渤中凹陷石南一號(hào)斷層分段和演化特征及其油氣成藏控制作用*

王國(guó)強(qiáng) 張新濤 呂振宇 楊傳超

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300459; 2. 中海石油(中國(guó))有限公司勘探部 北京 100010)

石南一號(hào)斷層是渤海海域渤中凹陷北部具有重要勘探意義的斷層。到目前為止，在斷層上升盤石臼坨凸起區(qū)淺層明化鎮(zhèn)組下段和斷層下降盤陡坡帶的中深層古近系東營(yíng)組已發(fā)現(xiàn)若干個(gè)大中型油田。此外，沿著石南一號(hào)斷層兩側(cè)還有許多已發(fā)現(xiàn)的含油氣構(gòu)造以及勘探潛力較好的構(gòu)造圈閉或構(gòu)造—巖性圈閉，因此石南地區(qū)一直是渤中凹陷油氣勘探的熱點(diǎn)。前人從構(gòu)造特征、控制沉積等不同的角度對(duì)石南一號(hào)斷層進(jìn)行過(guò)研究，如從斷層不同段的構(gòu)造樣式出發(fā)，分析石南陡坡帶構(gòu)造—巖性復(fù)合圈閉的形成及分布規(guī)律[1]；通過(guò)石南陡坡帶“源—匯”體系定量表征研究，分析東三段砂礫巖儲(chǔ)層分布規(guī)律[2]；運(yùn)用斷層活動(dòng)速率法分析古近系石南斷層活動(dòng)特征及其對(duì)沉積相及油氣成藏的控制[3-5]等。前人對(duì)于石南一號(hào)斷層的研究多聚焦于某一段或是某一方面進(jìn)行，對(duì)全段整體的構(gòu)造特征、形成演化機(jī)制及其對(duì)油氣藏的控制作用目前尚缺乏系統(tǒng)的分析和認(rèn)識(shí)，值得進(jìn)一步研究。

在三維地震資料精細(xì)構(gòu)造解釋的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)刻畫了石南一號(hào)斷層的構(gòu)造樣式、分段特征等，分析了其活動(dòng)性、形成演化過(guò)程，探討了其成因機(jī)制，進(jìn)而分析了石南一號(hào)斷層對(duì)烴源巖發(fā)育、圈閉類型分布和油氣運(yùn)移的控制作用，為渤中凹陷北部斷層附近油氣勘探提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤中凹陷位于渤海海域中部，為渤海海域最大的生烴凹陷。前新生代基底經(jīng)歷了中生代印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)等多起構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，新生代以來(lái)的構(gòu)造演化經(jīng)歷裂陷期、裂后熱沉降期和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期三個(gè)階段，其中裂陷期又可分為古新世—早始新世的裂陷一期、中晚始新世的裂陷二期和漸新世的裂陷三期。渤中凹陷新生代沉積地層自下而上分別為古近系孔店組、沙河街組、東營(yíng)組，新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組及第四系平原組，沉積相類型上古近系以湖相、三角洲相及扇三角洲相為主，新近系以曲流河相、辮狀河相及淺水三角洲相為主，第四系為淺海相。石南一號(hào)斷層位于渤中凹陷北部，是渤中凹陷與石臼坨凸起之間的邊界斷層(圖1)。該斷層西起南堡凹陷附近，東至石臼坨凸起東傾末端，呈近東西走向，自西而東延伸約100 km。石南一號(hào)斷層在不同段的構(gòu)造樣式、斷層活動(dòng)性、成因模式均存在差異性，因此，石南一號(hào)斷層是一條復(fù)雜斷裂帶的統(tǒng)稱。

2 石南一號(hào)斷層分段特征

石南一號(hào)斷層位于北西向的張家口—蓬萊斷裂帶和北東向的郯廬斷裂帶交會(huì)的位置，受北西向左旋走滑和北東向右旋走滑兩種作用的影響。北西向左旋走滑作用主要影響斷層西段而北東向右旋走滑作用主要影響斷層?xùn)|段，并各自形成一個(gè)轉(zhuǎn)換帶，在轉(zhuǎn)換帶的位置斷層具有明顯的走滑伸展特征。據(jù)此，將石南一號(hào)斷層分為“三段兩帶”，其中“三段”為西段、中段和東段，“兩帶”為西轉(zhuǎn)換帶和東轉(zhuǎn)換帶(圖2)。石南一號(hào)斷層在不同的段或帶的構(gòu)造特征各不相同，西段和西轉(zhuǎn)換帶構(gòu)造最為復(fù)雜，東段次之，中段和東轉(zhuǎn)換帶構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖2 石南一號(hào)斷層平面疊合圖Fig.2 Plane superposition diagram of Shinan No.1 fault

2.1 西段

西段主干斷層為鏟式或坡坪式伸展斷層，斷穿基底且規(guī)模較大、長(zhǎng)期活動(dòng)，早期伴生斷層為若干產(chǎn)狀基本相同的順向正斷層，成階梯狀排列，晚期伴生斷層與主干斷層組成花狀構(gòu)造(圖3a)。平面上主干斷層呈弧形展布，展布方向自西向東由北西向逐漸轉(zhuǎn)為近東西向。由于受伸展作用和走滑作用的雙重影響，西段斷層的平面組合呈現(xiàn)多樣性，早期以耙式和平行式為主，晚期以北西向雁列式和斜列式為主(圖2)。

2.2 西轉(zhuǎn)換帶

西轉(zhuǎn)換帶為西段與中段轉(zhuǎn)換的部位，主干斷層剖面特征與西段類似，也為長(zhǎng)期活動(dòng)的鏟式伸展斷層，但活動(dòng)性較弱。伴生斷層在該轉(zhuǎn)換帶較少發(fā)育，早期為順向正斷層，晚期為反向正斷層(圖3b)。平面斷層組合上早期表現(xiàn)為首尾相接的北西向弧形組合樣式，晚期則為北西向的雁列式組合樣式(圖2)。

2.3 中段

中段主干斷層為板式正斷層，斷穿基底且規(guī)模較大、長(zhǎng)期活動(dòng)，早期伴生斷層欠發(fā)育，晚期伴生斷層與主干斷層組成“Y”字型構(gòu)造樣式(圖3c)。平面上主干斷層呈近東西向展布，西側(cè)略呈弧形，東側(cè)較平直。晚期伴生斷層與主干斷層組成的平行式組合樣式(圖2)。

圖3 石南一號(hào)斷層分段剖面(位置見(jiàn)圖2)Fig.3 Sectional profiles of Shinan No.1 fault(see Fig.2 for location)

2.4 東轉(zhuǎn)換帶

東轉(zhuǎn)換帶為中段與東段轉(zhuǎn)換的部位，該轉(zhuǎn)換帶斷層呈兩期活動(dòng)特征。主干斷層早期活動(dòng)，剖面上產(chǎn)狀直立，無(wú)伴生斷層，平面上呈北東向展布。晚期由于受北東向右旋走滑作用的影響，在該轉(zhuǎn)換帶形成一組北東向弱走滑斷層，剖面上表現(xiàn)為“Y”字型正斷層，平面上呈北東向雁列式組合樣式(圖3d、圖2)。

2.5 東段

東段為石臼坨凸起東傾末端南側(cè)斷層，主干斷層為座椅式伸展斷層，早期伴生斷層為順向正斷層，與主斷層呈階梯狀組合樣式，晚期受北東向走滑作用影響形成花狀構(gòu)造(圖3e)。平面上主干斷層呈近東西向展布，早期較平直，晚期斷層呈首尾相接的弧形展布樣式(圖2)。

3 石南一號(hào)斷層演化特征及成因機(jī)制

3.1 斷層活動(dòng)性分析

斷層活動(dòng)性分析可以采用斷層生長(zhǎng)指數(shù)、斷層活動(dòng)速率和斷層古落差等常用參數(shù)進(jìn)行定量表征。斷層古落差一般是指在垂直于斷層走向的剖面上兩盤對(duì)應(yīng)地層之間的鉛直距離，對(duì)于生長(zhǎng)斷層，其落差通常是計(jì)算上盤厚度與下盤厚度的差值[3-7]，該方法可以克服上盤地層缺失及地層年代不精確帶來(lái)的影響。斷層活動(dòng)速率為斷層古落差除以該地層所經(jīng)歷的地質(zhì)時(shí)間，由于考慮了時(shí)間因素，能更好地反映斷層的活動(dòng)強(qiáng)度。本次研究采用古落差和活動(dòng)速率對(duì)石南一號(hào)斷層的活動(dòng)性進(jìn)行表征。

石南一號(hào)斷層同一段在不同時(shí)期的活動(dòng)性存在差異，同一時(shí)期不同段的活動(dòng)性也存在差異(圖4)。古近紀(jì)為斷陷期，斷層活動(dòng)性普遍強(qiáng)烈，沙河街組沉積時(shí)期斷層古落差最大，而東三段沉積時(shí)期斷層活動(dòng)速率最大。新近紀(jì)由于進(jìn)入裂后熱沉降階段，各段活動(dòng)性普遍減弱，東西段減弱最明顯，中段呈小幅減弱狀態(tài)，活動(dòng)性依然較強(qiáng)。古近紀(jì)自西向東各段斷層活動(dòng)性整體表現(xiàn)為“強(qiáng)—弱—強(qiáng)—弱—強(qiáng)”的特征，除去轉(zhuǎn)換帶的位置，各段均表現(xiàn)為強(qiáng)活動(dòng)性；新近紀(jì)則表現(xiàn)為“弱—弱—強(qiáng)—弱—弱”的特征，只有中段表現(xiàn)為強(qiáng)活動(dòng)性特征，其他段活動(dòng)性均較弱。

圖4 石南一號(hào)斷層古落差及活動(dòng)速率Fig.4 Paleofall and fault activity rate of Shinan No.1 fault

3.2 斷層演化過(guò)程分析

根據(jù)斷層的構(gòu)造特征、活動(dòng)期次并結(jié)合前人對(duì)渤海灣盆地及渤中凹陷形成演化機(jī)制的研究[8-11]，利用平衡剖面對(duì)石南一號(hào)斷層西、中、東三段分別進(jìn)行構(gòu)造演化恢復(fù)(圖5)，并將其新生代演化過(guò)程劃分為五個(gè)時(shí)期。

圖5 石南一號(hào)斷層各段構(gòu)造演化剖面(位置見(jiàn)圖2)Fig.5 Tectonic evolution profile of each segment of Shinan No.1 fault(see Fig. 2 for location)

1) 沙一二段沉積之前。

該時(shí)期對(duì)應(yīng)渤中凹陷的裂陷一、二期，石南一號(hào)斷層發(fā)生伸展活動(dòng)，控制下降盤孔店—沙四段、沙三段沉積，其中西段沉積厚度最大，中段與東段相當(dāng)，表明西段斷層活動(dòng)更劇烈。此時(shí)主干斷層的伴生斷層發(fā)育數(shù)量較少，主要分布在西段與東段。

2) 沙一二段沉積時(shí)期。

該時(shí)期盆地進(jìn)入裂后熱沉降期，石南一號(hào)斷層活動(dòng)性減弱。

3) 東營(yíng)組沉積時(shí)期。

該時(shí)期對(duì)應(yīng)渤中凹陷的裂陷三期，主干斷層持續(xù)活動(dòng)并控制東營(yíng)組沉積。斷層活動(dòng)速率顯示東二段、東三段斷層活動(dòng)性均非常強(qiáng)烈，斷層劇烈活動(dòng)控制下降盤渤中凹陷快速沉積巨厚東營(yíng)組。同時(shí)由于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化在伸展斷裂基礎(chǔ)上疊加北東北西向區(qū)域走滑作用，形成大量伴生斷層。

4) 館陶組沉積時(shí)期。

該時(shí)期沉積盆地以整體沉降為主，表現(xiàn)為拗陷特征，石南一號(hào)斷層各段持續(xù)活動(dòng)，但是斷層活動(dòng)性較弱。

5) 明化鎮(zhèn)—第四系沉積時(shí)期。

渤海海域明化鎮(zhèn)組沉積之后出現(xiàn)活躍的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)即新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[12-13]，受其影響，石南一號(hào)斷層繼承性活動(dòng)加強(qiáng)，并產(chǎn)生大量具有走滑—伸展性質(zhì)的晚期伴生斷層，形成花狀構(gòu)造樣式。晚期斷層發(fā)育數(shù)量多，但斷層活動(dòng)性比早期要弱，同期相比中段斷層活動(dòng)強(qiáng)度要大于西段與東段。

3.3 斷層演化成因機(jī)制探討

新生代渤中凹陷的形成演化受到地幔熱隆起引起的伸展作用和板塊運(yùn)動(dòng)引起的走滑作用雙重控制，兩種作用在不同時(shí)期此消彼長(zhǎng)，控制了渤中凹陷斷裂系統(tǒng)的形成與演化[11,14-16]。

古新世—始新世太平洋板塊以北西—西向向亞歐板塊俯沖，導(dǎo)致地幔上隆和地殼減薄，在石臼坨凸起地區(qū)產(chǎn)生近南北向的伸展應(yīng)力(圖6a)。此時(shí)石南一號(hào)斷層各段均發(fā)生伸展作用，斷層各段形成機(jī)制如圖6b，推測(cè)該時(shí)期西段受到作用力更強(qiáng)，導(dǎo)致西段不僅斷層活動(dòng)性比中東段強(qiáng)，階梯狀伴生斷層數(shù)量也比中東段更發(fā)育。

漸新世渤中凹陷仍處于裂陷期，但區(qū)域應(yīng)力發(fā)生變化。由板塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切作用使渤海灣盆地形成北東向與北西向兩組共軛應(yīng)力系統(tǒng)(圖6a)，形成北東向的郯廬斷裂帶和北西向的張家口—蓬萊斷裂帶。由于位于兩組構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)交匯的位置，石南一號(hào)斷層此時(shí)期具有典型的走滑—伸展成因機(jī)制，主干斷層仍以伸展為主，但是各段模式又有不同：西段位于北西向的張家口—蓬萊斷裂帶主斷裂帶上，在伸展斷裂系統(tǒng)上疊加了較強(qiáng)的左旋走滑作用，形成平面上首尾相接的北西向左旋伸展走滑斷裂系統(tǒng)(圖6c)；東段受北東向應(yīng)力場(chǎng)影響，但由于離北東向郯廬斷裂主走滑帶較遠(yuǎn)，走滑作用相對(duì)較弱，形成耙狀的走滑伸展斷裂系統(tǒng)(圖6d)；中段此時(shí)仍以伸展作用為主，或受微弱北東向應(yīng)力場(chǎng)影響，產(chǎn)生少量耙狀伴生斷層，未見(jiàn)北西向走滑應(yīng)力影響痕跡。

圖6 石南一號(hào)斷層形成機(jī)制模式圖Fig.6 Model diagram of Shinan No.1 fault formation mechanism

新近紀(jì)和第四紀(jì)，經(jīng)過(guò)裂后熱沉降后，渤中凹陷進(jìn)入走滑期，走滑作用強(qiáng)烈。石南一號(hào)斷層?xùn)|段形成北東向雁列式走滑斷裂，西段形成北西向雁列式走滑斷裂，只有中段受走滑作用較弱，持續(xù)以伸展作用為主，這也導(dǎo)致了新近紀(jì)主干斷層中段垂直斷距最大，斷層活動(dòng)性表現(xiàn)為“弱—弱—強(qiáng)—弱—弱”的特征。

4 石南一號(hào)斷層對(duì)油氣成藏的控制作用

渤中地區(qū)已發(fā)現(xiàn)油氣藏多位于石臼坨凸起及石南一號(hào)斷層下降盤陡坡帶。石南一號(hào)斷層對(duì)這些油氣藏的成藏條件均有不同程度的控制作用。前人對(duì)石南一號(hào)斷層控制沉積相展布、儲(chǔ)層分布進(jìn)行過(guò)一定研究[2-5]，本文重點(diǎn)討論石南一號(hào)斷層對(duì)烴源巖、圈閉形成機(jī)制及油氣運(yùn)移模式的控制作用。

4.1 對(duì)烴源巖的控制作用

斷層對(duì)湖相烴源巖的控制作用體現(xiàn)在盆緣斷層控制了盆地沉降、水體深淺、沉積充填類型及烴源巖熱演化程度。石南一號(hào)斷層在沙三段沉積時(shí)期強(qiáng)烈的伸展活動(dòng)使渤中凹陷快速沉降，凹陷內(nèi)部發(fā)育良好的半深湖—深湖相生烴泥巖；沙一段沉積時(shí)期斷層活動(dòng)減弱，盆地進(jìn)入拗陷期，凹陷內(nèi)部發(fā)育濱淺湖—半深湖相生烴泥巖；東三段時(shí)期斷層再次強(qiáng)烈活動(dòng)，湖盆繼續(xù)發(fā)展，沉降加速，凹陷內(nèi)部發(fā)育半深湖相生烴泥巖。石南一號(hào)斷層在裂陷期特別是東三段沉積時(shí)期的強(qiáng)烈伸展可以加速烴源巖的快速沉降，加速有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化。此外，地幔熱隆起作為石南一號(hào)斷層伸展作用的主要?jiǎng)恿?lái)源，可以為烴源巖提供一定的熱作用，促進(jìn)烴源巖的成熟演化。

4.2 對(duì)圈閉的控制作用

石南一號(hào)斷層控制的圈閉有伸展和走滑兩種成因機(jī)制。主干斷層伸展過(guò)程中，上盤構(gòu)造變形產(chǎn)生兩種調(diào)節(jié)方式，一種是塑性變形形成逆牽引構(gòu)造，另一種是通過(guò)調(diào)節(jié)斷層，前者可以形成斷鼻或斷背斜圈閉，后者可以形成斷塊型圈閉。走滑作用在深層和淺層形成耙狀、雁列式、首尾相接弧形等不同斷層組合，配合地層的局部擠壓可以形成斷鼻、斷塊等多種類型的構(gòu)造圈閉。此外，由于石南一號(hào)斷層及伴生斷層組成不同的斷階樣式，控制下降盤砂體的沉積展布，在陡坡帶形成構(gòu)造—巖性圈閉，在轉(zhuǎn)換帶由于地層超覆到石臼坨凸起而形成地層超覆型圈閉。由于石南一號(hào)斷層存在分段差異性，其控制的圈閉類型及平面分布規(guī)律也同樣具有差異性(圖7)。西段與西轉(zhuǎn)換帶由于斷層活動(dòng)強(qiáng)，伴生斷層發(fā)育規(guī)模較大，斷塊斷鼻型圈閉具有發(fā)育且面積大、數(shù)量多；中段構(gòu)造樣式單一，深層斷鼻型，淺層斷塊型，但圈閉面積小、數(shù)量少；東段與東轉(zhuǎn)換帶，主要在中深層發(fā)育依附于邊界斷層的斷鼻型圈閉，面積稍大，淺層沒(méi)有圈閉發(fā)育。構(gòu)造—地層圈閉主要是由古近系超覆線和斷層控制形成的圈閉，僅在東轉(zhuǎn)換帶發(fā)育；構(gòu)造—巖性圈閉為具有構(gòu)造背景但受巖性變化控制的圈閉，在石南一號(hào)斷層下降盤廣泛分布。

圖7 石南一號(hào)斷層周邊圈閉特征Fig.7 Characteristics of traps around Shinan No.1 fault

4.3 對(duì)油氣運(yùn)移的控制作用

渤中凹陷沙河街組和東營(yíng)組源巖分別在東營(yíng)組沉積末期和明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期達(dá)到生油高峰期[17]，只有切入烴源巖并在對(duì)應(yīng)生油高峰期強(qiáng)烈活動(dòng)的斷層才能起到良好的油氣運(yùn)移作用。石南一號(hào)主干斷層長(zhǎng)期持續(xù)活動(dòng)，斷層深切下部烴源巖層系，且在東營(yíng)組沉積時(shí)期和明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期產(chǎn)生的大量次級(jí)斷層均可作為油氣垂向運(yùn)移的通道。從石南一號(hào)斷層帶兩側(cè)目前已發(fā)現(xiàn)油氣層分布來(lái)看，油氣主要聚集于淺層明下段和中深層?xùn)|營(yíng)組，深層和淺層油氣藏具有不同的油氣運(yùn)移模式。深層成藏模式為油氣沿著切入烴源巖的斷層垂向運(yùn)移至東營(yíng)組砂體或者直接運(yùn)移至烴源巖中的砂體，然后沿砂體匯聚于構(gòu)造圈閉成藏(圖8a)。淺層成藏模式為油氣沿著主干斷層垂向運(yùn)移至淺層館陶組，然后沿著館陶組砂礫巖運(yùn)移，再通過(guò)晚期斷層進(jìn)行油氣二次運(yùn)移至明下段圈閉成藏，即“網(wǎng)毯式”運(yùn)移模式(圖8b)。

圖8 石南一號(hào)斷層周邊油氣運(yùn)移模式Fig.8 Oil and gas migration pattern around Shinan No.1 fault

由于石南一號(hào)斷層的分段差異性，其作為油氣運(yùn)移斷層的作用在各段亦有不同。斷層活動(dòng)性分析顯示，石南一號(hào)斷層在東營(yíng)組沉積時(shí)期各段活動(dòng)性自西向東呈現(xiàn)為“強(qiáng)—弱—強(qiáng)—弱—強(qiáng)”的特征，在明上段—第四系沉積時(shí)期呈現(xiàn)“弱—弱—強(qiáng)—弱—弱”的特征。因此，根據(jù)斷層活動(dòng)性與油氣運(yùn)移時(shí)期的匹配關(guān)系認(rèn)為中段斷層長(zhǎng)期活動(dòng)更利于晚期油氣運(yùn)移，利于淺層油氣成藏，西段和東段斷層早期活動(dòng)性強(qiáng)，晚期較弱，利于中深層油氣成藏。

5 結(jié)論

1) 石南一號(hào)斷層具有“三段兩帶”的分段特征。斷層各段構(gòu)造樣式存在明顯的差異性，其中西段和西轉(zhuǎn)換帶表現(xiàn)為左旋走滑—伸展的構(gòu)造特征，伴生斷層發(fā)育數(shù)量多，斷層平面組合形式多樣；中段表現(xiàn)為伸展構(gòu)造特征，早期表現(xiàn)為單斷模式，晚期伴生斷層發(fā)育；東段和東轉(zhuǎn)換帶為右旋走滑—伸展構(gòu)造特征，早期伸展斷層，晚期右旋走滑作用明顯。

2) 石南一號(hào)斷層具有“走滑—伸展”的成因模式。地幔熱隆起引起的伸展作用和板塊運(yùn)動(dòng)引起的走滑作用是石南一號(hào)斷層形成演化控制因素，兩種作用發(fā)生的時(shí)期和位置不同導(dǎo)致石南一號(hào)斷裂活動(dòng)性和構(gòu)造樣式的分段差異性。

3) 石南一號(hào)斷層對(duì)烴源巖分布及演化、圈閉形成與分布及油氣運(yùn)移等都具有重要的控制作用。古近紀(jì)斷層的強(qiáng)烈活動(dòng)控制了烴源巖分布，并促進(jìn)了熱演化；斷層伸展和走滑活動(dòng)控制了多種類型圈閉的形成，為油氣聚集成藏提供了有利的場(chǎng)所；石南一號(hào)中段斷層長(zhǎng)期活動(dòng)更利于晚期油氣運(yùn)移，利于淺層油氣成藏，西段和東段斷層早期活動(dòng)性強(qiáng)，晚期較弱，利于中深層油氣成藏。