滄東—南皮凹陷孔一上亞段原型盆地邊界恢復(fù)

梁 園，劉子藏，王湘君，李 勇，王 同，錢 賡，肖敦清，蒲秀剛，袁淑琴

(1.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059;2.大港油田公司勘探開發(fā)研究院，天津 300280)

0 引言

滄東—南皮凹陷是渤海灣盆地黃驊坳陷中的第二大富油凹陷，孔店組為其重要的生油層，隨著該地區(qū)油氣勘探的不斷深入，對(duì)孔店組沉積期原型盆地的恢復(fù)便成了當(dāng)前的重要任務(wù)。原型盆地恢復(fù)研究雖然難度大，但是在油氣勘探中意義十分重要。孔店期地層分為孔三段、孔二段、孔一段?？滓欢斡址譃榭滓簧?、下2個(gè)亞段。由于受活動(dòng)斷層的影響，各個(gè)時(shí)期的盆地都呈現(xiàn)出不同面貌，目前僅有少量對(duì)孔三、孔二亞段盆地恢復(fù)的研究，而孔一下、孔一上2個(gè)亞段則研究甚少(顏照坤等，2011;錢賡等，2011;王錦成等，2011)。目前爭(zhēng)議的是孔店期原型盆地是否被滄東斷層與徐西斷層控制，因此對(duì)孔店期原型盆地地層分布范圍的確定是原型盆地分析的基礎(chǔ)。目前，盆地古沉積邊界恢復(fù)主要以地層學(xué)方法、盆地邊緣相、碎屑巖礦物成熟度、碎屑重礦物穩(wěn)定系數(shù)、泛克立格法及平衡剖面法等方法(顏照坤等，2011;錢賡等，2011;王錦成等，2011;蘇玉平等，2009;銀曉等，2008)，利用各種方法的優(yōu)點(diǎn)綜合分析，盡可能精確地恢復(fù)原型盆地邊界。筆者基于鉆井資料和地震資料，應(yīng)用邊緣相法和平衡剖面法恢復(fù)了滄東—南皮凹陷孔一上亞段的原型盆地邊界。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

滄東—南皮凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷東南部，東西分別受徐西斷層和滄東斷層控制，南北向分別為燈明寺和孔店凸起。包括滄東、南皮兩大凹陷和孔店、燈明寺等6個(gè)主要二級(jí)構(gòu)造帶。滄東—南皮凹陷是渤海灣新生代盆地發(fā)育最早的區(qū)域，孔一上亞段沉積期滄東斷裂東側(cè)發(fā)育2個(gè)主要的沉降中心，舍女寺北部為滄東凹陷，南部為南皮凹陷，滄東凹陷沉降中心不斷向北擴(kuò)張，南皮凹陷沉降中心也有向北遷移的趨勢(shì)(大港油田石油地質(zhì)編輯委員會(huì)，1987)。該區(qū)域地層發(fā)育了古近系孔店組、沙河街組等。孔店組是滄東—南皮凹陷的主要生油巖層和儲(chǔ)集層，為重要的油氣勘探層系。其中孔一上亞段主要分布于滄東斷層和徐西斷層之間，地層于南北向逐漸減薄尖滅。在東西方向上，盆地結(jié)構(gòu)顯示為不對(duì)稱地塹式結(jié)構(gòu)，在平面上地層厚度呈橢圓展布(漆家福等，1994)。

2 孔一上亞段殘留盆地邊界確定

2.1 盆地結(jié)構(gòu)分析

由于孔店組多期疊合，盆地結(jié)構(gòu)具有自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征(周立宏等，2009)。通過滄東—南皮凹陷三維地震工區(qū)的NWW—SEE向地震構(gòu)造解釋剖面，南皮凹陷為東深西淺的不對(duì)稱地塹結(jié)構(gòu)，滄東、徐西斷層為地塹的東西邊界(圖1a)。滄東凹陷則表現(xiàn)為相向傾斜的2個(gè)半地塹，隨著拉張斷陷，可容空間增 加，沉積物快速堆積，發(fā)生構(gòu)造沉降使中部上拱，中央凸起(孔店凸起)表現(xiàn)為背斜式凸起。在孔店末期孔店凸起形成，分割成常莊凹陷與滄東凹陷2個(gè)次級(jí)凹陷，東斷西超(圖1b)。

圖1 孔店期盆地結(jié)構(gòu)分析

通過殘留盆地結(jié)構(gòu)分析，在研究區(qū)滄東斷層和徐西斷層相向傾斜構(gòu)成一個(gè)地塹式斷陷，斷陷結(jié)構(gòu)在不同位置有明顯的差異。滄東斷層、徐西斷層之間的斷陷由南向北從簡(jiǎn)單的東深西淺的不對(duì)稱地塹過渡到復(fù)雜的相向傾斜的2個(gè)半地塹，內(nèi)部發(fā)育多條次級(jí)斷層?？拷?條主控?cái)鄬印獪鏂|斷層、徐西斷層一側(cè)主要發(fā)育沖積扇、扇三角洲沉積。

在孔一上亞段沉積期，控制坳陷形成演化的主邊界斷層——滄東斷層、徐西斷層持續(xù)活動(dòng)，可容空間不斷增 加，盆地持續(xù)沉降，多余沉積物向盆地中心部位搬運(yùn)。湖盆東西部的2條主要基底斷裂——滄東斷層和徐西斷層下降盤孔一上亞段厚度明顯增 大，表明其控制了孔一上亞段的沉積，為同沉積控盆斷層，孔一上亞段沉積期斷層邊界即為原始湖盆沉積邊界。

2.2 孔一上亞段沉積期殘留盆地邊界的確定

應(yīng)用地層的“垂向加積原理”、“橫向連續(xù)性原理”與鉆井資料相結(jié)合，通過在地震剖面上觀察地層的厚度變化、地層的尖滅現(xiàn)象、地層缺失現(xiàn)象、斷層與地層的截切關(guān)系，從而確定孔店期地層殘留邊界的分布范圍(董立生等，2004)?？滓欢蔚你@井資料較為豐富，基于鉆井資料，結(jié)合二維地震剖面確定孔一上亞段時(shí)期湖盆殘留邊界。

湖盆東部邊界明顯受徐西斷層所控制，根據(jù)地震測(cè)線 Inline1120、Inline1600、Inline2138、Inline2560位置的地震剖面，再由官23井、王30井、王103-2井、官140井、軍6井，最終確定出孔一上亞段在湖盆東部的殘留沉積邊界。

湖盆西部殘留地層邊界主要根據(jù)鉆井資料來確定，觀察可知，舍女寺地區(qū)女82井、女39井、女55井均缺失孔一上亞段地層，沙河街組地層與中生代地層之間呈不整合接觸關(guān)系。而女83井、女79井以東的鉆井均有孔一上亞段地層分布，從而確定出孔一上亞段在湖盆西部的殘留沉積邊界。

湖盆南部和西南緣孔一上亞段鉆井分布較稀少，地層邊界以地震資料為依據(jù)，結(jié)合東古1井進(jìn)行確定。由于東古1井缺失孔店組，可以確定湖盆南緣現(xiàn)今地層邊界在東古1井與燈1井之間，通過地震測(cè)線K85231A-PJ可以看出，孔一上亞段地層向南厚度逐漸減薄并上超到下伏地層之上，可以確定此邊界為湖盆原始沉積邊界(圖2a)。

湖盆北部殘留邊界可確定在鉆井上存在孔一上亞段和缺失孔一段的井位之間。滄16井、孔87井、孔76井、孔5井均缺失孔一段，沙河街組呈不整合接觸關(guān)系直接覆于中生代地層之上。孔古5井、滄15井、孔34井、孔6井均可見孔一段地層分布，結(jié)合地震測(cè)線Inline3520位置的地震剖面可以看出，孔店凸起已形成，孔一上亞段向孔店凸起方向厚度逐漸減薄，部分遭受剝蝕，由此確定北緣在孔一上亞段已接近原始沉積邊界(圖2b)。

綜合湖盆長(zhǎng)軸、短軸取得的殘留邊界分布范圍，總結(jié)恢復(fù)各分區(qū)殘留邊界所用到的地震證據(jù)與鉆井證據(jù)，得出孔一上亞段殘留邊界的分布范圍(圖6)。

圖2 孔一上亞段殘余盆地邊界的地震剖面

3 孔一上亞段原型盆地邊界的確定

對(duì)原型盆地邊界的確定是全面掌握研究區(qū)沉積學(xué)特征的必要步驟和對(duì)沉積盆地分析的重要內(nèi)容(李思田等，2004)。采用平衡剖面法和盆地邊緣相法對(duì)滄東—南皮凹陷孔一上亞段進(jìn)行原型盆地邊界恢復(fù)。

3.1 利用邊緣相對(duì)湖盆邊界恢復(fù)

邊緣相是位于湖泊沉積邊緣范圍各種沉積相的總稱，邊緣相分析有助于受斷層控制的斷陷盆地恢復(fù)，研究邊緣相的空間位置及展布特征對(duì)研究地質(zhì)時(shí)期中湖盆的特點(diǎn)意義重大(趙宗舉等，2007)。盆地邊緣沖積扇的分布，可以代表陸相陡坡近源的沉積單元。沖積扇通常在下傾方向變成細(xì)粒、坡度較小的沉積體系，最后演變?yōu)楹大w系，因此沖積扇是最可靠的邊緣相沉積。滄東—南皮凹陷的主干邊界斷裂包括滄東斷層、徐西斷層，在盆地邊界兩側(cè)形成箕狀斷層，沉積物沿箕狀斷層陡坡帶形成沖積扇。在三角洲發(fā)育的區(qū)域同樣可以確定盆地邊緣相，由于盆地邊緣不一定就是湖泊邊緣，因此原型盆地邊界大于或等于恢復(fù)距離。

在研究區(qū)的斷陷湖盆中，筆者把沉積在箕狀斷層陡坡帶的沖積扇體及三角洲作為研究區(qū)的孔店組沉積層序的邊緣相的標(biāo)志。據(jù)張萬選等(1993)對(duì)陸相盆地前積反射結(jié)構(gòu)的總結(jié)，研究區(qū)沖積扇有2種特殊的前積反射結(jié)構(gòu):(1)帚狀前積結(jié)構(gòu)，內(nèi)部放射從根部向下傾方向呈發(fā)散狀，下超于下伏地層之上，解釋為陡坡下的快速堆積體。如Inline1120、Inline1280、Inline1760、Inline1600。(2)雜亂前積結(jié)構(gòu)，內(nèi)部反射雜亂，不連續(xù)、不整一，但總體具有向前積斜坡傾斜的優(yōu)選方位，為沙、礫為主的高能環(huán)境快速前積所致。如 Inline1600、Inline1760、Inline2080、Inline2560、Inline2240(圖3)。

湖盆北部由于受到地震資料的限制，主要利用巖芯、測(cè)井及鉆井資料統(tǒng)計(jì)地層厚度圖、礫巖厚度圖及砂地比等值線圖勾繪出沖積扇的形狀。通過地層厚度圖及盆地結(jié)構(gòu)分析結(jié)果可見湖盆北部孔一上亞段時(shí)期受孔店凸起的影響，可容空間不大，北部已接近原始沉積盆地邊緣。對(duì)孔家店，軍馬站，棗園地區(qū)鉆井沉積序列的研究，湖盆北部屬于礫巖區(qū)。結(jié)合孔73取芯井的巖芯分析，取芯段為下粗上細(xì)的4個(gè)正旋回組成，旋回底部發(fā)育具有沖刷面的棕紅色礫巖，向上漸變?yōu)樽丶t色細(xì)砂巖偶見粉砂質(zhì)泥巖、泥巖。綜合分析取芯段4個(gè)旋回中上下端元保留較為齊全，為沖積扇扇面上辮狀河道的擺動(dòng)，由于河道擺動(dòng)及洪水沖刷的影響河道沉積的上端元部分缺失(圖4)。

圖3 孔一上亞段不同測(cè)線位置的地震剖面中的邊緣相

圖4 孔73井巖芯描述綜合柱狀圖

通過地震剖面中沖積扇和三角洲的地震相及鉆、測(cè)井特征識(shí)別出在孔一上亞段的沖積扇體和三角洲大致形態(tài)，結(jié)合砂體厚度等值線圖，觀察砂體的分布規(guī)律，確定了沖積扇體及三角洲的分布位置和邊緣相的形狀。再結(jié)合沉積學(xué)方面盆地剝蝕方面的理論，將盆地剝蝕邊界即盆地古沉積邊界確定在沖積扇的扇根部位，然后將扇根部位確定的剝蝕邊界用曲線連起來，即是湖盆古沉積邊界(圖5)。

由上述方法分析得到孔一上亞段古沉積邊界距現(xiàn)今殘留邊界在地震測(cè)線方向上的直線距離(表1)。

圖5 孔一上亞段原型盆地邊界恢復(fù)成果

3.2 利用平衡剖面法恢復(fù)湖盆邊界

平衡剖面技術(shù)以物質(zhì)守恒定律為基礎(chǔ)，舊平衡的破壞一定伴隨新平衡態(tài)的產(chǎn)生。平衡剖面遵循基本的幾何學(xué)法則為:面積守恒、層長(zhǎng)一致、位移一致和縮短量一致。平衡就是提供一系列的限制條件以保證剖面解釋的合理性，既真實(shí)又合理的剖面就是平衡剖面，不平衡的剖面一定是錯(cuò)誤的(蔡希源等，2007)。所以，平衡地質(zhì)剖面原理可以看作是一個(gè)確實(shí)存在的合理的剖面，在垂直構(gòu)造走向上遵循巖層變形前后長(zhǎng)度、面積(二維)及體積(三維)的不改變?cè)瓌t，將變形剖面恢復(fù)到沉積地層的初始狀態(tài)或者從其初始狀態(tài)剖面按照變形順序得出最終變形剖面(劉景東等，2011)。

利用平衡剖面法的反演效果，即在單位測(cè)線上，應(yīng)用平衡剖面法恢復(fù)其初始的沉積狀態(tài)，進(jìn)而恢復(fù)滄東—南皮凹陷孔一上亞段地層的古沉積邊界。以測(cè)線K85-80為例，采取以下步驟對(duì)孔南地區(qū)孔店組地層運(yùn)用平衡剖面法恢復(fù)湖盆古沉積邊界(圖5)。

(1)在測(cè)線K85-80的地震剖面與構(gòu)造剖面之間進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，得出構(gòu)造剖面。根據(jù)轉(zhuǎn)換后的構(gòu)造剖面可以得到該層位垂直于盆地長(zhǎng)軸的地層剖面長(zhǎng)度Lb1=31.44 km。另外，還可以得出受滄東斷層與徐西斷層所控制的盆地長(zhǎng)度Ls0=42.500 0 km。

(2)對(duì)該層位去壓實(shí)，驗(yàn)證其是否平衡，若結(jié)果不平衡則要重新對(duì)時(shí)深轉(zhuǎn)換圖與復(fù)原圖進(jìn)行校正。經(jīng)驗(yàn)證明去壓實(shí)后的復(fù)原圖是平衡的。根據(jù)平衡剖面圖可以得出:在Ek1去壓實(shí)后，其層位的長(zhǎng)度La1=34.27 km，研究區(qū)受滄東斷層與徐西斷層控制的盆地長(zhǎng)度Ls1=35.75 km。

(3)得到去壓實(shí)構(gòu)造平衡剖面后，在應(yīng)用構(gòu)造平衡的正演模式，對(duì)其進(jìn)行壓實(shí)，然后再進(jìn)一步進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，把壓實(shí)后的構(gòu)造剖面與進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換的地震剖面進(jìn)行對(duì)比。如果結(jié)果表明不平衡，則要返回到(1)中重新進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換;如果結(jié)果表明平衡，可進(jìn)行下一個(gè)步驟。

(4)計(jì)算層位長(zhǎng)度在復(fù)原前后的實(shí)際變化量。

①研究區(qū)受2個(gè)拉張性質(zhì)的斷層——滄東斷層與徐西斷層控制，所以在從盆地形成一直到新生代，該湖盆一直不斷地?cái)U(kuò)張。在計(jì)算該層位初始沉積邊界時(shí)，必須把盆地在演化過程中的擴(kuò)張距離的擴(kuò)張距離Lk1=Ls0－Ls1)從現(xiàn)今的殘留邊界去除，即為經(jīng)過校正后的殘留邊界長(zhǎng)度Lj(Lj=Lb－Lk)。

②復(fù)原后的盆地邊界長(zhǎng)度與經(jīng)過校正后的殘余盆地邊界長(zhǎng)度差減，就是盆地在演過過程中由壓實(shí)作用產(chǎn)生的變化量ΔL，即ΔL=La－Lj。規(guī)定當(dāng)ΔL為“正”時(shí)，表示盆地中某層位從開始沉積到盆地消亡為止，盆地一直受壓實(shí)作用影響，導(dǎo)致層位在水平方向上的收縮。

計(jì)算結(jié)果表明，ΔL1=La1－Lj1=9.58 km，表明在測(cè)線K85-80上，中生界地層的長(zhǎng)度要比剛沉積下來的層位的長(zhǎng)度收縮9.58 km。

③最后，將盆地在演化過程中由壓實(shí)作用產(chǎn)生的某層位的變化量ΔL與未經(jīng)復(fù)原的層位長(zhǎng)度加和，計(jì)算出的長(zhǎng)度就是位于測(cè)線K85-80方向上某層位在同生階段左右邊界的直線距離，即測(cè)線K85-80方向上層位古沉積邊界的直線距離。

圖6 K85-80測(cè)線平衡剖面恢復(fù)圖

4 綜合確定孔一上亞段原型盆地邊界

通過對(duì)上述2種恢復(fù)方法結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，可確定孔一上亞段原型盆地邊界。在橫向上，相對(duì)滄東—南皮凹陷孔店組孔一上亞段東緣、南緣2個(gè)方向，西緣古沉積邊界的恢復(fù)距離比較大。在地震測(cè)線K85127-PJ方向上，恢復(fù)出的古沉積邊界距現(xiàn)今殘留邊界的距離為7.00 km，而東緣恢復(fù)出的古沉積邊界距現(xiàn)今殘留邊界的最大距離為5.45 km，南緣恢復(fù)出的古沉積邊界即為現(xiàn)今殘留邊界，在研究區(qū)北緣恢復(fù)出的古沉積邊界距現(xiàn)今殘留邊界的最大距離為12.5 km(表1)。

根據(jù)孔南地區(qū)殘留地層范圍和原始沉積范圍計(jì)算出了殘留地層面積和原始沉積區(qū)面積，并得出了盆地剝蝕面積和剝蝕率。剝蝕面積大于500 km2，剝蝕率均高達(dá)20%，表明孔一上亞段盆地受到后期強(qiáng)烈的改造，盆地沉積范圍遠(yuǎn)大于殘留地層面積。

5 結(jié)論

(1)在井震資料豐富的前提下可以利用邊緣相法確定孔店期原型盆地分布范圍剖面圖。而缺乏井資料的情況下，可采用平衡剖面法，同時(shí)也有效驗(yàn)證了邊緣相法對(duì)于原型盆地邊界的構(gòu)造假設(shè)分析結(jié)果。(2)綜合分析孔一上亞段盆地受到后期強(qiáng)烈的改造，剝蝕面積大，剝蝕率高，盆地沉積范圍遠(yuǎn)大于現(xiàn)在的殘留地層面積。因此，盆地古沉積邊界的確定對(duì)原型盆地的恢復(fù)、湖盆演化、層序分析、沉積體系分析和油氣資源評(píng)價(jià)等均具有不可忽視的指導(dǎo)作用。

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