萬 濤，蔣有錄，董月霞，趙忠新，謝 君

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580;2.中國石油冀東油田公司勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004)

南堡凹陷斷層活動(dòng)與油氣成藏和富集的關(guān)系

萬 濤1，蔣有錄1，董月霞2，趙忠新2，謝 君1

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580;2.中國石油冀東油田公司勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004)

基于生長斷層活動(dòng)性的定量評價(jià)、大量流體包裹體的光性特征和均一溫度結(jié)合單井埋藏史等綜合分析，對南堡凹陷斷層活動(dòng)與油氣成藏和富集的關(guān)系進(jìn)行研究。結(jié)果表明：除兩條邊界斷層外，南堡凹陷切穿烴源巖層系且在明化鎮(zhèn)期活動(dòng)的斷層總計(jì)45條;沙河街期至東營期斷層活動(dòng)性增強(qiáng)，館陶期為相對靜止期，在明化鎮(zhèn)期斷層活動(dòng)性再次增強(qiáng)，斷層停止活動(dòng)時(shí)間主要為距今7～2.5Ma，平均距今4 Ma。根據(jù)明化鎮(zhèn)早期斷距的大小和斷層停止活動(dòng)時(shí)間，將45條斷層劃分為A、B、C 3類，油氣主要富集在活動(dòng)性相對較強(qiáng)、斷層停止活動(dòng)時(shí)間相對較晚的A、B兩類斷層附近的有利圈閉中。根據(jù)流體包裹體均一溫度結(jié)合埋藏史得出研究區(qū)油氣成藏期最晚時(shí)間主要為距今5～1 Ma，平均距今2 Ma，晚于斷層停止活動(dòng)時(shí)間2 Ma;斷層停止活動(dòng)后，當(dāng)上覆地層沉積厚度為180～300 m時(shí)，其在垂向上的通道逐漸閉合。

斷層活動(dòng)性;流體包裹體;成藏期;油氣富集;南堡凹陷

斷層作為油氣輸導(dǎo)體系的重要組成部分，其活動(dòng)性的定量評價(jià)及其對油氣成藏的控制作用成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題［1－3］。關(guān)于斷層停止活動(dòng)時(shí)間與油氣成藏最晚時(shí)間的定量關(guān)系，目前國內(nèi)外少有研究。筆者以渤海灣盆地南堡凹陷為例，在生長斷層活動(dòng)性的定量評價(jià)、成藏時(shí)間及期次分析的基礎(chǔ)上，對生長斷層活動(dòng)性差異與油氣富集的關(guān)系、斷層停止活動(dòng)時(shí)間與源上油氣成藏最晚時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行探討，以期為渤海灣盆地類似凹陷的油氣勘探提供理論依據(jù)。

1 斷層組合樣式及演化特征

南堡凹陷位于燕山臺(tái)褶帶南緣，是渤海灣盆地黃驊坳陷北側(cè)一個(gè)小型油氣富集區(qū)，地處河北省唐山市和秦皇島市之間，勘探面積為1 932 km2，其中陸地面積570 km2，海域面積1 362 km2。南堡凹陷是在華北地臺(tái)基底上，經(jīng)中、新生代的塊斷運(yùn)動(dòng)而發(fā)育起來的一個(gè)中新生界北斷南超的箕狀凹陷，凹陷北部以西南莊斷層為界與老王莊凸起相接，東部以柏各莊斷裂為界與柏各莊凸起、馬頭營凸起相連，南與沙壘田凸起呈斷超式接觸，西以澗東斷層與北塘凹陷相鄰［4］。

南堡凹陷由高尚堡、柳贊、老爺廟、南堡1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)等8個(gè)二級(jí)構(gòu)造帶和拾場、林雀、曹妃甸等3個(gè)洼陷組成。地層自下而上可細(xì)分為：太古界－下元古界結(jié)晶基底、上元古界青白口系，下古生界寒武系、奧陶系，上古生界石炭系、二疊系，中生界侏羅系、白堊系，新生界古近系、新近系及第四系。新生界沉積巖厚度最大達(dá)7.5 km，以林雀洼陷為最大沉積中心，曹妃甸洼陷為第二沉積中心，拾場洼陷為最小的沉積中心。整個(gè)新生界包括：古近系沙河街組(缺失沙四段)和東營組，新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組以及第四系平原組。

南堡凹陷內(nèi)部斷層十分發(fā)育，且走向多變，以北東東、東西向?yàn)橹鳎嬖诓糠直睎|、北西向斷層。平面上，次級(jí)斷層與邊界斷層及各構(gòu)造帶主干斷層呈入字形、平行狀、交織狀、梳狀和帚狀組合［5］。通過切取南堡1號(hào)構(gòu)造帶—南堡2號(hào)構(gòu)造帶西部、南堡2號(hào)構(gòu)造帶西部—高尚堡構(gòu)造帶、南堡3號(hào)構(gòu)造帶—南堡2號(hào)構(gòu)造帶東部—老爺廟構(gòu)造帶以及南堡3號(hào)構(gòu)造帶—南堡4號(hào)構(gòu)造帶等4條地質(zhì)剖面，建立南堡凹陷斷層剖面組合樣式(圖1)。可以看出研究區(qū)靠近凸起部位以復(fù)合“Y”形斷層組合為主;靠近洼陷中心主要發(fā)育“X”、“包心菜”形、反向斷階狀和花狀斷層組合。

采用盆地二維模擬技術(shù)［6］對南堡2號(hào)構(gòu)造帶西部—高尚堡構(gòu)造帶(老堡南1井－唐6X1井北東—南西向構(gòu)造剖面，見圖1)進(jìn)行構(gòu)造演化分析：在東營組剝蝕期前，靠近凸起部位已形成復(fù)合“Y”形斷層組合，靠近洼陷中心以反向斷階狀斷層組合為主;次級(jí)斷層在館陶—明化鎮(zhèn)期發(fā)育，靠近洼陷中心演化成復(fù)合“Y”形、花狀斷層組合(圖2)?？梢钥闯?，館陶—明化鎮(zhèn)期次級(jí)斷層的發(fā)育使靠近洼陷中心的斷層組合復(fù)雜化，研究區(qū)的構(gòu)造格局總體上受東營組剝蝕期前發(fā)育的生長斷層控制。

圖1 南堡凹陷斷層剖面組合及油氣富集樣式立體圖Fig.1 Profile styles of faults combination and hydrocarbon enrichment in Nanpu depression

圖2 南堡凹陷構(gòu)造演化圖Fig.2 Tectonic evaluation in Nanpu depression

2 斷層活動(dòng)性差異與油氣富集關(guān)系

目前定量研究生長斷層的活動(dòng)性，主要是計(jì)算斷層的生長指數(shù)(上盤厚度/下盤厚度)和斷層活動(dòng)強(qiáng)度。正斷層生長指數(shù)越大或逆斷層生長指數(shù)越小，斷層活動(dòng)越強(qiáng)烈。斷層活動(dòng)強(qiáng)度可以用斷距、斷

式中，12.4為明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)間，Ma。

用明化鎮(zhèn)組底界地層年齡(14.4 Ma)減去明化鎮(zhèn)期斷層活動(dòng)時(shí)間，即可得到斷層停止活動(dòng)時(shí)間。

南堡凹陷主要發(fā)育沙三段四亞段、沙一段及東三段等3套主要烴源巖［6］，通過切取研究區(qū)150條地震剖面，明確了除柏各莊和西南莊兩條邊界斷層外，在明化鎮(zhèn)期活動(dòng)，切穿沙三段、沙一段和東營組烴源巖的斷層分別有17條、20條和8條，合計(jì)45條(圖3)。根據(jù)45條斷層活動(dòng)性定量評價(jià)結(jié)果(表1)，斷層在沙河街期平均斷距為622 m，平均生長指數(shù)為1.21，平均活動(dòng)速率為26.9 m/Ma;東營期平均斷距為303 m，平均生長指數(shù)為1.12，平均活動(dòng)速率為32.8 m/Ma;館陶期平均斷距為159 m，平均生長指數(shù)為1.06，平均活動(dòng)速率為2.7 m/Ma;明化鎮(zhèn)期平均斷距為126 m，平均生長指數(shù)為1.11，平均活動(dòng)速率為10.3 m/Ma。根據(jù)斷層平均活動(dòng)速率可以看出，沙河街期至東營期斷層活動(dòng)性增強(qiáng)，館陶期為相對靜止期，明化鎮(zhèn)期斷層活動(dòng)性再次增強(qiáng)。斷層停止活動(dòng)時(shí)間主要為距今7～2.5 Ma，平均距今4 Ma，其中80%的斷層停止活動(dòng)時(shí)間為距今5～2.5 Ma，總體上看研究區(qū)斷層停止活動(dòng)時(shí)間相對較晚。

根據(jù)明化鎮(zhèn)早期的斷距和斷層停止活動(dòng)時(shí)間，將45條斷層的活動(dòng)性級(jí)別劃分為3類：A類斷層明化鎮(zhèn)組底部斷距大于150 m，斷層停止活動(dòng)時(shí)間距今5～2.5 Ma，即斷層活動(dòng)性較強(qiáng)且停止活動(dòng)時(shí)間相對較晚，總計(jì)14條;B類斷層明化鎮(zhèn)組底部斷距為90～150 m，斷層停止活動(dòng)時(shí)間距今5～2.5 Ma，層年齡和斷層活動(dòng)速率來表征。

筆者提出將斷層停止活動(dòng)時(shí)間作為斷層活動(dòng)性的定量評價(jià)指標(biāo)之一，來研究斷層活動(dòng)性差異及與油氣成藏和富集的關(guān)系。斷層停止活動(dòng)時(shí)間是指斷距為0時(shí)所對應(yīng)的地層沉積時(shí)間。斷層停止活動(dòng)后，隨著上覆地層的沉積，其在垂向上的通道將逐漸閉合，因此源上油氣成藏最晚時(shí)間應(yīng)晚于斷層停止活動(dòng)時(shí)間，油源斷層停止活動(dòng)時(shí)間較晚對源上油氣藏的富集相對有利。

本研究主要采用斷距、斷層生長指數(shù)、斷層活動(dòng)速率(斷距/斷層活動(dòng)時(shí)間)和斷層停止活動(dòng)時(shí)間來定量研究斷層活動(dòng)性。由于斷層一般未切穿明化鎮(zhèn)組地層，在計(jì)算明化鎮(zhèn)期斷層活動(dòng)速率時(shí)，需要明確明化鎮(zhèn)期斷層活動(dòng)時(shí)間tmhzh(Ma)，采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：或者明化鎮(zhèn)組底部斷距大于150 m，斷層停止活動(dòng)時(shí)間在距今5 Ma以前，即斷層活動(dòng)性中等且停止活動(dòng)時(shí)間相對較晚或者斷層活動(dòng)性較強(qiáng)但停止活動(dòng)時(shí)間相對較早，總計(jì)16條;C類斷層明化鎮(zhèn)組底部斷距小于90 m，或者明化鎮(zhèn)組底部斷距90～150 m，斷層停止活動(dòng)時(shí)間在距今5 Ma以前，即斷層活動(dòng)性較弱或者斷層活動(dòng)性中等但停止活動(dòng)時(shí)間相對較早，總計(jì)15條。

表1 南堡凹陷斷層活動(dòng)性定量評價(jià)結(jié)果Table 1 Quantitative evaluation of fault activity in Nanpu depression

圖3 斷層活動(dòng)與源上油氣藏油氣分布關(guān)系Fig.3 Relationship between fault activity and hydrocarbon distribution of reservoir upper source rock

目前南堡凹陷勘探發(fā)現(xiàn)的油氣主要富集在明化鎮(zhèn)組下部、館陶組、東一段和高柳地區(qū)沙三段，高柳構(gòu)造帶以南地區(qū)東二段、東三段、沙河街組和奧陶系潛山油氣分布局限。其成藏組合劃分為源上成藏組合(東一段－明化鎮(zhèn)組)、源內(nèi)成藏組合(沙三段－東二段)和源下成藏組合(奧陶系潛山)［7］，根據(jù)45條斷層與源上油氣藏油氣分布的關(guān)系(圖2)可以看出，切穿烴源巖層系且在明化鎮(zhèn)期活動(dòng)的斷層控制源上油氣藏油氣宏觀分布，油氣主要富集在活動(dòng)性相對較強(qiáng)、斷層停止活動(dòng)時(shí)間相對較晚的A、B兩類斷層附近的有利圈閉中。從構(gòu)造帶上看：南堡1號(hào)構(gòu)造帶、南堡2號(hào)構(gòu)造帶西部、高柳構(gòu)造帶以南地區(qū)以及老爺廟構(gòu)造帶源上油氣成藏較為富集，與斷層活動(dòng)強(qiáng)度、斷層停止活動(dòng)時(shí)間及斷層的數(shù)量有關(guān);南堡2號(hào)構(gòu)造帶東部、南堡3號(hào)和4號(hào)構(gòu)造帶勘探程度低，根據(jù)斷層活動(dòng)性評價(jià)結(jié)果認(rèn)為具有較大的勘探潛力;高尚堡、柳贊構(gòu)造帶以北地區(qū)斷層活動(dòng)性較弱，油氣富集程度較低。

3 斷層活動(dòng)與油氣成藏期

3.1 流體包裹體顯微熒光特征

熒光定量分析技術(shù)［8－10］是使用短波長的紫外光，測量巖石顆粒內(nèi)部包裹體中烴類流體發(fā)出的熒光強(qiáng)度來確定古油性質(zhì)。據(jù)南堡凹陷11口探井不同層系的13個(gè)包裹體熒光分析結(jié)果，烴包裹體(包括純液相、氣液兩相)熒光顏色主要有橙黃色－黃色、黃綠色－綠色兩種，表明有兩期不同成熟度油充注。其中南堡1－5井奧陶系灰?guī)r中檢測到發(fā)綠色的油包裹體(圖4(a))，成熟度高，來源于林雀洼陷沙三段烴源巖［11］，表明有一期高成熟度油充注(明化鎮(zhèn)中期，表2);南堡1井沙一段細(xì)砂巖中檢測到發(fā)橙黃色和黃綠色熒光兩種類型的油包裹體(圖4(b))，表明有一期較低成熟油(東營期)和一期較高成熟油充注(明化鎮(zhèn)中期，表2);柳12井沙三段砂巖中檢測到發(fā)黃綠色的油包裹體(圖4(c))，成熟度較高，來源于拾場洼陷沙三段烴源巖［12］，表明有一期較高成熟油充注(明化鎮(zhèn)中后期，表2);源上油氣藏檢測到的油包裹體表現(xiàn)為黃色熒光((圖4(d))，原油主要來源于林雀、曹妃甸洼陷沙一段和東三段烴源巖，具混源特征［12］，為一期中等成熟油充注(明化鎮(zhèn)中期－第四紀(jì)，表2)。流體包裹體顯微熒光觀測結(jié)果表明南堡凹陷靠近林雀洼陷和曹妃甸洼陷的源內(nèi)和源下油氣藏具有兩期油氣充注或一期高成熟度油充注，源上油氣藏和高尚堡、柳贊構(gòu)造帶沙河街組油氣藏為一期充注。

表2 南堡凹陷不同層系流體包裹體均一溫度統(tǒng)計(jì)Table 2 Inclusion homogenization temperatures of different formation in Nanpu depression

圖4 南堡凹陷流體包裹體顯微熒光照片F(xiàn)ig.4 Fluorescence micrographs of fluid inclusions in Nanpu depression

3.2 油氣成藏期次劃分及成藏時(shí)間確定

在實(shí)驗(yàn)室將包裹體置于冷熱臺(tái)上加熱至氣相消失，再恢復(fù)成均一液相時(shí)的溫度稱為均一溫度，該溫度代表了包裹體形成時(shí)的溫度。結(jié)合儲(chǔ)層的埋藏史，可確定流體包裹體形成時(shí)儲(chǔ)集層經(jīng)受的溫度，以及相應(yīng)的埋深和地質(zhì)年代等［13－15］，從而判斷油氣充注的時(shí)間。如南堡1井沙一段淺灰色油斑細(xì)砂巖(4.117 km)中與烴類包裹體伴生的鹽水包裹體均一溫度表現(xiàn)為兩期(90～110℃)和(130～140℃)，結(jié)合該井埋藏史圖，得到對應(yīng)的充注時(shí)間是25.5～24.6 Ma和9.5～5 Ma，即東營末期和明化鎮(zhèn)中期兩期充注(圖5)。

圖5 流體包裹體確定南堡1井沙一段油氣充注期次及成藏時(shí)間Fig.5 Division of hydrocarbon charging events and chronology in Es1of Well Nanpu 1 by fluid inclusion technique integrated with burial history

運(yùn)用該方法確定了南堡凹陷油氣藏成藏期次和成藏時(shí)期(表2)，總體上發(fā)育兩期油成藏，第一期油成藏時(shí)間為東營組剝蝕期前，第二期油成藏時(shí)間為明化鎮(zhèn)中后期至第四紀(jì)，距今10.5～1 Ma，且為研究區(qū)油氣成藏關(guān)鍵時(shí)期。油氣成藏最晚時(shí)間主要為距今5～1 Ma，平均距今2 Ma，晚于斷層停止活動(dòng)時(shí)間2 Ma。研究區(qū)明化鎮(zhèn)組地層厚度為1.3～2.2 km，在斷層停止活動(dòng)時(shí)間(距今4 Ma)至油氣成藏最晚時(shí)間(距今2 Ma)期間，沉積的明化鎮(zhèn)組地層厚度約為180～300 m，即斷層停止活動(dòng)后，當(dāng)上覆地層沉積厚度約180～300 m時(shí)，其在垂向上的通道逐漸閉合。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)靠近凸起部位以復(fù)合“Y”形斷層組合為主;靠近洼陷中心主要發(fā)育“X”、“包心菜”形、反向斷階狀和花狀斷層組合。館陶組—明化鎮(zhèn)期次級(jí)斷層的發(fā)育使靠近洼陷中心的斷層組合樣式復(fù)雜化，構(gòu)造格局總體上受東營組剝蝕期前發(fā)育的生長斷層控制。

(2)除柏各莊和西南莊兩條邊界斷層外，在明化鎮(zhèn)期活動(dòng)，切穿沙三段、沙一段和東營組烴源巖的斷層分別有17條、20條和8條，合計(jì)45條。沙河街期至東營期斷層活動(dòng)性增強(qiáng)，館陶期為相對靜止期，在明化鎮(zhèn)期斷層活動(dòng)性再次增強(qiáng)，接近于東營期的水平，斷層停止活動(dòng)時(shí)間主要為距今7～2.5 Ma，平均距今4 Ma。油氣主要富集在活動(dòng)性相對較強(qiáng)、斷層停止活動(dòng)時(shí)間相對較晚的A、B兩類斷層附近的有利圈閉中。

(3)流體包裹體顯微熒光觀測結(jié)果表明南堡凹陷靠近林雀洼陷和曹妃甸洼陷的源下油氣藏具有兩期油充注或一期高成熟度油充注，源上油氣藏和高柳構(gòu)造帶沙河街組油氣藏為一期充注。根據(jù)流體包裹體均一溫度結(jié)合埋藏史得出的油氣成藏最晚時(shí)間主要為距今5～1 Ma，平均距今2 Ma，晚于斷層停止活動(dòng)時(shí)間2 Ma。斷層停止活動(dòng)后，當(dāng)上覆地層沉積厚度在180～300 m時(shí)，其在垂向上的通道逐漸閉合。

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Relationship between fault activity and hydrocarbon accumulation and enrichment in Nanpu depression

WAN Tao1，JIANG You－lu1，DONG Yue－xia2，ZHAO Zhong－xin2，XIE Jun1
(1.School of Geosciences and Technology in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China;2.Research Institute of Exploration and Development，Jidong Oilfield，PetroChina，Tangshan 063004，China)

The relationship between fault activity and hydrocarbon accumulation and enrichment in Nanpu depression was studied by the technologies of quantitative evaluation on fault activity and large amount analyses of microscopic fluorescence，homogenization temperatures of fluid inclusions and burial history.The results show that besides 2 boundary faults，there are 45 growth faults which cut source rocks and are active in the phase of Minghuazhen formation.From the phase of Shahejie formation to Dongying formation，the fault activity is increased.The faults is relative inactive in Guantao formation.In the phase of Minghuazhen formation，the fault activity is increased again.The inactive phase of the faults is mainly in 7－2.5 Ma，4 Ma in average before present.According to the fault throw in early stage of Minghuazhen formation and inactive phase of the faults，the 45 faults are divided into 3 types named A，B and C.Hydrocarbon distribution is mainly enriched in the favorable traps near type A and type B faults which are relative more active and whose inactive phases are later.The phase of reservoir forming stage is mainly in 5－1 Ma，2 Ma in average before present based on the analyses of homogenization temperatures of fluid inclusions and buried history of wells，which is 2 Ma later than the time of the faults ceasing.After the faults activity ceases，the overlying sedimentary depth is about 180－300 m，and their vertical pathways are gradually closed.

fault activity;fluid inclusion;reservoir forming stage;hydrocarbon enrichment;Nanpu depression

TE 122

A

10.3969/j.issn.1673－5005.2012.02.010

1673－5005(2012)02－0060－08

2011－10－20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40972094);國家科技重大專項(xiàng)課題(2008ZX05050);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2011DL009)

萬濤(1979－)，男(漢族)，湖北天門人，博士研究生，主要從事油氣地質(zhì)及勘探研究。

(編輯 韓國良)