南堡凹陷斷層活動與油氣成藏和富集的關系

萬 濤，蔣有錄，董月霞，趙忠新，謝 君

(1.中國石油大學地球科學與技術學院，山東青島 266580;2.中國石油冀東油田公司勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004)

南堡凹陷斷層活動與油氣成藏和富集的關系

萬 濤1，蔣有錄1，董月霞2，趙忠新2，謝 君1

(1.中國石油大學地球科學與技術學院，山東青島 266580;2.中國石油冀東油田公司勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004)

基于生長斷層活動性的定量評價、大量流體包裹體的光性特征和均一溫度結合單井埋藏史等綜合分析，對南堡凹陷斷層活動與油氣成藏和富集的關系進行研究。結果表明：除兩條邊界斷層外，南堡凹陷切穿烴源巖層系且在明化鎮(zhèn)期活動的斷層總計45條;沙河街期至東營期斷層活動性增強，館陶期為相對靜止期，在明化鎮(zhèn)期斷層活動性再次增強，斷層停止活動時間主要為距今7～2.5Ma，平均距今4 Ma。根據明化鎮(zhèn)早期斷距的大小和斷層停止活動時間，將45條斷層劃分為A、B、C 3類，油氣主要富集在活動性相對較強、斷層停止活動時間相對較晚的A、B兩類斷層附近的有利圈閉中。根據流體包裹體均一溫度結合埋藏史得出研究區(qū)油氣成藏期最晚時間主要為距今5～1 Ma，平均距今2 Ma，晚于斷層停止活動時間2 Ma;斷層停止活動后，當上覆地層沉積厚度為180～300 m時，其在垂向上的通道逐漸閉合。

斷層活動性;流體包裹體;成藏期;油氣富集;南堡凹陷

斷層作為油氣輸導體系的重要組成部分，其活動性的定量評價及其對油氣成藏的控制作用成為當前研究的熱點和難點問題［1－3］。關于斷層停止活動時間與油氣成藏最晚時間的定量關系，目前國內外少有研究。筆者以渤海灣盆地南堡凹陷為例，在生長斷層活動性的定量評價、成藏時間及期次分析的基礎上，對生長斷層活動性差異與油氣富集的關系、斷層停止活動時間與源上油氣成藏最晚時間的關系進行探討，以期為渤海灣盆地類似凹陷的油氣勘探提供理論依據。

1 斷層組合樣式及演化特征

南堡凹陷位于燕山臺褶帶南緣，是渤海灣盆地黃驊坳陷北側一個小型油氣富集區(qū)，地處河北省唐山市和秦皇島市之間，勘探面積為1 932 km2，其中陸地面積570 km2，海域面積1 362 km2。南堡凹陷是在華北地臺基底上，經中、新生代的塊斷運動而發(fā)育起來的一個中新生界北斷南超的箕狀凹陷，凹陷北部以西南莊斷層為界與老王莊凸起相接，東部以柏各莊斷裂為界與柏各莊凸起、馬頭營凸起相連，南與沙壘田凸起呈斷超式接觸，西以澗東斷層與北塘凹陷相鄰［4］。

南堡凹陷由高尚堡、柳贊、老爺廟、南堡1號、2號、3號、4號、5號等8個二級構造帶和拾場、林雀、曹妃甸等3個洼陷組成。地層自下而上可細分為：太古界－下元古界結晶基底、上元古界青白口系，下古生界寒武系、奧陶系，上古生界石炭系、二疊系，中生界侏羅系、白堊系，新生界古近系、新近系及第四系。新生界沉積巖厚度最大達7.5 km，以林雀洼陷為最大沉積中心，曹妃甸洼陷為第二沉積中心，拾場洼陷為最小的沉積中心。整個新生界包括：古近系沙河街組(缺失沙四段)和東營組，新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組以及第四系平原組。

南堡凹陷內部斷層十分發(fā)育，且走向多變，以北東東、東西向為主，存在部分北東、北西向斷層。平面上，次級斷層與邊界斷層及各構造帶主干斷層呈入字形、平行狀、交織狀、梳狀和帚狀組合［5］。通過切取南堡1號構造帶—南堡2號構造帶西部、南堡2號構造帶西部—高尚堡構造帶、南堡3號構造帶—南堡2號構造帶東部—老爺廟構造帶以及南堡3號構造帶—南堡4號構造帶等4條地質剖面，建立南堡凹陷斷層剖面組合樣式(圖1)?？梢钥闯鲅芯繀^(qū)靠近凸起部位以復合“Y”形斷層組合為主;靠近洼陷中心主要發(fā)育“X”、“包心菜”形、反向斷階狀和花狀斷層組合。

采用盆地二維模擬技術［6］對南堡2號構造帶西部—高尚堡構造帶(老堡南1井－唐6X1井北東—南西向構造剖面，見圖1)進行構造演化分析：在東營組剝蝕期前，靠近凸起部位已形成復合“Y”形斷層組合，靠近洼陷中心以反向斷階狀斷層組合為主;次級斷層在館陶—明化鎮(zhèn)期發(fā)育，靠近洼陷中心演化成復合“Y”形、花狀斷層組合(圖2)。可以看出，館陶—明化鎮(zhèn)期次級斷層的發(fā)育使靠近洼陷中心的斷層組合復雜化，研究區(qū)的構造格局總體上受東營組剝蝕期前發(fā)育的生長斷層控制。

圖1 南堡凹陷斷層剖面組合及油氣富集樣式立體圖Fig.1 Profile styles of faults combination and hydrocarbon enrichment in Nanpu depression

圖2 南堡凹陷構造演化圖Fig.2 Tectonic evaluation in Nanpu depression

2 斷層活動性差異與油氣富集關系

目前定量研究生長斷層的活動性，主要是計算斷層的生長指數(上盤厚度/下盤厚度)和斷層活動強度。正斷層生長指數越大或逆斷層生長指數越小，斷層活動越強烈。斷層活動強度可以用斷距、斷

式中，12.4為明化鎮(zhèn)組沉積時間，Ma。

用明化鎮(zhèn)組底界地層年齡(14.4 Ma)減去明化鎮(zhèn)期斷層活動時間，即可得到斷層停止活動時間。

南堡凹陷主要發(fā)育沙三段四亞段、沙一段及東三段等3套主要烴源巖［6］，通過切取研究區(qū)150條地震剖面，明確了除柏各莊和西南莊兩條邊界斷層外，在明化鎮(zhèn)期活動，切穿沙三段、沙一段和東營組烴源巖的斷層分別有17條、20條和8條，合計45條(圖3)。根據45條斷層活動性定量評價結果(表1)，斷層在沙河街期平均斷距為622 m，平均生長指數為1.21，平均活動速率為26.9 m/Ma;東營期平均斷距為303 m，平均生長指數為1.12，平均活動速率為32.8 m/Ma;館陶期平均斷距為159 m，平均生長指數為1.06，平均活動速率為2.7 m/Ma;明化鎮(zhèn)期平均斷距為126 m，平均生長指數為1.11，平均活動速率為10.3 m/Ma。根據斷層平均活動速率可以看出，沙河街期至東營期斷層活動性增強，館陶期為相對靜止期，明化鎮(zhèn)期斷層活動性再次增強。斷層停止活動時間主要為距今7～2.5 Ma，平均距今4 Ma，其中80%的斷層停止活動時間為距今5～2.5 Ma，總體上看研究區(qū)斷層停止活動時間相對較晚。

根據明化鎮(zhèn)早期的斷距和斷層停止活動時間，將45條斷層的活動性級別劃分為3類：A類斷層明化鎮(zhèn)組底部斷距大于150 m，斷層停止活動時間距今5～2.5 Ma，即斷層活動性較強且停止活動時間相對較晚，總計14條;B類斷層明化鎮(zhèn)組底部斷距為90～150 m，斷層停止活動時間距今5～2.5 Ma，層年齡和斷層活動速率來表征。

筆者提出將斷層停止活動時間作為斷層活動性的定量評價指標之一，來研究斷層活動性差異及與油氣成藏和富集的關系。斷層停止活動時間是指斷距為0時所對應的地層沉積時間。斷層停止活動后，隨著上覆地層的沉積，其在垂向上的通道將逐漸閉合，因此源上油氣成藏最晚時間應晚于斷層停止活動時間，油源斷層停止活動時間較晚對源上油氣藏的富集相對有利。

本研究主要采用斷距、斷層生長指數、斷層活動速率(斷距/斷層活動時間)和斷層停止活動時間來定量研究斷層活動性。由于斷層一般未切穿明化鎮(zhèn)組地層，在計算明化鎮(zhèn)期斷層活動速率時，需要明確明化鎮(zhèn)期斷層活動時間tmhzh(Ma)，采用以下公式進行計算：或者明化鎮(zhèn)組底部斷距大于150 m，斷層停止活動時間在距今5 Ma以前，即斷層活動性中等且停止活動時間相對較晚或者斷層活動性較強但停止活動時間相對較早，總計16條;C類斷層明化鎮(zhèn)組底部斷距小于90 m，或者明化鎮(zhèn)組底部斷距90～150 m，斷層停止活動時間在距今5 Ma以前，即斷層活動性較弱或者斷層活動性中等但停止活動時間相對較早，總計15條。

表1 南堡凹陷斷層活動性定量評價結果Table 1 Quantitative evaluation of fault activity in Nanpu depression

圖3 斷層活動與源上油氣藏油氣分布關系Fig.3 Relationship between fault activity and hydrocarbon distribution of reservoir upper source rock

目前南堡凹陷勘探發(fā)現的油氣主要富集在明化鎮(zhèn)組下部、館陶組、東一段和高柳地區(qū)沙三段，高柳構造帶以南地區(qū)東二段、東三段、沙河街組和奧陶系潛山油氣分布局限。其成藏組合劃分為源上成藏組合(東一段－明化鎮(zhèn)組)、源內成藏組合(沙三段－東二段)和源下成藏組合(奧陶系潛山)［7］，根據45條斷層與源上油氣藏油氣分布的關系(圖2)可以看出，切穿烴源巖層系且在明化鎮(zhèn)期活動的斷層控制源上油氣藏油氣宏觀分布，油氣主要富集在活動性相對較強、斷層停止活動時間相對較晚的A、B兩類斷層附近的有利圈閉中。從構造帶上看：南堡1號構造帶、南堡2號構造帶西部、高柳構造帶以南地區(qū)以及老爺廟構造帶源上油氣成藏較為富集，與斷層活動強度、斷層停止活動時間及斷層的數量有關;南堡2號構造帶東部、南堡3號和4號構造帶勘探程度低，根據斷層活動性評價結果認為具有較大的勘探潛力;高尚堡、柳贊構造帶以北地區(qū)斷層活動性較弱，油氣富集程度較低。

3 斷層活動與油氣成藏期

3.1 流體包裹體顯微熒光特征

熒光定量分析技術［8－10］是使用短波長的紫外光，測量巖石顆粒內部包裹體中烴類流體發(fā)出的熒光強度來確定古油性質。據南堡凹陷11口探井不同層系的13個包裹體熒光分析結果，烴包裹體(包括純液相、氣液兩相)熒光顏色主要有橙黃色－黃色、黃綠色－綠色兩種，表明有兩期不同成熟度油充注。其中南堡1－5井奧陶系灰?guī)r中檢測到發(fā)綠色的油包裹體(圖4(a))，成熟度高，來源于林雀洼陷沙三段烴源巖［11］，表明有一期高成熟度油充注(明化鎮(zhèn)中期，表2);南堡1井沙一段細砂巖中檢測到發(fā)橙黃色和黃綠色熒光兩種類型的油包裹體(圖4(b))，表明有一期較低成熟油(東營期)和一期較高成熟油充注(明化鎮(zhèn)中期，表2);柳12井沙三段砂巖中檢測到發(fā)黃綠色的油包裹體(圖4(c))，成熟度較高，來源于拾場洼陷沙三段烴源巖［12］，表明有一期較高成熟油充注(明化鎮(zhèn)中后期，表2);源上油氣藏檢測到的油包裹體表現為黃色熒光((圖4(d))，原油主要來源于林雀、曹妃甸洼陷沙一段和東三段烴源巖，具混源特征［12］，為一期中等成熟油充注(明化鎮(zhèn)中期－第四紀，表2)。流體包裹體顯微熒光觀測結果表明南堡凹陷靠近林雀洼陷和曹妃甸洼陷的源內和源下油氣藏具有兩期油氣充注或一期高成熟度油充注，源上油氣藏和高尚堡、柳贊構造帶沙河街組油氣藏為一期充注。

表2 南堡凹陷不同層系流體包裹體均一溫度統(tǒng)計Table 2 Inclusion homogenization temperatures of different formation in Nanpu depression

圖4 南堡凹陷流體包裹體顯微熒光照片Fig.4 Fluorescence micrographs of fluid inclusions in Nanpu depression

3.2 油氣成藏期次劃分及成藏時間確定

在實驗室將包裹體置于冷熱臺上加熱至氣相消失，再恢復成均一液相時的溫度稱為均一溫度，該溫度代表了包裹體形成時的溫度。結合儲層的埋藏史，可確定流體包裹體形成時儲集層經受的溫度，以及相應的埋深和地質年代等［13－15］，從而判斷油氣充注的時間。如南堡1井沙一段淺灰色油斑細砂巖(4.117 km)中與烴類包裹體伴生的鹽水包裹體均一溫度表現為兩期(90～110℃)和(130～140℃)，結合該井埋藏史圖，得到對應的充注時間是25.5～24.6 Ma和9.5～5 Ma，即東營末期和明化鎮(zhèn)中期兩期充注(圖5)。

圖5 流體包裹體確定南堡1井沙一段油氣充注期次及成藏時間Fig.5 Division of hydrocarbon charging events and chronology in Es1of Well Nanpu 1 by fluid inclusion technique integrated with burial history

運用該方法確定了南堡凹陷油氣藏成藏期次和成藏時期(表2)，總體上發(fā)育兩期油成藏，第一期油成藏時間為東營組剝蝕期前，第二期油成藏時間為明化鎮(zhèn)中后期至第四紀，距今10.5～1 Ma，且為研究區(qū)油氣成藏關鍵時期。油氣成藏最晚時間主要為距今5～1 Ma，平均距今2 Ma，晚于斷層停止活動時間2 Ma。研究區(qū)明化鎮(zhèn)組地層厚度為1.3～2.2 km，在斷層停止活動時間(距今4 Ma)至油氣成藏最晚時間(距今2 Ma)期間，沉積的明化鎮(zhèn)組地層厚度約為180～300 m，即斷層停止活動后，當上覆地層沉積厚度約180～300 m時，其在垂向上的通道逐漸閉合。

4 結論

(1)研究區(qū)靠近凸起部位以復合“Y”形斷層組合為主;靠近洼陷中心主要發(fā)育“X”、“包心菜”形、反向斷階狀和花狀斷層組合。館陶組—明化鎮(zhèn)期次級斷層的發(fā)育使靠近洼陷中心的斷層組合樣式復雜化，構造格局總體上受東營組剝蝕期前發(fā)育的生長斷層控制。

(2)除柏各莊和西南莊兩條邊界斷層外，在明化鎮(zhèn)期活動，切穿沙三段、沙一段和東營組烴源巖的斷層分別有17條、20條和8條，合計45條。沙河街期至東營期斷層活動性增強，館陶期為相對靜止期，在明化鎮(zhèn)期斷層活動性再次增強，接近于東營期的水平，斷層停止活動時間主要為距今7～2.5 Ma，平均距今4 Ma。油氣主要富集在活動性相對較強、斷層停止活動時間相對較晚的A、B兩類斷層附近的有利圈閉中。

(3)流體包裹體顯微熒光觀測結果表明南堡凹陷靠近林雀洼陷和曹妃甸洼陷的源下油氣藏具有兩期油充注或一期高成熟度油充注，源上油氣藏和高柳構造帶沙河街組油氣藏為一期充注。根據流體包裹體均一溫度結合埋藏史得出的油氣成藏最晚時間主要為距今5～1 Ma，平均距今2 Ma，晚于斷層停止活動時間2 Ma。斷層停止活動后，當上覆地層沉積厚度在180～300 m時，其在垂向上的通道逐漸閉合。

［1］蔣有錄，查明.石油天然氣地質與勘探［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2006.

［2］周心懷，牛成民，滕長宇.環(huán)渤中地區(qū)新構造運動期斷裂活動與油氣成藏關系［J］.石油與天然氣地質，2009，30(4)：469－475.

ZHOU Xin－h(huán)uai，NIU Cheng－min，TENG Chang－yu.Relationship between faulting and hydrocarbon pooling during the Neotectonic movement around the central Bohai Bay［J］.Oil＆ Gas Geology，2009，30(4)：469－475.

［3］侯讀杰，龐雄，肖建新，等.白云凹陷斷裂作為天然氣運移通道的地質－地球化學證據［J］.地學前緣，2008，15(4)：81－87.

HOU Du－jie，PANG Xiong，XIAO Jian－xin，et al.The geological and geochemical evidence on the identification of natural gas migration through fault system，Baiyun Sag，Pearl River Mouth Basin，China［J］.Earth Science Frontiers，2008，15(4)：81－87.

［4］董月霞，汪澤成，鄭紅菊，等.走滑斷層作用對南堡凹陷油氣成藏的控制［J］.石油勘探與開發(fā)，2008，35(4)：424－430.

DONG Yue－xia，WANG Ze－cheng，ZHENG Hong－ju，et al.Control of strike－slip faulting on reservoir formation of oil and gas in Nanpu sag［J］.Petroleum Exploration and Development，2008，35(4)：424－430.

［5］周天偉，周建勛，董月霞，等.渤海灣盆地南堡凹陷新生代斷裂系統(tǒng)形成機制［J］.中國石油大學學報：自然科學版，2009，33(1)：12－17.

ZHOU Tian－wei，ZHOU Jian－xun，DONG Yue－xia，et al.Formation mechanism of Cenozoic fault system of Nanpu sag in Bohai Bay Basin［J］.Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)，2009，33(1)：12－17.

［6］肖軍，王華，郭齊軍，等.南堡凹陷溫度場、壓力場及流體勢模擬研究：基于Basin2盆地模擬軟件［J］.地質科技情報，2003，22(1)：67－74.

XIAO Jun，WANG Hua，GUO Qi－jun，et al.Application of basin2 to the studies on temperature field，pressure field and fluid potential in nanpu depression［J］.Geological Science and Techno logy Information，2003，22(1)：67－74.

［7］汪澤成，鄭紅菊，徐安娜，等.南堡凹陷源上成藏組合油氣勘探潛力［J］.石油勘探與開發(fā)，2008，35(1)：11－16.

WANG Ze－cheng，ZHENG Hong－ju，XU An－na，et al.Oil－gas exploration potential for above source plays in Nanpu Sag［J］.Petroleum Exploration and Development，2008，35(1)：11－16.

［8］王飛宇，金之鈞，呂修祥，等.含油氣盆地成藏期分析理論和新方法［J］.地球科學進展，2002，17(5)：754－762.

WANG Fei－yu，JIN Zhi－jun，Lü Xiu－xiang，et al.Timing of petroleum accumulation：theory and new methods［J］.Advances in Earth Science，2002，17(5)：754－762.

［9］LIU Ke－yu，EADINGTON P，MIDDLETON H.Applying quantitative fluorescence techniques to investigate petroleum charge history of sedimentary basins in Australia and Papuan New Guinea［J］.Journal of Petroleum Sci－ence and Engineering，2007，57：139－151.

［10］張義杰，曹劍，胡文瑄.準噶爾盆地油氣成藏期次確定與成藏組合劃分［J］.石油勘探與開發(fā)，2010，37(3)：257－262.

ZHANG Yi－jie，CAO Jian，HU Wen－xuan.Timing of petroleum accumulation and the division of reservoirforming assemblages，Junggar Basin，NW China［J］.Petroleum Exploration and Development，2010，37(3)：257－262.

［11］趙彥德，劉洛夫，張枝煥，等.渤海灣盆地南堡凹陷灘海地區(qū)奧陶系原油油源分析［J］.現代地 質，2008，22(2)：264－272.

ZHAO Yan－de，LIU Luo－fu，ZHANG Zhi－h(huán)uan，et al.Source analysis of oils from the ordovician in the shoal zone，Nanpu sag，Bohai Bay Basin［J］.Geoscience，2008，22(2)：264－272.

［12］梅玲，張枝煥，王旭東，等.渤海灣盆地南堡凹陷原油地球化學特征及油源對比［J］.中國石油大學學報：自然科學版，2008，32(6)：40－46.

MEI Ling，ZHANG Zhi－h(huán)uan，WANG Xu－dong，et al.Geochemical characteristics of crude oil and oil－source correlation in Nanpu sag，Bohai Bay Basin［J］.Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)，2008，32(6)：40－46.

［13］王飛宇，何萍，張水昌，等.利用自生伊利石K－Ar定年分析烴類進入儲集層的時間［J］.地質論評，1997，43(5)：542－546.

WANG Fei－yu，HE Ping，ZHANG Shui－chang，et al.The K－Ar isotopic dating of authigenic illit es and timing of hydrocarbon fluid emplacement in s and stone reservoir［J］.Geological Review，1997，43(5)：542－546.

［14］孫秀麗，陳紅漢，宋國奇，等.東營凹陷勝坨地區(qū)深層油氣成藏期及其主控因素分析［J］.石油學報，2010，31(5)：386－393.

SUN Xiu－li，CHEN Hong－h(huán)an，SONG Guo－qi，et al.Hydrocarbon accumulation period and its controlling factors in deep formations of Shengtuo area in Dongying Depression［J］.Acta Petrolei Sinica，2010，31(5)：386－393.

［15］李靜，查明.基于流體包裹體的任丘油田霧迷山組成藏期次確定與古壓力恢復［J］.中國石油大學學報：自然科學版，2010，34(4)：38－43.

LI Jing，ZHA Ming.Determination of oil accumulation period and building up of paleopressure of Wumishan formation in Renqiu Oilfield by using fluid inclusion［J］.Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)，2010，34(4)：38－43.

Relationship between fault activity and hydrocarbon accumulation and enrichment in Nanpu depression

WAN Tao1，JIANG You－lu1，DONG Yue－xia2，ZHAO Zhong－xin2，XIE Jun1
(1.School of Geosciences and Technology in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China;2.Research Institute of Exploration and Development，Jidong Oilfield，PetroChina，Tangshan 063004，China)

The relationship between fault activity and hydrocarbon accumulation and enrichment in Nanpu depression was studied by the technologies of quantitative evaluation on fault activity and large amount analyses of microscopic fluorescence，homogenization temperatures of fluid inclusions and burial history.The results show that besides 2 boundary faults，there are 45 growth faults which cut source rocks and are active in the phase of Minghuazhen formation.From the phase of Shahejie formation to Dongying formation，the fault activity is increased.The faults is relative inactive in Guantao formation.In the phase of Minghuazhen formation，the fault activity is increased again.The inactive phase of the faults is mainly in 7－2.5 Ma，4 Ma in average before present.According to the fault throw in early stage of Minghuazhen formation and inactive phase of the faults，the 45 faults are divided into 3 types named A，B and C.Hydrocarbon distribution is mainly enriched in the favorable traps near type A and type B faults which are relative more active and whose inactive phases are later.The phase of reservoir forming stage is mainly in 5－1 Ma，2 Ma in average before present based on the analyses of homogenization temperatures of fluid inclusions and buried history of wells，which is 2 Ma later than the time of the faults ceasing.After the faults activity ceases，the overlying sedimentary depth is about 180－300 m，and their vertical pathways are gradually closed.

fault activity;fluid inclusion;reservoir forming stage;hydrocarbon enrichment;Nanpu depression

TE 122

A

10.3969/j.issn.1673－5005.2012.02.010

1673－5005(2012)02－0060－08

2011－10－20

國家自然科學基金項目(40972094);國家科技重大專項課題(2008ZX05050);山東省自然科學基金項目(ZR2011DL009)

萬濤(1979－)，男(漢族)，湖北天門人，博士研究生，主要從事油氣地質及勘探研究。

(編輯 韓國良)