西湖凹陷天台斜坡新生代构造差异特征及其形成机制

(相关资料图)

祁鹏, 郭刚, 崔敏, 王欣, 李峰, 李林致

（中海油研究总院有限责任公司,北京 100028）

摘    要

天台斜坡位于西湖凹陷西斜坡的南段,经过35年勘探,仅钻探4口井,尚未取得商业油气发现,基础油气地质条件不明确制约了油气勘探进程。针对该斜坡构造特征缺乏系统研究的问题,以三维地震资料精细解释和综合地质分析为基础,系统总结了天台斜坡不同区段的新生代构造样式及其几何学特征和形成机制。天台斜坡自北往南依次表现为双向断层控制的北段复杂斜坡、反向断层控制为主的中段复杂缓坡和顺向断层控制为主的南段简单缓坡。天台斜坡构造特征的区段差异性与其新生代构造演化过程密切相关,从断陷阶段延续到断拗阶段的不均一伸展作用,在其北、中、南段分别控制了不同的断裂发育程度及构造组合样式,并在北段和中段之间形成了特殊的弧形断裂发育带。

关键词

构造差异; 伸展转换; 弧形断裂; 天台斜坡; 西湖凹陷

0 引    言

西湖凹陷是东海盆地东部坳陷带内的一个三级构造单元,总面积约5.18×104 km2,新生代最大沉积厚度超过15000 m,是我国东海海域油气勘探的重点凹陷。西湖凹陷在平面上存在“东西分带,南北分段”的结构特征。自西向东,该凹陷总体可划分出3个次级构造单元,即西部斜坡带、中央洼陷-反转构造带和东部断阶带[1-2]。其中,西部斜坡带自北向南依次划分三段,分别为杭州斜坡、平湖斜坡和天台斜坡。其中,平湖斜坡建成了商业性油气田,而杭州斜坡和天台斜坡暂未获得突破[3-6]。

天台斜坡位于西部斜坡带的南段,新生代沉积地层自下而上分别是宝石组以下地层(地层归属现未确定)、始新统宝石组、始新统平湖组、渐新统花港组、中新统龙井组、玉泉组和柳浪组、上新统三潭组及第四系东海群[7]。该斜坡自20世纪80年代开始油气勘探以来,已钻探4口井,油气显示活跃,表明存在形成大型油气藏的勘探潜力。目前,天台斜坡仍处于较低的勘探程度,基础油气地质条件需要进行系统性研究。本次工作在前人研究成果的基础上,利用三维资料对天台斜坡开展精细地震解释,通过对其结构和构造特征进行系统分析,探讨其形成机制,以期为该区带的油气勘探提供地质依据。

1 区域地质概况

天台斜坡作为西湖凹陷的一部分,在新生代构造演化过程中,与西湖凹陷一起经历了断陷、断拗转换、挤压抬升、挤压反转和稳定热沉降等5个发展阶段。在断陷演化阶段,天台斜坡发育了大量与断陷作用相关的构造样式,形成了复杂的断层体系。在平面上,断层的走向有较大的差异,大致可以分为三组,其中以北东向为主,北西向和弧形次之。北东向断层在斜坡区均有发育,控制了斜坡的基本结构,在高部位以顺向或反向基底卷入型正断层为主,斜坡低部位以顺向正断层为主。早期北西向断裂以张性为主,表现为持续活动的区域基底大断裂,晚期北西向断裂以扭性为主,表现为与岩浆活动伴生的直立型断裂。弧形断层是北东向断层在发育过程中的演变。根据平面和剖面上的几何学特征和应力机制的差异,天台斜坡从北向南大致可以分为三段(图1)。

图1   天台斜坡构造区划及断裂分布图[8]

1.1 天台斜坡北段

天台斜坡北段与平湖斜坡相邻,总体上坡度大,发育北东向正断层,是双向断层控制的复杂斜坡(图2)。这些正断层越往北,北东走向越明显,与平湖斜坡的断层相互交织,越往南则逐渐过渡为弧形断层,由北东走向转为南东走向,并相互收敛,在斜坡的低部位形成帚状断裂系,表现出显著的扭动性。在横切该段斜坡的地震剖面上,西侧高部位不发育断层,表现为披覆背斜构造,中部发育受双向断层控制的断阶,低部位发育顺向断阶及晚期挤压作用形成的大型低幅度背斜。

图2   天台斜坡北段构造特征(剖面L1,其位置见图1)

在应力机制上,天台斜坡北段与平湖斜坡并无二致,均发育典型的铲式或板状的正断层,表现为伸展作用为主。在一定意义上可以认为,天台斜坡北段实际上是平湖斜坡向南的自然延伸,是平湖斜坡的“消亡段”,两者的真正边界应在弧形断层的转折端附近。但是在勘探实践上,工业界习惯将此处划归为天台斜坡的一部分。

1.2 天台斜坡中段

天台斜坡中段整体坡度小,发育北东向和北西向断层,是以反向断层控制为主的复杂缓坡(图3(a))。北东向断层多数为反向基底卷入型,从斜坡高部位到低部位均有发育,在高部位发育密度大,越往低部位,断层发育密度越小。北西向断层分为两类,一类是早期发育并继承性活动的基底卷入型断层,该类断层在中生代强烈活动,在新生代活动性大幅减弱,其中一条断层位于中段的南侧边缘,一直从天台斜坡延伸至钱塘凹陷,推测是区域性舟山—国头基底大断裂在本区的体现;另一类是晚期发育的近直立型断层,向下延伸并与早期断层相接,向上贯穿了中新统地层,并构成了晚期岩浆侵入和火山喷发的通道(图3(b))。

图3   天台斜坡中段构造特征(剖面位置见图1)

(a)剖面L2;(b)剖面L3

火成岩活动也是天台斜坡中段典型构造现象之一[9]。在剖面上,至少能观察到三期火成岩活动,第一期主要分布在新生界底部,以发育侵入岩为主,表现为层状的短轴强反射特征;第二期主要分布在始新统上部,以发育侵入岩为主,局部发育火山机构;第三期主要分布在新近系上部,以发育火山机构为主,局部发育侵入岩。火成岩在平面上分布极有规律,主要集中在北西向断层两侧或者不同走向断层的交叉部位(图1)。

1.3 天台斜坡南段

天台斜坡南段整体坡度小,东西方向的宽度比中段和北段窄,发育北东向断层,是以顺向断层控制为主的简单缓坡(图4)。南段最典型的构造特征是发育一条大型顺向断层与洼陷相邻。该断层在剖面上表现为继承性发育的基底卷入型,在宝石组沉积之前活动性强,控制了洼陷内厚层的前宝石组地层,在宝石组沉积时期及其以后活动性大幅减弱,对沉积充填影响小,断层活动基本上终止于花港组地层中。南段的断层发育明显要比中段和北段弱,平面上断层不仅少,而且延伸距离短。

图4   天台斜坡南段构造特征(剖面L4,其位置见图1)

2 天台斜坡构造差异的形成机制

天台斜坡自北向南分为三段,各段无论是在平面上还是在剖面上都有显著的结构和构造差异。这种特征上的复杂性与基底大断裂的活动和区段上的差异伸展作用密切相关。在重磁异常图上,从钱塘凹陷到天台斜坡存在着一条北西向的正高重磁异常带,代表了舟山—国头断裂带[10⇓-12]。基底断裂是天台斜坡分段性存在的根本原因,而古近纪北西—南东向的区域伸展作用必然引起基底断裂的再活动,从而在新生代盖层中形成复杂的构造变形。

新生代盆地内同一构造单元内的构造特征显著不同的另一个重要原因是差异伸展作用[13-14]。利用横穿凹陷的地质剖面计算不同部位的伸展率可以有效地表征不同地质历史时期凹陷内的伸展作用的差异性。伸展率计算结果表明,无论是平湖组沉积时期还是宝石组沉积时期,8号测线位置附近都存在一个伸展率的低点。该位置将西湖凹陷中部和南部截然分开,与以构造特征划分的界线基本一致。在该界线两侧,中部的伸展率要明显大于南部,其中中部宝石组沉积期的最大伸展率为12.7%,大于南部同时期的最大伸展率9.6%(图5(a))。凹陷内的断层活动性也是表征伸展作用强弱的方法之一[15]。本次工作选取了西湖凹陷西斜坡中部的平湖斜坡和南部的天台斜坡进行古落差计算结果的对比。平湖斜坡发育一条明显的边界断裂,而天台斜坡则不发育典型的边界断裂,古落差计算采用的是由一系列同走向断层的数据。古落差计算结果也反映了与伸展率相同的规律,即西湖凹陷中部的构造活动要强于南部。在前平湖组沉积时期,中部平湖斜坡边界断层的最大古落差几乎是南部天台斜坡断层的3.5倍,在平湖组沉积时期,中部平湖斜坡边界断层依然有较强的活动,古落差能达到2600 m,而南部天台斜坡上的断层活动十分微弱(图5(b))。

图5   西湖凹陷中部和南部在不同沉积时期的构造活动差异(伸展率采样测线和古落差采样点位置见图1)

(a)伸展率分析;(b)主断裂古落差分析

差异伸展作用会形成较为明显的构造转换带,以发育与凹陷或边界断层走向斜交的一系列断层或褶皱为典型特征[16-17]。天台斜坡中段就是这样一个典型的伸展转换区,在南北两侧差异伸展作用的影响下,早期北东向断层由于拖曳向南东弯曲,形成了一系列的弧形断层。差异伸展作用的持续发展也诱发了北西向基底大断裂的再活动,主要体现在沿着该断裂附近发育的一系列串珠状北西走向的火山构造。天台斜坡南段和北段被中段的伸展转换区分隔,但均表现为伸展作用,只是两者由于伸展作用强度的不同,在断层的发育程度和斜坡结构上有较大的差异。

3 天台斜坡新生代构造演化

天台斜坡位于西湖凹陷西斜坡的南部,其新生代构造演化是西湖凹陷发育史中的有机组成。自西向东穿过西部天台斜坡、中央深洼-反转构造带和东部断阶带的地质构造演化平衡剖面显示西湖凹陷南部在区域构造事件的影响下,在新生代经历了5个重要的构造演化阶段(图6),断陷和断拗期的构造活动基本上控制了天台斜坡的基本结构和构造特征,渐新世以后的挤压作用在斜坡区影响相对较小。

图6   西湖凹陷南部新生代构造演化过程

3.1 断陷期(古新世—中始新世)

由于太平洋板块向欧亚大陆的北北西向俯冲发生后撤[18],断陷活动在东海盆地西部坳陷带趋于停止,并发生了向东部坳陷带的迁移[19]。西湖凹陷作为东部坳陷带的一个三级构造单元发生较为强烈的断陷活动,断裂大量发育,形成多个沉积沉降中心[20]。在东、西两侧大型边界断裂的共同控制下,西湖凹陷南部表现为宽阔的对称型地堑。天台斜坡南段以一条大断裂与深洼带相邻,整体地势平坦,其上新生代地层较薄。

在断陷的初始阶段,西湖凹陷整体表现为相对均一的伸展作用,发育了大量的北东向断层,这些断层大多相互独立,在平面上延伸较短(图7(a))。随着伸展作用的持续,西湖凹陷中部和南部表现为两个相对独立的沉降中心,中部的伸展速率要高于南部,即中部表现为强伸展区,而南部表现为弱伸展区。因此,地理上的天台斜坡北段和平湖斜坡的构造活动以强伸展作用为主要特征,发育大量的北东向顺向断层或反向断层,天台斜坡南段以弱伸展作用为主要特征,也发育北东向断层,但是数量要明显少于北段。介于两者之间的天台斜坡中段由于北西向基底断裂的存在,同时叠加了差异伸展的影响,构成了伸展转换区,北西向断裂继承性活动,而一些北东向断层由于受到差异伸展作用发生拖曳,导致其走向发生了变化,形成了北北西向或近南北向断层(图7(b))。

图7   西湖凹陷平湖斜坡和天台斜坡古新世—始新世断裂发育过程

(a)古新世—早始新世;(b)中始新世;(c)晚始新世

3.2 断-拗期(晚始新世)

西太平洋构造域发生重大构造变革,太平洋板块俯冲方向由早期北北西向转为北西西向,并且俯冲速度几乎增加一倍[21]。西湖凹陷由断陷期的强伸展作用逐渐转为弱伸展作用,早期较为独立的沉降中心开始相互连通。天台斜坡南段的大断裂活动性明显减弱,对平湖组的沉积充填不再起控制作用,断层两侧的地层厚度相差不大,整体地形向凹陷内倾斜,斜坡形态逐渐明显。

虽然西湖凹陷整体处于弱伸展环境中,但是构造活动逐步迁移到凹陷中部,南部构造活动基本趋于微弱。在这种情况下,两者之间的差异伸展不仅没有减弱,反而相对有所增强。天台斜坡中段的伸展转换区中的北东向断层的走向发生了逆时针旋转,形成了显著的弧形断裂,这些断裂最终都趋于向东相互收敛,形成了典型的马尾状构造(图7(c))。

3.3 挤压抬升-反转期(渐新世—中新世)

始新世之后,西湖凹陷进入了以挤压作用为主的构造演化阶段,依次经历了渐新世的挤压抬升期和中新世的挤压反转期[22-23]。在渐新世时期,主要的西北太平洋弧后盆地开始发育,中国东部相对处于挤压应力场之下,西湖凹陷表现为局部抬升剥蚀。渐新统底界面在东部及钓鱼岛隆褶带之上表现为削蚀不整合及较为明显的沟谷[24-25],在西部斜坡带表现为低角度的削蚀不整合,天台斜坡的表现也是如此。在中新世时期,随着菲律宾海板块快速向北俯冲,中国东部处于左旋压扭应力场之下[26],西湖凹陷开始出现了显著的构造反转作用,凹陷东部形成了高角度的不整合,凹陷中部形成大型的轴向褶皱带并伴生有小型逆冲断层,在剖面上常显示出花状构造样式。在挤压反转过程中,天台斜坡的构造发育也独具特色,与中部的平湖斜坡和北部的杭州斜坡完全不同,可能是受到基底走滑断裂再活化的影响,中段发育了大量的火山活动和北西西向直立断层。

4 结论

(1)天台斜坡在不同区段的新生代结构和构造特征具有较大的差异,按照典型构造样式的不同,自北往南大致可以分为三段。北段表现为双向断层控制的复杂斜坡,中段表现为反向断层控制为主的复杂缓坡,南段表现为顺向断层控制为主的简单缓坡。

(2)天台斜坡的区段性结构和构造特征受控于基底断裂的活动和区域伸展的不均一性。在新生代构造演化过程中,尤其是从断陷阶段到断拗阶段,天台斜坡的北、中、南段在不均一的伸展应力场控制下,表现为不同的构造发育程度和断裂组合样式,尤其是在其北段和中段之间发育了以一系列的弧形断裂为典型特征的构造转换带。在构造演化晚期阶段,天台斜坡在东西向挤压作用控制下,浅部地层中发育了近直立的张扭性断层和火山通道,完全有别于西斜坡其他区域。

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