莺歌海大型走滑盆地构造变形特征及其地质意义
莺歌海大型走滑盆地构造变形特征及其地质意义
范彩伟
中海石油(中国)有限公司湛江分公司,广东湛江 524057

作者简介:范彩伟(1973-),男,浙江金华人,硕士,中海石油(中国)有限公司湛江分公司高级工程师,主要从事南海北部油气地质勘探研究。地址:广东省湛江市坡头区中海石油(中国)有限公司湛江分公司研究院,邮政编码:524057。E-mail: fancw@cnooc.com.cn

摘要

在系统整理大地构造资料的基础上,研究莺歌海盆地隐蔽式走滑构造变形及其与沉积、超压、油气运移之间的关系。研究发现:①左行走滑伸展派生的局部张性破裂主要发育在距今10.5 Ma之前,这些破裂在东斜坡大型鼻状凸起大量分布,并在晚期流体超压作用下幕式活化,成为盆地斜坡地区油气垂向运移的主导通道;②右行走滑伸展有利于沉积速率增大和区域欠压实盖层形成,其派生局部张性破裂作用是底辟发育的诱发动力,而底辟发育又进一步放大局部张性破裂发育规模;③左行走滑作用在距今10.5 Ma开始减弱,产生北部挤压、南部旋转伸展(北挤南伸)的构造运动,造成盆地北部河内凹陷地层抬升剥蚀、南部莺歌海凹陷碎屑岩供应量激增,最终导致莺歌海凹陷在东、西非对称斜坡地貌上分别形成迁移式斜坡水道化海底扇和叠置式海底扇。图11表1参32

关键词: 莺歌海盆地; 走滑盆地; 隐蔽式走滑构造变形; 张性破裂; 底辟构造; 非对称斜坡
中图分类号:TE122.1 文献标志码:A 文章编号:1000-0747(2018)02-0190-10
Tectonic deformation features and petroleum geological significance in Yinggehai large strike-slip basin, South China Sea
FAN Caiwei
CNOOC China Ltd., Zhanjiang, Zhanjiang 524057, China
Abstract

The subtle strike-slip tectonic deformation and its relationship to deposition, overpressure and hydrocarbon migration were studied on the basis of systematic sorting of tectonic data. (1) The local T (tension) fractures derived from sinistral strike-slip process were formed before 10.5 Ma, large in number in the nose structure of the eastern slope, and reactivated episodically under the effect of fluid overpressure in the late stage, they served as dominant vertical hydrocarbon migration paths in the slope area of basin. (2) The dextral strike-slip extension was conducive to the increase of depositional rate and formation of regional under-compacted seal, and induced generation of local T fractures which triggered the development of diapirs; in turn, the development of diapirs made T fractures grow in size further. (3) The sinistral strike-slip process weakened after 10.5 Ma, causing tectonic movement characterized by compression in the north and rotational extension in the south, and the uplift and erosion of strata in Hanoi sag and a surge in clastics supply for south Yinggehai sag. Finally, migrating slope channelized submarine fans and superimposed basin floor fans were developed respectively on the asymmetrical east and west slopes of the Yinggehai sag.

Keyword: Yinggehai Basin; strike-slip basin; subtle strike-slip structural deformation; T fracture; diapir structure; asymmetrical slope
0 引言

莺歌海盆地是全球3大海域高温高压含油气盆地之一。不同于墨西哥湾和北海盆地, 莺歌海盆地还是一个大型走滑-伸展盆地。这类具有高温高压地质特性的走滑盆地在全球范围内较为罕见。有关莺歌海盆地的研究主要集中在成盆机制、沉积充填、超压-底辟成因及地球化学特征等方面, 关于盆地走滑构造与沉积、成藏之间相互作用的研究较少, 原因在于盆地大范围发育巨厚的新近系导致主位移带走滑断裂不能被准确识别, 而其他隐蔽的破裂等构造变形识别需要高分辨率三维地震资料。中国海洋石油集团公司近年在盆地中方权益区实施大面积连片三维地震覆盖, 并与越南石油公司共享一些区域地层、构造研究资料, 为盆地构造变形特征研究提供了新证据。

有关莺歌海盆地的构造研究主要集中在成因机制和形成时间方面, Tapponnier等[1, 2, 3, 4]提出的基于红河断裂带走滑伸展作用的构造成因模式被普遍接受; 茹克[5]认为从距今40 Ma开始, 受北西西— 南东东及北西— 南东方向的左行张剪应力控制形成走滑盆地; 孙家振等[6]认为盆地经历了始新世— 早中新世北西— 南东向的斜向右行剪切伸展和晚中新世— 第四纪右行走滑作用; 龚再升等[7, 8]研究认为莺歌海盆地是右行走滑以及岩石圈伸展双重控制的转换伸展盆地; Leloup等[9]认为盆地在上新世以前为左行走滑运动, 上新世— 现今为右行走滑运动, 盆地北部河内凹陷及周缘地区在中新世晚期发生2次北东— 南西方向构造挤压反转运动。越来越多的研究新成果[10, 11, 12, 13, 14]支持Leloup等的走滑伸展成盆机制。除走滑作用以外, 也有像丁中一等[15]少数学者提出是“ 中国东部裂陷式” 的成因机制。

关于走滑作用开始时间的确定, 前人主要通过盆地外红河断裂北段哀牢山、大象山的强烈剪切变质岩及花岗岩脉中的锆石、石榴石、独居石等矿物的铀-铅(U-Pb)测年来进行鉴定, 红河断裂大规模左行走滑作用开始时间在距今31~36 Ma[16]40Ar/39Ar定年结果显示红河断裂于距今35 Ma开始活动[17], 这与印支和欧亚板块进入陆-陆接触的硬碰撞阶段时间一致[18]。另外, 同位素年代研究认为红河断裂左行走滑运动开始时间为距今42 Ma, 甚至距今58 Ma就开始了裂谷伸展, 其中较为普遍的认识是距今35~40 Ma期间[1, 2, 3, 4, 9, 17, 18, 19, 20]。有关右行走滑的研究, Allen等[18]根据第四纪地貌研究及近代地震震源机制的解释, 提出红河断裂带表现为右行走滑运动。关于走滑活动的时间, Leloup等[19]认为右行走滑运动可能开始于距今5 Ma左右, 右行滑移量约20~50 km, 滑移速率为(7± 3)mm/a; 磷灰石裂变径迹测年Laslet退火模式热历史反演计算出距今5.5 Ma和2.1 Ma附近有过2次明显的断层右行剪切错动[20]

本文通过分析深埋型走滑断裂上覆沉积盖层隐蔽式构造变形及其与沉积、超压、底辟、油气运移之间的关系, 来研究此类盆地特殊的油气富集规律并预测潜在的勘探有利区。

1 区域地质背景

莺歌海盆地属于印澳-欧亚板块碰撞所产生的“ 挤出-逃逸” 构造区[20], 盆地走向为北西— 南东向, 平面呈长宽比约3.5∶ 1.0的菱形结构, 沉积面积约8× 104 km2, 发育河内凹陷和莺歌海凹陷2个次级负向构造单元, 北部河内凹陷在中新世中晚期存在大型挤压构造运动, 发育北西— 南东走向长条形背斜构造; 南部莺歌海凹陷主要为持续沉降运动, 新近系最大地层沉积厚度超过17 km。钻井揭示盆地自下而上发育古近系下渐新统崖城组、上渐新统陵水组及新近系下中新统三亚组、中中新统梅山组、上中新统黄流组、上新统莺歌海组和第四系(见图1)。渐新统只有在盆地北部和南部边缘地区有钻井揭示。莺歌海凹陷中央地区最深钻井只揭示梅山组顶部, 烃源岩主要来自中新统半封闭浅海泥岩[21]。河内凹陷钻井和陆地露头揭示下渐新统和中新统均发育海陆过渡沉积环境含煤砂泥岩地层, 发育区域烃源岩。盆地大范围发育高温、高压地层, 最高钻遇压力系数接近2.3, 大部分地区地温梯度超过4 ℃/100 m。盆地油气资源以天然气为主, 含少量凝析油。河内凹陷气藏主要集中在梅山组, 储集层岩性以粉砂— 细砂岩为主, 气藏埋深2 000~3 000 m, 气藏压力系数1.0~1.3。莺歌海凹陷中央地区底辟背斜发育, 2010年以前发现的气藏主要分布在莺歌海组— 乐东组, 储集层岩性以粉砂岩— 泥质粉砂岩为主, 气藏埋深300~1 600 m, 气藏压力系数1.0~1.2; 2010年及其以后发现的气藏主要分布在黄流组, 部分分布在梅山组、三亚组, 储集层岩性以细砂— 粉砂岩为主, 气藏埋深2 800~3 600 m, 气藏压力系数1.8~2.3。

图1 莺歌海盆地地层特征及研究区位置图

2 走滑构造变形特征

依据基底和盖层关系将走滑断裂分为显露式和隐蔽式。埋藏相对较浅的河内凹陷地震剖面显示主位移带走滑断裂属于显露式[22], 呈大角度直立特征, 走向线性稳定, 泸江断裂、斋河断裂、红河断裂、齐江断裂呈北西— 南东走向线性排列, 向南延伸至临高地区, 走向转为近南北向, 并向莺歌海凹陷深埋扎入。莺歌海凹陷走滑主位移带断裂难以通过地震反射特征进行识别, 属于隐蔽式。依据Allen等[23]的盆地走滑构造分析理论, 深部单条线性走滑断裂向浅部地层演变为树枝状里德尔剪切破裂、同向剪切破裂、局部张性破裂[24]。莺歌海凹陷破裂形变主要表现为局部张性破裂, 这与巨厚的新近系沉积地层缓冲来自于深部基岩的剪切形变有关。

2.1 左行走滑压缩变形特征

盆地斜坡东部地区发育3个宽缓的鼻状褶皱凸起[25], 由南向北依次为乐东鼻状凸起、岭头鼻状凸起和海口鼻状凸起。海口和乐东这2个鼻状凸起均在中新统发现了储集层较致密的岩性气藏。海口鼻状凸起钻遇三亚组气藏, 埋深3 600 m, 岩性以滨海— 浅海相细砂岩为主, 压力系数1.3。乐东鼻状凸起钻遇中新统三亚组、梅山组、黄流组多个气藏, 埋深4 000 m, 岩性为浊积成因的极细— 中砂岩, 压力系数1.6~2.3。

莺歌海凹陷在新近纪处于张剪应力场环境, 但在主干基底断层沿北西— 南东向左行走滑应力场作用下, 派生出与张力方向垂直的近东西向挤压应力, 挤压应力越大, 褶皱变形越大, 构造变形长轴与主位移带夹角越小。宽缓的鼻状凸起仅发育在中新统及其下伏地层, 反映其与距今10.5 Ma以来的构造应力场无关, 这些鼻状凸起呈近南北向雁列式分布伸入凹陷。

2.2 左行走滑张性破裂特征

由于缺少三维地震资料, 关于深部地层张性破裂特征的研究极少。本文通过新采集的三维地震资料的切片识别出一号断裂以西的斜坡地区是左行走滑张性破裂发育的主要区域, 而斜坡鼻状凸起是破裂发育的密集区。三维地震剖面显示, 在中新统及其下伏地层发育大量断距不明显、近东西向密集分布的小断层或裂隙, 平面延伸距离很短, 为左行走滑断裂派生南北向张应力造成的局部张性破裂, 这些密集分布的微断层发育在梅山组及其下伏地层(见图2), 反映左行走滑作用在距今10.5 Ma基本停止。

图2 工区A中新统局部张性破裂2 750 ms地震相干属性切片(a)及地震剖面(b)(工区位置见图1)

2.3 右行走滑张性破裂特征

右行走滑作用是莺歌海盆地垂向底辟构造形成与发育的主控因素, 尽管有不少学者认为深部超压流体活动是造成底辟构造垂向发育的主控因素, 但是单一的热流体模式难以解释以下2个现象:①莺歌海凹陷存在6排雁列式排列的底辟构造(见图3), 单一热流体垂向活动不会形成这种有规律的排列; ②除乐东15-1底辟构造以外, 大部分底辟构造核部断层均沿南北走向分布。底辟构造均以南北向呈线性展布, 与右行走滑作用派生的东西向张性应力场一致, 为局部张性破裂。对比左行走滑局部张性破裂断层, 右行走滑局部张性破裂断层规模明显增大, 并与底辟活动相伴生。造成这一现象的原因主要与晚期加速形成的地层超压和底辟活动有关, 局部张性破裂激发底辟活动, 底辟构造发育放大局部张性破裂程度, 不同的底辟构造发育阶段和深部超压强度差异导致局部张性破裂表现不同, 大多数底辟构造呈南北向展布。莺歌海凹陷底辟构造分为4个演化阶段:穿刺期、平衡期、释放期和塌陷期。穿刺期以乐东15-1底辟构造为代表, 是目前发现演化最早的底辟构造类型, 这类底辟构造深部能量最强, 超压面埋藏最浅, 平面断层轴向呈放射状, 底辟核部地层呈上拱特征, 剖面上的负花状断裂形态尚未形成, 深部地层倾角较陡(见图4)。平衡期以东方1-1底辟构造为代表, 平面断层展布主要呈条带状, 延伸距离与底辟构造范围一致, 相对于穿刺期地层开始向深部回收, 地层倾角较平缓, 剖面上断裂呈向核部阶梯下陷(见图5)。释放期地层孔隙流体超压强度开始下降, 地层开始小规模塌陷, 以乐东8-1底辟构造为代表, 地层整体呈背斜形态, 断裂平面延伸距离较长, 核部地层塌陷明显, 塌陷区断裂成环形, 早期的线状断层被破坏而不能识别, 剖面上断裂呈向核部阶梯下陷特征明显(见图6)。塌陷期底辟构造已经消失, 深部流体或能量充分释放, 地层呈巨大的向斜或洼陷形态, 早期张性破裂断层完全被破坏。

图3 莺歌海凹陷底辟构造分布图

图4 工区B乐东15-1底辟构造1 300 ms地震方差体时间切片(a)及三维地震剖面(b)(工区位置见图1)

图5 工区C东方1-1底辟构造1 200 ms地震方差体时间切片(a)及三维地震剖面(b)(工区位置见图1)

2.4“ 北挤南伸” 构造格局及成因

盆地在中新世中晚期呈“ 北部挤压南部伸展” 构造格局(简称“ 北挤南伸” )(见图7a)。河内凹陷存在2期构造挤压, 梅山组顶部和黄流组顶部分别与上覆地层呈角度不整合接触(见图7b), 反映首次构造挤压作用发生在距今10.5 Ma左右(T40反射界面), 构造挤压结束在距今5.5 Ma左右(T30反射界面), 断层受挤压作用发生逆冲, 形成正花状构造, 平面上为多个呈线性排列的长条形褶皱背斜, 盆地横向宽度有明显的挤压缩短现象。莺歌海凹陷表现为持续的沉降作用(见图7c), 盆地横向宽度是河内凹陷的3~4倍。“ 北挤南伸” 构造格局的成因可能有2个:①印度板块与欧亚板块在中新世中晚期发生硬碰撞, 印支地块挤出运动进入弱化期, 整个地块运动表现为顺时针旋转作用, 河内凹陷位于地块北部旋转挤压区, 莺歌海凹陷位于地块南部旋转伸展区; ②北部和南部分处于走滑断裂的受阻挤压弯曲段和释放伸展段, 走滑断层存在海豚效应[23]。新的研究发现旋转伸展模式比海豚效应更能解释凹陷存在的2种构造变形特征:①斜坡鼻状凸起变形和早期局部张性破裂终止于距今10.5 Ma左右, 反映这一时期走滑运动基本停止; ②沉降中心向西、向南迁移, 与北部对比, 构造轴线走向顺时针旋转近30° , 反映南部伸展量大于北部, 西部控边断裂活动强度大于东部, 这与扇形旋转伸展构造作用相一致, 而走滑运动不能体现这种变形迁移规律。

图6 工区D乐东8-1底辟构造1 200 ms地震方差体时间切片(a)及三维地震剖面(b)(工区位置见图1)

图7 “ 北挤南伸” 平面构造模式及剖面特征

3 地质意义

莺歌海凹陷整体是一个持续沉降、大范围沉积巨厚泥岩的盆地, 凹陷中央底辟构造发育, 有利于深部天然气垂向运移。底辟构造、断裂不发育的斜坡地区, 天然气运移和富集机制是勘探人员关注的焦点问题。近年来的勘探研究表明, 对比一般裂谷盆地或断裂显露式走滑盆地, 莺歌海凹陷的构造应变特征具有隐蔽性, 但其沉积、成藏同样受地层构造应变规律控制, 同时凹陷异常高温、高压特征使其具有独特的成藏规律。

3.1 张性破裂与油气运移、保存关系

莺歌海盆地张性破裂与油气运移关系研究早期主要集中在与右行走滑伸展作用相关的底辟构造作用方面, 底辟构造幕式、快速、动态成藏理论[26]已广为研究人员接受, 底辟构造气体同位素反映天然气运聚时间晚于距今5.5 Ma, 佐证底辟构造发育与右行走滑时间是匹配的。本文研究认为, 底辟张性破裂形变强度超过一个门槛值, 将会不利于气藏保存。采用深度域地震剖面测量层序边界线长度的变化来计算二维应变值[25], 统计底辟构造不同层段或部位的二维形变率[27]与储集层含气关系(见表1), 显示当底辟背斜二维形变率接近1%时, 盖层有破裂的风险。这种方法可简单有效地预测区域盖层的封闭能力。

表1 底辟二维形变率与盖层封闭性关系

局部张性破裂断层主要发育在距今10.5 Ma以前, 正常静水压力条件下断裂处于封闭状态, 后期地层孔隙流体超压逐渐增加, 当孔隙流体压力大于断层内破裂压力阈值[27], 封闭的断层重新张裂, 起到垂向输导天然气功能, 乐东鼻状凸起区中新统天然气同位素分析认为天然气运聚时间在距今2.0 Ma之来, 反映流体超压对早期局部张性破裂断层活化具有启动和推动作用。

3.2“ 北挤南伸” 旋转作用与盆地中央储集层沉积关系

“ 北挤南伸” 旋转构造对盆地中央砂岩储集体的沉积规模和沉积样式具有控制性影响, 主要体现在源-汇体系改变和沉降中心迁移这2个方面。

3.2.1 源-汇体系改变

北部未挤压抬升时期, 盆地最大的水系红河携带碎屑在河内凹陷沉积。在构造挤压作用下, 河内凹陷地层隆起, 呈北西向长条形褶皱, 地层抬升遭受剥蚀, 红河(包括马江)改道注入莺歌海凹陷西北部沉积(见图8), 造成莺歌海凹陷陆源碎屑供应量激增[28], 大规模水系富集汇聚形成大型三角洲沉积。沉积物加载过量造成三角洲前端地层不稳定, 在深部隐伏断层幕式活动诱发下, 前端地层发生滑塌并搬运到盆地中央形成重力流海底扇复合体沉积。

图8 莺歌海盆地中新世末古沉积环境图

3.2.2 东、西部沉降及沉积差异

北部挤压作用改变了盆地源-汇体系。南部旋转伸展作用导致沉降中心西迁, 盆地东、西部地形不对称发育, 东部为较宽缓的斜坡地形, 西部为较窄陡的斜坡地形, 地形差异加上东、西部陆源碎屑供应量的差异, 最终导致东、西部海底扇沉积规模和沉积样式存在很大差异。

①海底扇沉积规模差异。在莺歌海凹陷西北部东方区通过地震识别出中中新统和上中新统2个面积超过2 000 km2的海底扇复合体, 复合体平均厚度超过200 m, 迄今为止, 上中新统海底扇储集层中天然气探明储量超过1 000× 108 m3, 更深的中中新统海底扇未有探井钻遇; 莺歌海凹陷东部斜坡区乐东10区在中新统识别出多个水道化海底扇, 砂体面积30~50 km2, 平均厚度小于100 m。

②海底扇沉积样式差异。西北部东方区为叠置式海底扇(见图9), 平面呈大型丘状圆形扇体, 纵向下切老地层特征不明显, 但复合体内部切割充填明显, 岩性以细砂— 粉砂岩为主, 垂向自下而上分3期沉积[29]:下部为地震反射结构呈杂乱特征的泥石流沉积; 中部为地震反射结构呈较平行强振幅特征的浊积沉积; 上部泥质充填下切水道发育, 为地震反射结构呈弱振幅特征的低密度浊流沉积。东部乐东10区为迁移式斜坡水道化海底扇类型(见图10), 平面呈拉长的扇形特征, 纵向切割老地层明显, 呈弧形凹槽状, 砂体与泥岩互层沉积, 砂岩以细砂为主, 部分为中砂岩。

图9 过东方区中新统海底扇地震沉积解释剖面图(剖面位置见图8)

③海底扇展布方向差异。与西部海底扇不同, 乐东10区水道化海底扇长轴方向与坡折走向平行, 原因有2个:东部斜坡缓而长, 重力流在斜坡搬运过程中易侵蚀下伏地层并沉积; 走滑断裂深部平行滑动, 在上覆地层形成线性薄弱区, 稀疏分布及没有明显断距使其难以在地震资料上识别, 易形成与走滑断裂平行的沟、洼地貌, 并在其上沉积发育轴向展布的海底扇复合体。

图10 过乐东10区中新统海底扇地震沉积解释剖面图(剖面位置见图8)

3.2.3 走滑-超压-运移的耦合作用

与左行走滑时期对比, 右行走滑时期地层沉降速率显著增加。中新世地层平均沉降速率约为150 m/Ma, 而上新世地层沉降速率约为300 m/Ma。产生这种差异的原因是, 虽然右行走滑位移量不及左行走滑, 但对长条形盆地而言, 在相等伸展位移量下, 短轴方向的面积伸展率会大大高于长轴方向, 导致在右行走滑期间盆地沉降速率增加, 深水沉积环境扩大, 大范围的厚层黏土质沉积物发育形成欠压实地层。欠压实地层具有喉道密闭性和一定的可塑性这2个岩石物理属性, 使得地层不易在形变过程中产生破裂, 形成稳定的区域封闭盖层。在其封盖作用下, 下伏深部地层在水热增压和生烃作用下孔隙压力不断积聚[30, 31, 32], 最终形成下部以水热和生烃作用为主、上部以欠压实作用为主的双层超压结构(见图11)。

图11 乐东区不同类型超压地层压力系数剖面图(剖面位置见图1)

不同成因双层超压结构对天然气运移及富集影响巨大, 造成盆地天然气成藏的独特性:一方面, 下部超压地层可以产生岩层破裂或通过活化早期断层产生运移通道, 有利于深部天然气运移到中新统上部地层充注成藏; 另一方面, 在底辟作用不发育地区, 右行走滑派生的伸展作用难以“ 撕破” 上新统欠压实超压盖层, 难以形成有效的垂向运移通道, 导致上新统岩性圈闭难以成藏。

4 结论

莺歌海盆地构造与成藏的关系是, 构造形变控制地层破裂和沉积、沉积控制地层超压发育, 超压又通过放大或活化地层破裂来影响天然气垂向运移通道。

莺歌海盆地左行走滑派生东、西向挤压形成盆地东斜坡大型鼻状凸起, 为油气富集的有利新区; 左行走滑派生的南、北向伸展是斜坡局部张性破裂成因, 这些破裂在晚期超压作用下复活成为斜坡区天然气主要的垂向运移通道。

晚期右行走滑派生的东西向伸展局部张性破裂诱发底辟构造发育, 而底辟活动放大和加剧地层破裂程度并提高通道效率。右行走滑导致盆地主要沿短轴方向高效伸展, 直接导致盆地沉积速率提速而形成塑性、欠压实的上部超压地层并使以生烃、水热成因为主的下部超压地层加速发育。上部超压层是稳定的区域盖层, 有利于下部超压地层封闭成藏, 同时也造成远离底辟的上部超压地层中圈闭缺乏油气运移通道。

中新世中晚期“ 北挤南伸” 构造作用改变了盆地的源-汇体系, 使河内凹陷地层抬升剥蚀、莺歌海凹陷陆源碎屑供应量激增, 并导致莺歌海凹陷形成东、西不对称地形和海底扇沉积样式差异。

The authors have declared that no competing interests exist.

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