利用重磁资料研究北极地区扬马延微陆块中南部断裂构造与油气远景

张春灌,赵 敏,袁炳强,李进波,张 文,韩 梅,张 冕,周 磊

(1.西安石油大学地球科学与工程学院,陕西西安710065;2.西安石油大学陕西省油气成藏地质学重点实验室,陕西西安710065;3.海洋油气勘探国家工程研究中心,北京100028;4.中海油国际公司勘探部,北京100027)

北极地区富含油气资源及各类金属矿产资源,由于受极寒气候和广泛分布冰盖的影响,该地区成为全球地质研究程度最低的地区之一[1]。作为北极油气勘探热点地区——挪威-格陵兰海的重要组成部分,扬马延微陆块的油气勘探近年来备受关注[2-3]。扬马延微陆块位于北极地区挪威-格陵兰海域中部扬马延岛以南,海底地形总体表现为“南北高、中部低”的特征。迄今为止,扬马延微陆块尚未发现油气田。以往的研究结果表明,该区具备较好的油气资源前景[4]。自20世纪50年代以来,前人在扬马延微陆块及邻区开展了大量的地质调查及地球物理探测工作[5-6]。早期主要是根据地震反射和折射数据的解释提出扬马延微陆块为陆壳性质[7-10]。随着研究的深入,研究人员在构造演化方面获得了许多认识[11-13]。利用最新船测重力资料,李进波等[3]对扬马延微陆块中部的构造特征进行了探讨。尽管前人对于扬马延微陆块区域构造格架方面的认识大体一致,然而针对本区断裂构造特征方面的研究工作相对不足,北西向断裂与北东向断裂之间切割关系方面的认识尚不十分明确。

为了深入研究扬马延微陆块中南部的断裂构造与油气远景,系统收集并整理了已有的重力及磁力资料,并基于变纬度化极技术计算了磁力化极异常。主要通过对自由空间重力异常、磁力化极异常进行异常的分离、垂向二阶导数的求取、归一化总水平导数垂向导数(NVDR_THDR)与水平总梯度的计算、欧拉反褶积定位解的获取,深入分析自由空间重力异常、磁力化极异常、自由空间重力局部异常及垂向二阶导数异常、自由空间重力水平总梯度异常、自由空间重力异常NVDR_THDR及欧拉反褶积定位解、磁力化极垂向二阶导数异常特征,结合二维地震剖面解释结果,综合研究扬马延微陆块中南部断裂构造特征与油气勘探有利区。

1 地质背景

扬马延脊的演化和海底扩张理论紧密相关,初始动力是地幔软流圈上涌,形成上地幔隆起,引起地壳热扩张和产生拉张断陷,形成陆内裂谷。随着陆壳的裂解,导致海底扩张,使得扬马延脊与格陵兰大陆分离,在新近纪扬马延脊成为一个微陆块[4]。在扬马延脊的沉积演化过程中,扬马延脊在第三纪前有着和东格陵兰陆架、挪威陆架相似的沉积序列,其构造演化经历了二叠纪陆内裂谷、三叠纪-侏罗纪同裂谷和微陆块漂移、白垩纪至今热沉降和被动陆缘等3个阶段[2]。

从区域地质构造[14](图1)可以看出,扬马延微陆块与其周缘构造单元的地层发育特征存在显著的差异性。扬马延微陆块绝大部分区域主要发育新近系及古近系,扬马延微陆块北端扬马延岛周围则主要发育中新世火山岩。扬马延岛北侧发育有一条延伸方向很长、北西向展布的断裂带——西扬马延断裂带,其构造了扬马延微陆地北部边界。另外,扬马延微陆块东侧构造单元内发育大量北西向展布的走滑断层,西侧Kolbeinsey脊内则发育有显著北西向展布的转换断层。

图1 扬马延微陆块及邻区区域地质构造(据Sigmond,2002)[14]

2 重磁场特征

2.1 自由空间重力异常

系统整理分析了最新完成的船测重力资料(重力测线见图2)以及美国斯克里普斯海洋研究所于2021年发布的全球重力数据库V29,编制了扬马延微陆块中南部自由空间重力异常(图3)。船测重力测线间距约为5.4～8.2km,测线上的点距约为0.04km,测量比例尺为1∶500000;斯克里普斯海洋研究所发布的全球重力数据库中海域重力数据为卫星测高重力数据,精度达到4×10-5m/s2左右、空间分辨力接近8km,可以满足1∶1000000比例尺面积性海洋重力工作的需要[15-16]。编图结果表明,研究区自由空间重力异常多呈条带状、块状分布,异常值介于(-31.7～105.9)×10-5m/s2。

研究区自由空间重力异常显示出明显的三大特征,即异常走向宏观呈北东向及近南北向展布、重力低与重力高之间密集梯级带发育和由西北向东南,异常值高低分带相间分布。大体以西经8°东侧为界,自由空间重力异常走向分为东、西两大部分,西部异常走向宏观为北东向,而东部异常则为近南北向。研究区发育有多条重力梯级带,规模较大的梯级带主要呈北东向展布,与本区区域构造总体一致,亦呈北东向展布。虽然本区发育了众多范围较大的重力低值区以及重力高值区,但是这些重力低值区内也发育众

图2 扬马延微陆块中南部地形及重磁测线分布

图3 扬马延微陆块中南部自由空间重力异常及断裂分布

多的局部重力高、重力高值区内发育众多的局部重力低,这些局部重力高或者局部重力低周围亦存在重力梯级带,规模较小而已,表明本区构造复杂,可能发育有一系列规模相对较小的断裂构造。研究区重力高异常与重力低异常相间分布的特征反映了该区隆起与坳陷分布的范围及展布特征。

2.2 磁力化极异常

系统整理分析了最新完成的船测磁力资料(磁力测线见图2)、美国海军海洋学办公室于1973年完成的航磁资料、美国国家环境信息中心于2017年发布的地球磁异常网格第3版EMAG2v3,编制了扬马延微陆块中南部磁力ΔT异常图。船测磁力测线间距为5.4～8.2km,测线上的点距约为0.04km,测量比例尺为1∶500000;研究区北部航磁测线间距约为5.5km,测线上的点距约为0.4km,测量比例尺为1∶500000;研究区南部航磁测线间距约为11.1km,测线上的点距约为0.4km,测量比例尺为1∶1000000。由于研究区纬度跨度较大(纬度差为3°),常规化极已不能满足较高的精度要求[17],利用变纬度化极技术对磁力ΔT异常数据进行了化极,获得了磁力化极异常,结果如图4所示。其中,化极所用的地磁场倾角与偏角见表1。与自由空间重力异常特征相似,扬马延微陆块中南部磁力化极异常走向宏观呈北东向及近南北向,异常值介于-385.4～525.2nT。

图4 扬马延微陆块中南部磁力化极异常及断裂分布

扬马延微陆块中南部磁力化极异常总体表现为“西部北东向、东部近南北向”的展布特征,宏观走向与区域构造格架一致。自西北向东南,扬马延微陆块中南部磁力化极异常总体上表现为高值区与低值区相间分布。研究区西北角冰岛海台总体表现为异常高值区,异常呈北东向展布、条带状分布特征;西部扬马延西翼构造带南部、扬马延南部复杂构造带西部及南部总体表现为异常高值区,异常呈北东向展布、团块状分布特征;东部挪威盆地表现为异常高值区,异常向东未闭合,总体呈近南北向展布特征。

表1 变磁倾角化极所用的地磁场参数

3 断裂构造解释

3.1 解释方法

为了提取重磁场反映的断裂构造信息,利用中国地质调查局发展研究中心研制的重磁电数据处理软件RGIS[17],主要采用位场边缘识别技术,其中常用的位场边缘识别技术有垂向导数、归一化总水平导数垂向导数、水平总梯度、欧拉反褶积等[18-22],对重力、磁力数据进行处理得到相应异常图。断裂往往在自由空间重力异常及其局部异常和垂向二阶导数异常图上表现为等值线梯级带,在自由空间重力异常NVDR_THDR及水平总梯度图上显示为极值连线,在自由空间重力异常欧拉反褶积定位解图上呈现为解的密集分布,在磁力化极异常及其垂向二阶导数异常图上表现为磁力高异常轴线或等值线梯级带。基于自由空间重力异常(图3)、磁力化极异常(图4)、自由空间重力水平总梯度异常、自由空间重力异常NVDR_THDR及欧拉反褶积定位解、磁力化极垂向二阶导数异常(图5)等异常特征,结合剖面综合解释结果(图6)以及自由空间重力局部异常与垂向二阶导数异常反映的线性构造信息(图7)等异常特征,综合确定了扬马延微陆块中南部的断裂构造。

图5 扬马延微陆块中南部重磁异常及断裂分布a 自由空间重力异常NVDR_THDR; b 自由空间重力水平总梯度异常; c 自由空间重力异常欧拉反褶积定位解; d 磁力化极垂向二阶导数异常

3.2 断裂构造特征

断裂构造分布特征表明,扬马延微陆块中南部构造复杂,断裂发育。研究区主要发育有北东向、北西向、近东西向及近南北向4组断裂,但以北东向及近南北向断裂为主,北西向及近东西向断裂次之,后者往往切断前者,表明北西向及近东西向断裂形成时期较晚。

扬马延微陆块中南部发育有7条主要断裂(F1～F7断裂),为本区构造单元分界断裂。这些断裂在自由空间重力异常及其局部异常和垂向二阶导数异常图上表现为梯级带或总体表现为梯级带,自由空间重力异常NVDR_THDR及水平总梯度图上显示为极值连线或总体显示为极值连线,自由空间重力异常欧拉反褶积定位解图上呈现为解的密集分布或总体呈现为解的密集分布,部分断裂在磁力化极异常及其垂向二阶导数异常图上表现为磁力高异常轴线或梯级带(表2)。①F1断裂位于研究区西北角,延伸长度约为129.6km,总体呈北东走向,向南西、向北东有延伸趋势。②F2断裂位于研究区西北部,延伸长度约为221.1km,总体呈北东走向,向西有延伸趋势。该断裂为北西倾向,属正断层(图6)。③F3断裂位于研究区北部,延伸长度约为142.3km,南段呈北东走向、北段呈北西向,向北西有延伸趋势。④F4断裂位于研究区西北角,延伸长度约为274.5km,总体呈北东走向,北端呈北西向,向西、向北西有延伸趋势。该断裂为南东倾向,属正断层(图6)。⑤F5断裂位于研究区中部,延伸长度约为253.5km,总体呈北东走向,向西有延伸趋势。该断裂为北西倾向,属正断层(图6)。⑥F6断裂位于研究区东部,延伸长度约为243.9km,总体呈近南北走向,向南西有延伸趋势。该断裂为南东倾向,属正断层(图6)。⑦F7断裂位于研究区东部,延伸长度约为257.4km,总体呈近南北走向,向南、向北东有延伸趋势。该断裂为北西倾向,属正断层(图6)。

表2 主要断裂重磁异常特征

图6 L1剖面综合解释

图7 扬马延微陆块中南部重力异常、勘探有利区及断裂分布a 自由空间重力局部异常; b 自由空间重力垂向二阶导数异常

扬马延微陆块中南部次级断裂亦非常发育,主要有北东向、北西向、近东西向及近南北向4组,规模相对较小、延伸距离相对较短,并且北西向(或近东西向)断裂往往切断北东向(或近南北向)断裂。次级断裂在自由空间重力异常及其局部异常和垂向二阶导数异常图上总体表现为等值线梯级带,自由空间重力异常NVDR_THDR及水平总梯度图上总体显示为极值连线,自由空间重力异常欧拉反褶积定位解图上总体呈现为解的密集分布,磁力化极异常及其垂向二阶导数异常上部分断裂表现为磁力高异常轴线、部分断裂表现为磁力异常梯级带。

3.3 剖面解释

为了深入研究扬马延微陆块中南部的构造特征,根据已有的地震剖面资料,选择了研究区内1条剖面进行定量拟合解释,长度约为221km。剖面横穿扬马延微陆块中部(剖面位置见图3),剖面中部与L1地震剖面重合,长度约为178km(图6)。剖面西北段由扬马延盆地开始,向东南穿过扬马延西翼构造带、扬马延海槽、扬马延南部复杂构造带、扬马延东部斜坡,延伸至挪威盆地。定量拟合解释过程中,海水作为一个密度层,密度值取1.03g/cm3;新近系作为一个密度层,密度值取2.20～2.24g/cm3;古近系作为一个密度层,密度值取2.40～2.43g/cm3;前新生界作为一个密度层,密度值取2.50～2.55g/cm3。

剖面自西北向东南自由空间重力异常显示为“低—高—低—高—低—高—低”的特征,总体上和该剖面穿过的主要构造带相对应;西北段扬马延盆地内,重力异常表现为重力低异常,异常值最低约为21.6×10-5m/s2,异常变化梯度平缓;至扬马延西翼构造带,重力异常总体呈现“两高夹一低”的特征,异常值最高约为53.3×10-5m/s2,异常变化梯度西缓东陡;至扬马延海槽,重力异常总体呈现为重力低异常,异常值最低约为2.1×10-5m/s2,异常变化梯度较平缓;至扬马延南部复杂构造带,重力异常总体呈现为“两高夹一低”的特征,异常值最高约为45.4×10-5m/s2,异常变化梯度较陡;至扬马延东部斜坡,重力异常总体表现为自西向东重力异常梯级带,异常变化梯度较平缓;至东南段挪威,重力异常呈现为重力低异常,异常值最低约为15.1×10-5m/s2,异常变化梯度平缓(图6)。剖面定量解释结果(图6)表明,海水厚度(海底地形起伏)显然是引起重力异常的重要因素,海底深度越浅则重力异常一般较高;前新生界顶面埋深横向变化较大,新近系及古近系厚度总体上表现为东部厚、西部薄;该剖面断裂构造比较发育,基于重磁异常识别的断裂在剖面上有明显的对应关系。

4 油气勘探有利区预测

早期的扬马延脊的油气远景评价是基于有限的地震数据和相似的其它已知区域的地质研究结果推测,本区可能至少有2套油气系统[2]。结合油气显示、圈闭特征等研究成果,前人圈定了研究区中部潜在的油气圈闭[23]。结果表明,前人圈定的油气勘探有利区与自由空间局部重力高异常及垂向二阶导数异常高值带高度相关(图7)。局部重力异常能突出反映局部地质体引起的重力场效应,主要反映局部构造特征[3];重力垂向二阶导数异常对旁侧叠加异常的反应更加敏感,亦常用来划分局部异常[24]。前述本区断裂构造特征表明,自由空间局部重力高异常及垂向二阶导数异常高值带对应凸起带,其两侧往往发育正断层。因此,前人圈定的油气勘探有利区主要对应局部凸起带。基于研究区自由空间重力局部异常及垂向二阶导数异常、断裂构造特征,结合前人在本区油气勘探有利区圈定方面的成果,对扬马延微陆块中南部的油气勘探有利区进行了预测,圈定出了Ⅰ类和Ⅱ类油气勘探有利区(图7)。Ⅰ类油气勘探有利区对应自由空间重力局部异常及垂向二阶导数异常高值带,异常幅值较高、异常变化梯度较陡,其周缘发育断裂构造;Ⅱ类油气勘探有利区对应自由空间重力局部异常及垂向二阶导数异常高值带,异常幅值较小、异常变化梯度较缓,其周缘发育断裂构造。

Ⅰ类勘探有利区主要分布于研究区北部F1断裂和F2断裂所夹持的区域、研究区中部F5断裂和F6断裂所夹持区域的北部、研究区东南部DSDP350一带,总体呈北东走向。Ⅰ类勘探有利区最显著的特征是处于自由空间重力局部异常及垂向二阶导数异常高值带,并且重力异常幅值较高、异常变化梯度较陡,两侧发育有明显异常梯级带,表明该类勘探有利区的发育明显受断裂构造控制。

Ⅱ类勘探有利区主要分布于研究区南部F5断裂和F6断裂所夹持区域的南部,总体呈北东走向或近南北走向。Ⅱ类勘探有利区最明显的特征亦是处于自由空间重力局部异常及垂向二阶导数异常高值带,然而相对Ⅰ类勘探有利区,Ⅱ类勘探有利区对应的重力异常幅值相对较小、异常变化梯度相对较为平缓。Ⅱ类勘探有利区两侧亦发育有重力异常梯级带,表明该类勘探有利区的发育亦受断裂构造控制。

5 结论与认识

扬马延微陆块中南部构造复杂,断裂发育,主要发育有北东向、北西向、近东西向及近南北向4组断裂。本区以北东向及近南北向断裂为主,北西向及近东西向断裂次之,后者往往切断前者,表明北西向及近东西向断裂形成时期较晚。这些断裂在自由空间重力异常及其局部异常和垂向二阶导数异常图上总体表现为等值线梯级带,自由空间重力异常NVDR_THDR及水平总梯度图上总体显示为极值连线,自由空间重力异常欧拉反褶积定位解图上总体呈现为解的密集分布,磁力化极异常及其垂向二阶导数异常上部分断裂表现为磁力高异常轴线、部分断裂表现为磁力异常梯级带。

圈定出了扬马延微陆块中南部Ⅰ类和Ⅱ类油气勘探有利区,其发育明显受断裂构造控制。Ⅰ类勘探有利区最显著的特征是处于自由空间重力局部异常及垂向二阶导数异常高值带,并且重力异常幅值较高、异常变化梯度较陡,两侧发育有明显异常梯级带。Ⅱ类勘探有利区最明显的特征是处于自由空间重力局部异常及垂向二阶导数异常高值带,然而相对Ⅰ类勘探有利区,Ⅱ类勘探有利区对应的重力异常幅值相对较小、异常变化梯度相对较为平缓。