地质科学  2016, Vol. 51 Issue (2): 494-509   PDF    
珠一坳陷新生代断裂体系特征及其转型机制

胡阳1, 吴智平1, 钟志洪2, 张江涛3, 于伟高1, 王光增1, 刘一鸣1, 谢飞1    
1. 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院 山东青岛 266580;
2. 中海石油(中国)有限公司 深圳分公司 广州 510240;
3. 中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300450
基金项目: 中海石油(中国)有限公司重大科技攻关项目"珠一坳陷浅层油气富集规律研究"(编号: YXKY-2012-SZ-01)和中央高校基本科研业务费专项资金(编号: 13CX06015A)资助
胡阳, 男, 1986年9月生, 博士研究生, 构造地质学专业. E-mail: huyangsq052@163.com
2015-08-25 收稿, 2016-01-28 改回.
摘要: 运用丰富的三维地震资料, 在断裂体系静态刻画与动态分析的基础上, 分析珠一坳陷新生代断裂发育的时空差异性, 并就断裂转型机制进行探讨.结果表明: 断裂体系发育差异性及转型受控于不同区域动力学背景及岩石圈的差异伸展机制.裂陷期(E2w-E2e), 控盆断裂由始新世的北北东、北东—北东东向向近东西、北西西向转变, 岩石圈伸展作用由宽裂谷方式向窄裂谷方式转变以及由陆(北)向海(南)的迁移, 造成了断裂活动北强南弱及其向北扩展, 推测是因为印支地块的旋转挤出和古南海的俯冲导致区域应力场由北西向顺时针转变为近南北向拉张, 进而产生了断裂的幕式特征变化; 裂后拗陷期(E3z—N1z-N1h), 断裂活动微弱, 推测与岩石圈伸展中心逐渐向南迁移至南海扩张中心, 南海北部陆缘整体处于裂后沉降阶段有关; 构造活化期(N1y-N2w—Q), 先期北西西向、近东西向控盆断裂复活, 近东西、北东和北西向走滑断裂形成, 推测与弧—陆碰撞作用产生的北东东向右旋走滑作用有关.现今断裂体系特征体现了多期构造运动的叠加效应, 明确断裂发育的时空差异性对于珠一坳陷油气勘探具有重要指导意义.
关键词: 断裂发育特征    转型机制    新生代    珠一坳陷    

中图分类号: P542    doi: 10.12017/dzkx.2016.012

珠江口盆地位于南海北部的陆架至陆坡上,是在中生代褶皱基底上形成的被动大陆边缘裂陷盆地(陈长民等,2003)。受北东向和北西向基底断裂的分割(王家林等,2002),盆地呈现南北分带、 东西分块的构造格局,由北向南可划分为北部断阶带、 北部坳陷带、 中央隆起带、 南部坳陷带和南部隆起带5个构造单元(图 1),珠一坳陷属于北部坳陷带的一个次级构造单元,自南西向北东包括恩平凹陷、 西江凹陷、 惠州凹陷、 陆丰凹陷和韩江凹陷(陈长民等,2003)。已有的研究成果表明,珠一坳陷经历了包含文昌组—恩平组(E2w-E2e)的裂陷期、 珠海组—珠江组—韩江组(E3z—N1z-N1h)的裂后拗陷期和粤海组—万山组—第四系(N1y-N2w—Q)构造活化期3个演化阶段,形成了下断上拗、 先陆后海的构造—沉积响应特征(崔莎莎等,2009陈雪芳等,2012于水明等,2012钟志洪等,2014解习农等,2015),各阶段断裂体系的发育特征存在明显差异,体现了多方向、 多性质和多期次的叠加复合效应。

图 1 珠一坳陷区域构造位置及主干断裂展布 Fig. 1 The regional structural location and main faults of Zhu-1 depression

作为一个已证实的富生烃坳陷,珠一坳陷已发现的油气藏多为下生上储型的“它源型”油气藏,其中源岩以下-中始新统(E2w)深湖相及上始新统—下渐新统(E2e)暗色泥岩为主,储层是以中新统(N1z和N1h)三角洲—滨岸砂体为主(朱俊章等,2015)。上述生储关系表明断裂作为油气垂向运移的通道,是沟通源岩和储层的重要桥梁。可见,断裂体系的发育不仅决定了盆地构造格局的演化,也是油气藏形成与分布的重要控制因素(于水明等,2012彭光荣等,2013)。前人的研究主要集中在断裂对油气运移及分布控制作用方面(施和生,2013),而对珠一坳陷新生代断裂体系差异演化则涉及较少,因此本文利用研究区丰富的三维地震资料,在断裂体系发育特征的静态刻画和动态分析的基础上,明确断裂体系发育特征的时空差异性及转型过程,并从被动大陆边缘演化及岩石圈伸展角度对断裂转型机制进行探讨,旨在为该地区油气勘探实践提供指导。

1 现今断裂体系发育特征

珠江口盆地新生代构造演化经历了珠琼运动一幕、 珠琼运动二幕、 南海运动、 东沙运动等多期构造运动(李平鲁,1993),作为其内部的一个次级构造单元,珠一坳陷断裂体系的发育特征体现了多期次、 多方向、 多性质的叠加复合(图 1),不同方向断裂切割的地层层系、 断裂性质存在明显差异,不同层系的断裂展布也存在差异。

研究中主要运用了二维、 三维地震资料、 测井等资料,其中地震剖面和VSP资料主要来源于中海石油(中国)有限公司深圳分公司,反射地震剖面的道间距为12.5 m。

1.1 主干断裂发育特征

珠一坳陷断裂体系由北东东向、 北东—北东东向、 近东西向和北西西向等不同走向的断裂(或断裂带)组成。

北东东向断裂: 多发育于研究区西南部的恩平凹陷和西江凹陷,包括F1、 F2等断裂。平面上延伸距离约为50 km,规模较大(图 1); 剖面上多表现为低角度板式正断层,向下切穿了新生界基底,向上切至恩平组,未切珠海组及新近系,是研究区早期裂陷期的主要控盆断裂,控制了凹陷的形成与演化(图 2a图 2b)。

图 2 珠一坳陷主干断裂剖面特征(测线位置见 图 1) Fig. 2 Profile characteristics of main faults in Zhu-1 depression

北东—北东东向断裂: 该方向断裂在珠一坳陷发育相对较弱,主要发育于西江凹陷,包括F4、 F5等断裂,平面上延伸距离约为45 km,规模较大(图 1); 剖面上,多表现为高角度铲式正断层,切割地层层系多,向下切穿了新生界基底,向上可至万山组底面(图 2b),是控制坳陷的主干断裂。

近东西向断裂: 该方向断裂数量较多,发育的规模较大,多为坳陷的主干断裂,多由F6、 F7、 F8、 F16、 F9—F10—F11和F12—F13—F14—F15等断裂(或断裂带)组成。其中组成惠州凹陷南、 北边界断裂带的F9—F10—F11和F12—F13—F14—F15,平面上多表现为弧形左阶雁列式排列(图 1); 剖面上切割地层层系多,下至新生界基底,上可至万山组底面,多为高角度的铲式正断层(图 2c图 2d),具有右旋走滑特征。此外,发育于恩平凹陷内部的F6、 F7断裂及惠州凹陷内部F8、 F16 断裂,剖面上切割地层层系多,下至新生界基底,上可至万山组底面,多为高角度的铲式正断层(图 2a)。

北西西向断裂: 包括F19、 F20、 F21等断裂(图 1),多为主干断裂,对凹陷起到一定的分割作用。平面上断裂相对平直,多平行排列,延伸距离约为25 km; 剖面上切割地层层系多,表现为下缓上陡的铲式正断层,与其他次级断层可形成“Y”字形组合样式(图 3a)。

图 3 珠一坳陷走滑断裂剖面特征(测线位置见 图 1) Fig. 3 Profile characteristics of strike-slip faults in Zhu-1 depression

除了上述主干断裂外,还发育北东向、 近东西向和北西向次级走滑断裂带。如发育于西江凹陷中部低凸起上的F3断裂带表现为由一系列的近东西向的小断裂沿北东向侧接雁列组成(图 1),剖面上表现为多级“Y”字形或负花状组合(图 3a),地层切割深度较浅,多切穿珠海组及以上地层,且断层两盘厚度近于相等,属于后期发育的右旋走滑断裂带; 在东沙隆起上发育近东西向F17、 F18、 F23 断裂带,平面上表现为左阶侧列或雁列的特点,明显具有右旋走滑的性质,剖面上倾角较大,以北倾为主,多呈“Y”字形或负花状组合(图 3b图 3c)。此外,东沙隆起上还发育一组北西向断裂带F22,表现为多条北西西向次级小断裂沿北西向右阶侧接成带(图 1),剖面上表现为多级Y”字形(图 3d),具有左旋走滑特征。

对比现今不同层系断裂的展布特征可知: 下部裂陷层系(文昌组和恩平组)以近东西向、 北东—北东东向及北北东向控盆断裂为主,同时凹陷内发育大量近东西向、 北西西向次级断裂(图 4a),不同地区主控断裂展布存在明显的差异,西南部恩平凹陷和西江凹陷主要以北北东向、 北东—北东东向控盆断裂为主,东北部惠州凹陷则以近东西向断裂为主控断裂(图 4a); 拗陷层系(珠海组—珠江组—韩江组—粤海组—万山组—第四系)北东—北东东向、 北北东向断裂不发育,近东西向和北西西向断裂成为主控断裂,雁列、 帚状构造样式发育(图 4b),整体表现走滑特征。

图 4 珠一坳陷现今各界面(深、 浅层系)断裂展布特征 Fig. 4 Present fault distribution features of all interfaces(deep and shallow layer series)of Zhu-1 depression
1.2 断裂类型区划

综合各断裂的平面、 剖面特征,可将研究区的断裂体系划分为拉张断裂、 拉张—走滑断裂和走滑断裂3类不同性质的断裂。

拉张断裂带的主断层表现为铲式正断层,下降盘发育与主断裂近于平行的次级断裂,剖面上形成翘倾断块和堑垒组合(图 5a图 5b),研究区发育的F1、 F2等北北东向断裂,F4、 F5等北东—北东东向断裂,F6、 F7、 F8、 F16等近东西向断裂及F19、 F20、 F21等北西西向断裂均表现拉张断裂性质。

图 5 珠一坳陷的断裂类型区划与形态模式 a. 拉张断裂; b. 拉张断裂; c. 走滑断裂; d. 拉张—走滑断裂; e. 拉张—走滑断裂; f. 拉张—走滑断裂 Fig. 5 Faults types and modes of Zhu-1 depression

典型的走滑断裂在珠一坳陷整体发育较弱,最为典型的是北东向的F3断裂带及近东西向F18和F23 断裂带,平面上没有形成主破裂面,多由一系列次级小断层左阶雁行排列而成,剖面上表现为Y字型组合(图 5c),属弱走滑断裂。

拉张—走滑断裂是在走滑基础上叠加拉张作用的结果,通常表现为由几条断裂沿主走滑方向侧接(或侧列)而成,主断裂多为高角度铲式正断层,下降盘发育的次级断层,多与主断裂呈羽状相交,在剖面上多表现为多级“Y”字型组合或列式组合(图 5d图 5e图 5f),如惠州凹陷南、 北边界断裂带,F9—F10—F11、 F12—F13—F14—F15 以及近东西向断裂带F17和北西向F22 断裂带。

总体而言: 珠一坳陷下部层系断裂以拉张性质为主,兼有拉张—走滑特征,上部层系断裂走滑作用明显增强。

2 断裂体系动态演化

上述现今断裂体系发育特征并非一次构造运动的结果,体现的是多期构造运动的叠加效应,因此通过断裂活动性的分析,从现今复杂的叠合效应中离析出各构造阶段的活动断裂是明确整个断裂体系形成和演化过程的关键。

2.1 断裂活动性分析

关于断裂活动性的定量表征方法前人已经有了系统的阐述(赵密福等,2000吴智平等,2004),本文采用断层活动速率法对研究区20余条主干断裂的垂向活动强度进行了定量计算(图 6)。

图 6 珠一坳陷主干断裂的不同时期活动速率 Fig. 6 The activity ratios of the main faults through the stages in the Zhu-1 depression

对比各方向断裂的活动强度变化可以发现以下特点:

北北东向断裂在文昌期活动强度最大,如F1、 F2断裂,其活动速率可达250 m/Ma以上,而后活动强度迅速回落,进入珠海期以后彻底消亡(图 6a)。

北东—北东东向断裂整体活动持续时间长,在文昌期活动强度较大,如F4、 F5断裂,其活动速率可达200 m/Ma左右,而后活动强度迅速回落,珠海期—韩江期活动性最弱,粤海期以后活动强度又明显增强,可达25 m/Ma左右(图 6b)。

北西西向断裂整体活动持续时间长,如F19、 F20、 F21 断裂,文昌期活动强度较弱,活动速率为30 m/Ma,恩平期活动速率达到峰值,为200 m/Ma,珠海期以后活动强度迅速回落,仅约为20 m/Ma,至粤海期活动强度又明显增强,可达50 m/Ma左右(图 6c)。

近东西向断裂,文昌—恩平期活动断裂数量较多,文昌期活动强度为120 m/Ma,至恩平期活动速率迅速增加至200 m/Ma左右,珠海期—韩江期仅约为10 m/Ma,粤海期以后活动强度明显增强,可达40 m/Ma左右(图 6e)。

此外,浅部次级断裂早期整体不发育,如F3、 F17、 F18、 F22、 F23等,自粤海组沉积时期以来开始发育,但垂向活动性较弱,约为30 m/Ma(图 6d),具有晚期活动特征。

整体而言,断裂体系垂向活动强度的变化具有明显的阶段性,文昌期—恩平期断层活动速率最大,平均可达100 m/Ma以上; 珠海期—珠江期—韩江期活动强度最小,各断裂活动速率小于20 m/Ma; 至粤海期以后,垂向活动强度又有所回升,平均可达30 m/Ma以上,这一特征吻合于区域构造所经历的早期裂陷—裂后拗陷—构造活化的幕式演化过程(崔莎莎等,2009)。

2.2 断裂体系演化过程

依据上述断裂活动性研究的结果,本文将珠一坳陷新生代断裂体系发育分为裂陷早期(E2w)、 裂陷晚期(E2e)、 裂后拗陷期(E3z—N1z-N1h)和构造活化期(N1y-N2w—Q)4个期次。

裂陷早期(E2w): 以北北东、 北东—北东东向为主要控盆断裂,同时发育近东西和北西西向断裂(图 7a),就断裂活动强度而言,北北东向断裂活动强度最大(约为250 m/Ma)、 北东—北东东向断裂活动强度次之(约为200 m/Ma),近东西向断裂较弱(约为80 m/Ma),北西西向断裂活动性最弱(约为50 m/Ma)(图 8)。就不同地区而言,控盆断裂的发育特征具有明显差异性。

图 7 裂陷期主要活动断裂展布 Fig. 7 The distribution of the main faults in the Zhu-1 depression

图 8 裂陷期不同方向断裂活动速率 Fig. 8 The activity ratios of different distributed faults in rifting stage

西南部恩平凹陷和西江凹陷,主要发育北北东、 北东—北东东向控盆断裂,活动强度大,如F1、 F2、 F4、 F5断裂,其断裂活动速率可达到200 m/Ma以上,控制了凹陷的形成,同时发育近东西向和北西西向调节断裂,活动强度较弱,如F6、 F19、 F20 断裂,其平均活动速率在150 m/Ma以下; 而研究区东部惠州凹陷以近东西向控盆断裂为主,与恩平凹陷和西江凹陷相比,断裂活动强度相对较弱,如F8、 F16、 F9—F10—F11和F12—F13—F14—F15 断裂,其活动速率仅为100 m/Ma左右。

裂陷晚期(E2e): 研究区断裂发育面貌与前期发生了重大的变化。研究区同沉积断裂整体由北东—北东东向顺时针转变为近东西—北西西向(图 7); 就断裂活动强度而言,先期活动强度较大的北北东向、 北东—北东东向控盆断裂活动性趋于减弱,近东西向和北西西向断裂活动强度明显增强(图 8),成为主要控盆断裂。由于先期主要控盆断裂的差异,导致了不同地区断裂转型过程的不同。

恩平凹陷: 早期北北东向主控断裂活动性明显减弱,如F1断裂,东北段已基本消亡,西南段继承性发育(图 7b),但活动速率降低至100 m/Ma以下,近东西向断裂活动性明显增强,如F6断裂,活动速率达到220 m/Ma左右,成为主控断裂; 除了文昌组沉积期发育的断裂继承性活动之外,在北部隆起带上新生了大量近东西向断裂(图 7b),如F7断裂,活动速率达200 m/Ma左右。

西江凹陷: 断裂多继承性发育,但是早期北北东、 北东—北东东向主控断裂活动强度趋于减弱,如F2、 F4、 F5断裂,断裂活动速率分别降至20 m/Ma、 80 m/Ma、 150 m/Ma,其中北部边界断裂(F5)较南部边界断裂(F2和F4)活动强度大(图 6a图 6b); 北西西向断裂活动性明显增强,如F19 断裂,活动速率达到60 m/Ma; 此外,在北部隆起带上新生一系列近东西向断裂,以及在番禺4洼发育北西西向断裂(如F20 断裂)(图 7b)。

惠州凹陷: 主要控盆断裂方向没有发生明显转变,但是断裂活动强度发生明显的交替变化。如惠州凹陷西部,南北边界断裂活动速率发生明显交替变化,盆地形态呈现反向楔形叠置(图 2c),如早期活动强度较大的南部边界F8、 F9活动速率降低至100 m/Ma,而北部边界断裂活动速率明显增强,如F12、 F13、 F21 活动速率达200 m/Ma(图 5e); 此外,在北部隆起带上新生了大量近东西向断裂(图 7b)。

综上所述: 文昌—恩平组沉积时期断裂体系发生明显转型,主要表现为以下几个方面: 1)控盆断裂由北东—北东东向近东西—北西西向转变(图 7a); 2)除了文昌期断裂继承性发育之外,在北部隆起上新生大量近东西向断裂(图 7b),断裂明显向北扩展,断裂活动强度整体北强南弱,沉积中心向北迁移(图 2a图 2b图 2c)。

裂后拗陷期(E3z—N1z-N1h): 北北东向、 北东—北东东向断裂趋于消亡,仅有少量北西西向和近东西向断裂继承性发育(图 9a),但活动强度明显减弱(图 6),体现了拗陷发育阶段的特点。

图 9 裂后拗陷期及构造活化期主要活动断裂展布 Fig. 9 The distribution of the main faults from post-rifting stage to tectonic activating stage

构造活化期(N1y-N2w—Q): 先期发育的北西西向和近东西向控盆断裂开始复活,同时新生大量近东西向、 北东、 北西向断裂,且整个断裂体系明显具有走滑特征(图 9b)。如近东西向、 北东向断裂表现为左阶右行雁列排列(如近东西向F17、 F18、 F23 断裂和北东向F3断裂),北西向断裂则表现为右阶左行雁列或侧接的特点(如F22 断裂)(图 9b); 此外,先期仅在F2断裂西侧凹陷内发育的北西西向和近东西向正断层开始跨越F2断裂的分割,延伸至东侧的东沙隆起上(图 9b)。

总结上述各构造阶段断裂发育特征,可将珠一坳陷新生代断裂体系划分为早期消亡型、 继承型和晚期新生型3类。

F1、 F2等北北东向主干断裂属早期消亡型断裂,其仅在裂陷期活动,表现为张性低角度板式(或铲式)正断层,仅切割下部地层,控制凹陷的形成,同时也控制了文昌组、 恩平组两套烃源岩层系的发育,至珠海组沉积期之后基本消亡。

北东—北东东向、 北西西向及近东西向主干断裂属于继承型断裂,其活动持续时间长,在裂陷期开始活动,表现为张性断层(或张扭性),之后断裂活动强度逐渐减弱,至粤海期断裂活动强度明显增强,在早期断裂的基础上继承性发育。这类断层切割地层层系多,在油气成藏过程中,往往起到沟通下部源岩和上部储层的作用,成为油源断层。

在东沙隆起上和凹陷内低凸起上发育的近东西向、 北东向及北西向断裂多为晚期新生型断裂,其在粤海期开始大量发育,其平面上以雁列、 侧列和帚状组合为主,剖面表现为“Y”字形或负花状组合,体现了走滑特征。

3 新生代断裂体系转型机制探讨

上述研究结果表明,珠一坳陷的断裂发育经历了3次重要的转型阶段,即裂陷期(E2w-E2e)控盆断裂的转变,裂后拗陷期(E3z—N1z-N1h)断裂逐渐减弱、 消亡,构造活化期(N1y-N2w—Q)控盆断裂复活及走滑断裂的产生。各阶段断裂体系发育演化及转型过程受控于不同的区域构造背景及岩石圈差异伸展机制(Morley et al., 2004童亨茂等,2009詹润等,2012朱光等,2013周维维等,2014)。

3.1 裂陷期(E2w-E2e): 控盆断裂的转变

裂陷早期(E2w): 珠江口盆地裂陷前处于中生代活动大陆边缘构造体系,自华南陆缘至古俯冲带发育了火山弧带及宽阔的弧前区。珠江口盆地北部裂谷带位于火山弧区,发育加厚地壳、 减薄地幔,而南部裂谷带处于宽阔的弧前区,具有正常地壳、 地幔岩石圈结构(钟志洪等,2014)。在加厚的地壳—正常地壳条件下,岩石圈强度弱,岩石圈伸展主要表现为宽裂谷的伸展方式(Buck,1991),发育一系列弥散式分布的半地堑盆地系(图 10a)。就北部裂谷带中的珠一坳陷而言,早中始新世裂陷幕形成的文昌组断陷,控盆断裂主要以北北东、 北东—北东东向断裂为主,断裂活动强度较强,以半地堑为主的盆地结构,同时发育近东西向、 北西西向共轭断裂体系,但活动强度相对较弱,反映了北西—南东向的拉张作用。此外,由于惠州凹陷受先存北西向北卫滩基底断裂走滑作用影响,表现为斜向拉伸,形成了多条近东西向和北西西向断裂围限的菱形盆地结构,边界控盆断裂平面上多呈雁列式展布,具有明显的张扭性质。

图 10 裂陷期断裂转型的区域动力背景及岩石圈伸展模式(据Hall,2012钟志洪等,2014修改) Fig. 10 Regional dynamic background and lithosphere extensional pattern of fault transformation in rifting stage(modified after Hall,2012Zhong et al., 2014)

在早中始新世,印度板块的高速俯冲的背景下,太平洋板块俯冲速率降低和俯冲带后撤(Engebretson et al., 1985庞雄等,2007包汉勇等,2013),导致中国东部包括珠江口盆地在内的南海北部陆缘由挤压环境转变为北西—南东向拉张环境(图 10a),发生区域性裂陷作用(钟志洪等,2014)。珠一坳陷早中始新世断裂的发育特征整体吻合于北西—南东向拉张的区域应力场特征,据此推测早中始新世的伸展作用是在太平洋俯冲后撤作用下发生。

裂陷晚期(E2e): 晚始新世—早渐新世裂陷幕形成的恩平组的断陷,以近东西向和北西西向控盆断裂为主,而先期北北东向、 北东—北东东向控盆断裂活动强度趋于减弱,同时新生大量近东西向断裂,反映了近南北向的拉张作用。

从现今珠江口盆地的地壳厚度分布来看,地壳厚度呈现由陆向海逐渐减薄特征,北部裂谷带的地壳厚度为22~28 km,南部裂谷带的地壳厚度为14~22 km(庞雄等,2007)。可见,经过早中始新世(E2w)岩石圈伸展作用的调整,珠江口盆地经历了加厚型地壳—正常地壳—减薄型地壳演化过程,岩石圈地幔加厚,岩石圈强度增加,岩石圈伸展方式由宽裂谷向窄裂谷转变(钟志洪等,2014)。其中珠江口盆地南部裂谷带(靠近洋壳)岩石圈减薄相对较快,岩石圈颈缩明显,裂陷作用较集中,岩石圈伸展变形逐渐向海(南)迁移(图 10b),如南部坳陷带的白云凹陷拉张因子最大可以达到4(张云帆等,2007),强烈的拉伸导致白云凹陷的地幔上涌较高,现今莫霍面埋深仅为18~24 km。而位于北部坳陷带的珠一坳陷处于正常的大陆岩石圈环境,继承了早期挠曲悬臂梁伸展模式,其中珠一坳陷北缘断裂带作为拉伸作用的北部边界,为先存薄弱带,应力较集中,造成了北缘控盆断裂继承性发育且活动强烈。同时断裂作用向北扩张,在北部隆起上新生大量近东西向控盆断裂,而南缘控盆断裂活动强度明显减弱。

在晚始新世—早渐新世,东侧太平洋板块北西西向俯冲及俯冲速率增大背景下(Engebretson et al., 1985Maruyama and Send, 1986),印度板块以北东向与欧亚板块发生陆—陆“硬碰撞”作用,造成印支地块旋转挤出(Tapponnier et al., 1990Morley,2002孙珍等,2006),进而驱动古南海向南俯冲于婆罗洲地块之下,其板后拖曳力导致包括珠江口盆地在内的南海北部地区受到近南北向伸展作用(图 10b张亮,2012)。该时期研究区断裂的发育特征整体吻合于近南北向拉张的区域应力场,据此推测晚始新世—早渐新世的伸展作用是在印支地块旋转挤出和古南海俯冲背景下发生。

综合上述分析,珠一坳陷两幕裂陷作用受控于不同的区域动力背景,其中印支地块旋转挤出和古南海俯冲,导致区域应力场由北西向顺时针转变为近南北向拉张,进而导致了断裂的幕式特征变化。

3.2 裂后拗陷期(E3z—N1z-N1h): 断裂逐渐减弱、 消亡

北北东、 北东—北东东向断裂逐渐消亡,仅有少数近东西、 北西西向断裂继承性活动,断裂整体活动强度相对较弱,整体处于构造宁静期。该时期,古南海自北向南加速向加里曼丹—苏禄地区俯冲直至消亡,新南海开始扩张形成,南沙块体向南漂移(Hall,2012)。岩石圈伸展中心逐渐向南迁移至南海扩张中心,南海北部陆缘整体处于裂后沉降阶段,导致了研究区断裂活动的整体衰弱。

3.3 构造活化期(N1y-N2w—Q): 控盆断裂复活及走滑断裂的产生

进入晚中新世(N1y)以来,研究区主要表现为先存北西西向、 近东西向控盆断裂复活,断裂活动强度迅速回升,同时在西江中低凸起和东沙隆起上新生了一系列走滑断裂带,整体表现为近东西向、 北东向断裂具有左阶右行,以及北西向断裂具有右阶左行走滑特点。就构造活化期断裂体系发育特征而言,研究区北东、 近东西向断裂多为右旋走滑(P、 R剪切),平面上呈雁列或帚状组合,北西向断裂多为左旋走滑(R反向剪切),北西西向断裂则为拉张性质(T破裂),这整体吻合于北东东向右旋走滑的应变特征。

该时期南海已停止扩张,菲律宾海板块运动方向由北西向转变为北西西向,同时其前锋的吕宋岛弧与欧亚板块发生弧—陆碰撞(赵淑娟等,2012范建柯,2013耿威等,2013)。受到来自东部菲律宾海板块北西西向挤压及弧—陆碰撞联合作用下,造成了北东东向展布的珠江口盆地由北西、 北西西向挤压转变为北东东向剪切环境(图 11)(Lüdmann and Wong, 1999)。据此认为,晚期构造活化期断裂的发育可能与弧—陆碰撞作用产生北东东向右旋走滑作用有关。

图 11 构造活化期的区域动力背景(据范建柯,2013修改) 右行走滑应变椭球体中: PDZ. 主位移带,P. 次级同向断层, R. 同向走滑断层,R′. 反向走滑断层,T. 正断层 Fig. 11 Regional dynamic background of tectonic activating period(modified after Fan,2013)
4 结论与启示

(1)珠一坳陷新生代断裂体系发育特征具有时空差异性。裂陷早期(E2w),以北北东、 北东—北东东、 近东西向控盆断裂为主; 裂陷晚期(E2e),北北东、 北东—北东东向断裂活动强度明显减弱,而近东西和北西西向断裂活动性强度明显增强,成为主控断裂,断裂向北扩展,活动强度整体北强南弱; 裂后拗陷期(E3z—N1z-N1h),北北东向、 北东—北东东向断裂趋于消亡,仅有少量北西西向和近东西向断裂继承性活动,但活动强度微弱; 构造活化期(N1y-N2w—Q),先期北西西向、 近东西向控盆断裂复活及新生近东西向、 北西向和北东向走滑断裂带。

(2)断裂体系差异性发育及转型受控于不同的区域动力背景及岩石圈伸展机制。裂陷期(E2w-E2e),印支半岛旋转挤出及古南海向南俯冲的背景下,区域应力场由北西向顺时针转变为近南北向,导致了北北东向、 北东—北东东向控盆断裂向近东西向、 北西西向控盆断裂转变,岩石圈伸展模式由宽裂谷转变窄裂谷并且伸展作用由陆(北)向海(南)迁移,导致了断裂活动北强南弱及其向北扩展; 裂后拗陷期(E3z—N1z-N1h),岩石圈伸展中心继续向南迁移至南海的扩张中心,南海北部地区处于裂后沉降阶段,断裂活动微弱; 构造活化期(N1y-N2w—Q),弧—陆碰撞所产生的北东东向右旋走滑作用,导致了先存断裂的活化及走滑断裂的形成。

(3)珠一坳陷具有“下生上储”的油气成藏特征,断裂垂向输导决定了油气藏的分布。继承型的近东西向和北西西向断裂其切割地层层系多,能够有效沟通源岩与储层,且晚期构造活化期与源岩的生排烃时期匹配关系良好,具备了成为油源断裂的条件,因此,北西西向、 近东西向断裂在油气垂向输导和侧向分流中所起的作用应成为该地区油气勘探研究的重点。

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Cenozoic characteristics and transformation mechanism of fault system in Zhu-1 depression, South China

Hu Yang1, Wu Zhiping1, Zhong Zhihong2, Zhang Jiangtao3, Yu Weigao1, Wang Guangzeng1, Liu Yiming1, Xie Fei1    
1. School of Earth Sciences and Technology, China University of Petroleum(East China), Qingdao, Shandong 266580;
2. Shenzhen Branch of CNOOC, Guangzhou 510240;
3. Tianjin Branch of CNOOC, Tianjin 300450
Abstract: Based on static characterization and dynamic analysis of the Cenozoic fault system characteristics in Zhu-1 depression, this paper analyzed spatio-temporal difference of fault system by using abundant 3D seismic data, and then discussed its transformation mechanism. The results showed that the difference and transformation of fault system were controlled by different regional dynamic backgrounds and lithospheric difference extension mechanisms. During rift stage(E2w-E2e), the strikes of basin-controlling faults changed from NNE and NE-NEE-trending to EW and NWW-trending. And lithospheric extension changed from wide rift system to narrow rift system and migrated from land(north)to ocean(south)as well, which resulted in the northward migration of faulting and faults in the south was less active than that in the north. It might attribute to the rotating extrusion of Indochina block and subduction of proto-South China Sea, which led to the clockwise rotation of regional tensional stress from NW-trending to NS-trending and the episodic evolution of the faults. While during depression stage(E3z—N1z-N1h), the activity of fault was weak, it might because the extensional center of lithosphere had migrated southward to spreading center of the South China Sea and the northern margin of the South China Sea was in the stage of post-rift subsidence. Then in tectonic activation stage(N1y-N2w—Q), NWW and subparallel EW pre-existing faults reactivated and the strike slip faults formed, which might be due to the NEE-trending dextral strike slipping resulted from arc-continent collision. Therefore, the characteristics of current fault system reflects the superimposed effect of multistage tectonism, and the identification of temporal and spatial differences of faults could be used as an important guideline for the oil and gas exploration in Zhu-1 depression.
Key words: Fault development characteristics    Transformation mechanism    Cenozoic    Zhu-1 depression