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珠江口盆地文昌凹陷應力場演化及其對成藏要素的控制作用

2015-06-25 07:09:40李俊良雷寶華鄭求根
大地構造與成礦學 2015年4期

李俊良 ,雷寶華,鄭求根,段 亮,閆 義

(1.中國地質大學(武漢) 資源學院,湖北 武漢 430074;2.中海石油(中國)有限公司 湛江分公司,廣東湛江 524057;3.青島海洋地質研究所,山東 青島 266071;4.中國地質大學(北京) 海洋學院,北京 100083;5.中國科學院 廣州地球化學研究所 邊緣海地質重點實驗室,廣東 廣州 510640)

0 引言

珠江口盆地珠三坳陷有近 30年的勘探歷史(朱偉林等,1997;聶逢君,2011;張迎朝等,2011a,2011b),其勘探開發的主體為文昌A、B凹陷及瓊海凸起(王春修和張群英,1999)。受區域應力場控制,珠三坳陷斷裂十分發育,具有數量多、類型全、平面和剖面變形樣式復雜的特征。前人研究認為,該區的斷裂特征、構造演化與區域構造應力場密切相關,均受太平洋板塊 NWW 向俯沖及印度與歐亞板塊 SN向碰撞的影響;但對于盆地內的一些特殊構造現象和油氣地質特征,如:文昌A凹以生氣為主,且沉降量巨大(林興榮和孫志鵬,1999);文昌B凹以生油為主,且發育反轉構造;文昌C凹發育褶皺剝蝕等構造(朱偉林等,1997a,1997b;姜華等,2008),前人并沒有給予合理的成因力學解釋。

為解釋這些疑問,本文結合前人對珠江口盆地研究的大量成果,深入分析文昌凹陷的變形機制、構造特征、沉積演化及其與周緣區域應力場演化之間的對應關系,揭示了珠江口盆地新生代形成與演化的區域背景;再對研究區內的斷裂走向進行分層統計,分析了研究區應力場的變化規律,總結出 3種扭張模式;最后,對文昌A凹陷、B凹陷和C凹陷的一些構造、沉積及油氣成因等問題進行解釋,探討了珠三坳陷及南海北部陸架盆地的發育、演化及與油氣生成的關系。

1 區域地質背景

珠江口盆地是南海北部大陸架以中–新生代沉積為主的大型陸緣裂陷盆地(Li et al.,1999)。晚白堊世至新生代的NEE向及近E-W向斷裂帶控制了大規模張裂和沉積盆地的形成,但后期又被 NW 向斷裂帶錯切,形成了南北分帶、東西分塊的構造格局(陳漢宗等,2005)。珠三坳陷位于該盆地的西部,被次級基底斷裂進一步分割成 5凹 2凸的構造格局,即北部的陽江凹陷和瓊海凹陷,中部的陽江低凸起及瓊海凸起和南部沉降最深、面積最大的文昌凹陷(本文指文昌A、B、C凹陷)(圖1),其凹陷走向皆為NE向(李俊良等,2010)。在剖面上,受主干斷裂強烈的控制作用,珠三坳陷表現為一個典型的箕狀斷陷(圖2)。

珠三坳陷的東南部為神狐隆起,該隆起以新生代沉積地層為主,其上除文昌D、E凹陷發育厚度不大、沉積不完整的古近系外,大部分區域均缺失古近系,最大沉積厚度為10 km(龔再升等,1997;何家雄等,2008)。

前人通過研究,將其構造演化劃分為三個階段:早期斷陷階段發育的文昌組、恩平組湖相沉積是盆地主要的烴源巖(圖2);斷坳期的沉積環境由湖相轉為濱淺海相,因此沉積了以砂泥互層為主的珠海組和珠江組,構成了凹陷主要的儲集層(圖2);坳陷期的韓江組沉積了巨厚的淺海相泥巖,形成一套區域性蓋層,而粵海組和萬山組為淺海相砂泥巖互層(圖3)(呂學菊等,2008;姜華等,2009b)。

雷寶華等(2012)應用斷裂三維定量構造幾何學和不同時期斷裂活動多參數–走向長度關系分析方法,對珠三南斷裂幾何特征、形成演化、活動強度及其對沉積中心遷移的控制進行較細致和定量的研究,認為在神狐組–文昌組沉積時期,珠三南斷裂西段南支活動較為強烈,控制了文昌 C凹陷的形成,而此時珠三南斷裂西段北支的活動控制了文昌B凹陷,并且與珠三南斷裂東支相連,控制文昌 A凹陷的沉降中心。恩平組-珠海組沉積時期,珠三南斷裂西段南支與西段北支強烈的差異活動造成位于其上升盤的文昌C凹陷強烈抬升剝蝕(圖2)。珠江組之后,盆地進入坳陷期,沉積趨于穩定。

2 區域應力場演化

圖1 珠三坳陷構造區劃圖(李俊良等,2010)Fig.1 Diagram showing the tectonic units in the ZhuⅢDepression

為了分析文昌凹陷的應力場特征,本文對區內神狐組–珠江組的 13個地層界面(圖3)進行了構造–層序解釋,并對延伸長度大于2 km的斷裂的走向進行分層統計,編制了斷裂走向玫瑰圖(圖4,表 1)。對比T90到T40斷裂走向玫瑰圖可以發現:神狐組(T90)斷裂走向以 NNE向為主;文昌組(T82-T80)斷裂的走向主要2組,一組為近NE向,一組為近EW向。從文昌組三段(T82)到文昌組一段(T80),近 NE向斷裂減弱,近 EW向增強。從恩平組(T71-T70)到珠海組(T62-T60),斷裂走向以近 EW 向為主;珠江組(T50-T40)斷裂走向以近NWW向為主。因此,由老到新斷裂走向由NNE向→近EW向→NWW向變化。

圖2 珠江口盆地文昌凹陷油氣成藏模式圖Fig.2 Reservoir-forming model for the Wenchang Sag in Pearl River Mouth Basin

圖3 珠江口盆地珠三坳陷地層與構造運動事件圖(據姜華等,2009a修改)Fig.3 Strata and tectonic events of the Zhu Ⅲ Depression in Pearl River Mouth Basin

前人研究表明,同沉積斷裂可以反映應力場變化:在伸展作用下,斷裂(主要為遠離基底先存斷裂的新生蓋層斷裂)走向與最小主應力方向(或伸展方向)基本垂直(童亨茂,2010)。因此據表1可知,神狐組沉積時期,最小主應力方向(或伸展方向)為近NWW 向;文昌組沉積時期,最小主應力方向為NW、NNW 向;恩平組沉積時期,最小主應力方向為近SN向;珠海組沉積時期,最小主應力方向為近NNE向。總體上,從神狐組到珠江組,研究區最小主應力方向沿 NWW→NW→SN→NNE向順時針旋轉,具有右旋扭張的特征。這里的“右旋扭張”是指主伸展應力方向順時針旋轉與先存基底斷裂總體走向斜交,引起基底斷裂斜向伸展,即“oblique extension”(Morley et al.,2004),本文主要指T80之后的主伸展應力方向與珠三南斷裂總體走向斜交;而斜向伸展是指伸展方向與盆地邊界基底先存斷裂斜交的伸展作用。

而珠江口盆地斷裂系統的發育與研究區內的斷裂演化特征整體一致,均受從NWW向到NNE向的順時針旋轉的扭張應力場控制。中生代末,盆地形成之前的裂陷作用使大部分斷裂開始活動,產生了一系列彼此分離的地塹、半地塹及 NNE向斷裂(表1,T90);晚白堊世后,扭張應力場的產生導致了研究區內 NE向伸展斷裂帶的形成(圖5a)(表 1,T82-T70),這一時期的構造活動主要表現為垂直差異升降、斷層發育、沉積速率高的特征;晚漸新世,受南海運動影響,前期右旋扭張應力場得到增強,使南海發生了一次南北向水平運動,形成了研究區內近EW向斷裂(表1,T62-T60),并隨后演化為NWW向斷裂(表 1,T50-T40),產生了一批背斜和半背斜,這些構造同時也是目前認為最有勘探前景的構造圈閉;中中新世末,南海停止擴張,東亞陸緣部分地區再次進入左行壓扭體制(圖5b),造成了部分先前形成的局部構造發生反轉,使早期聚集的油氣重新分配,并形成新的構造圈閉。

圖4 文昌凹陷T80、T60和T40層斷裂組合圖Fig.4 Fault patterns of T80,T60 and T40 in the Wenchang Sag

表1 文昌凹陷斷裂走向變化Table 1 Variations of fault strikes in the Wenchang Sag

3 變形機制分析

珠三南斷裂(圖1、圖6)為珠三坳陷的南部邊界斷裂,傾向NW,自西向東走向由NE轉為NEE,是區內唯一一條一級控盆斷裂。珠三南斷裂分為三段,即:東段、西段北支和西段南支;分別控制文昌 A凹陷、文昌B凹陷和文昌C凹陷的南部邊界。在右旋扭張應力場作用控制下,珠三南斷裂的不同分支和組合對珠三坳陷的構造變形具有 3種不同的控制模式。

圖5 珠江口盆地主要斷裂體系成因動力學分析圖(據周蒂等,2002,有改動)Fig.5 Geodynamic models of the major fault systems in the Pearl River Mouth Basin

圖6 文昌凹陷基底三維圖Fig.6 3D map of the basement of the Wenchang Sag

模式一:在彎曲斷層條件下,松開(或施壓)彎曲處,在沿著斷彎處會形成扁長形或透鏡狀的張性下沉帶(或擠壓隆升帶)(圖7a-1、7a-2)。該彎曲斷層對應珠三南斷裂西段北支和東段彎曲位置,分別控制文昌 A凹及其沉降中心的形成和文昌 B凹陷局部隆升。

模式二:分支斷層的伸長楔形塊體在扭張應力作用下被拉開下沉(圖7b)。它由珠三南斷裂西段北支的南部和NW走向的珠三3號斷裂組成,控制文昌B凹陷及其沉降中心的形成。

模式三:彎曲和分支斷層匯合,所夾的菱形塊體在走滑作用下被拉分(或擠壓)(圖7c-1、7c-2)。它由珠三南斷裂西段南支和西段北支組成,控制文昌C凹陷的沉降(或隆升)。

圖7 拉分與擠隆構造形成的力學模型Fig.7 Mechanical models for the formation of pullapart tectonics and extrusion-uplift tectonics

4 對成藏要素的控制作用

4.1 對凹陷格局的控制

在扭張應力作用下,當應力場較穩定時,斷陷盆地主要表現為拉張性-質;當應力場方向變化較大時,先前形成的斷裂走滑分量突然增加,使得斷陷盆地具有扭張性質。通過對比不同時期斷裂走向(表 1),應變橢球體中破裂面與應力場及不同破裂面之間的關系后發現(圖4),研究區內存在的 3個應力場變化較大的時期分別是:神狐組沉積時期、文昌組沉積時期和珠海組沉積時期;其水平最小主應力方向從 NWW→NW,NW→SN,SN→NNE向變化。

神狐組沉積時期為盆地形成早期,此時斷裂發育少,珠三南斷裂西段南支首先形成(文昌 C凹邊界)并控制凹陷的形成和發育(焦養泉等,1997),隨后形成的珠三南斷裂西段北支(文昌 B凹邊界),控制了神狐組的沉積,此時區域變形主要表現為伸展作用。文昌組和珠海組沉積時期,斷裂較發育、規模較大,且后期應力場方向的變化使得先存活動斷裂走滑分量增加。表現為在珠三南斷裂附近,模式一控制文昌 B凹陷中部局部隆升(圖7a-2)、模式三控制文昌C凹陷北部,形成2個壓扭擠隆構造(圖7c-2);同時,模式一控制文昌A凹陷沉降中心(圖7a-1)、模式二控制文昌B凹陷沉降中心(圖7b)、模式三控制文昌 C凹陷沉降中心,形成 3個扭張拉分構造(圖7c-1)。因此,受珠三南斷裂和扭張/壓扭應力場控制,在文昌凹陷形成3個扭張拉分構造和2個壓扭擠隆區的構造格局(圖7)。

4.2 對凹陷反轉構造的控制

由于應力場順時針方向變化,使得先存邊界斷裂的逆時針拐角處(圖7中“+”附近)產生局部擠壓分量,進而造成地層上隆。在文昌 B凹陷中部和文昌C凹陷北部的壓扭擠隆構造區,形成局部擠壓,從而使地層隆升反轉。表現為地層沉積減薄或者遭受部分剝蝕,使現今所見到的地層沉積中心遠離控坳斷裂,向盆地中部遷移。

在文昌B凹陷中部,至少有2期明顯的構造反轉現象,分別是:珠海組沉積時期(晚漸新世),其頂部存在明顯不整合,主干斷裂附近的地層減薄;珠江組沉積以后(中中新世末,東沙運動在珠三坳陷西南部邊界大斷層處引起發生強烈的擠壓作用)(王春修和張群英,1999),地層隆升明顯,韓江組形成同沉積背斜(圖8a、8c)。在文昌C凹陷東部,文昌組地層(晚漸新統)發生構造反轉,并強烈褶皺剝蝕(圖8b)。

4.3 對沉降中心區的控制

在持續性扭張應力作用下,斷層活動性強(童亨茂等,2009),斷陷強烈,使靠近邊界斷裂的地層沉降速率較快,故而形成沉降中心。

研究發現,從晚白堊世至中中新世后期,在右旋扭張應力場的控制下,模式一、模式二、模式三分別形成了文昌A、B和C凹陷的沉降中心(圖6、 7),并在文昌B凹陷西部和文昌A凹陷中部形成滾動背斜構造或正牽引構造(陳書平等,1999),其地層表現為多期扭張和拉張構造的疊合區,斷層樣式表現為鏟式或坡坪式斷層(圖8c、8d)。

圖8 文昌凹陷典型地震剖面(剖面位置見圖6)Fig.8 Typical seismic profiles in the Wenchang Sag (section position as shown in Fig.6)

4.4 對油氣成因的控制

盆地分析表明,不同的構造活動導致了不同的沉積相帶,而不同的沉積相又使烴源巖具有不同的地球化學特征。比如,珠三南斷裂的活動強度具有早期強烈晚期減弱的特征,致使不同時期的沉積演化有所差異,即形成了以濱淺湖相為主的文昌組烴源巖和以河沼相為主的的恩平組烴源巖,前者主要生油,后者主要生氣。同時,珠三南斷裂活動的差異性也造成了凹陷在不同時期沉積中心的遷移(圖8a),從而改變了原先的沉積相態,對烴源的分布產生了一定影響,使得文昌凹陷文昌組的烴源巖主要集中在主干斷裂的下降盤且成熟早,而恩平組成熟烴源巖的分布范圍相對較廣泛(謝瑞永,2012)。

構造活動研究認為,文昌 A凹在扭張應力作用下,蓋層斷裂表現為長期持續活動的張性正斷層,是油氣垂向近距離運移的良好通道(周雯雯和張伙蘭,2000)。早期文昌組烴源巖生成的原油由于缺乏區域性蓋層,或沿斷裂逸散或側向運移至凹陷邊部;隨著后期構造活動的減弱和蓋層的發育,恩平組烴源巖生成的氣能夠沿斷裂垂向運移,從而進入珠海組聚集成藏(甘軍等,2009)。因此,在珠三南斷裂東段彎曲斷層控制下形成的文昌A凹陷是找氣的有利地區。

文昌B凹陷西部由扭張模式二控制的沉降中心是文昌組湖相厚層烴源巖的發育區;文昌 B凹陷中部由壓扭模式一(圖7a-2)控制,珠三3號斷裂帶下降盤文昌組湖相烴源巖沉積期末經歷了構造反轉抬升,因而埋深較淺,具有延遲生、排油,多期持續油氣充注的成藏過程,其成熟烴源巖主要為文昌組。同時,反轉構造區易于形成背斜和斷背斜等擠壓構造圈閉,有利于油氣聚集成藏(張迎朝等,2011a,2011b)。因此,由模式二控制的文昌B凹陷是找油的有利地區,其過渡區為油氣的復合帶(朱偉林等,1997)。

綜上所述,晚漸新世的張扭構造和中中新世末的剪切構造是主要的含油氣局部構造,且后者又是圈閉的定形期。在這一成藏背景下,坳陷內存在 2套含油氣體系,分別為文昌 A凹陷恩平組-珠海組含氣體系和文昌B凹陷的文昌組-珠海組、珠江組含油體系;二者的生、排、運、聚的高峰均為中中新世之后(周雯雯等,2004)。

5 討論

在前面的幾個章節,我們從珠江口盆地珠三坳陷的斷裂系統出發分析了區域應力系統并對其控制作用進行了闡述,結果顯示其水平最小主應力方向具有從NWW→NW,NW→SN,SN→NNE向變化的特征,并在一定程度上控制了研究區的成藏要素。但珠三坳陷只是華南陸緣的一小部分,珠三坳陷的形成演化與華南陸緣的演化是否一致?南海各板塊的俯沖碰撞與珠三坳陷的變形特征、成因機制、斷裂系統、火山活動、演化階段又有怎樣的對應關系?

王洪才等(2013)重建了 55 Ma以來的典型時期海陸格局,認為中生代末,東亞陸緣受古太平洋板塊早期NWW方向轉為NNW方向俯沖的影響(王洪才等,2013;Zhou et al.,1995),呈左行壓扭狀態(Ru and Pigott,1986;Briais et al.,1989;Pautot et al.,1990;Ru et al.,1994;許浚遠和張凌云,1999),由此構成華南陸緣新生代構造演化的基礎(周蒂等,2002)。此后,南海北部區域應力場經歷了 3次影響深遠的轉變,而這3次區域性的變革事件對珠江口盆地珠三坳陷內斷裂系統的形成以及成藏要素的發育均有重要影響。

晚白堊世,太平洋板塊向歐亞板塊的匯聚速率降低,導致東南亞大陸邊緣出現應力場松弛。在這種背景下,西太平洋俯沖帶發生了后撤,使東亞陸緣產生了左行壓扭體制向右行張扭體制的巨大變革(朱夏和徐旺,1990;萬天豐,1993),形成了東南亞陸緣NE向伸展斷裂系(圖5a)。此次被稱為神狐運動的區域性構造事件是南海擴張前巖石圈減薄作用的反映(周蒂等,2002),且該時期的 NE向伸展斷裂控制南海北部各盆地的形成與發育。

早漸新世初,太平洋板塊運動方向由 NNW 向俯沖后撤轉為近 EW 向拉張,這種動力學背景使得東亞陸緣的右行張扭應力場進一步發展,并導致了陸殼的破裂及南海擴張。該時期的南海運動主要形成了近EW向的伸展斷層。

中中新世末,受澳大利亞陸架與班達弧碰撞及菲律賓島弧向南海仰沖的影響,南海停止擴張,東亞陸緣再次進入左行壓扭體制(圖5 b)。該時期的東沙運動造就了一些擠壓褶皺帶(周蒂等,2002)。

因此,珠三坳陷的 3期斷裂活動與華南陸緣區域應力場的 3次變革相對應,主要為 50~40 Ma、30~28 Ma和10~5 Ma(吳世敏等,2001)。在變形運動學上,分別為伸展作用、右旋轉換伸展作用、左旋剪切作用。在成因動力學上,分別為南海北部陸緣簡單剪切、純剪及受臺灣地區的弧–陸碰撞擠壓的影響(吳世敏等,2001)。在斷裂特征上,分別為NE向、近EW向及NW向三組斷裂(姚伯初,1993;張志杰等,2004;孫珍等,2005)。

6 結論

(1) 白堊世至早中新世后期,文昌凹陷研究區的應力場與區域構造應力場基本一致,受從 NWW向到NNE向的右旋扭張應力場控制。

(2) 整個文昌凹陷受3種扭張模式控制。模式一:彎曲斷層控制的扭張下沉/差異隆升;模式二:分支斷層控制的扭張楔形下沉;模式三:彎曲和分支斷層匯合控制的菱形扭張下沉/差異隆升。

(3) 受珠三南斷裂和扭張/壓扭應力場控制,在文昌凹陷形成3個不同的沉降中心和2個反轉構造區(文昌B凹陷至少2期反轉構造和文昌C凹陷文昌組反轉造成的褶皺剝蝕)。

(4) 在模式一控制下,文昌A凹陷和文昌B凹陷中部分別形成張性下沉帶和擠壓隆升帶,通過對坳陷內成藏要素的控制,形成了 2套含油氣體系:即文昌A凹陷恩平組–珠海組含氣體系和文昌 B凹陷的文昌組–珠海組、珠江組含油體系。

(5) 區域討論分析認為,珠三坳陷的 3期斷裂活動不僅與華南陸緣區域應力場的 3次變革事件相互對應,在區域演化階段、變形特征和成因機制上也能夠進行對比。

致謝:向本文的審稿人、編輯部老師以及在論文撰寫過程中提出的寶貴意見和幫助的同志們致以誠摯的感謝。

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