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琼东南盆地深水区盆地结构构造及其形成机制研究

雷超  
【摘要】: 近年来,世界范围内的深水地区油气勘探不断取得重大突破,除了墨西哥湾、巴西坎坡斯湾盆地和西非等三大深水油气勘探的热点地区外,在俄罗斯、挪威和东南亚的深水地区也不断发现大型油气田。我国南海北部深水区与国外获得巨大成功的深水油气勘探区较为类似,其勘探潜力巨大。琼东南盆地位于南海北部西区,盆地深水区由于勘探程度低,地震测线和勘探钻井缺少,限制了对盆地深水区准确、全面认识,制约着盆地深水区油气勘探以及对整个南海演化史的深刻理解。可喜的是新近获取的地震资料和其他测试资料为全面认识南海西部深水区盆地的结构、形成过程、形成机制以及油气勘探前景打下了基础。 本论文在国家973项目、高等学校博士点专项基金和中海油等的资助下,以沉积盆地动力学分析的思路为指导,基于研究区日趋完善的、高精度的地质-地球物理和钻井新资料,对南海北部琼东南盆地深水沉积盆地进行盆地结构构造、层序等方面的详细解释和分析,确定深水区盆地的结构型式和充填样式和沉降过程;对比和分析陆架-陆坡-洋陆过渡带盆地结构、构造、充填样式和演化过程,结合区域岩石圈综合地质和地球物理资料,开展了岩石圈伸展变形和盆地沉降—隆升的正演和反演模拟研究确定陆架到洋陆过渡带盆地发育的变形模式和演化机制;结合研究区深部资料和周缘板块构造运动学重组事件对盆地发育影响的分析,建立南海北部洋陆过渡带盆地发育的动力学模型,确定其演化过程和成因机制模式。论文研究确定的主要成果如下: (1)确定了琼东南盆地基本构造格局,描述和分析了盆地的基本构造样式,提出了盆地结构样式分类体系。通过综合分析,将琼东南盆地裂陷期划分为北部隆起区、中央坳陷区和南部隆起区3个一级构造单元,近一步将中央坳陷区划分为北部坳陷带、中央低凸起和南部坳陷带3个二级构造单元。以陵水凹陷东部NW向地垒式隆起带为界,盆地可以划分为西部伸展区和东部伸展区。整个盆地具有“南北分带,东西分块”的特征。精细的地震剖面解释发现,北部隆起区的凹陷主要表现为小型半地堑的结构样式,中央坳陷区表现为大型地堑式结构,南部隆起区为小型半地堑或地堑结构。盆地整体则表现为复杂的复式地堑构型。 (2)系统分析了深水盆地主要凹陷和断裂带构造样式特征,总结了盆地构造转换带类型,建立了典型区带构造-沉积演化阶段的构造控砂模式。根据地震剖面的详细追踪、闭合,识别出盆地主要凹陷共计9个,以及深水区小型凹陷数个。通过对凹陷结构样式分析,总结了盆地主要凹陷类型,可以划分为半地堑、地堑和复式地堑。半地堑可细化分为平直型、铲型、缓坡断阶、陡坡断阶、同阶断裂,地堑可细划分为简单地堑、基底双侧断阶、双侧断阶,复式断阶可以细化分为旋转断块和半地堑-地堑交互断阶。同时,在详细刻画了盆地主要断裂带的几何学特征基础上,将琼东南盆地转换带系统地进行了分类:同向倾斜型转换带、相向倾斜型转换带和相背倾斜型转换带三种类型,分析了不同转换带控制砂体的形成与展布特征,并预测了可能的有利储集岩。 (3)分析了2号断裂的区段式活动特征及其对凹陷的控制。对2号断裂系统详细的地质构造解释和断裂活动定量分析(断层活动速率、位移—距离法)解剖,认为该断裂系统具有复杂的结构特征,从西到东可以划分为西段、中段和东段3个区段,西段和中断主要表现为单断式,局部台阶式断裂结构,控制乐东凹陷、陵水凹陷,松南凹陷,东段为右阶斜列式断裂系,控制了宝岛凹陷和长昌凹陷的发育。各个区段之间以及斜列式断裂系之间发育不同类型的构造转换带。断裂的贯穿式活动性主要发生在T60界面之前,发育程度处于区段活动和连通的过渡阶段,表明各个区段之间可能控制大型物源体系的转换带在同裂陷期一直发育。 (4)通过沉降史回剥反演的方法,系统分析了盆地深水区沉降特征。根据对过琼东南深水区主要构造单元的区域性剖面做定量沉降史分析,确定了盆地沉降特征具有以下几方面的特征:①在裂陷期,盆地主要凹陷沉降速率都较隆起区大;②盆地裂后期,莺歌海组-乐东组沉积时期(5.5Ma至今)沉积速率较大,1000 m/Ma,将自5.5Ma以来时期划分为裂后加速沉降期。因此,裂后期可以细化为裂后热沉降阶段和裂后加速沉降阶段;③裂后期,在盆地的西部主要表现为陆架陆坡整体向南倾斜的“倾斜式”沉降,陆架倾斜角度较大,陆架陆坡不断向前推进,断裂停止活动。在盆地的东部则表现为陆架陆坡整体沉降和由陆架陆坡处断裂活动而引起的差异沉降,陆架陆坡发育的位置其本保持不变;④裂后期,尤其是加速沉降期,盆地沉降幅度表现为西部中央凹陷大,东部中央凹陷小的特点。 (5)分析了盆地的沉降中心和隆凹格局演化过程,划分了盆地的构造演化阶段。通过盆地沉降中心、沉降史、关键构造界面古地貌和剖面的平衡复原等的综合分析,结合区域板块构造事件特征,将研究区的构造演化划分为同裂陷阶段和裂后阶段;同裂陷阶段又可以划分为2个裂陷幕(T70为界),而裂后阶段可以进一步划分为裂后热沉降幕和加速沉降幕(T30为界)。裂陷1幕的盆地为分散的NE向展布的小型断陷盆地,裂陷2幕盆地沉降逐渐集中在中央坳陷区,并呈NE—WE—NWW弧形展布,与裂陷1幕的盆地构成显著的叠加关系。裂后阶段盆地可以划分为裂后热沉降阶段和裂后加速沉降阶段,裂后期沉降具有从老到新,由NE向SW迁移的规律。 (6)探讨了盆地发育的动力学背景。以盆地的构造几何学分析和运动学演化为基础,结合周缘地区区域性事件的分析,开展了盆地发育动力学背景的研究,认为印支地块的旋转、南海的扩张,古南海的俯冲以及下地壳的韧性流动可能是盆地动力学分析的重要控制因素。 (7)系统地收集整理了世界洋陆过渡带盆地的地球物理-地质特征,总结了识别南海北部洋陆过渡带主要依据。通过全面收集在世界被动大陆边缘洋陆过渡带盆地的识别标识,结合南海北部的地质、地球物理和海底地貌特征等实际资料,厘定了南海北部洋陆过渡带应以陆坡为基本界定标志,南海北部下陆坡区是地球物理资料梯度带变化最快的部位,如地幔迅速隆升、重力梯度从负值急速变为正值;同时,系统总结了世界洋陆过渡带盆地从陆坡-陆架-深水平原的发育演化过程中变形差异性,全面收集了前人对这一成果的解释机制,提出了琼东南盆地深水为研究洋陆过渡带盆地的天然实验室。 (8)从盆地动力学模拟角度,证明琼东南盆地深水区发生了与深度相关的拉伸。以非线性有限元数值模拟、岩石圈伸展的正演的挠曲悬臂梁模型和反演的二维挠曲回剥模型为基础,对琼东南盆地的岩石圈伸展变形进行了深入研究,定量恢复了该盆地所处地区的上地壳、地壳以及岩石圈的伸展程度;结果表明,盆地东部上地壳最大拉伸系数(最大值1.65)大于盆地西部的最大伸展系数(最大值1.26),而盆地西部整个地壳最大伸展系数(最大值3.14)大于盆地东部整个地壳最大拉伸系数(最大值3.0),盆地西部整个岩石圈拉最大伸系数(最大值4.2)大于盆地东部整个岩石圈最大拉伸系数(最大值4)。从定量盆地模拟查明了盆地岩石圈不同圈层发生了与深度相关的伸展,而且在琼东南盆地深水区西部上地壳拉伸系数小于东部,但是整个地壳和整个岩石圈盆地西部却大于盆地东部。 (9)提出了南海北部深水区盆地发育的与深度相关形成机制模式,识别出“琼东南”型和“珠江口”型洋陆过渡带盆地发育样式。通过对南海及其邻区板块运动的深入总结,从盆地发育的深部动力学背景出发,把南海北部盆地发育演化划分为三个阶段:陆内裂陷阶段、裂后热沉降阶段和裂后加速沉降阶段。陆内裂陷阶段主要由于古南海的俯冲导致南海北部地壳减薄拉张形成系列NE或NEE向断陷盆地,在该阶段盆地沉积特征以Mckenzie模型为特征;23Ma,南海洋脊扩张从西北海盆跃迁到西南海盆,盆地结束裂陷期沉积,进入裂后热沉降阶段,盆地形成重要的T60破裂不整合界面,在该阶段,断层不发育或发育程度很低,以岩石圈的热冷缩导致的盆地沉降为特点;5.5Ma,由于下地壳和岩石圈地幔的拉伸抽空作用,导致了盆地大面积加速沉降。其次,从盆地位于新生洋盆的位置的角度,将南海周缘盆地划分为“珠江口”型和“琼东南”型洋陆过渡带盆地,前者垂直于洋盆洋脊延伸方向,而后者位于洋盆洋脊延伸方向,盆地的形成演化紧密与南海西北次洋盆的扩张有关。 本论文的创新点主要体现在 ①综合各类地质地球物理资料,总结了COT和COB的概念和厘定标志,论证了琼东南盆地深水区是发育于南海北部大陆架和南海洋盆之间的洋陆过渡带,从而确定了琼东南盆地深水区的岩石圈动力学属性,从而为盆地动力学分析奠定了基础。 ②结合深水区新近获取的高品质、典型地震资料和其他测试资料,开展详细的盆地结构构造综合分析,采用了沉降史分析、关键构造界面古地貌隆凹格局演化和剖面的平衡复原等研究关键技术,揭示盆地裂陷早中期盆地为分散的NE向展布的小型断陷盆地,裂陷晚期沉降逐渐集中在中央坳陷区,并呈NE—WE—NWW弧形展布,与裂陷早期的盆地构成显著的叠加关系。裂后阶段盆地可以划分为裂后热沉降阶段和裂后加速沉降阶段,裂后期沉降具有从老到新,由NE向SW迁移的规律。 ③通过定量的盆地动力学模拟,揭示盆地深水区存在岩石圈的不均一变形,上地壳、整个地壳和整个岩石圈的伸展程度均不同,并且随着深度的增加而逐渐增大,岩石圈发生了与深度相关的拉伸;同时,以盆地的构造几何学分析和运动学演化为基础,结合周缘地区区域性事件的分析,开展了盆地发育动力学背景的研究,识别出“琼东南”型和“珠江口”型洋陆过渡带盆地发育样式,提出了南海北部深水区盆地发育的与深度相关形成机制模式。


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