渤海海域廟西凹陷古近紀(jì)沙三段沉積期原盆面貌恢復(fù)

韓少甲 ，趙俊峰，劉池洋，蘆建軍，賈楠

西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室/西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，西安，710069

內(nèi)容提要：廟西凹陷位于渤海灣盆地渤中坳陷的東南部，是渤海海域近期勘探的熱點地區(qū)和潛在富烴凹陷之一。由于該地區(qū)處于郯廬斷裂帶穿越部位，新生代以來構(gòu)造改造較為強(qiáng)烈，致使對其主要生烴層段古近紀(jì)沙三段沉積期的原始面貌認(rèn)識不清，從而給油氣勘探和資源潛力評價造成困難。本文遵循改造型盆地的研究思路，在70余條地震剖面、多口鉆井資料以及樣品裂變徑跡分析等基礎(chǔ)上，恢復(fù)了該凹陷沙三段沉積期的原始面貌。研究表明，廟西凹陷東部在始新世末及其后遭受過較強(qiáng)烈的剝蝕改造，造成凹陷東部約1/4的原始沉積地層剝蝕無存；廟西北凸起和南凸起為沙三期同沉積斷塊，在沙三段沉積期向廟西凹陷提供物源；廟西凹陷西北部與渤東凹陷相通，西南部與黃河口、萊州灣凹陷連通。從沙三段烴源巖的原始沉積規(guī)模和勘探實踐看，該凹陷具有良好的資源潛力。

圖1 渤海灣盆地廟西凹陷地理位置與構(gòu)造區(qū)劃圖Fig. 1 The geographical location and structural division diagram of the Miaoxi Sag in the Bohai Bay Basin

廟西凹陷位于渤海灣盆地渤中坳陷東南部，處于北北東向郯廬斷裂帶和北西向京蓬斷裂的交匯部位，北部為渤東凹陷；西部毗鄰渤南低凸起、黃河口凹陷及萊北低凸起；東部為膠遼隆起，總面積約2200km2(圖1)。依據(jù)現(xiàn)今古近系的分布和賦存狀態(tài)，廟西凹陷可劃分為南洼、中洼、東洼、北洼和西洼5個洼陷。凹陷內(nèi)發(fā)育沙河街組四段、三段和東營組三段共3套烴源巖，其中尤以沙河街組三段(簡稱沙三段)最為重要，在5個洼陷均有分布，是廟西凹陷已證實的主力烴源巖(吳克強(qiáng)和劉麗芳?),沙三段在各洼陷最大厚度可達(dá)800～2000m。受新生代以來多期次構(gòu)造作用和郯廬斷裂帶活動影響，古近紀(jì)盆地原貌遭受不同程度的改造破壞。廟西地區(qū)已有的研究工作側(cè)重于新生代構(gòu)造樣式與期次、油氣成藏條件等的探討(王國純，1998；張功成，2000；李建平等，2011；宗奕等，2012；王昕等，2013)，而對古近紀(jì)凹陷原始構(gòu)造和沉積格局的研究較少。近年來的研究表明，沙三段沉積期后(始新世末)的構(gòu)造運動在渤海海域具有普遍性，從而造成沙三段古、今面貌的明顯差異(吳磊等，2006；黃雷等，2012)，但對于廟西凹陷沙三段的改造作用以及沙三段沉積期沉積范圍、凹陷性質(zhì)及其與渤中、黃河口等周鄰構(gòu)造單元的關(guān)系等,尚缺少專門研究，從而制約了對該區(qū)油氣資源潛力的客觀評價。

圖2 渤海灣盆地廟西凹陷典型地震解釋剖面(位置見圖1，3)Fig. 2 The typical interpreted seismic profiles in the Miaoxi Sag, the Bohai Bay Basin(See Fig. 1,3 for the location) (a) 過廟西南洼EW向地震剖面AA′；(b) 過廟西中洼EW向地震剖面BB′；(c) 過廟西北洼、東洼NW—SE向地震剖面CC′(a) The EW seismic profile AA′ across southern subsag of the Miaoxi sag; (b) the EW seismic profile BB′ across the central subsag of the Miaoxi sag; (c) the NW—SE seismic profile CC′ across northern and eastern subsag of the Miaoxi sag

圖3 渤海灣盆地廟西凹陷沙三段頂、底接觸關(guān)系圖 Fig. 3 Overlying and underlying contact styles of the Third Member of the Shahejie Formation in the Miaoxi Sag, the Bohai Bay Basin(a)沙三段頂部地層接觸關(guān)系；(b)沙三段底部地層接觸關(guān)系(a) The contact relationship with overlying strata at the top of the Third Member of the Shahejie Formation；(b) the contact relationship with underlying strata at the bottom of the Third Member of the Shahejie Formation

恢復(fù)改造型盆地的沉積范圍及原型是盆地分析的一項重要內(nèi)容，所選取的方法有賴于盆地的類型、演化-改造特點和實際資料基礎(chǔ)等(Hill et al.，1995； Lowell，1995；劉池洋和孫海山，1999；劉池洋和楊興科，2000；趙俊峰等，2010)。針對研究區(qū)實際情況，本文選取70余條地震剖面、多口鉆井資料并結(jié)合樣品裂變徑跡測試等，系統(tǒng)剖析了廟西凹陷沙三段的賦存與改造特點、原始沉積環(huán)境、相鄰?fù)蛊鸬奶龝r限，在此基礎(chǔ)上恢復(fù)了沙三段剝蝕厚度與原始沉積范圍，并探討了其盆地類型和油氣地質(zhì)意義。

1 現(xiàn)今凹陷邊部沙三段賦存特點

地震剖面可直觀地反映地層的接觸關(guān)系以及后期改造特征。結(jié)合海域地區(qū)的資料特點，本文收集整理了覆蓋整個廟西地區(qū)的北西-南東向、東-西向以及北東-南西向共70余條控制性地震剖面(圖1，2)。通過與已解釋剖面的類比分析和VSP資料井震標(biāo)定等，完成了對未解釋剖面的層位標(biāo)定，并編制了沙三段頂、底部地層接觸關(guān)系圖(圖3)。

地震剖面分析表明，廟西南洼主要呈西斷東翹的箕狀斷陷，沙三段底部(即T6反射界面)與下伏沙四段主要呈平行接觸關(guān)系；沙三段頂部(即T5反射界面)與上覆沙二段呈削截接觸關(guān)系。說明沙三段在其沉積末期發(fā)生過一次抬升掀斜作用，使部分地層遭受剝蝕，造成T5上、下地層呈角度不整合接觸(圖2a)。因此,南洼沙三段的保存邊界已不是原始邊界，沙三期原始沉積邊界應(yīng)向東延伸一定距離。廟西中洼為北西斷、南東剝的箕狀斷陷結(jié)構(gòu)。中洼東部沙三段也遭受一定程度的剝蝕，但地層傾角相比南洼較緩，說明剝蝕量較小,同時由于后期的構(gòu)造反轉(zhuǎn)，使洼陷中部沙三段亦遭受剝蝕，肢解為東、西兩個次洼(圖2b)。與南洼、中洼沙三段的高角度抬升掀斜特點不同，東洼、北洼均呈北西斷、南東超的箕狀斷陷結(jié)構(gòu)。北洼沙三段底部與廟西南凸起多呈上超接觸，頂部為平行接觸關(guān)系，指示凸起在沙三段沉積時已經(jīng)存在，隨著沉積范圍不斷擴(kuò)大沙三段沿著凸起逐漸向上超覆沉積，且沙三段沉積后遭受的改造較弱。東洼沙三段底部為上超的接觸關(guān)系，東部邊界頂部可見輕微削截現(xiàn)象，表明沙三段剝蝕程度較中洼、南洼弱得多(圖2c)。

圖4 渤海灣盆地廟西凹陷西部沙三段沉積相連井剖面圖(平面位置見圖1)Fig. 4 Well section for sedimentary facies analysis of the Third Member of the Shahejie Formation in the west of the Miaoxi Sag,the Bohai Bay Basin(See Fig. 1 for the wells’ location)

從大量地震剖面所反映的地層接觸關(guān)系看，廟西凹陷沙三段剝蝕改造地區(qū)主要位于凹陷東部邊界部位，剝蝕程度具有由南向北逐漸減弱的特點(圖3)，且剝蝕作用主要發(fā)生在始新世末期的區(qū)域性構(gòu)造運動。關(guān)于該期構(gòu)造運動的表現(xiàn)形式、發(fā)生的背景，前人已有討論(黃雷等，2012)。因此，沙三段現(xiàn)今的保存邊界并非原始沉積邊界，沙三期沉積邊界應(yīng)向東延伸一定距離，且南洼、中洼延伸距離更遠(yuǎn)；而廟西北凸起和南凸起在沙三段沉積時可能已經(jīng)存在。

2 沙三段沉積環(huán)境

圖5 渤海灣盆地廟西凹陷DD′剖面地震相—沉積相分析圖(據(jù)陳少平和杜宏宇?，修編；平面位置見圖1) Fig. 5 Transforming seismic facies into sedimentary facies in profile DD′ across the Miaoxi Sag, the Bohai Bay Basin (Modified after Chen Shaoping and Du Hongyu?; See Fig. 1 for the location)

圖6 渤海灣盆地廟西北凸起PL9-1-1井裂變徑跡年齡與長度分布圖 Fig. 6 Distribution of the apatite fission track ages and lengths sampled from the Drill PL9-1-1 on the Northern Miaoxi uplift, the Bohai Bay Basin(a)單顆粒年齡分布圖; (b)裂變徑跡長度分布直方圖 (a) Distribution of single-grain ages; (b) histogram of fission track lengths

區(qū)域沉積相帶的分布和完整性對于判識盆地改造狀態(tài)具有重要的指示意義。廟西凹陷目前鉆遇沙三段的井僅有3口，其中只有1口鉆穿沙三段(圖4)。位于廟西凹陷西部的PL25-6-1井，沙三段上部為泥巖與粉砂巖、細(xì)砂巖互層，中部為大套泥巖夾細(xì)砂巖及白云巖，下部為泥巖夾細(xì)砂巖、粉砂巖及灰?guī)r，主要是三角洲前緣和濱淺湖亞相沉積。而與之相鄰的、位于渤南低凸起東部的PL19-3-8 井亦鉆遇了沙三段，主要發(fā)育厚層的深灰色泥巖，且藻類化石含量高，說明該地區(qū)在沙三段沉積期中深湖相較為發(fā)育。據(jù)此可推斷，至少渤南低凸起東部靠近廟西凹陷的地區(qū)在沙三沉積期是接受沉積的。萊北低凸起也具有類似的情況，根據(jù)前人研究(張國良等，2001),目前萊北低凸起尚有沙河街組分布，說明沙三期這一地區(qū)可能也在接受沉積。位于萊北低凸起東部的BZ36-3-1井沙三段主要是灰質(zhì)砂巖,自然電位曲線表現(xiàn)為齒化箱型，屬于濱淺湖亞相沉積。因此，廟西凹陷西部在沙三期應(yīng)當(dāng)與渤東、黃河口等凹陷相通。

廟西凹陷東部目前尚無鉆井，研究其沉積特征主要依據(jù)地震相類比與解釋。在靠近廟西北凸起一側(cè)的北洼，沙三段地震相內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為楔形雜亂反射，可解釋為扇三角洲相，往洼陷內(nèi)部逐漸變?yōu)槠叫?、連續(xù)、低頻、強(qiáng)振幅反射結(jié)構(gòu)的湖相沉積；廟西南凸起和膠遼隆起向廟西東洼具有相類似的地震相轉(zhuǎn)變模式，體現(xiàn)了從隆起邊緣的粗粒、不穩(wěn)定沉積向凹陷內(nèi)部細(xì)粒、穩(wěn)定沉積轉(zhuǎn)變的特點(圖5)，說明北洼、東洼沉積體系保存較為完整，改造程度弱。中洼和南洼沙三段地震相主要具有低頻、連續(xù)、強(qiáng)反射的特點，反映了在低能靜水環(huán)境下的沉積過程，解釋為濱淺湖、中深湖亞相沉積。南洼東部有部分中強(qiáng)振幅斜交前積反射，可解釋為辮狀河三角洲沉積(陳少平和杜宏宇，2010?)。在凹陷東部邊界未見到邊緣相的地震反射特點，指示這一區(qū)域的原始盆地發(fā)生了改造，邊緣相帶遭受剝蝕。這與前文沙三段地層接觸關(guān)系分析結(jié)果一致。

3 凸起部位的抬升時限

碎屑礦物裂變徑跡測年建立在磷灰石、鋯石等所含238U裂變產(chǎn)生的徑跡在地質(zhì)時間內(nèi)受溫度作用而發(fā)生退火行為的基礎(chǔ)上，已廣泛用于研究盆地與山體抬升剝露史。裂變徑跡數(shù)據(jù)(徑跡年齡、長度)不僅能反映樣品經(jīng)歷最大古地溫的時間，還可記錄樣品所經(jīng)歷的溫度歷史(Laslett et al.，1987；Green，1988；張志誠和王雪松，2004)，故可用于研究地層的抬升時限和過程。本文對廟西北凸起PL9-1-1井進(jìn)行了裂變徑跡分析(圖6)，樣品采自埋深1521～1529m井段的基底元古宇火山巖。裂變徑跡年齡的置信度P(χ2)檢驗值為99.3%，故采用中值年齡(Central Age)用于地質(zhì)解釋。其中值年齡37±3Ma遠(yuǎn)小于寄主地層年齡，表明樣品經(jīng)歷了完全退火。裂變徑跡年齡、長度分布均為單峰態(tài)，推斷為一次較持續(xù)的構(gòu)造抬升運動所致，指示基底巖石在37±3Ma左右的時候抬升至完全退火帶，之后廟西北凸起持續(xù)抬升降溫。而沙三段的沉積時間是38～42Ma，與廟西北凸起抬升的時間基本吻合。由此可以推斷廟西北凸起的抬升是與沙三段沉積期周鄰?fù)菹莸某练e同時發(fā)生的，這與前文1、2部分的認(rèn)識是一致的。

4 原始沉積厚度與邊界恢復(fù)

上述分析表明，沙三段沉積之后經(jīng)歷了強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升運動，造成廟西凹陷東部邊界沙三段被大量剝蝕，特別是南洼、中洼剝蝕尤為強(qiáng)烈，北洼、東洼改造較弱。

綜合考慮廟西地區(qū)新生代埋藏史和各種厚度恢復(fù)方法的適用條件(胡圣標(biāo)等，1999；牟中海等，2002；李偉等，2005；李坤等，2007；張小兵等，2007； 李儒峰等，2012)，本文選取“趨勢厚度法”對中東部地區(qū)進(jìn)行剝蝕厚度的計算。首先利用覆蓋研究區(qū)的5口鉆井的VSP資料對該地區(qū)地震剖面的時深關(guān)系進(jìn)行校正,在此基礎(chǔ)之上選取了12條控制性地震剖面(圖7),共計算了97個控制點的剝蝕量，進(jìn)而恢復(fù)了沙三段原始沉積厚度與范圍。

圖7 渤海灣盆地廟西凹陷剝蝕量計算原理圖(以04mx105剖面為例)Fig. 7 Principle for calculating erosion amount, the Miaoxi Sag, the Bohai Bay Basin (Taking seismic profile 04mx105 for the example)

圖8 渤海灣盆地廟西凹陷沙三段沉積期原始盆地恢復(fù)圖Fig. 8 The original extent of the Miaoxi Sag in the Bohai Bay Basin during the sedimentary period of the Third Member of the Shahejie Formation

計算表明，廟西凹陷沙三段剝蝕厚度由南向北逐漸減少，南洼平均剝蝕厚度為200m左右，最大可達(dá)350m。中洼平均剝蝕厚度為100m左右，最大不超過200m。北洼和東洼剝蝕量較小，平均剝蝕厚度為50m左右，改造相對較弱。厚度恢復(fù)顯示，南洼、中洼的原始沉積范圍更大，南洼在沙三期的沉積范圍可在現(xiàn)今的基礎(chǔ)之上向東延伸約10km左右，中洼的原始沉積邊界可向南東延伸5～6km，東洼的沉積邊界可向東延伸1～2km。廟西凹陷東部約800km2的原始沉積地層被后期改造剝蝕，即約1/4的原始沉積范圍已不復(fù)存在(圖8)。

5 結(jié)論和討論

(1)廟西凹陷在始新世末發(fā)生了較大規(guī)模的構(gòu)造抬升，使凹陷中、東部沙三段遭受強(qiáng)烈剝蝕，其中南洼、中洼表現(xiàn)尤為明顯，東洼、北洼改造相對較弱。剝蝕厚度恢復(fù)表明，沙三段沉積期廟西南洼沉積邊界可向東追索10km左右，約1/4的原始沉積地層被抬升剝蝕，不復(fù)存在。廟西北凸起和南凸起為沙三期同沉積斷塊，在沙三段沉積期向廟西凹陷提供物源。

(2)地震地層學(xué)和地震相分析表明，廟西凹陷在沙三段沉積期主體具有斷陷性質(zhì)，但并非孤立的小型斷陷盆地，其北部與渤東凹陷連通，南部與黃河口凹陷、萊州灣凹陷等溝通，東部原始沉積范圍亦較現(xiàn)今廣闊。相對于孔店組、沙四段在渤海海域分布的局限性和沉積凹陷相對孤立的特點，沙三段沉積期，渤海海域沉降作用較為強(qiáng)烈，兼具有斷陷和坳陷沉降作用機(jī)制(趙俊峰等?)，故地層沉積范圍大，連通性強(qiáng)。

(3)作為一個原始沉積范圍較廣闊，且與周鄰黃河口凹陷等已證實富烴凹陷有廣泛溝通的潛在富烴凹陷，評價廟西地區(qū)的生烴量和資源潛力顯然不應(yīng)僅局限于現(xiàn)今的深凹部位，而在凹陷間連通部位、凹陷東部的斜坡部位，亦可能有高品質(zhì)的烴源巖。從勘探實踐看，不論是廟西凹陷西部已投入開發(fā)的蓬萊19-9、蓬萊25-6油田，以及相鄰的蓬萊19-3油田(渤海油區(qū)最大的油田，油源主要來自渤中和廟西凹陷沙三段)(郭永華等，2011)，還是近年來在廟西北凸起發(fā)現(xiàn)的蓬萊9-1億噸級大油田(朱偉林等，2013；王昕等，2013)，都證實廟西凹陷具有豐富的資源潛力和良好的勘探前景。

致謝: 感謝中海油研究總院、中海油天津分公司勘探部和研究院的有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、專家，在資料收集、樣品采集等方面給予的大力支持與幫助。

注釋/Notes

?吳克強(qiáng),劉麗芳.2010.廟西凹陷勘探潛力評價.中海石油(中國)有限公司北京研究中心.

? 陳少平,杜宏宇.2010.廟西凹陷古近系沉積研究.中海石油(中國)有限公司北京研究中心.

? 趙俊峰,劉池陽,韓少甲.2013.渤中坳陷古近紀(jì)沙三段沉積期原盆恢復(fù).西北大學(xué)科研報告.