珠江口盆地靖海凹陷多邊形斷層系統(tǒng)成因及油氣成藏意義

江 寧，何 敏，劉 軍，薛懷艷，鄭金云，張青林

[中海石油(中國(guó))有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518000]

珠江口盆地靖海凹陷多邊形斷層系統(tǒng)成因及油氣成藏意義

江 寧，何 敏，劉 軍，薛懷艷，鄭金云，張青林

[中海石油(中國(guó))有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518000]

珠江口盆地靖海凹陷中新統(tǒng)發(fā)育大量密集分布、走向多變、延伸長(zhǎng)度有限、斷距小、傾角陡且互相切割及平面上呈多邊形幾何特征的小型正斷層。綜合研究認(rèn)為，該系列小斷層為非構(gòu)造成因的多邊形斷層。多邊形斷層是由于地層超壓誘導(dǎo)的周期性壓力釋放而形成的微裂縫，超壓成因以快速沉積造成的不均衡壓實(shí)為主，帶動(dòng)水熱增壓作用和礦物脫水作用。靖海凹陷由始新世—漸新世裂谷斷陷期，過(guò)渡為早中新世—中中新世的裂后熱沉降期，沉積由近海淺湖相過(guò)渡為深海-半深海相，溝通斷陷期陸相及淺海相烴源巖和坳陷期深海-半深海相儲(chǔ)集層的長(zhǎng)期斷裂不發(fā)育,缺乏油氣垂向運(yùn)移的主要通道，成為制約該期成藏的關(guān)鍵因素。多邊形斷層在靖海凹陷中新統(tǒng)珠江組和韓江組中廣泛發(fā)育，可作為油氣運(yùn)移的輸導(dǎo)通道，起到對(duì)油氣運(yùn)移分流調(diào)節(jié)作用，控制成藏區(qū)帶分布，對(duì)靖海凹陷裂后熱沉降期油氣成藏具有重要的意義。

多邊形斷層；油氣運(yùn)移；油氣成藏;靖海凹陷；珠江口盆地

多邊形斷層系統(tǒng)最早于1990年由Cartwright在英國(guó)北海盆地的新生界泥巖地層中發(fā)現(xiàn)，隨后在全球50多個(gè)沉積盆地中發(fā)現(xiàn)類似多邊形斷層系統(tǒng)。多邊形斷層系統(tǒng)(polygonal fault system)由數(shù)量眾多、密集分布的張性正斷層組成，斷層平均斷距為30～100 m，延伸長(zhǎng)度介于100～2 000 m，斷層傾角介于20°～80°，斷面呈上陡下緩的鏟狀，在平面上斷層交切在一起，組成具有多邊形幾何特征的斷裂系統(tǒng)。多邊形斷層系統(tǒng)主要發(fā)育在富含細(xì)粒沉積物的深海-半深海陸坡沉積環(huán)境，同樣存在于一些深水盆地，以及前陸盆地和內(nèi)克拉通盆地，超過(guò)90%的多邊形斷層系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)于被動(dòng)大陸邊緣盆地。目前多邊形斷層系統(tǒng)成因機(jī)制還存在爭(zhēng)議，主要的觀點(diǎn)包括脫水收縮、密度反轉(zhuǎn)、差異壓實(shí)、成巖作用等[1-4]。

珠江口盆地在新生代時(shí)期為被動(dòng)大陸邊緣拉張型含油氣盆地，早期的油氣勘探主要集中在陸架淺水區(qū)的珠一坳陷，隨著勘探程度不斷提高，逐漸轉(zhuǎn)入位于陸坡深水區(qū)的珠二坳陷以及珠四坳陷。自晚漸新世到早中新世，南海開(kāi)始張裂，海水由南往北大規(guī)模入侵，珠二坳陷以及珠四坳陷自中新世一直處于大陸斜坡的深海—半深海沉積環(huán)境，長(zhǎng)期發(fā)育的斷裂比較少，加上鉆井勘探程度低，難以確定有效的油氣運(yùn)移方向和成藏區(qū)帶[5]。針對(duì)研究現(xiàn)狀，本文基于靖海凹陷的高分辨率三維地震資料，利用地震相干切片技術(shù)，以及地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)靖海凹陷中新世發(fā)育的多邊形斷層系統(tǒng)的分布規(guī)律、成因機(jī)制以及油氣成藏意義展開(kāi)研究。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

靖海凹陷位于珠江口盆地珠四坳陷東北側(cè)，是由中生代擠壓增生大陸邊緣過(guò)渡到新生代拉張離散大陸邊緣背景下發(fā)育演化形成的中、新生代疊合盆地，晚白堊世以來(lái)，在拉張應(yīng)力作用下，靖海凹陷經(jīng)歷了斷陷期、拗陷期、新構(gòu)造期等多個(gè)演化階段，具有先斷后拗的凹陷結(jié)構(gòu)，該地區(qū)海水深度在1 500～2 300 m。珠江口盆地靖海凹陷、白云-荔灣凹陷同屬于南海北部陸架邊緣深水陸坡區(qū)，近年來(lái)在白云北坡的一系列天然氣發(fā)現(xiàn)和LW-S氣區(qū)的突破證實(shí)該區(qū)良好的生烴條件，顯示出陸架坡折帶范疇內(nèi)巨大的油氣勘探潛力。靖海凹陷發(fā)育白堊系、侏羅系和古近系3套烴源巖沉積，以及新近系淺海-陸架邊緣三角洲和陸坡大型深水扇兩套優(yōu)質(zhì)砂巖儲(chǔ)層，是珠江口盆地地層-巖性油氣藏勘探的重要遠(yuǎn)景區(qū)[6-7](圖1)。

2 多邊形斷層系統(tǒng)特征及要素

靖海凹陷多邊形斷層系統(tǒng)發(fā)育于中新世上珠江組和下韓江組沉積時(shí)期，期間受南海海底擴(kuò)張影響，靖海凹陷進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的熱沉降時(shí)期，開(kāi)始深海-半深海相沉積盆地演化階段，中新統(tǒng)沉積了巨厚的海相泥巖地層。由于靖海凹陷特定的深水沉積環(huán)境和稀井條件，以及多邊形斷層具有斷距小、延伸長(zhǎng)度短、走向多變且密集發(fā)育的特點(diǎn)，研究區(qū)缺乏系統(tǒng)的對(duì)多邊形斷層面狀和線狀結(jié)構(gòu)的歸納和總結(jié)(圖2)。因此在鉆探程度低的海域，基于高分辨率的三維地震資料，結(jié)合層拉平和相干切片技術(shù)，揭示多邊形斷層系統(tǒng)的各種構(gòu)造要素的相互關(guān)系。

圖1 靖海凹陷區(qū)域位置及陸架坡折帶變遷Fig.1 Location of the Jinghai Sag and evolution of the shelf break

圖2 靖海凹陷多邊形系統(tǒng)發(fā)育層段示意圖(剖面位置圖見(jiàn)圖1)Fig.2 Map showing formations with polygonal faults in the Jinghai Sag(section location see Fig.1)

圖3 靖海凹陷多邊形斷層平面組合結(jié)構(gòu)Fig.3 Combination of polygonal faults on plane view in the Jinghai Sag

由靖海凹陷中新統(tǒng)韓江組至珠江組，優(yōu)選 a—d一共4張地層相干切片，清晰刻畫(huà)了由韓江組至珠江組多邊形斷層的展布和演化規(guī)律。隨著地層深度的增加，多邊形斷層出現(xiàn)頻率逐漸增加、分布范圍繼續(xù)擴(kuò)大，主要發(fā)育在研究區(qū)中東部。斷層走向玫瑰花圖揭示多邊形斷層走向多變，不存在構(gòu)造成因斷層具備的主應(yīng)力方向(圖4)。多邊形斷層平面上延伸長(zhǎng)度介于200～2 000 m，且延伸長(zhǎng)度介于300～1 100 m的多邊形斷層占據(jù)多邊形斷層總量的80%以上，而延伸長(zhǎng)度分布在1 100～2 000 m內(nèi)多邊形斷層在各自區(qū)間上分布頻率均低于10%(圖5a)。值得一提的是，延伸長(zhǎng)度小于200 m的多邊形斷層較不易在相干地層切片上被有效拾取，主要原因在于：①延伸長(zhǎng)度較小的多邊形斷層的相干地震波形差異性較小，易與巖性、物性和含油氣性變化造成波形差異的相干信號(hào)混淆；②由于三維地震資料按一定的線、道間距進(jìn)行采集和處理，線道間沒(méi)有記錄地震反射信息，如靖海三維地震資料線間距和道間距分別為25 m和12.5 m，延伸長(zhǎng)度在28 m及以上(線、道間距對(duì)角線長(zhǎng)度)的多邊形斷層才能確保被三維數(shù)據(jù)所記錄。多邊形斷層走向間夾角分布在50°～180°，走向夾角優(yōu)勢(shì)分布區(qū)域集中在90°附近，70°～110°的走向夾角占據(jù)總樣本數(shù)的80%左右(圖5b)。多邊形斷層斷距隨著埋深增加而增加，在斷層中段斷距達(dá)到最大，進(jìn)而隨著埋深增加斷距逐漸減小，斷距大小介于2～35 ms(以速度譜拾取該層段平均速度1 600 m/s換算，多邊形斷距介于1.6～28 m)，斷距與埋深交匯趨勢(shì)線呈現(xiàn)倒“C”型或者“M”型(圖5c)。多邊形斷層傾角隨著埋藏深度增加，傾角逐漸變緩，總體上呈現(xiàn)為上陡下緩的鏟式正斷層，斷層傾角主要分布在55°～80°(圖5d)。

圖4 靖海凹陷多邊形斷層發(fā)育層段相干切片F(xiàn)ig.4 Coherence slices of formations with polygonal faults in the Jinghai Sag

圖5 靖海凹陷多邊形斷層產(chǎn)狀與位移要素Fig.5 Occurrence and displacement characteristics of polygonal faults in the Jinghai Sag

3 多邊形斷層成因機(jī)制

由于珠江口盆地靖海凹陷前期陸坡深水區(qū)斷裂系統(tǒng)研究，主要是針對(duì)新近系的控制盆地沉積演化的控洼斷層和溝通烴源巖及儲(chǔ)層的油源斷層，很少對(duì)新近系中新統(tǒng)發(fā)育的多邊形斷層進(jìn)行研究，因此有必要利用現(xiàn)有的鉆井、測(cè)井和三維地震資料，分析靖海凹陷多邊形斷層的成因機(jī)制，深化多邊形斷層對(duì)油氣成藏控制作用的研究。

3.1 多邊形斷層形成的地質(zhì)條件

靖海凹陷新生界具有先斷后拗的雙層垂向結(jié)構(gòu)，下構(gòu)造層為盆地?cái)嘞萜诎l(fā)育的古近系近海淺湖相沉積；上構(gòu)造層則為盆地拗陷期形成的新近系海陸過(guò)渡相和海相沉積。靖海凹陷多邊形斷層主要發(fā)育在中新統(tǒng)珠江組和韓江組厚層海相泥巖沉積地層。在早中新世白云運(yùn)動(dòng)控制下，海水由珠四坳陷向珠一坳陷大規(guī)模侵入，經(jīng)歷2次明顯海平面快速上升，珠江口盆地陸架坡折帶由珠四坳陷北側(cè)遷移至珠二坳陷北側(cè)，珠二坳陷由淺水陸架突變?yōu)樯钏懫鲁练e環(huán)境[8]，于珠二坳陷北側(cè)陸架區(qū)發(fā)育淺水三角洲沉積體系，而在珠二坳陷南側(cè)及珠四坳陷發(fā)育深水陸坡沉積體系(圖1)。靖海凹陷在中新世海平面快速上升和沉積速率較高的背景下，形成了獨(dú)具特色的半深海-深海陸坡沉積環(huán)境，是靖海凹陷中新世多邊形斷層形成的重要地質(zhì)條件。

3.2 多邊形斷層的形成機(jī)制

靖海凹陷多邊形斷層多出現(xiàn)在發(fā)育巨厚半深海-深海泥巖的陸坡區(qū)，陸坡區(qū)具有較高的沉積速率和較細(xì)的沉積物的特點(diǎn)。多邊形斷層的成因是由于地層超壓誘導(dǎo)的周期性壓力釋放造成的，超壓成因以快速沉積造成的不均衡壓實(shí)為主，帶動(dòng)高熱流背景下的水熱增壓作用、礦物脫水作用[9-13]。

3.2.1 欠壓實(shí)作用

3.2.2 體積變化作用

靖海凹陷超壓形成主要受控于欠壓實(shí)作用，但其特殊的地理位置和沉積環(huán)境，導(dǎo)致盆地一直處于高溫環(huán)境，因此地溫對(duì)超壓的形成起到一定作用。①水熱增壓作用：珠江口盆地是在減薄的大陸地殼背景下發(fā)育形成的，受地幔熱源和區(qū)域構(gòu)造影響，盆地地溫梯度表現(xiàn)為南高北低，東西緩慢變化的特點(diǎn)。靖海凹陷位于珠二坳陷南側(cè)，毗鄰南海洋陸轉(zhuǎn)換帶(OCT)，結(jié)合重磁資料推測(cè)該區(qū)莫霍面深度介于18～24 km，遠(yuǎn)小于珠一洼陷介于28～30 km的莫霍面深度，地殼的減薄反映了熱流趨勢(shì)由華南沿海往海盆方向增加，與莫霍面的由北往南抬升相對(duì)應(yīng)。靖海凹陷平均熱流值約為86 mW/m2遠(yuǎn)高于北部坳陷帶65 mW/m2的平均熱流值，盆地整體處在一個(gè)較高的地?zé)岜尘爸?，推算平均地溫可達(dá)60 ℃/km[6]。三維地震資料揭示了靖海凹陷新生代巖漿活動(dòng)頻繁，多處可識(shí)別基性巖漿噴發(fā)至海底形成的 “U”型坍塌火山口，進(jìn)一步加劇了該區(qū)局部地溫的異常。頻繁的巖漿活動(dòng)將產(chǎn)生的很高的熱量，陸地油田勘探實(shí)踐表明，巖漿熱事件產(chǎn)生附加熱流疊加在正常大地?zé)崃鞅尘爸?，可形成異常高的古地溫?chǎng)。靖海凹陷不僅具備較高的古地溫背景，而且中新統(tǒng)沉積的巨厚深水泥巖，為水熱增壓創(chuàng)造了良好的封閉條件，隨著埋深和溫度的增加，流體體積增長(zhǎng)的速率明顯超過(guò)巖石骨架體積擴(kuò)張速率，從而導(dǎo)致異常高壓形成。②礦物脫水作用：南海ODP1148站位于靖海凹陷南側(cè)，由于其埋藏較淺，尚處于沉積物成巖作用早期，其粘土礦物成分變化可以表征古沉積環(huán)境信息。根據(jù)該站沉積物粘土礦物分析成果，自23.8 Ma進(jìn)入中新世以來(lái)，粘土礦物中蒙脫石逐步轉(zhuǎn)化為伊利石，由33.7 Ma漸新世的80%左右降低到1.81 Ma更新世的15%左右，期間伊利石含量由10%增長(zhǎng)到45%左右[14]。在中新世16 Ma蒙脫石快速轉(zhuǎn)化為伊利石，蒙脫石含量由約60%突降至20%左右，蒙脫石脫水釋放的結(jié)構(gòu)水，在壓實(shí)和熱力作用下，逐漸轉(zhuǎn)化為孔隙水，排擠孔隙中原有的流體，當(dāng)流體不能及時(shí)排出時(shí)，導(dǎo)致孔隙流體壓力增大，產(chǎn)生超壓(圖6c,d)。16 Ma蒙脫石快速脫水期與前面分析的海平面快速上升及多邊形斷層大規(guī)模發(fā)育的時(shí)間基本一致，印證了礦物脫水作用在超壓形成中起到一定作用。

圖6 靖海凹陷鄰區(qū)沉積速率及礦物含量變化Fig.6 Deposition rate and mineral content variations in the surrounding area of the Jinghai Sag

圖7 靖海凹陷多邊形斷層發(fā)育區(qū)異常壓力結(jié)構(gòu)(剖面位置見(jiàn)圖1)Fig.7 Abnormal pressure of zones with polygonal faults in the Jinghai Sag(Section location see Fig.1)

綜合以上分析，靖海凹陷中新統(tǒng)多邊形斷層形成是以欠壓實(shí)作用主導(dǎo)，伴隨水熱增壓以及礦物脫水等因素共同作用下，隨著孔隙流體壓力不斷增加，當(dāng)孔隙壓力超過(guò)泥巖承受強(qiáng)度，泥巖會(huì)形成微裂縫釋放孔隙超壓，泥巖超壓地層內(nèi)孔隙流體壓力降低，導(dǎo)致微裂縫再次封閉，直到下一輪泥巖封閉層的開(kāi)啟和超壓孔隙流體的釋放，如此反復(fù)，形成數(shù)量眾多、密度極高的多邊形斷層。

4 多邊形斷層系統(tǒng)油氣成藏意義

珠江口盆地新近系沉積了巨厚的細(xì)粒海相泥巖，加之溝通古近系烴源巖的斷裂不發(fā)育，古近系文昌組和恩平組烴源巖排出的油氣受到新近系區(qū)域性海相泥巖的封閉，缺乏油氣垂向運(yùn)移到新近系地層的有效通道[15-16]。多邊形斷層上方萬(wàn)山組發(fā)育的水道砂巖遭受壓實(shí)產(chǎn)生的瞬間剩余壓力遠(yuǎn)小于泥巖，因此水道下方的泥巖地層排液相對(duì)通暢，不會(huì)形成誘導(dǎo)多邊形斷層發(fā)育的異常高壓，在地層相干切片上水道發(fā)育區(qū)多邊形斷層零星分布，且多邊形斷層走向正交于水道推進(jìn)方向(圖8a)。水道砂巖成為深層油氣橫向運(yùn)移途中的“捕獲點(diǎn)”，在充填水道3中可識(shí)別“蚯蚓”狀強(qiáng)振幅反射，反映了含氣砂巖儲(chǔ)集體與圍巖存在較大波阻抗差異(圖8b)。在中新統(tǒng)海相泥巖處于增壓階段，孔隙流體壓力還未達(dá)到泥巖的突破壓力，多邊形斷層不發(fā)育或者處于間歇關(guān)閉階段，新近系發(fā)育的厚層海相泥巖為下覆油氣藏的區(qū)域性蓋層，深層古近系生成油氣，在韓江組海相泥巖“頂板”控制下，沿著“構(gòu)造脊”由洼槽帶橫向向盆地邊緣運(yùn)移；在多邊形斷層超壓釋放階段，在中新統(tǒng)珠江組和韓江組發(fā)育密集的小斷距正斷層，形成了油氣垂向輸導(dǎo)的周期性通道，深層油氣在多邊形斷層和上覆泥巖蓋層聯(lián)合控制下，由深層向淺層，泥巖向砂巖，由洼陷中心高勢(shì)區(qū)向盆地邊緣低勢(shì)區(qū)運(yùn)移(圖9)。

5 結(jié)論

1) 靖海凹陷多邊形斷層主要發(fā)育在陸坡深水區(qū)珠江組上部和韓江組下部，綜合其平面特征，可劃分為圓弧型、正交型及雜亂型3種結(jié)構(gòu)。多邊形斷層平面延伸長(zhǎng)度介于200～2 000 m，且平面延伸長(zhǎng)度在300～1 100 m的多邊形斷層占據(jù)80%以上，斷層傾角主要分布在55°～80°，走向夾角以70°～110°為優(yōu)勢(shì)分布區(qū)間，多邊形斷距介于1.6～28 m，且斷距與埋深交匯圖呈現(xiàn)倒“C”型或者“M”型。

2) 靖海凹陷多邊形斷層是由于地層超壓誘導(dǎo)的周期性壓力釋放形成的微裂縫，而17.5～15.5Ma和13.8～12.5Ma快速沉積造成的不均衡壓實(shí)作用，及高地?zé)岜尘跋滤疅嵩鰤鹤饔眉暗V物脫水作用為超壓主要成因機(jī)制。

3) 由于靖海凹陷中新世沉積厚層海相泥巖及晚期斷裂不發(fā)育，深水陸坡區(qū)缺乏油氣垂向運(yùn)移的有效通道，在多邊形斷層封閉期間，油氣在上覆泥巖控制下以側(cè)向運(yùn)移為主；在多邊形斷層開(kāi)啟階段，多邊形斷層成為油氣垂向運(yùn)移的有效通道，油氣以多邊形斷層、連通砂體和構(gòu)造脊復(fù)合輸導(dǎo)體系為運(yùn)移路徑。

圖8 多邊形斷層與上覆沉積水道油氣輸導(dǎo)體系(剖面位置見(jiàn)圖1)Fig.8 Carrier system between polygonal faults and the overlying channel deposits(Section Location see Fig.1)

圖9 靖海凹陷多邊形斷層發(fā)育區(qū)油氣成藏模式Fig.9 Hydrocarbon accumulation pattern of zones with polygonal faults in the Jinghai Sag

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(編輯 張亞雄)

Genetic mechanism and hydrocarbon accumulation of polygonal fault system in Jinghai Sag of the Pearl River Mouth Basin

Jiang Ning， He Min，Liu Jun，Xue Huaiyan，Zheng Jinyun，Zhang Qinglin

(ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,Shenzhen，Guangdong,518000，China)

Small normal faults are well developed in the Miocene in Jinghai Sag of the Pearl River Mouth Basin and they are characterized by close spacing,highly variable strike,limited trace length,small throw,steep dip,crosscutting and polygonal geometry on plane view.Comprehensive study reveals that they are non-tectonic origin.A polygonal fault system (PFS) consists of small normal faults formed due to periodical pressure release induced by shallow overpressure.The overpressure is mainly caused by differential compaction,aquathermal pressuring and chemically driven volumetric contraction (syneresis) due to rapid sediment deposition.During the Eocene and Oligocene,Jinghai Sag experienced lithospheric stretching,followed by thermal subsidence in the Early and Middle Miocene,with the deposition environment evolved from lacustrine-neritic facies to bathyal-abyssal facies.The poor development of growth faults which play a key role in connecting the source rock of lacustrine-neritic facies and reservoir of bathyal-abyssal facies resulted in the absence of vertical hydrocarbon migration pathways.Polygonal faults are highly developed in the Miocene Zhujiang and Hanjiang Formations in Jinghai Sag and can act as hydrocarbon migration pathways,thus are highly significant for hydrocarbon accumulation during post-rift thermal subsidence.

polygonal fault system，hydrocarbon migration,hydrocarbon accumulation,Jinghai Sag,Pearl River Mouth Basin

2015-08-28;

2017-02-25。

江寧(1985—)，男,工程師，石油地質(zhì)。E-mail:jiangning@cnooc.com.cn。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2008ZX05025-006-03)。

0253-9985(2017)02-0363-08

10.11743/ogg20170216

TE122.1

A