

据地震反射特征推测，西沙海槽盆地的基底可能与琼东南盆地一致，主要为古生界变质岩和中生代中酸性花岗岩^[8]。在前新生界基底上，盆地经历了古新世-渐新世的断陷阶段、早中新世-中中新世拗陷阶段和晚中新世至今的区域沉降阶段。断陷阶段主要沉积了河流和湖泊相沉积，断陷晚期(渐新世)沉积了一套滨浅海相沉积。拗陷阶段，盆地进入热沉降阶段，主要沉积了一套浅海-半深海沉积。晚中新世至今，盆地处于半深海-深海环境，沉积了一套半深海-深海沉积^[8-11]。

新生代以来，南海北部主要发生了3次区域构造运动：(1)神狐运动，发生于中生代末至新生代早期，该阶段地壳主要为北西-南东方向的张裂，西沙海槽盆地在本阶段表现为张裂；(2)南海运动，发生在晚始新世-早渐新世，主要表现为南北方向的扩张活动，南海运动之后发生大规模海侵，西沙海槽盆地受海侵影响，水体变深；(3)东沙运动发生在中中新世末期，主要为区域挤压，西沙海槽盆地表现为热沉降^[14-22]。受这些区域构造运动影响，西沙海槽盆地构造演化经历了断陷(古新世-始新世)、拗陷(渐新世-中中新世)和区域沉降阶段(晚中新世至今)3个阶段^[8-11]。

2.   新生代地层划分与对比

通过对比西沙海槽盆地、琼东南盆地、珠江口盆地的地震地层反射特征，在西沙海槽盆地识别出T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、Tg共9个地震反射界面，地层自下而上依次发育古新统、始新统、下渐新统崖城组、上渐新统陵水组、下中新统三亚组、中中新统梅山组、上中新统黄流组、上新统莺歌海组和第四系乐东组(表 1)。

表  1  西沙海槽盆地地层划分(据文献[8]修改)

Table  1.  The stratigraphy of Xisha Trough Basin (modified after Zhong Guangjian, et al, 2012)

下载: 导出CSV 

| 显示表格

地震地层单元的划分与对比主要依靠两种方法：一是通过跨区地震测线，将琼东南盆地和珠江口盆地的解释界面追踪到西沙海槽盆地(图 1)；二是当地层不能直接追踪解释时，通过层序地层对比、不整合面识别、地层结构特征的相似性等进行地震反射界面的对比解释(图 2)。

图  2  A-A′测线地层对比解释结果(剖面来自广海局)

(a-未解释剖面，b-解释剖面)

Figure  2.  The interpretation of line A-A′ (A-A′ from Guangzhou Marine Geological Survey)

(a-section before interpretation; b-section after interpretation)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   沉积原型剖面恢复

3.1   原理与方法

西沙海槽盆地古近系受火山作用和断层破坏严重，新近系以来长期处于陆坡欠补偿沉积环境，在工作站中直接进行层拉平的方法不能很好地展示地层的内幕结构(即地层内部反射结构)，传统的地震相分析也只能粗略判定地震相特征。

地震线描法恢复沉积地层的原始沉积形态是一项手动的解释过程，以相分析和层序地层学为基础，不同的层序地层结构样式可以反映不同的沉积环境，通过地震相特征、地震反射终止关系、地层结构样式、沉积内幕结构等信息可以重建各沉积地层在沉积期末的原始沉积形态，反映盆地沉积环境演化过程^{[23, 24]}。

地震线描是通过对地震剖面上反射波同相轴空间排列组合方式的“描绘”，刻画复杂构造内部地层结构或层序地层单元的内部地层结构，以便揭示复杂的构造样式、层序地层内部地层的沉积序次、堆砌方式等^{[23, 24]}。地震线描最初用于构造样式描述，刻画复杂的构造样式，地震地层学诞生后，广泛用于层序内部结构和沉积体系特征的描述^[23]。地震线描大致分为两个步骤：首先通过分段线描，拼接去断层、旋转、去褶皱等手段，去除沉积期后的构造形变；然后根据地震反射标志及地震相特征判别古水深、古地貌等信息(图 3)。线描过程中，线条的粗细表示同相轴振幅的强弱，线条虚实表示同相轴的连续性，点线补齐被后期破坏的地层(图 3)。

图  3  沉积原型剖面恢复过程示意图

(a为陵水组沉积原型恢复成果，b为陵水组原始线描剖面)

Figure  3.  The recovery process of sedimentary prototype section

(a-the restored sedimentary prototype section of Lingshui Group; b-the original seismic profile)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

文中选取的地震剖面(A-A′)横跨西沙海槽盆地中部，北至神狐隆起，南至西沙隆起，无大的火山构造影响，地层发育完整，结构特征清晰(图 2)，剖面为抽3道显示，可反映地层真实沉积信息。线描过程中，几乎对每个同相轴进行描绘、解释、分析(图 3)。

3.2   地震相特征及沉积环境分析

通过对A-A′剖面进行地震线描，恢复出各地层单元的原始沉积形态，结合地震相特征，分析各时期地层的沉积环境。

(1) 古新统

古新世为西沙海槽盆地初始拉张期，火山活动十分强烈，主要发育火山岩相，局部发育河流-湖泊相沉积，主要有两种典型地震相：第1种为杂乱反射，内部错乱无序，一部分顶底关系均不清楚，多沿断层分布，为火山侵入岩，另一部分边界比较清晰，顶部局部可见上超与进积堆砌层系，为喷出岩；第2种为亚平行反射，虽埋藏较深且受后期构造活动而严重变形，但在火山岩相之间仍可见低频强振幅连续反射和弱振幅连续反射，推测为河流-湖泊相沉积(图 4、5)。

图  4  B-B′地震解释剖面

(展示等时地层框架内地层结构及相分布, B-B′是A-A′剖面的一部分)

Figure  4.  A partly interpreted seismic section (B-B′)

(showing the stratigraphic framework and facies distribution in a isochronous stratigraphic framework)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  5  地震相类型

Figure  5.  The type of seismic facies in Xisha Trough Basin

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(2) 始新统

始新世为盆地的强烈裂陷期，沉积作用受断层控制强烈，主要发育两种典型地震相：一种为平行-亚平行反射地震相，连续性较好、中等频率、振幅无明显差异，为断陷湖盆沉积；另一种为杂乱反射，多沿断层展布，是火山岩沿断层侵入的结果(图 5)。在盆地边缘可识别出一系列上超沉积，局部可见前积反射层(图 4、5)。

(3) 崖城组

该时期断层活动减弱，地震反射特征显示地层分上、下两套：下部为中频、连续、弱振幅且振幅差异小的平行-亚平行反射；上部为高频、连续、弱-中振幅平行-亚平行反射(图 5)。沉积原型剖面结果显示崖城组顶面为明显的不整合面(图 4、5)。

(4) 陵水组

南海扩张(T7)结束之后，整个南海北部陆坡区发生大规模海侵，海水间歇性覆盖北部隆起区。沉积原型剖面结果显示，陵水组地层连续性好，下部地层仍受断层影响，上部地层不受断层影响，主要为平行-亚平行反射，同相轴光滑连续。盆地两侧边缘地震相呈短轴强振幅反射，为粗碎屑沉积，呈持续退覆上超。盆地边缘为滨海沉积环境，向中央逐渐过渡为浅海半深海沉积环境(图 4-6)。

图  6  西沙海槽盆地沉积原型剖面(A-A′剖面)

Figure  6.  The sedimentary prototupe profile of Xisha Trough Basin (section A-A′)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(5) 三亚组

三亚组沉积时期，盆地地震相和沉积环境发生了很大变化。三亚组下部主要为低频较连续弱振幅反射，为深水泥质沉积；上部表现为弱振幅背景的丘状短轴不连续反射(图 5)。沉积原型剖面结果显示本阶段盆地快速下沉，剖面南缘地形陡峭，水深快速增加，北侧物源充足，地层持续上超，在沉积期末，坡折带已见雏形。该时期西沙隆起开始沉降，海水开始覆盖西沙地块，盆地边缘为滨浅海沉积环境，向盆地方向水深急剧增加，有明显滑塌沉积，逐渐过渡为半深海、深海环境(图 4-6)。

(6) 梅山组

盆内梅山组整体表现为弱振幅背景的丘状短轴不连续反射，在盆地边缘水深快速增加，有明显滑塌(图 5)。受海平面上升影响，神狐隆起区被海水覆盖，来自华南大陆的物源主要沉积在陆架区，神狐隆起区处于外陆棚位置，沉积物难以抵达。同时西沙隆起沉降至水下，但水深尚浅，发育大量礁体。盆地内梅山组地层被中央水道侵蚀，中央主水道开始形成。梅山组沉积时期，盆地基本全部处于半深海-深海沉积环境(图 4-6)。

(7) 黄流组

黄流组地震反射特征与梅山组相似(图 5)。与梅山组沉积期相比神狐隆起区水深有所变浅，有碳酸盐沉积，而西沙地块在本时期水深开始增加。在西沙海槽盆地北缘发育有大量侵蚀沟谷，中央水道侵蚀作用加强，中央水道附近同时发育许多小规模的水道(图 4)。黄流组时期，盆地为半深海-深海沉积环境(图 6)。

(8) 莺歌海组-第四系

莺歌海组-第四系地震反射特征主要为高频层状连续弱振幅反射，为深海沉积(图 5)。神狐隆起区为外陆棚泥岩沉积，西沙隆起区则快速沉降为半深海-深海环境(图 4、5)。

4.   讨论

4.1   新生代沉积环境演化

通过恢复西沙海槽盆地地层沉积原型，结合前人的研究成果，将西沙海槽盆地的沉积环境演化归纳为3个阶段：古新世-始新世为陆相沉积，主要为河流-湖泊沉积环境；早渐新世-早中新世呈海峡地貌，沉积环境由滨-浅海过渡到半深海环境；中中新世以来盆地进入陆坡海槽发育阶段，为半深海-深海沉积环境。

(1) 陆相沉积阶段(古新世-始新世)

古新世时期为西沙海槽盆地初始裂陷期，火山活动十分强烈，主要发育火山岩相，局部发育河流-湖泊相沉积。始新世为断陷湖盆发育鼎盛阶段，沉积受断层控制，地层厚度差异大，以湖相沉积为主(图 6)。

(2) 海峡地貌阶段(早渐新世-早中新世)

本阶段盆地中沉积了下渐新统崖城组、上渐新统陵水组和下中新统三亚组。盆地北部的神狐隆起区和南部的西沙隆起区未被海水完全覆盖，东边与之相邻的西北次盆开始发育海盆，西边的琼东南盆地从崖城组沉积期开始海侵，西沙海槽盆地演变为一分割南海北部陆架和西沙地块古陆、贯通琼东南盆地和西北次盆的海峡，沉积环境由滨-浅海过渡到半深海环境(图 6)。

(3) 海槽阶段(中中新世至今)

中中新世至今依次沉积了梅山组、黄流组、莺歌海组和第四系。梅山组时期开始，盆地北缘的陆坡已经完全形成，西沙隆起区也沉降至水下，海槽地貌形成。梅山组沉积期，中央水道开始形成，至黄流组沉积期中央水道完全形成。中中新世开始，盆地进入陆坡海槽发育阶段，晚中新世以后演变为一个陆坡内深水海槽，为海流和浊流通道，整体处于半深海-深海沉积环境(图 6)。

4.2   沉积环境演化历史

西沙海槽盆地位于南海北部陆坡深水区，其沉积环境演化过程对研究南海海盆扩张、演化历史有重要意义。本文采用地震线描的方法，恢复各沉积期末的原始形态，认为西沙海槽盆地的沉积环境演化分别经历了早期的陆相河湖相沉积、中期的滨浅海相沉积与后期的半深海-深海沉积，这一点与前人的研究基本一致。与以前的研究相比，本文重点突出了地层内幕结构，相比以前粗略传统地震相分析，更为精细地揭示了西沙海槽盆地相带变化及沉积环境的演化历史。

(1) 海侵时间

通过古生物的综合分析，琼东南盆地崖城组时期为局限滨海-浅海环境，南海北部白云深水区在晚始新世即出现滨浅海相沉积环境^[25-29]。根据地震反射特征、沉积原型恢复结果及从地理位置(西沙海槽盆地作为海水从东边进入琼东南盆地的通道)综合判断，西沙海槽盆地崖城组沉积期开始海侵。

(2) 环境变化与南海重要构造事件的对应性

初始张裂与神狐运动相对应，初始海侵与西北次海盆的初始扩张相对应，陆坡环境形成与中中新世南海海盆停止扩张、南海北部陆坡进入热沉降阶段相对应，中央水道形成与中中新世全球海平面下降事件对应。

(3) 梅山组和黄流组地震反射特征成因

梅山组和黄流组在全盆内几乎都表现为杂乱反射，与其上下连续的地层有明显差异，形成原因可能有：1)本阶段区内沉积受火山作用影响；2)区内沉降速率快，沉积环境不稳定，发育大量深水扇；3)本阶段的地震反射特征与龟裂断层的切割有关；4)本阶段是中央峡谷水道形成时期，沉积物主要是来自中央峡谷水道搬运快速堆积。具体成因还有待进一步研究。

5.   结论

(1) 西沙海槽盆地作为一个新生代沉积盆地，新生代以来发育9个地层单元：古新统、始新统、崖城组、陵水组、三亚组、梅山组、黄流组、莺歌海组和第四系。

(2) 西沙海槽盆地的沉积环境演化可分为3个阶段：古新世-始新世为陆相沉积阶段，主要为河流和湖泊沉积；渐新世-早中新世初，演变为一分割南海北部陆架和西沙地块古陆、贯通琼东南盆地和西北次海盆的海峡，沉积环境由滨-浅海过渡到半深海环境；中中新世以来盆地进入陆坡海槽发育阶段，晚中新世中央水道形成，演变为一个陆坡内深水海槽，为海流和浊流通道，整体处于半深海-深海沉积环境。

(3) 西沙海槽盆地古近系巨厚的湖相和海相泥岩为潜在的烃源岩，渐新统发育的滨浅海砂体、三角洲、水下扇及后期发育的深水扇等砂体可作为良好的油气储层，中新统之上的海相泥岩可作为区域性盖层，具备较好的油气生成、聚集及保存条件，是一个潜在的含油气盆地。