孫永河，劉露*，孟令箭，馬妍

（1.重慶科技學(xué)院重慶非常規(guī)油氣開發(fā)研究院，重慶 401331； 2.復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點實驗室，重慶 401331；3.中國石油冀東油田勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004； 4.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

0 引言

帚狀構(gòu)造是渤海灣盆地演化過程中普遍存在的一種地質(zhì)構(gòu)造，是在扭動背景下形成的一端收斂、另一端向外撒開，形似一把掃帚的構(gòu)造樣式［1-2］，通常發(fā)育在斷層末端或斷層分段連接處等應(yīng)變非均勻部位。根據(jù)扭動方向、斷裂性質(zhì)和應(yīng)力場環(huán)境可分為“壓扭性帚狀構(gòu)造”和“張扭性帚狀構(gòu)造”［2-3］。近年來，隨著渤海灣盆地勘探程度的不斷提高，人們逐漸認(rèn)識到不同斷裂組合樣式對油氣資源分布的控制作用明顯不同。研究發(fā)現(xiàn)，渤海灣盆地多個富油凹陷內(nèi)的帚狀構(gòu)造控制油氣富集［1，4-6］，為有利勘探目標(biāo)，帚狀構(gòu)造的結(jié)構(gòu)和演化控制油氣的輸導(dǎo)和聚集。然而，人們對帚狀構(gòu)造的研究多偏重于描述幾何學(xué)樣式［1-2］，對成因、演化過程的研究較少，特別是對帚狀構(gòu)造演化如何控制油氣分布知之甚少，從而制約了進(jìn)一步勘探帚狀構(gòu)造。

南堡凹陷是渤海灣盆地的二級構(gòu)造單元，內(nèi)部構(gòu)造樣式豐富且復(fù)雜［7-9］，是一個富油且含油氣層系眾多的凹陷［10］。截至目前，南堡1 號構(gòu)造帶的帚狀構(gòu)造控制的南堡1-3區(qū)塊已發(fā)現(xiàn)探明未動用石油地質(zhì)儲量為2718.56 萬t，具有良好的油氣潛力和勘探前景。然而，人們尚未系統(tǒng)地研究南堡1 號構(gòu)造帶的帚狀構(gòu)造成因及其對油氣的控制作用，主要原因為：①控制帚狀構(gòu)造的主干斷裂和次級伴生斷裂組合樣式與常見的帚狀構(gòu)造斷裂組合樣式存在差異；②在南堡凹陷多期疊加變形的應(yīng)力背景下，基底先存斷裂的再活動及晚期與新生斷裂相互作用使帚狀構(gòu)造的演化過程復(fù)雜化，進(jìn)而難以了解帚狀構(gòu)造成因及其對油氣的控制規(guī)律。

筆者基于三維連片地震資料，應(yīng)用構(gòu)造解析理論和相關(guān)技術(shù)，系統(tǒng)研究南堡凹陷1 號構(gòu)造帶的構(gòu)造樣式并恢復(fù)其演化過程，重點探討帚狀構(gòu)造的成因及其與油氣成藏的內(nèi)在聯(lián)系，以期為渤海灣盆地帚狀構(gòu)造區(qū)的油氣勘探提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)構(gòu)造背景

渤海灣盆地是發(fā)育在華北陸塊中—東部的大型中、新生代疊合盆地［11-12］，中生代盆地在北西—南東向伸展作用下，內(nèi)部發(fā)育一系列北東—北北東向伸展構(gòu)造和北西向變換構(gòu)造［13-14］。南堡凹陷位于渤海灣盆地北部（圖1a），是在中生代基底上繼承性發(fā)展的新生代陸相斷陷盆地，整體呈“下斷上拗、北斷南超”的結(jié)構(gòu)特征［15］（圖1c）。南堡凹陷北、東、南方向分別以西南莊斷層、柏各莊斷層和沙北斷層為界，內(nèi)部發(fā)育北東—北北東向和北西向基底先存斷裂以及北東向、近東西向新生代新生斷裂，控制了3 個次洼和5 個復(fù)雜構(gòu)造帶（圖1a）。新生代南堡凹陷經(jīng)歷了古近紀(jì)裂陷Ⅰ幕、裂陷Ⅱ幕和新近紀(jì)后裂陷期三個演化階段，垂向發(fā)育四大構(gòu)造層，分別為前古近系基底、Ⅰ幕斷陷構(gòu)造層（古近系沙三段（Es3）、沙二段（Es2）和沙一段（Es1））、Ⅱ幕斷陷構(gòu)造層（古近系東三段（Ed3）、東二段（Ed2）和東一段（Ed1））及拗陷構(gòu)造層（新近系館陶組（Ng）、明化鎮(zhèn)組（Nm）和第四系平原組（Qp））［9］。

南堡1 號構(gòu)造帶位于南堡凹陷西南部斜坡帶（圖1a），整體走向為北東向，是南堡油田最主要的富油構(gòu)造帶，油氣主要在中淺層（Ed1及以上地層）聚集。基底先存斷裂F1控制了構(gòu)造帶的形成與演化，其上盤發(fā)育的一系列同向和反向次級斷裂使整個構(gòu)造帶復(fù)雜化，以F1和FN為界將南堡1 號構(gòu)造帶劃分為南堡1-1、南堡1-3 和南堡1-5 三個區(qū)塊，其中南堡1-3 區(qū)塊受控于帚狀構(gòu)造（圖1b）。

2 帚狀構(gòu)造發(fā)育特征

南堡1 號構(gòu)造帶的帚狀構(gòu)造的形成主要受控于斷裂演化，本文分析不同歷史時期主干斷裂（F1、FN）和次級斷裂的生長演化過程及其相互誘導(dǎo)、切割關(guān)系對帚狀構(gòu)造的控制作用。

2.1 主干斷裂特征

2.1.1 主干斷裂幾何學(xué)特征

南堡1 號構(gòu)造帶在南堡凹陷內(nèi)沿北東向延伸，長約20 km，寬為1～4 km（圖2a）。南堡1號構(gòu)造帶包括南堡1 號斷裂帶及其相關(guān)構(gòu)造變形帶，其中1 號斷裂帶是指基底先存斷裂F1及其派生的次級斷裂組合。F1為基底卷入式主干控帶斷裂，F(xiàn)1西南部斷面形態(tài)呈上陡下緩的犁式結(jié)構(gòu)，向東北部逐漸變?yōu)榘迨浇Y(jié)構(gòu)，斷面傾向南東（圖2b）。由F1斷距—距離曲線（圖3）發(fā)現(xiàn)，距斷層西南端點3.7、8.7 和10.7 km 處均存在斷距極小值點，根據(jù)分段點將F1分為F1-1、F1-2、F1-3和F1-4四段。從整體看，F(xiàn)1-1斷層面形態(tài)為犁式，上盤同時發(fā)育同向和反向次級斷裂，平面上呈雁列式結(jié)構(gòu)，剖面上構(gòu)成復(fù)合反“y”字型組合樣式（BB'，圖2b）。F1-2斷層面形態(tài)為犁式（CC'，圖2b），F(xiàn)1-3斷層面形態(tài)為板式（DD'，圖2b），兩者上盤僅發(fā)育反向次級斷裂，平面上為帚狀構(gòu)造，剖面上構(gòu)成反“y”字型組合樣式。F1-4斷層面形態(tài)為板式，斷層上盤同時發(fā)育同向和反向次級斷裂，平面上呈“走向平行式”結(jié)構(gòu)，剖面構(gòu)成復(fù)合“反y”字型組合樣式（EE'和FF'，圖2b）。

圖3 F1斷距—距離曲線和斷距—回剝曲線

2.1.2 主干斷裂活動性分析

根據(jù)斷層生長指數(shù)（EI）和斷距—埋深曲線［16-18］研究F1的不同段、不同時期的活動性。結(jié)果表明，F(xiàn)1-1、F1-2和F1-4為垂向分段生長連接型斷裂，F(xiàn)1-3為拗陷期新生斷裂，具體表現(xiàn)為（圖4）：①F1-1斷距—埋深曲線為折線型，存在一個極小值和兩個極大值點，分別對應(yīng)斷裂傾向連接位置和成核點。F1-1下部斷層段從上到下斷距逐漸增大，EI均大于1，該斷層段自中生代開始活動，直至Ed 沉積末期靜止，控制了Ed、Es和中生界沉積（BB'，圖2b）；F1-1上部斷層段成核點位于Nm內(nèi)，斷層成核點至斷距為0點，EI大于1，表明斷裂自中生代至Ed沉積期持續(xù)活動。②F1-2斷距—埋深曲線為M 型，存在兩個極大值和一個極小值點，下部斷層段在Es2+Es3沉積期成核后持續(xù)活動至Ed沉積末期，斷距由上至下逐漸增大，斷距梯度為正值，EI 大于1，之后EI等于1，斷裂靜止；上部斷層段在Nm沉積期成核，并與下部斷層段發(fā)生傾向連接。③F1-3斷距—埋深曲線為反C 型，只存在一個極大值點，該斷層段在Nm 沉積期開始活動。④F1-4斷距—埋深曲線為M 型，存在一個極小值和兩個極大值點，F(xiàn)1-4上部和下部兩個斷層段分別在Nm 和Es1沉積期成核，下部斷層段成核點以下和上部斷層段成核點至極小值點EI 等于1，斷裂不發(fā)生活動。

圖4 F1的不同段斷距—埋深曲線和生長指數(shù)（取點位置見圖1b）

綜上所述，F(xiàn)1在中生代開始活動，新生代再活動并由南向北逐漸傳播，晚期又與上部斷層發(fā)生傾向連接?，F(xiàn)今F1是由F1-1、F1-2、F1-3和F1-4四個斷層段經(jīng)平面分段生長、連接而成，F(xiàn)1-1、F1-2和F1-4由南向北開始活動時期逐漸變新，斷層面形態(tài)由犁式逐漸變?yōu)榘迨健?/p>

2.2 帚狀構(gòu)造特征

2.2.1 帚狀構(gòu)造幾何學(xué)特征

帚狀構(gòu)造發(fā)育在F1-2和F1-4連接部位，北東向F1-2構(gòu)成“帚把”，北東東向次級斷裂在平面上呈左階雁行排列并向北東向撒開，向南西方向逐漸收斂于主干斷層F1-2上盤，這些次級斷裂與主干斷層成銳角相交，形似一把“掃帚”。帚狀構(gòu)造剖面組合樣式為由主干斷層F1和一系列反向次級斷裂組成的下窄上寬的“反y字”型。帚狀構(gòu)造南部邊界為東西走向的FN，其與F1共同控制上盤地層向上彎曲、隆起（圖5a）。

圖5 帚狀構(gòu)造典型剖面（a）（剖面位置見圖1b）及次級斷裂斷距—埋深關(guān)系（b）

2.2.2 主干斷裂和次級斷裂活動性分析

帚狀構(gòu)造受不同走向、不同性質(zhì)的斷裂共同控制，從剖面上看，這些斷裂存在復(fù)雜的相互作用和切割關(guān)系（圖5a）。根據(jù)斷距—埋深曲線和EI厘定各類斷裂活動期次（圖5b），表明帚狀構(gòu)造南部邊界FN的斷距—埋深曲線為“M”型，存在兩個極大值和一個極小值點，為垂向分段生長連接型斷裂，上部和下部斷層段分別在Nm 和Ed3沉積期形成。由FN的位移—距離曲線（圖6）可知，F(xiàn)N與F1交點處T2和T5反射層斷距連續(xù)，表明Ed沉積期FN貫穿至F1下盤。夾持于F1-3與FN之間的北北東向次級斷裂（f1、f2、f3、f4和f5）的斷距—埋深曲線均為反C 型，斷裂成核點位于Nm 內(nèi)（圖5b），平面上斷距最大值靠近斷裂中部（圖6），是Nm 沉積期的新生斷裂。因此，從活動時期來看，帚狀構(gòu)造內(nèi)的次級斷裂形成時期晚于主干斷層F1。

圖6 帚狀構(gòu)造次級斷裂斷距—距離曲線

3 帚狀構(gòu)造成因及演化

新生代以來區(qū)域應(yīng)力場的變化是南堡凹陷構(gòu)造樣式復(fù)雜的主要原因，經(jīng)歷了裂陷Ⅰ幕、Ⅱ幕和后裂陷期3 個演化階段［14］，西北部西南莊斷層和東部柏各莊斷層作為盆地邊界斷層限制了凹陷內(nèi)部斷裂的分布，而盆地內(nèi)部基底先存斷裂F1在新生代的再活化導(dǎo)致南堡1號斷裂帶在不同演化階段呈現(xiàn)不同的活動特征?；谏鲜鲅芯堪l(fā)現(xiàn)，南堡凹陷的帚狀構(gòu)造與扭動背景下在走滑斷層末端發(fā)育的帚狀構(gòu)造的樣式存在差異，研究區(qū)內(nèi)帚狀構(gòu)造的次級斷裂呈由主干斷層向外逐漸撒開，但傾向卻與主干斷層相反，其演化不僅受控于作為“帚把”的主干斷層F1，還受東西向FN活動的影響。本文綜合考慮南堡凹陷邊界斷裂條件、不同時期區(qū)域應(yīng)力場方向、主干斷層的變形機(jī)制以及活動斷裂走向、強(qiáng)度分析帚狀構(gòu)造成因并恢復(fù)演化過程。

3.1 裂陷Ⅰ幕（Es 沉積期）

在裂陷Ⅰ幕（45～36 Ma），南堡凹陷受控于北西—南東向伸展作用［19-20］，西北部西南莊斷層與伸展方向斜交，夾角最大區(qū)段控陷作用最強(qiáng)，東部北西向柏各莊斷層與伸展方向近平行，具有左旋走滑控陷特征。裂陷Ⅰ幕早期，北東向先存基底斷裂F1-1在北西—南東向伸展作用下發(fā)生再活動，同時還發(fā)育與伸展方向正交的北東向新生斷裂F1-2（圖3）。裂陷Ⅰ幕晚期，隨著位移增大，F(xiàn)1-1和F1-2連接形成一個斷層段，北東向F1-4開始活動（圖3、圖7a、圖8a）。此時F1為兩段式結(jié)構(gòu)，分段生長點部位確定了帚狀構(gòu)造的發(fā)育位置。

圖7 南堡1 號構(gòu)造帶帚狀構(gòu)造發(fā)育模式

圖8 南堡1 號構(gòu)造帶帚狀構(gòu)造演化過程（剖面位置見圖1b）

3.2 裂陷Ⅱ幕（Ed 沉積期）

在裂陷Ⅱ幕（36～23 Ma），Ed 沉積早期是構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期，伸展方向由Es沉積期的北西—南東向轉(zhuǎn)變?yōu)槟媳毕颍?9，21］，這可能是約36 Ma 以來太平洋板塊向歐亞板塊俯沖方向的改變所致［22-24］。在南北向伸展作用下，西南莊斷層持續(xù)控陷，但不同斷層段的活動性質(zhì)發(fā)生改變，東西向斷層段的控陷作用增強(qiáng)，柏各莊斷層由走滑作用轉(zhuǎn)變?yōu)樾被饔?。南堡凹陷?nèi)部1 號構(gòu)造帶的控帶斷裂F1-2和F1-4作為先存斷裂發(fā)生斜向伸展作用，位移逐漸增大并向中部傳播，呈右階雁列式“軟連接”（圖7b）。斷層F1上盤發(fā)育一系列北傾東西向新生正斷層，向西傳播并終止于F1，但FN向西穿過F1-2和F1-4分段點部位（圖7b、圖8b、圖8c），且該時期FN活動強(qiáng)度較大（圖5b）。Ed沉積期形成了帚狀構(gòu)造雛形，應(yīng)力場轉(zhuǎn)變?yōu)樾纬芍銧顦?gòu)造提供了應(yīng)力背景。

3.3 后裂陷期（Ng-Nm 沉積期）

后裂陷期（23 Ma～現(xiàn)今），在持續(xù)的南北向伸展作用下，主干斷裂在斜向伸展的同時具有傾滑分量和走滑分量。一方面，主干斷層在傾滑分量作用下導(dǎo)致F1-2與F1-4發(fā)生“硬鏈接”，形成現(xiàn)今一條大的活動斷裂（圖3），并切割早期FN（圖5a、圖7c、圖8d），與FN共同控制北西傾向的次級斷裂的發(fā)育。由于該時期FN活動性較強(qiáng)，次級斷裂傾向與FN傾向一致。另一方面，在走滑分量控制下F1-2與F1-4在連接部位形成走滑釋放彎曲（圖7c），次級斷裂呈左階排列，向北東向撒開、向南西方向收斂于主干斷層F1-2上盤，帚狀構(gòu)造在該時期定型。

4 帚狀構(gòu)造地質(zhì)意義

4.1 指示應(yīng)力體制的轉(zhuǎn)變

帚狀構(gòu)造作為渤海灣盆地普遍發(fā)育的構(gòu)造樣式，最顯著的特征是存在向外撒開的彎曲斷層。在平面上斷層彎曲的原因為：①走滑斷層末端走滑位移轉(zhuǎn)化為傾滑位移［25］。斷層在發(fā)生走滑運動時，斷層末端伸展象限內(nèi)走滑位移向正傾滑位移轉(zhuǎn)化，形成末端“張扭型帚狀構(gòu)造”，次級斷裂與走滑變形同期發(fā)生，斷裂傾向為本盤運動方向。②先存構(gòu)造［26］?；紫却鏄?gòu)造的形態(tài)影響上覆蓋層的次級斷裂組合樣式，當(dāng)基底發(fā)育弧形先存構(gòu)造時，在統(tǒng)一應(yīng)力場作用下，先存構(gòu)造再活化導(dǎo)致上覆蓋層發(fā)育彎曲斷層。③不規(guī)則斷層面產(chǎn)生的局部應(yīng)力擾動［27-28］。

上述弧形斷層均可在一期變形過程中產(chǎn)生，次級斷裂與主干斷層同期活動。本文的帚狀構(gòu)造由南堡凹陷內(nèi)不同走向、不同性質(zhì)、不同期次的斷裂在空間上疊加、復(fù)合而成，斷裂組合樣式隨時間發(fā)生變化。帚狀構(gòu)造經(jīng)歷了裂陷Ⅰ幕“帚把”的形成、裂陷Ⅱ幕東西向邊界斷裂的發(fā)育以及拗陷期次級斷裂的形成等階段。南堡1 號構(gòu)造帶帚狀構(gòu)造的斷裂變形特征表明，帚狀構(gòu)造為不同構(gòu)造應(yīng)力場疊加的產(chǎn)物，是一種特殊的斷裂組合樣式。帚狀構(gòu)造的演化特征反映了盆地構(gòu)造格局在地質(zhì)歷史時期經(jīng)歷了一次明顯的構(gòu)造轉(zhuǎn)型，指示了應(yīng)力體制的轉(zhuǎn)變。

4.2 石油地質(zhì)意義

勘探實踐證明，南堡凹陷1 號構(gòu)造帶是南部灘海地區(qū)主要的油氣聚集帶，資源量約占灘海地區(qū)探明地質(zhì)儲量的60%［29］，而帚狀構(gòu)造控制的南堡1-3 區(qū)塊的資源量占南堡1號構(gòu)造帶總探明地質(zhì)儲量的一半。分析控制帚狀構(gòu)造演化的主干斷層及次級斷裂的活動特征發(fā)現(xiàn)，帚狀構(gòu)造在演化過程中不僅控制圈閉演化還控制油氣運聚。

4.2.1 帚狀構(gòu)造控制油氣垂向運移

南堡凹陷經(jīng)歷了裂陷Ⅰ幕、Ⅱ幕和后裂陷期三期構(gòu)造變形，不同時期、不同形式構(gòu)造作用的疊加、復(fù)合共同決定了油氣運移的主要方向。帚狀構(gòu)造分布區(qū)是油氣運移的指向，張性或張扭性斷層是油氣運移的通道，壓性或壓扭性斷層對油氣起遮擋作用。油氣勘探實踐表明，新近紀(jì)油氣大規(guī)模運聚、成藏時期主要發(fā)生在Nm 沉積晚期［30］?？刂浦銧顦?gòu)造發(fā)育的主干斷層F1-2長期活動，有效溝通Es3、Es1烴源巖和上部圈閉，是油氣從深層運移至淺層的良好輸導(dǎo)通道，為帚狀構(gòu)造分布區(qū)重要的油源斷層，因此垂向運移也成為該區(qū)主要的油氣運移方式。Nm 沉積期發(fā)育的次級斷裂雖然斷穿層位有限，但是與長期活動的主干斷層溝通、切割形成復(fù)合反“y”字形組合，斷裂交叉點位置應(yīng)力集中、應(yīng)變量大、變形集中且往往伴生大量裂縫，可形成利于油氣輸導(dǎo)的復(fù)雜斷層網(wǎng)絡(luò)，同樣可作為油氣垂向運移的優(yōu)勢通道（圖9）。

圖9 南堡1-3 區(qū)塊油藏剖面

4.2.2 帚狀構(gòu)造控制圈閉類型

分析斷裂生長演化階段和斷層圈閉成因發(fā)現(xiàn)，同向斷層分段生長作用在斷層生長進(jìn)入“硬連接”階段開始控制同向斷層圈閉的形成（圖10a），圈閉位于斷層上盤分段生長點位置［31］（圖10b、圖10c）。反向斷層掀斜作用在整個斷裂活動時期控制反向斷層相關(guān)圈閉的形成（圖10d），圈閉多位于孤立斷層下盤斷距最大位置［31］（圖10e、圖10f）。南堡1-3 區(qū)塊油氣分布主要受斷塊控制，帚狀構(gòu)造發(fā)育上述兩類圈閉，作為“帚把”的主干斷層F1為典型的同向斷層。由F1的斷距—距離曲線（圖10h）可見，同向斷層分段生長點的位置指示圈閉的發(fā)育位置，Nm 沉積期“硬連接”控制上盤橫向背斜的形成，奠定了帚狀構(gòu)造的隆起格局（圖10g～圖10i）。而Nm 沉積期新生的次級斷裂將橫向背斜切割、復(fù)雜化，同時次級斷裂的掀斜作用控制一系列反向斷層相關(guān)圈閉的形成（圖10g、圖10j）。因此，帚狀構(gòu)造分布區(qū)通常為構(gòu)造高點，可同時發(fā)育同向斷層圈閉和反向斷層圈閉，指示油氣富集部位。

圖10 帚狀構(gòu)造圈閉類型及同向和反向斷層圈閉特征

5 結(jié)論

（1）南堡凹陷1號構(gòu)造帶帚狀構(gòu)造由主干斷裂F1、FN及次級斷裂控制。F1在中生代開始活動，新生代再活動并由南向北傳播、生長，南部邊界斷裂FN在Ed3沉積期開始活動，二者夾持的次級斷裂在Nm 沉積期開始活動。

（2）帚狀構(gòu)造經(jīng)歷了古近紀(jì)裂陷Ⅰ幕、Ⅱ幕和新近紀(jì)后裂陷期三個演化階段。古近紀(jì)Es 沉積期主干斷裂分段生長為帚狀構(gòu)造的形成提供了背景，古近紀(jì)Ed 沉積期應(yīng)力場轉(zhuǎn)變?yōu)橹銧顦?gòu)造發(fā)育提供了應(yīng)力機(jī)制，新近紀(jì)Ng-Nm 沉積期F1的斜向伸展作用和FN的正交伸展作用控制了次級斷裂，帚狀構(gòu)造就此定型。

（3）南堡1 號構(gòu)造帶帚狀構(gòu)造的發(fā)育一方面指示新生代存在一期應(yīng)力體制轉(zhuǎn)變，另一方面反映了控制帚狀構(gòu)造的主干斷裂和次級斷裂作為油源斷裂控制油氣垂向運移，同時控制同向斷層圈閉和反向斷層圈閉的形成——油氣富集部位。