歧深地區沙三段沉降特征及其與構造演化的關系

杜 民,陸永潮,李 銳

(1.廣州海洋地質調查局,廣東廣州510760;2.中國地質大學(武漢)資源學院)

歧深地區沙三段沉降特征及其與構造演化的關系

杜 民1,陸永潮2,李 銳1

(1.廣州海洋地質調查局,廣東廣州510760;2.中國地質大學(武漢)資源學院)

對歧深地區重點勘探層段進行沉降史模擬,可了解其沉降速率的時空展布特征,同時也可以研究沉降特征與盆地構造演化階段之間的關系。以歧深地區的三維地震資料為基礎,合理選取各項模擬參數,利用 EBM盆地模擬軟件對沙三段進行了沉降史模擬。模擬結果表明沙三段各亞段沉積期的沉降特征既有明顯的繼承性又有一定的差異性;沙三段時期,歧深地區的沉降特征與構造演化密切相關,其構造應力狀態由初始的強烈伸展應力狀態先后經歷顯著減弱、小幅減弱兩次演變,即在沙三段沉積期盆地經歷了斷陷初始期、斷陷加速期和斷陷減弱期三個演化階段;歧深地區沉降特征與構造作用控制著沙三段各亞段的沉積砂體展布。綜合研究歧深地區高速沉降特征與成藏規律,認為歧深地區沙三段存在超壓油氣成藏模式。沉降史模擬研究揭示了沙三段時期盆地的沉降速率特征及其與構造演化的關系,同時初步探討了沉降特征與沉積、成藏的關系,從而為研究區精細油氣勘探奠定了良好基石。

歧深地區;構造演化;沉降特征;沉降史

盆地沉降史分析是含油氣盆地分析中的一項常規技術,可用來調查盆地沉降的構造驅動機制,研究盆地的形成和演化,以及確定含油氣盆地的熱演化史,推測油氣生成窗[1]。分析可恢復地質歷史時期的地層形態特征及沉積、沉降速率的變化,故其可為盆地的發育史、盆地伸展與沉降參數及古熱流演化史研究提供時空框架[2～3]。構造沉降速率及沉降量直接受控于盆地類型及其形成機制,故沉降史分析不僅是油氣勘探的重要技術,也可作為定量或半定量地劃分盆地構造演化階段或期次的重要參數[4]。

沙三段-沙二段沉積時期,歧深地區處于伸展斷陷盆地發育期,該階段所沉積的沙三段地層是進行勘探與研究的主要目的層系之一。本文試圖以沙三段沉降史模擬為出發點,通過對沉降速率的剖析,了解其沉降特征的時空展布規律,并分析沉降特征與構造演化以及沉積、成藏的關系。

1 研究區地質概況

黃驊坳陷位于渤海灣盆地中部,是渤海灣盆地的一個重要含油氣區,是我國東部大型富油氣疊合盆地之一,其中歧口凹陷位于黃驊坳陷中部,是黃驊坳陷內的富油氣凹陷之一,為新生代以來長期繼承發育的大型生油凹陷[5]。本文所研究的歧深地區位于歧口凹陷中北部和極橋凹陷中南部,具體范圍:包括板橋凹陷、北大港潛山構造帶、歧口北部凹陷、南大港潛山構造帶等次級構造單元(圖1)。

圖1 歧深地區構造單元(據大港油田,2008)

從區域位置來看,歧深地區處于魯西、太行、燕遼三大基底地塊的拼接部位,與黃驊坳陷一樣經歷了印支-燕山運動和喜山期多次構造變動,中生代為地臺隆褶、解體階段,新生代古近紀進入裂谷發育期,盆地持續沉降,盆緣隆起區持續隆升,古地形高差大,盆地以湖盆發育為特色,沉積了多種類型的湖盆沉積體系。根據在研究區內識別出的主要等時界面,可將古近系和新近系充填沉積劃分為1個一級層序,4個二級層序,17個三級層序(圖2)。本文的研究層段(沙三段)巖性總體為一套大段暗色泥巖夾成組的砂巖、砂礫巖。

圖2 歧深地區古近系-新近系層序劃分(據陸永潮等,2008)

2 沉降史模擬原理及具體方法

2.1 沉降史分析的基本原理

沉降史及沉積速率分析作為盆地模擬的重要組成部分,以盆地參數的定量化、地質過程的動態描述、地質模型和地質解釋的驗證或“實驗”過程為研究路徑,經過長期的發展目前已成為盆地分析中的一種常規技術。定量沉降史模擬的方法分兩種:其一是反演法,即回剝法;其二是正演法[6]。本文沉降史分析的基本原理屬回剝法,即在保持地層骨架厚度不變的條件下,從已知地層分層參數出發,將地層按地質年齡由新到老逐層回剝直至地表(其間考慮壓實、間斷及構造時間等因素),進而恢復各地層的原始沉積厚度、盆地埋藏史和構造沉降史[7]。

EBM盆地模擬軟件屬于二維剖面回剝系統,其模擬工作中主要涉及三項參數的校正:①壓實校正:首先利用地層界面深度、巖石物性和地層界面年齡等基礎數據建立各種沉積物的孔隙度-深度的關系曲線,然后應用壓實原理對沉積地層進行壓實校正;②古水深校正:沉積物沉積時,其沉積界面在水面下一定深度,所以沉積物厚度不能代表其沉降深度。古水深可以通過沉積相及古生物組合等綜合分析獲得,將其與沉積物厚度相加就可以得到真正的深度[8];③負載校正:利用艾里地殼均衡補償原理計算當沉積盆地空間被沉積物充填時,沉積物自身的重量使得基底被動下沉的幅度,從而實現沉積物的負載校正。模擬過程中,盆地的構造沉降(純水載盆地沉降)可表述為:構造沉降=總沉降-(沉積物和水負載沉降+沉積物壓實沉降+湖水面的變化),從而可求出構造沉降量并進行構造沉降史分析[9]。

2.2 模擬數據的采集

應用EBM盆地模擬系統對歧深地區進行模擬時,主要以研究區的三維地震資料為基礎。數據采集工作主要可分為3個步驟:①在 Geo Frame解釋平臺上,在三維地震工區內對各個層序界面,重點對沙三段層序界面進行了解釋、追蹤及閉合;②首先選取研究區內49條主測線(NW-SE向),根據地層在各測線上的展布特征,將測線上地層厚度發生明顯變化的點(特別是剝蝕點)作為模擬點,每條測線上的模擬點在50個左右,采集每個模擬點處坐標及各層位底界面的雙程旅行時間,最后將各層位底界面時間值換算為相應的深度值;③依據 EBM盆地模擬軟件的數據格式要求,進行模擬數據的采集。

2.3 模擬參數的選取

沉降史模擬相關的參數主要包括巖石壓實系數、表面孔隙度、密度、界面年代和古水深。根據各層序不同沉積相的巖性及相關參數的特征及不同相態的平面展布范圍,可以確定出各模擬點的模擬參數(表1)。對于地層頂、底界面的地質年代,可以根據同位素定年法來獲取,由此方法獲取的沙三段底界面的同位素年齡為42.4 Ma,頂界面的同位素年齡為39.5 Ma。本研究將沙三段劃分為三個亞段,綜合前人研究成果以及各亞段的沉積厚度、沉積速率、古生物等資料,確定 SQEs32的底界面年齡為41.4 Ma和SQEs31的底界面年齡為40.4 Ma,即沙三一亞段(Es31)的年代為39.5～40 M a,沙三二亞段(Es32)的年代為40～41 Ma,沙三三亞段(Es33)的年代為41～42.4 Ma。

另外,在歧深地區,由于北、南大港潛山的局部隆升,沙三段各亞段地層在其沉積末期都遭受了一定程度的剝蝕。因此,在確定模擬層段各模擬點底界面深度時,必須考慮其剝蝕厚度。本文利用趨勢分析法與地層對比法相結合[10-11],估算了沙三段各亞段的剝蝕厚度。沙三段各亞段剝蝕區均分布在潛山附近,北大港潛山北緣剝蝕區呈長條狀延伸,南大港潛山北部剝蝕區則呈C字形展布,兩潛山頂部均存在小范圍的非沉積區(圖3)。沙三段各亞段的剝蝕厚度均在接近潛山頂部處達到最大值,沙三三亞段、沙三二亞段時期,區內最大剝蝕厚度達120 m,沙三一亞段時期,區內最大剝蝕厚度達160 m。

表1 不同沉積相的巖石物性參數及古水深

圖3 歧深地區沙三段剝蝕厚度平面分布

3 沙三段各亞段沉降特征

3.1 平面演化

通過對所模擬的49條主測線的全部數據點沉降速率進行統計和分析,分別編制了歧深地區沙三段各亞段的沉降速率等值線圖(圖4)。圖4反映了同一時期不同地區沉降速率的變化趨勢及不同時期沉降中心的變化情況。

在沙三三亞段沉積期,歧深地區沉降速率整體呈現高值,歧北凹陷最大值可達1 200 m/Ma,板橋凹陷最大值為1 000 m/M a(圖4a);到沙三二亞段沉積期,盆地沉降速率較沙三三亞段沉積期有大幅度降低,在歧北凹陷和板橋凹陷內最大沉降速率在800 m/M a左右(圖4b);在沙三一亞段沉積期,盆地沉降速率又略有降低,歧北凹陷內最大沉降速率為700 m/Ma,而板橋凹陷內最大沉降速率為600 m/M a(圖4c)。且在整個沙三段沉積期,北、南大港潛山區周緣沉降速率值均表現為低值,一般小于200 m/Ma。

研究顯示,歧北凹陷和板橋凹陷是盆地沙三段沉積時期的沉降中心,而北、南大港潛山為古隆起區。沙三三亞段沉積期,歧北凹陷內分布有東、西兩個次級的沉降中心,后者發育較大,輪廓呈狹長橢圓狀,板橋凹陷亦可細分為東、西兩個次級的沉降中心;沙三二亞段沉積期,歧深地區各個次級沉降中心發生明顯變化,歧北凹陷內表現為沿東北向展布的三個等大的次級沉降中心,板橋凹陷內也呈現出三個次級沉降中心,此時,各次級沉降中心不僅在沉降幅度上較沙三三亞段沉積期有顯著減小,且在外形方面表現得相對寬廣;沙三一亞段沉積期,歧深地區沉降特征繼承了沙三二亞段沉積期的特征,只是沉降幅度整體上略有減小,且沉降中心輪廓表現得更為寬廣。

圖4 歧深地區沙三段沉降速率等值線

3.2 垂向演化

通過研究歧深地區沉降速率垂相演化特征發現,研究區沙三段沉積時期沉降曲線具明顯的階梯狀特征。以測線Inline2200為典型例子進行分析的結果見圖5。

圖5 歧深地區測線Inline2200第30號模擬點沉降量和沉降速率

在沙三三亞段沉積期,總沉降速率和構造沉降速率最大,沉降量曲線最陡,構造沉降量約占總沉降量的70%左右;在沙三二亞段沉積期,總沉降速率和構造沉降速率有顯著降低,沉降量曲線也有明顯變緩,構造沉降量約占總沉降量的60%左右;到沙三一亞段沉積期,總沉降速率和構造沉降速率又略有降低,沉降量曲線又稍有變緩,但構造沉降量占總沉降量的份額仍然大于50%。

沉降速率垂相演化特征顯示:沙三段沉積期沉降速率和沉降量都很大,構造沉降量占總沉降量的份額均大于50%,即構造作用總是起著主要作用,說明該時期存在重要的構造運動;從沙三三亞段到沙三一亞段沉積期,盆地沉降速率先經歷了由極高值到較高值的轉化,然后又經歷了由較高值向高值的變化。

4 沉降特征與構造演化的關系

歧深地區沙三段沉降速率特征與盆地的構造演化密切相關。受喜山運動影響,沙三段、沙二段沉積時期歧口凹陷正處于主斷陷期,盆地表現出沉積厚度大、沉降速率快的特點。沉降史模擬及分析結果顯示,沙三段各沉積期沉降速率值都很高,最高值均超過700 m/Ma,構造沉降量占總沉降量的份額均大于50%,結合構造背景可判斷沙三段時期盆地屬于典型的斷陷期。沙三段沉積期,盆地沉降速率先后經歷了極高值-較高值-高值三個階段的變化,這與該斷陷期所細分出的初始期(Es33沉積期)、加速期(Es32沉積期)和減弱期(Es31沉積期)三個演化階段相吻合。

沙三段各亞段沉積期均處于受喜山運動影響的斷陷期,且可細分為三個演化階段,這使得沙三段沉積期的沉降特征既有明顯的繼承性,又有一定的差異性。繼承性:南大港潛山區和北大港潛山區沉降速率始終呈現低值,即南、北大港潛山區始終屬于相對隆起區,而歧北凹陷和板橋凹陷內沉降速率始終呈現高值,即沉降中心一直位于歧北凹陷和板橋凹陷。差異性:沙三三亞段沉積期,歧北凹陷與板橋凹陷兩個主沉降中心表現為狹長狀,其均可細分為兩個次級沉降中心,且高值區局限于次級沉降中心中部;到沙三二亞段沉積期,沉降速率整體上顯著降低,歧北凹陷和板橋凹陷兩個主要沉降中心輪廓表現得較為寬廣,其內各發育有三個次級沉降中心,中心高值區范圍所占比率有所擴大;沙三一亞段沉積期,歧深地區沉降特征與沙三二亞段沉積期時基本相似,但沉降速率整體上略有降低,兩主沉降中心輪廓表現得十分寬闊。

歧深地區沉降特征差異性說明沙三段沉積期盆地構造演化發生了階段性的變化。沙三三亞段沉積期,盆地受控于強烈的拉張構造應力,即屬于斷陷初始期,凹陷內沉降速率及沉降幅度均較大。湖盆邊緣發育的港東、港西斷層及大張坨斷層活動強烈,對沉積層序厚度和沉積相分布產生重要影響,多個局部的次級沉降-沉積中心明顯呈狹長狀且緊鄰斷裂并沿斷裂走向分布。沙三二亞段沉積期,構造應力發生明顯的松弛,盆地進入斷陷加速期,凹陷內沉降速率及沉降幅度顯著減小。各主干伸展斷層在這一時期發生繼承性斷陷活動,但是斷陷強度明顯減弱,次級沉降、沉積中心表現為次圓狀并有向凹陷中心遷移的跡象。沙三一亞段沉積期,構造應力進一步減弱,盆地進入斷陷減弱期,凹陷內沉降速率及沉降幅度也相應降低。此時,主干伸展斷裂雖仍然持續活動,但區內部分次級正斷層已停止活動,區域性拗陷開始對盆地沉降產生影響,最后使盆地在板橋凹陷和歧北凹陷中分別形成了一個相對穩定、統一、寬闊的沉降中心。

5 沉降特征與沉積、成藏的關系

通過以上對沉降特征分析,可以確定出研究區兩大沉積中心,即板橋凹陷和歧北凹陷,同時也確定出南、北大港潛山隆起區,從而展現了沙三段沉積期隆凹相間的古構造格局。不同的古構造和沉降特征對研究區沉積體系分布起著重要的控制作用。

沙三三亞段沉積期,凹陷區域快速沉降,地形高差急劇增加。該時期以發育扇三角洲為特征,主要分布在北大港潛山北緣、南大港潛山東北緣以及研究區東北部。沙三二亞段沉積期,凹陷區沉降速率有明顯減小,但其值仍較高,隆起與凹陷之間地勢繼續增加,歧北凹陷范圍略有擴張。該時期北大港潛山北緣仍發育扇三角洲,但南大港潛山東北緣以及研究區東北部發育有辮狀河三角洲,且歧北凹陷內部還發育滑塌型近岸水下濁積扇。沙三一亞段沉積期,研究區整體進入穩定沉降期,隆凹之間高差開始減小。該時期北大港潛山北緣僅發育規模較小的扇三角洲沉積體,研究區東北部仍發育辮狀河三角洲,因地勢較緩,此辮狀三角洲不僅直接入注板橋凹陷,還繼續向南推進到歧北深凹形成遠岸水下扇。

沙三段沉積期,沉降速率較快,使得泥巖欠壓實,并產生超壓。研究認為超壓對深層砂體的物性起到改善的作用,且對下伏油氣藏具有良好的封閉保存作用,還對油氣具有驅動作用。綜合分析得出,歧深地區沙三段可形成與超壓相關的油氣成藏模式,主要類型包括超壓封閉巖性油氣藏和超壓封閉氣藏。相對沙三一亞段而言,該模式在沙三二亞段與沙三三亞段內更為普遍。

6 結論

(1)歧深地區沉降史模擬結果分析表明:沉降速率平面演化與垂向演化特征均說明沙三段各亞段沉積期的沉降既有明顯的繼承性又有一定的差異性。進一步分析揭示:歧深地區沙三段沉降史演化與盆地構造演化密切相關,其構造應力狀態由強烈伸展應力狀態經歷了先顯著減弱、再小幅減弱的兩次演變,即沙三段時期盆地先后經歷了斷陷初始期、斷陷加速期和斷陷減弱期三個構造演化階段。

(2)模擬結果也表明,歧深地區沉降特征受不同期次的構造作用控制,具有極高值-較高值-高值的變化特征。相應的古構造和沉降特征控制著沙三段各亞段沉積期的沉積砂體展布特征。綜合研究歧深地區沙三段沉積期的高速沉降特征和油氣成藏規律,認為研究區可形成與超壓相關的油氣成藏模式。

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Carrying on the subsidence histo ry simulation in Qishen area key exploration stratigraphic interval,understand the space and time distribution characteristic of its subsidence rate,simultaneously study the subsidence characteristic and its relationships w ith the basin structure evolutionary.Take Qishen area’s three dimensional seismic data as a foundation,select each simulation parameter reasonably,carry on the subsidence history simulation on Sha IIImember by using the EBM basin simulation software.The analogue result indicates that subsidence features of each sub-member of the Sha IIImember depositional stage have the characteristics of both obvious succession and certain difference.Further analysis reveals:Sha IIImember stage,subsidence features of Qishen area is related to its tectonic evolution,its tectonic stress condition experiences successively by the initial intense extension stress condition two evolutionsof obviously weakening and the small scale weakening.Which means Sha III member sedimentary basin experienced three evolutionary phases as the fault dep ression initial period,accelerating period and weakening period.The analogue result also indicates:Qishen area subsidence characteristic and the tectonism are controlling the sedimentary sand body distribution of each sub-member of Sha IIImember.According to the comp rehensive study of Qishen high speed subsidence features and reservoir fo rming law,it is thought overp ressure oil and gas reservoir existed in Sha IImember of Qishen area.The subsidence history simulator study has revealed Sha IIImember basin sedimentation rate characteristic and its relationship with tectonic evolution,meanw hile discussed the subsidence characteristic and its relationship with the deposition and formation,thus established the good foundation fo r the research area fine oil-gas exploration.

01 Subsidence feature of Qishen area Sha IIImember and its relationship with tectonic evolution

Du M in et al(Guangzhou Marine Geological Survey Bureau,Guangzhou,Guangdong 510760)

Qishen area;tectonic evolution;subsidence feature;subsidence histo ry

TE111.2

A

1673-8217(2011)05-0001-05

2011-05-16;改回日期:2011-06-23

杜民,1985年生,2006年畢業于中國地質大學(武漢)資源勘查工程專業,2009年獲中國地質大學(武漢)海洋地質專業碩士學位,現主要從事海洋地質科研工作。

中國石油大港油田公司重點科研項目“歧深地區沙三段地震地質綜合研究與目標預測”(DGYT-2007-JS-5315)。

編輯:吳官生