论珠江口盆地低角度正断层发育特征及其对盆地演化的控制作用.docx

论珠江口盆地低角度正断层发育特征及其对盆地演化的控制作用大陆地壳在伸展过程中的正断层角度通常以高角度为初始特征[1,2],例如在世界一些典型的裂谷系统内部,如东非裂谷[3]、苏伊士湾[4]以及北海地区[5]等低角度正断层(LANFs)于20世纪初就被发现,但直到20世纪末才被地质学家普遍接受,现已作为正断层的主要类型之一[6]低角度正断层有别于传统认识上的高角度正断层,其具有较低的倾角(<30°)和较大的水平位移量低角度正断层在许多构造环境中均有发育,大部分是在造山带地区,例如美国的盆岭省地区[7],同时在缓慢扩张的洋中脊等地区也有发育[8,9]近年来,大陆裂谷盆地中也发现有大量的低角度正断层发育,例如泰国丹老盆地[10,11],这些断裂多作为盆地的边界断层,在盆地沉积演化中起重要控制作用低角度正断层虽然在自然界中广泛发育,但是由于其不符合传统的安德森理论模式[1],因而人们对低角度断裂形成仍然存在较大争议前人提出一些机制用来解释断裂在低角度情况下滑动:1)受岩浆侵入作用[12]或基底牵引作用[13,14]导致主应力方向发生旋转;2)高孔隙流体压力、层状硅酸盐等因素导致断裂带异常薄弱[15,16,17,18];3)断裂带附近的应力局部旋转[19,20,21]。

在碰撞后伸展背景下发育的低角度正断层大部分被解释为先存低角度逆冲断裂活化[22,23,24,25,26],而沿低角度逆断裂滑动通常也与断裂带异常流体压力[27,28,29]或富含层状硅酸盐矿物[30,31]有关近年来越来越多学者关注珠江口盆地低角度正断层发育特征及其对盆地演化的控制作用,前人对珠江口盆地南部陆坡深水区的白云凹陷和荔湾凹陷[32,33],以及北部陆架区珠一坳陷恩平凹陷的低角度边界断层[34,35]开展了相关研究,在一定程度上提升了人们对南海北部陆缘低角度正断层发育特征的认识然而目前前人在珠江口盆地揭示的低角度正断层案例仍然比较少,对低角度正断层的成因认识也存在争议本文基于珠一坳陷西江主洼地区高精度三维地震资料,揭示了该洼陷的边界断层为典型的低角度生长正断层,同时对该断层的几何学和运动学进行了系统研究,并探讨了低角度正断层的成因演化研究成果对揭示南海北部陆缘断陷盆地低角度边界正断层的成因和演化过程有重要的借鉴意义1、区域地质背景1.1区域构造演化及地层发育概况南海位于欧亚大陆的东南部,是西太平洋地区的最大边缘海之一珠江口盆地是南海北部陆缘最大的中新生代沉积盆地,盆地走向NE-SW向,面积约17.5×104km2。

盆地在NE向基底大断裂和NW向走滑断裂共同控制下,总体上呈现“南北分带、东西分块”的构造格局(图1a)珠江口盆地自北向南依次可划分为北部隆起带、珠一坳陷带、珠三坳陷带、中央隆起带、珠二坳陷带和南部隆起带等构造单元(图1a)珠一坳陷是珠江口盆地北部坳陷带的一个负向构造单元,走向NE向珠一坳陷西北部为北部隆起带,西南部紧邻珠三坳陷带,东南部则毗邻东沙隆起和番禺低隆起珠一坳陷自西向东依次发育恩平凹陷、西江凹陷、惠州凹陷、陆丰凹陷和韩江凹陷等5个凹陷带,各个凹陷之间通常被NWW向低凸起分割(图1a)珠江口盆地于中始新世—早渐新世期间经历了两幕主要裂陷作用(图1b):珠琼运动一幕和珠琼运动二幕强烈的断陷作用使得珠江口盆地地壳减薄,尤其是在南部白云凹陷地区,其地壳厚度局部小于6～8km[36]珠江口盆地在经历了强烈断陷作用之后,于渐新世中期32Ma左右随着洋壳打开,进入南海扩张构造时期[37,38,39](图1b)此时,珠江口盆地形成了区域性破裂不整合面T7[40],盆地由断陷期转为拗陷期,坳陷内部发生强烈沉降作用,存在异常沉降[41,42,43]该时期,在珠江口盆地南部深水区的白云凹陷,于中新世23.8Ma左右发生了一次重要构造运动——白云运动,使得白云凹陷陆架坡折带跃迁至北坡,主体处于陆坡斜坡深水沉积环境[44]。

南海的扩张是不等时的,洋壳最先打开位置在南海东北部,并向西南方向传播[37,45];南海扩张在经历了3期构造作用之后[46],在中中新世15.5Ma左右停止[37,39],随后珠江口盆地进入东沙运动构造时期(图1b)东沙运动发生在中新世晚期,主要是菲律宾板块持续向NWW方向运动导致的吕宋岛弧与欧亚大陆的弧-陆碰撞俯冲挤压作用的结果[47]东沙运动在盆地内主要表现为断块的垂直升降,发育大量张性、张扭性断裂,同时有轻微的挤压褶皱,并伴有强烈的岩浆作用,构造运动整体具有西强东弱特点[47]珠江口盆地地层自下而上,分别发育文昌组(Tg—T8)和恩平组(T8—T7)2套断陷期沉积层,以及珠海组(T7—T6)、珠江组(T6—T4)、韩江组、粤海组和上新统(T3—T2)5套南海期和东沙期沉积层(图1b)文昌组是裂陷一幕构造运动的产物,与基底呈角度不整合接触,是珠江口盆地最重要的烃源岩[48];受强烈断陷作用影响,该时期湖盆水体整体为中-深湖,湖盆之间分隔,沉积相主要为中-深湖相(图1b)恩平组是裂陷二幕构造运动的产物,与下伏文昌组呈平行或角度不整合接触,也是珠江口盆地重要的烃源岩,该时期湖盆水体变浅,湖盆之间开始相互连通,主要为河湖沼泽相(图1b)。

到了珠海组沉积时期,由于受控于南海扩张作用,盆地进入拗陷期,此时主要为海陆过渡相沉积(图1b)到了珠江组沉积期,受海侵作用影响,珠江组下段沉积了大套优质的砂岩,岩性为三角洲相和滨海相的砂岩,为珠江口盆地主要储集层段,局部还发育生物礁和碳酸盐岩台沉积;珠江组上段主要为泥岩夹砂岩因此三角洲砂岩与开阔海相泥岩相匹配形成“黄金储盖组合”[49]到了韩江组沉积时期,南海已停止扩张,主体受东沙运动影响,韩江组及以上沉积主体为三角洲相、浅海相及半深海相沉积(图1b)图1珠江口盆地区域构造位置(a)及地层综合柱状图(b)1.2研究区西江主洼基本地质概况本次研究区西江主洼位于珠江口盆地珠一坳陷西部,西江凹陷的北部地区,整体走向近北东向,面积约2300km2,主体处于南海北部陆缘陆架浅水区西江主洼往西与恩平凹陷相邻,两者之间通过恩西低凸起相隔,南部与番禺04洼对望,两者之间夹着西江中低凸起,西江主洼北部和东部则分别为北部隆起和惠州凹陷(图1a,图2)西江主洼发育西江33W洼、西江33E洼、西江28洼和西江32洼4个洼陷,前3个洼陷由北部边界断层Fxj33控制发育,西江32洼位于西江主洼西南部,受控于次一级的主控断裂(图2)。

研究区三维地震资料基本全覆盖,满足本次研究的需求图2珠江口盆地西江主洼地区构造单元2、西江主洼低角度边界正断层特征2.1低角度断层几何学特征Fxj33断层位于西江主洼的北部,为西江主洼的主控边界断层,整体走向约59°,呈近NEE走向展布发育;在断裂的最东段,走向有些偏转,为88°左右,呈近东西向(图3a)Fxj33断层在平面上发育整体较平直,断裂长度约55kmFxj33断层倾角5°～36°,沿走向上倾角起伏变化,整体上断裂西段和中段均呈低角度,倾角最小处可达5°,到了断裂东段,倾角增大(>30°),为中等角度(图3b)Fxj33边界断层倾向南东,断裂强烈切割基底,使得基底面在西江33W和西江33E洼地区埋深达4400ms,在西江28洼地区稍微浅一些,但也可达4280ms(图3a)值得注意地是,在西江33E洼和西江28洼之间过渡的位置,Fxj33断面迹线向隆起一侧外凸,呈三角形(图3a),可能是由于基底断块向洼陷内部滑落导致同时,在Fxj33边界断层的中段,发育两排南倾的近EW向断裂(图3a),从三维立体图上可以清晰地看到,在与Fxj33断面相交的位置,Fxj33断面变得陡立,为高角度的EW向断裂向下切割了Fxj33的断面所致(图3a)。

从EW向断裂的活动速率可以看出,这两排断裂在早期珠琼运动一幕时基本不活动,到了珠琼运动二幕时期强烈活动,并向下切割了Fxj33主控断裂的断面(图3d,e)本次研究详细地统计了Fxj33低角度断层位移与断裂长度之间关系(D-L)的特征,以基底面(Tg)为标志层,沿断裂走向方向,系统地统计了Fxj33断裂的位移变化特征(图3c)从图中可以看出,Fxj33断裂的水平和垂直位移曲线形态相似,都具有3个位移的峰值,自西向东,分别对应着西江33W洼、西江33E洼和西江28洼沉积中心,在洼陷之间的过渡部位,断裂位移量变小Fxj33断裂水平位移量远大于垂直位移量,其水平位移量变化幅度较大,最大水平位移量约为9.5km,位于西江33E洼处,最小不到2km;Fxj33断裂垂直位移量变化幅度则相对较小,最大垂直位移量约为5.4km,同样位于西江33E洼(图3c)自然界中正断层的Dmax/L比值通常在1∶10～1∶20[11,50,51,52]基于本次统计的水平和垂直位移数据,可以求得Fxj33断裂的最大位移值约为10.1km,可以得出其Dmax/L比值约为1∶5.5(10.1km/55km)该值明显不处于自然界中正断层Dmax/L比值正常范围之内,但是其与Morley[11]报道的泰国各断陷盆地中低角度断层的相似(图4),由此可见低角度正断层通常具有独特的Dmax/L比值。

图3珠江口盆地西江主洼Fxj33边界断裂三维形态、断裂位移、倾角及相关高角度切割断裂活动性a.西江主洼Fxj33边界断裂三维形态立体图;b.Fxj33边界断层倾角-长度关系;c.Fxj33边界断层位移-长度关系;d,e.西江主洼第一排、第二排EW向切割断裂活动速率2.2低角度断层多幕裂陷活动特征西江主洼地区与珠江口盆地大部分地区一样,裂陷期经历了两幕裂陷作用(图1b),Fxj33边界断裂在西江主洼多幕裂陷作用中起到了重要控制作用珠琼运动一幕时期,Fxj33边界断层净位移值整体较大(该处的位移是指某个断陷时期断裂的净位移值,即等于该时期的累积总位移值减去之后一时期的累积位移值,以反映该时期边界断裂的活动强度),表明断裂处于强烈活动,其中最大净位移处于Fxj33断裂的中段,西段次之,东段净位移值相对最小(图5)同时,还可以明显看到Fxj33断裂的净位移曲线在断裂的西、中和东段均发育1个峰值(图5),表现出3峰型特征,峰型的位置分别对应西江33W洼,西江33E洼和西江28洼珠琼运动二幕时期,Fxj33断层净位移值相对裂陷一幕时期大幅减小(图5)表明该时期洼陷沿走向的活动强度减弱;净位移曲线表现出轻微的峰形起伏形态,且峰形幅度不如珠琼运动一幕时期明显(图5),表明洼陷之间演化差异性也减弱。

因此,Fxj33边界断层从珠琼运动一幕到珠琼运动二幕的主要演化特征如下:在珠琼运动一幕时期,Fxj33断裂整体呈NE-NEE走向强烈活动发育,并且该时期Fxj33断裂呈分段活动特征,发育3个主要的强烈活动中心,分别控制着西江33W洼、西江33E洼和西江28洼发育,其中位于中部的西江33E洼活动最强烈(图5)到裂陷珠琼运动二幕,Fxj33断层继承性活动,断裂平面形态没有差异性变化,但断裂活动性整体较弱(图5),表明西江洼陷裂陷Ⅱ幕时期断陷强度整体比裂陷I幕时期弱可见,整个裂陷作用阶段,西江主洼Fxj33边界断层沿走向表现为分段性差异演化特征,在分段差异演化的作用下使得沿其走向方向发育多个裂陷洼陷2.3低角度断层控洼结构特征在Fxj33低角度断裂主控下,西江主洼自西向东分别发育西江33W洼、西江33E洼和西江28洼3个主要洼陷(图2)珠琼运动一幕时期,3个洼陷结构相似,均表现为北断南超的半地堑结构形态,靠近北部Fxj33边界断层一侧地层厚度最大,向南部超覆减薄,地层呈典型的楔形(图6a—c)西江33W洼位于最西部,洼陷走向为67°,呈NEE向,该时期洼陷最大发育厚度约2800m(图6a)西江33E洼位于西江主洼的中部,受控于Fxj33低角度断裂的中段(图6b),洼陷走向约72°,与西江33W洼走向一致,呈NEE向,洼陷最大。