陆缘深水盆断层成因

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多边形断层（polygonalfaults）是一种发育在深水盆地浅部地层中具有层控、断距小、平面呈多边形展布特征的小型伸展断层［1］。Cartwright［2］通过3D地震资料在北海盆地深水区首次发现了这种断层。迄今为止，世界上近60个深水盆地发现了多边形断层的存在。国内深水盆地多边形断层的研究还处在初期阶段。吴时国等［3］在琼东南盆地华光凹陷发现了多边形断层的存在。孙启良等［4－5］利用3D地震资料描述了琼东南盆地华光凹陷多边形断层的地震几何特征，并探讨了其形成机理以及对油气运移的意义。多边形断层的研究具有重要的油气意义和科学意义，一方面多边形断层作为流体运移通道有利于深水油气运移、水合物成藏；另一方面，多边形断层多形成在超压环境中，对深水超压地层的研究具有重要意义。但前人的研究受限于低分辨率的2D地震资料，缺少钻井资料，研究范围较小，对多边形断层形成机理的推断缺少足够的证据。笔者基于南海北部陆缘高分辨率3D地震数据，系统刻画了南海北部深水盆地中新统多边形断层的形态特征和分布规律，尤其白云凹陷和北礁凸起多边形断层为国内首次研究。笔者着重分析了珠江口盆地白云凹陷多边形断层的形成机理。琼东南盆地长昌凹陷和北礁凸起多边形断层受外界复杂构造作用和砂泥沉积环境影响，对其成因进行了初步分析，但由于缺少钻井资料，该地区多边形断层的成因还需要更深入的研究。

1地质背景

南海北部大陆边缘发育了水深1000～3000m的深水盆地（图1、图2）。珠江口盆地的白云凹陷是南海北部陆坡最大的一个深水盆地，经历了古近纪的裂陷期和中新世以来的裂后热沉降期。23．8Ma时的白云运动导致凹陷发生剧烈沉降，相对海平面大幅度上升［6］，发育了下中新统浅海陆架－半深海泥岩沉积，中中新统韩江组、上中新统粤海组半深海—深海泥岩沉积［7－8］。琼东南盆地受南海扩张、红河断裂及太平洋板块构造应力场影响，发育了NE、近EW和NW向的三组断裂［9］。琼东南盆地主要分为裂陷期和拗陷期，其中早中新世—中中新世发生区域热沉降，中新统三亚组、梅山组、黄流组发育了浅—深海相泥岩沉积［10－11］（图2）。

2多边形断层几何特征

伸展长度小、间距小和断距小的特征决定了多边形断层的识别需要高分辨率的3D地震数据。3D地震数据的层拉平相干切片技术是识别多边形断层最简单有效的方法。多边形断层各参数的统计建立在（层拉平）相干切片和地震剖面基础上，统计一定范围内断层参数。统计范围的选择尽量避免了构造断层、底辟、气烟囱的影响，并剔除了统计范围内的构造断层。

2．1珠江口盆地白云凹陷多边形断层几何特征珠江口盆地白云凹陷中南部发育近2500km2的多边形断层［图3（a）］。多边形断层发育在17．5～21Ma的下中新统珠江组中部泥岩地层［图3（b）］。过T50（SB18．5Ma）的层拉平相干切片显示，多边形断层长度100～1400m、断层间距200～900m、断距10～30m，断层密度4～6条／km。平面上断层方向不规则，呈多边形［图4（a）］。该地区发育了泥底辟、气烟囱构造和流体泄漏造成的大范围的振幅空白带和强振幅反射［图3（a）］。振幅空白带掩盖了下中新统多边形断层的反射信息，因此多边形断层的分布范围应该更广。穿过多边形断层的气烟囱、泥底辟等流体渗漏现象表明深部地层曾存在异常高压。

2．2琼东南盆地华光凹陷多边形断层几何特征琼东南盆地华光凹陷多边形断层主要发育在T30～T50（SB5．5～15．5Ma）之间的黄流组下部和梅山组上部［图5（b）］。断层长度100～1000m，断层间距40～800m，断距10～40m，断层密度3～5条／km［图4（b）］。多边形断层的走向不规则［图4（b）］，层拉平相干切片上呈多边形［图5（a）］。与南海北部其他地区相比，华光凹陷多边形断层发育了上下两套。其中下套多边形断层中有些断层延伸到底辟的顶部［图5（b）］。

2．3琼东南盆地长昌凹陷多边形断层几何特征琼东南盆地长昌凹陷高密度的多边形断层发育于整个研究区（图6）。出现在T40～T60（SB10．5Ma～SB23．3Ma）的三亚组和梅山组。与白云凹陷和华光凹陷不同，长昌凹陷多边形断层走向主要集中在近NW和EW向［图4（c）］。这些微小断层NW向长度600～1300m，EW向长度200～500m，断层间距200～500m，断距10～50m，断层密度3～4．5条／km。T40～T60间的地层发育了渐新统继承性的NW向构造断层［图6（a）黑色曲线表示］。此外断层受底辟影响严重，底辟两侧断层倾向方向相反。断面上下的断块也发生挠曲变形［图6（b）］。

2．4琼东南盆地北礁凸起多边形断层几何特征琼东南盆地北礁凸起多边形断层主要分布在研究区的西北部，发育在T40～T50之间的梅山组（SB10．5～15．5Ma）。断层长度200～1300m、断层间距100～800m、断距10～30m，断层密度2～4条／km。断层具有明显的NE67°和NW35°走向［图4（d）］。该地区发育生长断层［图7（a）］，自NE至SW，同沉积厚度逐渐减小，构造应力的影响也越来越小。而多边形断层在生长断层发育的地方较少，生长断层不发育的地方较多［图7（b）］。研究区东北部少量多边形断层与构造断层垂直分布，也说明构造应力对多边形断层的发育有一定影响。此外，多边形断层发育层位内部发育了多个泥底辟，底辟终止到T40。

2．5南海北部深水盆地多边形断层分布规律南海北部深水盆地多边形断层伸展长度在100～1400m、间距40～900m、断距10～50m，上覆地层厚度500～1600m，分布范围广泛，与北海盆地多边形断层参数［2］基本一致（表1）。自东往西，自北往南，多边形断层发育的地层年代逐渐变新。各盆地多边形断层发育具有独特的特征。白云凹陷多边形断层走向无规则，周围地层发育大量流体渗漏现象，主要为厚层的泥岩沉积；华光凹陷具有上下两套多边形断层；长昌凹陷和北礁凸起多边形断层走向具有一定方向性，发育继承性构造断层或生长断层，以泥岩为主，含大量细粒砂岩，个别地区发育了厚层的砂岩；长昌凹陷受底辟影响严重，底辟上部断层倾向相反，断块挠曲，而北礁凸起带中新统也发育了大量的泥底辟。此外琼东南盆地多边形断层顶部也发育水道和块体搬运体系（MassTransportDeposits）。

3多边形断层成因

虽然针对南海北部多边形断层的成因，国内学者有所讨论［3－5，12］，但其形成机理缺乏足够的证据。本研究综合分析珠江口盆地3D地震资料、ODP钻井、部分深水油气井资料，结合构造、沉积演化历史，认为珠江口盆地白云凹陷和琼东南盆地华光凹陷多边形断层主要由深水超压泥岩水压破裂作用形成；而琼东南盆地长昌凹陷和北礁凸起除了受超压泥岩水压破裂作用外，还受到构造应力与重力扩展作用的叠加改造。

3．1早期成岩阶段的深水超压泥岩水压破裂作用南海北部多边形断层大都发育在早期埋藏阶段，多边形断层的发育受沉积作用、早期成岩作用和海平面变化的控制。珠江口盆地白云凹陷和琼东南盆地华光凹陷多边形断层发育在相对海平面较高的时期，对应着海泛面的密集段沉积（图2）。华光凹陷T40对应着该地区梅山组早期的最大海泛面，T30下部也对应着黄流组顶部的海泛面［13］［图5（b）］。白云凹陷多边形断层发育在T50上下层段［图3（b）］，相对海平面一直处于高位［图2（b）］。白云凹陷钻井取心结果和测井数据表明多边形断层发育在孔隙度、密度和速度都比较稳定的深水泥岩沉积地层中［14］。ODP1148井的δ18O值表明早中新世有着较高的相对海平面。23．8Ma以后，番禺—东沙隆起带以南的白云凹陷由浅海陆架骤然变成深水陆坡［6］，除少量深水远源水道沉积体系外，陆缘碎屑沉积物难以到达，以半深海泥质沉积为主，钙质胶结物较多。深水快速沉积容易造成泥岩超压，并发生水压破裂。早中新世白云凹陷由于基底快速沉降而沉积了厚层的泥岩，形成了封闭的压力仓，随着上覆沉积地层加厚和孔隙流体增多，孔隙压力随之增加，当孔隙压力达到泥岩骨架的破裂强度时，泥岩地层内部首先发生破裂，接着延伸到压力仓的顶底，最后形成了高密度的多边形断层。石万忠［15］的模拟结果显示该地区曾经存在超压地层并发生过多期流体运移，至今多边形断层发育层位还存在弱高压，该地区广泛分布的振幅空白带和底辟也指示白云凹陷曾经存在超压，并发生流体释放。白云凹陷泥岩地层孔隙流体压力的增加主要源于3个方面：①上覆地层和海水重力压实使孔隙度减小。由于泥岩层上下界面的封盖，孔隙内流体无法排出，随着孔隙度继续减小，孔隙流体压力逐渐增大；②黏土矿物的相变脱水作用。高温条件下泥岩中蒙脱石转化为伊利石有大量水脱出，这一阶段所失去的水量为被压实体积的10％～15％。而孔隙水的增加必然会增加孔隙压力，实验表明，沉积物中仅仅有2％的蒙脱石，就能够发生脱水收缩形成多边形断层［16］；③生烃作用和烃类热裂解作用也会增加一定的孔隙流体压力。LW3－1－1井资料证实白云凹陷珠江组暗色泥岩已进入低熟阶段，具有一定的生烃能力［14］，多边形断层发育的琼东南盆地新近系梅山组、黄流组的密集段或复合密集段也具有一定的生烃能力［17］。

3．2构造应力与重力扩展作用的叠加改造琼东南盆地多边形断层独特的形态特征与该地区构造和沉积环境相关。琼东南盆地主要发育了NE、近EW和NW向的三组断裂［9］，而长昌凹陷发育的NW向和EW向、北礁凸起发育NW向和NE向多边形断层与整个区域断裂环境较为一致。而琼东南盆地中新世相对海平面起伏较大，高位期发育了深水泥岩，低位期发育了斜坡扇、前积楔和水道［13］，多边形断层不再局限在海泛面对应的密集段上下，而是贯穿不同岩性和沉积相。单纯的超压泥岩水压破裂机制已不足以解释上述现象。构造应力可以改变多边形断层的几何形态和分布。构造断层的存在改变局部应力场的方向使最大张应力的方向由垂直于断层走向改变为平行于断层走向，从而造成多边形断层与构造断层一般呈直角相交的关系［18］，这解释了长昌凹陷东北部存在多边形断层与构造断层垂直分布的现象；没有达到水压破裂临界值的压力仓受到构造应力作用时，孔隙流体会通过构造断层排出，孔隙压力降低，从而阻断了多边形断层的发育，北礁凸起不断活动的生长断层的发育也阻止了压力仓的形成［图7（a）］；此外泥底辟的发育也会导致局部应力场的改变，受底辟作用影响，长昌凹陷多边形断层在底辟构造之上呈放射状分布，底辟构造两侧多边形断层倾向相反，断块发生挠曲变形。重力扩展作用可以很好地解释长昌凹陷和北礁凸起多边形断层走向定向性的问题。重力扩展是重力驱动作用下由塑性基底的黏度、沉积速率和负载物变形的屈服强度控制的沉积作用［19］。长昌凹陷和北礁凸起泥岩地层中发育了大量的低位砂体，由于岩性的差别，容易导致岩性边界的变化，从而造成了重力不稳定，在上覆沉积压实作用下，塑性的细粒物质向四周蠕动，形成重力扩展现象。在重力扩展的初始阶段，先形成垂直于水道走向的正断层，然后随着扩展的继续进行，在水道边界处形成平行于水道走向的正断层，重力扩展的应变量达到一定程度最终形成多边形断层。因此重力扩展作用下的多边形断层走向取决于砂体的走向。长昌凹陷和北礁凸起靠近北部陆坡，低位扇体前缘垮塌体或水道的展布自北向南，与长昌凹陷发育NW向和EW向，北礁凸起发育NW向和NE向多边形断层基本一致。

4结论

南海北部多边形断层广泛发育在中新统深水沉积地层中，多边形断层长度100～1400m、间距40～900m、断距10～50m。白云凹陷和华光凹陷多边形断层走向无规则，华光凹陷具有上下两套多边形断层；长昌凹陷和北礁凸起多边形断层走向具有一定方向性，发育继承性构造断层或生长断层，都发育泥底辟；长昌凹陷受底辟影响严重，底辟上部断层倾向相反，断块挠曲。珠江口盆地白云凹陷和琼东南盆地华光凹陷多边形断层发育在海泛面对应的密集段，受早期成岩过程中的压实脱水、黏土矿物相变脱水和生烃增压作用影响，可以用超压泥岩水压破裂模型来解释。琼东南盆地长昌凹陷和北礁凸起发育高位泥岩和低位砂体，多边形断层的形成受到构造应力和重力扩展的叠加作用而呈现定向性。