楊濤濤，呂福亮，王彬，楊志力，李麗，張強

（中國石油杭州地質研究院）

西沙海域南部多邊形斷層的發(fā)現(xiàn)及其分布特征與控制因素

楊濤濤，呂福亮，王彬，楊志力，李麗，張強

（中國石油杭州地質研究院）

根據(jù)新采集的三維地震資料，在西沙海域南部發(fā)現(xiàn)了多邊形斷層，其發(fā)育分布具有層控特征明顯、在富泥地層中發(fā)育、多方位走向、縱向斷距小、平面延伸長度小且形態(tài)為不規(guī)則多邊形等特征。由于研究區(qū)東西兩側應力條件的差異，導致多邊形斷層發(fā)育特征的差異明顯。通過對多邊形斷層發(fā)育控制因素的分析，認為地層巖性（特別是西沙海域上構造層的遠源細粒沉積物）是其發(fā)育的主控因素之一，同時水道砂巖、成巖作用及構造作用等也是影響其發(fā)育分布的因素。多邊形斷層可以作為流體運移的通道，它與下部構造斷層連接可將深部烴源巖中的油氣運移到上部儲層中聚集，或繼續(xù)向上運移到淺部地層中形成天然氣水合物。

西沙海域；多邊形斷層；斷層分布特征；控制因素

多邊形斷層是指相互交叉組成多邊形態(tài)的張性斷層系，具有層控特征明顯、主要發(fā)育在富泥地層中、平面多方位走向、縱向斷距小、平面斷裂延伸長度小且呈不規(guī)則多邊形等特征，它與典型構造成因的斷層差別明顯［1-2］。1994年，Cartwright［1］通過3D地震資料在北海盆地深水區(qū)首次發(fā)現(xiàn)了多邊形斷層，至今已有20多年的歷史。近年來，隨著海域特別是深水區(qū)油氣勘探持續(xù)推進，已在全球50多個被動大陸邊緣盆地中發(fā)現(xiàn)了多邊形斷層；且隨著地震資料品質逐步提高，對其研究也不斷深入。目前已發(fā)現(xiàn)的多邊形斷層僅分布在白堊紀以來的地層中，推測主要有兩個原因，一是隨著地層埋深增加，垂向壓實作用愈發(fā)強烈，多邊形斷層的斷距被不斷壓縮，受地震資料分辨力的制約而不易被識別出來；二是前白堊紀深水沉積地層保留較少［3-4］。多邊形斷層的相關研究大致可分為兩個階段：早期階段注重斷裂成因機制的研究，密度反轉、超壓流體、脫水收縮、重力負載等多種成因假說相繼被提出［1-6］，它們在一定程度上解釋了多邊形斷層的成因機制，其中脫水收縮假說受到越來越多的認同；后期階段則注重多邊形斷層對油氣成藏的影響［7-9］。國內多邊形斷層研究起步較晚，目前僅在南海北部大陸邊緣盆地和松遼盆地發(fā)現(xiàn)了多邊形斷層［10-13］。

隨著對西沙海域地質條件認識的不斷深入，已證實海域西部華光凹陷發(fā)育多邊形斷層，前人已陸續(xù)發(fā)表了一些研究成果［4，10-11］，但對其南部的多邊形斷層尚無報道。本文基于近年來新采集的高精度三維地震資料，在西沙海域的南部海域發(fā)現(xiàn)了多邊形斷層，并刻畫了其分布特征，分析了多邊形斷層發(fā)育的主控因素及其對油氣成藏的影響，期望能為西沙海域地質研究提供幫助。

1 地質背景

南海位于歐亞、太平洋和印度—澳大利亞三大板塊的交匯處，經歷了復雜的地質演化過程，發(fā)育陸緣裂谷盆地、走滑盆地、前陸盆地和大洋盆地等四大類盆地［14］，孕育了多種形式的地質體，蘊含了豐富的油氣資源［14-15］。 越來越多的學者認為南海的擴張和演化是太平洋板塊向歐亞板塊俯沖和印度—澳大利亞板塊與歐亞板塊碰撞共同作用的結果［16-17］，它經歷了陸緣張裂和海底擴張兩大構造階段、陸相—海陸過渡相—海相的沉積環(huán)境演化過程［18］。

西沙海域位于南海北部陸坡區(qū)，除部分島礁區(qū)水深較小外，大部分水域的水深大于500m，屬深水區(qū)（圖1）。西沙海域處于洋陸過渡殼上，是伴隨南海的形成而形成的，它經歷了古新世—漸新世的裂陷成盆和中新世以來的熱沉降兩個構造演化階段，具有“下斷上拗”的雙層結構特征，相應地形成下和上兩個構造層，下構造層代表古近紀裂陷階段，上構造層為新近紀—第四紀拗陷階段［19-20］。下構造層呈斷陷作用形成的半地塹或地塹充填特征，主要受控于多凸多凹的構造格局，以近源沉積為主，沉積物較粗，充填始新統(tǒng)、下漸新統(tǒng)崖城組和上漸新統(tǒng)陵水組沉積，屬河湖相—海陸過渡相含煤沉積及半封閉淺海相沉積。上構造層為拗陷期沉積，呈中部高、四周被大型凹陷所包圍的構造格局，無大型河流供給，為遠源海相沉積地層，沉積物顆粒較細，充填下中新統(tǒng)三亞組、中中新統(tǒng)梅山組、上中新統(tǒng)黃流組、上新統(tǒng)鶯歌海組和第四系樂東組沉積［21-22］。

2 多邊形斷層分布特征

據(jù)統(tǒng)計，世界上已發(fā)現(xiàn)的多邊形斷層分布具有如下特征：（1）張性斷層，縱向上具有明顯的層控特征。（2）多邊形斷層的斷距小，一般小于100m。（3）斷面平直，但在變形層底部存在流動層時，也會出現(xiàn)鏟式斷層［7］；傾角一般在30°～70°，且傾角、傾向在很小的距離發(fā)生很大變化。（4）平面延伸長度小，單個斷層長度100～3000m，集中分布在500～2 000m。（5）平面上斷層分布密度高，呈多邊形分布［1-12］。本文研究的西沙海域多邊形斷層具有上述相似特點。

2.1 剖面特征

圖1 研究區(qū)位置示意圖

西沙海域南部的多邊形斷層在地震剖面上特征明顯（圖2），主要體現(xiàn)在：（1）多邊形斷層具有明顯的層控特征，其縱向發(fā)育在一個層段內，稱為多邊形層段，這些層段與未變形層段有明顯的界面分隔；（2）發(fā)育兩種規(guī)模的多邊形斷層，即斷開多邊形層段的較大斷層和僅限于多邊形層段內的小斷層，層段的中部，斷層最發(fā)育，層段的上部和下部，斷層發(fā)育程度相對減弱；（3）多邊形斷層發(fā)育部位的地震反射同相軸明顯錯斷，斷面為單一的不連續(xù)面，多邊形層段底部有時出現(xiàn)鏟式斷層［23］，縱向最大斷距位于斷面中部，最大垂向斷距小于60m，一般為40m；（4）斷層傾向具有方向選擇性，受地層坡度的影響，多邊形斷層傾向以朝下坡方向為主，只有少部分斷層傾向與之相反，斷層傾角變化范圍為30°～65°，平均約為40°；（5）受構造應力的影響，在下伏構造脊的部位多邊形斷層具有斷裂密度增大、縱向斷距增加及斷開地層厚度也增大的特點。

圖2 西沙海域南部多邊形斷層發(fā)育區(qū)地震剖面（位置見圖1）

2.2 平面特征

多邊形斷層同相軸錯斷明顯，因此使用相干技術能清晰刻畫其平面展布。通過相干體地震屬性切片分析（圖3），多邊形斷層平面分布具有如下特征：（1）多邊形斷層走向雖具有一定的隨機性，但存在北西和北東兩個優(yōu)勢展布方向，在研究區(qū)西部，以北西向展布為主，在東部，北西、北東兩個展布方向相當；（2）平面延伸長度差異明顯（400～3000m），總體具有西部斷層密度小、延伸長度大，東部斷層密度大、延伸長度小的特點；（3）多邊形斷層間距即兩條近平行斷層間距為200～700m，西部間距大，東部間距小；（4）多邊形斷層展布受下伏構造斷層的影響，距構造斷層近處，相交角度增大，甚至出現(xiàn)直角相交的現(xiàn)象；（5）下伏構造頂部多邊形斷層發(fā)育密度增大，斷裂延伸長度和斷裂間距變小，出現(xiàn)與構造相似的環(huán)狀斷裂（圖3）。

圖3 西沙海域南部多邊形斷層發(fā)育區(qū)相干切片

3 發(fā)育控制因素分析

前人已提出多種多邊形斷層的形成機制，雖都強調地層壓實和體積收縮等因素，但對形成多邊形斷層的主要控制因素則有不同的認識，形成機制尚未統(tǒng)一。隨著研究的不斷深入，越來越多的學者認可多邊形斷層是主要發(fā)育在以細粒沉積物為主的地層中，并在地層早期壓實作用階段由于脫水和體積收縮而形成的［1，23］，這與蒙脫石等礦物的脫水作用有著密切的關系［4］。因受早期成巖過程中的壓實脫水、黏土礦物脫水和生烴增壓作用的影響［11］，結合西沙海域南部的地質特征，本文認為該區(qū)多邊形斷層的形成受地層巖性、成巖作用和構造應力等因素控制。

（1）地層巖性 地層巖石粒度大小對體積收縮能力有著重要的影響，大顆粒物質能夠有效地增加顆粒之間凝膠體的黏度，使顆粒緊密相連，限制了該地層的收縮和破裂，致使多邊形斷層不發(fā)育［24］；細粒沉積物則相反，多邊形斷層較發(fā)育，特別是黏土礦物中富含的蒙脫石對多邊形斷層的形成產生顯著影響［25］，實驗表明，黏土礦物中只要有2%的蒙脫石就能夠發(fā)生脫水收縮，這有利于多邊形斷層的發(fā)育［3］。因此已發(fā)現(xiàn)的多邊形斷層絕大部分都發(fā)育于泥巖、頁巖等細粒沉積物地層中。西沙海域自中新世進入拗陷期沉積以來，呈中部隆起、四周被凹陷包圍的構造背景，且無大型河流供給，沉積以細粒物為主；而且有兩個因素使得南海北部沉積的黏土礦物中蒙脫石含量較高，特別是新近紀以來蒙脫石一直保持在較高水平［26］：一是陸源黏土礦物到海洋環(huán)境后發(fā)生沉降和分選作用，可大幅度提高蒙脫石的相對含量；二是基性火山噴發(fā)物質容易在海水作用下原地風化成自生蒙脫石［26］。因此西沙海域具備多邊形斷層發(fā)育的巖性條件。

外部地層的巖性變化也會影響多邊形斷層的發(fā)育。較純泥巖層隨著埋深的加大、地層的增溫以及流體的排出，會形成高壓環(huán)境，造成脫水、體積收縮，從而形成多邊形斷層；若泥巖層與砂巖接觸，使得泥巖內部的流體向砂巖中運移，這在很大程度上緩解了泥巖的高壓環(huán)境，導致了水道砂體附近的泥巖中多邊形斷層發(fā)育程度大大減小。如圖4的地震剖面顯示，剖面左側多邊形斷層很發(fā)育，而右側水道砂巖發(fā)育地區(qū)多邊形斷層則不發(fā)育，兩側的差別明顯。

（2）成巖作用 成巖作用對多邊形斷層的形成和分布有著重要的影響，多邊形斷層一般形成于沉積物早期成巖階段。一般情況下，如果早期成巖作用強，則會阻止多邊形斷層的發(fā)育，如在加拿大大西洋沿岸的Sable次盆地具備發(fā)育多邊形斷層的地質條件，東部成巖作用弱，多邊形斷層較發(fā)育；西部成巖作用強，造成巖層的強度變大，使得地層脫水收縮及上覆地層的收縮受限，導致多邊形斷層不發(fā)育，這種成巖作用的差異造成了多邊形斷層分布的不同［27］。西沙海域南部的上構造層埋藏淺，鉆井證實該區(qū)處于早成巖階段，因此該區(qū)具備多邊形斷層發(fā)育的成巖作用條件。

圖4 西沙海域南部多邊形斷層和水道砂巖地震剖面

（3）構造應力 雖然多邊形斷層不是構造活動成因的斷層，但構造應力對其發(fā)育分布仍有明顯的影響。下伏構造對多邊形斷層的影響表現(xiàn)為：下伏構造的頂部處在拉張應力環(huán)境下，導致該部位地層易受到拉張而形成多邊形斷層，因此多邊形斷層在下伏構造的頂部密度增大、斷距增加和斷開地層的厚度增大［9］；構造斷層的存在可以改變局部應力場的方向，造成多邊形斷層與構造斷層相交的角度增大，甚至出現(xiàn)近直角相交的情況［3］。西沙海域南部多邊形斷層的發(fā)育具有這樣相似的特點，下伏構造頂部多邊形斷層發(fā)育程度較其他部位高，甚至出現(xiàn)了與構造相似的環(huán)狀多斷裂（圖3）。以構造斷層F1為邊界（圖2），以西構造相對低部位為擠壓應力環(huán)境，多邊形斷層發(fā)育程度較弱；以東高部位為拉張應力環(huán)境，多邊形斷層發(fā)育程度較西部明顯增強；構造斷層兩側應力環(huán)境不同導致了多邊形斷層發(fā)育程度有一定變化。因此西沙海域局部構造應力對多邊形斷層發(fā)育起到了明顯的控制作用。

4 地質意義

多邊形斷層可以作為流體運移的通道，對油氣成藏有著重要的意義［27-29］。世界范圍內已發(fā)現(xiàn)多個多邊形斷層作為油氣運移通道的實例，如剛果盆地和挪威海域［23］。多邊形斷層不僅能為流體提供通道，也可為砂體上侵提供通道［30］，上侵的砂體不僅能作為運移通道，也可以為油氣儲集提供空間［2］。

研究區(qū)多邊形斷層對拗陷期油氣成藏起著重要的作用。本區(qū)烴源巖主要為斷陷期沉積的下構造層海陸過渡相煤系地層，拗陷期沉積的中新統(tǒng)三亞組—黃流組復合水道砂體是良好儲層，黃流組及之上的海相泥巖是良好的蓋層，具備形成巖性油氣藏和構造－巖性油氣藏的條件，因此，連接斷陷期烴源巖和拗陷期儲層的油氣運移通道是成藏的關鍵因素。斷陷期構造斷層發(fā)育，而拗陷期以熱沉降為主，構造活動微弱，斷層不發(fā)育，缺乏油源斷裂是拗陷期油氣成藏的最大風險。新采集的地震資料表明，拗陷期地層中發(fā)育大量的多邊形斷層，它們和深部構造斷層結合，就可以成為有效的油氣運移通道，將下部烴源巖中的油氣運移到上部砂體中聚集，或者繼續(xù)向上運移形成天然氣水合物，地震剖面上可見明顯的BSR地震反射（圖2）。因此多邊形斷層對本區(qū)上構造層油氣運移聚集有著重要作用，加強相應的分析對地質綜合研究具有重要的意義。

5 結論

（1）西沙海域多邊形斷層發(fā)育具有6個特點：縱向上，層控特征明顯，平均垂向斷距約為40m，平均斷層傾角為40°；平面呈不規(guī)則多邊形，延伸長度400～3000m，斷層間距200～700m。

（2）地層巖性對多邊形斷層發(fā)育控制作用明顯，上構造層以遠源細粒沉積物為主，地層內易形成超壓，是多邊形斷層發(fā)育的有利層段；若泥巖與砂巖接觸，由于有流體交換泄壓，多邊形斷層則不發(fā)育。

（3）多邊形斷層形成于沉積物的淺埋成巖階段，下伏構造使其上部地層多邊形斷層密度增大、縱向斷距增加和斷開地層厚度增大。

（4）多邊形斷層與深部構造斷層結合形成有效運移通道，可將下部烴源巖中的油氣運移到上部儲層中聚集，對上構造層油氣聚集具有重要意義。

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編輯：黃革萍

Characteristics of Polygonal Faults Distribution and Analysis of Its Controlling Factors in Southern Xisha Offshore,South China Sea

Yang Taotao,LüFuliang,Wang Bin,Yang Zhili,Li Li,Zhang Qiang

The polygonal faults in southern X isha Offshore,South China Sea,were first discovered.On the basis of the 3D seismic data and the analysis of the controlling factors for polygonal faults development,it is concluded that the fine grained sediment strata from far source is the favorable development site in upper structure layer of X isha O ffshore.A t the same time,channel sandstone,diagenesis and tectonism affected their developmentand distribution.Polygonal faults, combining w ith the deep tectonic fault,provided channels for fluid m igration from deep hydrocarbon source rocks to the upper reservoir,or continued upward to the shallow strata to form natural gas hydrates.

Polygonal fault;Fault distribution;Control factor;X isha O ffshore;South China Sea

TE121.2

：A

10.3969/j.issn.1672-9854.2017.01.011

1672-9854(2017)-01-0084-05

2015-10-20；改回日期：2016-06-28

本文受國家科技重大專項“西沙海域油氣地質綜合研究及有利勘探區(qū)”（編號：2011ZX05025-004）和國家自然科學基金“海洋一次波與多次波聯(lián)合最小二乘逆時偏移”（編號：41504105）聯(lián)合資助

楊濤濤：1981年生，工程師，2007年獲長安大學地球探測與信息技術專業(yè)碩士，現(xiàn)從事海域油氣勘探與綜合評價工作。通訊地址：310023浙江省杭州市西湖區(qū)西溪路920號；E-mail：yangtt_hz@petrochina.com.cn

Yang Taotao：MSc.,Geophysical Engineer.Add:PetroChina Hangzhou Institute of Geology,920 X ixi Rd.,Hangzhou, Zhejiang,310023,China