構造對東營凹陷深層砂體發育的控制作用①

吳孔友 秦 磊 譚明友 王玥陽

(1．中國石油大學(華東)地球科學與技術學院 山東青島 266580;2．中國石化勝利油田分公司物探研究院 山東東營 257022)

0 引言

東營凹陷中新生代同沉積構造活動及其產生的構造古地貌對沉積體系的發育與分布起到極其重要的控制作用。長期活動的斷層及其組合制約著同裂陷期盆內可容空間的變化，從而控制著盆內的沉積物分散體系和砂體的分布樣式。作為勘探老區，東營凹陷豐富的鉆探資料及地球物理資料已經揭示了淺層的沉積特征及構造主控因素。隨著勘探程度的進一步加深，埋深大于3 500 m或對應的層位為沙三段以下的深部已成為現今的勘探重點。如何有效地預測深層沉積體系和砂體分布，是取得油氣勘探新突破的關鍵［1］。

東營凹陷深層(沙河街組三段下亞段以下古近系)形成期處于盆地發育早期階段，湖盆規模小，形成的砂體薄，地震預測困難，影響了深層油氣有效勘探。前人也對東營凹陷深層做過研究，主要集中在深層構造［2～4］、層序地層［5］及沉積古環境［6］等方面，對砂體的發育規律及控制因素有待深入。本文在分析主要斷層活動強度及發育歷史基礎上，以沙河街組三段下亞段—四段為目的層，對東營凹陷深層砂體發育影響因素進行了研究，進一步深化了斷層活動強度對北部陡坡帶砂體類型及分布的控制，明確了古溝槽對南部緩坡帶扇體發育的控制，并建立了構造—沉積綜合模式。

1 地質背景

圖1 東營凹陷區域位置圖Fig．1 Regional position of Dongying depression

東營凹陷是渤海灣盆地濟陽坳陷的一個次級構造單元(圖1)，中生代后期至古近紀，凹陷北部的陳南大斷層活動強烈，落差大;南部斷層活動較弱，落差小，形成北陡南緩的箕狀斷陷。該凹陷二級以上斷層均具有生長性質，它們在孔店期開始活動，沙四期逐漸增強，沙三期最為強烈，館陶期趨于停止［7］。沙四下亞段沉積期，氣候干旱，在盆地的邊緣區發育了大面積分布的河流—沖積扇沉積體系。沙四上亞段沉積期，氣候由干旱向潮濕氣候轉變，湖盆擴張，北部陡坡帶控凹斷層活動強烈，在陳家莊凸起—濱縣凸起—林樊家凸起的側翼形成大面積的近岸水下扇和扇三角洲沉積體系。沙三下亞段處于湖盆斷陷期，構造活動穩定、氣候溫濕、湖盆面積和深度達到最大值，物源供給不充分，深湖—半深湖相發育［8］。

2 斷層對北部陡坡帶砂體發育的控制作用

2．1 斷層落差對砂體發育的控制

大型生長斷層(主要為邊界斷層)長期活動，控制了斷陷盆地可容空間，從而控制沉積物的分散體系與展布樣式［9］。砂體主要沿邊界斷層的下降盤呈裙帶狀分布，斷層的落差決定了砂體的沉積厚度［8］。本次研究，通過對120余口井鉆遇砂體厚度的精細統計與分析，結合垂直于斷裂走向的近50條地震剖面的精細解釋與對比，繪制了東營凹陷深層砂體厚度與斷層落差關系圖(圖2)。研究結果顯示，東營凹陷北部陡坡帶陳南斷層、濱南斷層的斷層落差大，其下降盤砂巖發育厚度大，對于砂體沉積的控制作用明顯;南部緩坡帶，砂體主要沿緩坡盆緣發育，但由于博興斷層、樊家斷層的持續活動導致發育于盆緣的砂體再次向洼陷內部發生遷移。陳官莊—王家崗斷層作為南部緩坡帶重要的調節斷層，它的持續活動使發育于八面河地區的砂體向牛莊洼陷推進。同一斷層不同的構造部位由于斷層落差的差異性導致砂巖發育厚度的不同，斷層落差大的部位其砂巖發育厚度也大。以陳南斷層為例，在沙四下沉積期其落差最大處可達1 000 m，其下降盤對應位置所發育砂巖厚度大于100 m(圖 2c)。

整體上，博興斷層、石村斷層、陳官莊—王家崗斷層及八面河斷層的斷層落差曲線和砂體厚度曲線的變化趨勢大致吻合，能間接反映出斷層落差對砂體厚度的控制作用。陳南斷層的斷層落差曲線和砂體厚度曲線均呈現出多峰的特點，沙三下沉積期斷層落差曲線和砂體厚度曲線的高峰相互對應，兩條曲線吻合度較高，斷層對砂巖沉積厚度的控制作用明顯(圖2a)。在沙四上沉積時期，斷層落差和砂體厚度曲線的在陳南斷層的東段吻合度較高，西段吻合度差(圖2b)。在沙四下沉積時期，兩條曲線較難吻合(圖2c)。這是由于沙四尤其是沙四下沉積期，陳家莊凸起遭受了嚴重的剝蝕，從而導致斷層落差和砂體厚度的正相關性不明顯。同樣，在沙三下和沙四上沉積期，青城凸起遭受了剝蝕致使高青—平南斷層的斷層落差曲線和砂體厚度曲線存在局部的不吻合現象。

圖2 深層砂體厚度與斷層落差關系圖a．沙三下;b．沙四上;c．沙四下Fig．2 Relationship between thickness of deep sand bodies and intensity of faults activitya．the lower Sha 3 member;b．the upper Sha 4 member;c．the lower Sha 4 member

圖3 沙三和沙四沉積期斷層活動速率對比圖Fig．3 Comparison diagram of the fault activity rate during Sha 3 and Sha 4 member age

2．2 斷層活動速率對砂體發育的控制

東營凹陷北部邊界斷層落差大，其控制下的陡坡帶為湖泊深水沉積區，陳家莊凸起上的風化碎屑物在搬運介質的攜帶下直接進入深水區，形成以粗碎屑為主的近岸水下扇沉積。而南部緩坡帶發育諸多調節斷層，其斷層落差小而形成濱淺湖沉積區，來自魯西隆起的碎屑物質不斷推進至此而沉積形成扇三角洲。因此，斷層的活動強度對砂體發育類型具有明顯控制作用。

采用斷層生長指數法研究斷層活動強度，在實際應用中存在一定問題［10］，本文采用斷層活動速率法來判斷斷層的活動強度。斷層活動速率是指某一地層單元在一定時期內，因斷裂活動形成的落差與相應沉積時間的比值［11］。在具體計算過程中，針對上升盤剝蝕的斷層，采用地層厚度加古水深的方法，估算斷層活動速率。

東營凹陷從沙四下至沙三下沉積期，北部陡坡帶斷層活動最為強烈的是陳南斷層，其活動速率均值在130 m/Ma左右(圖3)。陳南斷層的強烈活動造成湖盆沉陷，使陳南斷層的下降盤沉積區一直處于較深水環境，發育了大規模的近岸水下扇沉積。勝永斷層帶是發育在陳南斷層下降盤的次級調節斷層帶，它的不斷活動導致近岸水下扇發生滑塌，并在湖盆深處形成了分散分布的“土豆狀”的滑塌濁積砂體(圖4)。濱南斷層活動速率均值在75 m/Ma左右，其活動強度明顯弱于陳南斷層。因此，濱南斷層下降盤沉積區在沙四下和沙三下沉積期一直處于濱淺湖的沉積環境，發育了辮狀河三角洲。林南斷層活動速率均值在40 m/Ma左右，其下降盤沉積區發育有扇三角洲沉積。由此可見，陳南斷層、濱南斷層及林南斷層的斷層活動強度的差異性造成了砂體發育類型從近岸水下扇、辮狀河三角洲到扇三角洲的不同。

2．3 斷層活動時空差異性對砂體發育的控制

不同樣式的伸展構造控制了斷陷盆地陡坡帶沉積體的類型、展布及其組合特征。同一時期主干邊界斷層的不同位置，沉積物的分布也不同［12］。有學者研究了東營凹陷北部陡坡帶近岸水下扇沉積特征，提出受斷層活動期次和橫向活動差異的影響，東營凹陷北部陡坡帶沙三早、中期近岸水下扇在平面上與剖面上出現不同的疊置特點［13］。

斷層活動強度大的區域沉積相帶寬、砂體分布趨于平鋪;相反，斷層活動強度小的區域沉積相帶窄，砂體分布趨于疊加。通過比較東營凹陷北部陡坡帶沙四上和沙三下近岸水下扇分布特點可以看出:沙四上沉積期近岸水下扇沉積相帶窄，砂體間邊界不明顯、相互疊加，整體呈現連片分布的特點(圖4b)。沙三下沉積期近岸水下扇沉積相帶寬，砂體間邊界明顯，趨于孤立分布(圖4a)。同時，沙四上沉積期陳南斷層西段近岸水下扇沉積相帶寬，而陳南斷層東段的近岸水下扇沉積相帶窄;沙三下沉積期陳南斷層東段和西段近岸水下扇的沉積相帶也存在西寬東窄的特點。沙四上至沙三下沉積期陳南斷層活動強度增大，又由于其為拉張性正斷層，所以伴隨活動強度的增大，其所受拉張作用也會增強。在拉張作用下，斷層上下盤相互背離從而產生更為寬廣的沉積空間，砂體在寬廣的沉積空間中不容易相互疊加而趨于孤立分布。相反，斷層活動性弱，會導致沉積空間狹窄，砂體則容易相互疊加而趨于連片分布。同樣，由于陳南斷層西段活動強度大于東段，導致陳南斷層西段發育的近岸水下扇相帶寬，而東段發育的近岸水下扇相帶窄。

3 溝槽對南部緩坡帶砂體發育的控制作用

溝槽作為物源進入湖盆沉積的入口，對砂體發育具有重要控制作用［14，15］。古溝槽的形成往往是構造抬升期，盆地周緣水流下切的結果［16］。東營凹陷北部陡坡帶發育的古溝槽，前人已進行過大量研究［15～19］，而南部緩坡研究較少。本次研究，通過大量近東西向地震剖面的精細解釋與處理，揭示東營凹陷南部緩坡帶主要發育2種溝槽:斷溝和沖溝。斷溝是由于斷層活動而形成的低洼部位，發育在湖盆邊緣，走向垂直于盆緣或和盆緣斜交，可以引導水系攜帶沉積物進入湖盆發生卸載和堆積。沖溝發育于湖盆邊緣，走向和盆緣垂直，它的形成和水流沖刷密切相關。沖溝在地震剖面上表現為同相軸發生向下彎曲，向兩側可見明顯的上超反射終止現象。而斷溝在地震剖面上表現為地震同相軸的彎曲、錯斷，同時可見充填現象(圖4)。

圖4 斷層與古溝槽控砂作用平面圖(斷層名稱與圖2一致)a．沙三下;b．沙四上;c．沙四下Fig．4 Plane graph on faults and ancient valley-troughs controlling sand bodies(the fault name is the same as Fig．2)a．the lower Sha 3 member;b．the upper Sha 4 member;c．the lower Sha 4 member

依據溝槽的地震反射特征，在東營凹陷南坡識別出多個溝槽。在近東西向切過花10井、金27井、金22井、柳5井、草10井及面29井的地震剖面上識別出了沖溝(圖4)。另外，在柳1井附近發育一條北東走向的小型斷層，其和湖盆邊緣斜交并向湖盆內部延伸，地震剖面上亦具有充填特征，因此該斷層實為一條斷溝。在沙三下和沙四上沉積期，東營凹陷南部緩坡帶古溝槽存在的位置均發育了扇三角洲，在沙四下沉積期古溝槽恰好對應于沖積扇扇根的發育位置(圖4)。沙四下沉積期金27井、金22井、柳5井、草10井發育了沖溝，這些沖溝在沙四上沉積期依然存在。同樣，在沙四上沉積期花10井、金27井、草10井及面29井發育的溝槽對沙三下沉積期發育的砂體也具有明顯控制作用。因此，溝槽的發育具有一定的繼承性，這種繼承性也導致了扇體在沙四至沙三段的疊置。

4 東營凹陷深層砂體發育模式

4．1 局部模式

通過對東營凹陷深層砂體空間發育規律研究，揭示斷層與古溝槽對砂體分布的控制作用主要通過5種方式，進而建立了5種模式:沖溝控砂模式、斷層控砂模式、斷—溝控砂模式、斷—斷平行控砂模式、斷—斷相交控砂模式(圖5)。沖溝控砂模式在東營南部緩坡表現的尤為明顯，控制了沙三至沙四沉積期的主要物源方向，并具有良好的繼承性，典型實例為金家地區(圖5a)。當斷層與盆地邊界大角度相交，在剝蝕改造下能成為物源供給通道，控制砂體發育位置，即構成斷槽控砂模式，典型實例為柳1井區(圖5b)。當斷層與古溝槽共同控制砂體發育時，即形成斷—溝控砂模式。典型實例為樂安地區，石村斷層下降盤一側有古溝槽，砂體沿溝槽運移并發生卸載時必然受石村斷層的限制，而無法向東側向遷移(圖5c)。斷—斷平行控砂模式主要發育在北部陡坡帶，陳南斷層下降盤發育的近岸水下扇由于次級斷層勝永斷層帶的活動，致使砂體向湖盆深部發生再次運移，從而形成了滑塌濁積扇沉積(圖5d)。斷—斷相交控砂模式主要發育在兩大型斷層交匯處，例如陳南大斷層與青西斷層的交角處，這種砂體規模往往較大(圖5e)。

4．2 綜合模式

從沙四下到沙四上再到沙三下沉積期:氣候由干旱逐步發展潮濕，整個湖盆也從裂陷初期逐步演變到裂陷鼎盛期，水體覆蓋范圍不斷擴大，水深也不斷增加。北部陡坡帶陳南斷層、濱南斷層活動強度大，控制沉積作用明顯。南部緩坡砂體主要受溝槽控制，僅有石村斷層和高青—平南斷層控砂明顯。利津斷層、勝永斷層、博興斷層及陳官莊—王家崗斷層等盡管規模小，但由于多期活動，對砂體沉積也有重要影響［17］。

圖5 東營凹陷構造控砂模式a．沖溝控砂;b．斷槽控砂;c．斷—溝控砂;d．斷—斷平行控砂;e．斷—斷相交控砂Fig．5 Patterns of structures controlling sand bodies in Dongying depressiona．incised valley controlling sand bodies;b．fault controlling sand bodies;c．fault and incised valley controlling sand bodies;d．parallel faults controlling sand bodies;e．intersectant faults controlling sand bodies

通過對沉積期巖相古地理的恢復，結合盆地充填與演化史分析，構建了東營凹陷深層構造—沉積綜合模式(圖6)。東營凹陷在沙四下沉積期以沖積扇沉積為特征，沙四上沉積期以大范圍發育的灘壩為特征，而到了沙三下沉積期則以分散的濁積砂體為特征，這一規律與構造活動密切相關［20］。沙四下沉積期湖盆處于裂陷初期，水體淺且分布范圍有限，導致陸上堆積的沖積扇發育;沙四上沉積期，湖盆裂陷加劇，水體范圍增加且濱淺湖范圍擴大導致灘壩發育;沙三下沉積期，湖盆處于裂陷鼎盛期，水體加深，深湖范圍擴大，灘壩被破壞，砂體進入深湖區沉積，形成了分散的濁積砂。在這個過程中，斷層的活動以及中央隆起帶的形成不斷改變古地貌，引起水體環境的局部變化，也會導致沉積特征的差異。比如沙三下沉積期中央背斜帶的形成，控制了小規模灘壩的沉積。

在湖盆從沙四至沙三的演化過程中，構造控砂作用體現明顯。控砂的構造因素主要有兩個方面:一個是斷層，另一個是古溝槽。陳南斷層下降盤近岸水下扇沉積相帶寬窄的變化，砂體呈孤立或連片分布的特點都和陳南斷層活動強度變化密切相關。陳南斷層、濱南斷層及林南斷層下降盤發育砂體分別近岸水下扇、辮狀河三角洲和扇三角洲，這種砂體發育類型的區別也是由斷層活動強度差異性所致［21］。

圖6 東營凹陷構造—沉積綜合模式a．沙三下;b．沙四上;c．沙四下Fig．6 Comprehensive patterns of structure and deposition in Dongying depressiona．the lower Sha 3 member;b．the upper Sha 4 member;c．the lower Sha 4 member

總之，受構造活動、古氣候、古地貌及物源的影響，東營凹陷沙四下至沙三下亞段的沉積特征表現為:盆地不同部位因構造特征的差異而發育不同的沉積體系;盆地同一部位不同時期因構造強度的差異性，沉積體系也將發生明顯改變。

5 結論

(1)斷層對東營凹陷深層砂體發育具控制作用，特別是北部陡坡帶，斷層控砂尤為明顯，且斷層落差控制砂體發育厚度，斷層活動速率控制砂體發育類型，斷層活動時空差異性控制砂體發育模式。

(2)古溝槽對東營凹陷南部緩坡深層砂體的發育具有明顯控制作用，主要發育沖溝和斷溝2種，以沖溝為主，且溝槽發育具有繼承性，從而導致沙四至沙三段發育的扇體在垂向上疊置。

(3)構造對東營凹陷深層砂體發育的控制具5種模式。垂向上，沙四下沉積期湖盆處于裂陷初期，沖積扇發育;沙四上沉積期，湖盆裂陷加劇，濱淺湖范圍擴大導致灘壩發育;沙三下沉積期，湖盆處于裂陷鼎盛期，深湖范圍擴大，發育大量濁積砂體。平面上，構造活動強度的差異性導致砂體發育類型從北部(陳南斷層下降盤)的近岸水下扇到中部(濱南斷層下降盤)的辮狀河三角洲再到南部(緩坡)的扇三角洲演變。

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