林玉祥，趙承錦，舒 永，鄭慧銘，朱傳真，吳玉琛，李 佳

(山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590)

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東營凹陷沉積-沉降中心遷移特征與機制研究

林玉祥，趙承錦，舒 永，鄭慧銘，朱傳真，吳玉琛，李 佳

(山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590)

通過區(qū)域地質(zhì)、地層厚度、沉積特征以及斷裂活動強度等分析，探討東營凹陷新生代不同時期構造活動特征與沉積-沉降中心遷移規(guī)律，從構造動力學角度對沉降中心遷移機制提出合理解釋。研究表明，東營凹陷新生代可劃分為控凹斷裂主控期、控凹控洼斷裂共控期和拗陷期3個沉降階段，在利津、牛莊和博興一帶存在3個呈“逆時針”旋轉的沉降中心。沉降中心主要受活動速率較大的斷裂控制，其遷移與盆地伸展背景下的走滑作用密切相關。但沉積中心的遷移除了受控于沉降中心外，還與沉積環(huán)境有關。在地殼表層，東營凹陷沉積-沉降中心的動態(tài)遷移受斷裂走滑與伸展斷陷的共同控制。在中國東部“三個板塊、兩種俯沖”構造動力學背景下，板塊俯沖是地幔對流平衡破壞的觸發(fā)因素，板塊俯沖速度與角度的差異導致巖石圈不同部位的底侵，從而引發(fā)地表不同位置不同強度的斷陷與走滑，在盆地內(nèi)部表現(xiàn)為沉降中心的動態(tài)遷移。

沉降中心；沉積中心；遷移機制；伸展走滑；地幔對流；新生代沉積；東營凹陷

東營凹陷是古近紀伸展斷陷(裂谷)[1]，為北斷南超的半地塹構造，沉降中心與堆積中心基本一致。目前對堆積中心和沉降中心的認識較一致，但如何確定其沉積中心存在較大爭議。劉池洋[2]、曹紅霞[3]、Gary[4]、朱筱敏[5]等從不同角度闡述了沉積中心的含義。沉積中心受構造沉降、沉積速率、物源補給、水深等因素影響，其分布范圍局限且隨時空變化不斷遷移。大量油氣勘探實踐表明，東部陸相斷陷含油氣盆地的油氣運移距離較近，油氣分布在烴源巖上下層位以及生烴中心附近，因而沉積、沉降中心及其遷移規(guī)律的研究，與油氣勘探主要目的層和有利區(qū)的確定直接相關，是油氣地質(zhì)研究與勘探領域的重要研究內(nèi)容。本文對沉積中心重新定義為沉積厚度較大、沉積物粒度較細、沉積水體較深的沉積區(qū)。因此，通過編制地層厚度圖、沉積相展布圖，結合沉積環(huán)境，綜合圈定沉降中心和沉積中心，確定東營凹陷新生代不同時期沉降中心和沉積中心的分布范圍及其遷移規(guī)律，為分析盆地構造-沉積遷移規(guī)律及其成因機制奠定基礎[6]。

1 地質(zhì)概況

東營凹陷位于渤海灣盆地濟陽坳陷東南部，西與惠民凹陷相鄰，東鄰青坨子凸起，北與陳家莊凸起以陳南斷裂為界，南以齊廣斷裂與魯西隆起相隔，是濟陽坳陷油氣資源最為豐富的凹陷之一(圖1(a))。東營凹陷古近紀是典型的斷陷湖盆，沉積了厚達數(shù)千米的古近紀地層(圖1(b))。東營凹陷包括利津洼陷、牛莊洼陷、民豐洼陷、博興洼陷以及中央隆起帶和南部緩坡帶，形成“四洼一隆一斜坡”的構造格局(圖1(a),圖1(c))。

2 沉積相分布特征

2.1 古近系

1) 孔店組：堆積中心位于利津洼陷東北部(圖2(a))，營42井以西。堆積中心長軸延伸方向呈NEE向；另外兩個次級堆積中心長軸均呈NW向延伸，分別位于牛莊洼陷王79井、博興洼陷樊19井附近?？椎杲M主要發(fā)育沖積平原相、深湖-半深湖相、沖積扇相和濱淺湖相。靠近凸起的南部發(fā)育沖積扇相，深湖-半深湖相主要發(fā)育在民豐洼陷和牛莊洼陷。

2) 沙河街組：①沙四亞段，堆積中心分布在利1、民101和氣東2井附近(圖2(b))。利津、牛莊洼陷的沉積體長軸呈NE-NEE向展布，而民豐洼陷長軸為EW向，博興洼陷為近NW向。與孔店組相比，沙四亞段湖盆水體向西南方向擴展，深湖-半深湖相主要分布在北部的利津洼陷和牛莊洼陷，濱淺湖相廣泛分布。南、北斜坡帶發(fā)育水下扇相，八面河地區(qū)開始發(fā)育三角洲相。②沙三亞段，主要堆積中心在利1井附近，地層最厚達1 600 m(圖2(c))，次級堆積中心分布在牛25井和營42井附近。利津洼陷和牛莊洼陷沉積體長軸為NNE-NE向，博興洼陷和民豐洼陷長軸均呈NW向。深湖-半深湖相分布范圍向西南擴展至博興斷裂附近；濱淺湖相主要分布在南部緩坡帶。③沙二亞段，利1井附近仍是地層厚度最大區(qū)域(圖2(d))，厚達700 m。沉積體長軸延伸方向與沙三亞段類似，只有博興洼陷沉積體由沙三亞段NW向變?yōu)镹WW向延伸。沙二亞段沉積格局變化明顯，湖盆局限在西部，三角洲相成為主要沉積相，深湖-半深湖相分布范圍急劇萎縮，僅分布在高青斷裂東側。④沙一亞段，最大堆積中心位于利1井南(圖2(e))，湖盆展布范圍達到最大，以深湖-半深湖相為主，濱淺湖相呈環(huán)狀圍繞深湖-半深湖相分布，南部及西南部發(fā)育三角洲相，濱縣凸起、北部發(fā)育沖積扇相。

3) 東營組：最大堆積中心分布在利1井以東和樊12井附近(圖2(f))。利101井區(qū)、牛25井區(qū)為次級堆積中心。民豐洼陷沉積體堆積長軸為EW向，利津洼陷沉積體長軸為NE向。此時湖盆萎縮，沖積平原相廣布，原來統(tǒng)一的大湖盆被分割為3個獨立小湖盆。濱淺湖相分布在利津洼陷東北部、牛莊洼陷西南部和博興洼陷中西部。

(a)構造綱要圖；(b)地層柱狀圖；(c)構造剖面圖

圖1 東營凹陷新生界地質(zhì)特征簡圖

Fig.1 The geological map of Dongying sag in Cenozoic

2.2 新近紀

1) 館陶組：地層厚度普遍在200 m左右，樊124井區(qū)和墾利地區(qū)是本期堆積中心。河流相廣布，河道充填亞相是主要沉積相，湖成沼澤相在凹陷西南、西北部邊緣分布，八面河地區(qū)發(fā)育沖積扇相，牛莊及其以東地區(qū)發(fā)育心灘亞相。

2) 明化鎮(zhèn)組：地層厚度和沉積格局變化均不大，沒有明顯堆積中心。河流相進一步發(fā)育，以泛濫平原亞相和河道充填亞相為主，偶見牛軛湖亞相。

3 斷裂及其活動

斷陷盆地沉降-沉積中心的分布和遷移規(guī)律受伸展斷層系統(tǒng)控制，其中主干伸展斷層的幾何學和運動學特征起主要作用[9]。

(a)孔店組；(b)沙四亞段；(c)沙三亞段；(d)沙二亞段；(e)沙一亞段;(f)東營組

圖2 東營凹陷古近紀地層及其沉積特征[7-8]

Fig.2 The strata and sedimentary characteristics of Dongying sag in Paleogene

圖3 控凹斷裂活動速率柱狀圖[12]Fig.3 The histogram of the sag-controlling faults’ cumulative activity rate

3.1 控凹斷裂

斷層活動速率能反映控凹斷裂的平均活動強度[10-11](圖3)，從控凹斷裂活動速率來看，沙三亞期是控凹斷層最為活躍時期，此時的湖盆分布范圍最廣，水體最深，為新生代斷陷盆地發(fā)育的高峰期；其他時期按活動強弱先后順序依次為沙四亞期、沙二亞期、沙一亞期、孔店期、東營期和館陶期；孔店期雖然斷裂活動速率較小，但其地質(zhì)時間長達14.5 Ma，形成的斷裂落差最大，因此地層厚度最厚。從斷層走向來看，NE(E)向斷裂比NW向斷裂活動強度大，與N(N)W向拉張的區(qū)域構造應力場有關。

圖4 控洼斷裂活動速率柱狀圖Fig.4 The histogram of the subsag-controlling faults’ activity rate

3.2 控洼斷裂

從控洼斷層活動速率可知(圖4)，勝永斷裂和博興斷裂呈“多峰”形態(tài)，勝永斷裂主峰在沙三亞期，最大活動速率大于80 m/Ma；博興斷裂主峰在沙一亞期，活動速率40 m/Ma；勝永斷裂次峰在東營期，博興斷裂次峰在孔店期、沙三亞期；相比而言，八面河斷裂、中央斷裂和陳官莊斷裂呈“單峰”形態(tài)，主活躍期在沙三亞期、沙二亞期和沙三亞期?？傮w看來，沙三亞期不僅是控凹斷裂的主活躍期，也是控洼斷裂的主活躍期，這一時期勝永斷裂、八面河斷裂和陳官莊斷裂活動達到峰值。

4 沉積沉降中心遷移規(guī)律及油氣地質(zhì)意義

4.1 沉降中心時空演化及其與斷裂活動的關系

東營凹陷新生代沉降中心的時空遷移規(guī)律(圖5)：1)沉降中心的遷移與盆地的伸展作用息息相關，且沉降中心主要受活動強烈(拉張速率較大)的斷裂控制，例如高青斷裂、石村斷裂和博興斷裂此消彼長的關系控制了博興洼陷沉降中心的遷移特征；2)東營凹陷受斷裂的分割作用存在利津洼陷、牛莊洼陷、博興洼陷3個相對獨立演化的沉降中心，這3個沉降中心總體表現(xiàn)為“逆時針”遷移趨勢，與華北地臺自古生代以來呈逆時針“O”型遷移趨勢吻合[14]；3)東營凹陷新生代演化歷史可分為控凹斷裂主控期、控凹控洼斷裂共控期和拗陷期3個沉降階段：①控凹斷裂主控期：主要是陳南斷裂和石村斷裂控制孔店期的沉降中心，陳南斷裂東段、石村斷裂分別控制牛莊洼陷、博興洼陷的沉積體呈NW向展布，而陳南斷裂西段控制的沉積體為NE向展布。②控凹控洼斷裂共控期：濱南斷裂、中央斷裂和勝永斷裂共同控制了利津洼陷沉降中心，陳南斷裂東段和陳官莊斷裂引起牛莊洼陷沉降中心的遷移，高青斷裂、石村斷裂和博興斷裂主導了博興洼陷沉降中心的遷移。③拗陷期：進入新近紀，控凹斷裂和控洼斷裂的活動性顯著降低，凹陷進入整體熱沉降階段[15-16]，在古近紀斷陷型盆地的基礎上疊合發(fā)育了新近紀坳陷型盆地。④在沉降中心的遷移過程中東西分量始終大于南北分量，說明盆地斷陷過程中不僅存在NNW向拉伸使得盆地近南北向伸展，同時也伴隨著走滑作用。

圖5 東營凹陷新生代沉降中心遷移規(guī)律Fig.5 The subsiding center migration pattern of Dongying sag in Cenozoic

圖6 東營凹陷新生代沉積中心遷移規(guī)律Fig.6 The depocenter migration pattern of Dongying sag in Cenozoic

4.2 沉積中心遷移規(guī)律及油氣地質(zhì)意義

構造沉降為沉積體堆積提供了可容納空間，但是沉降最大處未必是沉積中心。沉積中心主要受物源、水深、水動力條件等多重因素影響，集中體現(xiàn)在穩(wěn)定沉積相發(fā)育區(qū)，但中心相范圍較大(圖2(c))，僅靠沉積相確定沉積中心范圍就失去了意義。因此，本文采用堆積中心與沉積相相結合的方法綜合確定東營凹陷的沉積中心并分析其遷移演化規(guī)律(圖6)。總體看來，沉積中心遷移主要受控于沉降中心的遷移。與沉降中心類似，沉積中心遷移軌跡大致呈逆時針。博興洼陷沙四亞期、沙二亞期、東營期以及牛莊洼陷沙四亞期、沙二亞期的沉積中心范圍小于沉降中心范圍，其范圍是沉積厚度較大與深水沉積相疊合區(qū)。由此看來，沉積中心除受構造沉降影響外，還與沉積環(huán)境相關。

沉積中心的遷移直接決定著生油凹陷的位置及其變化，控制著生、儲、蓋層的分布和時代。沙四期和沙三期為快速沉降期，東營凹陷表現(xiàn)為沉降擴展，沉積物的可容納空間增大，湖水變深，發(fā)育沙四上亞段和沙三下亞段2套優(yōu)質(zhì)烴源巖，沉積中心為深水區(qū)細粒沉積物，處于缺氧環(huán)境、具備較高的泥頁巖生產(chǎn)力，優(yōu)質(zhì)烴源巖區(qū)與沉積中心重疊。沉降速率變慢使得可容空間增加減緩，盆地快速充填時期也是儲集層發(fā)育階段，儲集層主要發(fā)育層段為沙三上亞段至沙二段，儲集巖主要為砂礫巖扇體(包括扇三角洲、沖積扇、水下扇和濁積扇等)、三角洲砂體和灘壩砂體，儲集體圍繞沉降中心呈環(huán)狀分布，以構造油氣藏和構造-巖性油氣藏為主。東營凹陷主要存在著3種生儲蓋組合形式：沙四上亞段和沙三中、下亞段“自生自儲”；沙三上亞段和沙二段為“下生上儲”型；沙四上亞段為烴源巖沙三中亞段為儲層的“下生上儲”型。古近系有沙四下亞段蒸發(fā)巖和沙三段中上部中厚層泥巖2套區(qū)域性蓋層且洼陷內(nèi)廣泛存在超壓，壓力系數(shù)達1.5～1.7，超壓中心多為生烴中心，異常壓力對于油氣成藏起到一定封閉作用。優(yōu)質(zhì)烴源巖和超壓中心受沉積中心分布控制并隨著沉積中心的變化而遷移，而有利儲集體在沉降速率變慢期發(fā)育且呈環(huán)帶狀圍繞沉降中心分布，通過斷層-砂體輸導體系將生烴中心的油氣運移至儲集體中成藏。

圖7 新生代以來太平洋板塊與印度板塊活動速率折線圖[17-19]Fig.7 The activity rate line chart of the Pacific plate and India plate since the Cenozoic Era

圖8 沉降中心遷移的構造動力學示意圖Fig.8 The tectonic dynamic mechanism map of subsiding center migration

5 沉積-沉降中心遷移的動力學機制

通過東營凹陷沉降中心研究發(fā)現(xiàn)，古近紀東營凹陷各時期沉積-沉降中心總體呈“逆時針”遷移，這與東營凹陷所處的大地構造背景密切相關[16]。不同構造演化階段斷裂走滑與伸展斷陷控制了沉降中心動態(tài)遷移與折返，中國東部在“三個板塊、兩種俯沖”的構造動力學背景下可劃分為3個構造演化階段(圖7～8)。①65～53 Ma，“西強東強”階段。太平洋板塊和印度板塊都保持了較高的運動速率，此階段是印度板塊的主碰撞期，印度板塊俯沖導致中國大陸軟流圈向東蠕散加上太平洋板塊高速俯沖引發(fā)地幔隆起，巖石圈強烈伸展減薄。②53～43 Ma“西強東弱”階段。太平洋板塊運動速率下降至38 mm/Ma，地幔對流減弱，但俯沖方向始終是NNW向；印度板塊持續(xù)高速俯沖，引起地幔流蠕散對中國東部斷陷盆地起主控作用[20]。這2個階段對應孔店期—沙三亞期，3個主要洼陷沉降中心的遷移方向除受板塊俯沖引起的NNW向伸展外，與伸展伴生的走滑運動主導了沉降中心平行于走滑斷裂的遷移。③43～23 Ma“西弱東強”階段。印度板塊活動速率持續(xù)減弱，與歐亞板塊主碰撞期已經(jīng)結束；43 Ma太平洋板塊俯沖方向“逆時針”旋轉為NWW向，郯廬斷裂由左旋走滑變?yōu)橛倚呋琜21]，此時沉降中心遷移方向也發(fā)生了較大變化。沙二亞期，牛莊洼陷、博興洼陷的沉降中心受郯廬斷裂和蘭聊斷裂右行走滑影響，沉降中心折返。23 Ma至今，日本海盆和沖繩海槽先后于23、10 Ma發(fā)生擴張，使得包括渤海灣盆地在內(nèi)的中國東部新生代盆地遭受擠壓應力[22]，凹陷內(nèi)沉降幅度較小，趨于均一化。

沉降中心在構造應力角度與方向不斷變化條件下發(fā)生逆時針旋轉及SW-NE向折返遷移，而板塊俯沖變化與地幔對流引起地表構造應力的轉變。太平洋板塊的俯沖碰撞以及印度板塊的“遠源效應”使得中國東部上地幔的地幔對流平衡遭到不同程度破壞，由于物質(zhì)密度的不均一性引起地幔物質(zhì)在水平方向上呈“波浪狀”遷移，波峰處上地幔隆起，上部巖石圈發(fā)生底侵作用，引發(fā)地表強烈斷陷形成沉降中心。由于俯沖角度和方向差異導致巖石圈底侵和地表斷陷位置在不同時期有差異，盆地內(nèi)部表現(xiàn)為沉降中心的動態(tài)遷移。

6 結論

1) 東營凹陷新生代沉積中心與沉降中心基本一致，沉積中心遷移除了受控于沉降中心遷移，還與沉積相尤其是中心相發(fā)育區(qū)密切相關。沉積-沉降中心的遷移直接決定著生油凹陷的位置及其變化，控制著生、儲、蓋層的分布和時代。

2) 沉降中心的遷移與盆地的伸展走滑息息相關，而且沉降中心主要受活動強烈的斷裂控制。東營凹陷受斷裂的分割作用存在利津洼陷、牛莊洼陷、博興洼陷3個相對獨立演化的沉降中心，是由太平洋板塊俯沖方向發(fā)生NNW-NWW逆時針旋轉引起的，在東營凹陷表現(xiàn)為斷裂由左行走滑變?yōu)橛倚凶呋?，因?個沉降中心各個階段總體表現(xiàn)為“逆時針”遷移趨勢。

3) 新生代，東營凹陷沉降中心的動態(tài)遷移與地幔深部對流系統(tǒng)密切聯(lián)系。不同時期太平洋板塊與印度板塊向歐亞板塊的俯沖強度和角度各有差異，使地幔對流平衡遭到不同程度破壞。核幔邊界物質(zhì)密度的差異引發(fā)地幔物質(zhì)波浪式運動，上部巖石圈發(fā)生底侵作用，地表強烈斷陷形成沉降中心。由于俯沖角度和方向的差異導致巖石圈底侵和地表斷陷位置在不同時期有差異，盆地內(nèi)部現(xiàn)為沉降中心的動態(tài)遷移。

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(責任編輯：高麗華)

Migration Characteristics and Geodynamic Mechanism of Depocenter and Subsiding Center of Dongying Sag

LIN Yuxiang, ZHAO Chengjin, SHU Yong，ZHENG Huiming， ZHU Chuanzhen, WU Yuchen, LI Jia

(College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

Based on the analysis of regional geology, stratigraphic thickness, sedimentary characteristics and fracture activity intensity, the tectonic activity and migration characteristics of the subsiding center and depocenter of the Dongying sag in different periods of Cenozoic were studied and a reasonable explanation was put forward on the migration mechanism of the subsiding center from the perspective of tectonic dynamics. The results show that the Dongying sag in Cenozoic can be divided into three periods, namely, sag-controlling period, both sag-controlling and subsag-controlling period, downwarp period, and that the three subsiding centers in Lijin, Niuzhuang and Boxing are those of anti-clockwise rotation. The subsiding centers were chiefly controlled by fractures with stronger activity rate and their migration was closely related to strike-slip under the background of basin extension. But the migration of the depocenter was not only controlled by the subsiding center, but also influenced by the sedimentary environment. In the surface of crust, the dynamic migration of the depocenter and the subsiding center was controlled by both the fault strike slip and extensional rift. Under the tectonic dynamics of “three plates, two subductions” in Eastern China, the plate subducting was the triggering factor for the disturbance of mantle convection balance. Different speeds and angles of plate subducting resulted in the underplating in different parts of the lithosphere, leading to the formation of faulted depression and strike-slip, which took the form of dynamic migration of subsiding centers in the interior of the basin.

subsiding center; depocenter; migration mechanism; extend and strike-slip; mantle convection; Cenozoic sedimentation; Dongying sag

2016-01-08

國家自然科學基金項目(41172108，71303140)；國家大型油氣田與煤層氣開發(fā)項目(2011ZX05033-04, 2011ZX05004-01)

林玉祥(1963—)，男，山東臨清人，教授，博士生導師，主要從事油氣地質(zhì)勘探方面的研究工作. E-mail：sdkdlyx@126.com

TE112.322

A

1672-3767(2016)06-0001-09