肖坤澤,童亨茂,楊東輝,3,李緒生,范彩偉,張宏祥,黃 磊
(1. 中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249;2.中國石油大學(北京) 地球科學學院,北京 102249;3.河北省地震局 承德中心臺,河北 承德 067000;4.中海石油(中國)有限公司 湛江分公司,廣東 湛江 524057)
鶯歌海盆地油氣資源非常豐富[1-2]。已有的勘探成果表明,鶯歌海盆地新近紀以來沉積了3大套泥巖,即三亞組上段、梅山組上段和鶯歌海組下段,其中三亞組上段泥巖和梅山組上段泥巖是良好的烴源巖,生烴潛力巨大[3-4],但對烴源巖的分布特征和規(guī)律的認識,目前還沒有明確。
烴源巖的形成和分布受沉積環(huán)境的控制,古構(gòu)造和古地貌形態(tài)是控制沉積相發(fā)育的主要因素,要進行烴源巖分布特征和規(guī)律的研究,必須對古構(gòu)造和古地貌形態(tài)進行恢復。前人對盆地(包括鶯歌海盆地)古構(gòu)造和古地貌的研究方法主要包括2大方面,即利用鉆井資料的單井分析方法和利用地層厚度資料的區(qū)域分析方法。單井分析方法包括古生物化石[5-6]、元素比值法[7-8]、古海岸位置標志[9-10]、沉積標志及成因相[11]、伽馬能譜測井信息[12-13]、化石群的分異度[14-15]等分析方法。這些研究方法的共同點是要通過巖心采樣進行分析,但由于海洋鉆探成本高,尤其取心成本更高,且通過取心獲取的樣本數(shù)量十分有限,特別是烴源巖主體發(fā)育的凹陷區(qū)鉆井更少。因此,受鉆井數(shù)量、取心井段等限制,單井分析方法難以包括整個盆地范圍,且效率較低。
地層厚度分析法是根據(jù)不同地層的厚度來確定相應沉積時期的構(gòu)造地貌(包括古水深)。這一方法的前提條件是沉積作用是在基底沉降完成后。實際上,一旦基底發(fā)生沉降,就會產(chǎn)生沉積作用,是邊沉降邊沉積的過程,顯然上述假設前提不成立。因此,地層厚度分析法是比較粗略的定性方法,只能作為參考。因此,探索一種相對科學的區(qū)域古地貌分析方法,在油氣勘探中有著廣泛的理論和應用價值。
目前,構(gòu)造對沉積有控制作用已得到公認[16-17],構(gòu)造—古地貌的耦合關系也是研究領域的熱點[18-19],但從構(gòu)造變形出發(fā)定量研究古水深的變化很少有文獻涉及。童亨茂等[20-21]通過對渤海灣盆地南堡凹陷詳細的構(gòu)造解剖和沉積充填的耦合關系研究發(fā)現(xiàn),在區(qū)域構(gòu)造應力體制(構(gòu)造作用的方式和方向)保持不變的情況下,構(gòu)造變形(包括斷層性質(zhì)、斷層活動量等)及其盆地的基底沉降表現(xiàn)出很好的繼承性,其控制的古地貌也是繼承性演化;而當構(gòu)造應力體制發(fā)生變化時,構(gòu)造變形就發(fā)生突變(如南堡凹陷拾場次凹沙河街組二段上、下部地層厚度產(chǎn)生了“蹺蹺板”式的變化)[20],其控制的古構(gòu)造地貌也會發(fā)生突變。
按照上述思想,利用鶯歌海盆地新近紀以來構(gòu)造演化的研究成果,用單井確定的古水深、現(xiàn)今海水深度、全球海平面變化規(guī)律和不同階段陸坡坡折帶位置(鶯歌海盆地陸坡產(chǎn)生以后)、地層厚度等作為約束條件,不同階段分別采用“將今論古”和“比例補償”的思想和方法,從構(gòu)造角度恢復鶯歌海盆地裂后不同階段的古構(gòu)造地貌(古海水深度)。
自新生代以來,在南海擴張過程中,南海北部地區(qū)形成了一系列裂陷型盆地(北部灣盆地、珠江口盆地、瓊東南盆地、鶯歌海盆地等),鶯歌海盆地就是位于南海北部大陸架西區(qū)的新生代沉積盆地之一[22]。鶯歌海盆地總體呈菱形,沿北北西向展布(圖1),油氣資源非常豐富[1-2]。鶯歌海盆地總體經(jīng)歷裂陷(斷陷和斷拗)、拗陷和快速沉降3個大的構(gòu)造演化階段,T60之后,盆地總體為拗陷特征(圖2,表1)。新近系拗陷構(gòu)造層幾乎沒有斷層發(fā)育,加上是海相沉積環(huán)境,古構(gòu)造地貌形態(tài)主要受控于海水深度。新近紀以來,鶯歌海盆地沉積了三亞組、梅山組、黃流組和鶯歌海組等4套地層。已有的勘探成果表明,其中的三亞組和梅山組是良好的烴源巖,具有巨大的生烴潛力[3-4]。
圖1 鶯歌海盆地區(qū)域構(gòu)造綱要 據(jù)參考文獻[23]修改。Fig.1 Tectonic units of the Yinggehai Basin
圖2 鶯歌海盆地構(gòu)造演化階段劃分 剖面位置見圖1AA’ 。Fig.2 Tectonic evolution stages of Yinggehai Basin
表1 鶯歌海盆地構(gòu)造演化階段
Table 1 Tectonic evolution of the Yinggehai Basin
紅河斷裂從陸地向海域延伸進入鶯歌海盆地,是對盆地的形成和演化起重要的控制作用[2]的主控斷裂系。自新近紀以來,鶯歌海盆地總體表現(xiàn)為受熱冷卻控制的拗陷沉降,斷裂基本不發(fā)育,特別是晚中新世(10.5 Ma)以來,整個盆地內(nèi)部幾乎沒有斷裂活動,故無法利用斷層來進行構(gòu)造應力體制演化的分析,需要通過綜合分析的方法來實現(xiàn)。
楊東輝等[23]利用“構(gòu)造控制沉積、沉積反映構(gòu)造”的思想,在鶯歌海盆地三維地震資料系統(tǒng)解析的基礎上,對T27界面上、下地層厚度存在“蹺蹺板”式的變化、盆地沉積中心的遷移特征、沉積速率的變化、陸架—陸坡間的坡折帶發(fā)育、微小斷裂的特征以及底辟構(gòu)造等方面綜合研究,確定鶯歌海盆地新近紀以來構(gòu)造應力體制的演化(表1),具體表現(xiàn)為:(1)鶯歌海盆地紅河斷裂帶的左旋走滑運動停止于T40界面(10.5 Ma),之后斷裂活動幾乎停止;(2)T40~T30(10.5~5.5 Ma)是構(gòu)造變形的平靜期,不同區(qū)域表現(xiàn)為相對均勻的沉降和沉積作用;(3)T30~T27(5.5~2.4 Ma)為左旋走滑活動向右旋走滑活動轉(zhuǎn)換時期,不同區(qū)域沉降和沉積作用無顯著變化;(4)T27~T20(2.4~1.9 Ma),構(gòu)造應力體制發(fā)生根本性改變(從左旋走滑轉(zhuǎn)化為右旋走滑),右旋走滑活動開始,并控制底辟構(gòu)造帶的形成,T27界面之上,坡折帶開始發(fā)育;(5)T20(1.9 Ma)至今,右旋走滑活動逐漸減弱。
據(jù)楊東輝等[23]的研究成果,新近紀以來,鶯歌海盆地的構(gòu)造應力體制的演化雖然可以劃分為多個階段,但應力體制只在中新世后(5.5 Ma)發(fā)生了一次質(zhì)的變化,而在其他時期只是量變,即鶯歌海盆地在中新世(23.0~5.5 Ma)、上新世至今(5.5~0 Ma)這2個時期內(nèi),應力體制均無明顯變化。
綜上所述,按照“構(gòu)造控制沉積”的原則和思想,可確定鶯歌海盆地在中新世(23.0~5.5 Ma)、上新世至今(5.5~0 Ma)這2個時期之間,古構(gòu)造地貌發(fā)生根本改變,而分別在2個時期內(nèi),呈現(xiàn)繼承性演化。根據(jù)這一認識,對鶯歌海盆地新近紀以來古構(gòu)造地貌的恢復需要對中新世和上新世以來這2個階段分別進行研究。
整個上新世時期,鶯歌海盆地內(nèi)的構(gòu)造應力體制無明顯變化,地貌也表現(xiàn)為繼承性演化,盆地總體處于快速沉降階段。通過對地震剖面的系統(tǒng)分析,該時期盆地內(nèi)在T27反射界面之上屬于被動大陸邊緣,發(fā)育陸架—陸坡坡折帶(圖3)[23],陸架—陸坡之間的坡折分布對地貌起主要的控制作用。由于物源供給一直十分充足,陸架—陸坡坡折帶不斷向盆地東南方向(外海方向)遷移(圖3),最終遷移出鶯歌海盆地。
陸坡坡折指示大陸架向大陸坡發(fā)生轉(zhuǎn)折的位置,是淺海和半深海的分界點,在不考慮海平面升降的情況下,一個區(qū)域內(nèi)坡折處的海水深度總體保持一致[24]。故不同階段古坡折帶所在處的古海水深度被認為大體也保持一致。因此,隨著坡折帶的遷移,地理上同一位置的古海水深度隨之變化,同時坡折作為陸架向大陸坡發(fā)生轉(zhuǎn)折處古海水深度的標志點。上新世以來,鶯歌海盆地地貌形態(tài)總體是向南傾斜的大陸邊緣,格局變化不大,變化主要表現(xiàn)在坡折帶的位置不斷遷移(圖3),導致具體位置(如圖3中的點W處)海水深度的變化:(1)在T23界面之下,位于陸坡上,屬于半深海;(2)在T23界面之上,位于陸架上,屬于淺海;(3)隨著時間演化,海水深度不斷變淺。
圖3 鶯歌海盆地T27界面之上陸架—陸坡坡折帶特征 剖面位置見圖1的BB’,據(jù)文獻[23]修改。Fig.3 Continental shelf-slope break belt above T27 seismic reflecting interface in Yinggehai Basin
本文首先應用地震資料和地震波在海水中的傳播速度,編制鶯歌海盆地區(qū)現(xiàn)今海底的等深圖(圖4a),在此基礎上,采用“將今論古”的方法,恢復上新世至今的古海水深度(圖4b)。
按照上述認識,本文恢復鶯歌海盆地晚上新世以來的古海水深度的基本思路如下:
(1)上新世以來構(gòu)造變形具有很好的繼承性,古構(gòu)造環(huán)境(古海水深度)演化也應該具有很好的繼承性,主要體現(xiàn)在海水深度變化趨勢、海灣形態(tài)、古海水深度等值線趨勢等基本相似;
(2)晚上新世時期,鶯歌海盆地開始發(fā)育陸架—陸坡坡折帶。假定坡折帶所處的古海水深度大體一致,再按現(xiàn)今坡折帶的海水深度和不同時期古坡折帶的發(fā)育位置進行對比推演;
(3)現(xiàn)今瓊州海峽(海頭北斷層所在區(qū))表現(xiàn)為相對局部的沉陷區(qū)(圖4a),是斷層活動的結(jié)果。因海頭北斷層上新世以來一直活動,推定其在此期間一直控制瓊州海峽的地貌。
按照上述思路,結(jié)合全球海平面升降的變化,可以確定鶯歌海盆地區(qū)晚上新世以來不同時期、具體位置的古海水深度,并恢復鶯歌海盆地2.4 Ma時期的古水深(圖4b)。由于該時期斷裂很不發(fā)育,古海水深度分布圖即可代表古構(gòu)造地貌圖。
對比2.4 Ma時期和現(xiàn)今的古海水深度(圖4)發(fā)現(xiàn),鶯歌海盆地現(xiàn)今海水深度與晚上新世古海水深度的變化趨勢基本一致,均是從北到南逐漸加深,開始時緩慢加深,越過坡折帶后開始迅速加深。
根據(jù)上述分析,鶯歌海盆地在中新世時期與現(xiàn)今的構(gòu)造應力體制明顯不同,因而,中新世與現(xiàn)今的地貌格局也完全不同,“將今論古”方法在中新世不適用,必須另辟蹊徑。
本文在恢復鶯歌海盆地上新世古地貌過程中發(fā)現(xiàn),其地層厚度與古海水深度具有緊密的關聯(lián)(圖5,圖4b),因此可以通過建立地層厚度與古海水深度的關系(“比例補償”)對鶯歌海盆地中新世古地貌進行恢復。
2.2.1 “比例補償”的概念
“補償”是沉積學上用來描述一定時期內(nèi)沉積充填量(Vs)和可容空間(Va)相互關系的概念:(1)Vs=Va為補償;(2)Vs
圖4 鶯歌海盆地現(xiàn)今(a)和上新世時期(b)海水深度Fig.4 Seawater depth of present day (a) and during Pliocene (b) in Yinggehai Basin
圖5 鶯歌海盆地鶯歌海組地層厚度Fig.5 Stratigraphic thickness of Yinggehai Formation in Yinggehai Basin
通過對鶯歌海盆地地震資料的系統(tǒng)分析,晚上新世以來,地震剖面清晰地記錄陸坡坡折帶的位置(圖3),不同時期的古海水深度由此可以得到比較精確的恢復。對比上新世時期古海水深度(圖4b)和沉積厚度(圖5),發(fā)現(xiàn)沉積物的厚度與海水深度存在明顯的正相關關系:古水深越大的區(qū)域,沉積物厚度總體也越大,盆地古水深分布與地層沉積厚度分布形態(tài)大體一致,董剛等[25-26]也有類似的認識。為此本文提出“比例補償”的概念。
“比例補償”是屬于欠補償?shù)囊环N方式,具體是指某一地區(qū)內(nèi),不同位置的沉積充填厚度與基底的總沉降量成正比,即:K=m/(m+H),其中,K為比例補償系數(shù),m為沉積物厚度,H為古水深,m+H為基底總沉降量(圖6)。在“比例補償”的情況下,盆地中沉降幅度最大的地方沉積物堆積最厚,水深最大,且沉積中心和沉降中心、古水深中心一致。在確定比例補償系數(shù)K和沉積物厚度m后,古水深就可定量預測:H=m(1-K)/K。在考慮壓實的情況下,沉積物厚度m值發(fā)生變化,比例補償系數(shù)K值隨之變化,但古水深H保持不變。因此,按“比例補償”預測古水深不用考慮壓實作用。
在比例補償?shù)那闆r下,利用沉積物厚度預測古水深的方法,本文稱之為“比例補償”法。當K=1時,“比例補償”轉(zhuǎn)化為補償,因此,補償可以理解為比例補償?shù)奶厥馇闆r。
2.2.2 利用“比例補償”法恢復古海水深度
在中新世時期,鶯歌海盆地尚未發(fā)育陸架—陸坡坡折帶,此時鶯歌海盆地雖有海水覆蓋,但從大地構(gòu)造上劃分它屬于陸內(nèi)坳陷,與現(xiàn)今渤海灣盆地情況類似。由于周緣大部分是陸地,物源比較充足,包括北部物源(主要通過紅河輸入),西部物源(來自越南)和東部物源(來自古海南半島),“比例補償”法的適用條件比較容易滿足。
為了檢驗鶯歌海盆地在中新世時期是否符合比例補償?shù)臈l件,本文選取鉆至中新統(tǒng)(有巖心)、并對經(jīng)過古水深研究的5口井(LOTUS-1X、HK29-1-1、DF1-6-1、LG20-1-1、LT33-1-1)進行比例補償?shù)姆治?表2)。結(jié)果表明,鶯歌海盆地在中新世大體符合比例補償?shù)臈l件,為此,可應用“比例補償”法恢復鶯歌海盆地中新世的古海水深度。
表2 鶯歌海盆地中新世時期古海水深度與地層厚度的關系
圖6 鶯歌海盆地古海水深度與沉積厚度關系Fig.6 Relationship between paleo-seawater depth and sedimentary thickness in Yinggehai Basin
綜上所述,古海水深度恢復需要利用沉積物的厚度和比例補償系數(shù)2個參數(shù)。鶯歌海盆地主體部分有地震資料覆蓋,地層厚度是在地震資料構(gòu)造解釋的基礎上,通過殘余厚度圖的編制獲得。雖然鶯歌海盆地鶯西斜坡區(qū)和西北的河內(nèi)凹陷區(qū)缺乏地震資料,但為了盆地的完整性,在僅有少數(shù)幾條地震剖面的情況下,根據(jù)鶯歌海盆地構(gòu)造變形和規(guī)律進行了推測。
中新統(tǒng)的不同層段(三亞組、梅山組和黃流組)的比例補償系數(shù),是通過5口井(LOTUS-1X、HK29-1-1、DF1-6-1、LG20-1-1、LT33-1-1)的比例補償系數(shù)計算求平均值后得到。結(jié)果表明,三亞組、梅山組和黃流組時期“比例補償”系數(shù)K分別約為10/11、18/19和15/17(表2),從而確定三亞組、梅山組和黃流組時期古水深與地層厚度的比例系數(shù)[H/m=(1-K)/K]分別約為1/10、1/18和2/15。這樣,利用地層厚度圖及古水深與地層厚度的比例系數(shù),恢復中新世時期的古地貌,分別制作鶯歌海盆地黃流組(圖7a)、梅山組(圖7b)、三亞組(圖7c)沉積時期古海水深度分布圖。
2.2.3 中新世不同階段古地貌特征分析
從圖7可以看出,三亞組和梅山組沉積時期,鶯歌海盆地形成了一個局部與外界連通的半封閉海灣環(huán)境,與外界交流有限,容易形成還原環(huán)境,對有機物的保存和烴源巖的發(fā)育十分有利;盆地東西兩側(cè)均為緩斜坡,東側(cè)略陡,往中心方向深度不斷增加;黃流組沉積時期,海灣環(huán)境開始向外開口,總體由西北向東南傾斜的地貌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)雛形,但在一定程度上還保持半封閉海灣沉積環(huán)境,與外海的連通不太通暢。
從水深角度分析,梅山組沉積時期深度最大,其次是三亞組,黃流組沉積時期深度相對最小。三亞組和梅山組時期盆地的地貌結(jié)構(gòu)(水深分布)比較相似,均是盆地中央深凹帶水深最大,向邊緣逐漸變淺;黃流組時期地貌結(jié)構(gòu)發(fā)生比較明顯的變化,水體從盆地中央深、四周淺的地貌結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)化為總體向東南傾斜、中間深兩側(cè)淺的槽谷形態(tài)。
從周緣陸地分析,中新世時期與現(xiàn)今的陸地分布存在很大的差異,主要表現(xiàn)為:(1)海南島與陸地相連,為半島(本文稱之為“古海南半島”,見圖7),海南島此時還未形成;(2)與現(xiàn)今的海灣相比,形態(tài)上要狹窄很多。
在碎屑物源相對充足的情況下(如陸內(nèi)和大陸架地區(qū)),“比例補償”式的沉積充填總體符合碎屑沉積有“填平補齊”趨勢的物理原理,結(jié)果容易造成可容空間(基底沉降和海(湖)平面上升的結(jié)果)大的區(qū)域,接受的沉積充填量就相對較大。因此,推斷在陸內(nèi)和大陸架地區(qū)符合“比例補償”式沉積充填的可能性比較大。
當然,沉積充填要實現(xiàn)“比例補償”,必須要有相對充足的物源供給。如物源供給嚴重不足,沉積充填就無法實現(xiàn)“比例補償”,如陸坡以外的海洋區(qū)域(特別是大洋盆地),由于遠離物源,雖可容空間很大,但由于沒有充足的物源供應,沉積充填量就十分有限(“饑餓盆地”),不可能實現(xiàn)“比例補償”,因此,陸坡以下的海洋地區(qū)不滿足“比例補償”的條件。另外,如果盆地只有非常少量的物源通道,沉積物長期在某一局部區(qū)域集中供給,會導致高于其他區(qū)域的均衡沉降,造成比例補償系數(shù)K大于其他區(qū)域,結(jié)果也不太滿足“比例補償”的條件,如大河流入海的三角洲地區(qū)。
圖7 鶯歌海盆地晚中新世(黃流組)(a)、中中新世(梅山組)(b)和早中新世(三亞組)(c)古海水深度Fig.7 Paleo-seawater depth in Yinggehai Basin during late Miocene (Huangliu period) (a), middle Miocene (Meishan period) (b) and early Miocene (Sanya period) (c)
在符合“比例補償”的前提下,由于地層的厚度分布數(shù)據(jù)比較容易取得(通過地震反射資料構(gòu)造解釋),如再結(jié)合相應鉆井的古水深研究成果,即可應用“比例補償”法,預測整個區(qū)域不同時期的古水深分布,因此“比例補償”法具有廣闊的應用前景。當然,即使在陸內(nèi)和大陸架,由于物源分布不均一,“比例補償”法預測的古水深也會存在或多或少的誤差。這個問題有待進一步深入探索。
根據(jù)上述分析,應用“比例補償”法預測古水深可能存在誤差。為了分析預測結(jié)果的誤差情況,本文用中海油湛江分公司提供的8口井(LOTUS-1X、HK29-1-1、DF1-6-1、LG20-1-1、LT33-1-1、LD10-3-1、LD10-1-1、LD22-1-7)數(shù)據(jù)進行對比分析。這些井的古水深數(shù)據(jù)主要通過古生物(有孔蟲)分析獲得。對比結(jié)果表明,其中5口井(LOTUS-1X、HK29-1-1、DF1-6-1、LG20-1-1、LT33-1-1)數(shù)據(jù)與區(qū)域資料符合較好,但3口井(LD10-3-1、LD10-1-1、LD22-1-7)顯示在黃流組和梅山組沉積時期處于半深海環(huán)境,水深均大于200 m,與預測結(jié)果存在很大的偏差。但本文認為,這種偏差不一定完全是“比例補償”法預測造成的。
根據(jù)前面的分析,鶯歌海盆地在中新世時期為大陸拗陷的構(gòu)造環(huán)境(陸坡還沒有開始發(fā)育,與現(xiàn)今的渤海灣盆地類似),從晚上新世開始(T27界面以上,即2.4 Ma以后)才發(fā)育大陸邊緣。從全球現(xiàn)今陸內(nèi)湖盆和內(nèi)陸海灣的水深分析表明,只有裂陷階段的湖盆(如貝加爾湖、東非裂谷區(qū)等)的水深可以超過200 m(東非裂谷區(qū)湖盆的最大水深一般為300~600 m,貝加爾湖的最大水深為1 620 m),處在拗陷階段的陸內(nèi)湖盆或海灣(如渤海灣)水深一般不超過100 m。因此推測,預測結(jié)果與LD10-3-1、LD10-1-1、LD22-1-7對比造成的偏差,有可能是井點的古水深研究結(jié)果存在誤差(通過古生物和同位素研究得到的古水深也是有誤差的)。
因此,恢復盆地古水深時,將“比例補償”法、古生物法和同位素法等方法有機結(jié)合,相互校驗,就可能得到相對準確的結(jié)果。
(1)鶯歌海盆地在中新世時期和上新世以來2個階段,構(gòu)造應力體制存在很大的差異,紅河斷裂系從左旋走滑轉(zhuǎn)化為右旋走滑,導致古構(gòu)造環(huán)境也存在很大差異,從中新世的陸內(nèi)拗陷轉(zhuǎn)化為上新世以來的被動大陸邊緣。
(2)根據(jù)地貌發(fā)育的繼承性原則和“將今論古”的方法,恢復了鶯歌海盆地上新世至今的古海水深度,不同階段的古地貌均是向外海敞開的淺海—半深海環(huán)境,期間坡折帶位置不斷向外遷移。
(3)中新統(tǒng)三亞組和梅山組沉積時期,鶯歌海盆地是中央深、四周向盆地邊緣逐漸變淺的半封閉海灣環(huán)境,容易形成還原環(huán)境,有利于有機質(zhì)富集和烴源巖的發(fā)育。