南堡凹陷東營組同沉積構(gòu)造活動性與沉積格局的配置關(guān)系研究

王 華,姜 華,林正良,趙淑娥

(1.中國地質(zhì)大學資源學院,湖北武漢430074;2.中國石油勘探開發(fā)研究院地質(zhì)研究所,北京100083)

0 引言

10多年來,國內(nèi)外學者特別是中國學者通過對構(gòu)造活動盆地的研究,認為在控制盆地充填的湖(海)平面變化、物源供給、構(gòu)造活動和氣候變化等4個要素中,構(gòu)造作用往往起到更重要的作用。盆地的幕式構(gòu)造活動、同沉積構(gòu)造活動的時空差異性對盆地的可容納空間、沉積速率和沉積物源等都具有深刻的影響[1-4]。目前,層序地層學作為有效的勘探工具已得到廣泛應(yīng)用[5-7],同時,結(jié)合層序地層分析,在高精度層序地層格架內(nèi)研究構(gòu)造對沉積的控制作用逐漸成為近年來國際上構(gòu)造地層學研究的一個新視角[4]?！皹?gòu)造層序地層分析”或“構(gòu)造層序地層學”這一概念近年來不斷被提及[3-4,8],研究盆地構(gòu)造作用與沉積層序發(fā)育演化的關(guān)系,闡明各種構(gòu)造作用對層序樣式、層序內(nèi)沉積旋回、沉積體系域以及沉積體系的類型、分布與成因的控制作用,對于指導油氣勘探具有積極意義,已成為國際上沉積地質(zhì)研究的新熱點。

中國東部大陸邊緣大多數(shù)中新生代含油氣盆地是陸相斷陷盆地,其演化過程具有多幕性,發(fā)育由不同級別的幕式構(gòu)造所控制的沉積旋回[9-10]。同時,沉積層序和體系域的發(fā)育和分布與構(gòu)造的活動強度和活動期次有著緊密聯(lián)系,且體系域內(nèi)沉積相變劇烈,相帶狹窄,與同生斷裂的分布、規(guī)模、組合樣式等密切相關(guān)。

通過對渤海灣盆地南堡凹陷東營組的研究發(fā)現(xiàn),同沉積斷裂活動及其產(chǎn)生的構(gòu)造古地貌對沉積層序發(fā)育及其內(nèi)部沉積體系分布起到非常重要的控制作用。長期繼承性發(fā)育的同沉積斷裂及其組合樣式控制著凹陷內(nèi)可容納空間的變化,從而控制著盆地內(nèi)的砂分散體系和砂體的展布樣式。

1 盆地背景

圖1 渤海灣盆地南堡凹陷構(gòu)造格局及東西部構(gòu)造格架Fig.1 Schematic Structure of Nanpu Sag in Bohai Bay Basin and Its Two Structure Sections Across East and West Parts

南堡凹陷是位于渤海灣盆地黃驊坳陷北部的一個中新生代凹陷(圖1)。該凹陷西北部以西南莊斷層為界,與老王莊—西南莊凸起為鄰;東北部以柏各莊斷層為界,與馬頭營—柏各莊凸起毗鄰;南部與沙壘凸起呈斷超關(guān)系,該凹陷內(nèi)部被高柳斷層分割為南北兩區(qū)。凹陷面積約1 932 km2,總體呈“北斷南超”的復(fù)式半地塹結(jié)構(gòu)。盆地結(jié)構(gòu)在不同區(qū)域存在較大差異,在分布區(qū)域上,“北斷南超”的特征在凹陷西部(高柳斷層以西的地區(qū))表現(xiàn)得比較顯著,向東逐漸過渡到“雙斷型”復(fù)式地塹結(jié)構(gòu),但分布范圍相對較小[11-12]。

研究區(qū)南堡凹陷是渤海灣盆地內(nèi)重要的油氣勘探開發(fā)區(qū)之一,其中東營組是最重要的油氣產(chǎn)出層位,其地層主要發(fā)育于高柳斷層的下降盤及灘海地區(qū),高柳地區(qū)遭到抬升剝蝕,東營組地層不發(fā)育。東營組地層沉積期,凹陷受到多種應(yīng)力場的多期控制,同沉積斷裂發(fā)育,形成老爺廟背斜、高柳構(gòu)造帶、南堡1號等多個次級構(gòu)造單元。

2 充填序列和幕式裂陷作用

圖2 渤海灣盆地南堡凹陷第三紀充填序列和構(gòu)造演化Fig.2 Filling Sequence and Tectonic Evolution of the Tertiary Nanpu Sag in Bohai Bay Basin

南堡凹陷同沉積裂陷期受中國東部區(qū)域幕式構(gòu)造運動控制。根據(jù)沉降史恢復(fù)可將南堡凹陷古近紀劃分為4期次級構(gòu)造幕式沉降(圖2):層序?qū)?yīng)裂陷Ⅰ幕;Es2至層序?qū)?yīng)裂陷Ⅱ幕;Es1層序?qū)?yīng)裂陷Ⅲ幕;Ed層序?qū)?yīng)裂陷Ⅳ幕,其一、二級層序基本與同在渤海灣盆地的東濮凹陷一致(但缺失孔店組和沙河街組四段),而與渤海灣盆地東部的濟陽坳陷略有差異,體現(xiàn)了區(qū)域構(gòu)造差異對盆地充填的控制作用;新近紀坳陷期的兩幕構(gòu)造運動基本一致。

高柳斷層是南堡凹陷內(nèi)一條十分重要的盆內(nèi)次級斷層,其活動始于Es1沉積時期,在Ed沉積時期構(gòu)造活動最為強烈。正是由于高柳斷層的活動將南堡凹陷分為南、北兩個部位。北部地區(qū)(即高柳地區(qū))沉積中心被古近紀前三幕構(gòu)造活動(對應(yīng)沙河街組地層)所控制。南部地區(qū)(即高柳斷層以南地區(qū))沉積中心被裂陷Ⅳ幕構(gòu)造活動(對應(yīng)東營組地層)所控制。

裂陷Ⅰ幕:Es53沉積時期為南堡凹陷的初始裂陷期?？刂瓢枷荼辈康貐^(qū)沉積的邊界斷層西南莊斷層和柏各莊斷層開始活動。整個凹陷雛形開始形成,為較淺的北斷南超的箕狀凹陷。凹陷北部高柳地區(qū)的拾場次洼為該時期的沉積中心和沉降中心,地層向西南方向超覆減薄,發(fā)育一套以紅色泥巖、灰綠色泥巖和粗碎屑巖為主的沖積扇沉積,在深洼區(qū)發(fā)育深灰色湖相泥巖。Es43沉積時期,控邊斷裂活動性開始加強,箕狀結(jié)構(gòu)特征更加明顯,沉積中心和沉降中心向南至柳南次洼。凹陷內(nèi)形成以扇三角洲和半深湖至深湖相為主的沉積地層,巖性以灰色、深灰色、灰黑色泥巖、油頁巖為主,夾有薄層砂巖,為南堡凹陷重要的烴源巖層。由于該裂陷幕晚期區(qū)域性的構(gòu)造抬升作用,西部地區(qū)地層遭受了強烈剝蝕。

裂陷Ⅱ幕:該裂陷幕是南堡凹陷的主裂陷幕。受到西南莊斷層的強烈活動,凹陷內(nèi)最大的沉積中心和沉降中心移至林雀次凹,拾場次凹還保留繼承性的次級沉積中心。在該裂陷幕早期,受整個渤海灣盆地上地幔強烈隆起控制,斷陷作用強烈,凹陷內(nèi)的次級斷裂活動性增強,發(fā)育以礫巖,含礫砂巖、灰色和灰綠色泥巖為主的沉積地層,為南堡凹陷古近系最主要的儲集層段。北部陡坡地區(qū),受西南莊斷層和柏各莊斷層的強烈活動的影響,在其下降盤發(fā)育大規(guī)模的扇三角洲沉積體系;南部緩坡帶地區(qū),發(fā)育辮狀河三角洲沉積體系,其物源來自于沙壘田隆起。該裂陷幕晚期,整個凹陷趨于填平,發(fā)育氧化環(huán)境下的河流相沖積體系。與下覆沙河街組三段地層呈假整合接觸。其頂部地層由于受到凹陷整體構(gòu)造隆升遭受剝蝕而減薄,大部分地區(qū)殘余地層厚度小于100 m。

裂陷Ⅲ幕:該裂陷幕的構(gòu)造活動性開始減弱。該時期高柳斷層開始活動,將凹陷分為兩個大的沉積單元,并導致沉積中心和沉降中心向南遷移。發(fā)育一套淺湖背景下的扇三角洲沉積體系,沉積物以灰色泥巖、淺灰色砂巖為主,并形成一定厚度的烴源巖層。同時,在高柳地區(qū)發(fā)育少量生物灰?guī)r。

裂陷Ⅳ幕:為南堡凹陷的裂陷晚期。該時期凹陷內(nèi)的高柳斷裂活動性強烈,沉積中心轉(zhuǎn)移到高柳斷層的下降盤,發(fā)育柳南次凹和林雀次凹兩個沉積和沉降中心。Ed1和-Ed2沉積時期,由于高柳斷層的活動,導致高柳地區(qū)的地層發(fā)生翹傾作用并局部遭受剝蝕,從而導致東營組地層不發(fā)育。在高柳斷層以南地區(qū),東營組最大沉積厚度超過2 000 m。其中,Ed3底部發(fā)育一套以粗碎屑為主的沖積體系;向上變?yōu)樯热侵?Ed2沉積時期為南堡凹陷最大湖侵期,沉積了一套達200～400 m的巨厚泥巖; Ed1沉積時期湖盆開始逐漸萎縮形成了一套以粗碎屑為主的沖積體系。因此,整個東營組形成一個完整的沉積旋回。

3 同沉積斷裂特征、活動樣式與沉積體系分布

南堡凹陷裂陷期斷裂系統(tǒng)十分發(fā)育,同沉積斷裂及其組合樣式控制的古地貌決定著可容納空間的變化,從而影響著沉積物分散體系和沉積體系域的發(fā)育和分布,這一特征在東營組尤為顯著。控凹邊界斷層西南莊斷層、柏各莊斷層以及高柳斷層控制著盆地的整體結(jié)構(gòu),各二級構(gòu)造帶控制斷層及其次級調(diào)節(jié)斷層的配置控制著沉積體系在盆地內(nèi)部的運移和堆積。

3.1 構(gòu)造-層序地層格架

在斷陷盆地中,規(guī)模較大的、活動時期長、貫通到地表的同沉積斷裂常構(gòu)成斷裂坡折帶,簡稱斷坡帶[14-16]。斷坡帶是由同沉積斷裂活動產(chǎn)生的地貌明顯發(fā)生差異變化的古構(gòu)造樞紐帶,是沉積相帶和沉積厚度發(fā)生突變的地帶。在南堡凹陷內(nèi),沿北部西南莊斷層、柏各莊斷層及其調(diào)節(jié)斷層構(gòu)成的陡坡帶、南部由南堡1～4號構(gòu)造帶形成的緩坡帶受到不同時期的同沉積斷裂的控制,形成多級坡折帶,產(chǎn)生了復(fù)雜的構(gòu)造古地貌,對盆地充填樣式產(chǎn)生了深刻的影響。

以過南堡凹陷東部典型構(gòu)造格架為例(圖3),剖面沿柏各莊斷層下降盤展布,自北而南分別受到控凹斷裂柏格莊斷層、高柳斷層和垂直于柏各莊斷層的次級調(diào)節(jié)斷層控制。物源主要來源于柏各莊斷層的側(cè)向供應(yīng),受到同生斷裂的控制作用進行了沉積物的重新分配和堆積。在裂陷早期,斷裂活動強烈,斷裂控制著低位體系域的分布,多級斷裂造成的陡坡帶下往往是低位扇體發(fā)育的部位。沖積扇、近岸水下扇和扇三角洲以及濱淺湖、深湖泥巖、深水濁積等是早期主要發(fā)育的沉積體系,斷裂的下降盤往往是砂體聚集和厚度增大的部位。

圖3 渤海灣盆地南堡凹陷東部地區(qū)連井沉積斷面Fig.3 Depositional Profile with Wells in East Area of Nanpu Sag of Bohai Bay Basin

值得注意的是,高柳斷層在裂陷早期并不活動,直到Es1沉積時期才開始活動,至東營組沉積時期劇烈翹傾活動,使其上升盤和下降盤在某一時期開始分割為兩個相互孤立的湖盆,并造成了高柳地區(qū)最終成為獨立的沉積系統(tǒng)直至完全充填(圖4)。在翹傾過程中,高柳地區(qū)臨近高柳斷層上升盤的部位,發(fā)生強制性湖退,局部暴露發(fā)生剝蝕,一部分輸入高柳地區(qū)成為局部物源,另一部分以陡岸扇形式在高柳斷層下降盤堆積[17]。

3.2 同沉積斷裂(坡折)帶的配置與沉積體系域分布

在構(gòu)造活動盆地中,構(gòu)造活動控制的古地貌影響著物源的輸入、可容納空間的變化以及沉降和沉積中心的分布。同沉積斷裂的組合特征及其形成的特定構(gòu)造古地貌,制約著沉積體系的分散過程及砂體堆積位置及展布范圍。南堡凹陷東營組不同構(gòu)造部位不同斷裂配置關(guān)系形成了不同的沉積體系展布樣式。以Eds3沉積時期低位體系域(LST)沉積體系與古地貌配置為例(圖5),西南莊斷層下降盤形成3個繼承性的物源入口,分別對應(yīng)柳贊構(gòu)造帶、老爺廟構(gòu)造帶和南堡5號構(gòu)造帶,形成大規(guī)模的扇三角洲沉積體系;柏各莊斷層的物源入口則頻繁更迭,且由于其下降盤梳狀斷層對砂分散體系的控制作用,導致柏各莊下降盤扇體橫向大規(guī)模的展布;南堡4號構(gòu)造帶供源方向主要來自柏各莊斷層方向,在不同時期由于物源規(guī)模的變化,并非所有時期在其下降盤都有砂體發(fā)育,在低位發(fā)育期,物源擴展到南堡4號構(gòu)造帶,砂體沿帚狀構(gòu)造展布。南堡2、3號構(gòu)造帶的物源供給主要來自于南部的沙壘田隆起,該方向物源沿著構(gòu)造形成的地槽或斜坡進入南堡凹陷內(nèi)部。整體來源于北部陡坡帶的沉積體系以扇三角洲為主,而南部緩坡帶的沉積體系以辮狀三角洲為主,受凹陷內(nèi)次級斷裂的控制,前緣都普遍發(fā)育滑塌水下扇體。值得注意的是,在柏各莊斷層下降盤的中、早期發(fā)育近岸水下扇體,近岸水下扇體為重力流迅速在水下堆積的產(chǎn)物,在柏各莊斷層下降盤形成巨厚的砂礫巖體,可能成為油氣聚集的有利儲集巖體[18]。

圖4 渤海灣盆地南堡凹陷高柳斷層斷塊翹傾作用模式Fig.4 Model of Fault Block Tilting of G aoliu Fault in Nanpu Sag of Bohai Bay Basin

圖5 南堡凹陷低位體系域與古地貌配置關(guān)系Fig.5 Configuration of Lowstand System Tract and G eomorphology in Upper of the Third Member of Dongying Formation in Nanpu Sag

3.3 幾種斷裂組合樣式對砂分散體系的控制

南堡凹陷東營組斷裂發(fā)育異常復(fù)雜,主干斷層和次生調(diào)節(jié)斷層以多種多樣的方式組合,控制著地層厚度與沉積相突變,斷裂坡折帶不僅是低位域盆底扇和高位域三角洲前緣或前緣滑塌濁積巖堆積的重要場所,對來自緩坡方向的物源體系以及砂體分布有重要控制作用,而且斷裂組合形成可容納空間的局部變化,對沉積物在盆地內(nèi)分散過程的影響是最直接的。

根據(jù)邊界斷層、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、平面展布、構(gòu)造位置、發(fā)育演化階段等特點,可將南堡凹陷坡折帶繼續(xù)劃分為斷崖型、斷坡型、同向斷階型、反向斷階型4類斷裂組合樣式(圖6)。這些斷裂剖面組合樣式形成特定的古地貌,控制著可容納空間的變化,影響著局部碎屑體系推進方向和砂體的展布樣式。

3.3.1 斷崖型

斷崖型斷裂構(gòu)成樣式往往由盆地邊緣控制斷層形成,地形強烈變化,斷層產(chǎn)狀高陡,往往在斷層下為沉降最強烈部位,湖水水體較深。物源體系進入盆地后,就近迅速堆積形成近岸水下扇,在水體較淺情況下,沉積扇體向扇三角洲沉積過渡。水系分散和沉積體規(guī)模小,沉積相帶窄是最顯著的特點。

南堡凹陷西南莊斷層西段在東營組沉積期活動強烈,斷層下降盤發(fā)生強烈翹傾,從凹陷西部邊緣進入的物源體系沿斷裂形成的溝槽沿斷裂邊緣迅速堆積擴展,直至斷裂附近可容納空間基本充填的情況下,向盆地深部擴展(圖6中斷崖型)。

3.3.2 斷坡型

斷坡型斷裂構(gòu)成樣式可以形成在盆地的陡坡帶也可以形成盆地的緩坡帶,其特點是斷裂活動作用不強,其下降盤部位并非沉降最大的位置,地貌向盆地方向繼續(xù)變深,從而形成斷裂下的斜坡區(qū)。由于斷裂附近可容納空間較小,沉積體系會沿著斜坡繼續(xù)向前擴展,與斷崖型控制的沉積體系相比,沉積體系展布范圍較廣,以扇三角洲沉積體系發(fā)育為主,水體較深情況下可能發(fā)育近岸水下扇,并在斜坡下方形成盆底扇或滑塌濁積扇等重力流沉積體系。

南堡凹陷柏各莊斷層下降盤往往形成這樣的斷裂構(gòu)造樣式,西南莊斷層部分位置也表現(xiàn)為這種斷裂構(gòu)造樣式(圖6中斷坡型)。

3.3.3 同向斷階型

同向斷階型與斷坡型構(gòu)造樣式有相似之處,都是向盆地方向地貌變陡,不同之處在于斷坡型控制下沉積體系沿斜坡連續(xù)發(fā)育,而同向斷階型則在每一個斷層下降盤形成可容納空間的突變,從而在不同斷階部位控制的主體沉積相發(fā)生突變的位置。

南堡凹陷南部的緩坡帶或者北部陡坡帶局部部位發(fā)育這種構(gòu)造構(gòu)成樣式類型,控制著扇三角洲和辮狀河三角洲的發(fā)育(圖6中同向斷階型)。

3.3.4 反向斷階型

圖6 南堡凹陷東營組構(gòu)造坡折類型及其對砂分散體系的控制Fig.6 Types of Faulted Slope Belts and Their Controlling on Sandbody Distribution in Dongying Formation of Nanpu Sag

反向斷階型與斷崖型具有相似之處,由邊界斷層相反的次級調(diào)節(jié)斷層形成。物源進入盆地后,沿著主干斷裂下的斷槽進行分散和充填,然后在可容納空間充填與反向調(diào)節(jié)斷層上升盤相近時沉積體系向盆地方向展布。這種構(gòu)造構(gòu)成類型控制的沉積厚度帶更集中于主干斷層下降盤。

在南堡凹陷北部老爺廟構(gòu)造帶和南部緩坡帶都發(fā)育這種構(gòu)造構(gòu)成類型。值得注意的是,雖然沉積相變位置仍然向盆地方向變化,粒度由盆緣粗碎屑沉積向盆地中心細粒碎屑沉積變化,但是由于其前緣部位水體較淺,沉積物經(jīng)過反復(fù)淘洗作用,經(jīng)常表現(xiàn)為較粗和分選較好的砂質(zhì)沉積(圖6中反向斷階型)。

4 結(jié)語

南堡凹陷東營組為凹陷內(nèi)重要的勘探目的層段。受幕式構(gòu)造活動的強烈控制,其沉積地層為一個完整的沉積旋回。通過對南堡凹陷構(gòu)造演化特征和沉積體系的綜合研究可以得出以下結(jié)論。

(1)南堡凹陷古近紀構(gòu)造活動具有幕式活動的特征。通過沉降史分析并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化特征,將古近紀劃分為4個次級構(gòu)造幕,并經(jīng)歷了初始裂陷幕、強烈裂陷幕、減弱裂陷幕、活化裂陷幕和裂陷晚期等活動階段。每個次級構(gòu)造幕分別對應(yīng)著一個二級構(gòu)造層序,并由于不同構(gòu)造幕的構(gòu)造活動強度和演化差異性形成不同的構(gòu)造樣式,從而控制著沉積體系類型和展布特征的變化。

(2)高柳斷層的活動對南堡凹陷盆內(nèi)結(jié)構(gòu)和盆內(nèi)充填樣式的控制起到了關(guān)鍵性的影響。高柳斷層的活動始于Es1沉積時期,在東營組沉積時期活動最為強烈,由于斷裂活動造成強烈掀斜作用,使得高柳地區(qū)地層遭受剝蝕,并將南堡凹陷分為南、北兩個相互獨立的沉積系統(tǒng)。這一觀點對于認識高柳地區(qū)的沉積體系演化具有十分重要的意義。

(3)受構(gòu)造活動影響,南堡凹陷東營組斷裂異常發(fā)育,主干斷層和次生調(diào)節(jié)斷層以多種多樣的方式組合,并控制著地層厚度與沉積相的變化。根據(jù)南堡凹陷東營組沉積時期內(nèi)部主干斷裂和次級調(diào)節(jié)斷裂的組合樣式可以劃分出4種構(gòu)造坡折類型:斷崖型、斷坡型、同向斷階型和反向斷階型。不同的構(gòu)造坡折帶控制著不同的可容納空間變化,從而影響著古地貌形態(tài)和古水深以及物源通道的變化,導致沉積體系類型和規(guī)模及空間分布形態(tài)的差異性,近而影響儲層物性和孔隙性的差異性。

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