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南海北部大陆边缘深水盆地成因机制与油气资源效应

何家雄 李福元 王后金 赵斌

何家雄, 李福元, 王后金, 赵斌. 南海北部大陆边缘深水盆地成因机制与油气资源效应[J]. 海洋地质前沿, 2020, 36(3): 1-11. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.213
引用本文: 何家雄, 李福元, 王后金, 赵斌. 南海北部大陆边缘深水盆地成因机制与油气资源效应[J]. 海洋地质前沿, 2020, 36(3): 1-11. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.213
HE Jiaxiong, LI Fuyuan, WANG Houjin, ZHAO Bin. Genetic Mechanism of Deepwater Basins and Their Effects on Oil and Gas Resources on the Continental Margin ofthe Northern South China Sea[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(3): 1-11. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.213
Citation: HE Jiaxiong, LI Fuyuan, WANG Houjin, ZHAO Bin. Genetic Mechanism of Deepwater Basins and Their Effects on Oil and Gas Resources on the Continental Margin ofthe Northern South China Sea[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(3): 1-11. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.213

南海北部大陆边缘深水盆地成因机制与油气资源效应

doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.213
基金项目: 

南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项 GML2019ZD0207

南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项 GML2019ZD0208

国家重点研发计划 2018YFC0310000

详细信息
    作者简介:

    何家雄(1956-), 男, 博士, 岗位教授, 主要从事海洋油气地质与资源评价研究. EGmail:hejx@gig.ac.cn

  • 中图分类号: P744;P618.13

Genetic Mechanism of Deepwater Basins and Their Effects on Oil and Gas Resources on the Continental Margin ofthe Northern South China Sea

图(2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-05
  • 刊出日期:  2020-06-30

南海北部大陆边缘深水盆地成因机制与油气资源效应

doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.213
    基金项目:

    南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项 GML2019ZD0207

    南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项 GML2019ZD0208

    国家重点研发计划 2018YFC0310000

    作者简介:

    何家雄(1956-), 男, 博士, 岗位教授, 主要从事海洋油气地质与资源评价研究. EGmail:hejx@gig.ac.cn

  • 中图分类号: P744;P618.13

摘要: 

南海北部陆缘深水油气及天然气水合物等多种资源分布及资源潜力与其深部地壳岩石圈结构构造特征,尤其是地壳浅表层沉积盆地类型及成盆机制等存在时空耦合配置关系及成因联系,亦是目前油气及水合物地质勘探研究调查部门和学术界重点关注领域。基于海洋地质调查地质地球物理资料和油气勘探开发成果,综合分析了南海北部陆缘深部岩石圈地壳结构构造特征,借鉴陆缘伸展地壳拆离薄化新模式的理念,阐明深部地壳结构构造特征与深水盆地的时空耦合配置关系,进而揭示了深水盆地成因及其与深水油气及水合物成藏等的成因联系及资源效应;预测陆坡-洋陆过渡带深水及超深水盆地油气资源潜力与勘探前景优于陆架浅水盆地,且水合物资源潜力巨大,是我国海洋油气勘探可持续发展与油气储量接替的重要战略选区。

English Abstract

何家雄, 李福元, 王后金, 赵斌. 南海北部大陆边缘深水盆地成因机制与油气资源效应[J]. 海洋地质前沿, 2020, 36(3): 1-11. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.213
引用本文: 何家雄, 李福元, 王后金, 赵斌. 南海北部大陆边缘深水盆地成因机制与油气资源效应[J]. 海洋地质前沿, 2020, 36(3): 1-11. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.213
HE Jiaxiong, LI Fuyuan, WANG Houjin, ZHAO Bin. Genetic Mechanism of Deepwater Basins and Their Effects on Oil and Gas Resources on the Continental Margin ofthe Northern South China Sea[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(3): 1-11. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.213
Citation: HE Jiaxiong, LI Fuyuan, WANG Houjin, ZHAO Bin. Genetic Mechanism of Deepwater Basins and Their Effects on Oil and Gas Resources on the Continental Margin ofthe Northern South China Sea[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(3): 1-11. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.213
    • 南海是东南亚陆缘具有典型大洋地壳的最大边缘海,由于处在欧亚、印-澳及太平洋-菲律宾三大板块汇聚区之特殊大地构造位置,故其大陆边缘新生代盆地在我国含油气盆地中具有特殊的重要性和战略地位。鉴此,本文以南海北部陆缘为代表,重点对其深水盆地深部地壳岩石圈结构构造特征及成因机制与资源效应等进行分析探讨。

      长期以来南海北部陆缘油气勘探及研究均主要集中在陆架浅水区,海洋地质调查虽然涉及范围较广,但亦是陆架浅水区及周缘的地质调查及勘查研究程度相对较高。据不完全统计,迄今为止在南海北部主要盆地已勘探发现油气田及含油气构造119个(含6个深水气田),其中,在生产油气田65个(油田48个、气田17个)。油气总产量自2010年以来,一直保持在2 300万t油当量/年左右的油气产能,且这些油气田群均主要分布于陆架浅水区,在南海北部基本上构成了“北油南气”的油气分布格局[1-2]。然而与南海北部陆架浅水区相邻的广阔陆坡及洋陆过渡带深水区(水深300/500 m~4 000 m),其油气勘探及研究程度较低,虽然近年来深水油气勘探及天然气水合物勘查均获得了重大突破和长足进展,先后陆续勘探发现了6个大中型气田和3个储量规模相当于大气田的天然气水合物矿藏,探明油气储量规模达4.0亿t左右油当量。总体上,深水区油气资源潜力大,但油气勘探及研究程度均非常低,属于尚待深入开拓的我国海洋油气勘探可持续发展及海洋油气资源滚动接替的重要战略选区,亟需加快勘探及研究步伐,加大深水油气及水合物勘探开发与研究力度[3]。因此,对于南海北部陆缘深水区的区域构造地质条件及深部地壳岩石圈结构构造特征与地壳浅表层沉积盆地类型及成盆机制的时空耦合配置关系,以及与深水油气及天然气水合物等常规与非常规油气资源相关性及其成因联系等研究,毋容置疑是目前油气产业界和学术界的焦点及热点问题。鉴此,本文将以海洋地质调查地质地球物理资料解释和油气勘探开发中积累的成果资料分析为基础,结合部分探井资料,综合分析研究南海北部陆缘深部岩石圈地壳结构构造单元的基本地质特征,借鉴陆缘伸展地壳拆离薄化新模式的理念[4],阐明其深部地壳结构构造特征与浅表层沉积盆地尤其是深水盆地的时空耦合配置关系,进而揭示深水盆地成因机理及其与深水油气及水合物成藏等的成因联系及其资源效应。

    • 南海周边陆缘从陆架浅水区到陆坡深水区及洋陆过渡带均发育有众多不同类型的大中型沉积盆地,其油气资源分布及资源潜力与不同成因类型盆地沉积充填特点及展布规模,尤其是深部地壳结构构造特征等存在成因联系及相关性。限于目前掌握的地质地球物理资料及研究程度,笔者以南海北部陆缘为研究区,根据该区地球物理资料处理解释所获最新成果,重点围绕其陆缘深部地壳岩石圈结构及不同构造单元地质特点、地壳厚度与地壳性质的区域演变过程等基本地质特征进行初步分析探讨。

    • 在南海北部陆缘正常陆壳与正常洋壳之间,地壳岩石圈总体上主要表现为由陆向海的楔状体和楔形薄化的形态特征,且地壳岩石圈表层发育了一系列规模不等的H地块、大型拆离断层、伸展外来体和边缘高地等丰富多彩的构筑陆缘地壳结构的特殊地质体[5]。依据南海北部陆缘地壳岩石圈厚度变化、地壳拉伸程度和盆地结构构造特征,从陆缘区到中央洋盆方向,自北而南可以将其陆缘地壳岩石圈划分为近陆缘区的近端带、远陆缘区的细颈化带、远端带和洋陆转换带(OCT)4个主要构造单元[6]

      其中,近端带为第1个陆缘地壳岩石圈结构构造单元。其靠近南海北侧的华南大陆及周缘物源区,古珠江三角洲物源供给体系和古红河三角洲物源供给体系是其主要的物源供给区,亦即近端带处在靠近华南陆缘区的浅水陆架区范围,故其物源输送供给充分,该区地壳厚度(即基底之下地壳厚度,以下均同)较厚,一般均在32 km左右,基本上接近华南大陆地壳平均厚度。在浅水陆架区的珠江口盆地北部珠一坳陷和琼东南盆地北部隆起及坳陷带地壳厚度有所减薄,属于减薄型陆壳,故其地壳厚度为20~32 km,地壳拉伸系数 < 1.3[5-6]。在其上覆地壳浅表层(盆地基底以上)则往往形成了以陡倾正断层为边界断层所控制形成的地堑或半地堑盆地群,且古近系裂陷期沉积充填的陆相沉积厚度大,新近系裂后海相坳陷期沉积充填较薄,即以裂陷期湖相沉积充填为主而裂后期的海相沉积物较薄甚至缺失。南海北部陆缘近端带构造单元展布面积较大,包括珠江口盆地北部珠一和珠三坳陷及东南部潮汕坳陷和台西南盆地北部、琼东南盆地北部隆起及坳陷带和南部隆起区等。

      从陆缘区向洋盆方向自北而南的第2个陆缘地壳岩石圈结构构造单元为细颈化带。该带分布于从陆架坡折带开始到外陆坡深水区的广大区域,由陆坡向南部中央洋盆方向,由于南海北部陆缘深部地壳厚度,在该区域急剧变化减薄到20~10 km,故其地壳拉伸系数迅速增大为1.5~3.0[5-6],且地壳莫霍面大幅度抬升并向陆缘倾斜非常明显,其倾角达到35°。此区域即为南海北部陆缘深部地壳从陆坡深水区始向洋盆延伸的第2个结构构造单元——细颈化带。该带以“上凹型”大型拆离断层发育为其最突出特点,且局部可见到中地壳岩石剥露现象。该时期断陷盆地形成演化与沉积充填规模及展布,虽然早期亦受陡倾正断层控制发育一些半地堑断陷盆地,但中晚期均主要受控于拆离断层活动及发育演化过程影响,亦即大型拆离断层控制了主裂陷期的沉积充填及断陷盆地的发育展布。这种拆离断陷盆地展布规模较大,不仅裂陷期盆地陆相沉积充填厚,而且盆地裂后期海相坳陷沉积亦比较厚[7],其构造变形样式具有从近端带的小幅度掀斜断块向大幅度旋转的拆离断块转变的特点。珠江口盆地中南部白云凹陷和琼东南盆地东南部长昌凹陷及西南部乐东-陵水凹陷等即是发育在深部岩石圈细颈化带地壳之上的较典型且规模较大的拆离断陷盆地。

      第3个陆缘地壳岩石圈结构构造单元即远端带,其处在下陆坡之外沿洋盆方向到洋陆过渡带内侧之范围。根据任建业等[6]研究,该构造带地壳拉伸强烈,地壳厚度相对较薄(<10 km),地壳拉伸系数(>3.0)总体大于细颈化带。该区域通常出现强烈活动的大型伸展拆离断层[7];同时,伸展外来体和剥离地体等也是该带较普遍的构造类型。在这一区域地壳上部形成的浅表层盆地以饥饿型海相沉积充填为主,但是沉积充填弱。例如,位于北部陆坡的琼东南盆地东南部长昌凹陷与珠江口盆地南部深水区荔湾凹陷是陆缘远端带单元所形成的断陷盆地,其沉积充填规模相对较小,且属于欠补偿沉积。

      第4个陆缘地壳岩石圈结构构造单元即洋陆过渡带(OCT)。该带处于远端带之外向中央洋盆过渡的超深水区,其内侧与远端带衔接而外侧则与中央深海洋盆相连。橄榄岩蛇纹石化地幔是洋陆过渡带典型特征所组成[8]。虽然目前南海北部陆缘的这种OCT尚未被IODP钻探所证实,但通过南海北部陆缘至中央洋盆及西南次海盆不同地震剖面分析解释与推测[9-11],该区的OCT带具有明显的成分莫霍面和地震莫霍面即所谓的“双莫霍面”特征,表明其存在的可能性较大。尚须强调指出,南海北部陆缘OCT宽度较窄,据地质地球物理资料解释及推测表明,莫霍面附近组成不仅包含有蛇纹石化橄榄岩地幔,还有可能出现由强烈的岩浆侵入体及基底杂岩形成的边缘高地[6]

    • 众所周知,岩石圈系统中的莫霍面、康拉德面等重要地质地球物理界面,盆地结晶基底及大型断裂系统是划分地壳岩石圈结构与表征其构造特征的重要标志及依据。任建业等[6]在分析南海北部陆缘基底岩石地球物理特征基础之上,通过统计地球不同圈层岩石密度,提出以3.3 g·cm-3的密度界面作为划分莫霍面(Moho)的标准,而以2.65 g·cm-3作为划分康拉德界面的重要依据。同时,利用重磁震联合反演方法确定了地壳、上地壳及下地壳的深度和厚度,然后通过有效的深反射长电缆地震反射资料及权威的地壳速度等资料校正核实了这些数据[6]。根据以上分析划分原则及判识依据,结合地震地质解释及重磁反演结果,南海北部陆缘地壳厚度总体变化特征及地壳薄化趋势是:处在近陆缘的陆架浅水区即近端带岩石圈地壳较厚,一般为22~30 km;其中位于该区域内的珠江口盆地珠一坳陷及珠三坳陷属于减薄型陆壳,地壳厚度较薄,为22~24 km;而离陆缘较远的珠江口盆地南部珠二拗陷及台西南盆地南部中部坳陷陆坡深水区即细颈化带岩石圈地壳厚度较薄,一般在20 km以下;在远端带及OCT区域,地壳因强烈薄化而进一步减薄,其厚度薄至10 km以下;往南再到3 km以下的深海中央洋盆区,则其地壳厚度进一步减薄至5 km左右,属于典型大洋地壳。总之,从近陆缘区向远陆缘区中央洋盆方向,南海北部陆缘自北而南具有明显的地壳薄化的区域演变特点,具有地壳性质逐渐转变,地壳厚度大幅度减薄特征,尤其是在陆坡深水区-洋陆过渡带超深水区的细颈化带及远端带和OCT区域,其地壳强烈薄化的特点更加突出,进而在该区形成了展布规模大沉积充填厚且受控于拆离断层的大型宽深断陷盆地,如陆坡深水区的珠江口盆地白云凹陷和琼东南盆地中央坳陷带西南部的乐东-陵水凹陷及华光凹陷等。另外,南海北部陆缘地壳厚度变化还有一个重要特点,在深水-超深水区域,从近陆缘到远陆缘的中央洋盆方向,自北而南,地壳厚度变化可大致划分为3个地壳薄化带,并且表现出向海拓展、向陆延伸的特征[6]。①中部薄化带,主要分布在北部陆坡中段珠江口盆地南部深水区白云-荔湾凹陷区域,地壳厚度等值线呈U型向陆方向内凹,地壳薄化区宽度达到250 km,并且具有2条分别向东和向西延伸的薄化带分支。②向西方向薄化带,其表现为近EW向或NEE向延伸主要经鹤山凹陷及西沙海槽与北部陆坡西段琼东南盆地中央坳陷带相连,最终地壳薄化带长度达到约500 km;③向东方向薄化带,其通过靖海凹陷NEE向狭窄的地壳薄化带之后,开始与位于北部陆坡东段的台西南盆地发育区形成的宽阔地壳薄化区相连接。

    • 南海北部陆缘深水盆地(水深>300/500 m)主要分布于陆坡-洋陆过渡带乃至洋盆周缘,其深部地壳结构处在南海北部陆缘细颈化带和远端带及洋陆过渡/转换带(OCT)构造单元,水深范围多处在500~4000 m的广大区域,其中OCT带基本对应4 000 m水深线。这一区域也构成了现今深水及超深水盆地区域常规油气及天然气水合物资源勘查区。南海北部陆缘深水及超深水盆地分布区,其西部边界以莺歌海盆地1号断层为界,向东进入2号大型拆离断层所控制的琼东南盆地南部中央坳陷带深水区,其深部岩石圈地壳是一个较显著的近EW向延展的地壳薄化带,从构造上看,该薄化带由3条弧形次级断裂所构成的2号拆离断层带所控制[5-6]。该拆离断层带总体南倾,产状上陡下缓,向下最终可能汇聚到沿莫霍面形成的主滑脱带之上。受控于此构造条件,2号拆离断层控制了该区一系列断陷盆地形成,最终形成了大致自西向东展布的由华光凹陷,乐东-陵水凹陷,松南-宝岛凹陷和长昌凹陷等组成的大型断陷群(亦称拆离断陷群)。陵水凹陷和松南-宝岛凹陷的构造样式主要表现为“北断南超”的大型拆离断层控制的滚动背斜,同时这几个凹陷也是琼东南盆地中央坳陷带主要的生烃凹陷,为大型天然气田的供烃来源。陵南低凸起区构成了乐东-陵水凹陷及松南-宝岛凹陷过渡带,其主要构造样式为受控于北部2号断裂带及南部北礁凹陷边界铲式断裂的双向滑动背斜,该区域也是目前深水油气及天然气水合物聚集区,获得较多油气及水合物发现。往东从松南-宝岛凹陷再到长昌凹陷,则转变为与上述几大凹陷结构构造相反的“南断北超”大型拆离断陷,且南部发育的控凹边界断裂一般表现出由多条正断层组成的阶梯式结构。再向东通过西沙海槽即进入珠江口盆地鹤山凹陷和白云-荔湾深水凹陷区,该区相对西部狭窄的地壳薄化带(琼东南盆地中央坳陷带深水区),其深部地壳薄化带显著变宽,任建业等[6]研究成果表明,该区深部地壳主要表现为陆条构造特点,形成大型凹陷,主要有被云荔凸起所控制并分隔的“北断南超”的荔湾凹陷及“南断北超”的白云凹陷。由此向东,深水区逐渐变窄,然后进入同样由中部陆条分隔及拆离断层控制形成的兴宁凹陷与靖海凹陷,凹陷结构及构造样式与西部邻区的白云-荔湾凹陷非常类似,但是规模更小。再向东,即进入北部陆坡深水区台西南盆地;依据地震剖面研究分析,盆地深部表现为较宽的地壳岩石圈地壳薄化区,发育较明显的拆离断层,并存在莫霍面抬升变浅特征及可能的地幔剥露现象。由台西南盆地继续向东则到达南海北部陆缘深水及超深水盆地群发育展布的东部边界,即马尼拉海沟俯冲带和台湾弧陆碰撞缝合线一带。最终,在南海北部陆缘形成了一个展布于南海北部浅水陆架区以南自西而东分布的深水及超深水盆地群,其展布规模达13万km2

      总之,南海北部陆缘深水及超深水盆地群主要展布于细颈化带及远端带和洋陆过渡带乃至洋盆区周缘。深水盆地形成演化及其分布均主要受控于大型拆离断层活动及发育演化特征与展布特点。尚须强调指出,南海北部陆缘深水区由拆离断层控制的大型断陷盆地群的认识突破了传统断陷盆地的“半地堑”理论认识,即南海北部所发育的浅水与深水盆地均为陡倾正断层控制形成的地堑、半地堑及复合地堑盆地群的传统认识。与近陆缘区陆架浅水“半地堑”断陷盆地相比,远陆缘区为大型拆离断层控制形成的深水及超深水盆地,其深部地壳结构构造特征与其浅表层盆地沉积充填特点的时空耦合配置关系等具有明显差异,远陆缘区重要的地质地球物理特征及构造地质意义为:①深水/超深水盆地发育区主要分布于地壳岩石圈细颈化带,远端带和洋-陆过渡转换带(OTC);②深水及超深水盆地深部地壳下伏莫霍面和软流圈顶面强烈抬升,其地壳强烈减薄,地壳厚度非常薄,故具有比陆缘区及陆架浅水区高得多的高地温场及高热流背景,因此有利于有机质成熟演化生烃,且控制影响了深水区油气分布及烃类产出类型,均主要以天然气资源为主;③由于以莫霍面为主拆离滑脱面之大型拆离断层系统控制形成的拆离断陷沉积与其深部细颈化带及远端带和OCT等地壳结构构造单元的时空耦合配置关系,故在深水区形成了沉积充填及展布规模巨大的深水及超深水盆地或坳陷。亦即地壳深部岩石圈细颈化带及远端带和OCT展布特征,以及大型拆离断层发育演化控制了地壳浅表层深水沉积盆地展布规模及分布特点,进而决定和控制了深水油气及水合物等多种资源形成分布与资源潜力大小。

    • 南海北部陆缘深水盆地构造沉积充填规模及展布特点,是深水油气及天然气水合物等资源形成的物质基础和基本地质条件。南海北部陆缘深水-超深水盆地由于处在陆坡-洋陆过渡带及洋盆周缘所特定的细颈化带-远端带之特殊的地壳岩石圈位置,其与近陆缘陆架浅水区盆地所在的近端带之地壳岩石圈构造单元相比,深水及超深水盆地构造沉积充填规模及展布特点与陆架浅水盆地存在明显差异(图 1)。其中,南海北部陆缘浅水陆架盆地,与中国东部典型断陷盆地构造沉积及充填特点基本一致,均具有以破裂不整合为分界面的“断-坳”双层结构,即主要由裂陷期及拗陷期形成的2个巨型构造层组成。其中,裂陷期大量发育高角度板式或犁式正断层,不仅规模大并且作为边界断层通常控制了裂陷期半地堑、地堑及复式半地堑等构造样式的发育演化。裂后拗陷期,构造活动减弱,以热沉降为主,多发育不受断层控制的蝶形坳陷,沉积充填窄而深,形成系列受边界主断裂控制的箕状断陷,控凹断层控制了沉降沉积中心分布,并且造成不同次级洼陷之间出现较强的分隔性,形成多凸多凹分布格局。典型实例如珠江口盆地北部浅水区珠一坳陷及珠三坳陷(图 1)和琼东南盆地北部浅水区的崖北凹陷及崖南凹陷,地震剖面揭示的凹陷结构均属于高倾正断层控制形成的地堑及半地堑和一些次级洼陷,其沉积充填物以裂陷期湖相沉积为主,裂后海相沉积较薄,盆地总体沉积充填规模相对较小(图 2)。因此该区油气及大中型油气田的烃源供给系统均主要来自裂陷期形成的始新统湖相烃源岩。南海北部远离陆缘的陆坡-洋陆过渡带深水盆地,由于处于细颈化带及远端带的地壳岩石圈强烈薄化区,控凹断层主要由大型拆离断裂所组成,由于多组上陡下缓的犁式断层向下汇聚到同一大型拆离面,故构成了倾向大陆的大型拆离断裂系统,进而控制了凹陷构造样式和沉积充填规模及展布。如珠江口盆地南部陆坡深水区白云凹陷和琼东南盆地西南部乐东凹陷沉积充填规模及展布特点即是其典型实例。这种大型宽深断陷的沉积充填规模巨大,坳陷面积近万平方千米,基底最大深度超过万米亦即其上覆沉积充填厚度超过万米以上[12]。裂陷早期凹陷结构以大型复式半地堑为主,裂陷晚期则为断拗式结构(早断晚拗)特征,形成了具有同一沉积中心的大型碟形拗陷(图 2),进而为大型三角洲含煤岩系-湖相烃源岩形成发育奠定地质基础,亦为深水油气及天然气水合物资源提供了充足的烃源供给条件。

      图  1  南海北部陆缘地壳岩石圈结构与地壳浅表层盆地展布规模及时空耦合配置关系(据文献[2]修改)

      Figure 1.  Sturcture of the crust and distribution of the crustal shallow basins in the northern South China Sea (modified after reference [2])

      图  2  南海北部陆缘西部浅水陆架区半地堑盆地与深水陆坡区拆离断陷盆地展布规模对比(据文献[25]修改)

      Figure 2.  Comparison of the distribution scale of the detached rift basins in the deepwater slope area and the half graben basins in the shallow water continental shelf on the western continental margin of the northern South China Sea (modified after reference [25])

    • 前已论及,根据南海北部陆缘深部地壳岩石圈结构构造特征与地壳厚度及性质,尤其是莫霍面深度等参数,由北向南从陆缘区到中央海盆的变化规律及特点,可以将其划分为华南陆缘正常陆壳(厚30~32 km)物源区、邻近华南陆缘陆架浅水区减薄型陆壳(20~32 km)即近端带、深水陆坡薄化型陆壳(20~15 km)即细颈化带和陆坡-洋陆过渡带混合型地壳(15~6 km)即远端带及OCT。南海北部深水及超深水盆地(水深为500~4 000 m)位于陆坡深水区及洋陆过渡带乃至洋盆超深水区,其深部地壳岩石圈结构构造单元均属于细颈化带及远端带和洋陆过渡带(OCT),因此,其与近陆缘的近端带陆架浅水区盆地(水深 < 500 m)相比,具有地壳薄、地壳性质递变、莫霍面浅、地壳强烈薄化等显著特点,且剖面上由陆向海地壳厚度总体上呈楔形体变薄或尖灭。正是在这种深部地壳岩石圈结构构造之特殊构造位置的地质背景下,造成了其深水及超深水盆地成因机制与陆架浅水盆地存在明显差异。根据南海北部陆缘陆坡及洋陆过渡带深水及超深水盆地展布与其下伏深部地壳岩石圈薄化演变过程的时空耦合配置关系,可以综合判识确定南海北部陆缘深水及超深水盆地形成演化,主要经历了以下3个重要演化阶段及主要裂陷幕[2,13-14],与陆架浅水区盆地相比最大的差异是其所经历的以上陡下缓大型拆离断层活动为特征的强烈裂陷作用即裂陷期的第2裂陷幕,在近端带陆架浅水盆地基本上未发生或缺失。很显然,在这种地壳减薄的强烈伸展区沉积充填最厚的陆相断陷及晚期海相坳陷沉积物,构成了规模巨大的生烃凹陷(如展布规模超过万平方千米的白云凹陷和乐东-陵水凹陷及华光凹陷),进而为该区深水油气及天然气水合物资源形成,奠定了雄厚的烃源物质基础,提供了优越的油气成藏地质条件。以下重点对南海北部陆缘深水盆地形成的3个主要裂陷幕(裂陷期)进行分析阐述:

      (1)初始裂陷幕

      晚白垩世—古新世,南海北部陆缘地壳岩石圈厚度相对较大,主要发生纯剪切模式伸展构造活动,形成了以陡倾正断层为控凹边界断层所控制形成的一系列“半地堑盆地”。同时,受岩石圈结构及强度差异的控制,形成了NE向隆坳相间的展布格局。南海北部陆缘珠江口盆地北部珠一坳陷及珠三坳陷古新统神狐组杂色砂泥岩和北部湾盆地诸凹陷古新统长流组杂色及紫红色砂泥岩是这种初始裂陷幕形成的主要产物。南海北部陆缘深水区勘探程度低,受控于探井探测深度,目前尚无探井钻达该初始裂陷幕产物。

      (2)主裂陷幕(拆离控制裂陷期)

      古新世末期—始新世中晚期,南海北部陆缘深水区进入主裂陷幕活动期,由于处在细颈化带及远端带地壳强烈薄化区,该阶段以上陡下缓控制断陷盆地沉积充填的大型拆离断层活动及其发育展布为其最突出的特征。伴随地壳薄化伸展,部分区域莫霍面抬升,岩浆发生侵入而改变下地壳流变性质,地壳脆性减弱而韧性增强,导致拆离断层系统发育,部分大型拆离断层上陡下缓,向下可延伸进入地壳韧性层,控制影响了地壳岩石圈差异伸展及薄化,最终引起陆缘深水区发育的断陷展布规模及沉积充填厚度等比陆架浅水区大得多。总之,不同规模拆离断层的发育演化显著提高了南海陆缘地壳岩石圈的薄化程度,也逐渐减弱了地壳强度。同时,地壳岩石圈的伸展应变具有由陆向洋迁移的特点,并逐渐向地壳薄弱区集中,最终在南海北部陆缘形成不同规模的岩石圈减薄带,控制凹陷构造沉积充填发育演化特征与规模,普遍沉积充填了巨厚的陆相及海相沉积物,为油气及天然气水合物富集成藏奠定了物质基础。

      (3)晚裂陷幕

      始新世晚期—早渐新世晚期,南海北部陆缘深水区,在区域大规模热沉降背景下,主要形成断拗式凹陷结构及沉积充填,伴随地壳岩石圈伸展减薄过程,软流圈不断拱升,地温场及热流值亦增高,地壳韧性因此而增强并导致韧性形变为主的伸展变形。该阶段被动大陆边缘盆地沉积充填基本不受断裂控制而主要受控于大规模的海相拗陷作用,明显不同于早期的断陷结构受控于拆离断层发育演化。

      总之,南海北部陆缘深水及超深水盆地形成及其展布,除了与南海独特的三大板块汇聚及相互作用背景下的破裂扩张过程有关外,而更主要、更重要的是与其裂陷期地壳薄化过程中大型拆离断层强烈活动及其发育展布密切相关。亦即处于深部地壳岩石圈细颈化带及远端带的地壳强烈薄化区,且与上覆地壳浅表层断陷盆地中大型拆离断层活动及发育展布时空耦合配置较好,即可控制南海北部陆缘深水及超深水盆地形成及其时空展布规模。因此,大规模巨型深水盆地形成演化及展布等,均主要与深部地壳岩石圈薄化特点及地壳浅表层裂陷期大型拆离断层活动的控制影响作用密切相关,而深水油气及天然气水合物资源的富集程度及资源潜力与分布富集规律,则主要与沉积充填规模大的巨型深水盆地具有成因联系和相关性。典型实例如琼东南盆地中央坳陷带,珠江口盆地南部深水区珠二坳陷白云凹陷及台西南盆地等油气及天然气水合物赋存区。很显然,这些展布规模巨大的深大凹陷的存在,为该区深水油气及天然气水合物成矿成藏等,奠定了地质基础和较好的油气地质条件。

    • 南海北部陆缘深部岩石圈结构的分带差异演化特征表明,处于深水区受大型拆离断层控制的陆缘断陷盆地与浅水区受控于陡倾正断层的陆内断陷盆地的成盆演化过程及其展布规律等均存在明显差异。从南海北部陆缘岩石圈伸展-薄化-破裂的演化过程可知,陆架浅水区断陷盆地其下伏岩石圈伸展及地壳破裂阶段的地壳减薄程度较弱(地壳拉伸系数 < 1.3),与典型陆壳相比虽然属于减薄型地壳,但其与华南陆缘地壳厚度差异不大。因此,南海北部陆缘浅水区沉积盆地与中国东部陆相断陷盆地类似,盆地及凹陷展布规模不太大,且以古近系裂陷期沉积充填为主,新近系海相坳陷沉积较薄。古近系中深湖相烃源岩发育,构成了一套陆相烃源供给系统,而坳陷期海相沉积充填规模小,形成了一些海相储集层及其储盖组合类型。南海北部陆缘浅水区油气分布及产出,主要以大中型油气田为主,大中型气田分布及天然气产出较少[15];南海北部陆缘深水区及超深水区沉积盆地,其盆地及凹陷展布规模大,古近系陆相及海陆过渡相沉积充填物与新近系海相坳陷沉积物均较厚,但烃源供给及主要烃源岩仍然来自古近系沉积的湖相及三角洲煤系泥页岩。深水区储集层及储盖组合主要为海相拗陷期形成的不同类型深水重力流沉积之海相砂泥岩[16-17]。深水油气及天然气水合物分布及产出,则主要以大中型天然气气田和多种类型水合物为主,没有大中型油田分布及石油产出。总之,南海北部陆缘自北而南从陆架浅水区到陆坡深水区及洋陆过渡带,油气分布及产出具有“北油南气”的分布规律及特点,或具有近陆缘区即北部陆架浅水区主要富集石油资源,而远陆缘的陆坡-洋陆过渡带深水-超深水区则主要富集天然气及天然气水合物资源之规律。很显然,这种油气分布富集规律与南海北部陆缘陆架浅水盆地和陆坡深水盆地分布及其所处的深部地壳岩石圈结构及其演变特点等,均存在成因联系及相关性。深水及超深水盆地与油气资源分布富集的相关性与资源效应具体可总结为以下几点:

      (1) 南海北部陆缘深水及超深水盆地,虽然离陆缘区相对较远,但由于处在深部地壳岩石圈强烈薄化的细颈化带及远端带特殊构造位置,其地壳薄化与大型拆离断层活动及发育演化的最终结果是,形成了展布规模巨大的宽深坳陷/凹陷,如珠江口盆地南部白云凹陷和琼东南盆地西南部乐东-陵水凹陷及华光凹陷等,由于具有沉积充填的巨大可容空间,加之该区西北部古红河三角洲物源供给体系和北部古珠江三角洲物源供给体系大量输送与供给沉积物有机质,使得该区古近纪裂陷期沉积充填了巨厚的湖相及大型三角洲煤系烃源岩[12],进而为深水区天然气藏及天然气水合物资源形成与富集奠定了雄厚的物质基础。尚须强调指出,由于深水及超深水盆地古近纪裂陷期沉积充填规模及分布特征,主要受控于大型拆离断层系统的发育展布,故其裂陷期凹陷结构及沉积充填规模明显不同于浅水区。尤其是裂陷中晚期湖盆及海陆过渡相展布规模肯定远远大于陆架浅水盆地裂陷早期陡倾正断层(控凹边界断层)控制的典型半地堑箕状断陷沉积。因此,根据深水区盆地及凹陷展布规模与古近系主要烃源岩展布特征,可以判识确定和预测南海北部陆缘深水区盆地油气资源潜力大于陆架浅水区盆地。目前深水区水合物资源量预测可达800亿t油当量,而天然气资源量初步预测可达200亿t油当量,其油气资源总量明显大于近陆缘浅水区盆地。

      (2) 南海北部陆缘深水及超深水盆地下伏深部地壳岩石圈处在地壳强烈减薄的细颈化带及远端带的薄化区,地壳薄,且属于薄化型陆壳及洋陆过渡型地壳,地壳厚度仅6~20 km,由于莫霍面抬升地幔上涌,导致其地温场及大地热流偏高,明显高于陆架浅水区盆地,加之深水区古近系主要烃源岩生源母质类型亦属陆相偏腐泥混合型及海相环境形成的腐殖型或偏腐殖混合型母质,因此,受控于高热演化条件与生烃母质类型两大主要因素的制约和影响,决定了深水及超深水盆地油气等烃类产物应以天然气资源为主(包括天然气水合物)。

      (3) 南海北部陆缘深水及超深水盆地裂后期进入海相坳陷环境后,新近系物源供给系统及输送方式等即发生了改变,由断陷早期周缘(陆缘)多物源供给体系,逐渐转变为单物源供给体系,自陆向洋方向新近系地层含砂率和海相储层展布规律及特点亦明显不同。在陆架浅水区盆地多形成近陆缘/陆源以牵引流为主的沉积体系及不同类型浅水三角洲储层,而深水区盆地则形成远陆缘/陆源以重力流为主的沉积体系及不同类型重力流成因储层。珠江口盆地南部白云凹陷深水区荔湾3-1等深水气田群不同类型深水扇储层[16]和琼东南盆地西南部乐东-陵水凹陷陵水17-2等深水气田群中央峡谷水道砂储层[18-19]为其典型实例。总之,含油气储集层成因类型的差异及储盖组合不同,往往控制影响了油气分布特征及其富集程度。

      (4) 南海北部陆缘地壳伸展薄化程度的分带(段)差异和裂后阶段差异沉降,导致了深水及超深水盆地与浅水陆架盆地不同坳陷区带,由于其深部岩石圈地壳薄化程度不同,热流场与热状态及热演化史存在明显差异,其烃源岩有机质热演化程度差异颇大。大量油气勘探及探测结果均证实,南海北部陆缘盆地自北而南由陆向洋方向,其地温场及热流值随着地壳减薄及洋陆地壳性质变化等而显著升高[20-21],尤其是在深水及超深水盆地区,其热流值达到了热盆—超热盆程度。因此,深水区高地温及高热流地质背景,必然会深刻影响深水区不同坳陷区带烃源岩热演化及有机质成烃作用与储层成岩演化特征,以及储层储集物性变化等一系列基础油气地质条件,进而导致其深水及超深水盆地油气成藏地质条件及资源潜力等均明显不同于浅水陆架盆地。

      (5) 南海北部陆缘盆地油气勘探及天然气水合物勘查,长期以来均主要集中在陆架浅水区盆地或个别陆坡深水盆地局部区块,且已经取得了一些重要的油气勘探及研究成果[22-25],迄今为止勘探发现的大中型油气田及油气储量和天然气水合物资源主要分布于这些区域,目前已建成了2 300万t左右油当量的年生产能力,油气勘探开发程度已达到了一定水平(虽与陆域油气勘探相比,其勘探开发程度尚低)。然而,南海油气(含水合物)勘探开发可持续发展战略选区/潜力区在哪里?油气增储上产及保持稳产高产的滚动勘探靶区及战略目标在何处?这些都是需要油气地质勘探专家认真考虑和深刻思考的现实问题。笔者通过对南海北部陆缘深部地壳岩石圈结构及分布特点,以及与地壳浅表层沉积盆地形成分布的时空耦合配置关系的初步分析研究表明,南海北部陆缘深水及超深水盆地,由于处在远离陆缘区的深部岩石圈强烈薄化的细颈化带及远端带特殊构造位置,其古近系沉积充填及展布规模大,地温场及热流值高有利于有机质成烃生气,具备了较好的基础油气地质条件,完全可以作为海洋油气勘探可持续滚动发展及油气资源不断补充挖潜的重大突破区和新的勘探领域。虽然深水油气勘探及水合物勘查目前已在该区局部区域获得突破和重大进展,但大规模向深水及超深水盆地进军和拓展油气勘探和水合物勘查新领域,尚须进一步加大油气勘探及研究力度,重点聚焦和开拓探索深水及超深水处在陆坡-洋陆过渡带盆地乃至部分洋盆区,深刻认识和刻画其深部地壳岩石圈结构及演变特点及其与浅表层沉积盆地油气及水合物资源的成因联系与相关性,进而为国家勘探开发海洋深水多种资源提供可靠的地质依据与重要的基础研究成果。

    • 通过南海北部深水盆地成盆机制与油气资源效应的分析研究,可以获得以下3点结论与认识:

      (1) 南海北部陆缘深水—超深水盆地类型及结构型式,属于大型拆离断层控制的拆离断陷盆地,其与近陆缘的陆架浅水断陷盆地主要受控于陡倾正断层的“半地堑”结构样式差异明显。由于其处在远陆缘区深部岩石圈地壳细颈化带及远端带和洋陆过渡带的构造位置,且与地壳浅表层受控于拆离断层的断陷盆地时空耦合配置较好,故这种类型的深水及超深水盆地具有巨型宽深断陷结构且沉积充填厚展布规模大、深部地壳薄地温场及热流值高等基本地质特点,具备了形成深水油气及天然气水合物的较好基础油气地质条件。

      (2) 南海北部陆缘深水及超深水盆地成因机制与相邻的陆架浅水区断陷盆地明显不同。近陆缘区的陆架浅水断陷盆地,处在深部地壳岩石圈近端带构造位置,属于陆壳及减薄型陆壳,其地壳相对较厚,沉积充填以裂陷期古近系陆相沉积为主,裂后热沉降海相坳陷沉积较薄,虽然物源供给丰富但总体沉积充填厚度较薄,盆地及坳陷展布规模均相对较小。加之盆地沉积基底之下地壳较厚地幔软流圈热效应较弱,故地温场及热流值较低。因此古近系烃源岩有机质热演化生烃主要以大量石油产出为主。远陆缘区的深水及超深水盆地,处于深部地壳岩石圈细颈化带及远端带和洋陆过渡带位置,受大型拆离断层控制形成了展布规模颇大的断陷盆地,由于处在深部地壳岩石圈强烈薄化区,地壳薄地温场及热流值高,加之由于拆离断层控制的断陷盆地展布规模大,虽然其远离陆缘区,但沉积充填规模仍然较大,具备了较好油气地质条件。由于受深水区高地温场和海相陆源偏腐殖型烃源岩之“源热”因素所控制,故深水区烃源岩有机质热演化生烃主要以产大量天然气为主,其是目前深水油气勘探发现的大中型气田的主要烃源和部分天然气水合物的主要气源。

      (3) 根据南海北部陆缘深水及超深水伸展拆离断陷盆地成因机制与沉积充填特点及展布特征,尤其是与相邻陆架浅水区半地堑断陷盆地油气地质条件的差异,可以综合判识预测陆坡-洋陆过渡带深水及超深水盆地油气资源规模及资源潜力与勘探前景,均明显优于陆架浅水盆地,且其油气资源类型及产出的烃类物质更加丰富,不仅具有丰富的以天然气为主的深水油气资源,而且其非常规天然气——天然气水合物资源潜力亦巨大。因此,该区应是我国海洋油气勘探可持续发展与油气储量接替及油气资源潜力持续增长的重要战略选区和靶区。

参考文献 (25)

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