张正涛,林畅松,李慧勇,黄 志,张国坤

[1. 中国地质大学(北京) 能源学院,北京 100083； 2. 中国地质大学(北京) 海洋学院,北京 100083；3.中海石油(中国)有限公司 天津分公司,天津 300452]

我国东部地区新生代盆地普遍发育走滑断裂,对油气富集规律具有较强的控制作用[1-4]。特别是郯庐断裂带两侧附近区域,走滑断裂活动一方面控制了烃源岩的发育范围、形成并改造了大量的构造及岩性-构造圈闭,另一方面影响并主导了绝大部分的油气输导体系[5-8],郯庐断裂的晚期活动是影响渤海海域油气分布规律、成藏机理的主控因素[9-10]。

沙垒田凸起区域新近系是渤海湾盆地渤海西部海域目前最重要的油气产区及下步有利勘探区域之一[11],勘探实践表明已发现的油气田多与断裂活动密切相关[12]。虽然近20年来该区域经过与国外石油公司多轮合作勘探,发现了C11-1和C12-1等亿吨大油田,但由于多家矿权主体、三维地震资料有限,前期对沙垒田地区构造活动特别是新近系走滑断裂对油气富集的控制作用研究并不深入,制约了后续的勘探工作。在2010年之后随着多家合作区块勘探权的收回及近年来多块三维地震资料的采集处理,目前基本实现了沙垒田区域三维地震资料的全覆盖,这为精细研究新近系走滑断裂发育特征及对油气富集条件的制约作用提供了前提条件。近期虽有学者尝试从沙垒田凸起构造演化史及典型走滑断裂演化史方面探讨走滑断裂对油气的控制作用[13-15],但在断裂控藏作用方面仍有很多不足之处:一方面,没有对研究区域内发育的走滑断裂特征进行系统的梳理刻画；另一方面,没有对走滑断裂的类型进行详细划分,进而探讨每种不同类型走滑断裂对圈闭、输导体系等成藏要素的具体控制作用。本文主要利用连片高精度三维地震资料、钻井岩心资料对新近纪走滑断裂特征开展研究,并对不同类型走滑断裂对圈闭、输导体系及储层的控制作用进行了探讨,这对明确走滑断裂控藏机理、深化渤西地区地质认识及指导后续油气勘探具有重要意义。

1 区域地质概况

沙垒田凸起处于渤海海域西部地区,面积约2 000 km2。构造位置属于渤海湾盆地埕宁隆起东北部[12],为其内部一个三级正向构造单元。凸起四周为多个生烃凹陷环绕,北部为南堡凹陷,南部为沙南凹陷,西临歧口凹陷,东接渤中凹陷(图1)。沙垒田凸起基底主体为太古宇变质花岗岩,在凸起北部局部残留发育古生界寒武系-奥陶系及中生界石炭系-二叠系灰岩[16]。沙垒田地区新生代构造活动与渤海湾盆地具有一致性,具有多期次与多旋回的特征,古近纪为裂陷阶段,新近系为裂后热沉降拗陷期,明化镇组上段至今为构造再活化期。研究区自古生代以来至古近纪沙河街组长期继承抬升发育,形成了渤海海域潜山面积最大的凸起[17-18],古近纪晚期埋深加深并开始接受沉积,除凸起周边及顶部低洼处发育东营组地层外,大部分地区为馆陶组地层直接覆盖在基底潜山之上。该区处于北东向黄骅-东明断裂带、北北东向郯庐断裂西支和北西西向张家口-蓬莱断裂带夹持交汇处[19],断裂活动非常发育,既有以张性伸展为主的边界基底同沉积断裂,也有盖层雁列状走滑断裂[15,20]。沙垒田凸起古生代被北东向左旋走滑断层切割,分成东凸起和西凸起,古构造地貌表现为东高西低的特征[16],新生代走滑断裂活动主要集中在新近纪中新世至今。

图1 渤海西部海域构造单元划分(b)及研究区位置(a)Fig.1 Tectonic unit division of the western Bohai Sea waters(b) and location of the study area(a)

2 走滑断裂类型及特征

沙垒田凸起内部及南北两侧新近系发育大量走滑断裂,图2a为在1 000 ms(相当于明化镇组下段)方差切片基础上解释得到的断裂平面展布特征图,可见研究区发育大量成条带状展布的雁列状走滑断裂。沙垒田凸起之上发育6组近北西向展布的走滑断裂F0—F5,沙垒田东部北侧边界及南侧边界分别发育北西向走滑断裂F6和F7,其中F0—F5为右旋走滑断裂,F6和F7为左旋走滑断裂。由横切F1—F5走滑断裂的A—A′剖面(图2b)可见凸起上走滑断裂在剖面上表现为典型的负花状(F1,F2)及似花状(F3,F4,F5)构造。根据这些断裂在平面上深部及浅部发育特征、剖面发育特征及是否发育主位移带(PDZ)将该区走滑断裂分为3类:断穿基底走滑断裂、盖层走滑断裂及伸展-走滑断裂。

2.1 断穿基底走滑断裂

F1及F2断裂带均为断穿基底走滑断裂,以断穿前古近系基底、深部发育主走滑断裂为特征与盖层走滑断裂相区分。对F2断裂带发育特征进行了精细解剖,F2断裂深部(双程旅行时大于1 000 ms)表现为具有明显的主走滑断裂(图3c1,d1),垂直断裂走向的剖面上具有典型的负花状构造,图3e1为横切F2走滑断裂带的B—B′剖面,表现为典型的“背型负花”状构造,即由断裂带两侧向断裂带内部地层逐渐下掉,但地层形状却表现为背斜形态。自深部至浅层F2断裂发育具有如下特征:深部表现为仅发育主走滑断层,未见伴生断裂发育,如图3d1双程旅行时1 500 ms深度方差切片所示,发育一条北东-南西向主断层,在其上下两侧各发育一条分支断层,均以约20°与主断层斜交合并,通过与L1和L2剖面图(图3d2)对比可知该主断裂对应于花状构造的“花根”部位；上升至1 200 ms(图3c1，c2),主断层上侧分支断层消失,开始大量出现与主断裂伴生的雁列状断层,据雁列断层与主断层的平面分布关系可知该走滑断裂具有明显的右旋走滑性质；至600 ms(图3b1，b2),雁列状断裂发育密度及长度进一步加大,主干断裂不连续,分段发育；300 ms(图3a1),主要表现为呈带状分布的雁列状断层,主断层在南部已消失,仅在北部零星发育几段,在垂直走滑方向剖面上表现为地堑与地垒构造(图3a2)。

2.2 盖层走滑断裂

该类走滑断裂以F0，F3，F4和F5断裂带为代表,均发育在沙垒田凸起内部,走向北东向,均为右旋走滑断裂。发育层位主要在新近系馆陶组和明化镇组,上部延伸至第四系海底。盖层走滑断裂与断穿基底走滑断裂的差异性具体表现为:其自浅部至深层均无主走滑断裂带发育,在剖面上虽也表现为负花状构造(图3e2),但相比于断穿基底走滑断裂花状构造的次级断裂明显减少。以F3—F5为例,断裂明显呈北东向条带状雁列展布,断裂带长度分别为18.1，21.2和23.2 km,两条断裂带之间基本无断裂发育(图4a)。具体到各断裂带内部发育一系列东西向及北东东向小断裂,这些小断裂延伸长度绝大数在2.5～5.0 km,小断裂间平均距离约为800 m。如此规整的盖层走滑断裂仅发育在沙垒田凸起之上,周边凹陷并未见发育,其具体成因后续仍须进一步开展工作,但可推测与该区域前寒武系变质花岗岩刚性基底被新近系沉积盖层覆盖,所导致的两套地层刚度及韧性的差异性密切相关,可能受控于新近纪以来北东向右行走滑应力场作用下,下部刚性基底减弱了走滑应力向凸起上盖层的传播。

此外,依据三维地震资料,对盖层走滑断裂进行了精细解释,并利用Petrel软件将F5断裂剖面形态进行了三维立体显示(图4b)。可得到3点主要认识:① 盖层走滑断裂带内部发育的“S”型雁列小断层在空间上并非是同一条断裂,往往是由分为2～3段的不同倾向正断层构成；② 小断裂的倾向与其平面形态具有较好的相关性,断裂倾向与平面弧形凹面指向方向相同；③ 单个小断面空间形态呈“贝壳”状,断面倾角中间陡两侧缓与上部陡底部缓。

2.3 伸展-走滑断裂

此处伸展-走滑断裂包括两方面的内涵,从其形成发育的力学机制上看受控于张扭作用形成的；从形成的时空演化过程来看在始新统及渐新统受控于伸展作用发育形成了边界铲式断层,至中新统到上新统依托主边界断层沿其走向大致平行发育一系列的走滑断裂。该类走滑断裂在平面上主要发育在沙垒田凸起的边界上,如F6及F7断裂带(图2a)。以F7断裂为例,图5a为800 ms方差切片(大致相当于明上段底部),可见明显发育北西向雁列状排列的一系列断裂,在平面上不发育明显的主走滑断裂,为一左旋左阶走滑断裂。图5b为横切F7断裂的一条南北向剖面,在剖面上发育负花状构造(图5b),与断穿基底走滑断裂相比典型的区别是不发育陡直的花根,而是在底部与边界主断层斜交。

图2 渤海湾盆地沙垒田凸起走滑断裂平面及剖面发育特征(剖面位置见图2a)Fig.2 Seismic characteristics of the strike-slip faults in Shaleitian uplift,Bohai Bay Basin(see Fig.2a for the section location)a. 1 000 ms方差切片拼图基础上的断裂平面分布特征；b.过沙垒田凸起近NW-SE方向剖面断裂发育特征明化镇组上段底界;T0.明化镇组下段底界;T2馆陶组底界;T3.东营组底界;T8古近系底界

图3 渤海湾盆地沙垒田凸起F2与F5走滑断裂不同深度平面及剖面发育特征(剖面位置见图2a)Fig.3 Seismic characteristics of the strike-slip faults F2 and F5 with different depths in Shaleitian uplift,Bohai Bay Basin (see Fig.2a for the section location)a1,b1,c1,d1. F2断裂带不同深度方差切片,对应的双程旅行时分别为300，600，1 200和1 500 ms，其中L1和L2为剖面位置,长度分别为6.2 km和6.6 km，粗蓝线所示为主走滑断裂带,红色细线为雁列状伴生断裂；a2,b2,c2,d2.分别与左图所示位置相对应的剖面断裂特征, 其中L1为地震剖面,L2为方差剖面；e1. B—B′剖面背形负花状构造,e2. C—C′剖面负花状构造

3 走滑断裂对油气成藏的控制作用

渤海西部沙垒田地区新近系目前已发现油气主要位于走滑断裂带内部或断裂带附近区域,表明走滑断裂对油气成藏具有一定的控制作用,本文重点从走滑断裂对圈闭、输导体系及储层的控制作用方面进行了探讨,为明确走滑断裂控藏机理提供依据。

3.1 对圈闭的控制作用

走滑断裂对与构造圈闭具有控制作用[21-22],渤海海域新近纪走滑断裂活动对于浅层圈闭的发育规模、程度、幅度及类型具有重要的影响[11,23]。主走滑断裂带两侧的力学性质(张性、挤压、张扭及压扭)是影响走滑断裂伴生构造发育特征的主控因素,决定了其构造样式及展布规律。目前主要根据走滑断裂伴生构造及走滑转换带所受挤压、拉张应力状态的不同,将其划分“增压区”和“释压区”[24]。走滑断裂“增压区”所发育的圈闭规模比较大,圈闭类型多为背斜、断背斜及断鼻圈闭,且该区域控圈断裂多具有良好的侧封性,圈闭条件较好；“释压区”则多发于小型断块圈闭,侧向封堵性欠佳,圈闭条件较差[7]。

图4 渤海湾盆地沙垒田凸起盖层走滑断裂平面及空间发育特征(剖面位置见图2a)Fig.4 Planar and spatial characteristics of strike-slip faults developed in cap rocks of Shaleitian uplift,Bohai Bay Basin (see Fig.2a for the section location)a. 800 ms方差切片示F3—F5盖层走滑断裂平面特征；b. F5走滑断裂断面空间发育特征 T. T破裂；R.里德尔剪切破裂；P.同向剪切破裂；Y. Y剪切；C.挤压构造

沙垒田凸起主要发育构造圈闭和构造-岩性圈闭,这两种圈闭的形成均与走滑断裂具有密切关系。根据其形成机理及与走滑断裂的关系将其分为3类:盖层走滑断裂间大型披覆背斜、伸展-走滑断裂带内小型断块圈闭、断穿基底走滑断裂带内断背斜及断鼻圈闭。

伸展走滑断裂带内发育小型断块圈闭。伸展走滑断裂带内部普遍发育小型断块圈闭,这类圈闭面积较小,数量众多,普遍不含油气(圈闭有效性差)。如F7伸展走滑断裂带内馆陶组除C16-1和C16-4面积在3.0 km2以上,其他圈闭面积均小于1.0 km2(图7b)。断裂带内以张扭应力状态为主,断块圈闭边界断层侧向封闭能力普遍较差,近年来在该区带部署了C16-1-1和C16-1-2d等一批探井,虽有油气显示,但始终未发现大的商业油气田,证实这种分布于伸展走滑内部的小型断块圈闭为研究区不利圈闭。

图5 渤海湾盆地沙垒田凸起F7伸展-走滑断裂平面及剖面发育特征(剖面位置见图2a)Fig.5 Seismic characteristics of the extension-strike-slip fault F7 in Shaleitian uplift,Bohai Bay Basin(see Fig.2a for the section location)a. 800 ms方差切片示F7伸展-走滑断裂平面特征；b. 过F7断裂D—D′地震剖面解释

图6 渤海湾盆地沙垒田凸起明下段顶面及馆陶组顶面(T0)构造及圈闭发育范围Fig.6 Top surface structure and trap distribution of and T0 in Shaleitian uplift,Bohai Bay Basina. F3—F5断裂附近圈闭在明下段顶部分布特征；b. F3—F5断裂附近圈闭在馆陶组顶部分布特征

图7 渤海湾盆地沙垒田凸起3类走滑断裂对不同类型圈闭发育的控制作用Fig.7 The impact of the strike-slip faults(grouped into three types) on the development of different types of traps in Shaleitian uplift,Bohai Bay Basina.发育在F3和F4两条盖层走滑断裂带之间的大型披覆背斜圈闭,层位明化镇组下段；b.发育在F7伸展-走滑断裂带内部的断块圈闭,层位明化 镇组下段；c.发育在F1断穿基底走滑断裂带内部的断鼻、断背斜圈闭,层位馆陶组下段；d.“S”型走滑断裂作用示意图

断穿基底走滑断裂带内部增压区断背斜圈闭:F1走滑断裂带内部可见发育“S”型走滑断裂(图7c),在“S”型断裂两端均发育断背斜型圈闭,如C2-3圈闭明化镇组下段圈闭面积12.2 km2,C8-6圈闭明化镇组下段圈闭面积14.7 km2,在“S”型断裂中间部位仅发育面积2.2 km2的小型断鼻圈闭。前人通过沙箱模拟实验对该类圈闭的形成过程进行了模拟[7,25],结果显示在“S”型右旋走滑断裂两端位置为走滑增压区,在该区域地层上隆,发育断背斜圈闭,同时由于具有挤压性质分量,断面侧向封闭性较好,圈闭有效性也较好；在“S”型右旋走滑断裂中间部位为走滑释压区,未见明显圈闭发育,由于具有拉张分量,断裂侧向封闭性欠佳,即使发育形成圈闭往往有效性也较差。模拟结果与研究区断穿基底走滑断裂带内实际圈闭发育情况具有较好的对比性(图7c,d),也证实了断穿基底走滑断裂带内发育的大型断背斜圈闭为研究区有利的圈闭类型。

图8 渤海湾盆地沙垒田凸起馆陶组(N1g)及明化镇组(N2m)岩心裂缝发育特征Fig.8 Characteristics of core fractures in N1g and N2m in Shaleitian uplift,Bohai Bay Basina.w-b-13井,馆陶组,深度1 906.29～1 906.59 m,高角度裂缝贯穿；b.w-c-13井,馆陶组,深度1 996.78～1 997.08 m,两条高角度裂缝,被方解石脉充填；c.w-c-21井,馆陶组,深度1 924.33～1 924.63 m,高角度裂缝贯穿；d.w-b-18井,明化镇组,深度1 263.01～1 263.31 m,发育2条高角度裂缝；e.w-h-20井,明化镇组,深度1 216.50～1 216.80 m,发育1条高角度裂缝；f.w-c-21井,明化镇组,深度1 356.87～1 357.17 m,发育1 条高角度裂缝

3.2 对输导体系的控制作用

沙垒田凸起本身并不发育烃源岩,但周边为歧口凹陷、渤中凹陷和南堡凹陷等富烃凹陷环绕,所以决定该区油气能否富集成藏的一个关键因素是能否形成有效的输导体系将烃源岩与圈闭沟通起来。目前大部分学者倾向于将输导体系划分为3类,即储集体型(骨架砂体型)、断裂型及不整合面型[26-28]。研究区一个非常典型的特征是,在相对小的研究范围内这3种输导体系均广泛发育:馆陶组底部大段的砂砾岩平面上全区展布稳定、物性较高,构成了骨架砂体型输导体系；下至基底,上通海底的各种复杂断裂网络构成了断裂输导体系；凸起之上大部分地区馆陶组以不整合方式(T2不整合)沉积在前古近系基底之上,而在凸起斜坡部位及周边凹陷位置东营组或沙河街地层则常以不整合(T8不整合)叠置在中生界或前中生界基底之上,T2和T8两个重要不整合面构成了该区域不整合面型输导体系。

该区走滑断裂的发育对断裂输导体系和骨架砂体输导体系具有明显的控制作用。在凸起内部以C11-1，C11-6，C11-6和C12-1等油田为代表,这些油田发育的典型特点是单层厚度薄(几米至十几米)、含油层系多(基底潜山油藏、东营组油藏、馆陶组油藏及明化镇组油藏)含油层数众多(几十层)、油藏边界常以走滑断裂为限,成藏时间晚,集中在5～7Ma至今[11],与F1—F5走滑断裂活动时间相吻合,可见中新世至上新世走滑断裂输导体系的发育构成了凸起上油气成藏的直接通道。沙垒田凸起边缘位置由于伸展走滑断裂的发育,形成了多种类型的凸起边缘和构造坡折带[29],构造坡折带对砂体的展布具有明显的控制作用[30-32],在坡折带下部及斜坡加厚发育的沙河街及东营组砂体常与凹陷成熟烃源岩成指状或层状接触,这对于有效烃源岩的高效排烃及向上运移输导均具有积极意义。总之,走滑断裂的发育演化对凸起内部断裂输导体系、凸起边缘骨架砂体输导体系控制作用明显,这为研究区多层系立体成藏提供了前提条件。

3.3 对储层的控制作用

沙垒田凸起地区新近系主要储层为馆陶组和明化镇组砂岩,其中馆陶组发育典型辫状河砂体,明化镇组发育曲流河砂体。明化镇组砂岩储层为细-中砂岩,含少量的钙质,泥质胶结。馆陶组发育厚层砂砾岩,单层厚度可达50 m以上,储层物性普遍较好。这两套储层内均有走滑断裂引起的大量裂缝发育,如图8所示明化镇组和馆陶组岩心中常发育高角度裂缝(图8a—f),部分裂缝被方解石脉充填(图8b),裂缝在岩心中延伸长度可达50 cm以上(图8a),部分岩心中可见裂缝分支发育形成复杂裂缝网络(图8d),这些普遍存在的裂缝极大地提高了储层渗透率,对改善储层物性具有积极意义。

4 结论

1) 走滑断裂是沙垒田地区新近系最主要的断裂类型,平面上识别出呈条带状发育8个走滑断裂带,并依据发育特征将其分为断穿基底走滑断裂、盖层走滑断裂及伸展-走滑断裂3类,其中F1及F2断裂为断穿基底走滑断裂,F0，F3，F4和F5盖层走滑断裂,F6及F7断裂为伸展-走滑断裂。

2) 研究区新近系发育的所有圈闭类型均与走滑断裂活动密切相关,其中盖层走滑断裂带之间明化镇、馆陶组地层中发育的大型披覆背斜圈闭及断穿基底走滑断裂带内发育的断鼻、断背斜圈闭为有利圈闭,油气富集条件较好；伸展走滑断裂带内部发育的小型断块圈闭为不利圈闭,油气聚集条件较差。

3) 走滑断裂的发育演化对断裂输导体系及骨架砂体输导体系具有明显的控制作用,为研究区多层系立体成藏提供了前提条件。一方面,走滑断裂通过与主边界断层、馆陶底部区域砂体的连接沟通了圈闭与烃源岩,构成了沙垒田凸起之上最重要的输导体系；另一方面,凸起边界伸展走滑断裂对斜坡砂体的控制促进了有效烃源岩的高效排烃及向上运移输导。此外,走滑作用造成馆陶组及明化镇组下段砂岩中普遍发育高角度裂缝,对于改善储层物性具有积极意义。