孤東地區(qū)走滑作用對油氣成藏的控制

盧姝男, 吳智平,2, 程燕君, 李 旭

( 1. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術(shù)學院,山東 青島 266580； 2. 中國石油大學(華東) 青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室,山東 青島 266235 )

0 引言

孤東地區(qū)位于濟陽坳陷東部的淺灘海地區(qū)海陸交接位置,鄰近郯廬斷裂帶西支,處于郯廬斷裂帶右旋走滑應(yīng)力場,在燕山—喜山構(gòu)造階段的左旋到右旋的轉(zhuǎn)型過程中,導致郯廬斷裂帶中生代先存NW向斷層向新生代NNE向斷層轉(zhuǎn)型,且派生一系列NNE和近EW向次級斷層,研究區(qū)呈現(xiàn)NNE、NE向斷裂分割NW向凸起的構(gòu)造格局[1-4]。人們研究郯廬斷裂帶影響下鄰區(qū)的走滑作用,包括濟陽坳陷東部走滑構(gòu)造特征及成因機制[5-6]、濟陽坳陷東部墾東—埕島構(gòu)造帶的斷層活動特征[7-8]、黃河口凹陷的走滑斷層體系發(fā)育特征[9-10],以及萊州灣地區(qū)的隱性走滑斷層作用[11]等。人們也研究渤海走滑轉(zhuǎn)換帶[12-13]、走滑雙重構(gòu)造[14]等走滑派生構(gòu)造樣式的特征。蔡佑星[15]、龔再升等[16]、池英柳等[18]認為,郯廬斷裂帶影響下的走滑作用對渤海海域東部油氣成藏的影響是重要的,對大中型油氣田的形成具有重要意義。

渤海灣盆地濟陽坳陷含有豐富的油氣資源,孤東地區(qū)是其中有利的油氣充注區(qū)塊,油氣分布具有明顯差異性,主要分布于孤東低凸起淺層及孤南洼陷陡坡帶,孤東潛山和孤東斷層南段尾端所處富林地區(qū)不成藏[19-20]。根據(jù)對海、陸資料的補充與拼接,筆者分析研究區(qū)NNE向斷層向相鄰黃河口凹陷內(nèi)部延伸,重新厘定斷層性質(zhì)；利用地震資料及重磁資料,分析斷層的發(fā)育特征和走滑特征,結(jié)合相干切片及物理模擬實驗,探討研究區(qū)的走滑派生構(gòu)造樣式發(fā)育特征；結(jié)合研究區(qū)石油地質(zhì)條件,分析走滑作用對油氣成藏的控制,為研究區(qū)油氣勘探提供參考與借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

孤東地區(qū)位于渤海灣盆地濟陽坳陷與渤中坳陷的交接帶、郯廬斷裂帶西側(cè)、黃河入海口附近灘海地區(qū)東部,主要指孤東低凸起及其附近地區(qū),向西與孤南、富林洼陷相接,向北傾沒于黃河口凹陷,向南鄰近青東凹陷和青坨子凸起(見圖1)。其構(gòu)造性質(zhì)及特征與鄰區(qū)既有相似性,又有差異性。自三疊世以來,該地區(qū)經(jīng)歷包括華北板塊與華南板塊剪刀式碰撞、太平洋板塊俯沖轉(zhuǎn)向、郯廬斷裂帶大型NNE向走滑斷裂左旋到右旋的轉(zhuǎn)換等多期構(gòu)造運動,造成研究區(qū)復雜多變的結(jié)構(gòu)特征,呈現(xiàn)NW向展布的凸起帶被NNE和NE向斷層切割的構(gòu)造格局。孤東地區(qū)的發(fā)育演化主要受控于NNE向孤東斷層和墾東斷層,NE向孤南斷層和墾利斷層對它具有切割作用,控制孤東低凸起、孤南洼陷東部和富林洼陷東部的凸凹格局。

圖1 孤東墾東地區(qū)區(qū)域地質(zhì)Fig.1 Regional geological map of Gudong-Kendong area

2 斷層性質(zhì)

孤東斷層和墾東斷層作為研究區(qū)的主控斷層,早期人們認為是拉張性質(zhì)的正斷層。通過海、陸地震資料的整合及高分辨率的重磁資料分析[21],研究兩條斷層的走滑性質(zhì)。

根據(jù)孤東、墾東及周邊地區(qū)磁異常圖,東部一系列NNE、NE向長軸型呈串珠狀排列的正磁異常帶,是郯廬斷裂帶西支,呈現(xiàn)左階不連續(xù)排列。西側(cè)的孤東、墾東地區(qū)具有相似的特征,正磁異常分布區(qū)域更加明顯,也呈串珠狀排列,異常長軸以NNE向為主(見圖2(a))。郯廬斷裂帶在沙四孔店時期大規(guī)模的NNE向走滑斷層由左旋向右旋方向轉(zhuǎn)換,派生一系列NNE向走滑斷層,包括孤東、墾東斷層具有走滑性質(zhì),右旋作用十分明顯。在孤東地區(qū)逐漸形成的NE向孤南、墾利斷層開始切割早期的NNE向孤東斷層,整體吻合于郯廬斷裂帶右旋走滑應(yīng)力場(見圖3)。因此,孤東、墾東斷層的右旋走滑效應(yīng)十分明顯。

將勝利探區(qū)與海油探區(qū)進行基底拼接,孤東及相鄰地區(qū)NNE向斷層在東北部的黃河口凹陷內(nèi)可以找到對應(yīng)的斷層,劃分為墾東斷層—萊州西支1號斷層、孤東斷層—萊州西支2號斷層、長堤斷層—萊州西支3號斷層3條斷裂帶(見圖2(b)),墾東、孤東斷層具有與其延伸斷層同樣的走滑性質(zhì)。根據(jù)垂直切割孤東斷層和墾東斷層的地震剖面,兩條斷層的傾角較陡,深部斷層較為直立,淺部發(fā)育一系列次級斷層,與主斷層組合成似花狀構(gòu)造的特征,證明孤東、墾東斷層具有明顯的走滑特征(見圖4)。

圖2 孤東、墾東及周邊地區(qū)磁異常分布及三維顯示Fig.2 Distribution of magnetic anomaly and three-dimensional display in Gudong-Kendong area

圖3 郯廬斷裂帶右旋走滑應(yīng)變橢球體Fig.3 Right-lateral strike slip strain ellipsoid Tanlu fault zone

圖4 研究區(qū)主走滑斷層剖面特征Fig.4 The characteristics of seismic profile of main strike-slip faults in area

3 走滑斷層派生構(gòu)造

走滑及派生作用是導致盆地內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異性最主要的控制因素。在同一走滑應(yīng)力場下,不同位置局部應(yīng)力場差異、不同方向應(yīng)變差異導致走滑及派生構(gòu)造發(fā)育類型與樣式的多樣性,包括在走滑彎曲帶的局部增壓與釋壓,在疊置帶的釋壓拉張與增壓擠壓形成的拉張與擠壓的雙重構(gòu)造,在走滑斷裂帶末端形成的疊瓦扇,以及塊體活動的改變與斷層方向的變化造成的差異等[22-25]。研究區(qū)孤東斷層—萊州西支2號斷層與墾東斷層—萊州西支1號斷層之間發(fā)育右行左階的增壓疊置帶,在孤東斷層末端發(fā)育拉張馬尾扇構(gòu)造。

3.1 走滑斷裂增壓疊置

兩條右旋走滑斷層呈左階疊置排列,產(chǎn)生增壓擠壓作用,在疊置區(qū)形成拱起。對于研究區(qū)NNE向斷裂,孤東斷層和墾東斷層平面上右旋左階排列,組成走滑斷裂增壓疊置構(gòu)造樣式(見圖5)。剖面上表現(xiàn)為局部地層上拱。通過物理模擬實驗?zāi)M走滑疊置構(gòu)造樣式的發(fā)育演化過程,也驗證呈右旋左階排列的斷層產(chǎn)生增壓作用,疊置區(qū)地層發(fā)生拱起現(xiàn)象(見圖6)。

物理模擬實驗將3塊聚苯塑料放置在金屬板上,中間1塊固定,另外2塊置于兩側(cè),分別與底部的2塊可以平移活動的金屬底板粘連,與金屬底板共同運動,實現(xiàn)兩側(cè)活動聚苯塑料與中間固定的聚苯塑料發(fā)生相對移動。在上面鋪設(shè)一層塑性橡膠皮,橡膠皮沿底部基底斷裂切割但不貫通,形成斷裂疊置的形式,兩側(cè)固定帆布,使之隨基底一起運動,實現(xiàn)走滑功能[26](見圖6(a))。采用斷裂右旋左階的疊置形式,遵循幾何相似、動力相似和邊界相似的相似原則,兩側(cè)勻速同時移動,隨走滑位移量的不斷增加,在位移量為0.4 cm時,主走滑斷裂開始發(fā)育(見圖6(b))；位移量為1.5 cm時,斷裂發(fā)育明顯,規(guī)模變大,且斷裂兩側(cè)NNE向的同向次級剪切斷裂形成,主斷裂間疊置部位開始出現(xiàn)地層上拱現(xiàn)象,且局部派生NE(近EW)向拉張正斷層(見圖6(c))；位移量為1.9 cm時,同向次級剪切斷裂數(shù)量增多,NE(近EW)向拉張正斷層連通,疊置部位地層明顯拱起而形成背形(見圖6(d))。

圖5 孤東和墾東斷層走滑斷裂疊置構(gòu)造樣式平面與剖面特征Fig.5 The characteristics of 2 000 ms coherence slice and seismic profile of stepovers of strike-slip faults

圖6 走滑斷裂疊置構(gòu)造樣式物理模擬實驗Fig.6 Plan view of physical modeling experiment in stepovers of strike-slip faults

3.2 拉張馬尾扇構(gòu)造

研究區(qū)孤東斷層尾端發(fā)育拉張馬尾扇構(gòu)造,相干切片顯示NNE向孤東斷層南段與一系列NNE向小次級斷層形成拉張馬尾扇,其中次級斷層向SW方向散開,且延伸至富林洼陷內(nèi)部(見圖7(a))；切過馬尾扇構(gòu)造的SN向測線地震剖面表現(xiàn)為,一系列傾向相同的次級斷層呈階梯狀排列,斷裂分割性較強,部分形成多級Y形構(gòu)造；同時,斷層分割的地層有下陷趨勢,說明帚狀構(gòu)造可以派生拉張釋壓效應(yīng)(見圖7(b))。

為揭示拉張馬尾扇構(gòu)造的形成演化過程,同樣利用構(gòu)造物理模擬實驗，在金屬底板上鋪設(shè)聚苯塑料,將塑性橡膠皮沿底部基底斷層切割,形成平面梯形固定,兩側(cè)隨金屬底板活動(見圖8(a))。遵循相似原則,不斷施加應(yīng)力,充當主動盤一側(cè)走滑強度逐漸增加,走滑量通過次級斷裂分解,形成馬尾扇構(gòu)造。位移量為1.0 cm時,主斷裂開始形成(見圖8(b))；位移量為1.4 cm時,NE向次級斷裂開始產(chǎn)生(見圖8(c))；位移量為2.2 cm時,次級拉張斷層數(shù)量增多(見圖8(d))；位移量為4.8 cm時,主斷層不連續(xù),派生的NE向次級斷層規(guī)模變大,延伸較遠,尾端不斷向SW向撒開(見圖8(e))。

圖7 孤東斷層拉張馬尾扇構(gòu)造樣式平面及剖面特征Fig.7 The characteristics of 2 000 ms coherence slice and seismic profile of horstail structures

圖8 拉張馬尾扇構(gòu)造樣式構(gòu)造物理模擬實驗Fig.8 Plan view of physical modeling experiment in horsetail structures

4 油氣成藏控制

4.1 走滑斷裂增壓疊置

走滑斷裂增壓疊置部位主要指孤東低凸起區(qū)。該地區(qū)含油氣豐富,以孤東低凸起及孤南洼陷陡坡帶為油氣主要聚集區(qū),陡坡帶油氣縱向多層位成藏,主要以沙河街組和東營組為主,且深層更為富集；孤東低凸起以淺層成藏為主,潛山不成藏(見圖9)。造成油氣分布差異性的原因,除自身的石油地質(zhì)條件外,走滑派生也起很大作用。孤東與墾東斷層的右旋左階排列組成走滑疊置構(gòu)造,易產(chǎn)生增壓作用,加之疊置部位的上覆地層披覆,促使該地區(qū)形成背形,是油氣充注的主要部位。由于孤東斷層平面呈彎曲特點(見圖9),右旋走滑斷層的局部增壓彎曲部位導致斷層面緊閉(見圖10)。油氣不會沿孤東斷層運移至孤東潛山上,而是在孤東斷層上盤受增壓作用封閉,以及高角度斷層遮擋而聚集成藏(見圖11(a))。由于NE向斷層產(chǎn)生及孤東斷層逐漸變得不連續(xù),派生大量NEE、NE向次級斷層,導致油氣的重新分布,為油氣的運移提供媒介與通道,不僅擴大淺部油氣規(guī)模及分布范圍,同時不斷向疊置增壓部位運移聚集,該地區(qū)淺層油氣藏豐富聚集。

研究區(qū)成藏特征有3種：(1)淺層背形圈閉發(fā)育,淺層成藏。孤東斷層斷面緊閉,斷層分割性強,封閉能力高,少量油氣沿斷層運移,在洼陷區(qū)沙河街組地層中被斷層封閉而成藏,未運移至潛山,因此潛山不成藏；派生的NE向次級斷層為拉張斷層,溝通深部源巖和淺層圈閉,油氣運移至淺部而成藏；同時,黃河口凹陷的部分油氣也運移至淺層而成藏。(2)多元供烴。孤東地區(qū)三面臨洼,被孤北洼陷、孤南洼陷、黃河口凹陷包圍,油氣供給以孤南洼陷為主,黃河口凹陷次之,孤北洼陷最少。各洼陷具有多套生油層系,Es3、Es1為良好的生油層系,Ed也具有生油能力,從而形成多方向、多層系供油的優(yōu)勢。(3)輸導體系。孤東地區(qū)西部主要是以派生的NE向正斷層及砂體作為主要的輸導體系而垂向輸導,生排烴期斷裂活動有利于油氣向淺層輸導,東部以不整合面和連通砂體作為主要的輸導體系而側(cè)向輸導(見圖11(b))。

圖9 走滑疊置和拉張馬尾扇構(gòu)造樣式與淺層油氣分布關(guān)系Fig.9 The relationship diagram between the shallow oil distribution and stepover and the horsetail splay structure

圖10 孤東斷層增壓釋壓彎曲模式Fig.10 Compression and extension bending of pattern Gudong fault

圖11 孤東、墾東走滑疊置成藏區(qū)油藏剖面及三維模式Fig.11 Reservior profile across accumulation area and three-dimensional model of oil distribution in stepovers of Gudong-Kendong strike-slip faults

4.2 走滑拉張馬尾扇構(gòu)造

走滑拉張馬尾扇主要發(fā)育于富林地區(qū)。統(tǒng)計該地區(qū)井的油氣分布特征,多為失利井,如富23、富15、富291、富7、富29等井(見圖1)。研究區(qū)目前源巖主要來源于富林洼陷和孤南洼陷,后期走滑釋壓作用是導致研究區(qū)油氣溢散的主要原因。對于烴源巖,分析失利區(qū)可能來源的4套烴源巖的氯仿抽提物飽和烴色譜、質(zhì)譜,以及以失利區(qū)富15井的古近系沙河街組的原油為代表的失利井[27-28],根據(jù)C29甾烷的成熟度參數(shù)、4—甲基甾烷和C27重排甾烷的豐度指標,富林洼陷沙三下亞段的烴源巖類異戊二烯烴表現(xiàn)為較高的姥鮫烷,Pr/Ph大于1,萜烷類化合物表現(xiàn)為低γ—蠟烷的特點,茲(脂)類化合物高度重排；富林洼陷沙四上亞段的類異戊二烯烴具有明顯植烷優(yōu)勢,Pr/Ph通常小于1,萜烷類化合物表現(xiàn)為高γ—蠟烷的特點,重排甾烷與4—甲基甾烷質(zhì)量分數(shù)較低；孤南洼陷沙三段烴源巖Pr/Ph大于1,表現(xiàn)為低γ—蠟烷的特點；孤南洼陷沙一段烴源巖表現(xiàn)為γ—蠟烷質(zhì)量分數(shù)較高,Pr/Ph較低,C28質(zhì)量分數(shù)豐富。富15井的原油具有明顯的植烷優(yōu)勢,Pr/Ph小于1,γ—蠟烷質(zhì)量分數(shù)較高,重排甾烷與4—甲基甾烷質(zhì)量分數(shù)較低?？梢姼?5井與富林洼陷沙四上亞段烴源巖具有相似的特點,具有明顯的親緣關(guān)系。因此,富林地區(qū)的失利區(qū)的油氣來源于富林洼陷東次洼沙四上亞段烴源巖,油氣主要以近距離、垂向運移和自生自儲為主。

后期走滑作用對失利區(qū)的影響是導致油氣最終在淺部溢散的主要原因。孤東斷層右旋走滑作用在孤東斷層尾端派生NW-SE向拉張產(chǎn)生釋壓作用(見圖10),不連續(xù)的次級斷層形成帚狀構(gòu)造,釋壓作用使次級斷層開啟,斷層的封閉性較差,破壞早期圈閉；同時,為東次洼內(nèi)油氣向淺部運移提供路徑,且沿斷層不斷向外溢散,導致失利區(qū)不見油氣顯示。垂直于組成帚狀構(gòu)造的次級斷層的油藏剖面顯示(見圖12(a)),東次洼內(nèi)烴源巖生成的油氣沿階梯式的次級斷層向淺部運移,至明化鎮(zhèn)沉積頂部溢散。

建立富林地區(qū)走滑拉張馬尾扇構(gòu)造釋壓失利區(qū)三維模式(見圖12(b)),有3種特征：(1)烴源巖主要來源于富林地區(qū)的東次洼沙四上亞段,發(fā)育地區(qū)局限,成熟度低，埋深較淺，生烴量少；(2)孤南洼陷油氣受墾利斷層反向遮擋,油氣無法運移至富林洼陷失利區(qū)；(3)拉張馬尾扇構(gòu)造派生釋壓作用,斷層呈開啟狀態(tài),導致油氣易沿斷層向淺部垂向運移溢散。

圖12 孤東斷層尾端拉張馬尾扇構(gòu)造油藏剖面特征及三維模式Fig.12 Reservior profile across failed area in the end of Gudong fault and three-dimensional model

5 結(jié)論

(1)孤東地區(qū)斷層受鄰近郯廬斷裂帶新生代右行走滑作用影響,表現(xiàn)為明顯的右行走滑性質(zhì),剖面上呈斷層直立、負花狀及多級Y形構(gòu)造特征,派生走滑疊置及拉張馬尾扇構(gòu)造樣式,增壓與釋壓的作用對孤東地區(qū)后期油氣的運聚起重要作用。

(2)走滑疊置增壓區(qū)地層上拱而形成背形,孤東斷層平面上呈彎曲狀態(tài),右旋作用使斷層面緊閉,分割和封堵來源于孤南洼陷的油氣,潛山不成藏,后期NNE、NE向次級斷層發(fā)育,為淺部油氣運移提供通道,擴大全部成藏范圍,對背形淺部油氣聚集成藏起關(guān)鍵作用。拉張馬尾扇構(gòu)造發(fā)育于孤東斷層尾端的富林地區(qū),斷層的局部彎曲產(chǎn)生釋壓作用,導致拉張次級斷層多呈開啟狀態(tài),破壞油氣藏,油氣沿斷層不斷向淺部運移溢散。

(3)在走滑作用控制下往往形成大中型油氣藏。對孤東地區(qū)斷層走滑性質(zhì)、走滑派生構(gòu)造樣式及其對油氣成藏的控制作用的研究,為走滑派生構(gòu)造控制下的油氣藏勘探研究提供參考和借鑒。

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