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陸緣深水盆斷層成因論文
多邊形斷層(polygonalfaults)是一種發(fā)育在深水盆地淺部地層中具有層控、斷距小、平面呈多邊形展布特征的小型伸展斷層[1]。Cartwright[2]通過(guò)3D地震資料在北海盆地深水區(qū)首次發(fā)現(xiàn)了這種斷層。迄今為止，世界上近60個(gè)深水盆地發(fā)現(xiàn)了多邊形斷層的存在。國(guó)內(nèi)深水盆地多邊形斷層的研究還處在初期階段。吳時(shí)國(guó)等[3]在瓊東南盆地華光凹陷發(fā)現(xiàn)了多邊形斷層的存在。孫啟良等[4-5]利用3D地震資料描述了瓊東南盆地華光凹陷多邊形斷層的地震幾何特征，并探討了其形成機(jī)理以及對(duì)油氣運(yùn)移的意義。多邊形斷層的研究具有重要的油氣意義和科學(xué)意義，一方面多邊形斷層作為流體運(yùn)移通道有利于深水油氣運(yùn)移、水合物成藏;另一方面，多邊形斷層多形成在超壓環(huán)境中，對(duì)深水超壓地層的研究具有重要意義。但前人的研究受限于低分辨率的2D地震資料，缺少鉆井資料，研究范圍較小，對(duì)多邊形斷層形成機(jī)理的推斷缺少足夠的證據(jù)。筆者基于南海北部陸緣高分辨率3D地震數(shù)據(jù)，系統(tǒng)刻畫了南海北部深水盆地中新統(tǒng)多邊形斷層的形態(tài)特征和分布規(guī)律，尤其白云凹陷和北礁凸起多邊形斷層為國(guó)內(nèi)首次研究。筆者著重分析了珠江口盆地白云凹陷多邊形斷層的形成機(jī)理。瓊東南盆地長(zhǎng)昌凹陷和北礁凸起多邊形斷層受外界復(fù)雜構(gòu)造作用和砂泥沉積環(huán)境影響，對(duì)其成因進(jìn)行了初步分析，但由于缺少鉆井資料，該地區(qū)多邊形斷層的成因還需要更深入的研究。
1地質(zhì)背景
南海北部大陸邊緣發(fā)育了水深1000~3000m的深水盆地(圖1、圖2)。珠江口盆地的白云凹陷是南海北部陸坡最大的一個(gè)深水盆地，經(jīng)歷了古近紀(jì)的裂陷期和中新世以來(lái)的裂后熱沉降期。23.8Ma時(shí)的白云運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致凹陷發(fā)生劇烈沉降，相對(duì)海平面大幅度上升[6]，發(fā)育了下中新統(tǒng)淺海陸架-半深海泥巖沉積，中中新統(tǒng)韓江組、上中新統(tǒng)粵海組半深海—深海泥巖沉積[7-8]。瓊東南盆地受南海擴(kuò)張、紅河斷裂及太平洋板塊構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)影響，發(fā)育了NE、近EW和NW向的三組斷裂[9]。瓊東南盆地主要分為裂陷期和拗陷期，其中早中新世—中中新世發(fā)生區(qū)域熱沉降，中新統(tǒng)三亞組、梅山組、黃流組發(fā)育了淺—深海相泥巖沉積[10-11](圖2)。
2多邊形斷層幾何特征
伸展長(zhǎng)度小、間距小和斷距小的特征決定了多邊形斷層的識(shí)別需要高分辨率的3D地震數(shù)據(jù)。3D地震數(shù)據(jù)的層拉平相干切片技術(shù)是識(shí)別多邊形斷層最簡(jiǎn)單有效的方法。多邊形斷層各參數(shù)的統(tǒng)計(jì)建立在(層拉平)相干切片和地震剖面基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)一定范圍內(nèi)斷層參數(shù)。統(tǒng)計(jì)范圍的選擇盡量避免了構(gòu)造斷層、底辟、氣煙囪的影響，并剔除了統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的構(gòu)造斷層。
2.1珠江口盆地白云凹陷多邊形斷層幾何特征珠江口盆地白云凹陷中南部發(fā)育近2500km2的多邊形斷層[圖3(a)]。多邊形斷層發(fā)育在17.5~21Ma的下中新統(tǒng)珠江組中部泥巖地層[圖3(b)]。過(guò)T50(SB18.5Ma)的層拉平相干切片顯示，多邊形斷層長(zhǎng)度100~1400m、斷層間距200~900m、斷距10~30m，斷層密度4~6條/km。平面上斷層方向不規(guī)則，呈多邊形[圖4(a)]。該地區(qū)發(fā)育了泥底辟、氣煙囪構(gòu)造和流體泄漏造成的大范圍的振幅空白帶和強(qiáng)振幅反射[圖3(a)]。振幅空白帶掩蓋了下中新統(tǒng)多邊形斷層的反射信息，因此多邊形斷層的分布范圍應(yīng)該更廣。穿過(guò)多邊形斷層的氣煙囪、泥底辟等流體滲漏現(xiàn)象表明深部地層曾存在異常高壓。
2.2瓊東南盆地華光凹陷多邊形斷層幾何特征瓊東南盆地華光凹陷多邊形斷層主要發(fā)育在T30~T50(SB5.5~15.5Ma)之間的黃流組下部和梅山組上部[圖5(b)]。斷層長(zhǎng)度100~1000m，斷層間距40~800m，斷距10~40m，斷層密度3~5條/km[圖4(b)]。多邊形斷層的走向不規(guī)則[圖4(b)]，層拉平相干切片上呈多邊形[圖5(a)]。與南海北部其他地區(qū)相比，華光凹陷多邊形斷層發(fā)育了上下兩套。其中下套多邊形斷層中有些斷層延伸到底辟的頂部[圖5(b)]。
2.3瓊東南盆地長(zhǎng)昌凹陷多邊形斷層幾何特征瓊東南盆地長(zhǎng)昌凹陷高密度的多邊形斷層發(fā)育于整個(gè)研究區(qū)(圖6)。出現(xiàn)在T40~T60(SB10.5Ma~SB23.3Ma)的三亞組和梅山組。與白云凹陷和華光凹陷不同，長(zhǎng)昌凹陷多邊形斷層走向主要集中在近NW和EW向[圖4(c)]。這些微小斷層NW向長(zhǎng)度600~1300m，EW向長(zhǎng)度200~500m，斷層間距200~500m，斷距10~50m，斷層密度3~4.5條/km。T40~T60間的地層發(fā)育了漸新統(tǒng)繼承性的NW向構(gòu)造斷層[圖6(a)黑色曲線表示]。此外斷層受底辟影響嚴(yán)重，底辟兩側(cè)斷層傾向方向相反。斷面上下的斷塊也發(fā)生撓曲變形[圖6(b)]。
2.4瓊東南盆地北礁凸起多邊形斷層幾何特征瓊東南盆地北礁凸起多邊形斷層主要分布在研究區(qū)的西北部，發(fā)育在T40~T50之間的梅山組(SB10.5~15.5Ma)。斷層長(zhǎng)度200~1300m、斷層間距100~800m、斷距10~30m，斷層密度2~4條/km。斷層具有明顯的NE67°和NW35°走向[圖4(d)]。該地區(qū)發(fā)育生長(zhǎng)斷層[圖7(a)]，自NE至SW，同沉積厚度逐漸減小，構(gòu)造應(yīng)力的影響也越來(lái)越小。而多邊形斷層在生長(zhǎng)斷層發(fā)育的地方較少，生長(zhǎng)斷層不發(fā)育的地方較多[圖7(b)]。研究區(qū)東北部少量多邊形斷層與構(gòu)造斷層垂直分布，也說(shuō)明構(gòu)造應(yīng)力對(duì)多邊形斷層的發(fā)育有一定影響。此外，多邊形斷層發(fā)育層位內(nèi)部發(fā)育了多個(gè)泥底辟，底辟終止到T40。
2.5南海北部深水盆地多邊形斷層分布規(guī)律南海北部深水盆地多邊形斷層伸展長(zhǎng)度在100~1400m、間距40~900m、斷距10~50m，上覆地層厚度500~1600m，分布范圍廣泛，與北海盆地多邊形斷層參數(shù)[2]基本一致(表1)。自東往西，自北往南，多邊形斷層發(fā)育的地層年代逐漸變新。各盆地多邊形斷層發(fā)育具有獨(dú)特的特征。白云凹陷多邊形斷層走向無(wú)規(guī)則，周圍地層發(fā)育大量流體滲漏現(xiàn)象，主要為厚層的泥巖沉積;華光凹陷具有上下兩套多邊形斷層;長(zhǎng)昌凹陷和北礁凸起多邊形斷層走向具有一定方向性，發(fā)育繼承性構(gòu)造斷層或生長(zhǎng)斷層，以泥巖為主，含大量細(xì)粒砂巖，個(gè)別地區(qū)發(fā)育了厚層的砂巖;長(zhǎng)昌凹陷受底辟影響嚴(yán)重，底辟上部斷層傾向相反，斷塊撓曲，而北礁凸起帶中新統(tǒng)也發(fā)育了大量的泥底辟。此外瓊東南盆地多邊形斷層頂部也發(fā)育水道和塊體搬運(yùn)體系(MassTransportDeposits)。
3多邊形斷層成因
雖然針對(duì)南海北部多邊形斷層的成因，國(guó)內(nèi)學(xué)者有所討論[3-5，12]，但其形成機(jī)理缺乏足夠的證據(jù)。本研究綜合分析珠江口盆地3D地震資料、ODP鉆井、部分深水油氣井資料，結(jié)合構(gòu)造、沉積演化歷史，認(rèn)為珠江口盆地白云凹陷和瓊東南盆地華光凹陷多邊形斷層主要由深水超壓泥巖水壓破裂作用形成;而瓊東南盆地長(zhǎng)昌凹陷和北礁凸起除了受超壓泥巖水壓破裂作用外，還受到構(gòu)造應(yīng)力與重力擴(kuò)展作用的疊加改造。
3.1早期成巖階段的深水超壓泥巖水壓破裂作用南海北部多邊形斷層大都發(fā)育在早期埋藏階段，多邊形斷層的發(fā)育受沉積作用、早期成巖作用和海平面變化的控制。珠江口盆地白云凹陷和瓊東南盆地華光凹陷多邊形斷層發(fā)育在相對(duì)海平面較高的時(shí)期，對(duì)應(yīng)著海泛面的密集段沉積(圖2)。華光凹陷T40對(duì)應(yīng)著該地區(qū)梅山組早期的最大海泛面，T30下部也對(duì)應(yīng)著黃流組頂部的海泛面[13][圖5(b)]。白云凹陷多邊形斷層發(fā)育在T50上下層段[圖3(b)]，相對(duì)海平面一直處于高位[圖2(b)]。白云凹陷鉆井取心結(jié)果和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)表明多邊形斷層發(fā)育在孔隙度、密度和速度都比較穩(wěn)定的深水泥巖沉積地層中[14]。ODP1148井的δ18O值表明早中新世有著較高的相對(duì)海平面。23.8Ma以后，番禺—東沙隆起帶以南的白云凹陷由淺海陸架驟然變成深水陸坡[6]，除少量深水遠(yuǎn)源水道沉積體系外，陸緣碎屑沉積物難以到達(dá)，以半深海泥質(zhì)沉積為主，鈣質(zhì)膠結(jié)物較多。深水快速沉積容易造成泥巖超壓，并發(fā)生水壓破裂。早中新世白云凹陷由于基底快速沉降而沉積了厚層的泥巖，形成了封閉的壓力倉(cāng)，隨著上覆沉積地層加厚和孔隙流體增多，孔隙壓力隨之增加，當(dāng)孔隙壓力達(dá)到泥巖骨架的破裂強(qiáng)度時(shí)，泥巖地層內(nèi)部首先發(fā)生破裂，接著延伸到壓力倉(cāng)的頂?shù)祝詈笮纬闪烁呙芏鹊亩噙呅螖鄬�。石萬(wàn)忠[15]的模擬結(jié)果顯示該地區(qū)曾經(jīng)存在超壓地層并發(fā)生過(guò)多期流體運(yùn)移，至今多邊形斷層發(fā)育層位還存在弱高壓，該地區(qū)廣泛分布的振幅空白帶和底辟也指示白云凹陷曾經(jīng)存在超壓，并發(fā)生流體釋放。白云凹陷泥巖地層孔隙流體壓力的增加主要源于3個(gè)方面:①上覆地層和海水重力壓實(shí)使孔隙度減小。由于泥巖層上下界面的封蓋，孔隙內(nèi)流體無(wú)法排出，隨著孔隙度繼續(xù)減小，孔隙流體壓力逐漸增大;②黏土礦物的相變脫水作用。高溫條件下泥巖中蒙脫石轉(zhuǎn)化為伊利石有大量水脫出，這一階段所失去的水量為被壓實(shí)體積的10%~15%。而孔隙水的增加必然會(huì)增加孔隙壓力，實(shí)驗(yàn)表明，沉積物中僅僅有2%的蒙脫石，就能夠發(fā)生脫水收縮形成多邊形斷層[16];③生烴作用和烴類熱裂解作用也會(huì)增加一定的孔隙流體壓力。LW3-1-1井資料證實(shí)白云凹陷珠江組暗色泥巖已進(jìn)入低熟階段，具有一定的生烴能力[14]，多邊形斷層發(fā)育的瓊東南盆地新近系梅山組、黃流組的密集段或復(fù)合密集段也具有一定的生烴能力[17]。
3.2構(gòu)造應(yīng)力與重力擴(kuò)展作用的疊加改造瓊東南盆地多邊形斷層獨(dú)特的形態(tài)特征與該地區(qū)構(gòu)造和沉積環(huán)境相關(guān)。瓊東南盆地主要發(fā)育了NE、近EW和NW向的三組斷裂[9]，而長(zhǎng)昌凹陷發(fā)育的NW向和EW向、北礁凸起發(fā)育NW向和NE向多邊形斷層與整個(gè)區(qū)域斷裂環(huán)境較為一致。而瓊東南盆地中新世相對(duì)海平面起伏較大，高位期發(fā)育了深水泥巖，低位期發(fā)育了斜坡扇、前積楔和水道[13]，多邊形斷層不再局限在海泛面對(duì)應(yīng)的密集段上下，而是貫穿不同巖性和沉積相。單純的超壓泥巖水壓破裂機(jī)制已不足以解釋上述現(xiàn)象。構(gòu)造應(yīng)力可以改變多邊形斷層的幾何形態(tài)和分布。構(gòu)造斷層的存在改變局部應(yīng)力場(chǎng)的方向使最大張應(yīng)力的方向由垂直于斷層走向改變?yōu)槠叫杏跀鄬幼呦颍瑥亩斐啥噙呅螖鄬优c構(gòu)造斷層一般呈直角相交的關(guān)系[18]，這解釋了長(zhǎng)昌凹陷東北部存在多邊形斷層與構(gòu)造斷層垂直分布的現(xiàn)象;沒(méi)有達(dá)到水壓破裂臨界值的壓力倉(cāng)受到構(gòu)造應(yīng)力作用時(shí)，孔隙流體會(huì)通過(guò)構(gòu)造斷層排出，孔隙壓力降低，從而阻斷了多邊形斷層的發(fā)育，北礁凸起不斷活動(dòng)的生長(zhǎng)斷層的發(fā)育也阻止了壓力倉(cāng)的形成[圖7(a)];此外泥底辟的發(fā)育也會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力場(chǎng)的改變，受底辟作用影響，長(zhǎng)昌凹陷多邊形斷層在底辟構(gòu)造之上呈放射狀分布，底辟構(gòu)造兩側(cè)多邊形斷層傾向相反，斷塊發(fā)生撓曲變形。重力擴(kuò)展作用可以很好地解釋長(zhǎng)昌凹陷和北礁凸起多邊形斷層走向定向性的問(wèn)題。重力擴(kuò)展是重力驅(qū)動(dòng)作用下由塑性基底的黏度、沉積速率和負(fù)載物變形的屈服強(qiáng)度控制的沉積作用[19]。長(zhǎng)昌凹陷和北礁凸起泥巖地層中發(fā)育了大量的低位砂體，由于巖性的差別，容易導(dǎo)致巖性邊界的變化，從而造成了重力不穩(wěn)定，在上覆沉積壓實(shí)作用下，塑性的細(xì)粒物質(zhì)向四周蠕動(dòng)，形成重力擴(kuò)展現(xiàn)象。在重力擴(kuò)展的初始階段，先形成垂直于水道走向的正斷層，然后隨著擴(kuò)展的繼續(xù)進(jìn)行，在水道邊界處形成平行于水道走向的正斷層，重力擴(kuò)展的應(yīng)變量達(dá)到一定程度最終形成多邊形斷層。因此重力擴(kuò)展作用下的多邊形斷層走向取決于砂體的走向。長(zhǎng)昌凹陷和北礁凸起靠近北部陸坡，低位扇體前緣垮塌體或水道的展布自北向南，與長(zhǎng)昌凹陷發(fā)育NW向和EW向，北礁凸起發(fā)育NW向和NE向多邊形斷層基本一致。
4結(jié)論
南海北部多邊形斷層廣泛發(fā)育在中新統(tǒng)深水沉積地層中，多邊形斷層長(zhǎng)度100~1400m、間距40~900m、斷距10~50m。白云凹陷和華光凹陷多邊形斷層走向無(wú)規(guī)則，華光凹陷具有上下兩套多邊形斷層;長(zhǎng)昌凹陷和北礁凸起多邊形斷層走向具有一定方向性，發(fā)育繼承性構(gòu)造斷層或生長(zhǎng)斷層，都發(fā)育泥底辟;長(zhǎng)昌凹陷受底辟影響嚴(yán)重，底辟上部斷層傾向相反，斷塊撓曲。珠江口盆地白云凹陷和瓊東南盆地華光凹陷多邊形斷層發(fā)育在海泛面對(duì)應(yīng)的密集段，受早期成巖過(guò)程中的壓實(shí)脫水、黏土礦物相變脫水和生烴增壓作用影響，可以用超壓泥巖水壓破裂模型來(lái)解釋。瓊東南盆地長(zhǎng)昌凹陷和北礁凸起發(fā)育高位泥巖和低位砂體，多邊形斷層的形成受到構(gòu)造應(yīng)力和重力擴(kuò)展的疊加作用而呈現(xiàn)定向性
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