遼中南洼旅大16-3地區(qū)走滑型源-匯體系發(fā)育特征及沉積響應*

宛良偉 吳 奎 王 偉 加東輝 王啟明

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

近年來，沉積盆地源-匯體系研究已成為國際地球科學領(lǐng)域中頗受關(guān)注的重要課題[1-4]。我國許多學者在渤海灣、珠江口、瓊東南、鶯歌海等盆地開展了大量源-匯體系研究[5-11]，為我國油氣勘探研究，特別是沉積體系分析和儲層預測研究提供了重要借鑒。前人關(guān)于源-匯體系的研究主要集中在海相被動大陸邊緣盆地和陸相伸展盆地中，而與走滑斷裂相關(guān)的盆地中源-匯體系研究較少[12-15]。實際上，許多盆地的形成都與走滑作用有關(guān)，并非由純伸展作用形成[16-17]，郯廬斷裂帶從渤海灣盆地東部穿過，對渤海海域構(gòu)造演化及沉積充填影響極大[18-22]，形成渤海海域一類特殊的源-匯體系——走滑型源-匯體系。渤海油田勘探實踐表明，該類源-匯體系中砂體成因類型多樣、相帶窄、相變快、分布規(guī)律復雜，鉆前預測非常困難[15]。以遼中南洼旅大16-3地區(qū)為例，該區(qū)東三段沉積期發(fā)育走滑型源-匯體系，2014年以前圍區(qū)鉆探十余口探井，僅LD16-3-E井東三段鉆遇58.8 m砂巖，其余探井均揭示薄層粉砂巖及湖相泥巖，儲層問題成為制約該區(qū)東營組油氣勘探的關(guān)鍵難題。2014年以來，筆者將“源-匯”思想成功運用到復雜走滑帶鉆前砂體預測中，在旅大16-3地區(qū)找到大規(guī)模富砂區(qū)并準確預測砂體空間變化，推動了旅大16-3油田的發(fā)現(xiàn)。本文系統(tǒng)闡述了旅大16-3地區(qū)走滑型源-匯體系發(fā)育特征及沉積響應，對于走滑斷裂相關(guān)盆地源-匯體系及砂體預測研究具有一定借鑒意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

遼東灣坳陷位于渤海東北部海域，為渤海灣盆地的一個次級單元[23]，面積2．6 ×104km2，可劃分為“三凹三凸”共6個次級構(gòu)造單元，分別為遼西南凸起、遼西凹陷、遼西凸起、遼中凹陷、遼東凸起和遼東凹陷，各構(gòu)造單元均呈北東-南西向展布且相互平行，形成凸凹相間的構(gòu)造格局(圖1a)[24]。

遼中凹陷表現(xiàn)為東斷西超的典型半地塹箕狀斷陷，是遼東灣坳陷的主力生烴凹陷，可以進一步劃分為北、中、南等3個洼陷[25]。遼中南洼位于遼中凹陷最南部，受郯廬斷裂的走滑與轉(zhuǎn)型、地幔上涌產(chǎn)生的水平拉張、太平洋板塊的俯沖強度與方向改變等諸多因素的影響與控制，其新生代盆地演化具有走滑與拉伸并存的多動力源區(qū)域地質(zhì)背景[26]，其中古近紀構(gòu)造演化可劃分為3個階段：①古新世—始新世中期的伸展裂陷階段(裂陷Ⅰ幕，65～38 Ma)；②始新世晚期—漸新世早期的裂后熱沉降拗陷階段(38～32.8 Ma)；③漸新世東營期的走滑拉分再次裂陷階段(裂陷Ⅱ幕，32.8～24.6 Ma)(圖1b)[27]。遼中南洼基底為太古宇變質(zhì)巖、花崗巖，古生界碳酸鹽巖和中生界火成巖。古近系包括沙河街組和東營組，其中沙河街組自下而上依次為沙四段(Es4)、沙三段(Es3)、沙二段(Es2)和沙一段(Es1)，發(fā)育湖相、扇三角洲、辮狀河三角洲和碳酸鹽巖臺地等沉積相;東營組自下而上依次為東三段(Ed3)、東二段(Ed2，可分為東二下亞段和東二上亞段)和東一段(Ed1)，以湖相和三角洲相沉積為主。

2 走滑斷裂發(fā)育特征

環(huán)遼中南洼走滑斷裂密集，是遼東灣坳陷走滑活動最強烈的地區(qū)之一。旅大16-3地區(qū)自西向東發(fā)育遼西1號、旅大16-21、旅大16-3和旅大21-1等4條走滑斷裂。遼西1號走滑斷裂為遼西凸起中南段西側(cè)邊界斷裂，是遼東灣坳陷一級斷裂，控制了遼西凸起中南段的形成和演化，其中走滑主干斷裂整體呈北東東走向，局部出現(xiàn)多個彎曲段，平面延伸距離最遠，約為130 km；走滑伴生斷裂走向以近東西向為主。旅大16-21、旅大16-3、旅大21-1走滑斷裂位于遼中南洼西斜坡，是遼東灣坳陷二級斷裂，控制了斜坡帶的構(gòu)造演化和沉積充填，其中走滑主干斷裂走向均為北東東向，較為平直，平面延伸距離較短，分別為35、26、18 km；走滑伴生斷裂走向為近東西向或北東向，表現(xiàn)為雁行排列或羽狀形態(tài)(圖2a)。剖面上，遼西1號走滑主干斷裂斷面西傾，上陡下緩、伴生斷裂較少；旅大16-21、旅大16-3、旅大21-1走滑主干斷裂近似直立插入盆地基底，傾向多變，伴生斷裂向上撒開呈典型的負花狀構(gòu)造樣式(圖2b)。這4條走滑斷裂在沙河街組沉積期均以伸展作用為主；東三段—東二下亞段沉積期以右旋走滑活動為主，根據(jù)童亨茂2008年建立的純走滑拉分砂箱實驗模型估算[28]，東三段沉積期這4條走滑斷裂水平位移量依次為2.6、3.5、2.2、1.2 km。

這4條走滑斷裂從南往北穿過整個研究區(qū)，發(fā)育大量走滑轉(zhuǎn)換帶。根據(jù)斷層的相互作用以及轉(zhuǎn)換帶的形態(tài)可將研究區(qū)的走滑轉(zhuǎn)換帶分為S型走滑轉(zhuǎn)換帶和疊覆型走滑轉(zhuǎn)換帶。其中，遼西1號走滑斷裂在長距離走滑運動中產(chǎn)狀多變，由于走滑斷裂兩盤巖性的差異導致走滑受阻形成S型走滑轉(zhuǎn)換帶(圖3a)；旅大16-21走滑斷裂分別與旅大21-1走滑斷裂、旅大16-3走滑斷裂首尾相互重疊地交替排列，形成疊覆型走滑轉(zhuǎn)換帶(圖3b)。根據(jù)局部應力狀態(tài)的差異可將研究區(qū)的走滑轉(zhuǎn)換帶分為增壓型走滑轉(zhuǎn)換帶和釋壓型走滑轉(zhuǎn)換帶，其中右旋左階S型走滑轉(zhuǎn)換帶和右旋左階疊覆型走滑轉(zhuǎn)換帶均屬于增壓型走滑轉(zhuǎn)換帶，右旋右階S型走滑轉(zhuǎn)換帶和右旋右階疊覆型走滑轉(zhuǎn)換帶均屬于釋壓型走滑轉(zhuǎn)換帶(圖3)。

圖3 旅大16-3地區(qū)走滑帶應力發(fā)育模式

3 走滑型源-匯體系發(fā)育特征

一個完整的源-匯體系在空間范圍內(nèi)包括物源體系和匯聚體系。在陸相斷陷盆地中，源-匯體系的發(fā)育受構(gòu)造作用、氣候和湖平面變化共同控制，而構(gòu)造作用是主導性的控制因素。東三段沉積期，旅大16-3地區(qū)構(gòu)造活動以強走滑、弱伸展為特征，源-匯體系發(fā)育主要受走滑活動控制，主要表現(xiàn)在以下3個方面。

3.1 增壓型轉(zhuǎn)換帶控制局部物源體系的發(fā)育

局部物源是指現(xiàn)今殘余規(guī)模較小，但能在特定的地質(zhì)條件和特殊的地史時期遭受剝蝕，并能夠形成優(yōu)質(zhì)儲層的盆內(nèi)局部構(gòu)造區(qū)劃[29]，其形成一般與擠壓應力作用下的古地貌垂向隆升有關(guān)。傳統(tǒng)觀點認為遼西凸起在東營組沉積期為水下低凸起，不能提供有效物源，因此遼中南洼西部斜坡帶大量鉆井東三段均鉆遇湖相泥巖。本次研究認為，遼西凸起具有南北分段、南高北低的特點，凸起中北段地勢較低，東三段沉積期一直淹沒于水下，不能提供物源，但研究區(qū)西側(cè)的凸起南段地勢整體較高，在L5和LD9-3-A井區(qū)發(fā)育右旋左階S型增壓轉(zhuǎn)換帶，轉(zhuǎn)換帶處于擠壓應力環(huán)境，造成凸起地貌隆升，形成北部LD9-3-A井區(qū)和南部L5井區(qū)2個古高地(圖4a、b)，面積均在100 km2左右，沉積期出露中生界火山巖，巖性以安山質(zhì)火山角礫巖、安山巖為主，夾薄層英安巖和流紋巖，可作為優(yōu)質(zhì)母巖。由于東三段沉積期走滑活動較強，增壓型轉(zhuǎn)換帶內(nèi)凸起持續(xù)抬升遭受剝蝕，提供大量粗碎屑物質(zhì)，為斜坡帶砂體的富集奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.2 釋壓型轉(zhuǎn)換帶控制有利匯聚體系的形成

匯聚體系由輸砂通道、坡折帶及碎屑物質(zhì)的可容納空間共同構(gòu)成，對砂體富集起到重要控制作用[4,30-32]，其形成一般與伸展應力作用下的古地貌沉降有關(guān)。研究區(qū)發(fā)育兩種釋壓型轉(zhuǎn)換帶，分別控制了輸砂通道及可容納空間的發(fā)育。在凸起區(qū)發(fā)育右旋右階S型釋壓轉(zhuǎn)換帶，轉(zhuǎn)換帶內(nèi)處于拉張應力環(huán)境，造成凸起區(qū)局部沉降，形成山間洼地，構(gòu)成優(yōu)勢輸砂通道，南、北兩個局部物源區(qū)剝蝕的粗碎屑物質(zhì)可以通過山間洼地集中往旅大16-3油田方向搬運(圖4a、b)。在斜坡帶發(fā)育右旋右階疊覆型釋壓轉(zhuǎn)換帶，釋壓轉(zhuǎn)換帶內(nèi)發(fā)育一系列近東西向的張性調(diào)節(jié)斷層，南部調(diào)節(jié)斷層和北部調(diào)節(jié)斷層傾向相反，隨著走滑活動的持續(xù)，調(diào)節(jié)斷裂的伸展幅度逐漸變大，斷裂逐漸開啟，并出現(xiàn)裂陷現(xiàn)象，形成小型洼陷，具有較大的可容納空間，是富砂沉積體發(fā)育的優(yōu)勢地帶。因此，凸起區(qū)S型釋壓轉(zhuǎn)換帶與斜坡帶疊覆型釋壓轉(zhuǎn)換帶的高效耦合控制了旅大16-3地區(qū)有利匯聚體系的形成。與之形成對比的是旅大21構(gòu)造區(qū)，該區(qū)發(fā)育右旋左階疊覆型增壓轉(zhuǎn)換帶，轉(zhuǎn)換帶內(nèi)古地貌隆升，東三段沉積期可容納空間很小，不利于砂巖匯聚(圖4a、c)。

圖4 旅大16-3地區(qū)東三段走滑型源-匯體系發(fā)育特征

3.3 走滑水平位移造成源-匯體系的橫向錯動

有效物源體系和高效匯聚體系在空間上是相互聯(lián)系、相互作用的地貌單元[4]。在以伸展作用為主導的源-匯體系中，物源體系和匯聚體系的空間位置相對固定，是比較容易識別的，顯性的。旅大16-3地區(qū)發(fā)育以走滑作用為主導的源-匯體系，由于旅大16-21走滑斷裂水平位移方向與砂巖輸送方向垂直，隨著右旋走滑活動的持續(xù)，走滑斷裂兩盤的源-匯體系發(fā)生橫向錯動，旅大16-3油田砂巖匯聚區(qū)相對原始的物源-溝谷耦合區(qū)不斷向西南方向遷移，東三段沉積早期旅大16-3南構(gòu)造所處的匯聚區(qū)與遼西凸起上物源-溝谷耦合區(qū)對應，東三段沉積晚期旅大16-3構(gòu)造所處的匯聚區(qū)與遼西凸起上的物源-溝谷耦合區(qū)對應(圖5)。由此可見，在走滑型源-匯體系中，源-匯體系的空間對應關(guān)系是動態(tài)變化的，具有一定的隱蔽性。

圖5 旅大16-3地區(qū)東三段走滑型源-匯體系發(fā)育模式

4 走滑型源-匯體系沉積響應

4.1 源-匯時空耦合控制旅大16-3地區(qū)砂體富集

“源-匯時空耦合富砂”思想指出，陸相斷陷盆地砂體的富集受碎屑物質(zhì)從源到匯整個過程的影響，要在復雜陸相斷陷盆地找到砂巖的富集區(qū)，必須找到一個完整的源-匯時空耦合系統(tǒng)[4]。旅大16-3地區(qū)增壓型轉(zhuǎn)換帶和釋壓型轉(zhuǎn)換帶時空配置有利，局部物源體系和有利匯聚體系耦合條件好，具有“雙源供砂、高效輸導、優(yōu)勢匯聚”的特點，為東三段砂體的富集提供了有利條件。旅大16-3油田共有6口井鉆遇東三段，砂巖厚度最小67.0 m，最大123.6 m，平均96.4 m，是東三段沉積期遼中南洼砂體最發(fā)育的地區(qū)(圖6)。與之形成鮮明對比的是研究區(qū)西南部的21-1構(gòu)造，該構(gòu)造與旅大16-3油田同處于遼中南洼西部斜坡走滑帶，與L5井區(qū)的局部物源體系對應，物源條件較好，但構(gòu)造區(qū)處于右旋左階增壓型轉(zhuǎn)換帶，匯聚條件不利，源-匯耦合條件差，東三段僅發(fā)育薄層湖相泥巖沉積。

4.2 源-匯體系錯動造成砂體遷移疊覆且期次明顯

在以伸展作用為主導的源-匯體系中，一條水系的入湖口在一段時期內(nèi)可以看成是相對穩(wěn)定的，沉積體系的展布是沿著水系入湖口向湖盆呈扇形展開[4]，不同時期發(fā)育的扇體以垂向疊加為主，在物源供給較為充足的斜坡帶砂體期次往往不明顯。東三段沉積期旅大16-3地區(qū)發(fā)育走滑型源-匯體系，源-匯體系沿著走滑方向的橫向錯動，造成水系的入湖口不斷變化，使砂體由南往北遷移疊覆，并且砂體期次十分明顯，結(jié)合巖性、電性及地震響應特征可識別出低位、湖擴、高位域三期砂體。

圖6 旅大16-3地區(qū)東三段層序-沉積相對比圖

低位域砂體主要分布在旅大16-3南構(gòu)造，砂體面積53.2 km2(圖7a)；沉積相類型以辮狀河三角洲為主，巖性組合為砂礫巖、含礫中—細砂巖夾薄層泥巖，砂巖厚度56.7～72.3 m，以反粒序為主，SP、GR曲線為漏斗狀(圖6、8a)；地震剖面上，低位域辮狀河三角洲砂體主體表現(xiàn)為低頻不連續(xù)反射，遠端變?yōu)榍胺e反射(圖9)。

圖7 旅大16-3地區(qū)東三段砂體展布圖

圖8 旅大16-3地區(qū)東三段典型巖心特征

圖9 旅大16-3地區(qū)東三段砂體地震響應特征

湖擴域砂體往北延伸至旅大16-3構(gòu)造D井區(qū)，主體部位位于旅大16-3南構(gòu)造，砂體面積48.5 km2(圖7b)；沉積相類型主要為辮狀河三角洲前緣砂體滑塌形成的濁積扇沉積，巖性組合為大套深灰色泥巖夾薄層粉、細砂巖，砂巖厚度20.5～45.7 m，正粒序特征明顯，SP、GR曲線為鐘狀、指狀(圖6、8b)；地震剖面上，湖擴域濁積扇砂體表現(xiàn)為蠕蟲狀反射(圖9)。

高位域砂體主要分布在旅大16-3構(gòu)造，旅大16-3南構(gòu)造僅在C井區(qū)鉆遇砂體邊緣，砂體面積78.5 km2(圖7c)，沉積相類型主要為辮狀河三角洲沉積，巖性組合為含礫中、細砂巖夾薄層泥巖，砂巖厚度33.7～116.6 m，以反粒序為主，SP、GR曲線為漏斗狀、指狀(圖6、8c)；地震剖面上，高位域辮狀河三角洲砂體表現(xiàn)為前積反射(圖9)。

總體上看，從東三段低位期到高位期，砂體橫向遷移距離與旅大16-21走滑斷裂水平位移量相當，不同期次的砂體沿著斷裂走向遷移疊覆，疊合面積達130 km2；不同期次砂體在沉積相類型、巖性組合特征、砂巖厚度、地震反射特征等方面存在顯著差異。

5 結(jié)論

1) 旅大16-3地區(qū)育遼西1號、旅大16-21、旅大21-1、旅大16-3等4條走滑斷裂，形成大量走滑轉(zhuǎn)換帶，根據(jù)斷層的相互作用以及轉(zhuǎn)換帶的形態(tài)可將研究區(qū)的走滑轉(zhuǎn)換帶分為S型走滑轉(zhuǎn)換帶和疊覆型走滑轉(zhuǎn)換帶，根據(jù)局部應力狀態(tài)的差異可將研究區(qū)的走滑轉(zhuǎn)換帶分為增壓型走滑轉(zhuǎn)換帶和釋壓型走滑轉(zhuǎn)換帶。

2) 旅大16-3地區(qū)源-匯體系發(fā)育受走滑作用控制，表現(xiàn)為：增壓型轉(zhuǎn)換帶控制了局部物源體系的發(fā)育，凸起區(qū)S型增壓轉(zhuǎn)換帶內(nèi)地貌隆升，形成南、北兩大局部物源體系；釋壓型走滑轉(zhuǎn)換帶控制了有利匯聚體系的形成，凸起區(qū)S型釋壓轉(zhuǎn)換帶和沉積區(qū)疊覆型釋壓轉(zhuǎn)換帶分別控制了輸砂通道及可容納空間的發(fā)育；走滑水平位移造成源-匯體系的橫向錯動，東三段沉積期斜坡帶的砂巖匯聚區(qū)相對凸起區(qū)的物源-溝谷耦合區(qū)不斷往西南方向遷移。

3) 源-匯體系對旅大16-3地區(qū)砂體富集和空間分布具有明顯的控制作用，局部物源體系和有利匯聚體系的時空耦合控制了該地區(qū)砂體富集，源-匯體系橫向錯動造成該地區(qū)東三段砂體遷移疊覆，期次明顯。