北部灣盆地烏石凹陷東區構造轉換帶識別及其特征

董 方 吳孔友 崔立杰 李彥穎 周培興 董文馨

(中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東青島 266580)

0 引言

構造轉換帶是指一條主干斷層沿走向過渡到另一條主干斷層的構造變形帶，具體表現為過渡部分以斷層形成“硬連接”[1]或以凸起形成“軟連接”[2]。在轉換過程中，主斷層之間位移量、應變量守恒。構造轉換帶的概念最早由Dahlstrom[3]在研究擠壓背景形成的逆沖帶時提出，兩個主干逆沖斷層首尾相連的部分即為構造轉換帶。隨后，構造轉換帶的概念被廣泛引用到走滑、伸展盆地研究中，相繼提出不同的定義和分類，如“轉換構造”[4]、“調節帶”[5]、“轉換帶”[6]、“樞紐帶”[7]、“傳遞斷層”[5]、“變換構造”[8]等。20世紀70年代開始，對構造轉換帶的研究主要集中于構造轉換帶類型、特征、控藏機制等方面[9-11]。Faulds等[5]、Scott等[10]、Morley等[11]根據主控斷層幾何學特征，對構造轉換帶類型進行基礎分類；陳發景[12]、漆家福[13]以主控斷層構造變換方式等特征為基準，進一步細分構造轉換帶類型。研究表明：區域性構造轉換帶對盆地的發育、演化、后期改造、砂體展布以及油氣運移、聚集、成藏等方面具有重要控制作用[5,14]；局部構造轉換帶控制小規模構造的樣式和發育形態[15-18]。

北部灣盆地烏石凹陷東區構造背景復雜[19]，構造轉換帶識別難度較大，前人的研究文獻較少，尤其對構造轉換帶類型、特征、定量刻畫及形成機制的相關研究更少。為此，本文在前人研究基礎上，從斷裂的發育、演化入手，利用地震資料，采用距離—斷距曲線、垂向埋深—斷距曲線等定量統計方法，對烏石凹陷東區構造轉換帶進行識別和分類，總結識別標志及其特征，闡述構造轉換帶的分布規律、形成機制及與油氣藏之間的關系，從而為系統研究該區構造轉換帶奠定基礎。

1 地質背景

北部灣盆地位于南海北部，處于歐亞板塊、印度板塊和太平洋板塊結合部，為典型新生代斷陷盆地，呈NE—SW向。烏石凹陷位于北部灣盆地中部(圖1a)，北接企西隆起，南鄰流沙低凸起，平面上呈“S”型[20]，6號和7號斷層分別控制北部和南部邊界(圖1b)。自中生代以來，烏石凹陷先后經歷古近紀裂陷期和新近紀坳陷期。裂陷期從早到晚分為：古新世初始裂陷階段，應力場主要為弱NW—SE向伸展；始新世強裂陷階段，應力場主要為NNW—SSE向強伸展與弱走滑疊加；漸新世晚期裂陷階段，應力場為SE向拉張伴隨強走滑。烏石凹陷東區斷裂形態、組合樣式復雜，在哀牢山—紅河斷裂帶走滑與南海拉張的區域應力場共同作用下，以NEE向斷層(Ws229、Ws235)和近EW向斷層(Ws211、Ws168、Ws161、Ws227、Ws225)為主體構成區域斷裂構造格架(圖1b、圖1d)，自下而上發育古近系長流組、流沙港組El(分流三段El3、流二段El2、流一段El1)、潿洲組Ew(分潿三段Ew3、潿二段Ew2、潿一段Ew1)，新近系下洋組Nx、角尾組、燈樓角組、望樓港組及第四系(圖1c)。

圖1 烏石凹陷東區區域構造位置及構造綱要圖

2 典型構造轉換帶識別

綜合前人對構造轉換帶識別方法的研究成果[21-22]，基于最新地震資料，根據平面、剖面構造特征，結合斷層距離—斷距曲線、斷層垂向埋深—斷距曲線定量方法識別、表征構造轉換帶。

2.1 構造轉換帶定量識別方法

據斷層平面分段生長的定量判別標準的相關方法[23]，以三維地震剖面為基礎數據，進而依據埋深和斷距之間的關系定量判別斷層生長階段，建立斷層垂向分段生長的定量判別標準，并選取地震剖面上各層位垂直斷距繪制斷層垂向埋深—斷距曲線。斷層發育時，在剖面上孤立生長階段的斷層在淺層和深層出現斷距低值點(下文簡稱低值點)，斷距峰值(下文簡稱峰值)出現在中層，則低值點為斷裂分段生長點，指示構造轉換帶位置。

等距讀取地震剖面上的斷層位移和斷距，分別作為曲線的橫、縱坐標繪制斷層距離—斷距曲線。低值點說明斷裂活動較弱，是斷層分段生長連接部位，指示構造轉換帶發育位置[24-25]。

結合垂向埋深—斷距曲線、距離—斷距曲線確定構造轉換帶發育時期和發育層位。

2.2 典型構造轉換帶定量識別結果

圖2為烏石凹陷東區構造轉換帶類型及距離—斷距曲線，圖3為烏石凹陷東區構造轉換帶垂向埋深—斷距曲線。由圖可見：①強拉張環境下形成的斷層Ws230、Ws235在Ew3～Ew1沉積期活動較強，表現為：斷層Ws230在測線2100、2500處曲線出現低值點(圖2a)，指示斷層分段生長，即發育構造轉換帶；斷層Ws230在垂向上分別在Ew3、Ew1曲線出現低值點(圖3b)；斷層Ws235在測線1700處曲線出現低值點(圖2e)，并在Ew2出現一個低值區(圖3a)，存在分段生長現象，為構造轉換帶的典型曲線趨勢，隨后向Ew3斷距逐漸增加，達到峰值。②在走滑—伸展環境下活動較強的斷層Ws221、Ws171、Ws175分別在測線750和950、測線1750和2000、測線4900和5500處曲線出現低值點(圖2b～圖2d)，表明上述位置為分段生長連接位置，指示存在構造轉換帶，但出現層位不盡相同(圖3a～圖3c)，即：斷層Ws175在Ew3曲線達到峰值，在Ew2出現低值點；斷層Ws221在Ew3出現曲線低值區，隨后逐漸增大，分別在Ew2和El1達到峰值；斷層Ws171在Ew2出現曲線低值區，在Ew1逐漸達到斷距最大值。

基于構造轉換帶定義及相關分類標準[4-5，9-11]，綜合上述定量分析，并結合構造轉換帶平面及地震剖面幾何學特征(圖2、圖3)，在烏石凹陷東區共識別出幾類構造轉換帶：①平行型(斷層Ws230)；②疊覆型(斷層Ws171)；③趨近型(斷層Ws175)；④共線型(斷層Ws235)；⑤轉折端型(斷層Ws221)。

圖2 烏石凹陷東區構造轉換帶平面(左)、剖面(中)特征及距離—斷距曲線(右)

圖3 烏石凹陷東區構造轉換帶垂向埋深—斷距曲線

3 典型構造轉換帶類型及特征

3.1 烏石凹陷東區典型構造轉換帶類型

在Morley等[11]的分類基礎上，以運動學特征、幾何學特征為標準，結合烏石凹陷東區構造應力背景，從斷層位置關系、組合樣式和斷層性質著手，完善和細分構造轉換帶類型(圖4)。

圖4 構造轉換帶分類(同向型、對向型、背向型據文獻[11]略有修改)

(1)以主干斷層之間的傾向為首要分類標準，將構造轉換帶分為同向傾斜型、對向傾斜型和背向傾斜型三大類。

(2)以主斷層之間的位置關系和受力機制為分類標準，將構造轉換帶分為平行型、疊覆型、趨近型、撕裂斷層型、共線型和轉折端型等6類。以主干斷層之間的連接方式和斷層生長階段為依據，進一步分為“軟連接”型和“硬連接”型。“軟連接”型包括趨近型和覆疊型，“硬連接”型包括平行型和共線型。根據次級斷層首尾端展布形態，轉折端型分為擴張型和收斂型。擴張型主要在主干斷層尾部發育，次級斷層向外擴張，平面上呈馬尾狀；收斂型出現于主干斷層轉折端，調節斷層向一側收斂。

(3)按構造尺度為分類標準，分為一級、二級、三級及四級構造轉換帶。烏石凹陷東區內無一級構造轉換帶；同一構造背景下，相鄰區段間變形、構造樣式等特征存在差異的為二級構造轉換帶；三級構造轉換帶分布于各次級凹陷、洼槽之間；四級構造轉換帶分布于單個次級凹陷或斜坡內。

3.2 典型構造轉換帶特征

3.2.1 平行型

由兩條或多條對向平行斷層組成，斷層間位移和形變通過連接斷層或斜向凸起調節，主干斷層之間位移量沿走向此消彼長。主干斷層下降盤一側常伴生小斷層、背斜隆起等局部構造。

平行型出現于研究區中部，主干斷層呈近EW向平行排列，連接斷層出現于斷層Ws230下降盤一側，形成“硬連接”，與其伴生小斷層及裂縫共同作用，將形變(斷距或高差)由南側斷層傳遞至北側斷層(圖2a左)。在地震剖面上，斷層Ws230、Ws228之間反射層波組混亂，地層對向掉落、局部隆起而形成“地塹”，易發生位移傳遞和調節，主干斷層與周圍斷層共同構成復“Y”字型，具扭張特征(圖2a中)。

平行型附近是油氣的有利聚集區。連接斷層起側向封堵油氣的作用，由于連接斷層周圍裂縫發育，為油氣向上優勢運移與聚集提供了通道，構造轉換帶發育位置成為局部構造高點，油氣向構造轉換帶兩側輸導，在Ew3形成斷層上盤遮擋圈閉。

3.2.2 疊覆型

由兩條側列展布的斷層首尾部分疊置而成，通過橫向凸起(背斜)或斜向斷層調節和傳遞主干斷層之間的位移、形變。研究區疊覆型出現較少，斷層級序較低，對構造區帶的控制能力較弱。

疊覆—背向型出現于研究區東北部邊緣構造高點，近NE向的疊覆型主控斷層呈NW向雁列展布，斷層Ws171、Ws172的上升盤側列展布、首尾部分疊置，發育規模較小，斷層傾沒端小幅度彎曲(圖2b左)。在地震剖面上，斷層Ws171與Ws172背向傾斜，斷層生長終止于Ew2，兩側地層對向掉落，兩斷層共用一個上升盤，組成“地壘”，中間沒有伴生小斷層，為“軟連接”(圖2b中)。

斷層Ws171附近為局部構造高點，由于張性主控斷層側向封堵能力相對較弱，地層錯動不明顯，難以形成有效的砂、泥地層對接，導致疊覆型周圍油氣分布較少。

3.2.3 趨近型

趨近型由兩條或多條首尾互相靠近的斷層組成，以轉換斜坡或連接斷層的形式調節和傳遞位移、形變。趨近型發育位置的地層往往被截切而發生階梯狀掉落，應變和位移沿地層傾翹方向有規律地傳遞。

研究區內典型的趨近—同向型由斷層Ws175和Ws219組成，所處地勢較高。平面上，主干斷層呈NEE向伸展，傾沒端發生弧形彎曲并相互靠近，屬于“軟連接”型(圖2c左)。在地震剖面上，斷層Ws219和Ws175南傾，形似階梯，產狀基本一致，發育規模相當，各條斷層的下降盤依次向同一方向斷落，所夾地層之間反射波組混亂，呈“似斷似連”現象；斷層Ws175和Ws219終止于Ew1底面，向下延伸至El2消失(圖2c中)。

斷層Ws175與Ws219為典型走滑環境下形成的主控斷層，斷層封閉性較好，構造轉換帶分隔出數個獨立斷塊，斷層Ws219發育于構造高部位，轉換斜坡為優勢油氣運移通道，成藏期受主干斷層遮擋，易在斷層下盤聚集成藏。

3.2.4 共線型

共線型由一條斷層發育而成，斷層傾向沿走向發生變化，平面展布形態并未發生明顯變化。斷層以三種形式實現傾向變化：①傾向發生變化的過渡區域，斷層以小尺度張開的形式連接，形如手指；②在相互作用區域形成撕裂斷層；③地層發生劇烈的翹曲，并將相關應力傳遞到在周圍巖體中。

沿構造轉換帶走向，地勢由東向西逐漸降低。Ws235斷層在中段一分為二，呈手指狀張開，相互交錯，隨后斷層合二為一(圖2e左)。共線型在一條斷層內部轉移位移及形變，對于周圍構造區帶的控制、改造能力較弱。在地震剖面上(圖2e中)，斷層Ws235東、西兩段為緊密結合的整體：①在EE′剖面上，斷層Ws235北傾，與南側斷層組成“地壘”。②在FF′剖面上，a、b、c、d四條斷層兩兩對向發育，組成“地壘”，兩側地層依次掉落。調節斷層a與主斷層傾向相同，調節斷層b的規模較大，向西張開的調節斷層d的規模大于調節斷層c，斷層a、c被斷層d錯開。③在GG′ 剖面上，主斷層與南側斷層組成階梯狀樣式，斷層依次向南掉落。

斷層Ws235由西至東，斷層組合逐漸由“壘塹”組合樣式過渡到階梯狀樣式，表現為張扭作用下形成的統一斷裂體系。因此，斷層Ws235東、西兩段應為一條斷層，通過主斷層中段手指狀張開的四條調節斷層控制、調節伸展形變。由于四條連接斷層的相互作用，限制了調節斷層的延伸、發散程度，在整體上始終保持單條斷層的形態。

共線型受走滑、伸展疊合作用影響較大，內部反向調節斷層主控油氣輸導，油氣集中于斷層Ws235西段的弧形彎曲處，東段無油氣顯示。

3.2.5 轉折端型

轉折端型由單條主斷層控制，主斷層弧形彎曲部位因構造應力作用產生數條調節斷層，以調節主斷層位移和形變。擴張型是指位于主干斷層末端，數條調節斷層極性相同，走向近平行，尾部向外撤開，首端均收斂于主干斷層尾部的構造轉換帶。平面上常見的展布樣式為馬尾狀，常見于張扭應力條件下發育的組合斷層；剖面上一般為包心菜狀，斷距較小，內部斷層密度較大，有助于調節主干斷層斷距和高差，并分散地層的底辟作用。收斂型由一條彎曲主斷層及數條“帚”狀次級斷層收斂于主干斷層弧頂彎曲處組合而成，調節主干斷層的轉折程度，有效分散了主干斷層沿走向方向的位移。剖面上調節斷層與主干斷層高角度相交，體現了構造旋轉作用的應力背景。

轉折端型位于研究區南部，由主斷層Ws221及三條近NE向調節斷層組成，平面上呈馬尾狀展布，靠近7號邊界斷層(圖2d左)。在邊界斷層上、下盤升降運動及NE向走滑作用的影響下，主斷層Ws221下降盤一側地層發生形變并形成Ws222、Ws223、Ws224三條走向近平行、傾向一致的呈雁列展布的調節斷層，尾端向外發散，首端收斂于主斷層轉折端處，將主斷層弧形彎曲部分的伸展位移、形變向外擴張，保持并逐漸調節主斷層的彎曲程度，延續主斷層沿走向斷距逐漸變小的趨勢；同時調節主斷層北段NW向和東段NW向的斷距和高差，達到應變守恒。在地震剖面上，調節斷層與主斷層斜交，均向南傾，地層依次向南掉落，沿垂向斷距逐漸增長方向有規律地調節位移和形變(圖2d中)。

調節斷層剪切作用較弱，斷層斷距較小，斷層封閉性較強，阻止了油氣向局部構造高部位的橫向運移，斷層Ws221下降盤具封堵油氣側向運移的作用，易于富集油氣。

4 構造轉換帶分布規律及形成機制

4.1 構造轉換帶發育規律

地層Ew3主要發育平行型、趨近型、疊覆型、共線型和轉折端型構造轉換帶，構造轉換帶分布較廣泛(圖1b)。Nx主要發育平行型、疊覆型和轉折端型構造轉換帶，構造轉換帶零星分布(圖5)。地層由老到新，構造轉換帶分布體現了繼承性和改造性，即構造轉換帶發育程度逐漸成熟、數量和種類逐漸減少。在同一構造轉換帶的不同層位(不同時期)，連接方式由“軟連接”向“硬連接”轉變，由深層至淺層連接斷層數量明顯增加。如：El構造轉換帶分布較少，Ew構造轉換帶較發育；Ew3“軟連接”、“硬連接”均較常見，傳遞位移的數量和幅度較大；Ew1～Nx構造轉換帶較發育，以平行型為主(圖5)，且多為“硬連接”。

圖5 Nx(T60)現今構造綱要圖

4.2 構造轉換帶空間分布規律

通過分析，總結了烏石凹陷東區構造轉換帶的分布規律。

(1)不同類型轉換帶分布位置不同。東、西部發育平行型、趨近型和疊覆型；中部斷裂形態及組合樣式較復雜，發育轉折端型、共線型。

(2)構造轉換帶兩側構造樣式、基底沉降存在明顯差異，往往構成區域構造的平面分界線。如，以近NW向的斷層Ws229和EW向斷層Ws227為界，南側斷層走向主要為NEE、NE和SE向，北側斷層為NE或EW向(圖1b)，南部構造樣式復雜，北部斷裂多為階梯式或“Y”字型(圖1d)。

(3)構造背景及邊界控制條件決定了構造轉換帶類型。從時間角度講，斷層活動強度逐漸減弱的7號斷層受拉張、剪切作用影響，周圍發育平行型和轉折端型；6號斷層發育較晚，周圍發育平行型和共線型；中部EW向斷裂活動增加，多發育平行型、共線型；東部NE向斷裂活動較多，發育疊覆型。

(4)連接斷層與主干斷層垂直或大角度斜交，或主干斷層之間發育橫向凸起或轉換斜坡。剖面上，地層出現局部扭曲，常呈“壘塹”組合、花狀構造、似花狀構造、斷階等構造樣式。

4.3 構造轉換帶成因

通過總結、歸納前人研究成果[1-5,7,26]，結合研究區各時期構造背景，在分析演化階段的基礎上，分別在時間和在空間上探討構造轉換帶成因。

4.3.1 空間成因

(1)先存構造奠定了構造轉換帶的形成基礎，差異性活動導致斷裂體系的變化。

先存的斷裂活動在很大程度上決定著后續斷層發育的特征。El3～El2沉積期凹陷處于強拉張作用階段，太平洋板塊俯沖，引起地幔熱流上涌并導致南海擴張[27]，NW—SE向伸展作用使NE向基底大斷裂復活[28]，當主控斷層走向與NE向基底大斷層走向成一定角度相交時，基底大斷層在側向上起到一定程度的阻礙作用。隨著斷裂伸展方向的變化，斷裂的位移和形變傳遞方式發生變化，從而控制構造轉換帶的形成、伸展位移及空間位置。同時派生出近NE向7號斷層的主體雛形以及斷層Ws225、Ws235。隨后，由于印支板塊擠出作用，區域伸展方向轉變為近NNW—SSE向，近NEE向6號斷層以及斷層Ws161、Ws213形成，共同構成烏石凹陷東區構造格架(圖6a)。

(2)構造應力的性質和方向決定了構造轉換帶類型。

El1～Ew3沉積期，由于印支板塊碰撞作用，哀牢山—紅河斷裂帶左旋走滑作用逐漸增強，地幔上涌形成的拉張作用依然較強，整體上表現為強拉張、弱左旋走滑疊合作用。在此背景下，形成了NEE向右旋走滑、NW向左旋走滑的張性共軛斷裂體系(圖6b)。此時基底斷層顯性活動仍然強烈，部分與之走向成一定角度相交的斷層，位移生長受到阻礙，東部疊覆型主控斷層Ws227形成，平行型主控斷層分段生長，斷層Ws229基本成型；南部轉折端型主控斷層Ws221主體初見規模。

(3)斷層分段生長是轉換帶形成的直接原因。

由初始拉張作用時期至拗陷、裂陷時期，主控斷層一般經歷孤立生長、“軟連接”以及連接斷層發育的“硬連接”等階段，斷層疊覆位置或斷層最大位移處易產生構造轉換帶。

4.3.2 時間成因

烏石凹陷在哀牢山—紅河斷裂帶走滑活動、南海擴張與地幔上涌產生的拉張應力[29]的疊合作用下，形成了走滑和伸展并存的區域應力場，并且不同時期走滑作用和拉張作用的強弱存在差異，不同沉積期應力背景與應力強弱對構造轉換帶發育具有不同的控制作用。Ew2～Ew1沉積期，哀牢山—紅河斷裂帶走滑作用不斷增強，地幔上涌作用逐漸減弱，形成弱拉張與強剪切作用的疊合。在繼承前期活動性的同時，NW向走滑斷層分裂為一系列平行型構造轉換帶(圖6c)，由于先存構造的影響，沿走向位移至斷層Ws225即停止。南部斷層Ws221在扭張應力下發育多條次級小斷層；斷層Ws235受擠壓應力的影響，發生構造反轉，形成共線型構造轉換帶。Nx沉積期至今，地幔上涌和板塊擴張作用，導致烏石凹陷整體拗陷，形成一系列近EW向雁行排列的小斷層(圖6d)。

圖6 烏石凹陷東區構造轉換帶演化模式

5 結論

(1)根據主干斷層的運動學、幾何學特征以及相互作用方式，將烏石凹陷東區構造轉換帶分為平行型(斷層Ws230)、疊覆型(斷層Ws171)、趨近型(斷層Ws175)、轉折端型(斷層Ws221)和共線型(斷層Ws235)5大類。

(2)典型的平行型主控斷層級序較高，多以“硬連接”的形式調節、傳遞位移和形變，剖面上呈復“Y”字型。疊覆型在平面上互相平行，斷層級序較低，對構造區帶的控制較弱，剖面上表現為背斜形式的“軟連接”。趨近型以轉換斜坡的形式連接主干斷層。共線型主斷層中段呈手指狀張開，東、西兩段傾向相反，剖面上斷層相互錯動，構成“X”型。轉折端型在平面上呈馬尾狀，調節斷層向主控斷層彎曲部位收斂，具調節主干斷層彎曲程度及斷距的作用。

(3)不同類型構造轉換帶受控于構造背景和邊界控制條件，分布位置存在差異。平行型全區分布廣泛，疊覆型、趨近型分布于研究區東北部，共線型分布于中北部，轉折端型靠近7號斷層。構造轉換帶具有分隔構造區帶的作用，不同類型構造轉換帶的平面、剖面構造特征明顯不同，不同沉積期構造轉換帶傳遞位移的方式和數量差異明顯，如Ew3傳遞位移最大，至Nx逐漸減小。

(4)烏石凹陷東區斷裂發育特征為伸展和拉張共同作用的結果，NE向基底斷裂奠定了形成構造轉換帶的基礎，在哀牢山—紅河斷裂帶走滑、南海擴張、地幔上涌派生的拉張應力的共同作用下，斷層分段生長是構造轉換帶形成的直接原因。