瓊東南盆地斷裂系統特征與演化

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(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,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)。系一個以前古近系為基底的新生代伸展型盆地,沉積厚度達 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育,坳陷層系也有少量的斷層發育。

斷層是伸展型盆地構造研究的核心,也是此類盆地油氣勘探的關鍵(童亨茂等,2009),伸展型盆地內沉積物的充填、沉積層序的發育和分布、油氣藏的形成、分布和演化(包括圈閉的形成及有效性、油氣運移、聚集和成藏等)等都與斷層的分布和活動密切相關。同時,盆地的結構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,斷裂系統研究對于解決瓊東南盆地的基礎地質問題、深化油氣勘探有重要意義,同時對南海形成演化的深化認識也有重要意義。

圖1 南海區域構造格架(據朱偉林,2007修改)及區域應力場演化模式圖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研究地區,斷裂系統研究也是如此。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行了分析和歸類,在此基礎上,一些研究者對瓊東南盆地的結構和構造樣式(李緒宣等,2006)、斷裂系統的方位(李緒宣和朱光輝,2005;尹新義等,2010)、瓊東南盆地構造單元的劃分、斷裂系統演化階段、瓊東南盆地應力場演化及斷裂系統成因機制(龍根元等,2010;雷超等,2011a,2011b)等方面進行了較為系統的研究,并對主控斷層的活動演化歷史進行了定量分析(尹新義等,2010),識別了北西向的構造變換帶,并進行了局部構造帶的研究(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斷裂系統幾何學、運動學和動力學的基本框架。但由于先前斷裂系統研究的理論基礎是基于均勻介質的 Anderson斷層模式(Anderson,1951),而根據Anderson斷層模式,斷層分布與應力場的對應關系非常簡單(如伸展作用只產生與伸展方向垂直的正斷層)。實際上,包括瓊東南盆地在內的所有伸展型盆地,由于盆地基底經歷多次構造運動(在中國尤其如此),先存構造(如先存斷裂)是普遍存在的,均勻介質的假設前提很難成立。應用Anderson斷層模式的結果,一方面無法合理地解釋瓊東南盆地地震資料反映的復雜斷層分布,另一方面會導致構造成因機制和應力場演化的多解性,從而影響構造變形特征規律性的準確認識。由于經典構造理論 Anderson斷層模式的適應性問題,加上資料等方面的不足,瓊東南盆地斷裂系統的研究至少存在以下幾方面的問題:①不同區域(如崖北凹陷和松西凹陷)的盆地結構、構造樣式等存在很大差異的原因沒有得到清楚的認識;②斷裂系統的演化特征和規律沒有明確的認識;③斷裂系統的成因機制(應力場的演化)還未得到科學合理的認識。

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

本文結合先存構造條件,在對二、三維地震資料系統解釋的基礎上,對瓊東南盆地的斷裂系統進行了細致的構造解析,確定了瓊東南盆地斷裂系統的幾何特征和形成演化,確定不同先存構造分布和活動的差異以及構造變換的存在是造成瓊東南盆地斷裂系統復雜性的根本原因。在考慮先存構造后,根據先存構造條件下的斷層作用模式,可以在統一應力體制下合理地解釋上述瓊東南盆地復雜斷裂系統的相關問題,瓊東南盆地的各種構造現象都得到了科學合理的解釋。考慮到深水區(水深大于500 m的區域)地震資料品質較差,無法進行可靠的構造解釋,本文的研究對象主要為瓊東南盆地的北部坳陷帶。

1 斷裂系統分布特征和規律

本文在對瓊東南盆地 6個反射層(T100,T70,T62,T60,T50,T40)地震資料進行系統的構造解釋的基礎上,通過凹陷結構、斷層的平–剖面組合特征和規律、斷層方位等方面的系統分析,確定了瓊東南盆地斷裂系統具有顯著的特征和規律。下面以平–剖面相結合的方式來闡述。

1.1 斷裂系統的劃分及其特征

瓊東南盆地北部坳陷帶由4個三級負向構造單元(崖北凹陷、崖南凹陷、松西凹陷和松東凹陷)和4個正向構造單元(崖城凸起、松濤凸起、崖13-1低凸起和陵水低凸起)組成。系統的構造解釋表明,不同區域凹陷結構、構造樣式、斷層產狀(特別是傾向)等存在顯著差異。根據上述特征的差異,本文把瓊東南盆地北部坳陷帶劃分為 8個區域(圖2):崖北西區;崖北–崖南區;崖北東區;松西區;松東西區;松東東區;寶島西區;寶島東區。下面分別加以闡述。

首先以松西、松東之間北東向的構造變換帶為界,以西(西區)總體表現為“北斷南超”的復式半地塹,5號斷層是西區的主控邊界斷層(圖2、3);以東(東區)主要表現為“南斷北超”的復式半地塹,6號斷層是東區的主控斷層(圖2、3)。這樣,瓊東南盆地北部坳陷帶可以劃分為兩個斷裂系統:東部斷裂系統和西部斷裂系統。區內次一級的構造變換帶進一步把東區和西區各劃分為 4個區域,即 4個子斷裂系統。共計8個子斷裂系統。

崖北西子斷裂系統 位于Ⅱ-1構造變換帶以西的區域,由崖北凹陷的西部組成,5號斷層西段及分支斷層是該區域的主控斷層(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傾向玫瑰花圖F1),次級斷層主要為同向正斷層,剖面上表現為“多米諾式”和“階梯式”組合形式(圖3a)。

崖北–崖南子斷裂系統 位于Ⅱ-1和Ⅱ-2構造變換帶之間的區域,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號斷層分別是該區域崖北凹陷和崖南凹陷的主控斷層(圖2、3b)。斷層的類型、走向和組合形式與崖北西區相似,但也有一定的區別。斷層也多以鏟式和平板式為主,主要表現“多米諾式”和“階梯式”構造樣式,但也有少量的“復式 Y 形”構造樣式(圖3b);斷層東西走向,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 位于Ⅱ-2和Ⅱ-3構造變換帶之間的區域,由崖北凹陷東部組成,5號斷層中段是該區域的主控斷層(圖2)。該區域斷層發育整體較低,是整個瓊東南盆地斷層最不發育的區域。除崖城組在5號斷層附近表現為半地塹特征外,區域內整體表現為地塹的特征。只有發育少量的斷層,斷層以北傾為主(見圖2中的崖北東子斷裂系統傾向玫瑰花圖F2)。

松西子斷裂系統 位于Ⅱ-3變換帶和一級構造變換帶之間的區域,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域的主控斷層(圖2,3c,3d),裂陷層主體是一復式半地塹(圖3d)。斷層主體近東西走向,部分北東東走向;絕大部分斷層南傾,少量北傾(圖2中的松西子斷裂系統傾向玫瑰花圖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–崖南區有很大的相似性。

松東西子斷裂系統 位于一級構造變換帶和Ⅱ-4變換帶之間的區域,由松東凹陷西部組成,6號斷層西段為該區域的主控斷層,裂陷層是由 3個相對較為獨立的半地塹構成的復式半地塹(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地位。

松東東子斷裂系統 位于Ⅱ-4和Ⅱ-5構造變換帶之間的區域,由松東凹陷中部組成,6號斷層中段是該區域的主控斷層,裂陷層表現為不對稱的復式地塹結構(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”、“復式Y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 位于Ⅱ-5和Ⅱ-6構造變換帶之間的區域,由松東凹陷東部組成,6號斷層東段是該區域的主控斷層,裂陷層表現為復式半地塹結構(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傾向玫瑰花圖F6),與松東東區極其相似,但斷層的傾向卻表現出很大的差異,以北傾為主。斷層平面組合也與松東東區十分相似,以平行交織狀為主。剖面上以“多米諾式”組合為主導,部分階梯式斷層組合。

圖3 瓊東南盆地北部坳陷帶不同區域構造剖面圖(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 位于Ⅱ-6構造變換帶以東的區域,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傾向玫瑰花圖F7)。斷層平面組合也與寶島西區十分相似,以平行交織狀為主。寶島東區剖面上的斷層組合相對最為復雜,類型多樣,包括“復式 Y 形”、“階梯式”、“鏟式扇”、“多米諾式”、“X 形”等多種組合,斷層數量也相對最多(圖3)。

瓊東南盆地斷裂系統分布的另外一個特征是東西發育的差異性,表現為兩個方面。一方面斷層的發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,西部除了主控斷層(1號斷層,5號斷層和3號斷層)外,只有很少量的斷層發育;而在東部,在T60、T50和T40均有大量的斷層發育。這種差異性預示著東部和西部斷裂系統演化的差異性。

由于斷裂主要在裂陷層發育,上述斷裂系統的劃分主要針對裂陷層(T100-T60),而瓊東南盆地由于東部地區 T60-T40期間斷裂的繼承性發育,東部地區斷裂系統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,先存構造分布的差異性是造成斷裂系統差異性的根本原因;另一方面,斷裂系統的差異性正是先存構造分布差異的具體表現。

1.2 斷裂系統的分布規律

瓊東南盆地的斷裂系統非常復雜,但表現出顯著的規律性。

同一斷裂系統(子斷裂系統)內,凹陷結構、斷層的幾何特征及剖面組合(構造樣式)、延伸方向(走向)和傾向、平面組合特征、斷層發育程度、以及在不同構造層(或反射層)的發育情況等都表現出很好的一致性,如崖北西子斷裂系統,區內是典型的北斷南超復式半地塹結構,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(構造樣式)也基本一致,主要為同向正斷層,構造樣式主要表現為“多米諾式”,少量為“階梯式”;斷層的發育程度中等,坳陷層系(T60以上)斷層很少發育。

然而,在不同斷裂系統(子斷裂系統)中,上述特征又表現出很大的差異。如松西和松東西兩個子斷裂系統,雖然它們相鄰,但在凹陷結構、斷層產狀和組合、斷層演化發育等方面表現出很大的差異(圖2、3d、3e)。在凹陷結構方面,雖然兩個區域的裂陷層均是復式半地塹,但松西區是北斷南超,而松東區是南斷北超,而且內部結構也表現出較大的差異(對比圖3d和3e)。兩個區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,松西區絕大部分斷層南傾,而松東區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)。斷層的發育程度在裂陷系沒有太大的差別,但在坳陷層松東西區明顯比松西區發育,表明斷層演化發育的差異性。

瓊東南盆地斷裂系統發育的另外一個規律是,在同一區內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調性,表現為斷層的走向、傾向及其平面組合方式在上下都呈現很好的一致性(對比圖2、圖4和圖5),預示著崖城組沉積以來,區域構造應力場沒有發生明顯的變化。

后面的分析表明,上述斷裂系統的發育規律正是不同區域先存構造存在差異、而主變形期伸展方向保持不變的遞進變形的響應。

2 斷裂系統的演化

關于瓊東南盆地構造的幾何特征(如斷層的方位和組系、凹陷結構、構造樣式等),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),但斷裂系統的演化則很少涉及。本文在地震資料系統構造解析的基礎上,利用構造回剝方法和 2Dmove軟件,通過大量區域平衡構造演化剖面的計算和制作(圖6、7),闡述分析了瓊東南盆地北部坳陷區斷裂系統的演化。

2.1 斷層發育階段及活動期次

根據“先存構造條件下的斷層作用模式”(Tong et al.,2010;Tong and Yin,2011),斷裂系統的形成和演化是一遞進變形過程,不同斷層、同一斷層的不同段落都有不同的演化歷史,取決于應力場演化、先存構造(分布及其力學性質)、巖石物性及沉積充填等因素。根據平衡構造演化剖面(圖6和圖7),瓊東南盆地的斷層存在多個活動演化系列,但 4個系列的斷層占主導地位,數量占斷層總量的 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,之后是否繼續活動分為兩個亞型:“中期活動Ⅰ型”——坳陷期繼續活動;“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,凹陷內少量規模較大的斷層也屬于“長期活動型”,主要在東部斷裂系統內發育。

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

凹陷內大部分斷層是“中期活動型”,但東西部存在很大的差異,西部主要發育“中期活動Ⅱ型”,而東部主要發育“中期活動Ⅰ型”。

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

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

瓊東南盆地北部坳陷區 6個反射層各級斷層數量的統計結果表明,T100、T70、T62、T60、T50和T40各反射層斷層的數量分別為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”也有一定程度的發育,但“晚成型”的斷層很少發育(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 斷裂系統演化階段

通過斷層活動期次的分析,結合區域構造演化階段的分析,瓊東南盆地斷裂系統的演化可以劃分為以下時期(表1):初始發育期(40 Ma以前,T100-T80);主發育期(40～23 Ma,T80-T60);差異發育期(23～5.5 Ma,T60-T30)和平靜期(5.5 Ma以來,T30以上)。各個時期斷層的發育特征如下。

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

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

主發育期(40～23 Ma)該時期是瓊東南盆地的主裂陷期,也是瓊東南盆地斷層發育數量和強度最大的時期,不同區域都有斷層發育。這一時期盆地的伸展量占總伸展量的 80%以上。這一時期的前期(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,但不占主導地位(沉降中心離開斷層),盆內斷層密集發育,新生成斷層的數量是各演化階段最多的。

差異發育期(23～5.5 Ma)該時期瓊東南盆地已進入“坳陷期”,邊界斷層對基底沉降已沒有明顯的控制作用。這一時期斷層發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,凹陷內很少有斷層發育,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,凹陷內斷層還很發育(如T50和T40反射層的斷層數量分別為344條和219條,分別為斷層數量最多的 T62反射層的 43.4%和27.6%)。該時期發育的所有斷層都是繼承性發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,該時期瓊東南盆地西部表現為“坳陷”,而東部則表現為“坳斷”變形特征。

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

瓊東南盆地上述斷裂系統的演化特征,正是在先存構造條件下、遞進構造變形的具體響應。

3 斷裂系統復雜性的成因分析

在先存構造的條件下,斷裂系統的形成和演化主要受控于三方面的因素:應力場及其演化;先存構造;應變量(如伸展量)的大小(Tong et al.,2010;Tong and Yin,2011;童亨茂,2013)。根據先前的工作(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的中國東南部地區的區域應力場演化如下: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,應力場及其演化是相似的(當然,由于先存構造的影響、遞進構造變形作用等會造成局部應力場與區域上存在一定程度的差異),而先存構造是千差萬別的,伸展量也不一致。因此,先存構造和伸展量(特別是先存構造)是造成不同盆地、同一盆地不同區域斷裂系統差異的根本原因(童亨茂等,2009;Tong et al.,2010),瓊東南盆地也是如此。沙箱模擬實驗(另文詳細闡述)驗證了上述觀點的合理性。實驗模型中的基底結構是根據“先存構造斷層作用模式”,通過構造解析確定的基底先存構造來設計的。模擬實驗結果表明,在基底合理設計先存構造的基礎上,在南北向的伸展作用下,瓊東南盆地復雜的斷裂系統在實驗結果中總體得到很好的再現。綜合分析表明,瓊東南盆地復雜的斷裂系統主體是在南北向伸展下在遞進變形過程中逐漸形成的,不同區域斷層形成和演化的差異是由先存構造分布和性質的差異、以及伸展量的不同造成的。下面具體加以分析。

凹陷結構及斷裂系統的差異性 造成凹陷結構差異的根本原因是控制凹陷邊界斷層發育的先存構造存在差異。控制瓊東南盆地西部斷裂系統的是 5號斷層先存構造(包括3號斷層先存構造),在伸展作用下,5號斷層沿先存構造活動,成為西部地區構造沉降和沉積的主控斷層,結果在西部地區形成了“北斷南超”的凹陷結構;控制東部斷裂系統的是 6號斷層先存構造,同樣,6號斷層沿先存構造活動,成為東部地區構造沉降和沉積的主控斷層,結果在東部地區總體形成了“南斷北超”的凹陷結構。正是由于盆地邊界先存構造的差異,控制形成了瓊東南盆地北部坳陷帶東部和西部兩個一級斷裂系統。而邊界斷層的分段性(特別是5號斷層),以及盆地內部先存構造的差異,控制形成了二級斷裂系統的形成,并造成凹陷內部盆地結構的差異性,結果在西部區和東部區內各形成 4個子斷裂系統。這樣,在統一的區域伸展構造作用下,由于基底先存構造的差異,造成不同區域的凹陷結構、斷層分布等存在巨大差異,形成了瓊東南盆地復雜的構造面貌。先存構造不僅造成了瓊東南盆地不同區域凹陷結構的差異,同時也造成了斷裂系統分布特征和演化的差異。

同一子斷裂系統斷層活動的繼承性 在同一子斷裂系統內,先存構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)。瓊東南盆地北部坳陷區主體是在40 Ma以后沉積的(見表1),在遞進變形過程中,區域伸展方向在40 Ma以來為南北向,沒有發生變化。由于斷裂系統的兩個主控因素(先存構造和主應力方向)在瓊東南盆地的主體演化階段保持不變,從而導致同一子斷裂系統上下不同的反射層(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)、組合關系等。反過來,上下斷裂系統分布的一致性和協調性,也可以說明,在構造演化的主體階段,瓊東南盆地區域伸展方向保持不變。

東西部斷層活動的差異性 除凹陷結構、斷層平面組合和構造樣式在東、西部兩個斷裂系統存在差異外,還存在另外兩個方面的重大差異,即:斷裂系統演化及其斷層的數量。具體表現在T60后,西部斷層很少發育,而東部大量發育;斷層的數量東部大大超過西部。

造成斷裂系統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,伸展作用集中在盆地的裂陷發育期,之后伸展構造作用基本停滯,導致西部地區在坳陷期很少有斷層活動;而在東部地區,坳陷期開始后的很長時間內(23～5.5 Ma)伸展構造作用繼續進行,導致東部地區在坳陷構造層斷層依然十分發育,形成斷裂系統的差異發育期。

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

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)玫瑰花圖Fig.8 Fault dip rose diagrams (length-weighted)of different reflection layers in the Northern Depression,Qiongdongnan Basin

凹陷內北西向斷層的成因 在東部斷裂系統中部的 2個子斷裂系統中,有為數不少的北西西向小型斷層發育。這是由于在該兩個子斷裂系統發育的區域,存在北西向分布的兩條先存斷裂帶。先存構造帶的存在會導致局部應力場的主應力方向(如伸展方向)發生偏移(童亨茂等,2009;Tong et al.,2010),形成的斷層走向會向先存構造方向偏移(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 在先存構造活動過程中,為了調節位移和伸展量的分布,導致構造變換帶的形成。如西部,其北側是伸展變形的集中分布區,而在東部則南側是伸展變形的集中分布區,巨大的伸展位移需要從西部的北側傳遞到東部的南側,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 論

瓊東南盆地北部坳陷帶可以劃分為東部斷裂系統和西部斷裂系統這兩個斷裂系統,并可進一步劃分為 8個子斷裂系統。同一斷裂系統(子斷裂系統)內,凹陷結構、斷層的幾何特征及剖面組合(構造樣式)、延伸方向(走向)和傾向、平面組合特征、斷層發育程度、以及在不同構造層(或反射層)斷層的發育情況等都表現出很好的一致性;但在不同斷裂系統(子斷裂系統)中,上述特征又表現出很大的差異。

瓊東南盆地斷裂系統的演化可以劃分為以下時期:初始發育期(40 Ma以前,T100-T80),主發育期(40～23 Ma,T80-T60),差異發育期(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個系列的斷層占主導地位。

應用先存構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雜斷裂系統的成因機制,包括“凹陷結構及斷裂系統的差異性”、“同一子斷裂系統斷層活動的繼承性”、“東西部斷層活動的差異性”、“凹陷內北西向斷層的成因”以及“變換帶的成因”等,表明瓊東南盆地復雜的斷裂系統是在先存構造的條件下,主體是在南北向伸展的遞進變形過程中逐漸形成的,先存構造的差異是造成瓊東南盆地復雜性的根本原因。

蔡乾忠.2005.中國海域油氣地質學.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研究.北京:科學出版社:15–17.

雷超,任建業,李緒深,童傳新,尹新義,閔慧.2011a.瓊東南盆地深水區結構構造特征與油氣勘探潛力.石油勘探與開發,38(5):560–569.

雷超,任建業,裴健翔,林海濤,尹新義,佟殿君.2011b.瓊東南盆地深水區構造格局和幕式演化過程.地球科學——中國地質大學學報,36(1):151–162.

李緒宣,鐘志洪,董偉良,孫珍,王良書,夏斌,張敏強.2006.瓊東南盆地古近紀裂陷構造特征及其動力學機制.石油勘探與開發,33(6):713–721.

李緒宣,朱光輝.2005.瓊東南盆地斷裂系統及其油氣輸導特征.中國海上油氣,17(1):1–7.

林海濤,任建業,雷超,閔慧.2010.瓊東南盆地2號斷層構造轉換帶及其對砂體分布的控制.大地構造與成礦學,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探討.大地構造與成礦學,34(1):48–54.

能源,漆家福,張春峰,張克鑫,任紅民,鄭元財.2012.金湖凹陷斷裂特征及其石油地質意義.大地構造與成礦學,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),4(6):1–10.

童亨茂.2011.“不協調伸展”作用下裂陷盆地斷層的形成和演化模式.地質通報,29(11):1606–1613.

童亨茂.2013.巖石圈脆性斷層作用力學模型.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.裂陷盆地斷層的形成和演化——目標砂箱模擬實驗與認識.地質學報,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成因的構造解析.地質學報,87(11):1–17.

王文君,李偉,馮德永,張明震,趙麗萍,賈海波,李成.2012.青東凹陷古近紀構造演化與盆地轉型.大地構造與成礦學,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造特征及成因.大地構造與成礦學,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理.大地構造與成礦學,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育機制的模擬研究.地學前緣,15(2):232–241.

尹新義,任建業,裴健翔,雷超.2010.瓊東南盆地斷裂活動性定量計算及其發育演化模式.高校地質學報,16(3):388–396.

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

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

朱偉林.2007.南海北部大陸邊緣盆地天然氣地質.北京:石油工業出版社: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.