珠江口盆地白云凹陷沉降特征分析

張孟然，姜正龍

(中國地質(zhì)大學(xué) 海洋學(xué)院，北京 100083)

珠江口盆地白云凹陷沉降特征分析

張孟然，姜正龍

(中國地質(zhì)大學(xué) 海洋學(xué)院，北京 100083)

摘要：白云凹陷位于南中國海北部珠江口盆地的深水區(qū)域，由多個(gè)洼陷組成。以白云西洼、白云主洼和白云東洼三個(gè)次級構(gòu)造單元為研究重點(diǎn)。埋藏史恢復(fù)過程中，要進(jìn)行地層壓實(shí)回剝、海平面和古水深校正。在白云凹陷中選取有代表性的2口鉆井和1口虛擬井，并對其進(jìn)行埋藏史恢復(fù)，計(jì)算各井每個(gè)時(shí)期的沉降量和沉降速率。結(jié)果表明，白云西洼早中新世珠江晚期、白云主洼始新世文昌期、白云東洼漸新世珠海期沉降異常高。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動和沉積相資料，表明白云西洼珠江組上段發(fā)育海相陸架斜坡深水扇沉積，白云主洼文昌組發(fā)育河湖相三角洲、沖積扇，白云東洼珠海組發(fā)育淺水陸架三角洲相、濱岸相。

關(guān)鍵詞：白云凹陷；埋藏史；回剝；沉降量；沉降速率；沉積相

國際上許多國家和地區(qū)(如美國的墨西哥灣沿岸盆地、西非的加蓬盆地、巴西的坎帕斯盆地等)的深水油氣勘探已經(jīng)取得了極大成功，而我國目前海洋石油勘探開發(fā)的主要地區(qū)仍在渤海灣、珠江口、北部灣、鶯歌海和東海等水深不超過500 m的淺海地區(qū)。20世紀(jì)80年代以來，珠江口盆地取得了一系列重要油氣發(fā)現(xiàn)，2006年在白云凹陷陸坡深水區(qū)發(fā)現(xiàn)了目前中國近海最大的荔灣3-1整裝超千億立方米大氣田，揭示了白云凹陷具有很好的油氣勘探潛力。

高紅芳等[1]認(rèn)為珠江口盆地構(gòu)造沉降史具有幕式、多階段變化特征，第一幕和第二幕沉降形成了盆地主要沉積地層和油氣資源，第三幕沉降發(fā)育了區(qū)域蓋層。趙中賢等[2]認(rèn)為白云深水區(qū)新生代構(gòu)造沉降由快到慢共劃分為四幕，在裂后存在三期快速沉降和四期慢速沉降。廖杰等[3]認(rèn)為白云凹陷存在裂后異常沉降，快速沉降主要發(fā)生在17.5～13.8 Ma，凹陷中心的異常沉降量最大。朱偉林等[4]認(rèn)為，白云凹陷裂陷期以來表現(xiàn)為持續(xù)沉降特征，深水低位扇體反復(fù)疊置在近相同的位置，認(rèn)為與白云凹陷的演化歷史密切相關(guān)。白云凹陷的勘探尚處于起步階段，鉆井?dāng)?shù)量較少，鑒于前人都是對白云凹陷整體沉降進(jìn)行研究，卻沒有針對次級構(gòu)造單元的沉降特征進(jìn)行過研究，可能忽略不同次級單元沉積相的發(fā)育情況。本研究通過對白云凹陷三個(gè)主要洼陷的沉降特征進(jìn)行分析，探討了不同沉降背景下各洼陷發(fā)育的主要沉積相，對該區(qū)下一步的油氣勘探具有一定的參考作用。

1區(qū)域地質(zhì)概況

珠江口盆地(圖1)位于華南大陸以南、南海北部、海南島以及臺灣島之間的廣闊陸架和陸坡區(qū)，東經(jīng)111°20′～118°17′，北緯18°25′～23°00′。盆地呈北東向展布，長800 km，寬300 km，面積2×104km2，是我國南海北部最大的含油氣盆地[4]。珠江口盆地經(jīng)歷了三個(gè)演化階段：①晚白堊世—早漸新世裂陷階段；②晚漸新世—早中新世的裂后坳陷階段；③中新世晚期至今的斷塊活動階段[5-8]。

白云凹陷處在珠江口盆地珠二坳陷的深水區(qū)域，構(gòu)造位置接近歐亞板塊、印度-澳大利亞板塊、太平洋板塊和菲律賓板塊的交界處，近東西走向，處在陸坡帶，是南海北部具有代表性的新生代深水陸坡沉積凹陷。白云凹陷由多個(gè)洼陷組成，主要有白云西洼、白云主洼和白云東洼。新生代以來，白云凹陷經(jīng)歷了強(qiáng)烈減薄和持續(xù)沉降，現(xiàn)今地殼厚度由凹陷北端23 km向南階梯式遞減，凹陷中心僅7 km，基底深度由凹陷北邊緣陸架區(qū)的5 km逐漸下降到凹陷中心的13 km以上。凹陷有充足的沉積物供給，凹陷中心沉積地層厚度達(dá)12.5 km[9-10]。

圖1　研究區(qū)區(qū)域位置圖

根據(jù)鉆孔、測井、古生物、地震相和區(qū)域地震資料，可以將白云凹陷地層劃分為7層:T100～T80,T80～T70,T70～T60,T60～T50,T50～T40,T40～T20,T20～T10，分別對應(yīng)著始新統(tǒng)文昌組(E2w)、漸新統(tǒng)恩平組(E3e)、珠海組(E3z)、中新統(tǒng)珠江組下段(N1z2)、珠江組上段(N1z1)、韓江組(N1h)、粵海組(N1y)的沉積地層(圖2)。

圖2　白云凹陷地質(zhì)解釋剖面圖[4](圖1中HH’測線位置)

2埋藏史恢復(fù)方法

地史分析包括地層埋藏史、基底沉降史和構(gòu)造演化史三個(gè)有機(jī)聯(lián)系的地質(zhì)歷史過程的恢復(fù)和重建。

地史模擬是恢復(fù)地層古厚度，即地層壓實(shí)校正的關(guān)鍵。壓實(shí)校正則是把某一地層單元的現(xiàn)今實(shí)測厚度恢復(fù)到埋藏中或沉積時(shí)某一時(shí)刻的厚度，是去壓實(shí)的過程。地層壓實(shí)校正主要基于如下假設(shè)：①壓實(shí)過程中地層橫向?qū)挾炔蛔?，縱向厚度隨地層體積的變小而變??；②壓實(shí)過程中地層骨架體積不變，地層體積變小是由孔隙體積變小引起的；③地層壓實(shí)具有不可逆性，壓實(shí)程度由埋深決定[11]。

2.1地層壓實(shí)回剝

重建盆地地史的方法主要有：沉積速率法、物質(zhì)平衡法、骨架縱坐標(biāo)法和回剝法，以回剝法最優(yōu)[11-12]?；貏兗夹g(shù)屬“反演法”的范疇，即根據(jù)已知盆地現(xiàn)狀，把各個(gè)時(shí)代沉積物逐一剝出，并進(jìn)行壓實(shí)、古水深和古今海平面變化等校正，恢復(fù)或再現(xiàn)盆地的構(gòu)造史和沉積史。地層回剝的步驟為孔-深曲線確定、去壓實(shí)校正，回剝計(jì)算時(shí)可按相同骨架厚度為同段的原則劃分不同時(shí)間段，預(yù)先計(jì)算各段地層最大埋藏深度(地層頂面)，再按同一段中骨架不變的原則進(jìn)行回剝處理[13-15]，具體步驟如下。

巖石孔隙度的計(jì)算公式為：

Φ=Φ0e-cz

(1)

其中，Φ是深度為z(單位：m)時(shí)的巖石孔隙度(%)，Φ0是巖石地表孔隙度(%)，c是巖石的壓實(shí)系數(shù)(%)。

白云凹陷新生代沉積厚度大，巖性以泥巖和砂巖為主，根據(jù)前人研究成果，在鉆井巖性、測井聲波時(shí)差曲線解釋的基礎(chǔ)上分別擬合了砂、泥巖各自孔隙度隨深度變化的函數(shù)關(guān)系[2,16-18]。式(2)、(3)分別為白云凹陷泥巖孔隙度(Φm)和砂巖孔隙度(Φs)的計(jì)算公式：

Φm=0.67e-0.000 924z,R2=0.963 4,

(2)

Φs=0.39e-0.000 303z,R2=0.709 9.

(3)

其中，z為深度(單位：m)，R2為決定系數(shù)，泥巖地表孔隙度為67%，壓實(shí)系數(shù)為0.092 4%，砂巖地表孔隙度為39%，壓實(shí)系數(shù)為0.030 3%。

假設(shè)Y1和Y2為某一巖層的頂、底面深度(單位：m),當(dāng)其上覆巖層被剝?nèi)ヒ徊糠趾?該巖層對應(yīng)的頂、底深度變?yōu)閅1′與Y2′(單位：m),地層骨架沒有變化,只有地層孔隙發(fā)生變化,回剝后該巖層的厚度為[19]：

Y2′-Y1′=Y2-Y1+Φ0(e-cY2-e-cY1)/c+Φ0(e-cY1′-e-cY2′)/c

(4)

其中，Φ0、c分別是混合巖性的巖石地表孔隙度和壓實(shí)系數(shù)，根據(jù)砂巖、泥巖等單一巖性的地表孔隙度已有較成熟的定量,混合巖性Φ0、c可按比例通過加權(quán)近似求出[13]。

根據(jù)式(4)采用數(shù)值迭代法計(jì)算不同地質(zhì)時(shí)期的地層古厚度或古埋深。

2.2海平面變化和古水深

珠江口盆地的相對海平面變化曲線與全球海平面變化曲線不同(圖3)。30 Ma以來相對海平面變化的三級旋回曲線與全球海平面變化一致；而二級旋回總體呈海侵的趨勢，與全球海退的趨勢明顯不同[20-23]。因而，本研究選用珠江口盆地二級海平面變化曲線。

圖3　珠江口盆地海平面變化與全球海平面變化對應(yīng)關(guān)系圖[22]

白云凹陷古水深在23.8 Ma前后變化較大，原因是白云運(yùn)動致使陸架坡折的位置從凹陷南緣突然向北遷移至凹陷北緣。本文通過相關(guān)井位的有孔蟲數(shù)據(jù)，結(jié)合前人認(rèn)識，認(rèn)為30 Ma以前古水深為0，23.8 Ma時(shí)水深不超過50 m，水深突變在23.8～17.5 Ma完成[3,24-25]，對應(yīng)南海主要擴(kuò)張階段。古水深加上覆沉積物厚度，可以得到地層開始沉積時(shí)的深度。

前人的模擬過程中大都未考慮剝蝕量[9-10]，本文參考地震剖面，認(rèn)為白云凹陷在早漸新世末期，恩平組地層遭受剝蝕，應(yīng)用地層趨勢法對白云凹陷恩平組剝蝕量進(jìn)行恢復(fù)。因此，基底總沉降應(yīng)為沉積物厚度H(由地層回剝得到)、古水深Wd和海平面變化SL之和。其中海平面變化是指古海平面相對現(xiàn)今海平面的升降值，高水位為正，低水位為負(fù)。

3埋藏史及沉降特征

研究過程中在白云凹陷選取了LW3-1-1、PY35-1-2、PY33-1-1以及A，B，C，D，E，F(xiàn)，G等共10口模擬井(圖1)。其中，PY33-1-1位于白云西洼；PY35-1-2和虛擬井A，B，D，E，F(xiàn)，G位于白云主洼；LW3-1-1和虛擬井C位于白云東洼。選取各洼陷中間位置的井作為洼陷代表井，即白云西洼的PY33-1-1，白云主洼的虛擬井D，白云東洼的LW3-1-1，來研究白云凹陷各洼陷的沉降。

應(yīng)用Basinmod軟件繪制上述3口井的埋藏史圖(圖4)，根據(jù)各洼陷代表井的基底沉降數(shù)據(jù)，分別繪制其沉降曲線圖(圖4)。圖4(a)(b)(c)分別代表白云西洼、白云主洼、白云東洼的埋藏史和基底沉降。49,39,30,23.8,17.5,13.8,10.5 Ma分別對應(yīng)文昌組、恩平組、珠海組、珠江組下段、珠江組上段、韓江組、粵海組地層沉積的開始時(shí)刻。

根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算各洼陷每個(gè)時(shí)期的沉降速率繪制沉降速率圖(圖5)，圖5(a)(b)(c)分別代表白云西洼、白云主洼、白云東洼的沉降速率變化。本文選取白云凹陷新生代文昌期(49～39 Ma)、恩平期(39～30 Ma)、珠海期(30～23.8 Ma)、珠江早期(23.8～17.5 Ma)、珠江晚期(17.5～13.8 Ma)、韓江期(13.8～10.5 Ma)、粵海期(10.5～5.3 Ma)七個(gè)時(shí)間段研究白云凹陷三個(gè)洼陷的沉降特點(diǎn)。

新生代沉降過程中，珠江口盆地白云凹陷經(jīng)歷了一系列構(gòu)造運(yùn)動[20]。珠瓊運(yùn)動在距今約49 Ma時(shí)發(fā)生，分為一幕和二幕，珠瓊運(yùn)動一幕時(shí)盆地發(fā)生張裂，面積擴(kuò)大，可容納空間大幅增加，形成眾多深水湖盆；珠瓊運(yùn)動二幕發(fā)生在漸新世，運(yùn)動后期盆地抬升遭受強(qiáng)烈剝蝕，湖盆面積擴(kuò)大，水體變淺。南海運(yùn)動距今約30 Ma時(shí)發(fā)生，地層沉降過程中，珠二坳陷海平面上升，海水從南向北大規(guī)模侵入。白云運(yùn)動始于23.8 Ma，期間地層繼續(xù)沉降，之前白云凹陷發(fā)育淺海陸架沉積，隨著南海擴(kuò)張脊向南躍遷，陸架坡折帶由白云凹陷南側(cè)突變跳躍至凹陷北側(cè)，其沉積環(huán)境也由漸新世晚期的淺海陸架環(huán)境轉(zhuǎn)為陸坡深水環(huán)境[26]。東沙運(yùn)動發(fā)生于晚中新世晚期，地層發(fā)生持續(xù)沉降，約在距今5.5 Ma時(shí)停止活動，構(gòu)造上主要表現(xiàn)為斷塊升降，其中隆起區(qū)沉積物遭受剝蝕，造成中新世及部分上新世地層缺失，影響了粵海組地層的沉積[27]。

圖4　白云凹陷各井埋藏史和基底沉降變化圖

白云西洼始新世文昌期和漸新世恩平期沉降量均較多，總沉降速率分別為125,142 m/Ma，構(gòu)造沉降速率分別為75,80 m/Ma，說明受珠瓊運(yùn)動一幕的影響較大，受珠瓊運(yùn)動二幕后期盆地抬升的影響較小；珠海期沉降量明顯減少，沉降速率減慢，說明受南海運(yùn)動的影響較小；中新世珠江早期沉降量明顯減少，總沉降速率降為最慢38 m/Ma，構(gòu)造沉降速率也降為最慢18 m/Ma，白云運(yùn)動對西洼的影響很??；珠江晚期沉降量顯著增加，總沉降速率暴增為297 m/Ma，構(gòu)造沉降速率141 m/Ma，此時(shí)白云運(yùn)動尚未結(jié)束，對西洼開始產(chǎn)生較大影響；韓江期沉降量減少，沉降速率減慢，此時(shí)白云運(yùn)動進(jìn)入了尾期，對西洼的影響開始變?。换浐Ｆ诔两盗亢晚n江期相近，總沉降速率減至80 m/Ma，構(gòu)造沉降速率減至30 m/Ma，說明該期發(fā)生的東沙運(yùn)動對西洼產(chǎn)生的影響比較小。

圖5　白云凹陷各井沉降速率圖

白云主洼在始新世文昌期沉降量最多，總沉降速率和構(gòu)造沉降速率最快，分別為377,229 m/Ma，說明受珠瓊運(yùn)動一幕的影響最大；漸新世恩平期沉降量開始減少，總沉降速率和構(gòu)造沉降速率迅速減至163,99 m/Ma，主洼受珠瓊運(yùn)動二幕后期盆地抬升的影響較大；珠海期沉降量和恩平期相近，總沉降速率和構(gòu)造沉降速率均有一定增加，達(dá)204,103 m/Ma，表明主洼受到南海運(yùn)動的影響，沉降開始加快；中新世珠江早期沉降量和珠海期相近，總沉降速率和構(gòu)造沉降速率分別升至 238,108 m/Ma，說明受白云運(yùn)動的影響很大；珠江晚期沉降量明顯減少，沉降速率減少，白云運(yùn)動對主洼的影響開始減?。豁n江期的沉降量和沉降速率相比珠江晚期，有小幅度下降，白云運(yùn)動對主洼的影響繼續(xù)減小；粵海期沉降量和韓江期相近，總沉降速率和構(gòu)造沉降速率分別減慢至103,40 m/Ma，說明此期的東沙運(yùn)動對西洼產(chǎn)生的影響較小。

白云東洼在始新世文昌期沉降量較大，總沉降速率和構(gòu)造沉降速率分別為105,58 m/Ma，說明受珠瓊運(yùn)動一幕的影響比較大；漸新世恩平期沉降量迅速減少，總沉降速率和構(gòu)造沉降速率分別減至39,26 m/Ma，東洼受珠瓊運(yùn)動二幕后期盆地抬升的影響非常大；珠海期沉降量最多，總沉降速率和構(gòu)造沉降速率均達(dá)到峰值258,149 m/Ma，說明東洼受到南海運(yùn)動的影響非常大；中新世珠江早期沉降量明顯減少，總沉降速率和構(gòu)造沉降速率迅速減至97,48 m/Ma，說明東洼受白云運(yùn)動的影響較??；珠江晚期沉降量略增，總沉降速率和構(gòu)造沉降速率分別加至186,90 m/Ma，表明白云運(yùn)動開始對東洼產(chǎn)生較大影響；韓江期沉降速率減慢，白云運(yùn)動對東洼的影響減弱；粵海期沉降量和韓江期相近，總沉降速率和構(gòu)造沉降速率分別減至50,19 m/Ma，說明此期的東沙運(yùn)動對西洼的影響較小。

4沉降對沉積相的影響

康永曉等[28]結(jié)合地震資料，認(rèn)為白云凹陷的基底由巖漿巖構(gòu)成，經(jīng)歷了新生代的斷陷、斷坳、坳陷等幾個(gè)構(gòu)造演化階段，相應(yīng)發(fā)育了陸相斷陷湖盆沉積、大型斷坳湖盆沉積、海陸過渡相淺海三角洲沉積以及陸架斜坡海相深水沉積等四套沉積組合，形成白云凹陷獨(dú)特的三層結(jié)構(gòu)，在時(shí)間和空間上形成了良好的生儲蓋組合。朱偉林等[4]認(rèn)為白云凹陷深水區(qū)發(fā)育三類有利儲蓋組合：①23.8 Ma以上的珠江組—韓江組海相陸架斜坡深水扇沉積組合；②珠海組淺水陸架三角洲-濱岸砂泥巖沉積組合；③斷坳期恩平組河湖相三角洲體系砂泥巖沉積組合。

結(jié)合區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動與沉積相分析認(rèn)為：①早中新世珠江晚期，白云西洼受白云運(yùn)動的影響較大，沉降量增加較多，沉降最快，可容納空間大，為陸坡深水環(huán)境，珠江口盆地的主要物源來自白云凹陷的西北方向[9]，距離西洼較近，西洼物源供給充足，發(fā)育海相陸架斜坡深水扇；白云主洼和白云東洼此期受白云運(yùn)動影響不大，沉降不明顯，接受物源沉積較少。②始新世文昌期，白云主洼受珠瓊運(yùn)動一幕的影響較大，沉降量最多，沉降最快，為陸相深水湖盆環(huán)境，三角洲體系砂泥巖、河湖相沖積扇發(fā)育；白云西洼和白云東洼在此期間，沉降不如主洼明顯。③早漸新世珠海期，白云東洼受南海運(yùn)動的影響較大，沉降量最多，沉降最快，說明距今30～23.8 Ma時(shí)東洼為淺海陸架環(huán)境，發(fā)育淺水陸架三角洲-濱岸砂泥巖。

5結(jié)論

通過地層壓實(shí)回剝技術(shù)，分別選取研究區(qū)各洼陷具有代表性的井進(jìn)行地層壓實(shí)回剝，然后經(jīng)過古水深和海平面校正，獲得各井的埋藏史和沉降數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動與沉積相資料，進(jìn)一步分析各洼陷沉降特征，得出如下認(rèn)識：

1)白云西洼在新生代受白云運(yùn)動的影響最大，珠江晚期沉降量顯著增加，沉降速率最快；白云主洼受珠瓊運(yùn)動一幕的影響最大，文昌期沉降量最多，沉降速率最快；白云東洼受南海運(yùn)動影響最大，珠海期沉降量最多，沉降速率最快。

2)白云西洼珠江組上段發(fā)育海相陸架斜坡深水扇沉積，白云主洼文昌組地層發(fā)育河湖相三角洲、沖積扇沉積，白云東洼珠海組地層發(fā)育淺水陸架三角洲相、濱岸相沉積，為重點(diǎn)勘探層位。

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(責(zé)任編輯：高麗華)

Analysis of Subsidence Characteristics of Baiyun Sag,Pearl River Mouth Basin

ZHANG Mengran,JIANG Zhenglong

(School of Ocean Sciences,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

Abstract:Baiyun Sag,located in the deep-water area of the Pearl River Mouth Basin in the northern part of South China Sea,consists of several sub-sags.This paper focused on three secondary-level structural units including the west sub-sag,the primary sub-sag and the east sub-sag.In the study of the burial history,the data,such as the compaction backstripping of stratum and the correction of ancient water depth and sea level were necessary.Out of the existing three drilling wells and seven virtual wells in Baiyun Sag,three wells representing each sub-sag were chosen to recover their burial histories and calculate their subsidence amounts and subsidence rates during each period of the structural evolution.The results show that the subsidence of the west sub-sag in the early Miocene late Zhujiang period,the subsidence of the primary sub-sag in the Eocene Wenchang period,and the subsidence of the east sub-sag in the Oligocene Zhuhai period are violent.Combined with regional tectonic movement and sedimentary facies data,the results also shows that the uppersegment of the Zhujiang formation developed marine shelf slope deep-water fans in the west sub-sag;the Wenchang formation developed fluvial lake delta and alluvial fan in the primary sub-sag;and the Zhuhai formation developed shallow shelf delta and shore fancies in the east sub-sag.

Key words:Baiyun sag;burial history;backstripping;subsidence amount;subsidence rate;sedimentary facies

收稿日期：2015-04-10

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05025-003-004-001)

作者簡介：張孟然(1992—)，男，河北保定人，碩士研究生，主要從事海洋地質(zhì)、含油氣盆地分析等研究. E-mail：zhangmr@cugb.edu.cn 姜正龍(1969—)，男，湖南益陽人，副教授，博士，主要從事盆地綜合分析和評價(jià)的研究工作,本文通信作者. E-mail：jiangzl@cugb.edu.cn

中圖分類號：P67；P56；P548

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)01-0030-08