萊州灣凹陷東緣走滑斷裂帶特征及沉積響應(yīng)

汪 晶，劉 睿，張海義，王孝轅，郭 軒

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459)

引 言

郯廬斷裂帶是中國東部一條重要的巨型走滑斷裂帶，橫貫整個渤海海域東部，對渤海灣盆地的形成演化、沉積發(fā)育及油氣成藏具有明顯的控制作用。郯廬斷裂在渤海海域分東西2支，勘探實踐已表明，目前發(fā)現(xiàn)的眾多大中型油氣田均沿郯廬斷裂帶分布，證實郯廬斷裂帶與油氣富集具有緊密的聯(lián)系。針對走滑斷裂帶對沉積的控制作用，國內(nèi)外學(xué)者展開過大量研究并取得了眾多成果和認識[1-9]。走滑對盆地內(nèi)部沉積模式和充填格架具有重要的控制作用，走滑盆地往往具有獨特的沉積模式,如沖積扇、扇三角洲等沉積體具有沿走滑斷層斜向遷移、隨走滑運動周期性疊置的特征[1-3]；走滑及其派生作用形成的復(fù)雜構(gòu)造，導(dǎo)致快速相變的沉積特征[4]；晚期的斷裂走滑活動錯開早期形成的沉積體，并控制著同期沉積體系的展布與遷移[8-9]。隨著渤海油氣勘探的不斷深入，郯廬斷裂帶的走滑活動及其對油氣的控制作用已有諸多論述[10-18]，但均集中于郯廬斷裂帶渤海西支及東支遼東灣段，對渤海東支萊州灣段的研究較少，缺乏萊州灣段走滑活動與沉積關(guān)系方面的研究?；诖?，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用最新的三維地震資料，從走滑斷裂特征分析入手，探討走滑與宏觀平面沉積、多期砂體分布等沉積響應(yīng)關(guān)系，明確萊州灣凹陷東部盆緣走滑斷裂帶對沉積的控制作用。

1 地質(zhì)背景

萊州灣凹陷位于渤海海域南部，為中生界基底上發(fā)育的新生代半地塹，總體呈東斷西超、北斷南超的凹陷結(jié)構(gòu)。郯廬斷裂萊州灣段東西2支沿該凹陷兩側(cè)通過，控制了凹陷的結(jié)構(gòu)特征。郯廬斷裂東支向萊州灣凹陷傾沒消逝，受斷裂強烈活動作用，凹陷東部盆緣發(fā)育3條規(guī)模較大走滑斷裂(圖1)，對凹陷漸新世以來的構(gòu)造演化、地層沉積以及油氣成藏產(chǎn)生明顯的影響。

目前,在該區(qū)相繼成功鉆探了J1、J2、J3等多口探井，獲得重要的油氣發(fā)現(xiàn)。鉆探結(jié)果表明，該區(qū)油氣主要集中分布于古近系東營組東三段、沙河街組沙三段及沙一二段。鉆遇地層從中生界到第四系，其中，明化鎮(zhèn)組及館陶組主要巖性為厚層砂礫巖夾薄層泥巖,東二段以含礫砂巖、中-細砂巖為主，夾灰-灰綠色泥巖，東三段以細砂巖、含礫細砂巖與灰綠色、褐灰色泥巖互層為主，沙一二段以粉-細砂巖與泥巖不等厚互層為主，局部發(fā)育厚層含礫細砂巖，沙三段以細砂巖、含礫細砂巖為主，夾灰色、褐灰色泥巖。總體來看該區(qū)古近系儲層發(fā)育適中，儲蓋組合理想，但儲層橫向變化較快。

圖1 萊州灣凹陷東緣區(qū)域位置Fig.1 Regional location map of the eastern margin of Laizhou Bay Sag

2 走滑斷裂特征

2.1 斷裂分布特征

受郯廬斷裂東支走滑作用影響，平面上，盆緣發(fā)育呈線形分布、NNE向雁行排列的F1、F2及F3走滑斷裂組成的斷裂帶。從古近紀東三期的斷裂平面展布來看(圖2)，3條主走滑斷裂斷面清晰且連續(xù)，延伸距離長，將萊東6區(qū)分隔為洼陷區(qū)的萊東6A及斜坡區(qū)的萊東6B、萊東6C這3個構(gòu)造區(qū)。F1斷裂與F2斷裂呈左階斜列，F(xiàn)3斷裂形成于東部膠遼隆起邊界斷裂轉(zhuǎn)折處，向北逐漸延伸。走滑作用導(dǎo)致走滑帶西側(cè)及主走滑間NE向為主的斷裂非常發(fā)育，形成f1、f2等派生走滑斷裂及其他NE向伸展斷裂，搭接于主走滑斷裂或聯(lián)結(jié)2條主走滑斷裂。派生斷裂伴隨走滑活動形成，將構(gòu)造進一步復(fù)雜化。剖面上，主走滑斷裂斷穿基底，產(chǎn)狀近直立，派生斷裂與主枝形成明顯的負花狀組合樣式(圖2剖面)；主干伸展斷層表現(xiàn)為上陡下緩的鏟式正斷層，下部切入前新生界基底，上部切穿館陶組，對沙三段至東營組地層具有控制作用。

圖2 萊州灣凹陷東緣古近紀走滑斷裂活動性分析Fig.2 Analysis of the activity of strike-slip faults in Paleogene in the eastern margin of Laizhou Bay Sag

2.2 斷裂活動特征

前人研究表明，郯廬斷裂帶新生代早期(42.0 Ma前)表現(xiàn)為左旋弱走滑，伴隨43.0 Ma左右太平洋板塊俯沖方向的轉(zhuǎn)變，郯廬走滑斷裂帶由左旋轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚?，至東營組沉積期達到右旋走滑最強烈時期[19-21]。走滑派生斷裂是走滑斷裂主要活動期的產(chǎn)物，以主走滑斷裂組成的花狀構(gòu)造樣式可以分析走滑斷裂的應(yīng)力狀態(tài)和主要活動期次。統(tǒng)計主走滑派生斷裂活動速率及構(gòu)造演化分析結(jié)果表明，該區(qū)走滑斷裂帶在古近紀具有明顯分期、分段的活動特征，活動規(guī)律和活動強度與郯廬斷裂帶具有一致性。

古近紀時期主要表現(xiàn)為早期伸展、晚期走滑，呈現(xiàn)“弱-強-弱”的分期走滑特征，沙三-沙一二末期以伸展作用為主，東營組時期開始疊加走滑，東三期走滑活動最強，東三后期走滑活動逐漸減弱(圖3(b))。從地震剖面看，主走滑斷裂F1、F2兩盤東營組地層厚度差異較沙河街組更為明顯，說明該時期斷裂活動更為強烈，控制沉積作用更強。

圖3 萊州灣凹陷東緣走滑斷裂特征Fig.3 Characteristics of strike-slip faults in the eastern margin of Laizhou Bay Sag

東營組強走滑作用時期，主走滑F(xiàn)1、F2呈明顯的差異分段活動特征。依據(jù)主走滑派生斷裂發(fā)育數(shù)、派生斷裂延伸長度等不同，可分為南段、中段和北段(圖3(a)、圖3(c)、圖3(d))。從南到北派生斷裂條數(shù)逐漸減少，延伸長度也逐漸減小，表明從南到北走滑斷裂活動速率逐漸減小，走滑活動強度逐漸減弱。結(jié)合已鉆井東營組儲層厚度看，斷裂活動速率與儲層發(fā)育厚度密切相關(guān)，分段活動控制了不同區(qū)帶儲層發(fā)育厚度的差異。斷裂活動性越強，儲層厚度越大(圖3(e))。

3 走滑斷裂對砂體發(fā)育的控制

3.1 分期活動對宏觀沉積的控制

平面上，分期活動決定了沉積體平面展布方向及規(guī)模。古近紀沙三沉積期，以強伸展弱走滑為主，主走滑F(xiàn)1、F2對沉積體橫向錯動遷移作用小，近源扇三角洲沉積體展布方向與溝谷展布方向一致，近東西向(圖4(a))。由于F1、F2斷裂傾向與扇體沉積方向相反，反向斷槽阻礙了近源扇體向西推進，導(dǎo)致扇體發(fā)育規(guī)模相對較小，反向斷槽根部扇體厚度相對更大。沙一二沉積期，處于熱沉降期，斷裂活動弱，走滑作用相對增強，受走滑活動影響，沉積體沿走滑方向發(fā)生錯動，三角洲沉積展布開始由東西向往北遷移偏轉(zhuǎn)。東三沉積期，強走滑作用導(dǎo)致三角洲沉積體展布方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，近北西向展布(圖4(b))，反向斷槽阻礙沉積作用減弱，沉積體規(guī)模較沙三期明顯增大。剖面上，分期活動決定了沉積體縱向沉積響應(yīng)特征的差異。沿順物源方向，不同期沉積體具有明顯的地震反射響應(yīng)差異。沙三弱走滑期，近源扇體的前積楔狀體發(fā)育，進積特征明顯；東三強走滑期，走滑活動導(dǎo)致沉積區(qū)發(fā)育的三角洲進積特征不明顯，不同期次砂體受走滑活動影響發(fā)生橫向遷移疊覆，導(dǎo)致新形成的沉積中心可容空間相對增大，不利于“進積式”沉積樣式的形成。

圖4 萊州灣凹陷東緣古近紀沉積體系展布Fig.4 Distribution of Paleogene sedimentary system in the eastern margin of Laizhou Bay Sag

3.2 強走滑對不同期次砂體分布的控制

選取洼陷區(qū)萊東6A構(gòu)造已鉆井對比分析，依據(jù)巖性組合、測井相及地震反射特征，可將研究區(qū)東三段砂體劃分為三期砂體(圖5)。不同期次砂體在巖性組合特征、地震反射特征、平面分布特征等方面差異明顯。從巖性組合及儲層類型統(tǒng)計看，第一期巖性組合特征多為厚層砂體疊置，單砂體厚度大，巖性以含礫砂巖、中細砂巖為主，含砂率介于30%～51.8%，測井曲線呈漏斗型、箱型，受古地貌控制，主要分布在洼陷區(qū)南部，地震剖面上主體表現(xiàn)為強振幅連續(xù)反射特征。J1、J2、J4、J5鉆遇砂體厚度分別為99.4 m、82.8 m、58.4 m、78.6 m，J1、J2井區(qū)砂體厚度最大，為第一期砂體的主要富砂區(qū)及沉積方向；第二期巖性組合特征為薄層砂泥頻繁互層，主要分布在洼陷區(qū)中部。砂巖分布在大套深灰色、灰色泥巖中間，巖性以細砂巖、粉砂巖為主，含砂率介于21.8%～27.5%，測井曲線上表現(xiàn)為鐘型、指狀，地震剖面上表現(xiàn)為弱振幅斷續(xù)反射特征。J1、J2、J4、J5鉆遇砂體厚度分別為74.8 m、26.2 m、183.1 m、106.8 m，J4井區(qū)砂巖厚度最大，為第二期砂體的主要富砂區(qū)及沉積方向；第三期巖性組合特征為砂泥互層，局部單層厚度大，主要為中細砂巖、含礫砂巖，含砂率介于11.8%～26.1%，測井曲線表現(xiàn)為漏斗型、指狀，地震剖面上表現(xiàn)為中振幅較連續(xù)反射特征。J1、J2、J4、J5鉆遇砂體厚度分別為44.8 m、2.48 m、58.8 m、92.4 m，J5井區(qū)含礫砂巖及砂巖總厚度最大，為第三期砂體的主要富砂區(qū)及沉積方向。依據(jù)已鉆井儲層類型及地震響應(yīng)，精細追蹤刻畫三期砂體的平面展布，發(fā)現(xiàn)三期砂體富砂主體位置明顯不同。分析表明，碎屑物質(zhì)的沉積中心不斷往北橫向遷移，控制三期富砂區(qū)發(fā)育位置的遷移(圖6)。

總體上看，東三段三期砂體表現(xiàn)為由南往北逐漸遷移疊覆的特征。東營組早期第一期砂體沉積時，沉積中心位于走滑南部，控制富砂區(qū)發(fā)育位置；第二、第三期砂體沉積時，沉積中心隨走滑發(fā)生遷移，控制第一期和第二期砂體發(fā)生橫向遷移，最終形成三期砂體現(xiàn)今的沉積展布形態(tài)(圖7)。而在F1、F2主走滑之間的斜坡區(qū)，三期砂體縱向疊置特征更為明顯，富砂體遷移距離相對洼陷區(qū)變短。

圖5 東三段砂體期次對比Fig.5 Sandbody contrast of different wells in Ed3

圖6 東三段三期沉降中心Fig.6 Migration of settlement center in three periods of Ed3

圖7 東三段三期砂體橫向遷移展布Fig.7 Lateral migration distribution map of sand body in three periods of Ed3

3.3 走滑差異控砂模式

東三強走滑期，通過三期砂體展布與沉積古地貌疊合表明，洼陷區(qū)砂體展布與沉降中心位置有良好的對應(yīng)關(guān)系。走滑活動使走滑前形成的沉降中心、沉積體發(fā)生遷移，遷移后新形成的沉降中心會繼續(xù)接受沉積，進而再次發(fā)生橫向遷移。各期沉降中心位置控制各期主富砂區(qū)位置，三期砂體呈現(xiàn)“魚躍式遷移疊覆”樣式(圖8(a))。在斜坡區(qū)，受F1、F2走滑應(yīng)力作用影響，走滑拉分形成規(guī)模較大的溝槽，控制斜坡區(qū)砂體主要富集位置。斜坡區(qū)已鉆井J3井處于局部高隆區(qū)，含砂率仍較高，巖心上可見粒度較粗的砂礫巖沉積，表明東部膠遼隆起物源供給充足，推測拉分溝槽處砂體厚度更大。

圖8 萊州灣凹陷東緣走滑斷裂帶古近紀走滑差異控砂模式Fig.8 Different control models of strike-slip fault on sand body in Paleogene

沙三弱走滑期，主要為走滑坡折控砂，洼陷區(qū)沉降中心、斜坡區(qū)反向斷槽是砂體富集有利位置(圖8(b))。砂體沿溝谷推進到盆地后,首先沿著走滑斷裂下的反向斷槽進行分散和充填,導(dǎo)致反向斷槽處沉積厚度相對更大。古地貌恢復(fù)表明，沙三期洼陷區(qū)存在2個主要沉降中心，處于沉降中心的J1井含砂率明顯高于相鄰高地的J3井。而斜坡區(qū)近反向斷槽處的J8井含砂率較局部高隆的J3井更高，這都反應(yīng)了洼陷區(qū)沉降中心、斜坡區(qū)反向斷槽處更有利砂體富集。

總體而言，該區(qū)不同走滑期控砂模式存在明顯差異。弱走滑期走滑坡折控砂，反向斷槽阻擋水系，沉積規(guī)模小，富砂區(qū)相對固定，沉降中心及反向斷槽處砂體更為富集。強走滑期砂體縱向多期發(fā)育，橫向遷移疊覆，洼陷區(qū)沉降中心、斜坡區(qū)拉分溝槽為主富砂區(qū)發(fā)育位置(圖8)。

4 結(jié) 論

(1)走滑斷裂帶在古近紀呈現(xiàn)“弱-強-弱”的分期走滑特征，強走滑階段具有明顯的差異分段活動特征。沙三期以伸展作用為主，東三期走滑作用最強。斷裂分段活動決定不同區(qū)帶儲層發(fā)育厚度差異。斷裂活動性越強，儲層厚度越大。

(2)斷裂走滑活動控制著宏觀沉積特征及砂體分布。主要表現(xiàn)在：分期活動決定沉積體地震響應(yīng)特征、展布方向及規(guī)模；強走滑活動使同期形成的沉降中心、沉積體隨時間發(fā)生橫向遷移，形成縱向多期發(fā)育、橫向遷移疊覆的砂體分布樣式。

(3)走滑不同活動期存在差異控砂模式。弱走滑期坡折控砂，沉降中心及反向斷槽等處砂體更為富集。強走滑期砂體橫向遷移，洼陷區(qū)沉降中心、斜坡區(qū)拉分溝槽為主富砂區(qū)發(fā)育位置。