陆缘地壳强烈拆离薄化作用下的油气地质特征——以南海北部陆缘深水区白云凹陷为例

庞雄，任建业，郑金云，刘军，于鹏，柳保军

（1. 中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳 518054；2. 中海石油深海开发有限公司，广东深圳 518054；3. 中国地质大学（武汉）构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074；4. 同济大学海洋地质国家重点实验室，上海200092）

0 引言

油气勘探经历了先陆地后海洋、先浅水后深水的发展，这不但是基于勘探工程技术的发展，也与基础地质和油气地质的认识程度有关。长期以来，人们对陆缘深水区盆地结构的认识主要来自易于获取资料的浅水陆架盆地[1]。按照传统伸展模式，认为陆缘深水区盆地具有与陆内盆地和浅水区盆地相似的结构样式，即以高角度正断层控制的断陷盆地系为特征[2]，深水盆地的油气地质特征与陆内和浅水盆地相似，浅水区的勘探模式可以用于指导深水区的勘探。然而，南海北部深水区珠江口盆地白云凹陷经过近10年的勘探实践和研究，在发现了一批油气藏的同时，也揭示出一系列与浅水区盆地迥异的特殊地质现象：①白云凹陷高角度控洼断裂并不明显，为何能形成又宽又深的断陷，属坳陷还是断陷长期存疑[3-6]。②根据传统的伸展模式，断陷盆地形成及其力源机制应是多幕次，并且是迁移的[6-7]；据此曾认为，南海北部新生代断陷盆地沉积具有从陆向洋逐渐迁移和变新的趋势，并推断陆内盆地的沉积始于古近纪早期，向洋逐渐变新[6,8-9]，白云凹陷开始沉积的时间较晚，为始新世晚期[7]。按照上述认识，尽管白云凹陷沉积巨厚，但应当缺少多数断陷主要烃源岩发育期的中下始新统文昌组；若如此，烃源潜力的评价结果就要大打折扣。但是近年的深水勘探已经钻遇了文昌组[10]，表明传统模式存在问题。③地震解释结合重磁震联合反演，发现并证实了由几乎断穿地壳的大型低角度拆离断裂系控制的洼陷结构特征[11]。白云凹陷的结晶地壳厚度很薄，仅几千米，地壳减薄与莫霍面（Moho面）上隆呈镜像关系，且下地壳伸展程度大于上地壳[12-14]，明显不同于陆内和浅水区的盆地。地壳薄化程度以及与浅水区典型半地堑不一样的凹陷结构特征，意味着深水区的油气地质条件具有特殊性。④断陷期地壳薄化最为强烈的白云凹陷，在随后的拗陷期也出现了高于陆架浅水区正常断陷盆地的强烈热沉降[8]，不但沉积了厚达6 000 m的地层，而且演化为持续的深水盆地，显现出受特殊的沉降机制控制。⑤深水钻探揭示了白云凹陷具有极高的地温梯度[12,15-16]，表现出高地温梯度作用下的烃源岩生烃、砂岩储集层成岩作用和油气成藏等的特殊性。

在长期从事白云深水区的油气勘探研究中，笔者一直尝试认识这种深水盆地的油气地质特征[12]，但过去的理解和认识明显受传统伸展结构模式[2]的制约。基于伸展陆缘地壳拆离薄化新模式[17]，本文试图探讨陆缘地壳伸展拆离薄化背景下的白云凹陷深水区油气地质特征，期望能对正在快速推进的南海深水油气勘探有所裨益。

1 陆缘地壳强烈伸展拆离薄化作用与盆地结构

1.1 伸展背景下的拆离断层

本研究中的拆离断层是指伸展背景下断面呈犁式或坡坪式，倾角为10°～30°，水平断距两倍以上于垂直断距的正断层。针对挤压应力背景下叠瓦状逆冲断层的底板断层，最早由 Pierce[18]提出拆离断层（detachment fault），到20世纪80年代，才逐步形成伸展背景下拆离断层发育机制的认识[19]，并成为岩石圈伸展薄化破裂理论的重要基础[20]。

Wernicke[21]通过对北美西部盆岭区伸展拆离断层的研究，提出了岩石圈伸展变形的简单剪切变形模式，与 McKenzie[22]的纯剪切伸展变形模式一起构成了岩石圈伸展变形理论的两种端元模式。Miller等提出拆离断层是上盘的脆性变形和下盘韧性变形之间的分界面[23]，并认为伸展拆离断层初始都是以低角度（＜30°）形成并活动的。Spencer发现伸展断层的去载作用所引起的均衡回跳会导致下盘发生旋转[24]，这意味着拆离断层是由高角度正断层在伸展过程中上盘断块掀斜、多米诺式旋转的结果。之后，前人深入分析了岩石圈随深度、温度、压力、组分等的不同而呈现出的脆-韧性流变结构差异变化[25]，提出了低角度正断层发育的滚动枢纽模式[26]，认为拆离断层一旦形成，上盘伸展应变就会集中在拆离面上，并产生大规模、远距离的位移，而断层面之下的应变则表现为韧性伸展变形[27]。

1.2 地壳拆离薄化机制

经典的板块构造模型认为被动大陆边缘的伸展和破裂是一种深度均匀、瞬时的过程，可划分为同裂陷伸展和裂后热沉降两个阶段[20,28]。这一模式认为陆缘深水区断陷盆地具有与陆内裂谷或浅水陆架区裂谷相似的地质结构和构造，断陷盆地之间的类比是指导深水区油气勘探行之有效的办法。然而，南海北部被动陆缘深水区白云凹陷的勘探实践表明，无论是地壳厚度、盆地结构、沉积充填、热流演化，还是油气的成烃成藏等方面都表现出与浅水陆架区裂谷盆地极大的不同（见图1）[10,12]。

图1 研究区白云凹陷位置图和地层柱状图（据文献[12]）

图2a为跨南海北部陆缘珠一坳陷、白云凹陷和荔湾凹陷的区域地震大剖面，以图2b所示的该区域主干剖面构造-地层格架为基础，通过速度结构分析，建立速度和密度的岩石物性反演模型，获得了重-磁-震联合反演剖面（见图2c）。反演结果确定了地壳底界面（Moho面）以及中、上地壳底界面和盆地基底面的深度，建立了地壳的结构剖面（见图2c、图2d）。从图2可见，南海北部陆缘Moho面深度在陆架北部为29 km，到白云凹陷所处的陆坡位置变浅为19 km，向南到荔湾凹陷继续变浅到 15 km，到新生洋壳为基底的深海平原则只有 11.5 km，从陆架、陆坡到深海平原 Moho面呈阶梯式抬升。若减去新生代的沉积层，地壳在陆坡部位明显减薄，在白云凹陷的沉积中心处结晶地壳厚度只有 5～7 km，Moho面起伏与沉积基底的形态呈镜像关系[12]。地壳强烈薄化，Moho面明显抬升是南海北部深水区不同于陆架区的重要结构特征（见图2c）。

以上述区域主干剖面的构造-地层格架和地壳结构剖面为基础，运用挠曲回剥、去压实以及裂后热沉降反演模拟等技术[29]，获取了图2e所示的上地壳、地壳和岩石圈的伸展系数（β）变化剖面。结果表明，上地壳发生的伸展和减薄很小，β值为1.1～1.3，而从陆架浅水区到陆坡深水区，地壳和岩石圈的伸展系数却逐渐增大，并且在荔湾凹陷达到了最大，地壳β值达到3.5左右，而岩石圈的β值大于4，明显大于上地壳；表明从现今的陆架到陆坡深水区的方向上，地壳和岩石圈的伸展和减薄的规模及程度逐渐增大，且伸展程度不同，岩石圈发生了与深度相关的伸展或圈层差异伸展的流变作用。

前人对白云凹陷不同圈层的差异伸展也有较深入的研究。赵中贤等认为南海北部陆架区地壳的伸展系数一般为 1.2左右[30]，而张云帆等的数值模拟结果显示，陆坡深水区白云凹陷的地壳最大伸展系数达到4，并且下地壳伸展系数（最大值为 4）远大于上地壳的伸展系数（最大值为 1.9），为珠江口盆地地壳减薄程度最大区域[12]。这表明下地壳较上地壳发生了更为强烈的差异变形或与深度相关的伸展[12,28,31]。实际上，包括白云深水区在内的许多被动陆缘地壳岩石圈明显减薄现象，都很难用上地壳脆性断层的伸展量所平衡，模拟计算均表明下地壳的伸展程度要远大于上地壳[12-13,32-33]。

回剥史计算获得的盆地沉降曲线（见图2f）表明，岩石圈的伸展变形和薄化程度对表层盆地沉降有重要的控制作用。在陆架浅水区段，地壳表层、整个地壳和整个岩石圈伸展系数差异不大，即没有深度相关的伸展作用发生，岩石圈的变形机制以纯剪切变形为主，这个区段盆地裂后期沉降速率和沉降量均比较有限；而在陆坡深水区则发生了与深度相关的伸展，岩石圈的伸展变形以简单剪切或联合式剪切为特征，这个区段的盆地发生了比较快速和较大幅度、由拆离断层控制的同裂陷沉降和裂后期沉降。深水区岩石圈强烈韧性伸展导致了地表盆地的大幅度沉降，形成了规模巨大的可容空间。

图2 南海北部陆缘地壳薄化与沉积盆地结构综合解释剖面（剖面位置见图1）

20世纪80年代以来，对Iberia-Newfoundland边缘的大洋钻探（Leg103/173/210)[34-36]钻遇了速度低于8 km/s的蛇纹石化橄榄岩。结合大量的地球物理探测和综合研究[37]，发现从陆架、陆坡到深海洋盆，贫岩浆型伸展陆缘地壳逐渐薄化以至尖灭，整体呈现为楔形形态。在薄化尖灭的陆壳和正常的洋壳之间出露了地幔岩组成的洋陆转换带。研究表明，岩石圈圈层伸展流变差异的拆离作用是地壳岩石圈薄化尖灭的主要原因[38-39]，地壳中位移量巨大的拆离断层面意味着韧性地壳岩石圈的迅速减薄，以及随着地壳的尖灭而出现的地幔最终剥露，这与传统模式中地壳伸展、瞬间断开形成洋陆转换界面的结构形态形成鲜明的对比（见图3、图4）[2,17]。

图3 建立在纯剪切伸展模式之上的伸展大陆边缘模式（据文献[2]）

图4 南大西洋中部陆缘岩石圈构造单元划分、盆地结构样式和沉积充填（据文献[17]）

大陆岩石圈的伸展破裂不是一个瞬时过程[40-41]，而是经历了横向上从陆到洋，纵向上从地表到 Moho面，最终到岩石圈底界破裂的序列变形过程。断层的发育也随着地壳岩石圈的薄化，从小型高角度的正断层，逐渐向下深切入中下地壳，发育演变为低角度的大型拆离断层（见图5）。

研究发现白云凹陷是由位于南侧的一组断面北倾、倾角上陡下缓、断面延伸至 Moho面附近的地壳深部拆离断裂系控制的断陷（见图2a、图2d、图6）。该大型拆离断层带向深部逐渐汇聚到8～9 s双程旅行时间深度上的 Moho面附近，主拆离面深部倾角一般为10°～20°，一些典型剖面上显示为较复杂的坡-坪式交互的断层几何形态，主断层面往往发育多条次级的同向铲式断层，这些次级铲式断层呈扇形、“Y”形向下延伸，最终汇聚于主拆离面之上。拆离断层带构成了白云凹陷断陷期的南部边界，平面上总体呈近东西向展布，地震剖面上可追踪的延伸长度逾200 km。与拆离断层带相伴生，其上盘的挠曲变形作用形成了大型滚动背斜，卷入了早期的断层。拆离断层滑距的水平分量最大超过40 km，其与落差的比值最大可以达到5︰1。在南海北部陆坡深水和超深水区，均普遍发育了这类拆离断层，如鹤山凹陷、荔湾凹陷、兴宁—靖海凹陷（见图1），以及琼东南盆地的深水区等。可以认为，白云凹陷巨大的水平位移分量是中下地壳发生强烈韧性伸展在凹陷结构中的表现，拆离断裂则构成了下地壳韧性流变、强烈伸展薄化与脆性上地壳差异变形的分界。

1.3 陆缘地壳伸展拆离薄化与宽深断陷的盆地结构

图5 伸展作用下的地壳拆离薄化与断陷结构演变关系图

被动陆缘经历了完整的伸展演化过程，总体上从陆缘的内侧陆架区到外侧的陆坡区，随着岩石圈薄化程度的提高，变形越来越向岩石圈最后裂解成洋的方向迁移和集中，最后完全集中在扩张中脊释放区域拉伸应力（见图 4）。从大陆岩石圈伸展、薄化、地幔剥露和裂解的递进变形过程中，表现出幕式伸展、应变集中及变形迁移和转化[11,40-41]。陆缘伸展作用首先从纯剪切伸展脆性上地壳破裂，形成均匀分布的、由高角度断层控制的窄条状断陷群开始，然后是脆性层高角度断层继续深切，进入上下地壳脆韧性带，由于上下地壳在伸展作用的应变差异而产生拆离面，此后的伸展作用应变集中到下地壳，使下地壳韧性层产生明显的韧性流变，上地壳断裂的上盘则因下地壳的韧性伸展而沿着拆离面被拉开滑移产生巨大的位移量，早期的窄条状断陷演变为宽深断陷（见图5、图6），持续的深部伸展作用可以导致下地壳被进一步拉薄甚至缺失，最终地壳岩石圈完全破裂，地幔岩石圈被剥露出来[42]。

上述演化模式表明，大多数陆缘深水区陡倾正断层控制的断陷主要形成于伸展早期，上地壳均一伸展，水平断距小，落差也不大，控盆边界断层的倾角为60°～68°。盆地的规模普遍较小，深断陷的发育期也比较短（见图5）。而大型拆离断层控制的断陷，其水平断距和落差普遍比陡倾正断层控制的断陷要大，且水平断距与落差的比值也较大，因此，形成宽而深的断陷（见图5）。韧性下地壳伸展系数越大，薄化程度越强，上地壳已经形成的深断陷水平位移就越大。宽深断陷是陆缘地壳强烈薄化带最重要的地貌特征，明显不同于陆内地壳伸展程度有限的高角度断裂控制的窄条断陷。

图6 白云凹陷3D地震解释剖面图（剖面位置见图1）

白云凹陷就是一个受地壳强烈拆离薄化作用所控制的巨型宽深断陷，该凹陷长度约200 km，最大宽度95 km，面积达1.26×104km2，凹陷新生界厚度达13 km，现今水深500～2 000 m（见图2）。根据地震剖面时深转换测量计算，白云凹陷断陷期地层最大沉积厚度超过7 km，而控凹断层系的总垂直断距4.4 km，总水平位移距离最大达40 km，图6剖面的Tg面断层总水平位移距离 21 km，各分支断层 Tg附近断面倾角 11°～46°，在深部下地壳的断层面倾角接近于水平。与之对应的是，白云凹陷所处的地壳岩石圈则强烈伸展，显著薄化（见图2d）。重磁震联合反演结果表明（见图2c），凹陷上地壳被断开，下地壳减薄至数千米，岩石圈伸展系数可达4左右，且下地壳伸展系数大于上地壳（见图 2e）；这些特征充分表明，地壳强烈伸展、圈层差异拆离薄化导致了白云凹陷巨型宽深断陷的形成。

2 宽深断陷与湖相规模烃源岩

由于圈层脆韧性差异，陆缘地壳伸展拆离薄化是一个有序的变化过程，对应地表断陷的发育和演化有以下3个阶段（见图5）。首先，伸展作用早期（早始新世文昌组下部沉积期），地壳伸展程度有限，主要表现为上地壳均一伸展形成的陡倾正断层，断层未完全切开上地壳，下地壳弱伸展、薄化不明显，地表发育均一分布的、由陡倾高角度正断层控制的窄条箕状半地堑断陷（见图5）。这个时期地表地形落差大，隆坳相间，小型盆地之间分隔性强，相对于周边的供源区面积而言，断陷提供的沉积可容空间有限，易于发育补偿—过补偿沉积，半地堑盆地内表现为沿控洼断层延伸的断陷长轴方向供源为主、环洼周边均有明显沉积物进入的供源体系。因此，洼陷的周缘带主要为河流、三角洲、扇三角洲和冲积扇等粗碎屑沉积充填，洼陷中部发育范围较小的欠补偿湖相—半深湖相沉积，湖相面积和体积占整个洼陷比例相对较小。南海北部陆架区珠江口盆地珠一坳陷的断陷由于地壳伸展程度有限，以发育这种高角度断裂控制的窄条断陷为特征（见图2、图7）。

图7 珠江口盆地东部断陷期地层厚度图

伸展作用的中期阶段（约为中始新世文昌组上部沉积期），随着伸展作用增强，应变迁移并集中到一些断裂带上，这些断层向下深切进入地壳内部的韧性流变层，演变成大型的伸展拆离面（见图5），早期的窄条状半地堑发育演变为由拆离断层控制的宽深断陷。宽深断陷具有的深断、断层上盘巨大的滑移量及其旋转掀斜的盆形结构特征导致了独具特色的沉积体系。断层持续深切使得落差加大，盆地加深，拆离断裂的发育程度反映了下地壳韧性层流变薄化作用强度，也使得断陷的沉降加剧。拆离断层的水平断距大意味着盆地大幅度加宽，由此形成相较于伸展作用早期断陷盆地的深度、宽度、面积和体积均更大的沉积可容空间。

拆离断裂的发育使得断层上盘发生旋转掀斜作用，旋转掀斜的翘倾端强烈抬升，遭受剥蚀，成为断陷最主要的物源区，断层上盘旋转掀斜的倾没端为深沉降区，发育大面积欠补偿的大型深湖或半深湖相沉积，而断层上盘中段的缓坡带则为掀斜翘倾端主要物源区沉积物的过路区，发育大规模的河流和三角洲沉积（见图5c、图8a、图8b）。拆离断层的犁式形态往往导致上盘地层滚动形成挠曲带，控制了盆地的地貌形态，挠曲背斜轴成为分隔缓坡区三角洲沉积环境和倾没端快速沉降区半深湖—深湖沉积环境的构造坡折带[43]（见图5c、图8b）。拆离断层的旋转掀斜作用会导致陡坡一侧的断层下盘基岩面倾向背离断陷盆地，被剥蚀的沉积物较少进入断陷，因此，断层陡坡扇三角洲不发育。宽深断陷具有更大比例的欠补偿沉积，因而，具备形成规模湖相烃源岩的沉积可容空间。

伸展作用的晚期阶段（晚始新世恩平组沉积期），脆性上地壳已经完全被断开，断层的活动不明显，而下地壳韧性伸展流变作用仍然持续，导致地壳表面继续沉降深陷，拆离断层控制的宽深断陷转变为大型的碟形断坳盆地（见图5），沉积地层主要为不受或少受断层控制，以地层上超充填结构为特征。应该强调的是，伸展作用的晚期阶段，如果韧性下地壳继续发生强烈的伸展薄化，也会具有明显的地表沉降、发育半深湖沉积环境的条件。

整个伸展阶段期间，陆缘深水区一直都处于强烈伸展的断陷发育过程，相对于陆缘浅水区（地壳伸展程度弱的地区），不但有更大的沉降速率和更大的沉积可容空间，在断陷发育的时间尺度上也是最长的；如伸展阶段中期，应变迁移集中导致深水区下地壳强烈拆离薄化和地表的深陷，发育宽深断陷，而此期间浅水区伸展程度较小，断裂活动弱，断陷的沉积可容空间增量有限。需要说明的是，宽深断陷的宽度主要与下地壳韧性层的伸展薄化程度有关，断陷的深陷程度则与上地壳脆性层的厚度和下地壳薄化导致的均衡沉降有关。另外，随着地壳甚至整个岩石圈的薄化，重力均衡作用将可能使陆缘地表在伸展阶段的中后期某个时候沉陷至低于海平面以下，此时如果有海水进入，则可以发育海相沉积环境。

图8 白云凹陷断陷期沉积相平面图和剖面图

综上所述，宽深断陷、发育拆离期大型三角洲和湖相烃源岩沉积是陆缘深水区的最显著特征。白云凹陷宽深断陷的可容纳空间巨大，根据基底Tg减去恩平组顶面T70厚度图计算总沉积体体积，断陷期始新统文昌组和恩平组沉积时期形成的沉积物总体积达到了28 828 km3，是整个南海北部陆架浅水区珠一坳陷22个陡倾正断层控制的半地堑内文昌组和恩平组沉积物总体积（12 662 km3）的两倍还多（见图7）。根据洼陷结构、层序地层和沉积体系的综合分析，受控于南侧拆离断裂系的强烈伸展作用，断层上盘强烈旋转掀斜作用导致凹陷北侧番禺低隆起的强烈抬升，成为凹陷沉积充填最主要的供源区，在凹陷的北部缓坡区发育了多旋回叠合出现的“S”形前积地震反射（见图8c、图8d），前积反射地震相自北向南跨度达40 km，反映了来自北部物源的多个层序的大型三角洲沉积（见图8c、图8d），北部物源的沉积作用几乎覆盖了凹陷的主体。凹陷中部的地震剖面可以识别出近东西走向分布的挠曲坡折带（见图5c），坡折带附近具有典型“S”形的前积地震相（见图8d）；去压实恢复后可以测算出，“S”形反射的顶积层到底积层落差超过150 m，基本反映当时湖盆的水深状况[12]，白云凹陷湖相—半深湖相最大面积达3 300 km2。

白云凹陷深水区已有少量探井钻达断陷期始新统文昌组—恩平组，钻探资料表明，断陷期发育以北部供源为主的大型三角洲—湖相沉积体系。白云凹陷西北部的P33探井（见图1）钻穿了千余米厚的恩平组，主要为河流—三角洲相沉积，烃源岩有机质类型Ⅱ2型为主，总有机碳含量平均达到1.76%[12]。凹陷东南部的另一口探井W4（见图1）证实了文昌组半深湖相沉积的存在[10]，该井在文昌组钻遇了近50 m厚富含淡水浮游藻类和孢粉化石的泥岩，有机质类型为Ⅱ1型，总有机碳含量为 1.36%～1.72%，氢指数达到 408～565 mg/g，淡水浮游藻类含量达到 60%～90%，其中盘星藻最多，其次是粒面球藻和光面球藻，见零星葡萄藻和刺面球藻。葡萄藻、盘星藻等浮游藻类的富集表明存在富营养水体、高生产力的湖相环境，球藻类繁盛于矿化度较高、水较深的湖泊。据此可知，该井段文昌组沉积于具有一定矿化度的淡水湖泊环境，而且湖水生产力高，浮游藻类繁盛。凹陷北部巨厚的粗粒陆源碎屑沉积表明沉积物源主要来自北侧，是白云凹陷控洼断裂深部拆离作用导致上盘旋转掀斜，番禺低隆起抬升、遭受剥蚀成为主要物源区的沉积。白云凹陷南部是拆离断层上盘旋转掀斜的倾没端，快速沉降使之持续发育面积大、水体深的湖盆环境，易于沉积厚度大，分布广泛的半深湖相—深湖相烃源岩（见图8b）。

3 裂后差异沉降对深水沉积储集层的控制

有关南海北部深水区层序地层格架、陆架坡折带、沉积环境、沉积体系、深水砂岩储集层分布等已经有诸多研究[12,44-46]，这些研究认为深水重力流和陆架边缘三角洲砂岩是白云凹陷深水区最重要的储集层，陆架坡折带和三级层序低位期控制着陆架边缘三角洲和陆坡深水重力流砂岩储集层的分布；研究还发现，早中新世以来，白云凹陷及其以南的区域就与现今一样处于深水陆坡的沉积环境，陆架坡折带长期稳定位于白云凹陷的北侧，并控制了中新世以来的沉积环境（见图2f），在陆架坡折带以北为浅水陆架沉积环境，宽广的陆架区发育受海平面升降影响而频繁变迁的、由古珠江供源的三角洲沉积。在陆架坡折带以南，盆地长期快速沉降维持了陆坡深水环境，沉积了巨厚的以深水重力流为主的地层，其中的重力流砂岩是南海北部陆缘深水勘探重要的储集层[44-46]。白云凹陷所在的陆坡区裂后沉积厚达 6 000 m，是北部陆架区同期地层厚度的两倍多，至今水深范围为 500～2 000 m。长期以来，这种在较快沉积充填条件下仍然维持深水环境，并且陆架坡折带位置基本稳定保持不变的特殊现象，被认为是存在异常构造沉降作用，但原因众说纷纭[46-48]。

最近研究表明，陆缘岩石圈的强烈拆离薄化作用直接影响了拗陷期的热沉降程度和沉积环境。地层的去压实恢复计算证实，白云凹陷和荔湾凹陷的拗陷期沉降速率要比北部坳陷带和番禺低隆起区要大得多（见图2f），表明盆地裂后期的热沉降幅度与岩石圈的伸展系数正相关。大体以现今的陆架坡折带为界（见图2b、图2f），南北两侧具有显著的裂后期差异沉降。断陷期地壳伸展薄化量小的地区，在拗陷期热沉降量也相对小，主要形成浅水陆架沉积环境；断陷期地壳强烈伸展拆离薄化的地区，如白云—荔湾凹陷区域，拗陷期热沉降幅度也比较大，发育成为陆坡深水—超深水沉积环境，两者沉降的差异就构成了构造控制型陆架坡折带，即使有巨大的沉积物供给，陆架坡折带仍然长期维持在白云北坡位置不变[46]。南海北部拗陷期陆架坡折带基本保持在陆缘地壳薄化的变化带上的特征表明，断陷期岩石圈薄化导致的地幔软流圈上涌程度直接影响了拗陷期热沉降程度，并以此控制了拗陷期陆架和陆坡沉积环境，以及沉积体系的展布和深水储集层分布。

4 高热流成因及其对油气成藏的影响

南海北部深水区表现出与地壳岩石圈拆离薄化趋势一致的高地表热流特征。强烈拆离作用使得深水区地壳急剧薄化，Moho面迅速抬升（见图2d、图2e），相应的地幔岩石圈也会强烈薄化，地幔软流圈明显上隆，导致地表热流升高。位于北部陆架区的西江凹陷，伸展程度弱，结晶地壳厚度约20 km，钻井揭示的地温梯度为2.6 ℃/100 m；向南延伸，地温梯度逐渐增大，至陆架边缘达到3.5 ℃/100 m；位于南海北部陆坡区的白云凹陷，地壳强烈拆离薄化到约7 km，W3-1井地温梯度为 5.2 ℃/100 m，到荔湾凹陷进一步增大，达到6.5 ℃/100 m（W21-1井），在陆坡底部的陆壳边缘地温梯度更是达到8.4 ℃/100 m（ODP1148井）。从陆架到陆坡，热流和现今地温梯度总体呈逐渐增高的趋势，与地壳岩石圈的减薄程度以及岩石圈热力学界面（1 300 ℃绝热界面）向海方向逐渐抬升的总趋势是一致的。唐晓音等研究认为，南海北部陆缘大地热流与岩石圈厚度存在良好的指数相关性[16]，因此，南海北部陆缘岩石圈拆离减薄程度控制了深水区大地热流总体变化趋势，岩石圈伸展拆离薄化是南海北部深水区具典型“热盆”特征的重要原因[15]（见图2）。

地壳薄化导致的高热流背景提供了深水区独特的成岩和成烃热演化条件，并将导致油气运移成藏的特殊性。白云凹陷新生代沉积地层厚度达到13 km，断陷期文昌组和恩平组发育大型三角洲和湖相沉积，是白云凹陷潜在的烃源岩，现今埋深在3～13 km。由于长期深陷、烃源岩层系多、叠覆地层厚，因此，凹陷的接续生烃期长。据生烃史的理论模拟结果（见图 9），当地温梯度由3 ℃/100 m增大到5 ℃/100 m时，烃源岩进入主生油窗埋藏深度可由4 200～5 700 m变浅到2 600～3 600 m，主生气窗埋藏深度可由5 700～6 800 m变浅到3 600～4 200 m。此外，高地温背景下更易于生成液态烃[49]。在高达5 ℃/100 m以上地温梯度背景下，烃源岩显示出生烃早、成熟快、生烃窗口变浅变窄、生成更多的液态烃和易于产生生烃超压等特殊的生烃条件和成烃演化过程。高地温梯度对碎屑沉积物的成岩演化亦产生重要影响。异常高地温梯度加快了砂岩的压实速率，也使得水-岩反应作用提前，各种胶结作用、黏土矿物微孔化增强。白云凹陷的钻井发现，地温梯度高的地区，砂岩成岩序列提前出现，储集层物性开始变差的层位变浅，当地温梯度分别在大于5.0℃/100 m，4.5 ℃/100 m和小于4.0 ℃/100 m时，砂岩储集层孔隙度下降至12%、渗透率降低至1×10-3μm2的埋深分别为2 300，2 700和3 500 m[50]。

图9 烃源岩排烃顶界限与砂岩渗透率下限关系图

地温梯度升高，有利储集层下限变浅，生烃窗口（Ro值为0.7%～2.0%）会变得更窄（见图10）。地温梯度为（3.0～4.0）℃/100 m时，处于油气大量生成和排烃的早期，周边的砂岩渗透率普遍仍然较好，能够以浮力的形式排出和输导油气，易于形成常规油气藏。当地温梯度大于5.0 ℃/100 m时，烃源岩大量排烃时周边砂岩已经致密，毛细管阻力大，难以以浮力的形式输导油气，因此，生烃超压、相势驱动、幕式排烃[51]可能是主要成藏模式。

图10 珠江口盆地油气成藏概念模式图

5 结论

陆缘盆地的构造演化受控于陆缘地壳序列式薄化作用而呈现出规律变化。地壳伸展程度弱的地区，发育由陡倾正断层控制的窄断陷群，相应的拗陷期也表现为弱的热沉降，演化为陆架区；地壳强烈伸展薄化区，发育圈层伸展差异拆离断层控制的宽深断陷，记录了更为完整的伸展裂陷作用过程，拗陷期更强烈的热沉降使之演化为深水陆坡区。陆架浅水区和陆坡深水区的构造演化过程和地层格架有显著差异。

深水区裂陷期经历了早期上地壳脆性伸展高角度断裂控制的窄条断陷、中期地壳脆韧性差异伸展低角度拆离断裂控制的宽深断陷、晚期以韧性地壳形变为主的碟形断坳盆地演化过程。裂陷期的中晚期，岩石圈伸展作用迁移集中至陆缘深水区，下地壳韧性薄化明显，受穿过地壳的大型拆离断裂控制而发育的宽深断陷是深水区盆地重要的结构特征。

陆缘地壳强烈拆离薄化形成的白云凹陷宽深断陷为大型三角洲—湖相沉积体系和规模烃源岩的发育提供了可容空间；陆缘岩石圈薄化程度的差异还导致裂后热沉降差异，控制了拗陷期陆架坡折带的发育和深水储集层沉积环境；岩石圈强烈薄化、幔源上升导致的高热流背景，使得深水区具有更窄、更浅的生烃窗口、更强的生烃强度、更强的砂岩储集层热成岩作用，并由此具有特殊的油气成藏条件。

圈层差异流变控制的伸展拆离作用是导致南海北部陆缘深水区地壳强烈薄化的主要机制，处于细颈化带的白云凹陷基底岩石圈强烈薄化，其所显示出来的独特的油气地质特征值得进一步深入研究，并引起深水油气勘探开发的重视。

[1]WEIMER P, SLATT R M. Introduction to the petroleum geology of deepwater settings[M]. Tulsa, OK, USA: AAPG, 2007.

[2]PERON-PINVIDIC G, MANATSCHAL G. The final rifting evolution at deep magma-poor passive margins from Iberia-Newfoundland: A new point of view[J]. International Journal of Earth Sciences, 2009,98(7): 1581-1597.

[3]代一丁, 庞雄. 珠江口盆地珠二坳陷石油地质特征[J]. 中国海上油气(地质), 1999, 13(3): 169-173.DAI Yiding, PANG Xiong. Petroleum geological characteristics of Zhu II depression, Pearl River Mouth Basin[J]. China Offshore Oil and Gas (Geology), 1999, 13(3): 169-173.

[4]张功成. 南海北部陆坡深水区构造演化及其特征[J]. 石油学报,2010, 31(4): 528-533.ZHANG Gongcheng. Tectonic evolution of deep water area of northern continental margin in South China Sea[J]. Acta Petrolei Sinica, 2010, 31(4): 528-533.

[5]宋洋, 赵长煜, 张功成, 等. 南海北部珠江口与琼东南盆地构造-热模拟研究[J]. 地球物理学报, 2011, 54(12): 3057-3069.SONG Yang, ZHAO Changyu, ZHANG Gongcheng, et al. Research on tectono-thermal modeling for Qiongdongnan Basin and Pearl River Mouth Basin in the northern South China Sea[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2011, 54(12): 3057-3069.

[6]袁玉松, 丁玫瑰. 南海北部深水区盆地特征及其动力学背景[J].海洋科学, 2008, 32(12): 102-110.YUAN Yusong, DING Meigui. Characteristics and geodynamic setting of the basins in deepwater area of the Northern South China Sea Margin[J]. Marine Sciences, 2008, 32(12): 102-110.

[7]茹克. 南海北部边缘叠合式盆地的发育及其大地构造意义[J]. 石油与天然气地质, 1988, 9(1): 22-30.RU Ke. The development of superimposed basin on the northern margin of the South China Sea and its tectonic significance[J]. Oil &Gas Geology, 1988, 9(1): 22-30.

[8]龚再升. 中国近海大油气田[M]. 北京: 石油工业出版社, 1997.GONG Zaisheng. Oil and gas field in China offshore[M]. Beijing:Petroleum Industry Press, 1997.

[9]吕宝凤, 袁亚娟. 南海北部深水盆地沉积-构造的差异性及其油气意义[J]. 大地构造与成矿学, 2008, 32(4): 441-447.LYU Baofeng, YUAN Yajuan. The sedimentary-structure difference of deep water basins and its petroleum significance in the northern South China Sea[J]. Geotectonica et Metallogenia, 2008, 32(4):441-447.

[10]庞雄, 施和生, 朱明, 等. 再论白云深水区油气勘探前景[J]. 中国海上油气, 2014, 26(3): 23-29.PANG Xiong, SHI Hesheng, ZHU Ming, et al. A further discussion on the hydrocarbon exploration potential in Baiyun deep water area[J]. China Offshore Oil and Gas, 2014, 26(3): 23-29.

[11]任建业, 庞雄, 雷超, 等. 被动陆缘洋陆转换带和岩石圈伸展破裂过程分析及其对南海陆缘深水盆地研究的启示[J]. 地学前缘,2015, 22(1): 102-114.REN Jianye, PANG Xiong, LEI Chao, et al. Ocean and continent transition in passive continental margins and analysis of lithospheric extension and breakup process: Implication for research of the deepwater basins in the continental margins of South China Sea[J].Earth Science Frontiers, 2015, 22(1): 102-114.

[12]庞雄, 陈长民, 彭大钧, 等. 南海珠江深水扇系统及油气[M]. 北京: 科学出版社, 2007.PANG Xiong, CHEN Changmin, PENG Dajun, et al. The Pearl River deep-water fan system and petroleum in South China Sea[M].Beijing: Science Press, 2007.

[13]HU Dengke, ZHOU Di, WU Xiangjie, et al. Crustal structure and extension from slope to deepsea Basin in the Northern South China Sea[J]. Journal of Earth Science, 2009, 20(1): 27-37.

[14]WU Xiangjie, PANG Xiong, SHI Hesheng, et al. Deep structure and dynamics of passive continental margin from shelf to ocean of the Northern South China Sea[J]. Journal of Earth Science, 2009, 20(1):38-48.

[15]米立军, 袁玉松, 张功成, 等. 南海北部深水区地热特征及其成因[J]. 石油学报, 2009, 30(1): 27-32.MI Lijun, YUAN Yusong, ZHANG Gongcheng, et al. Characteristics and genesis of geothermal field in deep-water area of the northern South China Sea[J]. Acta Petrolei Sinica, 2009, 30(1): 27-32.

[16]唐晓音, 胡圣标, 张功成, 等. 珠江口盆地大地热流特征及其与热岩石圈厚度的关系[J]. 地球物理学报, 2014, 57(6): 1857-1867.TANG Xiaoyin, HU Shengbiao, ZHANG Gongcheng, et al.Characteristic of surface heat flow in the Pearl River Mouth Basin and its relationship with thermal lithosphere thickness[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2014, 57(6): 1857-1867.

[17]PATRICK U, GWENN P, GIANRETO M, et al. Hyper-extended crust in the South Atlantic: In search of a model[J]. Petroleum Geoscience,2010, 16: 207-215.

[18]PIERCE W G. Reef creek detachment fault, northwestern Wyoming[J]. Geological Society of America Bulletin, 1963, 74(10):1225-1236.

[19]LISTER G S, ETHERIDGE M A, SYMONDS P A. Detachment faulting and the evolution of passive continental margins[J]. Geology,1986, 14(3): 246-250.

[20]孙珍, 刘思青, 庞雄, 等. 被动大陆边缘伸展-破裂过程研究进展[J]. 热带海洋学报, 2016, 35(1): 1-16.SUN Zhen, LIU Siqing, PANG Xiong, et al. Recent research progress on the rifting-breakup process in passive continental margins[J].Journal of Tropical Oceanography, 2016, 35(1): 1-16.

[21]WERNICKE B. Low-angle normal faults in the Basin and Range province: Nappe tectonics in an extending orogen[J]. Nature, 1981,291(5817): 645-647.

[22]MCKENZIE D. Some remarks on the development of sedimentary basins[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1978, 40(1): 25-32.

[23]MILLER E L, GANS P B, GARING J D. The Snake Range decollement: An exhumed mid-Tertiary brittle-ductile transition[J].Tectonics, 1983, 2: 239-263.

[24]SPENCER J. Role of tectonic denudation in warping and uplift low-angle normal faults[J]. Geology, 1984, 12: 95-98.

[25]郑大海, 杨明慧, 杨斌谊. 伸展盆地拆离构造分析及石油地质意义[J]. 西安工程学院学报, 2000, 22(4): 14-16.ZHENG Dahai, YANG Minghui, YANG Binyi. Analysis of detachment structure in extension basin and the significance of petroleum geology[J]. Journal of Xi’an Engineering University, 2000,22(4): 14-16.

[26]WERNICKE B, AXEN G. On the role of isostasy in the evolution of normal fault systems[J]. Geology, 1988, 16: 848-851.

[27]TOM P, GEORGE A T. Does magmatism influence low-angle normal faulting?[J]. Geology, 1993, 21: 247-250.

[28]CLIFT P D, LIN J, BARCKHAUSEN U. Evidence of low flexural rigidity and low viscosity lower continental crust during continental break-up in the South China Sea[J]. Mar Petrol Geol, 2002, 19:951-970.

[29]DAVIS M, KUSZNIR N J. Depth-dependent lithospheric stretching at rifted continental margins[C]//KARNER G D. Proceedings of NSF Rifted Margins Theoretical Institute. New York: Columbia University Press, 2004: 92-136.

[30]赵中贤, 周蒂, 廖杰, 等. 珠江口盆地陆架区岩石圈伸展模拟及裂后沉降分析[J]. 地质学报, 2010, 84(8): 1135-1145.ZHAO Zhongxian, ZHOU Di, LIAO Jie, et al. Lithospheric stretching modeling of the continental shelf in the Pearl River Mouth Basin and analysis of post-breakup subsidence[J]. Acta Geologica Sinica, 2010, 84(8): 1135-1145.

[31]施小斌, 丘学林. 珠江口盆地北部坳陷带新生代以来的拉张应变速率史[C]//中国地球物理学会第22届年会论文集. 北京: 中国地球物理学会, 2006: 325．SHI Xiaobin, QIU Xuelin. The history of stretching strain rate since Cenozoic at the North Depressions in Zhujiangkou Basin[C]//Dissertations abstract of the 22nd CGS Annual Meeting, China.Beijing: CGS, 2006: 325.

[32]廖杰, 周蒂, 赵中贤, 等. 珠江口盆地白云凹陷张裂及裂后沉降的数值模拟[J]. 中国科学: 地球科学, 2011, 41(4): 504-517.LIAO Jie, ZHOU Di, ZHAO Zhongxian, et al. Numerical modeling of the anomalous post-rift subsidence in the Baiyun Sag, Pearl River Mouth Basin[J]. SCIENCE CHINA Earth Sciences, 2011, 54(8):1156-1167.

[33]KUSZNIR N J, HUNSDALE R, ROBERTS A M. Timing of depth-dependent lithosphere stretching on the S. Lofoten rifted margin offshore mid-Norway: Pre-breakup or post-breakup?[J].Basin Research, 2004, 16(2): 279-296.

[34]BOILLOT G, RECQ M,WINTERER E L, et al. Tectonic denudation of the upper mantle along passive margins: A model based on drilling results (ODP leg 103, western Galicia margin, Spain)[J].Tectonophysics, 1987, 132(4): 335-342.

[35]BOILLOT G, GIRARDEAU J, KORNPROBST J. Rifting of the west galicia continental-margin: A review[J]. Bulletin De La Societe Geologique De France, 1989, 5(2): 393-400.

[36]TUCHOLKE B E, SIBUET J. Leg 210 synthesis: Tectonic, magmatic,and sedimentary evolution of the Newfoundland-Iberia rift[C]//Proceedings of the Ocean Drilling Program. TX: Ocean Drilling Program College Station, 2007.

[37]WELFORD J K, HALL J, SIBUET J, et al. Structure across the northeastern margin of Flemish Cap, offshore Newfoundland from Erable multichannel seismic reflection profiles: Evidence for a transtensional rifting environment[J]. Geophysical Journal International, 2010, 183(2): 572-586.

[38]BRONNER A, SAUTER D, MANATSCHAL G, et al. Magmatic breakup as an explanation for magnetic anomalies at magma-poor rifted margins[J]. Nature Geoscience, 2011, 4(8): 549-553.

[39]MANATSCHAL G. New models for evolution of magma-poor rifted margins based on a review of data and concepts from West Iberia and the Alps[J]. International Journal of Earth Sciences, 2004, 93(3):432-466.

[40]FLETCHER R, KUSZNIR N, CHEADLE M. Melt initiation and mantle exhumation at the Iberian rifted margin: Comparison of pure-shear and upwelling-divergent flow models of continental breakup[J]. Comptes Rendus Geoscience, 2009, 341(5): 394-405.

[41]HUISMANS R, BEAUMONT C. Depth-dependent extension,two-stage breakup and cratonic underplating at rifted margins[J].Nature, 2011, 473(7345): 74-78.

[42]RESTON T J. The opening of the central segment of the South Atlantic: Symmetry and the extension discrepancy[J]. Petroleum Geoscience, 2010, 16(3): 199-206.

[43]任建业. 渤海湾盆地东营凹陷S6′界面的构造变革意义[J]. 地球科学——中国地质大学学报, 2004, 29(1): 70-76.REN Jianye. Tectonic significance of S6′ boundary in Dongying Depression, Bohai Gulf Basin[J]. Earth Science—Journal of China University of Geosciences, 2004, 29(1): 70-76.

[44]庞雄. 深水重力流沉积的层序地层结构与控制因素: 南海北部白云深水区重力流沉积层序地层学研究思路[J]. 中国海上油气,2012, 24(2): 1-8.PANG Xiong. Sequence stratigraphic configuration of deepwater gravity-flow sediments and its controls: A line of thinking in sequence stratigraphy of gravity-flow sediments in Baiyun deepwater area, the northern South China Sea[J]．China Offshore Oil and Gas,2012, 24(2): 1-8．

[45]庞雄, 朱明, 柳保军, 等. 南海北部珠江口盆地白云凹陷深水区重力流沉积机理[J]. 石油学报, 2014, 35(4): 646-653.PANG Xiong, ZHU Ming, LIU Baojun, et al. The mechanism of gravity flow deposition in Baiyun sag deepwater area of the northern South China Sea[J]. Acta Petrolei Sinica, 2014, 35(4): 646-653.

[46]柳保军, 庞雄, 颜承志, 等. 珠江口盆地白云深水区渐新世—中新世陆架坡折带演化及油气勘探意义[J]. 石油学报, 2011, 32(2): 234-242.LIU Baojun, PANG Xiong, YAN Chengzhi, et al. Evolution of the Oligocene-Miocene shelf slope-break zone in the Baiyun deep-water area of the Pearl River Mouth Basin and its significance in oil-gas exploration[J]. Acta Petrolei Sinica, 2011, 32(2): 234-242.

[47]ZHOU Di, SUN Zhen, LIAO Jie, et al. Filling history and postbreakup acceleration of sedimentation in Baiyun Sag, deepwater northern South China Sea[J]. Journal of Earth Science, 2009, 20(1):160-171.

[48]XIE Hui, ZHOU Di, LI Yuanping, et al. Cenozoic tectonic subsidence in deepwater sags in the Pearl River Mouth Basin, northern South China Sea[J]. Tectonophysics, 2014, 615/616(4): 182-198.

[49]汤庆艳, 张铭杰, 张同伟, 等. 珠江口盆地恩平组泥页岩全岩及干酪根生烃动力学实验及初步应用研究[J]. 地球化学, 2014, 43(5):518-528.TANG Qingyan, ZHANG Mingjie, ZHANG Tongwei, et al. Kinetic pyrolysis simulation of hydrocarbon generation in shale system: A case study on Pearl River Mouth Basin, China[J]. Geochimica, 2014,43(5): 518-528.

[50]张丽, 陈淑慧. 珠江口盆地东部地区不同地温梯度下储层特征响应关系[J]. 中国海上油气, 2017, 29(1): 29-38.ZHANG Li, CHEN Shuhui. Reservoir property response relationship under different geothermal gradients in the eastern area of the Pearl River Mouth basin[J]. China Offshore Oil and Gas, 2017, 29(1):29-38.

[51]翟普强, 朱俊章. 白云深水区高地温背景油气成藏综合分析[C]//中国科学技术协会. 第十七届中国科协年会——分9南海深水油气勘探开发技术研讨会论文集. 广州: 中国科学技术协会, 2015: 1-10.ZHAI Puqiang, ZHU Junzhang. Comprehensive analysis of hydrocarbon accumulation in the high geothermal background of Baiyun deep water area[C]//The Chinese Association for Science and Technology. The 17th Annual Conference of the Chinese Association for Science and Technology—Technical Seminar on Deep-water Oil and Gas Exploration and Development in the South China Sea.Guangzhou: The Chinese Association for Science and Technology,2015: 1-10.