辽西-秦南地区断裂体系形成与演化特征

2019-09-27胡志伟王德英牛成民杨海风徐春强柳屿博

成都理工大学学报（自然科学版） 2019年5期

胡志伟, 王德英, 牛成民, 杨海风, 徐春强, 柳屿博, 任健, 康琳

(中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津 300452)

近年来，渤海油田在边缘凹陷油气勘探取得了重要进展，在紧邻胶辽隆起带的庙西北洼和黄河口东洼发现了蓬莱15-A、渤中36-A等多个亿吨级油田，充分证实了渤海海域边缘凹陷的勘探潜力[1-3]。辽西-秦南地区作为渤海海域西北部紧邻燕山褶皱带的边缘凹陷，也是渤海油田最早勘探的地区之一，自1976年该区钻探第一口探井以来，很长时间内油气勘探始终无重大突破，导致其勘探潜力备受质疑，直到2009年秦皇岛29-2构造钻探获得油气发现，揭示了该区具有一定的勘探潜力[4-5]。以此为契机，该区随后相继钻探了秦皇岛28-3、秦皇岛28-4、绥中29-1、绥中30-2等多个构造，但由于对断裂发育特征与形成演化认识的欠缺，使油气成藏研究受限，勘探效果均不理想,充分展示了该区油气成藏的差异和复杂性。

前人对辽西-秦南地区的石油地质条件开展了一定的研究工作，魏刚等[6]、庄新兵等[7]、梁建设等[8]研究表明辽西-秦南地区发育优质烃源岩，具备形成大中型油气田的物质基础。徐长贵等[9]、王冠民等[10]、赖维成等[11]对区内层序格架和演化特征以及主要目的层段的优质储层发育主控因素进行了分析。田立新等[12]、杨海风等[13]对区内的典型油气藏进行了系统解剖，总结了不同构造区带的油藏特征及勘探潜力。张江涛等[14]、庞小军等[15]、张震等[16]对区内局部地区的断裂活动特征及其对单一成藏要素的影响进行了研究。整体来看，前人主要集中对某一特定地区的成藏要素进行独立研究，而忽略辽西-秦南地区作为一个整体边缘凹陷的特殊性。随着勘探程度的提高，越来越多的证据表明辽西-秦南地区在断裂体系特征和构造演化上均具有良好的一致性，因此本文立足于辽西-秦南地区最新大连片处理的三维地震资料，结合区内实际钻井情况，利用构造解析的思想，通过高精度相干提取、断层精细解释，将辽西-秦南地区作为一个整体对断裂特征、类型、组合及构造演化开展精细研究，以期有助于认识辽西-秦南地区断裂体系特征及演化过程，推动渤海海域边缘凹陷勘探进程。

1 区域地质概况

辽西—秦南地区位于渤海海域西北部，西部紧邻渤海湾盆地边界的燕山褶皱带，东部以凸起带与辽中凹陷相隔，北部与辽河油田西部凹陷相接，向南止于渤中凹陷。研究区主要包括辽西凹陷、秦南凹陷、辽西南凸起、辽西凸起和石臼坨凸起五大构造单元，传统观点认为辽西凹陷是渤海湾盆地辽河拗陷向海域的自然延伸部分，而秦南凹陷则隶属于埕宁隆起[17]。研究区凹陷受NNE向和NE向展布的主干断裂体系控制特征明显，平面上凹陷展布方向与断裂走向一致，均呈北北东走向(图1)。秦南地区为受NNE向秦南1号断裂和NE向秦南2号断裂控制的半地堑，其中东洼和东南洼表现为南断北超，西洼为北西断南东超的断陷格局(图2)。辽西地区整体表现为受NNE向辽西1号、辽西2号、辽西3和辽西南1号断裂控制的“东断西超”箕状凹陷(图3)。

辽西—秦南地区为太古界基底上发育的新生代凹陷，主要发育古近纪裂陷和新近纪拗陷两大沉积旋回。钻井资料证实新生代地层发育较全，自下而上分别发育古近系孔店组、沙河街组、东营组和新近系馆陶组、明化镇组以及第四系平原组。其中沙河街组第四段(简称“沙四段”)-孔店组沉积期为初始裂陷期，断陷作用较弱，表现为湖小水浅，主要为干旱条件下的小型湖泊相和冲积扇相沉积；岩性以泥岩与碳酸盐岩互层为主，夹有红色岩层。沙河街组第三段(简称“沙三段”)沉积期为大范围强烈裂陷期，表现为湖广水深，以发育深湖相泥岩或油页岩为主，也是该区最主要的烃源岩发育期。沙一、沙二段为裂后热沉降期，以滨浅湖-半深湖相沉积为主，扇三角洲沉积体系发育，其中沙一段为 “特殊岩性段”，以大套暗色泥岩和油页岩的广泛发育为显著特征。东营组沉积期裂陷作用再次增强，发育一套上粗下细的碎屑岩沉积，下部为深湖-半深湖相泥岩，上部发育大型区域性辫状河三角洲沉积。至新近纪研究区结束裂陷阶段，进入全面拗陷期，馆陶组为一套厚层的辫状河砂砾岩沉积，明化镇组为砂泥岩互层的曲流河沉积。

图1 辽西-秦南地区综合地质图Fig.1 Comprehensive geological map of Liaoxi-Qinnan area

图2 秦南地区洼陷构造剖面图Fig.2 Structural sections showing depression in Qinnan area(剖面位置见图1)

图3 辽西地区洼陷构造剖面图Fig.3 Structural section showing depression in Liaoxi area(剖面位置见图1)

2 断裂体系特征

辽西-秦南地区经历了印支、燕山和喜马拉雅多期构造运动的叠加改造，断裂体系十分发育。特别是进入新生代，弧后幔隆伸展和斜向走滑拉分成为主导渤海海域最重要的2种构造体制，伸展断裂系统和走滑断裂系统在时间上复合、空间上叠加，形成了研究区多展布方向、多种应力性质并存的断裂体系[18]。

2.1 主干断裂发育特征

断裂是辽西-秦南地区最主要的构造变形方式，是控制凹陷构造形成演化的主要因素。通过对研究区近5 000 km2三维地震资料的精细构造解释，将剖面特征分析与水平切片特征分析相结合，精细刻画主干断裂及部分典型地区断裂体系发育特征，确定研究区发育6条大型控凹Ⅰ级断裂。作为分隔凸起和凹陷的边界断裂，它们对盆地的形成演化具有重要的控制作用。其中辽西地区主要发育辽西南1号、辽西1号、辽西2号和辽西3号等4条断裂，属于郯庐断裂带的一部分，整体走向为NNE-SSW向；秦南地区主要发育秦南2号和秦南1号断裂(图1)。

辽西1号断裂为辽西低凸起南段与辽西凹陷的边界断裂，自辽西低凸起最南端向北延伸至锦州25-1构造，平面延伸距离约为100 km，断裂整体走向为NNE-SSW向，局部发生弯曲。剖面上表现为倾角较陡的铲式正断层，断裂倾向NWW；切割深度大、切穿层位多，次级断裂发育较少，断裂构造样式简单。深部断裂面发育较为清晰且连续；浅部连续性变差，断裂北段逐渐消亡(图4-A)。

辽西2号断裂位于辽西地区北部，南起锦州25-1构造，北至锦州9-2构造，平面延伸距离短，整体呈NNE走向。断裂在中深层表现为一条较为连续的断裂，至浅层断裂连续性变差，由多条次级断裂侧部相接或首尾相接排列组成，并且越向浅层连续性越差。剖面上断裂具有明显的分段性，其中南段表现为较为平缓的铲式正断层，规模较大，切割层位多，上部新近系中断裂逐渐变陡；北段断裂规模明显变小，断裂产状更陡，表现为板式，后期被走滑断裂切割(图4-B)。

辽西3号断裂位于辽西2号断裂东侧，为辽西低凸起北段与辽西凹陷的边界断裂，南起锦州25-1构造，北至锦州9-2构造，平面延伸距离短。平面上浅层断裂清晰，为多条NNE向发育的弧形弯曲断裂沿走向首尾相接构成，深层断裂面杂乱且较难分辨。剖面上表现为伸展性质的铲式正断层，断裂北段在浅层次级断裂较为发育，与主断裂面组成“Y”字形组合或似花状构造；断裂中段切割层位多；断裂南段断面进一步变陡(图4-B)。

辽西南1号断裂位于辽西地区东南部，为辽西南凸起的西部边界断裂，断裂向北延伸至锦州25-1构造，向南与秦南1号断裂相接。平面上断裂整体走向NNE向，沿走向平直发育，次级断裂少。剖面上倾角整体较缓，自南向北倾角变大，向上切穿层位少，与上部次级断裂组成“Y”字形组合或似花状构造(图4-A)。

图4 辽西-秦南地区主干断裂的剖面特征Fig.4 Profile showing characteristics of the main faults in the western Liaoxi-Qinnan area(剖面位置见图1)

秦南1号断裂南部呈帚状向秦南凹陷撒开，向北延伸至辽西南凸起西侧与辽西南1号断裂相接。断裂平面上整体呈现NNE向展布。该断裂对秦南凹陷东洼和东南洼古近纪构造格架和沉积充填的控制作用极为明显，断裂表现为南部紧邻洼陷区断距较大、向北逐渐向凸起区过渡、断距逐渐减小的特点。剖面上断裂的最大断距达到5 km，表明断裂在早古新世断陷活动甚为强烈。剖面上为铲式正断层，浅部次级断裂发育，与主干断裂形成“Y”字形组合(图4-C)。

秦南2号断裂位于秦南地区西北部，为秦南凸起与秦南凹陷的边界断裂。断裂南起马头营凸起，北抵秦南凸起西界，南北长达50 km，控制着秦南凹陷西洼的沉积发育特征。平面上断裂走向为NE 方向，断面形迹清晰，次级派生断裂较少；剖面上表现为上陡下缓的铲式正断层(图4-D)。

整体上看，辽西-秦南地区除NNE向主干断裂体系外，在走滑断裂之间还发育多条近EW向、NE向的调节断裂，浅层NE向次级小断裂多表现为沿NNE向主走滑断裂雁行排列的特征，其夹角方向指示该区NNE向断裂新近纪以来普遍受到一定程度的右旋走滑改造特征。

2.2 断裂体系应力复合特征

渤海海域多期地幔对流伸展和斜向走滑拉分的成盆机制，导致多期次、多种性质应力构造运动的复合叠加成为辽西-秦南地区地质构造的普遍特征。结合前文对研究区6条主干断裂体系的构造特征分析可知，主干断裂均呈现下缓上陡的铲式或板式特征。通过不同构造层系平面断裂系统的差异对比分析可知，孔店组-沙三段沉积期的深部层系断裂体系断裂形迹清晰、走向稳定，基本上未见次级断裂发育；沙一、沙二段-东营组沉积期的中部层系断裂体系基本与深部层系相似，但沿NNE向展布的主干断裂体系两侧次级断裂开始发育，呈雁列式排列或与主断裂羽状相交；馆陶组-明化镇组沉积期的浅部层系断裂体系开始发生显著变化，主干断裂连续性明显变差，由一系列小断裂组成断裂带，NE向与近EW向次级断裂数量显著增多，与NNE向主干断裂组成雁列或帚状构造体系。通过主干断裂体系剖面结构和深浅不同层系断裂体系差异对比，反映了研究区不同时期走滑和伸展两大构造应力多期叠加复合改造特征。在伸展与走滑的共同作用下，断裂的活动通常表现为斜向拉伸，其位移量可以分解为平行于断裂走向的水平走滑量和垂直于断裂走向的伸展量。因此可通过对研究区主干断裂的走滑位移量与伸展位移量2个参数来定量表征其不同时期伸展与走滑应力强度的叠加配比关系。结合研究区主干断裂不同构造期的走滑位移量和伸展位移量对比分析可知，总体上，主干断裂在孔店期、沙四期、沙三-沙一期伸展位移量明显大于走滑位移量，自东营期开始走滑位移量显著增大且强于伸展位移量。从平面展布上看，走滑量北部整体大于南部，秦南1号、辽西南1号和辽西2号古近纪伸展量较大(图5)。

2.3 断裂构造样式

构造样式为同一期构造变形或同一应力作用下所产生的构造形迹的总和，从区域范围来看，同一构造应力体制下形成的构造往往在剖面形态、平面展布、排列组合上有着相似之处。根据区域应力背景及构造特征，辽西-秦南地区主要发育伸展和伸展-走滑复合2类成因6种构造样式。

图5 辽西-秦南地区主要断裂伸展位移量与走滑位移量Fig.5 The extension displacement and strike slip displacement of main faults in the Liaoxi-Qinnan area

2.3.1 伸展型构造样式

由前文分析可知，地幔上涌形成的伸展与太平洋板块斜向俯冲产生的走滑拉分是辽西-秦南地区新生代主要动力源，导致该区古近纪整体处于伸展环境，区域内广泛发育伸展构造样式，其中主干控洼断裂主要发育板式、铲式和坡坪式3类伸展构造样式。板式正断层一般走向稳定，倾角较大(图6-A)；铲式正断层断面产状呈现上陡下缓的特征，往往是正断层进一步发育演化的结果(图6-B)；坡坪式正断层则可被认为是铲式正断层发育的高级阶段，相比板式和铲式正断层，其伸展强度更大，构造演化时间更长(图6-C)。

图6 辽西-秦南地区主要断裂构造样式Fig.6 Structure styles of main fault in Liaoxi-Qinnan area

2.3.2 伸展-走滑复合型构造样式

受伸展作用和走滑作用的共同控制，辽西-秦南发育有大量伸展-走滑复合型构造样式，体现了2种构造应力共同作用的结果。由于受古近纪早期伸展、新近纪晚期不同强弱程度的走滑改造作用，伸展-走滑复合型构造样式主要包括多级“Y”字形组合、“无根花”状构造和似花状构造3类。多级“Y”字形组合构造样式早期以伸展作用为主，后期遭受较弱程度走滑改造，次级断裂发育少，断层在平面上表现为近平行或雁列式发育(图6-D)。“无根花”状构造不发育主干断裂，后期较强走滑改造作用下并不依附早期大型断层派生次级断裂，而是在浅层独立发育新生断裂，并与早期断裂组合形成“花状”，且“花心”部位地层轻微上拱(图6-E)。相比前两者，似花状构造晚期遭受更为强烈的走滑改造，剖面上主干断裂表现为大型铲式或板式正断层，主干断裂上盘地层发育一系列倾向相对的次级断裂体系，平面上呈雁列式排布；相比经典走滑作用下形成的主干断裂直立、两侧对称、花状结构明显的花状构造，“似花状构造”的主干断裂和次级断裂更多表现为伸展-走滑复合性质，因此称之为“似花状”构造(图6-F)。

3 断裂形成演化与生烃潜力评价

3.1 断裂活动性分析

辽西-秦南地区各时期断裂带的剖面特征及平面展布规律为多期次构造运动叠加改造的结果，主干断裂均为凸起与凹陷的边界断裂，对洼陷结构和沉降沉积中心的迁移变化具有显著控制作用。通过对断裂的垂向活动性分析，可以确定断裂系统在不同构造时期的活动强度，特别是在主裂陷期的断裂活动强度与烃源岩发育具有良好的相关性，从而为洼陷的优选提供依据。

针对研究区6条主干控凹断裂，采用断层活动速率表征断裂分别在孔店组-沙三段沉积期(T8)、沙一、沙二段沉积期(T5)和东营组沉积期(T3)3个不同时期的活动特征。从空间分布上看，秦南地区东部、辽西南段北部和辽西北段断裂活动性强，表现为明显的继承性活动特征(图7)。从不同地质时期断裂活动特征看，孔店组-沙三段沉积期，除秦南西部地区外，整个辽西-秦南地区发生了大规模的裂陷活动，处于快速沉降阶段；沙一、沙二段沉积期，除秦南地区东部和辽西北段外，大部分断裂活动强度均明显降低，说明该时期的垂向活动逐渐减弱，即以拉张为主的区域应力场作用逐渐降低；东营组沉积期，断裂活动强度再次增强，尤其以秦南东部和辽西南段地区活动最为强烈。综上所述，古近纪裂陷期秦南1号、辽西1号和辽西2号断裂的活动性最强，辽西3号和辽西南1号断裂的活动性次之，秦南2号断裂的活动性最弱。从断裂应力复合性质来看，研究区自西向东伸展作用减弱，自南向北走滑作用增强。

图7 辽西-秦南地区主要裂陷期断裂活动速率分布图Fig.7 Distribution of fault activity rate in major rifting periods in Liaoxi-Qinnan area

3.2 断裂形成演化特征

前文已述，新生代太平洋板块斜向俯冲形成的弧后幔隆伸展与走滑拉分是渤海海域构造演化的主要动力，因此伸展和走滑2种作用共同贯穿辽西—秦南地区的断裂演化全过程。一方面，郯庐走滑断裂带在古近纪完成了左旋到右旋的转变；另一方面，不同时期、不同地区伸展和走滑2种构造作用的相对强弱关系存在明显差异，受上述两大因素共同影响，辽西-秦南地区的断裂形成演化具体可分为4个阶段。

孔店组-沙四段沉积期渤海海域为燕山运动逐渐消亡而喜马拉雅运动开始兴起的过渡阶段，从断裂应力性质看，辽西-秦南地区处于弱伸展-弱走滑的初始裂陷期，断裂以伸展性质为主，兼具一定程度的左旋走滑。该时期NNE向主干断裂均开始活动但活动强度小，地层呈现NNE向展布，次级断裂发育较少。

沙三段—沙一、沙二段沉积期除秦南西部地区外，主干控盆断裂体系垂向活动性均大幅度增强，郯庐走滑断裂带已完成由左旋向右旋的转变，研究区整体以NW-SE向拉张作用为主，处于强伸展弱走滑的主裂陷期，表现为湖宽水深的沉积环境，大部分凸起均为水下凸起，相比初始裂陷区凸起范围大幅度减小。该时期研究区伸展性质的断裂被走滑作用开始改造，次级断裂数量有所增加，次级断裂主要以NE向和近EW向为主。秦南地区秦南1号断裂南端呈现NE向多分支断裂向NNE向主支断裂汇聚的马尾状断裂体系，辽西地区则以NNE向主干断裂和NE向次级断裂组合形成帚状断裂体系为主。

东营组沉积期基本继承了沙三段沉积期的特征，NNE向主干断裂体系继承性发育；有所不同的是该时期断裂走滑作用进一步增强，次级断裂显著增多，处于强伸展中走滑的主裂陷期。进入东营末期，受印度板块与欧亚板块碰撞影响造成华北板块向东逃逸，研究区在东营组沉积末期发生一次整体弱挤压抬升剥蚀，造成研究区东一段整体缺失。

新近纪馆陶组-明化镇组沉积期，辽西-秦南地区进入整体拗陷阶段，属于构造活动上的相对宁静期，伸展断陷作用急剧减弱甚至几乎停止，走滑作用也相应减弱；但从强弱配比上看，走滑作用仍强于伸展作用，导致研究区普遍遭受一定程度弱走滑改造。相比深层古近系，主干断裂的平面连续性变差，由一系列次级断裂沿走向排列组成，拗陷内部NEE向、近EW向次级断裂极为发育。

综上所述，辽西-秦南地区的断裂体系演化受控于伸展和走滑两大构造作用，具体可划分为弱伸展-弱走滑初始裂陷期、强伸展-弱走滑裂陷Ⅰ幕、强伸展-中走滑裂陷Ⅱ幕和弱伸展-弱走滑拗陷期4个不同演化阶段。整体相比辽中、辽东地区而言，辽西-秦南地区断裂体系表现为强伸展-弱走滑改造的特征。从纵向演化上看，伸展作用经历了由弱变强再变弱的演化过程，走滑作用则由弱变强；从两者应力配比上看，古近纪时期伸展作用占据绝对主导地位，新近纪时期走滑强度大于伸展作用，不同演化阶段断裂体系控制洼陷结构和沉积充填，从而影响洼陷生烃潜力。

3.3 生烃潜力评价

依据主干断裂活动强度、断裂形成演化阶段和地层厚度等特征，辽西-秦南地区自南向北可分为9个洼陷。秦南地区可分为秦南西洼、秦南东洼和秦南东南洼；辽西地区可分为辽西南段、辽西中段和辽西北段，辽西南段以洼间隆为界可分为南洼和北洼，辽西中段和北段以NNE向展布的次级断裂形成的断隆带为界分为西洼和东洼(图8)。沙三段与沙一、沙二段作为辽西-秦南地区已证实的主力烃源岩层系，东营组作为潜力烃源岩层系，其沉积厚度和沉积范围直接影响着洼陷的有效生烃潜力。

图8 辽西-秦南地区主要洼陷平面分布图Fig.8 Plane map showing main sags in Liaoxi-Qinnan area

根据辽西-秦南地区9个洼陷的基底埋深、3套烃源岩层系的发育特征及控洼断裂的发育演化特征，秦南东洼、秦南东南洼、辽西南段北洼、辽西北段东洼和辽西北段西洼等5个洼陷均具有沙河街组和东营组沉积厚度大的特征，古近纪断陷期表现为继承性洼陷，成藏物质发育好，生烃潜力较大。辽西南段南洼、辽西中段西洼、辽西中段东洼等3个洼陷沙河街组沉积相对略薄，古近纪断陷期表现为衰退型洼陷，生烃潜力一般。秦南西洼新生界整体为碟状拗陷特征，古近纪断陷活动较弱，表现为萎缩型洼陷，生烃潜力较差(表1)。