北部湾盆地乌石凹陷断裂系统演化特征及其对油气成藏的控制作用

满 勇，范彩伟，薛红涛，金秋月，黄 晴

( 1.中海石油(中国)有限公司 海南分公司，海南 海口 570312； 2.中海石油(中国)有限公司 湛江分公司，广东 湛江 524057)

0 引言

乌石凹陷隶属于北部湾盆地南部坳陷，为典型的新生代陆内裂谷盆地[1-2]，是已经证实的富烃凹陷[3-4]，发现多个大中型油气田与含油气构造。人们研究乌石凹陷构造特征及断裂演化，杨海长等认为，乌石凹陷总体经历古近系裂陷和新近系坳陷两大阶段，提出乌石凹陷发育伸展与反转两种构造样式[5]；胡德胜等认为，乌石凹陷发育伸展、走滑两类断裂，识别伸展、走滑及反转三种构造样式[6]；吴孔友等研究板块运动相互叠加对乌石凹陷构造演化的影响，认为乌石凹陷发育伸展、走滑和挤压三套断裂系统[7]；胡林等探讨塑性地层伸展型构造样式反转过程对断裂发育特征的影响，提出塑性地层影响断裂发育特征，容易形成滑脱断裂，且乌石凹陷滑脱断裂对构造格局演化有重要影响[8-9]。结合断裂演化特征，人们进一步研究断裂对烃源岩形成及储集体展布的控制作用[10-14]。乌石凹陷发育NE、近EW、NW向等多套断裂系统，断裂系统主要形成于乌石凹陷不同发育时期所处的伸展应力场[5-9]，但未考虑早期断裂活化对凹陷断裂发育特征的影响，对晚期断裂发育特征与多期应力叠加、先存构造及基底断裂的关系缺乏明确认识，有关断裂系统特征及差异演化规律对构造区带划分与圈闭形成的研究较少。

有关斜向伸展构造模式的研究，MCKENZIE D提出斜向伸展构造成因及演化机制[15]；CLIFTON A E等[16]、MCCLAY K R等[17]认为，应力方向与先存断裂夹角控制正断裂、斜滑断裂和走滑断裂的发育；MORLEY C K 等分析盆地内部先存薄弱带在后期斜向拉伸作用下的构造样式，并将其与伸展、走滑等作用形成的构造样式进行对比[18-19]；童亨茂等研究先存构造的选择性复活应力机制[20-21]。先存构造斜向拉伸背景下发育的应力模式是复杂化的剪切应力模式，在斜向拉伸过程中，先存断裂产生斜向滑移，导致不同走向复活的断裂差异明显。中国盆地的典型油气藏分布主控因素分析表明，断裂对油气成藏具有明显的控制作用[22-25]，对成藏主控因素的控制率超过70%，油气藏主要沿断裂展布或分布于断裂附近。

根据乌石凹陷三维地震资料，结合区域构造背景与已钻井资料，考虑区域应力场变化、不同时期构造格局差异、塑性泥岩层的发育特点等，分析不同时期的断裂特征，明确乌石凹陷断裂系统特征及演化规律，研究断裂对油气成藏的控制作用，为研究区下一步的油气勘探及有利区带选择提供指导。

1 区域地质概况

北部湾盆地位于中国南海大陆架北部，构造演化受亚欧板块、印澳板块和太平洋板块的碰撞作用影响，同时叠合南海扩张和地幔上涌产生的拉张作用[1-2]。北与粤桂隆起相接，东、南与海南隆起区相邻，西与莺歌海盆地相接，总面积约为3.90×104km2，为中、新生代发育的断陷盆地。乌石凹陷是北部湾盆地南部坳陷的一个次级凹陷，北、西以企西隆起南缘为界，东、南紧邻流沙凸起，并与海头北凹陷、迈陈凹陷分隔，面积为0.27×104km2(见图1)。

研究区乌石凹陷受南部边界⑦号断裂控制，南部强烈沉降，沿⑦号断裂的下降盘地层厚度及埋深大，地层向北抬升翘起，表现为南断北超的半地堑特征。乌石凹陷先后经历古近纪三期裂陷阶段和新近纪裂后坳陷阶段[6]，形成下断上坳的“双层结构”。第一期裂陷发生于古新世，太平洋板块开始向欧亚板块俯冲，运动方向由NNW向逐渐过渡为NWW向，导致弧后扩张；乌石凹陷主要经历NW—SE向拉张应力场作用，形成一组NE—SW向断裂，凹陷东部⑦号断裂开始发育，凹陷发生初始裂陷，断裂活动较弱，水体较浅，主要发育冲积相沉积的长流组(E1c)。第二期裂陷发生于始新世，随太平洋板块运动速率降低及古南海向南俯冲，华南陆缘地区持续处于伸展应力环境，北部湾盆地快速裂陷，进入成盆高峰期；乌石凹陷东部⑦号断裂持续活动，西部⑥号断裂开始发育，内部形成一组NEE—SWW向断裂，凹陷发生强烈裂陷，沉积流沙港组(E2l)，自下而上可分为流沙港组三段(流三段)、流沙港组二段(流二段)和流沙港组一段(流一段)。流三段(E2l3)沉积期，断裂活动强度与长流组沉积期的相比有所增强，水体逐渐加深，以北部缓坡物源为主，广泛发育扇三角洲沉积；流二段(E2l2)沉积期，断裂活动强烈，地层快速沉降，水体加深，整体表现为中深湖沉积环境，乌石凹陷广泛发育厚层深灰色油页岩、页岩与泥岩互层，北部地势较高且较为平缓，局部发育三角洲沉积；流一段(E2l1)沉积期，盆地水体变浅，南部陡坡区以点源扇三角洲沉积为主，北部缓坡区以三角洲沉积为主。第三期裂陷发生于渐新世，印度板块与欧亚板块持续硬碰撞，使华南陆缘地幔物质向南运动，同时古南海继续向南俯冲，导致北部湾盆地持续处于裂陷过程；乌石凹陷⑦号断裂活动减弱，⑥号断裂活动增强，沉积中心向西迁移，凹陷表现为向西倾斜的地势，主要物源由东向西注入，湖盆水体发生变化，以辫状河三角洲—滨浅湖沉积为主，自下而上沉积涠洲组三段(E3w3)、涠洲组二段(E3w2)和涠洲组一段(E3w1)。渐新世末期，澳大利亚板块与欧亚板块碰撞，导致伸展运动停止，北部湾盆地抬升剥蚀，形成区域性不整合面(T60)。新近纪，乌石凹陷进入裂后坳陷阶段，表现为区域热沉降，进入海相沉积环境，沉积下洋组(N1x)、角尾组(N1j)、灯楼角组(N1d)、望楼港组(N2w)等(见图2)。在整个构造演化过程中，乌石凹陷东部持续受南部边界⑦号断裂控制，表现为南断北超的箕状断陷；中部受⑥号和⑦号断裂共同控制，表现为南北双断的地堑；西部受⑥号断裂控制，表现为北断南超的箕状断陷。

2 断裂系统演化特征

乌石凹陷断裂发育，断裂走向多样，断穿层位各异且活动时期不同。根据乌石凹陷的断裂性质，分析不同地质时期断裂活动产生的构造演化特征，明确优势构造圈闭。

2.1 断裂发育特征

乌石凹陷断裂发育受持续顺时针旋转构造应力场控制，断裂经历多期应力叠加作用，形成复杂的断裂系统。平面上，乌石凹陷包括NE、近EW和NW向断裂系统(见图3)；垂向上，乌石凹陷包括早期断裂系统、晚期断裂系统和继承性活动断裂系统，断裂系统以流二段为界，具有明显的演化差异(见图4)。

平面上，NE向断裂系统主要发育于古新世至中始新世，断裂向上断至流二段中部；后期部分断裂活化，受应力场方向改变影响而发生斜向伸展，呈NE、EW向展布，向上断至涠一段顶部，向下断至基底。近EW向断裂系统主要发育于晚始新世至渐新世，向上断开涠洲组，向下断至流二段底部。NW 向断裂主要发育于渐新世末期，向下多断至流一段内部，向上断至涠一段顶部。

垂向上，早期断裂系统断开长流组和流三段，断至流二段中部，呈NE向展布。晚期断裂系统的绝大多数断裂断开至涠洲组和流一段，部分断裂断至流二段，主要呈近EW、NW向展布。继承性活动断裂系统向下断至基底(T100)，向上断至涠一段顶部(T60)，主要呈近EW向展布。

2.2 断裂演化规律

古新世至早始新世，受NW—SE向拉张应力作用影响，伸展应力场与先存的NE向断裂接近垂直，南部边界⑦号断裂开始活动，强度较弱，控制乌石凹陷的初步形成；同时，凹陷北部发育大量NE向小型伸展断裂，断面平直，形成一系列简单的小型半地堑伸展构造样式。

中始新世，乌石凹陷受持续的NW—SE向拉张应力作用影响，南部边界⑦号断裂继承性活动，活动强度大，呈NE向展布，断裂下降盘发生强烈沉降，控制流二段较厚的地层沉积；北部部分断裂继承性活动，发育一系列与⑦号断裂平行且以北掉为主的次级断裂。除南部边界⑦号断裂强烈活动外，其余断裂活动强度普遍较弱，并消失于流二段厚层泥岩，初步形成南陡北缓的斜坡格局。乌石凹陷主要表现为拉张演化模式，一系列同向、反向伸展断裂控制伸展构造样式发育，发育半地堑、简单地堑及复式地堑等伸展构造样式。在北部斜坡区，半地堑可进一步组合为同向与反向缓坡断阶样式，南部陡坡区的⑦号断裂与同期伴生断裂形成“二台阶”构造样式。

晚始新世至渐新世末期，⑥号断裂活动性逐渐增强，⑦号断裂持续活动，⑥号、⑦号断裂呈斜向对倾，乌石凹陷中部发生褶皱挤压反转，形成鼻状构造雏形。随伸展应力场的逐渐旋转，伸展应力与先存的NE向断裂呈锐角相交，早期发育的主干断裂受到明显的斜向伸展作用，斜向伸展控制的大型滑脱断裂开始发育，进一步为块体旋转提供动力。⑦号断裂持续活动，加剧乌石凹陷南陡北缓的斜坡格局，斜坡区沉积的厚层油页岩塑性地层形成薄弱面，上覆地层在斜向伸展作用下开始发生斜滑旋转[26-29]；同时，重力变形作用加剧地块在斜坡坡度最大处沿塑性地层向下滑动的趋势，滑脱断裂下降盘地层发生牵引滚动，在滑脱旋转作用下变形隆起，使大型鼻状构造进一步隆起定型。

2.3 断裂斜向伸展模式

乌石凹陷断裂在断陷期主要表现为斜向伸展演化模式。古新世至中始新世，断裂在平面上表现为简单伸展，呈NE向展布，在剖面上主要表现为板式高倾角断裂(见图4(a-b))；晚始新世，断裂继续以伸展为主，开始受到斜向拉伸作用影响，初步具有滑脱性质，主干断裂根部开始沿塑性地层分裂，断裂由NE向板式高倾角断裂转变为NEE向铲式低倾角断裂(见图4(c))；渐新世，南陡北缓的斜坡已经形成，断裂持续受到斜向拉伸作用，倾角不断变小，与流二段顶、底部的塑性泥岩夹角也逐渐变小，滑动阻力减小，断裂开始呈现明显的滑脱作用(见图4(d-e))，滑脱断裂整体南掉，向深洼区倾斜，平面上呈近EW向展布；至晚渐新世，滑脱断裂基本定型，凹陷进入断拗转换期，断裂活动逐渐减弱(见图4(f))。

根据伸展—滑脱断裂的演化过程，伸展—滑脱断裂以流二段塑性地层为界，由上部伸展带、中部剪切带、下部伸展带，以及上覆和下伏岩层构成。上部伸展带指断至滑脱面上覆岩层的正断裂，中部剪切带指沿流二段顶、底部进行滑动的断裂，下部伸展带指主干断裂根部分裂期在滑脱面下伏地层中形成的高角度正断裂。伸展—滑脱断裂的上覆地层向洼中旋转，下伏地层弱变形，表现为一定程度的向上隆升，上部伸展带和下部伸展带发育高角度正断裂，中部剪切带发育低角度正断裂。

断裂斜向伸展演化过程中，滑脱断裂下降盘地层发生牵引滚动，在滑脱旋转作用下隆起变形，上部发育一系列收敛于主干滑脱断裂的调节断裂，与主干滑脱断裂形成“似花状”构造样式(见图4-5)。晚始新世，乌石凹陷呈北高南低的斜坡特征，应力开始发生旋转，产生斜向拉伸，伸展—滑脱断裂开始发育。受持续性拉张作用影响，⑦号断裂和伸展—滑脱断裂下降盘开始产生可容空间，内部地层呈漏斗式下沉，为收缩应变过程，⑦号断裂较伸展滑脱断裂活动速率大，靠近伸展—滑脱断裂下降盘部位的地层发生明显挠曲。中—晚渐新世至早中新世，挠曲部位应变达到一定程度，开始产生一组断裂调节应变；同时，斜向伸展作用较为强烈，产生剪切分量，在斜向伸展作用下，挠曲部位产生的调节断裂构成“似花状”断裂，并向下收敛于伸展—滑脱断裂，形成“背形负花状”构造特征。根据断裂体系特征，乌石凹陷由南向北划分为洼陷带、滑脱带、断阶带(见图5)。

3 对油气成藏的控制作用

乌石凹陷不同时期不同类型的断裂控制烃源岩的发育、储集体的展布、构造带的划分、圈闭的形成和油气的运聚成藏。结合断裂斜向伸展模式，研究断裂控带、控圈及油气成藏规律。始新世早期，边界断裂强烈伸展，控制乌石凹陷东区烃源岩的形成，凹陷呈现南陡北缓的箕状断陷格局，发育北部缓坡、南部陡坡的沉积体系；始新世晚期，在斜向伸展作用下，发育的滑脱断裂及其调节断裂控制流沙港组和涠洲组圈闭的形成，并控制“背形负花状”隆起的定型。主干滑脱断裂控制乌石凹陷的区带划分，滑脱带背型隆起区油气运聚更为活跃，油气最为富集。

3.1 伸展断裂控烃与控储

始新世流沙港组沉积期，乌石凹陷处于强拉张断陷期；中始新世流二段沉积期，⑦号断裂强烈伸展，活动速率超过450 m/Ma，平均约为250 m/Ma[6,13-14]，乌石凹陷东洼整体快速沉降，湖盆水体不断变深，除中期短暂湖退时期发育的三角洲沉积外，整个乌石凹陷东区早期与晚期以中深湖沉积为主，凹陷内沉积一套展布范围广、覆盖整个乌石东洼的厚层暗色中深湖相泥岩、页岩和油页岩，并沿⑦号断裂呈NE向展布(见图1)。流二段沉积早期，⑦号断裂东侧较西侧活动性更强，东侧的泥岩沉积厚度更大；流二段沉积晚期，⑦号断裂东侧活动性减弱而西侧增强，沉降中心向西迁移，西侧的泥岩沉积厚度更大。钻井资料显示，流二段顶、底部地层以富含有机质的泥页岩、油页岩为主，颜色呈深灰色或棕褐色，页理发育，富含非海相沟鞭藻、葡萄藻、光面球藻等藻类化石，有机质以偏腐泥的混合型为主，有机碳丰度在3.07%～10.35%之间，生烃潜量(S1+S2)平均为3.32～41.86 mg/g，为一套好—优质的烃源岩。

流沙港组沉积期，存在南部流沙凸起、北部企西隆起两大物源区。受到南部⑦号断裂强烈伸展作用影响，乌石凹陷呈现南陡北缓的箕状断陷格局，发育北部缓坡与南部陡坡两大沉积体系[10-12]。乌石凹陷内部伸展断裂发育，控制凹陷内沟槽地貌的形成，并进一步控制南、北砂体的差异展布。南部陡坡区沉积体展布受到⑦号断裂分段差异活动影响而形成多个沟谷地貌控制，主要发育点源小型陡坡扇三角洲储集体；北部缓坡区地势平缓，断裂呈NE向展布。断裂差异活动形成同向/反向平行型、斜列侧接型断裂组合；同时形成的断沟、断槽、走向斜坡和断裂坡折对供给水系起汇聚、引导的作用，是沉积物输送的优势通道，控制北部三角洲砂体的长距离输送，发育大型长源三角洲沉积，表现为箕状断陷显著的“陡坡小扇、缓坡大朵”沉积特征(见图6)。

3.2 伸展—滑脱断裂控带与控圈

晚始新世，伸展—滑脱断裂开始发育，至中新世早期基本定型，呈EW向展布并贯穿整个乌石东洼，主要控制流二段以上地层的应变状态，使其下降盘地层整体呈现鼻状隆起的构造格局。断裂在平面上具有明显分段性，表现为侧接排列的样式(见图1)：滑脱断裂F1、F2、F3呈东强西弱特征，向西逐渐消失；主干反向调节断裂Fa、Fb具有类似特征，且由于东侧滑脱强度更大，反向调节断裂Fa较Fb规模更大，对构造格局的分割作用更加明显。东侧的F1断裂为主要滑脱断裂，控制东区地块的翘倾旋转(见图5(a))；中部的F2滑脱断裂活动强度更大，逐渐占主导地位，控制中—东区的构造格局(见图5(b-c))；西侧的F2滑脱断裂控制作用逐渐减弱，F3滑脱断裂的活动强度逐渐增强，由于该区整体呈开阔斜坡区，地层滑动可容空间更加开阔，应变强度与东区的相比不太集中，形成的反向调节断裂规模相较东区的也更弱(见图5(d))。平面上，伸展—滑脱断裂的侧接传递演化特征控制乌石凹陷呈东、西分区的构造格局，伸展—滑脱断裂体系不同区域发育的差异性进一步控制东、西区南北分带的格局。

乌石凹陷经历应力场顺时针旋转的过程。古新世至中始新世，主要以简单的NW—SE向拉张演化模式为主，广泛发育NE—SW向断裂。流二段和流三段整体为北高南低、东高西低的格局，被NE—SW向断裂切割、遮挡，在断阶带与滑脱带形成阶梯式分布的断块圈闭群，为油气向北运移提供有利聚集场所。始新世末至中新世，应力场旋转至以SN向为主，与先存的⑦号断裂呈锐角相交，表现为斜向伸展特征，形成的断裂以伸展—滑脱断裂和“似花状”断裂为主，其中伸展—滑脱断裂是由早期古斜坡发育的NE向断裂继承性活动形成的。这些断裂活动使下降盘块体向洼中旋转，早期形成的流二段顺向断块圈闭转变为反向翘倾断块圈闭，同时使“似花状”断裂整体呈“背形负花状”的特征，流一段、涠洲组在中浅层局部形成少量断鼻、背斜圈闭，圈闭主要发育于滑脱带。靠近⑦号断裂的地层下沉更快，可容空间大，地块旋转明显，斜向伸展特征明显，局部表现为挤压性质，呈雁列式展布，圈闭长轴方向与⑦号断裂的走向一致，单条断裂呈S型，多形成断鼻圈闭，具备良好油气保存条件。除广泛发育的构造圈闭外，也发育复合圈闭，如砂体在转换斜坡前端卸载而形成的湖底扇，既要靠断裂遮挡，又有纵向、横向砂岩的尖灭，形成典型的构造—岩性圈闭。虽然构造—岩性油气藏勘探程度较低，但具有较大的勘探潜力(见图7)。

3.3 断裂控藏

断裂活动与大型鼻状构造演化为圈闭形成、储盖组合发育、油气输导提供有利的条件，其空间展布特征影响油气藏的分布，不同区带断裂特征的差异决定油气分布层位及存在规模。乌石凹陷油气呈明显的“近源成藏”特征，已发现的油气藏主要赋存于东区紧邻成熟烃源岩的大型鼻状构造之上，其中以大型滑脱断裂控制的滑脱带最富集。

南部⑦号控凹断裂持续强烈沉降，乌石凹陷呈南低北高、南陡北缓的箕状断陷格局。流二段烃源岩向北抬升翘倾，断裂差异活动形成的转换带控制大型储集体自北部缓坡向南输送，并呈“朵状”展布，优质砂体与南部成熟烃源岩接触，可作为良好储集层与输导层，从而决定油气大规模向北运聚成藏的特征。

烃源岩自始新世末期开始排烃，至渐新世中期进入大规模排烃期，⑥号、⑦号断裂斜向对倾挤压，使乌石凹陷中部发生褶皱反转，加之滑脱断裂下降盘的牵引滚动作用，共同控制东区大型鼻状构造在渐新世末期隆起定型。隆洼相间的格局定型与生油岩大规模排烃时期匹配较好，鼻状构造整体向南部烃源灶内倾没，形成乌石凹陷油气从南至北向大型鼻状构造运聚格局。

北部断阶带距南部生烃中心较远，断裂无法直接沟通成熟烃源岩，流二段烃源岩生成的油气可侧向进入流三段砂体或直接充注流二段中部砂体，沿构造脊汇聚并向鼻状构造高部位聚集，早期伸展断裂将鼻状构造切割为系列阶梯状断块构造，油气沿阶梯状断块向构造高部位顺次充注成藏，具有“砂—断—脊”侧向阶梯式运聚成藏特征，在乌石16-B、乌石17-A油田流二段、流三段形成连片含油的格局。中部滑脱带紧邻成熟烃源岩，长期继承性活动的主干伸展—滑脱断裂油气运移能力强，为油气垂向运移提供有利通道，具有“断—脊”垂向接力输导体系，在滑脱带“背形隆起”优越汇油背景下，油气运聚活跃，流沙港组、涠洲组、下洋组见丰富油气显示。滑脱带钻井油气对比分析表明，滑脱带的“花心”( F2—Fa、F3—Fb)、“花瓣”( F1—F2、Fa、F2—F3、Fb)区(见图5)油气成藏具有明显区别。“花心”区自深层的流沙港组到浅层的下洋组见丰富油气显示，由于“花心”调节断裂发育，且断层活动性较弱、断距较小，流一段至下洋组油气保存条件较差，往往只见丰富油气显示，难以形成规模成藏的局面，只形成规模较小的乌石16-A油田。受大型滑脱断裂控制地块的旋转翘倾影响，“花瓣”区发育背斜、断鼻及反向翘倾断块等类型圈闭，主干断裂活动强度大、断距大，很好错开砂岩发育段，地层旋转后断裂变平缓(见图4)，上覆地层正压力大，圈闭有效性好，形成良好油气保存条件。该区成藏层系丰富且油层厚度大，呈规模富集特征。南部洼陷带紧邻生烃中心，流二段直接被成熟烃源岩包裹，油气优先充注成藏，流一段、涠洲组直接覆于成熟烃源岩之上，主干断裂沟通烃源岩，油气垂向充注，砂体横向调节，在有利圈闭聚集成藏(见图8)。

综上所述，北部断阶带重点勘探流二段及流三段；中部滑脱带油气运聚活跃，圈闭类型多样、有效性好，成藏层系丰富，油气更为富集，是有利勘探区带；南部洼陷带紧邻生烃中心，油气充注强，流二段、流一段和涠洲组可作为有利勘探层系。

4 结论

(1)北部湾盆地乌石凹陷断裂系统具有复杂的演化机制，古新世至始新世，断裂主要表现为简单伸展拉张特征；渐新世至中新世，伸展应力场发生顺时针旋转，并与先存的NE向断裂呈锐角相交；先存的NE向断裂呈斜向伸展与流二段泥岩塑性地层共控下的伸展—滑脱断裂演化特征。

(2)乌石凹陷断裂具有简单伸展和伸展—滑脱两种主要构造样式，古新世至始新世早期，简单伸展断裂控制烃源岩与大型储集体的展布；渐新世至中新世晚期，伸展—滑脱断裂控制凹陷构造带差异及圈闭群的形成与定型。

(3)乌石凹陷断裂的差异演化控制构造格局、烃源展布、砂体发育、圈闭形成及油气运聚成藏。其中，滑脱带紧邻成熟烃源岩，沟源断裂发育，圈闭类型多样，油气通过断裂和脊线运移至圈闭成藏，呈规模富集特征，是最有利的勘探区。北部断阶带和南部洼陷带发育系列断块圈闭，油气运聚活跃，具备较好勘探潜力。