南海禮樂盆地新生代構造層序界面特征及油氣地質意義

左倩媚,李俊良,裴健翔,羅 威,鄧禮華

(1.中海油海南能源有限公司,海南 海口 570100;2.中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東 湛江 524057)

引言

禮樂盆地是中國南海的一個重要含油氣盆地,為一個陸緣張裂的中、新生代疊合盆地[1-4]。其主體位于南沙海域禮樂-巴拿望地塊上,總體呈NESW向。經緯度范圍:北緯115°08′~118°30′,東經9°00′~12°20′,北鄰中央海盆,東鄰巴拉望盆地,南鄰南沙海槽盆地,西鄰安渡北盆地,面積約4.5×104km2,主要由南部坳陷、東部坳陷、北部坳陷和中部隆起4個構造單元組成(圖1)。禮樂盆地內發育了一套厚度超過10km的中生代—新生代海相地層,自下而上依次為上白堊統、古新統、始新統、漸新統、中新統、上新統及第四系(表1)。前人在禮樂盆地進行了大量研究,在構造特征[5-7]、層序地層[8-9]、沉積充填演化[10-12]和巖相古地理[13-14]等方面取得了一系列有意義的研究成果,為禮樂盆地的進一步石油勘探提供了基礎資料和科學依據。前人研究認為,禮樂盆地發育在中生代殘留基底之上,以反映禮樂運動的地震反射層S100為界來區分中、新生代地層。禮樂盆地在新生代之前位于華南陸緣,與西沙-中沙地塊相連,經歷了陸緣裂陷、漂移張裂和前陸-拗陷3個重要的構造演化階段,而后定位到現今的構造位置[15],新生代原型構造演化階段則對應形成了3個關鍵性構造層序界面(S100、S70、S50)。本文在前人研究的基礎之上,充分利用鉆井巖性、測井、古生物等資料及地震資料,結合南海區域構造演化背景,系統研究禮樂盆地新生代3個重要構造層序界面的響應特征,并探討了其油氣地質意義,為禮樂盆地油氣地質研究提供基礎資料。

圖1 南海禮樂盆地構造位置及構造區劃劃分Fig.1 Tectonic setting and division of the Lile Basin in the South China Sea

1 層序界面的識別特征

通過對盆地內典型鉆井巖性的觀察和描述、測井資料的解釋、古生物資料的綜合分析以及地震剖面的解釋與追蹤,詳細研究了禮樂盆地新生代沉積充填過程中關鍵構造層序界面的地質-地震響應特征,主要包括新生代盆地基底的界面(S100)、禮樂盆地由陸緣裂陷期逐步過渡到漂移期形成的層序界面(S70)以及南沙地塊與婆羅洲的碰撞響應界面(S50)。這3個構造層序界面具有區域構造運動明顯、海平面下降幅度較大、沉積環境轉變明顯的特征。

1.1 新生代盆地基底的層序界面——S100(65.5 Ma)

S100層序界面是禮樂盆地新生代裂陷作用的起始面,是由燕山末期的禮樂運動引起并長期抬升剝蝕形成的區域性不整合界面,代表了盆地新生代演化的開始。禮樂地塊在白堊紀晚期出露水面而遭受剝蝕,之后隨著中央海盆的裂張開始海侵,禮樂盆地被海水覆蓋并開始接受沉積。根據S1井揭示,S100界面之下為深灰色-黑色火山集塊巖與深灰色泥巖互層,間或夾深棕色的碳質碎片、凝灰巖;界面之上為灰色塊狀細砂巖和灰綠-褐色含鈣頁巖沉積,巖性較細,粒度向上逐漸變粗,反映了海平面長期上升過程中的短暫海退,沉積環境由海陸過渡相向濱淺海相轉變。測井曲線在S100界面附近也有明顯的突變特征。古生物組合在S1000界面上、下也存在明顯的轉變。如S-1井S100界面之下以上白堊統常見的孢粉組合無突肋孢屬(Cicatricosis sporites)和內環粉屬(Zonalapollenites dampieri)占優勢,界面之上以古新世和始新世的溝鞭藻韋氏藻屬(Wetzeliella articulata)為主,鈣質超微化石多以盤星石科(Discoaster lodoensis和Discoaster of sublodoensis)、叉心顆石藻屬(Chiasmolithus gigas)、棒球石 (Rhabdosphaeragladius和Rhabdosphaera inflata)占優勢,有孔蟲以圓幅蟲屬(Globorotalia)含量較豐富為特征。S100界面在地震剖面上反射特征較清晰,為一套和上覆新生代地層平行的反射波組的底界,表現為強振幅、中-差連續的地震反射特征。界面之下為中生代地層,低頻、連續性差-雜亂地震反射。局部與上覆地層呈角度不整合接觸。界面之上古新統和始新統地層的上超關系比較清晰(圖2)。

表1 禮樂盆地中—新生代地層劃分Table 1 Stratigraphic division of the Mesozoic and Cenozoic strata in the Lile Basin

1.2 盆地陸緣裂陷期逐步過渡到漂移期形成的層序界面——S70(28.4Ma)

S70層序界面是禮樂盆地具有明顯構造意義與地質意義的區域性不整合面,代表盆地由陸緣裂陷活動轉變為地塊漂移裂陷活動,是禮樂地塊區新南海擴張的啟動界面。根據古水深研究,該時期研究區海平面下降幅度大于50m,是研究區規模最大的海退之一,與全球海平面變化一致,說明S70界面的形成也受到全球海平面變化的控制。同時,盆地沉積由之前的濱淺海碎屑沉積逐漸轉為碳酸鹽及生物礁相沉積環境。鉆井資料顯示,S70界面同樣是巖性、電性的突變面,如圖3所示,S-1井S70界面之下巖性為灰色砂泥巖互層,界面之上巖性突變為碳酸鹽巖,界面附近存在大量紅色黏土,代表不整合面的風化殼,說明該區S70界面經歷了隆升剝蝕的過程。自然伽馬曲線在界面之下為低值,界面之上為高值;聲波時差曲線界面之上較平直,為低值,而界面之下呈齒狀,為高值。地震剖面上,由于晚漸新世末期的南海運動(28.4Ma)促使盆地內各構造單元的地層均有不同程度的抬升,盆地內部褶皺變形明顯,不同部位遭受不同程度剝蝕、甚至造成地層的缺失,形成了區域性的不整合面。不整合面反映的剝蝕現象明顯,夷平作用強烈,界面上、下的波組特征差異很大。界面之下為中-弱振幅較連續反射或短軸反射,界面之上,盆地高地區為中-強振幅反射,盆地中央為一大套連續的平行反射,代表了碳酸鹽臺地到半深海的沉積環境。

圖2 中生界與新生界之間的層序界面(S100)在鉆井、測井、古生物及地震剖面上的特征(地震測線位置見圖1,A-A’)Fig.2 Outline of lithology,well logs,palaeontology and seismic reflection profiles at the sequence boundary(S100)between the Mesozoic and Cenozoic strata

1.3 南沙地塊與婆羅洲的碰撞響應層序界面——S50(16.0Ma)

S50界面也是禮樂盆地具有明顯構造意義的重要層序界面,代表南沙地塊與婆羅洲碰撞,古南海關閉、新南海停止擴張所形成的區域性不整合界面,該界面形成于早中新世末期(16.0Ma),區域上可以和南海南部區中中新世不整合面(MMU)及巴拉望陸坡區的深部區域不整合面(DRU)相對應[13]。鉆井結果表明,S50界面之下主要為乳白色生物礁灰巖,伴有不同程度的白云巖化,界面之上為灰白色泥晶灰巖和白云巖化石灰巖。自然伽馬曲線和聲波時差曲線在S50界面呈現明顯的突變,S50界面之下聲波曲線值為低值,自然伽馬曲線為低值,界面之上聲波曲線突變為高值,且呈平直曲線,自然伽馬曲線突變為低值,也呈現平直曲線形態。該界面為新生代斷裂活動的終止面,是強反射波組的頂界面,界面下削上超的不整合界面特征明顯,該界面之下生物礁廣泛發育,界面之上主要為海相碎屑巖沉積。16.0 Ma之后,古南海關閉,新南海停止擴張,持續的擠壓碰撞作用使禮樂盆地進入前陸盆地壓陷沉降階段,盆地沉降速率值低且均一,沉積地層較薄。受到來自婆羅洲碰撞造山的陸源碎屑物質的供應,形成一套以碎屑巖為主的海相沉積披覆蓋層。盆地碳酸鹽及生物礁沉積作用減弱,只在局部臺地或高地形區發育少量碳酸鹽巖或生物礁沉積。

圖4 中中新統地層底界面(S50)在鉆井、測井及地震剖面上的特征(地震測線位置見圖1,C-C’)Fig.4 Outline of lithology,well logs,palaeontology and seismic reflection profiles at the basal boundary(S50)of the middle Miocene strata

2 構造層序界面的油氣地質意義

構造層序界面是指在一定的構造作用背景下所形成的頂界面以不整合或與之相對應的整合為界的一套地層的頂界面,指示沉積盆地類型的一個構造演化階段的結束。構造層序界面是一、二層序識別、劃分及對比的關鍵,也是不同演化階段構造作用、海平面變化、物源供給等綜合作用的結果[16]。因此,通過對關鍵構造層序界面特征研究,不僅對闡明盆地的形成演化,而且對分析盆地內的油氣儲集條件、運聚過程及分布規律都具有重要意義。

2.1 關鍵時期禮樂盆地性質的轉化

中生代末期,包括禮樂盆地在內的南沙-禮樂地塊還處于華南大陸的南緣,與現今的南海北部陸緣盆地同屬于一個構造體系。受燕山末期禮樂運動的影響,華南陸緣隨古南海向南的俯沖消亡,在NW-SE向拉張應力場作用下開始了廣泛的陸緣張裂作用,形成了一系列的伸展斷陷盆地系,而S100界面代表了裂陷盆地的初始發育破裂面(張裂不整合面)。因此,S100界面是禮樂盆地新生代裂陷作用的起始面,也是盆地由中生代陸緣壓性構造體制向新生代陸緣張性構造體制轉換的界面。

始新世時期,古南海持續向南俯沖于卡加延火山脊之下,至早漸新世中晚期(32Ma),南海中央海盆開始發生海底擴張,形成了破裂不整合,禮樂盆地S70界面即在此背景下形成,代表了禮樂地塊從北部中沙隆起位置裂離出來的時間點(28.4Ma)。禮樂地塊和華南陸緣裂離之后,伴隨著古南海的繼續俯沖過程而向南漂移。至早中新世末,禮樂地塊與婆羅洲-巴拉望地塊碰撞,古南海關閉,新南海停止擴張,禮樂盆地漂移結束,基本定位于現今位置。

南海擴張停止后,南海南部陸緣盆地則因與加里曼丹地塊的碰撞而表現出擠壓性質。大約在16 Ma時,菲律賓島弧到達南海東部,同時由于蘇祿海進一步擴張向北擠壓,使巴拉望地塊向南沙地塊仰沖,導致禮樂盆地南緣地殼下拗撓曲。因此,S50界面總體表現為不整合面特征,為南海南部沙巴造山運動以及南海海底擴張停止的響應界面。

由此,根據層序界面所對應的地質年代及其和區域構造時間的響應關系,以這3個構造層序界面為界,將禮樂盆地的沉積充填演化過程劃分為陸緣裂陷階段(S100—S70)、地塊漂移階段(S70—S50)及前陸沉降階段(S50—現今)3個構造演化階段(表1),分別對應于“伸展寬緩型”、“張扭收縮型”、“壓陷坳陷型”3期原型盆地的發育演化(圖5)。

圖5 禮樂盆地新生代盆地結構特征(地震測線位置見圖1,D-D’)Fig.5 Architectures of the Lile Basin during the Cenozoic

2.2 有利于形成優質儲集空間

構造層序界面不僅揭示了禮樂盆地構造性質的變化,其沉積體系類型也發生了相應的變化,由古新世—始新世—早漸新世的三角洲、濱淺海-半深海相沉積演化為晚漸新世—現今的淺海-陸架-碳酸鹽臺地相沉積為主(圖6)。同時,這些構造層序界面對應的不整合界面也是控制碎屑巖儲層和碳酸鹽巖溶儲層的重要控制因素。以北部坳陷為例,受南海運動(28.4Ma)的影響,東部斷階帶S70以下地層隆升剝蝕形成大的不整合界面,為在地塊漂移階段形成的碳酸鹽巖臺地及臺地邊緣礁灘相儲集體提供了有利的地貌條件。由于后期南沙運動(16.0Ma)的構造抬升,礁灘相儲集體遭受風化剝蝕和淋濾作用,在地表水和地下水的共同作用下,形成了儲集物性高的巖溶儲集體。

2.3 油氣橫向長距離運移的重要通道和油氣成藏的關鍵

層序不整合面是油氣橫向長距離運移的重要通道,也是禮樂盆地新生代油氣成藏的關鍵。目前禮樂灘已發現的Sampaguita氣田,在古新統、下始新統和上始新統砂巖鉆獲氣層,天然氣儲量達3~20TSCF[17]。來自盆地深凹處上白堊統、古新統和始新統的烴源巖層生成的油氣,首先由斷裂垂向運移,再通過輸導砂體和不整合面長距離橫向運移至有利的儲集區帶運聚成藏(圖7)。

圖6 過禮樂盆地北部坳陷典型地質剖面(地震測線位置見圖1,E-E’)Fig.6 Representative geological section across the northern part of the Lile Basin

圖7 禮樂盆地“茉莉花”含氣構造成藏模式圖Fig.7 Model for the hydrocarbon accumulation in the“jasmine flower”type gas-bearing structures in the Lile Basin

3 結論

(1)S100、S70、S50是禮樂盆地新生代構造演化階段的3個關鍵性構造層序界面。鉆井上,是巖性、電性以及標志古生物種屬和數量的突變面;地震剖面上,是區域性的不整合界面。

(2)這3個構造層序界面反映了關鍵時期禮樂盆地性質的轉化,將禮樂盆地的沉積充填演化過程劃分為陸源裂陷階段(S100—S70)、地塊漂移階段(S70—S50)及前陸沉降階段(S50—現今)3個構造演化階段,分別對應于“伸展寬緩型”、“張扭收縮型”、“壓陷坳陷型”3期原型盆地的發育演化。

(3)構造層序界面對應的不整合界面是控制碎屑巖儲層和碳酸鹽巖溶儲層的重要控制因素,有利于形成優質儲集空間。

(4)構造層序界面是禮樂盆地油氣橫向長距離運移的重要通道和油氣成藏的關鍵。

致謝:本次論文參閱了中國地質大學(武漢)陸永潮教授、中海石油(中國)有限公司湛江分公司、中海油研究總院的大量內部資料和研究成果,在此一并表示衷心的感謝。