琼东南盆地裂陷期层序结构研究

琼东南盆地裂陷期层序结构研究

琼东南盆地是肯志齐前形成的一个伸展盆地。位于南海北部大陆边缘的西北部，向北和向东延伸（图1）。其基本岩为前第三系火成岩、变质岩和沉积岩，属于中国南方加里以东褶皱带的海上延伸部分。根据盆地构造结构和沉降特征,可以将琼东南盆地发育历史划分为2个主要阶段,即古近纪裂陷阶段和新近纪拗陷阶段。古近纪裂陷阶段,在印支半岛顺时针旋转挤压运动和南海海底扩张共同作用下,琼东南盆地经历了始新世—早渐新世和晚渐新世2期伸展作用,形成了北东走向、东西走向和北西走向3组对沉积充填具有控制作用的基底主断裂系,在平面上形成了“两坳一隆”的构造格局,即北部坳陷带、崖城-松涛凸起带和中央坳陷带(图1)。其中,北部坳陷带包括崖北、松西和松东等3个凹陷;中央坳陷带包括中央低凸起以及崖南、乐东、陵水、松南、北礁和宝岛等6个凹陷。新近纪拗陷阶段,伴随南海西南海盆张开及随后海底扩张作用停止,南海海盆发生整体热沉降,琼东南盆地进入拗陷演化期,构造活动主要受裂后沉降作用及叠加构造事件的控制,沉积地貌格局与层序地层的理论地貌模式逐渐趋于吻合,海平面变化对盆地层序地层发育的影响日趋强烈,在陆地与海洋之间形成了海岸平原、陆架、陆坡和半深海盆等一系列被动大陆边缘沉积地貌。本文主要通过对盆地的构造演化和沉积层序的分析,来探讨琼东南盆地裂陷期层序结构、充填样式、凹陷生烃潜力以及三者之间的相互关系,为该区的油气勘探提供科学依据。1地震反射界面识别等时性地层界面的识别与追踪是层序地层分析的基础。在主干地震剖面与辅助剖面的控制下,通过地质解释、相序组合、生物地层及古环境综合分析,琼东南盆地各凹陷古近系中可以识别出SB100、SB80、SB70、SB60等4个二级层序地层界面(图2),其地震反射特征如下:SB100相当于始新统底界,为新生界与前新生界(基底)的分界面,基底岩性不同,此界面的地震反射特征不同:当基底为岩浆岩分布区时,表现为稳定强反射;当基底为沉积岩、变质岩分布区时,表现为变振幅反射,而且不同时代地层层层超覆在此界面之上。SB80相当于崖城组底界,仅在各凹陷内部可以识别,表现为中振幅、较连续的地震反射特征,界面上、下具有明显的上超、削蚀现象。SB70相当于陵水组底界,在各凹陷表现为连续的强反射特征,界面上见有明显的上超现象;在崖南凹陷、北礁凹陷,其界面之下见有较明显的削蚀现象。SB60相当于三亚组底界,在北部坳陷带及中央坳陷带的松南凹陷,界面之下见有明显的削蚀现象,中央坳陷带的其它地区削蚀现象不明显;界面上发育大型的强振幅、透镜状的低位盆底扇,局部地区可见大型下切谷沉积,为明显的层序界面特征。在上述各二级层序界面中,SB70(30Ma)和SB60(21Ma)为2个较大的相对海平面下降事件面,在地震剖面上表现出对下伏地层的强烈下切、削蚀,构成了琼东南盆地古近系重要的沉积充填转换面和古地理变迁面。根据次级不整合及与之可以对比的整合地震反射界面,在被上述4个二级层序界面所划分出的3个二级层序内部,又进一步可识别出若干三级层序界面。例如,在S80-70层序内部可识别出SB72、SB71两个三级层序界面;在S70-60层序内部可识别出SB63、SB62和SB61三个三级层序界面。2裂陷期间序界面控制作用研究表明,琼东南盆地古近纪二级海平面变化曲线特征与Haq的全球二级海平面变化曲线具有一定的相似性,但两者在三级层序的数目和结构上存在着很大的差异性(图2)。通过精细对比研究,认为这种差异性主要是区域构造运动所引起的。早古近纪由断层活动引起的盆地基底沉降速率一般在70～260m/Ma之间,远远超过了海平面的升降速率(0.2～40.0m/Ma),断裂活动对层序的发育、演化及结构起着极其重要的控制作用,裂陷期层序结构形态与经典的平缓陆架下的海相层序结构明显不同,而且不同凹陷的层序结构及界面关系表现出较大的差异性,即使是同一凹陷,凹陷中心与凹陷两侧的层序结构也不尽相同。根据凹陷的几何结构形态及其与层序界面的关系,可将琼东南盆地裂陷期层序结构划分为地堑构造平行-似平行结构、半地堑构造发散-似发散结构和断陷过渡带似平行结构等3种类型。2.1地堑内垂向发育特征为此类型层序结构主要发育在中央坳陷带的宝岛凹陷、陵水凹陷和乐东凹陷,凹陷的构造形态呈双断式地堑结构。在裂陷发育时期,这类凹陷主要发生纯剪切变形作用,断块旋转作用不强烈。由于凹陷内部较高级次的层序界面主要受边界断层的控制,因此,在这种纯剪切变形作用机制下形成的层序界面相互之间主要呈平行、似平行关系,界面合并现象极少(图3A)。在垂向发育特征上,SB80、SB72、SB71、SB70和SB63层序界面仅在地堑内部可以识别;SB62、SB61和SB60层序界面延伸较远,逐渐超出地堑边界断层的限制;SB62层序界面起伏不平,对下伏层序的侵蚀和削蚀现象较明显。2.2断块旋转的亚亚此类型层序结构主要是在简单剪切变形作用控制下的半地堑构造发育过程中形成的。在以简单剪切变形作用为主的半地堑构造发育过程中,断块存在明显的旋转作用,由此导致其层序界面的几何结构总体上也表现出向主断层发散、向断块旋转轴收敛的发散结构,或者向断块层层超覆的似发散结构(图3B)。在研究中还发现,在相同的构造力学背景下,不同凹陷的层序界面几何结构特征亦存在一定程度的差异,分析认为这种差异是断块旋转速率变化造成的。依据断块旋转作用强弱及发生时间早晚的不同,结合层序界面合并及超覆的特征,可将这类层序结构进一步细分为以下3种亚类型(图4):(1)断块旋转早期强烈、晚期较弱的发散-似发散层序结构以北部坳陷带的崖北凹陷、松西凹陷和松东凹陷为代表,SB63、SB70、SB71、SB72和SB80层序界面呈发散结构,反映了断块旋转较强烈,层序界面朝旋转轴部收敛;SB62、SB61、SB60层序界面逐渐向凸起区层层超覆或披盖于凸起之上,界面之间无合并现象,呈似发散结构,表明伸展期间的断块旋转作用较弱(图4A)。(2)断块旋转早期较弱、晚期较强的似发散-发散层序结构以崖南凹陷和松南凹陷为代表,半地堑的发育与小型断块活动有关。S70-80或S100-80或S70-80和S100-80在断块顶部均有不同程度的发育,呈似发散结构,反映了早期的断块旋转强度较弱;而S60-70明显地表现出向主断层发散、向断块顶部逐渐收敛甚至合并的特征,层序界面的收敛在S70-61沉积期间与断块旋转加强有关,在S61-60沉积期间则与SB60界面的强烈侵蚀作用有关(图4B)。(3)断块旋转长期较强烈的发散层序结构以北礁凹陷为代表,该半地堑的发育与低角度犁式断层活动相关。SB60、SB61、SB62、SB63、SB70、SB71、SB72和SB80层序界面具有发散结构,反映了断块长期的强烈旋转(图4C)。2.3断块稳定性分析此类型层序结构主要发育在断陷之间的过渡带。断陷过渡带通常受到两条边界断裂带的控制,这些边界断裂带在过渡带中发生分叉、单条断层的断距减小,由此导致断块的旋转作用显著减弱,层序结构以似平行结构为特征。如在松东和松西凹陷过渡区,5号和6号控凹断层同向叠覆形成了断隆构造形态,断隆区基底受到众多次级断层的分割而十分破碎,SB60、SB61、SB62、SB63、SB70和SB80等层序界面向两侧边界断层发散,同时披盖于隆起区之上,形成与基底形态相吻合的似平行结构,反映了断块在受边界断层控制而发生整体沉降的同时向两侧边界断层挠曲,由此在断隆中部形成大量共轭次级断层(图5)。3琼东南亚盆地古近纪裂陷阶段演化史根据沉积组合和构造发育演化特征,结合上述层序结构类型划分结果,认为琼东南盆地古近纪裂陷阶段充填演化史大致可以分为3个阶段,即始新统(S80-100层序)陆相湖盆充填阶段、崖城组(S70-80层序)海陆交互环境充填阶段和陵水组(S60-70层序)分割浅海环境充填阶段。3.1断陷—始新统(S80-100层序)陆相湖盆充填阶段始新世,琼东南盆地以北东向和北西向断陷发生裂陷活动为主,形成了崖北凹陷、北礁凹陷及中央坳陷带诸凹陷等地堑或半地堑状断陷,由于沉降速率大,加之气候暖湿,粗碎屑沉积物的供应量少,沉积物多来自断陷周围隆起剥蚀区及内部凸起区,且以多向、近源为特征,所以自盆地边缘至凹陷中心发育了冲积扇—河流—扇三角洲—滨浅湖或中深湖沉积序列(图6)。受构造作用的控制,始新世早期断陷彼此分割,湖泊面积较小,在断陷边缘发育了部分冲积扇、河流相等近源沉积体系。始新世中—晚期裂陷加剧,湖水面积扩大,松涛凸起已成为湖中之岛,沉降中心偏向于断层陡坡一侧,并在此发育了若干中深湖区。始新世晚期裂陷活动逐渐减弱,湖盆面积缩小,水体变浅,河流相沉积范围扩大。3.2崖南凹陷至崖城凹陷早渐新世,受持续拉张作用的影响,琼东南盆地北东向和北西向断陷继承性发育,沉积范围进一步扩大,松涛凸起的面积缩小,同时东西向断陷发生裂陷活动,崖南凹陷开始接受沉积,崖北凹陷向西扩大,崖城凸起也成为岛屿(图7)。古生物中蕨类发育,反映气候湿热、植被茂盛,具有成煤条件。伴随地壳的减薄,盆地遭受快速海侵,海水先由盆地西南部侵入,后期通过西沙海槽由盆地东部侵入。盆地的沉积环境由原来的湖泊转变成陆表海,发育陆相到海相沉积,主要沉积相类型包括冲积扇、海岸平原、扇三角洲、滨海、浅海等。3.3沉积相类型及沉积相类型晚渐新世,琼东南盆地的裂陷活动主要沿北东向和东西向断陷发生,而北西向断陷的裂陷活动则逐渐减弱。随着海侵和断块掀斜作用增加,盆地沉积范围逐渐扩大,地形高差不断增大,同时由于沉积物供应量增多,各凹陷中心沉积速率不断加大,沉积厚度也逐渐增大,但凹陷边缘沉积减少,沉积相类型主要为海岸平原、扇三角洲、滨海、浅海等(图8)。该充填阶段又可细分为以下3个次一级的演化阶段。(1)崖城、油松古岛以及崖城13-1岛屿该时期琼东南盆地由海陆过渡环境发展为分割浅海环境,除崖城21-1、北礁等少数构造抬升的低凸起区外,崖城、松涛古岛以及崖城13-1半岛及中央低凸起古岛的面积均有所减小(图8A)。与下伏地层相比,陵三段沉积时期的沉积格局发生了如下变化:①海侵加强,沉积范围扩大,以浅海相沉积为主;②断块旋转加强,海岸平原沉积减少,扇三角洲沉积增多。(2)海平面内沉积相该时期琼东南盆地基本沉积格局与陵三段类似,但有两点不同:①相对海平面上升,沉积范围扩大;②盆内凸起面积进一步缩小,物源供应能力减弱,扇三角洲沉积减少,滨海沉积增多,沉积相类型趋于简单(图8B)。(3)号断层活动该时期琼东南盆地崖城古岛基本都没于水中成为水下高地,松涛古岛范围缩小,同时,受1号和2号断层活动影响,盆地西部的崖城13-1和崖城21-1构造所在区域抬升,剥蚀区范围扩大(图8C)。尽管该时期盆地沉积范围进一步扩大,但是水体变浅,扇三角洲再次发育,盆地西北部边缘发育面积小、厚度大的扇三角洲,而盆地东侧发育面积大、厚度较小的缓坡河控三角洲。4裂裂期的泉岩类型和爆炸生烃潜力4.1相和湖相两大类研究表明,琼东南盆地裂陷期烃源岩主要有海相和湖相两大类。根据烃源岩形成的沉积环境、水体深度及古地貌特征,这两大类烃源岩又可分别划分为浅水型和深水型2种组合类型。(1)沉积型沉积相发育于最大高潮线至水深小于30m(平均浪基面)之间的海岸平原—三角洲沉积相带。有机质主要来源于高等植物,并且保存于缺氧的泥炭沼泽环境,烃源层分布不稳定。琼东南盆地钻遇层位主要为崖城组和陵水组,烃源岩由暗色泥岩、碳质页岩和煤层组成。(2)海沉积相带发育于平均浪基面以下海域的浅海—半深海沉积相带。有机质来源可能包括高等植物和海生浮游植物,在海盆分层水体中的低氧水层区得到较好的保存,烃源层分布稳定。(3)电沉积型煤系民气资源主要发育于断陷盆地的缓坡带。该带坡度小,沉降速率相对较小,在合适的沉积和沉降速率条件下,能够形成沼泽相沉积,有机质主要来自于高等植物,具有产气潜力。基底断块规模越大,缓坡带越发育,浅水型湖相烃源岩分布面积越大。(4)有机质丰度及生烃潜力主要发育于断陷盆地的陡坡带。该带基底沉降速率较高,容易形成沉降速率大于沉积速率的欠补偿充填环境。当凹陷内部水体发生分层而发育缺氧—贫氧水层时,中深湖相和半封闭浅海相泥岩的有机质丰度将显著增高。有机质可能来自于高等植物和水生浮游植物,具有产油气能力。琼东南盆地裂陷期构造-地貌可以划分为2种基本类型,即断裂或无断裂的缓坡带和断裂陡坡深洼区,它们具有明显不同的烃源条件和生烃潜力:缓坡带有利于由暗色泥岩、碳质页岩和煤层组成的浅水型烃源岩发育,有机质主要来源于高等植物,以产气为主;陡坡深洼区有利于中深湖相和半封闭浅海相泥岩组成的深水型烃源岩发育,有机质来源可能包括高等植物和水生浮游植物,具有产油气能力。4.2不同层序结构凹陷烃源岩对于琼东南盆地来说,由于受沉积充填物源供给程度、断块旋转速率、基底沉降速率以及海侵的影响,不同层序结构凹陷的烃源岩在发育规模、组合类型以及生烃潜力上存在着很大的差异。4.2.1裂陷期深水型优质烃源层段的发育规模凹陷呈地堑式结构,纯剪切作用导致沉积基准面以整体沉降为主,凹陷内部的沉积相带相对统一。显著的相变带位于地堑构造边缘,通常发育冲积扇、扇三角洲沉积体系,凹陷中心发育细粒的浅海相沉积体系。由于边缘断裂较强烈的活动,海岸平原—三角洲沉积组合的发育程度受到限制,在凹陷中心及其附近主要发育浅海相泥岩。在裂陷期封闭—半封闭海环境中,地堑式凹陷的面积越大,地堑内部在高水位早中期就越容易形成范围较大的缺氧—贫氧水层,相应的浅海相优质烃源岩层段发育规模也就越大。盆地中央坳陷带的宝岛、陵水和乐东凹陷面积均大于3000km2,其中充填的始新统湖相和渐新统浅海相地层厚度大于4000m。由此可见,裂陷期深水型优质烃源层段的发育规模是相当可观的。宝岛凹陷西北部的BD15-3-1井见油砂岩,反映这些烃源岩具有生油能力。4.2.2深水相优质烃源岩的发育包括发育于盆地北部坳陷带的崖北凹陷、松西凹陷和松东凹陷。在深洼区,由于基底的快速沉降,使得在陆相环境中形成深水湖泊相沉积,在海洋环境中形成深水封闭—半封闭海相沉积,在高位体系域的中下部沉积深水相(中深湖相和浅海相)的优质烃源岩层段;在斜坡带,由于基底的相对快速抬升不利于泥炭沼泽环境的形成。在SB62(25.5Ma)以后,断块旋转作用较弱,凹陷沉积基准面变化缓慢,凹陷发育似发散结构的充填层序,这种沉积环境有利于浅水相的海岸平原—三角洲相优质烃源岩发育。莺9井源自始新统湖相烃源岩的原油,证明了松西凹陷始新世—早渐新世发散结构沉积充填体系中存在深水相优质烃源岩。但是,由于此类凹陷分布在靠近盆地边缘的海南物源区附近,物源供给充足,大量沉积物的输入导致凹陷充填速率很高,优质烃源层的发育规模受到限制,因此其烃源潜力相对较小。4.2.3晚渐新世沉积型海底相优质烃源层包括崖南凹陷和松南凹陷,发育在远离海南物源区的盆地中部。始新世—早渐新世,断块旋转强度较弱,凹陷沉积基准面侧向变化较小,斜坡带坡度缓、宽度大,凹陷充填呈似发散结构;同时,有限的物源供给使得斜坡带的沉积速率与沉降速率之间较容易达到平衡,此种条件下有利于发育面积较大的浅水型海岸平原—三角洲相优质烃源层。晚渐新世,断块旋转作用加强,沉积基准面侧向变化显著,深洼区宽度增大,凹陷充填呈发散结构;物源供给有限,深洼区沉积速率明显小于沉降速率,发育规模较大的深水型浅海相优质烃源层。崖城13-1气田天然气同位素组成较重,且汞蒸气含量高达43000～45000mg/m3,证实了崖城13-1气田与崖城组海岸平原—三角洲相烃源岩之间的亲缘关系。近期钻探的崖城13-4、崖城13-6和陵水4-2构造所发现的天然气与崖城13-1气田主体天然气有良好的对比关系,均来自崖城组海岸平原—三角洲相烃源岩。另一方面,在崖南凹陷南侧断块翘起区的YA21-1-4井,天然气成熟度高(气组分的甲烷含量为88.11%,干燥系数为0.97)、甲烷碳同位素(为-40.64‰～-41.90‰)较崖城13-1构造煤型气(为-34.4‰～-39.9‰)偏轻,天然气属高温裂解油型气,可能来自于崖南凹陷晚渐新世发散结构的陵水组浅海相优质烃源层。总体来