渤海西部海域渤中西洼構(gòu)造演化與油氣成藏模式

徐春強， 張 震， 張新濤， 郭 瑞， 張志強

( 中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459 )

0 引言

近年來，渤中凹陷西洼油氣勘探持續(xù)獲得突破[1-3]，在深、淺層獲得較好油氣發(fā)現(xiàn)，成為渤海油田勘探的熱點地區(qū)。該區(qū)應(yīng)力場復(fù)雜，構(gòu)造特征多樣，構(gòu)造成因機制認(rèn)識不清。構(gòu)造活動貫穿盆地形成、地層發(fā)育和輸導(dǎo)體系形成的始終，對油氣生成、運移和聚集有重要的控制作用[4-10]。人們研究渤中凹陷斷裂的形成和演化及其控藏作用[11-16]。孫永河等[17]分析渤中坳陷斷裂構(gòu)造特征，研究斷裂的形成演化對油氣成藏條件的控制作用，將斷裂活動期次劃分為早期形成伸展斷層、中期疊加NNE向右旋走滑和NW-NWW向左旋走滑伸展斷層、晚期NNE向斷裂再次發(fā)生右旋走滑活動。在渤中西洼新近系油氣分布和油源分析的基礎(chǔ)上，徐春強等[18]總結(jié)西洼新近系油氣成藏的主控因素，指出長期活動性油源斷裂是新近系淺層油氣成藏的關(guān)鍵因素，并提出“環(huán)洼選區(qū)、主斷控帶”的勘探理念。李慧勇等[19]研究斷裂特征、構(gòu)造演化史，明確構(gòu)造變形對圈閉的控制作用，指出沙北中央走滑帶古近紀(jì)時期北西向和北東向拉張斷層控制斷裂格局，圈閉類型主要表現(xiàn)為受古構(gòu)造背景影響的斷背斜、斷鼻構(gòu)造；新近紀(jì)時期北西向斷層左旋走滑、北東向派生走滑斷層，圈閉受兩組走滑影響，發(fā)育擠壓背斜、疊瓦狀掀斜斷塊和斷鼻構(gòu)造。針對渤中凹陷西洼構(gòu)造演化特征及其控藏模式的精細研究較少，開展該區(qū)構(gòu)造演化及其控藏分析，對尋找油氣有利富集區(qū)、認(rèn)識油氣成藏規(guī)律具有重要意義。通過渤中西洼構(gòu)造特征和斷裂結(jié)構(gòu)解剖，明確多期構(gòu)造演化特征，探討新生代構(gòu)造演化對油氣成藏的影響，為下一步油藏評價提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤中西洼位于渤海西部海域，面積約為2 000 km2，北與石臼坨凸起呈斷層接觸，西與沙壘田凸起呈超覆接觸，東南與渤中凹陷主體相接[20](見圖1)。研究區(qū)自下而上發(fā)育古近系沙河街組(Es)、東營組(Ed)，新近系館陶組(Ng)、明化鎮(zhèn)組(Nm)及第四系平原組(Qp)。沙河街組和東營組時期在凸起邊緣發(fā)育扇三角洲、辮狀河三角洲，洼陷區(qū)沉積厚度較大的暗色烴源巖，特別是沙河街組烴源巖厚度大、成熟度高、分布廣。館陶組和明化鎮(zhèn)組沉積期發(fā)育河流相、淺水三角洲及濱淺湖相沉積組合[9]。近年來，在渤中西洼發(fā)現(xiàn)渤中8-4、曹妃甸6-4和曹妃甸12-6等油田，油氣縱向上分布廣泛，從中生界潛山到新近系明化鎮(zhèn)組上段有較好的發(fā)現(xiàn)?？碧匠晒C實，研究區(qū)構(gòu)造極其復(fù)雜，油氣分布差異性明顯。

圖1 渤中西洼區(qū)域位置Fig.1 The tectonic location of the western sag of Bozhong depression

2 構(gòu)造特征

2.1 構(gòu)造格架

渤中西洼在構(gòu)造單元劃分上屬于渤中凹陷，受石臼坨凸起邊界斷層持續(xù)活動控制，在新生代整體表現(xiàn)為箕狀斷陷[20]。北部表現(xiàn)為受石臼坨凸起邊界斷裂控制形成的斷裂陡坡，西部古近系地層向沙壘田凸起超覆形成緩坡。由于構(gòu)造差異活動，渤中西洼內(nèi)部呈現(xiàn)“多洼共生、洼中有隆”的構(gòu)造格局，平面上進一步劃分為北部陡坡帶、西部緩坡帶、中央構(gòu)造帶、渤中8次洼、渤中西次洼5個次一級構(gòu)造單元(見圖1)。

選取研究區(qū)5條地質(zhì)剖面(①-⑤)，建立現(xiàn)今構(gòu)造格架(見圖2)。由圖2可以看出，新生界不同時期地層充填具有明顯差異性。古近系沙河街組和東三段地層沉積沉降中心分布于渤中西次洼，沙河街組最大厚度為2 010 m，東三段最大厚度為2 150 m。東二段在渤中西洼大范圍整體沉積，地層厚度為700～900 m，不同位置厚度差異不大。新近系館陶組和明化鎮(zhèn)組在渤中西洼大范圍沉積，且沉積沉降中心向渤中凹陷主洼方向發(fā)生遷移。

2.2 斷裂發(fā)育

受控于多期構(gòu)造演化和復(fù)雜應(yīng)力場控制[20]，渤中西洼斷裂非常復(fù)雜，斷裂結(jié)構(gòu)多樣。根據(jù)地震方差切片和地震剖面，平面上將斷裂劃分為馬尾狀、斜列狀、雁行狀、近平行狀、帚狀和X型6種斷裂組合樣式(見圖3)。馬尾狀斷裂組合由一系列弧形斷層搭接形成多個墻角斷塊，平面上形成馬尾狀，斷裂連接處斷距較小，剖面上表現(xiàn)為似疊瓦狀；斜列狀斷裂組合整體表現(xiàn)為NW-SE向展布，由多條斷層首尾相接形成斜列狀；雁行狀斷裂組合由一系列NE-SW向展布斷裂組成，主要分布于渤中西洼中央構(gòu)造帶，剖面上表現(xiàn)為斷階型特征，斷裂切割至新生界基底附近；近平行狀斷裂組合平面上延伸長度大，呈現(xiàn)NE-SW向，剖面上切割至沙河街組；帚狀斷裂組合由一系列NEE向次級斷裂斜交NE向大斷裂組成，大斷裂切割層位深，長期持續(xù)活動，次級斷裂為晚期調(diào)節(jié)斷裂，剖面上表現(xiàn)為Y型結(jié)構(gòu)樣式；X型斷裂組合由NW、NE兩組方向斷裂相互切割組成，斷裂長度總體不大，斷距較小，平面和剖面上表現(xiàn)為X型結(jié)構(gòu)樣式。

根據(jù)斷裂形成時期與斷開層位的關(guān)系，可以將研究區(qū)斷裂劃分為3種類型(見圖4)。Ⅰ型斷裂為持續(xù)活動性油源斷裂，切穿基底并延伸至淺層，為長期持續(xù)活動的通天型；Ⅱ型斷裂為早斷早衰型斷裂，同樣切穿基底，但向上只延伸至東營組，具有早期活動、晚期不活動的特點；Ⅲ型斷裂為晚期活動性斷裂，形成于新近紀(jì)—第四紀(jì)，分布于淺層明化鎮(zhèn)組和館陶組，在淺層形成大量斷塊型圈閉。

圖2 渤中西洼現(xiàn)今構(gòu)造格架Fig.2 The present tectonic framework of the western sag of Bozhong depression

圖3 渤中西洼明化鎮(zhèn)組斷裂綱要圖Fig.3 The sketch map of the NmL formation in the western sag of Bozhong depression

2.3 構(gòu)造演化

渤海灣盆地區(qū)域構(gòu)造活動受控于雙動力源——地幔柱隆起和斜向擠壓[11,17,20]。渤中西洼構(gòu)造演化與渤海灣盆地構(gòu)造演化特征既具有一致性，又具有自身特點，可劃分為斷陷期(沙河街組—東三段)、斷拗期(東二段—東一段)、拗陷期(館陶組—明下段)、拗?jǐn)嗥?明上段至今)4個階段(見表1)。

圖4 過渤中西洼西部地震剖面Fig.4 The seismic profile across the western part of the western sag in Bozhong depression

(1)斷陷期(Es-Ed3)。斷陷期包括沙河街組時期及東三段時期。該時期受控于地幔熱隆起作用[11,20]，在渤中西洼形成近NW-SE向的拉張應(yīng)力，渤中西洼以裂陷伸展作用為主，整體表現(xiàn)為“箕狀斷陷”結(jié)構(gòu)，剖面上可見斷裂附近地層厚度明顯加大，箕狀結(jié)構(gòu)清楚(見圖4)。

沙河街組(Es)時期為斷陷Ⅰ期(見圖5)。該時期控洼邊界斷裂形成，東北部斷層活動強度遠大于西部的，斷層斷距最大為1 km，最大剖面伸展率為4.2%，伸展速率為0.13 km/Ma(見圖6)，在渤中西洼東北部形成相對渤中西次洼沉積厚度較大的沙河街組地層。沙壘田凸起、石臼坨凸起及427傾沒端為古地形高，剝蝕區(qū)主要集中這些地區(qū)。

東三段(Ed3)時期為斷陷Ⅱ期(見圖7)，渤中西洼東北部邊界斷層持續(xù)強烈活動，斷層活動強度較沙河街組時期的更大，最大斷層斷距為1 100 m，最大剖面伸展率為3.5% ，伸展速率為0.50 km/Ma(見圖6)。東三段時期沉積范圍較沙河街組時期的有所擴大，渤中西次洼仍然是沉積沉降中心。渤中8-4構(gòu)造區(qū)在東三段早期受到局部擠壓發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，成為局部構(gòu)造高點，未接受東三段地層沉積。

圖5 渤中西洼沙河街組沉積時期構(gòu)造格架Fig.5 Structural framework in the sedimentary period of Es formation

圖6 過渤中西洼不同位置剖面伸展率、伸展速率Fig.6 The extensional rate and extension rate in different positions of the western sag

(2)斷拗期(Ed2)。東二段(Ed2)時期為斷拗期(見圖8)，地幔熱隆起活動減弱，渤中西洼伸展斷陷作用減弱，整體表現(xiàn)為斷拗陷轉(zhuǎn)換期，斷層活動強度明顯減弱，箕狀斷陷結(jié)構(gòu)特征不明顯，剖面伸展率和伸展速率減小(見圖6)，剖面上東二段底部可見下超特征(見圖4)。沙壘田凸起、石臼坨凸起及427傾沒端開始沉降并接受沉積，沉積中心遷移至渤中西洼的中西部地區(qū)及渤中主洼地區(qū)，在東二段晚期渤中西洼發(fā)生大規(guī)模抬升剝蝕作用，致使東營組頂部在研究區(qū)發(fā)生較大范圍缺失，剖面上東二段頂部可見明顯的削截不整合特征(見圖4)。

(3)拗陷期(Ng-NmL)。受控于渤海灣盆地構(gòu)造演化，渤中西洼館陶組—明下段(Ng-NmL)時期整體表現(xiàn)為裂后熱沉降，斷裂活動強度弱，剖面伸展率和伸展速率最低(見圖6)，表現(xiàn)為拗陷作用。早期暴露于地表的沙壘田及石臼坨凸起區(qū)開始大范圍沉積，沉積沉降中心向渤中凹陷主洼方向遷移(見圖9)。

(4)拗?jǐn)嗥?NmU-)。明上段至今(NmU-)約5.1 Ma以來，受太平洋板塊與亞洲大陸NWW向俯沖和裂后熱沉降的疊加影響，渤海海域發(fā)生新構(gòu)造運動，表現(xiàn)為伸展走滑作用[11,20]。渤中西洼在整體沉降的同時，斷裂活動強度再次加大，剖面伸展率和伸展速率再次增強(見圖6)。特別是在渤中西洼西部，由于伸展、走滑作用在剖面上產(chǎn)生大量晚期斷層，早期伸展斷層受新構(gòu)造運動的誘發(fā)而開始重新活化，與晚期斷層在剖面上形成花狀構(gòu)造和Y型構(gòu)造，在平面上產(chǎn)生密集分布的新斷層，形成有利于油氣聚集的斷塊型圈閉(見圖2-4)。

圖7 渤中西洼東三段沉積時期構(gòu)造格架Fig.7 Structural framework in the sedimentary period of Ed3 formation

圖8 渤中西洼東二段沉積時期構(gòu)造格架Fig.8 Structural framework in the sedimentary period of Ed2 formation

圖9 渤中西洼館陶組—明下段沉積時期構(gòu)造格架Fig.9 Structural framework in the sedimentary period of Ng-NmL formation

3 構(gòu)造演化與油氣成藏模式

3.1 構(gòu)造演化對烴源巖的控制

構(gòu)造演化控制渤中西洼的形成，同時也影響渤中西洼烴源巖的發(fā)育和分布特征。渤中西洼在斷陷期斷層活動強度和剖面伸展速率最大，渤中西洼大部分地區(qū)處于半深湖—深湖沉積環(huán)境，為烴源巖沉積創(chuàng)造有利條件，控制形成東三段、沙河街組兩套重要的烴源巖層系[1]。平面上，渤中西洼東北部邊界斷層持續(xù)強烈活動，形成渤中西洼最有利生烴洼陷，即渤中西次洼(見圖1-2)。此外，斷陷期斷裂強烈活動使東三段和沙河街組烴源巖層快速埋藏，早期地幔熱隆起引起的伸展作用及后期深埋演化，為斷陷期充填的沙河街組和東三段烴源巖熱演化提供熱力作用，有利于有機質(zhì)的保存和轉(zhuǎn)化，為渤中西洼的勘探突破提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.2 構(gòu)造演化對圈閉的控制

渤中西洼受控于多期構(gòu)造演化，在深層和淺層發(fā)育多種類型圈閉，特別是在晚期新構(gòu)造運動作用下，晚期斷層大量發(fā)育，在淺層形成大量斷塊型圈閉、斷鼻型圈閉和構(gòu)造巖性圈閉(見圖3)。渤中西洼西部大量發(fā)育斷鼻型圈閉和斷塊型圈閉，斷塊型圈閉居多，形態(tài)多樣，由兩條或兩條以上斷層構(gòu)成，斷塊型圈閉的大量發(fā)育為油氣成藏提供有利聚集場所，渤中8-4油田、曹妃甸12-6油田油藏主要為斷塊型油藏。渤中西洼東北部斷層數(shù)量相對少，淺層明下段淺水三角洲發(fā)育，淺水三角洲砂體與斷層的良好匹配形成構(gòu)造—巖性圈閉，渤中3-2油田主要為構(gòu)造—巖性油藏(見圖1、3)。

3.3 構(gòu)造活動與油氣運移

早期斷陷作用和晚期拗?jǐn)嘧饔每刂菩纬刹持形魍輸嗔严到y(tǒng)，形成渤中西洼油氣運移重要的輸導(dǎo)體系。早期斷陷期，在渤中西洼東北部發(fā)育大型邊界斷裂，在西部同樣發(fā)育級別較大的大型斷裂，斷裂與斷陷期形成的沙河街組、東三段烴源巖直接接觸，在空間上形成良好匹配。在晚期拗?jǐn)嗥?，新?gòu)造運動一方面使早期斷裂再次強烈活動，另一方面在淺層產(chǎn)生大量調(diào)節(jié)斷層，大量調(diào)節(jié)斷層強烈活動，成為渤中西洼重要的成藏期[4-9]。長期活動性油源大斷層將深部油氣向淺層輸導(dǎo)，淺層晚期調(diào)節(jié)斷層繼續(xù)將油氣進行分配，在淺層斷塊型圈閉聚集成藏(見圖10)。

圖10 渤中西洼油氣成藏模式Fig.10 The reservoir profile of the western sag in Bozhong depression

4 結(jié)論

(1)渤中西洼經(jīng)歷多期構(gòu)造活動，在伸展和走滑應(yīng)力場共同作用下，形成多種斷裂樣式。平面組合樣式主要為馬尾狀、斜列狀、雁行狀、近平行狀、帚狀和X型6種斷裂組合樣式；剖面組合樣式主要為Y型、似疊瓦狀、斷階式和X型。

(2)渤中西洼新生代構(gòu)造演化分為4個階段：斷陷期(沙河街組—東三段)、斷拗期(東二段)、拗陷期(館陶組—明下段)和拗?jǐn)嗥?上新世至今的新構(gòu)造運動活化期)。

(3)多期構(gòu)造演化控制渤中西洼生烴演化、沉積充填及油氣運聚成藏。斷陷期強烈伸展控制形成東三段、沙河街組兩套重要烴源巖層系，斷拗期和拗陷期構(gòu)造相對穩(wěn)定，拗?jǐn)嗥跇?gòu)造重新活化，大量產(chǎn)生的斷層形成多種類型圈閉，油源斷裂及晚期調(diào)節(jié)斷層強烈活動將深部油氣向淺層運移，促進研究區(qū)晚期成藏作用。

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