黃河口凹陷古近紀(jì)構(gòu)造坡折帶對沉積體系的控制

張新濤，周心懷，牛成民，劉豪 ，魏文艷

1)中海石油(中國)有限公司天津分公司，渤海油田勘探開發(fā)研究院，天津塘沽，300452； 2)中國地質(zhì)大學(xué)海洋學(xué)院，北京，100083；3)中海油能源發(fā)展股份有限公司鉆采工程研究院，天津塘沽，300452

內(nèi)容提要：坡折帶類型、分布對沉積體系具有明顯控制作用。通過對黃河口凹陷古近系層序構(gòu)成樣式和沉積充填研究，結(jié)果表明：① 在盆地幕式斷陷活動和同沉積斷裂差異活動等構(gòu)造作用下，形成了斷裂坡折和撓曲坡折2種類型的構(gòu)造坡折帶。斷裂坡折可以進(jìn)一步分為斷階坡折、帚狀坡折和斷裂轉(zhuǎn)換帶坡折，不同類型構(gòu)造坡折帶對沉積體系具有明顯控制作用。② 斷階坡折控制了陡坡帶扇三角洲、緩坡帶辮狀河三角洲沉積體系的形成和分布；帚狀坡折控制了沉積體系入湖方向和沉積厚度；斷裂調(diào)節(jié)帶控制了辮狀河三角洲、湖底扇沉積體系的形成和分布；撓曲坡折控制了辮狀河三角洲沉積體系的分布。③ 構(gòu)造坡折控制不同類型的圈閉組合，斷階坡折帶發(fā)育斷塊型圈閉、巖性上頃尖滅圈閉；帚狀坡折帶發(fā)育掀斜斷塊圈閉；斷裂轉(zhuǎn)換帶發(fā)育巖性上傾尖滅圈閉、斷鼻-巖性圈閉；撓曲坡折帶發(fā)育地層超覆圈閉。不同類型坡折帶對沉積體系的控制為下一步中深層油氣勘探指明方向。

沉積體系的分布與預(yù)測一直是沉積盆地分析的重要內(nèi)容。近些年，“構(gòu)造地層學(xué)”或“構(gòu)造沉積學(xué)”的研究已成為國際上沉積盆地分析的熱點(diǎn)，并對我國東部陸相斷陷盆地砂體分布預(yù)測具有指導(dǎo)意義(Bryan and Jason, 2002; Pavelicd, 2001; Hans et al., 2002; Vincenzo et al., 2006)。隨著中國學(xué)者對斷陷盆地層序地層學(xué)的深入研究，研究方法引入渤海灣盆地，用以建立等時地層格架和進(jìn)行砂體預(yù)測，提出了“構(gòu)造坡折帶控制層序低位域砂體”的理論，隨后又被概括為“斷坡控砂”理論(林暢松等, 2000; 姜秀芳等, 2002)。該理論對斷陷盆地發(fā)育的各類坡折帶類型及其對砂體發(fā)育控制作用進(jìn)行研究，進(jìn)一步豐富了中國陸相盆地層序地層理論，成為中國陸相斷陷盆地隱蔽圈閉勘探理論的重要組成部分。

黃河口凹陷是渤海油田南部重要富油氣凹陷之一。80年代初，以古近系為主的勘探時期，在黃河口凹陷中央隆起帶發(fā)現(xiàn)了渤中34-2/4和渤中28-1等中、深層油田。近年來，受地質(zhì)資料品質(zhì)、埋深的影響，中深層油氣勘探?jīng)]有獲得大的突破，關(guān)鍵原因之一是儲集層預(yù)測困難(徐長貴等, 2004)。勘探實(shí)踐表明，黃河口凹陷古近系構(gòu)造活動對層序構(gòu)成樣式、沉積體系特征，特別是砂礫巖體的分布具有重要的控制作用，但從構(gòu)造坡折帶對沉積體系分布的控制角度展開系統(tǒng)的研究相對薄弱。本文充分利用鉆井、測井和地震等資料，系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)造坡折帶的類型，研究不同構(gòu)造背景下的坡折帶對層序和沉積體系的控制作用和規(guī)律，建立研究區(qū)坡折帶控砂模式，并分析了不同構(gòu)造坡折帶所形成的圈閉類型，對該區(qū)中深層油氣勘探具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

圖1 黃河口凹陷構(gòu)造單元劃分圖Fig. 1 The structural division and its location of the Sag of the Yellow River estuary

1 地質(zhì)概況

黃河口凹陷位于渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷的東北部，北側(cè)為渤南低凸起，南側(cè)為墾東-青坨子凸起和萊北低凸起，東側(cè)為廟西凹陷，西鄰沾化凹陷，凹陷總面積約3309 km2。郯廬斷裂西支穿過凹陷中部，古近紀(jì)—現(xiàn)今構(gòu)造面貌表現(xiàn)為西深東淺、北陡南緩、凹中有隆、斷裂發(fā)育，總體上為北斷南超的箕狀凹陷。二級構(gòu)造單元可劃分為渤中25-1構(gòu)造帶、西北次洼、西南次洼、西南緩坡帶、中央隆起帶、東次洼、東部斷階帶等(圖1)。

2 構(gòu)造演化及沉積物充填特征

黃河口凹陷新生代構(gòu)造運(yùn)動經(jīng)歷了古近紀(jì)的裂陷期和新近紀(jì)的裂后拗陷期。裂陷期進(jìn)一步可劃分為初始斷陷、擴(kuò)張斷陷、穩(wěn)定發(fā)展、衰減4個階段(徐長貴等, 2004)。在其控制下，黃河口凹陷古近系經(jīng)歷了古新世晚期、始新世早期斷陷Ⅰ、Ⅱ幕[孔店組—沙四段(沙河街組四段，后同)] ，始新世中期斷陷Ⅲ幕(沙三段)，始新世晚期、漸新世斷陷Ⅳ幕(沙一段、沙二段、東營組)4個構(gòu)造演化階段，各演化階段具有不同的沉積體系類型和分布樣式(圖2)。

斷陷Ⅰ、Ⅱ幕(孔店組和沙四段沉積時期)：對應(yīng)區(qū)域的初始斷陷期，由于長期風(fēng)化剝蝕、基底強(qiáng)烈的差異沉降使研究區(qū)呈現(xiàn)凹凸相間的沉積格局。此時盆地結(jié)構(gòu)比較簡單，發(fā)育陡坡斷階型坡折和簡單緩坡。這些次級地貌單元控制了孔店組、沙四段沉積體系類型與分布，僅在西北次洼、西南次洼和東北洼發(fā)育了近源沖積扇、沖積平原和濱淺湖。

斷陷Ⅲ幕(沙三段沉積時期)：對應(yīng)區(qū)域的斷陷擴(kuò)張期，層序上低位體系域主要由大型 低位扇和下切谷組成，反映構(gòu)造活動強(qiáng)烈，物源區(qū)地形起伏高差大、盆緣陡的特征。來自渤南低凸起、墾東凸起物源豐富，陡坡和緩坡分別發(fā)育大規(guī)模的扇三角洲和辮狀河三角洲沉積體系。

斷陷Ⅳ幕(沙一、二段、東營組沉積時期)：對應(yīng)區(qū)域的斷陷穩(wěn)定發(fā)展、衰減期，盆地整體沉降增強(qiáng)，差異斷陷活動減弱。陡坡帶持續(xù)發(fā)育扇三角洲沉積體系，表明來自渤南低凸起的物源仍然充足，而南部緩坡帶主要發(fā)育大型辮狀河三角洲沉積體系，隨著湖盆基底的差異活動進(jìn)一步減弱，辮狀河三角洲體系的規(guī)模迅速減小，高位體系域更是以發(fā)育濱岸砂壩和灘壩砂為特征，反映南部墾東凸起物源供給能力逐漸減弱，陸源供給相對缺乏。

圖2黃河口凹陷地層序列與構(gòu)造演化階段Fig. 2 The sequence stratigraphic column and stage of tectonic evolution in the Sag of the Yellow River estuary

3 構(gòu)造坡折帶類型及其對沉積體系控制

坡折帶(slope break)作為一個重要的層序地層學(xué)術(shù)語，首先被應(yīng)用于解釋被動大陸邊緣盆地有陸架坡折層序體系域構(gòu)成模式(Van Wagoner，1990)，認(rèn)為坡折帶之下是低位楔、低位扇發(fā)育的主要部位，也是巖性油氣藏形成的主要部位。對于發(fā)育同沉積斷裂的陸相斷陷盆地，同沉積斷裂帶的作用類似于陸架坡折(Brown and Jr Benson, 1995)。作者對黃河口凹陷構(gòu)造發(fā)育特征與地層層序發(fā)育形式的研究表明：黃河口凹陷坡折帶類型與同沉積構(gòu)造類型密切相關(guān)，可歸納為兩個主要類型：斷裂坡折帶和撓曲坡折(圖3)。

3.1 斷裂坡折

斷陷盆地主裂陷幕的擴(kuò)張、穩(wěn)定發(fā)展時期，盆地內(nèi)發(fā)育了大量同沉積斷裂帶和斷層轉(zhuǎn)換帶，它能控制層序的形成和體系域的發(fā)育。同沉積斷裂構(gòu)造坡折帶具有多種組合樣式，按斷面、斷階面、轉(zhuǎn)換帶在平面的組合方式，可分為以下幾種樣式：斷階型坡折帶、帚狀斷裂坡折帶和斷裂轉(zhuǎn)換坡折帶。不同坡折帶樣式控制著砂體的形態(tài)及分布樣式。

斷階型坡折帶是指由兩條以上的同向同沉積斷層構(gòu)成的階梯式斷裂坡折，多級斷層可營造出沉積物多級輸送的路徑。斷階型坡折帶層序樣式一般表現(xiàn)為多級斷裂坡折，在盆地不同的充填演化時期控制著多個相帶的展布(林暢松等,2000;王英民等, 2003;任建業(yè)等, 2004;蒙啟安, 2009; 侯宇光等, 2010)。沙三段沉積時期，黃河口凹陷北部陡坡帶發(fā)育兩條邊界大斷層，構(gòu)成了一級和二級斷階，分別控制著低位扇三角洲的分布。該斷階帶來自北部渤南低凸起物源十分充足，整個裂陷期，持續(xù)發(fā)育大規(guī)模的扇三角洲砂體。一級斷階控制了扇三角洲的分布，二級斷階控制了扇三角洲前緣的加厚帶、低位扇的展布(圖4a)。而斷階帶的強(qiáng)度、大小影響了沉積體系的厚度，斷階的中部、邊部與古溝谷一起控制了扇根、扇中分布；斷階的前緣控制了扇端分布。在沙二段時期，在南緣緩坡帶萊北地區(qū)發(fā)育多級斷階型坡折，整體趨勢由北向南逐級抬高，各級斷階控制著辮狀河三角洲前緣砂體分布、微相類型，斷階型坡折帶以下砂體厚度明顯增加趨勢(圖4b)。整個緩坡帶斷階均發(fā)育辮狀河三角洲前緣水下分流河道、河道間沉積，分布??；而最前方的斷階控制了辮狀河三角洲前緣河口壩、遠(yuǎn)砂壩沉積。

帚狀斷裂坡折帶一般是由一條主干斷裂向一端發(fā)散或分叉成多條規(guī)模變小、斷距變小的次級斷裂系(馮有良等, 2006; 馮有良, 2006)。帚狀斷裂坡折帶在平面上呈帚狀，主干斷裂控制了沉積體系的入湖方向和沉積體系厚度，分叉斷層控制了沉積體系的平面分布。如黃河口凹陷東洼南部緩坡帶斷裂帶，一方面沿著帚狀斷裂坡折帶主斷裂分布方向，辮狀河三角洲水下分流河道粗碎屑沉積發(fā)育，為碎屑物質(zhì)物源方向，控制了沉積體系的入湖方向和沉積厚度，如渤中34-9構(gòu)造；另一方面，帚狀斷裂坡折發(fā)散部位形成構(gòu)造低地貌，對沉積體系平面分布進(jìn)一步分配、改造，可以成為沉積體系最終的匯聚中心，也是湖盆最終匯水中心。

圖3 黃河口凹陷構(gòu)造坡折帶類型及分布Fig. 3 The distribution and the type of tectonic slope-break in the Sag of the Yellow River estuary

3.2 斷裂轉(zhuǎn)換帶坡折

斷裂轉(zhuǎn)換帶坡折由兩條同沉積斷裂帶相交形成的斷裂構(gòu)造，在兩條同沉積斷裂交匯處的斷裂轉(zhuǎn)換帶，通常是最大水系的注入位置。水系攜帶的大量沉積物從轉(zhuǎn)換帶向盆地方向卸載，形成三角洲、扇三角洲沉積或湖底扇沉積(王家豪等, 2008; 陳發(fā)景等, 2004; 向雪梅等, 2011; 張宇, 2010;余一欣等,2009;)。斷裂轉(zhuǎn)換帶坡折一般可以分為盆緣斷裂轉(zhuǎn)換帶坡折和盆內(nèi)斷裂轉(zhuǎn)換帶坡折兩種類型。盆緣斷裂轉(zhuǎn)換帶坡折主要分布在黃河口凹陷南部緩坡帶，受早期古近系拉張作用影響，緩坡帶發(fā)育一系列近東西向控洼同沉積斷層，且斷層均表現(xiàn)為東強(qiáng)西弱、交替出現(xiàn)；在兩條同沉積斷裂交匯處易形成斷裂轉(zhuǎn)換帶，如墾利2-1構(gòu)造、墾利3-1構(gòu)造。斷裂調(diào)節(jié)帶控制了低位辮狀河三角洲沉積體系的入湖方向。盆內(nèi)斷裂轉(zhuǎn)換帶主要發(fā)育在沙河街組三段沉積中期，受走滑斷裂活動影響，在湖盆中心的渤中33-1構(gòu)造帶發(fā)育一系列斷裂轉(zhuǎn)換帶坡折，盆內(nèi)斷裂轉(zhuǎn)換帶坡折不僅控制了圈閉發(fā)育，也控制湖底扇分布規(guī)律，最大湖底扇面積超過50 km2。

3.3 撓曲坡折

撓曲坡折帶是由于同期深部斷裂活動使淺部地層發(fā)生撓曲變形而產(chǎn)生的，或是由于同沉積褶皺活動形成的背斜或鼻狀構(gòu)造的兩翼撓曲而產(chǎn)生(龍更生等, 2009)。其主要標(biāo)志是坡度突變，在坡折帶下部有明顯的上超和地層增厚現(xiàn)象，在坡折帶上部可見地層削蝕現(xiàn)象。黃河口凹陷BZ29-35區(qū)為繼承性古隆起發(fā)育地區(qū)。由于古隆起的存在與不斷生長，往往容易在隆起的邊緣產(chǎn)生差異沉降，為坡折帶的形成創(chuàng)造有利條件。渤中35-2構(gòu)造西側(cè)沙河街組、東營組構(gòu)造背景西低東高、地層西厚東薄，在古隆起邊緣部位地層發(fā)生明顯加厚，并在坡折下方出現(xiàn)超覆特征，來自于渤南低凸起的大型辮狀河三角洲在坡折附近卸載、沉積(圖4c)。而古溝谷控制辮狀河三角洲前緣水下分流河道沉積，在主河道兩側(cè)，由于高能水流對下伏湖相泥巖的沖刷、侵蝕作用，導(dǎo)致水下分流河道砂體與圍巖之間不同巖相類型砂體差異明顯，水下分流河道向下嵌入泥質(zhì)沉積地層之中，為河道間沉積。在撓曲坡折帶的前方，辮狀河三角洲前緣砂體呈片狀、朵葉狀分布。

3.4 控砂模式

斷陷穩(wěn)定發(fā)展期是構(gòu)造坡折帶的主要發(fā)育期，對層序和沉積體系的控制明顯(馮有良等,2001;李群等,2003)。在綜合分析層序格架、沉積體系和構(gòu)造坡折帶的基礎(chǔ)上，建立了黃河口凹陷沙一、二段沉積時期的構(gòu)造坡折帶控砂模式(圖5)。

圖4 黃河口凹陷構(gòu)造坡折層序結(jié)構(gòu)(a)陡坡斷階坡折；(b)緩坡斷階坡折；(c)撓曲坡折Fig.4 The sequence structure of tectonic slope-break in Sag of the Yellow River estuary (a) The abrupt fault-terrace slope-break;(b)the gentle fault-terrace slope-break ;(c) flexure slope-break

圖5 黃河口凹陷主斷陷期坡折控砂模式Fig. 5 The controlling of tectonic slope-break zones on sand-bodies of the main faulted period in the Sag of the Yellow River estuary

斷陷Ⅳ幕，黃河口凹陷在渤南低凸起邊界斷層控制下發(fā)生斷陷活動，構(gòu)造活動強(qiáng)烈，物源區(qū)地形起伏高差大、盆緣陡，來自渤南低凸起物源豐富。在陡坡一側(cè)，來自渤南低凸起的碎屑物質(zhì)垂直于斷層進(jìn)入黃河口凹陷，大規(guī)模的扇三角洲砂體的展布主要受陡坡斷階型構(gòu)造坡折帶的控制，斷階控制了扇三角洲的分布及扇三角洲前緣的加厚帶。在西南緩坡帶，墾東凸起的碎屑物質(zhì)主要受斷裂轉(zhuǎn)換帶控制，水系攜帶的大量沉積物從轉(zhuǎn)換帶向盆地方向卸載，形成辮狀河三角洲沉積；在東南緩坡帶，沉積體系受帚狀坡折和多級坡折控制，帚狀坡折主斷裂?？刂浦炙樾脊┙o水系的方向，而緩坡帶多級斷階控制著辮狀河三角洲前緣砂體分布、相類型。撓曲坡折主要分布在渤中29-35區(qū)，受古隆起作用影響，渤南低凸起的大型辮狀河三角洲在坡折下方卸載、沉積。另外，黃河口凹陷湖盆中心渤中33-1構(gòu)造帶附近發(fā)育的斷裂轉(zhuǎn)換帶控制大規(guī)模湖底扇沉積。

4 構(gòu)造坡折帶控制下的圈閉分布模式

不同的構(gòu)造坡折帶控制著沉積體系類型、砂體分布，進(jìn)而形成了相應(yīng)的圈閉分布模式。

(1)斷階坡折圈閉分布模式。陡坡斷階坡折控制沉積砂體類型主要為近岸水下扇、扇三角洲，可形成大規(guī)模的斷層—巖性圈閉，如渤中25-1構(gòu)造；緩坡多級斷階坡折控制了沖積扇、辮狀河三角洲沉積體系，可形成斷塊型圈閉、巖性上頃尖滅圈閉，如渤中34-9構(gòu)造。

(2)斷裂轉(zhuǎn)換帶圈閉分布模式。西南緩坡帶和渤中33-1構(gòu)造帶發(fā)育的斷裂轉(zhuǎn)換帶分別控制了辮狀河三角洲、湖底扇沉積，在該區(qū)域可形成砂巖透鏡體、巖性上傾尖滅、斷層—巖性以及斷鼻—巖性圈閉等多種圈閉類型。渤中33-1構(gòu)造帶斷裂轉(zhuǎn)換帶控制的湖底扇規(guī)模大，為有利勘探前景區(qū)。

(3)撓曲坡折圈閉分布模式。黃河口凹陷渤中29-35區(qū)受古隆起差異沉降作用在坡折下方為地層超覆特征，大型辮狀河三角洲沉積體系在坡折附近卸載、沉積，容易形成地層超覆圈閉、巖性上頃尖滅圈閉。

5 結(jié)論

(1)在構(gòu)造運(yùn)動和同沉積斷層差異活動的控制下，黃河口凹陷發(fā)育了斷裂坡折(斷階坡折、帚狀坡折和斷裂轉(zhuǎn)換帶坡折)和撓曲坡折4種類型的構(gòu)造坡折帶。不同類型構(gòu)造坡折帶對沉積體系具有明顯控制作用，陡坡斷階坡折控制扇三角洲、近岸水下扇分布，緩坡斷階控制多期辮狀河三角洲沉積；帚狀坡折控制了沉積體系入湖方向、沉積厚度及沉積體系平面分布；斷裂轉(zhuǎn)換帶控制了緩坡辮狀河三角洲沉積及湖盆中心湖底扇沉積，撓曲坡折控制了渤中29-35構(gòu)造帶西側(cè)辮狀河三角洲沉積體系。

(2)不同構(gòu)造坡折帶背景發(fā)育不同類型的圈閉組合：斷階坡折帶主要以斷塊型圈閉、巖性上頃尖滅圈閉為主，帚狀坡折帶發(fā)育掀斜斷塊圈閉，斷裂轉(zhuǎn)換帶坡折以巖性上傾尖滅圈閉、斷鼻—巖性圈閉為主，撓曲坡折帶以地層超覆圈閉、巖性上頃尖滅圈閉為主。

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