2018, Vol. 61
2. 中国石化河南油田分公司, 河南南阳 473400;
3. 中海石油有限公司深圳分公司技术部, 广州 510000
2. SINOPEC Henan Oilfield Company, Nanyang, Henan 473400, China;
3. Technology Department of CNOOC China Ltd. Shenzhen, Guangzhou 510000, China
开平凹陷位于南海北部洋陆过渡带，其边界断层是过渡带变形的产物.被动大陆边缘洋陆过渡带发育向海倾斜的(任建业等，2015)，长期活动的(1~2 Ma)、低角度的(15°~30°)、大断距(>10 km)的正断层(Davis和郑亚东，2002；雷超等，2013；孙珍等，2016)，称之为拆离断层(Decollement Fault).拆离断层及其伴生构造是构成大洋核杂岩的一种非常重要的地质要素(于志腾等，2014).开平凹陷符合这一特征的大型伸展拆离边界断层—神开断层在本文中首次被精细研究.
神开断层对开平凹陷的构造特征、沉积充填、盆地演化研究具有重要意义，同时也可为拆离断层在南海北部洋陆过渡带的研究提供重要借鉴.传统的正断层研究主要描述其剖面几何形态，如多米诺式和犁式正断层(Wernicke and Burchfiel, 1982)；而断层三维几何学形态特征的研究则更有助于全面、精细的刻画断层特征，是构造地质研究的新方向.
断层的几何形态控制着上盘地层的变形特征，对断面几何学的研究有助于上盘地层变形机制及运动学模式的研究，是运动学研究的前提与基础(Wernicke and Burchfiel, 1982；Xiao and Suppe, 1992；De Matos，1993).庞雄等(1995)、董冬冬(2008)等对开平凹陷边界断层进行过一定研究，但受限于当时资料，对开平凹陷边界断层的识别和断面的研究不够透彻，这也直接影响了对其活动性研究的精确度.本次研究中，开平凹陷及其邻区的2/3D地震数据为研究神开断层的三维几何学与运动学提供了良好的资料基础.本文首次将神开断层在3D地震资料上进行解释，空间上进行闭合，2D地震数据体上进行扩展，从断面的几何形态以及上盘地层的变形出发，研究神开断层的三维几何学与运动学.本文是在三维立体研究的前提下，从“面”的观点出发对神开断层的几何学进行了详细的划分，并描述了神开断层在空间上的变化，以及从剖面上对其形成演化进行了初步探讨.
1 区域地质背景开平凹陷位于我国南海北部陆缘深水区珠江口盆地珠Ⅱ凹陷西部(戴一丁等，1998).东以云开低凸起为界与白云凹陷相隔，西接顺德凹陷，南北边界分别为南部隆起区和神狐暗沙隆起，面积约6200 km2，凹陷整体呈北东-南西走向(图 1).
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图 1 开平凹陷区域地质简图 (a)珠江口盆地及图(b)区域位置图; (b)开平凹陷及图(c)区域位置图; (c)开平凹陷构造纲要图. Fig. 1 Geological map ofthe Kaiping Depression (a) Locations of Pearl River Mouth Basin and (b); (b) Locations of Kaiping Depression (c); (c) Structural outline of the Kaiping Depression. |
开平凹陷发育前新生代火山岩基底，沉积盖层主要为新生代地层，根据钻井、地震及古生物资料分析，将开平凹陷新生代地层分为古近纪陆相断陷期构造层和新近纪—第四纪海相坳陷期构造层.其中古近纪断陷期地层自下而上可识别出8个地震不整合面，将文昌组、恩平组和珠海组划分为9个层段；海相坳陷期地层自下而上为珠江组、韩江组、粤海组、万山组、琼海组(图 2).
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图 2 开平凹陷地震地质层序格架及层序间的不整合(陈汉宗等，2005) Fig. 2 Seismic-geological sequence framework and unconformities among sequences in the Kaiping depression (Chen et al., 2005) |
本文所论述的开平凹陷边界断层—神开断层，位于神狐暗沙隆起南段，分隔了开平凹陷与神狐暗沙隆起，并控制了开平凹陷的构造演化和沉积充填.受控于断层在平面上的分段性，开平凹陷也被分隔为若干个次级构造带.
2.1 断层平面特征三维深度地震数据体只有1280 km2，但对研究神开断层的真实三维几何学形态提供了非常重要的依据，对其真实深度、倾角大小、方位角大小及分布频率的研究至关重要.
研究区内三维地震资料解释结果显示，神开断层深度分布在2~14 km之间，在14 km深度处断层面趋于水平(图 3a、b)，整体进入区域性滑脱层.断层倾角最小为0°，最大为64°，从倾角分布直方图可以看出断层倾角主要分布在12°~28°之间(图 3c、d)，符合前人关于洋陆过渡带拆离断层研究的几何学特点.断层方位角主要分布在100°~200°之间，在神狐暗沙隆起和云开低凸起之上方位角多在0°附近(图 3e、f).
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图 3 神开断层断面、倾角、倾向平面等值线图(三维工区) (a)神开断层断面平面等值线图; (b)神开断层深度频率分布直方图; (c)神开断层倾角平面等值线图; (d)神开断层倾角频率分布直方图; (e)神开断层倾向平面等值线图；(f)神开断层倾向频率分布直方图. Fig. 3 Contours of fault planes, dip angles and dip directions of the Shenkai fault (three-dimensional work area) (a) Fault plane contours; (b) Depth frequency histogram; (c) Dip angle contours; (d) Dip angle frequency histogram; (e) Dip direction contours; (f) Dip direction histogram. |
整体来看，神开断层平面走向自西向东变化较大，经历多次转折(图 1).根据断层断距变化，结合走向特点(图 4、图 5)，神开断层存在两个明显拐点，在拐点两侧断层断距、走向有明显变化，并由此将神开断层分为西南段、中段、东北段：西南段断层呈北东东-南西西走向；中段断层走向复杂，变化较快；东北段断层呈北西-南东走向(图 1、图 4、图 5).
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图 4 神开断层断面平面等值线图(黄框为三维地震工区位置) Fig. 4 Contours of Shenkai fault plane (yellow box is the 3D seismic work area) |
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图 5 神开断层水平断距(a)和垂直断距(b)沿断层走向变化图(断距投影线AA′见图 1) Fig. 5 Horizontal (a) and vertical (b) offsets varying along the Shenkai fault (offset projection line AA′ is shown in Fig. 1) |
断层在三维空间上是由多个等倾角区构成的复杂曲面.据桂宝玲等(2012)和高丽明等(2014)在只考虑断面主体部分而不考虑端点的情况下对断层轴面的研究，神开断层三维几何形态特点为(图 6)：
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图 6 神开断层断面倾角(a)和倾向(b)平面等值线图(黄框为三维地震工区位置) Fig. 6 Contours of dip angles (a) and dip directions (b) of the Shenkai fault (yellow box is the 3D seismic work area) |
(1) 断层西南段呈“反犁式”形态，中段呈“座椅式”形态，东北段呈“犁式”形态，断层中段构成边界断层的主体.
(2) 在两个明显拐点区，断面一个下凹，一个上凸.
(3) 神开断层在深度-13000~-14000 m处，变为极为平缓的平面，认为进入滑脱层(图 3).
(4) 神开断层的断面是由轴面连接而成的倾斜面组合而成的复杂曲面；断面变形多样，平行于断层走向方向至少有3条转折，而垂直断层走向方向，至少有5条转折，即断层有3条横向轴面和5条垂向轴面.
2.3 断层的分段性从神开断层的断距统计图、断面平面分布图、倾角分布图、三维立体图(图 4、图 5、图 6、图 7)明显看出神开断层具有分段性，可分为三段.
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图 7 神开断层三维分区图 Fig. 7 Three-dimensional partition of the Shenkai fault |
前人对神开断层鲜有研究，本文受时间域地震资料所限，断面平面、倾角、倾向分布在大部分范围内仅是一个相对值，但对于断面的几何学研究仍具有很重要的参考价值.根据神开断层的几何学特征，将其整体分为西南、中、东北三段，断层西南段又可以在距投影线端点A35 km处为界划分为两段；断层中段又可以在距投影线端点A70 km和80 km处为界划分为三段；断层东北段内无明显分段.
西南段呈北北东-南南西走向，整体呈南南东倾向，据断层几何学特征可将其分为两段，西南1段较西南2段陡，断层向东延伸至开平主洼处与断层中段连接.剖面(见图 11)几何形态是缓-陡-缓式的转折型断层，陡坡带窄，并快速进入滑脱层.
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图 11 神开断层西南、中、东北段平衡剖面对比图(剖面位置为如图 1所示) Fig. 11 Balance profiles of southwest, middle and northeast segments of the Shenkai fault (the profile location is shown in Fig. 1) |
中段构成大型伸展拆离断层-神开断层的主体，可细分为三段，中1段东西走向，中2段北北东-南南西走向，中3段北北西-南南东走向.剖面(见图 11)特征为陡-缓-陡-缓的座椅式形态，陡坡带宽，并逐渐进入滑脱层，该段的滑脱层较西南、东北段深.
东北段整体走向呈北西-南东向，断面向西南倾斜，倾向无明显变化，断距未出现极低值转折，内部无明显分段.剖面(见图 11)特征为上陡下缓的“犁式”形态.陡坡带较窄，逐步进入滑脱层，滑脱深度与西南段差别不大.
西南段与中段的结合处位于开平凹陷主洼一带，该处神开断层断面下凹(图 3)，断层倾角较陡(图 5).此处发育有一与神开断层走向斜交的次级断层(图 1)，是开平凹陷北洼与主洼的分界断层，呈北东-南西向展布.
中段与东北段的结合处位于神开低凸起一带，该处断层断面上凸(图 3)，倾角较中段和东北段缓.推测中段与东北段的形成与火山地质作用有关，火山的上涌作用导致神开断层两侧的走向、倾向发生变化，并使神开断层断面向上凸起(图 7).
2.4 断层的分区性根据神开断层的断距分布特征，结合断层的走向、倾向、倾角分布，将神开断层断面分为20个区(图 4、图 5、图 6).其中4、5、7区断面平缓，倾角几乎为零，6、9、10、11、12、13、14区为高倾角区，断面较陡；1、2、3、8倾角较平缓，为低倾角区；15、16、17、18、19、20断面平缓，基本进入滑脱层.
根据神开断层的分段可以看出4、9、10、15、16区属于神开断层的西南段，1、2、5、6、7、11、12、13、17、18、19区属于断层的中段，3、8、14、20区属于断层的东北段.西南段与东北段的高倾角区都较窄，说明西南段与东北段较中段更快的进入滑脱层，神开断层各段活动速率不同，其中中段位移速率最快.
每个区之间均被轴面分割，这些轴面共包括3个横向轴面以及5个垂向轴面(图 7).其中3个横向轴面近似与神开断层走向平行，而5个垂向轴面近似于神开断层走向垂直，并为神开断层分段的分界线.
3 神开断层运动学特征 3.1 运动学原理综合考虑运动学原理及上盘地层的变形模式，结合断层转折褶皱理论，重点对神开断层及其上盘地层的变形机制进行正演分析.一般在断层上盘形成转折褶皱，在活动轴面与非活动轴面之间发生岩石变形(图 8).地质剖面的活动轴面位于断层的拐点，运动过程中位置不变，它的连接面为横向轴面；而垂向轴面作为断层分段界限，为不同形态特征断面的连接面.非活动轴面代表了活动轴面的原始位置，变形前与活动轴面重合，变形后分离，非活动轴面沿断层面滑移，与活动轴面组成的膝折带宽度，在理论上等于断层的滑移量，地层面积守恒(Shaw et al., 1977；Medwedeff，1989).图 8a—e反映了座椅式正断层控制之下上覆地层的变形演化过程.断层有“凹式”和“凸式”两个转折端，当断层活动时，其上覆地层发生褶皱变形，形成两个向斜及一个背斜，这个背斜经常位于断坡之上，因而也称为断坡背斜.
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图 8 座椅式正断层正演模型 Fig. 8 Forward modeling of a seat-type normal fault |
在断层平行流运动模式下对座椅式断层进行正演模拟，黄色地层为前生长地层，其余颜色代表生长地层，断层存在3个拐点，对应3个活动轴面，同时在运动过程中产生3个非活动轴面.断层第一个浅层拐点，是一个上凹的拐点，对应产生一个向斜轴面，其上控制一个断坡向斜；断层第二个拐点是一个上凸的拐点，对应一个背斜轴面，其上覆生长地层产生一个断坡背斜；断层第三个拐点为上凹的拐点，对应产生一个向斜轴面，其上对应产生一个断坡向斜.可以看出模拟结果与实际地震剖面还存在很多的不同之处，比如在实际地震剖面中上覆地层是上超到基底面之上的.但尽管如此，可以清晰看到对应生长地层底界的Tg面，产生一个相应的弯折，呈一个不对称的背斜，前翼陡而后翼缓，其形态特征与实际地震剖面中所看到的基底突起特征类似(图 11).
为了精细分析基底弯折面与断层面形态的关系，在只改变缓坡区“坡”的长度而其余条件不变的情况下做了两次模拟，从模拟结果可以看出对应缓坡区“坡”的长度越长，基底突起带前翼也就越宽缓；反之，对应缓坡区“坡”的长度越短基底突起带前翼也就越窄(图 9).在保证单一变量，其余条件不变的情况下，又做了多次正演模拟，得出缓坡区“坡”和“坪”的长度直接影响基底突起带前翼与后翼的长度，它们长度的比例就等于基底突起带前翼与后翼长度的比例.
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图 9 改变坡坪比例正演模拟结果对比图 Fig. 9 Forward modeling with changing proportion of the ramp |
用StructureSolver软件在纯剪切作用下对犁式正断层进行模拟.模拟结果较为简单，为犁式正断层控制下的典型的箕状结构.浅层岩层形成较晚，累积下滑深度低，累积翘倾程度也低；深层岩层形成较早，累积下滑深度高，累积翘倾程度也高(图 10).
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图 10 犁式正断层旋转式运动模式图 Fig. 10 Rotational motion model of a listric normal fault |
通过2D Move软件对神开断层西南段、中段、东北段地震剖面进行平衡复原，通过这三条剖面各阶段边界断层位移及伸展量/挤压量的对比(见图 11)发现：
(1) 在文昌组下段沉积期，进入断陷初期，神开断层中段反向断层作为早期控凹断层先发育，呈“犁式”，倾角较陡，随后神开断层以“座椅式”形态发育，倾角较缓；断层西南段和东北段主要以“犁式”形态发育.
(2) 在文昌组上段沉积期，进入断陷中期，断层中段与两条反向先期断层的共同作用使断层附近地层发生一定角度的旋转，形成两个背斜构造；断层西南段和东北段倾角变缓，地层发生一定程度的反转，上盘地层的运动模式具有斜剪切运动模式.在这一阶段，断层位移量与剖面伸展量较大，西南段最大，中段其次，东北段最小.
(3) 文昌组沉积末期，断层西南段发生挤压剥蚀，构造反转，地层减薄，上部地层发生剥蚀，在边界断层处，削截现象明显.
(4) 恩平组沉积期，进入断陷晚期，断层中段在恩平组沉积期内发生轻微挤压剥蚀，上部地层减薄，有削截现象；断层西南段和东北段继续发育，倾角变缓，沉降量变小，断层活动逐渐停止.
(5) 现今沉积期，构造活动停止，上部新近系及第四系对地层存在压实作用，但对古近系整体构造形态影响不大.
(6) 断层中段上覆地层存在明显丘型地质体，或可作为本地区存在火山岩的证据.
综上所述，神开断层西南段为“反犁式”正断层，中段发育“座椅式”正断层，东北段为“犁式”正断层，断层旋转程度自西南向东北变弱，断层西南段反转强度最大，中段次之，东北段无反转.
3.3 断面形态变化机制分析神开断层属于成熟的大洋核杂岩拆离断层，下盘地层具有波瓦状形态(图 12a、12b)，对这种波瓦状形态的形成原因及其与现今拆离断层面的关系进行初步探讨，认为下盘波瓦状形态为古老的拆离断层面(图 12c)，在受到岩浆上涌力作用时，拆离断层面向下弯折，形成波瓦状，随着岩浆的持续活动，拆离断层系逐渐形成.
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图 12 神开断层拆离断面递进演化 (a)中段测线地震剖面图；(b)中段测线地震剖面解释图; (c)拆离断层演化模式图(据Davis和郑亚东, 2002, 有修改). Fig. 12 Progressive evolution of detachment section of the Shenkai fault (a) Middle line seismic profile; (b) Interpretation map of middle line seismic profile; (c) Evolution model of detachment fault (modified from Davis and Zheng, 2002). |
(1) 神开断层具有明显的分段性，整体可以分为西南、中、东北三段，西南段为“反犁式”形态，中段为“座椅式”形态，东北段为“犁式”形态，并且认为西南段与中段的结合与神狐暗沙隆起有关，中段与东北段的结合与云开低凸起有关.
(2) 综合神开断层平面、倾角分布特征，结合断层断距变化特点，本文通过3个横向轴面、5个垂向轴面将神开断层断面简单分为20个区，每个区形态特征各异.垂向轴面与断距拐点可作为断层分段的依据.
(3) 开平凹陷边界断层构造演化复杂，多幕断陷控制了断裂展布及沉积充填演化，神开断层具有3个横向轴面，即具有3个较明显的转折面，在早期，由于断层倾角发生变化导致上盘地层以旋转运动为主，兼具断层平行流运动模式；后期以剪切正断层转折褶皱模式发育，旋转程度自西南向东北减弱，文昌组沉积末，反转程度自西南向东北呈减弱趋势.
(4) 恩平组沉积前，中段活动最强，西南段次之，东北段最弱；恩平组下段沉积末，神开断层发生局部挤压反转，断层活动逐渐终止.
5 讨论本文对神开断层的三维几何学与运动学特征进行了详细研究，但受资料限制，仍存在一些问题与不足：
(1) 研究区3D叠前深度地震剖面有1280 km2，仅覆盖断层中段，对于研究整个神开断层远远不够；对于2D地震剖面缺乏井的约束，即便做了时深转换，仍不准确，故对于神开断层整体的平面分布、倾角分布、倾向分布只是基于2/3D时间地震剖面所做，定性研究有余，但定量研究存在不足.
(2) 本文对神开断层运动学的研究仅仅局限于二维时间剖面，对于整个神开断层的三维运动特征还有待进一步研究.
(3) 本文中模拟采用断层平行流运动模式，但关于神开断层究竟是斜剪切运动模式还是平行流运动模式还需要进一步论证.此外，南海陆缘上地壳伸展因子在纵向上是非均一的(程子华等，2013)，用纵向均一的单剪模式来解释存在不足.
致谢 本论文是在张功成教授的的悉心指导下完成的，研究工作的开展得到了中海石油深圳分公司研究院的大力协助，在此表示感谢！
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