| 生长地层分析法在研究反转构造形成时间中的应用——以南海北部湾盆地雷东凹陷为例 |
反转构造是中国近海重要的含油气构造类型[1, 2]。早在二十世纪20 ~ 30年代,国内外就有过关于反转构造的报道;在80 ~ 90年代关于反转构造的研究达到一个高峰,这一时期的研究主要关注于反转构造的地质内涵、动力学机制等方面[3-8]; 近些年来,随着勘探家们在反转构造中发现大量油气,关于含油气盆地或富油气凹陷中的反转构造勘探引起了广大学者们的注意,并做了大量报道,这一时期的报道主要围绕反转构造的构造特征、对油气的控制作用等[9-13]。
纵观上述各文献,关于反转构造的内涵、动力学机制、构造特征等的报道较多,而关于反转构造的形成时间的报道相对较少。笔者认为,上述几个方面对研究反转构造固然重要,但在反转构造发育区进行油气勘探,除研究这几个方面外, 如能确定反转构造的形成时间,并与烃源岩的排烃时间进行比较,明确其在排烃期之前、之后或是同排烃期形成,对于分析反转构造能否捕获油气至关重要;此外,确定反转构造的形成时间,对于分析反转构造形成过程中所导致的地层抬升及古地形变化对烃源岩成熟度、沉积相展布等的影响,对于油气勘探同样具有参考价值。本文即以此为出发点,通过分析与反转构造相伴生的生长地层的发育特征,提出运用生长地层分析法来判断反转构造的形成时间。
1 研究区地质背景雷东凹陷位于我国南海北部湾盆地东部(图 1),其北为粤桂隆起区,南为海南隆起,西与雷琼凹陷相邻,东为北部湾盆地边缘,整体上属于北部湾盆地中部坳陷和珠江口盆地珠三坳陷之间的隆起背景上的凹陷。雷东凹陷可以进一步分为东、西两个次一级洼陷,两洼陷均为北断南超的箕状断陷,洼陷形态受北东和北西两组“V”字形展布的断裂控制,其中东洼为北东东向、西洼为北西向。
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| 图 1 雷东凹陷位置图 |
雷东凹陷面积约为7 500 km2, 其中古近系分布面积约为3 800 km2。凹陷内自下而上发育的地层有古近系长流组、流沙港组、涠洲组,新近系下洋组、角尾组、登楼角组、望楼港组和第四系。在构造演化上,古近纪为凹陷的裂陷阶段,新近纪及其以后为坳陷沉降阶段。古近系与新近系之间为角度不整合接触。
雷东凹陷东洼地层褶皱明显,发育背斜构造(图 2)。在背斜轴部,自古近系底部T100反射层至涠洲组二段底界面对应的T72反射层之间,横向上地层厚度均等于或厚于背斜翼部及其他地区,说明该背斜在T100和T72反射层所对应的地质历史时期内,并非像现今这样处于隆起状态,而是处于构造背景平缓或凹陷拉张沉降阶段。在T72反射层沉积之后,背斜所处位置才开始抬升,抬升的作用力可能是由于古近纪后期南海构造剪切应力旋转所产生的局部挤压应力。雷东凹陷东洼背斜构造具有先拉张沉降、后挤压抬升的过程,属广义的“反转构造”的范畴[3, 6]。
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| (测线位置见图 1) 图 2 雷东凹陷东洼瞬时相位地震剖面 |
2 生长地层分析法的提出和应用 2.1 生长地层分析法的提出
本文所指的生长地层即同构造沉积地层。作为分析褶皱运动学特征以及断层与褶皱相互关系的有效工具[4, 5, 7],生长地层详细记录了褶皱变形的运动学特征及发展演化过程[8-10]。通过对同构造沉积地层进行详细的几何学分析,结合地层年代学资料,可以揭示沉积与构造的相互影响,即可以通过确定生长地层底界的形成时间来判断构造变形的开始时间,通过确定生长地层的顶界的形成时间来判断构造变形的结束时间[11-13]。这是生长地层分析法提出的理论依据。
雷东凹陷东、西洼构造特征和地层形态有所不同,东洼褶皱变形明显,发育反转构造(图 2); 西洼地层平缓,不发育反转构造(图 3)。雷东凹陷东洼是一个箕状断陷,在凹陷的陡坡带,存在不同角度沉积的地层,按地层角度和接触关系,可将这些地层划分为三个沉积期次,并且在每一期地层底部存在上超现象(图 4)。第一期地层与下伏T72界面存在低幅度的上超关系;第二期地层沉积于第一期地层之上,与第一期地层之间存在一个角度,底部地层上超;第三期地层又沉积于第二期地层之上,底部地层亦上超。而与东洼不同的是,西洼反转构造不发育,地层自下而上均比较平缓,没有大的起伏,也就不存在不同期次的地层和地层间的上超现象,也即不存在生长地层(图 3)。因此,反转构造周围不同角度生长地层的形成,与反转构造的形成之间存在着因果关系——生长地层的形成是反转构造不断发育的结果,即反转构造的形成是“因”,生长地层的形成是“果”。由此可以带来启示,即通过分析生长地层“生长”的时间,就可以确定反转构造的形成时间,即由“果”及“因”的推断。
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| (测线位置见图 1) 图 3 雷东凹陷西洼瞬时相位地震剖面 |
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| 图 4 雷东凹陷东洼构造反转及地层生长示意图 |
2.2 生长地层分析法在雷东凹陷的应用
生长地层分析法的应用,就是将生长地层发育过程中的沉积学特征与反转构造形成过程中的褶皱运动学特征进行有机结合,通过分析生长地层顶底所对应的地质年代,来判断与其共生的反转构造形成时的地质年代。应用过程中,要明确研究区生长地层的特征和反转构造的特征。
研究区雷东凹陷的“反转”指的是地层由先期沉降变为后期上隆的“反转”。这一类反转构造的特征是,在反转之前沉积的地层是比较均匀的,地层横向厚度变化比较小(图 4)。随着反转的进行,反转构造及周围生长地层发生变化:(1)第一阶段反转开始之后,之前均匀沉积的这一套地层开始上拱,新沉积的地层会以一个角度上超到老地层之上(图 4:第①阶段反转)。(2)随着第二阶段反转的开始,之前沉积的第一期地层开始变得倾斜,新沉积的第二期地层又以一个角度上超到第一期地层之上(图 4:第②阶段反转)。(3)随着第三阶段反转的开始,反转进一步加剧,第三期新地层又以一个角度上超于第二期地层之上(图 4:第③阶段反转)。完成上述过程之后,研究区经历了区域性的剥蚀作用,反转构造顶部地层遭受剥蚀,这一剥蚀界面在研究区对应于古近系和新近系的界面。此后,研究区进人坳陷沉降阶段,沉积的地层较为平缓,不再有明显的地层反转或上隆,由此形成了研究区现今的地层形态(图 2、图 3、图 4)。
通过上述分析,可以得出如下结论:(1)反转构造底部地层沉积后,周围第一期不同角度地层的形成时间代表了反转构造开始形成的时间,对应于第一期地层(①的底面);(2)反转构造顶部地层沉积后,周围不同角度沉积地层中,最后一期平缓地层代表了构造反转已经结束,研究区对应于第三期地层(③的顶面)。根据掌握的钻井资料和地震剖面解释,可以确定生长地层所处的地质年代,也就确定了生长地层开始和结束“生长”的时间范围,而这一时间范围,就是反转构造形成的时间。
研究区第一期不同角度地层沉积于T72反射层所对应的涠洲组二段底界面沉积之后;最后-期平缓地层沉积于T60反射层所对应的涠洲组-段顶界面沉积之前。在地层上,涠洲组二段底界面对应于上渐新统的底界面,涠洲组一段顶界面对应于上渐新统的顶界面。因此,研究区反转构造的形成开始于晚渐新世早期,结束于晚渐新世末期。在这一时期内,反转构造的形成过程具有阶段性。依据地层沉积角度和接触关系,可将其分为3个期次,也即3个阶段。不同阶段之间,构造活动有所间歇,至渐新世末期,构造反转活动结束,基本形成现今的构造形态。
2.3 生长地层分析法的验证——沉积相展布特征分析反转构造的抬升,必然使得当时凹陷内的古地形发生变化,而古地形的变化必然对沉积相展布特征产生一定的影响。
雷东凹陷目前仅东洼反转构造之上钻有一口探井。钻井揭示涠洲组二段(涠二段)岩性主要是棕红色泥岩夹薄层的粉砂岩和砂砾岩。古生物分析未见动物化石,主要以孢粉为主。孢粉中又以蕨类植物的孢子相对发育,包括光面海金沙孢、粗肋孢、光面水龙骨单缝孢和粗网孢。这几类孢子的母体植物主要生长于淡水的河流和湖泊环境。在岩性上,涠二段普遍发育的棕红色泥岩反映了氧化沉积环境,泥岩约占70% (图 5)。笔者曾对同属北部湾盆地的迈陈凹陷进行过研究,迈陈凹陷与雷东凹陷同处于北部湾盆地的南部坳陷带,迈陈凹陷的涠二段岩性也是棕红色泥岩夹薄层砂岩,泥岩也占70%左右。迈陈凹陷勘探程度较雷东凹陷高,钻井数量较雷东凹陷多,资料相对全面,经岩性、古生物、重矿物等综合分析,其涠二段沉积相类型主要为曲流河。因此,基于岩性、古生物以及和迈陈凹陷的区域类比,综合判断雷东凹陷反转构造周边涠二段沉积相类型主要为曲流河(图 6)。在没有钻井的地区,沉积相的判定主要依据地震相类型的划分和与邻区对比等来进行,其类型主要为滨浅湖、辫状河等。
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| 图 5 雷东凹陷东洼涠二段岩性柱状图 |
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| 图 6 雷东凹陷涠二段沉积相图 |
从雷东凹陷涠二段沉积相图上可以看出,雷东凹陷西洼的沉积相类型相对简单,湖泊靠近洼陷北部深陷带,符合一般箕状断陷的沉积特征;而东洼的反转构造发育区沉积相类型为曲流河,其南北两侧和东侧为滨浅湖,湖泊在反转构造发育区的南北两侧发生分叉,湖泊形态和西洼有所不同,这种差异正是由于反转构造的抬升造成的。
涠二段地层沉积于晚渐新世,正是反转构造处于“反转”抬升的阶段,因此雷东凹陷东、西洼沉积相展布的差异性验证了生长地层法关于反转构造形成时间的推断。雷东凹陷东洼涠二段沉积相展布的特殊性正是沉积时期反转构造不断反转的结果。
3 结论(1) 与反转构造共生的生长地层详细记录了褶皱变形的运动学特征及发展演化过程,这是生长地层分析法提出的理论依据。
(2) 通过确定与反转构造共生的生长地层的底界的形成时间,可以判断反转构造形成的开始时间;通过确定生长地层的顶界的形成时间,可以判断反转构造形成的结束时间。
(3) 雷东凹陷反转构造的形成开始于晚渐新世早期,结束于晚渐新世末期,期间经历了3次阶段性的构造活动,不同阶段之间,构造活动有所间歇。
(4) 沉积相类型及展布特征分析是验证生长地层分析法的工具。沉积相类型及展布受控于同时期的构造背景,而大规模反转构造的发育必然会在沉积相类型及展布特征上有所体现,通过沉积相分析可以验证反转构造形成时间分析的准确性。
4 思考(1) 生长地层分析法的应用前提。生长地层分析法的应用,其前提在于现今存在着与反转构造共生的生长地层。对于在地质历史时期遭受过区域性抬升暴露,导致反转构造的主体及周围地层均遭受强烈剥蚀甚至被夷平的,则难以通过生长地层分析来判断反转构造的形成时间。
(2) 反转构造的类型对生长地层分析法的限制。生长地层分析法对于先期沉降,后期反转抬升的背斜或向斜类构造来说较为适用。而对于先期是正断层,后期反转为逆断层;或先期是逆断层,后期反转为正断层的断层类构造来说,因该类构造周围并不总是有生长地层共生,因此能否适用或在何种条件下能够适用,还需进一步研究和探索。
致谢: 感谢中海油研究总院邓运华、张功成、吕明、李建红等专家在本文编写过程中所给予的指导和支持!
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