南海北部被动陆缘盆地断陷期结构样式和动力机制*

吴湘杰 庞 雄 何 敏 申 俊 颜承志

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司)

南海北部被动陆缘盆地断陷期结构样式和动力机制*

吴湘杰 庞 雄 何 敏 申 俊 颜承志

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司)

以横跨珠江口盆地的南北向高精度长电缆地震资料为基础,结合非常规地球物理方法进行了重磁震联合反演和对比分析,进而探讨了不同位置南海北部被动陆缘盆地断陷期凹陷结构样式存在明显差异的深部动力机制。研究结果认为,南海北部被动陆缘盆地古近系文昌组—恩平组断陷期不同区域结构样式的差异主要受地壳厚度减薄、莫霍面上涌、热流升高等深部岩石圈流变学特征控制,相对冷的岩石圈上地壳脆性变形控制了陆架区断陷期盆地的形成,相对热的岩石圈下地壳韧性伸展控制了陆坡区断坳盆地的形成;陆架区珠一坳陷表现为受断层控制的典型地堑结构,中央隆起带为多米诺骨式单断半地堑结构,上陆坡区白云凹陷为断裂和断拗控制的复式宽地堑,下陆坡区荔湾凹陷是发育在陆坡向洋盆过渡区隆起上的局限坳陷,无明显控凹断裂发育。

南海北部;被动陆缘盆地;断陷期;结构样式;动力机制

华南陆缘和洋盆之间发育的一系列新生代沉积盆地是南海北部重要的油气聚集区。该区地形跨度较大,既有宽广平坦的大陆架,又有坡度陡峭的大陆坡,还发育有海山林立的深海洋盆,水深数十米至数千米,地质构造十分复杂,陆缘张裂形成了内陆—陆架—陆坡—洋盆沉积盆地(图1),不同构造位置的盆地结构和构造样式存在差异,进而影响了该区的石油地质条件。因此,从岩石圈深部结构来探讨构造样式差异的动力机制,对南海北部含油气盆地分析具有重要的理论指导意义。

图1 南海北部被动陆缘盆地构造单元划分图

构造样式是同一构造变形作用或同一应力作用下产生的构造形迹总和[1-2]。区域性盆地基底的构造样式控制着盆地的结构和沉积充填,进而影响沉积盆地的石油地质条件[3],而岩石圈深部结构是导致从陆向洋盆地结构和构造样式差异的动力机制[4]。南海北部陆缘珠江口盆地是复杂地形下不尽相同的构造样式和复杂构造的典型代表,是在陆缘裂解基础上形成,具有张裂盆地典型的下断上坳结构。由于跨越从陆架向陆坡的广泛海域,该盆地内各构造单元的发育样式差异较大,如南海北部陆架的珠一坳陷以典型地堑为主,陆架-陆坡过渡带的中央隆起为多米诺骨式箕状半地堑,上陆坡白云凹陷为断裂和断拗控制的复式宽地堑,下陆坡荔湾凹陷未见明显的控凹断裂。为了揭示这种不同构造位置凹陷结构和构造样式差别的动力机制,笔者以横跨盆地的高精度长电缆地震资料为基础,结合非常规地球物理方法进行了重力、磁力、地震的联合反演和对比分析,进而探讨了南海北部被动陆缘盆地不同位置断陷期凹陷结构样式存在明显差异的深部动力机制。

1 构造演化特征

南海北部被动陆缘盆地的形成与演化主要受印度板块与欧亚板块碰撞及太平洋板块对欧亚板块NWW向俯冲的影响[5-6],新生代主要经历了5次重要的构造运动[7-12],主要划分为裂陷—拗陷(热沉降)—块断升降等3个演化阶段(图2)。

图2 南海北部被动陆缘盆地新生代地层与构造演化

晚白垩纪至早渐新世的裂陷阶段,开始形成本区南北分带、东西分块的构造格局。裂陷期主要经历了神狐运动、珠琼运动一幕、珠琼运动二幕等3次构造运动。神狐运动使南海北部陆缘的前新生代褶皱基底发生张裂,形成了一系列NNE—NE向断陷,地震反射剖面上表现为区域不整合面Tg,相当于盆地的基底。珠琼运动一幕和珠琼运动二幕使盆地发生第2、第3次陆缘张裂,早期基底断裂继续活动,裂陷范围进一步扩大,沉降速率加快,珠江口盆地构造格局基本形成。

晚渐新世至中中新世的拗陷(热沉降)阶段,以大规模沉降和海侵为主。受印度板块与欧亚板块碰撞的影响,地幔物质向东南蠕散使上地幔发生隆升,岩石圈拉伸减薄,南海扩张开始,北部陆缘发生整体沉降,海水从南向北大规模入侵,盆地由裂陷、断拗向拗陷转化。受南海海盆SN向扩张影响,盆地内发育EW向断裂,沉降速率较快,发生大范围海侵。

中中新世至今的块断升降阶段,地震反射剖面上表现为区域不整合面T32,沉积充填为海相碎屑岩。东沙运动使盆地在沉降过程中发生块断升降,隆起剥蚀,并伴有挤压褶皱、断裂和频繁的岩浆活动。受菲律宾板块NWW向推挤,同时附加台湾地块与东海陆架碰撞拼贴,导致珠江口盆地发生块断升降,隆起区遭受剥蚀,原有断裂再次活动,产生了一系列NWW向张扭性断裂,坳陷及隆起全部沉没水中。东沙运动对盆地内部构造的形成、油气运移、聚集产生了重要影响。

2 地质-地球物理场特征

2.1 盆地结构和样式

被动陆缘伸展盆地的典型特征为下断上坳的双层结构,下构造层为断陷和断隆,上构造层为披盖式坳陷,断陷与坳陷之间为破裂不整合。南海北部陆缘地壳减薄方式和热体制使得盆地演化经历了多期裂陷过程。PR26和PR1530分别为穿越珠江口盆地北部断阶带、珠一坳陷、中央隆起带、珠二坳陷、南部隆起带、洋盆的2条典型地震剖面(图3),其地质结构单元对比情况见表1。陆架区珠一坳陷为典型地堑结构,主要由2条或2条以上倾向相背的正断层夹持断块构成,具有明显控洼断裂,且断裂具有继承性,控洼断裂向深部趋于收敛,沉降中心不受单一断裂控制,沉积物平行充填,厚度较大。中央隆起带番禺低隆起为多米诺骨式单断半地堑结构,断陷由一条或几条同向倾斜断裂控制,单个断陷为不对称“箕状”,沉积中心位于控洼断裂一侧,地层产状自下而上由陡倾变平缓。上陆坡区白云凹陷为典型的复式地堑结构,凹陷早期受两侧断裂控制,晚期表现为整体沉降,断裂相交趋势不明显,断裂断距小且不控制沉积,沉降中心位于凹陷中央,沉积充填为中间厚两翼薄。下陆坡荔湾凹陷无明显的边界断裂,受后期构造运动改造比较强烈,沉积不受断裂控制,受两侧高地形影响,沉积物向两翼减薄超覆。洋盆除下陆坡断裂外,盆地内几乎不发育断裂,是洋盆区接受沉积物最多的地方,多为凹陷期充填,其地震特性为中—强振幅、高连续、中—高频率,呈大套席状铺盖整个洋盆。

图3 南海北部跨陆架-陆坡-洋盆各构造单元的典型地震剖面(测线位置见图1)

表1 南海北部被动陆缘盆地地质结构单元对比表

2.2 重力场特征

南海北部被动陆缘盆地自由空间重力异常图是以该地区卫星重力(2′×2′)数据为基础,融合了珠江口盆地近年高精度实测重力数据编制而成(图4)。研究区自由空间重力异常具有明显的NE向区带构造特征,在凹陷和隆起区又具有明显的分块现象。陆架区珠一坳陷和珠三坳陷为宽缓的低值负重力异常区,呈NE走向,异常幅值为-10～-20 mGal,西宽东窄,局部由几个-20～-30 mGal重力低圈闭组成,其中珠一坳陷东北部重力异常幅值偏高,与下部可能存在中生界地层有关。陆架过渡区中央隆起带为高值重力异常区,异常幅值为0～20 mGal,在隆起单元具有明显的高重力圈闭,其中东沙隆起重力异常幅值高达30 mGal,与该区基底隆起有关。陆坡区以低值负重力异常为主,呈NEE走向,白云凹陷因充填了巨厚低密度沉积物,重力异常幅值低达-30 mGal。东部潮汕坳陷是正值重力异常区,异常幅值高达35 mGal,呈NE向,与沉积中生界地层有关。陆坡向洋盆转换带存在一条明显的重力异常低值带,异常幅值-40～0 m Gal,明显低于陆架和海盆重力异常,是被动大陆边缘特有的重力边缘效应(COB)。洋盆重力异常变化比较平缓,以低值正重力异常为主,异常幅值-10～25 mGal,局部夹与海山有关的重力异常圈闭。

2.3 磁力场特征

研究区位于中偏低纬度,受倾斜磁化影响严重,致使磁力异常与磁性地质体发生空间位置偏移,必须进行化极处理。采用了王万银[13]变磁化倾角化极数据,融合了近年高精度船磁资料,得到了较为真实反映地质情况的研究区化极磁力异常图(图5)。研究区磁力异常分区分带特征明显,异常主体呈NE向展布,其间被一些规模较小的NW向线性异常分割[13-14]。西部低值磁力异常区对应珠一坳陷西部与珠三坳陷,以负异常为主,异常幅值为-50～100 n T,呈NE向局部叠加正异常圈闭。高值磁力异常带对应中央隆起带,在云开低凸起被一统暗沙断裂带错开分段,异常幅值10～200 n T,呈NE走向,推测由中生代古太平洋俯冲有关的火山弧造成[15-16]。南部低缓磁力异常区对应白云凹陷和潮汕坳陷,磁异常变化比较平缓,以低值负异常为主,异常幅值-100～50 n T,呈NE向展布,与较深的沉积基底有关。洋盆条带状磁力异常区的磁异常变化极为剧烈,以正负相间的条带状分布为特征,总体呈NE—EW向,异常幅值-150～150 n T,是海底扩张的反映。

图4 南海北部被动陆缘盆地自由空间重力异常图

图5 南海北部被动陆缘盆地化极磁力异常图

3 地质-地球物理反演

3.1 模型建立

重磁异常属于体积勘探,是地下地质体的综合反映,因此,根据已有地震资料建立正确的地球物理反演模型是进行重力、磁力、地震联合反演的前提。根据研究需要,选取了2条不同构造方向的典型长剖面PR26和PR1530(图6),它们均穿越陆架—陆坡—洋盆,跨越珠江口盆地典型地质单元,区域构造演化存在差异,地层发育多变。PR26测线为2006年采集的NE—SW向穿越陆架至洋盆的重磁震联测剖面,总长413 km,是迄今为止珠江口盆地地震采集中单条测线最长、跨越构造单元最多的测线; PR1530测线是根据4次采集合并而成,呈NW—SE向,总长457 km,主要为长电缆采集,为深部研究提供了良好的基础资料。为提高反演的精度,结合区域地质资料和地震解释结果选取了海底、T32、T40、T60、T70、T80、Tg地震反射层并经简化后建立了模型,从上到下分为9层:海水层、海底—T32、T20—T40、T40—T60、T60—T70、T70—Tg、上地壳、下地壳、地幔。本次反演沉积盖层中不考虑横向物性变化,而深部构造的横向物性变化一般以边界大断裂为地质体界线。

图6 南海北部被动陆缘盆地典型剖面重磁震联合反演的综合解释

3.2 参数选取

岩石物性是联系地质与地球物理之间的纽带,是重磁震联合反演、综合解释的基础。本次研究参考了区域地质资料与测井岩石物性,根据地球物理反演模型建立了研究区物性参数表(表2)。磁力异常反演视新生代沉积层无磁性,磁力异常仅由磁性界面或火山岩体引起。

表2 南海北部被动陆缘盆地重磁震联合反演的岩石物性参数

3.3 反演方法

重磁反演方法决定反演结果的准确性。本次反演采用目前比较先进的剥离法,即在高精度地震资料的基础上逐层剥去已知沉积层的重力效应,根据剩余重力异常进行正反演计算[17]。根据研究区地震资料精细解释层位和建立的地球物理反演模型计算Tg以上沉积层产生的重力效应,从原始的重力异常中去除浅层影响,再进行滤波,得到反映深部莫霍面的重力异常,以此来进行莫霍面反演。对于白云凹陷南部长电缆地震反射可识别莫霍面的地区,以地震识别出的深度为准,同时结合前人的研究成果[7,18-19],根据得到的莫霍面深度为控制,进行基底岩性和地壳厚度的研究。磁性反演以Tg反射层作为磁性上界面,以莫霍面作为磁性下界面,磁力异常主要为具有磁性的火成岩造成。

3.4 综合解释

典型剖面的重磁震联合反演的综合解释结果(图6)表明,研究区自由空间重力异常变化幅度比较大,异常幅值总体上由北部陆架向洋盆逐渐降低:陆架区北部断阶带和珠一坳陷重力异常比较平缓,凹陷重力相对较低;中央隆起带番禺低隆起为重力高,异常幅度较大;珠二坳陷白云凹陷为重力低,凹陷充填了巨厚的低密度沉积物,异常幅度较低;南部隆起带为重力高,受隆起带残留凹陷影响,间或重力低;洋陆过渡带为重力值降低的坡度带,洋盆区重力值稍微偏高。研究区化极磁力异常分布特征为:北部断阶带、中央隆起带、南部隆起带均为高值异常;珠一、珠二坳陷均为低值区,与具有磁性的结晶基底埋深有关;洋盆区为比较宽缓的磁力异常。

珠江口盆地基底比较年轻,以中生界火成岩为主,花岗岩同位素年龄在70.5～130.0 Ma,属于华南陆缘海域的延伸[20]。反演结果表明,研究区基底岩性密度从陆架向洋盆逐渐增大,磁性逐渐增强,由中酸性陆壳性质向中基性洋壳性质过渡。具体表现为:北部断阶带、珠一坳陷基底以中酸性花岗岩为主,密度较低,磁性较弱;深大断裂带附近发育少量中基性火成岩,中央隆起带以中酸性、中基性混合岩为主,间夹少量玄武岩,密度增大,磁性较强,在磁力异常平面图上为高值磁力异常带;珠二坳陷基底较深,地壳厚度较薄;白云凹陷北侧以中酸性火成岩为主,南侧至南部隆起带逐渐过渡为中基性火成岩,密度变大,磁性较强;洋盆区以中基性和玄武岩为主,密度较大,磁性较强。

4 结构样式差异的动力机制分析

对张裂性质的珠江口盆地来说,韧性下地壳对结构样式的贡献要比脆性上地壳更大[21],上地壳以脆性共轭断层控制盆地断陷期,下地壳以韧性流动伸展减薄控制盆地幔源热效应[22],深部结构差异导致的地壳流变学特征是导致断陷期结构样式差别的主控因素。重磁震联合反演是解释深部岩石圈结构的主要手段,反演结果表明南海北部被动陆缘盆地莫霍面深度从陆向洋呈阶梯状递减(陆壳区莫霍面深度为31 km,中央过渡带莫霍面深度为22.5 km,陆坡区莫霍面深度为19 km,洋盆莫霍面深度为13 km),莫霍面与沉积基底呈镜像关系,相应的地壳厚度从陆向洋减薄;受地壳减薄和莫霍面上涌影响,盆地的断陷规模从西北向东南方向增大,反映了随着南海北部基底拉张地壳向洋一侧伸展拉薄的过程。

为研究地壳厚度减薄的程度,根据地壳厚度并利用公式β=t0/tc计算了研究区的伸展系数β(图7),其中t0为初始地壳厚度,根据区域资料取值30 km[23],tc为反演地壳厚度。计算结果表明,北部断阶带伸展系数为1.2,接近正常地壳,以相对冷的岩石圈脆性变形为主。陆架区珠一坳陷伸展系数为1.8,地壳开始伸展,莫霍面逐渐开始小幅度上涌,上下地壳厚度比较均衡,主要以上地壳脆性变形为主,发育了一系列受断层控制的地堑,主要由2条或2条以上倾向相背的正断层夹持断块构成[24-25]。陆架-陆坡过渡带番禺低隆起伸展系数为1.4,地壳厚度较厚,刚性较强,以脆性变形为主,受拉张应力伸展作用,发育了一系列多米诺骨式半地堑,由一条或几条同向倾斜断裂控制。陆架区及过渡带具有陆壳裂陷盆地典型的断陷-坳陷双层结构特征,断陷期形成了一系列单断半地堑和多断地堑型的凹陷,断层控制沉积,沉降中心与沉积中心一致,沉积了巨厚的湖相烃源岩,但该区域为正常地壳,热流值较低,烃源岩埋深须达到一定深度后才能成熟生烃。上陆坡区白云凹陷伸展系数达4.5,岩石圈强烈伸展减薄,导致地幔上涌,上地壳减薄,由脆性变形向韧性变形过渡,形成了独特的断陷—断坳—坳陷三层结构特征,从而使白云凹陷发育成为一个单侧断控明显的不对称大型复式宽地堑,断陷期早期受单侧断裂控制,断裂相交趋势不明显,然后出现韧性变形沉降,断裂控制作用减弱,晚期表现为断裂断距小且不控制沉积,沉降中心位于凹陷中央,沉积充填特征为中间厚两翼薄;巨厚的沉积和高热流为白云凹陷提供了有利的石油地质条件[26-28];下陆坡区荔湾凹陷伸展系数为3.0,虽然伸展不是很强烈,但地壳厚度较薄,以韧性变形为主,控洼断层不明显。洋盆区伸展系数为3.6,发育残留小洼,断陷特征不明显,沉积物时代较新,但较高的热流值使得凹陷具有一定的生烃潜力。由此可见,岩石圈深部流变学特征是造成南海北部被动陆缘盆地从陆向洋凹陷结构样式不同的动力机制,从而导致了在凹陷结构、沉积充填和石油地质条件等方面的差异。

图7 南海北部典型剖面PR26和PR1530的伸展系数

5 结论

1)南海北部被动陆缘盆地重磁异常沿陆架—陆坡—洋盆具有明显的区带特征,陆架区为低缓幅值重磁异常区,中央隆起带为高重磁异常区,上陆坡区为低重磁异常区,下陆坡区至洋盆存在被动陆缘重力边缘效应,洋盆为低缓重力异常、正负交互条带状磁异常区。

2)南海北部陆缘盆地为典型的被动大陆边缘伸展裂陷盆地,下断上坳是该类盆地最典型的构造标志。北部陆架区为典型的地堑结构,中央隆起带为多米诺骨式单断半地堑结构,上陆坡区白云凹陷为断裂和断拗控制的复式宽地堑,下陆坡区荔湾凹陷是发育在陆坡向洋盆过渡区隆起上的局限坳陷,无明显控凹断裂发育,洋盆内几乎不发育断裂。

3)南海北部大陆边缘岩石圈在拉伸构造背景下减薄和裂陷,重磁震联合反演表明地壳厚度由陆向洋呈阶梯状递减,脆性上地壳和韧性下地壳厚度从陆向洋存在差异。北部陆架区坳陷是在相对冷岩石圈环境发生脆性伸展裂解形成,以上地壳脆性伸展造成的垒堑和掀斜结构为主,控制着古近系断陷盆地形成和演化。南部坳陷是在相对热岩石圈环境发生脆韧性伸展裂解形成,以韧性下地壳伸展造成的断坳和坳陷为主,使白云凹陷发育成为一个大型的复式宽地堑。地壳厚度减薄、莫霍面上隆、热流升高等深部岩石圈流变学特征是导致南海北部被动陆架盆地断陷期深水区与浅水陆架区在凹陷结构、沉积充填和石油地质条件不同的动力机制。

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Structural style and dynamical mechanism during rifting in the passive-continental-margin basins,the northern South China Sea

Wu Xiangjie Pang Xiong He Min Shen Jun Yan Chengzhi
(Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518067)

Based on the long-cable seismic data with high accuracy across Pearl River Mouth basin in the north-south direction,an integrated inversion of gravity,magnetic,and seismic data and a comparative analysis were performed by combining with the non-conventional methods of geophysics,so as to discuss the deep dynamical mechanism for the significant difference in the structural style during rifting in various basins on the pssive continental margin in the northern South China Sea.The results have shown that the difference in structural style may mainly controlled by several rheological changes in the deep lithosphere,such as the crust thinning,the Moho upswelling and the heat flow increasing,during rifting in Paleogene Wenchang-Enping Formation, with the brittle deformation in the colder upper crust and the ductile stretching in the hoter lower crust resulting in rifted basins on the shelf and depressed basins on the slope respectively.Therefore,Zhu I depression is a typical graben controlled by faults on the shelf,the central uplift belt is a domino-like half graben,Baiyun sag is a complex and wide graben controlled by faults and sub-depressions on the upper slope,and Liwan sag on the lower slope is a limited sub-depression without obvious controlling-sag faults on an uplift in the transitional area from slope to ocean basin.

the northern South China Sea;passivecontinental-margin basin;rifting stage;structural stype;dynamical mechanism

2013-12-12改回日期:2014-01-15

(编辑:周雯雯)

*国家科技重大专项“南海北部深水区储层识别技术与评价(编号:2011ZX05025-003)”、国家自然科学基金重点项目“南海早期构造演化的沉积记录(编号:91128207)”、国家高技术研究发展计划(863计划)“南海北部天然气水合物钻探取样关键技术(编号:2013AA092600)”联合资助。

吴湘杰,女,工程师,2005年毕业于中科院南海海洋研究所,现从事珠江口盆地油气勘探方面的研究工作。地址:广东省深圳市南山区蛇口工业二路1号海洋石油大厦B座2015室(邮编:518067)。电话:0755-26691608。E-mail:wuxj@cnooc.com.cn。