遼河盆地中部構(gòu)造演化與古潛山油氣成藏模式

張慶龍，葛榮峰，趙立文，杜彥彥，慕德良,

(1.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210093； 2.遼河金馬油田股份有限公司，遼寧 盤錦 124000； 3.中國石油大學(xué)(北京) 資源與信息學(xué)院，北京 102200)

遼河盆地是我國重要的油氣產(chǎn)地之一，除常規(guī)油氣藏外，近年來在火山巖[1]、古潛山[2]等特種油氣藏的勘探開發(fā)理論與實(shí)踐中取得了一系列進(jìn)展。其中，位于中央凸起南部傾沒端的小洼古潛山在太古宇中見到油氣顯示并獲得工業(yè)油氣流，具有良好的油氣前景，其古潛山油氣特征在遼河盆地具有典型性。小洼古潛山油藏主要貯存在太古宇混合花崗巖中的構(gòu)造裂縫、溶蝕裂縫等次生裂隙之中。構(gòu)造裂縫本身可以成為油氣的良好儲(chǔ)存場所，而且也是溶蝕空隙等發(fā)育的基礎(chǔ)。換言之，構(gòu)造裂縫的形成與演化決定了古潛山的油氣儲(chǔ)集能力。古潛山構(gòu)造裂縫的形成與演化是與遼河盆地整體所經(jīng)歷的構(gòu)造活動(dòng)與應(yīng)力場相適應(yīng)的。大量研究表明，郯廬斷裂帶中生代以來的復(fù)雜活動(dòng)對遼河盆地的形成與構(gòu)造演化有強(qiáng)烈的控制[3]，也必然對古潛山構(gòu)造裂縫的形成演化起決定性作用。因此，對遼河盆地構(gòu)造演化過程及其與郯廬斷裂帶活動(dòng)的研究，不但有助于了解這些構(gòu)造裂縫的性質(zhì)與成因，對古潛山油藏的勘探開發(fā)也有一定的指導(dǎo)意義。

本文通過區(qū)域性平衡地質(zhì)剖面的構(gòu)建與定量恢復(fù)，結(jié)合小洼古潛山構(gòu)造特征，論述了遼河盆地中部構(gòu)造演化及其對古潛山裂縫系統(tǒng)形成與性質(zhì)的控制，進(jìn)而探討了古潛山油氣藏勘探的方向。

1 平衡地質(zhì)剖面與構(gòu)造演化

遼河盆地位于華北板塊北緣，是受郯廬斷裂帶活動(dòng)控制的中、新生代裂谷盆地[3]。盆地構(gòu)造格局一般劃分為“三凸三凹”，即中央凸起、東部凸起、西部凸起和西部凹陷、東部凹陷及大民屯凹陷，小洼古潛山位于中央凸起南部傾沒端(圖1)。盆地基底主要為太古宇混合花崗巖和片麻巖，盆地內(nèi)從老到新依次填充了中生界、古近系房身泡組、沙河街組、東營組、新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系的河湖相碎屑巖以及夾雜其中的火山巖[4]。

平衡地質(zhì)剖面的構(gòu)建與逐層恢復(fù)是獲得構(gòu)造發(fā)展史的重要定量化手段之一。本研究采用GeoSec2D軟件對遼河盆地中部3條NW—SE向區(qū)域性剖面進(jìn)行了平衡恢復(fù)。這3條剖面是從最新三維地震連片數(shù)據(jù)體中提取的。首先對地震剖面進(jìn)行精細(xì)構(gòu)造解釋，再結(jié)合井深等各種資料進(jìn)行變速時(shí)深轉(zhuǎn)換，建立準(zhǔn)確的地質(zhì)剖面，再經(jīng)過去壓實(shí)校正、剝蝕補(bǔ)償、斷距消除、層拉平等步驟，逐層將剖面恢復(fù)到沉積之前的水平狀態(tài)，最后將各個(gè)時(shí)期的構(gòu)造狀態(tài)相結(jié)合，就可以獲得詳細(xì)的構(gòu)造演化史(圖2)，并計(jì)算各個(gè)時(shí)期的伸展量、伸展率、伸展速率等參數(shù)[5-6](表1)。現(xiàn)以L1剖面為代表進(jìn)行說明。

圖1 遼河盆地大地構(gòu)造背景與構(gòu)造區(qū)劃

圖2 遼河盆地中部L1剖面構(gòu)造演化史

時(shí)代年齡/Ma剖面長度/km西部凹陷東部凹陷遼河盆地伸展量/km西部凹陷東部凹陷遼河盆地伸展率/%西部凹陷東部凹陷遼河盆地伸展速率/(mm·a-1)西部凹陷東部凹陷遼河盆地現(xiàn)今034.024.858.90.00.00.0-0.01-0.1-0.03<-0.01-0.01-0.01Q-Ng24.634.024.858.90.20.10.30.60.20.40.01<0.010.01Ed3533.924.858.61.60.31.95.01.13.30.160.030.18Es1+23832.224.556.80.20.30.60.71.51.00.080.120.19Es34332.024.256.22.80.63.39.42.56.30.550.120.67Es445.429.323.652.80.40.00.41.50.00.80.180.00.18Mz145.528.823.652.41.31.02.34.54.64.60.030.020.05Ar27.622.550.1

1.1 中生代初始伸展

從恢復(fù)后的剖面構(gòu)造形態(tài)來看，遼河盆地中部晚中生代就已經(jīng)開始了伸展裂陷，屬于書斜式平面正斷層控制下的斷陷盆地，其中西部凹陷斷陷中心在今西部凸起位置，而東部凹陷在茨榆坨斷裂和營口—佟二堡斷裂控制下形成2個(gè)沉降中心，分別表現(xiàn)為不對稱地塹和半地塹。小洼古潛山此時(shí)是斷裂夾持下形成的斷塊山，分割了東西2個(gè)斷陷盆地。

遼河盆地中生界底部是一套中酸性火成巖系，上部為含煤碎屑巖系和河流、湖泊相碎屑巖沉積[5]，與遼西及松遼盆地南部裂陷盆地中的下白堊統(tǒng)沉積可以對比，屬于陸內(nèi)裂陷產(chǎn)物?；謴?fù)后的盆地構(gòu)造形態(tài)也與松遼斷陷盆地群早白堊世的盆地結(jié)構(gòu)非常類似[7]。這說明華北—東北地區(qū)在早白堊世處于統(tǒng)一的陸內(nèi)伸展裂陷環(huán)境，是中國東部晚中生代構(gòu)造體制轉(zhuǎn)折的表現(xiàn)。但與松遼盆地不同的是，遼河盆地并非此時(shí)的裂陷中心，其內(nèi)部裂陷不充分，斷層并未充分伸展而表現(xiàn)為平面式斷層組合。至晚白堊世盆地抬升暴露，遭受剝蝕，因此盆地內(nèi)先存中生界是長期風(fēng)化剝蝕后的殘留。

恢復(fù)后的剖面伸展率表明，遼河盆地東、西2個(gè)凹陷當(dāng)時(shí)地殼拉伸強(qiáng)度相當(dāng)(分別為4.6%和4.5%)，伸展速率較小(平均值分別約0.02 mm/a 和0.03 mm/a)。由于剝蝕作用難以估計(jì)，中生界地層年齡也缺乏可靠約束，這些數(shù)值只是最小值。

1.2 古新世—始新世強(qiáng)烈伸展

以房身泡組粗面質(zhì)和玄武質(zhì)堿性火山巖的大規(guī)模噴發(fā)為標(biāo)志[8]，遼河盆地開始了新一輪的伸展裂陷。沙河街組四段沉積時(shí)期，西部凹陷首先開始強(qiáng)烈伸展裂陷。此時(shí)盆地處于NW-SE向拉張應(yīng)力狀態(tài)，湖盆沉降擴(kuò)大，但臺(tái)安—大洼斷層沿走向存在強(qiáng)烈差異，該剖面上靠近斷層地層厚度反而小，伸展率只有1.5%，說明該剖面可能處于沙河街組四段沉積中心的邊緣。東部凹陷此時(shí)仍處于暴露狀態(tài)，并沒有接受沙河街組四段沉積，說明東部凹陷新生代伸展活動(dòng)晚于西部凹陷。

沙河街組三段沉積期是遼河盆地伸展最強(qiáng)烈的時(shí)期，東、西2個(gè)凹陷均強(qiáng)烈沉降，沉積形成了巨厚的暗色泥巖。西部凹陷這一時(shí)期地殼的伸展強(qiáng)度(9.5%)和速率(0.55 mm/a)都達(dá)到了最大值，東部凹陷雖然也達(dá)到最大值(伸展率2.5%，伸展速率0.12 mm/a)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于西部凹陷。這說明西部凹陷總體伸展強(qiáng)度大于東部凹陷，可能是因?yàn)闁|部凹陷邊界斷層傾角較陡，地殼水平伸展有限而以垂向沉降為主。古潛山邊緣從沙三段開始逐漸上超，但由于古潛山離物源較近，沉積的是一套三角洲相粗碎屑巖或河道砂體。

1.3 漸新世右旋張扭改造

從沙河街組一、二段沉積時(shí)期開始，遼河盆地內(nèi)部斷層出現(xiàn)走滑活動(dòng)，至東營組沉積末期走滑強(qiáng)度達(dá)到最大，對先前伸展層序進(jìn)行了強(qiáng)烈的走滑改造，形成各種各樣走滑構(gòu)造[9]。

沙一、二段仍以伸展沉降為主，地殼水平伸展強(qiáng)度和速率較沙三段沉積時(shí)期減小，但東部凹陷(伸展率1.5%，伸展速率0.12 mm/a)大于西部凹陷(伸展率0.7%，伸展速率0.08 mm/a)，垂直沉降強(qiáng)度也大于西部凹陷，沉積了厚的沙一、二段地層，并且向西超覆在古潛山邊緣。

東營組沉積期張扭活動(dòng)逐漸加強(qiáng)，派生各種次級構(gòu)造，其中以近EW向的次級正斷層最為突出。這些正斷層明顯受控于主走滑斷層，并與之組成所謂的“梳狀構(gòu)造”，它們在剖面上表現(xiàn)為樹枝狀，往往消失于沙三段暗色泥巖軟弱帶中。此時(shí)剖面上東西2個(gè)凹陷仍具有較大的伸展率(5.0%和1.1%)，但此時(shí)的伸展可能大部分歸功于上述次級正斷層活動(dòng)，與之前的伸展參數(shù)不具有可比性。

1.4 中新世以來坳陷萎縮

東營組沉積結(jié)束之后，遼河盆地存在較長時(shí)間的抬升暴露、風(fēng)化剝蝕歷史，特別是在西部凹陷斜坡上剝蝕量最大，估計(jì)有1 000 m左右。之后盆地整體坳陷沉降，構(gòu)造活動(dòng)微弱，沉積厚度均一。此時(shí)只有少數(shù)斷層有微弱的繼承性伸展，東、西2個(gè)凹陷的伸展率小于1%，伸展速率小于0.01 mm/a，說明地殼以整體垂向沉降為主，水平伸展很弱。至第四系沉積時(shí)期，東部凹陷可能存在微弱的擠壓反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，局部隆起遭受剝蝕，剝蝕量約為100～200 m，盆地表現(xiàn)出一定的擠壓萎縮。

2 小洼古潛山斷裂系統(tǒng)及其成因分析

根據(jù)最新三維地震編繪的古構(gòu)造圖(圖3)顯示，小洼古潛山表面南北斷裂走向迥然不同。北部受向SW傾斜的洼70斷層控制，發(fā)育NE和NW向次級正斷層，以NE向?yàn)橹?。以?8斷層為界，南部古潛山頂面構(gòu)造相對復(fù)雜，發(fā)育SN,EW,NE,NW 4組斷裂，其中以SN向斷裂最為顯著，控制了潛山表面SN向展布的次級突起；EW向斷裂主要是洼38斷層，NE,NW向斷裂分布在洼38斷層的附近。 這些宏觀的斷裂構(gòu)造不但控制了潛山表面的構(gòu)造格局和形態(tài)，也控制著微觀構(gòu)造裂隙的發(fā)育。對洼85等多口井鉆遇的潛山巖心觀察表明，巖石微觀尺度同樣發(fā)育多個(gè)方向的裂縫。其中NE,NW和EW向的斷裂或裂縫在整個(gè)遼河盆地的基底潛山中普遍發(fā)育，且被認(rèn)為是受郯廬斷裂帶右行走滑影響產(chǎn)生的[10]。而唯獨(dú)SN向的斷裂(裂縫)比較少見，它們控制了潛山表面SN向延伸的次級突起(古山丘)的展布，顯示為張性，這與NE向主斷裂右行走滑派生的次級構(gòu)造的性質(zhì)不符，并且只在潛山表面出現(xiàn)，后期再無活動(dòng)，說明其形成時(shí)代較早，并非漸新世右行走滑的產(chǎn)物。

圖3 遼河盆地小洼古潛山頂面古構(gòu)造

小洼古潛山表面的復(fù)雜斷裂系統(tǒng)可能反映了晚中生代郯廬斷裂帶左行走滑對遼河盆地的改造，是NE向臺(tái)安—大洼斷層左行走滑活動(dòng)派生的次級破裂(圖4)，其中SN向斷層是張性的(T)，而NW,NE向的斷層此時(shí)是剪性的，前者為左旋，后者為右旋，EW向構(gòu)造此時(shí)是壓性的，可能表現(xiàn)為逆斷層?？梢?，小洼古潛山表面的復(fù)雜斷裂構(gòu)造系統(tǒng)可用NE向主斷裂的左行走滑活動(dòng)給予很好的解釋，這反映了以臺(tái)安—大洼斷層為代表的郯廬斷裂帶左行走滑活動(dòng)對遼河盆地的影響。平衡剖面分析表明遼河盆地中生代就已伸展裂陷，是中國東部白堊紀(jì)裂陷盆地的一部分，大量的同位素年齡表明郯廬斷裂帶晚中生代發(fā)生了大規(guī)模的左行走滑活動(dòng)，對中國東部盆地形成與演化產(chǎn)生了重要的控制作用。郯廬斷裂主干斷層從遼河盆地中部穿過，受其影響自是不言而喻。

圖4 NE向斷裂走滑活動(dòng)派生的次級應(yīng)力場和破裂系統(tǒng)的一般模式

后期的構(gòu)造作用可以產(chǎn)生新的斷裂系統(tǒng)，但很容易沿著早期構(gòu)造軟弱面發(fā)生，對早期構(gòu)造進(jìn)行改造。從小洼潛山沙河街組三段、東營組等頂面古構(gòu)造圖可見，古潛山表面構(gòu)造決定了后期構(gòu)造的基本格局，后期構(gòu)造都是沿著早期構(gòu)造發(fā)育的。遼河盆地古近紀(jì)強(qiáng)烈的NW—SE向拉張作用使早期形成的NE,NW向剪性斷層和裂縫張性增強(qiáng)，特別是NE向次級裂縫，有的規(guī)模擴(kuò)大，發(fā)育為NE向斷層并和臺(tái)安—大洼斷層相連，成為油氣運(yùn)移的良好通道。始新世晚期至漸新世遼河盆地經(jīng)歷了郯廬斷裂帶右行走滑活動(dòng)的改造，其派生的次級應(yīng)力場方向和早期左行走滑正好相反(圖4)。此時(shí)SN向斷裂處于受壓狀態(tài)，張性可能有所減小，但大量的EW向斷裂顯示了強(qiáng)烈的張性活動(dòng)。小洼地區(qū)EW向的洼38斷層從晚中生代擠壓狀態(tài)轉(zhuǎn)化為強(qiáng)烈拉伸，控制了該區(qū)的沉積和油氣運(yùn)移。古近紀(jì)之后遼河盆地以均勻熱沉降為標(biāo)志，對裂縫性質(zhì)的改造不是很強(qiáng)烈。

因此，郯廬斷裂帶晚中生代左行走滑派生的次級裂隙決定了小洼古潛山構(gòu)造格局與性質(zhì)，新生代強(qiáng)烈伸展和右旋走滑對其進(jìn)行了顯著的改造，不但使裂縫密度增加，也使裂縫開度普遍提高，有利于油氣的存儲(chǔ)和運(yùn)移。

3 小洼古潛山油氣成藏模式與勘探方向

從石油地質(zhì)特征來看，小洼古潛山具有油源充足、多通道運(yùn)移、多套儲(chǔ)層存儲(chǔ)的特點(diǎn)。緊鄰潛山的清水洼陷內(nèi)沙三、沙四段暗色泥巖累計(jì)厚度達(dá)2 000多米，且具有很高的有機(jī)質(zhì)含量，生烴能力強(qiáng)，生烴總量達(dá)22×108t。數(shù)值模擬表明[11]，清水洼陷沙四、沙三段烴源巖在沙一、二段沉積時(shí)期就已成熟，開始生烴和排烴，到東營組二段沉積時(shí)期達(dá)到排烴高峰。此時(shí)臺(tái)安—大洼斷層發(fā)生右行張扭活動(dòng)，是流體運(yùn)移的良好通道。洼38斷層此時(shí)也有明顯的張性活動(dòng)，并且和臺(tái)安—大洼斷層連通，成為小洼地區(qū)重要的油源斷層。東三段沉積時(shí)期古潛山被逐漸埋藏，不整合面成為油氣運(yùn)移的有效通道，其邊界與臺(tái)安—大洼斷層相連通，或者直接與清水洼陷烴源巖相接觸，并且其形態(tài)北高南低向西南方向緩傾，有利于油氣朝古潛山上運(yùn)移。古潛山內(nèi)部裂縫經(jīng)過沙三、沙四沉積時(shí)期的強(qiáng)烈伸展改造，其張性增強(qiáng)，可以作為另一種有效的運(yùn)移通道(圖5)。

小洼古潛山自上而下發(fā)育多套儲(chǔ)集層。除東二、東三段三角洲前緣砂體和沙三段水下扇、辨狀河砂體等常規(guī)儲(chǔ)集層之外，太古宇古潛山頂部不整合面和潛山內(nèi)幕裂縫發(fā)育區(qū)是未來可能有所突破的儲(chǔ)層。

不整合面之上常發(fā)育底礫巖或水進(jìn)體系域砂體，有一定的儲(chǔ)集能力，其上發(fā)育高位體系域致密泥質(zhì)巖，可以作為良好的蓋層[12]，因此不整合面之上可在古潛山斜坡或次級突起處形成圈閉。不整合面之下古土壤層經(jīng)埋藏壓實(shí)后可成為致密的粘土層，將不整合上下分為2套儲(chǔ)集體。其下半風(fēng)化巖石或風(fēng)化淋濾層有很高的孔隙度和滲透性，而且連通性良好，是十分有利的儲(chǔ)集層，它可以被風(fēng)化粘土層封蓋形成圈閉。古土壤層一般發(fā)育在古潛山表面比較平坦、坡度較小的地區(qū)，而在地形起伏強(qiáng)烈的地區(qū)可能缺失古土壤層，這樣不整合上下便連通成為同一套儲(chǔ)集體，可同時(shí)被高位體系域泥質(zhì)巖封蓋形成圈閉。

圖5 遼河盆地中部小洼古潛山油氣成藏模式

古潛山內(nèi)幕構(gòu)造裂縫發(fā)育程度受到構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度和古潛山巖性雙重因素的控制，在巖性均一的情況下，局部構(gòu)造對裂縫的發(fā)育及密度產(chǎn)生很大的影響。一般情況下，斷層的交叉點(diǎn)受到2條斷裂作用的疊加而裂縫最為密集；斷裂的端點(diǎn)也是應(yīng)力集中區(qū)，此處往往形成大量的裂縫，如果應(yīng)力作用加強(qiáng)則使斷裂規(guī)模擴(kuò)大；此外斷裂拐點(diǎn)，即斷層產(chǎn)狀發(fā)生變化的地方也往往是應(yīng)力集中區(qū)，也可以產(chǎn)生大量裂隙。因此，古潛山內(nèi)幕斷裂的交匯點(diǎn)、端點(diǎn)和拐點(diǎn)是裂縫儲(chǔ)集性能最好的地方。當(dāng)裂縫暴露在地表或近地表時(shí)，由于上覆巖石剝蝕卸荷，裂縫開度增加，還可能因此產(chǎn)生近水平的層裂，形成新的低角度裂縫，增強(qiáng)裂縫的連通性。古潛山頂面次級突起由于剝蝕嚴(yán)重，卸荷強(qiáng)烈，層裂發(fā)育，是古潛山內(nèi)幕另一有利的儲(chǔ)集體。

4 結(jié)論

1)遼河盆地經(jīng)歷了晚中生代初始伸展、古新世—始新世強(qiáng)烈伸展、漸新世右行張扭和中新世以來坳陷沉降4個(gè)演化階段。

2)小洼古潛山表面發(fā)育SN向、NE—SW向和NW—SE向構(gòu)造裂縫，是受郯廬斷裂帶晚中生代左行走滑派生的次級構(gòu)造，最初前者為張性，后兩者為剪性，受新生代強(qiáng)烈伸展和右旋張扭改造張性有所提高，而EW向斷裂發(fā)育于漸新世，是受郯廬斷裂帶右行走滑派生的張性斷裂。

3)古潛山表層不整合面局部構(gòu)造高點(diǎn)和潛山內(nèi)幕大斷裂端點(diǎn)、拐點(diǎn)、交匯點(diǎn)是古潛山油氣成藏的有利區(qū)域。

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