辽东湾拗陷新生代断裂特征及其对油气的控制作用

2018-12-24刘池阳周立宏肖敦清张东东

西北大学学报（自然科学版） 2018年6期

贾楠, 刘池阳, 周立宏,肖敦清,黄雷,张东东

(1.辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新 123000; 2.中国石油大港油田公司,天津 300280;3.西北大学地质学系,陕西西安 710069)

辽东湾拗陷断裂构造极其发育,分布广泛，活动期次多,东、西部断裂构造特征、性质、活动属性及强度等有别[1-3]。加之,中国东部著名的深大断裂——郯庐断裂在辽东湾拗陷穿过,且中东部诸多构造带本身就是郯庐断裂带的组成部分,构造活动尤为强烈[4]。在新生代盆地同裂谷发育期间,郯庐断裂带发生多期伸展、走滑活动,极大地影响了盆地的构造特征及演化[5-6]。这一构造演化背景造成了盆地内部发育丰富且典型的伸展及走滑-伸展复合构造变形行迹，也使该区成为开展以上相关断裂构造变形特征及油气赋存效应等问题研究的良好场所[1-7]。目前,国内外学者对该断裂带不同时期的构造属性[8-9]、变形样式[10-13]、控盆模式[6]及动态演化过程[14-19]的研究,已取得丰硕成果，认为断裂构造新生代的活动演变对油气赋存成藏具有重要的影响[20-25]。然而，关于断裂构造的发育、活动、演化及其对油气的控制作用尚不明确,给辽东湾地区油气地质的勘探带来极大挑战。

近年来,随着油气地质勘探的深入开展和科技水平的不断创新,辽东湾地区的三维地震资料连片处理、解释技术已日趋完善。本文正是基于辽东湾拗陷新近的油气勘探资料与成果,通过地震资料构造解释、古地质构造恢复和地质资料综合分析,对辽东湾拗陷的断裂特征进行深入剖析,明确其形成、发育及其动态演变的过程,进而探究断裂对油气聚集的控制作用,为研究区的油气地质勘探提供基础资料与决策依据。

1 研究区地质背景

辽东湾拗陷隶属于滨太平洋构造域亚洲东部新生代盆地群渤海湾盆地东北部,是下辽河拗陷向海域的延伸,具典型裂谷盆地特征。现今构造格局自西向东可划分为辽西凹陷、辽西低凸起、辽中凹陷、辽东凸起和辽东凹陷5个次级构造单元,其中凹陷多为箕状断陷结构,平面上呈NE向展布(见图1)。辽东湾拗陷新生代地层自下向上依次发育:古近系孔店组、沙河街组、东营组和新近系馆陶组、明化镇组及第四系平原组。从整体上看,辽东湾拗陷南、北部地层发育有别。古近纪地层在北部发育齐全,南部部分地区缺失沙三段—沙一段。而新近系馆陶组和明化镇组则呈现北薄南厚、北粗南细的特点[19]。这反映了辽东湾拗陷新生代构造变动在空间上的差异。在构造演化与盆地充填上，研究区与整个渤海湾盆地一致,经历了古近纪裂陷和新近纪拗陷两个演化阶段[15-18],发育同裂陷期沉积和裂后拗陷期沉积两个沉积序列。基底主要包括太古界和中上元古界的变质岩及花岗岩、古生界碳酸盐岩和中生界碎屑岩及火成岩；在不同地区，基底的时代和岩性不同。

目前的科学研究及勘探实践表明[22],辽东湾拗陷共存在8条基底主干断裂,自西向东依次为辽西一号(F1)、辽西二号(F2)、辽西三号(F3)、辽中一号(F4)、辽中二号(F5)、旅大二号(F8)、辽东一号(F6)、辽东二号(F7)。这些断裂平面展布特征错综复杂,走向多变,优势走向以NE向为主,不同时期断裂构造属性及表现形式有别,凹陷和凸起带沿着断裂带呈NE向条带状发育(见图1)。

2 断裂发育特征及其成因

2.1 构造样式及剖面组合特征

伸展活动和走滑活动在盆地中会产生不同类型的构造样式,如伸展断层相关的地堑、滚动背斜等,走滑活动相关的花状构造等;反之,这些不同的构造样式可以反映出相关断层所对应的几何学、运动学特征。研究中,对研究区断层的相关构造样式进行识别,继而通过不同构造样式所反映的运动学特征来评估研究区断层的性质。

断层活动是辽东湾拗陷的主要构造变形,并直接控制了盆地内的构造样式。研究区因伸展活动和走滑活动同期并存,这些断层及其控制的构造样式的几何学与运动学特征在整个盆地内表现出明显的时空差异性。其构造样式主要可划分为:伸展构造样式(铲式正断层、坡坪式断层、地堑、箕状半地堑、铲式逆牵引);走滑构造样式(正花状构造、负花状构造);伸展-走滑复合构造样式(半花状构造、似花状构造、“Y”字型断块),其辽东湾拗陷不同地区的分布有别(见图2)。

2.2 断裂发育期次及成因

依据断裂与两侧沉积地层的切割关系及活动演变特征,将辽东湾拗陷发育的断裂划分为:早期伸展断裂、中期伸展走滑断裂、晚期走滑断裂和长期活动断裂4种类型(见图3)。不同类型断裂的发育特征、期次及演变过程与区域构造应力场、周邻板块的动力学调整过程有关。

2.2.1 早期伸展断裂早期伸展断裂是指孔店组沉积期—沙河街组三段沉积期末发育形成的断裂,主干断裂走向以NNE，NE向为主(见图1),如辽西一号(F1)、辽西三号断裂(F3)。其主要分布在辽西凹陷和辽中凹陷斜坡带,多表现为伸展构造活动属性,向下断至前新生界,向上止于东营组底部,对早期断陷地层的沉积具有明显的控制作用,形成构造同向或反向断阶带,分割凹陷基底为多个次级小断块,且不同部位发育的断裂产状有别(见图3)。

早期伸展断裂的形成及活动与古太平洋板块俯冲方向和速率的多次转变有关。在古新世至早始新世,板块运动由原来的NWW转变为向北运动,平均汇聚速率达7.8 cm/a;中始新世,运动方向转为NNW向,二者之间的汇聚速率为3.8 cm/a[26]。该俯冲作用引起的弧后扩张,以NW—SE向拉张应力场为主,是中国大陆东部诸多新生代盆地发生广泛的伸展活动。在该期间,辽东湾拗陷局部地区发生了伸展裂陷作用,沉积充填孔店组—沙四段,盆地总体上表现为初始断陷结构。始新世中晚期,古太平洋板块的运动方向再次由NNW向转变为NWW向,并向欧亚大陆正向俯冲。与此同时,欧亚板块与印度板块也发生全面碰撞[26-27],断裂以强烈的伸展活动为主,盆地的沉积-沉降中心呈NE走向,主干边界断裂对沙三段的沉积具有明显的控制作用。因此，产生NE向的早期伸展断裂,控制了辽东湾拗陷早期断陷构造格局。

图2 辽东湾拗陷典型断裂构造样式综合解析Fig.2 Comprehensive analysis of typical structure styles of the Liaodong Bay depressio

图3 辽东湾拗陷地质解释剖面及断裂类型划分(剖面位置见图1)Fig.3 Interpreted seismic profiles across the Liaodong Bay depression showing fault types

2.2.2 中期伸展走滑断裂中期伸展走滑断裂是指沙河街组二段沉积期—东营组沉积期末,盆地经过主力烃源岩发育的始新世沙三期强烈断陷期后向拗陷期转变过程中,在区域构造应力场作用下形成的具有走滑性质的伸展断裂,主干断裂走向以NE向为主,次级断裂走向以NE，NNE和近EW向为主。早期NE向伸展断裂因遭受区域右旋走滑力偶的作用而在早期伸展构造活动的基础上叠加右旋走滑活动,断裂延伸远,连续性好。其中,沙河街组一、二段沉积期,地层沉积厚度较薄,分布较为稳定,断裂伸展活动较弱;东营组三段沉积期,地层沉积厚度大,断裂伸展活动强烈,具有较高的沉降速率[15]和断层活动速率;东营组一、二段沉积期,受郯庐断裂晚期走滑活动的影响,表现为一定的走滑活动(见图3),局部地区可见压扭作用形成的反转构造[20-21],主要发育在辽中凹陷郯庐断裂带内。

中期伸展走滑断裂的形成发育主要受控于印度板块与欧亚板块碰撞的远程效应所产生的应力场同太平洋板块俯冲应力的叠加；板块边界传递到板块内部的应力作用,使郯庐断裂的NE和NNE向右旋走滑作用显著增强,进而在裂陷作用下所形成的伸展断裂受到右旋走滑断裂的构造改造变形[15],这可能是辽东湾拗陷乃至渤海海域在渐新世东营组沉积中晚期以来广泛发育右旋走滑性质断裂的主要原因所在。

2.2.3 晚期走滑断裂晚期走滑断裂是指盆地在拗陷期形成过程中,于新近纪中晚期(12 Ma)以来,集中发育在中期伸展走滑断裂带上的断裂；其主走滑断裂一般规模较大,延伸较远,继承了东营组沉积中晚期以来的走滑活动性质。断裂主要走向以NE，NNE和近EW向为主,其中,NNE和近EW向断裂为主的走滑断裂活动所形成的伴生次级盖层断裂,主要分布于辽东凸起北段地区(见图4a)。如辽东二号断裂(F7),主干断层近于直立插入前新生界,两侧地层厚度相当,对拗陷期的地层沉积没有控制作用(见图3)；次级断裂与主走滑断裂在平面上的交角,很好地指示为该断裂活动为右旋走滑活动(见图4a)。

晚期走滑断裂的形成及发育主要与印度板块同欧亚板块的再次动力学调整过程有关。同时,板内产生的NNE向构造应力场,加剧了郯庐断裂晚期(12 Ma以来)的右旋走滑活动。对渤海海域影响最为明显的构造事件是12 Ma以来的加速沉降和渤中地区北西向张家口—蓬莱断裂强烈活动,浅表层断层密集发育[7]。

a 600 ms相干切片 b 1 500 ms相干切片图4 辽东湾拗陷走滑构造带地震相干切片(切片位置见图1A)Fig.4 Seismic variance slices across the strike-slip structural belt in the Liaodong Bay depression

2.2.4 长期活动断裂长期活动断裂是指向下切割前新生界,向上断至新近系内部,具多期活动的基底深大断裂,其不同活动期构造属性及表现形式有别。西部地区此类断裂以多期伸展构造活动为主,如辽西二号断裂(F2);东部地区早期以伸展构造活动为主,中晚期表现为一定的走滑活动(见图4b),如辽中二号断裂(F5),部分地区可见走滑断裂利用或肢解早期伸展断裂并对其进行改造的行迹[15]。长期活动断裂主要发育在凹陷与凸起的交界部位和郯庐断裂带内,对辽东湾拗陷含油气构造或富油气带具有明显的控制作用。

3 断裂活动特征

3.1 断裂活动期次的厘定

3.1.1 断层活动速率反映的断裂主要活动期同生断层活动速率是反映断裂活动强度和时期的重要指标[28]：选取长期活动的基底主干断层,依据垂直于构造走向的典型地震剖面的平衡剖面及构造演化综合分析,求取研究区内各主干断层的平均活动速率(见图5a,b)。

断层活动速率分析表明:辽东湾拗陷的主干断层新生代活动特征具有明显的两期强烈伸展活动,即主要为沙河街组三段沉积期和东营组沉积期,其次为沙河街组一、二段沉积期和新生代早期。不同沉积期各主干断层活动具有如下特点:于孔店组沉积期至沙河街组三段沉积期末,辽东湾拗陷西部地区的辽西一号(F1)、二号断层(F2)表现为强烈的伸展活动,而其他的主干断层伸展活动较弱,差异明显,最高断层活动速率可达120 m/Ma,而最低才为10 m/Ma;沙河街组一、二段沉积期,各主干断层活动速率有所差异,但相对分布较为集中在20～40 m/Ma;东营组沉积期,辽东湾拗陷西部地区的辽西一号(F1)、二号断层(F2)表现为强烈的伸展活动,但辽西三号断层(F3)的活动强度较弱,中东部地区其他主干断层的活动强度变化各异;新近纪以来,辽东湾拗陷中东部地区主干断层的活动性强于西部地区,尤其是在明化镇组沉积期,断层活动强度的差异性表现得更为明显。

a 主干断层活动速率 b 计算方法图5 辽东湾拗陷各主干断层平均活动速率Fig.5 Main fault average activity rate of the Liaodong Bay depression

3.1.2 盆地伸展变形强度反映的断裂主要活动期地质平衡剖面主要构造活动期的伸展率可以做为反映断裂构造活动强度和活动时期的有效参数,本研究通过垂直于优势断裂走向的地质平衡剖面来剖析构造变形过程。从各主干剖面求取的伸展率表明(见图6),辽东湾拗陷新生代的构造演化过程中存在两期强烈的伸展活动,即沙河街组三段沉积期和东营组沉积期,盆地平均伸展率可达4.5%和3.2%,为断裂主要伸展活动期,这也与上述主干断层平均活动速率分析相一致；不同地区差异明显,整体表现为南强北弱的伸展活动特点。

图6 辽东湾拗陷典型地质剖面不同时期伸展率Fig.6 The extension rate of typical geological section in the Liaodong Bay Depression

3.2 断裂活动演变的过程

古地质构造恢复是探索含油气盆地构造特征及演化的有效手段之一,它不仅能复原盆地每个阶段的构造形态和变形样式,还可以描述构造活动的性质和演变过程。本研究利用主干地震剖面制作平衡剖面来解析辽东湾拗陷断裂及其组合的主要形成期与动态演变过程。

平衡剖面复原的结果揭示(见图7),辽东湾拗陷断裂及其组合构造主要形成期为新生代早期、沙河街组三沉积期、东营组沉积期和新近纪中晚期,不同时期的断裂及其组合特征及活动属性有别。

图7 辽东湾拗陷构造演化剖面(剖面位置见图1❶)(据文献[19]修改)Fig.7 Tectonic evolution section of the Liaodong Bay depression

新生代早期(65～42 Ma B.P),主干断层表现为伸展构造活动,西部地区伸展活动较东部地区明显,辽西一号断层(F1)控制早期断陷地层的沉积,辽西凹陷表现为东断西超的箕状断陷结构;东部地区辽东凸起尚未存在,辽中凹陷与辽东凹陷相连为“古辽中凹陷”,辽中一号断层(F4)具伸展构造活动属性,辽东一号断层(F6)并未活动。

沙河街组三段沉积期(42～38 Ma B.P),主干断层仍表现为强烈的伸展活动,东西部地区接受较厚的沙三段沉积,“古辽中凹陷”的延展范围较之前明显扩大,与辽西低凸起和辽西凹陷构成两凹-凸的构造格局。沙三期末为关键构造变革界面,该界面之下,表现为箕状半地堑结构;该界面之上,表现为断拗转换特征的拗陷结构。

值得一提的是,于沙河街组三段沉积期后,因主干断层差异活动改造和两盘垂向快速升降的控制,今辽东凸起显现,将早期的沉积-沉降格局肢解；辽东凸起上沙河街组三段及之下地层沉积较厚,但部分地层后期抬升,遭受不同程度的翘倾剥蚀。

东营组沉积期(32～24 Ma B.P),主干断层表现为伸展兼右旋走滑活动,东部地区,断裂活动属性及表现形式较西部地区存在较大的差异,且同一断裂不同段的活动特征有别。西部地区仍表现为以伸展构造活动为主,然而,东部地区不仅走滑活动迹象明显,局部地区还存在花状构造和正反转构造。有关该反转构造的特征及形成机制已有诸多论述[20-21],在此不再赘述。

新近纪中晚期(12 Ma B.P),东部地区主干断层表现为走滑活动,部分地区表现为晚期的走滑断裂利用或肢解早期的伸展断裂,也有一部分地区表现为主干断层近于直立地插入前新生界,派生出一系列的次级断层。这些地质构造现象亦为该地区晚期强烈走滑活动的表现。

4 断裂形成及演化改造对油气聚集的控制作用

4.1 断裂活动对圈闭形成的控制

辽东湾拗陷断裂差异活动除对油气聚集成藏起垂向疏导运移作用外,在圈闭的形成方面也有至关重要的作用。该地区的圈闭发育类型主要以构造圈闭为主,包括断块、断背斜、半背斜、披覆背斜、断鼻、古潜山圈闭等(见图8)；在这些圈闭形成的因素中,断裂及其组合构造起着重要的控制作用,无论是与断裂直接有关的断块圈闭,还是间接相关的断鼻、断背斜、披覆背斜圈闭等都离不开断裂的多期活动及组合构造。从圈闭的分布层位来看，其多集中在沙二段至馆陶组,新近系明化镇组也有所分布,主要以断块、断背斜圈闭为主,深部有古潜山圈闭的分布(见图8)。辽东湾拗陷西部地区控凹断裂和中东部地区的郯庐断裂对圈闭的形成与分布具有明显的控制作用,断裂伸展活动所形成披覆背斜、断背斜的轴向展布平行于主断裂走向;断裂走滑活动所形成的半背斜、断鼻轴向与其呈一定的角度相交,尤其是郯庐断裂的多期活动及其演变特征、表现形式的复杂性,成就了研究区内圈闭分带的多样性。

4.2 断裂发育与油气聚集的时空耦合匹配

辽东湾拗陷作为渤海海域重要的油气富集区,为新生代断陷改造盆地,其古近系所发现的油气与断裂密切相关。目前，辽东湾拗陷新近系油气尚未取得规模发现,而渤中地区浅层油气占渤海海域油气发现的一半以上,这多与新近系分布的密集断裂系统有关。在断裂发育的含油气构造带,断裂的多期活动演变对油气的运聚成藏具有重要的控制作用。

上述分析研究表明,辽东湾拗陷主要发育4种类型的断裂构造:早期伸展断裂、中期伸展走滑断裂、晚期走滑断裂和长期活动断裂。

其中,长期继承活动的主干断层很好地沟通了油源,直接或间接充当了油气垂向运移的有效通道,并与主干断层两侧的砂体有效配置,有利于油气从烃源岩到储集层的运移聚集。主干断层活动期间所产生的次级断层多向下断至主力烃源岩发育的沙河街组三段内部,具转换调节断层的特点,较好地沟通了油源,使远离主干断层的油气沿这些次级断层向储集层运移聚集成藏。如JX1-1含油气构造区的辽中一号断层(F4),早期控制主力烃源岩发育的沙河街组三段沉积,具多期活动(沙三期至新近纪早期)特点,断开层位多(沙三段至新近系),切割深;其晚期被郯庐断裂利用或肢解改造,与之产生的次级断层及砂体、不整合面的时空耦合,构成油气运移聚集的良好通道(见图9a)。

前已论及,辽东湾拗陷诸多地区断裂在剖面的组合样式以“Y”字型构造和似花状构造为主(见图2)。主干断层表现为铲式伸展断层或近直立的走滑断层,分支表现为伸展活动或走滑活动形成的次级伴生断层向下收敛于主干断层,向上发散撒开。该类断层组合通常形成断块、断背斜等构造圈闭(见图8)。主干断层为长期活动的同沉积断层,且沟通油源,与其下降盘的次级断层相互搭接组合成“Y”字型构造样式,多发育与凹陷与凸起的结合部位或郯庐断裂带内,无论是在古近系的断块、披覆背斜圈闭,还是古潜山断块圈闭均有较好的油气发现(见图9b),已被勘探实践所证实[22]。

通过对辽东湾拗陷典型油气分布地区的断裂发育与油气聚集成藏的分析可知,这些断裂在油气聚集成藏的过程中最关键的作用是直接或间接地沟通了油源，成为油气垂向运移的有效通道。断裂不同时期的差异活动较好地促进了油气的垂向运移及封闭保存。总而言之,断裂的发育与该地区油气聚集成藏具有良好的时空匹配,是积极有利的。