珠江口盆地文昌凹陷应力场演化及其对成藏要素的控制作用

李俊良 ,雷宝华,郑求根,段 亮,闫 义

(1.中国地质大学(武汉) 资源学院,湖北 武汉 430074;2.中海石油(中国)有限公司 湛江分公司,广东湛江 524057;3.青岛海洋地质研究所,山东 青岛 266071;4.中国地质大学(北京) 海洋学院,北京 100083;5.中国科学院 广州地球化学研究所 边缘海地质重点实验室,广东 广州 510640)

0 引言

珠江口盆地珠三坳陷有近 30年的勘探历史(朱伟林等,1997;聂逢君,2011;张迎朝等,2011a,2011b),其勘探开发的主体为文昌A、B凹陷及琼海凸起(王春修和张群英,1999)。受区域应力场控制,珠三坳陷断裂十分发育,具有数量多、类型全、平面和剖面变形样式复杂的特征。前人研究认为,该区的断裂特征、构造演化与区域构造应力场密切相关,均受太平洋板块 NWW 向俯冲及印度与欧亚板块 SN向碰撞的影响;但对于盆地内的一些特殊构造现象和油气地质特征,如:文昌A凹以生气为主,且沉降量巨大(林兴荣和孙志鹏,1999);文昌B凹以生油为主,且发育反转构造;文昌C凹发育褶皱剥蚀等构造(朱伟林等,1997a,1997b;姜华等,2008),前人并没有给予合理的成因力学解释。

为解释这些疑问,本文结合前人对珠江口盆地研究的大量成果,深入分析文昌凹陷的变形机制、构造特征、沉积演化及其与周缘区域应力场演化之间的对应关系,揭示了珠江口盆地新生代形成与演化的区域背景;再对研究区内的断裂走向进行分层统计,分析了研究区应力场的变化规律,总结出 3种扭张模式;最后,对文昌A凹陷、B凹陷和C凹陷的一些构造、沉积及油气成因等问题进行解释,探讨了珠三坳陷及南海北部陆架盆地的发育、演化及与油气生成的关系。

1 区域地质背景

珠江口盆地是南海北部大陆架以中–新生代沉积为主的大型陆缘裂陷盆地(Li et al.,1999)。晚白垩世至新生代的NEE向及近E-W向断裂带控制了大规模张裂和沉积盆地的形成,但后期又被 NW 向断裂带错切,形成了南北分带、东西分块的构造格局(陈汉宗等,2005)。珠三坳陷位于该盆地的西部,被次级基底断裂进一步分割成 5凹 2凸的构造格局,即北部的阳江凹陷和琼海凹陷,中部的阳江低凸起及琼海凸起和南部沉降最深、面积最大的文昌凹陷(本文指文昌A、B、C凹陷)(图1),其凹陷走向皆为NE向(李俊良等,2010)。在剖面上,受主干断裂强烈的控制作用,珠三坳陷表现为一个典型的箕状断陷(图2)。

珠三坳陷的东南部为神狐隆起,该隆起以新生代沉积地层为主,其上除文昌D、E凹陷发育厚度不大、沉积不完整的古近系外,大部分区域均缺失古近系,最大沉积厚度为10 km(龚再升等,1997;何家雄等,2008)。

前人通过研究,将其构造演化划分为三个阶段:早期断陷阶段发育的文昌组、恩平组湖相沉积是盆地主要的烃源岩(图2);断坳期的沉积环境由湖相转为滨浅海相,因此沉积了以砂泥互层为主的珠海组和珠江组,构成了凹陷主要的储集层(图2);坳陷期的韩江组沉积了巨厚的浅海相泥岩,形成一套区域性盖层,而粤海组和万山组为浅海相砂泥岩互层(图3)(吕学菊等,2008;姜华等,2009b)。

雷宝华等(2012)应用断裂三维定量构造几何学和不同时期断裂活动多参数–走向长度关系分析方法,对珠三南断裂几何特征、形成演化、活动强度及其对沉积中心迁移的控制进行较细致和定量的研究,认为在神狐组–文昌组沉积时期,珠三南断裂西段南支活动较为强烈,控制了文昌 C凹陷的形成,而此时珠三南断裂西段北支的活动控制了文昌B凹陷,并且与珠三南断裂东支相连,控制文昌 A凹陷的沉降中心。恩平组-珠海组沉积时期,珠三南断裂西段南支与西段北支强烈的差异活动造成位于其上升盘的文昌C凹陷强烈抬升剥蚀(图2)。珠江组之后,盆地进入坳陷期,沉积趋于稳定。

2 区域应力场演化

图1 珠三坳陷构造区划图(李俊良等,2010)Fig.1 Diagram showing the tectonic units in the ZhuⅢDepression

为了分析文昌凹陷的应力场特征,本文对区内神狐组–珠江组的 13个地层界面(图3)进行了构造–层序解释,并对延伸长度大于2 km的断裂的走向进行分层统计,编制了断裂走向玫瑰图(图4,表 1)。对比T90到T40断裂走向玫瑰图可以发现:神狐组(T90)断裂走向以 NNE向为主;文昌组(T82-T80)断裂的走向主要2组,一组为近NE向,一组为近EW向。从文昌组三段(T82)到文昌组一段(T80),近 NE向断裂减弱,近 EW向增强。从恩平组(T71-T70)到珠海组(T62-T60),断裂走向以近 EW 向为主;珠江组(T50-T40)断裂走向以近NWW向为主。因此,由老到新断裂走向由NNE向→近EW向→NWW向变化。

图2 珠江口盆地文昌凹陷油气成藏模式图Fig.2 Reservoir-forming model for the Wenchang Sag in Pearl River Mouth Basin

图3 珠江口盆地珠三坳陷地层与构造运动事件图(据姜华等,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,同沉积断裂可以反映应力场变化:在伸展作用下,断裂(主要为远离基底先存断裂的新生盖层断裂)走向与最小主应力方向(或伸展方向)基本垂直(童亨茂,2010)。因此据表1可知,神狐组沉积时期,最小主应力方向(或伸展方向)为近NWW 向;文昌组沉积时期,最小主应力方向为NW、NNW 向;恩平组沉积时期,最小主应力方向为近SN向;珠海组沉积时期,最小主应力方向为近NNE向。总体上,从神狐组到珠江组,研究区最小主应力方向沿 NWW→NW→SN→NNE向顺时针旋转,具有右旋扭张的特征。这里的“右旋扭张”是指主伸展应力方向顺时针旋转与先存基底断裂总体走向斜交,引起基底断裂斜向伸展,即“oblique extension”(Morley et al.,2004),本文主要指T80之后的主伸展应力方向与珠三南断裂总体走向斜交;而斜向伸展是指伸展方向与盆地边界基底先存断裂斜交的伸展作用。

而珠江口盆地断裂系统的发育与研究区内的断裂演化特征整体一致,均受从NWW向到NNE向的顺时针旋转的扭张应力场控制。中生代末,盆地形成之前的裂陷作用使大部分断裂开始活动,产生了一系列彼此分离的地堑、半地堑及 NNE向断裂(表1,T90);晚白垩世后,扭张应力场的产生导致了研究区内 NE向伸展断裂带的形成(图5a)(表 1,T82-T70),这一时期的构造活动主要表现为垂直差异升降、断层发育、沉积速率高的特征;晚渐新世,受南海运动影响,前期右旋扭张应力场得到增强,使南海发生了一次南北向水平运动,形成了研究区内近EW向断裂(表1,T62-T60),并随后演化为NWW向断裂(表 1,T50-T40),产生了一批背斜和半背斜,这些构造同时也是目前认为最有勘探前景的构造圈闭;中中新世末,南海停止扩张,东亚陆缘部分地区再次进入左行压扭体制(图5b),造成了部分先前形成的局部构造发生反转,使早期聚集的油气重新分配,并形成新的构造圈闭。

图4 文昌凹陷T80、T60和T40层断裂组合图Fig.4 Fault patterns of T80,T60 and T40 in the Wenchang Sag

表1 文昌凹陷断裂走向变化Table 1 Variations of fault strikes in the Wenchang Sag

3 变形机制分析

珠三南断裂(图1、图6)为珠三坳陷的南部边界断裂,倾向NW,自西向东走向由NE转为NEE,是区内唯一一条一级控盆断裂。珠三南断裂分为三段,即:东段、西段北支和西段南支;分别控制文昌 A凹陷、文昌B凹陷和文昌C凹陷的南部边界。在右旋扭张应力场作用控制下,珠三南断裂的不同分支和组合对珠三坳陷的构造变形具有 3种不同的控制模式。

图5 珠江口盆地主要断裂体系成因动力学分析图(据周蒂等,2002,有改动)Fig.5 Geodynamic models of the major fault systems in the Pearl River Mouth Basin

图6 文昌凹陷基底三维图Fig.6 3D map of the basement of the Wenchang Sag

模式一:在弯曲断层条件下,松开(或施压)弯曲处,在沿着断弯处会形成扁长形或透镜状的张性下沉带(或挤压隆升带)(图7a-1、7a-2)。该弯曲断层对应珠三南断裂西段北支和东段弯曲位置,分别控制文昌 A凹及其沉降中心的形成和文昌 B凹陷局部隆升。

模式二:分支断层的伸长楔形块体在扭张应力作用下被拉开下沉(图7b)。它由珠三南断裂西段北支的南部和NW走向的珠三3号断裂组成,控制文昌B凹陷及其沉降中心的形成。

模式三:弯曲和分支断层汇合,所夹的菱形块体在走滑作用下被拉分(或挤压)(图7c-1、7c-2)。它由珠三南断裂西段南支和西段北支组成,控制文昌C凹陷的沉降(或隆升)。

图7 拉分与挤隆构造形成的力学模型Fig.7 Mechanical models for the formation of pullapart tectonics and extrusion-uplift tectonics

4 对成藏要素的控制作用

4.1 对凹陷格局的控制

在扭张应力作用下,当应力场较稳定时,断陷盆地主要表现为拉张性-质;当应力场方向变化较大时,先前形成的断裂走滑分量突然增加,使得断陷盆地具有扭张性质。通过对比不同时期断裂走向(表 1),应变椭球体中破裂面与应力场及不同破裂面之间的关系后发现(图4),研究区内存在的 3个应力场变化较大的时期分别是:神狐组沉积时期、文昌组沉积时期和珠海组沉积时期;其水平最小主应力方向从 NWW→NW,NW→SN,SN→NNE向变化。

神狐组沉积时期为盆地形成早期,此时断裂发育少,珠三南断裂西段南支首先形成(文昌 C凹边界)并控制凹陷的形成和发育(焦养泉等,1997),随后形成的珠三南断裂西段北支(文昌 B凹边界),控制了神狐组的沉积,此时区域变形主要表现为伸展作用。文昌组和珠海组沉积时期,断裂较发育、规模较大,且后期应力场方向的变化使得先存活动断裂走滑分量增加。表现为在珠三南断裂附近,模式一控制文昌 B凹陷中部局部隆升(图7a-2)、模式三控制文昌C凹陷北部,形成2个压扭挤隆构造(图7c-2);同时,模式一控制文昌A凹陷沉降中心(图7a-1)、模式二控制文昌B凹陷沉降中心(图7b)、模式三控制文昌 C凹陷沉降中心,形成 3个扭张拉分构造(图7c-1)。因此,受珠三南断裂和扭张/压扭应力场控制,在文昌凹陷形成3个扭张拉分构造和2个压扭挤隆区的构造格局(图7)。

4.2 对凹陷反转构造的控制

由于应力场顺时针方向变化,使得先存边界断裂的逆时针拐角处(图7中“+”附近)产生局部挤压分量,进而造成地层上隆。在文昌 B凹陷中部和文昌C凹陷北部的压扭挤隆构造区,形成局部挤压,从而使地层隆升反转。表现为地层沉积减薄或者遭受部分剥蚀,使现今所见到的地层沉积中心远离控坳断裂,向盆地中部迁移。

在文昌B凹陷中部,至少有2期明显的构造反转现象,分别是:珠海组沉积时期(晚渐新世),其顶部存在明显不整合,主干断裂附近的地层减薄;珠江组沉积以后(中中新世末,东沙运动在珠三坳陷西南部边界大断层处引起发生强烈的挤压作用)(王春修和张群英,1999),地层隆升明显,韩江组形成同沉积背斜(图8a、8c)。在文昌C凹陷东部,文昌组地层(晚渐新统)发生构造反转,并强烈褶皱剥蚀(图8b)。

4.3 对沉降中心区的控制

在持续性扭张应力作用下,断层活动性强(童亨茂等,2009),断陷强烈,使靠近边界断裂的地层沉降速率较快,故而形成沉降中心。

研究发现,从晚白垩世至中中新世后期,在右旋扭张应力场的控制下,模式一、模式二、模式三分别形成了文昌A、B和C凹陷的沉降中心(图6、 7),并在文昌B凹陷西部和文昌A凹陷中部形成滚动背斜构造或正牵引构造(陈书平等,1999),其地层表现为多期扭张和拉张构造的叠合区,断层样式表现为铲式或坡坪式断层(图8c、8d)。

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

4.4 对油气成因的控制

盆地分析表明,不同的构造活动导致了不同的沉积相带,而不同的沉积相又使烃源岩具有不同的地球化学特征。比如,珠三南断裂的活动强度具有早期强烈晚期减弱的特征,致使不同时期的沉积演化有所差异,即形成了以滨浅湖相为主的文昌组烃源岩和以河沼相为主的的恩平组烃源岩,前者主要生油,后者主要生气。同时,珠三南断裂活动的差异性也造成了凹陷在不同时期沉积中心的迁移(图8a),从而改变了原先的沉积相态,对烃源的分布产生了一定影响,使得文昌凹陷文昌组的烃源岩主要集中在主干断裂的下降盘且成熟早,而恩平组成熟烃源岩的分布范围相对较广泛(谢瑞永,2012)。

构造活动研究认为,文昌 A凹在扭张应力作用下,盖层断裂表现为长期持续活动的张性正断层,是油气垂向近距离运移的良好通道(周雯雯和张伙兰,2000)。早期文昌组烃源岩生成的原油由于缺乏区域性盖层,或沿断裂逸散或侧向运移至凹陷边部;随着后期构造活动的减弱和盖层的发育,恩平组烃源岩生成的气能够沿断裂垂向运移,从而进入珠海组聚集成藏(甘军等,2009)。因此,在珠三南断裂东段弯曲断层控制下形成的文昌A凹陷是找气的有利地区。

文昌B凹陷西部由扭张模式二控制的沉降中心是文昌组湖相厚层烃源岩的发育区;文昌 B凹陷中部由压扭模式一(图7a-2)控制,珠三3号断裂带下降盘文昌组湖相烃源岩沉积期末经历了构造反转抬升,因而埋深较浅,具有延迟生、排油,多期持续油气充注的成藏过程,其成熟烃源岩主要为文昌组。同时,反转构造区易于形成背斜和断背斜等挤压构造圈闭,有利于油气聚集成藏(张迎朝等,2011a,2011b)。因此,由模式二控制的文昌B凹陷是找油的有利地区,其过渡区为油气的复合带(朱伟林等,1997)。

综上所述,晚渐新世的张扭构造和中中新世末的剪切构造是主要的含油气局部构造,且后者又是圈闭的定形期。在这一成藏背景下,坳陷内存在 2套含油气体系,分别为文昌 A凹陷恩平组-珠海组含气体系和文昌B凹陷的文昌组-珠海组、珠江组含油体系;二者的生、排、运、聚的高峰均为中中新世之后(周雯雯等,2004)。

5 讨论

在前面的几个章节,我们从珠江口盆地珠三坳陷的断裂系统出发分析了区域应力系统并对其控制作用进行了阐述,结果显示其水平最小主应力方向具有从NWW→NW,NW→SN,SN→NNE向变化的特征,并在一定程度上控制了研究区的成藏要素。但珠三坳陷只是华南陆缘的一小部分,珠三坳陷的形成演化与华南陆缘的演化是否一致？南海各板块的俯冲碰撞与珠三坳陷的变形特征、成因机制、断裂系统、火山活动、演化阶段又有怎样的对应关系？

王洪才等(2013)重建了 55 Ma以来的典型时期海陆格局,认为中生代末,东亚陆缘受古太平洋板块早期NWW方向转为NNW方向俯冲的影响(王洪才等,2013;Zhou et al.,1995),呈左行压扭状态(Ru and Pigott,1986;Briais et al.,1989;Pautot et al.,1990;Ru et al.,1994;许浚远和张凌云,1999),由此构成华南陆缘新生代构造演化的基础(周蒂等,2002)。此后,南海北部区域应力场经历了 3次影响深远的转变,而这3次区域性的变革事件对珠江口盆地珠三坳陷内断裂系统的形成以及成藏要素的发育均有重要影响。

晚白垩世,太平洋板块向欧亚板块的汇聚速率降低,导致东南亚大陆边缘出现应力场松弛。在这种背景下,西太平洋俯冲带发生了后撤,使东亚陆缘产生了左行压扭体制向右行张扭体制的巨大变革(朱夏和徐旺,1990;万天丰,1993),形成了东南亚陆缘NE向伸展断裂系(图5a)。此次被称为神狐运动的区域性构造事件是南海扩张前岩石圈减薄作用的反映(周蒂等,2002),且该时期的 NE向伸展断裂控制南海北部各盆地的形成与发育。

早渐新世初,太平洋板块运动方向由 NNW 向俯冲后撤转为近 EW 向拉张,这种动力学背景使得东亚陆缘的右行张扭应力场进一步发展,并导致了陆壳的破裂及南海扩张。该时期的南海运动主要形成了近EW向的伸展断层。

中中新世末,受澳大利亚陆架与班达弧碰撞及菲律宾岛弧向南海仰冲的影响,南海停止扩张,东亚陆缘再次进入左行压扭体制(图5 b)。该时期的东沙运动造就了一些挤压褶皱带(周蒂等,2002)。

因此,珠三坳陷的 3期断裂活动与华南陆缘区域应力场的 3次变革相对应,主要为 50~40 Ma、30~28 Ma和10~5 Ma(吴世敏等,2001)。在变形运动学上,分别为伸展作用、右旋转换伸展作用、左旋剪切作用。在成因动力学上,分别为南海北部陆缘简单剪切、纯剪及受台湾地区的弧–陆碰撞挤压的影响(吴世敏等,2001)。在断裂特征上,分别为NE向、近EW向及NW向三组断裂(姚伯初,1993;张志杰等,2004;孙珍等,2005)。

6 结论

(1) 白垩世至早中新世后期,文昌凹陷研究区的应力场与区域构造应力场基本一致,受从 NWW向到NNE向的右旋扭张应力场控制。

(2) 整个文昌凹陷受3种扭张模式控制。模式一:弯曲断层控制的扭张下沉/差异隆升;模式二:分支断层控制的扭张楔形下沉;模式三:弯曲和分支断层汇合控制的菱形扭张下沉/差异隆升。

(3) 受珠三南断裂和扭张/压扭应力场控制,在文昌凹陷形成3个不同的沉降中心和2个反转构造区(文昌B凹陷至少2期反转构造和文昌C凹陷文昌组反转造成的褶皱剥蚀)。

(4) 在模式一控制下,文昌A凹陷和文昌B凹陷中部分别形成张性下沉带和挤压隆升带,通过对坳陷内成藏要素的控制,形成了 2套含油气体系:即文昌A凹陷恩平组–珠海组含气体系和文昌 B凹陷的文昌组–珠海组、珠江组含油体系。

(5) 区域讨论分析认为,珠三坳陷的 3期断裂活动不仅与华南陆缘区域应力场的 3次变革事件相互对应,在区域演化阶段、变形特征和成因机制上也能够进行对比。

致谢:向本文的审稿人、编辑部老师以及在论文撰写过程中提出的宝贵意见和帮助的同志们致以诚挚的感谢。

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