渤海西部沙東南構(gòu)造帶東營組古地貌特征及對沉積的控制作用

康海亮, 林暢松, 牛成民

1. 中國石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083;2. 中國地質(zhì)大學(xué) (北京) 海洋學(xué)院, 北京 100083;3. 中海石油 (中國) 有限公司天津分公司, 天津 300459

0 引言

構(gòu)造作用特別是構(gòu)造運(yùn)動形成的古地貌控制了沉積體系的類型和分布、 烴源巖的發(fā)育、 有利儲層的形成以及油氣成藏 (徐長貴等, 2004; 郭正權(quán)等, 2008; 蒙啟安和紀(jì)友亮, 2009; 趙虹等,2012; 楊華等, 2015; 蔣代琴等, 2018; 侯林君等, 2019; 陳磊等, 2019)。 國內(nèi)學(xué)者在盆山分布、 盆內(nèi)隆坳格局等相對宏觀的構(gòu)造古地貌分析以及凸起、 斜坡、 溝谷等相對微觀的地貌及形態(tài)研究方面均取得了一系列的成果 (林暢松等,2015; 邵東波等, 2019)。 研究表明同沉積斷裂及其組合形成的古地貌在中國東部新生代含油氣盆地廣泛發(fā)育, 國內(nèi)學(xué)者對此研究的最早, 并且一直持續(xù)至今。 渤海灣盆地東營、 沾化古近紀(jì)發(fā)育雁行狀、 梳狀和帚狀斷裂組合, 形成了特定的古地貌, 控制了沉積砂體的展布 (林暢松等,2003); 同沉積斷裂及其相關(guān)古地貌影響了物源方向、 沉積相類型及其發(fā)育充填 (郭濤等, 2008;廖計華等, 2016; 夏世強(qiáng)等, 2020); 不同的同沉積斷裂及其組合還影響層序的發(fā)育樣式和巖性圈閉的分布 (宋廣增等, 2014; 陳宇航等, 2016;康海亮等, 2016; 段金寶等, 2019)。 除同沉積斷裂形成的相關(guān)古地貌外, 古隆起邊緣、 凸起斜坡的溝谷地貌也受到越來越多的關(guān)注, 這是由于溝谷本身就是古地貌的重要組成單元, 也是由剝蝕區(qū)向沉積卸載區(qū)輸送物源的重要通道 (朱紅濤等,2013), 還是分析源-匯系統(tǒng)時空演化過程中不可或缺的內(nèi)容 (林暢松等, 2015)。

文中通過恢復(fù)渤海西部沙東南構(gòu)造帶東營組各層序發(fā)育時期古地貌及其演化特征, 對比不同分區(qū)地貌差異與控制因素, 總結(jié)出溝谷-斜坡-斷坡和溝谷-多級斷坡兩種地貌組合對區(qū)內(nèi)沉積相發(fā)育的控制, 為下一步砂體預(yù)測和油氣勘探提供了基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)概況

渤海海域是在前中生代基底上發(fā)育起來的中新生帶陸相盆地。 西部海域部分位于黃驊坳陷中北部, 包含沙壘田凸起、 歧口凹陷東部海域部分、沙南凹陷、 石臼坨凸起西部、 渤中凹陷西斜坡和南堡凹陷南部斜坡等地區(qū)。 受北東走向的黃驊-東明斷裂和北西走向的張家口-蓬萊斷裂的雙重影響, 發(fā)育北東、 北西和近東西向三組斷裂體系,控制了渤海西部的構(gòu)造格局 (黃雷等, 2013; 張正濤等, 2019a)。 沙東南構(gòu)造帶位于渤海西部海域沙壘田凸起東南部, 為受沙南斷裂和沙東南1 號斷裂控制的斷裂構(gòu)造帶, 此次研究區(qū)主要包括沙壘田東凸起南部和沙南凹陷東部 (圖1)。

沙壘田凸起為一個繼承性的古凸起 (彭文緒等, 2012), 鉆井揭示凸起區(qū)前古近系基底主要為太古界變質(zhì)花崗巖, 沉積蓋層主要為新近系。 在沙河街組沉積之前, 沙壘田凸起一直處于水體之上, 為長期的剝蝕物源區(qū), 東營組沉積時期, 凸起逐漸沉沒并接受沉積。 南部緊鄰的沙南凹陷基底為中生界, 基底之上沉積了較厚的新生代地層,整體上東營組由沙南凹陷向沙壘田凸起逐漸超覆(張正濤等, 2019b), 東二段沉積之前, 凸起之上的溝谷為沉積物的輸送通道, 東營組晚期隨著沉積范圍擴(kuò)大和區(qū)域物源的輸入, 溝谷逐漸被充填(石文龍等, 2013)。

東營組沉積時期, 渤海西部地區(qū)處于盆地裂陷Ⅳ幕階段, 也就是經(jīng)歷沙二—沙一段熱沉降后又一次較為強(qiáng)烈的斷陷時期 (黃雷等, 2013)。 總體來看, 東營組構(gòu)造活動強(qiáng)烈, 地層沉積厚度大,發(fā)育了一套扇三角洲、 辮狀河三角洲和湖泊體系(李建平等, 2011; 賴維成等, 2012)。 研究區(qū)內(nèi)沙南凹陷在東營組東三段和東二段時期, 表現(xiàn)為較強(qiáng)的斷陷作用, 在東營組晚期逐步進(jìn)入裂陷后期 (李新琦等, 2019)。

圖1 渤海西部構(gòu)造單元劃分及研究區(qū)位置 (深度為古近系基底埋深)Fig.1 Structural units of the western Bohai Sea area and location of the study area (The depth is the buried depth of the Paleogene Basement)

2 構(gòu)造古地貌特征

2.1 古地貌恢復(fù)

古地貌的控制因素很多, 包括古地形、 沉積作用、 古氣候、 湖盆水體變化及構(gòu)造活動等。 這些因素?zé)o時不在發(fā)生變化, 因此古地貌恢復(fù)是一項系統(tǒng)工程, 定量的恢復(fù)較為困難, 大多是根據(jù)研究對象的地質(zhì)特征和實(shí)際資料情況采取合適的方法進(jìn)行定性或半定量的恢復(fù)。 目前常用的古地貌恢復(fù)方法主要有沉積學(xué)分析法、 層序地層學(xué)分析法、 地層厚度法、 印模法、 回剝和填平補(bǔ)齊法(姜華等, 2009; 王晨杰等, 2017; 喬博等, 2018;何文軍等, 2019)。

其中, 地層厚度法是利用沉積學(xué)原理恢復(fù)古地貌常用的方法。 一般而言, 古地貌形態(tài)控制了地層的充填過程, 古地貌低的地方可容納空間較大, 不僅率先接受沉積而且充填的地層較厚; 古地貌高的地方可容納空間小, 沉積較晚, 沉積地層也較薄。 因此通過分析等時界面內(nèi)現(xiàn)今的地層厚度可以恢復(fù)沉積時期的古地貌形態(tài) (鮮本忠等,2017; 厚剛福等, 2018; 朱茂等, 2018; 何文軍等, 2019)。 該方法適用于所研究的目的層段無較大的地層剝蝕, 同時為提高古地貌恢復(fù)的精度,還需進(jìn)行去壓實(shí)校正和古水深分析。 沉降史分析表明東三段開始沙南凹陷總沉降速率超過200 m/Ma (圖3), 整個東營組沉積時期處于基準(zhǔn)面上升、 區(qū)域不斷發(fā)生沉降的過程, 東營組沉積范圍不斷擴(kuò)大, 并由沙南凹陷向沙壘田凸起超覆, 期間并未發(fā)生明顯的構(gòu)造抬升和沉積間斷, 因此文中利用地層厚度法對東營組沉積區(qū)內(nèi)各層序發(fā)育期的古地貌進(jìn)行了恢復(fù)。

圖2 渤海西部地區(qū)構(gòu)造-沉積演化與層序劃分Fig.2 Tectonic-sedimentary evolution and sequence division of the western Bohai Sea area

圖3 沙南凹陷構(gòu)造沉降史Fig.3 Tectonic subsidence history of the Sha’nan sag

首先選取目的層段之上和之下的標(biāo)志層, 文中將東營組內(nèi)各三級層序的頂?shù)捉缑孀鳛闃?biāo)志層,這些界面不僅等時, 而且?guī)r電特征明顯, 地震上易于追蹤; 接著求取各層序現(xiàn)今地層厚度, 考慮到研究區(qū)鉆井主要位于凸起之上及邊緣地區(qū), 且鉆遇下部東三段的井?dāng)?shù)量較少, 單純利用鉆井難以獲得研究區(qū)各三級層序的地層厚度, 主要利用三維地震數(shù)據(jù)對各層序界面進(jìn)行區(qū)域追蹤閉合后得到各層序界面的等時間構(gòu)造圖, 通過時深關(guān)系將等時間構(gòu)造圖轉(zhuǎn)換為等深度構(gòu)造圖, 利用各層序頂?shù)捉缑娴壬疃葮?gòu)造圖相減獲得各層序的地層厚度。 利用上述方法得到的SQ-Ed3層序現(xiàn)今的地層厚度圖如圖4 所示, 該層序沉積厚度整體上北薄南厚, 北部主要為無沉積區(qū), 向南過渡為沉積區(qū),沙南凹陷沉積厚度一般在200 ～400 m, 沉積中心位于研究區(qū)東南部, 最厚可達(dá)1400 m, 但范圍較為局限。

對古地貌的恢復(fù)還需考慮去壓實(shí)校正和古水深分析, 對不同巖性孔隙度與深度之間的關(guān)系分析表明渤海地區(qū)東營組地層的壓實(shí)系數(shù)約為1.9(周連德等, 2016), 利用模擬軟件進(jìn)行了壓實(shí)厚度恢復(fù)。 通過沉積相、 碎屑巖粒度、 三角洲前積結(jié)構(gòu)綜合分析, 研究區(qū)發(fā)育扇三角洲、 辮狀河三角洲-湖泊體系, 三角洲前緣古水深一般在0 ～30 m, 半深湖-深湖古水深最大可達(dá)60 m, 整個東營組經(jīng)歷了水體由淺變深再變淺的過程 (圖2),這一過程與研究區(qū)的沉降史相一致 (圖3)。 最終恢復(fù)的東營組各層序沉積時的古地貌如圖5 所示。

圖4 沙東南構(gòu)造帶SQ-Ed3 層序地層厚度等值線圖Fig.4 Contour map of the stratum thickness in SQ-Ed3 sequence in the Shadongnan structural zone

圖5 沙東南構(gòu)造帶東營組各層序沉積時期古地貌Fig.5 Ancient landform of each sequence of the Dongying formation in the Shadongnan structural zone

2.2 古地貌單元劃分

古地貌單元一般包括隆起區(qū)或古凸起、 古溝谷、 古斜坡、 古斷坡、 水下低凸起、 洼陷邊緣、深凹或深洼區(qū)等 (吳賢順和樊太亮, 2002; 姜華等, 2009)。 研究區(qū)古地貌單元主要由凸起區(qū)、 斜坡區(qū)、 古溝谷、 斷槽、 淺洼和洼陷區(qū)組成 (圖5)。凸起區(qū)主要分布在沙壘田東凸起南部, 分布范圍層序逐漸縮小; 斜坡區(qū)主要分布在沙壘田凸起向沙南凹陷的過渡部位, 為古潛山面基礎(chǔ)上發(fā)育的繼承性斜坡; 古溝谷主要發(fā)育在沙壘田凸起邊緣之上, 包括 “U” 型谷、 “V”型谷、 “W” 型谷和復(fù)合型溝谷等多種類型 (圖6)。 東營組時期研究區(qū)整體上西高東低, 淺洼陷區(qū)主要分布在西南部, 深洼區(qū)始終位于東南部沙東南1 號斷裂控制的斷裂坡折之下。 研究區(qū)發(fā)育由主控斷裂及同一時期形成的同沉積斷裂共同組成的多種斷裂組合, 這些斷裂組合形成了不同的構(gòu)造古地貌, 控制了凹陷內(nèi)的砂分散體系和沉積充填 (鄧宏文等, 2001; 邢鳳存等, 2008; 張敏強(qiáng)等, 2011; 辛云路等, 2013; 劉若涵等, 2019)。

圖6 沙東南構(gòu)造帶溝谷類型及剖面特征 (剖面位置見圖1 中①)Fig.6 Valley types and their characteristics in profile in the Shadongnan structural zone (Profile location is shown as ① in Fig.1)

2.3 古地貌演化特征

SQ-Ed3時期凸起區(qū)主要位于研究區(qū)北部, 位于基準(zhǔn)面之上的凸起區(qū)遭受剝蝕成為重要的物源區(qū)。 以北北東向轉(zhuǎn)換斷裂F 為界, 受邊界斷裂活動影響及基底地貌控制, 沉積區(qū)古地貌可以劃分為兩個區(qū)域: 西部為由數(shù)條溝谷體系、 古斜坡和早期斷裂坡折形成的溝谷-斜坡-斷坡地貌 (圖5a),其中溝谷成為重要的物源輸送通道, 古斜坡整體由西北向東南方向變低, 局部存在地形差異, 對砂體的分散起到一定的控制作用, 斷裂坡折控制了早期地層充填; 東部地區(qū)主要為由溝谷和同沉積斷裂組成的溝谷-多級斷坡地貌, 溝谷數(shù)量和規(guī)模相對較小, 多級斷坡是由2 條同向的同沉積斷裂組成的順向斷階, 組成同沉積斷裂坡折和單斷槽。

SQ-E時期整體上繼承了SQ-Ed3時期的古地貌格局, 凸起區(qū)依然發(fā)育在研究區(qū)北部, 但范圍有所減小。 由于邊界斷裂活動有所減弱, 沉積充填范圍逐步擴(kuò)大, 沉積物逐漸向凸起區(qū)超覆, 部分低洼地區(qū)被充填, 地形高差變小, 低部位溝谷逐漸接受沉積, 溝谷規(guī)模變小 (圖5b)。

SQ-E時期, 研究區(qū)處于裂陷晚期, 區(qū)域整體上處于填平補(bǔ)齊階段, 凸起區(qū)范圍基本被覆蓋,區(qū)域古地貌差異進(jìn)一步減小, 溝谷以及斷槽等物源輸送通道已被沉積物充填。 整體為表現(xiàn)為西北高、 東南低, 西部區(qū)域主要表現(xiàn)為單一的斜坡地貌, 東部區(qū)域受同沉積斷裂控制, 還存在一定的斷裂坡折 (圖5c)。

3 古地貌對沉積體系的控制

3.1 古地貌影響下的沉積體系展布特征

古地貌對沉積充填的控制作用表現(xiàn)在不同的古地貌單元在沉積物由源到匯的搬運(yùn)沉積過程中所起的作用是不同的: 隆起區(qū)或古凸起一般為長期剝蝕地貌, 提供物源; 古溝谷或河道、 古斜坡在沉積早期主要作為輸送物源的通道, 晚期接受沉積充填;古斷坡、 水下低凸起對物源起到分散作用, 凹陷或洼陷區(qū)為沉積物卸載區(qū), 洼陷邊緣及淺洼區(qū)主要為各類扇體、 三角洲和濱淺湖, 深洼區(qū)多為半湖相沉積(林暢松等, 2003; 林暢松等, 2009; 蒙啟安和紀(jì)友亮, 2009; 石開波等, 2017)。

SQ-Ed3層序時期, 受同沉積斷裂及古凸起控制, 以北北東向橫向調(diào)節(jié)斷裂F 為界, 西部地區(qū)物源主要通過古溝谷輸送到沙南凹陷, 形成溝谷控源、 斜坡控砂的緩坡扇三角洲體系, 溝扇對應(yīng)關(guān)系良好, 三角洲規(guī)模大、 延伸距離較遠(yuǎn), 扇三角洲平原主要發(fā)育在沙南斷裂上升盤, 下降盤發(fā)育扇三角洲前緣, 沙中斷裂帶下降盤發(fā)育湖底扇。東部受溝谷-多級斷坡地貌控制, 沙南及沙東南1號斷裂下降盤發(fā)育小型扇三角洲。 研究區(qū)西南部主要受埕北低凸起北斜坡控制, 發(fā)育緩坡辮狀河三角洲 (圖7a)。

圖7 沙東南構(gòu)造帶東營組各層序沉積體系分布Fig.7 Distribution of the sedimentary system in each sequence of the Dongying formation

SQ-E層序時期, 凸起區(qū)范圍進(jìn)一步縮小,北部形成兩個獨(dú)立的凸起, CFD18-1N-1 井南部的古凸起已被淹沒, 形成水下高地, 該時期基準(zhǔn)面快速上升, 可容納空間擴(kuò)大, 物源供給減弱, 研究區(qū)主要發(fā)育小型辮狀河三角洲體系, 來自北部沙壘田凸起的物源依然主要通過古溝谷輸送到沙南凹陷。 辮狀河三角洲前緣推進(jìn)至沙南斷裂附近,沙南斷裂構(gòu)成大致為辮狀河三角洲前緣與濱淺湖的分界。 沙中斷裂帶下降盤發(fā)育湖底扇。 東部受凸起及同沉積斷裂控制, 沙南斷裂下降盤發(fā)育小型扇三角洲, 沙東南1 號斷裂發(fā)育湖底扇。 在研究區(qū)西南部, 來自埕北低凸起的物源減弱, 辮狀河三角洲沉積范圍縮小 (圖7b)。

SQ-E層序時期, 研究區(qū)處于填平補(bǔ)齊階段,構(gòu)造活動較弱, 殘留的凸起區(qū)范圍很小, 分布在工區(qū)北部, 地貌差異進(jìn)一步減小, 東部和西部區(qū)域地貌差異已基本消除, 主要為斜坡和淺洼區(qū),凸起區(qū)和深洼區(qū)范圍有限。 受此影響研究區(qū)發(fā)育大型辮狀河三角洲沉積體系, 由于地貌變緩, 三角洲沉積規(guī)模大、 延伸距離遠(yuǎn), 不再發(fā)育湖底扇(圖7c)

3.2 古地貌對沉積充填的控制作用

沙東南地區(qū)主要發(fā)育溝谷-斜坡-斷坡地貌和溝谷-多級斷坡地貌組合, 不同的地貌組合及演變對沉積充填的控制存在差異。

3.2.1 溝谷-斜坡-斷坡地貌沉積充填特征

侵蝕溝谷、 古潛山斜坡和早期同沉積斷裂共同組成了溝谷-斜坡-斷坡地貌, 發(fā)育在轉(zhuǎn)換斷層F西側(cè) (圖5)。 侵蝕溝谷發(fā)育在古凸起之上, 主控斷裂——沙南斷裂中段表現(xiàn)為卷入基底的大型低角度正斷層, 與多條切割古潛山斜坡之上沉積蓋層的南傾斷層在剖面上組成馬尾狀, 南傾斷裂中,沙中斷裂主要在沙河街組活動 (圖8)。

低角度斷層之上發(fā)育的同沉積正斷層——沙中斷裂構(gòu)成了重要的斷裂坡折, 主要控制了沙河街組的沉積, 在斷裂坡折之下發(fā)育發(fā)育巨厚的低位扇三角洲、 濁積扇。 到了SQ-Ed3時期該斷裂活動減弱, 斷裂坡折之下逐漸被充填, 地貌差異變小, SQ-Ed3早期在彎折帶之下發(fā)育湖底扇, 古潛山斜坡上發(fā)育辮狀河三角洲。 隨著沉積充填的進(jìn)行, 到了時期, 沉積相帶逐漸擴(kuò)大到凸起之上, 早期作為物源輸送通道的溝谷也被充填, 凸起-斜坡區(qū)沉積了一套高位辮狀河三角洲 (圖9)。

圖8 溝谷-斜坡-斷坡地貌組合地震特征 (剖面位置見圖1 中②)Fig.8 Seismic characteristics of the valley-paleoslope-fault slope-break (Profile location is shown as ② in Fig.1)

圖9 溝谷-斜坡-斷坡地貌對沉積充填的控制 (剖面位置見圖1 中②)Fig.9 Depositional filling characteristics controlled by the valley-paleoslope-fault slope-break (Profile location is shown as ② in Fig.1)

3.2.2 溝谷-多級斷坡地貌沉積充填特征

侵蝕溝谷、 多級斷裂組成了溝谷-多級斷坡地貌, 發(fā)育在轉(zhuǎn)換斷層F 東側(cè)的沙東南斷階帶 (圖5)。 斷階主要由沙南斷裂東段、 沙東南1 號斷裂及同期斷裂組成, 沙南斷裂東段為上陡下緩的鏟式正斷層, 斷層形成時間早, 均切割基底, 持續(xù)時間長。 斷裂組合樣式平面上為平行式或斜交式,剖面上為同向斷階狀, 形成2 ～3 個斷裂坡折, 溝谷主要發(fā)育在沙南斷裂上升盤的沙壘田凸起之上(圖10)。

控制沙東南斷階帶的沙東南1 號斷裂形成時間和主要活動時期均為SQ-Ed3, 為該時期的控凹斷裂, 形成的一級斷裂坡折控制了SQ-Ed3的沉積充填, 在斷裂坡折之下洼陷較深, 發(fā)育低位扇三角洲和湖底扇, 平面規(guī)模較小, 但在剖面上沉積較厚, 為相帶突然增厚的位置。 沙南斷裂形成時間晚于沙東南1 號斷裂, 主要活動時期為成為分隔凸起與斜坡間的二級坡折, 控制了SQE小型扇三角洲的沉積, 到了SQ-E層序時期,斷裂已基本停止活動, 辮狀河三角洲沉積擴(kuò)大到凸起之上, 并充填了SQ-E之前一直作為物源輸送通道的溝谷 (圖11)。

圖10 溝谷-多級斷坡地貌組合地震特征 (剖面位置見圖1 中③)Fig.10 Seismic characteristics of the valley-multistage fault slope-break (Profile location is shown as ③ in Fig.1)

圖11 溝谷-多級斷坡地貌對沉積充填的控制 (剖面位置見圖1 中③)Fig.11 Depositional filling characteristics controlled by the valley-multistage fault slope-break (Profile location is shown as ③ in Fig.1)

4 結(jié)論

(1) 沙東南地區(qū)東營組時期主要發(fā)育凸起區(qū)、斜坡區(qū)、 古溝谷、 斷槽、 淺洼和深陷區(qū)等多個古地貌單元, 凸起區(qū)為重要的物源區(qū), 古溝谷是物源輸送的重要通道, 古斜坡和水下低隆起對物源的分散起到一定的作用。

(2) 沙東南地區(qū)主要發(fā)育兩種古地貌, 以北北東向轉(zhuǎn)換斷層F 為界, 西部主要發(fā)育溝谷-斜坡-斷坡地貌, 東部發(fā)育溝谷-多級斷坡地貌。 溝谷-斜坡-斷坡地貌控制了SQ-Ed3層序時期發(fā)育的遠(yuǎn)源扇三角洲-湖底扇體系, SQ-E時期的小型辮狀河三角洲-湖底扇和SQ-E時期的大型辮狀河三角洲體系的發(fā)育。 溝谷-多級斷坡地貌控制了SQ-Ed3和SQ-E層序時期的小型扇三角洲-湖底扇體系以及SQ-E時期的大型辮狀河三角洲體系的發(fā)育。

(3) 在溝谷-斜坡-斷坡地貌組合中, 古溝谷在SQ-E沉積前作為物源輸送通道, 之后接受沉積, 控制斷坡的同沉積斷裂主要在SQ-Ed3之前活動, 控制了沙河街組低位扇、 濁積扇的沉積充填;SQ-Ed3之后, 活動減弱, 斷坡地貌構(gòu)成了扇三角洲平原和前緣沉積充填的分界, 在SQ-E和SQE時期, 基本演變?yōu)檗p狀河三角洲前緣和濱淺湖的界限。 在溝谷-多級斷坡地貌組合中, 多期同沉積斷裂形成的古地貌造成沉積充填的差異, SQEd3時期的同沉積斷裂控制了深洼的形成和坡折之下小型扇三角洲的沉積, SQ-E時期的同沉積斷裂為分隔凸起與斜坡間的坡折, 控制了SQ-E小型扇三角洲的充填。

致謝:感謝中海石油 (中國) 有限公司天津分公司提供了部分研究資料, 同時也感謝評審老師提出的寶貴修改意見。