珠江口盆地白云凹陷反转构造发育特征
2015-10-10徐子英彭学超
徐子英,孙 珍,彭学超
(1.国土资源部海底矿产资源重点实验室广州海洋地质调查局,广州510075;2.中国科学院边缘海地质重点实验室南海海洋研究所,广州510301)
珠江口盆地白云凹陷反转构造发育特征
徐子英1,2,孙珍2,彭学超1
(1.国土资源部海底矿产资源重点实验室广州海洋地质调查局,广州510075;2.中国科学院边缘海地质重点实验室南海海洋研究所,广州510301)
为揭示珠江口盆地白云凹陷反转构造的反转强度及反转形成时期,利用反转构造定量分析方法,即生长指数、位移—距离曲线及反转率对白云凹陷反转构造进行了定量分析。结果表明,白云凹陷存在2期反转:早期反转活动始于渐新世早期(34.0×106~32.0×106a),主反转期为渐新世晚期(32.0×106~23.8×106a),反转程度较强;晚期反转活动始于中新世中期的早期(15.5×106~13.8×106a),主反转期为中期的末期(13.8×106~12.5×106a),反转程度轻微。早期反转构造应力有2个:一个是白云凹陷强烈沉降引起的重力势,另一个是南海扩张所产生的左行压扭应力,重力势是主控因素;晚期构造应力主要受东沙运动的影响,推测反转应力来自盆地东部,与菲律宾板块挤压有关。晚期反转构造圈闭为更有利的油气成藏区。
珠江口盆地;白云凹陷;反转构造;反转强度;定量分析
1 地质概况
反转构造是指同一地质体在不同地质历史时期,由于应力场的变化,造成先存伸展构造叠加挤压构造的一种复合构造[1]。因其与油气的运移、聚集、勘探选区和油气资源量估算等密切相关,常成为油气勘探的首选目标[2]。反转构造定量研究方法可详细剖析反转构造运动学演化特征[2-3],对反转构造的反转强度、反转时间和反转期次给出定量标准,同时还可直观地反映反转构造发育的过程,从而指导评价反转构造对油气运聚的影响。
珠江口盆地位于南海北部陆缘,呈北东东走向,构造格局呈“南北分带,东西分块”的发育特征。白云凹陷位于珠江口盆地珠二坳陷内,北靠番禺低隆起,南临南部隆起带,西为开平凹陷,东为潮汕坳陷,总体上呈北东东向展布,是南海北部陆缘最大的一个深水凹陷(图1)。白云凹陷发育地层从老到新分别为古近系文昌组、恩平组、珠海组,新近系珠江组、韩江组、粤海组、万山组以及第四系。白云凹陷主要经历了断陷期、断拗过渡期及拗陷期3个演化阶段(图2)。新生代以来经历了5次构造运动[4-5],分别为神狐运动、珠琼运动(二幕)、南海运动、白云运动和东沙运动。断裂主要分布在白云凹陷东北部和西南部,主要呈北西西和北东东走向,断裂规模较小,大多为正断层。
图1 珠江口盆地白云凹陷构造位置(据文献[9]改编)
图2 珠江口盆地白云凹陷地层特征剖面(据文献[4]改编)
珠江口盆地反转构造主要分布在珠三坳陷和珠二坳陷,珠三坳陷反转区主要为文昌凹陷和琼海凹陷,珠二坳陷反转构造主要分布在白云凹陷区。文献[6]认为珠三坳陷有2种反转构造类型,并讨论了不同反转构造样式对油气成藏的影响。文献[2]根据反转构造的几何学与运动学特征,认为珠三坳陷琼海凹陷的反转构造属于上凸下凹的褶皱型反转构造。文献[7]通过定量研究方法认为琼海凹陷构造反转主要发生在中新世晚期,反转程度轻微。文献[5]认为东沙运动引起盆地发生明显的断块升降、隆起剥蚀和局部反转褶皱现象。文献[5]和文献[8]认为珠江口盆地构造反转发育时间主要为中新世中期—中新世晚期,还发育了一组北西西向张剪断裂,反转强度自东向西减弱,并推测反转应力来自盆地的东侧,与菲律宾板块的挤压作用有关。
前人的研究为认识珠三坳陷反转构造的发育特征奠定了重要的基础,但讨论白云凹陷反转构造的文献甚少,文献[9]通过白云凹陷的主要断裂分析,认为白云凹陷区域断裂不仅存在多期次发育特征,而且在32.0×106a以后区域断裂发生了多次反转活动,反转断裂的发育时间、反转强度、反转活动对油气成藏的影响,对油气勘探均具有重要指导作用。本文利用反转构造定量方法来深入剖析白云凹陷反转构造的反转期次,反转时刻及反转强度,并探讨其成因机制及对油气成藏的影响。
2 反转构造定量研究方法
反转构造定量研究方法包括生长指数、位移—距离曲线、反转率、构造高程、地层断距等参数。本文主要利用生长指数、位移—距离曲线和反转率对研究区的反转构造进行定量研究。
2.1生长指数
生长指数(IG)是一个判定伸展和挤压作用时间和速率的参数。生长指数反映了断层的生长速度,即断层的活动强度,正断层生长指数越大或逆断层(反转断层)生长指数越小,表示断层的活动强度越大[10]。文献[3]定义生长指数(IG)的公式为
式中hh,hf——分别为断层上、下盘同一层位地层的垂直厚度,且紧靠断层位置测量,m.
为了探讨挤压作用强度,就要考虑到挤压反转期间所形成的地层(同反转层序),以及在断层平静期形成的地层(前伸展、后伸展和后反转层序)。如果上、下盘厚度大体一致(hh=hf),则生长指数IG=0,表示断层处于平静期;就同伸展层序而言,如上盘厚度明显大于下盘厚度(hh>hf),则生长指数IG>0,表示断层处于同伸展活动期;就同反转层序而言,如上盘厚度小于下盘厚度(hh 图3 断裂剖面模式(a)和生长指数(b) 这种方法分析的前提是:①假定在所有变形阶段沉积速率与断层生长速率保持同步;②断层上、下盘没有较大沉积间断;③假定断裂活动期间,沉积及时、补偿完全,凹陷内不同部位的沉积速率一致。在图3中,伸展断层在地层2沉积时开始生长并达到最大速率。随后,伸展变形速率下降,至地层4沉积时完全停止,并被侵蚀不整合所削截。到地层5沉积时,挤压变形开始并达到最大速率。该方法简单有效,有助于快速确定反转层位和反转时刻。 2.2位移—距离曲线 位移—距离曲线法最早由文献[1]提出,主要是研究沿断层的位移量与地层累计厚度之间的变化关系,通过绘制位移—距离曲线图可以直观地反映反转构造的发育过程。选取同伸展期地层单元顶部断层停止活动的点作为参考点,以断层上盘各标志层离参考点的距离(平行于断层面度量)为纵轴,以各标志层的位移性质(伸展位移或挤压位移)和断层上盘地层对应于下盘相应地层在断面上的位移量大小为横轴进行投点,标志层的挤压位移在纵轴左边,伸展位移在纵轴右边,这样就可以绘制得到反转断层位移—距离曲线(图4)。该曲线与纵轴交点为零点,在逐步的挤压反转过程中,整条曲线形态不变但向左移动,这时零点沿纵轴向下移动,真实地反映了反转时的情形。计算反转率(Ri)所需参数(dc,de,dh)也可在图4中直接得到。该方法可以用定量的方法帮助确定零点的位置。 2.3反转率 反转率(Ri)可用来定量描述反转构造的反转程度[1],可定义为同伸展层序中收缩位移与伸展位移的比值,它由平行于断层上盘同伸展层序的厚度及零点位置来确定(图4a)。 在先存断层受挤压活动时,同伸展期层序的上部地层先于下部地层受挤压抬升,即在任何情况下,同伸展层序存在着上部的净挤压状态和下部的净拉张状态,二者之间有一既无伸展、又无挤压的界线(在这一界线上看不到断层活动),这一界线与断层的交点称作零点(null point)。随着挤压变形的逐步推进,零点在同伸展层序中沿断面由上向下位移。反转率计算公式为 图4 正反转断层剖面模式(a)及位移—距离曲线(b)(引自文献[1]) 式中dc——同伸展层序收缩部分(零点以上)的厚度,m;dh——同伸展层序的厚度(平行于断层),m;de——同伸展层序保留正断层位移部分(零点以下)的厚度,m. 反转率Ri一般取值为0~1.如果零点位于同伸展层序的顶面,则Ri=0,dc=0,de=dh,即未发生构造反转;如果零点位于同伸展层序的底面,Ri=1,de=0,dc=dh,即同伸展层序全部反转。本方法有助于定量化反转构造的反转程度,但零点的判断和选取至关重要,将本方法与前两种方法结合,可以达到准确完整认识反转构造的效果。 珠江口盆地白云凹陷典型反转构造地震剖面如图5所示,蓝色断层为反转断层,地震剖面位置见图1.该地震剖面总长约12 km,其中T80(39.0×106a)为始新统恩平组底界面,T70(32.0×106a)为渐新统珠海组底界面,T60(23.8×106a)为中新统珠江组底界面,界面sb21(21.0×106a)、界面sb18.5(18.5×106a)、界面sb17.5(17.5×106a)和界面sb16.5(16.5×106a)属于珠江组,界面T40(15.5×106a)为中新统韩江组底界面,界面T30(13.8×106a)和界面sb12.5(12.5×106a)属于韩江组,界面T20(10.5×106a)为中新统粤海组底界面,界面T10(5.5×106a)为上新统万山组底界面。 图5 珠江口盆地白云凹陷反转构造地震剖面 3.1生长指数分析 利用(2)式,计算了白云凹陷反转构造在不同时期的生长指数,结果见图6a.结果表明,白云凹陷断层活动是多期的,发育了3期伸展和2期反转,早期反转比晚期反转强烈。从断层生长指数图(图3b)上可以看出,始新世晚期—渐新世早期(39.0×106~32.0× 106a),断层为强烈伸展活动期,生长指数约为0.75.渐新世晚期(32.0×106~23.8×106a),断层发生反转,生长指数为-0.17.随后,断层又开始强烈伸展活动,在中新世早期(23.8×106~15.5×106a),断层生长指数值较大,平均值达0.48,表明此期间断层比较活跃,断层伸展强度较大;在中新世早期(15.5×106~13.8×106a),断层生长指数值减少约0.20,表明此期间伸展断层活动减弱。随着伸展断层活动减弱,在中新世中期的末期时期(13.8×106~12.5×106a),构造又发生了反转,生长指数值为-0.15.此后,断层又进入了新一期的强烈伸展活动期。 3.2位移—距离曲线分析 白云凹陷同伸展地层包含39.0×106~5.5×106a期间沉积的所有地层,以T10沉积地层界面作为断层活动停止界面,以断层上盘各地层界面到T10沉积地层界面的距离(平行于断层面度量)为纵轴,以各地层界面的位移性质(伸展位移或挤压位移)和断层上盘地层对应于下盘相应地层在断面上的位移量为横轴进行投点,地层界面的挤压位移在纵轴左边,伸展位移在纵轴右边,由此绘制出白云凹陷位移—距离曲线(图6b)。从图6上可以看出,白云凹陷位移—距离曲线零点出现2次,表明发生过2次构造反转活动,早期零点位于始新世晚期—渐新世早期(39.0×106~32.0× 106a),表明白云凹陷早期反转活动开始于渐新世早期(34.0×106~32.0×106a),主反转期为渐新世晚期(32.0×106~23.8×106a)。晚期零点位于中新世韩江组沉积时期(15.5×106~13.8×106a),表明白云凹陷晚期反转活动开始于中新世中期的早期(15.5×106~13.8× 106a),主反转期为中新世中期的末期(13.8×106~ 12.5×106a)。从白云凹陷的位移—距离曲线可以得出计算反转率所需参数(dc,de,dh)。 图6 白云凹陷反转构造生长指数(a)和位移—距离曲线(b) 3.3反转率分析 利用位移—距离曲线和(2)式,计算了白云凹陷2次构造反转率,早期反转率Ri=9.6/13.7=0.70,表明白云凹陷早期构造反转程度强烈。晚期反转率Ri= 2.9/12.2=0.24,表明白云凹陷晚期构造反转程度轻微。 4.1计算结果分析与讨论 对比利用生长指数和位移—距离曲线判断的反转开始时间,可以看出,利用位移—距离曲线判断的反转开始时间要稍早于用生长指数判断的反转时间。这是因为根据零点来判断的反转发生的时间比实际反转时间提前了。因为假设反转是个瞬时事件的话,假设在某一地层的底部发生反转的话,反转后发生的沉积作用,其位移距离值必然小于0,这样零点就不在这一地层底部,而是要下移到该层下面的地层某一位置,所以对于沉积连续的地区,用生长指数来判断似乎更合理些,但通过位移—距离曲线可以直观看出反转构造发育过程,计算反转率所需参数(dc,de,dh)也可从图6中直接得到。 通过对珠江口盆地白云凹陷反转构造参数计算分析,认为白云凹陷构造反转是多期的,早期反转活动始于渐新世早期(34.0×106~32.0×106a),主反转期为渐新世晚期(32.0×106~23.8×106a),反转程度较强,反转率达0.7;晚期反转活动始于中新世中期的早期(15.5×106~13.8×106a),主反转期为中新世中期的末期(13.8×106~12.5×106a),反转程度轻微,反转率为0.24;总体上,伸展期断层活动比挤压期断层活动强烈。白云凹陷在32.0×106a以后都表现出发育北西西向断裂的特征,且多数倾向都指向白云凹陷沉积中心,推测主控应力可能来自于白云凹陷沉积中心,同时,主凹区出现多条断裂的反转挤压,在近相互垂直的北北西向断裂和北东东向边界断裂、以及与两者都相交的北西西向断裂上近同时期都出现反转,一个方向的挤压力似乎很难达到如此效果,因此推测反转应力来源可能不唯一。文献[9]通过构造分析和物理模拟实验,认为研究区早期断裂反转受2个应力的影响;一个是白云凹陷沉积中心强烈沉降所带来的地形倾斜的重力势;另一个为南海扩张所产生的左行压扭应力,但重力势是断裂发育和构造活动的主要控制因素。所计算的晚期反转时期与文献[5]和文献[8]的认识比较一致,为中新世中期的末期(13.8×106~12.5×106a),后期反转应力推测来自盆地东部,与菲律宾板块挤压有关[9-10]。因为在研究中发现,13.8× 106a以后白云凹陷的沉积和构造格局与之前发生了较大的变化,东沙隆起区及其以东区域出现较大范围的抬升和断裂活化,白云凹陷发育了一组北西西向张剪断裂,部分断裂发生褶曲,故推测白云凹陷在中新世中期的末期受到菲律宾板块的挤压作用的影响。 4.2反转构造对油气成藏控制作用的探讨 白云凹陷在断陷期(古新世—渐新世早期)为湖泊充填期,发育了始新统文昌组湖相烃源岩和上渐新统恩平组浅湖相—沼泽相烃源岩。断拗过渡期(渐新世晚期)海水入侵,沉积了海湾相砂泥岩,发育了珠海组海陆过渡相烃源岩[11],同时形成了珠海组上、下2套储盖组合,下部砂岩为储集层,上部大套泥岩为盖层。早中新世珠江组储盖组合形成,早期为退积的海湾相沉积,为滨海相砂岩储集层;珠江组沉积晚期又一次海侵,成为开阔浅海,以泥质沉积为主,为区域性盖层。中新世中期(韩江组沉积时期)及其以后(粤海组和万山组沉积时期)一直为开阔海相沉积[12]。前人研究表明,文昌组、恩平组以及可能的珠海组烃源岩都有很长的生排烃期[11-13],文昌组烃源岩的主排烃期为32.0×106~10.0×106a,最大排烃期在25.0×106a左右;恩平组烃源岩的主排烃期为23.8×106a至今,最大排烃期在10.0×106a左右;珠海组烃源岩的主排烃期为5.0×106a至今。 白云凹陷反转构造位于主断裂下降盘,油气主要沿断裂向上运移并聚集成藏。古新世至渐新世早期,由于神弧运动与珠琼运动的影响,断裂伸展活动强烈。渐新世晚期,由于南海扩张运动对白云凹陷产生左行压扭应力及白云凹陷强烈沉降所带来的地形倾斜的重力势的共同作用,使得断裂发生反转,形成早期反转构造圈闭。此期间珠海组沉积发育,形成了一套储盖组合,下伏文昌组烃源岩开始进入主排烃期,油气沿断裂运移至早期反转构造圈闭并聚集成藏。随后白云运动的影响,断裂又开始进入伸展阶段,伸展强度由强变弱,到中新世中期,由于东沙运动挤压的影响,断裂又发生新一期反转,形成晚期反转构造圈闭。中新世晚期,断裂又开始伸展,恩平组烃源岩在粤海组沉积初期大量成熟排烃,珠海组烃源岩的主生排烃期为5.0×106a至今,故晚期反转构造圈闭可捕获恩平组和珠海组烃源岩在主排烃期生成的油气,早期构造反转形成的圈闭除了捕获文昌组烃源岩在排烃期生成的油气,也可捕获后期恩平组和珠海组烃源岩在主排烃期生成的油气,但由于断裂不断地持续活动,断裂对前期的油气圈闭会有局部破坏作用,导致早期圈闭内的部分油气沿断裂再次向上运移,被晚期构造反转形成的圈闭捕获,因此,晚期反转构造是更有利的油气构造圈闭,早期反转构造圈闭次之。 (1)对白云凹陷反转构造3种定量方法计算所得结果进行综合分析,认为白云凹陷存在2期构造反转,早期反转活动始于渐新世早期,主反转期为渐新世晚期,反转程度较强;晚期反转活动始于中新世中期的早期,主反转期为中新世中期的末期,反转程度轻微。 (2)白云凹陷2期反转构造的应力发育机制不同,早期反转构造应力有2个,一个是白云凹陷强烈沉降所带来的重力势,另一个是南海扩张所产生的左行压扭应力,但重力势是主要控制因素。晚期反转构造挤压应力主要是受东沙运动的影响,推测反转应力来自盆地东部,与菲律宾板块挤压有关。 (3)白云凹陷反转构造圈闭的油气主要沿断裂向上运移并聚集成藏。晚期反转构造为更有利的油气构造圈闭,早期反转构造圈闭次之。 感谢中科院南海海洋研究所杨小秋博士对本文提出的宝贵建议。 [1]Williams G D,Powell C M,Cooper M A.Geometry and kinematics of inversion tectonics[C]//Cooper M A,Williams G D.Inversion tectonics.London:Geological Society Special Publication,1989. [2]蔡希源,王根海,迟元林,等.中国油气区反转构造[M].北京:石油工业出版社,2001:368-381. Cai Xiyuan,Wang Genhai,Chi Yuanlin,et al.Inversion structures in Chinese oil and gas basins[M].Beijing:Petroleum Industry Press,2001:368-381. [3]Mitra S.Geometry and kinematic evolution of inversion structures[J].AAPG Bulletin,1993,77(7):1 159-1 191. [4]庞雄,陈长民.南海珠江深水扇系统及油气[M].北京:科学出版社,2007:283-287. Pang Xiong,Chen Changmin.Deep water fan and oil&gas in Pearl River Mouth basin of the South China Sea[M].Beijing:Science Press,2007:283-287. [5]李平鲁.珠江口盆地构造特征与油气聚集[J].广东地质,1994,9(4):21-28. Li Pinglu.Structural features and oil&gas accumulation in Pearl River Mouth basin[J].GuangdongGeology,1994,9(4):21-28. [6]姜华,王华,肖军,等.珠江口盆地珠三坳陷构造反转与油气聚集[J].石油学报,2008,29(3):372-377. Jiang Hua,Wang Hua,Xiao Jun,et al.Tectonic inversion and its re⁃lationship with hydrocarbon accumulation in Zhu⁃3 depression of Pearl River Mouth basin[J].Acta Petrolei Sinica,2008,29(3): 372-377. [7]徐子英,孙珍,张云帆,等.南海北部陆缘盆地反转构造研究:以莺歌海盆地临高隆起和珠江口盆地琼海凹陷为例[J].地学前缘,2010,17(4):90-98. Xu Ziying,Sun Zhen,Zhang Yunfan,et al.Inversion structures in the northern continental margin of the South China Sea:taking Lin⁃gao uplift in the Yinggehai basin and Qionghai sag in the Pearl Riv⁃er Mouth basin as examples[J].Earth Science Frontiers,2010,17(4):90-98. [8]孙珍,孙龙涛,张云帆,等.华光凹陷构造演化及其对油气成藏的影响[R].广州:中国科学院南海海洋研究所边缘海地质重点实验室报告,2007. Sun Zhen,Sun Longtao,Zhang Yunfan,et al.Tectonic evolution of Huaguang sag and its significance for hydrocarbon accumulation[R].Guangzhou:Report of CAS Key Laboratory of Marginal Sea Ge⁃ology,South ChinaSeaInstitute of Oceanology,2007. [9]Sun Zhen,Xu Ziying,Sun Longtao,et al.The mechanism of post⁃rift fault activities in Baiyun sag,Pearl River Mouth basin[J].Journal of Asian Earth Sciences,2014,89:76-87. [10]陈刚,戴俊生,叶兴树,等.生长指数与断层落差的对比研究[J].西南石油大学学报,2007,29(3):20-23. Chen Gang,Dai Junsheng,Ye Xingshu,et al.Comparison of the fault growth index with fault throw[J].Journal of Southwest Petro⁃leum University,2007,29(3):20-23. [11]朱俊章,施和生,庞雄,等.白云凹陷天然气生成与大中型气田形成关系[J].天然气地球科学,2012,23(2):213-221. Zhu Junzhang,Shi Hesheng,Pang Xiong,et al.Discussion on natu⁃ral gas generation and giant-medium size gas field formation in Baiyun sag[J].Natural Gas Geoscience,2012,23(2):213-221. [12]龚再升,李思田,汪集旸,等.南海北部大陆边缘盆地油气成藏动力学研究[M].北京:科学出版社,2004:272-280. Gong Zaisheng,Li Sitian,Wang Jiyang,et al.Dynamic research of oil and gas accumulation in northern marginal basins of South Chi⁃naSea[M].Beijing:Science Press,2004:272-280. [13]谢志远,李元平,孙珍,等.白云凹陷断裂活动与油气成藏耦合关系的盆地模拟研究[J].热带海洋学报,2015,34(1):30-41. Xie Zhiyuan,Li Yuanping,Sun Zhen,et al.A basin modeling study on the coupling of fault activity and hydrocarbon accumula⁃tion in the Baiyun sag[J].Journal of Tropical Oceanography,2015, 34(1):30-41. Development Characteristics of Inverted Structures in Baiyun Sag in Pearl River Mouth Basin XU Ziying1,2,SUN Zhen2,PENG Xuechao1 (1.Guangzhou Marine Geological Survey,MLR Key Laboratory of Marine Mineral Resources,Guangzhou,Guangdong 510075,China; 2.South ChinaSeaInstitute of Oceanology,CAS Key Laboratory of Marginal SeaGeolology,Guangzhou,Guangdong 510301,China) To reveal the intensity and timingof inverted structures in Baiyun sagin Pearl River Mouth basin,the quantitative analysis meth⁃od for inverted structure,including growth index,displacement-distance curve and reversal rate,is applied to quantitative analysis of Bai⁃yun sag’s inverted structures.The results show that the tectonic inversion happed twice in Baiyun sag.The early inversion began in the Ear⁃ly Oligocene(34.0×106~32.0×106a),mainly developed in the Late Oligocene(32.0×106~23.8×106a),with strong inversion degree;the late inversion began in early Middle Miocene(15.5×106~13.8×106a),mainly developed in late Middle Miocene(13.8×106~12.5×106a),with mild inversion degree.The early inverted tectonic stress contains the gravitational potential created by the intensive subsiding of Baiyun sag and the sinistral compressive⁃torsional stress produced by South China Sea spreading,of which the gravitational potential is the main controlling factor.The late tectonic stress is mainly affected by the Dongsha movement,so the inversion stress may come from the eastern part of Pearl River Mouth basin,possibly related with squeezed effect of Philippine plate.The late inverted structural trap could be the more favorable areafor hydrocarbon accumulation. Pearl River Mouth basin;Baiyun sag;inverted structure;inversion intensity;quantitative analysis TE111.1 A 1001-3873(2015)04-0394-07 10.7657/XJPG20150404 2014-11-14 2015-05-18 国土资源部海底矿产资源重点实验室开放基金项目(KLMMR-2013-A-10);中国科学院边缘海地质重点实验室基金项目(MSGL12-08);中国地质调查局项目(1212011220116,GZH201400202,1212011220115) 徐子英(1981-),女,江西上饶人,工程师,地质构造分析,(Tel)13632491242(E-mail)ziyingx06@scsio.ac.cn.3 白云凹陷反转构造定量分析
4 计算结果讨论及油气成藏探讨
5 结论