马琼, 乔培军, 于强, 邵磊. (2024). 植物生态学方法在沉积环境恢复中的应用: 以南海北部白云凹陷为例* [J]. 古地理学报, 26(2): 341-353.
MA Qiong, QIAO Peijun, YU Qiang, SHAO Lei. (2024). Application of plant ecology methods in palaeoenvironment reconstruction: a case study of Baiyun sag in northern South China Sea[J]. Journal Of Palaeogeography, 26(2): 341-353.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2024.02.022
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植物生态学方法在沉积环境恢复中的应用: 以南海北部白云凹陷为例*
马琼1, 乔培军1, 于强2, 邵磊1
1 同济大学海洋地质国家重点实验室,上海 200092
2 中海石油实验中心深圳实验中心,广东惠州 516000
通讯作者简介 乔培军,男,1979年生,副教授,主要从事沉积古环境和沉积物源研究。 E-mail: qiaopeijun@tongji.edu.cn。

第一作者简介 马琼,女,1999年生,硕士研究生,专业方向为海洋地质学与古环境。 E-mail: 2131641@tongji.edu.cn。

收稿日期:2023-08-04 修回日期:2023-11-03
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 42076066)资助
摘要

新生代早期是南海北部古地理发生巨变的时期,沉积环境经历了从陆到海的转变,通过植物生态学方法准确揭示这一过程发生的时间及过程,对本地区古地理的恢复具有重要意义。本研究选取南海北部深水区白云凹陷代表性钻井样品,通过孢粉藻类分析,揭示古近纪海侵过程。研究表明: 早中始新世文昌组沉积时期,白云凹陷为未受海侵影响的河湖相环境; 晚始新世恩平组沉积时期,凹陷东部和东南部为浅海相环境,海相沟鞭藻大量出现,凹陷南部隆起带早期为河湖相环境,晚期变为海陆过渡相环境,凹陷西北部为大型河流三角洲相环境; 渐新世珠海组沉积时期,凹陷东部和东南部以陆坡深水环境为主,凹陷西北部及南部为海陆过渡相,西北部发育大型河流三角洲; 早中新世,由于全球海平面上升及南海扩张轴发生转向,整个白云凹陷大部分地区处于陆坡深海环境。综上,海侵最早发生在白云凹陷的东部和东南部,呈由东向西的推进,西部海侵发生时间最晚,这一过程与南海洋壳从东向西逐步打开完全一致。

关键词: 南海; 古近纪; 海侵过程; 沉积环境; 植物生态学
中图分类号:P512.2,Q913.84 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2024)02-0341-13
Application of plant ecology methods in palaeoenvironment reconstruction: a case study of Baiyun sag in northern South China Sea
MA Qiong1, QIAO Peijun1, YU Qiang2, SHAO Lei1
1 State Key Laboratory of Marine Geology,Tongji University,Shanghai 200092, China
2 Central Laboratory Shenzhen Branch,CNOOC Energy Technology & Services-Drilling & Production Co., Guangdong Huizhou 516000, China
About the corresponding author QIAO Peijun,born in 1979,an associate professor,is engaged in research on sedimentary palaeoenvironment and sediment provenance. E-mail: qiaopeijun@tongji.edu.cn.

About the first author MA Qiong,born in 1999,a master degree candidate,majors in marine geology and palaeoenvironment reconstruction. E-mail: 2131641@tongji.edu.cn.

Fund:Financially supported by the National Natural Science Foundation of China(No.42076066)
Abstract

The palaeogeography in the northern South China Sea changed drastically in the Early Cenozoic era and the sedimentary environment underwent a transition from land to sea. The plant ecology methods are powerful in accurately revealing the transition time and processes,which is of great significance for the restoration of palaeogeography in this region. In this study,representative borehole samples are collected from the deep-water area of the Baiyun sag in the northern South China Sea to investigate the Paleogene transgression based on sporopollen algae analysis. The results show that the Baiyun sag was dominated by fluvial and lacustrine facies that was not affected by marine transgression of the Wenchang Formation in the Early to Middle Eocene. In the Enping Formation of Late Eocene,eastern and southeastern parts of the Baiyun sag developed into a shallow marine environment characterized as the development of a large number of marine sporopollen algae. The fluvial and lacustrine environments developed in the southern part in the early stage,and it transforms into marine and land transition environment. The northwestern part was dominated by large river delta environment. For the southern uplift zone of the Baiyun sag,it was characterized by fluvial lacustrine facies environment in the early stage,while it transformed into the marine and land transition environment in the late stage. The northwestern part of the depression was dominated by the large river delta environment. During the depositional period of the Zhuhai Formation in the Oligocene,it revealed a continental slope-deep sea environment in eastern and southeastern parts of the Baiyun sag,a transitional depositional environment occurred in northwestern and southern parts,and the large river delta appeared in the northwest part of the sag. Due to global sea level rise and sudden shift of the South China Sea spreading axis,most parts of the Baiyun sag were located in the continental slope environment in the early Miocene. Transgression initiated from the eastern and southeastern parts of the Baiyun sag and subsequently advanced towards the western areas,which is completely consistent with the gradual opening of the South China Sea oceanic crust from east to west.

Key words: South China Sea; Paleogene; transgressive process; depositional environment; plant ecology

沉积环境的准确恢复是沉积盆地研究中极为常见且必要的工作。当前沉积环境恢复的方法及手段较多, 但研究效果参差不齐。如常见的地球物理方法, 包括地震数据解释、测井资料综合分析等, 虽然可实现三维空间上的精细描述以及沉积微相的划分, 但是仍需要钻井岩心的资料标定(李阳, 2013); 而元素地球化学方法可通过相关指标定量描述沉积古氧相、古水深和古盐度环境, 但是由于沉积物后期成岩作用的影响, 元素地球化学指标亦存在极大的不确定性, 因此需要与其他指标综合使用(石创等, 2020)。相对而言, 植物生态学方法具有较高的准确度, 依据植物生态特性可以把植物分为陆生及滨岸类、淡水藻类和咸水藻类, 根据不同类型孢粉藻类组合比例可进行沉积环境及水体深度的推测。目前, 孢粉藻类等古生物资料是古沉积环境研究中被广泛使用、最为可靠的材料之一(郝诒纯和茅绍智, 1993; 吴国瑄等, 2003; 麦文等, 2016)。

珠江口盆地是南海北部最大的新生代盆地, 白云凹陷作为珠江口盆地面积最广、水深最大的次级凹陷, 古近纪经历了复杂的构造活动, 伴随南海的逐步形成, 其沉积环境逐渐由陆相向海相转变(高阳东等, 2021)。白云凹陷在早中始新世文昌组沉积时期海侵还未开始, 为陆相湖泊— 三角洲沉积环境(张功成等, 2014; 张丽丽等, 2019; 高阳东等, 2021; 郭伟等, 2022; 吴哲等, 2022)。晚始新世恩平组沉积时期, 凹陷各区域受到了不同程度的海侵影响, 接受部分海相沉积, 表现为海陆过渡— 浅海沉积环境, 西侧由于河流的输入呈大型辫状河三角洲沉积环境(王家豪等, 2011; 张功成等, 2014; 张浩等, 2015; Li et al., 2017; 邵磊等, 2019; 吴哲等, 2022)。早渐新世珠海组下段沉积时期, 海平面迅速上升, 发生大规模海侵, 凹陷北部在凹陷西侧物源输入的影响下发育大型三角洲(向绪洪等, 2024)。晚渐新世珠海组上段沉积时期, 白云凹陷发生强烈海退, 北部三角洲由北向南一直推进到了凹陷南侧。早中新世珠江组沉积时期, 白云凹陷又开始了新的海进(柳保军等, 2007; 吴景富等, 2010; 李阳, 2013; 张功成等, 2014; 吴哲等, 2022)。虽然前人的研究已取得丰硕的成果, 然而对于不同时期白云凹陷各区域海侵路径及海陆环境演变过程并未开展深入研究。

珠江口盆地古近纪孢粉藻类化石丰富, 已广泛应用于盆地地层划分(郝诒纯等, 1996)和沉积环境恢复(麦文等, 2016; 张丽丽等, 2019), 为白云凹陷古近纪海陆沉积环境演变提供了良好的研究素材。文昌组河湖相淡水浮游藻类化石异常丰富, 例如Pediastrum(盘星藻属)、Granodiscus/Leiosphaeridia(粒/光面球藻)。恩平组开始出现海相沟鞭藻化石, 例如Operculodinium centrocarpum(刺果口盖藻)、Spiniferites spp.(刺甲藻)、Cordosphaeridium spp.(心球藻)、Cleistosphaeridium spp.(繁棒藻)等。珠海组多处可见海相沟鞭藻, 例如Operculodinium centrocarpum、Spiniferites spp.等。珠江组以大量出现的海相沟鞭藻为特征, 例如Operculodinium centrocarpum、Spiniferites spp.等(郝诒纯等, 1996)。目前对白云凹陷古近纪孢粉学的研究主要是用于地层时代的划分及烃源岩类型的识别, 对于不同区域河湖相藻类、海相沟鞭藻的差异分布及其反映的区域环境变化研究则较少, 尚未形成系统认识。

本研究选取南海北部珠江口盆地反映海陆变化灵敏的白云凹陷钻井岩屑样品的孢粉藻类分析结果, 结合钙质超微化石及有孔虫等微体古生物资料, 揭示该地区古近纪及新近纪早期海陆变化过程, 推测南海北部最早海侵过程及路径, 重建研究区新生代早期古地理环境演化历史。探究白云凹陷不同区域古近纪至早中新世海侵过程及由陆相到海相的沉积环境转变, 结合南海大洋钻探研究成果, 建立南海北部沉积环境演变史, 是重建南海形成过程及海陆变迁的重要一环。

1 研究背景

白云凹陷位于南海北部珠江口盆地南部陆坡深水区, 地处洋陆过渡壳之上, 水深200~2000 m。该凹陷北连番禺低隆起, 东至东沙隆起和云荔低隆起, 南接南部隆起, 西邻云开低凸起(图 1), 总面积超过2× 104 km2, 其中约70%的地区水深大于500 m, 是珠江口盆地中面积最广、水深最大的凹陷。白云凹陷新生代沉积厚度达11 km(庞雄等, 2007; 张功成等, 2014; 赵玉娟等, 2017), 完整记录了南海扩张形成以来的环境演变信息, 如图 2所示, 从始新世到早中新世共发育4套地层, 分属3个构造演化阶段, 分别为下中始新统文昌组(断陷期)、上始新统恩平组(断拗期)及渐新统珠海组和下中新统珠江组(拗陷期)。文昌组和恩平组沉积时期, 白云凹陷为湿润的热带— 亚热带气候, 植被类型是常绿阔叶林和灌草丛, 而珠海组和珠江组沉积时期为半湿润的亚热带气候, 植被类型是常绿阔叶林和草丛(喻凤, 2017)。由于发生明显的气候转换, 白云凹陷始新世— 渐新世孢粉藻类组合存在明显差异, 使之成为该地区地层划分的主要依据。

图 1 白云凹陷区域背景及研究井位分布Fig.1 Background and well locations in Baiyun sag

图 2 白云凹陷始新世— 早中新世地层柱状图Fig.2 Stratigraphic column chart of Baiyun sag from the Eocene to Early Miocene

2 材料与方法

本研究选取珠江口盆地深水区白云凹陷不同区域的7口钻井— — B1井、B2井、B3井、B4井、B5井、B6井、B7井进行研究, 地层时代跨度从始新世到早中新世, 岩石类型主要包括砂岩、粉砂岩和泥岩, 在B1、B2及B4井还发育有少量碳酸盐岩。本研究通过岩屑样品的孢粉藻类研究进行古生态学分析, 共分析样品225个, 其中样品分布如表 1所示, 研究区位置及井位分布如图 1-b所示。

表 1 本研究225个样品分布情况一览表 Table1 The distribution of 225 samples in this study

样品处理分析过程中, 首先用盐酸去除碳酸钙质、氢氟酸去除硅质, 再用筛孔直径7 mm的筛网水洗过筛, 得到孢粉、浮游藻类、有机壁微体化石及各种有机碎屑, 之后将所得物质洗净后加标志体(中国科学院地质与地球物理研究所孢粉实验室研制, 含石松孢子27 637个)制片观察, 最后在LEI-CA(DMR)生物显微镜下统计孢粉藻类化石的种类和数目。所有样品的处理和分析均在同济大学海洋地质国家重点实验室完成。研究中仅选取统计孢子花粉化石65粒以上具有统计学意义的样品进行分析。各钻井层位数据由中海石油深圳分公司提供。

本次研究将孢粉藻类分析结果分为3个大类, 分别是孢粉(包括蕨类植物孢子、裸子植物花粉和被子植物花粉)、河湖相藻类和海相沟鞭藻。孢粉化石具有陆源指向性, 对湿度、温度具有敏感性和趋向性, 反映沿岸及沉积物源地区的植被面貌(杨振京和徐建明, 2002; 吴国瑄等, 2003; 杨振京等, 2011; 许可可等, 2023)。藻类化石主要来自盆地水体自生生物, 如刺甲藻属、口盖藻属等沟鞭藻化石, 个体微小, 数量丰富, 地理分布广泛, 指示海相咸水沉积环境, 盘星藻属、褶皱藻属等指示淡水河湖相沉积环境, 光面球藻属、粒面球藻属等指示淡水— 微咸水河湖相沉积环境(郝诒纯和茅绍智, 1993; 麦文等, 2016)。由于藻类植物对水体古盐度较为敏感, 因此常用来区分海陆相沉积(何承全等, 2009; 祝幼华, 2021)。

孢粉藻类相对丰度则与沉积物距岸远近和水体深度紧密相关。如孢粉的相对丰度从陆架边缘→ 大陆架→ 大陆斜坡→ 上陆隆, 呈现出递减的趋势; 海相沟鞭藻在陆架边缘鲜有出现, 自陆架边缘到外陆架, 随着水体深度增大, 相对丰度逐渐增加; 而从外陆架到大陆坡, 随着水体深度进一步加大, 海相沟鞭藻的丰度又逐渐减少。因此, 可根据不同孢粉藻类的相对含量变化来解释水体环境变迁(Stover and Williams, 1982)。

3 分析结果

本次分析所见孢粉藻类化石中, 常见的植物孢粉为: 蕨类植物孢子Polypodiaceaesporites spp.(水龙骨单缝孢)、Deltoidospora spp.(三角孢)、Osmundacidites spp.(紫萁孢), 裸子植物花粉Pinuspollenites spp.(双束松粉)、Taxodiaceaepollenites sp.(破隙杉粉), 被子植物花粉Quercoidites spp.(栎粉)、Liquidambarpollenites spp.(枫香粉)、Tricolpopollenites spp.(三沟粉)、Tricolporopollenites spp.(三孔沟粉)、Dicolpopollis kockelii(柯氏双沟粉)。常见的河湖相藻类为: Pediastrum (盘星藻)、Granodiscus(粒面球藻)、Leiosphaeridia(光面球藻)。常见的海相沟鞭藻为: Spiniferites spp.(刺甲藻)、Operculodinium spp.(口盖藻)、Cordosphaeridium spp.(心球藻)、Polysphaeridium spp.(多球藻)、Cleistosphaeridium spp.(繁棒藻)、Homotryblium spp.(半囊藻)。

3.1 白云凹陷东部

本次研究共有2口钻井位于白云凹陷东部, 其中B1井27个岩屑样品分布于2540~3227 m井段, B2井31个岩屑样品分布于2705~3280 m井段。2口钻井的孢粉藻类组分变化见图 3。

图 3 白云凹陷东部及东南部 B1井、B2井、B3井孢藻组分变化Fig.3 Changes of sporopollen and algae components in Wells B1, B2 and B3 in Baiyun sag

B1井:2960~3227 m井段(恩平组), 孢粉和海相沟鞭藻含量高, 孢粉含量45.0%~89.9%(平均54.9%), 双束松粉、栎粉、水龙骨单缝孢含量显著; 海相沟鞭藻含量3.7%~53.3%(平均41.4%), 主要是繁棒藻、心球藻、多球藻、半囊藻等; 河湖相藻类含量极低, 仅占0.5%~8.5%(平均3.8%)。2540~2900 m井段(珠海组), 以孢粉为主, 含量64.1%~98.0%(平均88.8%), 双束松粉含量显著升高, 栎粉、水龙骨单缝孢含量大致不变; 海相沟鞭藻含量1.0%~31.4%(平均9.7%), 主要是刺甲藻和半囊藻, 繁棒藻、心球藻、多球藻和半囊藻含量锐减; 河湖相藻类含量极低, 仅为0~4.6%(平均1.4%), 光面球藻零星出现。

B2井:孢粉藻类组合与B1井相似。3095~3280 m井段(恩平组), 孢粉含量37.9%~66.3%(平均55.2%), 双束松粉含量显著, 其次是破隙衫粉、枫香粉和水龙骨单缝孢; 海相沟鞭藻含量26.5%~65.9%(平均43.3%), 口盖藻、心球藻、刺甲藻和半囊藻含量较高; 河湖相藻类含量极低, 仅为0~7.2%(平均1.5%), 主要是盘星藻。2705~3085 m井段(珠海组), 孢粉含量大幅升高, 占比86.9%~99.2%(平均94.6%), 双束松粉、水龙骨单缝孢、枫香粉和三角孢含量显著升高, 双束松粉占绝对优势; 海相沟鞭藻含量大幅降低, 为0~8.5%(平均3.1%), 主要是口盖藻和刺甲藻; 河湖相藻类含量极低, 为0~8.3%(平均2.4%), 主要是盘星藻。

3.2 白云凹陷东南部

本次研究仅有B3井位于白云凹陷东南部。16个岩屑样品分布于3850~4275 m井段, 孢粉藻类组分变化见图 3。

B3井:4270~4275 m井段(文昌组), 孢粉占82.3%, 主要是双束松粉, 枫香粉和水龙骨单缝孢也有一定含量; 河湖相藻类占15.2%, 主要是盘星藻; 海相沟鞭藻含量极低, 仅占2.5%。4040~4210 m井段(恩平组), 以孢粉为主, 含量43.4%~71.0%(平均58.7%), 双束松粉含量略有降低但仍占主导地位, 其次是枫香粉和破隙衫粉等; 海相沟鞭藻含量急剧升高, 占比27.1%~56.6%(平均39.7%), 刺甲藻、口盖藻和繁棒藻含量显著; 河湖相藻类含量极低, 为0~4.6%(平均1.5%), 主要是粒面球藻。3850~4005 m井段(珠海组), 孢粉含量极高, 占76.8%~88.3%(平均81.7%), 双束松粉含量回升, 其次是枫香粉和胡桃粉等; 海相沟鞭藻含量大幅降低, 占7.5%~22.5%(平均14.7%), 以刺甲藻和口盖藻为主; 河湖相藻类含量极低, 仅占0.7%~7.7%(平均3.6%), 主要是盘星藻和粒面球藻。

3.3 白云凹陷南部隆起带

共有2口钻井位于白云凹陷南部隆起带, 其中B4井的58个岩屑样品分布于2510~4456 m井段, B5井的51个岩屑样品分布于2805~4475 m井段。2口钻井的孢粉藻类组分变化见图 4。

图 4 白云凹陷南部隆起带 B4井、B5井孢藻组分变化Fig.4 Changes of sporopollen and algae components in Wells B4 and B5 in Baiyun sag

B4井:4375~4456 m井段(文昌组), 全是孢粉化石, 水龙骨单缝孢占绝对优势, 其次是沼泽光叶藤、栎粉等, 未出现藻类化石。3535~4355 m井段(恩平组), 孢粉占绝对优势, 占比67.8%~100%(平均90.2%), 水龙骨单缝孢含量逐渐降低, 双束松粉含量逐渐升高, 柯氏双沟粉含量在几个层位尤为显著; 河湖相藻类含量不高但较为连续, 为0~18.8%(平均4.1%), 主要是盘星藻, 粒面球藻含量逐渐升高; 海相沟鞭藻含量逐渐升高, 为0~29.1%(平均5.7%), 在3590~3700 m井段大量出现, 主要是口盖藻和刺甲藻。2690~3500 m井段(珠海组), 孢粉占绝对优势, 占比68.9%~100%(平均90.9%), 水龙骨单缝孢含量波动升高, 双束松粉含量骤增, 枫香粉含量逐渐升高; 河湖相藻类含量很低但较为连续, 为0~11.7%(平均4.6%), 粒面球藻含量升高, 盘星藻含量降低直至消失; 海相沟鞭藻含量0~24.5%(平均4.4%), 口盖藻、刺甲藻含量逐渐降低。2505~2620 m井段(珠江组), 以孢粉为主, 占比48.8%~77.9%(平均64.0%), 双束松粉和水龙骨单缝孢含量降低; 海相沟鞭藻含量显著升高, 占比22.1%~33.2%(平均28.5%), 以口盖藻和刺甲藻为主; 河湖相藻类含量为0~20.8%(平均7.5%), 基本都是盘星藻。

B5井:3015~4475 m井段(珠海组), 孢粉占绝对优势, 含量77.0%~100%(平均92.9%), 以双束松粉、枫香粉、水龙骨单缝孢、三沟粉和栎粉为主; 河湖相藻类含量很低但较为连续, 为0~12.4%(平均6.0%), 主要是盘星藻、粒面球藻; 海相沟鞭藻含量极低, 为0~6.2%(平均1.1%), 口盖藻在下段偶有出现。2805~2985 m井段(珠江组), 以孢粉为主, 含量61.4%~76.7%(平均70.7%), 以双束松粉和水龙骨单缝孢为主, 枫香粉、三沟粉和栎粉含量明显降低; 海相沟鞭藻含量大幅增加, 占比3.6%~38.1%(平均25.3%), 口盖藻和刺甲藻含量显著; 河湖相藻类含量极低, 为0~22.6%(平均4.0%), 仅在2925~2930 m井段出现较多盘星藻。

3.4 白云凹陷西北部

共有2口钻井位于白云凹陷西北部, 其中B6井32个岩屑样品分布于3345~4610 m井段, B7井的10个岩屑样品分布于4230~4625 m井段。2口钻井的孢粉藻类组分变化见图 5。

图 5 白云凹陷西北部B6井、B7井孢藻组分变化Fig.5 Changes of sporopollen and algae components in Wells B6 and B7 in Baiyun sag

B6井:4245~4610 m井段(恩平组), 孢粉占绝对优势, 占比99.0%~100%(平均99.8%), 水龙骨单缝孢含量最高, 其次是三沟粉、三孔沟粉、柯氏双沟粉等; 未统计河湖相藻类; 基本不含海相沟鞭藻。3615~4035 m井段(珠海组), 孢粉占绝对优势, 占比92.5%~99.0%(平均93.2%), 水龙骨单缝孢含量大幅降低, 双束松粉、栎粉、破隙衫粉含量升高; 未统计河湖相藻类; 仅在珠海组上段3615 m处出现大量海相沟鞭藻化石(27.5%), 其余层位海相沟鞭藻含量较低且零星出现。3345~3590 m井段(珠江组), 孢粉占绝对优势, 占比64.1%~97.1%(平均88.5%), 水龙骨单缝孢和栎粉含量升高, 双束松粉、破隙衫粉、栗粉等也有一定含量; 未统计河湖相藻类; 海相沟鞭藻含量大幅升高, 占比2.9%~35.9%(平均11.5%)。

B7井:4245~4610 m井段(恩平组), 孢粉占绝对优势, 占比78.6%~98.5%(平均91.2%), 三沟粉、栎粉、水龙骨单缝孢、双束松粉等含量较高; 河湖相藻类含量较低但连续出现, 为1.5%~21.4%(平均8.8%), 基本都是盘星藻; 不含海相沟鞭藻。

4 海陆沉积环境

南海北部深水区始新世到早中新世经历了复杂的构造演变, 海水频繁进退, 极大地影响着白云凹陷的沉积环境, 凹陷不同区域先后经历了由陆到海的环境转变(秦国权, 2002; 邵磊等, 2005; 庞雄等, 2007; 吴景富等, 2010; 朱伟林, 2010)。根据孢粉藻类古生态学证据, 可以重建深水区始新世— 早中新世不同区域的海陆沉积环境。

4.1 早中始新世文昌组沉积时期

文昌组是白云凹陷最早发育的沉积地层, 由于埋藏深度大, 本研究仅有凹陷东南部B3井和凹陷南部隆起带 B4井钻遇文昌组, 均以高含量的孢粉化石为特征。B3井河湖相藻类含量低但较为连续, 主要是淡水盘星藻, 基本不含海相沟鞭藻(图 4), 反映沉积环境为淡水湖泊。B4井不含藻类化石, 结合前人研究成果(张丽丽等, 2019; 向绪洪等, 2024), 推测沉积环境为陆相扇三角洲(图 4)。文昌组的优势孢粉为双束松粉、栎粉、枫香粉、胡桃粉、破隙衫粉等, 反映源区植被为亚热带落叶阔叶— 常绿针叶混交林, 气候温暖湿润。

文昌组沉积时期, 在珠琼运动的影响下, 南海北部发生大规模断裂活动, 白云凹陷处于裂陷活动期, 发育多个陆相断陷湖盆, 存在多个沉积中心, 其中凹陷主洼发育半深湖相沉积, 凹陷边缘发育扇三角洲沉积, 总体上经历了初始成盆、强烈断陷的沉积相及最后充填为浅湖相的沉积演化过程(朱伟林, 2010; 张功成等, 2014; 高阳东等, 2021; 吴哲等, 2022; 向绪洪等, 2024)。前人研究证实, 白云凹陷文昌组普遍富含以盘星藻和球藻为主的淡水藻类, 说明文昌组沉积背景为淡水湖泊(施和生等, 2017)。因此, 白云凹陷在早中始新世断陷开始发育时, 整体处于陆相沉积环境, 未受海侵影响。

4.2 晚始新世恩平组沉积时期

IODP367、368航次研究成果显示, 南海在始新世末开始打开, 形成初始洋壳, 位于洋壳边缘的U1501及1504站晚始新世为滨浅海相沉积(Jian et al., 2019)。此时, 白云凹陷进入以拆离断裂为特征的断拗转换期。凹陷东北部恩平组以孢粉及海相沟鞭藻化石为主, 河湖相藻类含量极低(图 3), 其沉积环境应为浅海陆架环境。凹陷东南部也发育大量海相沟鞭藻化石(图 3), 指示受到强烈的海水侵入影响, 反映出沉积环境由早中始新世陆相淡水湖泊转变为晚始新世浅海环境。凹陷南部隆起带早期基本不含海相沟鞭藻, 以孢粉为主, 河湖相藻类连续出现, 从淡水盘星藻逐渐向淡水— 半咸水粒面球藻过渡, 到晚期海相沟鞭藻连续出现且含量丰富, 反映出其受海侵影响显著, 说明沉积环境由早期的陆相淡水湖泊转为晚期的海陆过渡相环境。在凹陷西部地层中, 微体化石以孢粉为主, 河湖相藻类含量较低, 不含海相沟鞭藻, 结合前人研究成果(Cui et al., 2019; 邵磊等, 2019), 推测沉积环境为辫状河三角洲(图 5)。恩平组白云凹陷优势孢粉为双束松粉、栎粉、破隙衫粉、枫香粉、柯氏双沟粉等, 与文昌组非常相似, 推测源区植被仍为亚热带落叶阔叶— 常绿针叶混交林, 但是B4井双束松粉含量明显升高, 推测恩平组沉积时期气候比文昌组沉积时期冷。可以看出, 晚始新世是白云凹陷沉积环境发生重要改变的时期, 在凹陷东部和南部开始发育海相沉积, 沉积环境由文昌组的淡水湖泊相转变为陆架浅海相, 而凹陷西北部尚未受到海侵作用影响, 仍为陆相沉积。

晚始新世是南海打开形成的重要时期, 南海北部白云凹陷处于陆壳拆离断裂背景下的断拗转换期, 凹陷发生整体沉降, 沉积范围不断扩大, 凹陷内各次级洼陷相互连通, 在地势上形成西北高、东南低的盆地形态格局, 凹陷东部及东南部受到海侵作用影响, 以滨浅海相为主, 西部在昆莺琼古河流陆源输入的影响下, 发育大型辫状河三角洲及三角洲平原沉积(Cui et al., 2019; 邵磊等, 2019)。

研究发现, 白云凹陷东部和东南部在晚始新世最早进入海相沉积环境, 而此时西北部仍为陆相沉积, 推测海侵过程应是从白云凹陷东部或东南部进入, 而非长期以来认为的凹陷南部, 这也间接印证了东沙隆起形成的时间较晚。结合目前已有的地球物理资料, 推测很有可能是晚中新世东沙运动造成东沙隆起发生强烈隆升(赵淑娟等, 2012)。

4.3 渐新世珠海组沉积时期

珠海组孢粉藻类组合的最大特点是海相沟鞭藻普遍存在, 但各区域含量相差悬殊。在白云凹陷东部及东南部以陆相输入孢粉为主, 河湖相藻类零星出现且含量极低, 海相沟鞭藻含量也明显降低(图 3)。由于海相沟鞭藻在浅海50~200 m的陆架区含量最高, 具有向陆及向海均降低的分布特点(Stover and Williams, 1982), 结合该地区在晚始新世已经为浅海陆架环境, 可以认为白云凹陷东部及东南部此时海水进一步加深, 整体为陆坡深水环境。位于凹陷南部的B4井、B5井珠海组沉积早期孢藻组合与下伏恩平组地层类似, 孢粉含量显著, 河湖相藻类连续出现, 同时出现较多海相沟鞭藻, 推测是海水频繁进入及河流输入物质有限的结果, 沉积环境为受海侵影响的海陆过渡相三角洲; 晚期河湖相藻类连续出现, 海相沟鞭藻零星分布且含量极低, 推测沉积环境以陆相环境为主, 偶尔受到海水入侵影响。凹陷西部地层以孢粉为主, 偶尔出现少量海相沟鞭藻, 结合该地区为大型河流注入形成的三角洲环境(向绪洪等, 2024), 其应为海陆过渡相沉积环境。珠海组孢粉类型与恩平组非常相似, 优势孢粉为双束松粉、栎粉、破隙衫粉、枫香粉、三沟粉等, 推测源区植被为亚热带落叶阔叶— 常绿针叶混交林, 双束松粉含量持续升高, 气候变冷加剧。

由于始新世末南海运动的影响, 白云凹陷由晚始新世断拗型盆地转为渐新世的拗陷型盆地, 盆地发生大面积沉降, 海侵作用强烈。由于盆地西侧昆莺琼古河与盆地北侧古珠江为盆地提供了大量陆源物质(Shao et al., 2019; 邵磊等, 2019; 向绪洪等, 2024), 造成盆地整体水深较浅, 形成以海陆过渡相及滨浅海相为主的沉积环境。

4.4 早中新世珠江组沉积时期

进入早中新世, 在之前较少出现海相沟鞭藻的白云凹陷西北部及南部隆起带地层中均有大量海相沟鞭藻出现(图 4; 图5), 反映海水进一步加深, 为陆架浅海环境。凹陷东部及东南部发育大量海相微体古生物化石, 形成抱球虫灰岩, 反映了半深海的沉积环境(吴梦霜等, 2013)。可以看出, 白云凹陷珠江组沉积时期, 海水进一步加深, 凹陷主体以陆坡半深海环境为主, 仅在凹陷西部及南部隆起带为浅海环境。珠江组双束松粉含量略有下降, 栎粉含量上升, 气候稍有回暖。

5 南海北部海侵过程与沉积环境演化

1999年南海大洋钻探ODP1148站首次在南海北部渐新世地层中发现了再沉积的海相始新世化石, 证明了南海北部始新世海相地层的存在(汪品先等, 2003)。IODP367-368航次U1501及1504站晚始新世为滨浅海相沉积, 位于洋壳之上的U1502站则为深海沉积, 海水深度具从南向北变浅的趋势(Jian et al., 2019)。根据本次研究结果, 结合南海大洋钻探等认识, 可以重建南海北部东侧深水区新生代早期的海陆演化过程(图 6)。图 6中的海侵面积是根据文中白云凹陷7口钻井的河湖相藻类和海相沟鞭藻的地区组合特征, 结合研究区三维地震沉积相资料编制而成。早中新世珠江组沉积时期南海北部浅水区的海岸位置则是通过钻井资料推测而来。

图 6 白云凹陷始新世至早中新世海侵过程
a— 早中始新世文昌组沉积时期; b— 晚始新世恩平组沉积时期; c— 渐新世珠海组沉积时期, 图中显示高水位期; d— 早中新世珠海组沉积时期Fig.6 Transgression process of Baiyun sag from the Eocene to Early Miocene

早中始新世文昌组沉积时期, 白云凹陷沉积环境为陆相河湖环境, 未受海侵影响(图 6-a)。晚始新世恩平组沉积时期, 凹陷东部及东南部最早发生海侵, 沉积环境为浅海陆架; 南部隆起早期未受海侵影响, 为陆相淡水湖泊, 晚期海水入侵, 变为海陆过渡相沉积环境; 凹陷西部一直未受海侵影响, 沉积环境为辫状河三角洲(图 6-b)。渐新世珠海组沉积时期, 凹陷东部及东南部一直处于浅海陆架环境, 晚期海水进一步加深, 变为深水陆坡环境; 凹陷西部及南部隆起频繁发生海泛, 为海陆过渡相环境, 其中凹陷西部为辫状河三角洲为主的海陆过渡环境(图 6-c)。早中新世珠江组沉积时期, 受南海进一步扩张及全球海平面升高双重影响, 整个白云凹陷全部转为海相环境, 凹陷大部分地区为陆坡深海环境, 在凹陷西部及南部隆起则为浅海环境(图 6-d)。

长期以来, 白云凹陷古近纪海侵路径一直被认为是从南到北(柳保军等, 2007; 李阳, 2013)。本次研究结果显示, 白云凹陷古近纪海侵最先发生在凹陷东部及东南部, 而凹陷南部直到始新世晚期方受到海侵作用影响, 转为海陆过渡相沉积, 到早中新世才进入浅海相环境。因此, 南海北部深水区最早发生海侵的路径为从东向西, 与南海自东向西逐步扩张形成完全同步。

6 结论

本次研究通过7口钻井的古生物孢粉藻类资料, 结合前人研究结果, 分析了南海北部深水区白云凹陷海侵影响下沉积环境的变化过程, 印证了植物生态学在沉积环境恢复中的有效性和准确性。研究得出以下认识:

1)早中始新世南海扩张之前, 南海北部深水区均为陆相湖泊沉积, 以孢粉为主, 河湖相藻类发育。晚始新世南海开始扩张后, 南海北部深水区白云凹陷东部和东南部转为陆架浅海环境, 地层中发育大量海相沟鞭藻; 此时, 凹陷南部隆起带早期地层中仅含孢粉及河湖相藻类, 沉积环境为陆相淡水湖泊, 晚期河湖相藻类和海相沟鞭藻并存, 为海陆过渡相沉积环境; 凹陷西北部始终不含海相沟鞭藻, 为陆相环境。渐新世南海东部次海盆持续扩张, 白云凹陷东部和东南部海水进一步加深, 转为陆坡深水环境; 凹陷西北部及南部隆起带均为海陆过渡相沉积环境。早中新世南海扩张轴转向, 西南次海盆打开, 白云凹陷发生进一步沉降, 海水加深, 大部分地区进入陆坡深水环境, 仅在凹陷西北部及南部隆起带为陆架浅海环境。

2)白云凹陷海侵具有从东向西推进的特征, 在时间及方式上与南海扩张打开过程完全一致; 凹陷南部隆起带沉降时间相对较晚, 在晚始新世晚期开始接受海相沉积; 白云凹陷东侧的东沙隆起应在中新世之后隆升形成。

(责任编辑 张西娟; 英文审校 刘贺娟)

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