弧陆碰撞背景下沉积物轴向与横向搬运转换*

邵 磊 鲁 毅 乔培军 崔宇驰 任建业 曹立成 马 琼

1 同济大学海洋地质重点实验室，上海200092

2 中国地质大学（武汉）湖北海洋地质资源重点实验室，湖北武汉430074

在沉积盆地演化过程中，沉积物的充填方式与盆地的形成过程密不可分，盆地充填过程主要受构造古地理的控制。轴向搬运是指沉积物沿盆地长轴方向进行的远距离输送，往往在断陷盆地中较为常见。沉积物沿断裂转折带以横向搬运的形式进入盆地，之后沿断裂带形成的盆地低部位以轴向搬运的方式进一步输送，是断陷盆地中沉积物输送的一种重要方式。在洋陆俯冲转换带，相关盆地类型众多，盆地周边构造复杂，物质来源充沛，一般认为沉积物主体来自盆地周边隆起或火山弧，从陆向海横切盆地进行沉积物的搬运堆积（Blumet al.，2017；
Pettitet al.，2019）。近年来，随着沉积物源汇对比手段的不断完善，可以精准确定盆地不同构造演化阶段沉积物的来源，进而发现轴向搬运在弧后前陆盆地是一种重要的、普遍的搬运方式（Malkowskiet al.，2016；
Sharmanet al.，2017）。在洋陆俯冲转换带，由于受俯冲带隆凹相间的构造古地形限制，轴向搬运也是沉积物的一种重要搬运方式（Shaoet al.，2019；
崔宇驰等，2022），搬运距离可以长达上千千米。在南海新生代早期的演化过程中，轴向和横向交互搬运对沉积物的输送起到了至关重要的作用。

古太平洋板块与欧亚大陆中生代发生俯冲拼合，在华南地块东南缘形成安第斯型主动大陆边缘及完整的陆缘弧构造体系，该陆缘弧向西与印支地块和华南地块在三叠纪末形成的陆陆碰撞带相遇（Faureet al.，2014；
Zhuet al.，2021），转而向南延伸，在与婆罗洲地块发生俯冲拼合后转向东南（Hutchison，2005），在南海地区形成2个俯冲转折带（图1-B，1-C）。古太平洋板块在南海北部俯冲结束的时间为85—87Ma左右（Liet al.，2012；
Cuiet al.，2021a），在南海南部俯冲结束的时间分别为中始新世（沙捞越，37Ma左右）和中中新世（沙巴，17Ma左右）（Hutchison，2007；
Henniget al.，2019）。

伴随中生代末古太平洋板块俯冲后撤，华南大陆东南缘从主动大陆边缘逐步转为被动大陆边缘（Liet al.，2012），中生代基底发育一系列呈NENEE向展布的先存断裂，控制了新生代盆地的延展方向，在南北方向则形成隆凹相间的盆山格局，神狐—番禺—东沙隆褶带把珠一坳陷、珠三坳陷和琼东南盆地、珠二坳陷分割成南北2个互不相连的坳陷带（图1）。沉积盆地先后经历了初始断陷、拆离断陷及拗陷3个演化阶段（任建业等，2015；
高阳东等，2021；
吴哲等，2022）。

图1 南海北部地质背景及样品分布示意图Fig.1 Geographic map of the northern South China Sea and samp ling locations

南海南部由于新南海的扩张，导致南侧边界始终处于主动陆缘环境，使曾母盆地和文莱沙巴盆地分别在晚始新世和晚中新世进入前陆盆地演化阶段。尽管南海南北两侧在新生代盆地类型完全不同，但在沉积物的输送方式上则基本相同，即两者在盆地形成早期均有短暂的近源输送，之后都出现从西向东沿盆地轴部的长距离搬运，晚期转为南北向横向搬运。

南海北部发育的新生代盆地主要有莺歌海盆地、琼东南盆地和珠江口盆地，其中琼东南和珠江口盆地面积分别约为4.5×104km2和17.5×104km2。受中生代古太平洋板块俯冲的影响，盆地基底发育NE-NEE和EW-NWW两组主要断裂，新生代盆地初始断陷主要受这两组断裂控制，形成近东西展布、南北分带的古地理格局（图1）。琼东南盆地西界经红河走滑断裂带与莺歌海盆地相通，南部为西沙隆起，北邻海南岛，东侧经开平凹陷与珠江口盆地相通。珠江口盆地北依华南大陆，南临南海洋盆，西靠神狐隆起，东接台西南盆地，主要分为珠一、珠二及珠三坳陷（图1）。南海北部新生代盆地基底以中生代岩浆岩为主，含部分沉积岩；
在西侧神狐隆起及琼东南盆地，基底岩石发生变质，变质时间主要在中侏罗世—早白垩世，总体变质程度较低，在西沙隆起变质程度达片麻岩级（Zhuet al.，2017，2021；
Cuiet al.，2021a）。

南海北部古新统分布范围十分狭小，明显受地形控制，目前尚未在珠一、二坳陷发现，极有可能是隆褶带山间盆地的残余沉积（吴哲等，2022）。在盆地多数地区，中下始新统文昌组直接覆盖在盆地基底之上，岩性以灰色泥岩为主，夹少量灰色砂岩，以湖泊相为特征（朱伟林，2009；
高阳东等，2021），琼东南盆地基本未接受沉积，为隆升剥蚀区（蔡国富等，2013）。晚始新世恩平组沉积时期，白云凹陷西部发育河流三角洲，砂质含量比文昌组明显增多，东侧以湖相沉积为主，琼东南盆地以河流相为特征。南海大洋钻探U1435、U1501及U1504等站位均钻遇晚始新世滨浅海相沉积（Shaoet al.，2017；
Jianet al.，2019）。渐新世珠海组沉积时期，白云凹陷东侧开始出现海绿石、海相沟鞭藻以及有孔虫和超微化石，显示海相沉积开始发育，以滨浅海相为主，凹陷中部发育浊积扇（吴哲等，2022），凹陷西侧及北侧发育大型三角洲堆积（庞雄等，2007），琼东南盆地为滨浅海环境（朱伟林，2009；
Zhanget al.，2021）。

2.1 沉积物稀土元素特征

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（Yanget al.，2006；
赵梦等，2013；
Shaoet al.，2015；
Zhaoet al.，2015）。

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

2.2 碎屑锆石年龄谱系特征

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（Xuet al.，2007；
Zhonget al.，2017；
Caoet al.，2018；
Zhanget 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—170Ma，局部存在新生代岩浆岩，峰值年龄小于65Ma；
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（Cuiet al.，2021a；
Zhuet al.，2021）；
古珠江来源沉积物呈现148Ma的主峰和240Ma的次峰，以及443Ma等弱小峰值（Caoet 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（95Ma）和印支期（230Ma）2个区间（Xuet al.，2014；
Caoet al.，2015；
Leiet 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233Ma和加里东期417Ma主峰、燕山期141Ma和晋宁期752Ma的次峰，以及922Ma到2500Ma的弱小峰值（Cuiet 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。

2.3 河流体系重建

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（Shaoet 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148Ma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（Menget al.，2021；
Cuiet al.，2021b）。

图3 南海北部始新世—早中新世古河流演化重建Fig.3 Eocene-Early Miocene palaeo-river evolution reconstruction for the northern South China Sea

伴随新南海的扩张，古南海洋壳在37Ma左右与婆罗洲发生俯冲拼合，形成Rajang群与Crocker扇之间的角度不整合（Hutchison，2007；
Hall and Breitfeld，2017）。Rajang群为一套上白垩统—中始新统深海浊积岩夹远洋泥质沉积，沉积物来自中南半岛及南海北部，属古南海从北向南大陆坡前缘洋壳上的沉积产物（李莉妮等，2022）。Crocker扇为上始新统—下中新统大型河流三角洲沉积，在曾母盆地主要为三角洲平原、三角洲前缘沉积，在东部文莱沙巴盆地则为海底扇堆积（Ham ilton，1973）。也有学者认为，Crocker扇为一套古南海向南俯冲增生背景的产物（Lambiaseet al.，2008）。中中新世沙巴运动（17Ma左右）标志着古南海与沙巴俯冲拼合，形成沙巴造山带，文莱沙巴盆地进入前陆盆地演化阶段（Hutchison，2007），堆积大量三角洲沉积（图4）。

图4 南海南部曾母—文莱沙巴盆地构造—地层发育简图Fig.4 Schematic tectono-stratigraphic column of the Zengmu-Brunei Sabah Basin in the southern South China Sea

3.1 沉积物重矿物特征

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 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

3.2 碎屑锆石年龄谱系特征

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91Ma燕山期主峰和226—236Ma印支期次峰，包含少量古生代和前寒武纪锆石（Galinet 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）。

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（37Ma）与婆罗洲发生俯冲拼合而快速隆升剥蚀的产物（Henniget 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。

在中中新世（17Ma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800Ma和900Ma）峰值和古元古代峰值（大约1800Ma，2500Ma）。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）。

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

3.3 河流体系重建

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）。

在37Ma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（17Ma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）。

图8 南海南部晚白垩—中中新世古河流演化重建Fig.8 Late Cretaceous-middle Miocene palaeo-river evolution reconstruction for the southern South China Sea

南海在新生代演化过程中，南北两侧分别处于不同的区域构造应力场。在中生代末，位于欧亚大陆东南缘的南海地区，发育了完整的陆缘弧构造体系。伴随古太平洋板块俯冲带后撤，南海从主动大陆边缘进入到被动大陆边缘演化阶段（姚伯初，1996；
Renet al.，2002；
周蒂等，2005；
任建业等，2015），在板块俯冲拼合增生薄弱带上首先发生断陷，断陷方向受中生界基底先存断裂控制，形成一系列NE-NEE向展布的断陷盆地，在垂直盆地展布的南北方向上则呈现隆凹相间的古地理背景。在南海西侧，中南半岛在三叠纪末与华南地块发生陆陆拼合碰撞，形成高耸山脉，使包括海南岛、莺歌海及琼东南盆地等在内的南海西部地区发生强烈隆升，形成西高东低的古地貌，为河流的发育提供了必要的先决条件。古太平洋板块与欧亚大陆俯冲带在南海西侧与三叠纪末中南半岛和华南地块陆陆碰撞拼合带相遇，发生向南转折，造成基岩断裂破碎强烈，也是河流生成的优选位置（图9-a），发育形成昆莺琼古河。到晚渐新世，古珠江逐步发育成熟，以横向搬运的方式向珠二坳陷输送沉积物，两者在白云凹陷形成混合沉积（图9-b）。

同样，古南海与婆罗洲发生俯冲拼合，在中南半岛与婆罗洲地块衔接地带形成俯冲带的转折破裂带，为大型河流的形成提供了理想的古地貌条件。马来半岛及Sibumasu地块在三叠纪末和中南半岛碰撞造成南海西侧的强烈隆升及构造热事件（Carteret al.，2001），形成了南海南部西侧的构造隆升高地，使古巽他河将马来半岛等隆升区风化剥蚀产物沿俯冲转折破碎带送入盆地，沿盆地长轴方向进行搬运，形成规模巨大的晚始新世—早中新世Crocker扇，从西向东在曾母—文莱沙巴盆地组成完整的三角洲平原—三角洲前缘—前三角洲及海底扇沉积体系（图9-c）。到晚中新世，由于沙巴运动造成婆罗洲强烈隆升，拉让河等沿岸河流以横向搬运的形式向盆地输送大量沉积物，成为盆地沉积物的主要输送方式（图9-d）。因此，在与板块俯冲相关的沟弧盆体系中，由于盆地特有的构造形态，轴向搬运在盆地演化的早期阶段普遍存在，往往是沉积物搬运输送的主要途径，其发育形成主要受构造古地理控制。

图9 南海南北两侧轴向与横向搬运转换示意图Fig.9 Schematic diagram of longitudinal transport pathways in both northern and southern South China Sea areas

南海南北两侧发育不同板块俯冲拼合背景下的沉积盆地，分别形成被动陆缘下的断陷拉张盆地和主动陆缘下的前陆盆地，但两者的沉积充填过程却十分相似。在盆地发育初期均以盆地周边局部隆起为源区，之后接受大型河流输入形成的大型三角洲沉积，在南海南、北分别形成昆莺琼古河三角洲和古巽他河三角洲，这些河流以轴向搬运的方式输送沉积物，从西向东依次形成三角洲平原、三角洲前缘、前三角洲及海底扇沉积体系。在盆地发育的成熟阶段，南海北部古珠江及南部的拉让江等河流以横向搬运的方式把沉积物输送入盆地，与轴向搬运沉积物形成混合堆积。

轴向搬运是南海形成演化过程中沉积物的一种重要搬运方式，但它的发生究竟是受南海新生代扩张过程的控制，还是为沟弧盆体系盆山相互作用过程中一种普遍存在的规律，则需要对更多类似的沉积盆地开展沉积物源汇对比分析，以确定沉积物的输送方式与盆地构造-古地理之间的关系，探讨弧陆碰撞背景下轴向与横向搬运沉积的转换关系及控制因素。

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