萊州灣凹陷新生代走滑-伸展疊合斷裂體系發(fā)育演化模式

李 坤, 董 柔, 徐國盛, 梁 強, 楊海風(fēng)

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司，成都 610051；3.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452)

渤海灣盆地是近期油氣勘探突破的重點地區(qū)之一[1-2]，先后在渤中19-6構(gòu)造、萊州灣墾利10-1、墾利16-1等構(gòu)造發(fā)現(xiàn)多個千萬噸級大型油氣田。走滑、伸展、收縮是3種基本的地質(zhì)構(gòu)造變形方式[3]，而在現(xiàn)實地質(zhì)環(huán)境下，很少發(fā)育單一變形方式，大多為2種或者3種變形的疊合作用。渤海灣盆地在中、新生代經(jīng)歷了2期裂陷旋回，漸新世又發(fā)生走滑運動，導(dǎo)致盆地內(nèi)部近EW向的伸展作用與NNE向的走滑作用分區(qū)差異疊加[4]，存在伸展-走滑疊合、伸展-擠壓疊合、擠壓-走滑疊合3個成因類型[5]，其中遼東灣地區(qū)為早期強伸展和晚期走滑垂直疊加，渤南地區(qū)為早期伸展和晚期強走滑平行疊加[6]。萊州灣凹陷位于渤海灣南部東南側(cè)，郯廬走滑斷裂帶從凹陷內(nèi)部穿過[7]，前人廣泛關(guān)注走滑斷裂與油氣賦存的聯(lián)動關(guān)系[8-10]，但是針對凹陷內(nèi)部走滑-伸展疊合斷裂體系發(fā)育特征及其對油氣成藏的控制作用研究相對較少。本文以地震資料精細剖析為基礎(chǔ)，進一步厘定萊州灣凹陷主干斷裂發(fā)育特征，對比伸展-走滑時空差異，建立斷裂體系演化模式，進而探討走滑-伸展疊合斷裂控藏要素，對渤海南部下一步油氣勘探提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤南地區(qū)在“早伸展-晚走滑-局部疊加”的應(yīng)力機制影響下，近EW向伸展斷裂系統(tǒng)與NNE向走滑體系縱橫交錯，總體呈現(xiàn)“南北分塊”、“東西分帶”的空間格局 。萊州灣凹陷位于盆地東南側(cè)，是中生界基底之上發(fā)育的新生代凹陷[11-12]，平面上整體呈菱形，長軸方向為NE，剖面呈“北斷南超”的半地塹結(jié)構(gòu)形態(tài)[5]。近EW向萊北1號斷裂分割萊州灣與萊北低凸起；郯廬斷裂帶東支與魯東隆起分隔，西支為萊州灣邊界，整體上呈現(xiàn)“三斷一凸”的構(gòu)造形態(tài)(圖1)。

圖1 萊州灣凹陷構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural outline map of Laizhou Bay Sag

2 萊州灣凹陷斷裂發(fā)育特征

萊州灣凹陷內(nèi)部主要發(fā)育近EW向伸展斷裂、NNE向走滑斷裂、NEE向次級斷裂和疊合走滑斷裂，凹陷中深層以伸展和走滑斷裂為主，而淺層則以次級斷裂、花狀伴生斷裂及走滑疊合斷裂為主(圖2)，整體構(gòu)成“H”形平面組合(圖3)。

2.1 近EW向伸展斷裂

近EW向伸展斷裂主要發(fā)育于凹陷中北部，剖面表現(xiàn)為“北斷南超”的箕狀特征，控制內(nèi)部新生代沉積。凹陷北部邊界萊北1號斷裂以鏟式正斷層為主要特征，傾向SE，向下斷至新生界基底，向上穿過新生界，在中淺層與次級斷裂組成“y”字形、反“y”字形以及馬尾狀組合樣式(圖4-A)。萊南1號和萊南2號斷裂為一組相背傾向的伸展斷裂，在凹陷中部形成一個小型地壘，并將萊州灣分割成南北兩個次洼。萊南2號為鏟式正斷層，與淺層斷層形成反“y”字形組合樣式。萊南1號為高角度板式正斷層，在剖面上與次級斷層疊合形成多級“y” 字形組合(圖4-B)；同時萊南1號的東西兩端受郯廬斷裂帶東西分支的應(yīng)力偏轉(zhuǎn)影響，走向由EW向分別調(diào)整為NNE和NWW向。

2.2 NNE向走滑斷裂

郯廬斷裂帶是一條橫貫中國東部的大型走滑斷裂帶[13-14]，渤海灣南部郯廬斷裂帶由大致平行的2～3條NNE向分支走滑斷裂組成[15]，EW向雙斷式地塹控制邊緣凹陷的發(fā)育[16]。郯廬斷裂帶東支向北逐漸分散成3個同向排開的馬尾狀分支，負花狀構(gòu)造特征更加明顯(圖5-A)；西支從凹陷南部深入渤南低凸起，平面連續(xù)性較好，主干斷裂較東支傾角較大，絲帶效應(yīng)明顯，且中南部多呈現(xiàn)半花狀構(gòu)造特征(圖5-C)。

2.3 走滑-伸展疊合斷裂

走滑-伸展疊合斷裂是指強走滑作用疊加在早期伸展斷裂之上形成的復(fù)雜斷裂系統(tǒng)。萊州灣早期裂陷被夾持在郯廬斷裂帶的分支走滑內(nèi)部，為發(fā)育走滑-伸展疊合構(gòu)造提供了應(yīng)力條件。例如郯廬斷裂帶西支斷裂發(fā)育NE向疊合1號斷裂，東支4號斷裂(圖6-A)和中支1號斷裂北側(cè)(圖6-B)也發(fā)育近NS向的疊合斷裂，均呈現(xiàn)后期走滑花狀構(gòu)造切割早期伸展鏟式斷層中上斜坡的典型組合樣式。

圖2 萊州灣凹陷構(gòu)造剖面柵狀圖Fig.2 Structural profile grid map of Laizhou Bay Sag

圖3 萊州灣凹陷斷裂體系圖Fig.3 Fault system of Laizhou Bay Sag

圖4 萊州灣凹陷伸展斷裂樣式剖面圖Fig.4 Extensional fault style pattern of Laizhou Bay Sag

圖5 萊州灣凹陷走滑斷裂樣式剖面圖Fig.5 Strike-slip fault patterns of Laizhou Bay Sag

3 斷裂演化特征

渤海灣盆地新生代經(jīng)歷了孔店運動、濟陽運動、東營運動、新構(gòu)造運動等多期構(gòu)造活動，表現(xiàn)為斷陷-斷拗轉(zhuǎn)換-拗陷等多個發(fā)育階段。渤南地區(qū)經(jīng)歷了新生代早期孔店組-沙河街組第四段(簡稱“沙四段”，其他組段也使用類似的簡稱)沉積期、沙三段沉積期和漸新世晚期3期斷陷伸展過程，同時經(jīng)歷了沙二段-沙一段沉積期、新近紀走滑-伸展疊合過程，尤其是晚期走滑疊合作用分段差異明顯，北段疊合作用明顯強于南段(表1)[17-19]，斷裂多期差異演化賦予萊州灣復(fù)雜的沉積-構(gòu)造特征。

3.1 斷裂演化期次

結(jié)合渤海灣區(qū)域構(gòu)造演化特征，根據(jù)典型構(gòu)造剖面演化分析，認為萊州灣凹陷斷裂演化經(jīng)歷了4個階段：

a.初始裂陷階段(孔店組-沙四段沉積期)。萊州灣內(nèi)部發(fā)育3條近EW向控洼斷裂，NE向箕狀凹陷雛形初現(xiàn)，發(fā)育的半地塹系統(tǒng)控制早期地層沉積，為第一套烴源巖(沙四段)的形成奠定了堅實的基礎(chǔ)。主干伸展斷裂以萊北1號為主，表現(xiàn)為上部傾角較緩的鏟式正斷層(圖7-A)；郯廬斷裂帶的中部分支則為直立斷層，次級斷裂不發(fā)育。

圖6 萊州灣凹陷走滑-伸展疊合斷裂樣式剖面圖Fig.6 The profiles of strike slip-extension superimposed faults in Laizhou Bay Sag

表1 渤南地區(qū)新生代構(gòu)造運動期次Table 1 Characteristics of Cenozoic tectonic periods in Bonan area

b.斷陷伸展階段(沙三段沉積期)。萊州灣凹陷處于快速裂陷沉積階段，中部隆起格局初步形成，主干伸展斷裂基本定型，4個半地塹系統(tǒng)由北向南依次減弱，上盤沉積了較厚的沙三段，進一步富集第二套烴源巖；同時萊南2號斷裂東南側(cè)內(nèi)部伴生反向次級斷裂，平面上南洼緩坡帶呈雁行式排列，剖面上“y”字形斷裂組合廣泛發(fā)育(圖7-B)，為油氣早期運移提供垂向輸導(dǎo)通道。

c.強走滑-伸展疊合階段(沙二段-東營組沉積期)。由于太平洋板塊偏轉(zhuǎn)擠壓和印度板塊的持續(xù)俯沖[20]，導(dǎo)致郯廬斷裂帶右旋走滑，萊州灣內(nèi)部在右行張剪應(yīng)力作用下，郯廬斷裂帶東支主干斷裂發(fā)育花狀構(gòu)造、中支1號發(fā)育半花狀構(gòu)造(圖7-C、D)，同時內(nèi)部伸展斷裂也普遍發(fā)育“y”和反“y”字形組合。其中沙一段-沙二段沉積期為強走滑運動期，疊加在萊州灣凹陷西部陡坡帶和中部地壘帶中上斜坡處，走滑斷裂切割早期伸展斷裂中深部，組成走滑-伸展疊合斷裂體系；東營組沉積期為強伸展-弱走滑階段，萊北低凸起上次級斷裂呈明顯的雁行式排列，東部走滑帶次級斷裂與主干斷裂呈羽狀相交，東營組末期經(jīng)歷短暫剝蝕作用[21]。走滑作用與伸展斷裂的疊加，致使斷層再次開啟，將油氣輸送至淺層構(gòu)造中形成高產(chǎn)油氣藏[22]。

d.晚期弱伸展-弱走滑階段(館陶組沉積期-至今)。古近紀末期，渤南地區(qū)斷裂活動差異較大，廟西凹陷處于強走滑-強伸展階段，而萊北低凸起以南區(qū)域則表現(xiàn)為弱伸展-弱走滑平穩(wěn)調(diào)節(jié)階段。萊州灣凹陷已接近活動尾聲，在郯廬斷裂弱右旋壓扭作用下，淺層發(fā)育少量次級派生斷裂，北斷南超的箕狀凹陷格局定型(圖7-E、F)。

3.2 斷裂發(fā)育模式

走滑伸展盆地是重要的含油氣盆地類型，渤海盆地、鶯歌海盆地都分布在郯廬、紅河等大型走滑斷裂帶上[23-24]。渤海新生代的含油氣盆地是始新世的伸展裂陷盆地、漸新世的走滑拉分盆地和上新世以來構(gòu)造活動疊加、復(fù)合的結(jié)果，表現(xiàn)為伸展-走滑拉分疊加復(fù)合盆地[25]。萊州灣走滑-伸展疊合斷裂發(fā)育模式可以歸納為3個階段。

a.初期裂陷-快速伸展階段。邊界伸展斷裂短時間內(nèi)快速發(fā)育，鏟式正斷層形成凹陷初期“北斷南超”的整體樣式(圖8-A)，裂陷作用控制凹陷內(nèi)烴源地層富集[26]，平面上展現(xiàn)“四凸兩凹”的構(gòu)造格局。

圖7 萊州灣凹陷中部地震剖面構(gòu)造演化圖Fig.7 Seismic profiles showing structural evolution in the middle segment of Laizhou Bay Sag

b.中期疊合-強烈走滑階段。伴隨著郯廬斷裂帶的右行張剪作用，萊州灣凹陷東西兩側(cè)走滑斷裂活動增強，切割早期鏟式伸展斷層的中部，在剖面上形成花狀構(gòu)造與“y”字形構(gòu)造的疊合(圖8-B)。

c.晚期疊加-走滑延續(xù)階段。伴隨著渤海灣盆地?zé)岢两?，萊州灣凹陷進入弱改造定型期，伸展斷裂和走滑斷裂都處于弱活動階段，以淺層次級斷裂發(fā)育為主，表現(xiàn)為疊合走滑的淺層分支斷裂增多(圖8-C)，油氣晚期運聚成藏并定型。

4 斷裂控藏特征

渤海灣盆地南部近幾年在大型斷裂帶附近取得重大勘探突破[27]，尤其是在萊州灣凹陷的北部陡坡帶發(fā)現(xiàn)大型油田，斷裂對油氣成藏的控制作用明顯[28-29]，主要表現(xiàn)為：早期伸展斷裂控制烴源巖的沉積、中期斷裂組合樣式控制圈閉的規(guī)模、多期斷裂活動控制油氣的運聚。

4.1 早期伸展斷裂規(guī)?？刂茻N源巖展布

渤南地區(qū)南段發(fā)育4套烴源巖，主力生烴層位為發(fā)育在強烈斷陷時期的沙四上段和沙三中下段，表現(xiàn)為厚度較大的深水-半深水相暗色泥巖。萊州灣凹陷早期受近EW向伸展斷裂控制，優(yōu)質(zhì)烴源巖沉積在快速裂陷期的北洼、南洼東側(cè)和東北次洼，烴源巖厚度自凹陷中心向凹陷邊緣逐漸變薄。其中沙四上段沉積期伸展斷裂活動速率快，最大埋藏深度達1.46 km，有機碳質(zhì)量分數(shù)達2.7%。并且斷裂活動性越強，烴源巖成熟度越高。沙四上段烴源巖在東營組早期開始生烴，至館陶期進入生排烴高峰，匹配該階段次級斷裂活動，形成良好的時空配置關(guān)系，及時將油氣垂向輸送至有效圈閉中。

圖8 萊州灣凹陷疊合走滑模式圖Fig.8 Superimposed strike-slip model for Laizhou Bay Sag(A)初期裂陷-快速伸展階段; (B)中期疊合-強烈走滑階段; (C)晚期疊加-走滑延續(xù)階段

4.2 晚期斷裂組合樣式控制圈閉類型

渤南地區(qū)南段廣泛發(fā)育伸展斷裂、走滑斷裂以及疊合走滑斷裂體系，受郯廬斷裂帶及近EW向斷層的控制，斷層上下盤相互疊加組合，形成斷塊、斷鼻、伸展-走滑疊合成因的斷背斜和斷層-巖性復(fù)合圈閉(圖9)，發(fā)育位置主要位于淺部層系的陡坡帶、洼陷帶、轉(zhuǎn)換帶、凸起帶和郯廬斷裂帶上；同時NNE向郯廬斷裂帶和近EW、NWW向主干斷裂展布控制構(gòu)造圈閉的分布，晚期郯廬走滑斷裂疊加改造作用導(dǎo)致淺層圈閉數(shù)量和類型明顯多于深層。

圖9 萊州灣凹陷疊合走滑圈閉類型示意圖Fig.9 Sketch showing superimposed strike-slip trap in Laizhou Bay Sag

4.3 多期斷裂活動控制油氣運聚

渤海灣盆地南部斷裂構(gòu)造復(fù)雜，活動幕次較多，油源斷裂活動時期與烴源巖生排烴期的配置關(guān)系影響油氣的運聚富集[30]。萊州灣凹陷北洼為主力生烴區(qū)，北部斜坡帶發(fā)育鏟式陡坡邊界油源斷裂，而東部走滑帶發(fā)育階梯狀油源斷裂，其活動性控制了主成藏期油氣輸導(dǎo)體系的時效性。萊州灣地區(qū)油氣成藏期為5 Ma B.P.以來，晚期的區(qū)域構(gòu)造抬升，激活了主成藏期的輸導(dǎo)體系，主干及派生斷裂提供良好的深淺層輸導(dǎo)通道，其中晚期NNE向郯廬斷裂帶的封堵性優(yōu)于近EW向斷裂，同時早期近EW向斷裂淺層封堵性優(yōu)于深層，長期活動油源斷層的活動強度越大，油氣富集程度相對越高。

5 結(jié) 論

a.萊州灣凹陷周緣及內(nèi)部發(fā)育3類主干斷裂，伸展斷裂系統(tǒng)呈近EW向展布，主要發(fā)育在凹陷中北部，呈上陡下緩鏟式特征，表現(xiàn)為“y”與反“y”字形組合，控制凹陷內(nèi)各次洼沉積；走滑斷裂系統(tǒng)呈NNE向展布，主要發(fā)育在東西邊界，平面連續(xù)性較好，剖面上呈現(xiàn)花狀或半花狀構(gòu)造；疊合走滑斷裂主要分布在走滑帶兩側(cè)，以花狀走滑斷裂切割鏟式伸展斷層中上部為典型特征。 NNE向的郯廬斷裂帶分支走滑斷裂與近EW向的萊北1號伸展斷裂共同組成“H”形斷裂體系。

b.萊州灣凹陷構(gòu)造演化經(jīng)歷了4個主要時期：孔店組-沙四段沉積期為初始裂陷階段，局部強烈伸展，控制第一套主力烴源巖富集；沙三段沉積期為繼承裂陷伸展階段，持續(xù)性最強斷陷，第二套烴源巖大量富集；沙二段-東營組沉積期為強走滑-伸展疊合階段，凹陷內(nèi)部走滑強烈，并在郯廬斷裂帶東西分支局部形成疊加構(gòu)造，對先期形成的伸展斷裂進行切割，為油氣縱橫向運移提供有利通道；館陶組-明化鎮(zhèn)組沉積期為弱伸展-弱走滑階段，少量次級斷裂在淺層組合成多樣樣式，與沉積蓋層一起控制晚期油氣調(diào)整與成藏。

c.萊州灣走滑-伸展疊合斷裂發(fā)育模式包含初期裂陷快速伸展、中期強烈走滑疊合、晚期疊合走滑延續(xù)3個階段。通過主干斷裂生長指數(shù)及活動速率定量分析，明確了不同構(gòu)造時期斷裂活動的差異，其中沙三段沉積期是斷裂強烈伸展階段，沙二段沉積期為走滑-伸展疊合體系最為典型的時期。

d.斷裂構(gòu)造控藏作用主要表現(xiàn)為：早期斷裂控制烴源巖的沉積、晚期斷裂組合樣式控制圈閉的規(guī)模、多期斷裂活動控制油氣的運聚。