珠江口盆地開平凹陷斷裂構造特征與動力學機制探討

王嘉，欒錫武，何兵壽,3，冉偉民，魏新元,2，胡慶，韋明盟，龔梁軒

( 1.中國海洋大學 海洋地球科學學院，山東 青島 266100；2.中國地質調查局青島海洋地質研究所，山東 青島 266071；3.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東 青島 266237；4.山東科技大學地球科學與工程學院，山東 青島 266590；5.中國地質大學 海洋學院，湖北 武漢 430074)

1 引言

斷層系統中的斷層傳播、生長和相互作用對于理解盆地至關重要，盆地內部斷裂系統不但能很好地反映上地殼應變狀況，還可直接控制裂陷構造和沉積、流體活動[1-2]。斷裂和裂陷活動作為盆地形成的關鍵性因素，斷裂構造體系與盆地的結構和構造演化存在良好的對應關系[3-4]。開平凹陷作為珠江口盆地珠II凹陷的次級構造單元，位于洋陸過渡帶之間，地質構造情況復雜，整體勘探力度薄弱。盡管前人在該區的沉積層序、構造演化等方面進行過研究分析，但受地質條件太過復雜、地震和鉆井資料不足或品質太差等限制，對凹陷內斷裂構造特征認識仍不夠系統，斷裂的演化與南海北部新生代以來的應力場變化也缺乏耦合性，從而制約了大量油氣勘探工作的進行[5]。本次工作將通過井-震標定和地質背景相結合，對研究區內的地震剖面和斷裂平面分布特征進行分析，從而識別斷層在時空上的分布，并通過斷裂活動速率和走向統計來量化斷層活動，評價斷層聯動機制，進而探討開平凹陷區域斷裂的動力學機制。

2 地質概況

南海北部陸緣在張裂過程中，陸架陸坡區上形成一系列伸展拉張型的新生代沉積盆地，由于特殊的大地構造位置，普遍認為其構造演化受到印度-歐亞板塊陸陸碰撞、太平洋板塊和東部菲律賓海板塊的擠壓作用以及南部板塊的拉張作用的綜合影響[6-8]（圖1）。陸緣基底主要為前中生代華南陸塊基底，經歷了加里東、海西、燕山等多期構造運動事件[7]。珠江口盆地是南海北緣重要的含油氣盆地，盆地內部斷裂廣布，結構復雜，盆地演化和南海北緣整體構造運動緊密相連。大體分為古新世-始新世裂谷期、早-中新世構造熱沉降期、晚中新世后的新構造運動期3個階段。對應伴隨有早裂谷期的珠瓊一幕運動、中裂谷期的珠瓊二幕運動、晚裂谷期的南海運動、構造熱沉降期逐漸停止的海底擴張運動以及新構造運動期的東沙運動5個大規模構造運動事件[8-9]。珠江口盆地位于南海北部大陸架上，盆地地層發育特殊，為海陸混合相沉積，其中文昌組、恩平組為顯著的陸相沉積，而珠海組、瓊海組則表現為海相沉積?；滓灾猩鷰r漿巖和前中生代變質砂巖為主，充填有古近紀的陸相沉積和新近紀-第四紀的海相沉積碎屑巖巖層（圖2）[6]。

圖1 南海北部珠江口盆地區域位置（a）及珠江口盆地構造單元劃分（b）Fig.1 The regional location of the Zhujiang River Mouth Basin in the northern South China Sea (a) and the structural unit division of the Zhujiang River Mouth Basin (b)

圖2 珠江口盆地構造、地層劃分及特征（據文獻[12]修改）Fig.2 Characteristics of structure and stratigraphic classification of the Zhujiang River Mouth Basin（modified from reference[12]）

開平凹陷位于珠江口盆地珠II凹陷西南端，東臨云開低凸起與白云凹陷相隔，西連順德凹陷，北至神狐-暗沙隆起，南接南部隆起帶，面積約6 200 km2，整體為NE-SW走向[10]。本次研究包含整個凹陷的中東部約1 500 km2范圍的區域，涵蓋部分神狐暗沙隆起和云開低凸起。其中，北部的大型邊界拆離斷層—神開斷層橫跨整個三維地震工區，開平凹陷的構造演化也正是受北部神開斷層的影響，而形成了典型的伸展拆離盆地[1]。目前研究普遍認為，開平凹陷的區域性斷裂活動在漸新世南海運動中止，此時裂谷期盆地的斷陷運動結束，構造熱沉降時期的斷坳運動開始，對應地震界面T70反射層，恩平組和文昌組內部斷裂廣泛發育。進入漸新世之后，盆地內斷裂發育程度減弱，直至中新世晚期，東沙運動作為新近系南海北部大陸邊緣的最終區域構造運動，推動了區域性海侵面的形成，盆地內斷裂走向和規模也基本趨于穩定[11]。

3 數據和方法

為研究珠江口盆地開平凹陷內部斷裂構造及其動力學成因，基于前人對開平凹陷層序地層劃分、構造演化模式和對北部神開斷層剖析的基礎上，本文主要利用高分辨率的三維精細地震解釋剖面和研究區內相關井的數據資料來分析斷裂構造體系[7]。其中，三維調查數據面積約為1 500 km2，地震采樣率為2 ms，且本文中所有地震剖面的垂向尺度均表示雙程旅行時（Two-Way Travel Time,TWT）。在此次研究中，選取了具有代表性的兩條過井地震剖面和若干過斷裂帶地震剖面，大致劃分了晚古新世-全新世的16個層位并對區域的斷裂特征進行了精細解釋，繪制了二維層位反射平面圖，在反射平面圖上結合地震屬性來識別區域內部斷裂并繪制斷裂平面分布[2]。定量統計斷裂走向的變化特征，根據斷層上下盤間不同的地層厚度識別出區域內部典型活動斷裂，并計算其各個演化階段的活動速率，從而解析研究區斷裂的發育特性，去探究盆地的斷裂構造動力學成因[13]。

4 斷裂構造特征

開平凹陷整體受控于北部大型伸展拆離斷層—神開斷層的影響，形成多期斷裂構造運動，斷裂較為發育，且在南北伸展方向上的拉張應力影響下發育了多種構造樣式，從而使整個斷裂系統顯得繁冗復雜，因此，對該區域的斷裂構造進行多角度、全方位的劃分也相應變成本次研究重點。

4.1 斷裂構造類型

對斷裂構造類型的分類有利于我們更加具體的識別和分析斷裂情況并有利于后續工作進行。因此，本文依照前人分類標準，結合研究區附近斷裂的發育特征，對開平凹陷及鄰區斷裂構造劃分依據傳統分類方法—按斷層級別與規模進行分類，可大致將研究區劃分為一級控盆斷裂、二級控凹斷裂、三級控帶斷裂和四級控圈斷裂等[5,14]。從而在三維地震資料精細斷裂構造解釋基礎上，對研究區的斷裂構造進行詳細的描述，其中F1—過基底神開斷層為控制盆地凹陷的一級大斷裂；F2—西南斷層、F3—南開斷層等為控制隆坳構造格局的二級區域斷裂；北部斷裂帶的①號斷裂、KP11斷裂帶的②號斷裂、KP10斷裂帶的③號斷裂、西南斷裂帶的④號斷裂、東南斜坡斷裂帶的⑥號斷裂等均可劃分為控制局部構造帶的三級斷裂；其余規模較小、走向多變且控制構造圈閉的次級斷裂（如圖3中黑色折線）為四級斷裂，該類斷裂數目繁多[15]（圖3）。

圖3 開平凹陷及鄰區斷裂構造體系（據文獻 [1]改動）Fig.3 Fault structural system of Kaiping Sag and its adjacent area（modified from reference[1]）

4.2 斷裂剖面組合樣式

開平凹陷經歷了多期構造演化運動，并在研究區內相繼形成了大量多角度、多規模的伸展拉張正斷層，各斷裂帶在主干斷層剖面上單個斷層均表現為“犁式”正斷層，但與相鄰邊界斷層組合樣式繁多[13]。通過精細解釋地震剖面，識別研究區的主干斷層和次級小斷裂組合形成多種斷裂構造樣式，包括“Y”字型斷層、階梯狀斷層、卷心型斷層等多種組合樣式，這也是整個凹陷的正斷層組合中常見的剖面組合樣式[10,15]。

（1）“Y”字型斷層：由主干斷層與其相應上盤反向傾斜的次級斷層銜接組合而成，在剖面上呈現“Y”字型，在伸展斷陷盆地中廣泛發育?！癥”字型斷層中的主干斷層一般長期發育、規模較大且向下斷穿下部地層，通常為控凹斷層或控帶斷層，而在逆牽引作用下的上盤反向傾斜斷層則通常為低級別斷層[16]。如圖4所示，在開平凹陷過KP10-1-1號井地震剖面上所形成常見的復合“Y”字型斷層組合。

圖4 開平凹陷復合“Y”字型斷層與階梯狀斷層組合樣式Fig.4 Combination style of composite "Y" type fault and stepped fault in Kaiping Sag

（2）階梯狀斷層：由多條產狀基本相同的正斷層組合形成，在主測線剖面上呈階梯狀排列，從盆地的緩坡帶向凹陷中心依次下移疊置分布，該類斷層組合常發育于斷陷盆地邊緣或斷裂帶的淺層緩坡區，未斷穿基底[17]。其成因主要是受盆地沉降過程中緩坡區抬升引起的區域伸展滑脫作用而造成的，盆地中該類斷裂組合也較為常見，在地震剖面上廣泛分布同向和反向斷階。

（3）卷心型斷層：由多條斷層組成的復雜斷裂組合類型，整體由傾向相反的平滑鏟狀斷層所構成，左右兩側斷裂數目大致相同。該類斷裂組合是在伸展環境下由于下伏地層發生拱張作用，引起上覆地層減薄和張裂所形成的。如圖5所示，中央“卷心”處走滑斷裂分布較為密集，中心到兩側斷層年代由新到老分布。卷心型組合較為復雜，活動覆蓋范圍大，斷錯層位也較多，在整個凹陷中分布也較廣泛，尤其集中于中部的KP11斷裂帶。

圖5 開平凹陷卷心型斷裂組合樣式Fig.5 Heart-shaped fracture combination style in Kaiping Sag

4.3 斷裂平面分布特征及組合類型

由斷裂平面分布圖可以看出，整個凹陷內部斷層平面展布特征復雜多樣。本次探討通過可顯著識別斷層的屬性相干技術，來對三維資料進行斷層精細刻畫，分析研究斷層的分布特征和平面組合類型。如圖6所示，根據沿層相干技術對二維斷裂平面分析可知，在T60、T70反射界面上均表現出相互交叉、平行、截斷等多種關系，大致將其平面組合類型歸結為平行式、雁列式、斜交式3種組合樣式[15]。

圖6 沿層相干屬性識別的二維斷裂平面分布Fig.6 Two-dimensional fracture plane distribution along the coherent attribute recognition

（1）平行式組合：在研究區內廣泛分布，主要集中在KP11斷裂帶和KP10斷裂帶上，由走向相同的多組斷層在平面上平行展布排列，受單向伸展和帶狀隆升作用所形成[12]。該區平行式組合斷裂走向呈NW-SE向、近EW向展布，主要是因為斷裂帶處在盆地洼陷隆升地帶，存在伸展拉張作用，KP11斷裂帶處的平行式組合更是盆地斷陷晚期在珠瓊運動二幕水平伸展作用下引起的新生EW向斷裂基礎上所形成的[18]。

（2）雁列式組合：主要集中分布在西南斜坡帶和少量北部斷裂帶的西北部，是走滑斷層的伴生組合樣式。受非均勻構造應力影響在水平方向上發生的張性扭動所形成，平面上呈典型的雁列展布特征，斷裂走向主要呈NWW向展布，在盆地斷陷階段，太平洋板塊持續向歐亞板塊碰撞，引起了該區域應力場方向右旋偏轉，發生張扭走滑運動，促成該斷裂組合[19]。

（3）斜交式組合：僅在西南斷裂帶和北部斷裂帶南部偶有少量分布，受到局部多方向的水平伸展作用而形成，常表現為斷裂之間在平面上相互斜交。在珠江口盆地斷陷期至坳陷期所受到多期構造運動影響下，應力場方向發生順時針轉變，呈持續右旋狀態，多期斷裂相互疊加，導致斷裂多角度結合而發生斜交。

4.4 斷裂走向變化特征

為合理分析開平凹陷的應力場分布特征，對研究區的（T85至T50）地震界面內斷裂走向進行定量統計，由斷裂走向玫瑰花圖（表1）可反映始新世到早中新世階段各個地層界面的斷裂平面走向演化特征；斷陷早中期文昌組（T85至T80）主要有兩組走向，一組為近NE-NEE向，另一組為近EW向。斷陷晚期恩平組（T71至T70），NEE向斷裂持續減弱，近EW向發育為主要斷裂走向。斷坳轉換期珠海組（T60）斷裂走向轉變為近NWW走向，并伴隨EW向的二級走向分布。至坳陷期珠江組下（T50）斷裂走向主要為近NWW向，并具有向NW向持續轉變的趨勢。綜上可見，開平凹陷從古新世神狐組基底至早中新世的地層整體斷裂走向大致呈現NE向→NEE向→EW向→NWW向→NW向的變化特征[20-24]。

據前人研究，盆地斷裂走向變化可間接反映應力場變化，即在伸展構造背景下，斷裂走向與最小主應力方向（伸展方向）基本垂直[21]。由表1可明顯看出，斷裂走向玫瑰花圖所反映的斷裂主走向變化與區域應力場轉變保持一致性。隨斷裂走向的順時針變化，最小主應力方向發生NW向→NS向→NE向的順時針旋轉，具右旋走滑的張扭特性。自始新世后（T85至T80），盆地進入裂谷期，陸內裂谷轉向陸間裂谷，近NE向伸展斷裂發育，應力場方向主要為NW-NNW向，這一時期地殼活動強烈、斷裂廣泛發育，凹陷內似魚鱗的坑狀半地塹結構初始形成[17]。晚始新世-早漸新世（T80至T70），太平洋板塊運動方向發生改變，南海北部海盆加速擴張，盆地沉降中心遷移，新生EW向斷裂，這一時期近NS向的拉張應力場不斷占據主導地位[22]。晚漸新世后（T60至T50），印度板塊向北擠壓使右旋應力場進一步加強，南海擴張方向持續順時針變化，近NWW-NW向斷裂形成，此階段區域所受應力方向也將由近NS向逐漸向NE向轉變。區域應力場的轉變也是開平凹陷形成半地塹結構的重要原因[25]。

表1 開平凹陷斷裂構造演化表Table 1 Evolution of fault structure in Kaiping Sag

4.5 斷裂活動性分析

對區域斷層的活動性分析方法通常有斷層古落差法、斷層生長指數法和斷層活動速率法3種，但由于前兩種方法計算比較簡單且分析結果均受到不同程度的限制，所以目前只需要采用判斷準確的斷層活動速率法來刻畫斷層的活動強度。

斷層活動速率是指某一地層單元在一定時間內，因斷裂構造活動形成的落差與相應沉積時間的比值，即為

式中，Vf為斷層活動速率,單位為m/106a；T為地層沉積時間,單位為106a；Hd為斷層下降盤地層厚度,單位為m；Hu為斷層上升盤地層厚度,單位為m。由圖7中斷裂活動幾何示意圖可知，計算所得斷層活動速率數值越大，代表該時期的斷裂活動越強[26]。

圖7 斷裂活動幾何示意圖（據文獻[14]修改）Fig.7 Schematic diagram of fracture activity geometry（modified from reference[14]）

開平凹陷北部邊界斷層-神開斷層構造演化情況特殊，神開斷層作為控盆大斷裂貫穿凹陷的基底，在盆地斷陷晚期恩平組沉積階其西南段和東北段斷裂活動逐漸停止，對應終止于T70界面[13]。為具體探討凹陷內部斷裂活動情況，引入斷裂發育情況較為典型的F5斷裂（圖3）來對該區斷裂活動性進行分析。如圖8所示，F5斷裂作為與KP11斷裂帶相伴生的主斷裂，近EW向分布，橫向跨越研究區，并與其選取的SN向過井地震剖面近乎垂直相交，便于統計斷層活動速率[24]。

圖8 過L4671測線地震剖面斷裂分布Fig.8 Fracture distribution of seismic section through L4671 survey line

分析斷裂活動速率（圖9）得知，在斷陷階段，斷裂活動速率較高，圖中可見，斷陷初期凹陷內部斷裂活動速率最高可達約150 m/Ma。由于強烈的分塊斷陷作用，地層的巖性、產狀等變化較快，始新世（T84至T70）多幕式構造運動使得斷裂發育活動極為強烈，空間分布復雜多樣。至斷坳過渡期，活動速率變化較快，發生驟變，斷裂活動速率降至約38 m/Ma，漸新世時期（T70至T60）受新南海擴張運動影響，凹陷構造活動減弱，斷裂活動速率顯著降低。坳陷期（T60至T40）斷裂活動持續減弱，且活動速率變化趨于穩定，在海底擴張運動停止（T50）后，可見斷裂活動更加微弱[24,27]。

圖9 F5斷裂活動速率(L4671測線)Fig.9 F5 fracture activity rate diagram (L4671 survey line)

5 動力學成因機制探討

南海及其周緣盆地構造演化情況相當復雜，其主要受到東部太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖、西部印度板塊向歐亞大陸的陸陸碰撞以及北部華南陸緣的構造伸展和南部古南海向婆羅洲的俯沖拖曳的綜合作用影響[28-29]。位于南海北部大陸邊緣的珠江口盆地在南海整體演化過程中也發生著不同程度的沉降和伸展作用。

自新生代以來，南海及周緣盆地演化的動力學過程如下：在古新世-早始新世，受太平洋板塊俯沖后撤及印度與歐亞板塊陸陸碰撞的共同影響，區域應力場由先前的擠壓狀態轉變為拉張狀態[4]，由神狐運動造成的下地殼和巖石圈上地幔向東南方向蠕動引起的地殼顯著抬升，剝蝕作用加強，地殼發生廣泛的伸展減薄作用，引起NW-SE向的伸展裂陷活動，進一步造成華南陸緣斷層NNE向的初始張裂和走滑拉分。同時，南海板塊北緣的前新生代褶皺基底發生張裂，開始逐步發育NNE-NE向的走滑斷裂和伸展構造，珠江口盆地也開始形成[30]。始新世中期，印度板塊和歐亞板塊發生碰撞，使得軟流圈物質向東南方向持續擠出，地幔柱不斷上涌，華南地塊進一步伸展，古南海也開始發生南移，華南陸緣對太平洋板塊俯沖后撤及印度與歐亞板塊碰撞的聯合作用，使南海北部地殼再次伸展拉分，造成大面積的強烈抬升剝蝕和局部的沉降凹陷，導致開平凹陷內部地層的廣泛不整合發育和近NE向張性斷裂發育，且斷裂活動強烈[7]。直到始新世晚期，印度板塊與歐亞板塊仍處在持續碰撞階段，此時，區域上南海北部地殼正處于右旋走滑伸展狀態，珠江口盆地及內部裂陷盆地開平凹陷早期的斷裂活動也大幅加強，近NE向斷裂廣泛發育（圖10a）。

漸新世（圖10b），印度板塊和歐亞大陸發生完全碰撞，致使印支地塊向東南方向不斷逃逸，且發育于青藏高原東南端的紅河斷裂帶開始活動，并進入婆羅洲地塊[9,19]。該斷裂帶的形成徹底改變了早期南海和周緣陸塊構造格局，使其盆地構造樣式、動力機制更加復雜化[31]。同時，太平洋板塊的俯沖方向由NNW向轉變為NWW向，菲律賓板塊也持續向北移動并楔入太平洋板塊，古南海向南俯沖，產生的拖拽力使巖石圈發生張裂，新的洋殼開始出露，新南海海盆開始擴張，巖石圈的形變也逐漸遠離陸緣向海域遷移。相對而言，北部陸緣盆地的斷裂構造活動強度明顯減弱，開平凹陷在構造應力場N-E向伸展拉張及持續的右旋走滑作用下發育近EW向、NEE向斷裂，在凹陷平面上多呈現平行式、雁列式等組合類型，盆地的伸展作用也持續減弱。到晚漸新世，古南海西端開始封閉并不斷向東段發展，俯沖作用產生的拖拽力及哀牢山-紅河斷裂帶的左行走滑運動整體形成了南北向的區域性伸展。在此應力場作用下，華南陸緣上地殼處于伸展拉薄狀態，南海北部右旋應力逐漸增強，開平凹陷內大量發育NEE向、近EW向斷裂，斷裂活動減弱[32]。

進入中新世（圖10c），菲律賓板塊向北運動并伴隨順時針旋轉，印度-澳大利亞板塊加速北沖，致使印支板塊內部走滑剪切方向發生強烈轉變，古南海也進入閉合狀態，南海的擴張結束[33]。至中新世末，菲律賓板塊向NWW向徹底匯聚并楔入歐亞大陸，此時的珠江口盆地出現了大規模的區域性抬升和巖漿活動，開平凹陷逐步發育NW-NWW向斷裂，研究區平面上常見斜交式斷裂平面組合特征，斷裂活動進一步減弱，斷裂活動速率變化趨于穩定，盆地進入熱沉降階段。由中新世末至現今（圖10d），整個珠江口盆地經歷了新構造運動階段并完成了長期的構造沉降，最終形成了現今的區域構造格局?？v觀南海及其周緣的整個構造演化歷程，南海北部陸緣主要在始新世-漸新世期間發育的NE向、近EW向、中新世期間發育的NW向3組斷裂[34]。且在持續右旋的構造應力場作用下，南海北緣與開平凹陷的斷裂構造走向、斷裂活動性及動力學成因機制均保持一致性。

圖10 南海及其周緣構造演化過程（據文獻[2]修改）Fig.10 Tectonic evolution of the South China Sea and its surroundings（modified from reference[2]）

6 結論

（1）珠江口盆地開平凹陷內部斷裂構造極其復雜，且對盆地演化、構造圈閉及油氣成藏等具有重要的控制作用。本文利用高分辨率三維地震剖面和相關井數據來分析斷裂構造體系，將研究區斷裂構造類型按級別與規模劃分為一級控盆斷裂、二級控凹斷裂、三級控帶斷裂和四級控圈斷裂。在主干斷層剖面上區分“犁式”正斷層的基礎上，識別出研究區內“Y”字型斷層、階梯狀斷層以及卷心型斷層等多種剖面組合樣式。運用地震屬性相干技術在二維切片上劃分出了平行式、雁列式、斜交式3種平面組合類型。

（2）將斷裂演化時期劃分為斷陷期、斷坳轉換期和坳陷期3個階段。斷陷期的斷裂活動強度最高，并隨著斷裂活動速率快速減小而減弱，同時區域斷裂廣泛發育；進入斷坳轉換期，活動強度不斷削弱，斷裂活動速率驟降并持續衰減；直至坳陷期，斷裂活動速率變化趨于穩定，斷裂活動強度降至最低，斷裂發育更加微弱。結合區域應力場分布，開平凹陷從古新世神狐組基底至中新世的沉積地層內斷裂走向發生NE向→NEE向→EW向→NWW向→NW向的順時針轉變，該變化特征與新生代以來古南海的消亡和新南海的形成演化期間南海北緣區域應力場的轉變保持一致性。

（3）斷裂活動作為盆地構造活動的重要表現形式，也是與區域構造演化相伴生所不可或缺的標識。受東部太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖、西部印度板塊向歐亞大陸的陸陸碰撞以及北部華南陸緣的南北向伸展和南部古南海向婆羅洲俯沖拖曳的聯合作用，開平凹陷在持續右旋的伸展拉張應力場環境下，自早始新世時期，在華南陸緣對太平洋板塊俯沖后撤及印度與歐亞板塊碰撞作用下，盆地內部近NE向的斷裂逐漸發育。至漸新世太平洋板塊俯沖方向的轉變和哀牢山-紅河斷裂帶的左行走滑運動及古南海向南的俯沖拖拽作用，致使南北向伸展作用不斷加強，盆地EW向斷裂大量發育。進入中新世，印澳板塊加速北沖，南海海底擴張運動結束，至中新世末，菲律賓板塊徹底鍥入歐亞大陸，珠江口盆地發生大型區域抬升和巖漿活動，近NWW-NW向斷裂發育，且斷裂活動減弱，區域熱沉降運動加劇。