渤中凹陷北部弧形斷層構(gòu)造特征及地質(zhì)意義

吳 斌，黃勝兵，耿名揚(yáng)，沈 樸

中海石油研究總院有限責(zé)任公司，北京 朝陽(yáng) 100028

引言

弧形斷層廣泛存在于陸內(nèi)造山帶中，在平面上具有明顯弧度[1]，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)弧形斷層的幾何學(xué)特征[2-4]、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征[5-9]、成因機(jī)制[10-14]和對(duì)油氣控制作用[15-18]等方面開(kāi)展了大量研究，但是對(duì)于裂陷型盆地內(nèi)弧形斷層的研究比較少，主要集中在東營(yíng)凹陷[19-21]。前人探索和積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)，為本文研究裂陷型盆地內(nèi)的弧形斷層提供了可行的方法和可借鑒的研究思路。

研究區(qū)位于渤中凹陷北部，夾持于石臼坨凸起與渤東低凸起之間，工區(qū)面積約240 km2，其新生代構(gòu)造活動(dòng)分為裂陷期和拗陷期兩個(gè)階段，孔店期--沙三期，渤中凹陷受南北向拉張，發(fā)育伸展斷裂；沙三末期受太平洋板塊俯沖作用，導(dǎo)致郯廬斷裂帶右行，使得一些斷裂具有一定的剪切性質(zhì)。研究區(qū)周緣的石南陡坡帶、斷階帶、洼中帶和渤東低凸起均有含油氣構(gòu)造發(fā)現(xiàn)[22-25]，其中，石南陡坡帶鉆井5 口，發(fā)現(xiàn)3 個(gè)小型含油構(gòu)造，主要含油層位沙河街組和東營(yíng)組；石南斜坡帶鉆井7 口，發(fā)現(xiàn)3 個(gè)小型含油構(gòu)造，主要含油層位明下段；洼中帶鉆井1口，主要含油層位東營(yíng)組和館陶組；渤東低凸起鉆井9 口，主要含油層位潛山、東營(yíng)組和明下段，但是在渤中凹陷北部至今尚無(wú)突破。

目前，在研究區(qū)東二下段已經(jīng)識(shí)別了4 期三角洲，其中，最具有勘探潛力的構(gòu)造-巖性圈閉位于第四期三角洲上，然而，研究區(qū)斷層發(fā)育復(fù)雜，其斷裂的構(gòu)造特征、活動(dòng)強(qiáng)度、形成機(jī)制及對(duì)研究區(qū)油氣控制作用等方面的研究是不清楚的。這些問(wèn)題的解決，對(duì)于構(gòu)造-巖性油氣藏的落實(shí)具有重要意義。為了解決上述問(wèn)題，本文基于兩塊三維地震數(shù)據(jù)、鉆井和測(cè)井資料，對(duì)研究區(qū)斷層的幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了精細(xì)刻畫(huà)，查明了斷層的構(gòu)造變形特征和規(guī)律，通過(guò)對(duì)研究區(qū)周緣走滑斷層和斷層形成前古坡腳的分析，弄清了弧形斷層的成因機(jī)制，建立了斷層形成演化模式，并探討了弧形斷層對(duì)油氣成藏的控制作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤中凹陷位于渤海灣盆地中東部，面積約1.0×104km2，是渤海灣盆地的沉降中心和沉積中心[26]，其周緣與渤東低凸起、渤南低凸起、埕北低凸起、沙壘田凸起和石臼坨凸起相鄰，具有南西寬北東窄的特征[27]（圖1）。渤中凹陷自下而上主要發(fā)育前新生界基底，古近系孔店組（E1-2k）、沙河街組（E2s）、東營(yíng)組（E3d）和新近系館陶組（N1g）、明化鎮(zhèn)組（N2m）等沉積蓋層，其中，沙三段、沙一段和東三段為有效烴源巖?？v向上根據(jù)生儲(chǔ)蓋組合[28]和油源對(duì)比[29-30]的結(jié)果，可以劃分出4 套成藏組，包括新生古儲(chǔ)的基底組合、自生自?xún)?chǔ)中下組合以及下生上儲(chǔ)的上組合[31]。研究區(qū)斷層十分發(fā)育，其形成演化過(guò)程對(duì)油氣的運(yùn)聚成藏具有重要的控制作用。因此，深入研究渤中凹陷北部斷層構(gòu)造特征及其形成演化過(guò)程，并探討斷層對(duì)油氣成藏的控制作用，有利于指出下一步油氣勘探方向。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

2 斷層發(fā)育特征

渤中凹陷北部斷層數(shù)量眾多，以伸展斷層為主，在剖面和平面上表現(xiàn)出復(fù)雜的構(gòu)造變形特征，通過(guò)對(duì)渤中凹陷北部開(kāi)展精細(xì)的斷層解釋?zhuān)⒗脮r(shí)間切片和方差體切片等手段，查明了斷層的剖面和平面特征。

結(jié)合鉆井和地震資料，在研究區(qū)識(shí)別出7 個(gè)界面，自下而上分別是沙一二段底界面（T50）、東三段底界面（T30）、東二下段第I 段底界面（T28）、東二下段第II 段底界面（T26-2）、東二下段第III 段底界面（T26-1）、東二上段底界面（T26）和館陶組底界面（T20）（圖2）。

圖2 渤中凹陷北部斷層剖面組合樣式（位置見(jiàn)圖1）Fig.2 The section combined patterns of faults in the north of Bozhong Depression（see Fig.1 for location）

研究區(qū)在剖面上發(fā)育層間、階梯狀的正斷層，具體表現(xiàn)為上盤(pán)下降下盤(pán)上升的特征，斷層的傾角主要集中于30°～60°，斷層兩盤(pán)的厚度存在顯著差異，反映出斷層對(duì)沉積地層的控制作用。從圖中也可以看出，斷層向下滑脫消失于沙一二段中，向上終止于東營(yíng)組頂界面之下，是發(fā)育在其間的層間斷層，這些斷層的產(chǎn)狀基本一致，各條斷層的上盤(pán)依次向同一方向下降，在剖面上構(gòu)成階梯狀的組合樣式。

渤中凹陷北部發(fā)育弧形斷層（圖3）。通過(guò)剖面和平面交互式解釋?zhuān)玫葧r(shí)切片和沿層方差體等方法和技術(shù)（圖3a，圖3b），刻畫(huà)了渤中凹陷北部斷層的平面展布特征，共識(shí)別出24 條斷層（圖3c），這些斷層呈近NE 向展布，斷層兩側(cè)發(fā)生彎曲轉(zhuǎn)向，形成眾多的弧形斷層。

這些弧形斷層在空間上相互疊置，相互交織，呈現(xiàn)疊瓦狀特征（圖3d，圖中顏色代表不同斷層）。

圖3 渤中凹陷北部斷層的平面分布圖Fig.3 Plane distribution of faults in the north of Bozhong Depression

3 斷層活動(dòng)特征

3.1 斷層活動(dòng)強(qiáng)度和活動(dòng)時(shí)期

關(guān)于斷層活動(dòng)強(qiáng)度定量研究的方法有多種[32]，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者在研究斷層活動(dòng)特征時(shí)使用較多的方法是斷層落差、生長(zhǎng)指數(shù)和位移-距離變化曲線(xiàn)。斷層落差是指斷層兩盤(pán)相當(dāng)層之間的鉛直距離[33]，可以反映斷層在垂向上的活動(dòng)強(qiáng)度[34]。斷層的生長(zhǎng)指數(shù)是下降盤(pán)地層厚度與上升盤(pán)地層厚度的比值，當(dāng)生長(zhǎng)指數(shù)大于1 時(shí)，其值越大，說(shuō)明斷層活動(dòng)強(qiáng)烈；值越小，說(shuō)明斷層活動(dòng)微弱；當(dāng)生長(zhǎng)指數(shù)為1時(shí)，說(shuō)明斷層不活動(dòng)。因此，生長(zhǎng)指數(shù)也可以反映斷層的活動(dòng)強(qiáng)度。斷層位移-距離變化曲線(xiàn)可以研究斷層的發(fā)育史[35]，在對(duì)斷層的橫向上生長(zhǎng)及相互作用的研究中得到了廣泛應(yīng)用[36]。結(jié)合這3 種方法，對(duì)渤中凹陷北部斷層活動(dòng)特征開(kāi)展研究，厘定了活動(dòng)期次，明確了斷層形成演化過(guò)程。

在垂向上，統(tǒng)計(jì)了主干斷層的落差和生長(zhǎng)指數(shù)，分析認(rèn)為在垂向上，斷層落差具有中間大兩邊小的特征（圖4）。斷層生長(zhǎng)指數(shù)的研究表明斷層在東二下段第II 段至東二上段沉積期，斷層的生長(zhǎng)指數(shù)大于1，反映出斷層對(duì)沉積的控制作用，東三段斷層生長(zhǎng)指數(shù)小于1，反映出砂泥互層產(chǎn)生的差異壓實(shí)作用，而在館陶組及以上地層沉積時(shí)，斷層的生長(zhǎng)指數(shù)為1，說(shuō)明后期斷層不活動(dòng)。在剖面上，從北東向南西，由深到淺觀察斷層生長(zhǎng)指數(shù)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)斷層的活動(dòng)性是逐漸遷移變化的，斷層對(duì)沉積的控制作用也是遷移變化的（圖5）。

圖4 渤中凹陷北部主干斷層活動(dòng)性分布圖Fig.4 Activity distribution of main faults in the north of Bozhong Depression

圖5 渤中凹陷北部主干斷層生長(zhǎng)指數(shù)分布圖（位置見(jiàn)圖3c）Fig.5 Growth index distribution features of main faults in the north of Bozhong Depression（See Fig.3c for location）

在平面上，統(tǒng)計(jì)了主要斷層的位移-距離變化曲線(xiàn)（圖6），分析認(rèn)為，所有斷層在發(fā)育演化過(guò)程中均表現(xiàn)為單一斷層的生長(zhǎng)過(guò)程，位移-距離變化曲線(xiàn)為單峰式，具有中間位移大，兩邊位移小，為簡(jiǎn)單側(cè)向生長(zhǎng)模式。

圖6 渤中凹陷北部主干斷層平面位移-距離變化曲線(xiàn)Fig.6 Plane displacement and distance of main faults in the north of Bozhong Depression

斷層的生長(zhǎng)指數(shù)和斷開(kāi)層位是反映斷層活動(dòng)時(shí)期的重要指標(biāo)，綜合分析上述兩個(gè)指標(biāo)，研究區(qū)斷層活動(dòng)時(shí)期主要為東二下段第II 段、第III 段和東二上段沉積期活動(dòng)，并且在館陶組沉積之前斷層活動(dòng)停止。

3.2 斷層活動(dòng)演化過(guò)程

構(gòu)造演化可以重現(xiàn)構(gòu)造的演變過(guò)程，反映斷層的主要活動(dòng)時(shí)期和對(duì)地層展布的控制作用。通過(guò)對(duì)研究區(qū)斷層發(fā)育及活動(dòng)特征分析，建立了斷層演化模式，并將其劃分為斷層孕育期、斷層活動(dòng)期、斷層遷移期和斷層靜止期4 個(gè)演化階段（圖7）。

圖7 渤中凹陷北部斷層演化過(guò)程Fig.7 Evolution of faults in the north of Bozhong Depression

東二下段第II 段沉積之前，斷層不活動(dòng)，穩(wěn)定的沉積了沙一二段、東三段和東二下段第I段（圖7a）；東二下段第III 段沉積之前，靠近物源一側(cè)的f1斷層首先發(fā)育，并控制了斷層下降盤(pán)的沉積，形成下降盤(pán)厚上升盤(pán)薄的沉積特征（圖7b）；東二上段沉積之前，斷層活動(dòng)性向南西方向遷移，f1斷層停止活動(dòng)，f2斷層開(kāi)始發(fā)育，并控制地層的沉積（圖7c），東營(yíng)末期，研究區(qū)所有斷層停止活動(dòng)，并且受區(qū)域構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)影響，在研究區(qū)形成了古近系與新近系之間的區(qū)域不整合[37]。

4 討論

4.1 成因機(jī)制

渤中凹陷北部的斷層在剖面上為層間階梯狀斷層，平面上為弧形斷層。在剖面上產(chǎn)生層間階梯狀斷層主要有4 個(gè)原因：（1）研究區(qū)斷層活動(dòng)時(shí)期主要是東營(yíng)期，即裂陷III 幕[38]，受區(qū)域張應(yīng)力的影響，發(fā)育正斷層；（2）在東二下段第I 段沉積前研究區(qū)的古坡腳約為2°～4°，該坡度非常有利于松散物質(zhì)的滑動(dòng)，這些物質(zhì)會(huì)在重力的作用下向下滑動(dòng)，產(chǎn)生階梯狀正斷層（圖8a）；（3）研究區(qū)沙一二段--東三段主要為泥巖沉積[39]，斷層在向下傳遞能量時(shí)被厚層泥巖所吸收，而終止于沙一二段--東三段；（4）東營(yíng)運(yùn)動(dòng)后，研究構(gòu)造活動(dòng)穩(wěn)定，斷層沒(méi)有活動(dòng)，并且這些斷層向上終止于新近系與古近系之間的不整面之下。

圖8 渤中凹陷北部斷層成因機(jī)制模式圖Fig.8 Genetic mechanism model of faults in the north of Bozhong Depression

平面上弧形構(gòu)造產(chǎn)生的原因有很多[40]，包括楔入體形狀、楔入體旋轉(zhuǎn)、盆地內(nèi)剛性塊體阻擋、走滑斷層的影響、沉積厚度的橫向差異、拆離滑脫層強(qiáng)度的橫向差異和不同運(yùn)動(dòng)速度的多個(gè)楔入體。

研究區(qū)周緣發(fā)育三縱三橫的走滑斷層，斷層的兩側(cè)受走滑斷層剪切作用影響，使斷層兩側(cè)的伸展速率小于中部的伸展速率，這種伸展速率差異，造成斷層兩側(cè)彎曲，并表現(xiàn)出弧形特征（圖8b）。

4.2 斷層形成及演化對(duì)油氣成藏的控制作用

沉積盆地中油氣成藏受多種石油地質(zhì)條件的影響和控制，斷層的活動(dòng)與油氣成藏具有密切關(guān)系，不僅控制著圈閉的形成和演化，也是油氣運(yùn)移的重要通道之。實(shí)踐證明，斷層的形成演化過(guò)程對(duì)油氣聚集成藏具有重要的控制作用[41-44]，主要表現(xiàn)為控制圈閉的形成和演化，改善儲(chǔ)層質(zhì)量，溝通烴源巖和圈閉，控制油氣聚集成藏。

渤中凹陷北部發(fā)育同沉積斷層，在形成演化過(guò)程中，其下盤(pán)發(fā)育滾動(dòng)背斜，該背斜的形成時(shí)間早于渤中凹陷主排烴時(shí)期，有利于油氣在圈閉中聚集成藏。受來(lái)自距燕山褶皺帶較近的大石河水系物源和較遠(yuǎn)的六股河水系物源兩大物源影響，渤中凹陷北部東二下段發(fā)育多期三角洲，為儲(chǔ)層發(fā)育型三角洲，受同沉積斷層的影響，在斷層下降盤(pán)形成砂巖厚度增大和砂巖層數(shù)增多的儲(chǔ)層。根據(jù)周?chē)@井統(tǒng)計(jì)，東二下段砂體孔隙度為10%～20%，滲透率為50～500 mD，以中--低孔中滲為主，儲(chǔ)層物性較好。

渤中凹陷發(fā)育沙三段、沙一段和東三段3 套烴源巖[45]，研究區(qū)位于渤中凹陷的北洼和東洼兩大生烴洼陷之間的“匯聚脊”之上，是油氣匯聚的有利部位，在橫向上油氣主要是通過(guò)基底不整合面向“匯聚脊”上運(yùn)移聚集，在垂向上研究區(qū)發(fā)育弧形斷層，局部微斷裂發(fā)育，形成斷層破碎帶，利于油氣短距離垂向運(yùn)移。

5 結(jié)論

（1）渤中凹陷北部發(fā)育層間、階梯狀的弧形正斷層。在垂向上，斷層的活動(dòng)強(qiáng)度具有中間強(qiáng)兩邊弱的特征，在平面上，斷層演化為簡(jiǎn)單側(cè)向生長(zhǎng)模式，并且從北東向南西，斷層的活動(dòng)性是遷移變化。綜合分析斷層的生長(zhǎng)指數(shù)和斷開(kāi)層位這個(gè)兩個(gè)指標(biāo)，認(rèn)為東二下段第II 段、第III 段和東二上段沉積期為研究區(qū)斷層的主要活動(dòng)時(shí)期。

（2）建立了斷層形成演化過(guò)程，將斷層的演化劃分為4 個(gè)階段，包括斷層孕育期、斷層活動(dòng)期、斷層遷移期和斷層靜止期。指出重力滑動(dòng)作用和走滑作用共同控制了弧形斷層生長(zhǎng)發(fā)育。

（3）探討了斷層形成演化對(duì)油氣成藏的控制作用，認(rèn)為弧形斷層的生長(zhǎng)發(fā)育有利于滾動(dòng)背斜圈閉的形成，控制了砂體的層數(shù)和厚度，促進(jìn)烴源巖與儲(chǔ)層溝通，有利于研究區(qū)的油氣聚集成藏。