底辟构造是指塑性岩层在外力作用下发生流动上拱所产生的构造, 又称“挤入构造”, 这类构造在中国中、新生代沉积盆地中广泛发育, 是一种重要的油气圈闭类型^[1]。根据组成底辟构造岩体的差异, 可将底辟构造分为盐底辟、泥底辟和岩浆底辟3类。Hooper^[2]认为在断层活动过程中流体可以沿断层快速向上涌流。这种涌流也可以看做是一种底辟活动, 特别是如果有塑性物质沿流体通道挤入, 同样能形成泥丘等底辟构造。因此, 可将流体底辟定义为沉积盆地中的孔隙流体依靠其自身的能量突破上覆岩层快速运移到浅层, 改变上覆岩层的原始结构, 从而产生一些特定的构造现象, 即流体底辟构造^[3]。流体底辟与压实过程中流体通过孔隙缓慢渗流不同之处在于它改变了上覆岩层的原始结构。流体底辟构造按照其发育的不同形式, 可分为泥—流体底辟、气烟囱、泥火山、流体泄漏通道和海底麻坑等类型。泥—流体底辟、气烟囱、泥火山以及海底麻坑分别代表了热流体和低密度岩石由塑性上拱—刺穿—塌陷等不同演化阶段和不同幅度的底辟作用结果。这些底辟现象反映了盆内流体的活动, 它们是了解盆内流体活动的重要窗口^[4-5]。

中国南海北部的沉积盆地发育有丰富的底辟构造。其中, 莺歌海盆地天然气勘探程度及泥底辟研究程度较高, 根据该区泥底辟发育演化与天然气运聚存在的成因联系, 应用泥底辟热流体上侵活动控制天然气运聚成藏的原理, 近20年来取得了天然气勘探的重大突破^[6]。与其相邻的琼东南盆地西段乐东—陵水凹陷通过近几年勘探目前已发现多个商业型气田, 乐东—陵水凹陷地震剖面显示有大量而且种类较多的流体底辟构造, 勘探实践证实底辟和断裂是该区油气运移的主要通道, 是促成该区油气聚集成藏的重要因素之一^[7-10]。本文基于三维地震资料对乐东—陵水凹陷底辟构造进行识别和划分, 结合地层压力的模拟结果探讨乐东—陵水凹陷底辟构造的成因及对油气成藏的意义。

琼东南盆地位于南海北部大陆边缘, 西靠莺歌海盆地的中建隆起, 东北为珠江口盆地的神孤隆起, 北邻海南隆起, 南与永乐隆起相接, 是一个新生代盆地。盆地构造演化受太平洋—菲律宾海板块、印度—欧亚板块、南海扩张、红河断裂和台湾周缘区域构造事件影响, 新生代经历了古近纪裂陷期、早—中中新世热沉降期和晚中新世以来的新构造期三大构造演化阶段^[11]。在古近纪裂陷阶段, 盆地依次沉积了始新统岭头组、下渐新统崖城组、上渐新统陵水组; 进入新近纪热沉降阶段, 沉积了下中新统三亚组、中中新统梅山组; 新构造运动阶段沉积了上中新统黄流组、上新统莺歌海组和第四系乐东组^[12]。盆地根据古近系展布特征, 划分为5个二级构造单元, 从北向南依次为:北部坳陷带、中部隆起带、中央坳陷带、南部隆起带和南部坳陷带, 组成“三坳夹两隆”的构造格局^[13-15]。盆地内部主要发育始新世湖相、渐新世海陆过渡相—滨浅海相和中新世半深海—深海相3套烃源岩^[16]。

乐东—陵水凹陷位于盆地中央坳陷带西部, 东以松南低凸起为界与松南—宝岛凹陷和长昌凹陷分开, 南以陵南低凸起为界与华光凹陷相隔, 北接崖南低凸起和陵水低凸起, 西接中建隆起(图 1), 整体水深超过300m, 是盆地规模最大的两个凹陷, 具有地层埋深大、厚度大、高温超压的特点^[17]。近几年, 乐东—陵水凹陷油气勘探陆续获得重要突破, 证实了乐东—陵水凹陷具有巨大资源潜力和良好勘探前景。

图 1

图 1 乐东—陵水凹陷位置图

乐东—陵水凹陷底辟构造较为发育, 主要为泥—流体底辟和气烟囱, 其中泥—流体底辟表现为泥底辟和流体底辟叠加作用的特点。泥—流体底辟与气烟囱在地震剖面上的重要区别就是前者由于强烈的底辟活动改变了地层及围岩的产状, 后者则由于气侵作用没有改变地层产状, 只是导致地震反射波发生畸变^[18]。乐东—陵水凹陷底辟构造根据输导泄压方式不同, 可划分为裂缝输导泄压型底辟和断裂输导泄压型底辟。

裂缝输导泄压型底辟平面分布极具规律性, 主要沿中央峡谷水道下方呈条带状分布, 平面上呈圆形、椭圆形等(图 2)。该类型底辟主要处于塑性上拱—弱刺穿阶段, 绝大部分均未刺穿到新近系, 由地层上拱形成的微裂隙和小断裂是其主要泄压路径, 这些微小垂直断裂或层间断裂可通过蚂蚁体裂缝检测技术进行识别(图 3)。剖面上, 该类型底辟上拱导致两翼地层下拉, 底辟根部反射连续性较差或呈杂乱反射, 底辟上部地层未被大规模破坏, 具有一定连续性(图 4)。

图 2

图 2 乐东—陵水凹陷底辟构造平面分布图

图 3

图 3 裂缝输导泄压型底辟的蚂蚁体裂缝检测技术识别

图 4

图 4 裂缝输导泄压型底辟(剖面位置见图 2) T40—梅山组顶界面; T60—陵水组顶界面

断裂输导泄压型底辟沿乐东—陵水凹陷南、北两侧断裂带分布(图 2), 平面上呈圆形、椭圆形等, 属于基底断裂控制型底辟, 其规模受控于断裂的规模, 近凹陷的底辟多未刺穿, 凸起上多刺穿。盆地多期构造活动形成的断裂是其主要泄压路径; 剖面上该类型底辟位于断裂带内或附近, 内部地震反射连续性变差或中断, 呈杂乱反射, 为振幅发生减弱或增强的异常反射, 部分两侧地层被下拉或上拱, 顶部地层被拱升变薄, 甚至发生刺穿(图 5)。

图 5

图 5 断裂输导泄压型底辟(剖面位置见图 2)

底辟构造的演化可分为塑性上拱、弱刺穿、强刺穿、塌陷4个阶段, 乐东—陵水凹陷底辟构造规模弱于莺歌海盆地, 主要处于前3个阶段。①塑性上拱阶段(埋深3000~8000m), 底辟呈低幅背斜形态, 主要受盆地深部异常温度、压力影响, 由深部厚层泥岩密度反转而导致塑性变形形成(图 4)。②弱刺穿阶段(埋深2000~5000m), 背斜核部为地层应力薄弱带, 是刺穿的有利部位, 背斜核部表现为明显的同相轴中断或下拉特征(图 4)。③强刺穿阶段(埋深300~3000m), 深部塑性物质持续上拱, 刺穿强度增大, 烃类、泥质等物质沿着通道运移至浅部地层, 形成刺穿型泥—流体底辟(图 5)。④塌陷阶段(埋深0~600m), 塑性物质上拱至刺穿海底, 温度升高, 热流体将上部地层溶蚀, 然后通过溢出通道逸散, 温度降低后地层塌陷, 并伴随有泥火山出现。断层和裂缝是底辟构造塑性变形各阶段的必然产物, 主要分布在龟背上拱构造、刺穿构造、气烟囱构造上方, 是底辟构造内流体向上分散溢出的通道。

乐东—陵水凹陷底辟构造形成主要取决于以下3个方面:一是泥岩层和流体为底辟形成提供了物质基础; 二是超压系统为底辟的形成提供了主要驱动力; 三是两类泄压模式控制了底辟的类型和分布。

琼东南盆地乐东—陵水凹陷具有高沉降沉积速率等区域沉积背景^[19], 沉积充填了较厚的新生代地层。古近纪裂陷期构造沉降速率较大(平均为105m/Ma左右), 凹陷主要接受近物源的碎屑物堆积, 主要充填崖城组和陵水组, 乐东凹陷古近系最厚达7500m, 其中崖城组与陵水组的最大厚度相当, 凹陷中心均在3800m左右。与之相邻的陵水凹陷古近系最厚达6500m, 崖城组沉积时由于受周围物源近源堆积的影响, 凹陷内部周缘出现多个次级沉积中心, 至陵水组沉积时沉降量增大, 沉积中心才迁移到凹陷中部。乐东—陵水凹陷呈宽缓不对称复式地堑, 边界断层对古近系控制作用不明显, 两大沉积中心分别位于乐东凹陷和陵水凹陷的中部。乐东凹陷与陵水凹陷是半连通状态, 凹陷之间有低凸起分隔。乐东—陵水凹陷崖城组是潮湿气候条件下海湾环境的断坳沉积, 整体以滨浅海相、(扇)三角洲相及海岸平原相沉积为主, 凹陷中央沉积了一套较厚的浅海相泥岩, 厚度大约在1000~3800m之间, 凹陷边缘发育滨海相、三角洲相、海岸平原相(图 6a); 陵水组沉积时期完全继承了崖城组半封闭的沉积格局, 但是海侵作用加强, 水体变深, 凹陷中心主要发育大套浅海相泥岩, 厚度大约在1000~3600m之间, 陵南低凸起较崖城组沉积期物源区面积变小且不再大范围连通, 古地形低洼地区发育滨海沉积, 海岸平原面积减小, 表现为“古群岛”状的沉积格局(图 6b)。深水区天然气主要源于崖城组、陵水组烃源岩。乐东—陵水凹陷发育两类烃源岩, 分别为海陆过渡相三角洲煤系烃源岩和陆源海相泥质烃源岩, 目前钻井揭示的崖城组煤系烃源岩主要为碳质泥岩, 数量少, 但有机质丰度较高; 大部分烃源岩都是崖城组和陵水组的海相泥岩, 烃源指标中等, 代表了陆源海相烃源岩, 两种类型烃源岩均处于高成熟—过成熟阶段。凹陷中部大规模的陆源海相泥质烃源岩易将有机质转化为烃类, 使地层内流体体积增大; 凹陷周缘凸起边缘发育的三角洲煤系烃源岩也提供了丰富的烃类气体。

图 6

图 6 乐东—陵水凹陷沉积相平面图

热沉降期, 即三亚组和梅山组沉积期, 区域构造背景趋于稳定, 构造沉降速率相比古近纪有所降低(平均70m/Ma左右), 整体处于欠补偿的半深海环境, 沉积较薄的海相地层。新构造期, 即黄流组及其以上地层沉积期, 构造沉降速率增加较快, 达到110m/Ma, 此时乐东凹陷发育巨厚地层(约5900m), 地层厚度远大于热沉降期。古近纪及中新世快速沉积充填的巨厚海相泥页岩及古近系烃源岩生成的烃类流体为底辟的形成奠定了物质基础。

乐东—陵水凹陷的底辟构造发育演化是区域构造应力场变化和超压系统形成演化的结果, 与盆地构造类型密切相关的不均衡压实作用和热作用引起盆地超压系统的发育。乐东—陵水凹陷裂陷期由北西—南东向伸展应力环境逐渐转为近南北向伸展应力环境, 晚渐新世—早中新世全盆地应力场逐渐衰退, 这种区域构造应力场变化导致古近纪晚期断裂活动减弱, 封堵性增强, 造成流体横向运移不利, 利于该区超压系统的形成。超压系统为底辟形成提供了主要驱动力。

乐东—陵水凹陷存在上、下两套超压系统, 下部超压系统分布在乐东—陵水凹陷中部, 在古近系中形成超压, 其压力系数为2~2.4(图 7)。下部超压系统压力系数较高, 为超压—强超压地层, 超压系统为流体的垂向运移提供动力, 深部流体寻找通道向低压区运移泄压, 易于底辟的发育和形成。下部超压系统属于复合型超压系统, 裂陷期快速沉降引起的不均衡压实是乐东—陵水凹陷下部超压系统形成的主要因素; 此外乐东—陵水凹陷沉积中心平均地温梯度较凹陷周缘凸起高, 平均地温梯度介于3.0~4.6℃/100m, 均值为3.6℃/100m, 较高的地温和地温梯度, 促使古近系有机质成熟, 裂解生烃, 高地温背景下的水热增压及生烃增压使压力升高, 超压进一步加剧^[18]。古近纪晚期断层活动性减弱, 封堵性增强, 造成的流体横向运移不利是下部超压系统形成的另一个次要因素。乐东—陵水凹陷超压顶面埋深基本大于3000m, 且由北向南(陆架到陆坡方向)逐渐变浅^[20], 乐东—陵水凹陷中部古近系均大于3000m, 在渐新世晚期, 乐东—陵水凹陷完成了裂陷期的快速沉降; 加之崖城组烃源岩在23.8Ma逐渐进入快速排烃阶段; 且渐新世晚期断裂活动开始减弱。因此, 下部超压系统于渐新世晚期逐渐形成, 并随着新近系的持续沉积, 下部超压系统的压力持续增加。

图 7

图 7 乐东—陵水凹陷压力系数预测剖面(剖面位置见图 1) T20—莺歌海组顶界面; T30—黄流组顶界面; T40—梅山组顶界面; T50—三亚组顶界面; T60—陵水组顶界面; T62—陵三段顶界面; T70—崖城组顶界面; T100—前新生界顶界面

上部超压系统分布在乐东凹陷西部, 于晚中新世—上新世沉积的地层中形成超压系统(黄流组—莺歌海组), 其压力系数为1.9~2.2;沉积物快速堆积引起的不均衡压实是上部超压系统形成的主要原因, 此外新构造运动以来浅层的断层活动性减弱, 封堵性增强, 造成的流体横向运移不利是上部超压形成的次要因素^[21]。下部超压系统为流体垂向运移提供驱动力, 也是该区底辟形成的主要原因; 上部超压系统阻碍了下部超压的垂向泄压, 不利于底辟的形成。因此, 分布上部超压系统的乐东凹陷西部区域底辟构造不甚发育, 而乐东凹陷东部区域至整个陵水凹陷, 上部压力系统表现为常压, 这些区域发育多种类型的底辟构造。综上所述, 下部超压系统为底辟构造的形成提供了主要驱动力, 也是该区底辟形成的主要因素。

超压盆地中, 垂向剩余压力差梯度远远高于侧向剩余压力差梯度, 泄压主要以垂向泄压为主, 根据泄压方式不同建立乐东—陵水凹陷两类泄压模式, 分别为裂缝输导泄压模式和断裂输导泄压模式(图 8), 这两类泄压模式控制了乐东—陵水凹陷泥—流体底辟的类型和分布。

图 8

图 8 乐东—陵水凹陷两类泄压模式图

流体泄压作用会造成宏观上压力系统分布格局重新调整以达到再平衡, 超压系统边缘或内部地层压力快速释放的部位称为泄压带, 常表现为超压系统附近的压力过渡带和常压带, 或者超压系统内部的相对低势区。泄压带是超压系统内部流体向外运移的通道, 也是超压系统的能量释放带^[22]。乐东—陵水凹陷存在两类泄压带, 一是沿中央峡谷水道分布的裂缝输导泄压带。水道下切面地层破碎变薄, 水道充填砂体孔隙度较大, 对下伏地层压实作用减弱, 在中央峡谷水道走向的下切面流体运移阻力较小, 造成突破压力小, 易形成裂缝输导泄压带, 该泄压带是流体底辟的有利发育部位之一。当构造活动或孔隙流体异常压力大于封隔层的破裂临界值时, 就产生丰富的小断层和微裂隙, 烃类及其他流体伴随泥质塑性流体等沿着小断层和微裂隙呈混相涌流上拱刺穿上覆地层形成泥—流体底辟^[23-24]。该泥—流体底辟为裂缝输导泄压型泥—流体底辟, 上覆地层的压实能力决定底辟的发育规模。分析研究认为中央峡谷水道和超压带的空间耦合是凹中底辟背斜带形成的主要因素。二是沿凹陷南北两侧断裂发育的断裂输导泄压带。断裂可以形成有效的泄压路径, 流体运移阻力小, 也是流体底辟的有利发育部位, 在地震剖面上断裂和流体底辟的边界难以界定, 两者表现为共生发育的特征。在断裂部位主要发育断裂输导泄压型底辟, 断裂的发育程度和性质决定底辟的发育规模, 一般超压凹陷周缘深大张性断裂容易形成规模较大的底辟构造。超压带与断裂输导泄压模式是浅层多数刺穿型底辟形成的主要因素。

两类泄压模式控制了乐东—陵水凹陷底辟的类型和分布, 断裂输导泄压型底辟的油气运移能力要强于裂缝输导泄压型底辟, 但断裂输导泄压型底辟易形成大规模破坏性底辟, 不利于油气的保存, 且与浅层储层垂向匹配效果不佳。而裂缝输导泄压型底辟在地层压力达到静岩压力的70%~90%时容易引起周期性的水力破裂和裂缝重新开启而泄压, 并不会大规模破坏油气保存条件。但乐东凹陷Y3-1井的强超压储层压力系数达到2.0左右, 且深部的天然气主要以水溶相形式赋存, 说明这些部位的封闭条件好, 上部超压系统的存在阻碍了下部超压系统的垂向泄压, 致使流体很难有效突破盖层, 不利于浅部油气成藏。远离上部超压系统的乐东凹陷西部L2-1气田和陵水凹陷L1-2气田群的规模成藏主要运移通道是裂缝输导泄压型泥—流体底辟。勘探实践表明垂向泄压越通畅, 油气充注越有利; 且裂缝输导泄压型底辟较断裂输导泄压型底辟对油气的保存条件破坏性小, 更易于油气的运聚成藏。

底辟活动形成的构造不仅是油气勘探的重点目标, 而且底辟构造及其发育演化形成丰富的断层和微裂隙是油气垂向运移的优势通道, 其深部的泥页岩本身就是很好的烃源岩, 同时高温超压为油气运聚提供驱动力^[25-27]。目前在乐东—陵水凹陷的底辟构造附近均获得了重大发现, 如乐东凹陷西部的L2-1气田和陵水凹陷的L1-2气田群, 均在泥—流体底辟上方的中央峡谷水道内发现了油气流。中央峡谷的气源主要来自深部的崖城组烃源岩, 前人研究表明, 输导深部的天然气进入中央峡谷的运移通道主要为底辟和微裂隙^[28-30]。峡谷下方发育的底辟构造呈现大量的地震同相轴下拉和亮点特征, 这种特征一般是油气充注结果的响应, 证实该区天然气沿底辟构造进行垂向输导运聚成藏, 构成了古近系油气运移到新近系成藏动力系统(图 9)。然而, 底辟与中央峡谷砂体匹配关系的研究表明, 泥—流体底辟主要与中央峡谷乐东—陵水凹陷莺歌海组—黄流组的砂体匹配效果较好。因此, 底辟作为天然气的运移通道主要是控制中央峡谷乐东—陵水段的天然气成藏。

图 9

图 9 中央峡谷天然气成藏模式图 T27—莺二段顶界面

此外, 底辟作用还可以形成多种类型的构造圈闭, 其中乐东凹陷早渐新世—中中新世的凹中底辟背斜带上发育多个由底辟作用形成的背斜构造, 这些背斜构造主要发育于三亚组及以下层位, 且与莺歌海组—黄流组中央峡谷水道内的岩性目标垂向叠置, 可作为兼探目的层系(图 10)。目前深水区商业发现L1-2等中央峡谷气田群均为莺歌海组—黄流组岩性、构造—岩性复合油藏。此外, 中浅层的梅山组、三亚组和陵水组发育多个岩性圈闭, 通过断裂、底辟的沟通, 下伏烃源岩生成的油气可以运移至这些中浅层岩性圈闭内聚集成藏(图 10), 这些岩性圈闭在该区也是潜在的勘探新领域。

图 10

图 10 底辟成因的背斜油气成藏模式与中浅层岩性油气成藏模式

(1) 琼东南盆地乐东—陵水凹陷主要发育泥—流体底辟构造和气烟囱, 根据泄压方式不同, 可以划分为裂缝输导泄压型底辟和断裂输导泄压型底辟。裂缝输导泄压型底辟主要沿中央峡谷水道下方呈带状分布, 下超压带和中央峡谷水道的空间耦合是该底辟带形成的主要因素。断裂输导泄压型底辟主要沿乐东—陵水凹陷南、北两侧断裂带分布, 下超压带和基底断层活动导致塑性岩层和流体集中流动上拱是该类型底辟形成的主要因素。

(2) 乐东—陵水凹陷的底辟构造发育演化是区域构造应力场变化和超压系统形成演化的结果。古近纪快速沉积充填的巨厚泥岩层和高温高压背景下生成的流体为底辟形成提供了丰富的物质基础; 超压系统为底辟的形成提供了主要驱动力; 断裂输导泄压模式和裂缝输导泄压模式控制了该地区底辟的类型和分布。

(3) 乐东—陵水凹陷勘探实践表明, 底辟构造是油气垂向运移的主要通道, 底辟作用形成的相关构造圈闭和岩性圈闭是该地区值得关注的有利勘探目标。