渤海灣盆地沙壘田地區(qū)新近紀走滑斷裂發(fā)育特征及其對油氣富集的控制作用

張正濤,林暢松,李慧勇,黃 志,張國坤

[1. 中國地質大學(北京) 能源學院,北京 100083； 2. 中國地質大學(北京) 海洋學院,北京 100083；3.中海石油(中國)有限公司 天津分公司,天津 300452]

我國東部地區(qū)新生代盆地普遍發(fā)育走滑斷裂,對油氣富集規(guī)律具有較強的控制作用[1-4]。特別是郯廬斷裂帶兩側附近區(qū)域,走滑斷裂活動一方面控制了烴源巖的發(fā)育范圍、形成并改造了大量的構造及巖性-構造圈閉,另一方面影響并主導了絕大部分的油氣輸導體系[5-8],郯廬斷裂的晚期活動是影響渤海海域油氣分布規(guī)律、成藏機理的主控因素[9-10]。

沙壘田凸起區(qū)域新近系是渤海灣盆地渤海西部海域目前最重要的油氣產區(qū)及下步有利勘探區(qū)域之一[11],勘探實踐表明已發(fā)現的油氣田多與斷裂活動密切相關[12]。雖然近20年來該區(qū)域經過與國外石油公司多輪合作勘探,發(fā)現了C11-1和C12-1等億噸大油田,但由于多家礦權主體、三維地震資料有限,前期對沙壘田地區(qū)構造活動特別是新近系走滑斷裂對油氣富集的控制作用研究并不深入,制約了后續(xù)的勘探工作。在2010年之后隨著多家合作區(qū)塊勘探權的收回及近年來多塊三維地震資料的采集處理,目前基本實現了沙壘田區(qū)域三維地震資料的全覆蓋,這為精細研究新近系走滑斷裂發(fā)育特征及對油氣富集條件的制約作用提供了前提條件。近期雖有學者嘗試從沙壘田凸起構造演化史及典型走滑斷裂演化史方面探討走滑斷裂對油氣的控制作用[13-15],但在斷裂控藏作用方面仍有很多不足之處:一方面,沒有對研究區(qū)域內發(fā)育的走滑斷裂特征進行系統(tǒng)的梳理刻畫；另一方面,沒有對走滑斷裂的類型進行詳細劃分,進而探討每種不同類型走滑斷裂對圈閉、輸導體系等成藏要素的具體控制作用。本文主要利用連片高精度三維地震資料、鉆井巖心資料對新近紀走滑斷裂特征開展研究,并對不同類型走滑斷裂對圈閉、輸導體系及儲層的控制作用進行了探討,這對明確走滑斷裂控藏機理、深化渤西地區(qū)地質認識及指導后續(xù)油氣勘探具有重要意義。

1 區(qū)域地質概況

沙壘田凸起處于渤海海域西部地區(qū),面積約2 000 km2。構造位置屬于渤海灣盆地埕寧隆起東北部[12],為其內部一個三級正向構造單元。凸起四周為多個生烴凹陷環(huán)繞,北部為南堡凹陷,南部為沙南凹陷,西臨歧口凹陷,東接渤中凹陷(圖1)。沙壘田凸起基底主體為太古宇變質花崗巖,在凸起北部局部殘留發(fā)育古生界寒武系-奧陶系及中生界石炭系-二疊系灰?guī)r[16]。沙壘田地區(qū)新生代構造活動與渤海灣盆地具有一致性,具有多期次與多旋回的特征,古近紀為裂陷階段,新近系為裂后熱沉降拗陷期,明化鎮(zhèn)組上段至今為構造再活化期。研究區(qū)自古生代以來至古近紀沙河街組長期繼承抬升發(fā)育,形成了渤海海域潛山面積最大的凸起[17-18],古近紀晚期埋深加深并開始接受沉積,除凸起周邊及頂部低洼處發(fā)育東營組地層外,大部分地區(qū)為館陶組地層直接覆蓋在基底潛山之上。該區(qū)處于北東向黃驊-東明斷裂帶、北北東向郯廬斷裂西支和北西西向張家口-蓬萊斷裂帶夾持交匯處[19],斷裂活動非常發(fā)育,既有以張性伸展為主的邊界基底同沉積斷裂,也有蓋層雁列狀走滑斷裂[15,20]。沙壘田凸起古生代被北東向左旋走滑斷層切割,分成東凸起和西凸起,古構造地貌表現為東高西低的特征[16],新生代走滑斷裂活動主要集中在新近紀中新世至今。

圖1 渤海西部海域構造單元劃分(b)及研究區(qū)位置(a)Fig.1 Tectonic unit division of the western Bohai Sea waters(b) and location of the study area(a)

2 走滑斷裂類型及特征

沙壘田凸起內部及南北兩側新近系發(fā)育大量走滑斷裂,圖2a為在1 000 ms(相當于明化鎮(zhèn)組下段)方差切片基礎上解釋得到的斷裂平面展布特征圖,可見研究區(qū)發(fā)育大量成條帶狀展布的雁列狀走滑斷裂。沙壘田凸起之上發(fā)育6組近北西向展布的走滑斷裂F0—F5,沙壘田東部北側邊界及南側邊界分別發(fā)育北西向走滑斷裂F6和F7,其中F0—F5為右旋走滑斷裂,F6和F7為左旋走滑斷裂。由橫切F1—F5走滑斷裂的A—A′剖面(圖2b)可見凸起上走滑斷裂在剖面上表現為典型的負花狀(F1,F2)及似花狀(F3,F4,F5)構造。根據這些斷裂在平面上深部及淺部發(fā)育特征、剖面發(fā)育特征及是否發(fā)育主位移帶(PDZ)將該區(qū)走滑斷裂分為3類:斷穿基底走滑斷裂、蓋層走滑斷裂及伸展-走滑斷裂。

2.1 斷穿基底走滑斷裂

F1及F2斷裂帶均為斷穿基底走滑斷裂,以斷穿前古近系基底、深部發(fā)育主走滑斷裂為特征與蓋層走滑斷裂相區(qū)分。對F2斷裂帶發(fā)育特征進行了精細解剖,F2斷裂深部(雙程旅行時大于1 000 ms)表現為具有明顯的主走滑斷裂(圖3c1,d1),垂直斷裂走向的剖面上具有典型的負花狀構造,圖3e1為橫切F2走滑斷裂帶的B—B′剖面,表現為典型的“背型負花”狀構造,即由斷裂帶兩側向斷裂帶內部地層逐漸下掉,但地層形狀卻表現為背斜形態(tài)。自深部至淺層F2斷裂發(fā)育具有如下特征:深部表現為僅發(fā)育主走滑斷層,未見伴生斷裂發(fā)育,如圖3d1雙程旅行時1 500 ms深度方差切片所示,發(fā)育一條北東-南西向主斷層,在其上下兩側各發(fā)育一條分支斷層,均以約20°與主斷層斜交合并,通過與L1和L2剖面圖(圖3d2)對比可知該主斷裂對應于花狀構造的“花根”部位；上升至1 200 ms(圖3c1，c2),主斷層上側分支斷層消失,開始大量出現與主斷裂伴生的雁列狀斷層,據雁列斷層與主斷層的平面分布關系可知該走滑斷裂具有明顯的右旋走滑性質；至600 ms(圖3b1，b2),雁列狀斷裂發(fā)育密度及長度進一步加大,主干斷裂不連續(xù),分段發(fā)育；300 ms(圖3a1),主要表現為呈帶狀分布的雁列狀斷層,主斷層在南部已消失,僅在北部零星發(fā)育幾段,在垂直走滑方向剖面上表現為地塹與地壘構造(圖3a2)。

2.2 蓋層走滑斷裂

該類走滑斷裂以F0，F3，F4和F5斷裂帶為代表,均發(fā)育在沙壘田凸起內部,走向北東向,均為右旋走滑斷裂。發(fā)育層位主要在新近系館陶組和明化鎮(zhèn)組,上部延伸至第四系海底。蓋層走滑斷裂與斷穿基底走滑斷裂的差異性具體表現為:其自淺部至深層均無主走滑斷裂帶發(fā)育,在剖面上雖也表現為負花狀構造(圖3e2),但相比于斷穿基底走滑斷裂花狀構造的次級斷裂明顯減少。以F3—F5為例,斷裂明顯呈北東向條帶狀雁列展布,斷裂帶長度分別為18.1，21.2和23.2 km,兩條斷裂帶之間基本無斷裂發(fā)育(圖4a)。具體到各斷裂帶內部發(fā)育一系列東西向及北東東向小斷裂,這些小斷裂延伸長度絕大數在2.5～5.0 km,小斷裂間平均距離約為800 m。如此規(guī)整的蓋層走滑斷裂僅發(fā)育在沙壘田凸起之上,周邊凹陷并未見發(fā)育,其具體成因后續(xù)仍須進一步開展工作,但可推測與該區(qū)域前寒武系變質花崗巖剛性基底被新近系沉積蓋層覆蓋,所導致的兩套地層剛度及韌性的差異性密切相關,可能受控于新近紀以來北東向右行走滑應力場作用下,下部剛性基底減弱了走滑應力向凸起上蓋層的傳播。

此外,依據三維地震資料,對蓋層走滑斷裂進行了精細解釋,并利用Petrel軟件將F5斷裂剖面形態(tài)進行了三維立體顯示(圖4b)?？傻玫?點主要認識:① 蓋層走滑斷裂帶內部發(fā)育的“S”型雁列小斷層在空間上并非是同一條斷裂,往往是由分為2～3段的不同傾向正斷層構成；② 小斷裂的傾向與其平面形態(tài)具有較好的相關性,斷裂傾向與平面弧形凹面指向方向相同；③ 單個小斷面空間形態(tài)呈“貝殼”狀,斷面傾角中間陡兩側緩與上部陡底部緩。

2.3 伸展-走滑斷裂

此處伸展-走滑斷裂包括兩方面的內涵,從其形成發(fā)育的力學機制上看受控于張扭作用形成的；從形成的時空演化過程來看在始新統(tǒng)及漸新統(tǒng)受控于伸展作用發(fā)育形成了邊界鏟式斷層,至中新統(tǒng)到上新統(tǒng)依托主邊界斷層沿其走向大致平行發(fā)育一系列的走滑斷裂。該類走滑斷裂在平面上主要發(fā)育在沙壘田凸起的邊界上,如F6及F7斷裂帶(圖2a)。以F7斷裂為例,圖5a為800 ms方差切片(大致相當于明上段底部),可見明顯發(fā)育北西向雁列狀排列的一系列斷裂,在平面上不發(fā)育明顯的主走滑斷裂,為一左旋左階走滑斷裂。圖5b為橫切F7斷裂的一條南北向剖面,在剖面上發(fā)育負花狀構造(圖5b),與斷穿基底走滑斷裂相比典型的區(qū)別是不發(fā)育陡直的花根,而是在底部與邊界主斷層斜交。

圖2 渤海灣盆地沙壘田凸起走滑斷裂平面及剖面發(fā)育特征(剖面位置見圖2a)Fig.2 Seismic characteristics of the strike-slip faults in Shaleitian uplift,Bohai Bay Basin(see Fig.2a for the section location)a. 1 000 ms方差切片拼圖基礎上的斷裂平面分布特征；b.過沙壘田凸起近NW-SE方向剖面斷裂發(fā)育特征明化鎮(zhèn)組上段底界;T0.明化鎮(zhèn)組下段底界;T2館陶組底界;T3.東營組底界;T8古近系底界

圖3 渤海灣盆地沙壘田凸起F2與F5走滑斷裂不同深度平面及剖面發(fā)育特征(剖面位置見圖2a)Fig.3 Seismic characteristics of the strike-slip faults F2 and F5 with different depths in Shaleitian uplift,Bohai Bay Basin (see Fig.2a for the section location)a1,b1,c1,d1. F2斷裂帶不同深度方差切片,對應的雙程旅行時分別為300，600，1 200和1 500 ms，其中L1和L2為剖面位置,長度分別為6.2 km和6.6 km，粗藍線所示為主走滑斷裂帶,紅色細線為雁列狀伴生斷裂；a2,b2,c2,d2.分別與左圖所示位置相對應的剖面斷裂特征, 其中L1為地震剖面,L2為方差剖面；e1. B—B′剖面背形負花狀構造,e2. C—C′剖面負花狀構造

3 走滑斷裂對油氣成藏的控制作用

渤海西部沙壘田地區(qū)新近系目前已發(fā)現油氣主要位于走滑斷裂帶內部或斷裂帶附近區(qū)域,表明走滑斷裂對油氣成藏具有一定的控制作用,本文重點從走滑斷裂對圈閉、輸導體系及儲層的控制作用方面進行了探討,為明確走滑斷裂控藏機理提供依據。

3.1 對圈閉的控制作用

走滑斷裂對與構造圈閉具有控制作用[21-22],渤海海域新近紀走滑斷裂活動對于淺層圈閉的發(fā)育規(guī)模、程度、幅度及類型具有重要的影響[11,23]。主走滑斷裂帶兩側的力學性質(張性、擠壓、張扭及壓扭)是影響走滑斷裂伴生構造發(fā)育特征的主控因素,決定了其構造樣式及展布規(guī)律。目前主要根據走滑斷裂伴生構造及走滑轉換帶所受擠壓、拉張應力狀態(tài)的不同,將其劃分“增壓區(qū)”和“釋壓區(qū)”[24]。走滑斷裂“增壓區(qū)”所發(fā)育的圈閉規(guī)模比較大,圈閉類型多為背斜、斷背斜及斷鼻圈閉,且該區(qū)域控圈斷裂多具有良好的側封性,圈閉條件較好；“釋壓區(qū)”則多發(fā)于小型斷塊圈閉,側向封堵性欠佳,圈閉條件較差[7]。

圖4 渤海灣盆地沙壘田凸起蓋層走滑斷裂平面及空間發(fā)育特征(剖面位置見圖2a)Fig.4 Planar and spatial characteristics of strike-slip faults developed in cap rocks of Shaleitian uplift,Bohai Bay Basin (see Fig.2a for the section location)a. 800 ms方差切片示F3—F5蓋層走滑斷裂平面特征；b. F5走滑斷裂斷面空間發(fā)育特征 T. T破裂；R.里德爾剪切破裂；P.同向剪切破裂；Y. Y剪切；C.擠壓構造

沙壘田凸起主要發(fā)育構造圈閉和構造-巖性圈閉,這兩種圈閉的形成均與走滑斷裂具有密切關系。根據其形成機理及與走滑斷裂的關系將其分為3類:蓋層走滑斷裂間大型披覆背斜、伸展-走滑斷裂帶內小型斷塊圈閉、斷穿基底走滑斷裂帶內斷背斜及斷鼻圈閉。

伸展走滑斷裂帶內發(fā)育小型斷塊圈閉。伸展走滑斷裂帶內部普遍發(fā)育小型斷塊圈閉,這類圈閉面積較小,數量眾多,普遍不含油氣(圈閉有效性差)。如F7伸展走滑斷裂帶內館陶組除C16-1和C16-4面積在3.0 km2以上,其他圈閉面積均小于1.0 km2(圖7b)。斷裂帶內以張扭應力狀態(tài)為主,斷塊圈閉邊界斷層側向封閉能力普遍較差,近年來在該區(qū)帶部署了C16-1-1和C16-1-2d等一批探井,雖有油氣顯示,但始終未發(fā)現大的商業(yè)油氣田,證實這種分布于伸展走滑內部的小型斷塊圈閉為研究區(qū)不利圈閉。

圖5 渤海灣盆地沙壘田凸起F7伸展-走滑斷裂平面及剖面發(fā)育特征(剖面位置見圖2a)Fig.5 Seismic characteristics of the extension-strike-slip fault F7 in Shaleitian uplift,Bohai Bay Basin(see Fig.2a for the section location)a. 800 ms方差切片示F7伸展-走滑斷裂平面特征；b. 過F7斷裂D—D′地震剖面解釋

圖6 渤海灣盆地沙壘田凸起明下段頂面及館陶組頂面(T0)構造及圈閉發(fā)育范圍Fig.6 Top surface structure and trap distribution of and T0 in Shaleitian uplift,Bohai Bay Basina. F3—F5斷裂附近圈閉在明下段頂部分布特征；b. F3—F5斷裂附近圈閉在館陶組頂部分布特征

圖7 渤海灣盆地沙壘田凸起3類走滑斷裂對不同類型圈閉發(fā)育的控制作用Fig.7 The impact of the strike-slip faults(grouped into three types) on the development of different types of traps in Shaleitian uplift,Bohai Bay Basina.發(fā)育在F3和F4兩條蓋層走滑斷裂帶之間的大型披覆背斜圈閉,層位明化鎮(zhèn)組下段；b.發(fā)育在F7伸展-走滑斷裂帶內部的斷塊圈閉,層位明化 鎮(zhèn)組下段；c.發(fā)育在F1斷穿基底走滑斷裂帶內部的斷鼻、斷背斜圈閉,層位館陶組下段；d.“S”型走滑斷裂作用示意圖

斷穿基底走滑斷裂帶內部增壓區(qū)斷背斜圈閉:F1走滑斷裂帶內部可見發(fā)育“S”型走滑斷裂(圖7c),在“S”型斷裂兩端均發(fā)育斷背斜型圈閉,如C2-3圈閉明化鎮(zhèn)組下段圈閉面積12.2 km2,C8-6圈閉明化鎮(zhèn)組下段圈閉面積14.7 km2,在“S”型斷裂中間部位僅發(fā)育面積2.2 km2的小型斷鼻圈閉。前人通過沙箱模擬實驗對該類圈閉的形成過程進行了模擬[7,25],結果顯示在“S”型右旋走滑斷裂兩端位置為走滑增壓區(qū),在該區(qū)域地層上隆,發(fā)育斷背斜圈閉,同時由于具有擠壓性質分量,斷面?zhèn)认蚍忾]性較好,圈閉有效性也較好；在“S”型右旋走滑斷裂中間部位為走滑釋壓區(qū),未見明顯圈閉發(fā)育,由于具有拉張分量,斷裂側向封閉性欠佳,即使發(fā)育形成圈閉往往有效性也較差。模擬結果與研究區(qū)斷穿基底走滑斷裂帶內實際圈閉發(fā)育情況具有較好的對比性(圖7c,d),也證實了斷穿基底走滑斷裂帶內發(fā)育的大型斷背斜圈閉為研究區(qū)有利的圈閉類型。

圖8 渤海灣盆地沙壘田凸起館陶組(N1g)及明化鎮(zhèn)組(N2m)巖心裂縫發(fā)育特征Fig.8 Characteristics of core fractures in N1g and N2m in Shaleitian uplift,Bohai Bay Basina.w-b-13井,館陶組,深度1 906.29～1 906.59 m,高角度裂縫貫穿；b.w-c-13井,館陶組,深度1 996.78～1 997.08 m,兩條高角度裂縫,被方解石脈充填；c.w-c-21井,館陶組,深度1 924.33～1 924.63 m,高角度裂縫貫穿；d.w-b-18井,明化鎮(zhèn)組,深度1 263.01～1 263.31 m,發(fā)育2條高角度裂縫；e.w-h-20井,明化鎮(zhèn)組,深度1 216.50～1 216.80 m,發(fā)育1條高角度裂縫；f.w-c-21井,明化鎮(zhèn)組,深度1 356.87～1 357.17 m,發(fā)育1 條高角度裂縫

3.2 對輸導體系的控制作用

沙壘田凸起本身并不發(fā)育烴源巖,但周邊為歧口凹陷、渤中凹陷和南堡凹陷等富烴凹陷環(huán)繞,所以決定該區(qū)油氣能否富集成藏的一個關鍵因素是能否形成有效的輸導體系將烴源巖與圈閉溝通起來。目前大部分學者傾向于將輸導體系劃分為3類,即儲集體型(骨架砂體型)、斷裂型及不整合面型[26-28]。研究區(qū)一個非常典型的特征是,在相對小的研究范圍內這3種輸導體系均廣泛發(fā)育:館陶組底部大段的砂礫巖平面上全區(qū)展布穩(wěn)定、物性較高,構成了骨架砂體型輸導體系；下至基底,上通海底的各種復雜斷裂網絡構成了斷裂輸導體系；凸起之上大部分地區(qū)館陶組以不整合方式(T2不整合)沉積在前古近系基底之上,而在凸起斜坡部位及周邊凹陷位置東營組或沙河街地層則常以不整合(T8不整合)疊置在中生界或前中生界基底之上,T2和T8兩個重要不整合面構成了該區(qū)域不整合面型輸導體系。

該區(qū)走滑斷裂的發(fā)育對斷裂輸導體系和骨架砂體輸導體系具有明顯的控制作用。在凸起內部以C11-1，C11-6，C11-6和C12-1等油田為代表,這些油田發(fā)育的典型特點是單層厚度薄(幾米至十幾米)、含油層系多(基底潛山油藏、東營組油藏、館陶組油藏及明化鎮(zhèn)組油藏)含油層數眾多(幾十層)、油藏邊界常以走滑斷裂為限,成藏時間晚,集中在5～7Ma至今[11],與F1—F5走滑斷裂活動時間相吻合,可見中新世至上新世走滑斷裂輸導體系的發(fā)育構成了凸起上油氣成藏的直接通道。沙壘田凸起邊緣位置由于伸展走滑斷裂的發(fā)育,形成了多種類型的凸起邊緣和構造坡折帶[29],構造坡折帶對砂體的展布具有明顯的控制作用[30-32],在坡折帶下部及斜坡加厚發(fā)育的沙河街及東營組砂體常與凹陷成熟烴源巖成指狀或層狀接觸,這對于有效烴源巖的高效排烴及向上運移輸導均具有積極意義?？傊?走滑斷裂的發(fā)育演化對凸起內部斷裂輸導體系、凸起邊緣骨架砂體輸導體系控制作用明顯,這為研究區(qū)多層系立體成藏提供了前提條件。

3.3 對儲層的控制作用

沙壘田凸起地區(qū)新近系主要儲層為館陶組和明化鎮(zhèn)組砂巖,其中館陶組發(fā)育典型辮狀河砂體,明化鎮(zhèn)組發(fā)育曲流河砂體。明化鎮(zhèn)組砂巖儲層為細-中砂巖,含少量的鈣質,泥質膠結。館陶組發(fā)育厚層砂礫巖,單層厚度可達50 m以上,儲層物性普遍較好。這兩套儲層內均有走滑斷裂引起的大量裂縫發(fā)育,如圖8所示明化鎮(zhèn)組和館陶組巖心中常發(fā)育高角度裂縫(圖8a—f),部分裂縫被方解石脈充填(圖8b),裂縫在巖心中延伸長度可達50 cm以上(圖8a),部分巖心中可見裂縫分支發(fā)育形成復雜裂縫網絡(圖8d),這些普遍存在的裂縫極大地提高了儲層滲透率,對改善儲層物性具有積極意義。

4 結論

1) 走滑斷裂是沙壘田地區(qū)新近系最主要的斷裂類型,平面上識別出呈條帶狀發(fā)育8個走滑斷裂帶,并依據發(fā)育特征將其分為斷穿基底走滑斷裂、蓋層走滑斷裂及伸展-走滑斷裂3類,其中F1及F2斷裂為斷穿基底走滑斷裂,F0，F3，F4和F5蓋層走滑斷裂,F6及F7斷裂為伸展-走滑斷裂。

2) 研究區(qū)新近系發(fā)育的所有圈閉類型均與走滑斷裂活動密切相關,其中蓋層走滑斷裂帶之間明化鎮(zhèn)、館陶組地層中發(fā)育的大型披覆背斜圈閉及斷穿基底走滑斷裂帶內發(fā)育的斷鼻、斷背斜圈閉為有利圈閉,油氣富集條件較好；伸展走滑斷裂帶內部發(fā)育的小型斷塊圈閉為不利圈閉,油氣聚集條件較差。

3) 走滑斷裂的發(fā)育演化對斷裂輸導體系及骨架砂體輸導體系具有明顯的控制作用,為研究區(qū)多層系立體成藏提供了前提條件。一方面,走滑斷裂通過與主邊界斷層、館陶底部區(qū)域砂體的連接溝通了圈閉與烴源巖,構成了沙壘田凸起之上最重要的輸導體系；另一方面,凸起邊界伸展走滑斷裂對斜坡砂體的控制促進了有效烴源巖的高效排烴及向上運移輸導。此外,走滑作用造成館陶組及明化鎮(zhèn)組下段砂巖中普遍發(fā)育高角度裂縫,對于改善儲層物性具有積極意義。