Discussion on fault characteristics and genesis of Wenchang A Sag in the west of the Pearl River Mouth Basin
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摘要: 在前人勘探解释的基础上，通过三维高分辨率地震资料，应用相干属性分析等技术对区域断裂进行精细化解释。研究表明盆地内发育着典型的犁式、花状构造、旋转正断层等伸展构造样式，在珠三南断裂影响下，南部边界断裂以阶梯状排列形成断阶构造。始新世—中中新世，断裂走向在持续右旋张扭应力场下以NE→EW→NWW顺时针方向旋转，张裂强度逐渐减弱。晚始新世—早渐新世，盆地在太平洋板块俯冲后退、印亚板块碰撞、古南海向南俯冲下发育EW向断裂，晚渐新世在南海扩张事件影响下前期右旋应力场得到加强，形成大量近EW向断裂，中新世后演化为NWW向断裂。文昌A凹陷断裂构造的演化、成因机制与南海北部陆缘应力场变化一致。该研究有利于进一步了解南海北部陆缘含油气盆地的构造特征和演化规律，提高油气勘探开发的效率。Abstract: On the basis of previous researches, fine interpretation is made for the fault systems of the Wenchang A Sag with the data of 3D high-resolution seismic survey, coherence attribute analysis and other techniques. The results show that the basin is characterized by typical extensional structures, such as plow-like structures, flower-like structures and rotating normal faults. Affected by the Zhu-3 south fault, the southern boundary of the fault system shows a step-like pattern. During the period from Late Eocene to Early Oligocene, EW faults were developed under the subduction and retreat of the Pacific Plate, the collision with the Indo-subduction plate, and the southward subduction of the ancient South China Sea. During the period of Late Oligocene, however, under the influence of the South China Sea expansion event, the early dextral stress field was strengthened, while formed the nearly EW fault, and then evolved to those in NWW trending. From Late Eocene to middle Miocene, the fault trend rotates clockwise in the direction from NE to EW to NWW under the action of continuous right-hand tensional stress field. The tensile strength gradually weakened later on. Data suggests that the evolution and genetic mechanism of the faults in the Wenchang A Sag are consistent with the variation in stress field on the Northern Continental Margin of the South China Sea. This study is conducive to further understanding the structural characteristics and evolution of the oil-bearing basins on the northern margin of the South China Sea and improving the efficiency of oil and gas exploration and development.
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Keywords:
- fracture system /
- fault activity /
- stress field variation /
- Pearl River Mouth Basin /
- Wenchang A sag
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东海某凹陷位于东海陆架盆地东部，呈北北东向展布，面积约5.9×104 km2，西邻虎皮礁隆起、长江凹陷、海礁隆起、钱塘凹陷及渔山隆起等5个构造单元，东邻钓鱼岛褶皱带，具有东西分带、南北分块的构造格局。凹陷内部自西向东可划分为3个构造带，即西部斜坡带、中央洼陷反转构造带、东缘陡坡断隆带（图1），具有东陡西缓的特征[1-3]。目前已经建立的新生代地层自下而上划分为古新统（？）、始新统宝石组（T40- T34）、始新统平湖组（T34- T30）、渐新统花港组（T30- T24）、中新统龙井组（T24- T23）、玉泉组（T23- T11）、柳浪组（T11- T10）以及上新统三潭组和第四系东海群（图2）[4-5]。
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图 2 东海某凹陷地层单元、层序格架和构造演化背景综合图Figure 2. Stratigraphic column showing the tectonic evolution of the Sag studied东海某凹陷新生代经历了多次不同性质的区域构造运动，可划分为断陷期（古新世—始新世）、坳陷期（渐新世—中新世）和区域沉降期（上新世—第四纪） [6-8]。其中，断陷期始新统平湖组是东海某凹陷重要含油气目的层[9-10]，内部可识别出多个不整合面，但界面级别和性质存在争议[11]。李纯洁、李上卿等基于孢粉组合、二维地震等资料，认为宝石组与上覆平湖组为连续沉积，指出T34为整合面[12-13]。何将启根据界面上下地层岩性变化认为T34是重要的不整合面[14]。此外，由于早期二维地震资料品质差，三维地震资料范围小，古新统顶面T40在地震上难以识别，研究程度低。上述问题直接制约东海某凹陷断陷期沉积体系的认识。
本文充分利用凹陷内70余口钻井资料，对约1.2×104 km2的连片三维地震数据进行了精细的解释，在断陷期（T30-Tg）内部识别出3个重大不整合面（图3）。在此基础上，对断陷期的断层活动进行定量统计分析，结合不整合面上下地层展布范围、地震相、测井相等差异分析，进一步明确3个重大不整合面特征及地质意义。考虑到钓鱼岛岩浆弧后期改造强烈，变形过于严重，未对盆地东部的边界断裂进行分析，主要选取了西部的平湖断裂以及中央洼陷反转构造带两侧的三潭断裂和白堤断裂，进行断层活动分析（图3c）。采用“单位生长断层古落差”参数（（上盘厚度-下盘厚度）/上盘厚度）对断裂活动强度进行定量表征。本文旨在厘清断陷期重要不整合面特征和性质，并据此划分构造演化阶段，阐明各阶段内沉积演化特征，为油气勘探方向提供依据。
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图 3 东海某凹陷典型地震剖面特征 （a和b，剖面位置见图1 AA’）及控凹断层单位生长古落差图（c）Figure 3. Typical seismic profiles showing the characteristics and the activities of the sag-controlling faults in a Sag in the East China Sea （see Fig. 1 AA' for position of the section）1. 重要不整合面特征
中国东部规模较大的中、新生代裂谷或断陷盆地的断陷过程都具有幕式的特点[15]。而各个构造幕之间发育较明显的不整合面，其规模比构造层序间的不整合面规模小，比三级层序间的不整合面规模大，相当于Vail层序地层学理论中的层序组界面（图2，图3）。此类不整合面将一个完整的构造层序分为断陷启动期、断陷强烈发育期和断陷平静期（断陷萎缩期）[16-17]。
1.1 T40—断陷幕次界面
T40为始新统与古新统的分界面（宝石组底界面），形成于断陷初始阶段，是瓯江运动拉张作用下的产物，也是断陷期的幕次界面。在拉张应力场作用下，3条主控断裂的活动性在T40附近均处于最高值，T40被断层错断严重，形成地堑—半地堑、地垒—半地垒相间的构造格局。凹陷内尚无井钻遇古新统，只能借助三维地震资料在T34与Tg之间寻找区域不整合面作为T40。T40埋深大，层位连续性差，横向对比与追踪较为困难。西部斜坡带，大部分地区缺失古新统，T40界面不发育；中央洼陷带，T40界面具有明显的角度不整合特征，可见上超、削截等现象，表现为弱波组与强波组的分界面（图4a）。
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图 4 东海某凹陷主要不整合面地震特征及测录井特征Figure 4. Seismic and well logging characteristics of major unconformities in a Sag of the East China Sea1.2 T34—断陷幕次界面
T34是始新统宝石组与平湖组之间的分界面。通过对新近采集处理的三维地震资料进行解释，在BS1井及其周边构造识别出T34自东向西的削截和上超现象（图4b），认为T34是两次断陷幕之间的不整合面，越过三潭断裂在西部斜坡带广泛发育。T34界面地震反射较弱，连续性差，界面上的平湖组为平行—亚平行反射，界面下的宝石组为低频波状、杂乱反射，在西部斜坡带可见角度不整合（图3b）。
如图4c，T34界面上下岩性组合发生突变：界面之上以砂泥互层为主，测井曲线多见钟形、箱型、指状和低幅齿状；界面之下地层受构造活动影响明显，沉积物厚度、岩性差异较大，岩相横向变化快。从断层单位生长古落差上看，T34之后，断裂活动强度都有所减弱，但平湖断裂的活动强度依旧较大，约0.8 m/m，东部白堤断裂的单位古落差也约0.4 m/m，说明T34是两次断陷幕之间的转换面（图3c）。
1.3 T32—断陷―断坳转换面
T32是始新统平湖组下段与中上段的分界面。本次划分与前人最大的不同是将平湖组划分为两期幕式活动，认为T32是断陷与断坳（断陷萎缩期）之间的转换面。
T32界面上下存在明显上超下削，局部可见前积反射末端的下超（图3b，图4d）。界面下平湖组下段的地层厚度横向变化快，呈现“隆洼相间”的断陷特征；而界面上平湖组中上段则整体较为平缓，地层厚度西薄东厚，呈现断陷萎缩特征。T32之下断层断距大，同沉积断层数量多；T32之上，断层断距明显减小，除后期构造反转断层外，只有少数断层继续活动。从图3c看，T32附近平湖断裂和白堤断裂的单位断层生长古落差呈断崖式下降，3条主控断层活动强度都降到0.2～0.3 m/m附近，盆地从断裂强烈活动阶段演化为断裂萎缩阶段。
T32界面上下的岩性特征也有很大差异（图5）。界面上平湖组中上段厚层砂岩横向稳定发育，类似坳陷期的充填特征；界面下平湖组下段以砂泥互层为主，砂岩含量明显变少，呈“泥包砂”的特征，局部夹有块状砂岩。T32界面不仅仅是断陷期与断陷萎缩期的转换面，也是岩相组合的突变面。
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图 5 东海某凹陷T32界面上下测录井特征（位置见图1 BB’）Figure 5. Well logging Characteristics of interface T32 in a Sag of the East China Sea （see Fig. 1 BB' for position of the section）通过断陷期重要不整合面上下的地震特征、地层特征、钻井特征及断层活动性对比分析，认为晚白垩世至始新世，东海某凹陷经历了断陷形成、发展到消亡的完整过程，由此形成了断陷幕次界面T40和T34，以及断陷-断坳转换面T32（图2，图6）。
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图 6 东海某凹陷断陷期构造演化剖面Figure 6. Structural evolution in the rifting stage of a Sag in the East China Sea2. 沉积演化特征
断陷期被T40、T34、T32界面分为4期构造幕，分别代表不同构造演化阶段，其中古新世为构造启动期，始新世早期为构造强烈发育期，始新世晚期为构造平静期（构造萎缩期）。在断陷沉积逐渐扩大并向断坳沉积转化的过程中，控凹断裂控制了盆地整体的构造格局（图6），直接制约着可容纳空间的变化和沉积物堆积，各个构造幕内沉积特征均存在明显的差异（图7）。
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图 7 东海某凹陷典型地质剖面沉积特征（剖面位置见图1 AA’）Figure 7. Sedimentation characteristics of the typical geological profile in a Sag of the East China Sea （see Fig. 1 AA' for position of the section）2.1 断陷Ⅰ幕
断陷Ⅰ幕（古新统）为构造启动期，断裂活动范围局限，伸展作用主要集中在凹陷中央，相应的沉积和沉降中心亦位于中央洼陷带。中央洼陷带发育一系列北东—北北东向的同沉积断层，地层被断层切割，形成东陡西缓的地堑或半地堑。该时期三潭断裂是凹陷西侧的控边断裂，断裂以东，古新统发育完整、厚度大；断裂以西，古新统普遍缺失（图6a）。凹陷东西两侧主控断层对沉积有较强的控制作用，断层根部地震相多为中—强振幅的高角度杂乱前积反射、波状反射，推测发育冲积扇、水下扇等近源沉积（图7）。
2.2 断陷Ⅱ幕
断陷Ⅱ幕对应始新统宝石组（T40- T34），该阶段盆地持续扩张，可容纳空间增大，宝石组越过三潭断裂在西部斜坡带广泛分布（图6b）。断陷Ⅱ幕主要发育断坡型充填，地层厚度由盆地中央向两侧快速减薄，以较粗碎屑沉积为主，砂体受断层控制，沿断层展布（图7）。凹陷西部，可识别出明显的前积反射，发育三角洲或扇三角沉积。受断陷格局限制，扇三角洲以快速沉积、堆积厚度大、沉积范围小、相变快、多方向物源为主要特征。岩心上可见褐色铁质中砂岩、粗砾岩，砾石磨圆差，局部发育快速沉积的火焰状构造（图8a、b、c）。同时，断陷期火山作用频繁，火山岩、凝灰岩发育（图8d）。凹陷西南部与广海沟通，受潮汐作用的影响，以海湾—潮坪沉积为主。凹陷东部为断阶带，地形较陡，断层对沉积具有较强的控制作用，地震相多为杂乱反射，沉积体以阵发性的短轴扇三角洲和冲积扇为主（图7，图9a）。断陷期，盆地内发育扇三角洲等近物源沉积体系，储层横向变化快，非均质性强，但靠近深部成熟烃源岩，是岩性油气藏勘探的有利区带。
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图 8 东海某凹陷断陷期典型岩心照片（a）宝石组，W井，4 271.12 m，褐色铁质中砂岩；（b）宝石组，P1井，4 191.15 m，灰白色含砾砂岩，砾石定向排列；（c）宝石组，BS1井，3 805.3 m，火焰状构造；（d）宝石组，B井，4 259.32 m，火山岩；（e）平湖组下段，P1井，3 867.03 m，双黏土层；（f）平湖组下段，T1井，3 964.21 m，羽状交错层理；（g）平湖组下段，T2井，3 966.28 m，双向交错层理、波纹层理；（h）平湖组下段，P2井，3 496.87 m，透镜装层理；（i）平湖组下段，K6井，4 341.43 m，潮汐韵律层理；（j）平湖组下段，K5，4 202.89 m，煤层；（k）平湖组下段，P2井，3 388.93 m，生物扰动；（l）平湖组中上段，K5井，4 192.7 m，杂色砾岩，磨圆好；（m）平湖组中上段，G井，4 076.54 m，撕裂状泥砾；（n）平湖组中上段，J1井，4 131.66 m平行层理和土黄色硅质砾岩；（o）平湖组中上段，C井，3 506 m，板状交错层理；（p）平湖组中上段，J2井，4 125.43 m，冲刷面、底部发育泥砾。Figure 8. Photographs of typical core from a Sag in the East China Sea during rifting stage![]()
图 9 东海某凹陷断陷幕（a）与断坳幕（b）沉积模式图Figure 9. Sedimentation models of rifting episode（a）and rift-depression episode（b）in a Sag of the East China Sea2.3 断陷Ⅲ幕
断陷Ⅲ幕为断陷Ⅱ幕的继承性发育，对应始新统平湖组下段（T34- T32），是勘探开发的重点层段[18-21]。该时期断裂坡折的发育将盆地分割成隆洼相间的格局，水深较大，断裂作用在凹陷中部形成水下地垒或古隆起（图6c），对沉积充填起到阻挡作用，水下断隆阻挡了西部的沉积物进一步往凹陷中央搬运，大量砂体沿断隆西侧展布，东侧主要以泥岩为主（图7）。在西部斜坡带内侧，水动力以垂直岸线的潮流作用为主，加之凹陷两侧短轴物源的影响，西部斜坡带主要发育受潮汐影响的三角洲、河口湾等沉积相，并在其前端发育辐射状的河口湾型砂脊（图9a）。岩心观察多见双黏土层、透镜状层理、波状层理等（图8e、f、g、h、i）。其中，潮上—潮间带发育煤层，可见生物扰动现象（图8j、k）。东部陡坡带主控断层对沉积具有较强的控制作用，存在东北方向的长轴物源以及东侧的短轴物源[22]，盆地边缘见前积反射和杂乱反射，发育扇三角洲沉积。
2.4 断坳幕
断坳幕对应始新统平湖组中上段，断层对沉积的控制作用减弱，地层超覆于西部海礁隆起上，断裂两侧地层厚度差异减小，向西逐渐抬升剥蚀，而非断层上下盘的差异剥蚀（图6d，图7）。相比断陷幕，断坳幕地势差异变小，物源供给充足，盆地与南部海域沟通变强且水深变浅，凹陷内部以平行岸线的潮流作用为主。受此影响，主要发育非对称三角洲，并且三角洲前缘沉积物被搬运改造，发育大规模的陆架型潮汐砂脊（图9b）。
该时期，东西两侧三角洲体系向凹陷中央推进较远，潮间带范围明显扩大。三角洲平原分流河道可见杂色砾石、泥岩撕裂等现象（图8l、m、n），三角洲前缘水下分流河道可见板状交错层理、平行层理以及冲刷面（图8n、o、p）。潮汐作用对三角洲输送的砂泥进行改造和重新分配，在凹陷中央形成陆架砂脊群，地震上可见到大片条带状的振幅异常，与单个砂脊形态相对应[23]。凹陷东部可见明显前积反射（图4d），发育扇三角洲和三角洲体系。断坳幕储层富集，靠近中央洼陷带的陆架砂脊规模大、厚度大，并且顶底均被陆架泥岩包围，保存条件良好，可作为有利目标。
东海某凹陷断陷沉积逐渐扩大并向断坳沉积转化的过程中，断裂活动从剧烈到平静，地形高差从大到小，沉积体系也由早期的近源扇三角洲快速堆积演化为受潮汐影响的三角洲—潮坪沉积，进而发展成晚期的建设性三角洲、陆架砂脊体系（图9）。不同的构造阶段控制了相应沉积体系的发育，进而影响了有利相带的分布。
3. 结论
晚白垩世至始新世，凹陷经历了断陷形成、发展到消亡的完整过程，并由此形成了断陷幕次界面T40和T34，以及断陷—断坳转换面T32。上述3个界面将断陷期分为4期构造幕，分别控制不同构造阶段的沉积演化。断陷Ⅰ幕（古新统）属构造启动期，其受控于三潭断裂和白堤断裂，分布范围局限，埋深大，发育近源沉积体；断陷Ⅱ幕（宝石组）和断陷Ⅲ幕（平湖组下段）属构造强烈发育期，该阶段地层被断层错断严重，水深较大，以垂直岸线的潮流作用为主，加之凹陷两侧短轴物源的影响，西部缓坡带以受潮汐影响三角洲、潮坪为主，东部陡坡带发育扇三角洲，以快速沉积、堆积厚度大、沉积范围小、相变快为主要特征；断坳幕（平湖组中上段）则代表构造萎缩期，地层开始向坳陷沉积转换，盆地与南部海域沟通变强且水深变浅，凹陷内部以平行岸线的潮流作用为主，发育大规模非对称性三角洲和陆架潮汐砂脊等，储层最为富集，是有利的储集相带。此外，断陷幕发育扇三角洲等近源沉积体，靠近深部成熟烃源岩，是岩性油气藏发育的有利区，也是未来深层勘探的重点。
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图 3 文昌A凹陷断裂组合类型
a. 阶梯状断层与Y形断层组合类型，b. X形共轭断层组合类型，c. 负花状断层。
Figure 3. Fault systems in the Wenchang A asaag
a. combination type of stepped faults and Y-shaped faults，b. type of X-shaped conjugate fault assemblage，c. negative flower-like fault.
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图 4 相干切片及断裂平面组合分布
Figure 4. Distribution of coherent slices and fracture planes combination
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