渤海灣盆地南部走滑構(gòu)造帶發(fā)育特征及其控油氣作用

周心懷,張新濤,牛成民,劉 豪,黃江波

[1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司,天津 300452; 2.中國地質(zhì)大學(北京) 海洋學院,北京 100083]

郯廬斷裂帶是位于中國東部地區(qū)的一條巨型線性構(gòu)造帶,也是切割巖石圈深大斷裂,沿NE向延伸約2 400 km,自南向北切過華南板塊、大別-蘇魯造山帶、華北克拉通和興蒙造山帶等4個一級大地構(gòu)造單元[1-2]。郯廬斷裂帶沿線發(fā)育松遼盆地、渤海灣盆地等多個含油氣盆地,并對盆地的形成演化和油氣聚集成藏等產(chǎn)生了重要影響[3-8]。近年來,渤海灣盆地郯廬斷裂帶與油氣聚集成藏的密切關(guān)系被勘探實踐不斷證實,先后提出了許多創(chuàng)新性認識,如“晚期成藏理論”、“近源晚期優(yōu)勢成藏”[9-12]。渤海南部海域黃河口凹陷中央構(gòu)造帶、萊西構(gòu)造帶的油氣分布與走滑構(gòu)造帶的發(fā)育密切相關(guān),如渤中28-2S、渤中34-1及墾利9-1大中型油田都是分布在走滑斷層疊覆區(qū)的走滑構(gòu)造帶內(nèi),但對走滑構(gòu)造帶的發(fā)育特征、成因機制及其控油氣作用的研究尚顯薄弱。本文主要在高分辨率三維地震資料精細解釋基礎(chǔ)上,對渤海南部海域走滑構(gòu)造帶進行精細解剖,明確其幾何特征,探討走滑構(gòu)造帶成因機制及其對油氣聚集成藏的影響作用,以指導渤海走滑構(gòu)造帶內(nèi)的油氣勘探。

1 地質(zhì)背景

黃河口凹陷位于渤海灣盆地濟陽坳陷的東北部,北側(cè)為渤南低凸起,南側(cè)為墾東凸起和萊北低凸起,東側(cè)為廟西凹陷,西鄰沾化凹陷,面積約3 300 km2(圖1)。郯廬斷裂帶穿過黃河口凹陷中央構(gòu)造帶,向南分割墾東凸起和萊北低凸起,向北穿過渤南低凸起后進入渤中凹陷。黃河口凹陷古構(gòu)造面貌表現(xiàn)為西深東淺、北陡南緩、凹中有隆,總體上為北斷南超的箕狀凹陷。新生代構(gòu)造運動經(jīng)歷了古近紀的裂陷期和新近紀的裂后拗陷期。裂陷期進一步可劃分為初始斷陷、擴張斷陷、穩(wěn)定發(fā)展、衰減4個階段[13]。裂后拗陷期構(gòu)造穩(wěn)定,沉降緩慢,地形平緩,淺水湖泊水域范圍大。黃河口凹陷發(fā)育沙河街組、東營組、館陶組、明化鎮(zhèn)組及平原組,其中沙河街組三段(沙三段)、沙一段、沙二段和東營組三段(東三段)等主力烴源巖[11,14]?？v向上發(fā)育兩套儲蓋組合,分別為古近紀沙河街組、東營組辮狀河三角洲、灘壩砂體與濱淺湖泥巖儲蓋組合,新近系淺水三角洲砂體與淺水湖泊泥巖儲蓋組合。新近紀以來,黃河口凹陷主力源巖生烴高峰期與新構(gòu)造運動同步進行,是淺層油氣大發(fā)現(xiàn)的重要原因。目前,黃河口凹陷已成為渤海海域重要的油氣勘探開發(fā)與生產(chǎn)基地之一。黃河口凹陷中央構(gòu)造帶相繼發(fā)現(xiàn)了渤中34-2/4、渤中28-2S及渤中34-1油田,以及南部緩坡帶的墾利3-2油田和墾東凸起傾沒端的墾利9-1等大中型油田,總探明儲量超過2×108t。

2 走滑構(gòu)造帶特征及成因

2.1 走滑斷層識別標志

Harding[15]最早提出了走滑斷層的識別標志。Sylverster[16]根據(jù)走滑斷層構(gòu)造位置及卷入深度,對走滑斷層進行了詳細分類。國內(nèi)學者也總結(jié)走滑斷層的相關(guān)特征,包括斷面陡立而狹窄,沿走向斷面傾向多變,常無顯著的垂直升降,不同力學性質(zhì)的構(gòu)造在同一條斷層共存,形成復雜的“花狀構(gòu)造”等[17]。本文主要在三維地震資料精細解釋基礎(chǔ)上,利用三維可視化、方差切片等技術(shù),對研究區(qū)內(nèi)的走滑斷層進行精細識別。

圖1 黃河口凹陷位置及構(gòu)造綱要圖Fig.1 Location and the tectonic outline map of the Huanghekou Sag

在1 200 ms方差切片上,兩條主干走滑斷層呈NNE向線性延伸(圖2)。東支走滑斷層特征清晰,從凸起區(qū)穿過凹陷區(qū),一直延伸至渤中凹陷;西支走滑斷層在凸起區(qū)明顯,在凹陷區(qū)呈斷續(xù)特征。與東支走滑斷裂相伴生的調(diào)節(jié)斷層規(guī)模較大、數(shù)量多,近EW向雁列式分布;與西支走滑斷裂相伴生的調(diào)節(jié)斷層規(guī)模較小、數(shù)量少,主干走滑斷層和調(diào)節(jié)斷層在平面上共同組成“云梯式”斷裂分布特征。在三維可視化圖上,走滑構(gòu)造帶內(nèi)兩條NNE向主干走滑斷層清晰可見,分割了墾東凸起與萊北低凸起,向北穿過渤南低凸起(圖3)。

圖2 渤海灣盆地南部斷裂結(jié)構(gòu)特征a.未解釋;b.解釋Fig.2 Fault structure characteristics of the southern Bohai Bay Basin

圖3 渤海灣盆地南部走滑構(gòu)造帶三維可視化特征Fig.3 3D visualization characteristics of the strike-slip structural zone in the southern Bohai Bay Basina.中生界基底左旋走滑階段;b.古近紀伸展-走滑階段;c.新近紀強右旋走滑階段

在地震剖面上,主走滑斷層兩側(cè)的同向軸是連續(xù)的,表明走滑斷層并沒有明顯的垂向位移。但在不同構(gòu)造部位,走滑斷層活動性存在差異性,整體表現(xiàn)為東強西弱,凸起強、凹陷弱特征。在墾東凸起區(qū),中生界中發(fā)育一系列直立“柵欄式”走滑斷層,絕大部分向上中止于新生界底界(圖4)。在這些早期左旋走滑斷層中,僅有東、西兩側(cè)的主走滑斷層受到了新構(gòu)造活動的影響,一直持續(xù)活動至今。在黃河口凹陷區(qū),走滑斷層南北活動差異較大。在南部緩坡帶,主干走滑斷層活動性東強西弱,古近紀走滑斷層發(fā)育、呈直立狀,淺層發(fā)育花狀構(gòu)造;中部凹陷區(qū),走滑斷層活動性弱、地震剖面上未見明顯地層錯動現(xiàn)象,方差切片上走滑特征不清楚,但東支走滑斷層所在部位發(fā)育一系列調(diào)節(jié)斷層,調(diào)節(jié)斷層成對出現(xiàn),走向一致、傾向相反,兩條調(diào)節(jié)斷層交匯部位為深層走滑發(fā)育帶(圖3);北部陡坡區(qū),走滑斷層活動性增強,尤其是西支走滑斷層,逐步演化成兩條走滑斷層。

2.2 走滑構(gòu)造帶演化

走滑斷裂體系具有雙重力學性質(zhì),走滑-擠壓、走滑-伸展分別對應(yīng)壓扭性正花狀構(gòu)造和張扭性負花狀構(gòu)造,在走滑斷層兩端則易形成馬尾狀拉張或擠壓構(gòu)造。在走滑應(yīng)力場的影響下,受限制作用、釋放作用環(huán)境形成的斷層間的連接關(guān)系以及走滑雙重構(gòu)造具有不同的特點。渤海黃河口-萊西走滑構(gòu)造帶可以認為是基底走滑斷裂影響和晚期應(yīng)力方向改變疊加的結(jié)果。本文通過分析不同時期、不同構(gòu)造帶地質(zhì)特征,并結(jié)合方差切片和地震剖面解釋結(jié)果,建立了渤海黃河口-萊西走滑構(gòu)造帶演化模式,將其演化過程劃分為3個階段(圖5)。

第一階段為中生界基底左旋走滑階段(圖5a)。由于中生界較厚(一般大于1 000 m),潛山內(nèi)幕地層地震反射特征清晰,NNE向走滑斷層呈“柵欄式”分布,并終止于新生界底界(圖4)。該階段走滑斷層左旋走滑活動發(fā)生于古近紀之前,與前人對郯廬走滑斷裂帶早期活動的認識相同[18]。另外,該時期只有NNE向主走滑斷層比較發(fā)育,調(diào)節(jié)斷層很少。

第二階段為古近紀伸展-走滑階段(圖5b)。漸新世時,郯廬斷裂帶等NNE向深斷裂受日本海擴張派生的NE-SW向擠壓影響而發(fā)生右旋走滑位移,使渤海灣盆地表現(xiàn)出主壓應(yīng)力軸為NE-SW或NEE-SWW向的復雜區(qū)域應(yīng)力場特征[19],局部地區(qū)形成了較明顯的走滑構(gòu)造形跡,如青東凹陷、萊州灣凹陷和遼西凹陷[6,20]。位于墾東凸起東側(cè)的郯廬斷裂帶內(nèi)發(fā)育兩條NNE向走滑斷層,其中東支走滑斷層清晰,伴生斷層少,并都收斂到主走滑斷層上,是主走滑斷層向上延伸后斷面扭動的結(jié)果。

圖4 渤海灣盆地南部中生界走滑斷裂識別標志(測線位置見圖1)Fig.4 Identification marks of the Mesozoic strike-slip faults in the southern Bohai Bay Basin(see Fig.1 for the line location)a.測線a;b.測線b;c.測線c;d.測線d

圖5 渤海灣盆地南部走滑構(gòu)造帶演化模式Fig.5 Evolution pattern of the strike-slip structural zone in the southern Bohai Bay Basina.中生界基底左旋走滑階段;b.古近紀伸展—走滑階段；c.新近紀強右旋走滑階段

第三階段為新近紀強烈右旋走滑階段(圖5c)。新近紀時,渤海灣盆地在前期裂陷基礎(chǔ)上進入拗陷演化階段,斷裂活動和褶皺作用都較弱。但隨著太平洋板塊與歐亞板塊發(fā)生強烈碰撞作用,郯廬斷裂帶發(fā)生右旋走滑活動,形成了渤海右旋走滑斷裂體系。在方差切片上,兩條NNE向主干走滑斷層清晰可見,而且由于淺層近EW 向斷層都依附于主走滑斷層分布,形成“云梯式”斷裂體系(圖3),可以確定晚期淺層斷層的形成與走滑斷層形成的區(qū)域破碎帶有直接關(guān)系,是區(qū)域上南北伸展應(yīng)力作用和右旋走滑剪切作用的綜合反映。晚期右旋走滑斷層與渤海新構(gòu)造運動是同步的,控制了渤海海域新近系的油氣勘探發(fā)現(xiàn)[10]。

3 走滑構(gòu)造帶控油氣作用

3.1 控制圈閉形成和分布

在凸起區(qū),受早期“柵欄式”走滑斷裂與近EW向張性、張扭性伸展斷裂雙重影響,主要發(fā)育地層圈閉及斷塊圈閉。新近紀,走滑斷裂右旋走滑分量增大,斷層傾角由陡變緩,斷距由小變大,形成大型披覆背斜構(gòu)造。緩坡帶部位的走滑斷裂與盆緣斷層組合,易形成墻角斷塊圈閉。在洼陷區(qū),沿NNE向基底走滑斷層上覆的館陶組和明化鎮(zhèn)組中發(fā)育大量斜列的近EW調(diào)節(jié)正斷層,形成“X”型、“包心菜式”和“Y”型等一系列組合樣式,易形成斷塊和斷鼻圈閉[21-24]。但不同地區(qū)受走滑斷層活動差異性影響,圈閉類型差異較大。在黃河口凹陷南緣,斷層發(fā)育較少,深層僅僅發(fā)育與主走滑斷層相伴生的小型斷塊、斷鼻圈閉,淺層圈閉不發(fā)育,如渤中34-5構(gòu)造區(qū)。而北部走滑斷層活動性強,深、淺層均發(fā)育一系列大型斷塊、斷鼻和斷背斜圈閉,如渤中34-1、渤中34-2/4構(gòu)造區(qū)(圖6)。

3.2 控制中、深層沉積體系分布

走滑構(gòu)造帶控制沉積體系從凸起物源區(qū)和盆緣到盆內(nèi)的沉積、搬運過程(圖7)。在墾東凸起區(qū),早期發(fā)育“柵欄式”走滑斷層,形成了“溝壑相間”古地貌背景,為墾東凸起區(qū)沉積物源提供了良好的輸砂通道。在盆地邊緣,NNE向走滑斷層與近NW向控邊斷層構(gòu)成走滑-坡折體系,控制了墾東凸起大型辮狀河三角洲沉積體系入湖方向和沉積厚度。在盆內(nèi),受兩條走滑斷裂影響,中央構(gòu)造帶發(fā)育水下古隆起。根據(jù)灘壩砂體成因機制[25-26],并結(jié)合灘砂成片、壩砂成帶的分布規(guī)律,認為來自于盆地南緣的辮狀河三角洲沉積體系在水下古隆起區(qū)發(fā)育大面積的灘壩砂。灘壩砂具有分布面積廣、單層厚度薄(一般為5～8 m)、油品性質(zhì)好、產(chǎn)能高等特征。鉆井已經(jīng)證實渤中34-2/4構(gòu)造區(qū)東營組廣泛發(fā)育灘壩砂體。

3.3 控制油氣運移方向和聚集層位

受走滑應(yīng)力場變化及斷層組合樣式、活動強度和時間等因素的影響,走滑構(gòu)造帶內(nèi)的油氣分布存在差異性。走滑應(yīng)力場變化控制了油氣的宏觀分布,走滑擠壓區(qū)的油氣主要賦存在深層,而走滑伸展區(qū)的油氣可以通過調(diào)節(jié)斷層向淺層運移。斷層組合樣式則控制了油氣優(yōu)勢的運移方向,如“X”型、“包心菜”型、“Y”型斷層組合等都對油氣運移起到了重要的控制作用[21]。斷層活動強度控制了油氣時空分布,但斷層活動性強、斷距大的地區(qū),油氣充注能力強、豐度高,反之油氣充注能力弱、豐度低。斷層活動時間與儲蓋組合共同控制了油氣聚集層位,一方面新構(gòu)造運動形成大量晚期調(diào)節(jié)斷層,在垂向上形成一系列運移通道,另一方面新近紀淺水三角洲砂體廣泛發(fā)育,且砂泥比配置合理,使其成藏條件更為優(yōu)越[11]。

圖6 黃河口凹陷走滑構(gòu)造帶內(nèi)沙河街組圈閉發(fā)育特征Fig.6 Distribution of traps in the Shahejie Formation within the strike-slip structural zone in the Huanghekou Sag

圖7 黃河口凹陷-萊西走滑構(gòu)造帶控砂模式Fig.7 Model showing controls of the Huanghekou Sag-Laixi strike-slip structural zone on the distribution of sandstones

3.4 油氣成藏模式

通過對黃河口凹陷走滑構(gòu)造內(nèi)沙河街組-明化鎮(zhèn)組油氣成藏組合的特點、分布層系及其成藏主控因素進行分析,并結(jié)合不同構(gòu)造帶的油氣富集特征,建立了黃河口凹陷4類油氣成藏模式(圖8)。

陡坡帶“中轉(zhuǎn)站”成藏模式,該模式強調(diào)斷層下降盤砂體的作用。從烴源巖中初次運移來的油氣在砂體內(nèi)聚集,就如一個油氣運移臨時聚集“中轉(zhuǎn)站”。隨著晚期斷裂的持續(xù)活動,斷層溝通了深層“中轉(zhuǎn)站”油氣向淺層運移,形成復式成藏模式。渤中25-1-5井證實在運移斷層附近,沙三段發(fā)育巨厚的砂體(40～260 m),沙三段砂體起到了吸收烴源巖中生成的分散油氣后運移到明化鎮(zhèn)組的“中轉(zhuǎn)站”作用。

中央構(gòu)造帶“網(wǎng)毯式”成藏模式,該模式指出油氣在“輸導網(wǎng)”運移過程中,向館陶組厚層塊狀砂礫巖又稱為“倉儲層”中橫向輸導,而切穿“倉儲層”中次級斷裂網(wǎng)可以將油氣垂向輸導進入上部的油氣聚集帶,在有圈閉條件的部位形成次生油氣藏。渤中34-B、渤中34-C區(qū)為黃河口-萊西走滑構(gòu)造帶夾持隆起區(qū),近年來,拓展構(gòu)造背景下巖性油氣藏勘探領(lǐng)域,新發(fā)現(xiàn)了渤中34-A西,渤中34-B兩個商業(yè)性油田和一批含油氣構(gòu)造。尤其是渤中34-A油田的1井區(qū),由于缺乏深切沙河街組的油源斷層,但切穿館陶組的斷層可以作為次級油源斷層,連通館陶組砂礫巖作“網(wǎng)毯式”橫向油氣輸導,在淺層明下段聚集成藏。

緩坡帶“復合式”成藏模式是指油氣淺層的油氣運移受中深層層“中轉(zhuǎn)站”與館陶組“網(wǎng)毯式”輸導體系雙重因素的控制。墾利3-A構(gòu)造位于黃河口凹陷南緣緩坡帶邊界斷層下降盤,為依附邊界斷層形成斷鼻型圈閉,是油氣長期匯聚指向區(qū)。墾利3-2-A井鉆后證實明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組及沙河街組均發(fā)現(xiàn)良好的油氣顯示。

圖8 黃河口凹陷—萊西走滑構(gòu)造帶油氣差異成藏模式(剖面位置見圖1)Fig.8 Differential hydrocarbon accumulation pattern in the Huanghekou Sag-Laixi strike-slip structural zone(see Fig.1 for the profile location)

凸起帶“階梯式”成藏模式。該模式是指由斷層和骨架砂巖組成的油氣輸導體系,由低勢區(qū)向高勢區(qū)連續(xù)運移,油氣沿著北部邊界斷層向上運移,沿著館陶組砂礫巖橫向輸導,遇到順向正斷層向上運移并成藏,并呈現(xiàn)由北向南“階梯式”側(cè)向和垂向運移,含油氣層位逐漸變淺特征。墾東凸起斜坡帶發(fā)現(xiàn)大型巖性—構(gòu)造圈閉,如墾利9-1、墾利9-5/6構(gòu)造,鉆探已經(jīng)獲得近億噸的儲量規(guī)模,展現(xiàn)了良好的勘探前景。

4 結(jié)論

1) 郯廬斷裂帶穿過渤海南部黃河口凹陷和萊西構(gòu)造帶,形成兩條NNE向主干走滑斷層,主干斷層與近EW向調(diào)節(jié)斷層構(gòu)成了復雜的走滑構(gòu)造帶。走滑構(gòu)造帶內(nèi)發(fā)育平面上“云梯式”和縱向上“柵欄式”兩種斷裂體系。走滑構(gòu)造帶形成演化經(jīng)歷了早期中生界左旋走滑階段、古近紀伸展-走滑階段和新近紀強烈右旋走滑階段等3個階段。

2) 黃河口-萊西走滑構(gòu)造帶控制了圈閉的形成分布、中深層沉積體系分布及油氣運移方向和聚集層位。走滑構(gòu)造帶內(nèi)發(fā)育“中轉(zhuǎn)站式” “網(wǎng)毯式”、“復合式”及“階梯式”等油氣成藏模式。不同構(gòu)造帶油氣成藏模式差異性決定了油氣富集層位,先后指導了中央構(gòu)造帶、凸起斜坡帶一系列大中型油氣的勘探發(fā)現(xiàn)。