朱洁琼,李廷辉,廖飞燕,谢玉权,龙 伟

(1.中国石油南方石油勘探开发有限责任公司,广州 510240;2.中国石油集团 东方地球物理勘探有限责任公司研究院大港分院,天津 300280;3.自然资源部构造成矿成藏重点实验室(成都理工大学),成都,610059)

断陷盆地边界断层往往是控制盆地发育演化和沉积充填的控陷断裂。通常,边界控陷断裂的发育具有分段性,表现为早期存在走向、断面形态、活动性等特征差异的多个小尺度断层,在不同地质历史时期不同或相同构造应力背景相互作用下,通过软连接或硬连接的方式,在晚期连接形成一条规模巨大、平面走向多变、分段特征差异明显的边界断裂［1-8］。边界断裂的分段特征及其连接生长过程对盆地内主要构造样式发育、沉积中心分布与迁移、沉积相带展布以及油气成藏等都具有重要的控制作用［9-14］。因此,本文以福山凹陷临高断裂为重点研究对象,在地震剖面精细解释的基础上,对断裂分段剖面特征进行解析;通过对断裂各分段活动性以及发育生长过程分析,探索边界断层分段性对凹陷构造体系以及沉降中心的控制作用,以期为福山凹陷的油气勘探提供理论支撑。

1 区域地质概况

北部湾盆地位于欧亚板块东南缘,整体呈北东—南西向展布,是南海海域上油气勘探的重要区域之一［15-17］。在地质演化过程中,该盆地受到周边菲律宾板块、太平洋板块以及南海洋壳的强烈影响,导致其成为新生代构造活动最活跃的地区之一［18-20］。

福山凹陷位于北部湾盆地东南缘,其北西侧以临高断裂为界、与临高凸起相邻,东侧以长流断裂为界、与云龙凸起相接,南部以安定断裂为界、与海南隆起相连,整体表现为一个北东、北东东展布的北断南超箕状断陷(图1)［21-23］。凹陷内以古生界及中生代中、酸性火成岩为基底,自下而上依次发育地层有白垩系、古近系长流组、流沙港组、涠洲组和新近系以及第四系。其中流沙港组为该凹陷油气重点勘探的目的层位［24-25］。根据钻井、地质、地球物理资料以及层序界面特征,将流沙港组以及涠洲组进一步分别划分为3个Ⅲ级层序,从老到新依次为流三段、流二段、流一段、涠三段、涠二段以及涠一段(图2)。

图1 福山凹陷构造位置［18］Fig.1 Tectonic location of Fushan Sag［18］

图2 福山凹陷地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic histogram of Fushan Sag

2 临高断裂几何特征的分段性

临高断裂形成于福山凹陷的初始裂陷期,平面延伸长度约80 km,新生界最大断距超过3 km,控制整个福山凹陷形成演化。临高断层整体特征为上陡下缓,在深部形成近水平的大型滑脱正断层,具有拆离断层的特征,是强伸展构造背景下形成的产物。根据断裂平面走向,可将临高断裂划分为3段:北北东走向的西段、东西走向的中段以及北东走向的东段(图1)。

地震数据是研究断裂特征的重要基础资料之一。本文在井震标定的基础上,通过地震资料精细解释发现,临高断裂沿断层走向断面形态变化非常明显,表现出强烈的分段性。西段地震剖面显示临高断裂长期活动,断面产状在浅部陡立,在深部逐渐变缓,总体上表现为上陡下缓的铲式断面形态(图3);中段地震剖面显示临高断裂断面整体较陡,断面为直板式(图4);东段地震剖面显示临高断裂同样长期活动,断面产状变化明显,由浅部到深部整体表现为断面呈“陡-缓-陡”变化的坡坪式正断层(图5)。

图3 福山凹陷临高断裂西段A-A’剖面特征(剖面位置见图1)Fig.3 Section A-A’ characteristics in the west section of Lingao fault in Fushan Sag

图4 福山凹陷临高断裂中段B-B’剖面特征(剖面位置见图1)Fig.4 Section B-B’ characteristics in the middle section of Lingao fault in Fushan Sag

图5 福山凹陷临高断裂东段C-C’剖面特征(剖面位置见图1)Fig.5 Section C-C’ characteristics in the east section of Lingao fault in Fushan Sag

3 断裂分段生长特征

3.1 断层活动性

断层活动性常用的分析方法有断层生长指数法［26-28］、断层古落差法［29-30］以及断层活动速率法［31-32］。其中断层活动速率是指断层上盘厚度与下盘厚度的差值与该地层所经历的地质时间的比值［33-34］。该法由于引入了地质时间因素,能更好的反映出断层的活动强度,因此,本文采用该方法对福山凹陷主要控陷断裂的活动性进行分析。

临高断裂在同一地质时期不同分段的活动性存在显著差异,而同一分段在不同地质时期的活动也明显不同(图6)。长流组沉积时期,福山凹陷进入初始断陷阶段,临高断裂开始发育,此时该断裂的东段和西段活动性较强,而中段活动速率最低。流三段沉积时期,凹陷进一步扩张,断裂活动性普遍增强,临高断裂西段活动速率达到最大,东段次之,中段最小。流二段沉积时期,福山凹陷内部次级断裂开始发育,临高断裂西段和中段活动性减弱,东段活动性继续增强。流一段沉积时期,临高断裂中段和东段活动速率增大,东段活动速率达到顶峰,而临高断裂西段活动性继续减弱。涠洲组沉积时,临高断裂活动性普遍减弱,内部次级断裂成为凹陷内主要的活动断裂。涠洲组沉积后,福山凹陷进入坳陷期,临高断裂几乎停止活动。由此可见,临高断裂的3个分段在不同地质历史时期都表现出“弱-强-弱”的特征,同时活动性表现出一定的迁移性,由西段的强活动性逐步迁移至东段的强活动性。

图6 临高断裂不同段不同地质时期活动速率图Fig.6 Activity rate of different sections of Lingao fault in different geological periods

流一段沉积时期,次级控凹断裂开始发育,如博厚断裂、美花断裂、莲花断裂,此时3条次级断裂的活动性相对较弱。涠三段沉积时期,3条次级断裂的活动性大幅增强,对凹陷的沉积建造起着重要的控制作用。凹陷东部的莲花断裂活动性最强,凹陷中部的美花断裂次之,凹陷西部的博厚断裂活动性最弱。涠二+一段沉积时期,3条次级断裂活动性开始减弱,直至涠洲组沉积后,3条次级断裂基本停止活动(图7)。整体来看,3条次级控凹断裂的活动性在不同地质历史时期东部最强,西部最弱,表明流一段至涠洲组沉积时期,福山凹陷东部的构造活动强于西部。

图7 福山凹陷次级断裂不同地质时期活动速率图Fig.7 Activity rate diagram of secondary faults at different geological periods in Fushan Sag

3.2 断层演化过程

根据临高断裂的构造特征、活动期次并结合前人对北部湾盆地以及福山凹陷形成演化过程的研究,利用平衡剖面对临高断裂西段、中段以及东段3种不同断面形态分别进行了构造演化恢复(图8),并将断裂发育演化过程划分为2个阶段。

图8 临高断裂各段构造演化剖面(剖面位置见图1)Fig.8 Structural evolution of each section of Lingao fault

3.2.1 直板断面发育阶段

古新世,由于周缘板块(欧亚板块、印度板块以及菲律宾板块)的俯冲碰撞,福山凹陷主要受到北西-南东向的拉张,进入初始断陷发育阶段。

凹陷北部边界控陷断裂—临高断裂开始发育,断面形态为高角度直板式断层,福山凹陷总体上仍呈北东向展布,形成西南高,东北低的基本框架。凹陷内部断裂不发育,沉积建造主要受控于临高断裂。该时期福山凹陷已初具雏形,形成三角形展布的形态。

流三段沉积时期,由于北西—南东向的拉张作用进一步加强,北东向的临高断层大规模活动,在凹陷内部形成了一些规模较小的北东向断层。随着断陷活动的加剧,流三段的沉降速度远大于沉积速度,沉积了巨厚的流三段。此时期,临高断裂活动速率增强,沿早期断层面继续向上发育,切割流三段,凹陷内部次级断裂仍不发育。

3.2.2 复杂断面发育阶段

流二段-涠洲组沉积时期,福山凹陷区域应力场由北西—南东向拉张转为南北向拉张为主,导致临高断裂发育东西方向分支断裂和同向分支断裂。流二段沉积时期,福山凹陷进入强烈断陷期,湖侵范围进一步扩大,同时受云龙凸起物源供给影响,临高断裂及东侧长流断裂带活动强烈。此时凹陷内部次级断裂开始发育,主要切割长流组以及流三段,不控制沉积,在剖面上表现为多条近乎平行且等间距排列的多米诺式断裂组合。流一段沉积时期,临高断裂西段、中段活动性减弱,凹陷内次级控凹断裂(博厚断裂、美花断裂、莲花断裂)开始发育,与临高断裂共同控制凹陷沉积建造的展布。涠洲组沉积时期,临高断裂继续活动,但活动的强度不及前期,并且具有逐渐衰减的趋势。而博厚断裂、美花断裂以及莲花断裂活动性增强,对凹陷的沉积建造起主要控制作用,在剖面上表现出断上盘地层厚度远远大于断下盘。该时期内,临高断裂虽然活动性逐渐减弱,但是其生长发育并未停止,一直表现出生长断层的特征,持续向上发育切割新地层,并形成多种分段断面形态,如西部的铲式断面、中部的直板式断面以及东部的坡坪坡式断面。

进入新近纪以来(涠洲组沉积后),南海运动后构造活动减弱,张裂阶段热力的逐渐释放,转换成热收缩(或热沉降),并伴随有火山喷发,标志着福山凹陷由断陷期转变为坳陷期发展。该时期临高断裂活动微弱,断层不发育,次级控凹断裂也基本停止活动。

4 福山凹陷对断裂分段发育的响应

4.1 构造体系响应

边界断层的分段生长直接控制了断陷盆地内的构造样式,临高断裂发育演化阶段的分段性导致福山凹陷发育上下2套不同的构造体系,表现出双层地质结构。以流二段中发育的基性火成岩为界,下部发育受早期直板断面控制的深层断裂构造体系,上部发育受晚期复杂断面以及次级控凹断裂(博厚断裂、美花断裂、莲花断裂)联合控制的浅层断裂构造体系(图9)。下部断裂体系切割流二、流三段及长流组,并切穿古近系基底。该断层系统主要为南倾的多米诺式正断层组合,断层大小相近,近等间距平行排列,断层面多为板状,不控制沉积。上部断裂体系为一套相对倾斜的正断层组合,断层面大多上陡下缓,以铲状为主,具有生长断层的特点,主要切割涠洲组和流沙港组第一段,新近纪后基本停止发育,组合形成复杂多样的构造样式,包括同向断阶、“y”字形构造、堑垒构造、卷心菜构造等。

图9 双层结构典型地震剖面B-B’(剖面位置见图1)Fig.9 Typical seismic profile B-B’ of double-layer structure

4.2 沉积中心响应

在断陷盆地中,构造运动对盆地的沉积建造具有明显的控制作用,尤其是生长断裂对地层厚度的控制作用。因此,最大沉积中心的分布、迁移与不同时期不同断裂活动速率的强弱具有很好的耦合关系。根据福山凹陷流沙港组以及涠洲组厚度空间展布特征可以看出(图10),最大沉积厚度的在空间上的分布形态与临高断裂、美花断裂以及莲花断裂近乎平行,呈北东-南西向展布,结合断裂活动性,可以推断福山凹陷古近系沉积建造在一定程度上受控于临高断裂、美花断裂以及莲花断裂。此外,最大沉积中心位置的迁移以及范围的扩大与断裂活动性具有很好的匹配关系。流二段沉积时期,临高断裂西段和东段的活动性远远大于中段,因此主要的沉积中心位于凹陷的西部和东部。流一段沉积时期,临高断裂中段、东段活动性逐步增强,而西段的活动性减弱,次级控凹断裂开始发育,莲花断裂的活动性大于美花断裂和博厚断裂,因此沉积中心逐步往凹陷中、东部迁移。涠三段沉积时期,临高断裂的活动性整体减弱,但仍表现出东段最强,中段次之,西段最弱的特征,且莲花断裂也为活动性最强的次级断裂,因此沉积中心整体往凹陷东部迁移。涠二+一段沉积时期,断裂活动性整体减弱,尤其是临高断裂西段、中段以及美花断裂,此时最大沉积中心位于福山凹陷东部。

图10 福山凹陷地层等厚图Fig.10 Stratum isopach map of Fushan Sag

5 结论

a.根据断层平面走向、断层断面形态、构造样式等方面的差异,可将福山凹陷临高断裂沿断裂走向划分为3段:北北东向铲式断面的西段、东西向直板式断面的中段以及北东向坡坪坡式断面的西段;根据其发育生长过程,又可将临高断裂划分为早期直板断面发育阶段以及晚期复杂断面发育阶段。

b.断裂分段生长控制凹陷整体构造体系。临高断裂早期直板式断面控制了福山凹陷下构造体系,以发育多米诺式断层为主;晚期复杂断面以及次级控凹断裂的联合作用控制了凹陷上构造体系,形成复杂多样的伸展构造。

c.断裂不同分段的活动性控制凹陷沉降中心。临高断裂以及次级控凹断裂不同分段不同地质时期的活动性差异,导致凹陷内沉降中心表现出西部往中部、东部迁移的特征。