南海北部现代沉积物主要由珠江和红河2条大河以及海南岛和越中地区短小河流提供。图 2显示各不同源区沉积物在稀土元素配分上以及碎屑锆石年龄谱系分布上存在一定差异, 反映各源区之间在母岩组成上明显不同。三叠纪末由于中南半岛与华南板块碰撞, 导致中特提斯洋的关闭, 形成大量包括超基性— 基性岩在内的蛇绿岩套及包括古老地层在内的混杂堆积, 发育了各类片麻岩、片岩和以印支期为主的火山岩(Leloup et al., 1995; Anczkiewicz et al., 2007), 导致其提供的沉积物表现出明显的Eu元素正异常(图 2-B), 使包括越南北部及中部地区在内的南海西部物源明显有别于其他物源区, 成为南海北部进行源汇对比的特征标志之一。

图 2

Fig.2

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	图 2 南海北部周边源区沉积物碎屑锆石年龄谱系(A)及稀土元素特征(B)(据Shao等, 2018)Fig.2 Detrital zircon U-Pb dating(A) and chondrite-normalized REE distribution patterns(B) of provenances around the northern South China Sea, respectively(after Shao et al., 2018)

珠江是南海北部地区的主要物源提供者, 是华南大陆在新生代演变过程的典型代表, 其发育形成历史直接影响到珠江口盆地的沉积充填过程。

向绪洪等(2011)指出, 珠江水系沉积物主要受3种不同类型的母岩组合类型控制(图 3)。第1种母岩的ATi指数[ATi指数=100磷灰石%/(磷灰石%+电气石%), 揭示沉积物中磷灰石的风化程度]数值趋近零, 而GZi指数[GZi=100× 石榴子石%/(石榴子石%+锆石%), 揭示含有石榴子石母岩(变质岩)的组成变化]数值介于10~80之间, 且变化较大, 这类组合分布于东江和北江流域, 其源区主要出露大面积的酸性岩浆岩、部分中低级接触变质岩和中生代碎屑岩。第2种母岩主要分布于西江上游南盘江、北盘江、红水河以及中游右江流域, 样品GZi指数趋近零, 而ATi指数数值介于20~100之间, 变化幅度较大。源岩母岩类型应包含大量低级接触变质岩和基性岩浆岩。第3种母岩的ATi指数和GZi指数数值均趋近零, 说明其源区变质岩、岩浆岩均比较少, 这类组合分布于西江中游左江、桂江、柳江流域, 该地区母岩类型主要为碎屑岩、碳酸盐岩。

图 3

Fig.3

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	图 3 珠江流域重矿物的ATi指数与GZi指数相关性图(据向绪洪等, 2011)Fig.3 ATi and GZi indexes for Pearl River heavy mineral components (after Xiang et al., 2011)

从图 3中的ATi指数和GZi指数还可看出, 珠江三角洲地区沉积物作为西江和北江— 东江的混合产物, 处于三大区域的混合地带。具体样品因采样位置不同, 受到各河流的影响程度存在差异。

赵梦等(2015)对珠江现代河流砂样品碎屑锆石进行U-Pb定年分析, 发现珠江各支流及干流的现代沉积物碎屑锆石U-Pb年龄跨度从太古代到新生代均有分布, 珠江流域沉积物碎屑锆石U-Pb年龄呈多峰态(图 4), 主要可分为8组峰值: 2800~2300 Ma, 2000~1800 Ma, 1800~1300 Ma, 1200~700 Ma, 600~400 Ma, 380~240 Ma, 200~80 Ma, < 65 Ma, 分别对应基底、吕梁期、晋宁期、加里东期、印支期、燕山期及喜山期等构造活动。

图 4

Fig.4

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	图 4 珠江流域沉积物碎屑锆石U-Pb年龄谱图(n为年龄点个数; 据赵梦等, 2015)Fig.4 Detrital zircon U-Pb age spectra of the sediments in Pearl River area (n-numbers; after Zhao et al., 2015)

珠江上游北盘江、南盘江、红水河、右江、左江及西江干流样品具有明显的380~240 Ma主峰, 碎屑锆石主要来自右江造山带。右江和左江具有独特的2000~1800 Ma峰值, 碎屑锆石可能来自更老的基底; 中游柳江样品具有1200~700 Ma峰值, 碎屑锆石来自扬子地块。桂江样品除1200~700 Ma峰值外, 还具有600~400 Ma和2800~2300 Ma峰值, 碎屑锆石经历早期沉积岩的再循环, 分别来自江南造山带和华夏地块; 下游北江、东江及珠江三角洲样品碎屑锆石主要来自东南沿海花岗岩带, 具有明显的200~90 Ma峰值; 西江干流样品以印支期380~240 Ma峰值为主, 也包含较多燕山期岩浆活动形成的锆石, 越靠近下游地区, 中生代锆石含量越多。

珠江口盆地珠江三角洲沉积物碎屑锆石U-Pb年龄谱始终以燕山期(200~80 Ma)峰值为主要峰值, 次要峰值为印支期(380~200 Ma)、加里东期(600~400 Ma)、晋宁期(1200~700 Ma)、吕梁期(2000~1800 Ma)和基底(2800~2300 Ma)。自渐新世至中中新世U-Pb年龄谱曲线形态整体变化明显, 晚古生代(Pz₂)、元古代(Pt)及太古代(Ar)锆石含量随时间逐步增加, 特别是在中新统内增加明显, 反映出珠江向中上游地区的逐步拓展过程。早渐新世, 古珠江流域仅包括北江和东江等华南沿海地区, 沉积物含大量中生代(Mz)碎屑锆石; 晚渐新世, 珠江向西延伸到云贵高原前缘地带, 但分布在有限的狭窄范围内; 早中新世, 古珠江快速拓展至左江、右江、红水河和南盘江一带, 沉积物中晚古生代(Pz₂)及元古代(Pt)锆石含量突然增加; 中中新世, 桂江、柳江和北盘江汇入古珠江, 沉积物中的元古代(Pt)锆石及太古代(Ar)锆石含量增加, 珠江水系现代格局初步形成(图 5)。

图 5

Fig.5

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	图 5 珠江口盆地沉积物及珠江源区碎屑锆石U-Pb年龄谱图(左)及珠江流域演化模式图(右)(n为年龄点个数, Shao et al., 2016; Cao et al., 2018) A— 早渐新世; B— 晚渐新世; C— 早-中中新世Fig.5 Detrital zircon U-Pb age spectra(left) and temporal-spatial drainage evolution models(right) for the Pearl River system and Pearl River Mouth Basin(n-numbers, Shao et al., 2016; Cao et al., 2018)

现代红河起源于云南中部, 沿哀牢山— 红河断裂带向东南方向流经越南境内, 最终注入莺歌海盆地。哀牢山— 红河断裂带自北向南在云南境内的雪龙山、点苍山、哀牢山以及越南境内的象背山(Day Hui Con Voi)发育长约900 km、宽10~20 km的狭长变质岩带(Leloup et al., 1995), 总体上没有太多基性— 超基性岩的供给, 沉积物稀土元素配分特征与上地壳平均值类似, 呈现明显的Eu元素负异常(图 2-B)。采自现代红河三角洲样品碎屑锆石年龄谱系分析表明(van Hoang et al., 2009), 现代红河沉积物碎屑锆石年龄除了出现燕山期240 Ma、加里东早期以及晋宁期720 Ma的峰值以外, 还有一个明显的新生代喜山期30 Ma的峰值, 明显有别于越南中部及海南岛等南海西部源区(图 2-A)。

那么, 在红河演化历史上是否出现红河袭夺造成的物源改变(吕明, 2002; Clift et al., 2004, 2006; van Hoang et al., 2009; 谢玉洪和范彩伟, 2010; 王英民等, 2011; Yan et al., 2011)?Zhao等(2015)对莺歌海盆地渐新世— 中新世沉积物研究发现, 该时期沉积物主体表现为Eu元素正异常。同时认为, 历史上出现红河河道被袭夺造成流域面积减少的可能性很低, 依据是河流流域面积越大, 沉积物混合的越充分, Eu元素含量越出现负异常, 与上地壳平均值越接近(Millerman and Farnsworth, 2013)。因此, Zheng 等(2013)认为长江历史上发生的袭夺现象更可能是在袭夺发生之前, 长江沉积物并未进入红河流域。

海南岛沉积物稀土元素分布一直保持稳定且呈现Eu元素的负异常, 与岛上大量分布的酸性花岗岩及沉积岩一致, 并表现出碎屑锆石年龄谱系以100 Ma和235 Ma的双峰为特征, 基本不含较老的锆石年龄峰值(Cao et al., 2015; Zhao et al., 2015; Cui et al., 2018; 图 2-A)。

研究发现, 珠江口盆地珠一坳陷与珠二坳陷始新统及下渐新统沉积物源存在明显差异, 主要表现在珠二坳陷沉积物大量样品的Eu元素含量呈现正异常, 在空间上样品分布出现东西向展布的特点, 由西向东, Eu元素正异常的样品逐步减少, 并且随时间由老变新(始新世到中新世), Eu元素正异常的样品也逐步减少(图 6)。该时期珠一坳陷沉积物, 除位于坳陷东北部的Z1-1、Z1-2及Z1-3这3个样品在始新世因接近玄武岩基底, 造成Eu元素含量正异常外, 其他样品均表现为Eu元素负异常, 与珠二坳陷样品存在明显差异(图 6)。

图 6

Fig.6

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	图 6 珠江口盆地始新世— 早中新世沉积物稀土元素配分特征(据Shao et al., 2018; 有修改) 图中蓝色样品点表示样品中Eu元素含量以正异常为特征, 红色样品点表示样品中Eu元素含量以负异常为特征Fig.6 Eocene-Early Miocene chondrite-normalized REE distribution patterns for the Pearl River Mouth Basin(modified from Shao et al., 2018)

在南海西部的琼东南盆地, 大量沉积物样品的Eu元素含量呈现正异常, 在空间上样品分布同样出现东西向展布的特点, 并且随时间由老变新(始新世到上新世), Eu元素正异常的样品也逐步减少(Cui et al., 2018; Shao et al., 2018; 图 7)。

图 7

Fig.7

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	图 7 南海莺歌海— 琼东南盆地始新— 早中新世沉积物稀土元素配分特征(据Shao et al., 2018, 有修改) 图中蓝色样品点表示样品中Eu元素含量以正异常为特征, 红色样品点表示样品中Eu元素含量以负异常为特征Fig.7 Chondrite normalized rare earth element(REE)patterns of Eocene-Early Miocene samples from the Yinggehai-Qiongdongnan Basin, South China Sea(modified from Shao et al., 2018)

南海北部沉积物稀土元素配分图(图 6, 图 7)显示, Eu元素含量呈现正异常的样品在琼东南盆地到珠二坳陷一个东西向狭长范围内展布, 并且呈现从南海西部向东部、从晚始新世到上新世Eu元素含量正异常的样品逐步减少的特点, 表明南海西部是造成沉积物中稀土元素Eu含量呈现正异常的主要源区。

珠江口盆地13口探井3207个碎屑锆石年龄分析显示(图 8), 珠江口盆地从始新世到中新世, 沉积物碎屑锆石年龄组合发生明显改变(Shao et al., 2016, 2018)。始新世, 珠二坳陷碎屑锆石年龄谱系以100~120 Ma燕山期主峰为主, 少量230 Ma印支期峰值, 与珠一坳陷存在435~440 Ma加里东期和少量晋宁期峰值明显不同, 说明两者源区不同:珠二坳陷以周边中生代局部隆起为主要源区, 而珠一坳陷则以东南沿海中生代花岗岩及少量古生代地层为源区。早渐新世, 珠二坳陷样品除部分样品仍然反映局部物源外, 部分样品明显出现南海西部碎屑锆石组合特点, 出现含量很高的加里东期峰值, 珠一坳陷则仍然保持始新世碎屑锆石年龄组合特征, 没有明显变化。晚渐新世, 珠二坳陷大部分样品出现南海西部碎屑锆石组合特点, 出现含量很高的加里东期峰值及一定的古老锆石年龄, 部分样品则呈现出与珠一坳陷相近的碎屑锆石年龄组合特征, 与珠江来源沉积物特征一致, 显示珠二坳陷该时期接受来自南海西部物源和北部珠江物源的混合沉积。早中新世, 珠江口盆地珠一和珠二坳陷碎屑锆石年龄组合特征完全一致, 显示其均来自珠江源区(图 8)。

图 8

Fig.8

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	图 8 珠江口盆地始新世— 早中新世沉积物碎屑锆石U-Pb年龄直方图及概率密度分布图(修改自Shao et al., 2016, 2018) 青绿色阴影指示受南海西侧越中物源影响, 黄色阴影指示受北部珠江物源影响Fig.8 Histograms and probability density distribution plots for detrital zircon U-Pb ages of the Pearl River Mouth Basin samples from Eocene to Early Miocene with characteristic age peaks numbered (Ma)(modified from Shao et al., 2016, 2018)

琼东南盆地大面积缺失始新统, 主体沉积从渐新世开始发育。早渐新世, 位于盆地南侧的Y19井碎屑锆石年龄谱系以230 Ma印支期主峰为主, 发育少量燕山期年龄, 代表盆地边缘局部隆升物源; 位于盆地东侧的WN井则呈现出南海西部源区的特征, 除了包含中生代燕山期及印支期的峰值外, 还包含古生代加里东期以及太古代等古老年龄峰值。晚渐新世, Y19井碎屑锆石年龄组合与早渐新世完全相同, 仍然是盆地南侧局部隆升区的物源特征, 在盆地东侧的QE井和WN井呈现南海西部源区的特征(图 9)。中新世及上新世, 琼东南盆地中央峡谷沉积物代表南海西部源区的碎屑锆石年龄组合的样品依然大量存在(Cui et al., 2018)。

图 9

Fig.9

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	图 9 琼东南盆地早渐新世— 上新世沉积物碎屑锆石U-Pb年龄直方图及概率密度分布图(修改自Shao et al., 2016, 2018) 青绿色阴影指示受南海西侧越中物源影响Fig.9 Zircon U-Pb ages of Qiongdongnan Basin, South China Sea, from the Early Oligocene to Pliocene with typical age peaks numbered(Ma)(modified from Shao et al., 2016, 2018)

根据稀土元素及碎屑锆石年龄谱系分析结果可以看出, 南海西部物源是南海新生代早期沉积盆地充填过程中一个非常重要的沉积物来源, 其物源特征表现在沉积物稀土元素呈现明显的Eu元素正异常, 碎屑锆石年龄谱系除了包含中生代燕山期和印支期年龄峰值以外, 还出现大量加里东期以及晋宁期等元古代和太古代年龄组合。众所周知, 在沉积物中稀土元素Eu出现正异常是相对小概率的现象, 上地壳中Eu元素普遍以负异常为特征。现有研究表明, 在三叠纪末中南半岛与华南半岛发生俯冲拼合碰撞, 导致特提斯洋关闭, 形成大量包括超基性— 基性岩在内的蛇绿岩套及混杂堆积, 发育了各类片麻岩、片岩以及不同时期火山岩(Leloup et al., 1995; Anczkiewicz et al., 2007), 形成了高耸的山脉, 为中南半岛周边盆地提供了大量沉积物。

南海北部沉积物具有Eu元素正异常的样品呈现由西向东长条带状分布的特点, 应是该时期源自该隆升山脉、由西向东古河流发育的一个重要证据, 该河流把南海西侧大量的基性、超基性物质向南海东侧输送, 造成沉积物中Eu元素含量呈现正异常。随着搬运距离增大, 盆地周边Eu元素负异常的局部源区物质加入增多, 造成从西向东沉积物Eu元素负异常的样品数量也逐步增多。这些样品的锆石年龄谱系也呈现出明显的南海西部物源的特点, 与盆地周边局部源区以中生代年龄峰值为主的特征明显不同。

作者将此东西向分布的古河流定义为昆莺琼古河(图 10)。在早中始新世, 该河流仅出现在琼东南盆地东侧, 把南海西部沉积物输送到南海东部的白云凹陷、甚至台西南盆地及礼乐— 巴拉望等地区; 到晚始新世— 早渐新世, 该河流发育达到了鼎盛阶段。到了晚渐新世, 由于南海扩张, 海侵范围逐步扩大, 该河流开始萎缩, 大部分淹没在南海中。与此同时, 珠江在晚渐新世发育壮大, 越过了番禺低突起, 开始向白云凹陷输送沉积物, 使白云凹陷该时期出现双物源的混合堆积。到中新世, 昆莺琼古河流进一步萎缩, 主要发育在琼东南盆地, 珠江则拓展到华南腹地及云贵高原地区, 为南海北部提供了大量沉积物。晚中新世以来琼东南盆地发育的中央峡谷则是昆莺琼古河流的残余, 其把来自越南中部的沉积物向东输送。但是, 随着搬运距离的增大, 在中央峡谷的东侧, 沉积物主要来自海南岛(Cui et al., 2018)。

图 10

Fig.10

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	图 10 南海北部早新生代古地理及古地貌演化模式 A— 早中始新世; B— 晚始新— 早渐新世; C— 晚渐新世; D— 早中新世Fig.10 Early Cenozoic palaeogeography and palaeogeomorphology reconstruction for the northern South China Sea

昆莺琼古河流发育的背景是南海西部中南半岛与华南半岛的俯冲拼合碰撞造成巨型山脉的形成, 该隆升山脉的范围及规模远远大于现在其在越南中部的残余。昆莺琼古河流的发现对于欧亚大陆东南缘中生代末古地理的恢复具有重要意义。

南海北部大部分地区均为出露剥蚀区。由于神狐— 番禺— 东沙隆起带的分割, 南海北部呈现东西向展布、隆— 坳相间的古地理特征。仅在珠江口盆地珠一坳陷、北部湾盆地接受河湖相沉积, 珠三坳陷及琼东南盆地少部分地区发育山间盆地粗粒碎屑岩沉积。珠二坳陷大部分地区为湖相沉积, 南侧荔湾凹陷为海陆过渡相沉积, 东部台西南盆地为浅海相沉积。礼乐— 巴拉望地区仍然与南海北部相连, 为浅海相及上陆坡半深海相沉积环境。沉积物源以坳陷周边的隆起区为主要源区(图 10-A)。

南海西侧昆莺琼古河流开始发育, 向琼东南盆地东侧及白云凹陷、礼乐盆地等输送了来自南海西部的沉积物。珠江分布范围有限, 流域面积仅限于华南沿海花岗岩区, 提供的沉积物仅分布在珠一坳陷(图 10-B)。神狐— 番禺— 东沙隆起带对珠江口盆地南北坳陷仍然起到明显的分割作用, 珠一坳陷为陆相沉积, 珠二坳陷大部分地区在早渐新世为海陆过渡相沉积, 南侧荔湾凹陷为浅海相沉积, 东部台西南盆地为浅海外陆棚相沉积, 礼乐— 巴拉望地区与南海北部开始分离, 在早渐新世开始出现浅海台地相及上陆坡半深海相沉积环境。

南海西侧昆莺琼古河流发育昌盛。尽管该时期由于海侵作用, 琼东南盆地以海陆过渡相— 浅海相为主, 昆莺琼古河流仍然携带南海西侧陆源物质向琼东南盆地东侧及白云凹陷等输送。珠江分布范围增大, 流域面积向华南内陆沉积岩区扩展, 提供的沉积物增多, 使珠江沉积物越过番禺低突起进入到珠二坳陷, 造成珠二坳陷同时接收源自南海西部昆莺琼古河流和源自南海北部珠江双物源的混和沉积(图 10-C)。神狐— 番禺— 东沙隆起带中部的番禺低突起基本被侵蚀殆尽, 珠一坳陷与珠二坳陷贯通并接受海陆过渡相沉积。珠二坳陷全部为滨浅海相沉积, 南侧荔湾凹陷为半深海陆坡相沉积, 东部台西南盆地为浅海— 半深海相沉积。礼乐— 巴拉望地区完全脱离南海北部, 发育浅海碳酸盐台地相及潟湖相沉积。

伴随南海的进一步扩展加深, 琼东南盆地发育浅海及半深海相沉积, 昆莺琼古河流完全淹没在南海中, 中沙— 西沙古隆起也沉没于海平面之下, 接受碳酸盐台地相沉积。珠江流域面积进一步扩大, 进入到云贵高原及扬子地块, 为南海北部提供大量古老沉积物。珠江沉积物完全控制珠江口盆地广大地区, 在南海北部东侧形成由陆架边缘三角洲— 陆坡水道— 深水扇构成的完整“ 源-汇” 沉积体系(图 10-D)。南海北部陆坡从白云凹陷南侧快速迁移至凹陷北侧, 珠二坳陷全部转为陆坡— 半深海相沉积环境。礼乐— 巴拉望地区漂移至南海南部, 发育浅海碳酸盐台地相及潟湖相沉积。

琼东南盆地自晚中新世以来发育的中央峡谷应是昆莺琼古河流的残余。研究显示, 中央峡谷尽管处于南海半深海环境, 仍然将大量南海西侧的陆源物质向盆地东侧输送, 显示了该河流顽强的生命力。