红河断裂活动对琼东南盆地环崖南凹陷构造-沉积-成藏的影响

2021-04-06王真真王世朝李安琪李明李夏露陈奎

海相油气地质 2021年1期

王真真，王世朝，李安琪，李明，李夏露，陈奎

中海石油（中国）有限公司湛江分公司

0 前言

琼东南盆地西部环崖南凹陷是盆地内最早开展油气勘探的区域之一。20 世纪70 年代在崖南凹陷西北部勘探发现的崖城13-1大型气田，为中国海域投产较早的大型海上气田。此后，在崖南凹陷周边开展了大量勘探工作，但收效甚微。随着崖城13-1气田进入生产末期，亟需在周边区域寻找新的气藏来实现油气生产接替。前人对环崖南凹陷地质与成藏条件进行了深入研究，对崖南凹陷构造演化、沉积演化、烃源条件、储盖组合及油气运聚条件等开展了大量工作，取得了一系列重要成果［1-9］，但这些成果认识未能助推油气勘探走出困境。

笔者综合分析区域构造-沉积响应特征及成藏要素，认为环崖南凹陷的油气勘探尚有3 个方面的地质问题有待解决：①构造方面，琼东南盆地是以NE、NEE 走向断层为主要控凹断层的沉积盆地，受红河断裂影响，环崖南凹陷发育大量NW 走向断层［10］，这使得构造更为复杂，但在以往的研究中，NW 走向断层在区域构造格局和油气成藏中的作用被忽视了。②沉积方面，中中新世环崖南凹陷发育碳酸盐台地，台地范围向北延伸至崖北凹陷西部以及莺歌海盆地东北部，发育范围较大，这是盆地北部最大的碳酸盐沉积区，该时期的沉积演化机制尚没有开展研究。③成藏方面，环崖南凹陷依靠NE、NEE 走向断层作为油气输导层的目标全部钻探失利，而依靠NW 走向断层作为油气输导层的目标都有较好的油气发现，目前尚未对这种规律提出合理的理论解释。笔者认为开展红河断裂带的活动及其影响的研究可能是解决上述问题的关键。

在前人研究的基础上，本文进一步分析了红河断裂走滑活动对琼东南盆地不同演化阶段的断裂活动性特征、地层与沉积演化特征、油气成藏规律等3 个方面的影响，论证了红河断裂走滑活动对环崖南凹陷构造-沉积作用的影响以及对成藏条件的意义，较合理地解释了目前勘探研究中存在的3 个问题，为下一步勘探指明了方向。

1 区域地质概况

南海位于欧亚板块、印度板块、太平洋板块的交会地带，三大板块的耦合作用控制了南海的构造演化及南海北部陆缘盆地的构造格局、沉积响应及油气地质特征。琼东南盆地作为南海北部重要的陆缘深水盆地（图1a），其新生代构造演化经历了断陷期、拗-断期、断-拗期和拗陷期等四个阶段［11］（表1），与青藏高原隆升、南海扩张、红河断裂走滑活动等构造事件具有重要耦合作用［12-19］，其中红河断裂走滑活动在盆地西部构造演化中的作用最为重要［20］。红河断裂带又称哀牢山—红河剪切带，是在印度板块与欧亚板块碰撞演化过程中形成的大型走滑断裂带，为华南陆块与印支地块的边界断裂［21-23］。

图1 红河断裂带区域位置（a）及琼东南盆地西部构造单元与主要断裂分布（b）Fig.1 Regional location of Red River fault zone(a)and tectonic units and fault distribution(b)in the west of Qiongdongnan Basin

表1 琼东南盆地构造-沉积演化表（据文献[11-19,24-27]，有修改）Table 1 Tectonic and sedimentary evolution of Qiongdongnan Basin(cited from reference[11-19,24-27])

F1断层为红河走滑断裂在海域的延伸部分［28-31］，构成琼东南盆地的西部边界（图1b），具有向琼东南盆地传递剪切应力的作用，这使得琼东南盆地西部的构造-沉积特征与红河断裂走滑活动的时空耦合作用尤其明显。谢文彦等［10］、徐子英等［20］通过物理模拟方法开展琼东南盆地新生代发育机制的研究，证实红河断裂活动在新生代盆地演化中扮演了重要角色，主要表现为3 个方面：一是在盆地西部诱导产生NW、NNW 向张剪断裂；二是对盆地北部坳陷带的裂陷产生直接影响——受控于红河断裂左行走滑活动传递的剪切应力，北部坳陷带的发育晚于中央坳陷带和南部坳陷带；三是晚渐新世红河断裂左行走滑速率较快，其诱导产生的走滑挤压直接导致盆地西部局部发育褶皱反转。

本次研究主要围绕琼东南盆地崖南凹陷周边的构造展开，研究区简称为环崖南凹陷（图1b）。崖南凹陷为由西部的F1断层、北部的F3断层及南部的F2断层所夹持的三角形沉积凹陷，其周边断裂近似平行于这3条主断裂分布。

2 琼东南盆地西部构造应力演化

对环崖南凹陷的断裂进行分级、分组，将断裂分为三级：一级断裂为控凹、控沉积断层，有F1、F2、F3等3 条断层（图1b）；二级断裂为凹陷内控沉积断层，有F1-1、F2-1、F3-1等断层；三级断裂为调节断层，基本不控制沉积，本文不作研究。区内断裂按走向可分为NE、NEE、NW 等3 组（图1b），分别与F2、F3、F1断层近似平行。

对于F1断层传导的剪切应力在琼东南盆地西部产生的应变，将其简化为递进简单剪切变形。F1断层的南段构造走向约为北偏西41°，假设地质历史时期F1断层走向几乎未发生明显旋转，则F1诱导应力所产生的应力场的表达如图2 所示：F1断层传递左旋剪切应力时，将产生近EW 向（东偏南9°）挤压应力和近SN 向（北偏东9°）拉张应力（图2a）；反之，F1断层传递右旋剪切应力时，将产生近EW 向拉张应力和近SN向挤压应力（图2b）。

图2 F1断层传导的剪切应力所产生的递进简单剪切变形椭圆分析图Fig.2 Ellipse analysis of progressive simple shear deformation caused by strike slip stress of fault F1

应用应变圆方法分析F1断层传递的剪切应力对环崖南凹陷应力场的影响。图3示意了研究区不同演化阶段应力场特征及主要断层的应力状态。

图3 琼东南盆地西部构造应力场及主要断裂应力演化图Fig.3 Tectonic stress field and stress evolution of main faults in the west of Qiongdongnan Basin

始新世—早渐新世红河断裂缓慢左行平移，走滑位移量较小，推测该时期红河断裂向琼东南盆地传递的剪切应力极为有限，因此可假设琼东南盆地西部未受到红河断裂走滑活动影响，而主要受NW 向区域拉张应力控制［12］。另外，受印支地块顺时针旋转挤出及莺歌海盆地拉张裂陷的影响，推测琼东南盆地西部同时受到NE 向斜向拉张应力作用［10,15］（图3a）。在NW 向最大主应力作用下，琼东南盆地西部主要发育NE 走向正断层（如F2）、NEE走向正断层（如F3）；受NE 向拉张应力影响，同时产生两组NW 走向正断层（如F2-1、F3-1）。始新世—早渐新世基本形成了琼东南盆地西部的断裂格局。

晚渐新世红河断裂快速左行走滑，F1断层传递的左旋剪切应力诱导产生近SN 向拉张应力和近EW 向挤压应力（图3b），叠加到盆地西部近SN 向的区域构造应力场。晚渐新世琼东南盆地西部最大主应力方向为SN向。

中新世红河断裂左行走滑活动逐渐停止，但受邻区构造事件包括南海停止扩张并开始向东俯冲及菲律宾海板块仰冲与转向等影响，南海北部在南北向拉张应力下普遍受右旋剪切应力场影响［27］，故推测虽然红河断裂仍有缓慢左行走滑，但海域的断层包括F1断层、南部的越东断层等已经开始发生右行走滑，并诱导产生南北向挤压应力（图3c）。关于红河断裂与其海域延伸断层活动方向的不一致性，孙珍等［15］作过相关讨论，认为两者并不矛盾。早中新世构造稳定，处于平衡沉降阶段；中中新世之后F1断层向琼东南盆地西部传递的右旋剪切应力加强，造成局部应力场表现为南北向挤压。

上新世至今红河断裂右行走滑活动加强，但受盆地加速热沉降控制，盆地西部整体仍处于拉张应力场（图3d），其中不同走向的断层受到不同的应力作用可发生开启或者闭合。

3 红河断裂走滑活动对环崖南凹陷构造-沉积-成藏的影响

3.1 断裂活动特点

3.1.1 断层活动速率分析

在三维地震资料解释的基础上，选择环崖南凹陷三组不同走向（NEE、NE 和NW）的重点断裂进行断层活动速率分析。

NEE 走向断裂以F3断层为代表，为崖南凹陷控凹断裂（图1b）。断层活动速率分析显示（图4）：F3断层活动期主要集中在渐新世，以晚渐新世陵水组沉积期活动速率最大，其中陵水组一+二段沉积时期平均活动速率约为330 m/Ma，并呈现东西部活动速率差异较大的特征，中部、东部活动速率明显大于西部。

图4 F3断层活动速率直方图（测线范围见图1）Fig.4 Histogram of fault activity rate of Fault F3(line location is shown in Fig.1)

NE走向断裂以F2断层为代表，为乐东凹陷控凹断裂（图1b）。受局部隆起分割，F2断层分东西两段，本文主要研究F2断层西段。断层活动速率分析显示（图5）：F2断层主要活动期为崖城组沉积时期，平均活动速率约为350 m/Ma，陵水组沉积后活动速率较低。

图5 F2断层西段活动速率直方图（测线范围见图1）Fig.5 Histogram of fault activity rate of the west section of Fault F2(line location is shown in Fig.1)

NW 走向断裂以F1断层为代表，为琼东南盆地西部边界断层（图1b）。F1断层北段为莺歌海凹陷与莺东斜坡的分界断层，主要控制莺歌海凹陷沉积；F1断层南段为莺歌海盆地与琼东南盆地的分界断层，基本不控制沉积，推测以走滑活动为主，各时期走滑位移量难以确定，从断裂两侧错动特征分析，F1断层现今呈现右行走滑特征。

NW 走向断裂在F1断层附近发育较多。对其中的F3-1、F2-1断层活动速率的分析显示，其主要活动期为崖城组沉积时期，平均活动速率分别为190 m/Ma、400 m/Ma。F2-1断层由3 条分支断层左行雁列展布组成（图1b）。F2-1断层活动速率在崖城组三段沉积时期最大（图6b），陵水组沉积时期突然减小，约为30 m/Ma。

环崖南凹陷断层活动速率具有明显的阶段性特征：早渐新世，以NE 走向断层（F2）与NW 走向断层（F2-1、F3-1）活动速率较高，以正断作用为主，控制崖城组沉积；晚渐新世，以近EW 走向断层（F3、F5等）活动速率最高，并派生一系列近EW 向断层，控制陵水组沉积，而NE、NW 走向断层活动速率均陡降，基本不控制沉积，推测以走滑活动为主，但走滑位移量较小而难以测量；中新世之后，盆地断陷作用减弱，所有断层活动均逐渐停止。

3.1.2 褶皱特征

进一步分析研究区褶皱构造特征发现，琼东南盆地西部发育两组褶皱，分别位于F3断层下降盘西段（图7a）及F2-1断层两侧（图7b），褶皱主轴方向均为近SN向（略偏西），东西方向多个背斜和向斜相间分布，显示挤压应力为近EW向。

图7 过崖城组—陵水组褶皱的典型地震剖面（位置见图1）Fig.7 Seismic profiles showing folded strata of Yacheng Formation-Lingshui Formation(location is shown in Fig.1)

褶皱地层主要为崖城组—陵水组二段，向斜内的陵水组厚度略大于背斜，分析认为这与褶皱形成时的同沉积作用有关；背斜两翼夹角向上逐渐增大直至背斜特征消失，推测背斜形成时间为晚渐新世，早期褶皱较强，晚期逐渐减弱。需要说明的是，这类褶皱特征在盆地内其他地区尚未发现，应为受东西向挤压应力而产生的局部构造。

3.1.3 综合分析

早渐新世环崖南凹陷以NW 向拉张应力为主应力（图3a），同时受印支地块挤出和莺歌海盆地走滑拉分的影响，存在NE 向拉张应力，推测这一时期红河断裂走滑活动的影响主要表现为在琼东南盆地西部诱导产生北西向断层［10］。该时期主要断裂以正断层为主，NE、NW 走向断层均呈现较大的活动速率（图5，图6），而NEE 走向断层呈现中等活动速率（图4）。该时期F2断层剧烈活动，北部物源供给充足，形成了盆地西部的乐东凹陷沉降-沉积中心。

晚渐新世红河断裂左行走滑活动（图3b）对研究区影响最大，不仅诱导产生EW 向挤压应力，造成局部地层褶皱，而且诱导产生SN 向拉张应力，加快了NEE 走向断层的活动速率（图4）。在研究区以F3、F5两条NEE走向断层剧烈活动为特征，控制了陵水组沉积，形成了崖北凹陷和崖南凹陷两个沉降-沉积中心，造成盆地西部的加速裂陷，并在崖北凹陷南部、崖南凹陷南部派生了大量近EW 走向的次级断层。该时期NW 走向断层（如F3-1、F2-1）表现为同向走滑活动，NE走向断层（如F2）表现为反向走滑活动（图3b），正断层活动速率均突然减小。

中新世之后，盆地以拗陷作用为主，断层活动速率均较低或停止活动，但从断层活动速率来看，NW 走向断层持续活动时间较长，局部活动至黄流组沉积时期（图6）。

3.2 环崖南凹陷构造-沉积响应

通过单井相分析、连井地层对比及地震相分析，建立了琼东南盆地西部区域构造-沉积格架剖面（图8）。结合前述构造应力演化，对环崖南凹陷的构造-沉积演化特征与红河断裂走滑活动的关系进行综合研究。

渐新世，琼东南盆地西部沉积主要受控于断层活动，钻井证实沉积相以扇三角洲相及滨浅海相为主。早渐新世，受F2断层强烈活动控制，崖城组沉积中心位于乐东凹陷（图8），崖北凹陷西部和崖南凹陷沉积较薄，厚度横向变化不大。晚渐新世，受F5、F3断层活动控制，形成崖北凹陷、崖南凹陷两个陵水组沉积中心，由于同期沉积物向乐东凹陷搬运受限及F2断层活动较弱，乐东凹陷陵水组较薄。晚渐新世，红河断裂快速左行走滑（图3b），NEE 走向断裂活动加剧，对环崖南凹陷的地层沉积产生了明显影响。

图8 琼东南盆地西部构造-沉积格架剖面（位置见图1）Fig.8 Stratigraphic-sedimentary framework section in the west of Qiongdongnan Basin(location is shown in Fig.1)

早中新世，盆地以拗陷作用为主，局部断陷。同期红河断裂活动较弱，推测对琼东南盆地西部的影响较小。崖南凹陷往北靠近物源区，三亚组广泛发育三角洲沉积（图8），地层厚度横向变化较小，显示区域稳定沉降。

中—晚中新世，盆地西部局部短暂隆升，沉积作用受限。钻井及地震资料显示，环崖南凹陷大范围缺失梅山组一段和黄流组二段（图8）。这套地层缺失主要为沉积间断，局部高点存在剥蚀。研究区梅山组二段和黄流组一段局部发育，岩性以泥岩、粉砂岩、灰质泥岩、灰质砂岩夹石灰岩、生物碎屑灰岩为主，属于碳酸盐台地相混合沉积。中中新统梅山组碳酸盐台地主要沉积范围为崖城凸起及以北地区，包括崖北凹陷西部以及莺歌海盆地东北部，钻井揭示的石灰岩和灰质岩类发育区面积达4 600 km2。对于盆地西部中新统的这套地层缺失以及梅山组碳酸盐台地的发育，存在不同角度的解释：①中—晚中新世红河断裂活动处于平静期，矿物同位素测年研究显示，该时期随着印度板块的北移和红河断裂的旋转，内切旋转圆与红河断裂的切点逐渐北移，红河断裂带原处于压扭状态的部分开始发生自南向北的冷却抬升［32-33］，这种变化可能对琼东南盆地西部产生影响，造成局部短暂隆升。②该时期南海扩张停止，并开始向马尼拉海沟俯冲，同期菲律宾海板块发生向西北方向的仰冲，造成南海北部处于右旋张扭应力状态，这也可能造成海域断层（如F1等大型断层）的右行走滑，并在琼东南盆地西部诱导产生挤压应力，这需要进一步研究证实。③受青藏高原快速隆升影响，亚洲东部物源发生了较大改变，以青藏高原为发源地的西物源体系开始形成，重矿物、古水流研究均已证实，中中新世琼东南盆地西部沉积体系开始混入越南崑嵩隆起的物源，晚中新世红河已搬运沉积物至琼东南盆地中央峡谷沉积［34］，因此海南岛物源的减少，可能是盆地西北部中新统部分地层缺失、发育碳酸盐沉积的重要原因。

上新世—现今，琼东南盆地加速热沉降，区域拉张应力显著增强，红河断裂右行走滑诱导产生的SN 向挤压应力的影响较小。新近系盆地东区构造沉降速率明显大于盆地西区［35］，推测红河断裂活动可能对盆地西区拉张沉降具有一定约束作用。上新世之后地层快速沉积，莺歌海组—第四系发育典型陆架-陆坡体系［36-39］（图8）。

表2 琼东南盆地环崖南凹陷已钻构造油气地质条件与钻探成效Table 2 Petroleum geological conditions and drilling results of drilled structures around Ya’nan Sag in Qiongdongnan Basin

3.3 NW走向断裂控制油气运移

环崖南凹陷纵向发育古近系和新近系两套储盖组合。目前在古近系发现崖城13-1气田，在新近系发现崖城13-4 气田和崖城27 气藏，勘探成效较好。但近年来钻探连连失利，勘探形势严峻，因此很有必要从基础研究和关键成藏要素上解决勘探面临的问题。

研究区勘探程度较高，目前已有探井超过30口，钻探构造近20个。笔者对几个重点构造的钻井油气发现情况作了统计分析（表2）。研究区大型构造圈闭发育，储层物性较好，储盖组合条件优越，多数目标钻探失利的原因主要是缺乏油气运移条件，因此，油气运移成为油气成藏的关键要素。考虑到已钻目标主要依靠断层垂向沟通烃源，因此油气通过断层的运移能力对圈闭能否成藏起主要控制作用。如表2 所示，依靠NEE、NE 走向断层作为油气输导层的目标均钻探失利，而依靠NW 走向断层作为油气输导层的目标均有较好油气发现。

包裹体及盆地模拟研究显示［4,9］，琼东南盆地西区生排烃高峰期为晚中新世—上新世。上新世红河断裂右行走滑，诱导产生SN向的挤压应力，可能造成NEE走向断层主要受挤压应力、NE走向断层主要受压扭应力而处于封闭状态，NW走向断层则受张扭应力而处于开启状态。这能够较好地解释表2的统计结果：晚中新世—上新世NEE、NE走向断层的油气输导能力较差，而NW走向断层为有效运移通道。

总而言之，琼东南盆地西部发育渐新统和中新统两套储盖组合，烃源岩规模发育，为重要的油气勘探区，下一步深入挖潜应密切关注油气运移这个关键成藏要素，勘探活动应重点围绕NW 走向断裂带开展。如果在NE、NEE走向构造带进行勘探研究，应注意分析其应力状态，判断断层是否具备油气输导能力。