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陸緣深水盆斷層成因論文
多邊形斷層(polygonalfaults)是一種發育在深水盆地淺部地層中具有層控、斷距小、平面呈多邊形展布特征的小型伸展斷層[1]。Cartwright[2]通過3D地震資料在北海盆地深水區首次發現了這種斷層。迄今為止，世界上近60個深水盆地發現了多邊形斷層的存在。國內深水盆地多邊形斷層的研究還處在初期階段。吳時國等[3]在瓊東南盆地華光凹陷發現了多邊形斷層的存在。孫啟良等[4-5]利用3D地震資料描述了瓊東南盆地華光凹陷多邊形斷層的地震幾何特征，并探討了其形成機理以及對油氣運移的意義。多邊形斷層的研究具有重要的油氣意義和科學意義，一方面多邊形斷層作為流體運移通道有利于深水油氣運移、水合物成藏;另一方面，多邊形斷層多形成在超壓環境中，對深水超壓地層的研究具有重要意義。但前人的研究受限于低分辨率的2D地震資料，缺少鉆井資料，研究范圍較小，對多邊形斷層形成機理的推斷缺少足夠的證據。筆者基于南海北部陸緣高分辨率3D地震數據，系統刻畫了南海北部深水盆地中新統多邊形斷層的形態特征和分布規律，尤其白云凹陷和北礁凸起多邊形斷層為國內首次研究。筆者著重分析了珠江口盆地白云凹陷多邊形斷層的形成機理。瓊東南盆地長昌凹陷和北礁凸起多邊形斷層受外界復雜構造作用和砂泥沉積環境影響，對其成因進行了初步分析，但由于缺少鉆井資料，該地區多邊形斷層的成因還需要更深入的研究。
1地質背景
南海北部大陸邊緣發育了水深1000~3000m的深水盆地(圖1、圖2)。珠江口盆地的白云凹陷是南海北部陸坡最大的一個深水盆地，經歷了古近紀的裂陷期和中新世以來的裂后熱沉降期。23.8Ma時的白云運動導致凹陷發生劇烈沉降，相對海平面大幅度上升[6]，發育了下中新統淺海陸架-半深海泥巖沉積，中中新統韓江組、上中新統粵海組半深海—深海泥巖沉積[7-8]。瓊東南盆地受南海擴張、紅河斷裂及太平洋板塊構造應力場影響，發育了NE、近EW和NW向的三組斷裂[9]。瓊東南盆地主要分為裂陷期和拗陷期，其中早中新世—中中新世發生區域熱沉降，中新統三亞組、梅山組、黃流組發育了淺—深海相泥巖沉積[10-11](圖2)。
2多邊形斷層幾何特征
伸展長度小、間距小和斷距小的特征決定了多邊形斷層的識別需要高分辨率的3D地震數據。3D地震數據的層拉平相干切片技術是識別多邊形斷層最簡單有效的方法。多邊形斷層各參數的統計建立在(層拉平)相干切片和地震剖面基礎上，統計一定范圍內斷層參數。統計范圍的選擇盡量避免了構造斷層、底辟、氣煙囪的影響，并剔除了統計范圍內的構造斷層。
2.1珠江口盆地白云凹陷多邊形斷層幾何特征珠江口盆地白云凹陷中南部發育近2500km2的多邊形斷層[圖3(a)]。多邊形斷層發育在17.5~21Ma的下中新統珠江組中部泥巖地層[圖3(b)]。過T50(SB18.5Ma)的層拉平相干切片顯示，多邊形斷層長度100~1400m、斷層間距200~900m、斷距10~30m，斷層密度4~6條/km。平面上斷層方向不規則，呈多邊形[圖4(a)]。該地區發育了泥底辟、氣煙囪構造和流體泄漏造成的大范圍的振幅空白帶和強振幅反射[圖3(a)]。振幅空白帶掩蓋了下中新統多邊形斷層的反射信息，因此多邊形斷層的分布范圍應該更廣。穿過多邊形斷層的氣煙囪、泥底辟等流體滲漏現象表明深部地層曾存在異常高壓。
2.2瓊東南盆地華光凹陷多邊形斷層幾何特征瓊東南盆地華光凹陷多邊形斷層主要發育在T30~T50(SB5.5~15.5Ma)之間的黃流組下部和梅山組上部[圖5(b)]。斷層長度100~1000m，斷層間距40~800m，斷距10~40m，斷層密度3~5條/km[圖4(b)]。多邊形斷層的走向不規則[圖4(b)]，層拉平相干切片上呈多邊形[圖5(a)]。與南海北部其他地區相比，華光凹陷多邊形斷層發育了上下兩套。其中下套多邊形斷層中有些斷層延伸到底辟的頂部[圖5(b)]。
2.3瓊東南盆地長昌凹陷多邊形斷層幾何特征瓊東南盆地長昌凹陷高密度的多邊形斷層發育于整個研究區(圖6)。出現在T40~T60(SB10.5Ma~SB23.3Ma)的三亞組和梅山組。與白云凹陷和華光凹陷不同，長昌凹陷多邊形斷層走向主要集中在近NW和EW向[圖4(c)]。這些微小斷層NW向長度600~1300m，EW向長度200~500m，斷層間距200~500m，斷距10~50m，斷層密度3~4.5條/km。T40~T60間的地層發育了漸新統繼承性的NW向構造斷層[圖6(a)黑色曲線表示]。此外斷層受底辟影響嚴重，底辟兩側斷層傾向方向相反。斷面上下的斷塊也發生撓曲變形[圖6(b)]。
2.4瓊東南盆地北礁凸起多邊形斷層幾何特征瓊東南盆地北礁凸起多邊形斷層主要分布在研究區的西北部，發育在T40~T50之間的梅山組(SB10.5~15.5Ma)。斷層長度200~1300m、斷層間距100~800m、斷距10~30m，斷層密度2~4條/km。斷層具有明顯的NE67°和NW35°走向[圖4(d)]。該地區發育生長斷層[圖7(a)]，自NE至SW，同沉積厚度逐漸減小，構造應力的影響也越來越小。而多邊形斷層在生長斷層發育的地方較少，生長斷層不發育的地方較多[圖7(b)]。研究區東北部少量多邊形斷層與構造斷層垂直分布，也說明構造應力對多邊形斷層的發育有一定影響。此外，多邊形斷層發育層位內部發育了多個泥底辟，底辟終止到T40。
2.5南海北部深水盆地多邊形斷層分布規律南海北部深水盆地多邊形斷層伸展長度在100~1400m、間距40~900m、斷距10~50m，上覆地層厚度500~1600m，分布范圍廣泛，與北海盆地多邊形斷層參數[2]基本一致(表1)。自東往西，自北往南，多邊形斷層發育的地層年代逐漸變新。各盆地多邊形斷層發育具有獨特的特征。白云凹陷多邊形斷層走向無規則，周圍地層發育大量流體滲漏現象，主要為厚層的泥巖沉積;華光凹陷具有上下兩套多邊形斷層;長昌凹陷和北礁凸起多邊形斷層走向具有一定方向性，發育繼承性構造斷層或生長斷層，以泥巖為主，含大量細粒砂巖，個別地區發育了厚層的砂巖;長昌凹陷受底辟影響嚴重，底辟上部斷層傾向相反，斷塊撓曲，而北礁凸起帶中新統也發育了大量的泥底辟。此外瓊東南盆地多邊形斷層頂部也發育水道和塊體搬運體系(MassTransportDeposits)。
3多邊形斷層成因
雖然針對南海北部多邊形斷層的成因，國內學者有所討論[3-5，12]，但其形成機理缺乏足夠的證據。本研究綜合分析珠江口盆地3D地震資料、ODP鉆井、部分深水油氣井資料，結合構造、沉積演化歷史，認為珠江口盆地白云凹陷和瓊東南盆地華光凹陷多邊形斷層主要由深水超壓泥巖水壓破裂作用形成;而瓊東南盆地長昌凹陷和北礁凸起除了受超壓泥巖水壓破裂作用外，還受到構造應力與重力擴展作用的疊加改造。
3.1早期成巖階段的深水超壓泥巖水壓破裂作用南海北部多邊形斷層大都發育在早期埋藏階段，多邊形斷層的發育受沉積作用、早期成巖作用和海平面變化的控制。珠江口盆地白云凹陷和瓊東南盆地華光凹陷多邊形斷層發育在相對海平面較高的時期，對應著海泛面的密集段沉積(圖2)。華光凹陷T40對應著該地區梅山組早期的最大海泛面，T30下部也對應著黃流組頂部的海泛面[13][圖5(b)]。白云凹陷多邊形斷層發育在T50上下層段[圖3(b)]，相對海平面一直處于高位[圖2(b)]。白云凹陷鉆井取心結果和測井數據表明多邊形斷層發育在孔隙度、密度和速度都比較穩定的深水泥巖沉積地層中[14]。ODP1148井的δ18O值表明早中新世有著較高的相對海平面。23.8Ma以后，番禺—東沙隆起帶以南的白云凹陷由淺海陸架驟然變成深水陸坡[6]，除少量深水遠源水道沉積體系外，陸緣碎屑沉積物難以到達，以半深海泥質沉積為主，鈣質膠結物較多。深水快速沉積容易造成泥巖超壓，并發生水壓破裂。早中新世白云凹陷由于基底快速沉降而沉積了厚層的泥巖，形成了封閉的壓力倉，隨著上覆沉積地層加厚和孔隙流體增多，孔隙壓力隨之增加，當孔隙壓力達到泥巖骨架的破裂強度時，泥巖地層內部首先發生破裂，接著延伸到壓力倉的頂底，最后形成了高密度的多邊形斷層。石萬忠[15]的模擬結果顯示該地區曾經存在超壓地層并發生過多期流體運移，至今多邊形斷層發育層位還存在弱高壓，該地區廣泛分布的振幅空白帶和底辟也指示白云凹陷曾經存在超壓，并發生流體釋放。白云凹陷泥巖地層孔隙流體壓力的增加主要源于3個方面:①上覆地層和海水重力壓實使孔隙度減小。由于泥巖層上下界面的封蓋，孔隙內流體無法排出，隨著孔隙度繼續減小，孔隙流體壓力逐漸增大;②黏土礦物的相變脫水作用。高溫條件下泥巖中蒙脫石轉化為伊利石有大量水脫出，這一階段所失去的水量為被壓實體積的10%~15%。而孔隙水的增加必然會增加孔隙壓力，實驗表明，沉積物中僅僅有2%的蒙脫石，就能夠發生脫水收縮形成多邊形斷層[16];③生烴作用和烴類熱裂解作用也會增加一定的孔隙流體壓力。LW3-1-1井資料證實白云凹陷珠江組暗色泥巖已進入低熟階段，具有一定的生烴能力[14]，多邊形斷層發育的瓊東南盆地新近系梅山組、黃流組的密集段或復合密集段也具有一定的生烴能力[17]。
3.2構造應力與重力擴展作用的疊加改造瓊東南盆地多邊形斷層獨特的形態特征與該地區構造和沉積環境相關。瓊東南盆地主要發育了NE、近EW和NW向的三組斷裂[9]，而長昌凹陷發育的NW向和EW向、北礁凸起發育NW向和NE向多邊形斷層與整個區域斷裂環境較為一致。而瓊東南盆地中新世相對海平面起伏較大，高位期發育了深水泥巖，低位期發育了斜坡扇、前積楔和水道[13]，多邊形斷層不再局限在海泛面對應的密集段上下，而是貫穿不同巖性和沉積相。單純的超壓泥巖水壓破裂機制已不足以解釋上述現象。構造應力可以改變多邊形斷層的幾何形態和分布。構造斷層的存在改變局部應力場的方向使最大張應力的方向由垂直于斷層走向改變為平行于斷層走向，從而造成多邊形斷層與構造斷層一般呈直角相交的關系[18]，這解釋了長昌凹陷東北部存在多邊形斷層與構造斷層垂直分布的現象;沒有達到水壓破裂臨界值的壓力倉受到構造應力作用時，孔隙流體會通過構造斷層排出，孔隙壓力降低，從而阻斷了多邊形斷層的發育，北礁凸起不斷活動的生長斷層的發育也阻止了壓力倉的形成[圖7(a)];此外泥底辟的發育也會導致局部應力場的改變，受底辟作用影響，長昌凹陷多邊形斷層在底辟構造之上呈放射狀分布，底辟構造兩側多邊形斷層傾向相反，斷塊發生撓曲變形。重力擴展作用可以很好地解釋長昌凹陷和北礁凸起多邊形斷層走向定向性的問題。重力擴展是重力驅動作用下由塑性基底的黏度、沉積速率和負載物變形的屈服強度控制的沉積作用[19]。長昌凹陷和北礁凸起泥巖地層中發育了大量的低位砂體，由于巖性的差別，容易導致巖性邊界的變化，從而造成了重力不穩定，在上覆沉積壓實作用下，塑性的細粒物質向四周蠕動，形成重力擴展現象。在重力擴展的初始階段，先形成垂直于水道走向的正斷層，然后隨著擴展的繼續進行，在水道邊界處形成平行于水道走向的正斷層，重力擴展的應變量達到一定程度最終形成多邊形斷層。因此重力擴展作用下的多邊形斷層走向取決于砂體的走向。長昌凹陷和北礁凸起靠近北部陸坡，低位扇體前緣垮塌體或水道的展布自北向南，與長昌凹陷發育NW向和EW向，北礁凸起發育NW向和NE向多邊形斷層基本一致。
4結論
南海北部多邊形斷層廣泛發育在中新統深水沉積地層中，多邊形斷層長度100~1400m、間距40~900m、斷距10~50m。白云凹陷和華光凹陷多邊形斷層走向無規則，華光凹陷具有上下兩套多邊形斷層;長昌凹陷和北礁凸起多邊形斷層走向具有一定方向性，發育繼承性構造斷層或生長斷層，都發育泥底辟;長昌凹陷受底辟影響嚴重，底辟上部斷層傾向相反，斷塊撓曲。珠江口盆地白云凹陷和瓊東南盆地華光凹陷多邊形斷層發育在海泛面對應的密集段，受早期成巖過程中的壓實脫水、黏土礦物相變脫水和生烴增壓作用影響，可以用超壓泥巖水壓破裂模型來解釋。瓊東南盆地長昌凹陷和北礁凸起發育高位泥巖和低位砂體，多邊形斷層的形成受到構造應力和重力擴展的疊加作用而呈現定向性
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