Bồn trũng Nam Cơn Sơn cĩ cấu trúc địa chất rất phức tạp. Đá mĩng trƣớc Đệ Tam khơng đồng nhất bao gồm : granodiorit, diorite và metamorphic. Phủ trên mĩng là trầm tích Đệ Tam cĩ chiều dày biến đổi từ hàng trăm đến hàng nghìn mét và đƣợc phát hiện ở các giếng khoan thăm dị dầu khí.
Cho đến nay cấu trúc địa chất đã cĩ nhiều cơng trình nghiên cứu, tuy cĩ nhiều cách nhìn nhận khác nhau song về cơ bản đều cho rằng bồn trũng đƣợc hình thành từ Eocene – Oligocene và phát triển mở rộng trong Miocene. Quá trình hình thành và phát triển bồn trũng liên quan chặt chẽ với sự tiến hố của Biển Đơng, đặc biệt là rìa Tây – Nam của nĩ.
1. Các đới cấu trúc chính của bồn trũng Nam Cơn Sơn.
Trên cơ sở đặc điểm địa chất, cấu trúc, trầm tích và lịch sử phát triển của bồn trũng Nam Cơn Sơn trong thời kỳ Đệ Tam, cĩ thể phân ra đới nâng, đới trũng, đới phân dị.
- Đới phân dị Tây cĩ ranh giới phía Đơng là đứt gãy Đồng Nai, cĩ phƣơng á kinh tuyến cắt qua tồn bộ những lơ 19, 20,21,22. Bề mặt mĩng của đới cĩ xu hƣớng nghiêng dần về phía Đơng từ 1 - 4 km. Sụt nghiêng và cĩ xu thế sâu dần về phía Đơng, là kết quả của những hoạt động các đứt gãy, chủ yếu là đứt gãy Đồng Nai và đứt gãy Hậu Giang.
Đứt gãy Hậu Giang cắt qua những lơ 27, 28, 29 và là ranh giới của phụ đới phân dị Tây. Trên cánh Tây, dọc theo những đứt gãy á kinh tuyến cĩ nhiều trũng hẹp, sâu kéo dài. Trên cánh Đơng (cánh nâng) tồn tại một số cấu tạo lồi bán vịm phát triển từ mĩng (ở lơ 21 và 22). Tồn bộ đứt gãy á kinh tuyến đã khống chế hƣớng cấu trúc chính của đới phân dị Tây. Lớp phủ Cenozoic cĩ thể lên tới 5,000m tại những trũng gần đứt gãy Hậu Giang, nơi cĩ thể gặp tồn bộ các phân dị địa tầng của mặt cắt trầm tích Cenozoic. Trên đỉnh dãy nâng đứt gãy Hậu Giang vắng mặt thành tạo Oligocene.
- Đới phân dị Bắc kề với đới nâng Cơn Sơn. Phía Bắc và Tây Bắc là đứt gãy Đồng Nai, phía Nam và Đơng Nam gồm một số đứt gãy phát triển dọc theo rìa những trũng sâu, phía Nam cĩ thể lấy đƣờng đẳng sâu 4,000 – 4,500m làm ranh giới. Đặc trƣng cấu trúc của đới là chịu sự khống chế của những đứt gãy rìa cĩ hƣớng gần nhƣ Đơng Bắc – Tây Nam và cĩ sự sụt bậc theo xu thế từ Tây Bắc xuống Đơng Nam.
- Đới nâng Dừa tiếp cận với Natuna, nằm ở phần Nam của bồn trũng gồm một phần của những lơ 12 và 06. Trong phạm vi đới, chủ yếu phát triển các đứt gãy theo phƣơng á kinh tuyến và á vĩ tuyến. Những đứt gãy này cĩ biên độ thẳng đứng từ vài trăm mét đến 1 – 2 km.
- Những đới trũng của bồn trũng Nam Cơn Sơn phân bố chủ yếu trong trũng của trung tâm bể, trong đĩ phần lớn địa hào và bán địa hào chịu sự khống chế của các đứt gãy và sự sụt lún sâu của khối mĩng. Ranh giới ngăn cách giữa các trũng thƣờng là những khối nhơ cao mĩng hay là địa luỹ bên trong bồn trũng. Tính đa dạng của các trũng phản ánh sự phức tạp của quá trình tách giãn để hình thành bồn trũng Nam Cơn Sơn. Hình thái và kích thƣớc của chúng phụ thuộc vào vị trí so với trục tách giãn chính trong giai đoạn hình thành bồn trũng. Cĩ thể phân thành một số cấu trúc âm của bồn trũng nhƣ sau : trũng Bắc, trũng Trung Tâm và trũng Nam.
2. Các hệ thống đứt gãy.
- Hệ thống đứt gãy gần phƣơng Bắc – Nam (hay á kinh tuyến).
Chủ yếu gặp ở đới phân dị Tây, phụ thuộc đới nâng cận Natuna. Những đứt gãy này thƣờng cĩ chiều dài lớn, biên độ thẳng đứng từ vài trăm mét đến nghìn mét, một số đứt gãy cĩ biên độ đạt tới 2.000 – 4.000 m. Những đứt gãy đặc trƣng cho hệ thống đứt gãy này bao gồm : đứt gãy Hậu Giang, đứt gãy Đồng Nai, đứt gãy Sơng Hồng.
Đứt gãy Hậu Giang phát triển theo phƣơng gần Bắc Nam dọc các lơ 27, 28, 29, cĩ mặt trƣợt nghiêng về phía Tây. Trên cánh nâng phát triển một số cấu tạo lồi bán vịm kề áp đứt gãy. Trong phạm vi lơ 28 và 29, phát triển một số dạng trũng hẹp, dạng bán địa hào (ở phần cánh sụt của đứt gãy). Đứt gãy ở ranh giới phía Đơng của phụ đới rìa phía Tây.
Đứt gãy Đồng Nai phát triển qua các lơ từ lơ 18 đến lơ 22, cĩ mặt trƣợt nghiêng về phía Tây, biên độ thẳng đứng từ vài trăm mét đến vài nghìn mét. Dọc theo cánh sụt cũng phát triển một số trũng hẹp sâu. Đứt gãy là ranh giới phân cách đới phân dị Tây với những đới khác của bể.
Đứt gãy Sơng Hồng phát triển dọc các lơ 12, 13, 14, cĩ mặt trƣợt nghiêng về phía Đơng, biên độ dịch chuyển từ vài trăm mét đến 2,000m (vùng cấu tạo Hồng).
Những đứt gãy á kinh tuyến thƣờng cĩ độ sâu phân bố lớn (vào mĩng), chúng hoạt động mạnh vào thời kỳ Oligocene, đây là giai đoạn rift mạnh mẽ nhất, và là những đứt gãy đồng trầm tích, chỉ một số đứt gãy phát triển đến tận Miocene muộn.
- Hệ thống đứt gãy phƣơng Đơng Bắc – Tây Nam.
Chủ yếu phân bố ở đới phân dị Bắc, phụ đới trũng Bắc và là cấu trúc đặc trƣng cho các đới, phụ đới này. Chúng thƣờng là những đứt gãy cĩ chiều dài nhỏ hơn so với hệ thống đứt gãy Bắc – Nam (á kinh tuyến). Biên độ của chúng từ vài trăm mét đến hơn nghìn mét. Nhìn chung các đứt gãy Đơng Bắc - Tây Nam đều cĩ mặt trƣợt nghiêng về phía Đơng Nam, tạo nên sụt bậc nhanh từ nâng Cơn Sơn tới trung tâm bồn trũng hay về trung tâm phụ đới trũng Bắc. Dọc theo các đứt gãy của hệ thống này gặp một số cấu tạo lồi dạng bán vịm kề áp với đứt gãy.
Hệ thống đứt gãy Đơng Bắc – Tây Nam phát triển rất sớm, trƣớc Oligocene và tiếp tục hoạt động cho tới tận Miocene muộn, một số ít tới Pliocence – Đệ Tứ, nhƣ các đứt gãy lân cận cấu tạo 04 – A.
- Hệ thống đứt gãy phƣơng gần Đơng – Tây (hay á vĩ tuyến).
Là những đứt gãy nhỏ, ít phổ biến nhƣng chúng cĩ thể cĩ mặt ngay sau khi hình thành bồn trũng hoặc sớm hơn, chúng hầu nhƣ ngƣng nghỉ vào thời kỳ Miocene sớm – giữa, đây là thời kỳ sau tạo rift.
Đặc trƣng cho hệ thống đứt gãy này cĩ đứt gãy rìa Bắc nâng Mãng Cầu, là ranh giới với phụ đới nâng Dừa – cận Natuna, cĩ biên độ từ 500 – 1000m.
Ngồi ra cịn gặp một số đứt gãy cĩ phƣơng Đơng – Tây phân bố ở lơ 05 và 21. Trong phạm vi Nam Cơn Sơn cịn thấy phát triển các đứt gãy phƣơng Tây Bắc – Đơng Nam, á kinh tuyến… Nhƣng nhìn chung, chúng cĩ quy mơ nhỏ và thƣờng là những cấu trúc làm phức tạp các đới và phụ đới của bồn trũng.