北海外馬里福斯盆地構(gòu)造特征與差異演化機(jī)制*

尹新義 楊松嶺 方 勇 馬金蘋 李培培 賈建忠

(中國海洋石油國際有限公司 北京 100028)

北海外馬里福斯盆地位于英國西北海域，為北海三叉裂谷中近東西走向的一支。盆地面積約2.7×104km2，已鉆探井約1 000口，已發(fā)現(xiàn)油氣田129個(gè)，共計(jì)2P可采儲(chǔ)量約9 200 MMboe[1]。與北海三叉裂谷[2]另外兩支(中央地塹和維京地塹)相比，外馬里福斯盆地的儲(chǔ)量僅占北海地區(qū)儲(chǔ)量的10%左右，盆地結(jié)構(gòu)復(fù)雜、認(rèn)識(shí)程度低是制約該盆地勘探突破的重要因素之一。國外公司、學(xué)者對(duì)該盆地的研究大多集中在單個(gè)油田或單個(gè)區(qū)塊上，區(qū)域研究上僅對(duì)盆地坳陷結(jié)構(gòu)、主干斷裂走向、區(qū)域應(yīng)力機(jī)制等方面進(jìn)行了分析[2-6]。國內(nèi)學(xué)者主要對(duì)整個(gè)北海地區(qū)油氣分布特征和油氣成藏規(guī)律進(jìn)行了研究[7-10]，缺乏對(duì)外馬里福斯盆地內(nèi)各洼陷差異性、主控因素及成因機(jī)制的分析。

本文通過對(duì)外馬里福斯盆地高精度三維地震資料和大量鉆井資料的精細(xì)地質(zhì)-地球物理解釋，對(duì)盆地內(nèi)對(duì)各洼陷的形態(tài)和地層充填特征進(jìn)行了研究，明確了盆地的構(gòu)造格局。結(jié)合各洼陷的沉降史分析，總結(jié)了盆地沉降中心遷移規(guī)律，厘定各洼陷差異演化的規(guī)律。應(yīng)用區(qū)域應(yīng)力分析，確定了不同時(shí)期、不同類型洼陷的成因機(jī)制。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

外馬里福斯盆地基底為加里東期結(jié)晶變質(zhì)巖系，基底之上發(fā)育了泥盆紀(jì)以來各系地層，總厚度超過10 km[1]。泥盆—石炭紀(jì)，為大陸碰撞和板塊增生階段，主要以陸相沉積為主。二疊—三疊紀(jì)，隨著勞亞古陸開始裂解，盆地發(fā)生初始裂陷，主要發(fā)育陸相和海陸交互相沉積，三疊紀(jì)末開始隆升剝蝕[12-15]。晚侏羅至早白堊世，受地幔柱隆升影響，盆地進(jìn)入主裂陷期，并伴隨持續(xù)海侵，盆地沉積環(huán)境由濱淺海快速過渡到深海相(圖1)。該階段是盆地的主體發(fā)育期，也是盆地主要含油氣系統(tǒng)的發(fā)育期。本文的研究也主要集中在晚侏羅世以來的盆地構(gòu)造格局與演化規(guī)律。因此將盆地主裂陷期又進(jìn)一步細(xì)分為晚侏羅世的裂陷一幕和早白堊世的裂陷二幕。晚侏羅世(裂陷一幕)，地幔柱開始隆升[13]，盆地內(nèi)開始發(fā)育大量斷裂，形成大量壘塹相間的小型地塹/半地塹。早白堊世(裂陷二幕)，隨著地幔柱向北遷移，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，盆地南部大量早期斷裂停止活動(dòng)[14]，但盆地中北部斷裂持續(xù)活動(dòng)，該時(shí)期構(gòu)造沉降和熱沉降作用共同控制盆地沉降中心。晚白堊世，盆地進(jìn)入裂后期，廣泛發(fā)育碳酸鹽巖沉積。古新世，盆地進(jìn)入快速沉降期，同時(shí)河流大規(guī)模從西北方向注入盆地，發(fā)育大型三角洲沉積[15](圖1)。始新世以來，受特提斯洋關(guān)閉、非洲板塊與歐亞板塊碰撞的影響，盆地局部抬升剝蝕，重新進(jìn)入熱沉降幕。

圖1 外馬里福斯盆地綜合地層柱狀圖Fig .1 Stratigraphic chart of Out Moray Firth Basin

2 盆地構(gòu)造格局

外馬里福斯盆地整體呈“兩坳三隆”的特征，由南往北依次發(fā)育：Peterhead脊、Buchan 坳陷、Halibut脊、Witch Ground 坳陷和Fladen Ground高地。研究區(qū)位于盆地中東部，基本覆蓋了盆地主要油氣田和構(gòu)造單元(圖2)。

圖2 外馬里福斯盆地構(gòu)造格架及油田分布Fig .2 Structural framework and field location of Out Moray Firth Basin

2.1 洼陷特征

外馬里福斯盆地與典型的裂陷盆地相比,具有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征，整體表現(xiàn)為洼陷“小而多，差異大”的特征(圖3)。研究區(qū)2 000 km2內(nèi)分布著15個(gè)洼陷，單洼陷的面積較小，平均面積只有約100 km2，平均地層厚度4 755 m。洼陷整體上以雙斷式地塹為主，單斷式半地塹為輔；洼陷間以斷裂切割的低凸起為主。各洼陷的剖面特征相似，均表現(xiàn)為下部斷陷，上部凹陷的“牛頭狀”結(jié)構(gòu)。但不同洼陷在平面走向和發(fā)育時(shí)期兩個(gè)方面均存在較大差異，具體可分為“三組三類”洼陷。根據(jù)洼陷平面走向，盆地內(nèi)洼陷可分為南北向、東西向、北西向三組(圖3)。根據(jù)洼陷內(nèi)裂陷地層的發(fā)育時(shí)期，可分為晚侏羅世洼陷、晚侏羅—早白堊世繼承性洼陷和早白堊世洼陷三類。南北向洼陷(W1洼、HR1洼、B1洼)主要位于盆地西部，以上侏羅統(tǒng)沉積為主；北西向洼陷(W2洼、W3洼、W5洼、W6洼、W8洼)位于盆地北部，以下白堊統(tǒng)沉積為主；東西向洼陷(W4洼、W7洼、HR2洼、B2洼、B3洼、B4洼、B5洼)位于盆地中南部，上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)沉積均有分布(圖3)。

2.2 斷裂特征

與洼陷特征相似，盆地內(nèi)發(fā)育“兩期三組”斷裂(圖3)。根據(jù)斷裂平面走向，盆地內(nèi)斷裂可分為近東西向、近南北向和北西向三組。近南北向斷裂數(shù)量最少，僅在盆地西部零星分布(圖3)，平面展布長度也最小，平均小于10 km，平面上被近東西向斷裂限制；近東西向斷裂數(shù)量最多，在盆地內(nèi)廣泛分布(圖3)，平面展布長度普遍小于20 km，且被北西向斷裂切割；北西向斷裂在盆地北部Witch Ground 坳陷內(nèi)廣泛分布(圖3)，平面展布長度最長，普遍大于20 km。斷裂活動(dòng)性分析表明：盆地內(nèi)各組斷裂的活動(dòng)時(shí)期主要為晚侏羅世和早白堊世兩期。近南北向斷裂主要控制了上侏羅統(tǒng)地層，因此其主要活動(dòng)時(shí)期為晚侏羅世；近東西向斷裂也主要控制了上侏羅統(tǒng)地層，因此其主要活動(dòng)時(shí)期也是晚侏羅世，部分邊界斷裂在早白堊世持續(xù)活化；北西向斷裂主要控制了下白堊統(tǒng)地層，所以其主要活動(dòng)時(shí)期為早白堊世。

圖3 外馬里福斯盆地地層厚度(研究范圍見圖2)Fig .3 Stratigraphic thickness of Out Moray Firth Basin(see Fig.2 for location)

2.3 斷裂控洼作用

“兩期三組”斷裂均為控制洼陷發(fā)育的同沉積斷裂。南北向洼陷為受晚侏羅世南北向和東西向斷裂聯(lián)合控制的早期洼陷。無論在南北向還是東西向地震剖面上均表現(xiàn)為地塹的特征，表明兩組斷裂均對(duì)洼陷具有明顯的控制作用(圖4a、b、c)。

東西向洼陷為受東西向斷裂控制的長期繼承性洼陷。地震剖面上表現(xiàn)為“南斷北超”的半地塹特征，斷裂主要控制了上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)地層，為長期繼承性洼陷(圖4d)。平面上，洼陷的沉降中心毗鄰斷裂，也表明東西向斷裂對(duì)沉積地層控制作用明顯。

北西向洼陷為受早白堊世北西向斷裂控制的晚期洼陷。地震剖面上表現(xiàn)為“西斷東超”的半地塹特征，斷裂上下盤上侏羅統(tǒng)地層厚度變化不大，洼陷內(nèi)主要沉積了下白堊統(tǒng)地層(圖4e)，表明北西向洼陷在晚侏羅世活動(dòng)性小，主要受早白堊世北西向斷層控制。

圖4 外馬里福斯盆地主要洼陷地震剖面(剖面位置見圖3)Fig .4 Profile of major sags in Out Moray Firth Basin(see Fig.3 for location)

3 洼陷差異演化

選取洼陷沉降中心點(diǎn)，開展虛擬井沉降史分析。本次研究共在盆地選取了15個(gè)采樣點(diǎn)，包含了各個(gè)構(gòu)造單元的全部洼陷，厘定了盆地不同時(shí)期的沉降特征及沉降中心遷移規(guī)律，揭示了盆地沉降演化特征。分析結(jié)果顯示盆地在裂陷期各洼陷沉降速率差異較大，裂后熱沉降期各洼陷沉降速率差異較小。晚侏羅世(裂陷二期一幕)，盆地沉降速率整體較高，但各洼陷間差異較大。早白堊世(裂陷二期二幕)，盆地沉降速率快速降低，且各洼陷沉降速率的變化規(guī)律差異較大。例如，HR1洼陷的沉降速率快速降低，而B5洼陷的沉降速率不降反升(圖5)。晚白堊世，盆地整體處于穩(wěn)定的熱沉降期。古新世，盆地再次進(jìn)入快速熱沉降期，且各洼陷間沉降速率差異不大(圖5)，同時(shí)伴隨三角洲沉積注入。始新世以來，盆地再次進(jìn)入穩(wěn)定熱沉降期。

不同地質(zhì)歷史時(shí)期，同一個(gè)洼陷存在明顯的沉降中心遷移。由于外馬里福斯盆地為裂陷盆地，構(gòu)造對(duì)沉積的控制作用明顯，裂陷期地層厚度主要受斷層控制，沉積中心和沉降中心基本一致，本文用厚度圖間接代表古地貌圖。晚侏羅世，Buchan坳陷B1洼陷的沉降中心位于洼陷南部，受東西向斷裂和南北向斷裂聯(lián)合控制(圖3a)；早白堊世，B1洼陷的沉降中心遷移至洼陷北部，受FB1斷裂控制(圖3b)。Witch Ground坳陷W5洼陷也存在類似特征，晚侏羅世，W5洼陷的沉降中心位于洼陷西北部，受東西向FW5斷裂和南北向FW11斷裂聯(lián)合控制(圖3a)；早白堊世，W5洼陷的沉降中心遷移至洼陷南部，受北西向FW6斷裂控制(圖3b)。

不同地質(zhì)歷史時(shí)期，由于洼陷沉降中心的遷移，同一洼陷的形態(tài)也發(fā)生了很大變化。例如，晚侏羅世，Witch Ground坳陷W7洼陷沉降中心受東西向FW8和FW7斷裂控制，呈東西向展布(圖3a)；早白堊世，W7洼陷受北西向斷裂活動(dòng)的影響，沉降中心走向分化為東西向和北西向兩個(gè)方向(圖3b)。

不同地質(zhì)歷史時(shí)期，不同洼陷間也存在明顯的沉降中心遷移。晚侏羅世，盆地西部B1洼陷(77 m/Ma)、HR1洼陷(82 m/Ma)、W1洼陷(89 m/Ma)、W4洼陷(116 m/Ma)的沉降速率明顯大于盆地東部的B4洼陷(34 m/Ma)、W7洼陷(68 m/Ma)、W8洼陷(56 m/Ma)，表現(xiàn)為“西強(qiáng)東弱”的特征(圖5)。厚度分析也表明，盆地各洼陷沉降中心整體呈東西向展布，裂陷活動(dòng)主要受東西向斷裂控制，同時(shí)受南北向斷裂影響；盆地西部上侏羅統(tǒng)地層厚度明顯大于盆地東部，表現(xiàn)為“西厚東薄”的特征(圖3a)。早白堊世，盆地北部Witch Ground 坳陷W2洼陷(20 m/Ma)、W5洼陷(19 m/Ma)、W6洼陷(24 m/Ma)、W7洼陷(25 m/Ma)、W8洼陷(27 m/Ma)等的沉降速率明顯大于南部Buchan坳陷B1洼陷(11 m/Ma)、B2洼陷(8 m/Ma)、B3洼陷(18 m/Ma)、B4洼陷(8 m/Ma)，表現(xiàn)為“北強(qiáng)南弱”的特征(圖5)。厚度分析也表明，盆地各洼陷沉降中心整體呈NW-SE向展布，北部下白堊統(tǒng)地層厚度明顯大于盆地南部，表現(xiàn)為“北厚南薄”的特征(圖3b)。

圖5 外馬里福斯盆地各洼陷沉降速率Fig .5 The subsidence rate of each sag in Out Moray Firth Basin

綜上所述，盆地內(nèi)各洼陷間差異演化特征明顯。盆地的主裂陷期由南往北逐漸變新，南部Buchan坳陷各洼陷的主裂陷期為晚侏羅世，Witch Ground坳陷的南部洼陷主裂陷期為晚侏羅世和早白堊世，Witch Ground坳陷的北部洼陷主裂陷期為早白堊世。盆地內(nèi)部各洼陷間的主要沉積層也存在明顯差異，西部洼陷以上侏羅統(tǒng)沉積為主，下白堊統(tǒng)地層較薄；向東，上侏羅統(tǒng)地層逐漸減薄，下白堊統(tǒng)地層逐漸增厚。部分洼陷內(nèi)部同樣存在沉積中心向東遷移的特征，并導(dǎo)致洼陷的形態(tài)在地質(zhì)歷史時(shí)期變化很大。

4 洼陷差異演化機(jī)制

外馬里福斯盆地作為北海三叉裂谷的一支[2]，其形成演化的主應(yīng)力為地幔柱隆升的垂向應(yīng)力[16-20]。理論上，垂直于地表的垂向應(yīng)力在地表可形成多走向斷層。但北海地區(qū)緊鄰特提斯構(gòu)造域和大西洋構(gòu)造域，因此，其形成演化還受北大西洋擴(kuò)張、新特提斯洋擴(kuò)張[21]，以及基底先存斷裂[22]等多方面的影響。例如：二疊—三疊紀(jì)，盆地發(fā)生初始裂陷活動(dòng)，形成南北向斷裂，這些斷裂在晚侏羅世主裂陷活動(dòng)中重新活化，形成了南北向小型洼陷。

晚侏羅世：在地幔柱隆升的背景下[16-21]，盆地形成演化受北東向北大西洋擴(kuò)張和北西向新特提斯洋擴(kuò)張的共同影響[21]。當(dāng)北西向張應(yīng)力(北大西洋擴(kuò)張相關(guān))和北東向張應(yīng)力(新特提斯洋擴(kuò)張相關(guān))大小相近時(shí)[23]，應(yīng)力合并后應(yīng)力表現(xiàn)為近南北向。地幔隆升產(chǎn)生的張應(yīng)力在地表表現(xiàn)為近南北向?yàn)橹?圖3a)。從而，晚侏羅世，盆地內(nèi)主要發(fā)育東西向斷裂，控制了洼陷東西向發(fā)育。厚度分析也表明：晚侏羅世，盆地內(nèi)各洼陷的沉降中心也呈東西向展布。證實(shí)該時(shí)期盆地受的水平張應(yīng)力為南北向。

早白堊世：北大西洋停止擴(kuò)張，北西向張應(yīng)力消失；研究區(qū)僅受新特提斯洋擴(kuò)張影響[21]，即北東向水平張應(yīng)力影響。地幔柱隆升產(chǎn)生的張應(yīng)力在地表表現(xiàn)為近北東向?yàn)橹?圖3b)。早白堊世盆地內(nèi)以北西向斷裂活動(dòng)為主，控制了洼陷北西向發(fā)育。地震剖面上可見大量近東西向和南北向斷裂停止活動(dòng)；同時(shí)，新產(chǎn)生大量北西向斷裂。厚度分析差異也表明，早白堊世，盆地沉降中心向北遷移，呈北西向展布，單個(gè)洼陷的沉降中心也發(fā)生遷移，地層厚度呈北西向展布?？赝輸嗔颜共继卣骷巴菹莩两党练e中心的遷移規(guī)律證實(shí)早白堊世盆地受的水平張應(yīng)力為北東向。

綜上所述，外馬里福斯盆地的形成演化的主應(yīng)力為地幔柱隆升產(chǎn)生的張應(yīng)力，但盆地內(nèi)各洼陷的走向、裂陷地層厚度等受北大西洋擴(kuò)張、新特提斯洋擴(kuò)張，以及先存斷裂等多方面的影響，導(dǎo)致了盆地內(nèi)各洼陷的演化差異非常大。南北向洼陷的形成主要受到先存斷裂的控制；北西向洼陷主要受新特提斯洋擴(kuò)張影響；東西向洼陷則受北大西洋擴(kuò)張和新特提斯洋擴(kuò)張的合力影響。

5 結(jié)論

1) 北海外馬里福斯盆地內(nèi)的洼陷整體表現(xiàn)為“小而多，差異大”的結(jié)構(gòu)特征。南北向洼陷為受晚侏羅世南北向和東西向斷裂聯(lián)合控制的早期洼陷；東西向洼陷為受東西向斷裂控制的晚侏羅—早白堊世繼承性洼陷；北西向洼陷為受早白堊世北西向斷裂控制的晚期洼陷。

2) 盆地內(nèi)各洼陷間差異演化特征明顯。南部各洼陷的主裂陷期為晚侏羅世，早白堊世呈斷凹轉(zhuǎn)換的特征；中部各洼陷的主裂陷期為晚侏羅世和早白堊世；北部洼陷的主裂陷期為早白堊世。不同地質(zhì)歷史時(shí)期，無論是洼陷內(nèi)部還是洼陷間，均存在沉降中心由西向東遷移的特征。

3)復(fù)雜的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力背景導(dǎo)致了盆地內(nèi)各洼陷差異演化。在地幔柱隆升產(chǎn)生的垂向張應(yīng)力背景下，南北向洼陷的形成主要受先存斷裂的控制；北西向洼陷受新特提斯洋擴(kuò)張影響；東西向洼陷受北大西洋擴(kuò)張和新特提斯洋擴(kuò)張的合力影響。