杜曉東, 劉 軍, 徐樂意, 張青林, 鄭金云,張 明, 吳瓊玲, 蔡國富, 李三忠 , 索艷慧

(1.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司 南海東部石油研究院, 廣東 深圳 5 18000; 2.深海圈層與地球系統(tǒng)教育部前沿科學中心, 海底科學與探測技術教育部重點實驗室, 中國海洋大學海洋 地球科學學院, 山東青島 26 6100; 3.青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室, 山東 青島266100)

0 引 言

南海海盆為太平洋西部的邊緣海, 受周邊太平洋板塊、歐亞板塊和印度-澳大利亞板塊的影響, 該海域先后經歷了新特提斯構造域及太平洋構造域的演化, 現(xiàn)處于兩大構造域交匯處, 中-新生代受上述兩大構造域的聯(lián)合作用, 被俯沖帶、走滑斷裂、被動大陸邊緣等不同類型的邊界所圍限, 具有獨特的構造應力環(huán)境和復雜的構造演化歷史(李三忠等,2012, 2019; Wang et al., 2020)。南海北緣屬華南大陸的一部分, 為華南陸塊基底, 經歷了加里東、海西、印支、燕山等多期構造運動。晚白堊世以來, 華南大陸邊緣由安第斯型的主動大陸邊緣逐漸轉變?yōu)槔瓘堧x散型的被動大陸邊緣, 在上述兩種大陸邊緣的轉換過程中, 華南大陸邊緣受伸展-裂解構造背景的控制, 在陸殼減薄的基礎上, 被伸展構造所控制,產生了強烈的裂陷作用, 形成了包括珠江口盆地和臺西南盆地在內的多個富含油氣的斷陷盆地(閆義等, 2005; Yan et al., 2005; 漆家福等, 2019; 張遠澤等, 2019)。構造演化上, 新生代以來, 南海北部陸緣主要經歷了張裂(晚白堊世-早漸新世)、漂移(中漸新世-早中新世)和熱沉降(中中新世至今)三個階段(Huang et al., 2001)。

本次研究的揭陽凹陷位于南海北緣東部的珠江口盆地和臺西南盆地交界處, 新生代以來, 經歷了神狐運動、珠瓊運動一幕、珠瓊運動二幕、南海運動、白云運動和東沙運動6 次構造事件(李平魯, 19 93)(圖1)。其中, 神狐運動、珠瓊運動一幕和珠瓊運動二幕以斷陷為主, 且斷陷作用在后兩個事件中表現(xiàn)最為顯著, 從而控制了珠江口盆地各個坳陷文昌組和恩平組的沉積; 隨后的南海運動為下部斷陷系統(tǒng)和上部坳陷系統(tǒng)的分界, 此時盆地由斷陷轉向拗陷,從此南海北緣開始進入拗陷發(fā)育階段; 后續(xù)的白云運動在珠江口盆地白云凹陷中最明顯, 表現(xiàn)為陸架坡折帶從南向北的快速躍遷, 是大規(guī)模裂后熱沉降的開始, 之后南海北緣進入持續(xù)的整體拗陷階段;最后的東沙運動發(fā)生于中中新世-晚中新世, 一般認為是一次局部的構造運動, 主要影響南海北緣東部, 表現(xiàn)為塊斷升降、斷層活化和巖漿活動等, 并深刻影響了盆地晚期的油氣成藏(陳長民等, 200 3; 蔡周榮等, 2010; 呂寶鳳等, 2012; 施和生等, 2014)。

“東沙運動”一詞最早是由廣東省石油學會地質專業(yè)委員會1991 年在廣州組織召開的“南海北部大陸邊緣盆地地質構造”研討會上正式提出來的, 定義為發(fā)生在中中新世末-晚中新世的構造運動, 以塊斷升降為特點, 其中在東沙隆起及其周緣抬升剝蝕最明顯, 整體呈現(xiàn)出東強西弱的特點(饒春濤,1992)。一般認為, 東沙運動以東沙隆起的幕式隆升、周緣地區(qū)的持續(xù)沉降、張扭性質的斷層活動、頻繁的巖漿活動等為基本特征, 局部發(fā)育擠壓褶皺(李平魯, 1993, 1994; 吳時國等, 2004)。前人對于東沙運動的研究主要包括以下4 個方面: ①發(fā)生時間: 目前主要有三種觀點, 中中新世末(姚伯初, 19 93; 林長松等, 2006; 易海等, 2007; 蔡周榮等, 2010)、中中新世末-晚中新世末或上新世初(李平魯, 1993; Y an et al., 20 01; 吳時國等, 2004; 尚繼宏和李家彪, 2009;趙淑娟等, 2012; Wu et al., 2014)、中新世-更新世(分為兩期)(Lüdmann and Wong, 1999; Lüd mann et al.,2001); ②影響范圍: 大多數(shù)學者認為東沙運動主要影響南海北部東沙隆起及其周緣凹陷(吳時國等,2004; 林長松等, 2006; 趙淑娟等, 2012), 也有學者認為臺西南盆地和馬尼拉海溝俯沖前緣海域也在影響范圍內(蔡周榮等, 2010); ③構造屬性: 存在伸展作用(李平魯, 1994 ; Hu ang et al., 2001 ; 陳漢宗等,2005; 林長松等, 2006) 和擠壓作用(蔡周榮等, 2010;吳世敏等, 2005)兩種對立的觀點; ④形成機制: 一般認為與菲律賓板塊向北西西方向運動以及呂宋島弧與歐亞大陸邊緣的弧陸碰撞有關(吳時國等, 2004; 姚伯初, 1993; 吳世敏等, 2001; 尚繼宏和李家彪, 2009),也有學者認為與弧-陸碰撞無關(Huang et al., 2001)。

圖1 南海北緣大地構造圖(a, 修改自Wang et al., 2020)及珠江口盆地地層年代表(b)Fig.1 Tectonic setting of South China Sea (a) and chronological time scale of sequences of the Pearl River Mouth Basin (b)

一般認為, 東沙運動于東沙隆起北側和西側凹陷產生了一系列近E-W 和NWW-SEE 走向為主的張扭性斷裂, 這些斷裂具右行走滑性質, 在平面上多為雁列式或帚狀組合(李平魯, 1993; 何敏等, 2019)。而揭陽凹陷位于東沙隆起東南側(圖2a), 在東沙運動影響下, 形成了以NE-SW 走向的右行走滑斷裂為主、近E-W 和NWW-SEE 走向的左行張扭雁列式斷層為輔的斷裂組合, 與東沙隆起北側和西側凹陷有較大差別(圖3)。因此, 本次以區(qū)域地質背景和三維地震資料為基礎, 對東沙運動在揭陽凹陷的響應進行研究, 包括走滑斷層、地層剝蝕和巖漿活動等, 并在此基礎上討論了東沙運動在揭陽凹陷具有特殊性的原因, 簡要論述了東沙運動的油氣地質意義。

圖2 揭陽凹陷區(qū)域構造特征Fig.2 Regional structural map of the Jieyang Sag

1 區(qū)域地質概況

揭陽凹陷位于東沙隆起東端、距離東沙島北東方向約150 km, 其北東方向為臺西南盆地中央隆起,南西側緊鄰潮汕坳陷, 面積約2000 km2, 構造位置屬于臺西南盆地南部坳陷的西端, 為一個三級負向構造單元(圖2)。揭陽凹陷基底為中生代沉積地層,新生代經歷了斷陷(始新世)-拗陷(漸新世-中中新世)-新構造運動(晚中新世至今)三個構造演化階段,具有“下斷上拗”雙層結構, 下部斷陷構造層為始新統(tǒng)文昌組和恩平組, 上部拗陷構造層包括漸新統(tǒng)珠海組和新近系珠江組、韓江組、粵海組等。揭陽凹陷為典型的中新生界疊合盆地, 基底之下為厚度較大的中生代海相沉積地層, 基底之上為新生代始新世斷陷沉積和漸新世-中新世拗陷沉積, 且兩個時期均為海相沉積地層(郝滬軍等, 200 9; 劉濤,2019)。揭陽凹陷新生代為不對稱式地塹, 地塹南部控洼斷層為鏟式斷層, 北部控洼斷層為板式斷層,自北西向東南可分為北部緩坡、中央洼陷、南部陡坡三個構造帶。揭陽凹陷新生代斷裂非常發(fā)育, 呈現(xiàn)出數(shù)量多、密度大的特征。從發(fā)育期次來看可分為三期: 第一期為裂陷期發(fā)育的拉張性斷層(紫色),主要包括控洼斷裂和洼陷內部斷層, 控制了斷陷期文昌組和恩平組沉積; 第二期為拗陷期發(fā)育的斷距相對較小的層間斷層(藍色), 只在洼陷內部發(fā)育,數(shù)量較少; 第三期為新構造運動期形成的晚期走滑和張扭性斷層(紅色和黑色), 在北部緩坡帶、洼陷內部和陡坡帶均發(fā)育, 數(shù)量最多(圖3)。本次研究范圍為三維地震資料所覆蓋的揭陽凹陷主體部位, 包括控洼斷層F2控制的西洼和控洼斷層F3控制的東洼(圖2)。

2 東沙運動在揭陽凹陷的響應

基于覆蓋洼陷主體的三維地震資料, 對東沙運動在揭陽凹陷的響應進行研究, 包括走滑斷層、地層角度不整合和巖漿活動, 其中最具特色的為NESW 走向的強走滑斷層。

2.1 走滑斷層

通過三維地震資料解析, 并結合多種地震體屬性分析, 對揭陽凹陷的顯性走滑斷層進行了刻畫,并對隱形走滑斷層進行了識別。強走滑斷層主要發(fā)育于中央洼陷靠近北部緩坡帶一側, 呈帶狀展布,該走滑帶在三維地震資料區(qū)內長約50 km, 根據(jù)二維地震測線資料, 走滑斷裂在北東和南西兩個方向向外均有相當長度的延伸(圖2)。另外, 在中央洼陷靠近南部陡坡帶一側也有走滑現(xiàn)象存在, 為早期拉張作用形成的正斷層疊加晚期走滑而成, 可定義為伸展-走滑復合斷層, 這類復合斷層的走滑特征不如北部緩坡帶附近的走滑斷層顯著(圖3), 下面針對特征最明顯的北部緩坡帶的走滑斷層進行討論。

從三維地震相干屬性切片上看(圖4), 主干走滑斷裂呈線性特征, 主要有棋盤式和雁列式兩種構造組合樣式。單條走滑斷層沿走向平直, 平面延伸長度最大約為29 km; 多條走滑斷層整體則呈左階展布, 各斷裂之間水平距離一般小于2 km, 形成一條寬約15 km 的NE-SW 走向的強走滑斷裂帶, 其中緊鄰控洼斷層F1東南部的走滑特征最為明顯。另外,在主干走滑斷層兩側發(fā)育規(guī)模較小、近平行密集分布的斷層組, 為花狀構造的平面表現(xiàn)。根據(jù)走滑斷層所錯斷的標志斷層判斷, 水平走滑距離為右行錯動400～670 m(圖4b)。緩坡帶還發(fā)育一組與NE-SW走向走滑斷裂相伴生的近E-W 走向的反向走滑斷層, 平面呈左行右階雁列式展布, 單條斷裂一般小于1 km。

圖3 揭陽凹陷結構及地層特征(剖面位置見圖2)Fig.3 Characteristics of the structures and strata in the Jieyang Sag

圖4 揭陽凹陷珠江組頂部相干屬性及斷裂平面組合特征Fig.4 Coherent attributes and fault patterns of the top Zhujiang Formation in the Jieyang Sag

圖5 揭陽凹陷走滑斷層剖面特征Fig.5 Profiles of the strike-slip faults in the Jieyang Sag

從剖面來看, 主干走滑斷層在淺層新近紀地層中表現(xiàn)為向上分叉、撒開的負花狀組合, 形成對調(即傾向相對的正斷層)的地塹, 具有明顯的拉張、正斷、向形等特征, 在深部古近紀地層中收斂于一條陡直的斷面, 花狀特征明顯(圖5a); 部分走滑斷層收斂于早期形成的鏟式斷層, 形成“上部花狀、下部Y 字”的復合花狀構造樣式(圖5b)。走滑斷層的產狀變化導致斷面呈波狀彎曲, 不同位置傾向不同、斷距變化大, 絲帶效應顯著。沿斷層走向, 斷層上下盤厚度交替變化或正、逆斷層交替出現(xiàn), 是走滑斷層沿走向滑動使不同位置的塊體拼接所造成, 又稱海豚效應。揭陽凹陷北部緩坡帶主干走滑斷層的上述特征均非常明顯, 為強走滑背景下的產物, 在地震剖面上其最淺可斷穿海底, 說明現(xiàn)今仍在活動。在地震剖面上, 近E-W 走向的反向走滑斷層呈復合Y 字形組合, 幾乎全為北傾的正斷層, 一般斷到T30界面之下, 活動性較主走滑斷層弱, 現(xiàn)今已不活動(圖5c)。

2.2 地層角度不整合

東沙運動造成其影響范圍內的地層發(fā)生斷塊升降作用, 隆起區(qū)遭受剝蝕, 與上覆地層呈角度不整合接觸。該運動以東沙隆起表現(xiàn)最為明顯, 導致中新世中晚期以來的地層缺失。揭陽凹陷緊鄰東沙隆起, 在靠近東沙隆起的北部緩坡帶上, T30(5.33 M a)為一個明顯的角度不整合面。圖6 顯示, T32界面以下的地層呈整合接觸關系, 但由于局部發(fā)生隆升, T30界面發(fā)生明顯的削蝕, 上下地層為角度不整合接觸關系。前人研究認為, T30界面為東沙隆起最明顯的構造削截型不整合面, 剝蝕厚度為中中新世以來最大, 代表了強烈隆升期(趙淑娟等, 2012; 何敏等, 2019)。揭陽凹陷的地層角度不整合現(xiàn)象亦證實了T30為東沙運動的主構造期,此時構造強度最大。剝蝕區(qū)呈長條形NE 向展布, 與10 M a 左右板塊重建獲得的歐亞板塊向臺灣島下俯沖的俯沖帶方向平行, 因此, 該隆起可能與歐亞板塊向臺灣島俯沖有關, 即俯沖過程中作為下盤的歐亞板塊發(fā)生彈性撓曲、上拱、剝蝕而導致的。

2.3 巖漿活動

前人研究認為, 南海北部新生代火山巖的年齡主要為古近紀, 除白云凹陷鉆遇的玄武巖為早中新世之外, 已有的地震資料解析也顯示新生代火成巖體數(shù)量少, 范圍小, 因此整個新近紀巖漿活動不活躍(李平魯, 1 989; 石學法和鄢全樹, 201 1; 張斌等,2013)。揭陽凹陷新近紀巖漿活動主要位于凹陷東北部, 表現(xiàn)形式為侵入和噴發(fā), 時間為T40(15.97 M a)之后。整體來看, 揭陽凹陷中中新世以來的巖漿活動不活躍, 巖漿巖體長軸呈NE-SW 向展布(Hui et al., 2016), 這與前人研究所認為的東沙運動未伴隨大量巖漿侵入或噴發(fā)相一致(趙淑娟等, 2012)。

圖6 揭陽凹陷T30(5.33 Ma)地層角度不整合特征Fig.6 S tratigraphic unconformity of T30 (5.33 Ma) in the Jieyang Sag

3 東沙運動的影響范圍及在揭陽凹陷的響應

3.1 東沙運動在揭陽凹陷響應的特殊性

東沙運動在東沙隆起北側和西南側凹陷中產生了一系列近E-W 和NWW-SEE 走向為主、右行走滑性質的張扭性斷裂, 而在東沙隆起東側的揭陽凹陷則形成了以NE-SW 走向的右行走滑斷裂為主、近E-W 走向的左行張扭雁列式斷層為輔的斷裂組合。另外, 位于東沙隆起東南側的靖海凹陷中中新世以來也發(fā)育一定數(shù)量的NE-SW 走向斷層。

因此, 以東沙隆起為界, 東沙運動在其北西側和東南側凹陷中形成了不同特征的張扭或走滑性質的正斷層(圖7)。根據(jù)區(qū)域大地構造背景和全球板塊重建結果, 早侏羅世時, 太平洋板塊起源于依澤奈崎、法拉隆和菲尼克斯三個板塊之間; 早白堊世晚期,新生的太平洋板塊推動古老的依澤奈崎板塊北西向俯沖于歐亞板塊之下, 55 Ma 以來依澤奈崎-太平洋洋中脊繼續(xù)俯沖, 目前古太平洋(依澤奈崎)板塊已俯沖殆盡(孫衛(wèi)東等, 2 008; 李三忠等, 2019)。因此,研究區(qū)所在的南海東北部存在一條NE-SW 走向具強烈重磁異常的中生代俯沖帶, 該俯沖帶沿NE-SW走向的臺西南-中沙北展布, 表現(xiàn)為布格重力異常水平總梯度峰值帶(周蒂等, 2006; 胡登科等, 2008)。該帶以北為中生代弧前和火山弧區(qū), 以南為中生代海相沉積, 而揭陽凹陷正處于中生代俯沖帶之上,兩側基底構造格架差異導致東沙運動在東沙隆起北西和南東兩側的斷裂響應不同(圖7)。

新近紀中中新世以來, 研究區(qū)發(fā)育強走滑斷裂,而東沙隆起北西側和東南側的凹陷中只發(fā)育張扭性雁列式斷層, 說明本區(qū)更靠近力源。15.97 Ma 以來的早期特征可能與馬尼拉海溝啟動并向東部菲律賓-呂宋島弧(當時可能為NE-SW 走向, 平行東沙隆起)下俯沖有關; 5 Ma 以來的晚期特征指示了東沙運動的形成與東側的歐亞板塊與臺灣島弧之間的弧-陸碰撞有密切關系; 2 Ma 以來, 臺灣造山運動強烈,菲律賓海板塊逆時針旋轉, 并NWW 向強烈楔入華南地塊, 導致臺西南盆地所在的三角形微地塊(李三忠等, 20 18)向西南逃逸, 因而在揭陽凹陷中形成明顯不同于珠江口盆地同期斷裂特征的NE 向右行走滑斷裂?？梢? 揭陽凹陷雖已靠近擠壓的力源, 但走滑斷層依然表現(xiàn)為負花狀構造, 說明東沙運動在南海北緣為一次楔入-擠出-逃逸關聯(lián)的構造運動(圖7), 該時期形成的逆斷層、褶皺等構造應為局部擠壓造成的, 是周邊板塊重組過程的直接反映。

圖7 南海北緣中生代俯沖帶及東沙運動斷層成因區(qū)域模式Fig.7 Mechanism of the Dongsha Movement at the northern South China Sea Margin

3.2 東沙運動影響區(qū)域及對油氣成藏的影響

如前文所述, 一般認為東沙運動主要發(fā)生于南海北緣的東沙海區(qū)及其周緣, 并以東沙隆起和潮汕坳陷最為明顯, 主要以發(fā)育大面積的構造不整合面為特征, 與周緣地區(qū)在垂向構造運動方向上存在較大差異; 但也有學者認為臺西南盆地和馬尼拉海溝俯沖前緣海域也在影響范圍內(蔡周榮等, 2010)。本文研究認為, 揭陽凹陷位于南海北緣東部的珠江口盆地東部和臺西南盆地西部的交界處, 東沙運動的構造響應強烈, 包括強走滑斷裂及地層角度不整合, 因此, 至少臺西南盆地的西端位于東沙運動影響區(qū)域內, 推測向東還可能擴展到更大的范圍, 這也與力源來自東側的弧-陸碰撞相匹配。

受最晚期構造運動的控制、改造和調整, 含油氣盆地才形成油氣的最終定位與成藏(龔再升, 2004)。珠江口盆地已發(fā)現(xiàn)的油氣藏一般形成于中中新世之后, 具有晚期成藏的特征, 且構造運動強度最大的上新世為大部分地區(qū)油氣運聚與調整的關鍵時刻(何敏等, 201 9)。另外, 在油氣勘探實踐中, 走滑斷裂帶對圈閉形成、油氣運移和保存等均具有較大影響, 往往是油氣規(guī)模富集的有利區(qū)帶(劉巖, 2 016;張正濤等, 20 19)。東沙運動為揭陽凹陷中中新世以來最顯著的構造運動, 主構造期為T30(5.33 Ma), 對本區(qū)的晚期油氣成藏具有重要影響。

揭陽凹陷熱模擬結果顯示, 凹陷中心的文昌組烴源巖在珠江組沉積末期(15.97 M a)處于成熟階段，之后逐漸進入生油高峰期; 韓江組沉積末期(10.0 M a)凹陷整體處于成熟階段, 并開始進入生氣階段, 現(xiàn)今仍為生氣高峰期, 整體具有早油晚氣的特征。而東沙運動發(fā)生于凹陷的生排烴高峰期, 對油氣成藏具有以下三方面的影響: ①東沙運動形成的斷裂使揭陽凹陷形成大量構造圈閉。首先, 受東沙運動影響,地層整體向東沙隆起方向上傾, 而NE-SW 走向的走滑斷層與地層上傾方向大角度斜交, 同時受到其他斷層的共同控制, 揭陽凹陷北部緩坡帶形成一系列被斷層復雜化的斷鼻和斷塊, 平面展布特征為棋盤式, 數(shù)量較多, 為油氣成藏提供了有利的圈閉條件(圖8)。②東沙運動導致的斷層活動及相關的微裂隙為油氣輸導提供了有利通道, 該時期形成的斷層切割深、數(shù)量多, 且為拉張或張扭性質, 使油氣更易從深層向中淺層垂向運移。③東沙運動造成東沙隆起的強烈隆升使得其成為揭陽凹陷油氣運移的優(yōu)勢指向區(qū), 油氣沿地層上傾方向向東沙隆起匯聚。南海東部海域相當規(guī)模的原油探明地質儲量來自東沙隆起周緣, 因此揭陽凹陷北部緩坡帶與東沙運動有關的構造圈閉具有較大的勘探潛力。

圖8 揭陽凹陷北部緩坡帶圈閉分布示意圖Fig.8 Distribution of tr aps in the nor thern ge ntle slope area of the Jieyang Sag

4 結 論

通過上述研究, 得出以下幾點新認識:

(1) 東沙運動在揭陽凹陷的響應主要包括走滑斷層和地層角度不整合。其中, 走滑斷層具有花狀構造、絲帶效應、海豚效應、地質體水平錯斷、主滑動面清晰等特征, 為強走滑背景下的產物。地層角度不整合主要分布于東沙隆起附近, 洼陷內部不發(fā)育。另外, 揭陽凹陷在東沙運動時期巖漿活動不發(fā)育。

(2) 東沙運動在東沙隆起西北側和東南側的響應不同。東沙隆起北西側發(fā)育近E-W 和NWW-SEE走向為主的張扭性斷裂, 具右行走滑性質但走滑較弱, 平面展布呈雁列式; 而東沙隆起東南側的揭陽凹陷則以發(fā)育NE-SW 走向的強走滑斷層為主、近EW 走向的左行右階雁列式斷層為輔的斷層組合為特征。綜合前人研究認為, 揭陽凹陷正處于中生代俯沖帶之上, 該俯沖帶北西和南東兩側基底構造格架的差異造成東沙運動在兩側不同的響應。

(3) 揭陽凹陷發(fā)育的強走滑斷裂指示研究區(qū)更靠近力源, 與馬尼拉俯沖帶俯沖啟動和臺灣造山運動啟動有關, 負花狀構造和地層角度不整合說明東沙運動為拉張性質的構造運動, 且T30(5.33 Ma)為主構造期, 此時構造強度最大。在影響區(qū)域方面, 臺西南盆地的西端也位于東沙運動影響范圍內, 推測影響范圍還可能向東擴展。

(4) 受東沙運動影響, 揭陽凹陷北部緩坡帶為油氣運移優(yōu)勢指向, 并發(fā)育一系列構造圈閉, 具有較大的勘探潛力。