倪金龍,郭 穎,馬驍騏,張 凱,王志敏,韓 帥
(1.山東科技大學山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室,山東青島266590;2.中國石油大學地球科學學院,北京102249;3.勝利油田公司臨盤采油廠,山東臨邑251507)
濟陽坳陷西南端沙三段剝蝕厚度恢復及其區(qū)域構造意義
倪金龍1,郭 穎2,馬驍騏1,張 凱1,王志敏3,韓 帥1
(1.山東科技大學山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室,山東青島266590;2.中國石油大學地球科學學院,北京102249;3.勝利油田公司臨盤采油廠,山東臨邑251507)
基于地球物理、鉆井等資料,運用地層對比、孔隙度擬合以及盆地模擬的原理與方法,恢復出濟陽坳陷西南端沙三段(Es3)剝蝕地層厚度及原始地層厚度,進行構造沉降量和拉張系數計算,探討沙三段沉積期盆地構造活動特征及主控應力場。結果表明:沙三段沉積期,濟陽坳陷西南端沉積中心的延伸方向宏觀上呈NE-SW向展布,局部表現(xiàn)為近SN向延伸;該時期盆地的伸展強度并不均勻,表現(xiàn)為中部強,向NW、SE方向減弱;伸展作用宏觀上受控于NW-SE向伸展應力場,可能受基底斷層走滑的影響,局部伸展受控于近SN向應力場;濟陽坳陷沉積中心展布方位前后經歷了不同階段近EW向、近EW與NE向共存及NE向展布的遞進演變過程,但最終受控于NW-SE向伸展應力場。
濟陽坳陷;沙河街組三段;剝蝕地層評估;地層古厚度;沉積中心
濟陽坳陷西南端是勝利油田一個重要的油氣富集區(qū),古近系是主要成藏組合的發(fā)育層系和油氣勘探的重要目的層系。沙河街組三段(簡稱沙三段,地層代號:Es3)沉積期不僅是古近紀濟陽坳陷的強烈裂陷期,同時也是一個重要的構造體制變革時期[1],因而認識與評價該時期盆地的沉積與斷裂活動特征對于恢復該時期的區(qū)域構造應力大有裨益。盡管前人對濟陽坳陷西南端的構造發(fā)育史、斷層封閉性、沉積相帶展布以及巖石學和地球化學等方面展開過研究[2-6],但對該地區(qū)沙三段地層古厚度恢復及基于地層古厚度恢復的構造活動特征研究很少,制約了對該時期盆地沉積充填及區(qū)域應力場的認識。筆者基于原型盆地恢復對油氣勘探的重要理論意義和實用價值,立足于測井、地震及鉆井資料,運用地層對比、孔隙度擬合以及盆地模擬的原理與方法,系統(tǒng)恢復濟陽坳陷西南端沙三段剝蝕地層厚度、地層古厚度;計算構造沉降量及拉張系數,分析該時期盆地的伸展應力場;結合濟陽坳陷早、中、晚不同時期沉積中心的形態(tài)及分布,探討該時期整個盆地伸展應力場的分布狀態(tài)。
濟陽坳陷位于渤海灣盆地南部,郯廬斷裂帶以西,蘭聊斷裂帶以東,是渤海灣盆地中一個重要的二級構造單元,南北側以魯西隆起和埕寧隆起為界。坳陷總體呈近東西向展布,主要由東營凹陷、惠民凹陷、沾化凹陷和車鎮(zhèn)凹陷及分隔凹陷的凸起帶組成(圖1)。
研究區(qū)位于濟陽坳陷的西南端,西側緊鄰蘭聊斷裂,南側為魯西隆起,主要包括惠民凹陷中央隆起帶、臨南洼陷帶及惠民南斜坡部分區(qū)域。盆地基底發(fā)育有晚中生代末期形成的規(guī)模較大NE向斷層,如夏口斷層、臨邑斷層,及規(guī)模較小的NW斷層(圖1)。濟陽坳陷在古近紀巖漿活動頻繁。目前的勘探共鉆遇5套火山巖地層,如惠民地區(qū)沙三段的堿性橄欖玄武巖[7],商河地區(qū)沙三段的輝綠巖、火山角礫巖、沙一段含角礫凝灰?guī)r、東營組堿性橄欖玄武巖[8],在成因上與大陸裂谷演化有關[5,7]。
盆地中的剝蝕面通常表現(xiàn)為角度不整合面和平行不整合面。在古地形梯度變化大的地方,以角度不整合面為主,但在古地形梯度變化較小的地方,以平行不整合為主,可能局部表現(xiàn)為角度不整合。角度不整合面的識別可以通過地震剖面直觀地表現(xiàn)出來;平行不整合面的識別,在地震剖面上可以根據識別出的角度不整合面進行追蹤。在地震剖面上,角度不整合面的典型特征表現(xiàn)為上覆地層截切了下伏地層。角度不整合的存在通常說明該地區(qū)存在剝蝕,或不存在沉積作用。通常由于擠壓應力造成塊體抬升而造成剝蝕作用。實踐證明,在區(qū)域伸展的作用下也可以形成角度不整合面。
對于濟陽坳陷而言,沙三段沉積期是濟陽坳陷強烈伸展的時期,盆地總體以接受沉積為主。但對于濟陽坳陷西南端而言,除了臨南洼陷帶持續(xù)接受沉積作用外,在其周緣地區(qū),如惠民凹陷中央隆起帶(盤河、商河地區(qū))及惠民南斜坡區(qū),沙三段沉積中后期均遭受了不同程度的剝蝕作用,尤其是惠民凹陷的中央隆起帶地區(qū)(圖2)。
地震剖面顯示,該構造帶西部缺失了沙三段上部和中部的部分地層,上覆地層明顯截切了沙三段中、下段的地層,顯示二者明顯的角度不整合接觸關系(圖2(a))。在構造帶的東部商河地區(qū),角度不整合面所表現(xiàn)出的截切關系主要體現(xiàn)在沙三段上亞段內部(圖2(b)),顯示了該構造帶在總體伸展的條件下存在間歇性的抬升與剝蝕作用,之后再次接受沉積。
除了借助地震剖面外,測井曲線也可以用來確定不整合面,如泥巖的聲波時差、砂泥巖的孔隙度和密度測井曲線等。其依據為不整合面上下地層的壓實作用存在差異,因而在測井曲線上表現(xiàn)為不整合面上下延伸趨勢產生中斷。
圖1 濟陽坳陷構造單元及研究區(qū)斷裂構造格架Fig.1 Tectonic units and fault sketch in Jiyang Depression
針對剝蝕量的恢復問題前人曾進行了廣泛的研究,并取得了豐碩的成果,比較成熟的方法有3類[9-10]:地熱學方法,包括鏡體反射率法、磷灰石裂變徑跡法、流體包裹體法及伊利石結晶度法;地質學方法,包括地層對比法、沉積-剝蝕速率法及沉積波動方程分析法;地球物理學方法,包括孔隙度法、泥巖聲波時差法等。一般認為,對于中國東部的中、新生代盆地而言,可以利用地層對比法先定性地確定出剝蝕量的范圍,然后選擇利用地球物理方法或地熱法進行剝蝕量恢復[9]。對于濟陽坳陷而言,沙三段主要以砂巖和泥巖沉積為主,缺少灰?guī)r沉積,因而適合利用孔隙度進行地層剝蝕量的計算。另外,本文中還聯(lián)合應用地層對比法進行剝蝕量的校對與約束。
3.1 地層對比法
地層對比法是比較傳統(tǒng)但卻是簡單可行的恢復剝蝕厚度的方法。該方法簡單直觀,受限的條件較少。其基本的原理是,連續(xù)沉積的地層其沉積厚度在縱向的變化具有一定的規(guī)律性和可比性,因而可以通過與相鄰地層的對比計算剝蝕區(qū)地層的沉積厚度。在實際計算時,將需要恢復剝蝕厚度的地層與鄰區(qū)未被剝蝕的相同地層進行對比,求出其沉積厚度,除去該地層的殘余厚度即可得到地層剝蝕量。如圖3所示,根據地震剖面已知盤37井未遭受剝蝕與沉積間斷,假設Ek、Es4、Es3的地層厚度分別為hx1、hx2、hx3;臨9井的Ek、Es4、Es3的地層厚度分別為hy1、hy2、hy3(剝蝕前厚度),根據地層厚度變化的趨勢,則應有hx3/hx1=hy3/hy1。但由于臨9井的沙三段上部遭受剝蝕,目前的厚度為ha,其剝蝕量hb=hy3-ha,即(hx3/hx1)×hy1-ha=410 m。為了提高剝蝕量計算的準確性,采用與地震剖面解釋相類似的原則,在不同延伸方向上找到另一口未遭受剝蝕和沉積間斷的井,進行閉合,如基2井,將臨9井與基2井進行地層對比法計算后得到的剝蝕量為(hz3/hz1)×hy1-ha=386 m,二者在計算結果上存在一定的差異,這是由于地層可能存在起伏或壓實差異,當然也可能是由于分層數據存在一定的誤差等。最終的剝蝕量取二者的平均值,即398 m。在實際計算過程中,當通過不同的井計算得出的剝蝕量判別較大時,說明存在明顯的誤差,應在不同延伸方向上多選幾口井進行校對,使誤差降至最小。
圖2 濟陽坳陷西南端地震剖面與沙三段中上部的角度不整合接觸Fig.2 Seimic cross-sections indicating angular unformatity between Es3and its overlying strata in extreme southwest Jiyang Depression
圖3 地層對比法求剝蝕地層厚度原理圖Fig.3 Principle digram of estimating eroded overburden by contrasting strata thick
3.2 孔隙度法
該方法的基本原理是,在一定深度范圍內,碎屑沉積物原生孔隙度與其埋深呈指數關系,并且隨著埋深的增加而減小,且趨向于一個定值。二者的關系[11-12]可以表示為
式中,z為埋藏深度;Φ為深度z處的孔隙度;Φ0為地表(z=0)的原生孔隙度;c為因次常數。
當地層遭受剝蝕再次被埋藏時,理論上只要上覆沉積物厚度不大于剝蝕厚度,該地層剝蝕前的孔隙度不會變化,這主要是因為孔隙度與上覆地層的壓實作用密切相關。此時,式(1)修正為
式中,h為剝蝕厚度;z′為相對于剝蝕面的深度;Φ為恢復剝蝕厚度后深度為(z′+h)處的孔隙度。
實際上,被剝蝕后的埋藏深度可能大于剝蝕厚度,造成現(xiàn)今某一深度巖層的孔隙度小于剝蝕前的孔隙度,這可能會造成計算的剝蝕厚度偏小,因此剝蝕量的求取通常需要兩種方法聯(lián)合,以盡可能減小誤差。目前,國內外在剝蝕量計算時的誤差分析還缺少深入研究,這可能與剝蝕量值本身就是個估算值有關。另一方面,這種誤差的存在對結果的討論并沒有太大的影響,因為對于一個局部地區(qū)而言,壓實作用是相似的,計算獲取的剝蝕量值同時偏小或偏大,不會改變地層厚度變化的趨勢。
在實際計算過程中,本文中參考了優(yōu)化孔隙度法[13]。根據公式(2),當Φ0和不同深度的原生孔隙度實測值Φi(i=1,2,…,m)已知時,通過編制計算機程序,賦予不同的h值可求取對應深度的Φ值,將Φ值與相應的實測值Φi對比,總可以找到一個h值,使得到的Φ值與實測值Φi值之間偏差平方和最小,此時求取的h即理論上的剝蝕厚度。
在根據孔隙度法計算剝蝕量的過程中,首先統(tǒng)計各井的砂、泥巖厚度,分別進行計算;濟陽坳陷西南端沙三段的灰?guī)r較薄,在計算時按泥巖進行處理。作為校對與補充,同時采用地層對比法約束地層剝蝕量范圍,剔除兩種方法不相吻合的剝蝕地層古厚度數據,確定合理的剝蝕地層古厚度值。
本文中分別選取盤河、商河等證明存在剝蝕的地區(qū)臨77、盤10、商541等82口井沙三段剝蝕地層厚度(圖4(b)),再疊加沙三段殘余地層厚度(圖4(a))得到單井原始地層厚度S(h)(圖4(c))。
構造活動性研究有多種方法,如斷層落差法、生長指數法等,由于不同巖性對壓實作用的響應差別明顯,上述方法有時可能不能真實反映構造活動性特征?;谇拔脑嫉貙雍穸鹊幕謴停疚闹袕臉嬙斐两盗亢屠瓘埾禂捣矫鎸ι橙纬练e期盆地構造活動性進行定量研究,重建該時期盆地的伸展特征,校正幕式沉積過程中剝蝕間斷對盆地形態(tài)的影響。
圖4 濟陽坳陷西南端沙三段殘余地層厚度、剝蝕地層及原始地層古厚度等值線圖Fig.4 Contour maps of remanent strata thickness,paleothickness of remanent strata and denuded strata and primary strata thickness of the third Member of Shahejie Formation in extreme southwest Jiyang Depression
4.1 構造沉降量計算
對于伸展盆地,構造沉降量是指盆地在演化過程中由于地殼深部的構造作用盆地基底相對于某一基準面的下降量。對構造沉降量的計算,本文中采用二維剖面上構造沉降量Y(h)反演公式,通過編制計算機程序來進行[14]:
式中,S(h)為校正后的沉積物厚度(原始地層古厚度);C為Airy均衡與區(qū)域均衡最大值的比值(均衡比值);ρm、ρw、ρs(h)分別為地幔密度、水密度、沉積物平均密度;Wd(h)為古水深;ΔSL為古海平面高度相對于現(xiàn)今海平面的升降值[15-16]。
濟陽坳陷西南端沙三段沉積期地質歷史相對短暫。強烈的構造活動嚴重破壞了巖石圈的撓曲均衡,其負載均衡補償模式主要為Airy均衡[17-18];基于沉積相、古生物組合和古氣候等資料,估計出古水深和古海平面位置(表1);沉積物平均密度根據表1和巖性柱狀圖讀出,并加權平均獲得。
綜合原始沉積地層厚度、沉積物平均密度、沉積物和水負載的均衡沉降、沉積物的壓實、古水深及海平面變化等因素[17-20](表1),根據公式(3)分別求出臨77、盤10、商541等82口井沙三段沉積期構造沉降量(圖5(a))。
表1 惠民凹陷中央隆起帶及鄰區(qū)Es3期構造活動性計算參數Table 1 Parameters of tectonic activity in Es3of cenral uplift belt in Huimin Depression
4.2 拉張系數計算
拉張系數(β)等于初始地殼厚度與拉張后地殼厚度的比值,是直觀反映沉積盆地同沉積斷裂活動、沉降充填史和熱演化的重要參數。以構造沉降量計算為基礎,正演求取拉張系數。McKenzie[21]提出張性沉積盆地沉降的瞬時均勻純剪拉伸模型。按照該模型,張性盆地的構造沉降量Y(h)分解為同裂陷期沉降和裂后期熱衰減沉降。多幕式的張裂過程可以用多次的瞬時拉伸模型進行模擬,張裂期的沉降在各幕末期瞬時完成,盆地持續(xù)沉積時間小于20 Ma時,只考慮Airy均衡[17,21-22]。
濟陽坳陷為中、新生代伸展盆地,古近紀經歷了多次沉積旋回,每一沉積旋回都是對總體裂陷作用的一次響應。沙三段沉積期處于古近紀斷陷Ⅲ幕前期,從更精細的構造層序劃分來看,可以作為一個單獨的構造幕處理②根據勝利油田內部資料,Es3絕對年齡為38.8~43.5Ma.;另外,盆地斷層切割較深,并呈現(xiàn)出地塹式的發(fā)育特征,巖石圈伸展可以看作是垂向上均勻、水平上對稱的純剪切,遵循Airy重力均衡法則,適用于瞬時的均勻純剪切模型,公式如下:
式中,Yl為巖石圈初始厚度;Yc為地殼初始厚度;α為熱膨脹系數;tm為軟流圈溫度;β為拉張系數;τ為熱時間,τ=Yl/π2k,k為熱擴散系數;t為受熱時間。這是一項近似公式[18],誤差在10-2。
據上述拉伸模型正演拉張系數β(反演時的參數見表1),通過迭代計算求出臨77、盤10、商541等82口井沙三期拉張系數(圖5(b))。
5.1 地層分布與剝蝕特征
沙三段是濟陽坳陷西南端沉積時期的產物,盡管在惠民西部中央隆起帶地區(qū)遭受剝蝕作用,但其仍是全區(qū)分布(圖4(a))。地層的剝蝕主要集中于中央隆起帶地區(qū),如盤河和商河地區(qū),但兩個地區(qū)的剝蝕厚度等值線的延伸方向并不相同,盤河地區(qū)沿NE-SW向,商河地區(qū)總體呈EW向剝蝕(圖4(b))。恢復剝蝕量的地層厚度總體可以代表沉積時盆地的地層賦存狀態(tài),結果表明,沙三段沉積期盆地的沉積總體沿NE-SW向進行,盆地的沉積中心總體沿NE-SW向展布,但在局部地區(qū),呈近SN向展布,如S541井區(qū)(圖4(c))。
5.2 構造活動性特征與伸展應力場
構造沉降量(圖5(a))與拉張系數(圖5(b))的計算表明,伸展活動在濟陽坳陷西南端的強度并不均勻,主要表現(xiàn)為構造沉降量與拉張系數的差異性。較強的伸展主要集中于臨南洼陷內部,構造沉降量介于800~1000 m、拉張指數介于1.21~1.27,自臨南洼陷向兩側的盤河、商河及東南部地區(qū)構造沉降量與拉張系數均逐漸變小,顯示伸展作用逐漸變弱。盤河地區(qū)的構造沉降量與拉張系數明顯高于商河的大部分地區(qū),等值線圖清晰反映盆地總體的伸展方向為NW-SE向,但局部有近SN向的伸展作用,顯示了沙三段沉積期濟陽坳陷西南端的盆地沉積總體以NW-SE向伸展作用占主導地位,但局部仍有走滑作用。
圖5 濟陽坳陷西南端沙三段沉積期構造沉降量與拉張系數等值線圖Fig.5 Contour maps of tectionic subsidence and tension coefficient in extreme southwest Jiyang Depression
根據對該地區(qū)中、新生代斷裂活動及沙三段沉積期新生斷裂的解析(圖6(a)),臨邑斷裂與夏口斷裂均為前新生代斷裂,在沙三段沉積期,二者均作為基底斷裂存在并復活。根據區(qū)域伸展方向與基底斷層的夾角不同所形成的新生斷層的規(guī)律[23],濟陽坳陷西南端不同區(qū)域伸展方向并不相同,其中在最南端(圖6(a)①)主要表現(xiàn)為NW-SE向伸展,走滑作用處于次要地位;中段(圖6(a)②)的伸展方向為NNW-SSE,由于伸展方向與基底斷裂并不垂直,在伸展作用的同時派生出右行走滑作用,伸展與走滑作用的疊加(圖6(b))在中段形成了大量與基底斷裂呈“帚狀”排列的NEE-SWW向斷裂;作為基底斷層的臨邑斷層并沒有繼續(xù)向NE方向延伸,因而北東端(圖6(a)③)的新生斷裂形成受基底斷裂的影響很小,只是在南東側的夏口斷層附近形成一些平行于基底斷層的次級斷層。該區(qū)新生斷裂與基底斷裂的組合樣式一方面反映了NW-SE向的伸展應力場,另一方面反映了該應力場在該區(qū)域的變形分解作用。由于受夏口基底斷層的影響,NW-SE向應力場在該區(qū)一方面分解出近SN向的拉伸,另一方面引起該區(qū)域的右行走滑作用。
圖6 濟陽坳陷西南端沙三段沉積期斷裂發(fā)育特征及成因分析Fig.6 Character and analysis of structure in extreme southwest Jiyang Depression during depositional stage of the third Member of Shahejie Formation
5.3 區(qū)域構造意義
古近紀濟陽坳陷區(qū)域伸展應力的方向如何尚存爭議。對濟陽坳陷西南端的研究表明,對于伸展型盆地而言,沉積中心的形態(tài)與遷移在一定程度上反映了伸展構造活動的強弱與變遷,也間接地反映了主控構造應力場轉換。
根據勝利油田提供的泥巖厚度數據,通過對濟陽坳陷沙三段上、中、下3個亞段沉積中心的繪制,再現(xiàn)了沙三期早、中、晚3個不同時期整個盆地沉積中心的形態(tài)及分布位置(圖7)。沙三段沉積期,濟陽坳陷沉積中心經歷了早期近EW向展布(圖7(a))、中期NE向展布與EW向展布共存(圖7(b))、晚期NE向展布的變遷過程(圖7(c))。沉積中心的遞進變化過程,一方面反映了沙三段沉積期斷裂活動的繼承與發(fā)展,另一方面顯示早期近SN向伸展應力場完全轉換后期的NW-SE向伸展應力場。結合本文中對于濟陽坳陷西南端原始地層及新生斷層的應力場解析,沙三段沉積期濟陽坳陷盡管經歷了構造體制的轉換,但總體還是后期的NW-SE向伸展應力場占主導地位。
圖7 濟陽坳陷沙三段地層沉積中心形態(tài)及分布位置Fig.7 Shape and distribution location of depocenter in Jiyang Depression during Es3
(1)沙三段沉積期,濟陽坳陷西南端廣泛接受沉積,但原始地層的分布并不均勻,沉積中心總體呈NE-SW向展布,局部呈近SN向展布。
(2)沙三段沉積期,濟陽坳陷西南端的伸展強度并不均勻,表現(xiàn)為中部強,向NW、SE方向減弱;伸展作用宏觀上受控于NW-SE向伸展應力場;可能受基底斷層走滑的影響,局部伸展受控于近SN向應力場。
(3)沙三段沉積期,濟陽坳陷沉積中心展布方位經歷了前后不同階段近EW向、近EW與NE向共存及NE向展布的遞進演變過程,但最終受控于NW-SE向伸展應力場。
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(編輯 修榮榮)
Estimation of eroded overburden and its tectonic significance of the third Member of Shahejie Formation in extreme southwest Jiyang Depression
NI Jinlong1,GUO Ying2,MA Xiaoqi1,ZHANG Kai1,WANG Zhimin3,HAN Shuai1
(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization&Sedimentary Minerals,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.College of Geosciences,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;3.Linpan Oil Production Plant,Shengli Oilfield Company,Linyi 251507,China)
Using the physical geography and drilling well data,the eroded and original overbudens during the third Member of Shahejie Formation(Es3)in extreme southwest Jiyang Depression were estimated with a series of methods such as stratigraphic correlation,porosity fitting and the principle and methods of basin modeling.The tectonic subsidence and the extension coefficient were then calculated,and the character of sedimentation and its main controlling factor were discussed.The results are as follows.First,the depocenter is NE-SW trending as a whole,but is locally nearly south-north trending during Es3stage in the extreme southwest Jiyang Depression.Second,the extensional level is not uniform:the center is stronger and it weakens toward northwest and southeast.The extension is controlled by NW-SE trending stress field in general,and bysouth-north trending locally resulting from the slip of the basement faults.Lastly,the spatial distribution of the depocenter in Jiyang Depression has gone through the progressive development from east-west trending in the early stage,the coexistence of nearby east-west and north-east trending in the middle stage,and north-east trending finally during Es3stage.The whole system is however controlled mainly by NW-SE trending extensional stress field.
Jiyang Depression;the third Member of Shahejie Formation;eroded overburden estimation;stratigraphical paleo-thickness;depocenter
TE 121.2
A
1673-5005(2015)04-0010-09
10.3969/j.issn.1673-5005.2015.04.002
2014-12-20
山東省自然科學基金項目(ZR2013DM007);國家“973”計劃項目(2012CB723104);國家自然科學基金項目(41102149,41202165,41430211)
倪金龍(1974-),男,副教授,博士,研究方向為構造地質學。E-mail:nijldq@163.com。
引用格式:倪金龍,郭穎,馬驍騏,等.濟陽坳陷西南端沙三段剝蝕厚度恢復及其區(qū)域構造意義[J].中國石油大學學報:自然科學版,2015,39(4):10-18.
NI Jinlong,GUO Ying,MA Xiaoqi,et al.Estimation of eroded overburden and its tectonic significance of the third Member of Shahejie Formation in extreme southwest Jiyang Depression[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2015,39(4):10-18.