Geological Characteristics and Tectonic Settings of Mesozoic Continental Margin Magmatic Arc in Pearl River Mouth Basin
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摘要: 明确珠江口盆地中生代陆缘岩浆弧特征及构造演化过程对于古潜山勘探至关重要.综合构造学、岩石学、年代学、地球化学与地球物理学现有成果，认为珠江口盆地基底主要为燕山期岩浆杂岩，以中酸性侵入岩为主，中生代岩浆活动以105~165 Ma最为强烈，发育了NE-NEE走向和NW-NWW走向两组中生代断裂.区域构造研究表明中生代期间，珠江口盆地处于古太平洋板片俯冲作用控制的陆缘岩浆弧构造环境，岩浆岩具有流体活动元素富集、Ta-Nb-Ti亏损的特征，形成复合火山岩-侵入岩“双层”岩性组合.重建了珠江口盆地中生代陆缘岩浆弧5个阶段的形成演化过程，揭示了珠江口盆地古潜山的成山背景.Abstract: The characteristics and tectonic evolution of Mesozoic continental margin magmatic arc are crucial to the buried hill exploration and research in Pearl River Mouth Basin. By integrating studies of structural geology, petrology, geochronology, geochemistry and geophysics, it is confirmed that the basement is mainly Yanshan period complex, the lithology is mostly intermediate-acidic igneous and the most intense magmatic event is between 105-165 Ma. Regional tectonic studies suggest that during Mesozoic period, Pearl River Mouth Basin was in the margin magmatic arc environment caused by the subducted paleo-Pacific Ocean Plate. The magmatic rocks are enriched with fluid-indication elements and depleted in Ta-Nb-Ti. "Double layers" of composite volcanic rocks and deep igneous rocks developed. This study has reconstructed five episodes of formation and tectonic evolution of Mesozoic continental margin volcanic arc in Pearl River Mouth Basin, and revealed the orogenic foundation of buried hills in Pearl River Mouth Basin.
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0. 引言
随着珠江口盆地古潜山油气勘探取得历史性突破（田立新等, 2020a, 2020b），珠江口盆地中生代区域构造背景及地质特征研究受到广泛重视. 晚中生代是古太平洋板块汇聚东亚大陆的重要时期（Engebretson et al., 1985；Isozaki et al., 2010；李三忠等，2018；栾锡武等，2021；Xing et al., 2021），岩浆活动是华南（包括南海北部大陆边缘）中生代最显著的地质事件，岩浆岩出露约2.4×105 km2，面积约占39%（Zhou and Li, 2000；Li and Li, 2007；Zhu et al., 2021）. 珠江口盆地与已发现高产基岩（火成岩）油气藏的越南南部陆架盆地（白虎油田）有着相似的大地构造背景与形成演化史、相同的烃源岩系（李平鲁等, 1998, 1999），因此，珠江口盆地基底形成的区域背景及构造演化研究，是认识南海中生界弧‒盆结构、盆地原型的关键步骤和评价本区古潜山油气勘探潜力的重要环节. 前人对华南中生代岩浆岩活动做过大量研究，形成了多种构造模式，包括平板俯冲模式（Li and Li, 2007；Li et al., 2012）、板片拆沉模式（Wang et al., 2003）、俯冲角度增大模式（Zhou and Li, 2000）、多期伸展‒挤压模式（Jiang et al., 2015；Chu et al., 2019）、沟‒弧‒盆体系（Xu et al., 2016, 2017；Cui et al., 2021）等. 但是，由于海域基底样品数据较少，前人的研究往往集中在华南陆上，导致珠江口盆地基底构造、成山过程及岩浆活动的研究不够深入，阻碍了对本地区古潜山勘探潜力的评价. 已有的勘探实践表明，珠江口盆地古潜山地质构造及其演化非常复杂，惠州26⁃6呈现出岩性多样、岩浆活动多期、构造属性复杂等难题（田立新等，2020a）；亟需通过研究潜山基础地质，尤其是研究古潜山的成岩、成山过程及构造演化特征来解决.
本文在大量基底岩石样品测试分析的基础上，应用构造学、岩石学、年代学、地球化学与地球物理学现有成果和数据，对珠江口盆地基底开展岩浆活动、先存构造、区域构造背景及演化特征等方面的综合研究. 在明确岩浆活动期次、范围和特征的基础上，分析了中生代断裂类型、分布及成因机制，落实了珠江口盆地古潜山形成的区域构造背景及构造演化过程，有助于认识珠江口盆地古潜山的成山过程，并为评价古潜山的勘探潜力提供重要基础.
1. 地质背景
珠江口盆地位于南海北部海南岛和台湾岛之间的陆架和陆坡部位，呈NE⁃NEE向展布，面积达2.6×105 km2，自北向南盆地呈“三隆三坳”特征（施和生等，2017）. 珠江口盆地及邻区中生代位于西太平洋与特提斯两大构造域交接部位，新生代以来又经历多期构造运动改造，具有复杂而独特的地质演化过程（李平鲁等，1999；钟广见等，2011；易海等，2012；张成晨等，2019）. 前人研究指出南海陆缘广泛残留晚中生界（钟广见等，2011；Xu et al., 2013），属于弧前盆地沉积，具有良好的油气勘探前景. 并且珠江口盆地侏罗纪‒白垩纪的岩浆弧花岗岩记录（Xu et al., 2016, 2017），明显不同于华南同时代高分异I型或A型花岗岩，与Palawan俯冲杂岩（Wakita，2000）、华南板内岩浆岩（李献华等，2007）一道构成了东亚晚中生代（165~100 Ma）大陆边缘的“沟‒弧‒弧后伸展”模式（图 1）.
图 1 珠江口盆地前新生代基底岩性单元分布Fig. 1. Lithology of pre-cenozoic basement in Pearl River Mouth Basin2. 陆缘岩浆弧地质特征
2.1 岩性特征
珠江口盆地约有150口井钻遇基底，分布在盆地各个构造单元，基底岩性种类多样，涵盖岩浆岩、变质岩和沉积岩三大岩类（图 2），岩性主要由花岗岩、花岗闪长岩和二长花岗岩等中酸性侵入岩组成（图 3），含少量火山岩、火山碎屑岩和变质岩. 录井、岩石鉴定和硅碱组分分析结果显示，侵入岩类包括酸性侵入岩、中性侵入岩、基性侵入岩和碱性侵入岩（图 3）；火山岩包括酸性火山岩、中性火山岩、基性火山岩、碱性火山岩；沉积岩包括砾岩、砂岩、泥岩、石灰岩和硅质岩；变质岩包括变质砾岩、变质砂岩、片岩、片麻岩、动力变质岩. 比如B13b井基底为块状构造的花岗岩，主要矿物有钾长石（43.5%）和多晶石英（29%），次要矿物为黑云母（4%），样品发生了较为明显的后期次生变化，溶蚀作用强烈（图 2）；H25g井基底为深灰色中细粒的花岗闪长岩，主要矿物有石英（20%）、斜长石（50%）、正长石（10%）（图 2）；H32a井基底为灰色中细粒的二长花岗岩，主要矿物有石英（40%）、斜长石（25%）（图 2）.
图 2 珠江口盆地前新生代典型基底岩性及显微特征Qtz.石英；Kfs.钾长石；Am.角闪石；Pl.斜长石；Mc.微斜长石Fig. 2. Typical pre-Cenozoic basement lithology and microscopic features in Pearl River Mouth Basin
图 3 珠江口盆地前古近系侵入岩硅碱分类和QAP分类Fig. 3. Alkali-silica diagram and QAP diagram of pre-Tertiary igneous rocks of Pearl River Mouth Basin2.2 岩浆年代特征
受限于珠江口盆地钻遇基底的钻井数量以及技术手段，前人采用K⁃Ar和Rb⁃Sr法测得珠江口盆地基底火成岩的同位素年龄为70.5~153 Ma（李平鲁等，1999；陈长民等，2003）. 本次研究采用封闭温度较高的锆石U⁃Pb法进行测年，在同济大学海洋地质国家重点实验室（MGLAB）LA⁃ICP⁃MS分析室完成，经过样品粉碎、淘洗、重液分离、电磁仪分选，锆石制靶、抛光、阴极发光拍照（CL）、点位选取，数据分析等步骤获得锆石年龄数据. 比如E18a样品采自恩平凹陷井深3 449 m处，岩性为浅灰肉红色中粗粒角闪石花岗岩，具有24个分析结果较好的锆石年龄数据，206Pb/238U年龄在134.8~ 155.6 Ma之间，获得了150.7±1.7 Ma（MSWD=2.8，n=11）和141.6±1.4 Ma（MSWD=4.6，n=13）两组年龄，代表晚侏罗世和早白垩世2期岩浆活动的记录（图 4）. H35a采自珠江口盆地中央隆起带井深2 217 m处，岩性为深灰色细粒石英闪长岩，26个样品点落在谐和线上或附近形成了一组年龄，其206Pb/238U加权平均年龄为126.2±1.1 Ma（MSWD=1.7，n=26）（图 4）.
图 4 珠江口盆地基底岩浆岩锆石U-Pb年龄谐和图Fig. 4. Zircon U-Pb concordia plots of basement igneous samples of Pearl River Mouth Basin笔者共测得45个火成岩年龄，年龄范围介于97~197 Ma，均属侏罗纪‒早白垩世，处于燕山时期（图 5）. 数据统计结果反映出5期岩浆活动，包括95~105 Ma、105~120 Ma、120~140 Ma、140~165 Ma和165~200 Ma（图 5），其中105~165 Ma最为强烈，具有期次多、强度大的特点. 平面上，早期（165~200 Ma）岩浆活动零星分布，后期（105~165 Ma）岩浆活动范围广泛；并且大致以惠州凹陷西部低凸起为界，珠一坳陷东侧基底年龄新，普遍小于120 Ma，西侧年龄偏老，普遍大于120 Ma.
图 5 珠江口盆地中生代基底岩浆岩年龄及岩浆活动期次Fig. 5. Magma age and activity episodes of Mesozoic basement in Pearl River Mouth Basin2.3 地球化学特征
珠江口盆地基底样品的主量元素分析结果显示，SiO2含量为52.04%~76.76%，碱（K2O+Na2O）含量为2.13%~9.15%，铝饱和指数A/CNK值为0.84~1.20，整体上属准铝质‒弱过铝. 珠江口盆地基底花岗岩类具有从钾玄武岩系列向钙碱性系列过渡的特点（图 6a），相比于陆区集中的钾玄武岩和高钾钙碱性，海区有逐渐向钙碱性过渡的趋势.
图 6 珠江口盆地基底花岗岩样品K2O- SiO2图解（a）和微量元素原始地幔标准化蛛网图（b）Fig. 6. K2O-SiO2 diagram (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagram (b) of basement granite in Pearl River Mouth Basin基底岩体在微量元素组成上富Rb、Ba、K，亏损Nb、Ta、Ti（图 6b）；稀土元素总量为66.33×10-6~441.24×10-6，均值195.11×10-6，富含轻稀土，亏损重稀土，（La/Yb）N比值为4.08~13.78，分配图呈“右倾”型. Eu负异常轻微‒明显，为0.22~0.90.
前人对华南中生代岩浆活动开展过大量研究（Li and Li, 2007；Li et al., 2012；李建华，2013；Chu et al., 2019；李剑锋等，2020），指出受古太平洋俯冲作用的影响，从华南内陆向沿海岩浆岩年龄有逐渐变年轻的趋势. 165~100 Ma岩浆活动期无论在陆区还是在南海及其北部均普遍发育，在形成时代上具有很好的可比性，但是海、陆两区在岩石化学特征和形成构造环境上存在明显差异. 165~ 100 Ma海区花岗岩类的全碱指数（ALK）为4.03~9.03，里特曼组合指数（δ）为0.61~3.61（L15a=0.04），铝饱和指数ASI为0.74~1.23（K9a=0.44），∑REE为47.0×10-6~193.6×10-6（P21a=293×10-6），δEu为0.48~1.09（H25b=0.13）. 海区花岗岩主体属于镁质花岗岩，稀土总量较低，负铕异常并不明显，壳幔作用较陆区强烈. 珠江口盆地北部坳陷带样品表现为以钾玄岩系列、碱性‒碱钙性和晚造山环境为主，中央隆起带样品表现为以高钾钙碱性和钙碱性系列、钙碱性‒钙性和板块碰撞前环境为主. 同期陆区花岗岩类的全碱指数（ALK）为4.74~9.66，里特曼组合指数（δ）为1.44~3.54，铝饱和指数ASI为0.78~1.22，∑REE为51.7×10-6~625.6×10-6，δEu为0.04~0.71，成分上主要属于准铝质与过铝质过渡区和高钾钙碱性至钾玄岩过渡系列，稀土总量变化大，负铕异常中等到显著；大部分具有A型花岗岩特征，属于板内与同碰撞花岗岩过渡环境.
2.4 中生代断裂特征
利用钻井约束的高精度三维地震反射资料对珠江口盆地重点区域的基底属性和先存构造进行解释. 在珠江口盆地珠一坳陷地区识别出NW⁃NWW走向和NE⁃NEE走向两组中生代断裂（Ye et al., 2018）. 中生代断裂在不同凹陷的表现有所差别，恩平凹陷以NE⁃NEE向中生代断裂为主，惠州凹陷以NW⁃NWW向中生代断裂为主，陆丰凹陷NE⁃NEE向和NW⁃NWW向两组断裂发育相当；而深水区白云凹陷由于后期地壳拉伸减薄强烈，岩浆改造作用强烈，使得中生代断裂较难识别. 目前的较大争议在于断裂的形成时间与成因机制，主要有两种观点：（1）基于花岗岩侵位时间和断层交切关系，认为中生代断裂主要在晚白垩世时期形成，NW⁃NWW向逆冲断裂体系与古太平洋板片俯冲方向转变引起的左行压扭应力场有关，是NE向断裂（R断裂）的共轭反向断裂（R’断裂），NEE向伸展/逆冲断裂体系与古南海的扩张、俯冲有关（Ye et al., 2018）；（2）受古太平洋NNW向俯冲的影响，珠江口盆地处于NE向左行压扭和派生的NW⁃SE向压应力场作用之下，引发了大规模的岩浆活动，同时沿NE向剪切面形成左行压扭，沿NW向剪切面形成左行张扭断裂（陈汉宗等，2005）. 本次研究基于基底岩石学、年代学的重新认识，结合区域研究背景，认为NW深大断裂在印支期已经形成，比如本区的阳江‒一统深大断裂、北卫滩深大断裂等，形成薄弱带，容易诱发后期岩浆侵位和构造再活化；NW⁃NWW向断裂系在晚白垩世构造转换期密集发育，与古太平洋俯冲方向转变形成的左行压扭应力场有关，在喜山运动晚期活化；NE⁃NEE向断裂受控于古太平洋板片北西向俯冲作用，燕山运动期持续发育，并在喜山运动早期率先活化（图 7）.
图 7 珠江口盆地两组中生代断裂发育期次及形成机制Fig. 7. The development phase and formation mechanism of the pre-existing faults in Pearl River Mouth Basin3. 陆缘岩浆弧形成的区域构造背景及形成演化过程
3.1 区域构造背景
珠江口盆地基底不同时期的中生代花岗岩类（Y+Nb）‒Rb构造环境判别图指示绝大多数样品都落在火山弧的判识范围内（图 8），还有少量几个数据（140~165 Ma）落在板内环境，说明珠江口盆地中生代的陆缘岩浆弧范围并非固定不变. 从主量元素地球化学特征看，H26f井样品主要落于（高钾）钙‒碱性岩，明显区别于L35a井落在拉斑玄武岩与钙碱性岩过渡区，表明H26f井更远离海沟的火山弧位置，L35a井位于靠近海沟的弧前盆地位置（图 6a）. 从微量元素比值看，珠江口盆地基底样品呈现出明显的Ti、Nb、Ta亏损（图 6b），这是火山弧构造环境的重要标志之一，与华南花岗岩Rb强烈正异常的现象相区别. 珠江口盆地基底样品A/CNK值为0.84~1.20，属准铝质‒弱过铝，其P2O5随SiO2含量增加而降低，排除了S型花岗质岩的可能性（李献华等，2007），显示出I型花岗质岩的特征. 华南A型花岗岩主要形成于伸展构造环境（贾小辉等，2009），富集Rb、Nb、Ta而贫Ba，Eu强烈负异常的特征与海上花岗岩类明显不同.
图 8 珠江口盆地基底花岗岩类(Y+Nb)‒Rb构造环境判别方框代表南海北部样品，圆圈为华南样品；数据张成晨等（2019）、Xu et al.(2016, 2017)、耿红燕等（2006）、徐夕生等（2007）、邱检生等（2004）、于津海等（2005）和周新民（2007）Fig. 8. (Y+Nb)‒Rb tectonic setting discrimination by basement granite of Pearl River Mouth Basin综合区域构造背景（Li and Li, 2007；Li et al., 2012；Xu et al., 2016, 2017；Ye et al., 2018；Cui et al., 2021）以及基岩地球化学特征，包括主量元素、微量元素、稀土元素等，明确了珠江口盆地主体在中生代处于古太平洋板片俯冲作用控制的安第斯活动大陆边缘的陆缘岩浆弧背景，其特征可类比现今南美的安第斯岩浆弧（Busby and Ingersoll, 2011）. 珠江口盆地中生代明显不同于华南同时代高分异I型或A型花岗岩，具有流体活动元素富集、Ta⁃Nb⁃Ti亏损的陆缘岩浆弧特征；其中潮汕凹陷位于弧前盆地，珠江口盆地主体位于岩浆弧，华南则主要为弧后伸展环境（图 9）.
图 9 珠江口盆地中生代陆缘岩浆弧构造‒岩性模型Fig. 9. Structural-lithologic model of Mesozoic continental margin volcanic arc in Pearl River Mouth Basin陆缘岩浆弧是位于大陆地块的边缘山系，拥有较厚的大陆地壳（30~70 km），既有深部的地幔成分，也有浅部的地壳部分，复合火山岩‒深成侵入岩组合是陆缘岩浆弧最重要的标志之一. 多期岩浆活动在空间上相互交织，火山岩多由安山岩、英安质岩石组成，侵入岩以岩基、岩株为主，伴生的深成岩体多为花岗岩岩基，还有少量辉长岩和闪长岩质岩体. 基于基底岩性证据、综合地球物理证据以及热史证据，分析认为珠江口盆地陆缘岩浆弧阶段经历过强烈的剥蚀作用，剥蚀厚度估计大于4 km（Benjamin et al., 2011），剥蚀程度较深，导致深成岩与变质岩出露地表. 珠江口盆地关键井揭示了陆缘岩浆弧不同构造位置成岩组合特征，比如L35a井揭示了弧前盆地构造位置的中生代沉积岩‒火山岩‒花岗岩岩性组合特征；H26f井揭示了中生代陆缘弧主弧位置发育复合火山岩‒深成侵入岩双层组合特征；而L6a井石英片岩和H26f井变质中基性喷出岩揭示了陆缘岩浆弧伴随有构造动力和热接触变质作用.
3.2 陆缘岩浆弧形成演化过程
前人对珠江口盆地古潜山陆缘岩浆弧背景有所提及（周蒂等，2005；Shi and Li, 2012；Xu et al., 2016, 2017；Cui et al., 2021），但针对陆缘岩浆弧的岩性组合和演化过程缺乏详细的论述. 本次研究明确了珠江口盆地古潜山的成山背景受控于南海北部晚古生代到新生代早期的构造过程，受特提斯、西太平洋两大构造域相继作用，经历印支运动和燕山运动两期重大构造事件，经过残留洋盆、有限造山、造山高峰、区域剥蚀、晚期裂陷5个构造演化阶段（图 10），奠定了陆缘岩浆弧古潜山成山背景：（1）二叠纪‒三叠纪印支时期，受控于西部印支地块和华南地块碰撞增生造山作用，珠江口盆地处于残余海或陆表海沉积环境，发育一系列NW向大型断裂系（图 10a）；（2）早‒中侏罗世燕山初期，古特提斯域影响逐渐过渡为古太平洋域控制，受有限俯冲作用控制，初始岩浆弧局限展布，该时期古太平洋板片平板俯冲作用在华南地区发生大规模岩浆活动（图 10b、10c）；（3）晚侏罗‒早白垩世燕山主期，受古太平洋板片正向俯冲作用控制，形成大规模的陆缘岩浆弧，珠一坳陷主体位于陆缘岩浆弧背景，经历多期岩浆活动影响，发育与俯冲带平行的NE⁃NEE向断裂系（图 10d）；（4）晚白垩世燕山晚期，由于古太平洋板片俯冲后撤引起板缘挠曲回弹，并伴随局部陆‒陆碰撞，引起区域性挤压隆升‒剥蚀，板片俯冲方向的转变导致晚白垩世NWW向断裂密集发育（图 10e）；（5）新生代以来（图 10f），经历古南海‒新南海旋回，发生区域性裂陷作用，并伴随局部火山活动，潜山掩埋定型.
图 10 珠江口盆地古潜山形成的区域构造背景Fig. 10. Regional tectonic setting of the formation of buried hills in Pearl River Mouth Basin4. 结论
（1）珠江口盆地基底岩性涵盖岩浆岩、变质岩和沉积岩三大类，以花岗岩、花岗闪长岩和二长花岗岩等中酸性侵入岩为主. 测年数据反映其经历了5期岩浆活动，以105~165 Ma最为强烈，与陆上有较好对应关系.
（2）珠江口盆地发育NE⁃NEE走向和NW⁃NWW走向两组中生代断裂，分析认为其分别受控于燕山期古太平洋板片的持续俯冲作用和燕山晚期俯冲方向转变引起的左行压扭应力场.
（3）地球化学证据指示珠江口盆地主体中生代处于古太平洋板片俯冲作用控制的陆缘岩浆弧构造背景，明显不同于华南同时代高分异I型或A型花岗岩，具有流体活动元素富集、Ta⁃Nb⁃Ti亏损的陆缘岩浆弧特征，进一步明确了陆缘岩浆弧的复合火山岩‒深成侵入岩“双层”岩性组合.
（4）重建了珠江口盆地陆缘岩浆弧形成演化过程，其经历了印支期残留洋盆、燕山初期初始有限岩浆弧、燕山主期大规模陆缘岩浆弧、燕山晚期区域隆升‒挤压剥蚀、喜山期古南海‒新南海旋回5个阶段，奠定了古潜山成山背景.
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图 1 珠江口盆地前新生代基底岩性单元分布
Fig. 1. Lithology of pre-cenozoic basement in Pearl River Mouth Basin
图 2 珠江口盆地前新生代典型基底岩性及显微特征
Qtz.石英；Kfs.钾长石；Am.角闪石；Pl.斜长石；Mc.微斜长石
Fig. 2. Typical pre-Cenozoic basement lithology and microscopic features in Pearl River Mouth Basin
图 3 珠江口盆地前古近系侵入岩硅碱分类和QAP分类
Fig. 3. Alkali-silica diagram and QAP diagram of pre-Tertiary igneous rocks of Pearl River Mouth Basin
图 4 珠江口盆地基底岩浆岩锆石U-Pb年龄谐和图
Fig. 4. Zircon U-Pb concordia plots of basement igneous samples of Pearl River Mouth Basin
图 5 珠江口盆地中生代基底岩浆岩年龄及岩浆活动期次
Fig. 5. Magma age and activity episodes of Mesozoic basement in Pearl River Mouth Basin
图 6 珠江口盆地基底花岗岩样品K2O- SiO2图解（a）和微量元素原始地幔标准化蛛网图（b）
Fig. 6. K2O-SiO2 diagram (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagram (b) of basement granite in Pearl River Mouth Basin
图 7 珠江口盆地两组中生代断裂发育期次及形成机制
Fig. 7. The development phase and formation mechanism of the pre-existing faults in Pearl River Mouth Basin
图 8 珠江口盆地基底花岗岩类(Y+Nb)‒Rb构造环境判别
方框代表南海北部样品，圆圈为华南样品；数据张成晨等（2019）、Xu et al.(2016, 2017)、耿红燕等（2006）、徐夕生等（2007）、邱检生等（2004）、于津海等（2005）和周新民（2007）
Fig. 8. (Y+Nb)‒Rb tectonic setting discrimination by basement granite of Pearl River Mouth Basin
图 9 珠江口盆地中生代陆缘岩浆弧构造‒岩性模型
Fig. 9. Structural-lithologic model of Mesozoic continental margin volcanic arc in Pearl River Mouth Basin
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