宋 璠, 蘇妮娜, 李 慧, 洪偉俊, 路允乾, 劉佳星, 劉學(xué)嘉
( 中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580 )
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板橋凹陷大張坨斷裂帶構(gòu)造特征及其成藏模式
宋 璠, 蘇妮娜, 李 慧, 洪偉俊, 路允乾, 劉佳星, 劉學(xué)嘉
( 中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580 )
大張坨斷裂帶是黃驊坳陷板橋凹陷最大的Ⅱ級斷裂系統(tǒng),對凹陷油氣分布與富集具有重要影響.為了揭示大張坨斷裂帶與新生代油氣成藏的關(guān)系,利用油區(qū)構(gòu)造解析理論對斷裂帶的活動性、斷裂構(gòu)造樣式及演化特征進(jìn)行研究,綜合斷裂輸導(dǎo)體系與斷層兩盤(上升盤、下降盤)的油氣分布狀況,建立板橋凹陷大張坨斷裂帶油氣的斷控成藏模式.結(jié)果表明:大張坨斷層具有垂向分期、平面分段的活動特征,斷層兩盤派生大量次級斷層,在斷裂帶內(nèi)可識別階梯型、“y”型、“y”型復(fù)合、多米諾式、對傾伸展型等5種構(gòu)造樣式,斷裂活動貫穿于整個第三紀(jì)沉積史,構(gòu)造演化具有明顯的繼承性.不同的斷裂構(gòu)造樣式?jīng)Q定斷層兩盤油氣運(yùn)聚規(guī)律具有明顯差異,形成不同成因類型與不同儲量豐度的油氣聚集單元.
板橋凹陷; 大張坨斷層; 斷裂活動; 構(gòu)造樣式; 構(gòu)造演化; 油氣成藏
大型斷裂帶的發(fā)育和活動在油氣成藏過程中起關(guān)鍵的控制作用[1],斷層活動性及其構(gòu)造樣式?jīng)Q定油氣運(yùn)移富集方式,形成區(qū)域特色的油氣成藏模式[2].板橋凹陷作為渤海灣盆地重要的新生代含油氣區(qū),人們對其構(gòu)造特征進(jìn)行研究.鄔光輝等認(rèn)為盆地基底大型伸展活動的差異決定凹陷的古構(gòu)造格局[3];梁鋒等研究凹陷邊界斷層的活動性,認(rèn)為凹陷構(gòu)造變換帶對油氣成藏具有重要影響[4];宋璠等對凹陷新生代斷層的活動性進(jìn)行研究,建立相應(yīng)的斷控成藏模式[5];梁寶芹等對凹陷含油區(qū)塊進(jìn)行構(gòu)造解剖,刻畫油區(qū)低級序斷層,為油氣開發(fā)提供依據(jù)[6].不同尺度的構(gòu)造研究主要為了滿足不同的勘探開發(fā)需求,然而對凹陷Ⅱ級斷層研究的報道并不多見.目前,利用主干斷層的幾何學(xué)與運(yùn)動學(xué)特征進(jìn)行油區(qū)構(gòu)造解析是構(gòu)造研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[7].筆者利用新處理的三維高品質(zhì)地震數(shù)據(jù)及鉆測井資料,分析凹陷規(guī)模最大、對油氣成藏影響最顯著的大張坨斷裂帶,明確其活動特征及斷裂帶構(gòu)造樣式,研究新生代油氣成藏的控制作用,為板橋凹陷油氣精細(xì)勘探開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù).
板橋凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷北部,整體呈北東向展布,面積約為540 km2.受滄東斷裂活動的影響,板橋凹陷次級斷裂主要呈北東、北北東向展布,其中大張坨斷層是區(qū)內(nèi)延伸最遠(yuǎn)、斷距最大、活動時間最長的一條Ⅱ級斷層[8],對區(qū)內(nèi)地層發(fā)育、沉積體及油氣分布影響較大(見圖1).大張坨斷層平面上呈弧形,延伸距離約為20 km,斷面北傾,總體走向為北東東向.該斷層在凹陷東部逐步發(fā)育為2條斷層,其中一條走向不變,向北東方向逐漸消亡;另一條呈近東西走向,與白水頭斷層相接.
鉆井揭示,板橋凹陷沉積層主要包括古近系沙河街組—東營組、新近系館陶組—明化鎮(zhèn)組,具有豐富的原油及凝析氣資源.受大張坨斷層活動的影響,下降盤地層沉積厚度較大,且受斷層牽引形成并排發(fā)育斷鼻構(gòu)造群;上升盤地層厚度較小,一系列次級斷層呈雁列式依附于大張坨斷層南側(cè),傾向與大張坨斷層相反,斷層間受扭動作用影響發(fā)育小規(guī)模背斜.
渤海灣盆地中—新生界具有典型的“克拉通基底上的裂谷盆地”特點(diǎn)[9],縱向上為基底構(gòu)造層、初始裂陷構(gòu)造層、伸展斷陷構(gòu)造層、坳陷構(gòu)造層等疊置.板橋凹陷第三系主要對應(yīng)于伸展斷陷構(gòu)造層[10],凹陷大張坨斷層及伴生的共軛協(xié)調(diào)斷層與第三系構(gòu)造層共同組成多種類型構(gòu)造樣式,對油氣運(yùn)移、成藏的影響各異.以大張坨斷層及上、下盤次級斷層為主要目標(biāo)進(jìn)行構(gòu)造分析,根據(jù)運(yùn)動學(xué)與幾何性質(zhì)的差異,在大張坨斷裂帶內(nèi)自西向東依次識別“y”型復(fù)合、對傾伸展型、階梯型、“y”型、多米諾等5種構(gòu)造樣式.
2.1 “y”型復(fù)合
常見于大張坨斷裂帶西段,它是由沙河街組三段(沙三段)末期形成的“y”型斷裂構(gòu)造,與沙河街組二段(沙二段)時期的“y”型斷裂構(gòu)造演化疊合組成.地震剖面顯示,形成較早、規(guī)模較大的斷裂組成階梯型構(gòu)造,斷裂由下向上、由大到小、由老到新遞次形成與發(fā)展(見圖2(a)).總體上,此種構(gòu)造樣式是由早期簡單的“y”型樣式,再由多期的伸展斷陷活動逐步形成的.在沙河街組早期,斷裂帶西南部斷層活動較強(qiáng),并且與隨后形成的調(diào)節(jié)斷層組合,形成序次愈來愈低、規(guī)模愈來愈小的復(fù)式地塹.
2.2 對傾式伸展斷層
主要分布于凹陷中區(qū)大張坨斷層下降盤的深層,研究區(qū)發(fā)育數(shù)量較少.此種構(gòu)造樣式是由大張坨斷層和北部板橋斷層,以及所夾持其間的一系列同生褶皺共同組成的構(gòu)造系統(tǒng)(見圖2(b)).構(gòu)造系統(tǒng)形成過程是在伸展環(huán)境與重力作用的控制下,由2組相向的犁式斷裂(滄東斷層和大張坨斷層)控制下降盤第三系地層沿斷面回傾,并隨著伸展斷陷繼續(xù)發(fā)展,使對傾斷裂共有上盤伸展變形與沉積負(fù)載增加,造成向斷陷中心橫向擠壓作用.由于斷陷中心處于沉積中心的沉積物(如沙二段、沙一中亞段、東營組二段(東二段)等大套泥巖層段)屬低密度強(qiáng)塑性的巖類,形成“波狀”特征,即橫向上沿主控制斷層滑移并由牽引構(gòu)造過渡到塑性拱張背斜;縱向上該背斜由老到新、由深到淺發(fā)育,且向斷陷中心遷移.塑性拱張背斜的產(chǎn)生是垂直沉降活動與水平伸張活動兩者強(qiáng)弱交替變化的結(jié)果[11],從而構(gòu)成對傾式斷層控制的繼承性塑性拱張背斜和淺層不同規(guī)模小型地塹構(gòu)造組合.
圖2 板橋凹陷大張坨斷裂帶構(gòu)造樣式
2.3 階梯型
主要發(fā)育于大張坨斷裂帶的中段,表現(xiàn)為大張坨斷層生長過程中出現(xiàn)上盤塊體逐次下掉,形成較為單一的斷階(見圖2(c)).此種構(gòu)造樣式是由主干斷層上盤塊體沿弧形斷面伸展滑移方向產(chǎn)生的.
2.4 “y”型
主要發(fā)育于大張坨斷層下降盤,由大張坨斷層與其反向調(diào)節(jié)斷層,以及在斷陷演化過程中地層逆牽引褶皺變形共同構(gòu)成(見圖2(d)).伸展與重力的雙重作用使大張坨下降盤地層旋轉(zhuǎn),并且靠近斷面的沉積物向斷層面回傾或塌落在斷面裂縫中,逐漸積累生長成同生背斜褶皺;隨著沉降作用發(fā)展,逆牽引背斜進(jìn)一步形變并在其翼部形成應(yīng)力相對集中,應(yīng)力集中區(qū)最易產(chǎn)生脆性變形[12],沿縱向的張剪裂縫最終形成與大張坨斷層反傾對偶斷層.在長期伸展張性應(yīng)力環(huán)境且上覆地層的重力作用下,“y”型斷層夾持的沙二段、沙一段及東營組地層垂向自然陷落,以彌補(bǔ)伸展形成的空間,并且在形態(tài)上構(gòu)成“y”型斷層控制下的次級斷陷.
“y”型構(gòu)造具有繼承性發(fā)展演化過程,主要產(chǎn)生于沙一段時期,形成期為東營組末期,定型期為館陶組末期或明化鎮(zhèn)組時期.
2.5 多米諾
主要發(fā)育于大張坨斷層上升盤地區(qū),在斷裂帶東段尤為明顯,由一系列南傾斷層組合而成.此類構(gòu)造樣式是斷陷沉降過程中上升盤地層變形產(chǎn)生次級斷層,并且在同向斷層間地層沿剪切破裂而旋轉(zhuǎn)掀斜,且地層傾向與斷裂傾向相反,形成一系列反向斷層(見圖2(e)).這種多米諾反向斷層組中各斷層的形成時期有差異,與不同構(gòu)造部位的構(gòu)造變形強(qiáng)弱有關(guān).靠近大張坨主干斷層的板深3-2井?dāng)鄬?,沙三段末期已?jīng)產(chǎn)生,并且與大張坨斷層活動較為強(qiáng)烈有關(guān),是上、下兩盤地層牽引產(chǎn)生形變所致.總體上,地震剖面顯示南區(qū)上升盤反向斷層形成時間較晚,且斷層活動結(jié)束時期較早.
喜山運(yùn)動時期,黃驊坳陷北部構(gòu)造活動表現(xiàn)為在拉張作用力下產(chǎn)生新的斷裂,Ⅱ級斷裂的活動性對凹陷內(nèi)部的構(gòu)造樣式有一定的控制作用[13].根據(jù)大張坨斷層的垂直斷距參數(shù),計算斷層平均活動速率[14],沙一下—沙一中沉積時期斷層活動速率最大,平均為185.5 m/Ma,東營組沉積時期斷層活動速率次之,約為102.6 m/Ma,兩者代表凹陷整體的主要斷陷時期(見圖3);其他時期大張坨斷層的活動速率相對較低.
根據(jù)10余條過斷層的地震剖面和上、下盤150余口井連井剖面,采用上、下盤厚度比例法,求取大張坨斷層的生長指數(shù)[15].大張坨斷層橫向上自西向東總體活動增強(qiáng),斷層生長指數(shù)逐漸變大(見圖3),中間部位2處出現(xiàn)水平斷距和垂直斷距異常減小區(qū)域,并且出現(xiàn)“急拐彎”現(xiàn)象,表明斷層橫向發(fā)育具有分段性特點(diǎn),與下降盤滾動背斜構(gòu)造形成緊密相關(guān).大張坨斷層在沙三段沉積時期開始發(fā)育,主要發(fā)育期在整個沙河街組和東營組沉積時期.總體上,斷層活動具有明顯分期、分段性,直接影響鄰近構(gòu)造帶圈閉的形成與分布.
沿大張坨斷裂走向由西至東,斷層活動性逐漸增強(qiáng),構(gòu)造組合樣式也逐漸復(fù)雜化,尤其在沙一中、下亞段與館陶組時期,斷層?xùn)|段板深2井附近斷層活動尤為強(qiáng)烈,推測為應(yīng)力釋放區(qū)域,向東逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?條斷層;東營組時期應(yīng)力分布均衡,總體由兩端向中部匯聚.斷裂活動對斷裂帶區(qū)域生儲條件具有重要影響,主要體現(xiàn)在2個方面:首先,烴源巖熱解與黏土礦物演化實驗證實沙一中亞段為生烴高峰時期,且中心位于斷裂下降盤中—東段,與斷層活動最強(qiáng)部位相吻合;其次,自西向東斷裂活動性增強(qiáng),對應(yīng)應(yīng)力沿北東東方向傳遞,使沙河街組沉積時期斷層下降盤的重力流砂體與上升盤的灘壩砂常發(fā)生轉(zhuǎn)向,沿斷層呈北東向展布[16].
板橋凹陷位于黃驊坳陷北大港潛山構(gòu)造帶東北傾末端,同時處于構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)換部位,因而斷層發(fā)育、構(gòu)造復(fù)雜.大張坨斷裂帶的構(gòu)造演化史與黃驊坳陷的相似,經(jīng)歷裂陷、擴(kuò)展、萎縮3個階段.構(gòu)造演化剖面表明,大張坨斷裂帶新生代構(gòu)造格局的形成繼承沙三段沉積末的古構(gòu)造,貫穿于整個沙二段、沙一段、東營組和新近系沉積史(見圖4).
圖3 大張坨斷層平均活動速率及生長指數(shù)
4.1 沙三段
沙三段為主干斷層的產(chǎn)生時期,大張坨斷層產(chǎn)生并在沙三段末期已具雛型.大張坨斷層是滄東邊界斷層發(fā)展、斷陷湖盆快速沉降產(chǎn)生的對傾協(xié)調(diào)斷層.沙三段時期,大張坨南部上升盤地區(qū)出現(xiàn)反向斷層,具有由北向南、由東向西逐次形成的規(guī)律.斷層西段下降盤“y”型復(fù)合與對傾式伸展斷層構(gòu)造樣式發(fā)育明顯,中段可見典型的“y”型構(gòu)造樣式.該時期大張坨斷層對沉積的控制作用較小,下降盤新生代地層厚度在800~900 m之間,自下而上由4套不對稱性正韻律層組成,上升盤減少為2套不完整的正韻律層.
4.2 沙二段
隨著大張坨斷層的發(fā)展,對沙二段沉積起到明顯的控制作用[17].南部上升盤地區(qū)反向斷層向斜坡區(qū)高部位數(shù)量增加,早期反向斷裂規(guī)模逐漸變大.大張坨斷層活動明顯強(qiáng)于南部反向斷層,在斷層下降盤一側(cè)出現(xiàn)地層輕微回返.除繼承沙三段構(gòu)造樣式外,斷裂構(gòu)造上升盤已具備規(guī)模不大的多米諾構(gòu)造樣式組合,與灘壩砂匹配形成眾多小規(guī)模的斷層—巖性圈閉.
4.3 沙一段
該時期為斷層強(qiáng)烈活動和構(gòu)造形成初期,大張坨斷層強(qiáng)烈活動,斷層規(guī)模變大,對沙一段沉積控制作用進(jìn)一步增強(qiáng).大張坨斷層中段在下降盤地層出現(xiàn)剪切破裂產(chǎn)生的對傾斷層,共同協(xié)調(diào)地層褶皺變形,局部出現(xiàn)逆牽引構(gòu)造.在研究區(qū)大張坨斷層中—西南段弧形斷層處,逆牽引構(gòu)造較為明顯.上升盤反向斷層數(shù)量增加、規(guī)模進(jìn)一步增大,與大張坨斷層相鄰南傾反向斷層對沙一段沉積起到不同程度的控制作用.沙一段時期,構(gòu)造樣式明顯增多,如雁列式反向斷層、“y”型構(gòu)造、逆牽引構(gòu)造、斷階構(gòu)造、斷壘構(gòu)造等.
沙一段沉積時期處于漸新世旋回期中期,是早第三紀(jì)湖盆擴(kuò)展鼎盛時期,其沉積邊界向周邊迅速擴(kuò)展[18],斷層下降盤沉積厚度為700~1 200 m,為一不對稱水進(jìn)型正旋回層序.
4.4 東營組
漸新世晚期,盆地經(jīng)歷強(qiáng)烈隆升湖盆收縮,大張坨斷層活動性較強(qiáng),沿斷層兩盤形成數(shù)量多、類型多樣的構(gòu)造樣式及圈閉.南部上升盤遭受一定程度的剝蝕,地震剖面上可見明顯的角度不整合接觸特征(見圖5),大部分地區(qū)缺失東一、東二段地層,東營組整體沉積厚度為100~350 m,且由北向南、由西向東地層逐漸增厚.
圖4 大張坨斷裂帶典型地質(zhì)剖面構(gòu)造發(fā)育史(F-F'剖面)
4.5 館陶組、明化鎮(zhèn)組
大張坨斷層由斷陷活動轉(zhuǎn)變?yōu)檑晗莼顒?,斷裂帶反向斷層組活動明顯減弱,各類圈閉基本定型.大張坨斷層雖然在館陶期仍有活動,但對沉積控制作用明顯減弱,主要在斷裂帶東段附近具有一定影響.館陶組沉積初期整個凹陷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檑晗菪统练e,以準(zhǔn)平原化的河流相沉積為主,底部發(fā)育厚層底礫巖層,向上依次發(fā)育辮狀河、曲流河砂泥巖沉積.
斷陷盆地的斷裂活動對油氣成藏起主導(dǎo)作用,勘探實踐表明板橋凹陷新生代油氣藏主要為斷層油氣藏,其中沙一下亞段發(fā)育大規(guī)模凝析氣藏,占全凹陷凝析氣儲量的80%以上[19].板橋凹陷主要烴源巖為沙三上、沙一中亞段兩套泥巖,兩套泥巖層同時也是區(qū)域性封蓋層.受大張坨斷層強(qiáng)烈活動的影響,構(gòu)成研究區(qū)多個異常壓力系統(tǒng),在上升盤與下降盤形成兩套油氣成藏環(huán)境.古近系烴源巖從東營組末期開始進(jìn)入生烴門限[20],明化鎮(zhèn)時期進(jìn)入主運(yùn)移期,油氣運(yùn)移總趨勢由下降盤向南沿斜坡至大張坨斷層,再由大張坨斷層向上升盤斜坡高處運(yùn)移.大張坨斷裂帶內(nèi)部及兩盤具有不同的油氣成藏模式(見圖6).
5.1 大張坨斷層下降盤
由于缺少深大斷層,加之兩套蓋層有效封蓋,大張坨斷層下降盤生成的油氣缺少垂向溝通的條件,多在自身的成藏環(huán)境中進(jìn)入砂巖輸導(dǎo)層后沿斜坡向上傾方向側(cè)向運(yùn)移,油氣運(yùn)移成藏是由儲集體上傾尖滅分布范圍決定的.沙一段各油組常形成巖性尖滅油氣藏,沙二段、沙三段由于儲層分布較廣,在斜坡上常形成構(gòu)造巖性復(fù)合型油氣藏,西部存在斷鼻油氣藏.油氣以自生自儲原生油氣藏為主,主要分布于緊鄰兩套主力烴源巖上下的圈閉層.
5.2 大張坨斷裂帶
大張坨斷層內(nèi)部油氣的運(yùn)移方式主要以垂向運(yùn)移為主,側(cè)向運(yùn)移為輔,由斷層、砂巖輸導(dǎo)層、構(gòu)造脊,以及館陶組底不整合面構(gòu)成完整的輸導(dǎo)系統(tǒng).在大張坨斷層下降盤的西部長期繼承性構(gòu)造高部位,油氣通過輸導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)向構(gòu)造高部位匯聚,在各時期、各種類型的圈閉群中聚集成藏.
5.3 大張坨斷層上升盤
該斷塊區(qū)油氣運(yùn)移以南部反向斷層組和高角度傾斜地層(傾向向北)中砂巖輸導(dǎo)層組成的輸導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)作垂向和側(cè)向運(yùn)移.古近系油氣運(yùn)移指向為西南方向,由于新近系地層傾向改變?yōu)橄蚰蟽A斜,致使油氣運(yùn)移方向發(fā)生改變,使油氣沿館陶組底不整合面由東南向西北側(cè)向運(yùn)移,在西北部逆牽引背斜發(fā)育區(qū)聚集成藏,總體儲量規(guī)模不大.
圖5 大張坨斷層南部地震剖面(D-D'剖面)
圖6 板橋凹陷大張坨斷裂帶新生代斷控成藏模式
(1)板橋凹陷大張坨斷裂帶在古近系沙三段時期開始發(fā)育,主要發(fā)育期為整個沙河街組與東營組時期,沙一下—沙一中亞段時期斷層活動速率最大,東營組時期的次之;平面上,自西向東大張坨斷層活動性呈增強(qiáng)趨勢.大張坨斷裂帶可劃分為階梯型、“y”型、“y”型復(fù)合、多米諾、對傾伸展構(gòu)造等5種構(gòu)造樣式,每種構(gòu)造樣式有其特定的發(fā)育位置與應(yīng)力背景.斷裂帶新生代構(gòu)造格局在沙三段沉積末期的古構(gòu)造背景上,沙二段、沙一段、東營組和新近系構(gòu)造演化具有明顯繼承性.
(2)大張坨斷裂帶活動對板橋凹陷油氣成藏起重要控制作用,斷層的多期次、多級序活動為油氣提供良好的運(yùn)移通道,不同構(gòu)造樣式形成的多種圈閉類型為油氣提供有利的聚集場所.由于斷裂帶不同區(qū)段構(gòu)造變形差異較大,也造成不同區(qū)段油氣分布的差異性,大張坨斷層下降盤的斷鼻油藏、沙一下亞段的斷層—巖性凝析氣藏,是下一步精細(xì)勘探開發(fā)的有利目標(biāo).
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2015-04-27;編輯:陸雅玲
國家科技重大專項(2011ZX05009-002);教育部博士點(diǎn)基金項目(20120133120013)
宋 璠(1982-),男,博士,講師,主要從事油氣藏開發(fā)地質(zhì)方面的研究.
TE121.2
A
2095-4107(2015)06-0012-08
DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.06.002