琼东南盆地新生代沉降—热演化模拟

【摘要】琼东南盆地是南海西北陆缘重要的伸展型含油气盆地。随着油气勘探的深入,该地区开展了大量的地层和沉积工作,已开展局部沉降和热分析,但是盆地综合沉降—热演化过程尚不十分清楚。目前已经积累的大量地质和地球物理数据从不同侧面揭示了琼东南盆地的地质演化特征,但缺乏全面综合分析,各数据类型间的约束较少。本论文综合利用区域二维与三维地震解释数据、钻井岩性资料、镜质体反射率及其他测温数据,运用回剥法、应变速率反演法、热指标反演法等手段,定量模拟恢复了琼东南盆地新生代以来详细的沉降—热演化过程,以此为基础合理地解释了琼东南盆地新生代沉降—热演化的深部动力学机制。通过研究,得到如下认识和结论：1.总结了琼东南盆地新生代构造演化四个阶段的特点,即初始裂陷期(早始新世-中始新世)、强烈裂陷期(晚始新世-渐新世)、缓慢沉降期(早中新世-中中新世)和快速沉降期(晚中新世-第四纪)等四个阶段。每个阶段具有不同的沉降特征：初始裂陷期盆地内裂陷作用刚刚开始,强度较小；强烈裂陷期是盆地主要裂陷期,构造强度远远高于初始裂陷期,是塑造盆地裂陷期沉降沉积格架的主要时期；缓慢沉降期构造活动较弱、盆地主要依靠岩石圈热衰减机制发生沉降沉积；快速沉降期沉降速率和应变速率均达到了盆地自裂陷开始的最大值,指示了该时期为构造晚期活化阶段。2.查明了盆地沉降沉积演化的时空差异性。空间上表现为西部沉积较厚东部较薄,中央较厚两侧较薄。从沉降过程来看,西部普遍具有晚始新世—渐新世和晚中新世两期明显的沉积沉降高峰,东部表现为晚始新世—渐新世—期沉降沉积高峰。从沉降顺序来看,中央坳陷带首先开始沉降,然后向南北两侧延伸。3.查明了盆地热特征的时空差异性。琼东南盆地现今地温梯度表现为南高北低、东高西低。盆地不同位置的热流演化具有时间上的差异性。西部乐东-陵水凹陷和松南-宝岛凹陷也出现了晚渐新世末到早中新世与上新世以来两期峰值；长昌凹陷仅上新世以来出现较明显峰值。同时盆地热流演化具有空间上的差异性。陆架浅水区的热流值普遍较小；陆架边缘至陆坡区热流值较大,深水区热流值偏小。陆架区的热流值普遍偏低,热流经历了“缓升—陡升—缓降—陡升”四期变化。陆坡区的热流值较高,热流经历了“陡升—陡降—陡升”三期变化。深水区热流值大小介于陆坡与陆架热流值之间,热流演化呈现出“稳定—陡升—稳定—陡升”的阶梯变化特征。4.查明了盆地不同构造期次伸展系数分布的差异性。初始裂陷期岩石圈沿主要凹陷伸展,岩石圈拉伸减薄的幅度不大,伸展系数基本在1.1-1.3之间。这个时期属于盆地的局部伸展时期,地壳发生近南北向拉伸减薄,产生沿东西向的断陷分布。南部岩石圈仍然处于稳定状态,并没有发生裂陷作用。强烈裂陷期岩石圈伸展特征基本延续了初始裂陷期的构造格局,地壳沿中央坳陷带继续发生NW-SE向拉伸,同时周边凹陷也随着中央坳陷带进一步伸展而发生较弱的地壳减薄作用。晚始新世陵南低凸起以及北礁凹陷等地区也开始发生地壳减薄。始新世末时地壳减薄的中心仍集中在乐东凹陷与宝岛—长昌凹陷一带。渐新世南部隆起区开始因地壳的进一步减薄开始断陷。缓慢沉降期岩石圈伸展中心开始由西向东转移,同时打破了裂陷期时存在的仅沿中央坳陷带继续发生NW-SE向拉伸的格局,盆地中部和南部也开始发生规模性的地壳减薄。早中新世岩石圈的伸展格架并没有发生很大变化,伸展系数的空间展布与渐新世末基本保持一致。中新世宝岛凹陷、长昌凹陷以及东部的乐东凹陷的伸展系数继续增大,并达到了2.0。同时盆地南部地区的地壳伸展系数也进一步增大,主要凹陷达到1.4。快速沉降期盆地内伸展系数大幅增大,晚中新世开始,乐东凹陷与长昌凹陷的地壳减薄作用开始增强,上新世时期盆地中部和东部的岩石圈减薄作用开始增强。盆地中部的陵水凹陷、松南凹陷以及北礁凹陷,连同盆地西部的乐东凹陷、盆地西部的宝岛凹陷与长昌凹陷,形成该地区的三大地壳减薄中心,最大伸展系数达到了2.5以上。第四纪开始,原本比较分散的三大地壳较溥中心贯通,在盆地中央形成一条规模巨大的伸展带,在西部乐东凹陷亦形成了一个圆形的地壳减薄中心,伸展系数超过2.0,局部超过2.5。至此,盆地各个地区的岩石圈伸展格局形成。5.查明了应变速率变化的分带性。陆坡区盆地的应变速率要高于其它地区,演化上具有两期应变速率高峰,分别对应于晚渐新世和上新世,两期应变速率峰值基本相同。北部陆架区亦存在应变速率高峰,分别对应于早渐新世晚期和上新世两期,第一期应变速率高峰要晚于陆坡区,且幅度要小于陆坡区。深水区只有一期比较明显的应变速率高峰,对应于上新世,且高峰值自西向东呈增大趋势。应变速率的双峰性自西向东减弱,西部乐东陵水凹陷最明显,松南宝岛凹陷开始减弱,至长昌凹陷第一期峰值消失。6.揭示了裂后异常沉降在琼东南盆地普遍存在,且在时空上有所差异。缓慢沉降期的裂后异常沉降量整体较小。快速沉降期裂后异常沉降大范围出现,并且规模显著增大。在早中新世时期,盆地裂后异常沉降开始出现。中中新世以来,中南部和东部裂后异常沉降量进一步增大。随着异常沉降进一步加大,在晚中新世末沿乐东凹陷东南部,陵水凹陷、乐东凹陷及长昌凹陷中心形成了一条近东西向的较大差异沉降带。上新世沿乐东凹陷东南部、陵水凹陷、乐东凹陷及长昌凹陷中心形成的近东西向的差异沉降带进一步扩大,并延伸到凹陷的边部,裂后异常沉降亦达到了2000m以上。进入第四纪以来,盆地中央坳陷带异常沉降量明显增大,达到了2500m以上,在长昌凹陷达到了3000m以上。另外在崖北凹陷,异常沉降量亦有所增加。7.阐明了琼东南盆地不同时期沉降—热演化与深部过程的差异性与关联性。初始裂陷期发生近南北向的断控裂陷,初始裂陷期结束时岩石圈发生微弱的拉伸作用,热流较低。到强烈裂陷期,岩石圈伸展作用增大,具有较大的伸展系数,导致盆地的裂陷沉积也随之增大,热流较初始裂陷期有所升高。该时期仍以断控裂陷沉积为主。进入裂后期后,盆地继续发生沉降作用。在缓慢沉降期岩石圈的伸展系数并没有大幅增大,盆地的沉积量也较小,裂后异常沉降并不明显,但是热流出现了自陆坡向深水区增大。缓慢沉降期末岩石圈的伸展中心出现在凹陷中心,伸展系数较大,热流最大值出现在近陆坡和深水区,裂后异常沉降亦未在凹陷中心,而是在深水区出现,同时沿深水区方向增大。快速沉降时期岩石圈大幅伸展,裂后沉积物明显增多,热流也迅速增大,裂后异常沉降的幅度也增大。现今岩石圈伸展中心位于乐东凹陷中心、盆地陆架坡折区,此时的沉积物厚度达到12km之巨。同时热流也从陆架坡折带向深海方向增大,在陆坡位置热流达到80mW1m2。裂后异常沉降量在陆架区达到1km,但在深海区达到了1.7km。8.揭示了裂后期岩石圈伸展系数、盆地热流以及裂后异常沉降之间的关联性。缓慢沉降期盆地伸展中心主要集中在乐东凹陷、陵水凹陷、宝岛凹陷以及长昌凹陷为主的中央坳陷带。该伸展中心的方向与西北次海盆的延伸方向和现今陆架坡折带延伸方向一致,热流高值主要对应于伸展系数高值部位。而异常沉降则呈现从陆架向深海逐渐增大的趋势,同时在南部隆起区、长昌凹陷以南出现了较大的异常沉降量。晚中新世之后的快速沉降期,盆地伸展中心依然集中在中央坳陷带,热流与伸展系数的空间展布基本一致。异常沉降量在这一时期明显增大,并且异常沉降中心依然出现在南部隆起区和长昌凹陷南部,与现今的水深变化趋势基本一致：东部异常沉降中心带正是深度在1500-3000m的深水区,南部隆起区异常沉降中心亦出现在1000-2000m的深水区。异常沉降空间展布与伸展系数和热流分布并不吻合,说明该地区裂后沉降机制并不能简单用McKenzie裂后热沉降机制来解释。第四纪以来盆地西部裂后热异常量明显增大的一个可能原因是红河断裂带的走滑方向倒转,从左旋转为右旋。走滑作用的转向和重新活动为盆地西部提供了较大的沉降空隙,同时该地区存在的数量居多的基底断层使得沉降过程中的应力迅速释放,从而形成向红河断裂方向逐渐增大的趋势。二号断裂带在第四纪以来虽然活动较弱,但其在乐东凹陷起到了应力隔断的作用,使得盆地快速沉降集中在一个“三角带”中。这是一种深部岩石圈继续伸展引起深大断裂活动作为主因、同时多组基底断层作为媒介和边界的沉降过程。9.阐明了琼东南盆地形成演化与南海扩张之间的密切关联性。初始裂陷期南海南、北陆缘盆地并没有分离,这些盆地都分布在华南古陆上。受到近南北向的伸展作用,琼东南盆地在这一时期内产生呈近东西向展布的一系列断陷。由于此时古南海并没有开始扩张,琼东南盆地处于裂谷阶段早期,应变速率低,岩石圈伸展幅度小,软流圈产生少量上涌,热流值较低,区内沉降仅沿断陷产生。强烈裂陷期后,南海发生扩张,同时经历西北次海盆南北向和西南次海盆NW-SE向两次洋脊扩张。与此同时,位于琼东南盆地西边界的红河断裂带亦沿NW-SE向呈左旋走滑,释放了由于拉仲积累的部分应力,使得此时的伸展方向介于近南北向和NW-SE向之间。晚渐新世西北次海盆扩张至西沙海槽时,沿西沙海槽延伸方向区域应变速率达到高峰,软流圈上涌加快,热流迅速上升。由于应变达到高峰时间位于裂陷期的近末期,因此作为应变速率积累效应的构造沉降量并没有太大幅度的增加。但是伴随着裂陷的进行,盆地断陷范围进一步扩大。渐新世之后,南海停止扩张,盆地周缘区域构造运动停止,盆地停止伸展进入了裂后期。缓慢沉降期盆地依靠岩石圈热回沉发生沉降作用,应变速率在该时期较小,热流减小,构造沉降量增加幅度不大,裂后热异常沉不明显,仅在西沙海槽附近沿西北次海盆扩张中轴线分布。快速沉降期红河断裂带活动开始减弱,并开始由左旋向右旋转变。上新世开始,随着红河断裂带完成左旋向右旋的构造倒转,盆地进入新一轮的构造活动区,盆地大幅沉降。西部由于右旋拖曳作用,地层产生NW-SE转动,形成现今的NNE和EW向两组地层和构造单元的展布。此外,构造活化使得该时期的应变速率进一步加快,软流圈上涌幅度增大,热流开始迅速上升,构造沉降量也大幅增加,沿一号断层(红河断裂带分支)异常沉降量较大。该时期由于受到红河物源的充足供应,在盆地的西北部形成一个典型的沉积型陆架—陆坡格架。因此,琼东南盆地在南海扩张、南海岩石圈热回沉及构造活化的共同作用下形成了现今的沉降—热格局。
【作者】康波；
【导师】解习农；
【作者基本信息】中国地质大学，能源地质工程，2014，博士
【关键词】琼东南盆地；沉降模拟；热模拟；深部动力学过程；伸展系数；

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