南海北缘东部揭阳凹陷的东沙运动:对油气成藏的影响

杜晓东, 刘 军, 徐乐意, 张青林, 郑金云,张 明, 吴琼玲, 蔡国富, 李三忠 , 索艳慧

(1.中海石油(中国)有限公司 深圳分公司 南海东部石油研究院, 广东 深圳 5 18000; 2.深海圈层与地球系统教育部前沿科学中心, 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 中国海洋大学海洋 地球科学学院, 山东青岛 26 6100; 3.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛266100)

0 引 言

南海海盆为太平洋西部的边缘海, 受周边太平洋板块、欧亚板块和印度-澳大利亚板块的影响, 该海域先后经历了新特提斯构造域及太平洋构造域的演化, 现处于两大构造域交汇处, 中-新生代受上述两大构造域的联合作用, 被俯冲带、走滑断裂、被动大陆边缘等不同类型的边界所围限, 具有独特的构造应力环境和复杂的构造演化历史(李三忠等,2012, 2019; Wang et al., 2020)。南海北缘属华南大陆的一部分, 为华南陆块基底, 经历了加里东、海西、印支、燕山等多期构造运动。晚白垩世以来, 华南大陆边缘由安第斯型的主动大陆边缘逐渐转变为拉张离散型的被动大陆边缘, 在上述两种大陆边缘的转换过程中, 华南大陆边缘受伸展-裂解构造背景的控制, 在陆壳减薄的基础上, 被伸展构造所控制,产生了强烈的裂陷作用, 形成了包括珠江口盆地和台西南盆地在内的多个富含油气的断陷盆地(闫义等, 2005; Yan et al., 2005; 漆家福等, 2019; 张远泽等, 2019)。构造演化上, 新生代以来, 南海北部陆缘主要经历了张裂(晚白垩世-早渐新世)、漂移(中渐新世-早中新世)和热沉降(中中新世至今)三个阶段(Huang et al., 2001)。

本次研究的揭阳凹陷位于南海北缘东部的珠江口盆地和台西南盆地交界处, 新生代以来, 经历了神狐运动、珠琼运动一幕、珠琼运动二幕、南海运动、白云运动和东沙运动6 次构造事件(李平鲁, 19 93)(图1)。其中, 神狐运动、珠琼运动一幕和珠琼运动二幕以断陷为主, 且断陷作用在后两个事件中表现最为显著, 从而控制了珠江口盆地各个坳陷文昌组和恩平组的沉积; 随后的南海运动为下部断陷系统和上部坳陷系统的分界, 此时盆地由断陷转向拗陷,从此南海北缘开始进入拗陷发育阶段; 后续的白云运动在珠江口盆地白云凹陷中最明显, 表现为陆架坡折带从南向北的快速跃迁, 是大规模裂后热沉降的开始, 之后南海北缘进入持续的整体拗陷阶段;最后的东沙运动发生于中中新世-晚中新世, 一般认为是一次局部的构造运动, 主要影响南海北缘东部, 表现为块断升降、断层活化和岩浆活动等, 并深刻影响了盆地晚期的油气成藏(陈长民等, 200 3; 蔡周荣等, 2010; 吕宝凤等, 2012; 施和生等, 2014)。

“东沙运动”一词最早是由广东省石油学会地质专业委员会1991 年在广州组织召开的“南海北部大陆边缘盆地地质构造”研讨会上正式提出来的, 定义为发生在中中新世末-晚中新世的构造运动, 以块断升降为特点, 其中在东沙隆起及其周缘抬升剥蚀最明显, 整体呈现出东强西弱的特点(饶春涛,1992)。一般认为, 东沙运动以东沙隆起的幕式隆升、周缘地区的持续沉降、张扭性质的断层活动、频繁的岩浆活动等为基本特征, 局部发育挤压褶皱(李平鲁, 1993, 1994; 吴时国等, 2004)。前人对于东沙运动的研究主要包括以下4 个方面: ①发生时间: 目前主要有三种观点, 中中新世末(姚伯初, 19 93; 林长松等, 2006; 易海等, 2007; 蔡周荣等, 2010)、中中新世末-晚中新世末或上新世初(李平鲁, 1993; Y an et al., 20 01; 吴时国等, 2004; 尚继宏和李家彪, 2009;赵淑娟等, 2012; Wu et al., 2014)、中新世-更新世(分为两期)(Lüdmann and Wong, 1999; Lüd mann et al.,2001); ②影响范围: 大多数学者认为东沙运动主要影响南海北部东沙隆起及其周缘凹陷(吴时国等,2004; 林长松等, 2006; 赵淑娟等, 2012), 也有学者认为台西南盆地和马尼拉海沟俯冲前缘海域也在影响范围内(蔡周荣等, 2010); ③构造属性: 存在伸展作用(李平鲁, 1994 ; Hu ang et al., 2001 ; 陈汉宗等,2005; 林长松等, 2006) 和挤压作用(蔡周荣等, 2010;吴世敏等, 2005)两种对立的观点; ④形成机制: 一般认为与菲律宾板块向北西西方向运动以及吕宋岛弧与欧亚大陆边缘的弧陆碰撞有关(吴时国等, 2004; 姚伯初, 1993; 吴世敏等, 2001; 尚继宏和李家彪, 2009),也有学者认为与弧-陆碰撞无关(Huang et al., 2001)。

图1 南海北缘大地构造图(a, 修改自Wang et al., 2020)及珠江口盆地地层年代表(b)Fig.1 Tectonic setting of South China Sea (a) and chronological time scale of sequences of the Pearl River Mouth Basin (b)

一般认为, 东沙运动于东沙隆起北侧和西侧凹陷产生了一系列近E-W 和NWW-SEE 走向为主的张扭性断裂, 这些断裂具右行走滑性质, 在平面上多为雁列式或帚状组合(李平鲁, 1993; 何敏等, 2019)。而揭阳凹陷位于东沙隆起东南侧(图2a), 在东沙运动影响下, 形成了以NE-SW 走向的右行走滑断裂为主、近E-W 和NWW-SEE 走向的左行张扭雁列式断层为辅的断裂组合, 与东沙隆起北侧和西侧凹陷有较大差别(图3)。因此, 本次以区域地质背景和三维地震资料为基础, 对东沙运动在揭阳凹陷的响应进行研究, 包括走滑断层、地层剥蚀和岩浆活动等, 并在此基础上讨论了东沙运动在揭阳凹陷具有特殊性的原因, 简要论述了东沙运动的油气地质意义。

图2 揭阳凹陷区域构造特征Fig.2 Regional structural map of the Jieyang Sag

1 区域地质概况

揭阳凹陷位于东沙隆起东端、距离东沙岛北东方向约150 km, 其北东方向为台西南盆地中央隆起,南西侧紧邻潮汕坳陷, 面积约2000 km2, 构造位置属于台西南盆地南部坳陷的西端, 为一个三级负向构造单元(图2)。揭阳凹陷基底为中生代沉积地层,新生代经历了断陷(始新世)-拗陷(渐新世-中中新世)-新构造运动(晚中新世至今)三个构造演化阶段,具有“下断上拗”双层结构, 下部断陷构造层为始新统文昌组和恩平组, 上部拗陷构造层包括渐新统珠海组和新近系珠江组、韩江组、粤海组等。揭阳凹陷为典型的中新生界叠合盆地, 基底之下为厚度较大的中生代海相沉积地层, 基底之上为新生代始新世断陷沉积和渐新世-中新世拗陷沉积, 且两个时期均为海相沉积地层(郝沪军等, 200 9; 刘涛,2019)。揭阳凹陷新生代为不对称式地堑, 地堑南部控洼断层为铲式断层, 北部控洼断层为板式断层,自北西向东南可分为北部缓坡、中央洼陷、南部陡坡三个构造带。揭阳凹陷新生代断裂非常发育, 呈现出数量多、密度大的特征。从发育期次来看可分为三期: 第一期为裂陷期发育的拉张性断层(紫色),主要包括控洼断裂和洼陷内部断层, 控制了断陷期文昌组和恩平组沉积; 第二期为拗陷期发育的断距相对较小的层间断层(蓝色), 只在洼陷内部发育,数量较少; 第三期为新构造运动期形成的晚期走滑和张扭性断层(红色和黑色), 在北部缓坡带、洼陷内部和陡坡带均发育, 数量最多(图3)。本次研究范围为三维地震资料所覆盖的揭阳凹陷主体部位, 包括控洼断层F2控制的西洼和控洼断层F3控制的东洼(图2)。

2 东沙运动在揭阳凹陷的响应

基于覆盖洼陷主体的三维地震资料, 对东沙运动在揭阳凹陷的响应进行研究, 包括走滑断层、地层角度不整合和岩浆活动, 其中最具特色的为NESW 走向的强走滑断层。

2.1 走滑断层

通过三维地震资料解析, 并结合多种地震体属性分析, 对揭阳凹陷的显性走滑断层进行了刻画,并对隐形走滑断层进行了识别。强走滑断层主要发育于中央洼陷靠近北部缓坡带一侧, 呈带状展布,该走滑带在三维地震资料区内长约50 km, 根据二维地震测线资料, 走滑断裂在北东和南西两个方向向外均有相当长度的延伸(图2)。另外, 在中央洼陷靠近南部陡坡带一侧也有走滑现象存在, 为早期拉张作用形成的正断层叠加晚期走滑而成, 可定义为伸展-走滑复合断层, 这类复合断层的走滑特征不如北部缓坡带附近的走滑断层显著(图3), 下面针对特征最明显的北部缓坡带的走滑断层进行讨论。

从三维地震相干属性切片上看(图4), 主干走滑断裂呈线性特征, 主要有棋盘式和雁列式两种构造组合样式。单条走滑断层沿走向平直, 平面延伸长度最大约为29 km; 多条走滑断层整体则呈左阶展布, 各断裂之间水平距离一般小于2 km, 形成一条宽约15 km 的NE-SW 走向的强走滑断裂带, 其中紧邻控洼断层F1东南部的走滑特征最为明显。另外,在主干走滑断层两侧发育规模较小、近平行密集分布的断层组, 为花状构造的平面表现。根据走滑断层所错断的标志断层判断, 水平走滑距离为右行错动400～670 m(图4b)。缓坡带还发育一组与NE-SW走向走滑断裂相伴生的近E-W 走向的反向走滑断层, 平面呈左行右阶雁列式展布, 单条断裂一般小于1 km。

图3 揭阳凹陷结构及地层特征(剖面位置见图2)Fig.3 Characteristics of the structures and strata in the Jieyang Sag

图4 揭阳凹陷珠江组顶部相干属性及断裂平面组合特征Fig.4 Coherent attributes and fault patterns of the top Zhujiang Formation in the Jieyang Sag

图5 揭阳凹陷走滑断层剖面特征Fig.5 Profiles of the strike-slip faults in the Jieyang Sag

从剖面来看, 主干走滑断层在浅层新近纪地层中表现为向上分叉、撒开的负花状组合, 形成对调(即倾向相对的正断层)的地堑, 具有明显的拉张、正断、向形等特征, 在深部古近纪地层中收敛于一条陡直的断面, 花状特征明显(图5a); 部分走滑断层收敛于早期形成的铲式断层, 形成“上部花状、下部Y 字”的复合花状构造样式(图5b)。走滑断层的产状变化导致断面呈波状弯曲, 不同位置倾向不同、断距变化大, 丝带效应显著。沿断层走向, 断层上下盘厚度交替变化或正、逆断层交替出现, 是走滑断层沿走向滑动使不同位置的块体拼接所造成, 又称海豚效应。揭阳凹陷北部缓坡带主干走滑断层的上述特征均非常明显, 为强走滑背景下的产物, 在地震剖面上其最浅可断穿海底, 说明现今仍在活动。在地震剖面上, 近E-W 走向的反向走滑断层呈复合Y 字形组合, 几乎全为北倾的正断层, 一般断到T30界面之下, 活动性较主走滑断层弱, 现今已不活动(图5c)。

2.2 地层角度不整合

东沙运动造成其影响范围内的地层发生断块升降作用, 隆起区遭受剥蚀, 与上覆地层呈角度不整合接触。该运动以东沙隆起表现最为明显, 导致中新世中晚期以来的地层缺失。揭阳凹陷紧邻东沙隆起, 在靠近东沙隆起的北部缓坡带上, T30(5.33 M a)为一个明显的角度不整合面。图6 显示, T32界面以下的地层呈整合接触关系, 但由于局部发生隆升, T30界面发生明显的削蚀, 上下地层为角度不整合接触关系。前人研究认为, T30界面为东沙隆起最明显的构造削截型不整合面, 剥蚀厚度为中中新世以来最大, 代表了强烈隆升期(赵淑娟等, 2012; 何敏等, 2019)。揭阳凹陷的地层角度不整合现象亦证实了T30为东沙运动的主构造期,此时构造强度最大。剥蚀区呈长条形NE 向展布, 与10 M a 左右板块重建获得的欧亚板块向台湾岛下俯冲的俯冲带方向平行, 因此, 该隆起可能与欧亚板块向台湾岛俯冲有关, 即俯冲过程中作为下盘的欧亚板块发生弹性挠曲、上拱、剥蚀而导致的。

2.3 岩浆活动

前人研究认为, 南海北部新生代火山岩的年龄主要为古近纪, 除白云凹陷钻遇的玄武岩为早中新世之外, 已有的地震资料解析也显示新生代火成岩体数量少, 范围小, 因此整个新近纪岩浆活动不活跃(李平鲁, 1 989; 石学法和鄢全树, 201 1; 张斌等,2013)。揭阳凹陷新近纪岩浆活动主要位于凹陷东北部, 表现形式为侵入和喷发, 时间为T40(15.97 M a)之后。整体来看, 揭阳凹陷中中新世以来的岩浆活动不活跃, 岩浆岩体长轴呈NE-SW 向展布(Hui et al., 2016), 这与前人研究所认为的东沙运动未伴随大量岩浆侵入或喷发相一致(赵淑娟等, 2012)。

图6 揭阳凹陷T30(5.33 Ma)地层角度不整合特征Fig.6 S tratigraphic unconformity of T30 (5.33 Ma) in the Jieyang Sag

3 东沙运动的影响范围及在揭阳凹陷的响应

3.1 东沙运动在揭阳凹陷响应的特殊性

东沙运动在东沙隆起北侧和西南侧凹陷中产生了一系列近E-W 和NWW-SEE 走向为主、右行走滑性质的张扭性断裂, 而在东沙隆起东侧的揭阳凹陷则形成了以NE-SW 走向的右行走滑断裂为主、近E-W 走向的左行张扭雁列式断层为辅的断裂组合。另外, 位于东沙隆起东南侧的靖海凹陷中中新世以来也发育一定数量的NE-SW 走向断层。

因此, 以东沙隆起为界, 东沙运动在其北西侧和东南侧凹陷中形成了不同特征的张扭或走滑性质的正断层(图7)。根据区域大地构造背景和全球板块重建结果, 早侏罗世时, 太平洋板块起源于依泽奈崎、法拉隆和菲尼克斯三个板块之间; 早白垩世晚期,新生的太平洋板块推动古老的依泽奈崎板块北西向俯冲于欧亚板块之下, 55 Ma 以来依泽奈崎-太平洋洋中脊继续俯冲, 目前古太平洋(依泽奈崎)板块已俯冲殆尽(孙卫东等, 2 008; 李三忠等, 2019)。因此,研究区所在的南海东北部存在一条NE-SW 走向具强烈重磁异常的中生代俯冲带, 该俯冲带沿NE-SW走向的台西南-中沙北展布, 表现为布格重力异常水平总梯度峰值带(周蒂等, 2006; 胡登科等, 2008)。该带以北为中生代弧前和火山弧区, 以南为中生代海相沉积, 而揭阳凹陷正处于中生代俯冲带之上,两侧基底构造格架差异导致东沙运动在东沙隆起北西和南东两侧的断裂响应不同(图7)。

新近纪中中新世以来, 研究区发育强走滑断裂,而东沙隆起北西侧和东南侧的凹陷中只发育张扭性雁列式断层, 说明本区更靠近力源。15.97 Ma 以来的早期特征可能与马尼拉海沟启动并向东部菲律宾-吕宋岛弧(当时可能为NE-SW 走向, 平行东沙隆起)下俯冲有关; 5 Ma 以来的晚期特征指示了东沙运动的形成与东侧的欧亚板块与台湾岛弧之间的弧-陆碰撞有密切关系; 2 Ma 以来, 台湾造山运动强烈,菲律宾海板块逆时针旋转, 并NWW 向强烈楔入华南地块, 导致台西南盆地所在的三角形微地块(李三忠等, 20 18)向西南逃逸, 因而在揭阳凹陷中形成明显不同于珠江口盆地同期断裂特征的NE 向右行走滑断裂。可见, 揭阳凹陷虽已靠近挤压的力源, 但走滑断层依然表现为负花状构造, 说明东沙运动在南海北缘为一次楔入-挤出-逃逸关联的构造运动(图7), 该时期形成的逆断层、褶皱等构造应为局部挤压造成的, 是周边板块重组过程的直接反映。

图7 南海北缘中生代俯冲带及东沙运动断层成因区域模式Fig.7 Mechanism of the Dongsha Movement at the northern South China Sea Margin

3.2 东沙运动影响区域及对油气成藏的影响

如前文所述, 一般认为东沙运动主要发生于南海北缘的东沙海区及其周缘, 并以东沙隆起和潮汕坳陷最为明显, 主要以发育大面积的构造不整合面为特征, 与周缘地区在垂向构造运动方向上存在较大差异; 但也有学者认为台西南盆地和马尼拉海沟俯冲前缘海域也在影响范围内(蔡周荣等, 2010)。本文研究认为, 揭阳凹陷位于南海北缘东部的珠江口盆地东部和台西南盆地西部的交界处, 东沙运动的构造响应强烈, 包括强走滑断裂及地层角度不整合, 因此, 至少台西南盆地的西端位于东沙运动影响区域内, 推测向东还可能扩展到更大的范围, 这也与力源来自东侧的弧-陆碰撞相匹配。

受最晚期构造运动的控制、改造和调整, 含油气盆地才形成油气的最终定位与成藏(龚再升, 2004)。珠江口盆地已发现的油气藏一般形成于中中新世之后, 具有晚期成藏的特征, 且构造运动强度最大的上新世为大部分地区油气运聚与调整的关键时刻(何敏等, 201 9)。另外, 在油气勘探实践中, 走滑断裂带对圈闭形成、油气运移和保存等均具有较大影响, 往往是油气规模富集的有利区带(刘岩, 2 016;张正涛等, 20 19)。东沙运动为揭阳凹陷中中新世以来最显著的构造运动, 主构造期为T30(5.33 Ma), 对本区的晚期油气成藏具有重要影响。

揭阳凹陷热模拟结果显示, 凹陷中心的文昌组烃源岩在珠江组沉积末期(15.97 M a)处于成熟阶段，之后逐渐进入生油高峰期; 韩江组沉积末期(10.0 M a)凹陷整体处于成熟阶段, 并开始进入生气阶段, 现今仍为生气高峰期, 整体具有早油晚气的特征。而东沙运动发生于凹陷的生排烃高峰期, 对油气成藏具有以下三方面的影响: ①东沙运动形成的断裂使揭阳凹陷形成大量构造圈闭。首先, 受东沙运动影响,地层整体向东沙隆起方向上倾, 而NE-SW 走向的走滑断层与地层上倾方向大角度斜交, 同时受到其他断层的共同控制, 揭阳凹陷北部缓坡带形成一系列被断层复杂化的断鼻和断块, 平面展布特征为棋盘式, 数量较多, 为油气成藏提供了有利的圈闭条件(图8)。②东沙运动导致的断层活动及相关的微裂隙为油气输导提供了有利通道, 该时期形成的断层切割深、数量多, 且为拉张或张扭性质, 使油气更易从深层向中浅层垂向运移。③东沙运动造成东沙隆起的强烈隆升使得其成为揭阳凹陷油气运移的优势指向区, 油气沿地层上倾方向向东沙隆起汇聚。南海东部海域相当规模的原油探明地质储量来自东沙隆起周缘, 因此揭阳凹陷北部缓坡带与东沙运动有关的构造圈闭具有较大的勘探潜力。

图8 揭阳凹陷北部缓坡带圈闭分布示意图Fig.8 Distribution of tr aps in the nor thern ge ntle slope area of the Jieyang Sag

4 结 论

通过上述研究, 得出以下几点新认识:

(1) 东沙运动在揭阳凹陷的响应主要包括走滑断层和地层角度不整合。其中, 走滑断层具有花状构造、丝带效应、海豚效应、地质体水平错断、主滑动面清晰等特征, 为强走滑背景下的产物。地层角度不整合主要分布于东沙隆起附近, 洼陷内部不发育。另外, 揭阳凹陷在东沙运动时期岩浆活动不发育。

(2) 东沙运动在东沙隆起西北侧和东南侧的响应不同。东沙隆起北西侧发育近E-W 和NWW-SEE走向为主的张扭性断裂, 具右行走滑性质但走滑较弱, 平面展布呈雁列式; 而东沙隆起东南侧的揭阳凹陷则以发育NE-SW 走向的强走滑断层为主、近EW 走向的左行右阶雁列式断层为辅的断层组合为特征。综合前人研究认为, 揭阳凹陷正处于中生代俯冲带之上, 该俯冲带北西和南东两侧基底构造格架的差异造成东沙运动在两侧不同的响应。

(3) 揭阳凹陷发育的强走滑断裂指示研究区更靠近力源, 与马尼拉俯冲带俯冲启动和台湾造山运动启动有关, 负花状构造和地层角度不整合说明东沙运动为拉张性质的构造运动, 且T30(5.33 Ma)为主构造期, 此时构造强度最大。在影响区域方面, 台西南盆地的西端也位于东沙运动影响范围内, 推测影响范围还可能向东扩展。

(4) 受东沙运动影响, 揭阳凹陷北部缓坡带为油气运移优势指向, 并发育一系列构造圈闭, 具有较大的勘探潜力。