吳春燕,張金功,黃傳卿,崔 強(qiáng)
(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069;2.陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,陜西 西安 710021)
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沾化凹陷古近系
—新近系斷裂研究進(jìn)展
吳春燕1,張金功1,黃傳卿2,崔強(qiáng)1
(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069;2.陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,陜西 西安 710021)
[摘要]前人對(duì)沾化凹陷斷裂做了大量研究,主要集中在斷裂發(fā)育特征、形成機(jī)制、斷裂活動(dòng)性、斷裂對(duì)油氣成藏的控制作用等。認(rèn)為沾化凹陷斷裂十分發(fā)育,可劃分為4級(jí)。凹陷內(nèi)斷層的走向主要有北西向、北東向和近東西向。斷層平面形態(tài)主要有弧形或鋸齒形、“S”形、直線形等,剖面形態(tài)主要有犁式和平面式,組合形態(tài)可分為“Y”形、帚形、鹿角形、階梯狀、羽狀以及復(fù)合“X”形、馬尾狀、斜列式等。斷裂活動(dòng)強(qiáng)度具有在沙三段沉積期前“西強(qiáng)東弱”、沙三段沉積期后“東強(qiáng)西弱”的特點(diǎn),并且斷層停止活動(dòng)的時(shí)間由西至東逐漸變晚。斷裂對(duì)油氣成藏的控制作用體現(xiàn)在三個(gè)方面,控制烴源巖的形成與分布、控制圈閉的形成與分布、控制油氣的運(yùn)移與聚集。對(duì)斷裂與構(gòu)造高低關(guān)系研究程度較弱,還需進(jìn)一步深入研究。
[關(guān)鍵詞]沾化凹陷;斷裂;斷層活動(dòng)性;古近系;新近系
在陸相斷陷盆地中,斷裂活動(dòng)對(duì)油氣成藏的影響一直是油氣地質(zhì)學(xué)研究的熱點(diǎn),斷裂控?zé)N、控運(yùn)、控圈等理論都是其對(duì)油氣成藏控制的綜合反映[1-3]。斷裂構(gòu)造是決定油氣分布的重要因素。斷層既能作為油氣運(yùn)移的通道,又能作為遮擋體形成斷層圈閉,尤其對(duì)斷塊式油氣田更是如此[4-5]。沾化凹陷位于渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷北部,為新生界拉張斷陷盆地,北以義南、義東、埕東斷層為界,東到墾東凸起,向南地層區(qū)域性抬升,超覆過(guò)渡到陳家莊凸起[6]。其形成和演化主要受燕山期和喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制[7-9],總體上為軸向北東、呈北斷南超的斷陷構(gòu)造格局。沾化凹陷主要發(fā)育古近系、新近系和第四系地層。沾化凹陷內(nèi)部斷裂發(fā)育,油氣資源豐富,新近系作為其主力含油層系,本身缺乏生油條件,油氣主要來(lái)源于古近系烴源巖,斷層成為溝通其的重要紐帶[10-14]。
1斷裂特征
沾化凹陷斷裂十分發(fā)育,共有297條[15-16],根據(jù)各油區(qū)的實(shí)用劃分方案,一般將斷層劃分為4級(jí)。
一級(jí)斷層:指控制第三系分布的邊界斷層,或稱分割凸起與凹陷的邊界斷層。具斷距大、切穿地層多、發(fā)育早、結(jié)束晚的特點(diǎn)。
二級(jí)斷層:是控制二級(jí)構(gòu)造帶和相鄰凹陷形成發(fā)育的主干斷層,既可以是基巖斷裂,也可以是僅發(fā)育在第三系內(nèi)部的蓋層斷裂,但都對(duì)下第三系沉積厚度、相帶分布及局部構(gòu)造形成有重要的控制作用。
三級(jí)斷層:常為一、二級(jí)斷層的派生斷層,以蓋層斷裂為主,對(duì)第三系沉積厚度有控制作用,是劃分?jǐn)鄩K區(qū)的邊界斷層,包括各類平面和縱向上的調(diào)節(jié)斷層。
四級(jí)斷層:為更次一級(jí)的斷層,是劃分?jǐn)鄩K的依據(jù)。
據(jù)路順行(2003)研究,凹陷中明顯控制沉積的大斷層就有10條,分別為:羅西斷層、孤西斷層、五號(hào)樁斷層、義東斷層、埕東斷層、墾東斷層、孤北斷層、孤南斷層、墾利斷層和埕北斷層(圖1)。
圖1 沾化凹陷主要斷裂分布圖
1.1斷層的平面幾何形態(tài)
凹陷內(nèi)斷層的走向主要有北東向、近東西向、北西向。其中北西向斷層有羅西、孤西和五號(hào)樁斷層等,是盆地早期構(gòu)造作用形成的[9、17],北東向和近東西向斷層是后期構(gòu)造作用形成的,并切割早期形成的北西向斷裂。平面上,斷層形態(tài)主要有弧形或鋸齒形、“S”形、直線形等。盆緣大斷層和大部分二級(jí)斷層多呈弧形;三、四級(jí)斷層部分為弧形“S”形或直線形。一、二級(jí)斷層的組合形態(tài)主要有帚狀和分叉狀;三、四級(jí)斷層多構(gòu)成網(wǎng)格形、分叉形或近平行排列[15]。
1.2斷層剖面幾何形態(tài)
斷層的剖面幾何形態(tài)主要類型有犁式和平面式,斷層組合形態(tài)可分為“Y”形、帚形、鹿角形、階梯狀、羽狀以及復(fù)合“X”形、馬尾狀、斜列式(包括左列和右列)等[15、18]。其中犁式斷層在洼陷內(nèi)廣泛發(fā)育,平面式斷層在盆地內(nèi)也較為多見(jiàn),平面狀斷層常形成斷階帶,中小型斷層常具有平面狀斷裂特點(diǎn)。
2斷裂的形成機(jī)制
沾化凹陷屬于渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元,其區(qū)域構(gòu)造演化與渤海灣盆地基本一致[19]。據(jù)吳智平(2004)研究,古近紀(jì)孔店組沉積期太平洋板塊對(duì)歐亞板塊的俯沖方向?yàn)镹NW,郯廬斷裂帶繼承了燕山期左旋走滑的活動(dòng)方式;沙四沉積期太平洋板塊俯沖方向由NNW轉(zhuǎn)為NWW[20-23],同時(shí)印度板塊開(kāi)始向北俯沖,與歐亞板塊強(qiáng)烈擠壓碰撞[24-26]。二者的共同作用在華北地區(qū)產(chǎn)生了右旋走滑剪切應(yīng)力場(chǎng),從而使得郯廬斷裂帶、滄東—蘭聊斷裂帶等中國(guó)東部大型邊界走滑斷裂帶由左旋轉(zhuǎn)為右旋,中國(guó)大陸東部處于右旋剪切應(yīng)力場(chǎng)之中。
沾化凹陷所處的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征為在大規(guī)模裂陷伸展的基礎(chǔ)上疊加了郯廬斷裂帶的走滑活動(dòng),走滑方式的轉(zhuǎn)變對(duì)斷層的發(fā)育特征產(chǎn)生了重要影響。燕山-喜山構(gòu)造階段過(guò)渡期郯廬斷裂由左旋至右旋的轉(zhuǎn)換,則導(dǎo)致了研究區(qū)斷裂發(fā)育由早期NW向至后期NE(NEE)向的轉(zhuǎn)型[19]。
3斷裂活動(dòng)性
3.1斷裂活動(dòng)性定量研究方法
目前主要采用斷層生長(zhǎng)指數(shù)、斷層落差和斷層活動(dòng)速率3類參數(shù)來(lái)定量表示斷層的活動(dòng)性[27-30]。
3.1.1斷層生長(zhǎng)指數(shù)
斷層生長(zhǎng)指數(shù)(Qi)為上盤厚度與下盤厚度之比。即,斷層生長(zhǎng)指數(shù)=上盤厚度/下盤厚度。當(dāng)斷層生長(zhǎng)指數(shù)<1時(shí),說(shuō)明上盤厚度小于下盤厚度,斷層活動(dòng),而且是逆斷層;當(dāng)斷層生長(zhǎng)指數(shù)=1時(shí),說(shuō)明斷層兩盤厚度相等,斷層不活動(dòng);當(dāng)斷層生長(zhǎng)指數(shù)>1時(shí),說(shuō)明上盤厚度大于下盤厚度,斷層活動(dòng),而且是正斷層。正斷層生長(zhǎng)指數(shù)越大或逆斷層生長(zhǎng)指數(shù)越小,表示斷層活動(dòng)越強(qiáng)烈。
在研究邊界斷層和逆斷層時(shí),利用斷層生長(zhǎng)指數(shù)來(lái)研究斷層活動(dòng)性往往很難奏效。此外,當(dāng)盆地大幅度沉降形成巨厚沉積物或者沉積幅度很小形成的沉積物很薄時(shí),計(jì)算出的斷層生長(zhǎng)指數(shù)也不能準(zhǔn)確表示斷層活動(dòng)的強(qiáng)弱。
3.1.2斷層落差
斷層落差是指在垂直于斷層走向的剖面上兩盤相當(dāng)層之間的鉛直距離,也稱鉛直斷層滑距,能反映斷層兩盤差異升降的幅度。
就同沉積斷層而言,斷層的落差實(shí)際上是兩盤的下降幅度差,可以用兩盤地層的厚度差來(lái)表示,即:生長(zhǎng)斷層落差(D)=上盤厚度(H)-下盤厚度(h)。
就邊界斷層而言,上盤沉降接受沉積,下盤抬升遭受剝蝕,因此在某一地質(zhì)時(shí)期的斷層落差應(yīng)表示為:斷層落差(D)=上盤沉積厚度+下盤剝蝕厚度。
逆斷層與正斷層相反,其上盤抬升遭受剝蝕,下盤沉降接受沉積,其斷層落差表現(xiàn)為負(fù)值:斷層落差(D)= -上盤剝蝕厚度-下盤沉積厚度。
與斷層生長(zhǎng)指數(shù)相比,用斷層落差來(lái)反映斷層的活動(dòng)性,具有更大的優(yōu)越性,其不足在于沒(méi)有體現(xiàn)出地質(zhì)時(shí)間的概念,其反映的僅僅是某一地質(zhì)時(shí)期的斷層兩盤升降的總體差異,由于各地質(zhì)時(shí)期的劃分不是等時(shí)間單元?jiǎng)澐?因而斷層落差不能很好地體現(xiàn)斷層在時(shí)間軸上的強(qiáng)弱變化。
3.1.3斷層活動(dòng)速率
斷層活動(dòng)速率(vf)為某一地質(zhì)時(shí)期內(nèi)的斷層落差與時(shí)間跨度的比值,該參數(shù)既保留了斷層落差的優(yōu)點(diǎn),又彌補(bǔ)由于缺少時(shí)間概念所帶來(lái)的不足,能夠更好地反映斷層的活動(dòng)特點(diǎn)。針對(duì)不同類型的斷層,確定了不同的計(jì)算方法:
同沉積正斷層:(vf)=上盤沉積厚度-下盤沉積厚度時(shí)間(vf>0);
邊界正斷層:(vf)=上盤沉積厚度+下盤剝蝕厚度時(shí)間(vf>0);
逆斷層:(vf)=-上盤剝蝕厚度-下盤沉積厚度時(shí)間(vf<0)。
當(dāng)斷層發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn),由逆斷層轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜鄬樱瑅f的值則表現(xiàn)為由負(fù)值到正值的轉(zhuǎn)變。
3.2沾化凹陷古近系-新近系斷層活動(dòng)性分析
沾化凹陷斷層發(fā)育整體表現(xiàn)為“網(wǎng)格化”的特征,斷層間相互切割,主要表現(xiàn)為中生代北西向斷層與新生代北東(東)向斷層的疊加,新生代北東向斷層切割中生代北西向斷層,體現(xiàn)了斷裂活動(dòng)多期次疊加的特點(diǎn)[31-35]。
張凡芹(2003)根據(jù)沾化凹陷斷層總落差圖,認(rèn)為在沾化凹陷,沙河街組二段上亞段-沙河街組一段沉積時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)最為強(qiáng)烈,其次是沙河街組三段沉積早期,第三是沙河街組三段中亞段沉積時(shí)期、沙河街組三段上亞段-沙河街組二段下亞段沉積時(shí)期和東營(yíng)早期,在東營(yíng)晚期構(gòu)造活動(dòng)最弱。另外,構(gòu)造活動(dòng)呈明顯的幕式性,即在沙河街組三段早期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng),沙河街組三段中亞段、沙河街組三段上亞段-沙河街組二段下亞段沉積時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)變?nèi)酰辽澈咏纸M二段上亞段-沙河街組一段時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)又變強(qiáng),東營(yíng)早期和東營(yíng)晚期又變?nèi)鮗16]。
吳智平(2004)通過(guò)對(duì)15條地震剖面的解釋,計(jì)算了沾化凹陷10條主要斷層的斷層活動(dòng)速率。認(rèn)為NW向斷層(羅西斷層、孤西斷層、五號(hào)樁斷層),從斷層的消亡時(shí)期來(lái)看,表現(xiàn)出由西向東,由早到晚的規(guī)律。北部邊界斷層(義南斷層、義東斷層、埕東斷層)自西向東由弱變強(qiáng)。NE向次級(jí)控凹(洼)斷層(邵家斷層、墾東斷層等),從斷層發(fā)育的時(shí)間來(lái)看,反映出與NE向邊界斷層發(fā)育的伴生性,但活動(dòng)規(guī)模明顯要小于邊界斷層[19]。
彭存?zhèn)}(2009)通過(guò)對(duì)沾化凹陷地震剖面所揭示的斷層活動(dòng)速率的計(jì)算,認(rèn)為北西向斷層經(jīng)歷了逆沖和拉張反轉(zhuǎn)全過(guò)程,活動(dòng)強(qiáng)度自西向東逐漸增強(qiáng),斷層停止活動(dòng)的時(shí)間由西至東逐漸變晚。北北東向斷層和東西向斷層,斷層活動(dòng)峰值出現(xiàn)在沙三段、沙一段沉積時(shí)期;而在館陶組沉積時(shí)期衰弱、消亡[7]。
劉培(2013) 研究認(rèn)為沾化凹陷斷裂活動(dòng)強(qiáng)度具有在沙三段沉積期前“西強(qiáng)東弱”、沙三段沉積期后“東強(qiáng)西弱”的特點(diǎn),且北東向斷層活動(dòng)強(qiáng)度總體大于近東西向斷層;北東向及近東西向斷層活動(dòng)期同油氣的充注期相匹配,二者相關(guān)性好[36]。
4斷裂對(duì)油氣成藏的控制
4.1大斷層控制烴源巖的形成與分布
沾化凹陷早第三紀(jì)的斷陷拉張活動(dòng),形成“北斷南超”的斷陷湖盆格局。大斷層的同沉積活動(dòng)為沉積物提供了較大的可容納空間,導(dǎo)致了沿?cái)鄬幼呦蚍植嫉亩鄠€(gè)負(fù)向構(gòu)造單元(以洼陷代稱),環(huán)繞在孤島凸起周圍,分別是孤北、渤南、孤南、富林等次級(jí)生烴洼陷[36]。
大斷層長(zhǎng)期繼承性活動(dòng),其下降盤形成洼陷,而大斷層上升盤抬升形成沿?cái)鄬幼呦蚍植嫉耐蛊?,如孤島凸起南北兩側(cè)的孤南、孤北洼陷。正是由于斷層的這種作用,造成下降盤洼陷水體逐漸變深,平靜深水為大量低等生物提供了優(yōu)越的生態(tài)條件,深水還原環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的保存。同時(shí)大斷層的多期活動(dòng),可控制形成多套烴源巖層系,而每套烴源巖層的規(guī)模、質(zhì)量、向油氣轉(zhuǎn)化程度都與斷層的活動(dòng)強(qiáng)度、時(shí)間、及斷層本身的規(guī)模和性質(zhì)有直接關(guān)系[37]。
4.2斷層控制圈閉的形成與分布
沾化凹陷上第三系絕大部分圈閉與斷層的關(guān)系極為密切,斷層的存在及其活動(dòng),控制了上第三系圈閉的形成、發(fā)育及分布[37]。
4.2.1控制披覆背斜構(gòu)造圈閉
大斷層長(zhǎng)期繼承性活動(dòng),使上升盤基巖長(zhǎng)期遭受剝蝕,至上第三系沉積前,形成出露地表的古殘丘山或斷塊山,是較好的披覆構(gòu)造背景。上第三系沉積后,受古地形背景的影響和沉積壓實(shí)作用,形成大型潛山披覆構(gòu)造圈閉,如孤南、孤北斷層控制形成的孤島潛山披覆構(gòu)造。這種背斜構(gòu)造規(guī)模大、幅度小、背斜傾角平緩、形態(tài)與下伏基巖潛山基本一致。大斷層的延伸方向與斷層的發(fā)育特征決定了披覆背斜構(gòu)造的形態(tài)和分布,該類圈閉形成的油氣藏是本區(qū)主要的油氣藏類型。
4.2.2控制斷塊、斷鼻圈閉
在凹陷斜坡部位,由一組平行于凹陷走向斷層,與另一組斜交斷層相互交切,并與一定的構(gòu)造背景相結(jié)合,形成二三、面受斷層圍限的斷塊圈閉。這種圈閉的閉合度和閉合面積取決于斷層的落差、蓋層及儲(chǔ)集層與斷層落差的匹配情況。
由于斷層活動(dòng)的差異性或古地形造成的在上傾方向由斷層切割,側(cè)向由斷鼻構(gòu)造封閉而形成斷鼻圈閉。該類圈閉與斷塊圈閉有很大的相似性,只是在圈閉的兩側(cè)有鼻狀構(gòu)造作為封閉條件,而斷塊圈閉是由斷層彎曲或一條以上的斷層控制形成的圈閉。
4.2.3控制巖性上傾尖滅圈閉
由于斷層的活動(dòng)造成沉積條件的差異,從而造成砂巖橫向發(fā)生相變,并伴隨斷層的活動(dòng)進(jìn)一步造成上傾而形成圈閉。
4.3斷層控制油氣的運(yùn)移與聚集
大斷層由于活動(dòng)期長(zhǎng),在斷層上、下盤形成多種類型的圈閉,同時(shí)溝通了深部烴源巖與淺部?jī)?chǔ)集層[36],使油氣在淺層圈閉中聚集,這種運(yùn)移、聚集方式多發(fā)生在凹陷陡坡帶。一般情況下,斷層活動(dòng)到哪個(gè)層位,油氣就能運(yùn)移到哪個(gè)層位,而斷層帶上發(fā)育于斷層兩側(cè)的油氣藏,清楚地反映了油氣主要沿油源斷層垂向運(yùn)移而進(jìn)入古近系儲(chǔ)集層內(nèi)聚集成藏。
主干斷裂體系控制油氣聚集帶的形成和分布,其它體系控制油藏的類型和分布位置。斷裂上升盤多發(fā)育以地層不整合油氣藏和斷塊油藏為主的復(fù)式油藏;下降盤多發(fā)育以逆牽引構(gòu)造油藏為主的復(fù)式油氣藏;在復(fù)合部位多形成以斷塊油氣藏或與火山巖有關(guān)的油氣藏為主的復(fù)式油藏[38]。
目前,通過(guò)油氣運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)初步證實(shí)小斷層也是油氣垂向運(yùn)移的通道,可形成油氣的再次運(yùn)移,在館上段油氣成藏中起著重要的作用。
5結(jié)語(yǔ)
沾化凹陷斷裂十分發(fā)育,可劃分為4級(jí)。凹陷內(nèi)斷層的走向主要有北東向、近東西向、北西向。平面上,斷層形態(tài)主要有弧形或鋸齒形、“S”形、直線形等。剖面上,斷層形態(tài)主要類型有犁式和平面式,斷層組合形態(tài)可分為“Y”形、帚形、鹿角形、階梯狀、羽狀以及復(fù)合“X”形、馬尾狀、斜列式等。
目前主要采用斷層生長(zhǎng)指數(shù)、斷層落差和斷層活動(dòng)速率3類參數(shù)來(lái)定量表示斷層的活動(dòng)性。通過(guò)對(duì)沾化凹陷斷裂活動(dòng)性分析,發(fā)現(xiàn)斷裂活動(dòng)強(qiáng)度具有在沙三段沉積期前“西強(qiáng)東弱”、沙三段沉積期后“東強(qiáng)西弱”的特點(diǎn),并且斷層停止活動(dòng)的時(shí)間由西至東逐漸變晚。
斷裂對(duì)油氣成藏的控制作用體現(xiàn)在三個(gè)方面,控制烴源巖的形成與分布、控制圈閉的形成與分布、控制油氣的運(yùn)移與聚集。
前人對(duì)沾化凹陷斷裂研究已取得大量成果,但對(duì)斷裂與構(gòu)造高低關(guān)系研究程度較弱,還需進(jìn)一步深入研究。
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[收稿日期]2015-09-08
[作者簡(jiǎn)介]吳春燕(1987-),女,四川合江人,在讀博士研究生,主攻方向:油田地質(zhì)。
[中圖分類號(hào)]P542+.3
[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B
[文章編號(hào)]1004-1184(2016)01-0204-03