黃驊坳陷南區(qū)扭動構(gòu)造特征及其與油氣聚集的關(guān)系

渠 芳，連承波，陳清華，渠冬芳

(1.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610500;2.中國石油大學(xué) (華東)地球資源與信息學(xué)院，山東 東營 257061;3.中國石油大學(xué) (北京)資源與信息學(xué)院，北京 昌平102249)

黃驊坳陷南區(qū)扭動構(gòu)造特征及其與油氣聚集的關(guān)系

渠 芳1，連承波1，陳清華2，渠冬芳3

(1.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610500;2.中國石油大學(xué) (華東)地球資源與信息學(xué)院，山東 東營 257061;3.中國石油大學(xué) (北京)資源與信息學(xué)院，北京 昌平102249)

在研究黃驊坳陷斷裂系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過力學(xué)分析認(rèn)為黃驊坳陷在第三系蓋層中極難出現(xiàn)明確的走滑斷裂，但形成大量斜向滑動斷層，具有典型的扭動構(gòu)造特點(diǎn)。扭動構(gòu)造包括直扭型和旋扭型兩種，其中滄東斷裂、徐西斷裂、南皮北-鹽山隱伏斷裂以及皂坡-故縣隱伏斷裂帶所圍限的區(qū)域以發(fā)育直扭型構(gòu)造樣式為主，組成“λ”字形、雁列式及“S”形斷裂構(gòu)造樣式等。在豫冀魯巨型帚狀構(gòu)造體系和邊界大斷裂共同作用下，以南皮洼陷為漩渦中心，形成帚狀旋扭構(gòu)造樣式。這一旋扭構(gòu)造樣式在南皮北-鹽山隱伏斷裂帶南部的烏馬營地區(qū)表現(xiàn)最為明顯，其次為滄東斷裂下降盤的舍女寺地區(qū)，平面上呈向南西方向收斂、向北東方向撒開，在沙二段、沙三段地層最為明顯。張扭性斷裂系統(tǒng)對油氣聚集的重要控制作用主要表現(xiàn)為圈閉和斷裂構(gòu)造帶形成、油氣垂向運(yùn)移通道作用以及控油性差異等3個方面。

黃驊坳陷南區(qū);斜向滑動斷層;扭動構(gòu)造;直扭構(gòu)造;旋扭構(gòu)造

黃驊坳陷斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，據(jù)統(tǒng)計，其第三系蓋層中各級次、各類別的斷裂達(dá)8100多條。關(guān)于這些斷裂的性質(zhì)目前仍有較多分歧。有些學(xué)者將北西向調(diào)節(jié)斷層(帶)歸入伸展斷裂系統(tǒng)［1，2］，而另一些學(xué)者則將其歸入走滑斷裂系統(tǒng)［3，4］，認(rèn)為橫向變換帶為具有走向滑移成分的橫向剪切斷層。事實上，從黃驊坳陷南區(qū)第三系蓋層中斷裂的分布情況來看，確實呈現(xiàn)出典型的扭動構(gòu)造特點(diǎn)。因此，本文主要從力學(xué)分析的角度，探討扭動構(gòu)造形成的力學(xué)機(jī)制及其展布特點(diǎn)，為認(rèn)識扭動構(gòu)造對圈閉形成及油氣運(yùn)聚的控制作用提供依據(jù)。

1 扭動構(gòu)造產(chǎn)生的背景

黃驊坳陷南區(qū)位于河北省滄州境內(nèi)，是渤海灣盆地第三紀(jì)斷陷區(qū)之一。根據(jù)現(xiàn)今地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)可分為12個次級構(gòu)造單元——兩個凸起:孔店凸起、徐黑凸起;5個凹陷:滄東凹陷、南皮凹陷、常莊凹陷、吳橋凹陷和鹽山凹陷;3個鼻狀構(gòu)造帶:滄市鼻狀構(gòu)造帶、鹽山鼻狀構(gòu)造帶、東光鼻狀構(gòu)造帶;兩個斷裂構(gòu)造帶:小集-段六撥斷裂構(gòu)造帶和烏馬營斷裂構(gòu)造帶。這些凹陷和凸起近雁列狀展布(圖1)。從斷裂方向來看，黃驊坳陷新生代斷裂主要由北東-北北東向斷裂和北西-近東西向斷裂兩組斷裂系統(tǒng)交叉組合而成。平面上呈現(xiàn)出東西分帶、南北分塊特征。其中，孔店構(gòu)造帶是南區(qū)主要的復(fù)式油氣聚集帶。含油層系縱貫古生界、中生界及第三系，其中古近系是最主要的油氣聚集層位。

航磁資料、鉆井資料及深部構(gòu)造研究表明，黃驊坳陷第三紀(jì)裂陷發(fā)育在魯西、太行山及燕山三大結(jié)晶基底的交接部位，呈“T”字形展布的結(jié)晶基底縫合線基本限定了黃驊坳陷蓋層構(gòu)造演化［1，3，5，6］。

圖1 黃驊坳陷南區(qū)構(gòu)造單元劃分1.構(gòu)造分區(qū)線;2.沙河街組剝蝕線;3.邊界一級斷層;4.坳陷內(nèi)主干斷層Fig.1 Tectonic division of southern Huanghua depression1=tectonic boundary;2=erosional surface of the Shahejie Formation;3=1st-order boundary fault;4=major fault

筆者曾對黃驊坳陷的斷裂系統(tǒng)做過相關(guān)研究［7］，認(rèn)為從力學(xué)角度分析，黃驊坳陷的總應(yīng)力場主要由拉張應(yīng)力、重力引起的地靜應(yīng)力和扭動應(yīng)力三大應(yīng)力組成。其中地靜應(yīng)力處于主導(dǎo)地位，拉張應(yīng)力次之，扭動應(yīng)力較微弱，因而極難出現(xiàn)中間應(yīng)力軸直立的狀態(tài)，也就極難在第三系蓋層中出現(xiàn)明確的走滑斷裂。中生代和新生代時期，邊界斷裂及深部隱伏大型斷裂帶活動劇烈且以拉張走滑作用為主，引起盆地基底的“塊體轉(zhuǎn)動”，形成一系列扭動構(gòu)造［7，8］。

黃驊坳陷北部的燕山區(qū)、西部的太行區(qū)、東南部的魯西區(qū)的交接的部位發(fā)育研究區(qū)最大的一條深部隱伏斷裂帶，亦稱陸核分界斷裂。該深部隱伏斷裂帶位于黃驊坳陷范圍內(nèi)，其中一部分穿過南區(qū)滄東、南皮凹陷(圖2)。由于該隱伏斷裂帶在新生代具右旋走滑作用，因此黃驊坳陷第三系蓋層中常見的雁列狀斷裂組合其實應(yīng)為斜向滑動斷裂，為深部隱伏走滑斷裂帶在蓋層中的透入式走滑作用所致。例如，沿歧口海岸線北北東向分布的斷裂構(gòu)造帶就是坳陷內(nèi)深部斷裂右旋走滑作用控制的一個最大的斜向滑動斷裂。其雖然并非是在區(qū)域性扭動應(yīng)力場作用下形成的走滑斷裂，但仍具有較為明顯的斜向滑動分量，從而在平面及剖面上具有典型的扭動構(gòu)造特征。這些扭動構(gòu)造的產(chǎn)生與盆地基底承受的前期壓扭和后期張扭構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)，同時也伴隨著盆地的裂陷作用，因而與油氣的形成、運(yùn)移和聚集有著密切的關(guān)系。

圖2 黃驊坳陷南區(qū)新生界油氣分布與隱伏斷裂帶1.皂坡-故縣隱伏斷裂帶;2.南皮北-鹽山隱伏斷裂帶;3.陸核分界斷裂;4.新生界油氣分布Fig.2 Distribution of the Cenozoic hydrocarbons and concealed faults in southern Huanghua depression1=Zaopo-Guxian concealed fault;2=Nanpibei-Yanshan concealed fault;3=boundary fault of the continental nuclei;4=distribution of the Cenozoic hydrocarbons

2 扭動構(gòu)造的主要類型及特征

2.1 直扭型構(gòu)造樣式

第三紀(jì)以來，黃驊坳陷的構(gòu)造應(yīng)力場在整體上呈拉張狀態(tài)，但自始新世-漸新世-中新世，構(gòu)造應(yīng)力場呈現(xiàn)NW向-NNW向-近SN向的順時針旋轉(zhuǎn)特征(圖3)［9，10］。古近紀(jì)時期，黃驊坳陷南區(qū)特別是孔店構(gòu)造帶的東西邊界分別為走向北東的徐西斷裂、滄東斷裂所圍限，南北則分別為走向北西的南皮北-鹽山隱伏斷裂以及皂坡-故縣隱伏斷裂帶所圍限。因此，南北向的調(diào)節(jié)低凸起和東西向的邊界大斷裂聯(lián)合組成了近似于平行四邊形的幾何邊界條件(圖2)。NNW向的區(qū)域主應(yīng)力作用在東西兩個斷裂上，進(jìn)一步分解成垂直斷層走向的正壓應(yīng)力和平行于斷層走向的剪應(yīng)力分量，從而使局部應(yīng)力場從始新世的拉張作用轉(zhuǎn)變?yōu)闈u新世的拉張伴右旋走滑。在坳陷內(nèi)部，兩組應(yīng)力合成為北北西向的張應(yīng)力和北東東向的壓應(yīng)力，前者作用的結(jié)果導(dǎo)致在南區(qū)內(nèi)部形成一系列走向北東-北東東向的張性斷裂，由于右旋剪切作用，這些斷裂基本上與其伴生的次級斷裂或后生斷裂組成“λ”字形、雁列式及“S”形斷裂構(gòu)造樣式。整體上來看，黃驊坳陷古近紀(jì)由走向北東的孔西斷裂帶、孔東斷裂帶、南大港潛山斷裂構(gòu)造帶、小集-段六撥斷裂構(gòu)造帶等與其西側(cè)走向北北東的滄東斷裂帶及東側(cè)的徐西斷裂組成“λ”字形斷裂構(gòu)造樣式(圖4)。形成的北東東向或近東西向張性正斷層為直扭“λ”字形構(gòu)造中的張性結(jié)構(gòu)面，它們與邊界扭動斷層相交的銳角指示扭動斷層本盤的扭動方向?！唉恕弊中螛?gòu)造樣式的出現(xiàn)表明扭應(yīng)力在黃驊坳陷新生代構(gòu)造運(yùn)動中起到了一定的作用。

圖3 黃驊坳陷古近紀(jì)—新近紀(jì)不同時期斷裂方向玫瑰圖(據(jù)馬寅生等，2002)Fig.3 Roses showing the fault trends in southern Huanghua depression during the Palaeogene to the Neogene(after Ma Yinsheng et al.，2002)

2.2 旋扭構(gòu)造樣式

旋扭動力構(gòu)造理論是李四光等中國地學(xué)工作者長期以來不斷追求實踐、潛心研究總結(jié)的成果［11］，而帚狀構(gòu)造是旋扭構(gòu)造體系最常見的一種構(gòu)造類型。以黃驊坳陷南區(qū)為例，這一旋扭構(gòu)造樣式在南皮北-鹽山隱伏斷裂帶南部的烏馬營地區(qū)表現(xiàn)最為明顯，其次為滄東斷裂下降盤的舍女寺地區(qū)。這種平面上呈向南西方向收斂、北東方向撒開的帚狀斷裂組合在沙二、三段地層最為明顯，向上至沙一段則由于斷裂活動性的明顯減小而使其帚狀組合特點(diǎn)減弱，向下至孔店組則因為此時期主干斷裂走滑分量不明顯，以北西-南東向拉張為主，故明顯的帚狀斷裂組合還尚未發(fā)育。

圖4 黃驊坳陷“λ”字形斷裂格局簡圖Fig.4 λ-type fault patterns in southern Huanghua depression

黃驊坳陷在古近紀(jì)沿基底斷裂拉張翹傾的過程中，由于整個華北地區(qū)夾持于喜馬拉雅與環(huán)太平洋構(gòu)造域之間，處于右旋走滑-拉張應(yīng)力場，使得黃驊坳陷邊界大斷裂也具有一定的右旋走滑分量。同時，由于受豫冀魯巨型帚狀構(gòu)造體系的影響［12］，以南皮洼陷為漩渦中心，形成帚狀扭動構(gòu)造樣式(圖5)。鑒于相同方向的區(qū)域應(yīng)力場遇到不同的邊界條件，局部應(yīng)力狀態(tài)就會發(fā)生改變，從而形成不同的構(gòu)造形跡［13］，自烏馬營帚狀斷裂帶向北進(jìn)入由滄東斷裂、徐西斷裂、南皮北-鹽山及皂坡-故縣調(diào)節(jié)低凸起圍限的區(qū)域，帚狀扭動構(gòu)造樣式特點(diǎn)逐漸減弱直至消失，小集-段六撥斷裂系呈現(xiàn)較弱的帚狀構(gòu)造特征，而孔東斷裂系則主要表現(xiàn)為“S”狀及“λ”字形扭動特點(diǎn)(圖5)。

3 扭動構(gòu)造與油氣聚集的關(guān)系

黃驊坳陷第三系蓋層中形成的張扭性構(gòu)造是新生界特別是第三系的油氣富集區(qū)帶。研究表明:張扭性斷裂系統(tǒng)對油氣聚集的控制作用主要表現(xiàn)為圈閉和斷裂構(gòu)造帶形成、油氣垂向運(yùn)移通道作用以及控油性差異等3個方面。

圖5 黃驊坳陷南區(qū)沙二、三段斷裂平面分布及帚狀旋扭構(gòu)造發(fā)育1.邊界斷裂及走滑方向;2.盆內(nèi)斷裂;3.沙二、三段剝蝕線Fig.5 Planar distribution of the faults and brush rotationtorsion structures in the 2nd and 3rd members of the Shahejie Formation in southern Huanghua depression1=boundary fault and its strike-slip direction;2=intrabasinal fault;3=erosional surface in the 2nd and 3rd members of the Shahejie Formation

(1)扭動構(gòu)造控制了圈閉和斷裂構(gòu)造帶的形成

與扭動構(gòu)造有關(guān)的圈閉構(gòu)造樣式主要有4種，即斷鼻與斷背斜、掀斜斷塊、逆牽引背斜和地壘，斷鼻、斷塊和斷背斜是黃驊坳陷張扭性斷裂系統(tǒng)內(nèi)的主要圈閉型式。其中，斷鼻大部分為反向正斷層切割的屋脊式斷鼻，少量為順向正斷層切割的斷鼻;斷塊包括單斷層斷塊(地層上傾方向被一條彎曲的正斷層切割封閉，大部分為反向正斷層切割而形成的屋脊式斷塊圈閉，少量為順向正斷層切割而形成的斷塊圈閉)和多斷層斷塊(地層上傾方向被多條彎曲的正斷層切割封閉而形成的構(gòu)造圈閉)。這些圈閉構(gòu)造受主要斷層控制，并與主要斷層形成多個斷裂構(gòu)造帶。黃驊坳陷南區(qū)第三系張扭性斷裂系統(tǒng)內(nèi)主要包括孔西、孔東、小集-段六撥、舍女寺、烏馬營等5個斷裂系統(tǒng)，它們?yōu)橛蜌庠趶埮ば詳嗔严祪?nèi)的聚集提供了有利場所。

(2)張扭性斷裂系統(tǒng)控制了油氣的垂向運(yùn)移

黃驊坳陷南區(qū)張扭性斷裂系統(tǒng)是油氣垂向運(yùn)移的重要通道。黃驊坳陷南區(qū)鉆探情況證實，黃驊南區(qū)以孔二段為主力烴源層，主要分布于以始新世為主要發(fā)育期的滄東-南皮凹陷。烴源層平均厚度400余米，有效生油面積為1065km2，是南區(qū)的主要烴源層系。南區(qū)第三系主要的含油層系包括沙一段、沙三段、孔一段、孔二段等。其中尤以位于烴源層之上的孔一上亞段油氣聚集量最為豐富。因此，無論是孔二段自生自儲式油藏，還是孔一段及沙河街組下生上儲式油藏，都離不開斷裂對其垂向及側(cè)向的運(yùn)輸作用。斷裂的“地震泵”作用對油氣運(yùn)移和聚集有至關(guān)重要的影響［14-17］，大型油源斷層對油氣聚集有極其重要的作用。在斷裂強(qiáng)烈活動期會產(chǎn)生強(qiáng)烈的“泵吸”作用，油氣運(yùn)移時將首先聚集于易形成“地震泵”源的地方，而后孔二段油氣在斷層中作快速的幕式運(yùn)移。而斷裂在蓋層中形成的扭動構(gòu)造特征無疑會容易形成構(gòu)造應(yīng)力集中，因此容易形成“地震泵”源，對于油氣垂向運(yùn)移的控制作用非常明顯。

(3)張扭性斷裂系統(tǒng)內(nèi)各斷裂構(gòu)造帶控制了油氣分布

在黃驊坳陷南區(qū)發(fā)現(xiàn)的5個斷裂構(gòu)造帶中，已探明含油面積197.2km2，探明石油地質(zhì)儲量3.76×108t，顯示了斷裂構(gòu)造帶良好的含油氣性。另外，由于黃驊坳陷南區(qū)滄東、南皮凹陷孔二段主力烴源巖生成的油氣自凹陷向凸起運(yùn)移，因此插入生油凹陷的主干油源斷裂附近的圈閉含油氣性最好。

4 結(jié)論

(1)黃驊坳陷第三系蓋層中極難出現(xiàn)明確的走滑斷裂。在深部隱伏走滑斷裂帶新生代右旋走滑的透入式影響下，第三系蓋層中出現(xiàn)大量斜向滑動斷層，從而具備扭動構(gòu)造特征。

(2)扭動構(gòu)造包括直扭型和旋扭型兩種，其中滄東斷裂、徐西斷裂、南皮北-鹽山隱伏斷裂以及皂坡-故縣隱伏斷裂帶所圍限的區(qū)域以發(fā)育直扭型構(gòu)造樣式為主，組成“λ”字形、雁列式及“S”形斷裂構(gòu)造樣式等。

(3)由于黃驊坳陷深部隱伏走滑帶具有右旋走滑特點(diǎn)，使得黃驊坳陷邊界大斷裂也具有一定的右旋走滑分量，形成帚狀扭動構(gòu)造樣式。這一旋扭構(gòu)造樣式在南皮北-鹽山隱伏斷裂帶南部的烏馬營地區(qū)表現(xiàn)最為明顯，其次為滄東斷裂下降盤的舍女寺地區(qū)。這種平面上呈向南西方向收斂、向北東方向撒開的帚狀斷裂組合在沙二、三段地層最為明顯。

(4)張扭性斷裂系統(tǒng)對油氣聚集的控制作用主要表現(xiàn)為圈閉和斷裂構(gòu)造帶形成、油氣垂向運(yùn)移通道作用以及控油性差異等3個方面。斷裂在蓋層中形成的扭動構(gòu)造特征容易形成構(gòu)造應(yīng)力集中，因此容易形成“地震泵”源，對于油氣垂向運(yùn)移的控制作用非常明顯。

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Torsion structures and their bearings on the hydrocarbon accumulation in southern Huanghua depression，Hebei

QU Fang1，LIAN Cheng-bo1，CHEN Qing-hua2，QU Dong-fang3
(1.School of Resources and Environments，Southwest University of Petroleum，Chengdu 610500，Sichuan，China;
2.College of Geo-resources and Information，China University of Petroleum，Dongying 257061，Shandong，China;
3.School of Resources and Information，China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

Abundant oblique slip faults characteristic of the torsion structures occur in the Tertiary cap rocks of the Huanghua depression.The torsion structures in the depression comprise two types:translational structures and rotation-torsion structures.The former appear in the areas bounded by the Cangdong fault，Xuxi fault，Nanpibei-Yanshan concealed fault and Zaopo-Guxian concealed fault，and display the structural patterns of the λ-type，en echelon and“S”shapes.The latter appear dominantly in the Wumaying region in the southern part of the Nanpibei-Yanshan concealed faults，and secondly in the Shenusi region on the downthrown side of the Cangdong fault.The tenso-shear fault systems may exercise an important control on the formation of traps and faulted zones， vertical migration of hydrocarbons，and different controls on hydrocarbon accumulation.

southern Huanghua depression;oblique slip fault;torsion structure;translational structure;rotationtorsion structure

1009-3850(2011)04-0046-05

2010-11-05;改回日期2010-11-29

渠芳(1981-)，女，博士，主要從事石油地質(zhì)及構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究。E-mail:376871312@qq.com

四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2009JY0418)、四川省教育廳青年基金項目(09ZB098)和西南石油大學(xué)校級科技基金(2010XJZ138)聯(lián)合資助

TE122.1+2

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