Sedimentary records and paleo-environmental evolution of core LYK in northern Jiangsu province for a thousand of year.
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摘要: 对废黄河水下三角洲北翼LYK钻孔微体生物群的分布特征及属种组合进行研究，共鉴定底栖有孔虫50属67种，介形类30属46种，运用Q型聚类分析，将钻孔内底栖有孔虫划分为5个组合，并结合AMS14C测年结果和沉积物粒度特征，恢复了研究区域千年以来的沉积环境演化：在黄河流入前，研究区发育粒度较细、分选较好的陆架沉积，微体生物群组合接近正常海相；在黄河夺淮入海后，研究区开始接受巨量的粗颗粒沉积物，分选变差，出现了大量近岸半咸水属种的有孔虫和介形虫，沉积环境从典型的浅海向三角洲前缘演变；直到黄河北归后，大量泥沙供给断绝，在波浪和潮流的共同作用下，研究区经历了侵蚀和再沉积过程，沉积物砂泥比升高，微体生物群丰度和分异度急剧下降，广盐类微体生物群增加；随着侵蚀中心逐渐南移，研究区动力条件趋于稳定，前期形成的侵蚀洼地逐渐接受径流和潮流的双向沉积，出现大量浮游有孔虫等异地分子；近年来，伴随波浪和潮汐的改造加工，研究区逐渐形成了趋于平缓的夷平面，由动荡的滨岸逐渐过渡到现今稳定的浅海相沉积环境。Abstract: Quantitative study of micropaleontology is carried out for the core LYK drilled at the northern part of the abandoned Yellow River delta. 106 benthic foraminiferal species of 68 genera and 46 ostracod species of 30 genera are discovered. By Q-mode hierarchical cluster analysis, the foraminifera found can be divided into five assemblages. AMS14C dating and grain size data are adopted to reconstruct the environmental evolution over the past millennia. The results suggest that the study area was dominated by fine-grained and well-sorted shelf sediments and the microbiota assemblage was close to normal marine facies before the Yellow River poured into the sea. The study area started receiving enormous coarse-grained sediments with worse sorting after the Yellow River seized the Huaihe river channel and entered the sea. There appeared a large number of foraminifers and ostracods of nearshore brackish water genus, and the sedimentary environment was changed from a typical shallow sea to a delta-front. Once the Yellow River moved to the north, large sediment supply was cut off. Under the joint action of waves and tidal currents, the study area was suffered from erosion and redeposition, and the sand/mud ratio was thus increased. The abundance and diversity of microbiota declined sharply, while the wide salinity microbiota increased. With the gradual southward movement of the erosional center, the dynamic conditions of the study area became stabilized. The erosional depressions formed in the early stage gradually accepted sediments from both the runoff and tidal current, and a large number of floating foraminifers and off-site molecules appeared. In recent years, along with the reworking of waves and tides, the study area gradually becomes flatter and changes from a turbulent shoreline to a stable shallow sea.
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Keywords:
- the abandoned Yellow River delta /
- grain size analysis /
- foraminifera /
- ostracod /
- paleo-environment
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生长断层是指在沉积物输入堆积过程中伴随断裂的连续或幕式活动，又称同生断层或同沉积断层。从1930年美国石油学家在墨西哥湾沿岸地区首次辨认出一种两盘相当层落差随深度增加而增大的断层，到1981年，Bally A W定性讨论了生长断层在不同的构造背景中的几何形态、组合样式和形成机制等并细化“犁型断层”术语，再到目前通过生长指数、断层落差、断层活动速率、位移-长度关系分析法等多种定量方法综合研究生长断层活动演化特征，以揭示更多、更全面的地质和油气信息，这是盆地科学问题研究和资源勘探开发的发展趋势[1-7]。
而针对东海陆架盆地生长断层的研究，前人也做了一定的工作，赵峰梅和李三忠等用平衡剖面技术通过计算凹陷盆地伸展率和压缩率定量探讨了东海新生代生长断层活动对盆地发育的差异控制作用[8]；张绍亮分析了东海西湖凹陷断裂样式存在南北差异的成因机制和演化模式[9]；秘从永详细揭示了东海西湖凹陷中央反转带和平湖斜坡带断裂几何学和运动学特征[10]；张国华讨论了东海陆架盆地内新生代地层中受“下正上逆”生长断层控制的同生反转构造特征[11]。
尽管前人对东海陆架盆地新生代生长断层取得了一定的成果和认识，但仍存在地区和时空局限性，尤其对本文东海陆架南部研究区缺少关注，一些科学问题仍存在不同的理解或者争议，这其中就包括晚中生代到新生代成盆早期形成的大量生长断层下切深度及对早期盆地演化控制作用和燕山期火山岩基底分布的耦合关系等[12-15]。由于生产的需要，对东海陆架盆地的地质与地球物理调查主要以新生界为目的层，由于东海陆架盆地新生界地层的巨厚沉积(最厚超过10000m)和地震采集处理技术的限制，目前得到的地震剖面资料中生界地层反射品质较差，难以准确地解释东海陆架中生界盆地性质、范围、沉积特征和构造演化，晚古生代变质岩基底是否存在等问题更难以解释。目前少量涉及中生界的构造解释主要是基于重磁反演得到的，也仍拘泥于新生界所建立的构造格局中。因此，东海陆架盆地构造几何学、运动学、动力学特征仍需要进一步深入研究，尤其是在新生界巨厚沉积之下有可能也存在巨大的资源潜力[12, 14]，这对我国经济的可持续发展将会带来巨大的推动力。
1. 地质背景
东海陆架盆地南部研究区位于钓鱼岛隆褶带和浙闽隆起区之间，南部与台湾岛、钓鱼岛接壤，北北东走向延伸，是中国近海重要的含油气盆地，以新生代沉积地层为主，最大沉积厚度超过14000m。东海陆架盆地是发育于克拉通基底之上的中、新生代箕状充填盆地，属于西太平洋弧后构造域体系[12-17]，受弧后拉张应力作用和盆地持续沉降作用发育大量生长断层，本文研究主要针对东海陆架盆地南部，包括椒江-丽水凹陷、福州凹陷和钓北凹陷(图 1)。
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我国自20世纪60年代以来在东海勘探和研究中投入了大量的人力和物力[10, 11]，其中钻探井就已超过70余口，对东海陆架新生代沉积盆地的地质特征和含油气性有了较全面的了解和认识，对以新生代沉积为主的东海陆架盆地的形成时代、盆地类型和结构、成因机制和演化历史进行了深入的研究，其中周志武和王国纯对东海陆架盆地的形成演化分别提出了单剪[16]和弧后盆地模式[17]；金翔龙通过重、磁资料解释对东海宏观构造格架进行研究[18]；李培廉综合地质和地球物理资料分析东海陆架盆地基底分布元古界片麻岩和一定范围的中生界及古生界[19]；武法东认为东海陆架盆地属于大陆边缘裂陷盆地，发育大量北东向张性断层[20]；冯晓杰论述了东海陆架盆地弧后拉张形成演化模式及太平洋板块俯冲的主控作用，并认为早期裂陷断陷期形成的生长断层中新世反转使西湖凹陷在该时期成为双断型断坳[21]；李家彪对边缘海盆地-冲绳海槽的动力学、岩石圈尺度的深层结构和表层沉积特征及沉积动力、浅层地层和古环境记录进行了研究[22, 23]。本文根据前人研究成果总结归纳了东海陆架盆地新生代地层表(表 1)。
2. 数据资料
本文利用钻探井标定的二维地震资料(图 2联合解释剖面及位置)，通过精细构造解释对东海陆架盆地南部地区的生长断层特征进行了研究，首先根据地震解释层位数据绘制等T0反射层平面图，在综合各等T0图基础上追踪识别出东海陆架盆地南部地区18条生长断层并绘制断裂平面分布图(图 2)，主要统计了生长断层的断层性质和几何要素特征，包括断层走向、倾向、断层落差、最大落差层位、活动起止时间、下切地层和断裂级别。
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图 2 东海陆架盆地南部地区生长断层分布图(a)及联合解释剖面(b) (L16和L12)Figure 2. Growth fault distribution in southern East China Sea Shelf Basin and an interpreted seismic profile (L16 and L12)3. 结果
3.1 断裂要素及平面分布特征
本文共统计了18条主要生长断层(图 2)，并根据断裂对研究区各级构造单元控制作用和纵向切穿地层情况，将其划分为一级控盆断裂、二级控凹断裂、三级控带断裂和盖层断裂(表 2)。
表 2 生长断层断裂要素统计Table 2. Characteristics of some growth faults断层名称 性质 走向 倾向 最大落差/m 最大落差层位 起止时间 下切地层 断裂级别 F1 正 NE NW 332 E1 K—E2 中生界 三级 F2 正 NE NW 1244 E1 K—N1 中生界 二级 F3 正 NE—NEE NW—NNW 1692 E1 K—N2 中生界 二级 F4 正 NNE NWW 24 E1 K—E2 中生界 三级 F5 正 NNE NWW 732 E1 K—N2 中生界 三级 F6 正 NEE NNW 204 E2—E3 K—N1 中生界 三级 F7 正 NNE SEE 296 E1 K—N1 中生界 二级 F8 正 NEE NNW 140 E1 K—E2 中生界 三级 F9 正 NE NW 76 E1 K—E2 中生界 三级 F10 正 NE SE 128 E1 K—N1 中生界 二级 F11 正 NE SE 108 E2 K—N1 中生界 三级 F12 正 NNE SEE 208 E2 K—N1 中生界 三级 F13 正 NNE SEE 136 E3 K—N1 中生界 三级 F14 正 NNE—NE NWW—NW 312 E2 K—N1 中生界 三级 F15 正 NEE SSE 30 E3 E2—N1 始新统 盖层 F16 正 NEE—NE NNW—NW 180 E2 K—N2 中生界 三级 F17 正 NE NW 2392 E1—E3 K—N2 中生界 一级 F18 正 NNE NWW 3016 E1—E3 K—N2 中生界 一级 由断裂分布图可看出，研究区东海陆架盆地南部地区的断裂以NE、NNE向延伸为主，少数NEE方向。
(1) NE、NNE向断裂:此组断裂在区内分布范围最广，对凹陷内区域构造的分带性和沉积规模起着控制作用。从断裂分级来看，两条一级控盆大断裂F17和F18，直接限定了研究区东部边界，二级控凹断裂如F2和F3限定了研究区二级构造单元丽水凹陷的东部边界，更小规模的凹陷内三级控带断裂如F4对福州凹陷内中部沉积起控制作用。
(2) NEE向断裂:此组断裂主要分布在研究区二级凹陷内部，如福州凹陷，F6和F8断裂为NEE向，在东海陆架盆地南部边缘地区，F16断层的西南段也为NEE向。
3.2 断裂组合样式
通过地震剖面，本文识别出东海陆架盆地南部研究区内的主干生长断层和次级小型断层组合而成的多种断裂组合样式，包括阶梯状组合断层带、“Y”型组合断层、多米诺式断层带和地堑、地垒构造组合样式。
(1) 阶梯状组合断层带:断层在主测线剖面上呈阶梯状样式，从缓坡带向盆地凹陷中心方向依次叠置分布，构成一系列类似台阶形态的断阶带。这类断层通常分布于盆地缓坡区的浅部地层中，向下未断穿基底，其形成原因主要是受盆地沉降过程中缓坡区翘升产生的滑脱拉张等作用控制。如图 3所示为东海陆架盆地南部生长断层形成的阶梯状断层组合。
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图 3 东海陆架盆地南部区域阶梯状断层样式(L12)Figure 3. A steplike fault in southern East China Sea Shelf Basin(2)“Y”型断层:主断层与反向倾斜的次级断层组合为Y型。“Y”型断裂组合样式，向下断穿下部沉积层的通常为长期发育且规模较大的主断层，一般为控盆或控带断裂，而在地层凹陷侧浅部层段常伴生发育次级断层(图 4)，两者通常相交呈“Y”字形。
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图 4 东海陆架盆地钓北凹陷“Y”型断层样式(L8)Figure 4. A 'Y' type fault in Diaobei Sag of the southern East China Sea Shelf Basin(3) 多米诺式断层带:在剖面上倾向一致或近似一致而平面上走向相互平行或近似平行的一系列断裂组成多米诺构造样式。如图 5所示为雁荡低凸起中的多米诺式断层组合。
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图 5 东海陆架盆地丽水凹陷多米诺断层样式(L25-a)Figure 5. Domino fault pattern in Lishui sag of the East China Sea Shelf Basin(4) 地堑、地垒:断层倾向相对构成地堑，倾向相背构成地垒，同时在平面上断裂走向基本一致。而断裂控制的地垒、地堑交替出现，也形成了形态各异的组合样式。东海陆架盆地南部可以找到具有代表性的组合:①同向倾斜的主断层控制的半地堑-半地垒组合(图 6)；②背向倾斜的半地堑-地垒组合(图 7)。
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图 6 东海陆架盆地南部同向倾斜半地堑-半地垒样式(L26)Figure 6. Synthetic oblique half graben-half horst pattern in southern East China Sea Shelf Basin![]()
图 7 东海陆架盆地南部背向倾斜半地堑-地垒样式(L23)Figure 7. A tilt half graben-horst structure in southern East China Sea Shelf Basin3.3 断层时空迁移规律
3.3.1 断层生长指数分析
断层生长指数是同一地质历史时期下降盘沉积层厚度与上升盘沉积层厚度的比值，即断层生长指数=下降盘沉积层厚度∕上升盘沉积层厚度，其值越大，表示断裂在相应时期活动越强烈[7, 29-31]，可根据比较生长指数之间的相对数值大小从空间和时间上分析断层活动周期和运动迁移规律，并划分断裂的级别。
通过对东海陆架盆地南部地区的10条主干断裂的生长指数进行分析(图 8)，发现研究区生长断层在古近纪活动强度具有自西向东逐渐递减趋势，同时区内断层活动期次自西向东逐渐变新，整个研究区内生长断层在古近纪盆地裂陷—断陷期活动强度最大，中新世断裂活动趋于稳定。
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图 8 研究区断层(自西向东)生长指数折线图Figure 8. The fault growth index line in the study area (from west to east)(1) 纵向上，东海陆架盆地南部区域从古新统(E1)各地层到中新统(N1)各地层沉积时期，各断层生长指数整体呈下降趋势，研究区古新统(E1)地层沉积时期的生长指数显著高于别的阶段, 说明东海陆架南部研究区在古近纪构造活动强烈，中新世以后趋于平静。
(2) 横向上，断层生长指数大致呈自西向东逐渐变小的趋势，说明在古近纪西部断层活动比东部断层活动强烈。F16断裂向上切穿了中新统(N1)，说明中新世时研究区东部凹陷带内(钓北凹陷)断层仍在活动，西部凹陷带断层活动可能已经停止，反映了东海陆架研究区新生代构造活动具有分带性，研究区东部构造活动相对于西部在时间上具有滞后的特征。
3.3.2 断层落差
断层落差是在垂直断层走向的剖面上，两盘对应层(或对应点)之间的铅直距离。生长断层落差反映了断层两盘的下降幅度差及沉积充填和隆升剥蚀相对速率等地质信息。生长断层的活动具有连续或幕式特征，研究其演化活动史需要对比计算各地质时期的古落差[7, 29-36]。
某时期生长断层的古落差=该时期上盘沉积层厚度—该时期下盘沉积层厚度(图 9)。
(1) 东海陆架盆地一级控盆大断裂
F17和F18断层属于东海陆架盆地南部的东部边界，断层规模大，延伸长，剖面上显示向下切穿T50反射层，是控制东海陆架南部地区的一级边界大断裂。其中F17断层对应凌云大断裂，F18断层呈“S”型弯曲延伸，对应于西湖基隆大断裂南段。两条断层的下降盘的派生断层多与主断层相交，上升盘地层被剥蚀，在地震反射界面上仅解释出T10、T20和T50反射界面，说明始新统完全被剥蚀，古新统和渐新统部分被剥蚀。
F17和F18断层走向为北东到北北东向，倾向为北西到北西西向，F17断层古近系断距最大达2392m，F18断层古近系断距最大达3016m(图 10)，这两条断层基本限定了整个钓北凹陷的东部边界。通过断层落差图分析，古近系沉积时期活动最强烈，且F18断层古近纪时期断层落差明显大于F17断层，说明古近纪时期盆地北部活动强于南部地区；而在中新世时期，F17断层落差大于F18断层落差，此时盆地南部活动强于北部地区，说明盆地活动中心有自北向南迁移的趋势。两条边界断层活动性总体来看中新世以后急剧减弱。对F17和F18两条边界断层计算断层古落差时，由于下盘受潮汐水流、波浪、海水化学作用等海洋地质营力因素和岩石抗风化强度、盆地边缘抬升速率等作用形成风化剥蚀，缺失部分地层，下盘剥蚀厚度无法准确得知，只能根据上盘沉积厚度或基于测井数据的波动方程理论进行推算，因此对于边界生长断层活动性定量研究存在误差。
(2) 二级控凹断裂
F2和F3断层属于丽水凹陷东部二级控凹分界断裂。F2断层位于丽水凹陷南次凹，主要分割丽水南次凹与雁荡凸起南部，该断层古新世时期断层活动强度最大，其次是始新世时期和渐新世时期，而从平面上来说古新世断裂南段活动略强，始新世和渐新世阶段断裂北段活动略强；F3断裂属于丽水凹陷西次凹和雁荡凸起北部的二级控凹断裂，古新世时期断层活动最为强烈，而从平面上来说古新统沉积期研究区内南侧活动强烈，始新统和渐新统沉积时期中部活动性较强，到了中新世阶段该断裂活动强度明显削弱。
F7和F10断层位于钓北凹陷的西部边界，西侧为鱼山南低凸起，是钓北凹陷西部边界二级控凹断裂。其中F7断层走向为北北东向，倾向南西西，断层较为平直；F10断层东南倾呈弧形展布，走向北东东到北东。两条断层基本限定了整个钓北凹陷的西部边界，断裂活动持续时期较长，各时期活动强度存在差异，从断层落差图(图 11)来看两条断层古新世时期活动强度最大，始新世和渐新世时期断层活动强度次之，且古近纪后期南部F10断层落差相对于F7断层有增加，反映构造活动向南迁移的趋势。
(3) 三级控带断层
F6、F8和F9断层位于福州凹陷的中部，这3条断层自北向南呈雁列状右行分布。走向为北东向或北北东向，倾向均为北西向，限制福州凹陷中部区域的构造特征和沉积物充填活动。F6断层活动持续时间比F8和F9长，从白垩纪延续到中新世；根据3条断层落差(图 12)，古新世时期，F6断层活动强度最大，断层活动期和断层落差反映了福州凹陷内部构造活动具有从南向北迁移的特征。
F12和F14断层位于钓北凹陷北部地区，F12断层走向为北北东向，倾向南东东，F14断层南段走向北北东，北段走向北东，呈弧形展布，倾向为北西西到北西，古新世时期构造活动稍弱，始新世和渐新世时期活动增强(图 13)。F11和F16断层位于钓北凹陷南部，均呈弧形展布，平面延伸较长，F11断层走向北东，倾向南东，古新世和始新世时期最为强烈；F16断层走向北东东到北东，倾向北北西到北西，断裂连续活动时期较长，向上切穿T10反射界面，活动时期自白垩纪持续到上新世，活动强度各时期具有差异性，始新世时期断层落差最大，古新世次之。断层活动持续时间和断层落差反映了钓北凹陷内部构造活动同样具有从南向北迁移特征。
3.3.3 两种研究方法优缺点分析
本文利用断裂生长指数分析法和断层落差法反映了东海陆架南部研究区发育断层的特征。两种方法本身都有其优缺点，生长指数分析法是第一种经典定量对比分析生长断层相对活动特征的方法，但生长指数在研究盆地边界断层或控带断层时，可能会由于上升盘相对抬升剥蚀或沉积层厚度巨薄，使得计算断层生长指数的数值非常大，并且生长指数是一个无量纲值，不容易看出地质含义；断层落差法不受断层下盘抬升遭受剥蚀的影响，地质意义清楚，但受断层产状影响突出且不能反映地质时间概念。因此，本文同时采用两种研究方法进行对比研究，可以取长补短，更客观地反映东海陆架盆地南部地区生长断层的横向跃迁趋势和纵向演化特征。
4. 生长断层区域动力学成因
结合大地构造背景和区域联合剖面(图 2)对东海陆架盆地南部地区恢复晚中生代到新生代盆地发育演化模式(图 14)，从晚中生代开始，太平洋板块西缘与亚欧板块碰撞向下俯冲，且太平洋板块俯冲位置在新生代以来大规模向东后撤[17, 21]，同时，与印度板块向亚欧板块持续俯冲在亚欧板块东部边缘(如东海陆架盆地)产生的向东蠕散效应[37, 38]形成联合作用，造成研究区应力场以NW—SE向拉张为主，使东海陆架在新生代以来快速伸展扩张，这种区域应力强度在晚中生代到渐新世时期明显大于中新世以后，因此东海陆架盆地南部研究区新生代下部构造层发育大量的近NE—SW向生长正断层，而一级控盆断层和二级控凹断层在中新世以后持续活动, 进一步促进了研究区“东西分带”构造格局形成。
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图 14 东海陆架盆地南部地区发育演化模式图Figure 14. Evolution model of the southern East China sea shelf basin5. 结论
(1) 东海陆架盆地南部研究区主要以雁形排列的NE—NNE向断裂体系为主，断层性质为生长正断层，走向与区域构造应力场近似垂直；(2)研究区内识别出阶梯状组合断层带、“Y”字型组合断层、多米诺式断层带、地堑、地垒等多种断裂组合样式；(3)断裂活动在时空上具有“自西向东，自南向北”迁移的趋势，区内西部坳陷带断裂发育较早，主要控制晚中生代—古新世地层，东部坳陷带断裂发育稍晚，控制始新世—中新世地层沉积；(4)研究区内不同级别生长断层对东海陆架盆地和各次级构造单元的形成和演化控制作用不同，可以说断裂活动是东海陆架盆地南部研究区中、新生代构造运动的主要表现形式。(5)在地震剖面上可见T50反射面之下存在一些断续层状反射特征，一、二、三级断层均向下切穿T50反射面，推测东海南部海相中生界地层保存相对完整，可能存在巨大的资源潜力。
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图 2 LYK钻孔粒度参数垂向变化
Figure 2. Vertical variation of grain-size parameters of the core LYK
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图 4 LYK孔微体古生物特征及特征属种变化
Figure 4. Distribution of micropaleontology assemblages and special species in the core LYK
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图 5 废黄河三角洲LYK钻孔综合参数及沉积环境恢复
Figure 5. Palaeoenvironmental parameters and evolution of the abandoned Yellow River delta from core LYK
表 1 LYK站位壳类AMS14C测年结果
Table 1 AMS14C dating of core LYK
实验室编号 深度/cm 测年材料 直接测定值 常规年龄/aBP 日历年龄/AD Beta-493151 1060～1064 贝壳 670±30 1100±30 1219±170 Beta-493152 1206～1210 贝壳 180±30 580±30 1649±158 Beta-493153 1830～1834 贝壳 440±30 800±30 1485±165 Beta-493154 1956～1960 贝壳 890±30 1320±30 1010±195 
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