Bể trầm tích Cửu Long là bể rift nội lục điển hình, được hình thành và phát triển trên mặt đá kết tinh trước Kainozoi. Đặc điểm cấu trúc của bể qua từng thời kỳ được thể hiện trên các bản đồ cấu trúc mặt móng, cấu trúc mặt bất chỉnh hợp trong Oligoxen và nóc Mioxen. Quá trình tiến hóa địa chất của bể được mô hình hóa và mô tả qua hình 2.5 và 2.6. Mặt cắt phục hồi qua nhiều tuyến đều cho thấy lịch sử phát triển địa chất của bể Cửu Long trải qua 3 thời kỳ sau:
Thời kỳ trước tách giãn
Trước Đệ Tam, đặc biệt từ Jura muộn đến Paleocen là thời gian thành tạo và nâng cao đá móng magma xâm nhập. Các đá này gặp rất phổ biến ở hầu khắp lục địa Nam Việt Nam. Các thành tạo đá xâm nhập, phun trào Mezozoi muộn - Kainozoi sớm và trầm tích cổ trước đó đã trải qua thời kỳ dài bóc mòn, giập vỡ và bị căng giãn theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Sự phát triển các đai mạch lớn, kéo dài có hướng Đông Bắc - Tây Nam thuộc phức hệ Cù Mông và Phan Rang tuổi tuyệt đối 60 - 30 triệu năm đã minh chứng cho điều đó. Đây là giai đoạn san bằng địa hình trước khi hình thành bể trầm tích Cửu Long.
Địa hình bề mặt bóc mòn của móng kết tinh trong phạm vi khu vực bể lúc này có sự đan xen giữa các thung lũng và đồi, núi thấp. Hình thái địa hình mặt móng này liên quan rất lớn trong việc phát triển trầm tích lớp phủ kế thừa vào cuối
Eocen, đầu Oligoxen.
Thời kỳ đồng tách giãn
Được khởi đầu vào cuối Eocen, đầu Oligoxen do tác động của các biến cố kiến tạo vừa nêu với hướng căng giãn chính là TB - ĐN. Hàng loạt đứt gãy có phướng ĐB - TN đã được sinh thành do sụt lún mạnh và căng giãn. Các đứt gãy chính cắm về hướng Đông Nam.
Như đã nêu ở trên, vào đầu Kainozoi do sự va mạnh ở góc hội tụ Tây Tạng giữa các mảng Ấn Độ và Âu - Á làm vi mảng Indosinia bị thúc trồi xuống Đông Nam theo các đứt gãy trượt bằng lớn như đứt gãy Sông Hồng, Sông Hậu - Ba Chùa/Three Pagoda, với xu thế trượt trái ở phía Bắc và trượt phải ở phía Nam tạo nên các trũng Đệ Tam trên các đới khâu ven rìa, trong đó có bể Cửu Long. Trong Oligoxen giãn đáy biển theo hướng Bắc - Nam tạo Biển Đông bắt đầu từ 32 triệu năm. Trục giãn đáy biển phát triển lấn dần xuống Tây Nam và đổi hướng từ Đông - Tây sang Đông Bắc - Tây Nam vào cuối Oligoxen. Các quá trình này đã gia tăng các hoạt động tách giãn và đứt gãy ở bể Cửu Long trong Oligoxen và nén ép vào cuối Oligoxen. Do các hoạt động kiến tạo này, ở bể Cửu Long ngoài các đứt gãy chính điển hình có phương ĐB - TN cắm về Đông Nam, còn tồn tại một số đứt gãy có phướng Đông – Tây và nhiều bán địa hào, địa hào cùng hướng phát triển theo các đứt gãy được hình thành. Các bán địa hào, địa hào này được lấp đầy nhanh bằng các trầm tích vụn thô, phun trào chủ yếu thành phần bazơ - trung tính và trầm tích trước núi.
Trong thời gian đầu tạo bể có lẽ do chuyển động sụt lún khối tảng, phân dị nên tại các đới trũng khác nhau có thể có các thời kỳ gián đoạn, bào mòn trầm tích khác nhau. Do khu vực tích tụ trầm tích và cung cấp trầm tích nằm kế cận nhau nên thành phần trầm tích ở các đới trũng khác nhau có thể khác biệt nhau. Đặc điểm phát triển các bề mặt không chỉnh hợp ở thời kỳ này mang tính địa phương cao và cần được lưu ý khi tiến hành liên kết, đối sánh thạch địa tầng.
Vào Oligoxen sớm, bao quanh và nằm gá lên các khối nhô móng kết tinh phổ biến là trầm tích nguồn lục địa - sông ngòi và đầm hồ, với các tập sét dày đến một vài chục mét (như trên cấu tạo Sư Tử Trắng và cánh Đông Bắc mỏ Bạch Hổ). Quá trình tách giãn tiếp tục phát triển làm cho bể lún chìm sâu, rộng hơn. Các hồtrũng trước núi trước đó được mở rộng, sâu dần và liên thông nhau và có chế độ trầm tích khá đồng nhất. Các tầng trầm tích hồ dày, phân bố rộng được xếp vào hệ tầng Trà Tân được thành tạo, mà chủ yếu là sét giàu vật chất hữu cơ màu nâu, nâu
đen tới đen. Các hồ phát triển trong các địa hào riêng biệt được liên thông nhau, mở rộng dần và có hướng phát triển kéo dài theo phương ĐB - TN, đây cũng là phương phát triển ưu thế của hệ thống đứt gãy mở bể.
Các trầm tích thuộc tầng Trà Tân dưới có diện phân bố hẹp, thường vắng mặt ở phần rìa bể, phần kề với các khối cao địa lũy và có dạng nêm điển hình, chúng phát triển dọc theo các đứt gãy với bề dày thay đổi nhanh. Các trầm tích giàu sét của tầng Trà Tân giữa được tích tụ sau đó, phân bố rộng hơn, bao phủ trên hầu khắp các khối cao trong bể và các vùng cận rìa bể.
Hoạt động ép nén vào cuối Oligoxen muộn đã đẩy trồi các khối móng sâu, gây nghịch đảo trong trầm tích Oligoxen ở trung tâm các đới trũng chính, làm tái hoạt động các đứt gãy thuận chính ở dạng ép chờm, trượt bằng và tạo nên các cấu trúc “trồi”, các cấu tạo dương/âm hình hoa, phát sinh các đứt gãy nghịch ở một số nơi như trên cấu tạo Rạng Đông, phía Tây cấu tạo Bạch Hổ và một số khu vực mỏ Rồng. Đồng thời xảy ra hiện tượng bào mòn và vát mỏng mạnh các trầm tích thuộc tầng Trà Tân trên.
Hình 2.6: Các giai đoạn biến dạng bể Cửu Long
Thời kỳ sau tách giãn
Vào Mioxen sớm, quá trình giãn đáy Biển Đông theo phương TB - ĐN đã yếu đi và nhanh chóng kết thúc vào cuối Mioxen sớm , tiếp theo là quá trình nguội lạnh vỏ. Trong thời kỳ đầu Mioxen sớm các hoạt động đứt gãy vẫn còn xảy ra yếu và chỉ chấm dứt hoàn toàn từ Mioxen giữa - Hiện tại. Các trầm tích của thời kỳ sau rift có đặc điểm chung là phân bố rộng, không bị biến vị, uốn nếp và gần như nằm ngang. Tuy nhiên, ở bể Cửu Long các quá trình này vẫn gây ra các hoạt động tái căng giãn yếu, lún chìm từ từ trong Mioxen sớm và hoạt động núi lửa ở một số nơi, đặc biệt ở phần Đông Bắc bể. Vào cuối Mioxen sớm, phần lớn diện tích của bể bị chìm sâu tạo điều kiện phát triển tầng “sét Rotalid” biển nông rộng khắp
(tầng chắn khu vực khá tốt cho toàn bể). Cuối Mioxen sớm toàn bể trải qua quá trình nâng khu vực và bóc mòn yếu, tầng sét Rotalid bị bào mòn từng phần và vẫn duy trì tính phân bố rộng.
Vào Mioxen giữa, lún chìm nhiệt tiếp tục gia tăng và biển đã có ảnh hưởng rộng lớn đến hầu hết các khu vực của bể. Cuối thời kỳ này có một pha nâng lên, dẫn đến sự tái thiết lập điều kiện môi trường sông ở phần Tây Nam bể còn ở phần Đông, Đông Bắc bể điều kiện ven bờ vẫn tiếp tục được duy trì.
Mioxen muộn được đánh dấu bằng sự lún chìm mạnh ở Biển Đông và phần rìa của nó, khởi đầu quá trình thành tạo thềm lục địa hiện đại Đông Việt Nam. Núi lửa hoạt động tích cực ở phần Đông Bắc bể Cửu Long, Nam Côn Sơn và phần đất liền Nam Việt Nam. Từ Mioxen muộn, bể Cửu Long đã hoàn toàn thông với bể Nam Côn Sơn và hệ thống sông Cửu Long, sông Đồng Nai trở thành nguồn cung cấp trầm tích cho cả hai bể. Các trầm tích hạt thô được tích tụ trong môi trường ven bờ ở phần Nam bể và trong môi trường biển nông trong ở phần Đông Bắc bể. Plioxen là thời gian biển tiến rộng lớn và có lẽ đây là lần đầu tiên toàn bộ vùng Biển Đông hiện tại nằm dưới mực nước biển. Các trầm tích hạt mịn hơn được vận chuyển vào vùng bể Cửu Long và xa hơn tích tụ vào vùng bể Nam Côn Sơn trong điều kiện nước sâu hơn.