北部湾盆地构造迁移特征及对油气成藏的影响

胡望水,吴 婵,梁建设,胡 芳,蔡 峰,柴浩栋,邹起阳

[1.长江大学地球科学学院,湖北荆州 434023; 2.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室,湖北荆州 434023; 3.中海油研究总院,北京 100027]

北部湾盆地构造迁移特征及对油气成藏的影响

胡望水1,2,吴 婵1,2,梁建设3,胡 芳1,2,蔡 峰1,2,柴浩栋1,2,邹起阳1,2

[1.长江大学地球科学学院,湖北荆州 434023; 2.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室,湖北荆州 434023; 3.中海油研究总院,北京 100027]

综合利用各种地质、测井、录井等资料,在对盆地内 4个凹陷范围内的三维地震资料地质解释基础上,通过分析各凹陷边界主控断裂的空间展布特征和不同时期的断裂落差以及盆地内不同时期沉积中心和沉降中心的变化特征,分别从单个凹陷的角度和整体的角度探讨了盆地的构造迁移特征,最后从油气勘探的指导意义上简要探讨了构造迁移对油气成藏的影响。研究认为:北部湾盆地的构造迁移具有波浪式定向性、汇聚型偏对称性等特征;构造迁移造就了盆地现今的构造格局,控制了盆地内的生储盖组合、造成了温压场的改变,促进了烃源岩的成熟演化以及油气的运移、聚集成藏等,影响了油气成藏的各个环节;受构造迁移的影响,研究区四个凹陷的富烃情况有所不同,涠西南凹陷是主要的富生烃凹陷,乌石凹陷次之,海中凹陷次于乌石凹陷,迈陈凹陷次于海中凹陷。

沉降中心;沉积中心;构造迁移;油气成藏;北部湾盆地

地质迁移的思想萌芽于 19世纪 70年代的地槽迁移,1873年,J.Dana在提出地槽概念时就意识到地槽远离古陆而时代逐渐变新,但没有提出地槽迁移的概念[1]。首次提出地槽迁移的是A.W.Grabau,他虽然在其 1919年美国地质学会志发表的摘要中提出了地槽迁移,但没有给予明确的描述[2]。此后,地质迁移的现象逐渐引起国内外学者的注重。在国内,黄汲清教授于 1931年论述了秦岭地槽的迁移[3]。姜春发于 1960年提出构造迁移概念,之后又对其作了进一步的研究[4,5],1992年在其发表的文章中提出了构造迁移理论并对其作了比较详细的阐述[6]。此后许多地质学者将构造迁移理论应用到各种构造、岩体、固体矿产的研究中[7-12],还有许多石油地质学者还将其应用到石油地质研究中,探讨了构造迁移对含油气盆地、含油气系统、烃源岩、圈闭、油气藏和油气分布等的影响[13-19],提出了许多新的观点,丰富了找油理论和方法。

北部湾盆地是南海北部边缘 5大含油气盆地之一,具有具大的油气资源潜力及勘探前景。夏斌、吕宝风等曾对南海北部新生代盆地的构造迁移进行了研究,并指出构造迁移对烃源岩有明显的制约作用[19]。对北部湾盆地内部的构造迁移规律,迄今为止,还无人系统的探究过,本文旨在对北部湾盆地的构造迁移规律进行研究,并在此基础上探讨构造迁移对油气成藏的影响,希望对预测勘探目标区有所裨益。

1 区域地质概况

北部湾盆地位于海南岛以北、广西以南,雷州半岛以西至东经 108°线附近的北部湾海域,面积约 3.98×104km2,盆地走向呈北东-南西向 (图1)。它是在中生代区域隆起背景下发育起来的新生代断陷沉积盆地,经历了古近纪张裂阶段和新近纪张裂后热沉降阶段,具有明显的断坳双层结构。整个盆地由昌化凹陷、海中凹陷、涠西南凹陷、企西隆起、海头北凹陷、乌石凹陷、流沙低凸起、迈陈凹陷、徐闻隆起、福山凹陷和雷东凹陷组成,呈凹隆相间的构造格局。其中,海中凹陷和涠西南凹陷北邻万山隆起,南邻企西隆起,之间由涠西南低凸起分隔,它们都是北断南超的箕状断陷(图 1,图 2);昌化凹陷和海头北凹陷北部与企西隆起相邻,南部受海头北断裂的控制,呈南断北超的箕状;乌石凹陷北邻企西隆起,南邻流沙低凸起,由于构造应力不均衡作用及多期构造运动的叠加改造,凹陷内发育东洼和西洼两个次洼东洼南断北超,西洼北断南超;迈陈凹陷北邻流沙凸起,南靠徐闻隆起,受构造应力不均衡作用及构造运动叠加、改造和迁移的影响,凹陷内也发育两个次洼——东洼和西洼,东洼南断北超,西洼呈双断地堑型(图 1,图 2);福山凹陷西、北以临高断裂与徐闻隆起相连,南以安定断裂与海南隆起相接,东以长流断裂为界,总体呈东西向隆凹相间、北断南超、南北分带的构造格局[20],受构造演化的控制,其沉积、沉降中心向北迁移[21];雷东凹陷北邻粤桂隆起,南邻海南隆起,西接徐闻隆起,总体呈北断南超的箕状 (图 1)。由于资料有限,研究区仅涉及海中凹陷、涠西南低凸起、涠西南凹陷、企西隆起、乌石凹陷、流沙低凸起和迈陈凹陷。

受构造运动的控制,研究区古近系为陆相断陷沉积,自下而上发育有古新统长流组河流相杂色砂砾岩、始新统流沙港组中深湖相泥页岩和渐新统涠洲组河沼相及滨浅湖相砂泥岩,其中流沙港组暗色泥岩是盆地的主力烃源岩系;新近系为海相沉积,自下而上划分为下中新统下洋组、中中新统角尾组和上中新统灯楼角组以及上新统望楼港组。古近系和新近系之间呈区域性角度不整合接触。

图 1 北部湾盆地构造区划(据何家雄等,2008)Fig.1 Tectonic division ofBeibuwan Basin(modified from He Jiaxiong et al,2008)

图 2 北部湾盆地凹陷构造特征(剖面位置见图 1)Fig.2 Structure characteristics of sags,Beibuwan Basin(see Fig.1 for section location)

2 盆地的形成演化

北部湾盆地从古近纪到新近纪经历了裂陷到坳陷的构造演化,裂陷期以陆相断陷沉积为主,坳陷期以海相沉积为主。裂陷期又可分为明显的 3期:古新世裂陷第一幕,初始张裂,盆地雏形形成;始新世裂陷第二幕,强裂拉张;渐新世裂陷第三幕,张裂活动减弱。从古新世到渐新世,张裂活动强度呈现出弱—强—弱的特点,湖盆也从形成到发展再到衰亡。进入新近纪,盆地整体沉降,接受海相沉积。

古新世时期,受南海扩张的影响,北部湾盆地在近NW-SE向的区域拉张应力作用下初始张裂,产生了一系列 NE-S W向断裂,如涠西南断裂、乌石凹陷的 7号断裂、迈陈凹陷的 9号断裂和灯楼角断裂等,盆地雏形形成,全区以数个狭小分割的半地堑为特征,断块体上升一侧剥蚀的碎屑物快速堆积在各凹陷中,形成了长流组红色砂砾岩夹杂色泥岩的冲积产物,分布较局限,除海中凹陷和涠西南凹陷连成一片外,各沉积单元相互独立。

始新世时期,构造应力发生顺时针旋转,北部湾盆地在NNW-SSE向的拉张应力作用下强烈断陷,产生了一系列NEE-S WW向的断裂,如涠西南凹陷的 1号断裂、海中凹陷的 3号断裂、乌石凹陷的 6号断裂和迈陈凹陷的灯楼角断裂等,这些断裂活动逐渐增强并发展成为该时期的主控断裂,控制流沙港组沉积。此外,早期形成的边界主控断裂再次活动,但活动强度有所减弱,退居次要控沉积地位。随着张烈活动的进行,湖盆逐渐加深扩大,形成了流沙港组滨浅湖 -中深湖相沉积。

渐新世时期,构造应力继续顺时针旋转,在近SN向的拉张应力作用下开始了第三次张裂,在涠西南凹陷产生了一系列近 EW向的断裂,如起控带作用的 2号断裂,它控制了涠洲组的沉积;在海中凹陷,涠西南断裂和 3号断裂继续活动,3号断裂为主控断裂,控制了涠洲组的沉积;在乌石凹陷产生了一系列近东西向的断裂,6号断裂活动强烈,成为主控断裂,控制了涠洲组的沉积;在迈陈凹陷也产生一系列近东西向的断裂,控制涠洲组沉积。中晚渐新世,构造应力发生右旋扭动,对前期构造进行了改造,涠西南凹陷和乌石凹陷产生了负花状构造,而海中凹陷、迈陈凹陷的扭动构造不明显。渐新世末,整个北部湾盆地经历了一次构造挤压反转运动,盆地整体抬升,遭受了不同程度的抬升剥蚀。

新近纪开始,整个北部湾盆地进入裂后热沉降阶段,断裂基本停止发育,整体下沉接受海相沉积。中新世末,北部湾盆地又经历了一次构造挤压反转运动,不同区域的反转强度不同,海中凹陷受到的挤压作用最强烈,早期的沉降中心和沉积中心抬升成为构造高点,相应的沉降中心和沉积中心向企西隆起方向迁移,而在其他几个凹陷则较弱,部分地层发生轻微褶皱,形成低幅度宽缓背斜。

3 盆地构造迁移特征

构造迁移是指同一时期的不同地区和不同时期相同地区或不同地区的构造活动规模、强度、性质随区域地球动力的变化而呈现一定方向的有规律的变化[19]。它是以构造活动为研究对象,而构造活动在地质体上最直接最直观的体现就是地质构造的形成和沉积盆地的形成,因此,构造活动的迁移特征可以直接从地质构造和沉积上的迁移特征中体现出来。

从北部湾盆地的发育演化中可以看出,它具有明显的构造迁移现象。构造迁移具有以下特征:波浪式定向性和汇聚型偏对称性。

3.1 波浪式定向性

从古新世到渐新世,北部湾盆地构造应力的改变具有定向性,即从NW向变为NNW向,然后变为近NS向,随着构造应力场的改变,构造运动也发生着时空的迁移,这种迁移主要体现在:

1)各凹陷边界主控断裂此消彼长,此伏彼起的波浪式定向迁移。

海中凹陷在古新世涠西南断裂活动强烈,控制了长流组沉积 (图 3);始新世涠西南断裂继续活动,同时 3号断裂活动逐渐增强,两者共同控制了流沙港组沉积,但涠西南断裂位于主要控沉积地位,而 3号断裂位于次要控沉积地位;到渐新世随着涠西南断裂活动减弱,3号断裂活动增强,并逐渐成为该时期的主控断裂,控制涠洲组的沉积(图 3)。随着时间的推移,构造应力由 NW向变为NNW向,然后变为近NS向,边界主控断裂由NE-S W向的涠西南断裂转变为 NEE-S WW向的 3号断裂,空间位置由西向东迁移。

涠西南凹陷古新世涠西南断裂为主控断裂,控制长流组沉积 (图 4);到始新世随着涠西南断裂活动减弱,1号断裂活动增强,逐渐成为主控断裂,控制流沙港组沉积 (图 4);到渐新世随着 1号断裂活动减弱,2号断裂活动逐渐增强,并发展成为主控断裂,控制涠洲组沉积 (图 4)。从古新世到渐新世,边界主控断裂由涠西南断裂变为 1号断裂再变为 2号断裂,随着它们此消彼长,此伏彼起,边界主控断裂由北西向南东方向迁移。

图3 北部湾盆地海中凹陷主控断裂落差Fig.3 Fault throws of the major boundary faults in Haizhong sag,Beibuwan Basin

图 4 北部湾盆地涠西南凹陷主控断裂落差Fig.4 Fault throws of the major boundary faults in Weixinan sag,Beibuwan Basin

乌石凹陷古新世和始新世主要由 7号断裂控制盆内长流组和流沙港组沉积 (图 5);到渐新世随着构造应力的改变,构造活动的迁移,7号断裂活动减弱,6号断裂活动逐渐增强并发展成为主控断裂,控制涠洲组沉积 (图 5)。随着时间的推移,边界主控断裂由 7号断裂变为 6号断裂,空间位置由南东向北西方向迁移。

迈陈凹陷古新世 9号断裂和灯楼角断裂北东段活动强烈,分别控制盆内西洼和东洼的长流组沉积,但 9号段裂活动较强 (图 6);始新世随着构造应力的改变及构造活动的迁移,西洼 9号断裂活动强度有所减弱但向北迁移,东洼灯楼角断裂活动增强且向西扩展并成为该时期主控断裂 (图7);渐新世构造应力继续顺时针旋转,东洼构造活动向西迁移,近东西向迈 3、迈 4断裂活动增强,与灯楼角断裂一起控制涠洲组沉积,但迈 4断裂位居主要控沉积地位 (图 6)。总体上,迈陈凹陷东洼主控断裂由灯楼角断裂变为迈 4断裂,迁移方向由东向西。

2)沉降中心和沉积中心的迁移

随着各凹陷边界主控断裂此消彼长,此伏彼起的的时空迁移,其沉降中心和沉积中心也随之迁移。从研究区各时期沉降中心和沉积中心迁移图(图 7,图 8)中可以看出,从古新世到渐新世,海中凹陷的沉降中心和沉积中心从涠西南断裂下降盘迁移到 3号断裂下降盘,迁移方向为由西向东;涠西南凹陷的沉降中心从涠西南断裂下降盘迁移到 1号断裂下降盘,再迁移到 2号断裂下降盘;沉积中心从 1号断裂下降盘迁移到 2号断裂下降盘,迁移方向为由北西向南东;乌石凹陷的沉降中心和沉积中心从 7号断裂下降盘迁移到 6号断裂下降盘,迁移方向为由南东向北西迁移;迈陈凹陷西洼沉降中心和沉积中心随着 9号断裂活动强度向北迁移而扩大,东洼的沉降中心和沉积中心从灯楼角断裂下降盘迁移到迈 3号断裂、迈 4号断裂下降盘,迁移方向为由东向西迁移。受构造活动迁移的影响,中新世坳陷期,沉降中心和沉积中心逐渐向研究区中部迁移(图 7,图 8)。

图 6 北部湾盆地迈陈凹陷主控断裂落差Fig.6 Fault throws of the major boundary faults in Maichen sag,Beibuwan Basin

图 7 北部湾盆地古新世—渐新世沉降中心迁移Fig.7 Subsidence center transport during the Paleocene-Oligocene in Beibuwan Basin

图 8 北部湾盆地始新世—渐新世沉积中心迁移Fig.8 Depocenter transport during the Eocene-Oligocene in Beibuwan Basin

3.2 汇聚型偏对称性

迁移的偏对称性是指对称轴偏向一方的迁移特性[3]。根据偏对称轴两侧的迁移方向是偏向还是偏离偏对称轴,可将偏对称迁移分为汇聚型偏对称迁移 (偏向偏对称轴)和离散型偏对称迁移(偏离偏对称轴)。从整体上看,研究区的四个凹陷具有汇聚型偏对称迁移的特征,既具有汇聚性又具有偏对称性。

从古新世到渐新世,涠西南凹陷主控断裂、沉降中心和沉积中心由北西向南东方向迁移,逐渐向企西隆起靠拢 (图 7,图 8);海中凹陷的边界主控断裂、沉降中心和沉积中心由西向东迁移(图 7,图 8);乌石凹陷的边界主控断裂、沉降中心和沉积中心由南东向北西方向迁移,也向企西隆起方向迁移(图 7,图 8);迈陈凹陷东洼的沉降中心和沉积中心由东向西迁移,也向企西隆起靠拢(图 7,图8)。到下、中新统下洋组沉积期,研究区的沉降中心和沉积中心已迁移至研究区中部,位居偏对称轴企西隆起的两侧,到中新世末挤压反转运动之后,早期的沉降中心和沉积中心已抬升成为构造高点,相应的沉降中心和沉积中心接近企西隆起的鞍部,即将连成一片。研究区将演变成周围高中间低且只有一个沉降中心和沉积中心的凹陷。

从以上的分析研究中可以看出,古新世研究区除海中凹陷和涠西南凹陷连成一片外,各沉积单元相互独立,随着构造活动的迁移,各凹陷沉降中心和沉积中心逐渐向企西隆起靠拢,到早中新世研究区的沉降中心和沉积中心已汇聚到企西隆起的两侧,但还没有连成一片,但到中新世末期,已基本汇聚在一起,汇聚到研究区企西隆起的鞍部。整体上,研究区以企西隆起为偏对称轴由多凹逐渐发展演化汇聚成单凹,具有明显的汇聚型偏对称迁移特征。

4 构造迁移对油气成藏的影响

构造运动控制着沉积盆地的形成和演化、沉积作用以及沉积层序的形成[22],从而控制着烃源岩、储层和盖层的发育和分布,此外,构造运动还控制着各种地质构造的发育和分布,从而控制着圈闭的发育和分布、油气的运移聚集成藏等,因此,构造运动的迁移必然影响油气成藏的各个环节。主要表现在以下 4个方面。

1)构造运动为烃源岩的形成提供了沉积所需的可容纳空间,它的迁移为烃源岩的形成提供了更多的空间,使烃源岩的发育层位逐渐偏上,空间展布错落有致。研究区受构造运动迁移的影响,发育了两套烃源岩—始新统流沙港组深湖相烃源岩和渐新统涠洲组煤系气源岩[23-25],它们的空间展布错落有致,如涠西南凹陷流沙港组烃源岩主要分布在 1号断裂下降盘,而涠洲组煤系气源岩主要分布在 2号断裂下降盘;乌石凹陷流沙港组烃源岩主要分布在 7号断裂下降盘,而涠洲组煤系气源岩主要分布在 6号断裂下降盘。

2)构造运动的迁移为早期已经沉积的有机质提供良好的保存以及以后的生烃演化条件。对于同一条控沉积断裂,早期活动强烈,为有机质的沉积提供可容纳空间。构造运动的迁移其活动强度的逐渐减弱,为有机质的保存及生烃演化提供了良好的环境。

3)构造迁移过程中伴随的能量的变化,会引起周围温压场的改变,这不仅能促使烃源岩的生烃演化,还能为烃源岩的排烃、油气运移提供驱动条件,温压变化产生的裂缝等又为油气的运移提供通道。

4)由于构造应力场的改变及构造“运动”的迁移,研究区断裂系统纵横交错,平面上呈‘树’形展布,从而形成了大量构造圈闭,为油气聚集成藏提供了场所。

受构造迁移的影响,同一时期不同地区构造活动强度的不同,以及不同时期相同地区和不同地区构造活动强度的不同,研究区四个凹陷的富烃情况有所不同,涠西南凹陷是主要的富生烃凹陷,乌石凹陷次之,海中凹陷次于乌石凹陷,迈陈凹陷次于海中凹陷。

5 结论

1)北部湾盆地在裂陷期,构造应力场发生顺时针旋转,从古新世的NW-SE向张应力转变为始新世的NNW-SSE向张应力,渐新世又转变为近SN向剪切应力。

2)随着构造应力场的改变,各凹陷边界主控断裂的活动时期和空间位置也随之改变,呈现出此消彼长,此伏彼起的“波浪式”定向迁移特征,同时各凹陷的沉降中心和沉积中心也随之迁移。整体上研究区4个凹陷的构造迁移具有汇聚型偏对称性。

3)从烃源岩的形成到生烃演化,再到油气的运移、聚集成藏,构造迁移都对其有着非常重要的影响。它为烃源岩的形成提供了可容纳空间,控制了烃源岩的空间展布,为烃源岩的生烃演化提供良好的环境和条件,为油气的运移提供了断裂、裂缝等运移通道以及温压势差等驱动条件,还为油气的聚集成藏提供了大量圈闭等聚集场所。

4)受构造迁移的影响,研究区 4个凹陷的资源丰度有所不同,涠西南凹陷的资源丰度大于乌石凹陷,海中凹陷次之,迈陈凹陷次于海中凹陷。

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Tectonic transport characteristics and their influences on hydrocarbon accumulation in Beibuwan Basin

HuWangshui1,2,Wu Chan1,2,Liang Jianshe3,Hu Fang1,2,Cai Feng1,2,Chai Haodong1,2and Zou Qiyang1,2

(1.College of Geosciences,Yangtze University,Jingzhou,Hubei434023,China;2.Key Laboratory of Petroleum Resources and Exploratory Technology of theMinistry of Education,Yangtze University,Jingzhou,Hubei434023,China;3.CNOOC Research Institute,B eijing100027,China)

Geological data and various logging data were integrated to perform geologic interpretation of 3Dseismic data of 4 sags in Beibuwan Basin.Characteristics of tectonic transport in this basin were discussed based on analyses of spatial distribution of the major boundary faults of each sag,fault throw at different stages and the transport of depocenter and subsidence center in the basin at different stages.The influencesof tectonic transport on hydrocarbon accumulation was also discussed.The tectonic transport of Beibuwan Basin is characterized by wave-like directivity and convergent bias-symmetry.Tectonic transport resulted in present tectonic framework of the basin,controled the source-reservoir-caprock assemblages within the basin,changed temperature and pressure fields,accelerated source rock maturation and evolution,and hydrocarbon migration and accumulation. Because of the influence of tectonic transport,the source rock richness are different from sag to sag in the basin, theWeixinan sag has the richest source rock followed by theWushi sag,Haizhong sag andMaichen sag.

subsidence center,depocenter,tectonic transport,hydrocarbon accumulation,Beibuwan Basin

TE121.1

A

0253-9985(2011)06-0920-08

2011-04-21。

胡望水(1963—),男,教授、博士生导师,石油构造与沉积盆地分析。

国家科技重大专项(2008ZX05023)。

(编辑 张亚雄)