渤南地區(qū)疊合走滑斷裂體系的控藏效應(yīng)

孫 豪,徐國盛,余 箐,李 坤,梁浩然

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.中海石油(中國)有限公司 上海分公司，上海 200335)

走滑斷層作為眾多斷層類型中的一種，廣泛分布于沉積盆地[1-3]，其垂向斷距大多不明顯，在地震剖面和野外露頭難以鑒別，在油氣勘探中常被忽略[4-5]。隨著地震勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的走滑斷層被揭示[6]。其中“花狀構(gòu)造”是走滑斷層的典型鑒別標(biāo)志之一[7-8]。“花狀構(gòu)造”的概念及地震解釋方法的建立為研究走滑斷裂體系的控藏效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)[9]。越來越多的研究揭示了走滑斷層與控藏效應(yīng)之間有密切的關(guān)系。

雖然渤海灣盆地南部(簡(jiǎn)稱“渤南地區(qū)”)邊緣凹陷具備良好的勘探基礎(chǔ)，但由于盆地形成機(jī)理不清、斷裂帶構(gòu)造復(fù)雜，對(duì)凹陷的演化及烴源巖發(fā)育狀況認(rèn)識(shí)不清，導(dǎo)致前人對(duì)此研究甚少[10]。隨著認(rèn)識(shí)的深入和勘探技術(shù)的進(jìn)步，在渤海南部發(fā)現(xiàn)了一大批大、中型油田，為精細(xì)研究疊合走滑斷層的油氣控藏效應(yīng)提供了可能。本文擬通過新的地震剖面資料對(duì)疊合走滑斷層類型特征加以界定，在此基礎(chǔ)上，開展疊合走滑斷層的控藏機(jī)理研究，為研究區(qū)下一步勘探提供科學(xué)依據(jù)，為同類疊合走滑斷層控藏效應(yīng)的研究提供參考。

1 概 況

渤海灣盆地位于中國東部，是在華北地臺(tái)內(nèi)部發(fā)育起來的中、新生代陸相裂陷盆地[11]。渤南地區(qū)包括北部的廟西北洼和廟西南洼、西部的黃河口東洼，以及西南方向的萊州灣凹陷與青東凹陷。渤南石油儲(chǔ)量主要以沙河街組第四段、第三段(分別簡(jiǎn)稱“沙四段、沙三段”)為主，沙一、沙二段及東營組貢獻(xiàn)較少；各凹陷石油儲(chǔ)量以萊州灣凹陷貢獻(xiàn)最多，廟西其次，黃河口再次之，青東相對(duì)最少(圖1)。其中郯廬斷裂帶、張-蓬斷裂依托明化鎮(zhèn)組上段末期的斷裂構(gòu)造活動(dòng)控制該區(qū)油氣的運(yùn)移與聚集。

圖1 渤南邊緣凹陷構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural outline of southern marginal depression of Bohai Sea Basin

渤南地區(qū)與整個(gè)渤海灣盆地相似，中、新生代經(jīng)歷了燕山、喜馬拉雅期的強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造格局錯(cuò)綜復(fù)雜，主要沉積新生代地層，依次發(fā)育平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組、沙河街組和孔店組。其演化分為3個(gè)階段：晚侏羅世到古新世的熱隆起階段、孔店組沉積期開始到沙二段沉積期結(jié)束的熱伸展階段、沙一段沉積期開始的熱沉降階段(館陶組沉積期結(jié)束后明顯減弱)[12]；其構(gòu)造演化分為4個(gè)階段，分別是孔店組-沙四段沉積期的初始裂陷、沙三段沉積期的伸展裂陷、沙二段-東營組沉積期的走滑-伸展和館陶組沉積期以來的走滑-裂后拗陷[13]。

2 伸展-走滑疊合斷裂體系的類型

渤海南部地區(qū)斷裂主要為郯廬斷裂帶渤南段的中、東分支和張-蓬斷裂渤南段。郯廬斷裂帶縱貫渤海海域東部，斷層部分互相平行、部分首尾相連，其內(nèi)部發(fā)育了大量的走滑派生構(gòu)造，該類構(gòu)造與傳統(tǒng)的走滑派生構(gòu)造有明顯區(qū)別[14]。張-蓬斷裂是貫穿華北地區(qū)的一條巨型斷裂，整體表現(xiàn)為西北走向，新生代以來主要表現(xiàn)為左旋走滑性質(zhì)[15-17]。前人研究表明[18-19]，渤南地區(qū)成藏與郯廬斷裂帶、張-蓬斷裂緊密相關(guān)，兩套斷裂相互切割、錯(cuò)斷，造就研究區(qū)在剖面上總體呈現(xiàn)“井”字形的“箕狀凹陷”特征，表現(xiàn)為同沉積鏟式正斷層控制的滾動(dòng)式半地塹組合和雙斷式地塹系統(tǒng)。

2.1 主干伸展斷裂

渤海南部地區(qū)的主干伸展斷裂自北向南分別為萊北1號(hào)、2號(hào)斷裂，萊南2號(hào)、1號(hào)斷裂。南部的萊州灣凹陷邊界為萊北低凹起，被萊北1號(hào)斷裂控制，為“北斷南超”的箕狀凹陷；其北部的廟西南凹陷被萊北2號(hào)斷裂控制，為“南斷北超”的箕狀凹陷(圖2)。具體表現(xiàn)為：①渤南邊緣凹(洼)陷呈現(xiàn)南北差異的復(fù)式半地塹特征，表現(xiàn)出“東西走滑，東強(qiáng)西弱；南北拉張，兩頭弱中部強(qiáng)”的空間差別。②渤南地區(qū)經(jīng)歷了3期斷裂活動(dòng)，呈現(xiàn)“早期強(qiáng)伸展、中期強(qiáng)走滑-拉分、晚期北部強(qiáng)走滑-局部弱伸展”的演化差異，控制了“凹凸相間”的構(gòu)造格局。

圖2 渤南地區(qū)主干伸展斷裂特征Fig.2 Characteristics of major extensional faults in southern Bohai Sea Basin

2.2 走滑斷裂

渤南地區(qū)主要為郯廬斷裂帶渤南段的東、中分支，東、中分支分別具有明顯的花狀、半花狀構(gòu)造特征。東分支斷裂走向北北東，傾向北西，斷開層位較多，淺層次級(jí)斷裂發(fā)育，花狀特征明顯，在平面上沿北北東向呈分散狀；中支1號(hào)斷裂走向北北東，傾向北西西，斷面高角度陡立，斷開層位南北不一致，淺層次級(jí)斷裂發(fā)育，在平面上呈絲帶狀或羽狀展布，表現(xiàn)為東強(qiáng)西弱、北強(qiáng)南弱的特征(圖3)。

圖3 渤南地區(qū)走滑斷裂特征Fig.3 Characteristics of strike-slip faults in southern Bohai Sea Basin

2.3 伸展-走滑疊合斷裂特征

疊合走滑斷裂體系主要是北北東向郯廬走滑斷裂帶和北西西向-近東西向伸展斷裂在不同構(gòu)造部位的疊加，同時(shí)也指走滑斷裂、主干伸展斷裂以及伴生的次級(jí)斷裂在時(shí)空上的疊合。整個(gè)渤海南部地區(qū)的疊合走滑構(gòu)造比較發(fā)育，對(duì)烴源巖的沉積以及后期的油氣運(yùn)移成藏有較大影響。以萊州灣凹陷的疊合走滑構(gòu)造進(jìn)行解剖：孔店組-沙三段沉積時(shí)期，初期斷陷，伸展斷裂發(fā)育；在沙二段沉積期走滑斷裂發(fā)育，對(duì)先期形成的伸展斷裂進(jìn)行切割，在凹陷東西兩側(cè)形成疊合走滑斷裂(圖4)。

圖4 走滑-伸展疊合斷裂組合樣式圖Fig.4 Composite patterns of strike slip-extensional faults

2.4 渤南地區(qū)斷裂演化特征

孔店組和沙四段沉積期，處于左旋走滑影響下的裂陷伸展活動(dòng)，近東西向萊北斷裂主控伸展斷裂劇烈活動(dòng)，形成半地塹式箕狀斷陷盆地格局；沙三段沉積期轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)烈右旋走滑作用改造下的斷陷-拗陷盆地，邊界主干斷裂繼承性活動(dòng)，走滑拉分作用將南北向伸展轉(zhuǎn)為北西向拉張為主，東西向的萊北1號(hào)、2號(hào)斷裂開始活動(dòng)；沙二-沙一段沉積期存在裂后短暫熱沉降拗陷階段，右旋走滑作用依然較強(qiáng)，邊界伸展斷層仍繼承性活動(dòng)，但活動(dòng)強(qiáng)度明顯減弱，處于伸展-走滑疊加發(fā)育時(shí)期；東營組沉積期斷裂活動(dòng)強(qiáng)度逐漸減弱，到東營末期發(fā)生近東西向擠壓，造成渤海灣盆地整體抬升剝蝕，即隆升剝蝕后由斷陷轉(zhuǎn)為拗陷；館陶組-明化鎮(zhèn)組沉積期轉(zhuǎn)化為拗陷發(fā)育階段，中支繼承性弱走滑，近東西向次級(jí)斷層活動(dòng)性較強(qiáng)，與主干斷裂呈帚狀?，F(xiàn)今，北部繼承性走滑活動(dòng)明顯(廟西)，東部以伸展運(yùn)動(dòng)為主，中西部以伸展-走滑運(yùn)動(dòng)為主，西部沉降幅度大。

3 伸展-走滑疊合斷裂體系的控藏作用

渤海南部地區(qū)現(xiàn)今各時(shí)期斷裂帶的剖面特征及平面展布態(tài)勢(shì)是經(jīng)過多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加改造的結(jié)果，斷裂特征、構(gòu)造樣式、沉積中心均發(fā)生了明顯的變化，體現(xiàn)了構(gòu)造演化的階段性與疊加轉(zhuǎn)型過程。

近幾年郯廬斷裂帶對(duì)渤海灣盆地的控藏效應(yīng)受到關(guān)注。郯廬斷裂帶呈北北東向縱貫渤海[20]，在渤海海域部分又稱為營濰斷裂帶。基于對(duì)營濰斷裂帶沿線區(qū)域的油氣儲(chǔ)量以及渤海海域油氣總儲(chǔ)量的對(duì)比，渤海海域石油地質(zhì)儲(chǔ)量的64%、天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量的78%均分布在營濰斷裂帶影響的區(qū)域[21]。這表明斷裂對(duì)渤海海域油氣分布有較強(qiáng)控制作用[22]。在渤海南部地區(qū)除郯廬斷裂帶之外，區(qū)內(nèi)的北西西-東西向的主干伸展斷裂，以及伴生的次級(jí)斷裂對(duì)油氣成藏與油氣的分布也具有重要的控制作用，整體表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

3.1 演化控源

研究表明，渤海深大斷裂控制了富生烴凹陷的形成，其中伸展-走滑疊合斷裂體系在古近紀(jì)的活動(dòng)控制了凹陷的構(gòu)造演化與沉積充填和其烴源巖的形成與分布。在渤海南部地區(qū)發(fā)育有許多大小不同、產(chǎn)狀各異、性質(zhì)有別的斷層，它們縱橫交錯(cuò)、上下疊置，形成了渤海海域極具特色的坡折類型。這些斷層對(duì)古近系的沉積起著重要的控制作用，其控制作用遵循如下自然規(guī)律：斷裂活動(dòng)控制地層沉降與可容納空間，從而制約了沉積中心和沉積相分布，隨著斷裂活動(dòng)不同時(shí)期的活動(dòng)性變化，進(jìn)而控制了烴源巖的形成與展布。

以萊州灣凹陷為例，斷裂活動(dòng)不同時(shí)期的活動(dòng)性變化導(dǎo)致烴源巖厚度高值區(qū)隨地層由老至新沉降中心逐漸向北遷移。從平面上看，在孔店組-沙四段沉積期，近東西向控凹(洼)伸展斷層活動(dòng)性強(qiáng)弱與烴源巖厚度具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，沙四段的厚度高值區(qū)主要集中在控凹(洼)伸展斷層(萊北1號(hào)、萊南1號(hào)、萊南2號(hào)斷裂)的影響范圍內(nèi)，此期間斷裂活動(dòng)性較強(qiáng)，正斷層伸展活動(dòng)和走滑斷層張扭活動(dòng)(圖5)，為烴源巖的沉積提供了大量的可容納空間，在萊州灣凹陷北部和東南部凹陷帶沉積了巨厚的沙四段烴源巖；到了沙三段沉積期，伸展斷裂活動(dòng)持續(xù)增強(qiáng)，此時(shí)東分支的活動(dòng)性也顯著增強(qiáng)，在萊州灣凹陷北部、東南部以及東北部凹陷帶沉積了巨厚的沙三段烴源巖；到了沙二、沙一段沉積期，伸展斷裂活動(dòng)大幅度減弱，沙二、沙一段烴源巖主要在萊州灣凹陷東北部的萊東-廟南地區(qū)發(fā)育，與此同時(shí)，走滑斷裂的右旋走滑作用增強(qiáng)，郯廬斷裂帶中段位移量達(dá)到7～40 km，堆積中心向北不斷遷移；到了東營組沉積期，烴源巖厚度高值區(qū)呈現(xiàn)沿北北東向走滑斷裂帶展布的特征(圖6)。從縱向上看，不同沉積期控洼斷裂活動(dòng)強(qiáng)度與烴源巖厚度間均具明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，尤以斷陷早期(沙四-沙三期)的控制作用最為明顯，烴源巖厚度與斷裂強(qiáng)度幾乎呈線性相關(guān)，表明伸展斷裂對(duì)烴源巖規(guī)模具有直接控制作用；斷陷晚期，根據(jù)沙二、沙一段、東營期資料顯示，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系仍然存在但相關(guān)性明顯降低，斷陷晚期走滑斷裂的再次活化也是導(dǎo)致相關(guān)性下降的可能因素，此時(shí)，烴源巖規(guī)模的控制因素由單因素(伸展)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p因素(疊合)影響，其作用也更多體現(xiàn)在烴源巖遷移上，故相關(guān)性減弱。

圖5 渤南地區(qū)主干斷裂分段活動(dòng)速率圖Fig.5 Segmented activity rates of main faults in southern Bohai Sea Basin

圖6 渤南地區(qū)各層位烴源巖厚度分布Fig.6 Thickness distribution of source rocks in different layers in southern Bohai Sea Basin

3.2 組合控圈

在勘探實(shí)踐中，尋找到有效的圈閉至關(guān)重要。因此，有利的圈閉類型與規(guī)模是取得較好勘探成效的基礎(chǔ)。渤海南部地區(qū)從深層到淺層各套儲(chǔ)層發(fā)育的圈閉主要為斷層圈閉，而巖性圈閉和復(fù)合圈閉的數(shù)量相對(duì)較少，部分地區(qū)形成了斷層-巖性圈閉、地層尖滅圈閉。

在凸起帶，以巖性-地層圈閉為主，某一圈閉邊界為斷層或被斷層復(fù)雜化的圈閉，具體含油富集部位都受巖性變化的制約，圈閉多發(fā)育在斜坡區(qū)構(gòu)造轉(zhuǎn)折部位(圖7)，且發(fā)育伸展斷層上盤斷背斜圈閉。這種類型的圈閉主要是在正斷層生長(zhǎng)過程中形成的，受長(zhǎng)期活動(dòng)伸展斷裂的影響，在斷層面下凹與逆牽引變形控制下，形成大規(guī)模斷背斜圈閉(圖8)。

圖7 蓬萊9-1構(gòu)造連井剖面Fig.7 Multi-drilling well profile for Penglai 9-1 structure

圖8 渤南地區(qū)凸起帶伸展斷層上盤斷背斜圈閉Fig.8 Fault-anticline traps in hanging wall of extensional fault in southern Bohai Sea Basin

在凹陷帶發(fā)育了掀斜斷塊圈閉，這類圈閉通常形成在凸起帶和凹陷帶之間的過渡地區(qū)中偏向凹陷帶一側(cè)。斷層分段生長(zhǎng)處由于斷距較小，致使上升盤的垂向運(yùn)動(dòng)量較??；而斷距高值點(diǎn)部位由于斷距較大，使得該處上升盤活動(dòng)量較大，這樣也使得斷距高值點(diǎn)的地勢(shì)變得相對(duì)較高，進(jìn)而形成圈閉，其圈閉規(guī)模一般較小(圖9)。

圖9 萊州灣凹陷北部凹陷帶伸展斷層下盤掀斜斷塊圈閉Fig.9 Tilted fault block trap in footwall of extensional fault in northern sag of Laizhouwan Sag

走滑帶內(nèi)部發(fā)育壓扭斷背斜圈閉，這種圈閉主要發(fā)育在走滑疊覆帶。研究區(qū)東支走滑斷層為左階斜列分布，疊覆區(qū)在右旋剪切變形過程中增壓隆升形成斷背斜圈閉(圖10)。

圖10 渤南地區(qū)走滑帶內(nèi)部走滑增壓疊覆帶發(fā)育的壓扭斷背斜圈閉Fig.10 Compressive-shear fault anticline traps developed in the strike-slip overpressure superimposed zone within the strike-slip zone in the southern Bohai Sea Basin

在伸展-走滑疊合區(qū)域(東支走滑帶西側(cè))，發(fā)育長(zhǎng)期走滑斷層與張扭斷層構(gòu)成的扭動(dòng)斷塊圈閉。這類圈閉主要發(fā)育在走滑斷層位移極性變化變換帶處，受走滑-伸展交叉變換帶差異變形控制，由于右旋壓扭作用控制塊體上升，在局部構(gòu)造高點(diǎn)形成斷背斜圈閉(圖11)。

圖11 渤南地區(qū)疊合區(qū)域長(zhǎng)期走滑斷層與張扭斷層構(gòu)成的扭動(dòng)斷塊圈閉Fig.11 Torsional fault block trap formed by long-term strike-slip fault and tension-torsion fault in superimposed area of southern Bohai Sea Basin

3.3 活動(dòng)控輸

整個(gè)渤海灣盆地明化鎮(zhèn)組頂部發(fā)育一個(gè)區(qū)域性的不整合面，根據(jù)天文和地磁數(shù)據(jù)計(jì)算的地層年齡顯示，不整合面之下為明化鎮(zhèn)組，而不整合面之上為平原組。油氣包裹體數(shù)據(jù)顯示，自明上段以來(5 Ma B.P.)，渤南地區(qū)油氣大規(guī)模成藏，其油氣的輸導(dǎo)主要依靠明上段末期的斷裂構(gòu)造活動(dòng)，因此可以判定明上段頂部的不整合對(duì)應(yīng)切源斷層的活動(dòng)時(shí)期是主力的成藏時(shí)期[23]。

圖12 渤南地區(qū)明化鎮(zhèn)組頂部不整合面與斷層活動(dòng)期次的關(guān)系Fig.12 Relationship between unconformity at the top of Minghuazhen Formation and fault activity in southern Bohai Sea Basin

綜上所述可以得出這樣的結(jié)論：明上段末期區(qū)域抬升剝蝕的時(shí)期就是多數(shù)油藏的主成藏期，而主力成藏期之后，正斷層不再活動(dòng)；換言之，正斷層對(duì)于成藏只有建設(shè)性作用，幾乎無破壞性作用。

圖13 長(zhǎng)期活動(dòng)切源斷層(切源伸展斷層)活動(dòng)強(qiáng)度與油氣富集關(guān)系Fig.13 Relationship between activity intensity of long-term active source-reaching fault (source-reaching extensional fault) and hydrocarbon accumulation

圖14 晚期活動(dòng)切源斷層(切源伸展-走滑疊合斷層)活動(dòng)強(qiáng)度與油氣富集關(guān)系Fig.14 Relationship between activity intensity of late active source-reaching fault (source-reaching extensional-strike slip superimposed fault) and hydrocarbon accumulation

4 結(jié) 論

疊合走滑斷層為花狀構(gòu)造與鏟式正斷層的疊加，具體為北北東向郯廬走滑斷裂帶與北西西-近東西向伸展斷裂在不同構(gòu)造部位的疊加，也指走滑斷裂、主干伸展斷裂及伴生的次級(jí)斷裂在時(shí)空上的復(fù)合疊加。通過凸起帶、凹陷帶和走滑帶的油氣成藏地質(zhì)條件和油氣成藏過程的對(duì)比研究，揭示了伸展-走滑疊合斷裂對(duì)油氣成藏的特殊控制作用，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：

a.演化控源：斷裂活動(dòng)控制地層沉降與可容納空間，從而制約了沉積中心和沉積相分布；隨著斷裂活動(dòng)不同時(shí)期的活動(dòng)性變化，進(jìn)而控制了烴源巖的形成與展布。即伸展-走滑疊合斷裂體系在不同時(shí)期的活動(dòng)強(qiáng)度，控制了凹陷的構(gòu)造演化與沉積充填和其烴源巖的形成與分布。

b.組合控圈：在凸起帶發(fā)育的巖性-地層圈閉主要是受正斷層的生長(zhǎng)控制而形成的，受長(zhǎng)期活動(dòng)伸展斷裂的影響，在斷層面下凹與逆牽引變形控制下，形成大規(guī)模斷背斜圈閉。在凹陷帶發(fā)育的掀斜斷塊，受伸展斷裂的影響，斷裂生長(zhǎng)處斷距較小，從而導(dǎo)致圈閉規(guī)模一般較小；而走滑帶內(nèi)部發(fā)育的扭斷背斜圈閉，其疊覆區(qū)在右旋剪切變形過程中增壓隆升，形成斷背斜圈閉；在伸展-走滑疊合區(qū)域發(fā)育的長(zhǎng)期走滑斷層與張扭斷層，控制斷塊圈閉的形成，局部構(gòu)造高點(diǎn)形成斷背斜圈閉，即伸展-走滑疊合斷裂體系在不同構(gòu)造帶內(nèi)對(duì)圈閉的類型和規(guī)模起控制作用。