一定类型和结构的变换带通常代表盆地不同构造演化阶段,并反映相关断层及断层域的形成和扩展过程^[1-4]。变换带形成演化不仅影响沉积体系展布、改善储层物性,而且在变形过程中的构造高部位也有利于捕集附近油源断裂运移的油气,形成油气富集区^[5-7]。因此变换带研究已成为裂陷盆地解析演化历史和指导油气勘探开发的重要组成部分。琼东南盆地是中国南海北部重要的含油气地区,前人在构造演化^[8]、油气勘探^[9-10] 等方面进行了卓有成效的工作,先后在崖城凸起和南部深水区取得突破^[9-11]。变换带作为研究区油气富集区,一直备受关注。从最初识别出半地堑“高幅调整带”和“低幅调整带” ^[12],到BD19-2、宝岛、北部坳陷带等区域的变换带分析^[8,13-15],推动区域构造演化过程及油气分布规律的认识。但以往研究多针对单一变换带开展,对北部地区变换带整体变形和变位特征缺乏足够理解。利用覆盖北部地区的二维及部分三维地震资料对不同时期断裂走向及倾向进行统计分析。结合断裂平、剖面特征及滑距测算,识别出8个不同类型和规模的变换带,剖析相应变换带主要特征及成因机制,并结合区域背景探讨其地质意义。

1 裂陷盆地变换带的研究历史及分类方案

1969年,Dahlstrom在研究挤压地区平衡剖面时,认为不同区段挤压构造样式虽有差异,但总的应变和位移量是守恒的,位于不同挤压构造之间起调节两侧位移和应变的地质构造即为变换带^[16]。此后陆续有学者将变换带引入裂陷盆地,并提出不同定义和分类方案^{[5-7,14,17-19]},大都认为变换带是为保持区域伸展应变或位移量守恒而形成的^[5-6,19]。在诸多分类中,以Morley等^[5]和Faulds等^[6]的方案影响最大。前者按边界断层倾向分为对倾、背倾和同倾3种基本几何类型,并根据断层相对位置分为接近型、叠覆型、平行型和共线型4个亚类^[5]( 图1(a))。这一分类与中国东部及沿海地区中、新生代裂陷盆地实际地质条件吻合度高^[19],但也存在不足:一是未涉及变换带级别,二是与其他方案^[6] 相比对变换断层论述不详。裂陷盆地中半地堑是具有成因意义的最基本组成单元^[12],而构造研究的核心则是断层^[20],变换带类型及级别应主要围绕这2个关键因素展开。 Gawthorpe等^[17]将分隔不同半地堑的变换带称为堑间变换带( interbasin transfer zones),而将半地堑内部或边缘分隔不同构造样式的变换带称为堑内变换带(intrabasin transfer zones)(图1(b))。也有人将变换带的级别划分为堑间变换带和断层间变换带( fault-to-fault transfer zones) ^[18]以及断层域之间变换带的方案,其中断层域(fault domain) 是指广泛发育在伸展环境中全部或者绝大多数倾向相同的一系列正断层^[4]( 图1(c))。在琼东南盆地北部地区研究过程中发现,以堑间变换带和断层域间变换带进行变换带级别划分简便易行,基本类型依据Morley的分类具有一定的科学性^[5],能够表征不同演化阶段。变换断层在裂陷盆地中较少见^[17],其类型主要参考Faulds等的方案^[6]。

2 区域地质背景

琼东南盆地位于中国南海北部大陆边缘,西邻莺歌海盆地,北抵海南岛隆起,东连西沙海槽与南海西北海盆相接,南为西沙隆起,整体呈北东向,面积为8.92 ×10 ⁴ km ²(图2(b),据文献^[9])。盆地由北部坳陷、中部隆起、中央坳陷、南部隆起和南部坳陷5个次级构造单元组成(图2(a),据文献^[21])。其中北部坳陷包括崖北、松西及松东3个凹陷,除北部坳陷外, 北部地区还包括松东凹陷东侧的宝岛凹陷北斜坡。

盆地在前新生代基底之上于新生代开始伸展断陷,经始新世—早渐新世(T ⁰ ₁₀~T ⁰ ₇) 整体强张裂期、晚渐新世—早中新世(T ⁰ ₇~T ⁰ ₆)断拗期、晚中新世至今(T ⁰ ₆ 至今)的裂后热沉降期3个构造阶段,沉积古近系、新近系以及第四系(图2( c),据文献^[22])。以破裂不整合T ⁰ ₆ 为界,盆地具有典型双层结构:始新统(钻井未见)、下渐新统崖城组、上渐新统陵水组构成下构造层;下中新统三亚组、中中新统梅山组、上中新统黄流组、上新统莺歌海组以及第四系构成上构造层^[9-10,23-24]。

因构造位置特殊,琼东南盆地的形成和演化一直被认为与南海扩张、太平洋俯冲、红河断裂等构造事件存在关联,是破解上述诸多难题的关键区域之一^[8,22,24]。

3 琼东南盆地北部地区变换带的划分及特征

根据半地堑结构及断层特征在T ⁰ ₁₀ 反射层划分出松西—松东和宝岛2个堑间变换带以及崖北西、崖北、崖北—松西、松西、松东、松东东6个断层域间变换带(图3)。这些变换带将北部地区分为崖北西(Ⅰ₁)、崖北(Ⅰ₂)、崖北东(Ⅱ)、松西西(Ⅲ₁)、松西东(Ⅲ₂)、松东西(Ⅳ)、松东(Ⅴ)、松东东(Ⅵ)和宝岛北斜坡(Ⅶ)9个断层域(图3)。

3.1 堑间变换带

堑间变换带位于相邻半地堑之间,调节两侧位移^[17]。研究区包括松西—松东和宝岛2个堑间变换带,以前者对构造格局的影响最大。

3.1.1 松西—松东变换带

5 号断层控制的崖北凹陷和松西凹陷剖面表现为北断南超型半地堑, 6 号断层控制形成的松东凹陷则为南断北超型半地堑(图3,5-31 测线和sde5测线)。自西南向东北,松西凹陷由半地堑逐渐演变为南倾断层控制下的断阶,直至逐渐消亡(图3,5-31 测线和sxe1 测线);松东凹陷自东北向西南也由同倾正断层控制下的半地堑,到6 号断层末梢处, 演变为北倾断层控制下的断阶(图3,sde5 测线和sxe1 测线)。平面上5 号和6 号断层在各自末梢位移明显减小,分别向外分叉尖灭。

松西—松东变换带位于5号断层和6号断层末梢之间,近南北走向,宽约为14.8km(T ⁰ ₁₀ 反射层), 属对倾叠覆型堑间变换带。叠覆主要是2条断层末梢小规模重叠,其间分布走向与相应边界断层近于平行、数量多、规模小的次级断层。整体上二者之间是由对倾小型正断层组合形成的复杂结构,形成一对相对式半地堑,变换带以低凸起形式出现(图3, sxe1测线)。

3.1.2 宝岛变换带

宝岛凹陷北斜坡分布着一条近南北向的宝岛断裂,向南分别与6号和2号断层相接,向北逐渐消失,南北向延伸达30km,宽度约为2km(T ⁰ ₁₀ 反射层)。有学者认为断裂南侧BD19-2构造为对顷叠覆型变换带,并推断其形成与南北向断裂有关^[13], 受当时地震资料限制,并未对断裂进行深入研究。此后根据三维地震资料以及方差体切片,又有学者提出宝岛断裂属于“复式变换构造”,其中T ⁰ ₁₀ 反射层为“复式变换断层”,T ⁰ ₇~T ⁰ ₆ 反射层是“复式变换构造带”,拗陷层为“复式变换带” ^[14]。

宝岛断裂东西两侧断层产状及剖面结构存在明显差异^[13-14]。断裂以西(Ⅵ)受6号断层影响,断层绝大部分北倾,表现出半地堑特征;东部(Ⅶ)则受2号断层控制,大多南倾(图5),剖面表现为南倾断阶,再向南即进入宝岛凹陷(图3,bdw2测线和bde1测线)。东西两侧断层走向总体上都呈近东西向, 但在时空上也有一定特点(图4)。 T ⁰ ₁₀ 反射层断层走向均为南西西—北东东向,向上延伸至T ⁰ ₇ 反射层则开始出现近东西向断层,尤以西区(Ⅵ) 更为明显。自T² ₆ 反射层开始至T ⁰ ₅ 反射层,两部分断层走向均为近东西向,但进入T ⁰ ₄ 反射层北西西—南东东走向断层开始占据优势(图4)。平、剖面上断裂绝大部分发育于梅山组沉积之前,只有少数断裂切穿梅山组顶界进入黄流组。

断裂在不同反射层分布范围存在差别,平面上具有分段特征^[14]。 T ⁰ ₁₀ 反射层,断裂表现为近南北向贯通形态,北侧终止于近东西向北倾小型正断层, 南端与6号断层相接,东西两侧走向一致、倾向相反的正断层至宝岛断裂戛然而止。 T ⁰ ₇ 反射层,宝岛断裂仅在南段发育,中间存在不连续段落,并且开始出现被北倾小断层错断的现象。进入T² ₆ 反射层,断裂被错断的现象更加明显。 T ⁰ ₆ 反射层宝岛断裂仅在南部断续出露,规模很小。因此宝岛断裂时空上基本限制在T ⁰ ₁₀~T² ₆ 反射层。

西侧松西凹陷东斜坡内部断块剖面上呈顺时针旋转(视野自西向东),东侧宝岛凹陷北斜坡内部块体呈逆时针旋转(视野自西向东)。宝岛断裂实际上调节两侧不同块体的位移,属以变换断层形式出现的变换带^[14],按相应分类^[6]属于对倾右旋型变换断层。鉴于宝岛断裂分隔南断北超型松西凹陷和宝岛凹陷北斜坡南倾断阶,因此其级别应归为堑间变换带。

3.2 断层域间变换带

断层域与主控边界断层的分段性存在较大关联,根据主控边界断层分段特征及相应段落断层规模、走向及倾向,划分出崖北西、崖北、崖北—松西、松西、松东、松东东6个断层域间变换带(图3)。

3.2.1 崖北西变换带

5 号断层崖北凹陷段分段特征明显,可分为Ⅰ 和Ⅱ两部分,其中Ⅰ又被崖北西变换带分为Ⅰ₁ 和 Ⅰ₂ 两个断层域(图3)。 Ⅰ₁段断层平面上总体近东西向延伸,西端出现数量多、规模小的北东向及北西向断层。 Ⅰ₂ 段断层数量较少,但断层规模较大。剖面上Ⅰ₁ 段为断阶复杂化的半地堑且深度小于6 km(图3,ybe6 测线),Ⅰ₂ 段则为单一大断层控制下最大埋深大于8 km的半地堑,小断层几乎不发育(图3,ybe4 测线)。崖北西变换带呈北北东走向,宽度约为6.6 km(T ⁰ ₁₀ 反射层)。平面上发育多条与主干边界断层近于直交的次级断层,剖面上对应东部深凹陷向西部浅凹陷过渡位置,南段属崖城凸起的一部分,为同向平行型变换带(图3,ybe7 测线)。

3.2.2 崖北变换带

崖北凹陷东部断层域(Ⅱ) 裂陷层北西西—南东东走向及北北东倾断层占优(图4和图5),与大部分断层南倾的崖北凹陷中部断层域(Ⅰ₂)差异明显。同时5号断层规模变小,凹陷内部出现多条规模较大与其对倾的正断层,形成北倾断阶,半地堑结构被复杂化(图3,ybe2测线)。

崖北变换带近南北走向,宽度约为6km(T ⁰ ₁₀ 反射层),为对倾接近型变换带。平面上自西侧(Ⅰ₂) 南倾断层区向东侧(Ⅱ)北倾断层发育区过渡,调节两侧位移。剖面上凹陷结构自西向东从北断南超型半地堑过渡为北倾断层控制下的半地堑—半地垒, 变换带处于半地垒位置,属凹陷内部低凸起(图3, ybe3-1测线)。

3.2.3 崖北—松西变换带

松西凹陷(Ⅲ)断层呈近东西走向,整体以南南东倾占优(图3~5)。剖面上,松西凹陷规模明显小于崖北凹陷,最大埋深小于6km。松西凹陷西部断层域(Ⅲ₁) 内部出现多条规模较大的南倾正断层(图3,5-24测线),区别于北倾断层占优的崖北凹陷东部断层域(Ⅱ)。

崖北—松西变换带近南北走向,调节西部(Ⅱ) 北西走向主体北倾断层和东侧(Ⅲ₁)近东西走向整体南倾断层,属对倾叠覆型变换带,宽度约为6.5km(T ⁰ ₁₀ 反射层)。剖面上凹陷结构从西部反向断层复杂化的北断南超半地堑过渡为东侧同向断层控制下的复合半地堑(图3,ybe2测线和5-24测线)。斜切剖面显示变换带位于南北背倾正断层控制下的地垒部位(图3,5-24测线)。

3.2.4 松西变换带

在T ⁰ ₁₀ 反射层、松西凹陷ST31-2-1井附近,5号断层沿走向发生侧接,以侧接部位为界将松西凹陷分为西(Ⅲ₁)、东(Ⅲ₂)2个断层域。二者内部断层走向虽都为近东西向,但西部出现多条与5号断层同向的规模较大的正断层,东部断层规模相对较小,对半地堑形态改变不大(图3,5-24测线和5-31测线)。

裂陷期侧接部位断层位移量显著减小,向两侧位移不断增大(图6),该处可能起调节两侧位移的作用,为同倾叠覆型变换带。变换带近南北走向,宽度约为5.7km(T ⁰ ₁₀ 反射层)。平面上北东向与北东东向2条同倾断层在此侧接,形成转换斜坡。剖面上变换带南侧表现为对倾铲式断层控制下半地垒— 半地堑中的半地垒(图3,5-24测线),北侧演变为地垒(图3,sxe3测线)。

3.2.5 松东变换带

以松东凹陷北部2条背倾断层接近部位为界, 可将凹陷分为中(Ⅴ)、西(Ⅳ) 2个断层域(图3)。平面上,西部出现多条规模较大的北东—南西向正断层,以北西倾为主,东部以近东西走向为主,近南南东倾断层占优,且内部断层规模相对较小(图4、 5)。剖面上西部表现为多条北倾正断层控制下的复合半地堑,东部为南北向对倾正断层控制下的半地垒—半地堑(图3,sde5测线和sde4测线)。

松东变换带调节西部南断北超半地堑和东部半地垒—半地堑之间的位移,为对倾接近型变换带。在T ⁰ ₁₀ 反射层,变换带近南北走向,宽度约为2.2km,形态具地垒特征(图3,sde4测线)。

3.2.6 松东东变换带

松东凹陷东部(Ⅵ)断层数量明显增加,以北西西走向为主,总体北东东倾(图4、5)。自西(Ⅴ)向东(Ⅵ),剖面上由半地垒—半地堑转变为多条北倾正断层控制下的复合半地堑( 图3, sde2测线和bdw2测线)。

松东东变换带调节东部南断北超型复合半地堑和西部半地垒—半地堑,为对倾叠覆型变换带。在T ⁰ ₁₀ 反射层,变换带近南北走向,宽度约为7km。平面上沿变换带北部出现与其走向一致的一条北西倾正断层。剖面上变换带表现为由半地垒向半地堑过渡的部位,呈复合“Y”字形结构(图3,sde2测线)。

4 地质意义

正断层分段生长^[1,3,17]、基底先存构造^[14,18] 以及伸展要素^[20]是影响裂陷盆地断层及变换带形成和演化的关键因素。正断层发育过程中,中间位移大两侧位移小且不断向两侧扩展生长^[1]。因此相邻正断层之间不同时期会形成不同类型的变换带, Morley方案^[5]中从接近、叠覆至共线类型的划分与断层演化过程是统一的。松西—松东变换带就是5号断层和6号断层侧向扩展过程中形成的,松西变换带则具有位移显著小于两侧的典型特征(图6)。随着断层的逐渐消亡,变换带类型会向着反方向发展直至消失。基底先存构造在变换带演化过程中的作用也不容忽视。已有构造物理模拟试验表明,斜向伸展条件下基底先存构造更容易发育,后期其附近形成的次级断层走向一般与先存断层相近,远离控边断层的凹陷内部断层走向则多与伸展方向直交或者是大角度斜交^[20,26-27]。比如5号断层不同区段产状差别较大,这些先期形成的断层产状对后期次级断层的走向及倾向影响较大,倾向相同的次级断层因受边界断层“应力降低带”影响小而更容易发育,从而形成各具特色的断层域^[4]。宝岛变换带也被认为受基底先存构造影响^[14]。对于伸展要素而言,在基底先存构造影响下,只有进行大量的断层统计才可能具有指示意义。北部地区断层走向优势方位存在由北东东—南西西到近东西向转变的趋势, 并且变换带也大都呈近南北向分布(图4)。盆地早期北东东—南西西向断层的存在可能是由于始新世NW-SE向伸展条件下形成^[25],后期近东西向展布的断层则与南海南北向扩张存在密切联系。海底磁条带显示,南海晚渐新世(32~25Ma)发生南北向扩张,早中新世—中中新世为NW-SE向扩张(24~16Ma),其间存在洋脊跃迁^[28]。综合断层产状、变换带特征以及破裂不整合面分布,南海第一次南北向扩张对琼东南盆地影响最大,是奠定盆地北部构造格局最重要的因素。伴随洋脊跃迁,南北向伸展逐渐减弱直至停止,琼东南盆地自中新世开始进入裂后热沉降阶段。此后除东部少量断裂继续活动外, 大部分断层停止发育^[25],说明南海第二次扩张对研究区影响十分有限。除东西两端的松东东和崖北西变换带以外,其余变换带基本上呈近南北向延伸,说明随着盆地演化,盆内变换带走向与伸展方向存在逐渐趋同的趋势。

油气地质方面,北部地区变换带具有构造高部位、次级断裂发育、紧邻生油洼陷3个优势。从剖面图中可以看出,变换带大都为盆内低凸起(宝岛变换带为构造脊^[14]),且这些地貌形态自裂陷开始一直持续至热沉降,后期随盆地整体沉降得以保存。构造高部位不仅利于捕集油气,堆积粗粒沉积物,而且在盆地抬升遭受风化剥蚀期间还能够改善储层的储集性能。崖13-1大气田所在的披覆背斜就位于1号断层和3号断层之间的同倾平行型变换带部位。变换带调节两侧伸展位移,相对两侧并不发育大断层,但是其内部更容易出现大量次级断层^[29], 比如松西—松东变换带出现的大量对顷正断层。这些次级断层能够有效改善储集层的物性特征,提高储集性能。上述2个特点再加上紧邻两侧生油洼陷,使得变换带成为裂陷盆地中的油气富集区,松西变换带附近的莺9井就是一个典型例子^[15]。

5 结论

(1)琼东南盆地北部地区以松西—松东对倾叠覆型变换带和宝岛变换带为界分为3部分。西段受5号断层控制形成北断南超型崖北凹陷和松西凹陷,东段受6号断层控制形成南断北超型松东凹陷, 东端为受2号断层控制下形成的宝岛凹陷北斜坡南倾断阶。

(2)根据不同区段断层走向及倾向特征将研究区进一步划分为9个断层域和崖北西同向平行型、崖北对倾接近型、崖北—松西对倾叠覆型、松西同倾叠覆型、松东对倾接近型和松东东对倾叠覆型6个断层域间变换带。同一断层域内断层的走向及倾向具有较好一致性,不同断层域断层产状差异较大。

(3)基底先存构造、断层分段生长及伸展要素(伸展方向、伸展量)是影响琼东南盆地北部地区变换带形成演化的主要因素。

(4)北部地区变换带大都呈南北走向,而断层则总体上近东西走向,结合区域地质背景,认为琼东南盆地北部地区构造格局主要是在南海晚渐新世南北向扩张作用下形成的。盆内变换带走向与伸展方向存在逐渐趋同的趋势。

(5)琼东南盆地北部地区变换带发育时期处于古构造高部位,紧邻生油凹陷且与油源断裂相接,沉积时期堆积粗粒物质并在盆地抬升期间遭受风化剥蚀,加之内部次级断裂发育,是有利的油气富集区。

参考文献