南海北部古近系稀土元素从特征上可以分为2类(邵磊等, 2019):第1类样品稀土元素配分特征与上地壳平均值接近, 主要分布在南海北部大部区域; 第2类样品稀土元素配分特征呈现Eu元素的正异常, 主要分布在琼东南盆地到白云凹陷一个狭长的范围内, 呈东西向展布, 并且Eu元素的正异常强度以及正异常的样品数量从西向东逐步减小(图2-a)。一般来讲, 沉积物中Eu元素正异常在地表环境比较少见, 其母岩主要与基性、超基性岩浆岩有关。来自长距离搬运大河沉积物, 由于沉积物的充分混合, 稀土元素含量上往往与上地壳平均值接近一致, 表现为Eu元素的负异常, 如长江、黄河以及现代珠江、红河等(Yang et al., 2006; 赵梦等, 2013; Shao et al., 2015; Zhao et al., 2015)。

图2

Fig.2

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	图2 南海北部不同源区沉积物稀土元素及碎屑锆石年龄谱系特征Fig.2 Rare earth elemental distribution patterns and detrital zircon U-Pb age spectra of the potential sources of the northern South China Sea

近十余年来, 南海北部地区开展了大量以碎屑锆石年龄谱系为手段的沉积物源汇对比研究, 获取了南海北部周边不同源区的锆石年龄谱系(Xu et al., 2007; Zhong et al., 2017; Cao et al., 2018; Zhang et al., 2019)。总体来说, 盆地周边古隆起(神狐隆起、番禺低突起、东沙隆起以及云开低凸起)与盆地基底锆石U-Pb年龄一般为燕山期单峰, 约100— 170 Ma, 局部存在新生代岩浆岩, 峰值年龄小于65 Ma; 神狐隆起部分基底锆石年龄峰值相对复杂, 碎屑锆石年龄谱系以燕山期、印支期、加里东期为主要的年龄峰, 此外还含有少量的晋宁期锆石颗粒(Cui et al., 2021a; Zhu et al., 2021); 古珠江来源沉积物呈现148 Ma的主峰和240 Ma的次峰, 以及443 Ma等弱小峰值(Cao et al., 2018); 来自海南岛的碎屑锆石年龄谱系普遍表现出双峰特征, 年龄主要集中在燕山期(95 Ma)和印支期(230 Ma)2个区间(Xu et al., 2014; Cao et al., 2015; Lei et al., 2019); 来自南海西部昆莺琼古河渐新世— 中新世碎屑锆石年龄谱系呈现较高的印支期233 Ma和加里东期417 Ma主峰、燕山期141 Ma和晋宁期752 Ma的次峰, 以及922 Ma到2500 Ma的弱小峰值(Cui et al., 2019; 邵磊等, 2019)。因此, 南海北部西侧昆莺琼古河及北侧古珠江等大型河流沉积物碎屑锆石年龄谱系特征差异明显, 是进行源汇对比研究的重要依据。

图2显示, 从始新世到中新世, 伴随南海北部新生代盆地的逐步扩张, 沉积物的母岩发生明显改变。在早中始新世文昌期, 沉积物总体以周边源区及盆地基底为主要源区; 到晚始新世恩平期, 碎屑锆石年龄谱系特征与文昌期非常不同, 年龄谱系跨度大, 多数样品以加里东期、印支期峰值为主峰, 明显高于燕山期峰值, 还包含有晋宁期和吕梁期的信号, 显示复杂的母岩类型。特别是, 印支期峰值高的样品均显示强烈的Eu元素正异常, 两者呈现明显的正相关性, 说明中南半岛与华南地块三叠纪末发生的陆陆碰撞拼合带是沉积物的主要源区, 河流将拼合带剥蚀产物从西向东搬运沉积到开平— 白云凹陷中, 形成大型三角洲平原及三角洲前积。因此, 研究区在始新世开始发育1条东西向展布的河流— — 昆莺琼古河。在早中始新世, 该河流仅出现在开平凹陷; 到晚始新世— 早渐新世, 其发育达到了一定规模, 把沉积物沿盆地轴部由西向东进行搬运; 到了晚渐新世, 由于南海扩张, 海侵范围逐步扩大, 该河流大部分淹没在南海中(Shao et al., 2019; 高阳东等, 2021)。昆莺琼古河携带的沉积物主要来自南海西部物源, 始新世及渐新世在开平及白云凹陷西侧形成大型三角洲沉积(柳保军等, 2011; 侯元立等, 2020), 其典型特征是具有印支期与加里东期锆石年龄峰主峰、燕山期与前寒武纪古老锆石的次峰以及沉积物Eu元素的正异常(图2)。

古珠江来源沉积物在渐新世才开始出现在白云凹陷, 表现出很高的燕山期148 Ma主峰及较弱的印支期及加里东期的峰值, 前寒武纪古老锆石含量相对较低(图2-b)。渐新世以来, 白云凹陷沉积物为昆莺琼古河与古珠江混合沉积的产物, 随着时间变年轻, 古珠江来源沉积物量逐步增大, 显示南海北部沉积物搬运方式逐步由早期的轴向搬运向横向搬运转换。

Meng等(2021)研究台湾恒春半岛增生楔深海浊积岩发现, 这些晚中新世浊积岩物质主体来自昆莺琼古河与珠江的混积物, 由西向东通过轴向搬运的方式输送到马尼拉海沟, 进而推覆到恒春半岛。

根据上述沉积物物源演变特征, 可以重建南海北部古近纪河流形成演化历史。在早中始新世盆地断陷初期, 沉积物以盆地四周燕山— 印支期岩浆岩局部隆升带为主要物源区, 沉积物碎屑锆石年龄谱系以中生代单峰为特征, 并无大型河流形成(图3-a); 晚始新世— 渐新世, 盆地西侧发育大型昆莺琼古河, 把盆地西部沉积物向东输送, 河流剥蚀区域发育大量印支期与板块俯冲相关的包括基性、超基性岩在内的蛇绿岩套地层, 使沉积物中稀土元素Eu呈现显著的正异常, 同时碎屑锆石U-Pb年龄谱系包含大量加里东期及前寒武纪锆石(图3-b)。到晚渐新世, 白云凹陷开始出现古珠江来源沉积物, 显示盆地横向搬运开始发育, 其沉积物中稀土元素Eu呈现负异常, 与上地壳平均值接近, 碎屑锆石U-Pb年龄谱系特征与昆莺琼古河流来源沉积物完全不同(图3-c)。在中新世, 古珠江来源沉积物在白云凹陷占比明显增大, 沉积物来源呈现昆莺琼古河与古珠江混合沉积的特点(图3-d)。到晚中新世, 横向搬运的古珠江沉积物与昆莺琼古河沉积物混合后转为轴向搬运, 继续向东以浊流的方式进入马尼拉海沟, 形成板块俯冲增生浊积岩(Meng et al., 2021; Cui et al., 2021b)。

图3

Fig.3

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	图3 南海北部始新世— 早中新世古河流演化重建 a— 早中始新世; b— 晚始新世; c— 渐新世; d— 早中新世。图中红色箭头为沉积物搬运方向Fig.3 Eocene-Early Miocene palaeo-river evolution reconstruction for the northern South China Sea

婆罗洲沉积物总体上稳定重矿物含量高, 普遍含有电气石、金红石、石榴石、十字石等变质矿物以及铬尖晶石, 反映母岩中包括变质岩及超基性岩等岩石类型。不同时期重矿物组成明显不同, 晚白垩世— 中始新世沉积物锆石含量占重矿物的64%~84%, 晚始新世— 早中新世锆石含量明显升高, 达93%~95%, 到中中新世— 上新世锆石含量下降为68%~77%(图5), 反映沉积物的母岩区或搬运距离发生明显改变。

图5

Fig.5

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	图5 婆罗洲各时期沉积物重矿物组合特征Fig.5 Heavy mineral assemblages of the Upper Cretaceous-Pliocene sediments, Borneo

曾母— 文莱沙巴盆地最早沉积物为晚白垩世至早中始新世深海浊积体Rajang群, 其碎屑锆石年龄谱系呈现明显的91 Ma燕山期主峰和226— 236 Ma印支期次峰, 包含少量古生代和前寒武纪锆石(Galin et al., 2017; 李莉妮等, 2022), 与南海北部同时期源区锆石年龄谱系特征非常相近(图6), 显示沉积物来自南海北部及中南半岛(李莉妮等, 2022)。

图6

Fig.6

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	图6 南海南部及潜在源区锆石年龄谱系特征Fig.6 Detrital zircon U-Pb age patterns of the southern South China Sea sediments and potential source areas

晚始新世Crocker扇发育初期, 底部发育一套砾岩层, 以角度不整合的形式覆盖在Rajang群深海沉积之上, 为一套近源底砾岩与杂色混杂堆积, 砾石主要由岩浆岩及硅质岩组成(图7-a, 7-b, 7-c), 碎屑锆石U-Pb年龄显示燕山期单峰, 包含少量始新世锆石颗粒, 基本不含古生代或元古代锆石。结合沉积特征, 其应是古南海在晚始新世(37 Ma)与婆罗洲发生俯冲拼合而快速隆升剥蚀的产物(Hennig et al., 2019; 崔宇驰等, 2022)。在该砾岩层之上, 沙巴— 沙捞越地区开始大范围接受厚层三角洲砂岩沉积, 一直持续到早中新世(图7-d, 7-e, 7-f)。砂岩中碎屑锆石年龄谱系均表现为典型的多峰特征, 呈现极高的印支期主峰和燕山期次峰, 还包含海西— 加里东期峰值以及一定数量的元古代及太古代锆石, 与下伏Rajang群浊积砂岩样品和Crocker扇底部砾岩样品特征完全不同(图6), 沉积物主要来自南海西部马来半岛(崔宇驰等, 2022), 通过轴向搬运的方式输送到曾母— 文莱沙巴盆地。在野外观察测量中也发现, 该时期的沉积物搬运方向为40° (图7-e), 考虑婆罗洲地块在晚中新世以来发生了45° 的逆时针旋转(Hutchison, 2007), 故其搬运方向近90° , 为从西向东方向搬运。

图7

Fig.7

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	图7 婆罗洲野外地质照片及沉积相 a— Rajang扇与Crocker扇不整合面; b— 晚白垩世— 中始新世Rajang扇深海相砂泥岩互层; c— 晚始新世Crocker扇底砾岩; d— 晚始新世— 早中新世Crocker扇三角洲砂岩, 具楔状交错层理; e— 晚始新世— 早中新世Crocker扇三角洲砂岩, 具楔状交错层理; f— Crocker扇, 斜层理指示水流方向40° ; g— 中中新世三角洲, 沉积物搬运方向从南向北; h— 晚中新世滨海相沉积, 具羽状交错层理Fig.7 Field observation and sedimentary facies of the Borneo area

在中中新世(17 Ma左右), 文莱沙巴盆地形成以三角洲为特征的沉积体系, 沉积物碎屑锆石U-Pb年龄谱系表现出非常明显的多峰宽谱特征(图6), 以白垩纪主峰为主, 还含有较明显的二叠纪— 三叠纪峰值, 以及多个新元古代— 中元古代(大约800 Ma和900 Ma)峰值和古元古代峰值(大约1800 Ma, 2500 Ma)。该时期碎屑锆石年龄谱系与Crocker扇三角洲砂岩的差别, 主要表现在燕山期峰值明显高于印支期, 峰值年龄明显偏年轻。野外沉积构造指示古流向从南向北搬运, 滨海相沉积特征明显(图7-g, 7-h)。

南海南部在晚白垩世— 中始新世属古南海的一部分, 是古南海从北向南由陆架— 陆坡— 深海大洋的延伸部分, 接受了南海北部及中南半岛来源的沉积物, 沉积物中重矿物含有较多变质矿物, 碎屑锆石年龄谱系与南海北部完全相同(图8-a)。

图8

Fig.8

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	图8 南海南部晚白垩— 中中新世古河流演化重建 a— 晚白垩世— 中始新世, 俯冲碰撞前正常海相沉积; b— 晚始新世± 37 Ma沙捞越造山运动后, 短时近源搬运; c— 晚始新世— 早中新世, 沉积物轴向搬运为主; d— 中中新世± 17 Ma沙巴造山运动后, 沉积物横向搬运为主Fig.8 Late Cretaceous-middle Miocene palaeo-river evolution reconstruction for the southern South China Sea

在37 Ma左右古南海与沙捞越发生俯冲拼合, 形成沙捞越造山运动, 该造山隆褶带仅在短时间内向曾母前陆盆地提供沉积物, 组成Crocker扇底部的砾岩沉积层(图8-b)。在晚始新世到早中新世, 曾母— 文莱沙巴盆地主要接受来自马来半岛在内的南海西侧物源, 沉积物沿盆地长轴方向进行搬运。由于河流搬运距离远, 沉积物重矿物中稳定重矿物含量极高, 锆石含量达95%左右, 碎屑锆石年龄谱系表现为以印支期为主峰的多峰宽谱特征, 在曾母盆地形成大型三角洲平原及三角洲前缘沉积, 在东侧文莱沙巴盆地则以深海浊积扇沉积为特征, 形成世界上罕见的大型河流三角洲及深水扇组合体系(图8-c)。

古南海在中中新世(17 Ma左右)与沙巴发生俯冲拼合, 形成沙巴造山运动, 文莱沙巴盆地进入前陆盆地演化阶段, 沉积物碎屑锆石U-Pb年龄谱系表现出以燕山期为主峰的多峰宽谱特征。由于沉积物来自盆地南部隆褶带, 该隆褶带除新生代岩浆岩外, 还包括Rajang群砂泥岩及Crocker扇砂岩等沉积岩及其变质岩, 使沉积物出现新生代锆石年龄, 稳定重矿物含量有所下降, 变质矿物含量增多, 沉积物搬运方向转为从南向北以横向搬运的方式进入洋盆(图8-d)。