謝玉洪,童傳新,范彩偉,宋 鵬,張 昊,童亨茂

(1.中國海洋石油總公司 湛江分公司,廣東 湛江 524057;2.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

0 引 言

瓊東南盆地位于海南島東南、南海北部,呈北東東向延伸,其范圍約西起 108°51′E,東至114°41′E,北起 18°50′N,南到 17°00′N(圖1 中的黃色區(qū)域)。東西長290 km,南北寬約181 km,面積約60000 km2,大體上圍繞海南島南部呈一弧形展布(蔡乾忠,2005;謝文彥等,2008,2009)。盆地西以1號斷層與鶯歌海盆地為界,東接珠江口盆地,北部為海南隆起,南部向南海海盆開口(圖1)。系一個(gè)以前古近系為基底的新生代伸展型盆地,沉積厚度達(dá) 10000 m以上,由古近系(裂陷層系)和新近系(坳陷層系)組成(表1),最大水深超過1000 m(蔡乾忠,2005)。其中裂陷層系斷層十分發(fā)育,坳陷層系也有少量的斷層發(fā)育。

斷層是伸展型盆地構(gòu)造研究的核心,也是此類盆地油氣勘探的關(guān)鍵(童亨茂等,2009),伸展型盆地內(nèi)沉積物的充填、沉積層序的發(fā)育和分布、油氣藏的形成、分布和演化(包括圈閉的形成及有效性、油氣運(yùn)移、聚集和成藏等)等都與斷層的分布和活動密切相關(guān)。同時(shí),盆地的結(jié)構(gòu)和演化也主要受斷層控制(能源等,2012;王文君等,2012;張林等,2012;王璽等,2013)。因此,斷裂系統(tǒng)研究對于解決瓊東南盆地的基礎(chǔ)地質(zhì)問題、深化油氣勘探有重要意義,同時(shí)對南海形成演化的深化認(rèn)識也有重要意義。

圖1 南海區(qū)域構(gòu)造格架(據(jù)朱偉林,2007修改)及區(qū)域應(yīng)力場演化模式圖Fig.1 Tectonic frame and tectonic stress evolution model of South China Sea

由于特殊的大地構(gòu)造位置(Taylor and Hayes,1980;Tapponnier et al.,1982;Briais et al.,1990)及豐富的潛在油氣資源,長期以來,瓊東南盆地一直是一熱點(diǎn)研究地區(qū),斷裂系統(tǒng)研究也是如此。茹克(1990)很早在瓊東南盆地識別出半地塹,并對斷層的剖面組合進(jìn)行了分析和歸類,在此基礎(chǔ)上,一些研究者對瓊東南盆地的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造樣式(李緒宣等,2006)、斷裂系統(tǒng)的方位(李緒宣和朱光輝,2005;尹新義等,2010)、瓊東南盆地構(gòu)造單元的劃分、斷裂系統(tǒng)演化階段、瓊東南盆地應(yīng)力場演化及斷裂系統(tǒng)成因機(jī)制(龍根元等,2010;雷超等,2011a,2011b)等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,并對主控?cái)鄬拥幕顒友莼瘹v史進(jìn)行了定量分析(尹新義等,2010),識別了北西向的構(gòu)造變換帶,并進(jìn)行了局部構(gòu)造帶的研究(于俊峰和段如泰,2008;林海濤等,2010)。上述研究,初步建立了瓊東南盆地?cái)嗔严到y(tǒng)幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的基本框架。但由于先前斷裂系統(tǒng)研究的理論基礎(chǔ)是基于均勻介質(zhì)的 Anderson斷層模式(Anderson,1951),而根據(jù)Anderson斷層模式,斷層分布與應(yīng)力場的對應(yīng)關(guān)系非常簡單(如伸展作用只產(chǎn)生與伸展方向垂直的正斷層)。實(shí)際上,包括瓊東南盆地在內(nèi)的所有伸展型盆地,由于盆地基底經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(在中國尤其如此),先存構(gòu)造(如先存斷裂)是普遍存在的,均勻介質(zhì)的假設(shè)前提很難成立。應(yīng)用Anderson斷層模式的結(jié)果,一方面無法合理地解釋瓊東南盆地地震資料反映的復(fù)雜斷層分布,另一方面會導(dǎo)致構(gòu)造成因機(jī)制和應(yīng)力場演化的多解性,從而影響構(gòu)造變形特征規(guī)律性的準(zhǔn)確認(rèn)識。由于經(jīng)典構(gòu)造理論 Anderson斷層模式的適應(yīng)性問題,加上資料等方面的不足,瓊東南盆地?cái)嗔严到y(tǒng)的研究至少存在以下幾方面的問題:①不同區(qū)域(如崖北凹陷和松西凹陷)的盆地結(jié)構(gòu)、構(gòu)造樣式等存在很大差異的原因沒有得到清楚的認(rèn)識;②斷裂系統(tǒng)的演化特征和規(guī)律沒有明確的認(rèn)識;③斷裂系統(tǒng)的成因機(jī)制(應(yīng)力場的演化)還未得到科學(xué)合理的認(rèn)識。

表1 瓊東南盆地地層和構(gòu)造演化階段表(地層和地質(zhì)年代據(jù)龔再升和李思田,2004)Table1 Tableof strata and tectonic evolution stage

本文結(jié)合先存構(gòu)造條件,在對二、三維地震資料系統(tǒng)解釋的基礎(chǔ)上,對瓊東南盆地的斷裂系統(tǒng)進(jìn)行了細(xì)致的構(gòu)造解析,確定了瓊東南盆地?cái)嗔严到y(tǒng)的幾何特征和形成演化,確定不同先存構(gòu)造分布和活動的差異以及構(gòu)造變換的存在是造成瓊東南盆地?cái)嗔严到y(tǒng)復(fù)雜性的根本原因。在考慮先存構(gòu)造后,根據(jù)先存構(gòu)造條件下的斷層作用模式,可以在統(tǒng)一應(yīng)力體制下合理地解釋上述瓊東南盆地復(fù)雜斷裂系統(tǒng)的相關(guān)問題,瓊東南盆地的各種構(gòu)造現(xiàn)象都得到了科學(xué)合理的解釋?？紤]到深水區(qū)(水深大于500 m的區(qū)域)地震資料品質(zhì)較差,無法進(jìn)行可靠的構(gòu)造解釋,本文的研究對象主要為瓊東南盆地的北部坳陷帶。

1 斷裂系統(tǒng)分布特征和規(guī)律

本文在對瓊東南盆地 6個(gè)反射層(T100,T70,T62,T60,T50,T40)地震資料進(jìn)行系統(tǒng)的構(gòu)造解釋的基礎(chǔ)上,通過凹陷結(jié)構(gòu)、斷層的平–剖面組合特征和規(guī)律、斷層方位等方面的系統(tǒng)分析,確定了瓊東南盆地?cái)嗔严到y(tǒng)具有顯著的特征和規(guī)律。下面以平–剖面相結(jié)合的方式來闡述。

1.1 斷裂系統(tǒng)的劃分及其特征

瓊東南盆地北部坳陷帶由4個(gè)三級負(fù)向構(gòu)造單元(崖北凹陷、崖南凹陷、松西凹陷和松東凹陷)和4個(gè)正向構(gòu)造單元(崖城凸起、松濤凸起、崖13-1低凸起和陵水低凸起)組成。系統(tǒng)的構(gòu)造解釋表明,不同區(qū)域凹陷結(jié)構(gòu)、構(gòu)造樣式、斷層產(chǎn)狀(特別是傾向)等存在顯著差異。根據(jù)上述特征的差異,本文把瓊東南盆地北部坳陷帶劃分為 8個(gè)區(qū)域(圖2):崖北西區(qū);崖北–崖南區(qū);崖北東區(qū);松西區(qū);松東西區(qū);松東東區(qū);寶島西區(qū);寶島東區(qū)。下面分別加以闡述。

首先以松西、松東之間北東向的構(gòu)造變換帶為界,以西(西區(qū))總體表現(xiàn)為“北斷南超”的復(fù)式半地塹,5號斷層是西區(qū)的主控邊界斷層(圖2、3);以東(東區(qū))主要表現(xiàn)為“南斷北超”的復(fù)式半地塹,6號斷層是東區(qū)的主控?cái)鄬?圖2、3)。這樣,瓊東南盆地北部坳陷帶可以劃分為兩個(gè)斷裂系統(tǒng):東部斷裂系統(tǒng)和西部斷裂系統(tǒng)。區(qū)內(nèi)次一級的構(gòu)造變換帶進(jìn)一步把東區(qū)和西區(qū)各劃分為 4個(gè)區(qū)域,即 4個(gè)子斷裂系統(tǒng)。共計(jì)8個(gè)子斷裂系統(tǒng)。

崖北西子斷裂系統(tǒng) 位于Ⅱ-1構(gòu)造變換帶以西的區(qū)域,由崖北凹陷的西部組成,5號斷層西段及分支斷層是該區(qū)域的主控?cái)鄬?圖2、3a),斷層以鏟式和平板式為主,主要為東西走向,少量北東東走向,絕大部分南傾(圖2中的崖北西子斷裂系統(tǒng)傾向玫瑰花圖F1),次級斷層主要為同向正斷層,剖面上表現(xiàn)為“多米諾式”和“階梯式”組合形式(圖3a)。

崖北–崖南子斷裂系統(tǒng) 位于Ⅱ-1和Ⅱ-2構(gòu)造變換帶之間的區(qū)域,由崖北凹陷中部和崖南凹陷主體組成,5號斷層中西段及3號斷層分別是該區(qū)域崖北凹陷和崖南凹陷的主控?cái)鄬?圖2、3b)。斷層的類型、走向和組合形式與崖北西區(qū)相似,但也有一定的區(qū)別。斷層也多以鏟式和平板式為主,主要表現(xiàn)“多米諾式”和“階梯式”構(gòu)造樣式,但也有少量的“復(fù)式 Y 形”構(gòu)造樣式(圖3b);斷層?xùn)|西走向,大部分南傾,但少量的斷層北傾。

圖2 瓊東南盆地北部坳陷帶 T100(基底)斷裂系統(tǒng)分布及活動類型圖(AA′,BB′,CC′,DD′,EE′,FF′,GG′,HH′指示圖3 不同剖面的位置)Fig.2 Fault system of T100 (basement)and activation type of faults in the Northern Depression,Qiongdongnan Basin(AA′,BB′,CC′,DD′,EE′,FF′,GG′,HH′ show the positions of the sections in Fig.3)

崖北東子斷裂系統(tǒng) 位于Ⅱ-2和Ⅱ-3構(gòu)造變換帶之間的區(qū)域,由崖北凹陷東部組成,5號斷層中段是該區(qū)域的主控?cái)鄬?圖2)。該區(qū)域斷層發(fā)育整體較低,是整個(gè)瓊東南盆地?cái)鄬幼畈话l(fā)育的區(qū)域。除崖城組在5號斷層附近表現(xiàn)為半地塹特征外,區(qū)域內(nèi)整體表現(xiàn)為地塹的特征。只有發(fā)育少量的斷層,斷層以北傾為主(見圖2中的崖北東子斷裂系統(tǒng)傾向玫瑰花圖F2)。

松西子斷裂系統(tǒng) 位于Ⅱ-3變換帶和一級構(gòu)造變換帶之間的區(qū)域,由松西凹陷和松濤凸起主體組成,5號斷層中東段和東段是該區(qū)域的主控?cái)鄬?圖2,3c,3d),裂陷層主體是一復(fù)式半地塹(圖3d)。斷層主體近東西走向,部分北東東走向;絕大部分?jǐn)鄬幽蟽A,少量北傾(圖2中的松西子斷裂系統(tǒng)傾向玫瑰花圖F3)。斷層平面組合以平行交織狀和向東撒開的樹枝狀為主,剖面上以“多米諾式”組合為主(圖3d)。斷層的平剖面組合和傾向與崖北–崖南區(qū)有很大的相似性。

松東西子斷裂系統(tǒng) 位于一級構(gòu)造變換帶和Ⅱ-4變換帶之間的區(qū)域,由松東凹陷西部組成,6號斷層西段為該區(qū)域的主控?cái)鄬?裂陷層是由 3個(gè)相對較為獨(dú)立的半地塹構(gòu)成的復(fù)式半地塹(圖3e)。斷層主體北東東及北東走向,南傾和北傾的斷層約各占一半(圖2中的松東西子斷裂系統(tǒng)傾向玫瑰花圖F4)。斷層平面組合以平行交織狀為主,“多米諾式”斷層組合在剖面上占主導(dǎo)地位。

松東東子斷裂系統(tǒng) 位于Ⅱ-4和Ⅱ-5構(gòu)造變換帶之間的區(qū)域,由松東凹陷中部組成,6號斷層中段是該區(qū)域的主控?cái)鄬?裂陷層表現(xiàn)為不對稱的復(fù)式地塹結(jié)構(gòu)(圖3f)。斷層主體近東西走向,部分北東東走向,少量為北西西走向(圖2中的松東東子斷裂系統(tǒng)傾向玫瑰花圖F5),斷層以南傾為主。斷層平面組合以平行交織狀為主,剖面上以“多米諾式”、“復(fù)式Y(jié)形”組合為主,還有少量的“階梯式”斷層組合。

寶島西子斷裂系統(tǒng) 位于Ⅱ-5和Ⅱ-6構(gòu)造變換帶之間的區(qū)域,由松東凹陷東部組成,6號斷層?xùn)|段是該區(qū)域的主控?cái)鄬?裂陷層表現(xiàn)為復(fù)式半地塹結(jié)構(gòu)(圖3g)。斷層主體為近東西走向,部分北東東走向,少量為北西西走向(圖2中的寶島西子斷裂系統(tǒng)傾向玫瑰花圖F6),與松東東區(qū)極其相似,但斷層的傾向卻表現(xiàn)出很大的差異,以北傾為主。斷層平面組合也與松東東區(qū)十分相似,以平行交織狀為主。剖面上以“多米諾式”組合為主導(dǎo),部分階梯式斷層組合。

圖3 瓊東南盆地北部坳陷帶不同區(qū)域構(gòu)造剖面圖(剖面位置見圖2)Fig.3 Structural profiles of the Northern Depression,Qiongdongnan Basin (section position shown in Fig.2)

寶島東子斷裂系統(tǒng) 位于Ⅱ-6構(gòu)造變換帶以東的區(qū)域,由寶島凹陷北部的斜坡組成(圖3h)。斷層的走向與寶島西區(qū)極其相似,主體為近東西走向,部分北東東走向,少量為北西西走向,但斷層的傾向差異很大,以南傾為主(圖2中的寶島東子斷裂系統(tǒng)傾向玫瑰花圖F7)。斷層平面組合也與寶島西區(qū)十分相似,以平行交織狀為主。寶島東區(qū)剖面上的斷層組合相對最為復(fù)雜,類型多樣,包括“復(fù)式 Y 形”、“階梯式”、“鏟式扇”、“多米諾式”、“X 形”等多種組合,斷層數(shù)量也相對最多(圖3)。

瓊東南盆地?cái)嗔严到y(tǒng)分布的另外一個(gè)特征是東西發(fā)育的差異性,表現(xiàn)為兩個(gè)方面。一方面斷層的發(fā)育程度存在很大的差異,東部明顯大于西部,斷層的平均線密度東部總體約是西部的 3倍。另一方面,T60及以上反射層中,西部除了主控?cái)鄬?1號斷層,5號斷層和3號斷層)外,只有很少量的斷層發(fā)育;而在東部,在T60、T50和T40均有大量的斷層發(fā)育。這種差異性預(yù)示著東部和西部斷裂系統(tǒng)演化的差異性。

由于斷裂主要在裂陷層發(fā)育,上述斷裂系統(tǒng)的劃分主要針對裂陷層(T100-T60),而瓊東南盆地由于東部地區(qū) T60-T40期間斷裂的繼承性發(fā)育,東部地區(qū)斷裂系統(tǒng)的劃分還適用于坳陷層底部,即包括T100-T40反射層之間的所有層系。

后面的分析表明,一方面,先存構(gòu)造分布的差異性是造成斷裂系統(tǒng)差異性的根本原因;另一方面,斷裂系統(tǒng)的差異性正是先存構(gòu)造分布差異的具體表現(xiàn)。

1.2 斷裂系統(tǒng)的分布規(guī)律

瓊東南盆地的斷裂系統(tǒng)非常復(fù)雜,但表現(xiàn)出顯著的規(guī)律性。

同一斷裂系統(tǒng)(子斷裂系統(tǒng))內(nèi),凹陷結(jié)構(gòu)、斷層的幾何特征及剖面組合(構(gòu)造樣式)、延伸方向(走向)和傾向、平面組合特征、斷層發(fā)育程度、以及在不同構(gòu)造層(或反射層)的發(fā)育情況等都表現(xiàn)出很好的一致性,如崖北西子斷裂系統(tǒng),區(qū)內(nèi)是典型的北斷南超復(fù)式半地塹結(jié)構(gòu),在橫向上很少變化;斷層的類型主要是平板式正斷層,斷層的產(chǎn)狀基本一致,東西走向(少量北東東走向),絕大部分南傾(很少量的次級斷層北傾);剖面組合型式(構(gòu)造樣式)也基本一致,主要為同向正斷層,構(gòu)造樣式主要表現(xiàn)為“多米諾式”,少量為“階梯式”;斷層的發(fā)育程度中等,坳陷層系(T60以上)斷層很少發(fā)育。

然而,在不同斷裂系統(tǒng)(子斷裂系統(tǒng))中,上述特征又表現(xiàn)出很大的差異。如松西和松東西兩個(gè)子斷裂系統(tǒng),雖然它們相鄰,但在凹陷結(jié)構(gòu)、斷層產(chǎn)狀和組合、斷層演化發(fā)育等方面表現(xiàn)出很大的差異(圖2、3d、3e)。在凹陷結(jié)構(gòu)方面,雖然兩個(gè)區(qū)域的裂陷層均是復(fù)式半地塹,但松西區(qū)是北斷南超,而松東區(qū)是南斷北超,而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出較大的差異(對比圖3d和3e)。兩個(gè)區(qū)域斷層的走向雖然差別不大,為近東西走向和北東東向,但傾向有很大的差別,松西區(qū)絕大部分?jǐn)鄬幽蟽A,而松東區(qū)南傾和北傾的斷層約各占一半(對比圖2中的松西和松東西斷層傾向玫瑰花圖F3、F4)。斷層的發(fā)育程度在裂陷系沒有太大的差別,但在坳陷層松東西區(qū)明顯比松西區(qū)發(fā)育,表明斷層演化發(fā)育的差異性。

瓊東南盆地?cái)嗔严到y(tǒng)發(fā)育的另外一個(gè)規(guī)律是,在同一區(qū)內(nèi)的上下不同的反射層中,斷層的分布存在很好的一致性和協(xié)調(diào)性,表現(xiàn)為斷層的走向、傾向及其平面組合方式在上下都呈現(xiàn)很好的一致性(對比圖2、圖4和圖5),預(yù)示著崖城組沉積以來,區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場沒有發(fā)生明顯的變化。

后面的分析表明,上述斷裂系統(tǒng)的發(fā)育規(guī)律正是不同區(qū)域先存構(gòu)造存在差異、而主變形期伸展方向保持不變的遞進(jìn)變形的響應(yīng)。

2 斷裂系統(tǒng)的演化

關(guān)于瓊東南盆地構(gòu)造的幾何特征(如斷層的方位和組系、凹陷結(jié)構(gòu)、構(gòu)造樣式等),前人已有較多的論述(李緒宣等,2006;尹新義等,2010;龍根元等,2010;雷超等,2011a,2011b),但斷裂系統(tǒng)的演化則很少涉及。本文在地震資料系統(tǒng)構(gòu)造解析的基礎(chǔ)上,利用構(gòu)造回剝方法和 2Dmove軟件,通過大量區(qū)域平衡構(gòu)造演化剖面的計(jì)算和制作(圖6、7),闡述分析了瓊東南盆地北部坳陷區(qū)斷裂系統(tǒng)的演化。

2.1 斷層發(fā)育階段及活動期次

根據(jù)“先存構(gòu)造條件下的斷層作用模式”(Tong et al.,2010;Tong and Yin,2011),斷裂系統(tǒng)的形成和演化是一遞進(jìn)變形過程,不同斷層、同一斷層的不同段落都有不同的演化歷史,取決于應(yīng)力場演化、先存構(gòu)造(分布及其力學(xué)性質(zhì))、巖石物性及沉積充填等因素。根據(jù)平衡構(gòu)造演化剖面(圖6和圖7),瓊東南盆地的斷層存在多個(gè)活動演化系列,但 4個(gè)系列的斷層占主導(dǎo)地位,數(shù)量占斷層總量的 90%以上,分別為:“長期活動型”(裂陷期一直活動,坳陷期也有活動的斷層),“早衰型”(裂陷初期——崖城組沉積早期形成和活動的斷層,之后停止活動),“中期活動型”(陵水組沉積期間形成和活動的斷層,之后是否繼續(xù)活動分為兩個(gè)亞型:“中期活動Ⅰ型”——坳陷期繼續(xù)活動;“中期活動Ⅱ型”——坳陷期停止活動),“晚成型”(坳陷期形成和活動的斷層)。

圖4 瓊東南盆地北部坳陷帶T70斷裂系統(tǒng)分布圖(圖例同圖2)Fig.4 Fault system of T70 in the Northern Depression,Qiongdongnan Basin (legends shown in Fig.2 )

圖5 瓊東南盆地北部坳陷帶T50斷裂系統(tǒng)分布圖(圖例同圖2)Fig.5 Fault system of T50 in the Northern Depression,Qiongdongnan Basin (legends shown in Fig.2)

凹陷主控邊界斷層(1號、5號、2號、6號和3號)主體都是“長期活動型”,但也存在一定的差異(圖2,圖6和圖7)。5號斷層所有段落都是“長期活動型”,1號斷層的西段、2號主斷層、6號斷層的西段和中段,3號斷層的大部分也是“長期活動型”。除凹陷主控邊界斷層外,凹陷內(nèi)少量規(guī)模較大的斷層也屬于“長期活動型”,主要在東部斷裂系統(tǒng)內(nèi)發(fā)育。

“早衰型”斷層主要在裂陷初期發(fā)育,分布在T100反射層的西部發(fā)育(圖2),數(shù)量較少。

凹陷內(nèi)大部分?jǐn)鄬邮恰爸衅诨顒有汀?但東西部存在很大的差異,西部主要發(fā)育“中期活動Ⅱ型”,而東部主要發(fā)育“中期活動Ⅰ型”。

“晚成型”斷層主要在東部發(fā)育,特別是松東東區(qū),寶島西區(qū)和寶島東區(qū),而西部則很少發(fā)育。

圖6 ybe5測線(剖面BB′)構(gòu)造演化剖面圖Fig.6 Tectonic evolution profiles of Line ybe5 (section BB′)

瓊東南盆地北部坳陷區(qū) 6個(gè)反射層各級斷層數(shù)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,T100、T70、T62、T60、T50和T40各反射層斷層的數(shù)量分別為344條、441條、794條、755條、344條和219條,其中基底反射層(T100)的斷層多是“長期活動型”、“早衰型”和“中期活動型”也有一定程度的發(fā)育,但“晚成型”的斷層很少發(fā)育(圖2);裂陷系反射層(T70,T62,T60)的斷層多是“中期活動型”,其次是“長期活動型”和“晚成型”(圖2、4和圖5);坳陷系反射層(T50,T40)的斷層大多是“晚成型”,少量是“長期活動型”(圖5)。

2.2 斷裂系統(tǒng)演化階段

通過斷層活動期次的分析,結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化階段的分析,瓊東南盆地?cái)嗔严到y(tǒng)的演化可以劃分為以下時(shí)期(表1):初始發(fā)育期(40 Ma以前,T100-T80);主發(fā)育期(40～23 Ma,T80-T60);差異發(fā)育期(23～5.5 Ma,T60-T30)和平靜期(5.5 Ma以來,T30以上)。各個(gè)時(shí)期斷層的發(fā)育特征如下。

初始發(fā)育期(Pre～40 Ma)長期以來,瓊東南盆地40 Ma以前斷層是否存在活動(即是否存在始新統(tǒng)的裂陷系沉積)一直沒有明確的認(rèn)識。通過構(gòu)造解析的方法,結(jié)合鄰區(qū)(珠江口盆地)地震資料反射特征的對比,確定了始新統(tǒng)的存在(具體另文闡述),從而確定了該時(shí)期的斷層活動。但該階段斷層活動的數(shù)量和范圍有限。

圖7 sde6測線(剖面EE′)構(gòu)造演化剖面圖Fig.7 Tectonic evolution profiles of Line sde6 (section EE′)

主發(fā)育期(40～23 Ma)該時(shí)期是瓊東南盆地的主裂陷期,也是瓊東南盆地?cái)鄬影l(fā)育數(shù)量和強(qiáng)度最大的時(shí)期,不同區(qū)域都有斷層發(fā)育。這一時(shí)期盆地的伸展量占總伸展量的 80%以上。這一時(shí)期的前期(崖城組沉積階段,T80-T70)是瓊東南盆地的主“斷陷期”,邊界斷層控制著盆地的基底沉降;后期(陵水組沉積時(shí)期,T70-T60)是瓊東南盆地的“斷坳期”,邊界斷層對盆地基底沉降依然存在控制作用,但不占主導(dǎo)地位(沉降中心離開斷層),盆內(nèi)斷層密集發(fā)育,新生成斷層的數(shù)量是各演化階段最多的。

差異發(fā)育期(23～5.5 Ma)該時(shí)期瓊東南盆地已進(jìn)入“坳陷期”,邊界斷層對基底沉降已沒有明顯的控制作用。這一時(shí)期斷層發(fā)育最顯著的特征是東西部存在很大的差異。一級變換帶以西的西部地區(qū),凹陷內(nèi)很少有斷層發(fā)育,邊界斷層也有少量段落不再活動(如1號斷層的東南段,3號斷層的東段);而一級變換帶以東的東部地區(qū),凹陷內(nèi)斷層還很發(fā)育(如T50和T40反射層的斷層數(shù)量分別為344條和219條,分別為斷層數(shù)量最多的 T62反射層的 43.4%和27.6%)。該時(shí)期發(fā)育的所有斷層都是繼承性發(fā)育的斷層或是分支斷層。值得注意的是,6號斷層的東段在T60后停止活動。這樣,該時(shí)期瓊東南盆地西部表現(xiàn)為“坳陷”,而東部則表現(xiàn)為“坳斷”變形特征。

平靜期(5.5 Ma以來)該時(shí)期瓊東南盆地已是完全的“坳陷期”,基本沒有斷層活動,進(jìn)入平靜期,基底的沉降完全受熱作用控制。

瓊東南盆地上述斷裂系統(tǒng)的演化特征,正是在先存構(gòu)造條件下、遞進(jìn)構(gòu)造變形的具體響應(yīng)。

3 斷裂系統(tǒng)復(fù)雜性的成因分析

在先存構(gòu)造的條件下,斷裂系統(tǒng)的形成和演化主要受控于三方面的因素:應(yīng)力場及其演化;先存構(gòu)造;應(yīng)變量(如伸展量)的大小(Tong et al.,2010;Tong and Yin,2011;童亨茂,2013)。根據(jù)先前的工作(童亨茂,2011;童亨茂等,2013),確定新生代以來,包括瓊東南盆地在內(nèi)的中國東南部地區(qū)的區(qū)域應(yīng)力場演化如下:40 Ma以前,北西–南東方向伸展(σ3為北西–南東方向);40 Ma以后,南北方向伸展,期間只有過一次改變(圖1)。對于中國東南部的不同盆地及盆地的不同部位,應(yīng)力場及其演化是相似的(當(dāng)然,由于先存構(gòu)造的影響、遞進(jìn)構(gòu)造變形作用等會造成局部應(yīng)力場與區(qū)域上存在一定程度的差異),而先存構(gòu)造是千差萬別的,伸展量也不一致。因此,先存構(gòu)造和伸展量(特別是先存構(gòu)造)是造成不同盆地、同一盆地不同區(qū)域斷裂系統(tǒng)差異的根本原因(童亨茂等,2009;Tong et al.,2010),瓊東南盆地也是如此。沙箱模擬實(shí)驗(yàn)(另文詳細(xì)闡述)驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)的合理性。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械幕捉Y(jié)構(gòu)是根據(jù)“先存構(gòu)造斷層作用模式”,通過構(gòu)造解析確定的基底先存構(gòu)造來設(shè)計(jì)的。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在基底合理設(shè)計(jì)先存構(gòu)造的基礎(chǔ)上,在南北向的伸展作用下,瓊東南盆地復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中總體得到很好的再現(xiàn)。綜合分析表明,瓊東南盆地復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)主體是在南北向伸展下在遞進(jìn)變形過程中逐漸形成的,不同區(qū)域斷層形成和演化的差異是由先存構(gòu)造分布和性質(zhì)的差異、以及伸展量的不同造成的。下面具體加以分析。

凹陷結(jié)構(gòu)及斷裂系統(tǒng)的差異性 造成凹陷結(jié)構(gòu)差異的根本原因是控制凹陷邊界斷層發(fā)育的先存構(gòu)造存在差異?？刂骗倴|南盆地西部斷裂系統(tǒng)的是 5號斷層先存構(gòu)造(包括3號斷層先存構(gòu)造),在伸展作用下,5號斷層沿先存構(gòu)造活動,成為西部地區(qū)構(gòu)造沉降和沉積的主控?cái)鄬?結(jié)果在西部地區(qū)形成了“北斷南超”的凹陷結(jié)構(gòu);控制東部斷裂系統(tǒng)的是 6號斷層先存構(gòu)造,同樣,6號斷層沿先存構(gòu)造活動,成為東部地區(qū)構(gòu)造沉降和沉積的主控?cái)鄬?結(jié)果在東部地區(qū)總體形成了“南斷北超”的凹陷結(jié)構(gòu)。正是由于盆地邊界先存構(gòu)造的差異,控制形成了瓊東南盆地北部坳陷帶東部和西部兩個(gè)一級斷裂系統(tǒng)。而邊界斷層的分段性(特別是5號斷層),以及盆地內(nèi)部先存構(gòu)造的差異,控制形成了二級斷裂系統(tǒng)的形成,并造成凹陷內(nèi)部盆地結(jié)構(gòu)的差異性,結(jié)果在西部區(qū)和東部區(qū)內(nèi)各形成 4個(gè)子斷裂系統(tǒng)。這樣,在統(tǒng)一的區(qū)域伸展構(gòu)造作用下,由于基底先存構(gòu)造的差異,造成不同區(qū)域的凹陷結(jié)構(gòu)、斷層分布等存在巨大差異,形成了瓊東南盆地復(fù)雜的構(gòu)造面貌。先存構(gòu)造不僅造成了瓊東南盆地不同區(qū)域凹陷結(jié)構(gòu)的差異,同時(shí)也造成了斷裂系統(tǒng)分布特征和演化的差異。

同一子斷裂系統(tǒng)斷層活動的繼承性 在同一子斷裂系統(tǒng)內(nèi),先存構(gòu)造在橫向上變化較小(若有根本的變化,則會形成不同的子斷裂系統(tǒng))。瓊東南盆地北部坳陷區(qū)主體是在40 Ma以后沉積的(見表1),在遞進(jìn)變形過程中,區(qū)域伸展方向在40 Ma以來為南北向,沒有發(fā)生變化。由于斷裂系統(tǒng)的兩個(gè)主控因素(先存構(gòu)造和主應(yīng)力方向)在瓊東南盆地的主體演化階段保持不變,從而導(dǎo)致同一子斷裂系統(tǒng)上下不同的反射層(從T100到T60)斷層分布存在很好的一致性(對比圖2、圖4和圖5),包括斷層的延伸方向和傾向(圖8)、組合關(guān)系等。反過來,上下斷裂系統(tǒng)分布的一致性和協(xié)調(diào)性,也可以說明,在構(gòu)造演化的主體階段,瓊東南盆地區(qū)域伸展方向保持不變。

東西部斷層活動的差異性 除凹陷結(jié)構(gòu)、斷層平面組合和構(gòu)造樣式在東、西部兩個(gè)斷裂系統(tǒng)存在差異外,還存在另外兩個(gè)方面的重大差異,即:斷裂系統(tǒng)演化及其斷層的數(shù)量。具體表現(xiàn)在T60后,西部斷層很少發(fā)育,而東部大量發(fā)育;斷層的數(shù)量東部大大超過西部。

造成斷裂系統(tǒng)演化差異的原因是東西部在不同演化階段伸展量分布的差異。西部地區(qū),伸展作用集中在盆地的裂陷發(fā)育期,之后伸展構(gòu)造作用基本停滯,導(dǎo)致西部地區(qū)在坳陷期很少有斷層活動;而在東部地區(qū),坳陷期開始后的很長時(shí)間內(nèi)(23～5.5 Ma)伸展構(gòu)造作用繼續(xù)進(jìn)行,導(dǎo)致東部地區(qū)在坳陷構(gòu)造層斷層依然十分發(fā)育,形成斷裂系統(tǒng)的差異發(fā)育期。

另外,由于斷裂系統(tǒng)演化階段的差異,也會導(dǎo)致斷層數(shù)量的差異。早期發(fā)育的斷層多直接或間接地受先存構(gòu)造的影響,應(yīng)變比較集中,斷層的數(shù)量相對較少;而隨著沉積物的增加,晚期發(fā)育的斷層受先存構(gòu)造的影響漸漸減小,應(yīng)變相對比較分散,斷層的數(shù)量就相對較多(童亨茂等,2009;Tong et al.,2010),這可以很好地解釋東西部斷層數(shù)量的差異。雖然東西部資料品質(zhì)的差異會導(dǎo)致西部地區(qū)部分?jǐn)鄬記]有得到識別,但東部斷層數(shù)量明顯大于西部的現(xiàn)象是客觀存在的。

圖8 瓊東南盆地北部坳陷帶不同反射層斷層傾向(長度加權(quán))玫瑰花圖Fig.8 Fault dip rose diagrams (length-weighted)of different reflection layers in the Northern Depression,Qiongdongnan Basin

凹陷內(nèi)北西向斷層的成因 在東部斷裂系統(tǒng)中部的 2個(gè)子斷裂系統(tǒng)中,有為數(shù)不少的北西西向小型斷層發(fā)育。這是由于在該兩個(gè)子斷裂系統(tǒng)發(fā)育的區(qū)域,存在北西向分布的兩條先存斷裂帶。先存構(gòu)造帶的存在會導(dǎo)致局部應(yīng)力場的主應(yīng)力方向(如伸展方向)發(fā)生偏移(童亨茂等,2009;Tong et al.,2010),形成的斷層走向會向先存構(gòu)造方向偏移(McClay and White,1995;Morley et al.,2004)。由于該兩條先存斷裂帶是北西向的,而伸展方向是南北向的,結(jié)果形成北西西向的斷層。與伸展方向斜交的斷層,往往具有一定的走滑分量,在平面上一般形成雁行狀組合。

變換帶的成因 在先存構(gòu)造活動過程中,為了調(diào)節(jié)位移和伸展量的分布,導(dǎo)致構(gòu)造變換帶的形成。如西部,其北側(cè)是伸展變形的集中分布區(qū),而在東部則南側(cè)是伸展變形的集中分布區(qū),巨大的伸展位移需要從西部的北側(cè)傳遞到東部的南側(cè),在伸展變形過程中,瓊東南盆地的一級變換帶自然形成。其它二級變換帶的成因也是如此。

4 結(jié) 論

瓊東南盆地北部坳陷帶可以劃分為東部斷裂系統(tǒng)和西部斷裂系統(tǒng)這兩個(gè)斷裂系統(tǒng),并可進(jìn)一步劃分為 8個(gè)子斷裂系統(tǒng)。同一斷裂系統(tǒng)(子斷裂系統(tǒng))內(nèi),凹陷結(jié)構(gòu)、斷層的幾何特征及剖面組合(構(gòu)造樣式)、延伸方向(走向)和傾向、平面組合特征、斷層發(fā)育程度、以及在不同構(gòu)造層(或反射層)斷層的發(fā)育情況等都表現(xiàn)出很好的一致性;但在不同斷裂系統(tǒng)(子斷裂系統(tǒng))中,上述特征又表現(xiàn)出很大的差異。

瓊東南盆地?cái)嗔严到y(tǒng)的演化可以劃分為以下時(shí)期:初始發(fā)育期(40 Ma以前,T100-T80),主發(fā)育期(40～23 Ma,T80-T60),差異發(fā)育期(23～5.5 Ma,T60- T30)和平靜期(5.5 Ma以來,T30以上),其中的斷層存在多個(gè)活動演化系列,其中“長期活動型”、“早衰型”、“中期活動型”(分“中期活動Ⅰ型”和“中期活動Ⅱ型”)和“晚成型”等 4個(gè)系列的斷層占主導(dǎo)地位。

應(yīng)用先存構(gòu)造條件下的斷層作用模式,南北向伸展可以合理地釋瓊東南盆地復(fù)雜斷裂系統(tǒng)的成因機(jī)制,包括“凹陷結(jié)構(gòu)及斷裂系統(tǒng)的差異性”、“同一子斷裂系統(tǒng)斷層活動的繼承性”、“東西部斷層活動的差異性”、“凹陷內(nèi)北西向斷層的成因”以及“變換帶的成因”等,表明瓊東南盆地復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)是在先存構(gòu)造的條件下,主體是在南北向伸展的遞進(jìn)變形過程中逐漸形成的,先存構(gòu)造的差異是造成瓊東南盆地復(fù)雜性的根本原因。

蔡乾忠.2005.中國海域油氣地質(zhì)學(xué).北京:海洋出版社:174.

龔再升,李思田.2004.南海北部大陸邊緣盆地油氣成藏動力學(xué)研究.北京:科學(xué)出版社:15–17.

雷超,任建業(yè),李緒深,童傳新,尹新義,閔慧.2011a.瓊東南盆地深水區(qū)結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征與油氣勘探潛力.石油勘探與開發(fā),38(5):560–569.

雷超,任建業(yè),裴健翔,林海濤,尹新義,佟殿君.2011b.瓊東南盆地深水區(qū)構(gòu)造格局和幕式演化過程.地球科學(xué)——中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào),36(1):151–162.

李緒宣,鐘志洪,董偉良,孫珍,王良書,夏斌,張敏強(qiáng).2006.瓊東南盆地古近紀(jì)裂陷構(gòu)造特征及其動力學(xué)機(jī)制.石油勘探與開發(fā),33(6):713–721.

李緒宣,朱光輝.2005.瓊東南盆地?cái)嗔严到y(tǒng)及其油氣輸導(dǎo)特征.中國海上油氣,17(1):1–7.

林海濤,任建業(yè),雷超,閔慧.2010.瓊東南盆地2號斷層構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶及其對砂體分布的控制.大地構(gòu)造與成礦學(xué),34(3):308–316.

龍根元,吳世敏,劉兵,郭翔燕.2010.瓊東南盆地半地塹特征及其動力學(xué)探討.大地構(gòu)造與成礦學(xué),34(1):48–54.

能源,漆家福,張春峰,張克鑫,任紅民,鄭元財(cái).2012.金湖凹陷斷裂特征及其石油地質(zhì)意義.大地構(gòu)造與成礦學(xué),36(1):16–23.

茹克.1990.裂陷盆地的半地塹分析.中國海上油氣(地質(zhì)),4(6):1–10.

童亨茂.2011.“不協(xié)調(diào)伸展”作用下裂陷盆地?cái)鄬拥男纬珊脱莼Ｊ?地質(zhì)通報(bào),29(11):1606–1613.

童亨茂.2013.巖石圈脆性斷層作用力學(xué)模型.自然雜志,35(1):1–7.

童亨茂,孟令箭,蔡東升,吳永平,李緒深,劉明全.2009.裂陷盆地?cái)鄬拥男纬珊脱莼繕?biāo)砂箱模擬實(shí)驗(yàn)與認(rèn)識.地質(zhì)學(xué)報(bào),83(6):759–774.

童亨茂,趙寶銀,曹哲,劉國璽,頓小妹,趙丹.2013.渤海灣盆地南堡凹陷斷裂系統(tǒng)成因的構(gòu)造解析.地質(zhì)學(xué)報(bào),87(11):1–17.

王文君,李偉,馮德永,張明震,趙麗萍,賈海波,李成.2012.青東凹陷古近紀(jì)構(gòu)造演化與盆地轉(zhuǎn)型.大地構(gòu)造與成礦學(xué),36(1):32–38.

王璽,陳清華,朱文斌,馬婷婷,王曉蕾,劉寅.2013.蘇北盆地高郵凹陷邊界斷裂帶構(gòu)造特征及成因.大地構(gòu)造與成礦學(xué),37(1):20–28.

謝文彥,王濤,張一偉,姜建群.2009.瓊東南盆地西南部新生代裂陷特征與巖漿活動機(jī)理.大地構(gòu)造與成礦學(xué),33(2):199–205.

謝文彥,張一偉,孫珍,姜建群.2008.瓊東南盆地新生代發(fā)育機(jī)制的模擬研究.地學(xué)前緣,15(2):232–241.

尹新義,任建業(yè),裴健翔,雷超.2010.瓊東南盆地?cái)嗔鸦顒有远坑?jì)算及其發(fā)育演化模式.高校地質(zhì)學(xué)報(bào),16(3):388–396.

于俊峰,段如泰.2008.瓊東南盆地2號斷裂東帶發(fā)育特征及形成機(jī)理.大地構(gòu)造與成礦學(xué),32(3):293–299.

張林,吳智平,李偉,吳曉光,賈海波.2012.濟(jì)陽坳陷伸展背景下的變換構(gòu)造研究.大地構(gòu)造與成礦學(xué),36(1):24–31.

朱偉林.2007.南海北部大陸邊緣盆地天然氣地質(zhì).北京:石油工業(yè)出版社:3–59.

Anderson E M.1951.The Dynamics of Faulting (2nd edition).Edinburgh:Oliver and Boyd.

Briais A,Patriat P and Tapponnier P.1990.Updated interpretation of magnetic anomalies and seafloor spreading stages in the South China Sea:Implications for the Tertiary tectonics of Southeast Asia.Journal of Geophysical Research of Atmonspheres,98(B4):6299–6328.

McClay K R and White M J.1995.Analogue modeling of orthogonal and oblique rifting.Marine and Petroleum Geology,12(1):137–151.

Morley C K,Haranya C,Phoosongsee W,Pongwapee S,Kornsawan A and Wonganan N.2004.Activation of rift oblique and rift parallel pre-existing fabrics during extension and their effect on deformation style:Examples from the rifts of Thailand.Journal of Structural Geology,26:1803–1829.

Tapponnier P,Peltzer G,Yin A,Dain L and Armijo R.1982.Propagating extrusion tectonics in Asia:New insights from simple experiments with plasticine.Geology,10:611–616.

Taylor B and Hayes D E.1980.The tectonic evolution of the South China Sea Basin // The Tectonic and Geologic Evolution of Southeast Asian Seas and Islands,Part 1.Geophys Monogr AGU,23:89–104.

Tong H M,Cai D S,Wu Y P,Li X G,Li X S and Meng L J.2010.Activity criterion of pre-existing fabrics in non-homogeneous deformation domain.Science China(Earth Science),53(1):1–11.

Tong H M and Yin A.2011.Reactivation tendency analysis:A theory for predicting the temporal evolution of preexisting weakness under uniform stress state.Tectonophysics,503:195–200.