高郵凹陷陳堡走滑逆斷層的確定及其油氣意義

王正,吳林,陳清華,程祥

(1.北京斯堪帕維科技有限公司，北京 100101；2. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；3. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

中新生代以來(lái)，受西太平洋構(gòu)造板塊俯沖及后撤影響，中國(guó)東部發(fā)育松遼、渤海灣、蘇北-南黃海等一系列斷陷盆地群，石油資源豐富，長(zhǎng)期肩負(fù)著國(guó)家能源安全的重要使命(Liu Yin et al.，2017；劉寅等，2014)。蘇北盆地地處中國(guó)經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的長(zhǎng)江三角洲經(jīng)濟(jì)帶，是下?lián)P子板塊、華北板塊、太平洋板塊的交匯地帶，西北側(cè)以郯廬斷裂帶與華北板塊相鄰，東側(cè)與太平洋板塊相鄰，構(gòu)造位置特殊，深部動(dòng)力背景多樣(吳林等，2015)。作為蘇北盆地面積最大、油氣最富集的構(gòu)造單元，高郵凹陷中新生界斷裂非常發(fā)育，傳統(tǒng)認(rèn)為凹陷邊界的真武、吳堡斷裂體系均表現(xiàn)為伸展背景下的正斷層，關(guān)于這些斷裂系統(tǒng)的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征研究較為成熟(劉寅等，2014；吳林等，2017)。然而，高郵凹陷晚白堊世以來(lái)伸展方向經(jīng)歷NW—NS—NW的轉(zhuǎn)換，控制邊界斷裂體系多期斜向伸展與走滑作用(吳林等，2017)，形成走滑正斷層類型及相關(guān)圈閉，但還沒(méi)有擠壓類構(gòu)造及圈閉的報(bào)道。而處于郯廬斷裂帶另一側(cè)的渤海灣中新生代斷陷盆地中已發(fā)現(xiàn)有擠壓走滑相關(guān)構(gòu)造，如遼河凹陷冷家堡油田、黃驊凹陷孔店凸起、東營(yíng)凹陷樁海地區(qū)等，均與油氣分布密切相關(guān)(汪澤成等，1998；張明振等，2006)。因此，本次以高郵凹陷陳堡地區(qū)為對(duì)象，利用最新三維地震數(shù)據(jù)識(shí)別一條走滑逆斷層，精細(xì)解析該斷層的空間形態(tài)、活動(dòng)特征及其成因機(jī)制，明確其油氣意義，給高郵凹陷構(gòu)造圈閉評(píng)價(jià)帶提供新的思路。

1 地質(zhì)概況

高郵凹陷發(fā)展于晚白堊世儀征運(yùn)動(dòng)，為典型的中、新生代斷陷盆地，其屬于蘇北盆地認(rèn)識(shí)程度較高的次級(jí)含油單元(圖1a)，凹陷結(jié)構(gòu)為典型的南斷北超。中生代時(shí)期，由板塊碰撞引起的區(qū)域推覆作用使高郵凹陷基底形成了真武斷裂(陳莉瓊等，2009；唐旭等，2021；戴俊生等，2011；吳林等，2015)。晚白堊世泰州組時(shí)期，區(qū)域拉張應(yīng)力場(chǎng)使真武斷裂復(fù)活并發(fā)生微弱活動(dòng)，東部繼承性演化為吳①斷層。古近紀(jì)時(shí)期，吳②斷層強(qiáng)烈活動(dòng)，成為南部控凹邊界斷層，同時(shí)發(fā)育了一系列次級(jí)斷層。吳①斷層、吳②斷層及周圍次級(jí)斷層共同組成走向?yàn)镹E的吳堡斷裂帶，南鄰吳堡低凸起，北鄰高郵凹陷深凹帶，斷層傾向?yàn)镹W，呈臺(tái)階狀北掉(丁建榮等，2018)(圖1b、圖1c)。因此，吳①斷層為一級(jí)斷層，吳②斷層為二級(jí)斷層，周圍次級(jí)斷層為三級(jí)斷層，其中三級(jí)斷層非常發(fā)育，相互切割或終止于一、二級(jí)斷層，這些斷層垂向位移大于平面位移，總體表現(xiàn)為走滑正斷層(吳林等，2017)。地層從新到老依次是：第四系東臺(tái)組(Qd)、新近系鹽城組(N2y)、古近系三垛組(E2s)、戴南組(E2d)、阜寧組(Elf)、上白堊統(tǒng)泰州組(K2t)，三垛組晚期該區(qū)整體抬升、剝蝕，缺失漸新統(tǒng)。高郵凹陷由多個(gè)次級(jí)凹陷組成，包括陳堡油田南側(cè)的劉五舍次凹，沉積阜寧組湖相泥頁(yè)巖烴源巖，上覆巨厚的古近系砂礫巖是該區(qū)主要儲(chǔ)層，通過(guò)斷裂溝通油源和儲(chǔ)層(陳清華等，2015)。

陳堡油田是高郵凹陷南部重要油氣區(qū)(圖1c)，目前已有百余口鉆井，陳2、陳3斷塊共探明含油面積3.6 km2，探明地質(zhì)儲(chǔ)量1.6萬(wàn)t。針對(duì)有利目標(biāo)的精細(xì)構(gòu)造解析是該區(qū)增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要手段。

圖1 高郵凹陷陳堡油田構(gòu)造位置圖Fig.1 The geographical location map of the Chenbao oilfield of the Gaoyou Sag

2 走滑逆斷層精細(xì)解析

2.1 使用資料與解釋方法

2.2 幾何學(xué)特征

圖2 陳堡油田陳堡走滑逆斷層(F)發(fā)育特征Fig.2 Development characteristics of chenbao strike-thrust fault (F) in Chenbao oilfield

圖3 陳堡走滑逆斷層(F)斷面空間形態(tài)Fig.3 Section profile of Chenbao strike-thrust fault(F)

圖4 陳堡走滑逆斷層時(shí)間切片F(xiàn)ig.4 Time slice of strike-thrust fault in Chenbao oilfield

2.3 斷層活動(dòng)強(qiáng)度

研究表明，陳堡走滑逆斷層為同沉積斷層。目前同沉積斷層活動(dòng)性分析的主要表征參數(shù)包括斷層落差、活動(dòng)速率、生長(zhǎng)指數(shù)等(雷寶華，2012；王有功等，2014)。由于該斷層走滑量相對(duì)較小(圖4)，同時(shí)考慮到與吳①斷層進(jìn)行對(duì)比分析，本次選取斷層生長(zhǎng)指數(shù)表征斷層活動(dòng)性。斷層生長(zhǎng)指數(shù)定義為斷層的上盤厚度與下盤厚度之比，生長(zhǎng)指數(shù)>1，表明斷層為正斷層；生長(zhǎng)指數(shù)<1，表明斷層為逆斷層。并且生長(zhǎng)指數(shù)越接近1，表明斷層活動(dòng)程度越弱(圖5)。

圖5 吳①斷層和陳堡走滑逆斷層的斷層生長(zhǎng)指數(shù)Fig.5 Fault growth index of Wu ① fault and Chenbao strike-thrust fault

根據(jù)圖5分析可得。陳堡走滑逆斷層活動(dòng)開(kāi)始于晚白堊世泰州組沉積時(shí)期，古近紀(jì)阜一段至阜三段時(shí)期，斷層生長(zhǎng)指數(shù)不斷減小，最低達(dá)到0.65，表明在該時(shí)期，逆斷層活動(dòng)逐漸增強(qiáng)。從阜四段開(kāi)始，生長(zhǎng)指數(shù)逐漸增大，在三垛組沉積時(shí)期達(dá)到0.95，逆斷層活動(dòng)程度逐漸減弱，并停止斷層活動(dòng)。吳①斷層與陳堡走滑逆斷層活動(dòng)開(kāi)始時(shí)間基本一致，斷層活動(dòng)時(shí)期處于阜寧組、戴南組沉積時(shí)期，并且存在2個(gè)活動(dòng)高峰，分別為阜二段(生長(zhǎng)指數(shù)1.5)和戴南組沉積時(shí)期(生長(zhǎng)指數(shù)2.0)，三垛組以后斷層活動(dòng)性明顯減弱，并停止斷層活動(dòng)。

通過(guò)對(duì)于斷層活動(dòng)的分析研究，吳①斷層活動(dòng)強(qiáng)度明顯高于陳堡走滑逆斷層，并且斷層活動(dòng)時(shí)間上，吳①斷層跨越沉積時(shí)期也要長(zhǎng)于陳堡走滑逆斷層。但是在2條斷層活動(dòng)都比較劇烈的阜寧組時(shí)期，2條斷層呈現(xiàn)出互補(bǔ)的趨勢(shì)，相互影響作用強(qiáng)烈。從圖6分析得知，陳堡走滑逆斷層在東西向不同測(cè)線上，生長(zhǎng)指數(shù)均呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，逆斷層活動(dòng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，這也是受吳①斷層活動(dòng)的控制的結(jié)果。

圖6 陳堡走滑逆斷層不同測(cè)線斷層生長(zhǎng)指數(shù)(測(cè)線自東向西均勻分布)Fig.6 Fault growth index of different lines in Chenbao strike-thrust fault(The survey line is evenly distributed from east to West)

2.4 斷層成因機(jī)制

20世紀(jì)90年代開(kāi)始，關(guān)于中國(guó)東部油氣區(qū)的逆斷層成因機(jī)制研究逐漸開(kāi)始(羅群，2000；楊克繩等，1985；王同和，1988)，大致分為4種成因：走滑誘導(dǎo)、重力滑動(dòng)、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化、流體推擠。其中，前兩類為主要成因類型，目前報(bào)道有松遼盆地遼河坳陷冷家堡逆斷層(吳林等，2017；羅群，2000)和渤海灣盆地冀中坳陷馬西逆斷層(楊克繩等，1985；王同和，1988)。事實(shí)上，蘇北盆地也有逆斷層報(bào)道，即金湖凹陷銅城斷層。銅城斷層北段為逆斷層，南段為正斷層，斷層走向?yàn)镹S，斷層性質(zhì)沿走向出現(xiàn)變化，可見(jiàn)有花狀構(gòu)造，因此銅城斷層北段逆斷層屬于走滑誘導(dǎo)成因(能源等，2012)，陳堡走滑逆斷層屬于走滑誘導(dǎo)與重力滑動(dòng)共同成因。重力滑動(dòng)成因逆斷層是指由于沉積、沉降等原因使半固結(jié)成層的沉積物在重力作用下整體沿?cái)鄬踊瑒?dòng)、后方逆沖所形成的構(gòu)造(王同和，1988)。

首先，區(qū)域應(yīng)力環(huán)境是陳堡走滑逆斷層的構(gòu)造背景。前人研究表明，印支期下?lián)P子板塊與華北板塊拼貼碰撞，包括高郵凹陷在內(nèi)的蘇北盆地深部形成一系列走向NE、傾向NW的疊瓦式逆沖斷層(圖7)(朱光等，2013；練銘祥等，2001)。這些逆沖斷層形成蘇北盆地的基底斷層，控制著次級(jí)凹陷的形成演化，這是高郵凹陷邊界(包括吳①斷層)呈NE走向的主要原因。燕山期，受控于太平洋板塊NNW向俯沖于歐亞板塊之下，高郵凹陷處于弧后擴(kuò)張環(huán)境，處于NW—NS向的區(qū)域伸展作用中，早期逆沖斷層發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)(練銘祥等，2001)，在淺部直接繼承形成邊界控凹正斷層(如吳①斷層)，同時(shí)也會(huì)形成新生的階梯式次級(jí)正斷層(如F2斷層)。由于高郵凹陷伸展方位經(jīng)歷NW—NS—NW轉(zhuǎn)變過(guò)程，吳①斷層及次級(jí)斷層發(fā)生斜滑作用，形成平面斜交式、剖面Y型的斷層組合樣式(圖1、圖2)，因此陳堡地區(qū)具有走滑應(yīng)力環(huán)境。

圖7 陳堡走滑逆斷層成因解釋Fig.7 Genetic interpretation of Chenbao strike-thrust fault

其次，長(zhǎng)期的重力滑動(dòng)是陳堡走滑逆斷層的直接原因。晚白堊世以來(lái)，由于長(zhǎng)期的區(qū)域斜向伸展作用，陳堡地區(qū)邊沉積邊沉降。在部分?jǐn)鄬?F2)上盤，靠近斷層一側(cè)沉積物向下滑動(dòng)，而遠(yuǎn)離斷層一側(cè)沉積物由于調(diào)節(jié)應(yīng)變量而向上滑動(dòng)，由于相鄰吳①斷層上盤沉積物的重力較大，陳9斷塊向上滑動(dòng)的沉積物難以克服，并不斷受到擠壓，當(dāng)擠壓力超過(guò)巖層強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生破裂，形成了與F2斷層傾向相反的逆斷層F。在重力作用下，這種斷層很容易沿破裂軟弱面快速逆沖(羅群等，2000)，因此重力滑動(dòng)是陳堡走滑逆斷層的重要成因。

3 走滑逆斷層的油氣意義

根據(jù)地質(zhì)資料解釋的結(jié)果，受地質(zhì)構(gòu)造的影響，陳堡地區(qū)主要存在斷塊、斷鼻等油氣藏。陳3斷塊已部署開(kāi)發(fā)井100余口，開(kāi)發(fā)效果良好。同沉積構(gòu)造作用下的陳堡走滑逆斷層，位于陳2、陳3富油斷塊的鄰部，控制陳9斷塊油氣儲(chǔ)集，因此陳堡走滑逆斷層的研究對(duì)油氣勘探具有重要的指導(dǎo)意義。

3.1 走滑逆斷層控制了烴源巖形成

前人研究認(rèn)為，包括陳9斷塊在內(nèi)的陳堡油田油氣主要來(lái)源于高郵凹陷北部的劉五舍次凹阜二段烴源巖(陳莉瓊等，2009；陳清華等，2015；邱貽博等，2007)，而吳①斷層和陳堡走滑逆斷層臨近生烴凹陷，在阜二段—阜四段時(shí)期斷層活動(dòng)性最強(qiáng)，逆斷層的活動(dòng)時(shí)間與烴源巖形成時(shí)間一致，且為同沉積斷層，因此陳堡走滑逆斷層控制著烴源巖形成。

3.2 走滑逆斷層控制了油氣運(yùn)移成藏

斷層分布、封閉性等是油氣運(yùn)聚分析的重要內(nèi)容(姜素華等，2004；黃小青等，2020)。陳堡走滑逆斷層的幾何學(xué)研究表明，逆斷層傾角大，向南傾斜，指向臨近的劉五舍次凹烴源巖，位于陳堡油田與生烴中心之間，有利于陳堡油田的油氣運(yùn)移。同時(shí)，陳堡走滑逆斷層封閉能力較強(qiáng)。三垛組沉積時(shí)期是陳堡油田大規(guī)模油氣運(yùn)移期，此時(shí)吳①斷層持續(xù)活動(dòng)，斷層封閉性較差，南部劉五舍次凹油氣沿NE走向的吳①斷層向高部位的陳9斷塊運(yùn)移(圖8)，而陳堡逆走滑斷層已停止活動(dòng)，封閉性較好。三垛運(yùn)動(dòng)后，吳①斷層和陳3斷層兩盤均為砂泥巖對(duì)接，封閉性較好(邱貽博等，2007)。因此在斷層和構(gòu)造形態(tài)的雙重作用下，受陳堡走滑逆斷層、吳①斷層、陳3斷層共同控制，陳9斷塊中油氣易被遮擋而聚集成藏。

圖8 陳堡油田陳9斷塊反射層構(gòu)造圖Fig.8 Structural map of reflector in Chen 9 fault block of Chenbao Oilfield

3.3 走滑逆斷層控制了有利構(gòu)造圈閉

4 結(jié)論

(1)在高郵凹陷構(gòu)造特征研究中已有伸展、走滑構(gòu)造的論述，但關(guān)于走滑逆斷層的報(bào)道尚屬首次，在今后的研究工作中值得注意。

(3)陳堡走滑逆斷層對(duì)烴源巖、油氣運(yùn)移、圈閉發(fā)育都具有一定的控制作用。根據(jù)構(gòu)造解釋結(jié)果評(píng)價(jià)了陳9斷塊有利圈閉，其平面投影面積為1.85 km2。逆斷層控制下的有利圈閉的發(fā)現(xiàn)為研究區(qū)油氣勘探提供了新的方向。