珠江口盆地西部文昌A凹陷断裂特征与成因探讨

张豪，栾锡武，冉伟民，王阔，魏新元,4，石艳锋，Mohammad Saiful Islam，王嘉

1.中国石油大学（华东），青岛 266580

2.中国地质调查局青岛海洋地质研究所，青岛 266071

3.青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，青岛 266237

4.山东科技大学，青岛 266590

5.达卡大学，孟加拉，达卡，1000

6.中国海洋大学，青岛 266100

在断陷型含油气盆地的研究中，断裂与盆地之间的联系十分密切，断裂不仅是油气运聚和成藏的重要通道，还可通过断裂反推盆地的演化、盆地形成过程中的动力学机制，具有十分重要的研究意义[1]。文昌A凹陷位于珠江口盆地西部，是一个以含天然气为主的地区。在对文昌A凹陷近30年的勘探开发中发现上渐新统珠海二、三段为主要含气目的层[1-5]。前人对文昌凹陷的层序地层[1-2]、断裂及断裂带[3,5]、油气成藏[3,5]都有长期一致的认识，但对南海北部新生代以来的应力场变化与盆地内断裂的演化缺乏耦合性研究。本文利用高分辨率地震资料，综合分析断层的剖面和平面几何学特征，结合断层的活动速率与走向定量统计分析，来探究盆内断裂的动力学机制。

1 区域地质背景

珠江口盆地西部位于南海北部大陆边缘，是新生代以来的一个以沉积为主的盆地，其基底为前第三系变质岩、岩浆岩和喷发岩，区域内包括北部隆起、珠三坳陷和神弧隆起三个一级构造单元，在断裂的控制下，盆地总体特征体现为南北分带、东西分块的构造格局[6-7]。文昌A凹陷位于珠三坳陷内，属于次一级的构造单元，面积约为 3 350 km2，北、东部与阳江低凸起相接，南部和神狐隆起相接，西部与琼海凸起、琼海凹陷、文昌B、C凹陷相连（图1）。文昌A凹陷在形成与演化的过程中受到印度与亚欧板块的碰撞、太平洋板块后撤、南海扩张以及珠三南断裂带的多重因素所控制[8-9]。

珠江口盆地西部的构造演化在晚白垩纪—早渐新世为断陷阶段，该时期发生的三期张裂相应地发育了神狐组、文昌组和恩平组的断陷陆相沉积[6]。晚渐新世—中中新世为拗陷阶段[2]，整个时期的构造活动逐渐趋于稳定，盆地内开始广泛而普遍的沉降。晚渐新世由于海底扩张，盆地内经历了海侵阶段，覆盖了晚渐新世—中中新世的沉积序列，该时期发育的珠海组、珠江组均为海相沉积；晚中新世后为南海扩张期后，沉积相为开阔浅海相[9]。盆地在新生代沉积中发育了3个十分重要的层序地层（图2）：古新统神狐组顶面（T90）、始新统文昌组顶面（T80）、下渐新统恩平组顶面（T70），并分别对应着珠琼运动Ⅰ、珠琼运动Ⅱ以及南海运动这3个重要的区域性构造运动[1]；南海北部大陆边缘发生的最后一次的构造运动为东沙运动，自此南海北部整体进入了广泛而普遍的区域性热沉降期[10-11]。

图1 珠江口盆地西部珠三坳陷构造单元划分 （据文献 [2]修改）Fig.1 Division of tectonic units in the Zhu Ⅲ Depression in the west of the Pearl River Mouth Basin （modified from reference[2]）

2 数据和方法

为研究文昌A凹陷内的构造和成因，本文利用高分辨率的三维地震资料（地震采样率为2 ms，区域面积约为250 km2）。在前人对地层和断裂的研究基础上[1-4]，解释了地震资料中相对应的层位，划分了从晚始新世到中新世期间的8个层位并对区域内的断裂特征进行精细解释，绘制各层的反射层平面图，在平面图的基础上结合地震属性方法追踪识别出区域内的断层并绘制断裂平面分布图。定量化统计平面断裂走向，根据上下盘岩层厚度的不同，确定断层活动程度，然后计算各阶段的断层活动速率，分析断层性质，探讨盆地的构造及断裂成因。

3 断裂几何学特征

珠江口盆地文昌A凹陷位于复杂断裂带，断层活动性强，并且十分发育，垂向分辨率均在40 m以上，在近N-S拉张应力下断层发育多种构造样式，区域内剖面上断层依据几何学形态分为平直正断层和铲式正断层。本文以地震反射层T70为分界线划分为早、晚期断层[4]。

图2 珠江口盆地西部综合柱状图 （据文献 [4,12]修改）Fig.2 A comprehensive histogram of the western Pearl River Mouth Basin （modified from reference[4,12]）

3.1 断裂剖面组合类型

结合盆地内的地震剖面，主干断层和小型断层组合成多种断裂组合形式，包括阶梯状断层、X形共轭断层、Y字形断层、负花状断层。

（1）阶梯状断层：断层在与本区构造走向相垂直的主测线剖面上呈阶梯状样式，由一系列正断层组合而成[13]，从北部缓坡或南部断裂带向凹陷中心依次下降形成阶梯状断层，其断层产状、倾向基本一致。

（2）Y字形断层：由一组主断层与反向倾斜的次级断层组合为Y形[14]。Y形断裂的主干断层一般控制凹陷或局部构造，另一侧的浅部地层中相伴而生发育着次级小型断层，两组断层呈Y字形相交。一组复杂Y形断裂体系中，由主干断层上的次级断层依次反向发育所形成（图3a）。

（3）X型共轭状断层：两组不同方向、不同级别以及不同时期的断层呈交叉组合形成，其所夹锐角为60°左右[15]。早、晚期发育的断裂由于应力场差异在主干断裂两侧形成交叉剪切带，并在盆地内广泛发育。图3b所示为一条主干断层被多组次级断层切割形成复杂的共轭断裂体系。

（4）负花状断层：区域张扭应力场条件下与走滑断层相伴而生，由一条主干断层向上以分叉形式散开，在该断层两端发育多组小型断层，剖面上呈现花状特征，称为负花状断层（图3c），平面上呈雁列式分布[16]。

3.2 断裂平面组合特征

盆地内断裂复杂，为确保其解释的高效性及其精确性，使用具有良好识别断层的相干技术，对三维资料进行断层精细化解释，分析断层的分布和断层的平面组合类型。通过沿层相干分析技术对断裂平面分析可知（图4），在整个研究区域断层十分发育并识别出平面组合类型有雁列式、平行式、帚状3种。

（1）平行式：由多组规模一致、成因及其性质相似的断层组合而成[2]，在平面上呈现平行式排布，在盆地内最为常见，多为晚期形成的近EW向伸展断裂，在同一构造应力影响下所形成。

（2）雁列式：由多组性质相同的断层组合而成，在平面上呈雁列式形态排布。盆地内局部呈现雁列式排布特征，多为晚期形成的近EW向、NWW向走滑断裂，主要是在渐新世的右旋张扭应力场下所形成。

图3 文昌 A 凹陷断裂组合类型a.阶梯状断层与Y形断层组合类型，b.X形共轭断层组合类型，c.负花状断层。Fig.3 Fault systems in the Wenchang A asaag a.combination type of stepped faults and Y-shaped faults，b.type of X-shaped conjugate fault assemblage，c.negative flower-like fault.

图4 相干切片及断裂平面组合分布Fig.4 Distribution of coherent slices and fracture planes combination

（3）帚状：由多组次级断层和一条主干断层组合而成，次级断层向一端收敛，另一端呈敞开状态[2]。在渐新世期间，应力场由NW-SE向转换为N-S向，早期存在的张性断裂在右旋走滑作用叠加下变为伸展-走滑断裂，断裂特征为张扭性，发育近东西向帚状断裂。

4 断裂运动学规律

4.1 断层走向变化特征

表1为晚始新世到中新世各层位断层的平面走向演化，对比各玫瑰花走向图可知：文昌组（T90-T80）断裂以NE走向为主。恩平组（T80-T70）断裂以近EW走向为主，在此时期近东西走向的断裂大量发育。珠海组（T70-T60）为近EW向，晚渐新世期间，盆地内仍以近NW向的断裂为主，并且NE向的断裂随着时间不断的推移开始逐渐停止活动，反映了该时期近N-S向拉张应力场不断占据着主导地位。珠江组（T60-T40）近EW向断裂逐渐发育为NWW向断裂，从T60至T40近东西向断裂减弱，北西西向断裂不断发育。统计结果表明，文昌A凹陷地层从老到新的断裂走向呈NE→EW→NWW向变化，方向为顺时针旋转。

珠江口盆地断裂走向的整体趋势与研究区走向保持一致，应力场方向由NNE向NWW逐渐呈顺时针旋转变化[17]。始新世—早渐新世（T80-T70），右旋张扭应力场下生成了大量的近EW向断层；晚渐新世（T70-T60）在南海运动过后，N-S向拉张应力得到加强，应力场呈进一步右旋状态，形成以近EW向为主的断裂，中新世生成的NWW断裂易形成有利于勘探开发的背斜、半背斜构造。

4.2 断裂运动规律

断层活动速率分析：断层活动速率是指在单位时间内相同地层的上下盘厚度之差[18]，即：

式中：Vf为该断层的活动速率，单位为m/Ma；T为T1、T2两地层的沉积时间之差，单位为Ma。Hh、Hf分别为断层下降盘和上升盘的地层厚度，单位为m （图5）。计算所得的断层活动速率值越大，表明该时期的断层活动性越强[18]。通过比较断层在不同时期的断层活动速率相对值大小来分析断层活动周期和活动运移的相关规律。

依据断裂对构造和沉积等因素的控制作用，文昌A凹陷断裂分为5个等级。文昌A凹陷内分布一级断裂1条（珠三南断裂东段和珠三南断裂西段南支、北支），珠三南断裂东段控制着文昌A凹陷的形成[19]，其发育规模大，切穿层位多，活动时间长；盆地内无控制凹陷发育的二级断裂；控制本区凹陷带的分块或分段断裂3条，分别为4号、5号和6号断裂；四级断裂发育规模较小，长度一般可从几百米到数千米乃至十余千米不等，仅引起局部的构造特征发生变化。断裂复杂化的五级断裂分布居多。

利用地震剖面（图6）分析了资料区域的断裂活动性，其位置如图1所示，由凹陷中心向南部断裂带分布，横跨凹陷内的6号断裂，盆地呈东西走向，层位和断层解释如图6所示。通过盆地内的主干断层6号断裂的断层活动速率和收集前人对珠三南断裂带、4号断裂、5号断裂[19-20]的断层活动速率情况来表征凹陷内不同时期的断层活动变化情况。通过对以上4条断层的活动速率进行分析（图7），可以发现研究区内生长断层在断陷阶段内的断层活动速率最高。断拗转换期的断层活动性次之，拗陷期内最低。珠三南断裂东段的断层活动速率明显高于6号断裂、5号断裂以及4号断裂的活动速率，在断陷阶段的断层活动强度由北向南逐渐递增。该时期盆地内开始裂陷并不断发育，断裂活动速率高，地层对应的沉积厚度大，该时期断裂对沉积的控制能力较强。断拗转换期和拗陷期的活动速率相对裂陷期明显较小且变化程度不大，断裂活动进入相对稳定的时期。此时期地层进入稳定的沉降期，断裂对沉积的控制迅速减小。

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图5 断层活动速率分析Fig.5 Analysis of fault activity rate

5 断裂成因动力学探讨

珠江口盆地位于南海北部大陆边缘，地处南海板块，西部为印度支那半岛，东部为菲律宾板块。南海的洋壳俯冲、海底扩张必受周边板块的制约[21]。南海的形成与演化受印度板块与欧亚板块的碰撞、太平洋板块西向俯冲以及古南海南向俯冲消亡产生的拉张应力的综合作用影响[22-25]。

图6 地震剖面 L1259 测线 6 号断裂Fig.6 Seismic section L1259 and fault 6

图7 断层活动速率图（L1259测线，据文献[19-20]修改）a.珠三南断裂东段活动速率，b.4号、5号、6号断裂活动速率。Fig.7 Fault activity rate （L1259 survey line,after references[19-20]）

古新世到始新世早期（图8a），南海北部大陆边缘受到广泛的地壳伸展减薄作用，形成大范围的盆地沉降和裂陷；始新世晚期到渐新世早期为区域扩张阶段，盆地裂陷区域进一步扩大，渐新世之后南海海底开始扩张[26-27]。许多学者普遍认为，印支地块是新生代晚期印度与欧亚板块碰撞时从华南板块挤出而成[22-24]，表征着新生代以来印度板块与欧亚板块的碰撞控制了东南亚地区的构造格局；印支地块的挤出、华南地块的断裂以及南海的断陷和扩张[28-30]，都反映了印-亚碰撞对南海北部的影响。综上所述，印度板块向欧亚板块东北向移动导致的持续碰撞，与晚白垩世以来古太平洋俯冲带向欧亚板块的俯冲后撤共同作用，为南海北部地区提供了一个良好的伸展构造背景，同时为南海北部的断裂和扩张提供了应力来源。

神狐运动始于晚白垩世末，晚白垩世后太平洋板块的俯冲过程发生明显改变，俯冲方向由NE向转为NNW向，俯冲速率由白垩世的130 mm/a降至始新世的78 mm/a，导致西太平洋俯冲带向后撤退[31]。在文昌凹陷南部边界和凹陷中心形成了一些NNE、NE向的断裂[1]，拉开了盆地伸展裂陷的序幕。珠琼运动一幕始于早始新世，太平洋板块的俯冲速率进一步下降至38 mm/a[31]，文昌凹陷发生抬升与剥蚀，NE向断裂大量发育，形成NE-NEE向的断裂[17]。

珠琼运动二幕发生于晚始新世—早渐新世（图8b），始新世中晚期受特提斯洋东段闭合的影响，印度板块与欧亚板块发生碰撞[13]，印支地块向南东方向不断挤出，加上晚始新世后太平洋板块向欧亚板块俯冲方向由NNW向变换为NWW向，与此同时菲律宾板块向北持续移动并楔入太平洋板块，古南海开始向婆罗洲俯冲产生向南的拖曳力[9,24,32-33]。该时期断层具有较强的活动性，在文昌A凹陷内形成大量的近东西向的断裂，是盆地演化的重要时期，文昌A凹陷为南海北部大陆边缘的裂陷盆地，早期断裂的成因与上述的构造运动事件密切相关。

南海运动始于晚渐新世，古南海加速向婆罗洲俯冲产生向南的拖曳力，其西段封闭并逐渐向东段过渡，印度板块与欧亚大陆的碰撞达到顶峰，印支半岛继续向东南方向挤出，哀牢山-红河断裂带发生左行运动，同时形成南北向区域伸展[28]。许多学者认为印支半岛的挤出为南海扩张提供了主要的动力来源[32-33]，并通过在南海发现EW向磁异常条带，更加确认了南海海底的扩张[34]。此应力场导致了华南陆缘地带岩石圈处于拉伸减薄的状态，这种动力学背景为南海北部大陆边缘地区提供了持续的南北向拉张应力。南海北部的右旋应力在此基础上进一步加强，盆地内形成以近EW走向为主的断裂。而南海海盆的扩张脊由西北次海盆到中央海盆再到西南次海盆的移动，表现了南海海盆扩张脊由北向南迁移的规律[34-36]。扩张脊的不断南迁，导致盆地内断裂的动力来源逐渐减弱，与此同时，文昌A凹陷的断裂活动强度逐渐降低。

图8 华南陆缘及其周缘构造演化过程（据文献 [23-24]修改，PRMB为珠江口盆地）Fig.8 Tectonic evolution of the South China continental margin and its periphery （PRMB is the Pearl River Mouth Basin）

早中新世，随着南海海盆扩张脊的不断南迁，断裂活动强度不断衰减，盆地内处于稳定的构造期。中中新世后（图8c）菲律宾板块发生逆时针旋转并与欧亚板块的东缘不断发生碰撞，印澳联合板块向北俯冲，古南海向加里曼丹-苏禄地区俯冲消亡，同时南海海底停止扩张[24,37-38]。东亚陆缘处于压扭作用下，于东沙地区发现受挤压作用控制形成的褶皱带[39-40]，此次东沙运动仅为局部构造运动，影响范围自东向西不断减弱，对珠江口盆地西部的影响较小[6,40]，盆地在这一时期大规模发育NWW向断裂并进入热沉降阶段。

6 结论

（1）高分辨的地震资料有利于对文昌A凹陷进行详细的构造解析，盆地内整体受近南北拉张应力场影响，断裂发育为正断层，走向有北东向、近东西向、北西西向三组；断层的剖面有X共轭状、Y字形、负花状、阶梯状、半地堑多种组合样式；断层平面组合类型为雁列式、平行式、帚状。珠三南断裂控制着南部盆地的边界，在斜向伸展下形成断阶构造。

（2）在欧亚板块、太平洋板块、印度-澳大利亚板块的相互作用以及古南海向南拖曳的综合作用下：文昌A凹陷始新世—中新世的应力机制呈持续右旋状态，张裂强度持续减小。始新世期间太平洋板块的俯冲后退为盆地提供了一个良好的伸展构造背景，早期发育的NE向的断裂活动较强；晚始新世—早渐新世在珠琼运动二幕强烈的运动下发育EW向断裂，晚始新世随着南海海盆扩张脊的南迁，断裂活动逐渐减弱，盆地进入断拗转换期；中新世后发育断裂为NWW向，进入热沉降阶段，断裂活动较弱。

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