冀中坳陷古近紀地層厚度變化及斷層活動特征

李夢萍，戴俊生，鄒娟

（1.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石油冀東油田勘探開發(fā)研究院，河北 唐山 063004）

冀中坳陷古近紀地層厚度變化及斷層活動特征

李夢萍1，戴俊生1，鄒娟2

（1.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石油冀東油田勘探開發(fā)研究院，河北 唐山 063004）

以地震、地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，以冀中坳陷的廊固、霸縣及饒陽凹陷為研究工區(qū)，利用地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)法和斷層落差面密度法，分別研究工區(qū)古近紀地層厚度變化特征及斷層活動性，進而反映構(gòu)造活動強弱。結(jié)果表明：冀中坳陷古近紀斷層活動性整體較強，地層厚度變化快。其中：孔店—沙四期地層厚度變化較慢，斷層活動性較弱；沙三—沙二期地層厚度變化加快，斷層活動性增強；沙一—東營期地層厚度變化明顯減慢，斷層活動整體減弱，局部斷層持續(xù)活動。冀中坳陷古近紀構(gòu)造活動強度經(jīng)歷了較弱—強—弱的變化過程。

地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)；落差面密度；斷層活動性；冀中坳陷

0　引言

冀中坳陷是國內(nèi)研究及勘探程度都較高的地區(qū)之一。前人對冀中坳陷的構(gòu)造、沉積、油氣成藏以及儲層特性等各個方面都已經(jīng)進行了非常詳盡的研究，并為油氣藏的勘探開發(fā)提供了非常寶貴的理論指導(dǎo)與實踐經(jīng)驗。在地層厚度研究方面，徐會永等［1］于2009年提出利用地層厚度系數(shù)法 （地層厚度/最小地層厚度）研究構(gòu)造演化，并應(yīng)用于查干凹陷的研究。而關(guān)于地層厚度變化的研究，前人多利用地層對比研究地層厚度的橫向變化。這種方法只能顯示地層厚度變化的多少，而不能反映地層厚度變化的快慢；主要用來顯示沉積特征，而不能很好地反映構(gòu)造因素的影響?？偟膩碚f，前人對冀中坳陷古近系地層厚度的研究程度較低。

斷層活動性研究，前人曾采用過多種方法［2-14］。但這些方法多用于單條斷層的研究，且都存在一定的缺陷，不能很好地體現(xiàn)斷層活動性隨時間的強弱變化以及區(qū)域性特征。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

冀中坳陷位于渤海灣斷陷盆地的西北部，是在華北板塊結(jié)晶基底上發(fā)育起來的中、新生代的沉積坳陷，東西南北分別以滄縣隆起、太行山隆起、邢衡隆起和燕山褶皺帶為界，總體呈北北東向展布，總面積約3.2× 104km2，其沉積格局總體呈現(xiàn)“東西分帶、南北分區(qū)”的特征。本文的研究工區(qū)包括廊固凹陷、霸縣凹陷和饒陽凹陷，均位于東部凹陷帶。工區(qū)內(nèi)發(fā)育的古近系地層有孔店組、沙河街組和東營組。冀中坳陷斷裂體系非常發(fā)育，研究工區(qū)內(nèi)發(fā)育的斷層主要有廊固凹陷西部大興斷層、北部桐柏鎮(zhèn)斷層、東部河西務(wù)斷層，霸縣凹陷西北部牛東斷層，饒陽凹陷任丘斷層、任南斷層、南馬莊斷層、河間斷層以及留路斷層等［15-16］。

2　研究方法

2.1地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)

本文采用的研究地層厚度變化的方法為地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)法。定義地層厚度變化率（V）為單位水平距離內(nèi)地層厚度的變化。

式中：H為地層厚度，km；S為水平距離，km。

地層厚度變化率表示地層厚度變化的多少，但不能反映地層厚度變化的快慢，而且受地形的影響較大，例如坡度。為了消除這一影響，引入地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)，即地層厚度對水平距離的二次求導(dǎo)，它表示地層厚度變化的快慢（見圖1）。

圖1　地層厚度變化示意

式中：Z為地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)，km-1；ΔV為地層厚度變化率差。

在構(gòu)造活動較強的地區(qū)，區(qū)域地層厚度變化快，地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)值大。因此，利用地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)在一定程度上能反映構(gòu)造活動的強弱。

2.2斷層落差面密度

關(guān)于斷層活動性的研究方法，前人已進行過很多研究，主要有生長指數(shù)法、斷層落差分析法、斷層活動速率法、滑距分析法及斷層位移-長度關(guān)系法等［3-14］。這些方法對單條斷層的活動強度分析有很好的效果，但對于斷層的區(qū)域活動強度的表征存在局限性。本文綜合各種方法的優(yōu)缺點，采用斷層落差面密度法［17］，來研究斷層活動強度。

落差面是由斷層落差與斷層長度所組成的鉛直面，落差面密度是指單位面積內(nèi)所有斷層落差面的面積之和（見圖2）。

式中：M為斷層落差面密度；L為各斷層長度，km；D為各斷層的古落差（計算方法見斷層落差分析法），km；A為區(qū)域面積，km2。

圖2　斷層落差面密度示意

落差面密度結(jié)合了斷層延伸長度、單條斷層活動強度及斷層密度，將斷層規(guī)模、數(shù)量及活動強度綜合表征，反映了區(qū)域構(gòu)造活動強度。構(gòu)造活動強度較強的地區(qū)，斷層較多，延伸較遠，落差較大，斷層落差面密度越大；反之，在構(gòu)造活動較弱的地區(qū)，斷層落差面密度較小。因此，利用斷層落差面密度能有效地研究區(qū)域斷層活動性，不僅可以分析橫向上斷層活動性的區(qū)域性差異，也可對比不同時期的斷層活動性特征，體現(xiàn)斷層在時間軸上的強弱變化。

3　地層厚度變化特征

3.1分時期地層厚度變化特征及對比

根據(jù)地震剖面獲取地層厚度數(shù)據(jù)，繪制地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)等值線圖（見圖3）。由于受邊界斷層的影響，冀中坳陷孔店組—沙四段地層發(fā)育不完全，空間延伸局限，地震剖面數(shù)據(jù)有限（圖3中白色區(qū)域為數(shù)據(jù)缺失區(qū)）。在有限的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，分析圖3a可知：孔店組—沙四段沉積期地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)數(shù)值均小于0.200 km-1，且數(shù)據(jù)有限，不能有效地反映橫向上地層厚度變化的情況；大于0.020 km-1的高值區(qū)分布局限，范圍較小，可以在一定程度上反映出該時期構(gòu)造活動強度較弱，局部的構(gòu)造活動較強。沙三—沙二段沉積時期地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)雖然數(shù)值也偏?。ň∮?.200 km-1），但大于0.020 km-1的高值區(qū)范圍較大，且連續(xù)成片，說明地層厚度變化較快，且范圍較廣，反映構(gòu)造活動強度增大，整體性強，波及范圍擴大（見圖3b）。沙一段—東營組沉積時期地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)值較大，局部區(qū)域可大于0.200 km-1，但大于0.020 km-1的高值區(qū)域范圍較小，且連續(xù)性較差，說明晚期構(gòu)造活動整體較弱，僅局部地區(qū)的構(gòu)造活動持續(xù)增強，如饒陽凹陷南部、廊固凹陷北部等地區(qū)（見圖3c）。

不同時期地層厚度變化特征不同，反映的構(gòu)造活動強度也不同。從凹陷的角度分析可知：廊固凹陷早期地層厚度變化慢，沙三—沙二期變化加快，后期持續(xù)變快；霸縣凹陷在孔店—沙四期地層厚度變化較快，沙三—沙二期有所降低，以牛東斷層活動為主，晚期地層厚度變化又加快；饒陽凹陷早期地層厚度變化較快，沙三—沙二期整體加快，沙一—東營期整體減慢，局部加快，地層厚度變化快的區(qū)域逐漸向東和向南遷移。整體上，反映了構(gòu)造活動強度經(jīng)歷了較弱—強—弱的變化過程。

3.2古近系地層厚度變化特征

根據(jù)圖3d顯示，冀中坳陷整個古近系地層厚度變化較快，反映構(gòu)造活動整體較強。高值區(qū)主要分布在廊固凹陷的北部和東部，霸縣凹陷的西部和北部，饒陽凹陷的中部、東部和南部，以及霸縣凹陷和饒陽凹陷之間的局部區(qū)域。這些地區(qū)與斷層的分布具有一致性，說明該時期主要的構(gòu)造活動為斷層活動，在一定程度上反映了冀中坳陷古近紀斷層活動較為強烈。

圖3　冀中坳陷分時期及古近系地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)等值線

4　斷層活動性特征

4.1分時期斷層活動性特征及對比

分析圖4得出：冀中坳陷在古近紀早期，即孔店—沙四期，斷層活動性整體較強，局部活動很強，面密度可大于0.600。其中，廊固凹陷斷層活動性最弱，霸縣及饒陽凹陷斷層活動性相對較強（見圖4a）。沙三—沙二期斷層活動性整體增強，大多數(shù)區(qū)域面密度都大于0.060，極少的局部大于0.600?；顒有暂^強的斷層主要集中在廊固凹陷西部的大興斷層和東部的河?xùn)|斷層，霸縣凹陷的牛東斷層，饒陽凹陷東部的河間斷層、南馬莊斷層及留路斷層（見圖4b）。冀中凹陷在沙一—東營期斷層落差面密度整體偏小，斷層活動性強度較弱，霸縣凹陷斷層活動性有所增強。由于東營期末的區(qū)域性抬升，造成廊固凹陷沙一—東營組遭受剝蝕（見圖4c）。

對比不同時期斷層落差面密度的特征，可以研究斷層的活動史。對比分析表明，冀中坳陷古近紀是斷層活動性較強的一個時期，主要為斷陷階段。斷層活動性既具有繼承性，又有差異性?？椎辍乘钠跀鄬踊顒有哉w較強，沙三—沙二期斷層活動性增強，且活動范圍擴大，沙一—東營期斷層活動性明顯減弱，僅局部斷層活動性持續(xù)增強。因此，冀中坳陷古近紀斷層經(jīng)歷了較強—強—弱的活動史。

4.2古近紀斷層活動性特征

從圖4d可以看出：冀中坳陷古近紀斷層活動整體較強，面密度大多大于0.050。廊固凹陷西部和中部斷層落差面密度較大，局部最大可達1.000；東部和南部面密度相對較小，小于0.500；北部面密度較大，部分區(qū)域大于1.000。霸縣凹陷大部分地區(qū)斷層落差面密度大于0.050，高值區(qū)分布在西部和北部，局部區(qū)域面密度大于1；西部面密度相對較小，小于0.200；南部與饒陽凹陷連接的區(qū)域面密度在0.050~0.500，局部較大。饒陽凹陷高值區(qū)集中分布在東部，面密度均大于0.050，局部區(qū)域面密度大于1；西部和饒陽南是落差面密度的低值區(qū)，面密度小于0.050；北部與霸縣凹陷相接，呈現(xiàn)高值區(qū)。

冀中坳陷古近系地層厚度變化快的區(qū)域 （見圖3d），與古近紀斷層活動性強的區(qū)域（見圖4d）的分布具有一致性，主要分布在廊固凹陷的北部、東部和西部，霸縣凹陷的西北部，饒陽凹陷的中部和東部，以及霸縣凹陷和饒陽凹陷之間的局部區(qū)域。這些強構(gòu)造活動區(qū)又與區(qū)域性斷層的分布一致，如廊固凹陷西部大興斷層，北部和東部的桐柏鎮(zhèn)斷層和河?xùn)|斷層，活動性強；霸縣凹陷的西北部，受牛東斷層的影響，活動性較強；饒陽凹陷與霸縣凹陷相連接處，主要是由于徐水—安新斷層變換帶的活動，局部強度較大；饒陽凹陷東部和中部，此處主要發(fā)育有任丘斷層、任南斷層、倉西斷層、留路斷層等伸展構(gòu)造，活動性強。由此也說明了利用地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)和斷層落差面密度研究構(gòu)造活動強度的有效性。

圖4　冀中坳陷分時期及古近紀斷層落差面密度等值線

5　構(gòu)造演化特征

冀中坳陷古近紀構(gòu)造演化可分為3個階段［16-18］：早期，斷陷擴張，大型斷陷盆地階段（孔店—沙四期）；中期，翹傾斷塊分化，斷陷分隔階段（沙三—沙二期）；晚期，翹傾斷塊消亡，斷陷抬升階段（沙一—東營期）。

古近紀早期構(gòu)造面貌與燕山末期相同，始新世晚期構(gòu)造活動強烈，以伸展走滑作用為主?？椎辍乘钠跇?gòu)造活動整體較弱，廊固凹陷西部和北部、霸縣凹陷、饒陽凹陷中部和南部構(gòu)造活動性較強。沙三—沙二期，伸展作用加劇，構(gòu)造活動增強，霸縣凹陷整體活動性有所減弱，但牛東-河?xùn)|斷層活動性開始增強，中央凸起帶形成，東西分帶格局明顯。沙一—東營期，冀中坳陷開始抬升，構(gòu)造活動整體減弱，廊固凹陷遭受剝蝕，中部徐水—安新轉(zhuǎn)換斷層帶成型，南北分區(qū)開始形成。

6　結(jié)論

1）冀中坳陷在古近紀整體地層厚度變化較快，構(gòu)造活動較強。孔店—沙四期地層厚度變化較慢，局部變化快，構(gòu)造活動弱；沙三段—沙二段沉積期地層厚度變化加快，且高值區(qū)具有連續(xù)性，構(gòu)造活動增強，波及范圍廣；沙一—東營期地層厚度變化速率減慢，只有局部保持高值，構(gòu)造活動減弱，局部地區(qū)繼承性活動。冀中坳陷古近系地層厚度變化速率的高值區(qū)與區(qū)域性斷層的分布具有一致性，說明該時期主要的構(gòu)造活動為斷層活動，構(gòu)造活動強度經(jīng)歷了較弱—強—弱的發(fā)展演化過程。

2）古近紀斷層的活動性較強，主要集中在一級和二級控凹伸展構(gòu)造區(qū)域。孔店—沙四期斷層活動性整體較強，局部斷層的活動性很強。沙三—沙二期斷層活動性整體增強，部分斷層活動性有所減弱。沙一—東營期僅有少數(shù)斷層持續(xù)活動，強度較大。由此，冀中坳陷古近紀斷層經(jīng)歷了較強—強—弱的活動史。

3）冀中坳陷地層厚度變化的快慢與斷層活動性的強弱具有一致性，地層厚度變化快的地方主要集中在控凹斷層或三級伸展構(gòu)造區(qū)，而斷層活動性強的地區(qū)地層厚度變化也較快，兩者均反映了構(gòu)造活動強度由較弱（較強）到強再到弱的變化過程。

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（編輯趙旭亞）

Paleogene formation thickness changes and fault activities of Jizhong Depression

LI Mengping1，DAI Junsheng1，ZOU Juan2
（1.School of Geosciences，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Research Institute of Exploration&Development，Jidong Oilfield Company，PetroChina，Tangshan 063004，China）

Based on the seismic data and geological information，the main research areas are Langgu Sag，Baxian Sag and Raoyang Sag.The derivative of stratigraphic thickness changing rate and the throw-surface density are used for the formation thickness changes and faults activities，which reflect the tectonic activities.Results show that Paleogene fault activities of Jizhong Depression are intensive as a whole with the rapid formation thickness changes.The thickness changes of Ek-Es4formation were slow and fault activities were weak.While in the period of Shahejie 3-2，the formation thickness changed greatly with increasingly intensive tectonic activities.Then as the thickness changes of Es1-Ed formation decreased，the tectonic activities became weak，only partial areas continued actively.The Jizhong Depression in Paleogene underwent a weak-strong-weak tectonic evolution.

derivative of stratigraphic thickness changing rate；throw-surface density；fault activity；Jizhong Depression

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（2011ZX05042）；中國石油華北油田分公司科技項目“冀中富油凹陷二次勘探潛力與方向研究”（HBYT-WTY-2011-JS-303）

TE122.3+21

A

10.6056/dkyqt201602001

2015-11-01；改回日期：2016-01-10。

李夢萍，女，1992年生，在讀碩士研究生，本科畢業(yè)于中國石油大學(xué) （華東），主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究。E-mail：eslinlmp@163.com。

引用格式：李夢萍，戴俊生，鄒娟.冀中坳陷古近紀地層厚度變化及斷層活動特征［J］.斷塊油氣田，2016，23（2）：137-141. LI Mengping，DAI Junsheng，ZOU Juan.Paleogene formation thickness changes and fault activities of Jizhong Depression［J］.Fault-Block Oil& Gas Field，2016，23（2）：137-141.