琼东南盆地深水区构造演化及东西段构造差异对比

贺婉慧，汪 伟*，尹宏伟，刘绍文，朱继田，熊小峰

1. 南京大学 地球科学与工程学院， 南京 210023；2. 中海石油（中国）有限公司湛江分公司，湛江 524057

琼东南盆地深水区是南海北部重要的天然气勘探区带之一，也是大中型气田储量持续增长的主战场（施和生等, 2019）。构造特征以及演化过程是否清晰对于找寻断层活动规律、认识盆地性质、明晰盆地油气运移有着重要意义。

前人对琼东南盆地及其邻区进行了构造地质研究并且提出了多种构造演化阶段的划分方案，如通过关键构造变革界面的识别和分析、盆地沉降史回剥和盆地沉降中心厘定，确定琼东南盆地的演化分为断陷、断坳、裂后热沉降和加速沉降4个构造演化幕（雷超等, 2011） ，能源等人通过构造样式的分布将盆地分为三层结构，盆地经历了：裂陷期、裂后拗陷期及裂后洋盆沉降期3期构造演化阶段（能源等, 2013）。根据钻井及地震勘探资料分析，南海北部新生代盆地发育“同裂陷、裂后”双层结构（许怀智等, 2014）。总的来看，目前人们对于琼东南盆地的构造演化过程的认识并不统一，因此，有必要对琼东南盆地的构造演化过程进行更深入的研究。

琼东南盆地随着南海的张裂逐渐形成，虽然盆地整体具有相似的构造演化史，但前人研究表明琼东南盆地东、西段热流值及基底性质存在差异（张佳星，2018；施小斌，2017；Wang et al., 2014），盆地内部的不同区域构造样式存在明显的差异。构造差异性对烃源岩的发育规模 、生烃潜力及储盖组合的类型和分布等具有明显的制约作用（吕宝凤，2008）。研究琼东南盆地东西段构造差异对油气资源的勘探具有重要意义。

本文根据前人对伸展构造拉张量计算方法的适用性的研究，结合剖面构造特征，选取适当的平衡剖面方法，对琼东南盆地6条典型剖面进行平衡恢复及拉张量计算，讨论其构造演化历史、东西段构造样式差异及其影响因素、以及构造差异对油气资源分布的影响。

1 区域地质背景

琼东南盆地位于南海北部大陆边缘陆架西侧，地处海南岛以南、西沙群岛以北海域（108°～112°E，16°～19°N），整体呈 NE向展布，面积约 80000 km2。琼东南盆地是位于南中国海北部大陆边缘的新生代沉积盆地，整体走向为NE向（图1）。

图1 琼东南盆地构造区域划分图及骨干剖面分布位置图Fig. 1 Qiongdongnan basin tectonic zoning map and profile distribution locations

琼东南盆地基底主要为前古近系的火成岩、变质岩和沉积岩；盆地地层主要由新生界和第四系组成，从下至上依次为始新统，渐新统崖城组和陵水组，中新统三亚组、梅山组和黄流组，上新统莺歌海组，以及第四系乐东组。盆地发育始新统湖相、渐新统海陆过渡相和中新统海相等三套烃源岩，储层包括陵水组三段扇三角洲相、滨海相砂岩，三亚组滨海相、三角洲相砂岩，梅山组滨海相、三角洲相砂岩，黄流组滨海相、三角洲相和浊积岩相砂岩，莺歌海组低位扇相、浅海相席状砂岩等。盖层主要有陵水组、三亚组、黄流组及莺歌海组海相泥岩（图2; 朱伟林等，2008;谢玉洪等，2016）。

图2 琼东南盆地地层剖面综合图（据周杰等，2019；邱宁等，2014修改）Fig. 2 Stratigraphic units in Qiongdongnan basin

琼东南盆地形成演化明显地受控于南海北部陆缘的西部地球动力学演化背景(蔡佳, 2009)，主要有三个方面：（1）晚白垩纪—古新世太平洋板块与欧亚板块之间相互作用控制的伸展动力学过程；（2）始新世—早渐新世的南海北部大陆边缘的陆壳裂解，在晚始新世，琼东南盆地以NE向和NW向断陷发生裂陷活动为主，其中充填了陆相湖盆沉积体系。在早渐新世期间，NE向和NW向断陷继承性发育；（3）晚渐新世—中中新世的南海海底扩张，晚中新世—第四纪海底热沉降期间的构造叠加活动。

琼东南盆地在整体上呈现“东西分块、南北分带”的整体构造格局和“下断上坳”的垂向双层结构（张功成等，2007；雷超等，2011）。琼东南盆地“东西分块”的构造格局具体表现为西部以NW向和EW向断裂为主，向东走向变化为以NE向断层为主，总体可划分为西部伸展区和东部伸展区，二者之间以陵水凹陷与松南凹陷之间的NW向地垒带即松南低凸起为界，松南低凸起具有构造转换带的性质特征（雷超等，2011）。

2 平衡剖面技术在琼东南盆地的运用

平衡剖面的基本原理是物质守恒定律，即岩石在变形前后其体积保持不变，在二维剖面上则表示为面积保持不变。平衡剖面不仅可以用来检验构造解释的合理性、分析构造演化历史、计算构造变形量等，还可以利用构造浅层表现出来的几何学特征探究和约束深部构造特征。由于地质构造的复杂性，对于不同的构造类型或基于不同的角度，平衡剖面技术在应用过程中，建立了一系列基于平衡剖面原理的方法，如断层相关褶皱理论、层长守恒恢复、面积深度法、面积守恒法和断层追踪法等（Chamberlin, 1910；Gibbs, 1983; Suppe, 1983; Epard and Groshong, 1993; Groshong, 1994；Eichelberger et al., 2017; Wang et al., 2018）。

根据张迎朝、汪伟等人通过构造物理模拟实验模型，对上述不同平衡剖面方法在拉张构造应用中的优缺点进行的定量分析，结合琼东南盆地构造变形特征，确定了面积守恒法是最有效又准确的方法，可以计算构造不同阶段和整体的拉张量（张朝迎等，2019）。

地震剖面显示在基底面（T100）之下，几乎没有任何清晰的构造前沉积地层反射（图3）。本文主要研究琼东南盆地T100界面以上地层的构造变形特征。本文采用面积守恒法对琼东南盆地6条典型剖面进行平衡恢复并计算剖面在各个阶段的拉张量，讨论琼东南盆地的东西段构造差异以及构造演化过程。六条骨干剖面平衡恢复剖面如下所示（图4,5, 6, 7, 8, 9）。面积守恒法首先需要确定地层基准面的位置，琼东南盆地南部永乐隆起作为构造的高点可以指示变形前地层基准面的位置，拆离面的位置在莫霍面附近，可以简化为一条直线。通过测量地层基准面到拆离面的距离（H）、各沉积阶段地层面积（S），可以计算出各沉积阶段的拉张量。

2.1 琼东南盆地西段剖面

如图1所示将琼东南盆地分为东西两段，西部以NW向和EW向断裂为主，在盆地西段，主要发育隆凹相间的构造格局，自北向南依此发育北部坳陷带、中央坳陷带和南部坳陷带，西段的骨干剖面1、2、3（位置见图1）的平衡剖面图如下。

对于剖面1（图3a），该剖面靠近琼东南盆地西部边界，该剖面北起崖城凸起，向东南穿过崖南凹陷、崖南低凸起、乐东凹陷以及陵南低凸起。其断裂样式在整体上表现为对称的复式地堑，中央凹陷两侧各发育两条一级控凹断裂，控制其发育。单个断层断距较大，一级控坳断裂发育。地层发育较连续，整个凹陷内都发育岭头组地层。梅山组地层尖灭于三亚组地层之上。在沉降中心区域，陵水组和三亚组地层明显增厚。面积守恒法显示骨干剖面1在岭头组、崖城组以及陵水组各个沉积阶段的拉张量分别为10.7 km、14.8 km、22.5km；剖面拉张总量为48 km，总拉张率为47%（图4）。

图4 骨干剖面1平衡恢复图Fig. 4 balance cross section of backbone profile 1

剖面2与骨干剖面1相邻（图3b），相比于剖面1，该剖面断裂数量增加，凹陷内断裂活动性强，构造样式更加复杂。剖面中发育多个南倾的铲式断裂控制的半地堑，发育明显的同构造沉积，地层发育连续。面积守恒法显示骨干剖面2在岭头组、崖城组以及陵水组各个沉积阶段的拉张量分别为3.8 km、7.3 km、16.5 km；剖面拉张总量为27.6 km，总拉张率为17%（如图5）。

图5 骨干剖面2平衡恢复图Fig. 5 balance cross section of backbone profile 2

剖面3位于剖面2以东（图3c），该剖面在构造样式上发生了明显变化，构造样式为由大型铲式断裂控制的半地堑，铲式断裂断至莫霍面。在铲式断裂上盘，发育一个滚动背斜，背斜被众多次级断裂切割。背斜南部边界由一条小型的铲式断裂控制，形成与大型半地堑发育方向相反的小型半地堑，二者沉积地层向背斜顶部尖灭。岭头组地层在中央凹陷较发育，在中央凹陷南北两侧近乎缺失。面积守恒法显示骨干剖面3在岭头组、崖城组以及陵水组各个沉积阶段的拉张量分别为4.2 km、7.6 km、10.9 km；剖面拉张总量为22.7 km，总拉张率为14.4%（图6）。

图6 骨干剖面3平衡恢复图Fig. 6 balance cross section of backbone profile 3

2.2 琼东南盆地东段剖面

琼东南盆地东段以NE向断层为主，盆地东段发育大型复合地堑构造，形成大型凹陷结构（长昌凹陷）。东段的骨干剖面4、5、6（位置见图1）的平衡剖面图如下。

对于剖面4（图3d），该剖面位于琼东南盆地中部，该剖面北起南海隆起区，向东南穿过松东凹陷、松涛凸起、松南凹陷、松南低凸起、北礁凹陷以及北礁隆起。剖面北部发育北倾断层；中部发育复式地堑，地堑北部以南倾断层为主，地堑南部以北倾断层为主，凹陷内部断裂密集且断裂深度深、断距大。剖面南部发育两个铲式半地堑。地层发育连续性较剖面1要差，岭头组地层零星分布于剖面中部及南部。在沉降中心区域，三亚组、陵水组地层明显增厚。面积守恒法显示剖面4在岭头组、崖城组以及陵水组各个沉积阶段的拉张量分别为0.8 km、5.9 km、14.2 km；剖面拉张总量为20.9 km，总拉张率为16.2%（图7）。

图7 骨干剖面4平衡恢复图Fig. 7 balance cross section of backbone profile 4

剖面5（图3e）位于琼东南盆地中部偏东，该剖面断裂发育，构造样式为由大型铲式断裂控制的半地堑。在铲式断裂上盘，发育一个滚动背斜，背斜被众多次级断裂切割，背斜南部边界发育多条南倾的小型铲式断裂，形成与大型半地堑发育方向相同的小型半地堑。面积守恒法显示剖面5在岭头组、崖城组以及陵水组各个沉积阶段的拉张量分别为3.4 km、9.1 km、13.7 km；剖面拉张总量为26.2 km，总拉张率为18.1%（图8）。

图8 骨干剖面5平衡恢复图Fig. 8 balance cross section of backbone profile 5

骨干剖面6（图3f）位于琼东南盆地东段，剖面北起神狐隆起，向东南穿过长昌凹陷到达永乐隆起。从该剖面可以看出盆地东部发育大型复合地堑构造，凹陷内断层发育，断层数量明显多于盆地西部，但断距小，断层活动性弱。上覆乐东组、莺歌海组地层较西段明显减薄。面积守恒法显示剖面6在岭头组、崖城组以及陵水组各个沉积阶段的拉张量分别为13.8 km、15 km、21.4 km；剖面拉张总量为50.2 km，总拉张率为42.7%（图9）。

图9 骨干剖面6平衡恢复图Fig. 9 balance cross section of backbone profile 6

3 琼东南盆地构造伸展特征

构造拉张量是平衡剖面中重要的参数，不同的拉张比率形成的构造样式有着巨大的差别。因此准确计算构造拉张量对构造恢复，了解构造演化模式，建立构造演化模型有重要的影响（张朝迎等；2019）。每两个相邻演化阶段剖面长度之差就是各个沉积阶段的拉张量；用该套地层的拉张量除以该套地层形成所花费的时间，即可得到该地层的拉张速率；用某地层的拉张量与该套地层沉积之前的剖面长度对比可得到该套地层的相对拉张率；对应公式如下：

其中：Ln-1为第n套地层沉积前的地层长度；Ln第n套地层的长度；ΔL为某套地层的相对拉张量；β为该地层的拉张速率；e为该套地层的相对拉张率；Tn表示该地层沉积所花费的时间。基于面积守恒法，对琼东南盆地东西部共6条剖面做了逐层构造恢复，通过琼东南盆地6条剖面的恢复结果显示各个剖面对应的各个阶段的拉张量以及总拉张量（率）如表1所示：

根据表1数据对六条剖面的总拉张量和拉张率做出直观的直方图（图10a, b），分析骨干剖面整体的拉张量变化趋势；并计算出各个剖面各时期的拉张率及拉张速率绘制如下所示折线图（图10c, d），更加直观的分析各个阶段剖面的拉张情况。

表1 琼东南盆地骨干剖面拉张量Table 1 Tensor of backbone section in qiongdongnan basin

4 讨论

4.1 琼东南盆地构造伸展量分析

从图10a、b中可直观看出琼东南盆地不同部位水平拉张率具有明显差异，具有中间拉张量较小，但是两侧拉张量较大的特征。结合区域地质背景分析，推断1号转折点是由于受西侧1号断层走滑的影响，水平拉张率在乐东凹陷较大，在陵水、北礁和松南凹陷即琼东南盆地中部位置，水平拉张率显著减小并较为稳定，表明盆地内部的打开是均匀的，1号断裂走滑影响范围局限于乐东凹陷。2号转折点位于长昌凹陷东侧，水平拉张量显著增大。推断可能的原因是没有受到南部隆起，西沙地块的阻挡，导致拉张量增大。

图10 骨干剖面拉张量及拉张率分布图Fig. 10 Total tensor and tensile rate distribution of backbone profile

4.2 构造演化阶段分析

根据六条剖面的平衡恢复结果以及剖面各阶段的拉张率及拉张速率可知，在始新世（65～33.9 Ma）：剖面拉张率及拉张速率很低（图10c, d），此时琼东南盆地伸展活动开始，盆地整体处于缓慢的伸展状态，发育一系列切割新生代基底的正断层（图4f, 图 5f, 图 6f, 图 7f, 图 8f, 图 9f）；渐新世（33.9～23 Ma）：该阶段剖面的拉张速率对比岭头组沉积期间要明显增大（图10d），伸展活动更加强烈，盆地的伸展活动持续增强，晚渐新世伸展活动达到顶峰，在平衡恢复图中表现为断层数量增多，规模增大，地层沉积范围变大（如图4b, c; 图5b, c; 图6b, c; 图 7b, c; 图 8b, c; 图 9b, c）；早—中中新世（23～10.5 Ma）：构造伸展活动明显减弱，没有明显的构造拉张量，在此期间，三亚组以及梅山组地层发育了少量继承性断层；晚中新世—更新世（10.5～0 Ma）：盆地进入平静沉积期，基本没有断裂活动。

根据上述分析分析，结合区域地质背景中的构造事件推断琼东南盆地的构造演化历程如下：（1）断裂1期（65～33.9 Ma）：盆地伸展活动开始，处于缓慢的伸展状态；（2）断裂2期（33.9～23 Ma）：琼东南盆地伸展活动持续增强，并在晚渐新世构造伸展活动达到顶峰；（3）坳陷期（23～10.5 Ma）: 在此期间，伸展活动明显减弱，发育少量继承性断层；（4）平静沉积期（10.5～0 Ma）:平静沉积，基本没有断裂活动。

4.3 东西段构造差异

琼东南盆地东西段构造样式差异明显（图1、3），在盆地西段，主要发育隆凹相间的构造格局，自北向南依此发育北部坳陷带、中央坳陷带和南部坳陷带，其中中央坳陷半地堑规模最大。表现为“三隆三凹，半地堑控凹”的构造格局，地堑内断裂数量较少，单一断层断距大。盆地东段主要发育大型复合地堑构造，地堑从边缘向内部形成一系列同向正断层，使得凹陷中心成为整个构造的沉积中心，形成大型凹陷结构，隆凹相间格局不明显，表现为“凹陷为主，复合地堑控凹”的构造格局，地堑内部发育较多断裂，但单一断层断距小。

自中新世以来，南海周边岩浆活动频繁，前人的研究结果表明岩浆活动对琼东南盆地东部热流值的影响要大于盆地西部（施小斌，2017）。从而推测岩浆活动产生的热流值差异造成了琼东南盆地东、西部基地性质的差异（施小斌，2017；Wang et al., 2014）。结合热流值差异、东西段构造样式差异以及张佳星（2018）等人的物理模拟实验（如表2），推断琼东南盆地东段基底性质主要表现为韧性，西部基底表现出刚性的性质。基底性质和先存断裂影响着琼东南盆地东西部的构造演化。

表2 基底性质对凹陷断裂构造的影响（据张佳星，2018修改）Table 2 Influence of basement properties on fault structure in depression

盆地西部断层数量少，断层主要切穿崖城组、陵水组、三亚组地层，裂缝有利于油气从凹陷内烃源岩向低凸起内部储层进行运移填充；上部地层厚度大且未被断层切穿，能形成良好的盖层，防止油气的逃逸。盆地东部凹陷内部的断裂组合由于断裂期次多、断层组合复杂，且断裂数量多（张佳星，2018），且沉积盖层厚度薄，油气容易向上逃逸，不利于油气的保存。

5 结论

（1）琼东南盆地不同部位水平拉张率具有明显差异，具有中间拉张量较小，但是两侧拉张量较大的特征。在琼东南盆地中部位置，水平拉张率显著减小并较为稳定，表明盆地内部的打开是均匀的。

（2）琼东南盆地的构造演化阶段分为以下四个阶段：（1）断裂1期（65～33.9 Ma）：盆地伸展活动开始，处于缓慢的伸展状态（2）断裂2期（33.9～23 Ma）：琼东南盆地伸展活动持续增强，并在晚渐新世构造伸展活动达到顶峰；（3）坳陷期（23～10.5 Ma）: 在此期间，伸展活动明显减弱，发育少量继承性断层；（4）平静沉积期（23～10.5 Ma）：平静沉积，基本没有断裂活动。

（3）琼东南盆地东西段构造样式存在明显差异，盆地西部表现为“三隆三凹，半地堑控凹”的构造格局，地堑内断裂数量较少，单一断层断距大，有利于油气从凹陷内烃源岩向低凸起内部储层进行运移填充，上部地层形成良好的盖层，防止油气的逃逸；盆地东段表现为“凹陷为主，复合地堑控凹”的构造格局，地堑内部发育较多断裂，断裂期次多、组合复杂，且沉积盖层厚度薄，不利于油气的保存。基底性质和先存断裂影响着琼东南盆地东西部的构造演化。