北部湾盆地乌石凹陷东区断裂类型及其形成演化

吴孔友, 刘煜磊, 胡德胜, 刘 寅, 张 帅, 崔立杰

1. 中国石油大学 (华东) 地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580;2. 中海石油 (中国) 有限公司湛江分公司, 广东 湛江 524057

0 引言

北部湾盆地地处欧亚板块、 印度板块及太平洋板块汇聚中心的南海北部边缘, 是新生代以来陆壳边缘上形成的裂陷盆地 (龚再升, 2004; 杨文采等, 2015; 解习农等, 2015; 陈建军等,2015; 谭卓等, 2015; 许志琴等, 2016; 邓晋福等, 2016; 裴健翔等, 2016; 任纪舜等, 2016;漆家福等, 2019), 作为南海北部陆缘的一部分,北部湾盆地与东侧珠江口盆地同属大陆边缘被动伸展盆地 (陈国威, 1989), 共同经历了由古近纪陆相湖盆过渡为新近纪滨浅海相的沉积充填演变及古近纪断陷至新近纪断拗转换、 区域热沉降的构造演化过程, 形成了 “下断上拗” 的双层结构特征 (何家雄, 2012; 钟志洪等, 2014; 胡阳等, 2018; 张强等, 2018; 张勇等, 2020)。 盆地整体位于北部湾中部海域, 东北侧通过雷洲断裂与粤桂隆起相邻, 西北侧通过涠西南断裂与莺歌海盆地相接, 东南侧与海南隆起相连, 总面积达3. 98×104km2(刘雨晴等, 2020)。 盆地内部以北东向企西隆起为界发育南、 北部坳陷两大一级构造单元。 北部坳陷内部自北向南又发育乐民凹陷、 涠西南凹陷、 涠西南低凸起及海中凹陷4个次级构造单元; 南部坳陷涉及纪家、 乌石、 海头北、 迈陈等多个凹陷以及企水、 流沙、 徐闻3个凸起。

作为南部坳陷中的次级构造单元之一, 乌石凹陷多年的勘探开发实践已证实其具有极大的油气资源潜力, 先后发现一批断鼻、 断块、 断背斜等油气藏, 展示断裂构造对油气成藏起着极为重要的控制作用。 以往的研究多集中在乌石凹陷沉积储层方面 (孙伟等, 2008; 胡林, 2016; 尤丽等, 2018; 罗威等, 2018) 及构造单元 (朱继田等, 2010) 与构造样式上 (韩帅, 2014), 针对断裂开展的精细研究较少。 开展断裂基础研究, 揭示断裂类型、 特征及形成演化将对深入分析乌石凹陷石油地质条件与成藏规律具有重要意义。 文中依据高精度三维地震资料的精细解释结果, 对乌石凹陷东区断裂的平、 剖面特征进行归纳, 厘定其类型、 组合样式与形成演化阶段, 揭示其动力学机理, 为进一步开展断裂控藏研究、 优选有利油气勘探区带提供重要指导。

1 地质背景

乌石凹陷位于北部湾盆地南部坳陷的东北部,整体呈东西向展布, 总面积约2680 km2(胡德胜等, 2016)。 凹陷北侧通过6 号断裂与企西隆起相邻、 通过企水凸起与纪家凹陷相隔; 南东侧通过7号断裂与流沙低凸起相连; 南西侧通过流沙低凸起西翼与海头北凹陷相望 (图1a)。 乌石凹陷东区位于该凹陷的东半部, 根据古近系构造特征, 将其进一步划分7 个次一级构造单元: 北部缓坡带、 北部次洼带、 中部低幅背斜带、 南部深洼带、 南部陡坡带、 中区次洼带以及东部高幅背斜带(图1b)。

研究区内地层发育较全, 从下至上依次发育白垩系基底 (顶界面T100), 古近系古新统的长流组 (E1, 顶界面 T90)、 始新统的流沙港组三段(E2l3, 顶界面T86)、 流沙港组二段 (E2l2, 顶界面T83)、 流沙港组一段 (E2l1, 顶界面T80)、 渐新统的涠洲组三段 (E3w3, 顶界面 T72)、 涠洲组二段 (E3w2, 顶界面T70)、 涠洲组一段 (E3w1,顶界面T 60) 及新近系的下洋组 (N1x, 顶界面T50)、 角尾组 (Nj, 顶界面 T40)、 灯楼角组、 望楼港组以及第四系地层 (图1c)。

2 断裂类型及特征

乌石凹陷东区断裂发育极其丰富, 在对研究区高精度三维地震剖面精细解释的基础上, 依据断裂两盘运动方向、 运动距离及地层变形, 识别出伸展断裂、 走滑断裂和挤压断裂3 种主要断裂类型。

2.1 伸展断裂及特征

伸展断裂数量最多, 构成研究区断裂的主体。走向以东西、 北西向为主, 少数呈北东向。 其中,北东向伸展断裂为研究区二级控凹断裂, 如7 号断裂等, 断裂剖面形态似铲状, 自古新世时期出现萌芽, 始新世时期活动性加剧并长期继承性发育至新近系角尾组, 向下可断至基底, 向上断开T40界面 (图2a); 东西向伸展断裂多为研究区内三级断裂, 部分控制构造单元边界, 如16-8 北断裂、23-5 断裂等, 断裂剖面形态为座椅状, 主要活动于始新世早、 中期, 渐新世时期继承发育但活动强度明显减弱, 向下断至T83 界面, 向上断至T50界面 (图2b); 北西向伸展断裂多为研究区低序级断裂, 平面延伸不远。 剖面形态呈板状, 可独立发育也可交于东西向断裂上盘构成 “Y” 字形组合样式。 晚始新世时期开始发育, 向下断开T83 界面, 向上断T60 界面 (图2c)。

图1 北部湾盆地乌石凹陷东区构造单元划分及地层格架图Fig.1 Tectonic units and stratigraphic framework in the east area of the Wushi Sag, Beibuwan Basin

2.2 走滑断裂及特征

走滑断裂发育数量较多, 规模较小, 走向以北西向为主, 少数呈东西向, 研究区北部次洼带、中部低幅背斜带、 中区次洼带和东部高幅背斜带内均有分布, 整体以东西向狭长带状分布在凹陷的中部 (图1b)。 该类型断裂剖面识别特征明显:垂向断距小、 断面陡直, 主要发育在中浅层涠洲组和下洋组, 主断裂向下可切入T86 界面。 走滑断裂派生构造发育, 多条走滑断裂相伴生, 在剖面上构成 “X” 状、 花状、 半花状、 复合 “Y” 字型组合样式 (图2d—2f)。

2.3 挤压断裂及特征

挤压断裂在研究区内较罕见, 共有3 处发育,集中分布于东部高幅背斜带和北部缓坡带内, 走向为北东向、 近东西向, 独立发育。 地震资料显示: 该类型断裂形成时期较晚, 均是由早期伸展断裂于渐新世末期发生构造反转而来 (图2g—2i), 逆冲断距较小, 往往呈现中浅层为逆断距,深层为正断距的特征, 发育于东部高幅背斜两翼。

3 断裂组合样式与叠加关系

3.1 断裂剖面组合样式及分布

断裂间组合、 叠加关系往往复杂多变, 这种关系可以揭示区域构造应力特征, 指导原型盆地恢复, 对油气圈闭的形成亦起到至关重要的作用(戴俊生, 2006)。 依据断裂性质及其剖面组合样式, 将乌石凹陷东区断裂剖面组合划分为3 大类:伸展断裂组合样式、 走滑断裂组合样式和挤压断裂组合样式 (图3)。

图2 乌石凹陷东区各类型断裂地震剖面特征对比图Fig.2 Comparison of seismic profile characteristics of various types of faults in the east area of the Wushi Sag

伸展断裂组合样式构为研究区的主体, 包括“Y” 字形组合样式、 堑垒组合样式、 滑动断阶样式等。 其中 “Y” 字形组合样式由主干断裂和与其对应的上盘小断裂组合而成, 多分布于研究区北部缓坡带、 北部次洼带以及南部陡坡带内。 依据两断裂倾向对应关系和小断裂的数量又可细分为同向“Y” 字形 (图3a)、 反向 “Y” 字形 (图3b)和多级 “Y” 字形 (图3c); 堑垒组合 (图3d)包括地垒和地堑, 是由走向大致平行、 倾向相反的两条伸展断裂以及中央共用的上升 (下降) 盘组成, 可相互独立也可伴生发育。 这种组合类型在研究区中区次洼带和南部深洼带内较为常见;滑动断阶 (图3e) 由若干条产状基本一致、 规模近于相当的伸展断裂组成, 各条断裂的上盘依次向同一方向断落, 形似阶梯。 研究区内组成该类型的伸展断裂多呈小规模板状, 往往断至流二段地层便停止活动。 此种组合形式主要发育在北部缓坡带及南部深洼带附近。

走滑断裂组合样式在乌石凹陷东区较多发育且分布规则, 主要包括复合 “Y” 字形组合样式以及花状构造样式。 其中, 复合 “Y” 字形组合样式(图3f) 是由小断距断裂相向交错构成的组合样式, 具有典型的扭动性质。 该类组合样式集中分布于研究区东部高幅背斜带与中区次洼带连接处;花状构造 (图3g) 是剪切断裂带在浅层常表现出的向上分叉、 撒开、 形似花朵的断裂组合, 也称棕榈树构造 (葛双成等, 1993)。 依据剪切性质又可细分为负花状构造 (张性剪切) 和正花状构造(压性剪切) 两种类型 (王燮培等, 1989; 徐开礼和朱志澄, 1989; 朱志澄, 1999; 张迥等, 2016),前者在研究区中区次洼带和东部高幅背斜带连接部较多发育。

图3 乌石凹陷东区断裂剖面组合样式类型图Fig.3 Combination types of the fault profiles in the east area of the Wushi Sag

乌石凹陷东区罕见挤压断裂组合, 主要表现为牵引构造, 集中分布于东部高幅背斜带和南部深洼带内。 该类型断裂组合是挤压断裂上盘地层在挤压逆冲过程中, 受断面摩擦力作用下向上弯曲所形成的背斜构造。 依据主控挤压断裂的数量又可分为单侧牵引构造(图3h) 和双侧牵引构造(图3i)。

3.2 断裂平面组合样式

乌石凹陷东区断裂平面组合样式可划分为伸展型及扭动型。 前者主要表现为平行式组合, 系区域近南北向伸展应力作用下由规模相等或相近的断裂近平行排列而成, 集中分布于东部高幅背斜带内; 后者受控于区域剪切作用力, 主要包括斜交式、 雁列式及马尾状组合。 其中, 斜交式组合为研究区主要断裂组合类型, 中部、 东部背斜带内均有分布; 雁列式组合分布范围较规则, 呈带状自北部次洼带延伸至中区次洼带内; 马尾状组合发育数量有限, 仅出现在中区次洼带南部(图4)。

3.3 断裂叠加关系

乌石凹陷东区断裂间亦存在丰富的叠加关系,所依条件不同, 可划分出不同的断裂叠加体系。依据断裂性质可以划分为挤压-伸展叠加体系和走滑-伸展叠加体系: 挤压-伸展叠加体系多表现为断裂的正反转变形, 伴随着上盘由下降改为上升,不仅增强断裂的封闭性, 还可形成牵引构造, 有利于为油气聚集提供圈闭; 而走滑-伸展叠加体系则是早期伸展断裂叠加中、 晚期走滑的结果, 更有利于油气的输导。 依据埋藏深度可划分为深层断裂体系和浅层断裂体系: 以T60 层系为界, 深层断裂数量及组合形式丰富多变, 而浅层断裂往往孤立存在, 罕见组合样式。

图4 乌石凹陷东区T60 层系断裂平面组合样式图Fig.4 Combination patterns of fault planes of the T60 stratigraphic system in the east area of the Wushi Sag

4 断裂演化与形成机理

4.1 断裂演化阶段

在明确乌石凹陷东区断裂性质以及平、 剖面几何学特征的基础上, 选取切过复杂构造区的典型地震剖面, 在平衡剖面原理指导下, 运用3Dmove 软件进行剖面演化恢复, 再现不同性质断裂的形成演化过程, 揭示断裂形成发展的运动学特征。 演化分析结果表明: 乌石凹陷东区断裂自古近系沉积以来共经历5 个主要演化阶段。

(1) 古新世 (E1): 伸展萌芽阶段

古新世时期, 南海扩张产生的北西—南东向区域拉张作用使得乌石凹陷东区产生初始张裂(钟广见等, 2007; 胡望水等, 2011), 南部北东向控凹断裂 (7 号断裂) 此时开始发育, 但规模较小, 控制沉积能力有限。

(2) 始新世 (E2): 伸展主活动阶段

始新世时期, 珠琼Ⅰ幕运动产生近北北西—南南东向拉张应力, 乌石凹陷东区进入南北向强伸展阶段 (李才等, 2018)。 此时, 伸展断裂大量发育, 强烈活动: 7 号断裂继承性生长, 北部控凹断裂 (6 号断裂) 开始发育但活动强度不及南部,二者共同控制流沙港组沉积。 近东西向和北东东向低序级伸展断裂亦发育迅速, 剖面上构成大型“Y” 字形组合 (图5a, 5b)。

(3) 早、 中渐新世 (E3w3—E3w2): 走滑弱伸展阶段

渐新世早、 中期, 珠琼Ⅱ幕运动产生强烈区域右旋走滑应力 (李春荣等, 2012; 马云等,2014), 在此背景下研究区中部、 东部开始发育大量近北西向、 东西向走滑断裂, 垂向上切割涠洲组三段、 二段地层, 相互交错构成复合 “Y” 字形组合; 伸展应力强度明显减弱, 早期伸展断裂虽有所生长, 但垂向活动性较差 (图5c, 5d)。

(4) 晚渐新世 (E3w1): 走滑弱挤压阶段

进入晚渐新世, 受区域右行挤压应力影响 (张智武等, 2013; 马云等, 2014; 李才等, 2018), 研究区北部缓坡带、 东部高幅背斜带内均发生构造反转变形, F1, F2, F3断裂等3 处挤压断裂由伸展断裂反转而来; 早期走滑断裂继承性发育, 平面上形成东西向展布的走滑断裂带(图5e)。

(5) 新近纪—第四纪 (N1x—Q): 定型保留阶段

新近纪以来, 区域走滑-弱挤压作用趋于停止, 加之古近纪热沉降效应持续, 研究区断裂活动强度大幅减弱 (李春荣等, 2012; 张智武等,2013; 张佰涛等, 2014; 马云等, 2014; 李才等,2018)。 除6 号、 7 号断裂继续向上断至望楼港组地层外, 绝大多数断裂均停止活动, 断裂格局基本定型。 盆地由断陷向拗陷转化, 接受新近系和第四系海相沉积 (图5f, 5g)。

综上所述, 乌石凹陷东区断裂形成、 演化受区域走滑-伸展-弱挤压叠合应力影响, 依据应力作用时期和强度可以划分出伸展萌芽阶段、 伸展主活动阶段、 走滑弱伸展阶段、 走滑弱挤压阶段和定型保留阶段等5 个主要演化阶段。 各演化阶段对不同时期研究区内的沉积充填和构造格架建立做出不同的贡献。

图5 乌石凹陷东区inline5313 测线构造演化剖面(位置见图1)Fig.5 Structural evolution profile of the survey line inline5313 in the east area of the Wushi Sag (Location is shown in Fig.1)

4.2 断裂形成机理

断裂的形成与演化往往涉及复杂的动力学背景, 而周缘板块间的相互作用为其提供原始动力。从大地构造角度出发, 对乌石凹陷东区断裂的4 个主活动阶段进行力源分析, 揭示各演化阶段的动力学机理。

古新世时期 (约65.0 ～56.5 Ma), 太平洋板块沿北北西向俯冲于欧亚板块之下, 且俯冲强度大幅减弱, 俯冲带后撤过程中对欧亚板块的挤压作用大幅减弱, 早期处于挤压状态下的岩石圈在短时间内产生弹性回跳, 使得华南陆块软流圈地幔上涌、 岩石圈拆离 (Northrup et al, 1995; 包汉勇等, 2013; 刘雨晴等, 2020); 印度板块向欧亚板块西南部高速汇聚, 与之发生软碰撞 (Northrup et al, 1995; Lee and Lawver, 1995; Hall, 2002;马云等, 2014)。 三大板块间的相互作用使南海海盆发生强烈扩张, 南海北缘北侧盆地群 (珠江口盆地、 北部湾盆地等) 进入初始伸展断陷阶段, 乌石凹陷东区此时接受北西—南东向伸展应力作用,北东向控凹断裂由此产生 (图6a)。 始新世时期(约56.5～32.0 Ma), 太平洋板块相对欧亚板块的俯冲方向由早期的北北西向逐渐过渡为北西西向, 且俯冲强度达到谷值(Yao et al, 2004; 张岳桥和董树文, 2019; 李三忠等, 2019); 印度板块与欧亚板块持续汇聚、 产生硬碰撞, 印支地块向东南方向逃逸,红河断裂带此时开始左旋走滑活动; 青藏高原开始隆升, 软流圈地幔向华南陆块东南部流动, 岩石圈发生进一步拆离、 减薄(Tapponnier et al, 1982; 索艳慧等, 2012)。 东、 西侧板块间作用方式、 方向的转变共同导致南海扩张方向发生顺时针旋转, 南海北部陆缘裂陷强度达到峰值, 西侧莺歌海盆地进入左旋-强裂陷阶段 (杨鹏等, 2017), 北侧盆地群进入强伸展断陷阶段, 乌石凹陷东区此时接受北北西—南南东向伸展应力改造, 近东西向伸展断裂由此大量发育(图6b)。

图6 乌石凹陷东区断裂各阶段形成机理模式图 (据Hall, 2002 修改)Fig.6 Model diagram of the fault formation mechanism of each stage in the east area of the Wushi Sag (modified after Hall, 2002)

早、 中渐新世时期 (约32.0 ～25.0 Ma), 太平洋板块向欧亚板块东部的俯冲速率、 强度有所增大; 印度板块向欧亚板块西南部汇聚挤压强度持续增强 (Tapponnier et al. , 1985)。 在此背景下, 南海北部陆缘区域应力场方向再次发生顺时针旋转, 西侧莺歌海盆地仍接受红河断裂带左旋走滑影响, 但裂陷强度远不及始新世时期; 北侧盆地群亦进入弱断陷阶段。 乌石凹陷东区此时接受强右旋走滑、 近南北向弱伸展应力改造, 发育一系列北西向、 近东西向走滑断裂 (图6c)。 进入晚渐新世 (约25.0 ～23.5 Ma), 太平洋板块向欧亚板块东部做持续中速俯冲; 印度板块向欧亚板块西南部汇聚挤压强度达到峰值, 南海北部陆缘整体处于右旋挤压环境中 (Tapponnier et al. ,1985)。 在此区域应力背景下, 南海北缘诸盆地进入反转裂陷阶段, 并逐渐向拗陷阶段过渡。 乌石凹陷东区此时接受强右旋走滑、 近南北向弱挤压应力作用, 早期伸展断裂部分发生反转变形, 成为挤压断裂 (图6d)。

5 结论

(1) 乌石凹陷东区伸展断裂、 走滑断裂和挤压断裂均有发育。 伸展断裂为主要断裂, 全区范围内均有分布, 规模差异较大, 走向以东西、 北西向为主, 少数呈北东向; 该类断裂于古新世开始发育, 始新世活动性较强。 走滑断裂形成于渐新世时期, 走向以北西向为主, 少数呈东西向,其分布具有明显带状特征。 挤压断裂发育较少,走向近东西向, 均是渐新世末期由伸展断裂反转而来。

(2) 乌石凹陷东区各类断裂发育较为复杂,呈现出多变的组合样式。 依据断裂性质, 平面上划分出平行式、 雁列式、 马尾式和斜交式等组合;剖面上分为伸展组合样式 (包括堑垒组合、 断阶式等), 走滑组合样式 (花状构造和复合 “Y” 字形) 以及挤压组合样式 (单、 双侧牵引构造)。

(3) 依据研究区大地构造背景、 剖面演化及断裂形成机理分析, 将乌石凹陷东区断裂形成演化划分为5 个主要阶段: 古新世 (E1) 伸展萌芽阶段、 始新世 (E2) 伸展主活动阶段、 早渐新世—中渐新世 (E3w3—E3w2) 走滑弱伸展阶段、 晚渐新世 (E3w1) 走滑弱挤压阶段和新近纪—第四纪 (N1x—Q) 的定型保留阶段。