濟陽拗陷長堤地區(qū)新生代構造特征及其演化*

李雪梅，王 偉，王娉娉，范玖琳，劉超飛

中國礦業(yè)大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 海淀 100083

引 言

長堤地區(qū)位于山東省東營市東北部的灘海區(qū)，自20世紀70年代投入開發(fā)以來，該區(qū)已有30多年的勘探歷史。經過多年的勘探和開發(fā)，在長堤斷層西側的斷階帶和東側的斜坡帶都有重大發(fā)現并已投入開發(fā)。前人對該區(qū)油氣成藏規(guī)律的研究[13]進一步揭示了該區(qū)是一個多類型、多層系、油氣資源極為豐富的含油氣區(qū)帶，具有極大的勘探開發(fā)潛力。鑒于構造是控制油氣成藏的關鍵因素，本文通過對長堤地區(qū)斷裂發(fā)育期次、組合樣式以及長堤地區(qū)構造演化特征進行研究，為研究區(qū)（特別是東部地區(qū)）的滾動開發(fā)提供地質依據。

1 地質背景

渤海灣盆地是在華北克拉通（古生代結晶基底）基底上發(fā)育起來的一個中、新生代疊合盆地。由一系列NNE向和NE向的拗陷及位于其間的隆起組成，從西北到東南分別為：冀中拗陷、滄縣隆起、內黃隆起、黃驊拗陷、臨清拗陷、東濮拗陷、埕寧隆起、下遼河拗陷、遼東灣拗陷、渤中拗陷和濟陽拗陷等[4]。

長堤地區(qū)位于渤海灣盆地中南部，構造位置位于濟陽拗陷沾化凹陷東北部，由長堤斷裂帶和長堤潛山披覆構造帶組成。長堤潛山披覆構造帶為洼陷所包圍的低隆起帶，向北、向東以緩坡伸入樁東凹陷，向東南以孤東斷層與孤東潛山披覆構造帶分割南與孤南洼陷相接，西部以長堤斷層與五號樁洼陷分割，西北與埕北凹陷相望（圖1）。長堤潛山披覆構造帶是在中生界潛山背景下發(fā)育的NNE走向的正向構造單元，屬不對稱的背斜構造，位于長堤大斷層的上升盤，且被其他次級斷裂分割。潛山地層主要為前古近系，披覆蓋層自下而上為古近系沙河街組（E2-3s）、東營組（E3d）和新近系館陶組（N1g）明化鎮(zhèn)組（N2m）[5]。

圖1 長堤地區(qū)斷裂分布圖Fig.1 Fault distribution in Changdi Area

2 斷裂特征

2.1 斷裂級序

長堤地區(qū)發(fā)育有不同尺度、形狀和性質的斷裂50～70余條，均為張性正斷層，這些斷裂控制了本區(qū)域的構造格架和形成演化。斷裂也是控制油氣生成、運移、聚集、保存和分布的根本原因，按照斷裂對油氣藏分布、規(guī)模的不同控制作用，將斷裂劃分為5個級別[6]。深斷裂（一級斷裂）控制含油氣區(qū)的展布，基底斷裂（二、三級斷裂）控制復式油氣聚集帶的形成，蓋層斷裂（四、五級斷裂）控制油氣水分布并使其復雜化。本文結合以上劃分，按照斷裂對盆地、拗陷等不同級別構造單元的控制作用，將斷裂劃分為4級：基底主斷裂（一級斷裂），基底次級斷裂（二、三級斷裂）和蓋層斷裂（四級斷裂）。

一級斷裂，“控盆斷裂”，控制含油氣盆地的展布和沉積，斷穿基底。這類斷層具有長期的演化歷史，近百公里的延伸長度，可達萬米的落差，如渤海灣盆地的郯廬斷裂。本區(qū)域不存在一級斷裂。

二級斷裂，“控凹斷裂”，控制了次級拗陷或凹陷和隆起或凸起的分布格局。這類斷層平面延伸十公里左右，落差為200～1 000 m。本區(qū)域僅發(fā)育兩條二級斷層，長堤大斷層和孤東斷層北段。它們控制著長堤潛山的形成和油氣運聚地質背景。

三級斷裂，“控帶斷裂”，劃分斷塊區(qū)，控制斷塊區(qū)的地質發(fā)育歷史的斷裂。這類斷裂平面延伸數公里，落差100～200 m。如ZH18井（F2）斷層以北為斷階，以南為長堤低凸起。

四級斷裂，直接控制局部構造并使含油斷塊的油氣水關系復雜化。為伴生斷層，數量多，形成晚活動期短。這類斷層平面延伸1、2公里左右，落差為幾十米左右。如圖1中的f1，f2。

長堤地區(qū)發(fā)育的斷層，除了長堤斷層和孤東斷層北段外，其余均為三、四級斷層。

2.2 斷裂組合類型

長堤地區(qū)斷層走向以NE向為主（圖1），斷層之間復合或聯合可以形成不同的組合類型（圖2）。

本區(qū)斷層的平面組合主要有斜交（分叉）、雁列（斜列）、平行3種類型。中部地區(qū)構造形態(tài)較平緩，斷層少組合類型簡單，以平行式組合為主。構造較復雜的東南部，平面組合表現為斜交或分叉式組合，甚至出現平行、斜交復合類型，呈樹枝狀分布。

剖面組合類型有斷階型、馬尾狀和“y”字型單斷階狀剖面組合（A1）多見于本區(qū)東部，地壘型剖面組合（A2）主要分布于北部?！榜R尾狀”剖面組合是本區(qū)常見的組合類型，主要見于二、三級斷層附近，“y”字型組合方式比較少見，主要出現于東南部。

圖2 長堤地區(qū)斷裂組合類型Fig.2 Combination typesof fault in Changdi Area

2.3 主要斷裂特征

受郯廬斷裂走滑作用的影響，長堤地區(qū)主要斷層—長堤斷層、孤東斷層走向一致，為近南北向，平面呈雁列式排列。在2條主斷層之間，發(fā)育有走向北東和近東西的2組伴生調節(jié)斷層。這些斷層在平面上多與主斷層呈斜交或分叉組合，而且是聯系古近系和新近系的樞紐與通道，該類型構造活動在本區(qū)域形成了若干聚油斷鼻構造[7]。

長堤大斷層位于長堤潛山西側，是潛山的邊界斷層，控制著潛山披覆構造的形成和發(fā)育，具有明顯的張性走滑構造特征[8]。該斷層由3條呈雁列式排列的主斷層和與主斷層斜交的伴生斷層構成。中段近南北走向，是斷層的主體，向南轉向SW向延伸，向北轉向NE向延伸，總體呈“S”型，總長可達26 km。傾向西，傾角40°～65°，自南向北逐漸變陡，最大落差發(fā)育在北段，可達300多米。垂直于斷層走向的地震剖面上可以看出，斷層表現出明顯的正斷層性質，斷層面為上陡下緩的鏟狀（圖 3a）。斷層兩側發(fā)育中生界（M z）；斷裂西側下降盤沉積了巨厚的古近系（E），斷裂東側上升盤抬升遭受剝蝕，缺失古近系孔店組（E1-2k）和沙河街組沙四段（E2s4）。說明斷裂活動始于古近紀初期，并控制了長堤潛山古近系及其以上地層沉積。

圖3 長堤地區(qū)主要斷層剖面特征Fig.3 Main fault profilefeature in Changdi Area

孤東斷層同長堤大斷層一樣，并不是一條連貫延伸的正斷層，而是由一系列呈雁行排列的斷裂組成。其中對長堤潛山的沉積起控制作用的是孤東斷層北段，延伸距離約7 km，走向近南北，傾向北西，傾角60°～70°，最大落差400余米。從圖3b可以看出，孤東斷層與長堤斷層構成斷階型（單斷階狀）組合類型；與次級反向斷層構成“y”字型組合類型。

長堤斷層與五號樁斷層夾持長堤斷階（二臺階）。長堤斷層北段與NE向的F2斷層構成西傾斷階（圖3a）。從圖4看出，由于長堤斷層和F2斷層共同控制斷層下盤的上升，在F2斷層以南形成長堤低凸起（背斜），在Z11井附近造成構造高點長堤斷層中段與孤東北部斷層夾持地壘塊披覆背斜。長堤斷層南段與孤東斷層構成西傾斷階。孤東斷層北段控制了長堤潛山東南部的構造格局在孤東斷層北段以西Z303井和Z47井附近造成構造高點，在孤東斷層北段以東形成孤東凸起。由于沒有受到長堤斷層和孤東斷層的影響，僅受到一系列呈階梯狀分布的 NE 向斷層（F2、F3、F7）的作用，長堤地區(qū)東北部形成斜坡帶。整個長堤地區(qū)呈現出“南高北低，東高西低”和“東西分帶，北東分塊”的構造格局。

圖4 長堤地區(qū)E s3反射層（Tr）構造圖Fig.4 Tectonic map of E s3 reflector in Changdi Area

2.4 主要斷裂對油氣的控制作用

斷裂是油氣運移的通道，同時也是油氣聚集的有利區(qū)域。如在長堤斷裂帶上的Z1井、ZX221井都有油氣顯示，而在遠離斷裂帶或者遠離油源區(qū)的井幾乎沒有油氣顯示。長堤大斷層是連接長堤潛山與五號樁洼陷的油源斷層[9]，油氣通過砂巖輸導層向長堤大斷層方向運移，長堤斷層北段油氣在斷層側向封堵與區(qū)域性蓋層的封蓋條件下，在下降盤的斷鼻或斷塊圈閉中聚集起來，形成了長堤二臺階內豐富的油氣藏；長堤斷層中、南段，尤其是南部，斷層兩側砂體可以連通，油氣則穿過斷層繼續(xù)沿上傾方向的地層運移，最終在上升盤的沙河街組、東營組和館陶組的有利圈閉中聚集。研究區(qū)東北部斜坡帶的斷層近NE向展布，與區(qū)域構造線基本正交，且切割層系少，不利于油氣運移和聚集。油氣主要沿不整合面和與之相通的砂巖輸導層向構造高點運移，可在F3斷層、孤東北段斷層的側向封堵作用下，在地層的有利圈閉中聚集成藏。

3 長堤地區(qū)主要斷層活動分析

長堤大斷層的斷層活動具有旋回性，在古近紀沙三期有強烈的活動，隨后斷層活動開始減弱在東營末期，斷層活動又復加強，到明化鎮(zhèn)期又明顯減弱，經歷了兩個旋回活動。在持續(xù)活動過程中，長堤大斷層沿最大彎曲處逐漸分解，每條主斷層轉化為2個分支，這3條主斷層的活動歷程不盡相同。北段主斷層在沙三中晚期活動明顯，其上升盤強烈抬升，長期遭受剝蝕，而斷層下降盤沉積較強烈，接受了較厚的沙三、二段沉積。此時長堤斷層具有北強南弱的活動特點。北段活動在東營晚期停止；南段與中段活動相似，均在明化鎮(zhèn)晚期結束。

孤東斷層北段活動于古近紀早期，由南向北活動強度逐漸變弱，與長堤斷層相似，在東營末期，斷層活動又復加強。該斷層在館陶期逐漸停止活動。

4 長堤地區(qū)構造演化

目前研究認為，渤海灣盆地構造演化具有多幕裂陷，多旋回演化的特點[1012]。即新生代以來存在多期構造變動：古近系孔店末期、沙四末期、沙三末期、東營末期及新近系明化鎮(zhèn)末期的構造抬升事件。沉積地層之間的不整合面就是這些構造變動存在的有利證據。

就長堤地區(qū)而言，沙四末期和東營末期的兩期不整合表現的最強烈、區(qū)域性也最強。前者所代表的構造運動被稱為“濟陽運動”，后者被稱為“東營運動”。其構造演化與這兩期構造運動密切相關具有幕式演化特征，劃分為褶皺隆升、伸展斷陷和穩(wěn)定沉降3個主要階段。其中伸展斷陷階段進一步分為沙三期—沙二期的斷陷I幕，沙一期—東營期的斷陷II幕（表1）。

4.1 白堊紀褶皺隆升階段

早白堊世中國東部地區(qū)開始強烈的陸內裂陷和巖石圈減薄作用，強烈的引張導致區(qū)域內NW向基底大斷裂活動，大量巖漿沿著斷裂涌出[13]。沿郯廬斷裂帶發(fā)生右旋走滑活動，控制了斷裂帶西側裂陷盆地的形成和發(fā)育[14]。

進入晚白堊世以后，由于燕山運動尾幕的影響[15]，中國東部進入了NW—SE向的構造擠壓和收縮變形階段，斷裂活動強烈，孤東—五號樁—樁西NW向區(qū)域斷裂開始發(fā)育活動。長堤地區(qū)受擠壓應力的作用褶皺隆升，中生代遭受剝蝕，具有明顯的褶皺形態(tài)，總體軸向近東西向，向東傾伏，長堤潛山帶初具雛形。

表1 長堤地區(qū)構造演化特征簡表Tab.1 Tectonic evolution table of Changdi Area

4.2 古近紀伸展斷陷階段

4.2.1 始新世沙三期—沙二期的斷陷I幕

渤海灣盆地在晚白堊世末期短暫的抬升之后，在古近紀早期進入裂陷期。斷陷作用使地殼張裂，形成一系列小的斷陷湖盆，湖盆中充填孔店組和沙河街組沙四段。而本區(qū)域仍然處于隆起剝蝕階段，導致長堤潛山缺失孔店組和沙河街組沙四段。

沙四末期的濟陽運動被認為是濟陽拗陷演化過程中重要的構造體制轉換期[1618]。太平洋板塊在中始新世晚期最終完成其運動方向由中生代NNW向NWW的轉變，印度板塊與歐亞板塊在此期間發(fā)生了硬碰撞，使得長堤地區(qū)的區(qū)域應力場發(fā)生改變[19]。區(qū)域應力場從近S—N向的拉伸構造應力場轉為NW—SE向拉伸應力場。在應力場的轉換過程中，五號樁斷層繼承性的大規(guī)?；顒?，受該斷層的作用，形成了次生的長堤斷層，走向近南北與五號樁斷層基本平行，在兩斷層間形成了二臺階。長堤潛山主體NNW向延伸，至此，本區(qū)域的構造格局基本形成。

長堤潛山形成后，其內部沉積受長堤斷層和孤東斷層北段控制。濟陽運動之后，整個渤海海域類似于一個拉分盆地，在E1–2k—E2s4期處于隆起的地區(qū)開始發(fā)生裂陷作用。沙三段開始沉積，且斷陷階段以沙三期的基底沉降為最大[4]。此時長堤斷層從中南段向北段活動強度依次加強，孤東斷層北段伸入本區(qū)東南部開始活動，造成了斷塊抬升與斷陷沉降同步進行。沙三段僅在長堤斷層的下降盤及南部孤東斷層的下降盤形成沉積，與下伏中生界之間形成角度不整合界面（Tr）。該界面在長堤地區(qū)具有構造變革的意義，除了沙三段沉積前后構造應力場的轉變之外，古氣候也從干旱氣候條件轉變?yōu)槌睗駳夂驐l件。渤海灣盆地沉積、沉降中心向海域的遷移也開始于這一時期。沙三段以濱淺湖相近岸水下扇沉積為主，發(fā)育了一定厚度的灰色泥巖（烴源巖）為主的地層。

沙二期湖盆逐漸變淺，到沉積末期本區(qū)域短暫抬升，長堤潛山完全出露水面，遭受剝蝕，使得長堤潛山普遍缺失沙二段地層。

4.2.2 漸新世沙一期—東營期的斷陷II幕

漸新世區(qū)域應力場已完全轉為右旋剪切–張扭性質，斷裂在該時期活動弱或者不活動。經過沙二期的填平補齊作用，長堤地區(qū)地形趨于平緩。沙一期，湖水大規(guī)模入侵，處于淺湖—半深湖環(huán)境，發(fā)育了一定厚度的暗色油頁巖、油泥巖地層。在長堤潛山高部位，沙一段底部發(fā)育一套生物灰?guī)r。沙一段沉積主要受古地形和物源控制。進入東營期，湖水進一步加深，沉積中心不斷向北遷移[20]，東營組下部發(fā)育了一定厚度的暗色泥巖夾薄層碳酸鹽巖地層。

古近紀末期喜馬拉雅造山作用造成青藏高原隆升，受此影響中國東部由裂谷盆地發(fā)育期向整體沉降的過渡，并由之前的西傾變?yōu)楝F今東傾地貌[21]。該構造變動在渤海灣盆地被稱為“東營運動”[22]。受東營運動的影響，渤海灣盆地遭受抬升剝蝕，形成古近系與新近系之間區(qū)域不整合界面（T1）。對主要斷層的垂直活動速率（圖5）分析表明，長堤斷層和孤東斷層北段再一次進入活動期，并在它們附近產生了次級斷裂[23]，控制了一些斷塊圈閉和斷鼻構造的形成。

圖5 長堤地區(qū)主要斷層垂直活動速率分布圖Fig.5 Vertical activity rateof Changdi Fault and Gudong Fault

東營后期是盆地裂陷發(fā)育階段的晚期，湖盆面積縮小，湖水變淺，東營組上部發(fā)育一套砂泥巖交互的地層，由東營組下部的扇三角洲沉積轉變?yōu)檗p狀河沉積。

4.3 新近紀到現今的穩(wěn)定沉降階段

東營運動使得渤海灣盆地由裂陷期轉入裂后拗陷期。長堤地區(qū)在新近紀整體處于穩(wěn)定的沉降環(huán)境，構造活動十分微弱，新近系內部發(fā)育了少量NEE向小斷層，長堤斷層在中新世可能有小的活動，但對地層發(fā)育基本不起控制作用。上新世末長堤斷層及其他次級斷層基本停止活動。濟陽拗陷沉降中心在東營末期已經移到沾化凹陷，而館陶期進一步移到渤中凹陷，長堤地區(qū)在該時期應屬于盆地內部的凹陷區(qū)。受以北和以東洼陷的影響，長堤潛山地層沉積在東北部明顯變深。館陶組（N1g）發(fā)育礫巖、含礫砂巖夾泥巖為一套辮狀河到曲流河沉積。館陶組、明化鎮(zhèn)組（N2m）和第四系覆蓋全區(qū)，沉積厚度向渤海海域方向漸厚的展布，形成新近系和第四系的披覆構造。

5 結 論

（1）長堤大斷層是經過復雜演化的長期繼承性活動的斷裂構造。新生代長堤斷層強烈的拉張下陷其西側下降盤沉積了巨厚的古近系，油氣可通過該砂巖輸導層向長堤大斷層方向運移；而斷裂東側上升盤持續(xù)抬升，形成長堤潛山披覆構造帶。

（2）長堤地區(qū)斷裂活動受到“濟陽運動”和“東營運動”的影響，具有幕式活動的特征。濟陽運動使長堤斷層和孤東斷層等一系列同沉積斷層開始發(fā)育，長堤潛山高部位出露水面遭受剝蝕，形成沙三段與中生界間的角度不整合（Tr）。東營運動使長堤斷層和孤東斷層北段再一次進入活動期，并在它們附近產生了次級斷裂，長堤地區(qū)整體抬升遭受強烈剝蝕，形成東營組與館陶組間的角度不整合（T1）。

（3）長堤地區(qū)的構造演化與“濟陽運動”和“東營運動”密切相關，具有顯著的幕式演化特征，劃分為褶皺隆升、伸展斷陷和穩(wěn)定沉降3個主要階段其中伸展斷陷階段進一步分為沙三期—沙二期的斷陷I幕，沙一期—東營期的斷陷II幕。

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