珠江口盆地北部断裂构造特征对比及其地质学意义

珠江口盆地北部断裂构造特征对比及其地质学意义摘要：断裂控制了珠江口盆地南北分带、东西分块的构造格局,同时与油气运移和油气藏的形成分布关系密切.以2010年珠江口盆地北部的反射地震数据为基础,同时收集了邻区的反射地震资料,对珠江口盆地的北部断阶带、北部坳陷带和中央隆起带的内部及其边界断裂构造特征进行对比研究.结果表明,北部断阶带主要发育倾向SE的板式断层;北部坳陷带内断裂构造最为发育,断裂组合有半地堑、地垒、窄地堑等样式;中央隆起带内广泛发育倾向NW的反向铲式断层.珠江口盆地北部在断陷阶段断层的活动速率最高,拗陷阶段次之,热沉降阶段最低,各地质单元内断裂构造特征的差异与珠江口盆地经历的多幕拉张以及块体的差异性升降有关.关键词：珠江口盆地北部断裂构造断层活动速率板式断层引言珠江口盆地是南海北部大陆架和陆坡上的一个大型新生代为主的沉积盆地，位于华南正常型陆壳至减薄型陆壳这一特殊的区域构造位置，自新生代以来经历了多幕拉伸，记录了从陆缘裂解到海底扩张等阶段的丰富信息.珠江口盆地的北部位于南海北部陆架浅水区，主要由北部断阶带、北部坳陷带、中央隆起带等三个构造单元所构成(陈长民等，2003).北部断阶带以滨海断裂带为北界，与万山隆起区相邻，滨海断裂带是华南地块与南海地块的构造边界；北部坳陷带自东向西主要由韩江凹陷、海丰凸起、陆丰凹陷、惠陆低凸起、惠州凹陷、西惠低凸起、西江凹陷、恩西低凸起、恩平凹陷等地质单元组成；中央隆起带自东向西主要由东沙隆起、番禺低隆起和神狐—暗沙隆起所构成.受多期构造运动的影响，盆地具有典型的“下断上坳”的双层构造特征(龚再升和李思田，2004)，经历了从陆相—海陆过渡相—海相的沉积演变过程(朱伟林等，2008).其中，北部坳陷带和中央隆起带的油气资源丰富，目前已开发了20多个油气田，约占中海油在南海北部开采量的66%以上，且石油年产量自1996年以来一直保持在千万立方米以上(何家雄等，2008，2012)，是我国近海油气勘探的主要领域之一(万志峰等，2010；朱伟林等，2012).油气的运移、聚集和成藏与断裂构造的关系极为密切，珠江口盆地北部主要发育NEE向和NW向两组断裂(图1)，其中NEE向断裂在南海张裂演化期间表现为张性正断层性质，并兼有右行走滑特征，在区内广为发育；NW向断裂在新构造运动期间表现出较强的活动性，多为盖层至地壳断裂，由于其新生性往往截切错断NEE 向断裂，致使在南北分带的构造格架下增添东西分块的复合形态，向盆地内部断裂活动性逐渐减弱(丁原章，2004)，通常为盆地内部凹陷级构造单元的分界.前人对珠江口盆地北部的断裂构造和油气地质进行了大量的研究工作(陈汉宗等，2005；宗奕等，2012；于水明等，2012；薛成等，2012)，但很少从各地质单元的内部及其边界断裂构造特征角度进行对比研究.本文以2010年穿越珠江口盆地北部的反射地震数据为基础，并通过收集邻区的地震反射资料，对该盆地北部的北部断阶带、北部坳陷带和中央隆起带的内部及其边界断裂构造型式、断裂活动强度进行对比研究，为珠江口盆地的形成演化和区域油气资源的勘探开发提供依据.图 1 珠江口盆地区域构造简图(断裂据丁原章，2004和Zhu et al ., 2012修改)1. 盆地边界；2. 坳陷边界；3. 凹陷边界；4. 断裂/推测断裂；5. 滨海断裂带；6. 坳陷； F1：一统暗沙断裂；F2：恩平东断裂；F3：北卫滩断裂Fig. 1 Tectonic units of Pearl River MouthBasin(Faults are revised after reference Ding etal ，2004 and Zhu et al ., 2012)1. Basin Boundary;2. Depression Boundary;3. Sag Boundary;4. Fault/Supposed Fault;5.Littoral Fault Zone; F1: Yitong-Ansha Fault; F2:East Enping Fault; F3: Beiweitan Fault1 珠江口盆地发育历史珠江口盆地新生代构造演化主要受太平洋和菲律宾海板块俯冲挤压、印支地块与欧亚板块碰撞和南海扩张等三大主控因素的影响和制约(龚晓峰等，2012)，经历了晚白垩纪—早渐新世的多幕拉伸断陷阶段、晚渐新世—中中新世的拗陷阶段以及晚中新世至今的断块升降及区域热沉降阶段等三大构造演化阶段(王福国等，2008；崔莎莎等，2009；吕宝凤等，2012)，主要包括神狐运动、珠琼运动一幕、二幕、南海运动、东沙运动等五次构造运动(陈长民等，2003)(表 1). 表 1 珠江口盆地新生代构造演化序列和地层格架(构造运动和不整合面据崔莎莎等，2009、 何家雄等，2012修改和Zhu et al ., 2012修改，地层年龄据Cohen et al ., 2013)Table 1 Stratigraphic frame and tectonicevolution sequence in the Cenozoic of Pearl River Mouth Basin(Tectonic movements and unconformity surfaces are revised afterreferencesCui et al ., 2009， He et al ., 2012， and Zhu et al ., 2012， and the stratigraphic age according to Cohen et al ., 2013) 神狐运动始于晚白垩世末，受太平洋板块俯冲后撤及印度与欧亚板块碰撞的共同影响，区内应力场性质由挤压变为拉张，促使南海北部陆缘的前新生代褶皱基底发生张裂(何家雄等，2012)，形成了NE 向的断裂和断陷，充填了上白垩统—古新统的浅水湖泊和火山岩相沉积，在反射地震剖面上表现为Tg 区域性不整合面，构成了珠江口盆地的新生代基底，神狐运动揭开了南海北部陆缘新生代伸展裂陷的序幕.珠琼运动一幕开始于早始新世，受太平洋板块对欧亚板块俯冲由NNW-NWW 的转向和俯冲角度加大的影响(夏斌等，2004)，南海北部陆缘伸展减薄强烈，珠江口盆地发生抬升和剥蚀，先期形成的NE 向断陷进一步发育扩大，形成了断隆相间的构造格局(崔莎莎等，2009；蔡周荣等，2010)，沉积充填了始新统中深湖相文昌组烃源岩，在地震剖面上表现为T9地区性不整合面，是盆地在新生代的第二幕伸展裂陷期.珠琼运动二幕发生在中始新世末—早渐新世，太平洋板块继续对华南地块NWW 向俯冲，在区内形成NNW 向的张裂应力场，珠江口盆地形成近SN 向张裂作用，裂陷由NE 向转变为EW 向，并形成了一组近EW 向断裂(崔莎莎等，2009)，在裂陷内沉积了浅湖—沼泽相的恩平组烃源岩，在反射地震剖面上表现为T8区域性不整合面，是珠江口盆地第 三幕伸展裂陷期，也是盆地在断陷阶段最重要的构造运动.南海运动发生在晚渐新世至早中新世期间，受印度—欧亚板块碰撞的影响，深部地幔物质向SE和SEE方向流动(姚伯初，1993)，华南陆缘岩石圈进一步拉伸减薄，并产生了一系列NEE—EW向张性断裂，珠江口盆地由断陷阶段转为拗陷阶段，期间沉积了珠海组和珠江组两个重要的油气产层，在反射地震剖面上表现为T6区域性不整合面.东沙运动发生在中中新世末，由于菲律宾海板块向NW方向逆时针旋转碰撞亚洲大陆，在华南陆缘形成压扭应力场，产生了一系列NW向走滑断裂，错断早期形成的NE向和NEE向断裂，在珠江口盆地南北分带的基础上叠加了东西分块的构造格局，在地震反射界面相当于T2地区性不整合面(姚伯初，1993；崔莎莎等，2009).东沙运动是一次局部性构造运动，对珠江口盆地的影响由东向西逐渐减弱，早期油气藏在这一构造运动中被调整改造，NW向断裂成为油气运移的重要通道.东沙运动至今，珠江口盆地进入相对稳定的区域热沉降阶段，沉积了巨厚的泥岩层，构成了盆地中良好的盖层(苗顺德等，2010).2 数据来源与处理本文数据来自2010年珠江口外海陆联合深地震探测中的多道反射地震测线mcs2010-1(曹敬贺等，2012)，经频率滤波、速度分析、动校正、共深度点叠加和震相偏移等处理后(Zhu et al., 2012)，得到沿测线的反射地震剖面，同时收集了邻近海域的反射地震测线1530(赵中贤等，2010)、PR26(Wu et al., 2009)、A-B(孙珍等，2005)、E-E’(何廉生和陈邦彦，1987)等，开展盆地北部各地质单元的内部及其边界断层的对比研究(图2).然后根据由钻井数据进行时深转换后的1530剖面(赵中贤等，2010)，研究北部断阶带、北部坳陷带和中央隆起带在断陷阶段(Tg-T6)、拗陷阶段(T6-T2)和热沉降阶段(T2-T0)三个不同时期的断层活动速率.图 2 研究区测线分布图图中mcs2010-1为本文处理的反射地震剖面，Line1530、Line26、LineA-B和LineE-E分别据赵中贤等，2010、Wu et al., 2009、孙珍等，2005和何廉生和陈邦彦，1987修改.LF：陆丰凹陷；HL:惠陆低凸起；HZ:惠州凹陷；XH：西惠低凸起；XJ：西江凹陷；EX：恩西凹陷；EP：恩平凹陷；DS：东沙隆起；PY：番禺低隆起.Fig. 2 Reflection profilesdistribution in the research areaThe profile mcs2010-1 is the reflection seismicsection we processed，Line1530，Line26，LineA-Band LineE-E’ are according to references Zhao etal., 2010，Wu et al., 2009，Sun et al.,2005 and He and Chen，1987，respectively. LF:Lufeng Sag; HL: Huilu Low Uplift; HZ: HuizhouSag; XH: Xihui Low Uplift; XJ: Xijiang Sag; EX:Enxi Low Uplift; EP: Enping Sag; DS: DongshaUplift; PY: Panyu Low Uplift.3 断裂构造特征对比3.1 断裂构造的形态和组合特征北部断阶带在空间上具有分带特征，根据带内断裂的构造型式和发育程度，可将北部断阶带细分为断层不发育带、板式断层带和铲式断层边界过渡带(图3).板式断层带构成了北部断阶带的主体，带内主要发育倾向SE的板式断层，断层倾角较大，由北向南断距有逐渐增大的趋势.在反射地震剖面上一般表现为断至基底的正断层，在带内组合呈正向阶梯式断层的构造型式，断层与地层的倾向相同，是南海北部陆缘在断陷阶段三次伸展张裂的产物，控制了断阶带内沉积物的分布.在断阶带的北部断裂构造不发育，与万山隆起区之间以滨海断裂带为界，滨海断裂带主体倾向SE ，由一系列切穿基底的高角度正断层组成，断裂带内沉积物突然增厚，是华南地块与南海地块的分界断裂带.在北部断阶带的南缘主要发育铲式断层，断面的倾角上部较陡，向下逐渐变缓呈铲状，构成了北部断阶带与北部坳陷带的边界. 图 3 北部断阶带内反射地震剖面图b 为本文处理的反射地震剖面，图a 、c 、d 分别据赵中贤等，2010、何廉生和陈邦彦，1987和Wu et al .,2009修改.黑色实线表示断层，彩色实线表示地层界面，绿色虚线表示地质单元的边界，黑色箭头表示断层的运动方向.Fig. 3 Reflectionseismic profiles in theNorthern Fault TerraceZoneFig.b is the profile thisarticle processed ， andfigure a ，c ，d arerespectively revised afterZhao et al.， 2010，He and Chen ， 1987 and Wu etal ., 2009. The black solidlines represent the faults ，the color solid linesindicate the stratum，thegreen dashed linesrepresent boundary ofgeological units，the blackarrows indicate the motionof faults.北部坳陷带内断裂构造较为发育，在坳陷带的边缘以铲式断层作为与两侧隆起带的边界.带内主要发育铲式断层、板式断层，断层组合有半地堑、地垒、窄地堑等多种构造型式(图4).半地堑构造型式主要存在于坳陷带内凹陷级构造单元中，由一条或多条同倾斜的断层所约束，在反射地震剖面上呈箕状(图4a).坳陷带内各凹陷中的控凹断裂也不相同，其中惠州凹陷以板式断层为控凹断裂，而西江凹陷和恩平凹陷则以铲式断层作为控凹断裂，在凹陷的内部板式断层则较为发育.地垒构造主要分布在相邻凹陷间的凸起中，例如西惠低凸起和恩西低凸起.窄地堑由相向的断裂所控制，在剖面上断裂向深部趋于相交，主要体现在西江凹陷中(图4b).内反射地震剖面，相关说明同图3Fig. 4 Reflectionseismic profiles inthe NorthernDepressionZone(Similarillustration as Fig.3)中央隆起带以铲式断层作为与北部坳陷带和南部坳陷带的分界，而其内部根据断裂构造型式可以划分为隆坳过渡带、反向铲式断层带(图5).隆坳过渡带作为隆起单元与坳陷单元的转换带，常以窄地堑、半地堑等断层组合型式存在(图5a、5c).反向铲式断层带主要发育倾向NW、近平行展布的铲式断层，在剖面上组合成单断半地堑的构造型式.其中，断层具有反向正断层的性质，断面的倾向与地层的倾向相反，上升盘地层沉积厚度较薄，而下降盘地层的沉积相对较厚，控制断层内沉积层的分布，而上升盘地层往往是构成油气圈闭的有利场所.按活动时期的长短，反向铲式断层可以分为早期断层和长期断层，早期断层在盆地发育的断陷阶段(Tg-T6)较为活跃，受控于此时期的多幕拉张.图 5 中央隆起带反射地震剖面，相关说明同图3Fig. 5 Reflectionseismic profiles in theCentral UpliftZone(Similar illustrationas Fig. 3)3.2 断层活动速率断层活动速率可以定量描述断层的活动特征，是指某一地层单元在一定时期内，因断裂活动形成的落差与相应沉积时间的比值(宗奕等，2012)，即V f=(H u-H d)/T，其中，V f为断层活动速率；T为沉积时间；Hu为断层上盘地层厚度；H d为断层下降盘地层厚度.本文选取横穿北部断阶带、北部坳陷带和中央隆起带的1530测线，在时深转换后的剖面上选取13条断层进行活动速率分析，获得盆地北部不同构造单元在新生代各演化阶段的活动速率(图6).从图6中可以看出，断陷期(Tg-T6)内断层的总体活动速率最高，拗陷期(T6-T2)次之，热沉降期(T2-T0)最低.在断陷阶段，北部断阶带和中央隆起带的断层活动速率要明显高于北部坳陷带，表明坳陷阶段是盆地内隆坳边界断层的强烈发育时期，断层两侧的地层厚度差较大，控制了盆地内部隆坳相间的构造格局.中央隆起带在断陷阶段的断层活动速率最高，达66 m·Ma-1，表明中央隆起带在晚白垩纪—渐新世的多幕拉张过程中所受的拉张断陷程度最大.在拗陷阶段，区内断层的总体活动强度较低，低 于12 m·Ma -1.断裂活动强度与隆起和坳陷、凹陷和凸起之间有较好的对应关系，在隆起向坳陷、凸起向凹陷过渡地带，断裂的活动速率逐渐降低；在坳陷向隆起、凹陷向凸起过渡位置，断裂的活动速率逐渐升高.在热沉降阶段，盆地北部的断裂活动强度高于拗陷阶段，而且区内断裂活动强度与隆起和坳陷、凹陷与凸起之间的对应关系更加显著，可能主要来自与东沙运动的影响，使老断层重新活动并产生新断层，引起区内地块的差异性升降，最终使得断裂的活动强度增高.图 6 珠江口盆地北部的断层活动速率图Fig.6 Fault activity rate in northern Pearl River MouthBasin along Line15304 结 论 4.1 珠江口盆地新生代共经历了神狐运动、珠琼运动一幕、二幕、南海运动和东沙运动等五次构造运动，可以划分为晚白垩纪—早渐新世的多幕拉伸断陷阶段、晚渐新世—中中新世的拗陷阶段以及晚中新世至今的断块升降及区域热沉降阶段等三大构造演化阶段.受多期构造运动的作用，盆地北部主要发育NEE 向和NW 向断裂.4.2 北部断阶带内发育倾向SE 的板式断层，断层在带内呈正向阶梯式断层组合型式；北部坳陷带内断裂最为发育，主要有板式断层和铲式断层，组合成半地堑、地垒、窄地堑等构造型式；中央隆起带内广泛发育倾向NW 的反向铲式断层，在剖面中构成单断半地堑型构造样式.4.3北部断阶带和中央隆起带内断层总体活动速率较高，北部坳陷带内断层活动速率较低.在断陷阶段断层的活动速率最高，拗陷阶段次之，热沉降阶段最低；在拗陷阶段和热沉降阶段，断层活动速率与隆起带和坳陷带、凹陷和凸起等地质单元之间有较好的对应关系，可能与东沙运动期间引起块体的差异性升降有关.致谢本文中的mcs2010-1测线的数据来自于中国科学院南海海洋研究所“实验2号”全体船员及科考队的辛勤工作，赵中贤博士提供了1530剖面数据，在此一并致谢.。