南陽凹陷南部斷超帶古近系沉降特征研究

蔡 佳 (中海油研究總院，北京 100027)

甘華軍 (中國地質(zhì)大學(武漢)資源學院，湖北 武漢 430074 構造與油氣資源教育部重點實驗室(中國地質(zhì)大學(武漢))，湖北 武漢 430074)

南陽凹陷南部斷超帶古近系沉降特征研究

蔡 佳 (中海油研究總院，北京 100027)

甘華軍 (中國地質(zhì)大學(武漢)資源學院，湖北 武漢 430074 構造與油氣資源教育部重點實驗室(中國地質(zhì)大學(武漢))，湖北 武漢 430074)

在建立層序地層格架的基礎上，對南陽凹陷南部斷超帶古近系各個層位沉降史進行了回剝分析。研究表明，南陽凹陷南部斷超帶各沉積期沉降中心是不斷變化和遷移的，沉降速率與構造活動期次密切相關，隨構造活動程度發(fā)生變化。南部斷超帶的沉降速率在時間上經(jīng)歷了較強-增強-最強-減弱-進一步減弱的變化。由于都受南陽邊界斷裂的直接控制和間接影響，古近系各沉積期隨著構造活動劇烈的階段沉降速率變大，構造活動減弱的階段沉降速率變小。

古近系;沉降速率；沉降中心；南部斷超帶；南陽凹陷

沉降史及其沉降速率分析是盆地模擬技術的一個重要組成部分，目前已成為盆地分析中的一種常規(guī)技術。盆地的沉降特征一般用沉降量和沉降速率來表示, 可采用回剝法計算盆地總沉降量[1-3]。沉降史分析主要包括如下2部分：①回剝技術。該技術把總沉降量區(qū)分為構造驅(qū)動力所引起的和由沉積負載所引起的沉降，然后給出構造沉降曲線。②地質(zhì)歷史分析。通過古水深和海(湖)平面變化等參數(shù)的校正，從而繪出總的沉降曲線。沉降史演化特征與盆地構造演化及沉積充填有著密不可分的關系，可以用來調(diào)查盆地沉降的構造驅(qū)動機制以研究盆地的形成和演化過程，也可以用來研究含油氣盆地的熱演化史來預測生油窗[4]。沉降分析的結果為地層、熱演化和油氣生成聚集模擬提供了時空框架，也被大量的應用于盆地模擬中，因而沉降史分析是盆地模擬的重要基礎[5]。為此，筆者利用沉降分析對南陽凹陷南部斷超帶古近系沉降特征進行了研究。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

南襄盆地位于河南省南陽市和湖北省襄樊市境內(nèi)，面積約1.7×104km2。南襄盆地橫跨在秦嶺褶皺帶和揚子地臺北緣塊斷帶上，是燕山晚期發(fā)育起來的中新生代陸相含油氣斷陷盆地，經(jīng)歷了斷陷和坳陷2個發(fā)育時期。南陽凹陷屬于南襄盆地的1個次級盆地單元，面積有3600km2，由新野斷層和其誘導出的曲洼斷層控制下形成南陡北緩和扇形楔狀斷陷盆地。

南陽凹陷為南斷北超的箕狀凹陷，凹陷南部邊界為新野斷裂，走向由北西向轉(zhuǎn)北東向，呈“之”字形展布[6]。有牛三門、東莊2個沉積中心，其中牛三門沉積中心為主要生油深凹陷。南陽凹陷發(fā)育NW向和NE向2組斷裂，盆地具有南北分帶、東西分塊、凸凹相間的構造格局。根據(jù)凹陷的沉積構造以及現(xiàn)今的構造格局，可將凹陷分為3個構造帶，即南部斷超帶、中部凹陷帶和北部斜坡帶[7]。凹陷的主要物源來自西北部師崗凸起及東北部的社旗凸起。目前，在南陽凹陷南部斷超帶已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了北馬莊、黑龍廟、黃莊和桑莊等小型沖積錐砂體，但總體來說勘探程度仍相對較低[8]。南部斷超帶作為找尋油氣產(chǎn)量的接替區(qū)，是下一步勘探工作的重點。

2 模擬原理及參數(shù)選擇

沉積盆地的總沉降量主要與構造作用、沉積物壓實、均衡作用、沉積基準面變化或古水深變化等因素有關。在裂谷或斷陷盆地中，盆地形成的構造作用主要是拉張作用，由于巖石圈的拉薄而引起盆地的形成和沉降，而在拉張過程中軟流圈上升引起一定的隆升，在上述因素的聯(lián)合影響下，產(chǎn)生了盆地裂陷期的凈沉降，隨后熱衰減使盆地進一步沉降。盆地內(nèi)充填的沉積物或水會引起巖石圈的均衡調(diào)整下降，其表層沉積物具有較高的孔隙度，隨著埋深加大而壓實，可產(chǎn)生不可忽視的沉降量。同時，湖水平面的變化使盆地相對沉積基準面發(fā)生變化。因此，盆地的總沉降(純水載盆地沉降)可表述為：總沉降=構造沉降+沉積物和水負載沉降+沉積物壓實沉降+湖水面的變化。顯然，為了求得構造沉降必須對沉積物壓實、負載均衡和古水深等進行校正[9-10]?；貏兗夹g建立在地層骨架厚度保持不變的前提下，其從已知地層分層參數(shù)出發(fā)，按地層年代逐層剝出，同時應考慮沉積壓實、間斷及構造時間等因素的影響，直至全部地層回剝?yōu)橹?，最終恢復各地層的埋藏史。

沉積物的壓實過程受到巖性、超壓、成巖作用等因素影響，其中巖性起著主導作用[11]。地殼的均衡補償作用是指當沉積盆地空間被沉積物充填時，沉積物本身的重量使基底進一步下沉，形成被動增加的沉降，即沉積物負載沉降。沉積物沉積時，其沉積界面在水下一定深度，所以沉積物厚度不能代表其沉降深度。通過對沉積相和古生物組合等綜合分析來估計古水深，獲得古水深的資料后，真正的沉降深度為古水深加上沉積物厚度。如果湖(海)平面發(fā)生變化，則上述沉降深度并不能代表盆地總沉降，解決的辦法是消除湖(海)平面變化影響。若湖(海)平面上升則減去上升量，若湖(海)平面下降則加上下降量。通過上述校正，最終可得到盆地的原始沉降深度,進而得到盆地的原始沉降速率[11]。

表1 正常壓實情況下單一巖性通常采用的壓實系數(shù)和表面孔隙度

為了進行去壓實校正，需要通過鉆孔巖芯、測井和地震相的分析來確定各層序的巖性或巖性組合。可采取一套正常壓實情況下單一巖性采用的壓實系數(shù)、表面孔隙度和沉積物顆粒密度(或稱巖石密度)等參數(shù)進行計算(見表1)。

圖1 南陽凹陷南部斷超帶沉降史回剝模擬測線平面位置圖

3 模擬結果

圖2 南陽凹陷南部斷超帶基底至核三一底界面沉降速率平面圖

圖3 南陽凹陷南部斷超帶核三一段沉降速率平面圖

在模擬點數(shù)據(jù)采集和參數(shù)選取的基礎上,對南陽凹陷南部斷超帶古近系的沉降史進行模擬，從而得到每一條測線上的相應界面在不同時期的埋藏深度值及其沉降速率值,并將上述總沉降速率值投影到平面圖上,再通過數(shù)值內(nèi)插法,勾繪并編制南陽凹陷南部斷超帶古近系各個沉積期的沉降速率平面圖。

圖2所示為南陽凹陷南部斷超帶基底至核三1段底界面沉降速率平面圖，其沉降速率值變化于0～60m/Ma之間。沉降速率整體表現(xiàn)為南高北低、西高東低。由圖2可知，該研究區(qū)存在如下沉降中心：①位于東莊地區(qū)D9-N91井一帶的東莊次凹，沉降速率最高為60m/Ma。②位于黑龍廟地區(qū)的張15井附近的牛三門次凹，沉降速率最高為60m/Ma。③研究區(qū)最東邊部位，沉降速率最高為64m/Ma。該時期沉降速率曲線呈條帶狀分布，長軸方向整體為北東東向，沉降速率等值線延伸方向與斷層走向一致，沿邊界斷裂展布的沉降速率等值線密集分布，靠近從斷層下盤，其等值線分布較密，其長軸方向與斷裂走向一致，遠離斷層，等值線分布較稀，說明該時期的沉降主要受控于南部斷裂活動，其中東部斷裂的活動強于西部斷裂活動。

圖3所示為南陽凹陷南部斷超帶核三1段沉降速率平面圖，其沉降速率值的變化于0～300m/Ma之間。沉降速率整體表現(xiàn)為南高北低，西高東低。由圖3可知，該研究區(qū)存在如下沉降中心：①位于東莊地區(qū)唐1井周圍的東莊次凹，其沉降速率最高為270m/Ma。②位于黑龍廟地區(qū)的紅14井周圍，其沉降速率最高為180m/Ma。③位于研究區(qū)東邊南27井周圍(沉降速率最高為300m/Ma)和南32-龍17井附近(沉降速率最高為210m/Ma)。該時期沉降速率曲線同樣呈條帶狀分布,長軸方向整體為北東東向，沉降速率等值線延伸方向與斷層走向一致，沿邊界斷裂展布的沉降速率等值線密集分布，靠近斷層下盤，其等值線分布較密，其長軸方向與斷裂走向一致，遠離斷層，等值線分布較稀，說明該時期的沉降也主要受控于南部斷裂活動，而且斷裂活動性自L1140線以東部分較西部明顯要弱。同時通過沉降中心的分布，也反映了邊界斷裂的西段活動較黑龍廟地區(qū)要弱。

南陽凹陷南部斷超帶古近系沉積期沉降速率演化圖如圖4所示。從圖4可以看出，大倉房-玉皇頂組至核桃園組核三一段底界面，沉降速率整體上是西高東低、南高北低，沉降速率值介于0～60m/Ma之間，出現(xiàn)3個沉降中心，即東莊次凹、牛三門次凹和東部小洼陷。沉降速率的等值線長軸方向與斷層走向一致，說明該時期的沉降主要受南陽凹陷南部邊界斷裂的控制，且構造活動較強。

圖4 南陽凹陷南部斷超帶古近系沉積期沉降速率演化圖

在核三1段沉積時期，地層沉降基本繼承了早期的特征，沉降速率值迅速增大，最高可達300m/Ma。由于受邊界斷裂及伴生的凹陷內(nèi)的斷裂活動影響，該時期出現(xiàn)多個小的沉降中心，其中牛三門次凹的沉降速率最大(300m/Ma)，而東莊次凹的規(guī)模較小，反映其斷裂活動性較弱。

在核二3段沉積時期，地層沉降繼承了前期特征，沉降速率進一步增大，最大值為700m/Ma。沉降中心包括東莊地區(qū)的沉降中心(由西向東部遷移)和牛三門次凹的沉降中心(其范圍逐漸擴大)。同時，受凹陷內(nèi)部的二級或三級斷裂的影響，該研究區(qū)的東莊地區(qū)出現(xiàn)多個小的沉降中心，其等值線長軸方向與斷層的走向一致，反映該時期邊界斷裂持續(xù)活動，并且活動強度增加。

在核二2段沉積時期，繼承前期沉降特征且沉降速率進一步增大，沉降速率值介于100～1000m/Ma之間，最高可達1000m/Ma。沉降中心在該時期發(fā)生了較大變化，即東莊地區(qū)沉降中心向北遷移，反映該段的邊界斷裂活動對于沉積影響較弱，牛三門次凹的沉降中心也稍稍向西發(fā)生遷移，該時期的沉降中心明顯受邊界斷裂和凹陷內(nèi)部發(fā)育的次級斷層的共同控制，并且邊界斷裂在不同區(qū)塊的活動性強弱有明顯差別。

在核二1段沉積時期，該研究區(qū)接受沉降的范圍再次向南擴大，沉降速率介于100～600m/Ma之間。牛三門次凹的沉降中心仍然繼承性接受沉積。但在東莊地區(qū)，由于邊界斷裂對于地層沉積的控制作用有所加強，此外受到該區(qū)發(fā)育的多條次級斷層的影響，因而出現(xiàn)多個小的沉降中心。

在核一段和廖莊組沉積時期，整個研究區(qū)都接受沉積，沉降速率介于40～260m/Ma之間，沉積作用開始減弱，區(qū)內(nèi)僅出現(xiàn)一個大的沉降中心，即牛三門次凹。到第四系上寺組時期，沉積速率進一步減弱，但沉降中心發(fā)生顯著變化，由原來的牛三門次凹轉(zhuǎn)移至西部的東莊地區(qū)。

由于南陽凹陷南部斷超帶各沉積期沉降中心不斷變化和遷移，其沉降速率也隨構造活動程度發(fā)生變化。南部斷超帶的沉降速率在時間上經(jīng)歷了較強-增強-最強-減弱-進一步減弱的變化。構造活動強烈時，沉降中心較集中；構造活動弱時，沉降中心發(fā)生分散。南部邊界斷裂在各區(qū)塊的活動性和對地層控制作用存在明顯不同。在東莊地區(qū)，由于邊界斷裂和凹陷內(nèi)的次級斷裂的共同影響，沉降中心在不同時期發(fā)生遷移，并形成多個小的沉降中心；在黑龍廟地區(qū)，由于受邊界斷裂活動和控制作用較強，其沉降中心基本位于牛三門凹陷內(nèi)，且沉降速率均較大，只是到了核一段沉積之后，才逐漸發(fā)生明顯偏移并逐漸消失。盡管南陽凹陷南部斷超帶各沉積期的沉降中心是不同的，但由于都受到南陽邊界斷裂的直接控制或間接影響，導致古近系各沉積期隨著構造活動劇烈的階段沉降速率變大，構造活動減弱的階段沉降速率變小。沉降速率與構造活動期次密切相關，新近系各沉積期斷裂活動較弱甚至停止，以熱沉降為主，其沉降速率是逐漸減小的。

綜上所述，研究區(qū)各沉降區(qū)沉降速率的變化和沉降中心的轉(zhuǎn)移都與古近系構造的活動有著密不可分的關系，構造活動直接或間接地影響和控制了沉降中心的位置和沉降速率的變化。

4 結 語

沉降史及沉降速率分析是盆地模擬的重要內(nèi)容，盆地的沉降特征一般用沉降量和沉降速率來表示。沉降史分析是盆地模擬的重要基礎。沉積盆地的總沉降量主要與構造作用、沉積物壓實、均衡作用、沉積基準面變化或古水深變化等因素有關，可采用回剝法進行。南陽凹陷南部斷超帶各沉積期沉降中心是不斷變化和遷移的，其沉降速率與構造活動期次密切相關，隨構造活動程度發(fā)生變化。南部斷超帶的沉降速率在時間上經(jīng)歷了較強-增強-最強-減弱-進一步減弱的變化。由于受南陽邊界斷裂的直接控制或間接影響，古近系各沉積期隨著構造活動劇烈的階段沉降速率變大，構造活動減弱的階段沉降速率變小。

[1]呂嶸, 汪新文, 沈勇偉.準噶爾盆地南緣中新生代構造沉降史分析[J].石油天然氣學報(江漢石油學院學報), 2006，28 (5) : 8-13.

[2]陳亮, 甘華軍, 祝春榮,等.北部灣盆地潿西南凹陷沉降史研究[J].新疆石油學院學報, 2002，14 (4) : 12-17.

[3]韓晉陽, 肖軍, 郭齊軍,等.渤海灣盆地南堡凹陷沉降過程、巖漿活動、溫壓場演化與油氣成藏的耦合分析[J].石油實驗地質(zhì),2003，25 (3) : 257-263, 268.

[4]呂學菊, 肖力, 林正良,等.珠江口盆地西部珠三坳陷沉降史分析[J].新疆石油地質(zhì),2008，29 (2) : 195-197，205.

[5]Allen P A，Allen J R. Basin Analysis: Principle and Applications[M]. Oxford: Blackwell Scientific Publication，1990:451.

[6]南陽油田石油地質(zhì)志編寫組.中國石油地質(zhì)志:南陽油田[M].北京:石油工業(yè)出版社,1992.

[7]陸建林.南陽凹陷北部坡折帶隱蔽油氣藏勘探[J].石油勘探與開發(fā),2004,31(3):38-40.

[8]李國良，蔡佳, 甘華軍,等. 南陽凹陷邊界斷裂帶砂體反演及預測[J]. 巖性油氣藏,2010,22(2):99-102.

[9]熊翥.地層巖性油氣藏勘探[J].巖性油氣藏,2008,20(4):1-8.

[10]王敏芳, 焦養(yǎng)泉, 任建業(yè), 等.準噶爾盆地侏羅紀沉降特征及其與構造演化的關系[J].石油學報, 2007, 28(1): 27-32.

[11]李思田，解習農(nóng)，王華，等.沉積盆地分析基礎與應用[M].北京：高等教育出版社，2004.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.06.006

TE121.3

A

1673-1409(2011)06-0015-05

2011-04-27

國家自然科學基金資助項目(40872077)。

蔡佳，男，博士，工程師，現(xiàn)主要從事石油天然氣綜合地質(zhì)方面的研究工作。