渤海遼西低凸起南傾沒端前古近系斷裂特征及對(duì)潛山地層控制作用*

楊帆 陳宇航 張新濤 余一欣 柳永軍 張震 牛月萌

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院 北京 102249；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司勘探開發(fā)研究院 陜西西安 710018；4.中海石油（中國(guó)）有限公司勘探部 北京 100010；5.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司 天津 300459）

“潛山”一詞自Powers［1］首次提出到現(xiàn)今其概念已經(jīng)發(fā)生了較大變化，目前一般將那些被新的沉積地層覆蓋、且與新的沉積地層之間以不整合面為界的較老地層的隆起均視為潛山［2］。潛山已逐漸成為重要的油氣勘探目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了眾多儲(chǔ)量可觀的潛山油氣藏［3-4］。在影響潛山油氣成藏的地質(zhì)因素中，斷裂變形及其發(fā)育期次對(duì)潛山油氣藏的形成具有重要意義，能對(duì)潛山圈閉有效性、儲(chǔ)層物性以及油氣運(yùn)移等產(chǎn)生重要影響［5-7］，特別是在油氣的垂向運(yùn)移中尤為重要［8-9］。

渤海地區(qū)歷經(jīng)多年勘探，已在新生界內(nèi)發(fā)現(xiàn)了蓬萊19-3、墾利6-1、渤中8-4、渤中29-6、渤中36-1等多個(gè)大中型油氣田［10-11］。近年來隨著勘探工作逐漸向深層轉(zhuǎn)移，在前古近系潛山領(lǐng)域也獲得了多個(gè)重要突破，先后發(fā)現(xiàn)了錦州25-1S、蓬萊9-1、渤中19-6和渤中13-2等多個(gè)億噸級(jí)油氣田，特別是渤中19-6和渤中13-2大型潛山油氣田的發(fā)現(xiàn)在渤海灣盆地的油氣勘探歷史上具有重要意義，并使環(huán)渤中凹陷潛山構(gòu)造帶成為勘探熱點(diǎn)領(lǐng)域［4，12-14］。遼西低凸起南傾沒端位于渤中凹陷北部，近些年針對(duì)前古近系潛山目標(biāo)鉆探了多口鉆井，并在中生界測(cè)試獲得高產(chǎn)油氣流［15］，展現(xiàn)了遼西低凸起南傾沒端潛山油氣勘探的良好前景。但由于前古近系潛山埋深一般都較大，井位部署風(fēng)險(xiǎn)高，潛山深層相關(guān)資料匱乏，國(guó)內(nèi)外缺少公開發(fā)表的有關(guān)遼西低凸起南段前古近系潛山形成演化過程、斷裂發(fā)育特征以及斷裂對(duì)潛山地層發(fā)育和控制作用等方面的相關(guān)文獻(xiàn)，限制了對(duì)該地區(qū)潛山油氣成藏規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

本文結(jié)合鉆井資料、三維地震資料解釋及區(qū)域構(gòu)造演化背景，分析了遼西低凸起南傾沒端前古近系潛山內(nèi)部斷裂發(fā)育特征，厘清了前古近系斷裂變形特征、活動(dòng)期次及其平面展布特征，分析前古近系斷裂對(duì)潛山地層發(fā)育的控制作用，擬為該地區(qū)的潛山油氣勘探實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤海灣盆地位于中國(guó)華北地區(qū)東北部，總體呈NNE向展布，由一系列NNE向和NE向的坳陷及位于其間的隆起組成，包括陸地和海域兩部分。渤海灣盆地是典型的新生代裂陷盆地［16］，盆地基底歷經(jīng)印支期和燕山期的改造，后期疊加喜山期強(qiáng)烈的伸展和走滑作用，從而形成現(xiàn)今的盆地格局。從區(qū)域大地構(gòu)造位置來看，華北克拉通處于古亞洲洋、特提斯洋和太平洋三大構(gòu)造域的交互部位，渤海灣盆地處于華北板塊東部邊緣，位于太平洋板塊和華北板塊的交接處，是華北克拉通破壞的產(chǎn)物［17］。

遼西低凸起位于渤海遼東灣坳陷西南部，整體呈NE向展布，其南部以SW向向凹陷內(nèi)逐漸傾沒。遼西低凸起南傾沒端南、北分別被渤中凹陷和秦南凹陷圍限，西接石臼坨凸起東部428構(gòu)造帶（圖1a）。遼西低凸起南傾沒端位于構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈部位，NE向遼西走滑斷裂帶和NW向秦皇島-旅順斷裂帶在此部位發(fā)生交匯，是渤海一級(jí)構(gòu)造變換帶發(fā)育區(qū)［18］。在不同時(shí)期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響下，遼西低凸起南傾沒端前古近系潛山地層經(jīng)歷了復(fù)雜的建造和改造作用，表現(xiàn)出不同的展布特征，并形成了復(fù)雜的斷裂體系［19］。根據(jù)已鉆井資料以及地震相特征（圖2），研究區(qū)前古近系潛山地層自下而上依次為：太古界混合花崗巖、古生界寒武—奧陶系碳酸鹽巖和石炭—二疊系碎屑巖、中生界侏羅系碎屑巖和白堊系火山巖（圖1b）。地震剖面上（圖2），太古界整體表現(xiàn)為雜亂、弱振幅反射；古生界地震反射特征清晰，下古生界碳酸鹽巖成層性較好，表現(xiàn)為強(qiáng)振幅、連續(xù)層狀反射特征（圖1b），上古生界碎屑巖表現(xiàn)為弱振幅、較連續(xù)反射特征；中生界碎屑巖地震剖面上典型地震響應(yīng)特征為中—強(qiáng)振幅、較連續(xù)反射，中生界火山巖對(duì)應(yīng)雜亂、中—弱振幅、差連續(xù)性反射特征。

圖1 渤海遼西低凸起南傾沒端構(gòu)造位置及潛山地層綜合柱狀圖Fig.1 Structural location and comprehensive histogram of buried hill strata map of the south pitching end of the Liaoxi low uplift

圖2 渤海遼西低凸起南傾沒端合成記錄標(biāo)定及反射特征對(duì)比（剖面位置見圖1）Fig.2 Synthetic seismic record and seismic reflection features contrast of the south pitching end of the Liaoxi low uplift（see Fig.1 for line location）

2 斷裂發(fā)育特征

2.1 斷裂類型及剖面特征

依據(jù)研究區(qū)鉆遇潛山地層的典型鉆井資料（表1），對(duì)潛山內(nèi)幕地層進(jìn)行地震層位標(biāo)定，再根據(jù)標(biāo)定地層的地震相特征，對(duì)全區(qū)的潛山內(nèi)幕地層開展地震資料解釋。解釋結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育負(fù)反轉(zhuǎn)斷裂、伸展-走滑復(fù)合斷裂和伸展斷裂。

表1 遼西低凸起南傾沒端典型鉆井資料統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical of typical drilling data at the south pitching end of the Liaoxi low uplift

1）負(fù)反轉(zhuǎn)斷裂：研究區(qū)由于歷經(jīng)印支期擠壓作用疊加后期伸展作用，斷裂活動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)反轉(zhuǎn)前地層的改造作用強(qiáng)，對(duì)反轉(zhuǎn)后地層的沉積控制作用明顯。該類斷裂在剖面上保留有明顯的構(gòu)造反轉(zhuǎn)現(xiàn)象（圖3）。古生界經(jīng)過擠壓-剝蝕-伸展埋藏作用，與改造其的斷裂組合成禿底-薄底構(gòu)造。負(fù)反轉(zhuǎn)斷裂后期持續(xù)性活動(dòng)切至新生界，整體組合呈疊瓦式構(gòu)造樣式。

圖3 遼西低凸起南傾沒端典型地震剖面（剖面位置見圖1）Fig.3 Typical seismic profiles through the south pitching end of the Liaoxi low uplift（see Fig.1 for line location）

2）伸展-走滑復(fù)合斷裂：該類型斷層均貫穿新生界至古生界，延伸至太古界，剖面形態(tài)上陡下緩、延伸距離長(zhǎng)、順走向斷距變化較大，產(chǎn)狀高陡，數(shù)量稀少，對(duì)中、新生界控制作用明顯，淺層發(fā)育較為密集的次生正斷層，整體組合為似花狀構(gòu)造樣式（圖3）。

3）伸展斷裂：區(qū)內(nèi)伸展斷裂發(fā)育，新生界伸展斷裂發(fā)育密集且產(chǎn)狀高陡，平均傾角可達(dá)70°，斷面基本以板式為主，絕大多數(shù)在剖面和平面上延伸長(zhǎng)度較短，基本上屬于層內(nèi)斷裂，只在構(gòu)造邊界存在控新生界沉積的邊界大斷裂，邊界大斷裂上多發(fā)育反向調(diào)節(jié)正斷層，與主干斷層組合成“Y”字型；中生界層內(nèi)正斷層多以鏟式為主，斷層自下而上傾角變化大，介于20°～60°之間。由于中生界伸展作用強(qiáng)烈，斷塊發(fā)生旋轉(zhuǎn)，剖面上呈多米諾式，大多數(shù)切穿古生界，向下延伸至太古界，向上延伸至新生界底部（圖3）。

2.2 斷裂平面展布特征

遼西低凸起南傾沒端前古近系潛山地層主要發(fā)育三組不同走向的斷層，分別是NW向、NE—NNE向以及NE—NEE向。

NW向斷裂主要分布在遼西低凸起南傾沒端南部以及秦南凹陷西南部，平面延伸距離較長(zhǎng)，延伸方向較為穩(wěn)定，各條斷裂之間近乎平行。NW向斷裂在潛山頂面（T8反射層）已經(jīng)沒有斷距顯示，說明其為潛山內(nèi)幕斷裂，非長(zhǎng)期發(fā)育斷層。同時(shí)，NW向與NE—NNE向斷裂之間具有明顯的截切關(guān)系（圖4a）。

NE—NNE向斷裂主要分布在遼西低凸起南傾沒端以及秦南凹陷與南傾沒端邊界，平面樣式主要以平行式、斜交式為主（圖4a、b），秦南1號(hào)與秦南3號(hào)在1 000 ms相干切片上，具有雁列式和馬尾式組合樣式（圖4c），指示其長(zhǎng)期發(fā)育的特點(diǎn)，并在后期具有走滑性質(zhì)，區(qū)內(nèi)其他NE—NEE向斷層則以伸展性質(zhì)為主。

圖4 遼西低凸起南傾沒端潛山內(nèi)部不同層位斷裂分布Fig.4 Distribution of faults on different layers of buried hill at the south pitching end of the Liaoxi low uplift

NE—NEE向斷裂平面展布多以小規(guī)模為主，但是斷裂密度大，發(fā)育部位集中，斷裂走向變化不大，在1 000 ms相干切片上走向更為穩(wěn)定，形態(tài)更為平直。

2.3 斷裂活動(dòng)期次劃分

基于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)和斷裂平面發(fā)育特征，結(jié)合斷裂兩盤地層發(fā)育情況，可以將遼西低凸起南傾沒端斷裂主要活動(dòng)期次劃分為印支期、燕山早期、燕山中期、燕山晚期以及喜山期等5個(gè)階段。

1）印支期（T1-3）。

印支期進(jìn)入華北克拉通破壞階段［20］，華南板塊與華北板塊剪刀式閉合［21］，從而使渤海灣盆地處于強(qiáng)烈的擠壓環(huán)境中，產(chǎn)生NE—SW向擠壓應(yīng)力，在遼西低凸起南傾沒端和秦南凹陷西南區(qū)域共產(chǎn)生兩組NW向逆沖推覆斷層體系（圖4a）。剖面可見斷層上盤古生界向靠近斷裂一側(cè)發(fā)生減薄或被剝蝕殆盡，上覆較厚中生界，說明中生界沉積前（印支期）斷層發(fā)生逆沖推覆，導(dǎo)致上盤古生界遭受剝蝕（圖5a）。

2）燕山早期（J1—J2）。

太平洋板塊以NWW向向華北板塊高角度俯沖［22］，產(chǎn)生NWW—SEE向擠壓應(yīng)力，郯廬斷裂系統(tǒng)在該期發(fā)生左旋走滑作用［23-24］，整個(gè)渤海地區(qū)處于左旋壓扭的應(yīng)力場(chǎng)［25］，生成NE—NNE向的具有弱逆沖性質(zhì)的走滑斷層［23］，使部分與逆沖走滑斷層斜交的印支期逆沖斷層發(fā)生反轉(zhuǎn)，沉積中下侏羅統(tǒng)（圖5a），并且將印支期NW向先存斷裂切割為多段（圖4a）。

3）燕山中期（J3—K21）。

燕山中期，太平洋板塊以SEE—NWW方向向華北板塊加速俯沖，導(dǎo)致深部巖漿開始上涌，火山活動(dòng)活躍，巖石圈發(fā)生拆離作用，達(dá)到巖石圈減薄的峰期［26］，巖漿的側(cè)向?qū)α饕约皫r石圈的拆離作用［27］，產(chǎn)生NW—SE向伸展應(yīng)力，形成一系列NE—NNE向正斷層，在剖面上多表現(xiàn)為鏟式正斷層特征（圖5b），同時(shí)印支期的逆沖斷裂發(fā)生反轉(zhuǎn)（圖5a），與燕山中期形成的鏟式正斷層共同控制了中生界沉積（圖5b）。

4）燕山晚期（K2）。

燕山晚期，古太平洋板塊以NWW方向向華北板塊低速俯沖，此時(shí)巖漿活動(dòng)歸于平靜，重新生成新的巖石圈［28］，產(chǎn)生NW—SE向?yàn)橹鞯膮^(qū)域性擠壓應(yīng)力，研究區(qū)整體以擠壓作用為主，局部擠壓高部位中生界遭受完全剝蝕。中生界頂面存在明顯的削截特征，是燕山晚期擠壓作用的有力證據(jù)（圖5c）。

5）喜山期（E至今）。

喜山期，歐亞板塊受太平洋板塊低速俯沖和印度板塊高速俯沖的共同作用下，渤海灣盆地軟流圈上涌［29］，產(chǎn)生NW—SE向強(qiáng)伸展作用，形成新的NE—NEE向斷裂體系，盆地進(jìn)入新生代裂陷沉積階段。同時(shí)燕山期部分?jǐn)嗔鸦罨憩F(xiàn)出伸展-走滑性質(zhì)，在新生界層內(nèi)形成似花狀構(gòu)造（圖5c），燕山期鏟式正斷層控制新生代早期地層沉積，之后停止活動(dòng)遭受深埋（圖5b）。

圖5 遼西低凸起南傾沒端斷裂剖面特征（剖面位置見圖1）Fig.5 Characteristics of fault at the south pitching end of the Liaoxi low uplift（see Fig.1 for lines locations）

3 斷裂對(duì)潛山地層發(fā)育的影響

3.1 潛山地層發(fā)育特征

基于遼西凸起南傾沒端三維地震資料的精細(xì)解釋和全區(qū)構(gòu)造-地層格架的搭建（圖2、3、5），明確遼西低凸起南傾沒端古生界存在較大面積缺失，缺失部位在剖面和平面上都具有一定的規(guī)律性。古生界穩(wěn)定發(fā)育區(qū)，厚度200～300 ms，在古生界遭受改造剝蝕區(qū)域的負(fù)反轉(zhuǎn)斷裂的上盤，古生界厚度隨著距負(fù)反轉(zhuǎn)斷裂越近，厚度的減薄現(xiàn)象越明顯，直至缺失（圖3、5a）；平面上，古生界缺失區(qū)域均處于印支期NW向斷裂體系所影響的部位（圖6a）。中生界在研究區(qū)內(nèi)展布穩(wěn)定，僅在局部隆起存在部分缺失，絕大多數(shù)剖面上中生界厚度在500 ms左右，最大厚度可達(dá)1 000 ms（圖5b），且越靠近斷裂中生界厚度越大（圖5c）；平面上，中生界僅在遼西低凸起南段主體部位和石臼坨凸起428構(gòu)造帶隆起高部位缺失（圖6b）。進(jìn)入喜山期后，研究區(qū)內(nèi)潛山不再遭受強(qiáng)烈的剝蝕改造，地層分布趨于穩(wěn)定。

圖6 遼西低凸起南傾沒端古地質(zhì)圖Fig.6 Paleo-geological maps at the south pitching end of the Liaoxi low uplift

3.2 斷裂對(duì)潛山地層的控制作用

渤海灣盆地位于華北克拉通破壞的核心區(qū)域，形成于華北克拉通東部地塊之上的中、新生代盆地［17，20，23］。印支期，華南板塊與華北板塊剪刀式閉合過程中，區(qū)域應(yīng)力機(jī)制為NE—SW向擠壓，形成一系列NW向逆沖推覆斷裂，控制了古生界的分布以及潛山雛形的發(fā)育［20，23-24，28］。渤海海域燕山運(yùn)動(dòng)（侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)）階段，先后經(jīng)歷了擠壓-伸展-再擠壓構(gòu)造演化過程，期間伴有強(qiáng)烈的火山活動(dòng)［24-25，27-28］。燕山早期（早—中侏羅世）NW—SE向擠壓形成NE向左行壓扭走滑斷裂，該階段形成的斷裂多改造印支期古構(gòu)造格局。燕山中期（晚侏羅—早白堊世）受強(qiáng)烈的NW—SE向伸展作用，區(qū)域進(jìn)入裂陷階段，先存逆沖斷裂發(fā)生反轉(zhuǎn)與新生NE向主干斷裂共同控制中生界沉積。燕山晚期（晚白堊世）受NW—SE向擠壓作用影響，該階段區(qū)域局部隆升造成古背斜頂部中生界被剝蝕［24-28］。渤海地區(qū)在新生代受太平洋板塊向歐亞板塊俯沖的影響，先后經(jīng)歷了伸展-走滑復(fù)合疊加改造的過程［25］。

斷裂發(fā)育與演化往往都伴隨著地層的發(fā)育和改造［30-31］。遼西低凸起南傾沒端不同活動(dòng)期次的斷層對(duì)潛山地層的展布具有不同的影響。根據(jù)印支期古生界展布特征（圖6a）與斷裂期次的匹配關(guān)系，明確印支期兩組NW向斷裂對(duì)研究區(qū)及鄰區(qū)的古生界改造起主要作用，古生界缺失部位均處于印支期逆沖斷裂的上盤沖起部位，初期擠壓作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致沖起程度大，致使古生界完全剝蝕，后期擠壓作用減弱導(dǎo)致沖起程度變小，剝蝕部分古生界。同時(shí)，印支期斷裂的末端區(qū)域古生界逆沖幅度低，使得古生界得以保存（圖7a）；燕山早期NW向壓扭作用下，將印支期斷裂切割為多段，導(dǎo)致秦南凹陷中的古生界遭受一定程度的剝蝕，并使得部分區(qū)域的印支期斷裂發(fā)生反轉(zhuǎn)，接受中生界沉積（圖7b）；燕山中期NW向伸展作用下，生成新的NNE向伸展斷裂體系，同時(shí)印支期逆沖斷裂發(fā)生負(fù)反轉(zhuǎn)，全區(qū)沉積中生界，并且在負(fù)反轉(zhuǎn)部位沉積相對(duì)較厚的中生界（圖7c）；燕山晚期NW向擠壓作用下，部分燕山中期伸展斷裂發(fā)生正反轉(zhuǎn)，使得局部區(qū)域中生界完全剝蝕（圖7d）；進(jìn)入喜山期后，盆地進(jìn)入斷陷沉積階段，產(chǎn)生眾多淺層伸展斷裂（圖7e），對(duì)潛山地層改造作用較弱。

圖7 遼西低凸起南傾沒端前古近系斷裂演化模式Fig.7 Evolution models of the pre-Paleogene faults at the south pitching end of the Liaoxi low uplift

3.3 油氣地質(zhì)意義

近年來渤中凹陷西南部渤中19-6和渤中13-2等大型潛山油氣田的發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了環(huán)渤中凹陷潛山油氣勘探的良好前景。本文研究區(qū)位于渤中凹陷北部，處于NE向、近EW向和NW向構(gòu)造體系的交匯部分，構(gòu)造變形及演化復(fù)雜，發(fā)育多個(gè)潛山構(gòu)造。通過系統(tǒng)分析前古近系斷裂發(fā)育特征，明確斷裂對(duì)潛山地層的控制作用，能為今后遼西低凸起南傾沒端潛山油氣勘探提供一定理論指導(dǎo)。

隨著渤海海域潛山油氣勘探研究不斷深入以及勘探力度的不斷加大，潛山油氣探明儲(chǔ)量占整個(gè)渤海海域潛山已發(fā)現(xiàn)油氣田探明儲(chǔ)量比重不斷增加。前人研究表明［32-33］，斷裂活動(dòng)對(duì)渤海海域潛山優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布有明顯的控制作用，裂縫發(fā)育程度與優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的形成密切相關(guān)，而斷裂活動(dòng)是裂縫發(fā)育的重要影響因素之一，明確斷裂演化過程對(duì)尋找研究區(qū)潛山潛在的油氣儲(chǔ)集單元具有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

1）遼西低凸起南傾沒端前古近系斷裂類型主要有負(fù)反轉(zhuǎn)斷裂、伸展-走滑復(fù)合斷裂和伸展斷裂，斷裂剖面組合樣式主要包括疊瓦式、似花狀、“Y”型以及多米諾式等，平面上主要呈NW向、NE—NNE向以及NE—NEE展布，平面組合樣式以平行式和斜交式為主。

2）遼西低凸起南傾沒端前古近系斷裂主要經(jīng)歷5期構(gòu)造活動(dòng)：印支期近NE—SW向擠壓，形成NW向逆沖推覆體系；燕山早期NWW—SEE向擠壓，形成NNE向走滑逆沖斷裂；燕山中期NW—SE向伸展，拆離作用誘導(dǎo)了強(qiáng)烈的伸展斷陷作用，形成一系列NE—NNE向伸展斷裂，同時(shí)使早期印支期NW向斷裂發(fā)生負(fù)反轉(zhuǎn)；燕山晚期NW—SE向擠壓，部分燕山中期斷裂發(fā)生正反轉(zhuǎn)；喜山期，進(jìn)入新生代斷陷沉積階段，部分燕山期斷裂持續(xù)性活動(dòng)表現(xiàn)出伸展-走滑性質(zhì)。

3）印支期逆沖斷裂對(duì)遼西低凸起南傾沒端及鄰區(qū)古生界起主要的剝蝕改造作用，局部擠壓強(qiáng)烈區(qū)域古生界完全剝蝕；燕山期早—中期逆沖斷裂發(fā)生反轉(zhuǎn)和新生成的伸展斷裂共同控制中生界沉積，燕山晚期擠壓作用下，局部區(qū)域中生界被剝蝕殆盡；喜山期斷裂對(duì)遼西低凸起南傾沒端潛山地層的改造作用較弱。