濟陽拗陷青東凹陷反轉構造及其控藏作用

石砥石, 張　聰, 楊貴麗, 張　盛, 劉曉林, 許曉鳳

(1.中國地質調查局 油氣資源調查中心，北京 100029；

2.中國石化勝利油田分公司 地質科學研究院，山東東營 257015； 3. 成都理工大學沉 積地質研究院，成都 610059)

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濟陽拗陷青東凹陷反轉構造及其控藏作用

石砥石1, 張聰1, 楊貴麗2,3, 張盛2, 劉曉林2, 許曉鳳2

(1.中國地質調查局 油氣資源調查中心，北京 100029；

2.中國石化勝利油田分公司 地質科學研究院，山東東營 257015； 3. 成都理工大學沉 積地質研究院，成都 610059)

[摘要]探討渤海灣盆地青東凹陷反轉構造特征、成因及其對油氣成藏的控制作用。通過對區(qū)域構造應力場調查、三維地震構造解釋、構造組合樣式分析、油氣藏特征研究，表明反轉構造是基底斷裂古近紀伸展斷陷期張扭性活動和古近紀末反轉期壓扭性活動疊加的結果，并控制形成了多種類型圈閉。基底斷裂溝通了烴源巖，其古近紀末反轉與烴源巖大量排烴期一致，成為油氣運移的重要通道。

[關鍵詞]青東凹陷;反轉構造;基底斷裂;控藏作用

反轉構造是構造應力狀態(tài)發(fā)生變化，致使斷裂帶活動方式發(fā)生變化而形成的一類重要構造現(xiàn)象，包括正反轉和負反轉構造2種基本類型。中外對反轉構造進行的大量深入研究[1-6]表明，其形成與演化不僅受區(qū)域應力體制轉變的控制，還與盆地先存基底構造和斷陷期形成的構造形態(tài)有關。由于其獨特的構造發(fā)育過程和特有的油氣聚集條件，在油氣勘探中受到高度重視。大量油氣勘探實踐已證實，正反轉構造的石油地質條件優(yōu)于負反轉構造。

渤海灣盆地是中國東部十分重要的新生代斷陷盆地。其南部濟陽拗陷東側的青東凹陷近年來油氣勘探不斷取得突破，其中發(fā)現(xiàn)了眾多與反轉構造有關的含油氣構造帶。這些反轉構造多表現(xiàn)為構造高帶，是油氣聚集的有利場所。但是，由于其地質結構的復雜性，目前人們對其構造特征、形成時間和形成機制尚不十分清楚，特別是對該類構造的油氣成藏機理研究程度較低。由于對這些基本地質條件認識不足，一定程度上影響了該地區(qū)的油氣勘探進展。本文在對該地區(qū)新生代構造演化規(guī)律的研究基礎上，揭示這類反轉構造形成演化過程，并對其油氣成藏條件進行深入分析，對于認識渤海灣盆地相似的構造現(xiàn)象及下一步的勘探都具有重要的意義。

1地質概況

青東凹陷是濟陽拗陷東側發(fā)育的一個新生代盆地，其盆地結構特征與渤海灣盆地其他凹陷類似，表現(xiàn)為由伸展性正斷層控制形成的古近紀斷陷沉積以及其上新近系—第四系披覆式拗陷沉積。剖面上青東凹陷表現(xiàn)為“東斷西超，南北雙斷”的構造格局，具有典型的伸展型斷陷盆地特點。盆地東部邊界為北北東向郯廬斷裂帶西支斷層在渤海的延伸段，平面上由4條左階式雁列式斷層組成，與濰北凸起相鄰。其西南部通過多條北西—北西西走向、呈帚狀排列的青東4斷階帶與東營凹陷的青南洼陷相隔。該凹陷北部為墾東凸起，而西部過渡為青坨子凸起。盆地內部表現(xiàn)為受北西—北西西向和近東西向斷層分隔并相間排列的隆起和洼陷，其中主要正向構造單元包括墾利20-1構造帶、墾利20-3構造帶、青東12構造帶、青東30構造帶和青東11構造帶等(圖1)。這些構造單元多表現(xiàn)為反轉構造特征，其中的一些鉆井獲得高產油氣流，顯示其具有良好的油氣勘探潛力。

圖1　青東凹陷構造單元劃分Fig.1　Tectonic units of the Qingdong sag

據(jù)鉆井與一系列地震剖面揭示，青東凹陷內新生界自下而上發(fā)育古近系孔店組、沙河街組、東營組及新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系平原組。其中沙四段下亞段和沙四段上亞段之間(T7)、古近系和新近系之間(T1)為區(qū)域性不整合面，從而形成了3個構造層，即孔店—沙四段下亞段下構造層、沙四段上亞段—東營組中構造層和新近系上構造層[7]。目前研究區(qū)主要勘探目的層為沙河街組，沙四段和沙三段廣泛發(fā)育的湖相暗色泥巖為研究區(qū)主要的烴源巖層。

2反轉構造特征及成因

2.1反轉構造幾何學特征

青東凹陷內部多處發(fā)育反轉構造，在凹陷中表現(xiàn)為隆起的構造高帶，也稱之為凹中隆構造。其中較為典型的反轉構造包括墾利20-1構造、墾利20-3構造、青東30構造、青東12構造和青東11構造帶(圖2)。研究區(qū)的反轉構造在剖面和平面上具有十分相似的幾何學特征(圖1，圖2)，均存在1條切穿中生界基底的主干深斷裂。剖面上，主斷裂與次級斷裂皆為正斷層，共同組合形成向下收斂、合并的似負花狀構造特征，表明基底斷裂存在張扭性活動；構造帶內的基底主干斷層呈陡立或犁形，古近系均遭受不同程度的變形而成背形狀。在背形構造內部斷裂發(fā)育，地震反射雜亂，其中古近系和新近系之間為角度不整合接觸。平面上，主干基底斷層均為北西—北西西向或北北東向展布的較大型斷層，多條斷層組合形成右階雁列式構造或與次級小斷層斜交成“入”字形構造。這些構造帶剖面上的斷層組合特征以及平面上斷層組合和派生構造均顯示其北西—北西西向和北北東向的基底斷層在古近紀為張扭性活動的特點，而背形構造的出現(xiàn)又指示后期發(fā)生壓扭性活動的疊加。

2.2反轉構造成因分析

在渤海灣新生代盆地中普遍發(fā)育背形負花狀構造。對于其成因，前人存在著不同的認識。一些學者認為它們是正斷層活動而形成的牽引構造[8,9]，也有學者認為其形成可能是斷層張扭性和壓扭性活動復合的結果[10-13]。筆者認為這類現(xiàn)象的形成與研究區(qū)新生代構造演化和基底構造發(fā)育密切相關，其形成是基底斷層在古近紀盆地斷陷期張扭性活動和古近紀末期反轉階段壓扭性活動疊加的結果，并在新近紀穩(wěn)定成型，屬于正反轉構造(圖3)。

圖2　青東凹陷反轉構造剖面特征Fig.2　Profile characteristics of the inversion structures in the Qingdong sag(剖面線位置見圖1，Tr為新生界底面)

圖3　青東凹陷反轉構造形成模式Fig.3　Formation modes of the inversion structures in the Qingdong sag

目前青東凹陷共發(fā)育北西—北西西向、東西向和北北東向3組斷裂系統(tǒng)。其中北西—北西西向和北北東向斷層多切穿中生界基底，常分布在下構造層中。而中構造層發(fā)育大量近東西向正斷層[7,14-16]。前人研究表明[17-24]，濟陽拗陷發(fā)育大量北西—北西西向基底斷層，它們應起源于中生代印支期華北板塊與華南板塊碰撞過程的前陸變形。而以郯廬斷裂帶為代表的北北東向斷裂系統(tǒng)則源自于晚侏羅世太平洋區(qū)大洋板塊(Izanagi板塊)發(fā)生斜向俯沖過程中形成的左行平移斷裂系統(tǒng)[25-29]。因此，青東凹陷北西—北西西向和北北東向兩組斷層屬于基底斷層(圖4-D)。古近紀斷陷盆地發(fā)育期，這兩組基底斷裂復活并控制了早期的沉積格局，在隨后的斷陷活動中逐漸消失或停止活動；而中構造層大量發(fā)育的近東西向正斷層為古近紀期間新生斷層(圖4-A、B、C)。

青東凹陷以發(fā)育伸展型構造為主，其古近系發(fā)育大量近東西向正斷層指示古近紀斷陷盆地發(fā)育期應是近南北向的伸展應力狀態(tài)。近年來關于研究區(qū)所處的渤海灣盆地和華北克拉通東部的應力場研究也表明[30,31]，古近紀該區(qū)域表現(xiàn)為南北向的區(qū)域伸展應力狀態(tài)。正是在此應力作用下，先存基底斷層由于其較低的強度，首先復活并控制了早期的沉積格局。由于這些基底斷裂走向與區(qū)域伸展應力方向不垂直，一方面由于處于不利的拉伸方位其活動會減弱或停止，另一方面則會發(fā)生斜向伸展活動，即北西—北西西向基底斷層和北北東向的郯廬斷裂帶分別發(fā)生具有左行和右行平移分量的張扭性活動。其中以郯廬斷裂帶為代表的北北東向基底斷裂在電法及地震剖面上都顯示為一條完整的、切割較深的大型平直斷裂，而青東凹陷西界上的郯廬斷裂帶是不連續(xù)的右階雁列狀(圖4)。這實際上是深部郯廬基底斷裂在右行張扭性活動下于淺部派生新生的雁列狀斷裂，剖面上則出現(xiàn)了負花狀構造現(xiàn)象(圖2-C)。北西—北西西向斷層則表現(xiàn)為左行張扭性活動，平面上派生左階雁列式斷層，剖面上亦出現(xiàn)了負花狀構造現(xiàn)象(圖2-A、B、D、E)。

古近紀末，由于受西太平洋板塊俯沖和印度板塊碰撞擠出作用的影響，整個渤海灣地區(qū)應力狀態(tài)由伸展轉變?yōu)榻鼥|西方向的擠壓[32-36]，造成了區(qū)域性的盆地反轉。早期較大型的正斷層會發(fā)生上沖或壓扭性的活動，并伴生褶皺現(xiàn)象。青東凹陷反轉構造帶內古近系均發(fā)生褶皺而成為背形，并被新近系角度不整合覆蓋，說明其背形形成于古近紀末反轉階段。這些反轉構造均發(fā)育在強度較低的大型斷裂上，構造帶內斷層在剖面上均表現(xiàn)為正斷層現(xiàn)象，表明這期區(qū)域性的擠壓活動在青東凹陷表現(xiàn)得并不強烈，反轉上沖分量小于伸展期正斷分量，并未將伸展期似負花狀構造完全改造。新近紀時由于巖石圈熱沉降作用，整個渤海灣盆地進入拗陷階段，青東凹陷內部構造活動趨于平靜，古近紀末形成的反轉構造基本穩(wěn)定。

根據(jù)本次的詳細研究，認為青東凹陷內的復合型花狀構造是兩期構造演化疊加的結果，其形成過程經歷了古近紀伸展期的似負花狀構造形成階段和古近紀末反轉期背形構造形成階段(圖3)。古近紀斷陷期，一些基底斷裂在南北向應力作用下以斜向拉張的形式復活，在其張扭性活動過程中形成了似負花狀構造。古近紀末期，應力性質由南北向拉張轉變?yōu)楸睎|東—南西西向擠壓。在區(qū)域擠壓應力作用下，一方面早期形成的負花狀構造帶內一些大型基底斷裂會發(fā)生壓扭性的平移活動，另一方面巖層受壓上拱彎曲造成了古近系的背形構造，在擠壓抬升過程中地層會遭受剝蝕，地層受壓封閉性增強。由于此次反轉上沖活動主要利用先存較大型斷裂再活動，斷裂的反轉上沖活動分量小于伸展期的正斷分量，因此剖面上基本上未出現(xiàn)上沖斷裂現(xiàn)象，斷裂仍保留了正斷層現(xiàn)象，結果就出現(xiàn)了似負花狀構造和反轉期背形構造疊加的現(xiàn)象。總之這期反轉構造作用遠低于伸展構造作用，因此保留了早期伸展型的構造形態(tài)，但背形是擠壓反轉的直接結果。

圖4　青東凹陷新生代反射層構造圖Fig.4　The Paleogene reflection structure maps of the Qingdong sag(A)館陶組上段底面；(B)沙三下亞段底面；(C)沙四上亞段底面；(D)孔店組底面

3反轉構造控藏作用分析

在目前青東凹陷發(fā)現(xiàn)的各類圈閉中，反轉構造帶內的圈閉中油氣成藏條件最為有利。已進行勘探的墾利20-1、墾利20-3、青東12、青東30和青東11等構造帶均有商業(yè)性油氣發(fā)現(xiàn)。總結這些反轉構造與油氣成藏的關系，其對油氣成藏的控制作用主要表現(xiàn)在4個方面。

3.1反轉構造早期斷陷活動控制烴源巖分布

青東凹陷構造高部位的鉆探資料表明，沙四段上亞段、沙三段下亞段及中亞段的暗色泥巖十分發(fā)育，約占地層厚度的80%(表1)。對墾利20-1構造帶3口鉆井烴源巖樣品的有機碳含量、生烴潛量及巖石熱解等數(shù)據(jù)分析表明[37，38]，沙四段和沙三段為好—非常好的烴源巖。例如位于青東12構造帶的青東12井的地球化學分析表明，其沉積有機質既有低等水生物來源，也有陸源高等植物，有機質豐度以沙四段和沙三段最好，干酪跟類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，少量Ⅱ2型和Ⅲ型，總有機碳含量(TOC的質量分數(shù)：wTOC)一般為>1.5%，生烴潛量(S1+S2的質量分數(shù))最高可達22.84‰。而孔店組—沙四段下亞段為一套未證實的烴源巖層系，少量鉆井的地化數(shù)據(jù)顯示其烴源巖wTOC平均僅為1.06%，生烴潛量平均為2.24‰，生油潛力較小。

表1　青東12井暗色泥巖厚度統(tǒng)計

由于反轉構造帶基底斷裂早期強烈的斷陷活動，導致烴源巖埋深較大，控制形成了巨厚的生烴洼陷。沙四段、沙三段下亞段和中亞段的烴源巖已進入低熟—成熟期，達到了研究區(qū)的生烴門限(埋深為2.2km)，具有較強的生烴能力[37]。對比分析青東凹陷反轉構造高帶內的烴源巖發(fā)育特征發(fā)現(xiàn)，其主力烴源巖為沙四段、沙三段下亞段和中亞段，均具有有機質豐度高、類型好和生烴能力強的特點(表2)。

3.2斷裂溝通油源使反轉構造帶成為有利油氣運聚區(qū)

反轉構造帶的大型斷裂多為凹陷內次級構造單元的邊界斷裂，具有強烈的同沉積活動特征。研究區(qū)烴源巖的規(guī)模、展布、有機質類型及其熱演化程度與這些大型斷裂的活動規(guī)律存在密切關系。在早期斜向伸展過程中，這些大型基底斷裂發(fā)生強烈的垂向斷陷活動，控制了生油洼陷的形成，為反轉構造帶提供了充足的油氣來源。古近紀末期，由于基底斷裂的壓扭性活動，形成反轉構造高帶，同時由于反轉構造往往位于2個生油洼陷的結合部位而具有雙源供烴的優(yōu)勢[38]。新近紀拗陷階段，這些大型斷裂由于規(guī)模大、強度低，仍表現(xiàn)為強烈的構造活動。在烴源巖成熟排烴期，這些斷裂表現(xiàn)為開啟的相對低勢區(qū)，成為油氣向構造高帶更低勢的圈閉的運移通道。墾利20-1構造帶的油氣主要來源于凹陷北部深洼帶的沙四段和沙三段烴源巖，油氣主要通過北側的油源斷層與構造高帶接觸，側向、垂直運移至反轉構造高帶(圖5)[39,40]。

3.3反轉構造影響儲蓋組合條件

儲層和蓋層的發(fā)育程度決定了油氣藏的分布。青東凹陷在古近紀沉積時的物源供應充足，各時期不同類型砂體相互疊置，儲層非常發(fā)育。主要的儲層為沙四段和沙三段，主要沉積類型為扇三角洲前緣和河口灘壩沉積。反轉構造高帶的基底主斷裂多構成沉積相帶之間的分界，斷裂對沉積起著控制作用，早期斷裂活動形成的地形陡坡帶地貌控制了沉積體系的發(fā)育。古近紀早期水體變深，在陡坡帶上部主要發(fā)育濱淺湖的砂質灘壩沉積，下部發(fā)育深湖相泥質沉積；晚期構造帶抬升，水體變淺，沉積物供應充足，發(fā)育辮狀河三角洲沉積體系。由于反轉構造帶埋藏淺、構造活動較強等原因導致構造帶內地層成巖作用弱，砂巖物性較好，孔隙類型以原生孔隙為主。儲蓋方式為三角洲前緣砂體、河口壩和湖湘泥巖相互疊置沉積，泥巖既是烴源巖又是蓋層，形成了良好的生儲蓋組合[40]。

總之，由于反轉構造帶內大型斷裂形成的時間早、切割較深，且平面上延伸距離長，既有利于溝通深部油氣向斷裂鄰近的構造高帶運移，也利于溝通深凹帶油氣向斜坡帶運移。

表2　青東凹陷反轉構造帶烴源巖有機質豐度評價

3.4反轉構造形成多種類型有效圈閉

青東凹陷反轉構造帶是基底斷裂長期構造活動的產物，在其構造演化過程中形成了多種類型的圈閉(圖6)。早期由于基底斷裂張扭性活動使構造帶復雜而破碎，切割形成了大小不一的斷塊、斷鼻型圈閉。由于構造帶下部為古潛山凸起構造，在基底斷裂及其派生斷層活動過程中會形成斷塊-潛山型圈閉或潛山塊狀圈閉。古近紀末期構造帶發(fā)生反轉，并遭受擠壓抬升，基底斷裂壓扭性活動，形成了一系列壓扭性圈閉。同時由于構造帶的抬升，在構造斜坡部位可能形成地層超覆和巖性圈閉。古近紀末期構造反轉期之后，盆地進入拗陷階段，并形成了區(qū)域性角度不整合面(T1)，在不整合面之下形成了披覆背斜和不整合遮擋型圈閉。

圖5　青東凹陷油氣運移方向示意圖Fig.5　Sketch map showing the migration directions of the oil and gas in the Qingdong sag

圖6　青東凹陷反轉構造帶成藏模式Fig.6　Hydrocarbon accumulation models in the inversion structural belt of the Qingdong sag

地化分析結果表明，在現(xiàn)今埋深約為2.2 km的烴源巖開始成熟排烴。盆地模擬結果顯示，凹陷有機質成熟期為沙一段—東營組沉積時期，大量排烴期為館陶組沉積晚期—明化鎮(zhèn)組沉積時期，而反轉構造帶內圈閉在大量生排烴期之前就已形成[41]。雖然在古近紀末期擠壓抬升階段構造帶會遭受一定的剝蝕、破壞，但新近紀拗陷階段研究區(qū)構造活動較弱，總體上古近紀形成的圈閉保存較好，形成了大量有效的圈閉。這也是青東凹陷內反轉構造帶能夠大量油氣聚集成藏的關鍵。

4結 論

青東凹陷反轉構造帶是分隔洼陷之間的構造高帶，在平面和剖面上具有十分相似的幾何學特征。其形成是由于大型基底斷裂古近紀伸展斷陷期張扭性活動和古近紀末反轉期壓扭性活動疊加的結果，分別經歷了早期似負花狀構造形成階段和晚期擠壓背形構造形成階段。目前勘探證實，研究區(qū)反轉構造高帶控制烴源巖分布，影響儲蓋組合，為油氣成藏提供了十分有利的條件。反轉構造高帶內大型基底斷裂表現(xiàn)為長期的繼承性活動，一方面溝通油源，成為油氣從旁側深洼區(qū)向構造高帶內運移的通道；另一方面由于其強烈活動而控制形成了多種類型圈閉，為晚期油氣聚集成藏提供了必要條件。

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[第一作者] 田仁飛(1983-)，男，博士，副教授，研究方向：石油地球物理勘探, E-mail:tianrenfei08@cdut.cn。

Inversion structures and their oil accumulation-controlling in

Qingdong sag, Jiyang Depression, Shandong, China

SHI Di-shi1, ZHANG Cong1, YANG Gui-li2,3,

ZHANG Sheng2, LIU Xiao-lin2, XU Xiao-feng2

1.Oil&GasSurvey,ChinaGeologySurvey,Beijing100029,China;

2.GeoscienceResearchInstituteofShengliOilfieldCompany,SINOPEC,Dongying257015,China;

3.InstituteofSedimentaryGeology,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

Abstract:The paper discusses the inversion structural characteristics, the genesis and the control on the oil and gas accumulation of the Qingdong sag in Bohai Bay Basin. Through the survey of the regional structure stress field, the interpretation of seismotectonics, the analysis of the structural patterns and the research of the oil and gas reservoir characteristics, it is found that the inversion structure is the result of the tension-torsion movement of the basement faults at the extension fault-depression stage of Paleocene and the compression-torsion movement at the inversion stage at the end of Paleocene, and hence controls and forms different types of traps. As the Paleocene inversion movement of the basement faults connected with the hydrocarbon source rocks is consistent with the massive hydrocarbon expulsion period, the basement faults are the main paths of the oil and gas migration.

Key words:Qingdong sag; inversion structure; basement fault; oil accumulation-controlling

[基金項目]國家自然科學基金資助項目(41304080, 41274128)。

[收稿日期]2014-06-12。

[文章編號]1671-9727(2015)06-0683-09

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2015.06.06

[文獻標志碼][分類號] TE122.321 A