斷裂分段特征對凹陷構(gòu)造—沉積分異的控制作用
——以北部灣盆地福山凹陷臨高斷裂為例

朱潔瓊,李廷輝,廖飛燕,謝玉權(quán),龍 偉

(1.中國石油南方石油勘探開發(fā)有限責任公司,廣州 510240;2.中國石油集團 東方地球物理勘探有限責任公司研究院大港分院,天津 300280;3.自然資源部構(gòu)造成礦成藏重點實驗室(成都理工大學),成都,610059)

斷陷盆地邊界斷層往往是控制盆地發(fā)育演化和沉積充填的控陷斷裂。通常,邊界控陷斷裂的發(fā)育具有分段性,表現(xiàn)為早期存在走向、斷面形態(tài)、活動性等特征差異的多個小尺度斷層,在不同地質(zhì)歷史時期不同或相同構(gòu)造應(yīng)力背景相互作用下,通過軟連接或硬連接的方式,在晚期連接形成一條規(guī)模巨大、平面走向多變、分段特征差異明顯的邊界斷裂［1-8］。邊界斷裂的分段特征及其連接生長過程對盆地內(nèi)主要構(gòu)造樣式發(fā)育、沉積中心分布與遷移、沉積相帶展布以及油氣成藏等都具有重要的控制作用［9-14］。因此,本文以福山凹陷臨高斷裂為重點研究對象,在地震剖面精細解釋的基礎(chǔ)上,對斷裂分段剖面特征進行解析;通過對斷裂各分段活動性以及發(fā)育生長過程分析,探索邊界斷層分段性對凹陷構(gòu)造體系以及沉降中心的控制作用,以期為福山凹陷的油氣勘探提供理論支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

北部灣盆地位于歐亞板塊東南緣,整體呈北東—南西向展布,是南海海域上油氣勘探的重要區(qū)域之一［15-17］。在地質(zhì)演化過程中,該盆地受到周邊菲律賓板塊、太平洋板塊以及南海洋殼的強烈影響,導(dǎo)致其成為新生代構(gòu)造活動最活躍的地區(qū)之一［18-20］。

福山凹陷位于北部灣盆地東南緣,其北西側(cè)以臨高斷裂為界、與臨高凸起相鄰,東側(cè)以長流斷裂為界、與云龍凸起相接,南部以安定斷裂為界、與海南隆起相連,整體表現(xiàn)為一個北東、北東東展布的北斷南超箕狀斷陷(圖1)［21-23］。凹陷內(nèi)以古生界及中生代中、酸性火成巖為基底,自下而上依次發(fā)育地層有白堊系、古近系長流組、流沙港組、潿洲組和新近系以及第四系。其中流沙港組為該凹陷油氣重點勘探的目的層位［24-25］。根據(jù)鉆井、地質(zhì)、地球物理資料以及層序界面特征,將流沙港組以及潿洲組進一步分別劃分為3個Ⅲ級層序,從老到新依次為流三段、流二段、流一段、潿三段、潿二段以及潿一段(圖2)。

圖1 福山凹陷構(gòu)造位置［18］Fig.1 Tectonic location of Fushan Sag［18］

圖2 福山凹陷地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic histogram of Fushan Sag

2 臨高斷裂幾何特征的分段性

臨高斷裂形成于福山凹陷的初始裂陷期,平面延伸長度約80 km,新生界最大斷距超過3 km,控制整個福山凹陷形成演化。臨高斷層整體特征為上陡下緩,在深部形成近水平的大型滑脫正斷層,具有拆離斷層的特征,是強伸展構(gòu)造背景下形成的產(chǎn)物。根據(jù)斷裂平面走向,可將臨高斷裂劃分為3段:北北東走向的西段、東西走向的中段以及北東走向的東段(圖1)。

地震數(shù)據(jù)是研究斷裂特征的重要基礎(chǔ)資料之一。本文在井震標定的基礎(chǔ)上,通過地震資料精細解釋發(fā)現(xiàn),臨高斷裂沿斷層走向斷面形態(tài)變化非常明顯,表現(xiàn)出強烈的分段性。西段地震剖面顯示臨高斷裂長期活動,斷面產(chǎn)狀在淺部陡立,在深部逐漸變緩,總體上表現(xiàn)為上陡下緩的鏟式斷面形態(tài)(圖3);中段地震剖面顯示臨高斷裂斷面整體較陡,斷面為直板式(圖4);東段地震剖面顯示臨高斷裂同樣長期活動,斷面產(chǎn)狀變化明顯,由淺部到深部整體表現(xiàn)為斷面呈“陡-緩-陡”變化的坡坪式正斷層(圖5)。

圖3 福山凹陷臨高斷裂西段A-A’剖面特征(剖面位置見圖1)Fig.3 Section A-A’ characteristics in the west section of Lingao fault in Fushan Sag

圖4 福山凹陷臨高斷裂中段B-B’剖面特征(剖面位置見圖1)Fig.4 Section B-B’ characteristics in the middle section of Lingao fault in Fushan Sag

圖5 福山凹陷臨高斷裂東段C-C’剖面特征(剖面位置見圖1)Fig.5 Section C-C’ characteristics in the east section of Lingao fault in Fushan Sag

3 斷裂分段生長特征

3.1 斷層活動性

斷層活動性常用的分析方法有斷層生長指數(shù)法［26-28］、斷層古落差法［29-30］以及斷層活動速率法［31-32］。其中斷層活動速率是指斷層上盤厚度與下盤厚度的差值與該地層所經(jīng)歷的地質(zhì)時間的比值［33-34］。該法由于引入了地質(zhì)時間因素,能更好的反映出斷層的活動強度,因此,本文采用該方法對福山凹陷主要控陷斷裂的活動性進行分析。

臨高斷裂在同一地質(zhì)時期不同分段的活動性存在顯著差異,而同一分段在不同地質(zhì)時期的活動也明顯不同(圖6)。長流組沉積時期,福山凹陷進入初始斷陷階段,臨高斷裂開始發(fā)育,此時該斷裂的東段和西段活動性較強,而中段活動速率最低。流三段沉積時期,凹陷進一步擴張,斷裂活動性普遍增強,臨高斷裂西段活動速率達到最大,東段次之,中段最小。流二段沉積時期,福山凹陷內(nèi)部次級斷裂開始發(fā)育,臨高斷裂西段和中段活動性減弱,東段活動性繼續(xù)增強。流一段沉積時期,臨高斷裂中段和東段活動速率增大,東段活動速率達到頂峰,而臨高斷裂西段活動性繼續(xù)減弱。潿洲組沉積時,臨高斷裂活動性普遍減弱,內(nèi)部次級斷裂成為凹陷內(nèi)主要的活動斷裂。潿洲組沉積后,福山凹陷進入坳陷期,臨高斷裂幾乎停止活動。由此可見,臨高斷裂的3個分段在不同地質(zhì)歷史時期都表現(xiàn)出“弱-強-弱”的特征,同時活動性表現(xiàn)出一定的遷移性,由西段的強活動性逐步遷移至東段的強活動性。

圖6 臨高斷裂不同段不同地質(zhì)時期活動速率圖Fig.6 Activity rate of different sections of Lingao fault in different geological periods

流一段沉積時期,次級控凹斷裂開始發(fā)育,如博厚斷裂、美花斷裂、蓮花斷裂,此時3條次級斷裂的活動性相對較弱。潿三段沉積時期,3條次級斷裂的活動性大幅增強,對凹陷的沉積建造起著重要的控制作用。凹陷東部的蓮花斷裂活動性最強,凹陷中部的美花斷裂次之,凹陷西部的博厚斷裂活動性最弱。潿二+一段沉積時期,3條次級斷裂活動性開始減弱,直至潿洲組沉積后,3條次級斷裂基本停止活動(圖7)。整體來看,3條次級控凹斷裂的活動性在不同地質(zhì)歷史時期東部最強,西部最弱,表明流一段至潿洲組沉積時期,福山凹陷東部的構(gòu)造活動強于西部。

圖7 福山凹陷次級斷裂不同地質(zhì)時期活動速率圖Fig.7 Activity rate diagram of secondary faults at different geological periods in Fushan Sag

3.2 斷層演化過程

根據(jù)臨高斷裂的構(gòu)造特征、活動期次并結(jié)合前人對北部灣盆地以及福山凹陷形成演化過程的研究,利用平衡剖面對臨高斷裂西段、中段以及東段3種不同斷面形態(tài)分別進行了構(gòu)造演化恢復(fù)(圖8),并將斷裂發(fā)育演化過程劃分為2個階段。

圖8 臨高斷裂各段構(gòu)造演化剖面(剖面位置見圖1)Fig.8 Structural evolution of each section of Lingao fault

3.2.1 直板斷面發(fā)育階段

古新世,由于周緣板塊(歐亞板塊、印度板塊以及菲律賓板塊)的俯沖碰撞,福山凹陷主要受到北西-南東向的拉張,進入初始斷陷發(fā)育階段。

凹陷北部邊界控陷斷裂—臨高斷裂開始發(fā)育,斷面形態(tài)為高角度直板式斷層,福山凹陷總體上仍呈北東向展布,形成西南高,東北低的基本框架。凹陷內(nèi)部斷裂不發(fā)育,沉積建造主要受控于臨高斷裂。該時期福山凹陷已初具雛形,形成三角形展布的形態(tài)。

流三段沉積時期,由于北西—南東向的拉張作用進一步加強,北東向的臨高斷層大規(guī)模活動,在凹陷內(nèi)部形成了一些規(guī)模較小的北東向斷層。隨著斷陷活動的加劇,流三段的沉降速度遠大于沉積速度,沉積了巨厚的流三段。此時期,臨高斷裂活動速率增強,沿早期斷層面繼續(xù)向上發(fā)育,切割流三段,凹陷內(nèi)部次級斷裂仍不發(fā)育。

3.2.2 復(fù)雜斷面發(fā)育階段

流二段-潿洲組沉積時期,福山凹陷區(qū)域應(yīng)力場由北西—南東向拉張轉(zhuǎn)為南北向拉張為主,導(dǎo)致臨高斷裂發(fā)育東西方向分支斷裂和同向分支斷裂。流二段沉積時期,福山凹陷進入強烈斷陷期,湖侵范圍進一步擴大,同時受云龍凸起物源供給影響,臨高斷裂及東側(cè)長流斷裂帶活動強烈。此時凹陷內(nèi)部次級斷裂開始發(fā)育,主要切割長流組以及流三段,不控制沉積,在剖面上表現(xiàn)為多條近乎平行且等間距排列的多米諾式斷裂組合。流一段沉積時期,臨高斷裂西段、中段活動性減弱,凹陷內(nèi)次級控凹斷裂(博厚斷裂、美花斷裂、蓮花斷裂)開始發(fā)育,與臨高斷裂共同控制凹陷沉積建造的展布。潿洲組沉積時期,臨高斷裂繼續(xù)活動,但活動的強度不及前期,并且具有逐漸衰減的趨勢。而博厚斷裂、美花斷裂以及蓮花斷裂活動性增強,對凹陷的沉積建造起主要控制作用,在剖面上表現(xiàn)出斷上盤地層厚度遠遠大于斷下盤。該時期內(nèi),臨高斷裂雖然活動性逐漸減弱,但是其生長發(fā)育并未停止,一直表現(xiàn)出生長斷層的特征,持續(xù)向上發(fā)育切割新地層,并形成多種分段斷面形態(tài),如西部的鏟式斷面、中部的直板式斷面以及東部的坡坪坡式斷面。

進入新近紀以來(潿洲組沉積后),南海運動后構(gòu)造活動減弱,張裂階段熱力的逐漸釋放,轉(zhuǎn)換成熱收縮(或熱沉降),并伴隨有火山噴發(fā),標志著福山凹陷由斷陷期轉(zhuǎn)變?yōu)檑晗萜诎l(fā)展。該時期臨高斷裂活動微弱,斷層不發(fā)育,次級控凹斷裂也基本停止活動。

4 福山凹陷對斷裂分段發(fā)育的響應(yīng)

4.1 構(gòu)造體系響應(yīng)

邊界斷層的分段生長直接控制了斷陷盆地內(nèi)的構(gòu)造樣式,臨高斷裂發(fā)育演化階段的分段性導(dǎo)致福山凹陷發(fā)育上下2套不同的構(gòu)造體系,表現(xiàn)出雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)。以流二段中發(fā)育的基性火成巖為界,下部發(fā)育受早期直板斷面控制的深層斷裂構(gòu)造體系,上部發(fā)育受晚期復(fù)雜斷面以及次級控凹斷裂(博厚斷裂、美花斷裂、蓮花斷裂)聯(lián)合控制的淺層斷裂構(gòu)造體系(圖9)。下部斷裂體系切割流二、流三段及長流組,并切穿古近系基底。該斷層系統(tǒng)主要為南傾的多米諾式正斷層組合,斷層大小相近,近等間距平行排列,斷層面多為板狀,不控制沉積。上部斷裂體系為一套相對傾斜的正斷層組合,斷層面大多上陡下緩,以鏟狀為主,具有生長斷層的特點,主要切割潿洲組和流沙港組第一段,新近紀后基本停止發(fā)育,組合形成復(fù)雜多樣的構(gòu)造樣式,包括同向斷階、“y”字形構(gòu)造、塹壘構(gòu)造、卷心菜構(gòu)造等。

圖9 雙層結(jié)構(gòu)典型地震剖面B-B’(剖面位置見圖1)Fig.9 Typical seismic profile B-B’ of double-layer structure

4.2 沉積中心響應(yīng)

在斷陷盆地中,構(gòu)造運動對盆地的沉積建造具有明顯的控制作用,尤其是生長斷裂對地層厚度的控制作用。因此,最大沉積中心的分布、遷移與不同時期不同斷裂活動速率的強弱具有很好的耦合關(guān)系。根據(jù)福山凹陷流沙港組以及潿洲組厚度空間展布特征可以看出(圖10),最大沉積厚度的在空間上的分布形態(tài)與臨高斷裂、美花斷裂以及蓮花斷裂近乎平行,呈北東-南西向展布,結(jié)合斷裂活動性,可以推斷福山凹陷古近系沉積建造在一定程度上受控于臨高斷裂、美花斷裂以及蓮花斷裂。此外,最大沉積中心位置的遷移以及范圍的擴大與斷裂活動性具有很好的匹配關(guān)系。流二段沉積時期,臨高斷裂西段和東段的活動性遠遠大于中段,因此主要的沉積中心位于凹陷的西部和東部。流一段沉積時期,臨高斷裂中段、東段活動性逐步增強,而西段的活動性減弱,次級控凹斷裂開始發(fā)育,蓮花斷裂的活動性大于美花斷裂和博厚斷裂,因此沉積中心逐步往凹陷中、東部遷移。潿三段沉積時期,臨高斷裂的活動性整體減弱,但仍表現(xiàn)出東段最強,中段次之,西段最弱的特征,且蓮花斷裂也為活動性最強的次級斷裂,因此沉積中心整體往凹陷東部遷移。潿二+一段沉積時期,斷裂活動性整體減弱,尤其是臨高斷裂西段、中段以及美花斷裂,此時最大沉積中心位于福山凹陷東部。

圖10 福山凹陷地層等厚圖Fig.10 Stratum isopach map of Fushan Sag

5 結(jié)論

a.根據(jù)斷層平面走向、斷層斷面形態(tài)、構(gòu)造樣式等方面的差異,可將福山凹陷臨高斷裂沿斷裂走向劃分為3段:北北東向鏟式斷面的西段、東西向直板式斷面的中段以及北東向坡坪坡式斷面的西段;根據(jù)其發(fā)育生長過程,又可將臨高斷裂劃分為早期直板斷面發(fā)育階段以及晚期復(fù)雜斷面發(fā)育階段。

b.斷裂分段生長控制凹陷整體構(gòu)造體系。臨高斷裂早期直板式斷面控制了福山凹陷下構(gòu)造體系,以發(fā)育多米諾式斷層為主;晚期復(fù)雜斷面以及次級控凹斷裂的聯(lián)合作用控制了凹陷上構(gòu)造體系,形成復(fù)雜多樣的伸展構(gòu)造。

c.斷裂不同分段的活動性控制凹陷沉降中心。臨高斷裂以及次級控凹斷裂不同分段不同地質(zhì)時期的活動性差異,導(dǎo)致凹陷內(nèi)沉降中心表現(xiàn)出西部往中部、東部遷移的特征。