油气勘探

珠江口盆地深水区陆缘地壳细颈化带构造变形及其油气地质意义

  • 彭光荣 , 1, 2 ,
  • 蔡国富 , 1, 2 ,
  • 李洪博 1, 2 ,
  • 张丽丽 1, 2 ,
  • 向绪洪 1, 2 ,
  • 郑金云 1, 2 ,
  • 柳保军 1, 2
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  • 1 中海石油(中国)有限公司深圳分公司,广东深圳 518054
  • 2 中海石油深海开发有限公司,广东深圳 518054
蔡国富(1989-),男,江西赣州人,硕士,中海石油(中国)有限公司深圳分公司高级工程师,主要从事油气地质研究。地址:广东省深圳市南山区后海滨路3168号中海油大厦A座,中海石油(中国)有限公司深圳分公司,邮政编码:518054。E-mail:

彭光荣(1978-),男,重庆梁平人,硕士,中海石油(中国)有限公司深圳分公司高级工程师,主要从事油气勘探综合研究与管理。地址:广东省深圳市南山区后海滨路3168号中海油大厦A座,中海石油(中国)有限公司深圳分公司,邮政编码:518054。E-mail:

Copy editor: 谷江锐

收稿日期: 2024-12-02

  修回日期: 2025-07-21

  网络出版日期: 2025-07-23

基金资助

中海石油(中国)有限公司前瞻基础研究项目(KJQZ-2023-2001)

中国海洋石油集团有限公司“十四五”重大科技项目(KJGG2022-0103-03)

Tectonic deformation and its petroleum geological significance of continental margin necking zone in deepwater area of Pearl River Mouth Basin, South China Sea

  • PENG Guangrong , 1, 2 ,
  • CAI Guofu , 1, 2 ,
  • LI Hongbo 1, 2 ,
  • ZHANG Lili 1, 2 ,
  • XIANG Xuhong 1, 2 ,
  • ZHENG Jinyun 1, 2 ,
  • LIU Baojun 1, 2
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  • 1 Shenzhen Branch of CNOOC (China) Co., Ltd., Shenzhen 518054, China
  • 2 CNOOC Deepwater Development Ltd., Shenzhen 518054, China

Received date: 2024-12-02

  Revised date: 2025-07-21

  Online published: 2025-07-23

摘要

基于高分辨率三维地震资料,系统分析南海北部陆缘珠江口盆地深水区地壳细颈化带岩石圈结构特征、减薄机制和裂陷期构造变形响应过程,并探讨其油气地质意义。研究表明:①盆地深水区细颈化带典型发育区位于白云凹陷和开平凹陷,地壳减薄剧烈,具中间薄、两翼厚的分布特征,发育多层次、多倾向的拆离断层体系;②细颈化带结构横向分异显著,发育4类薄化地壳结构,即白云主洼楔形强减薄结构、白云西洼哑铃式中等减薄结构、白云东箱形弱减薄结构、开平凹陷变质核杂岩式弱减薄结构,在地壳薄化程度与样式、拆离断层类型、同裂陷沉积地层分布、和岩浆作用强度等方面具有明显差异;③细颈化带减薄受陆缘岩石圈非均一流变学分层结构、幔源岩浆作用强度及拆离断层变形样式控制,在裂陷期经历文昌组沉积早期的均一伸展、文昌组沉积晚期的细颈化和恩平组沉积期的超伸展共3个阶段的构造变形;先存逆冲断层纯剪切变形活化、壳幔与壳间拆离断层简单剪切变形、下地壳流及韧性穹隆与主拆离断层差异耦合,分别在这3个阶段控制地壳减薄程度和结构的分异;④细颈化带油气成藏和富集横纵向差异性显著,发育4种薄化地壳结构-油气成藏模式,浅部油气成藏与深部地壳薄化结构具有关联性;其独特的岩石圈结构和变形过程,控制形成源-断-脊-砂配置良好的有利油气汇聚区,是油气富集成藏的关键,其中在中下地壳穹状隆起区及其向海倾侧翼油气勘探最为有利。新认识对深入理解海域沉积盆地中间型陆缘岩石圈减薄-破裂过程及指导珠江口盆地深水区油气勘探具有重要意义。

本文引用格式

彭光荣 , 蔡国富 , 李洪博 , 张丽丽 , 向绪洪 , 郑金云 , 柳保军 . 珠江口盆地深水区陆缘地壳细颈化带构造变形及其油气地质意义[J]. 石油勘探与开发, 2025 , 52(4) : 830 -841 . DOI: 10.11698/PED.20240747

Abstract

Based on a set of high-resolution 3D seismic data from the northern continental margin of the South China Sea, the lithospheric structure, thinning mechanisms and related syn-rift tectonic deformation response processes in the crustal necking zone in the deepwater area of the Pearl River Mouth Basin were systematically analyzed, and the petroleum geological significance was discussed. The necking zone investigated in the study is located in the Baiyun Sag and Kaiping Sag in the deepwater area of the Pearl River Mouth Basin. These areas show extreme crustal thinned geometries of central thinning and flank thickening, characterized by multi-level and multi-dipping detachment fault systems. The necking zone exhibits pronounced lateral heterogeneity of structural architectures, which can be classified into four types of thinned crustal architectures, i.e. the wedge-shaped extremely thinned crustal architecture in the Baiyun Main Sub-sag, dumbbell-shaped moderately thinned crustal architecture in the Baiyun West Sub-sag, box-shaped weakly thinned crustal architecture in eastern Baiyun Sag, and metamorphic core complex weakly thinned crustal architecture in the Kaiping Sag. This shows great variations in the degree and style of crustal thinning, types of detachment faults, distribution of syn-rift sedimentary sequences, and intensity of magmatism. The thinning of the necking zone is controlled by the heterogeneous rheological stratification of lithosphere, intensity of mantle-derived magmatism, and deformation modes of detachment faults. The syn-rift tectonic deformation of the necking zone evolved through three phases, i.e. stretching during the early Wenchang Formation deposition period, necking during the late Wenchang Formation deposition period, and hyperextension during the Enping Formation deposition period. The crustal thinning extent and architectural differentiation in these phases were primarily controlled by three distinct mechanisms, i.e. the pure shear deformation activation of pre-existing thrust faults, the simple shear deformation of crust-mantle and inter-crust detachment faults, and differential coupling of lower crustal flow and ductile domes with main detachment faults. The hydrocarbon accumulation and enrichment in the necking zone exhibit marked spatial heterogeneity. Four distinct crustal thinned architecture-hydrocarbon accumulation models were identified in this study. The hydrocarbon accumulations in the shallow part exhibit significant correlations with their deep crustal thinned architectures. The unique lithospheric structure and deformation process predominantly control the favorable hydrocarbon accumulation zones with excellent source-fault-ridge-sand configurations, which is critical to reservoir-forming. The most promising exploration targets are mainly identified on the uplift zones and their seaward-dipping flanks associated with the middle and lower crustal domes. This research provides additional insights into lithospheric thinning-breakup process at intermediate continental margins of marine sedimentary basins, being significant for guiding the deepwater petroleum exploration in the Pearl River Mouth Basin.

0 引言

被动大陆边缘是大陆岩石圈减薄、破裂并最终形成新的大洋岩石圈的过程产物,其构造类型和结构特征具有多样性[1-2]。依据陆缘结构和岩浆作用的差异,长期将被动陆缘划分为富岩浆型和贫岩浆型2种端元类型:富岩浆型陆缘的典型特征是岩浆作用主导,发育下地壳高速层和向海倾斜反射层;贫岩浆型陆缘的典型特征是岩浆作用弱,发育拆离断层控制下的宽裂谷,洋陆转换带出露蛇纹石化地幔[3-4]。近年来,对南海北部的陆缘解剖表明,存在中间型陆缘的类型,其陆缘结构兼具贫/富岩浆型2种端元陆缘的部分特征,岩浆活动“先贫后富”,在狭窄的洋陆转换带经历快速的裂谷-漂移转变,但无岩石圈地幔剥露,地壳既不同于北大西洋贫岩浆型陆缘的楔形减薄,也不同于富岩浆型陆缘的显著增厚[5-8]。多位学者研究发现,中间型被动陆缘具有复杂的构造、地层与岩浆交互作用,以及特殊的张裂—破裂过程,是对被动陆缘研究的重要补充[9-13]。基于典型被动陆缘结构的系统研究,前人将陆缘结构由陆到海划分成近端带、细颈化带、超伸展带和洋陆转换带4个构造域,每个构造域分别主要受伸展、细颈化、超伸展和大陆岩石圈裂解等4个特定变形阶段的控制[14-15]。细颈化带是位于陆缘地壳从弱减薄近端带向极端减薄远端带过渡的狭窄区域,基于对富岩浆型和贫岩浆型陆缘结构的系统研究表明,细颈化带莫霍面几何形状普遍从近端带的相对平坦逐渐变为高倾角(可达35°),并与沉积基底面共同形成一个收敛的楔形结构,宽度为10~100 km,地壳厚度可从约30 km急剧减薄到约10 km,其几何形态指示了地壳减薄变形的方式和强度[1,15 -18]。细颈化带经历的构造变形剧烈,但受岩石圈裂解时玄武岩岩浆的改造作用小,地壳结构和沉积地层能够完整记录4期变形阶段的过程,为研究陆缘岩石圈减薄破裂过程及其构造-沉积响应提供了重要窗口[15,17]
南海北部陆缘为典型的中间型被动陆缘,细颈化带以珠江口盆地深水区白云凹陷、开平凹陷及邻区为典型代表,构造变形作用强烈且复杂多变,是珠江口盆地深水油气勘探的主战场。珠江口盆地深水区细颈化带油气资源丰富,在白云凹陷和开平凹陷取得系列油气重要发现[19],但探明程度低。白云凹陷油气总地质资源量约18×108 t,天然气约占60%[20],已发现15个气田和3个油田,天然气探明储量超过2 000×108 m3,原油超过6 000×104 t。开平凹陷油气总地质资源量超过6×108 t,在2021年首次获得商业油气突破,发现南海北部首个深水深层亿吨级油田[21]。深水区细颈化带具有南北分段,东西分带的特点,发育多层次拆离断层、多样的凹陷结构、丰富的岩浆活动,以及多样式、多阶段的地壳减薄和沉积充填响应[9,11,22 -26]。这类中间型陆缘细颈化带构造相比典型富岩浆型及贫岩浆型被动陆缘更为复杂多变,然而,目前对其岩石圈结构及典型特征缺乏系统分析,构造控制因素及构造变形机理缺乏合理解释,进而也一定程度制约了南海北部深水区油气勘探进程。本文通过系统分析南海北部陆缘珠江口盆地深水区细颈化带岩石圈结构特征、减薄机制和裂陷期构造变形响应过程,探讨油气地质意义,以期指导珠江口盆地深水区油气勘探。

1 南海北部地质概况及地球动力学背景

南海北部陆缘位于太平洋板块、印度—澳大利亚板块以及欧亚板块交汇处,为在中生代复杂陆缘岩浆弧褶皱基底上形成的新生代被动陆缘。南海北部大陆岩石圈伸展破裂过程中,经历了横向上从陆到洋,纵向上从地表到莫霍面,最终到陆缘岩石圈破裂的序列变形过程;断层从小型高角度正断层、较大型中等角度铲式断层到大型低角度拆离断层演化,构造变形从弥散式到集中式,并向岩石圈最后裂解、形成洋壳的方向迁移[5]。在裂解作用下,形成陆到洋差异性特征的陆缘构造带[25](见图1):近端带主要位于珠一坳陷和珠三坳陷,发育半地堑式组合,宽度为100~300 km,地壳厚约30~22 km,地壳减薄有限,裂陷期沉积较薄,裂后期沉积较厚,普遍发育中高角度正断层;细颈化带主要位于白云凹陷、开平凹陷所在的珠二坳陷,地壳厚度剧烈减薄,宽度为70~110 km,地壳厚6~26 km,发育向陆和向洋倾的拆离断裂,具有巨厚的沉积地层;超伸展带主要位于荔湾凹陷所在的珠四坳陷,地壳最薄约11 km[23],发育向洋倾的拆离断层,具有典型的核杂岩构造和伸展外来体[10,12];洋陆转换带位于珠江口盆地南部边缘,向南与南海洋壳快速过渡,见洋中脊玄武岩与沉积地层交互发育,未见蛇纹石化地幔出露[2,6]
图1 南海北部珠江口盆地构造区划(a)、深水区地层综合柱状图(b)与陆缘壳幔地质结构剖面(c)(据文献[25]修改)
南海北部珠江口盆地深水区在新生代发育了同裂陷层始新统文昌组、恩平组河流—湖泊相沉积,坳陷层渐新统珠海组浅海陆架沉积以及珠江组—第四系陆坡深水沉积(见图1b)。珠江口盆地新生代裂陷期主要经历4期重要区域构造事件,分别是始新世早期珠琼运动Ⅰ幕、始新世中期的惠州运动、始新世晚期珠琼运动Ⅱ幕和晚渐新世的南海运动[27],形成4个关键构造不整合界面(Tg、T83、T80、T70)。相应地,在深水区细颈化带具有多阶段地壳薄化的构造-沉积响应特征[25],文昌组沉积早期、文昌组沉积晚期和恩平组沉积期等各阶段的断层活动速率和凹陷沉降速率存在显著差别,体现断陷活动的复杂幕式演化(见图1b)。渐新世以来,随着南海北部陆缘的破裂和南海洋盆多阶段扩张,盆地深水区在热沉降拗陷阶段经历多期次差异沉降,发育陆架浅水和陆坡深水沉积层序。
珠江口盆地深水区裂陷期和拗陷期存在多期岩浆作用[2,12,23],总体具有东强西弱、先弱后强的特点,在地壳裂解到洋壳的形成中起重要作用。岩浆作用在盆地东强西弱,主要反映在开平凹陷以东及向洋侧发育典型的下地壳高速体(见图1c),是裂陷中晚期—裂后期地幔软流圈上涌导致的下地壳减压熔融引起,下地壳高速体向盆地西部逐渐减薄甚至消失[2,7,13]。裂陷期岩浆具有先贫后富特点,体现在文昌组沉积早期岩浆作用相对弱,文昌组沉积晚期和恩平组沉积期的岩浆作用最强、影响范围最广(见图1b),活跃的岩浆活动深度影响了陆缘构造变形和结构分异[9,11]

2 陆缘细颈化带类型及薄化地壳结构特征

被动陆缘受控于时空上系统性和有序性的壳-幔耦合作用,其细颈化带类型及薄化地壳结构具有邻区构造成因关联性和横向有序性过渡特征[15]。珠江口盆地陆缘细颈化带地壳厚度中间薄、两翼厚,发育多层次、多倾向的拆离断层体系,控制了横向变化的裂陷层结构(见图2a图2b)。综合地壳薄化程度与样式、拆离断层类型和岩浆作用强度的差异性分析,将珠江口盆地白云凹陷—开平凹陷深水区细颈化带分成4种薄化地壳结构类型:白云主洼楔形强减薄型、白云西洼哑铃式中等减薄型、白云东洼—白云主洼东部(简称白云东)箱形弱减薄区型、开平凹陷变质核杂岩式弱减薄型。
图2 珠江口盆地深水区地壳厚度预测图(a)、文昌组—恩平组裂陷层厚度及断层分布图(b)(平面图位置及范围见图1a

2.1 白云主洼楔形强减薄型

白云主洼楔形强减薄型结构表现为:发育多组向陆倾的断阶式壳幔和壳间拆离断层,具宽且厚的同裂陷沉积地层,全地壳楔形强烈减薄,岩浆作用缓坡带强、陡坡带弱。
白云主洼发育多组向陆倾的壳幔拆离断层和壳间拆离断层,共同控制了宽且厚的同裂陷沉积地层(见图3)。裂陷中部的大型壳幔拆离断层在长电缆剖面上被证实是控制白云主洼凹陷结构的主干断裂,其向深部铲式汇聚到8~9 s双程旅行时上的莫霍面附近[23-25]。南部拆离断层由断阶阶式壳间拆离断层所构成,整体呈现上陡下缓的铲式构造样式,断层向上断至T70和T40界面,向下收敛至中地壳韧性剪切面上。北部的番禺低隆起上发育2组下拆至中地壳韧性剪切界面上的北倾的壳间拆离断层(见图3)。拆离断裂控制了白云主洼宽且厚的同裂陷沉积地层,最大的累计水平位移量约40 km,裂陷期总沉降量达12 km[9,25]
图3 过白云主洼地震地质结构剖面(剖面位置见图2
白云主洼全地壳楔形强减薄受拆离断层的分层次拉张和深部岩浆作用联合控制。沉积岩基底Tg面和莫霍面由南、北两侧向裂陷中部楔形收敛,地壳由约25 km迅速减薄至最薄6 km。在地震剖面上可识别出上、中、下地壳3层结构:上地壳顶部的基底Tg面反射特征较为明显,地壳内部一般可见清晰的断面,偶见短轴状强振幅反射岩浆岩侵入体;中地壳层上、下界面可通过相互近平行的中强振幅连续性好的同相轴进行追踪;下地壳一般表现出弱反射,局部可见断续不连续的强振幅同相轴;莫霍面横向断续可见,依据邻近的长电缆剖面可进一步确定深度位置。以裂陷中部的壳幔拆离断层为界,白云主洼南、北部地壳具有差异的减薄特征(见图3):①南部的上地壳被多级断层拆离旋转切割减薄,中地壳“香肠”式减薄,推测由韧性伸展拉张和拆离断层共同作用导致;②北部的地壳总体受壳幔拆离和下地壳流影响而出现横向剧烈收敛减薄特征,下地壳楔形体总体比南部厚,且向陆方向剧烈加厚,中地壳韧性伸展减薄且在番禺低隆起强烈上隆,上地壳轻微减薄但有强烈旋转掀斜特征。

2.2 白云西洼哑铃式中等减薄型

白云西洼哑铃式中等减薄型结构表现为:发育对向壳间拆离断层,具窄而浅的同裂陷沉积地层,地壳哑铃式中等程度减薄,中地壳被韧性剪切拉断分离,岩浆作用总体较弱。
白云西洼及其南北两翼的拆离断层表现出对向壳间拆离特征,控制了窄而浅的同裂陷沉积地层(见图4)。主拆离断层均向下收敛至中地壳韧性剪切面上,表现出壳间拆离为主的特征。北倾的拆离断层形态特征与白云主洼相类似,呈上陡下缓的铲式,通过台阶式掀斜来实现上地壳的减薄。与白云主洼所不一样的是,北倾与南倾的断层组合成对向拆离断层,且在云开低凸起的断裂密集程度和活动强度明显弱于白云主洼南侧。拆离断层控制的同裂陷沉积地层中,在白云西洼同裂陷沉积地层最厚处厚约4.5 km,向南、北两侧呈断阶式缓慢变薄。比较而言,文昌组下段厚度与白云主洼相似,但文昌组上段和恩平组厚度明显比白云主洼薄。
图4 过白云西洼地震地质结构剖面(剖面位置见图2
白云西洼及其南北两翼的地壳具有厚度中等但总体横向不均一的3层结构,呈哑铃式中等程度减薄特征,中地壳被韧性剪切和主拆离断层拉断(见图4)。穿过云开低凸起—白云主洼的长电缆深探测反射地震剖面显示,云开低凸起莫霍面的埋深比白云主洼浅,地壳厚度为12~22 km[25]。本区3层地壳分界面比较明显,横向可连续追踪,3层地壳反射结构可与过白云主洼剖面类比。白云西洼幔源岩浆作用相对白云主洼弱且作用范围局限,洼陷中部地幔底侵作用强且中地壳韧性伸展减薄强,形成“香肠”构造,主拆离断层上盘发育上隆弱的中下地壳韧性穹隆,南部见中下地壳波伏状上隆。在上覆拆离作用和下伏幔源岩浆局部底侵作用下,中地壳韧性层被韧性剪切和拆离断层拉断,从而地壳结构呈现出中间薄、两翼厚的哑铃式中等程度减薄特征。

2.3 白云东箱形弱减薄型

白云东箱形弱减薄型结构表现为:发育低角度坡—坪—坡式壳间拆离,具宽而浅的同裂陷沉积地层,全地壳箱形弱减薄,地壳减薄与岩浆加厚相间分布。
白云东发育2组北倾的低角度坡—坪—坡式壳间拆离,控制了宽而浅的同裂陷沉积地层。前期研究认为该拆离断层是上地壳内部的拆离断裂[9,25],但其深部收敛到中地壳韧性剪切带顶面,故应仍属壳间拆离断层。拆离断层的上盘拆离与下盘隆升,活动枢纽向北滚动,并衍生出多条新的活动断层,这些新活动断层根部收敛到主拆离断层面上,并可以派生出新的拆离断层,具有Reston等[28]提出的旋转铰链式拆离特征(见图5图6)。这两组拆离断层共同控制的同裂陷沉积地层比白云主洼和西洼薄,但是宽度与主洼相当,裂陷中心发生了自南向北的迁移,总体而言伸展程度较大。
图5 过白云东和荔湾凹陷地震地质结构剖面(剖面位置见图2
图6 白云东旋转铰链式拆离断层特征(剖面位置见图2
白云东的地壳具有箱形弱减薄特征,上地壳受到了低角度拆离断层滚动前展时下盘的逐渐剥露减薄,中地壳受强烈的韧性伸展而减薄,下地壳受相间的岩浆底侵加厚作用和地壳流影响,形成相间分布的韧性穹隆。白云东细颈化区地壳向西过渡到白云主洼全地壳强减薄区,向南过渡到荔湾凹陷超伸展强减薄区,地壳厚度在80~90 km横向范围内从约25 km减薄到15 km,总体减薄较弱。过白云东南北向的地震剖面上,可至少识别出两组在横向上可连续追踪的地壳内部分界面,界面之下均具有典型的韧性剪切线理特征,界面与沉积岩基底面隆-凹格局走势较一致,推测为中地壳韧性层的顶、底面(见图5图6)。白云东深部岩浆作用较强,见丰富岩浆侵入下地壳形成强反射轴。在云荔低隆起及其邻区见大型岩盖和鞘褶皱构造,揭示出岩浆相间底侵到下地壳而加厚,同时热作用也加剧了下地壳侧向流动,导致中地壳韧性伸展减薄和主拆离断层下盘中下地壳韧性穹隆形成,表明其与浅层低角度拆离断层具有成因联系(见图5)。

2.4 开平凹陷变质核杂岩式弱减薄型

开平凹陷变质核杂岩式弱减薄型结构表现为:发育低角度坡—坪—坡式壳间拆离,具有中等宽度和中等厚度同裂陷沉积地层,具有中地壳剥露减薄和下地壳加厚特征,表现出变质核杂岩式不对称弱减薄地壳。
开平凹陷在地壳结构和减薄程度上与白云东具有一定的相似性,所不同的是发育典型的变质核杂岩构造,在强岩浆作用下形成加厚下地壳和近乎剥露至地表的中地壳,上覆宽而中等厚度的碟形凹陷,是典型的变质核杂岩相关的拆离断陷(见图7)。开平凹陷在变质核杂岩之上发育向海倾斜的坡—坪—坡式大型壳间拆离断层,向下延伸至中地壳韧性剪切顶面上,在断裂中部下盘中地壳近乎剥露出地表,与沉积岩接触,断层面之上为年龄151.4~160.4 Ma的凝灰熔岩,表明该拆离断层继承于中生界存在的先存弱界面。低角度拆离断层具有旋转铰链式前展拆离特征,控制中等宽度和中等厚度的同裂陷沉积地层。
图7 开平凹陷地震地质结构剖面(剖面位置见图2
开平凹陷细颈化带地壳厚度为25~18 km,地壳由弱减薄向东过渡到白云西洼细颈化带的中等减薄(见图2a)。开平凹陷的地壳结构与白云东类似,地震剖面上可至少识别出2组在横向上可连续追踪的穹隆状剪切面,界面之下均见典型的强振幅剪切面理,推测是韧性中地壳的上、下界面(见图7),识别的层状中地壳层可向北追踪到阳江凹陷,平均厚度为3~6 km,分布范围广[21]。主拆离断层下盘发育中地壳剥露型变质核杂岩穹隆。与白云东长轴状相间分布的穹隆所不同的是,开平凹陷的穹状隆起呈孤立圆顶形,表明了深部岩浆持续上涌对下地壳的加厚和对流,并导致了中地壳的不对称韧性伸展减薄和局部剥露,以及上地壳的差异剥蚀,表现出变质核杂岩式不对称弱减薄细颈化地壳,也控制了旋转铰链式前展式拆离断层活动。

3 陆缘地壳细颈化减薄机制及构造变形响应

3.1 陆缘地壳细颈化减薄的主控因素

3.1.1 岩石圈非均一流变学分层结构

珠江口盆地陆缘岩石圈具有非均一流变学分层结构,是在宽阔区域发生差异陆缘地壳细颈化减薄的基础。珠江口盆地东部细颈化减薄区识别出的具有不同地震反射特征的3层地壳结构,具有差异的岩石圈强度和流变学特征:上地壳主要以脆性花岗岩为主;中地壳由具有低黏度特征的部分熔融的花岗岩、片麻岩或混合岩组成,在地壳伸展过程中可被显著热弱化,能够通过塑性流动来容纳变形[29];下地壳普遍以铁镁质岩石(如辉长岩)或麻粒岩相岩石为特征,在裂解过程中表现出可变的热流变行为,在裂解的初期,表现出韧性,但随着地壳变薄和冷却,其流变特性发生变化[14,17]。全球被动陆缘实例分析[1]和数值模拟研究[29]表明,具有“三明治”式3层差异流变结构的岩石圈普遍具有弱的解耦型力学特性,在地壳伸展减薄过程中形成弥散的或非局部化变形的宽裂谷陆缘,地壳的变薄、剪切带和断裂在较大的范围内分布,地壳构造-热结构沿走向分异显著。

3.1.2 幔源岩浆作用强度

珠江口盆地地壳细颈化带裂陷期的幔源岩浆作用,是引起陆缘地壳强烈减薄和差异结构的重要因素。细颈化带普遍发育的中下地壳韧性剪切穹隆,与该地区观测到的地幔物质上涌形成的下地壳高速体和高热流背景有高度相关性,表明了幔源岩浆作用对塑造差异的细颈化区结构起重要控制作用。幔源岩浆作用对地壳结构塑造体现在:幔源岩浆对中下地壳的底侵加厚和加热弱化,使中下地壳韧性变形加强,地壳物质在拆离断层附近侧向流动,形成所谓的“地壳流”[30],造成中下地壳不对称韧性减薄和解耦作用;在中下地壳上隆增厚区形成普遍的穹状隆起,造成上地壳-沉积层在裂陷期幕式局部上隆剥蚀和侧翼拗陷型沉降,并在裂后期因岩浆迅速冷却而形成异常沉降。

3.1.3 拆离断层变形样式

拆离断层在地壳细颈化减薄过程中发挥着重要作用,其与不同强度岩浆作用的空间差异配置,在多阶段变形模式的转变中导致了地壳结构横向显著变化。拆离断层多发育于中生代主动陆缘板块俯冲形成的先存构造带,俯冲陆缘的沟-弧-盆构造带的拼合地壳和逆冲滑脱面可成为后期伸展构造脆韧性转换面,将不同程度地影响断层的构造样式和凹陷结构形态[9]。拆离断层与差异岩浆作用相伴生,岩浆作用引起的垂向上隆或横向地壳流,作用于断层上盘或下盘,在多阶段变形模式转变过程中,会形成单向断阶式、对向拆离式、坡—坪—坡式和变质核杂岩式等差异的拆离构造样式,拆离断层深部中止于壳幔或壳间边界,使得上覆的脆性地层与下伏的韧性地层分离解耦,是形成地壳结构多样性的重要因素。

3.2 陆缘地壳减薄过程与细颈化带构造变形响应

珠江口盆地的陆缘岩石圈经历了自下而上、岩石圈地幔早于地壳破裂的Ⅱ型陆缘裂解作用[13,29],细颈化带地壳减薄可分为均一伸展、细颈化、超伸展等3个变形阶段,分别由纯剪切、简单剪切和临界库仑楔3种变形模式主导[15]:①均一伸展阶段,陆缘岩石圈基本上受纯剪切变形模式控制,应变分布在整个陆缘区,岩石圈伸展由上地壳和上地幔脆性层广泛分布的高角度正断层作用和中下地壳韧性层的塑性变形所调节;②细颈化阶段,随着最强岩石圈层(常为上地幔)的屈服,变形模式向简单剪切变形转变,应变迁移到现今的细颈化和超伸展区,地壳通过韧性层黏塑性颈缩和脆性层拆离断层作用而急剧减薄,是地壳薄化的主要阶段;③超伸展阶段,变形模式转向临界库仑楔变形,应变集中到现今超伸展区,其陆壳通过顺序拆离作用实现高度减薄,而细颈化带也仍受岩浆和强伸展作用影响而形成旋转铰链式拆离变形。
珠江口盆地细颈化带在非均一流变学分层结构背景下,幔源岩浆作用和拆离断层变形模式差异时空耦合作用,经历3个变形阶段从而形成4种差异的薄化地壳结构(见图8图9):①文昌组沉积早期均一伸展阶段:白云凹陷—荔湾凹陷位于中生代岩浆弧的内弧—弧前背景,发育含主滑脱面的向陆和向洋倾的先存逆冲断层系(见图8a),滞留地幔软流圈的俯冲板片脱水上浮引起局部岩浆上涌,岩石圈地幔在板块缝合带附近脆性弱化,下地壳局部受岩浆底侵热隆升,上地壳先存逆冲断层在纯剪切变形模式下发生弥散式的高角度负反转脆性深断,形成窄而深的断陷湖盆,此阶段奠定了盆地洼陷的分布(见图8b);②文昌组沉积晚期细颈化阶段:滞留地幔软流圈的俯冲板片的断裂和拆沉,引起大规模软流圈地幔岩浆上涌和岩石圈地幔的颈缩,其中最为强裂的岩浆上涌的部位在白云主洼之下,岩浆加热导致中下地壳的韧性层黏塑性颈缩减薄剧烈,白云主洼高角度铲式主拆离断层拆穿下地壳至地幔中形成壳幔拆离断层,其余地区上地壳的高角度断层断至中地壳脆-韧性转换面并向下收敛成低角度,形成壳间拆离断层,最终形成阶梯式拆离断层控制的宽裂谷体系(见图8c);③恩平组沉积期超伸展阶段:软流圈地幔岩浆进一步上涌并向海倾斜迁移,热量和岩浆物质向上传递到下地壳,在底部形成广泛的下地壳部分熔融高速层,下地壳韧性流变性加强而形成地壳流,在细颈化带的深拆离断层或大型隐伏断裂附近形成中下地壳穹状隆起(见图8d),耦合作用于主拆离断层上盘或下盘会形成分异的薄化地壳结构(见图9)。穹状隆起作用于壳幔拆离断层上盘,与上地壳断阶式拆离薄化和中下地壳韧性伸展薄化协同减薄,则形成白云主洼地壳楔形强减薄结构(见图9a);穹状隆起弱作用于壳间拆离断层上盘,中地壳韧性层被韧性剪切和拆离断层拉断薄化,则形成白云西洼哑铃式中等减薄结构(见图9b);穹状隆起分布式或集中式作用于主拆离面下盘,则发生典型的旋转铰链式拆离,分别形成白云东箱形弱减薄(见图9c)和开平凹陷变质核杂岩式弱减薄结构(见图9d)。随着软流圈地幔上升流迁移至荔湾凹陷以南,造成岩石圈的破裂和南海洋壳的最终形成,向陆方向的下地壳韧性层迅速冷却变脆,细颈化区的薄化地壳结构基本定型。最终,细颈化带形成地壳减薄程度由强到弱的4种差异的薄化地壳结构:楔形强减薄结构、哑铃式中等减薄结构、箱形弱减薄结构和变质核杂岩式不对称弱减薄结构。
图8 珠江口盆地陆缘地壳减薄过程示意图
图9 珠江口盆地深水区陆缘地壳差异薄化结构类型图

4 陆缘细颈化带油气成藏模式及地壳减薄的油气地质意义

4.1 陆缘细颈化带油气成藏模式

陆缘细颈化带是珠江口盆地深水区油气勘探的主战场,前期围绕着白云凹陷和开平凹陷的勘探,获得番禺气田群、白云东气田群、流花轻质油田群和开平深层亿吨级油田的突破,展现出巨大的油气勘探潜力。但油气成藏和富集横纵向差异性显著,白云凹陷已发现的油气藏主要分布在白云主洼北部缓坡和白云东周缘,占已发现的油气储量的90%以上,且基本上分布在中浅层的珠海组—珠江组下段,而在白云凹陷西南的云开低凸起、白云西洼尚未获得规模商业油气突破,开平凹陷的油气发现主要分布在南部缓坡带深层的文昌组—恩平组,而在开平凹陷北部陡坡带尚无规模发现。
通过地壳减薄程度和源-断-脊-砂差异耦合,珠江口盆地东部细颈化带形成4种薄化地壳结构-油气成藏模式:①白云主洼地壳楔形强减薄结构,形成“缓坡带近—远源强供,反向断层遮挡富集”的天然气成藏模式(见图10a)。白云主洼文昌组湖相、恩平组三角洲相煤系和浅湖亚相规模烃源岩“高热快熟”,生成的天然气经过继承性断裂与底辟气烟囱垂向运移,向缓坡带近源恩平组—珠海组、远源珠江组—粤海组输导,经反向断层遮挡富集成藏,形成番禺气田群;②白云西洼地壳铃式中等减薄型结构,形成“洼中隆近源汇聚,断砂耦合弱富集”的天然气为主的成藏模式(见图10b)。白云西洼缺乏规模文昌组和恩平组湖相烃源岩,且埋藏浅,生成少量的天然气向洼中隆近源汇聚,在珠江组断砂耦合良好的构造局部成藏,目前并未发现规模性油气田;③白云东地壳箱形弱减薄型结构,形成“缓坡带—洼中隆近源高效汇聚,深水沉积储盖控藏富集”的油气成藏模式(见图10c)。白云东洼油气兼生、以油为主,生成的原油经继承性断裂和构造脊输导向北部缓坡带珠江组近源汇聚成藏,形成流花轻质油田群;白云主洼东部油气兼生、以气为主,生成的天然气经过继承活动断裂和气烟囱输导,向洼中隆的珠海组—珠江组深水沉积近源高效汇聚成藏,形成白云东气田群;④开平凹陷变质核杂岩式弱减薄型结构,形成“缓坡带近源汇聚,深层断盖耦合富集”的原油成藏模式(见图10d)。文昌组下段半深湖相烃源岩以生油为主,经继承性断裂垂向运移,在缓坡带深层文昌组上段—恩平组断盖耦合良好的构造圈闭近源富集成藏。
图10 珠江口盆地深水区细颈化带4种地壳薄化结构的油气成藏模式(剖面位置见图2

4.2 地壳减薄的油气地质意义

细颈化带浅部油气成藏与深部薄化地壳结构具有关联性,其独特的岩石圈结构和变形过程,形成源-断-脊-砂配置良好的有利油气汇聚区,是油气富集成藏的关键:①细颈化带裂陷期剧烈减薄奠定文昌组和恩平组2套烃源岩层,文昌组沉积早期均一裂陷深断和文昌组沉积晚期细颈化拆离作用形成众多深洼陷,控制裂陷中心半深湖亚相和周缘广泛的浅湖亚相烃源岩发育。恩平组沉积期超伸展作用下形成宽浅的沉积背景,发育大型三角洲相煤系和浅湖亚相烃源岩。强减薄的白云主洼和中等减薄的白云西洼的烃源岩高热快熟,以生气为主,弱减薄的白云东的烃源岩油气兼生,变质核杂岩式弱减薄的开平凹陷的烃源岩以生油为主;②继承性活动的拆离断层是高效的通源断层,尤其是中下地壳穹状隆起及其向海倾侧翼发育的大型拆离断层,在裂后期岩浆冷却收缩时强活化,能高效沟通深部烃源岩生成的油气到浅层运移成藏,此外穹状隆起周缘裂后期强活动断层封堵条件好、反向遮挡油气能力强;③细颈化带岩石圈在裂陷期多阶段差异减薄、穹状隆起和拗陷期岩石圈差异热沉降作用下,在缓坡带和洼间隆形成长期继承性的汇聚脊,是油气运移长期的指向区域;④裂陷期中下地壳穹状隆起韧性上隆形成强物源供给,发育的大型辫状河三角洲沉积体系是深层—超深层重要的储集体;裂后期在岩石圈减薄区差异热沉降,控制了珠海组和珠江组两期陆架坡折带由南向北迁移,形成的两套陆架边缘三角洲和深水扇沉积砂体是中浅层主要的储层;地壳岩石圈由陆向海阶梯式减薄,形成西北冷东南热的高变地温背景[20],控制了砂岩有序的成岩演化,形成白云凹陷北坡和开平凹陷相对高孔高渗、白云凹陷南部相对低孔低渗的砂岩储层。总体而言,中下地壳穹状隆起区及其向海倾侧翼油气高效汇聚,缓坡带和洼中隆是细颈化带最为有利的油气成藏区带。

5 结论

南海北部珠江口盆地陆缘深水区细颈化带发育4种差异明显的薄化地壳结构:白云主洼楔形强减薄结构、白云西洼哑铃式中等减薄结构、白云东箱形弱减薄结构和开平凹陷变质核杂岩式弱减薄结构,具有差异化的地壳薄化程度与样式、拆离断层类型、同裂陷沉积地层分布和岩浆作用强度。
陆缘岩石圈非均一流变学分层结构、幔源岩浆作用强度及拆离断层变形样式共同控制了细颈化带的差异薄化,岩石圈分层流变特性导致变形减薄从弥散分布到向海集中迁移,幔源岩浆作用形成的岩浆底侵与地壳流加剧了中下地壳韧性减薄解耦和穹状隆起发育,拆离断层则通过多阶段变形模式导致地壳分离解耦。细颈化带经历文昌组沉积早期均一伸展、文昌沉积晚期细颈化和恩平组沉积期超伸展3个阶段的变形减薄和构造变形响应,文昌组沉积早期先存逆冲断层纯剪切变形活化形成窄深断陷,文昌沉积晚期岩浆驱动壳幔拆离断层和壳间拆离断层简单剪切变形形成宽裂谷体系,恩平组沉积期下地壳流及韧性剪切穹隆与主拆离断层上、下盘差异耦合,最终导致地壳减薄程度的差异和形成4种分异的薄化地壳结构。
陆缘细颈化带是珠江口盆地深水区油气勘探的主战场,油气成藏和富集横纵向差异性显著,发育4种差异的薄化地壳结构-油气成藏模式,地壳强薄化的白云主洼在北部缓坡近—远源富集天然气,地壳弱薄化的白云东在缓坡与洼中隆近源浅层富集石油与天然气,地壳变质核杂岩式弱薄化的开平凹陷在南部缓坡近源深层富集原油。浅部油气成藏与深部地壳薄化结构具有关联性,细颈化带独特的地壳薄化结构和变形过程,形成源-断-脊-砂配置良好的有利油气汇聚区是油气富集成藏的关键,其中在中下地壳穹状隆起区及其向海倾侧翼油气勘探最为有利。
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