東營凹陷中央隆起帶平衡剖面分析及差異隆升過程研究

張凱，孫瀟，楊常偉，魏云召，黃偉

(萊蕪市國土資源局，山東 萊蕪 271100)

0 引言

東營凹陷中央隆起帶是勝利油田油氣最富集的地區(qū)之一[1-3]。作為油氣生成和儲集的重要場所，前人對東營凹陷中央隆起帶進行了諸多油氣方面的研究，如斷裂構(gòu)造、油氣運移、圈閉模式，油藏類型等[4-7]。但對中央隆起帶不同區(qū)域的差異隆升過程及構(gòu)造形態(tài)缺少對比研究，成因機制的爭議也較大[8-11]。中央隆起帶差異隆升過程的精細對比研究可為中央隆起帶成因機制研究提供更詳細充分的基礎(chǔ)依據(jù)；可以為該地區(qū)油氣的生成、聚集、圈閉類型、油氣成藏模式的研究提供更具借鑒意義的資料依據(jù)；并對下一步油氣勘探靶區(qū)的圈定、精細化找油、勘查技術(shù)的應(yīng)用提供指導(dǎo)依據(jù)。另外，中央隆起帶的演化是郯廬斷裂、蘭聊斷裂及魯西隆起等大型構(gòu)造活動及巖石圈深部過程的淺部響應(yīng)[12-15]。開展其組成結(jié)構(gòu)、差異隆升過程及機制的深入研究，能夠從幾何學、運動學和動力學等方面為探討郯廬斷裂等大型構(gòu)造活動及巖石圈深部動力學過程提供直接和有說服力的證據(jù)[15-16]。

平衡剖面是通過分析區(qū)域構(gòu)造背景，遵循物質(zhì)守恒定律，將剖面上的變形構(gòu)造通過幾何學、運動學原理恢復(fù)成原始沉積地層狀態(tài)的一種剖面分析技術(shù)[17-19]。由于能夠比較真實地再現(xiàn)不同地質(zhì)歷史時期盆地的構(gòu)造形態(tài)及演化過程，為深入分析構(gòu)造演化機制及油氣勘探提供依據(jù)，因而得到越來越廣泛地應(yīng)用[20]。自20世紀60年代末系統(tǒng)提出平衡剖面的概念以來[17]，經(jīng)過眾多研究人員的探索發(fā)展，這一方法逐漸被應(yīng)用到地震地質(zhì)解釋[21]、逆沖推覆[22]、伸展構(gòu)造[23]、反轉(zhuǎn)構(gòu)造[24,25]的研究中并成為恢復(fù)盆地構(gòu)造的核心基礎(chǔ)環(huán)節(jié)[26]。90年代后，平衡剖面技術(shù)在我國地質(zhì)行業(yè)的應(yīng)用日漸增多，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)主要含油氣盆地的研究中并取得可喜進展[27]。該文從平衡剖面的原理與方法入手，通過平衡剖面的繪制，復(fù)原不同地質(zhì)歷史時期東營凹陷中央隆起帶各個組成部分的真實面貌，進而對其隆升過程、隆升差異進行對比分析，重塑了東營凹陷中央隆起帶的構(gòu)造形態(tài)及演化過程。通過平衡剖面的分析可以直觀的觀察到中央隆起帶不同區(qū)域的形態(tài)差異及隆升過程差異，這將為該地區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)及油氣地質(zhì)的研究提供更具價值的依據(jù)，同時為渤海灣新生代盆地內(nèi)大型構(gòu)造的發(fā)育規(guī)律及主要特點研究提供更有利的證據(jù)[28]。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

東營凹陷位于渤海灣盆地南部，是濟陽坳陷一個重要的次級構(gòu)造單元[2],為古近紀時期受北部的陳南斷層控制的箕狀斷陷盆地[29]。凹陷內(nèi)發(fā)育有民豐、牛莊、利津和博興四個次級洼陷及純化-樂安隆起帶、中央隆起帶、北部陡坡帶、南部斜坡帶[3](圖1)。

中央隆起帶位于東營凹陷中東部，為近EW走向的背斜構(gòu)造帶[9-10]，東西長60km，最寬處達12km，面積約600km2。四周被民豐、利津和牛莊洼陷包圍，是東營凹陷主要的油氣富集區(qū)。構(gòu)造帶走向與東營凹陷軸向平行，地層傾角北陡南緩，為不對稱的隆起帶[8]；中央隆起帶斷裂復(fù)雜，不僅受南、北兩側(cè)斷層的控制，也受隆起帶上發(fā)育的一系列近EW向斷層的影響，是一個被斷裂復(fù)雜化的背斜帶[10,11]。中央隆起帶大致以623號測線為界可分為構(gòu)造特征明顯不同的東西兩段(圖1)；東段主要由長軸狀的辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶組成，西段又可分為兩支，北支為東營-郝家構(gòu)造帶、南支為梁家樓-現(xiàn)河構(gòu)造帶[8,10]。

1—分布范圍；2—主要斷層；3—超覆帶；4—剝蝕帶；5—城市；6—剖面(a)—研究區(qū)大地構(gòu)造位置圖；(b)—東營凹陷斷裂構(gòu)造平面分布簡圖圖1 東營凹陷斷裂構(gòu)造平面分布簡圖

2 平衡剖面構(gòu)造演化分析

剖面平衡的方法有很多，歸納起來主要有2種，即正演法和反演法[20,31]。所謂正演模擬是指由原始未變形剖面一步步向變形后的剖面模擬的過程。模擬過程中，每一個剖面都滿足平衡剖面的約束條件，即每一模擬變形過程得到的剖面都是平衡剖面[19,24]。反演模擬是指由實際形變剖面開始，根據(jù)平衡原則，按照構(gòu)造形成順序?qū)⑵浠謴?fù)至原始的未變形剖面的過程[25]。在恢復(fù)過程中，必須對每一時期的剖面檢驗其合理性和可接受性，以提高剖面的真實性[19,20-27]。無論是哪一種模擬方法，平衡剖面技術(shù)都必須遵守物質(zhì)守恒定律，即被平衡巖層變形前后體積保持恒定，只是形態(tài)發(fā)生改變[32-34]。為便于實際應(yīng)用，推導(dǎo)出面積(體積)守恒、層長守恒、位移量守恒、縮短量一致等一系列平衡剖面恢復(fù)的幾何法則，以此可制約剖面解釋的隨意性[20,33-34]。為對比分析中央隆起帶構(gòu)造演化差異，該文選取穿過中央隆起帶并能反映其構(gòu)造演化特征的4條剖面：607.5,616,625,638.6(圖1)，運用2D-Move軟件進行剖面復(fù)原，對比分析中央隆起帶的演化特征。

1—斷層；2—地層界線；3—寒武-奧陶紀地層；4—石炭-二疊紀地層；5—侏羅-白堊紀地層；6—孔店組-沙四段地層；7—沙三-沙二段地層；8—沙一-東營組地層；9—館陶組地層；10—明化鎮(zhèn)-更新世地層圖2 東營凹陷607.5測線平衡剖面圖

圖2顯示，東營凹陷具有明顯的北斷南超的性質(zhì)。孔店-沙四組沉積期，陡坡帶洼陷區(qū)域沉積地層厚度明顯大于緩坡帶地層沉積厚度，盆地的沉積中心位于控盆斷層所在的北部陡坡區(qū)域。盆地陡坡區(qū)域基本沒有形成新的斷層。沙三-沙二期，地層沉積厚度依然是陡坡帶洼陷區(qū)域沉積地層厚度大于緩坡帶地層沉積厚度，但相對于孔店-沙四期厚度較均衡，沉積中心位于靠近斷層的洼陷區(qū)域。先期形成的斷層繼續(xù)活動，緩坡帶的斷層繼續(xù)發(fā)育，同時伴生一系列新生斷層。陡坡帶形成具生長斷層性質(zhì)的同向派生斷層。凹陷中央開始發(fā)育一系列反向調(diào)節(jié)斷層，形成中央隆起帶的雛形。陡坡帶與中央隆起帶的斷層均切穿沙二段地層，說明沙三期是陡坡帶與中央隆起帶同生斷層的主要發(fā)育期；沙二階段陡坡帶與中央隆起帶的斷層活動并不強烈。這一階段的伸展量為2.1km，伸展率為4%。沙一至東營組沉積期，拉張作用增強，伸展量為5km，伸展率為9%。沉積中心由靠近陡坡帶的位置向盆地中心遷移，凹陷內(nèi)沉積厚度較為均一。中央隆起地帶斷層依舊保持生長斷層的性質(zhì)持續(xù)活動且數(shù)量略有增加，凹陷內(nèi)的主要斷裂基本形成。東營組末期，斷裂活動強度減弱。館陶組及以后的沉積期，東營凹陷進入整體坳陷期，控盆斷裂活動強度逐漸減弱，尤其是在館陶組沉積期以后，沉積活動基本不再受斷層控制；館陶組沉積階段，中央隆起帶斷裂數(shù)量略有增加，但均為小型次生斷裂；緩坡帶斷層數(shù)量也略有增加。這一階段的伸展量為2km，伸展率為3.3%。

1—斷層；2—地層界線；3—寒武-奧陶紀地層；4—石炭-二疊紀地層；5—侏羅-白堊紀地層；6—孔店組-沙四段地層；7—沙三-沙二段地層；8—沙一-東營組地層；9—館陶組地層；10—明化鎮(zhèn)-更新世地層圖3 東營凹陷616測線平衡剖面圖

圖3顯示，孔店-沙四階段，地層厚度由北向南逐漸減薄，變化明顯。沉積中心受控于凹陷北部的控盆斷裂。沙三-沙二期，拉張作用強烈，伸展量為6.3km，伸展率為12.3%。伴隨東營凹陷的拉張，陡坡帶派生數(shù)條同向斷層，凹陷中央發(fā)育了反向斷層。中央反向斷層多數(shù)未切穿沙二地層，因此，沙三階段末中央隆起帶雛形已經(jīng)顯現(xiàn)，沙二沉積期主干斷裂基本形成，形態(tài)基本確定。沙三-沙二期，沉積活動依然受邊界斷層控制，靠近主干斷裂沉積地層厚度大，向緩坡帶地層厚度逐漸減小。沙一至東營組沉積期，伸展量為0.2km，伸展率為0.3%。沙一階段，先前形成的斷層繼續(xù)活動，表現(xiàn)出同生斷層的性質(zhì)，中央斷裂帶進一步復(fù)雜化，緩坡帶斷層數(shù)量有所增加。東營組末期，斷裂活動性減弱。沙一至東營期，沉積中心位于凹陷中心，中央隆起帶周圍地層厚度較大，向凹陷周邊遞減。新近紀，東營凹陷進入坳陷期，斷裂活動強度持續(xù)減弱。館陶組時期，中央隆起帶斷層稍有增加，至明化鎮(zhèn)時期，中央隆起帶發(fā)育為現(xiàn)今狀態(tài)。自館陶組開始，沉積活動基本不再受斷層活動的控制，沉積厚度在全區(qū)內(nèi)比較均勻。這一階段伸展量為2km，伸展率為3.3%。

1—斷層；2—地層界線；3—寒武-奧陶紀地層；4—石炭-二疊紀地層；5—侏羅-白堊紀地層；6—孔店組-沙四段地層；7—沙三-沙二段地層；8—沙一-東營組地層；9—館陶組地層；10—明化鎮(zhèn)-更新世地層圖4 東營凹陷625測線平衡剖面圖

圖4顯示，孔店-沙四期，盆地主要受控于凹陷北部的邊界斷層，靠近主干斷層地層沉積厚度大，向緩坡帶地層厚度逐漸減小。沙三-沙二沉積期，盆地陡坡帶派生出同向斷層，中央隆起帶和南部緩坡帶開始形成少量同向斷層和一些反向斷層，對盆地拉張起調(diào)節(jié)作用。中央隆起帶的雛形基本形成。沉積活動主要受控于斷裂活動，靠近斷裂的洼陷區(qū)沉積地層厚度較大，向盆地周緣地帶厚度逐漸減小。這一時期的伸展量為3.7km，伸展率為7.7%。沙一至東營組沉積期，拉張強度減弱，這一階段的伸展量為0.5km，伸展率為0.8%。中央隆起帶和緩坡帶先前形成的斷層繼續(xù)活動，緩坡帶反向斷層的數(shù)量有所增加，并產(chǎn)生數(shù)條同向斷層。此時，中央隆起帶主干斷裂基本形成，大體格局基本顯現(xiàn)。自新近紀開始，東營凹陷的斷裂活動強度逐漸減弱，盆地整體坳陷。伸展量為0.4km，伸展率為0.7%。館陶組沉積期，斷裂繼續(xù)形成，使中央斷裂及南部緩坡帶斷裂更加復(fù)雜化。沉積作用不再受斷裂的控制，沉積地層均勻分布。館陶組末期，中央隆起帶發(fā)展為現(xiàn)今的狀態(tài)。

圖5顯示，孔店-沙四期，沉積作用主要受控盆斷裂控制，地層以北部陡坡帶洼陷區(qū)最厚，向緩坡區(qū)遞減。沙三-沙二沉積期，緩坡帶先前形成的斷層繼續(xù)發(fā)育。在持續(xù)拉張作用下，凹陷陡坡帶派生出同向斷層。凹陷中央形成相向斷層，在沙二沉積期，中央隆起帶的雛形顯現(xiàn)。這一階段的拉張作用強烈，伸展量為8.8km，伸展率為20.1%。沉積中心受斷層控制，在洼陷帶厚度較大，向緩坡帶減薄。沉積作用受斷層控制，靠近斷裂的洼陷區(qū)域地層厚度較大，向緩坡帶地層厚度逐漸減小。沙一至東營組沉積期，拉張作用減弱，伸展量為0.9km，伸展率為1.7%。之前形成的斷層繼續(xù)活動。陡坡帶繼續(xù)產(chǎn)生派生斷層，并出現(xiàn)反向調(diào)節(jié)斷層。中央隆起帶形成數(shù)條新斷層，形成地塹格局。中央隆起帶構(gòu)造格局大體已定。在緩坡帶發(fā)育數(shù)條同向斷層及一條反向斷層。沉積中心位于凹陷中部洼陷帶，向周緣地區(qū)地層厚度遞減。在新近紀始，東營凹陷整體坳陷，斷裂活動逐步減弱。這一時期的伸展量為0.8km，伸展率為1.5%。館陶組時期，陡坡帶及緩坡帶均有新的斷層產(chǎn)生。中央隆起帶只是規(guī)模的擴大，并未產(chǎn)生新的斷層。館陶組及其以后沉積階段，沉積作用不再受斷層控制。明化鎮(zhèn)沉積階段初期，中央隆起帶發(fā)展為現(xiàn)今的狀態(tài)。

3 中央隆起帶差異構(gòu)造演化過程

中央隆起帶東段主體為辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶，總體表現(xiàn)為EW向不對稱長軸斷裂背斜[10]，構(gòu)造范圍約50km2。辛鎮(zhèn)構(gòu)造可分為上下兩套系統(tǒng)，深部為由沙四和孔店組構(gòu)成發(fā)育較完整的背斜形隆起(圖5)，形成時間大約在孔店組至沙三沉積階段初期；上部發(fā)育落差極大的辛北斷層[10]。辛北斷層上陡下緩傾向S，控制了一組平行軸向密集發(fā)育的復(fù)雜小型地塹式斷裂，這套斷裂從沙三時開始發(fā)育，并且從兩側(cè)向中央?yún)^(qū)域斷層發(fā)育時代逐漸變新[10，36]。

中央隆起帶西段發(fā)育NE向短軸背斜或穹窿，從梁家樓到現(xiàn)河發(fā)育一系列由EW向漸變?yōu)镹EE或NE左階斜列式斷裂系，斷層主體向北傾，且向北級級斷落[9]。主斷裂上部較陡下部變緩，切割到沙四塑性層中消失[8-9]。

綜合各類地質(zhì)資料及該文所做研究，中央隆起帶東段構(gòu)造發(fā)育可分為雛形、定型和壯大3個階段。

雛形階段：由孔店和沙四沉積地層組成的背斜形隆起在沙三初期時已經(jīng)形成。自沙三沉積末期以來，東營凹陷北部主控斷裂陳南斷層活動性逐漸減弱，其上盤發(fā)育的辛北斷層逐漸控制了辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶的沉積。從沙三中開始辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶的斷裂活動強度逐漸加強，生長指數(shù)較大，至沙二沉積期達到其第一次活動高峰[30,36]，沙二沉積階段末主斷裂都已形成，中央隆起帶構(gòu)造雛形基本顯現(xiàn)。

定型階段：沙一組沉積時期，辛北斷層繼續(xù)活動，斷層數(shù)量進一步增加。至東營組時，隨著上覆沉積物增多，斷層數(shù)量增加，斷距不斷增大，構(gòu)造幅度也逐步增大，地塹式斷裂大體形成，中央隆起帶構(gòu)造格局基本定型。

壯大階段：館陶組沉積期辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶主干斷裂生長指數(shù)仍然較大[37]，辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶斷裂繼續(xù)產(chǎn)生，且在核部由于塑性物質(zhì)上拱[9]，使斷裂體系不僅幅度增加而且更加復(fù)雜化。這種作用在625測線表現(xiàn)明顯，在638.6測線主干斷裂活動只是使斷層的幅度進一步增大。到明化鎮(zhèn)組沉積期，地塹式斷裂完成，構(gòu)造形態(tài)發(fā)展到現(xiàn)今狀態(tài)。

中央隆起帶西段亦可分為雛形、定型和壯大3個階段。

雛形階段：梁家樓-現(xiàn)河一帶發(fā)育有復(fù)雜褶皺斷裂系，在斷裂的上盤發(fā)育有斜列式展布的短軸狀滾動背斜，該斷裂系統(tǒng)的發(fā)育時間為沙四至館陶組沉積期。沙三沉積期中央斷裂系活動強度加強，主干斷裂相繼產(chǎn)生，中央隆起帶西段構(gòu)造雛形基本顯現(xiàn)。

定型階段：沙二沉積時期主干斷層斷距明顯增加，構(gòu)造幅度也明顯增大，出現(xiàn)明顯背斜，此時中央隆起帶西段構(gòu)造形態(tài)基本定型。

壯大階段：沙一至東營末期時期，梁家樓-現(xiàn)河一帶斷裂系統(tǒng)繼續(xù)活動，構(gòu)造形態(tài)進一步擴大，同時由于塑性物質(zhì)的上拱作用，導(dǎo)致構(gòu)造形態(tài)及斷裂進一步復(fù)雜化。從東營組沉積階段末開始，構(gòu)造活動減弱，西段的構(gòu)造形態(tài)沒有發(fā)生大的變化，到明化鎮(zhèn)沉積期，發(fā)展為如今構(gòu)造形態(tài)。

東西兩段比較而言，斷裂活動開始時間相差無幾，但中央隆起帶西段在沙三末期構(gòu)造雛形已基本顯現(xiàn)，東段則是在沙二期顯現(xiàn)雛形。中央隆起帶西段在沙二沉積期構(gòu)造形態(tài)基本確定，辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶一直到東營組末構(gòu)造格局才基本定型。兩者都是在明化鎮(zhèn)沉積期發(fā)育成現(xiàn)今構(gòu)造格局。

4 結(jié)論

通過平衡剖面的系統(tǒng)分析，主要得到以下結(jié)論和認識：

(1)中央隆起帶東段主體為辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶，總體表現(xiàn)為EW向不對稱長軸斷裂背斜；辛鎮(zhèn)構(gòu)造可分為上下兩套系統(tǒng)，深部為由沙四和孔店組構(gòu)成發(fā)育較完整的背斜形隆起；上部發(fā)育落差極大的辛北斷層，斷層上陡下緩傾向向南，控制了一組平行軸向密集發(fā)育的復(fù)雜小型地塹式斷裂。

(2)中央隆起帶西段發(fā)育NE向短軸背斜或穹窿，從梁家樓到現(xiàn)河發(fā)育一系列由EW向漸變?yōu)镹EE或NE左階斜列式斷裂系，斷層主體向北傾，且向北級級斷落。主斷裂上部較陡下部變緩，切割到沙四段中消失。

(3)中央隆起帶東段辛鎮(zhèn)構(gòu)造帶斷裂活動從沙三開始，沙二沉積期形成構(gòu)造雛形；東營組沉積期，構(gòu)造格局基本定型；到明化鎮(zhèn)組沉積期，構(gòu)造形態(tài)發(fā)展為現(xiàn)今狀態(tài)。中央隆起帶西段梁家樓-現(xiàn)河一帶的褶皺斷裂系自沙三沉積期開始發(fā)育，沙三末期構(gòu)造雛形基本顯現(xiàn)；沙二沉積階段構(gòu)造形態(tài)基本定型；到明化鎮(zhèn)組沉積階段，發(fā)展為現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)。