南堡3號構造沙一期斷裂活動特征及控砂作用

周延豪， 楊少春， 馮建偉， 蘭志勤， 張博明

( 1. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島　266580；　2. 山東省煤田地質規劃勘察研究院，山東 泰安　271000；　3. 中國石油冀東油田分公司 勘探開發研究院，河北 唐山　064300 )

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南堡3號構造沙一期斷裂活動特征及控砂作用

周延豪1， 楊少春1， 馮建偉1， 蘭志勤2， 張博明3

( 1. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島266580；2. 山東省煤田地質規劃勘察研究院，山東 泰安271000；3. 中國石油冀東油田分公司 勘探開發研究院，河北 唐山064300 )

南堡凹陷古近紀斷裂活動控制局部構造帶的形成及沉積砂體的展布。在三維地震與測井解釋基礎上，采用分段評價方法，應用生長指數、古落差方法,研究南堡3號構造沙河街組沉積時期斷裂活動演化特征及其控砂作用。結果表明：以沙一期為界，研究區經歷兩期伸展變形，分別為NW-SE與S-N向，伸展轉折期為沙一下亞段，使EW向斷裂逐漸增多；沙一期斷裂活動強度呈現由強到弱變化趨勢，不同時期區域斷裂活動呈北強南弱的分區分帶特征；西南部屬于斷裂特殊活動區域，應力狀態獨特，發育斷裂調節帶，沙一末期古地貌呈凹隆斜相間，對沉積作用具有導向意義，砂體堆積特征受地貌及斷裂活動控制明顯。該研究結果對類似構造帶研究、南堡凹陷后續油氣藏勘探具有參考意義。

南堡3號構造； 分段評價； 斷裂活動演化； 兩期伸展變形； 斷裂調節帶； 古地貌

0　引言

南堡凹陷屬于中國東部渤海灣盆地內黃驊坳陷北部的一個次級構造單元，總體呈北斷南超的箕狀結構，其演化發展受控于北部三條盆緣同沉積大斷裂[1]，內部構造帶的分布格局與斷裂相關。古近紀，凹陷進入裂陷階段，構造活動強烈，發育大量正斷層，斷裂成為南堡凹陷構造活動的主要表現形式。斷裂活動制約南堡凹陷沉積空間的變化，它塑造的特定地貌形態控制沉積物分散體系和砂體展布樣式。人們研究南堡凹陷的裂陷演化與沉積充填[1-5]、斷裂系統成因機制[6-8]、構造樣式及其控油作用[9-13]等整體特征，以及柏各莊、西南莊、高柳等主干級別斷裂的活動性及其對沉積的控制作用[14-16,4]。隨著勘探開發的深入，局部構造帶和低級別斷裂成為增儲上產的重點勘探對象，尋找并預測有利砂體發育區域成為該區進行隱蔽油氣藏勘探的重點；同時，研究局部構造帶斷裂活動特征能夠佐證區域構造演化，也可為深化凹陷整體特征的認識提供理論依據。

斷裂活動強度定量研究方法主要包括生長指數法、古落差法、斷裂活動速率法、滑距分析法、位移—長度關系分析法和高分辨率斷層落差圖技術等[17]。前三種方法[18-26]應用廣泛?；喾治龇╗27]以相當點(未斷前的一個點在兩盤發生相對移動后對應的兩個點[28])間的實際距離(滑距)作為斷裂在某一地質時期的活動量，但相當點在地下難以識別和確定。位移—長度法[29]原理為斷裂的斷距和長度隨沉積時間延長而增加，因此可將兩者沿斷裂走向投影制作出位移—長度圖，分析曲線形態進而獲取斷裂活動信息，該方法亦與相當點有關。由于各層位沉積持續時間(時間因子)難以準確測得，斷裂活動速率法應用受到限制。

筆者以南堡3號構造為研究對象，基于三維地震精細構造解釋及測井評價成果，采用分段評價方法，應用生長指數、古落差方法，分析斷裂活動強度，研究沙河街時期斷裂活動規律，明確斷裂調節帶發育有利部位及斷裂活動塑造的特殊地貌形態，借助古地貌恢復探討斷裂活動與砂體的堆積關系。

1　地質概況

南堡3號構造位于南堡凹陷東南部，北鄰林雀次凹，南接曹妃甸次凹，西南部為緩坡，物源多來自沙壘田凸起(見圖1(a))，持續多變的構造演化使它具備多套生儲蓋組合[4]，成為油氣聚集的較有利場所。通過合成地震記錄標定的精細地層格架、沿層時間切片處理及10余條地震剖面的精細解釋對比發現：區內地層發育較齊全，自下而上依次為古近系的沙河街組(Es)和東營組(Ed)、新近系的館陶組(Ng)和明化鎮組(Nm)、第四系的平原組；地層內斷裂以三、四級為主，走向為NE-EW。文中研究層位為沙河街組一段(簡稱沙一段，Es1)。

圖1　南堡凹陷構造格局(據文獻[7]修改)和地震剖面Fig.1 The tectonic framework of the Nanpu sag (modified by reference [7] ) and seismic profile

根據層序地層學理論，在單井層序劃分的基礎上，結合地震界面反射特征，進行區域連井層序對比，將沙一段自下而上細分為：Es1下(沙河街組一段下亞段，簡稱沙一下亞段)-TST(湖侵域)、Es1下-RST(湖退域)、Es1中(沙河街組一段中亞段，簡稱沙一中亞段)-TST、Es1中-RST；沙一段頂部為東營組與沙河街組間的區域不整合界面。

根據斷裂延伸長度及與層位交切關系，將研究區內斷裂分為大、中、小三類規模：大斷裂延伸長度大于6 km，穿層性強，連續發育；中斷裂延伸長度介于3～6 km，切穿層位較大斷裂少；小斷裂延伸長度短，穿層少，由大、中斷裂派生并與其相交，活動受大、中斷裂控制。平面上，斷裂樣式以平行式、斜交式等相互組合為主(圖1(a))，其中NE向斷裂以同向(NW)傾斜為主，EW向斷裂背向、對向、同向傾斜均有；剖面上，斷裂組合樣式西部以反“y”型、共軛“X”型等為主，東部以階梯狀組合為主(見圖1(b-c))。

2　斷裂活動分析

生長指數為斷層兩側同一地層單元下降盤厚度與上升盤厚度的比值。古落差為某時期的鉛直斷層滑距，可用兩盤同一沉積地層的厚度差表示。在兩盤存在剝蝕的情況下，生長指數計算結果偏大甚至趨近無窮，無法正確體現斷裂活動強度；古落差計算不受剝蝕量影響，能求取兩盤厚度之準確差值，但不能體現斷裂兩盤的差異沉降程度。兩者結合可彌補各自不足，地層厚度與兩盤的垂直斷距關聯緊密，厚度差異可表征某一時期斷裂活動性。文中由斷裂活動與區域活動強度劃分區塊活動；通過差異沉降程度(生長指數)表征同一時期區域活動性，通過古落差比較相鄰時期活動強弱；兩者通過地層厚度資料確保結果的可比性。

根據地震時間剖面，通過層位標定獲得地層厚度，結合時深轉換得到地層深度，由頂底構造面深度相減得到地層厚度。為避免人為誤差，借助Surfer數字化取點功能于斷層兩盤指定位置分別取樣，計算相應生長指數與古落差。取樣遵循原則：(1)沿斷裂延伸方向分段取樣，每段內兩盤各取若干樣本計算平均值；(2)在距斷裂一定距離的穩定地段取樣，減少斷裂牽引或逆牽引造成的層厚變化影響。

圖2　南堡3號構造不同沉積時期斷裂生長指數Fig.2 Histogram of fault growth index at different sedimentary periods in Nanpu No.3 unit

在長期伸展斷陷背景下，南堡凹陷構造反轉期短暫，上升盤厚度往往大于下降盤厚度，生長指數大于1，通過對生長指數進行評判可以分析斷裂演化規律(見圖2)。由圖2可以看出，斷裂生長指數可分為三段：1.00～1.15、1.15～1.35，以及大于1.35，分別對應弱斷裂活動、較強斷裂活動和強斷裂活動，進而反映區域活動演化程度。

3　斷裂活動演化分析

計算沙一期及鄰近時期的生長指數和古落差，將生長指數標在斷裂上盤、古落差值標在斷裂下盤[8]，按照生長指數三段范圍分析南堡3號構造沙一期及鄰近時期斷裂活動演化規律(見圖3)。

Es2(沙河街組二段，簡稱沙二段)沉積時期，南堡凹陷整體處于構造活動相對平靜的過渡期[7]，兩盤落差較小，地層較?。换顒訁^域呈NE-SW向帶狀分布，且由古落差值推測活動強度自NW向SE減弱(見圖3(a))，說明該時期對應斷裂呈NW-SE向伸展。

Es1下-TST沉積時期，兩盤古落差增大，相比沙二段沉積時期區域活動性增強，全區生長指數多大于1.15，處于較強活動范疇?；顒臃植继卣鳛镹E向帶狀，西北部斷裂活動最為強烈，古落差最高達107 m；東南部斷裂活動較弱，古落差小于20 m。地勢由SE向至NW向呈階梯狀降低，為NW-SE向伸展斷裂差異活動所致(見圖3(b))。

Es1下-RST沉積時期，近EW向斷裂數目增多，西南部新生多條平行斷裂，與NE向大斷裂斜交，原有斷裂發生EW向偏轉。該類斷裂處于較強活動范圍，古落差為15～60 m；活動區域轉變為近EW向展布。西北部斷裂活動強度為該區最強，古落差達90 m，東南部NE向斷裂消亡，地勢呈東南高、西北低(見圖3(c))。說明該沉積時期斷裂伸展方向發生偏轉，呈S-N向伸展，偏轉為基底NE向深斷裂右旋走滑所致[24]。

Es1中-TST沉積時期，全區古落差最大為73.3 m，多為20～30 m，區域活動強度呈減弱趨勢；EW向斷裂進一步發育，延伸長度增大，西南部EW向斷裂與NE向斷裂相連；除局部外活動區域呈EW向帶狀展布(見圖3(d))。該沉積時期EW向斷裂橫過中部NE向斷裂，并將它切割；西南部多條斷裂通過小斷裂相連，強弱活動共存為該區斷裂調節帶發育的有利條件。

Es1中-RST沉積時期，斷裂生長指數表明全區活動強度明顯降低，東北及西南部等處于相對較強和強活動范圍，古落差為20～40 m；西南部共存的強弱活動使調節帶持續發育(見圖3(e))。Es1沉積晚期，南堡凹陷整體抬升[30]，沙河街組沉積地層遭受風化剝蝕，缺失沙一上亞段(Es1上)，與上覆東營組呈不整合接觸，這與中國東部漸新世—中新世末期發育的反轉構造[31]有關。

圖3　不同沉積時期斷裂分布及活動特征Fig.3 Distribution and acting features of big and medium faults at each period

Ed3下(東營組三段下亞段，簡稱東三下亞段)-TST沉積時期，南北向伸展作用再次增強，除中部平行斷裂區及南部少數區域外，其他區域斷裂生長指數大于1.15，北部區域活動強度最大，古落差達107 m，北強南弱的活動特點造成地勢呈北低南高(見圖3(f))。南堡凹陷于東營組時期進入裂陷Ⅳ幕沉積時期[3-4,32]，構造沉降加快，伸展速率高于沙一段沉積時期的[12]。

綜上所述，南堡3號構造沙河街組時期經歷NW-SE與S-N向兩期伸展變形，轉折期為沙一下亞段(Es1下)，EW向斷裂開始增多，且原有NE向斷裂末端漸向EW偏轉；Es1時期，在區域應力方向發生偏轉的同時，伸展強度也逐漸減弱，總體上北強南弱的分區分帶特征較為明顯(見圖3(b-e))。此外，自Es1下-RST沉積時期，西南部作為特殊區域，強弱活動共存，應力狀態獨特，發育斷裂調節帶，中、小斷裂較為集中；南部及東南部始終處于弱活動范圍，斷裂活動漸弱或停止，地勢較高。

4　斷裂控砂作用

斷裂活動影響并塑造古地貌，古地貌決定沉積分散體系及砂體展布樣式。選取南堡3號構造西南部區域，分析其斷裂活動與砂體堆積關系。

4.1地貌塑造

受古構造活動影響，產生復雜應力狀態[33]，斷裂之間或其結合部位形成斷距變化，斷裂活動影響區域內地層沉降不均，派生次級小斷裂，進而組合形成斷裂調節帶；在淺層或地表易形成地勢起伏，表現為凸起、褶皺或走向斜坡等復雜地貌[34]。這種由斷裂活動塑造的地貌形態稱為調節帶地貌(或斷裂坡折帶[35])，對沉積物分散和砂體展布樣式研究具有重要意義。

一般情況下，斷裂上盤常發生非均勻沉降，中心部位下降幅度大，向兩端擴展，位移逐漸減小至消失，斷裂停止發展，因此單條斷裂的調節區在半平面上呈斜三角、或在完整平面上呈半橢圓形態。根據斷裂重疊區域比例不同，調節帶呈曲面斜坡或地壘凸起等不同形態。根據研究區斷裂平面、剖面上的組合樣式，刻畫斷裂完全或部分重疊時的立體形態(見圖4)。

圖4　斷裂調節區地貌形態Fig.4 The geomorphology of fault accommodation zone

在兩條同向傾斜斷裂(包含相交或近平行)之間區域，對于其中一條斷裂為下降盤，相對沉降；對于另一條斷裂為上升盤，相對上隆，地貌表現為斜坡形態。在兩條對向傾斜斷裂之間區域，為兩條斷裂共同的下降盤，相對沉降，地貌表現為地塹斜坡形態，部分重疊時，兩斷裂末端連線區相對未沉降，較兩側高，表現為背形斜坡。在兩條背向傾斜斷裂之間區域，為兩條斷裂共同的上升盤，相對隆升，地貌表現為地壘形態，部分重疊時，兩條斷裂末端連線區相對未上隆，較兩側低，表現為向形地壘。

沙河街組時期，南堡3號構造西北部及中部兩條持續活動延伸的NW向大斷裂是半橢圓調節區的典型塑造者，沿兩條斷裂中垂線方向，地勢西北低、東南高；東部的階梯狀及斜交式斷裂組合滿足同向斷裂調節帶地貌發育條件，西部的平面及剖面特征與對向、背向斷裂組合特征匹配。

實際地質體中，在各類斷裂集中發育部位(特別是在強弱活動共存情況下)，斷裂活動對地貌的塑造更加特殊；由于兩盤相對升降幅度不協調，不同部位彼此疊加，不同級別斷裂調節區域的空間形態隨之復雜化，形成凹隆斜相間的獨特構造格局。

4.2控砂作用

由斷裂活動演化可知，南堡3號構造西南部為強弱活動共存部位，中、小斷裂集中，具備凹隆斜相間格局發育條件。結合構造解釋及測井分析資料，應用井震聯合地層恢復法[36-37]，恢復沙一段頂部剝蝕量，以沙一期頂界不整合界面作為約束；根據沉積補償原理，利用原始地層厚度(殘余厚度與剝蝕厚度之和)與地貌的負相關關系重塑沙一末期西南部古地貌形態(見圖5)；根據砂體厚度平面變化特征，分析砂體堆積影響因素。

圖5　Ed3下-TST地層單元沉積砂體厚度等值線及南堡3號構造西南部Es1末期古地貌形態

Fig.5 The paleogeomorgraphy(below one) at the late sedimentary period of Es1and the thickness isogram(above one) of sedimentary sand bodies of Ed3x-TST formation in the southwest of Nanpu No.3 unit

由Es1末期古地貌可見，受持續斷裂活動影響，沿南堡3號構造中部NE向大斷裂，地形發生坡降，南北由斷隆分隔，總體呈南高北低趨勢；大、中斷裂交匯的叉角部位落差大，形成洼槽；在EW向平行斷裂集中發育區，各斷裂兩盤相對升降幅度不協調，不同部位彼此疊加，使所夾斷塊呈走向斜坡、局部凸隆變化，說明在斷裂集中調節的區域地貌呈顯著凹隆斜相間格局。

根據測井約束下的砂體波阻抗反演及20余口井的取心觀察，繪制Ed3下-TST地層單元沉積砂體厚度等值線圖(見圖5(a))。后期砂體展布受地貌特征控制作用明顯：西南斜坡及中部洼槽砂體平均堆積厚度大(大于25 m)，東南部位砂體平均堆積厚度薄(小于13 m)。碎屑體系推進方向(見圖5(b)中紅色箭頭)由南至北，遇中部較高NE向斷隆阻擋，首先于洼槽部位發生沉積，然后匯聚為沿斜坡流動，部分折向東部；在入湖區水動力減弱，碎屑體系發生卸載并堆積，形成沿斜坡的水下扇體，由于砂體厚度大，且受兩側斷面限制，砂體無法側向遷移，沉積呈窄條帶狀展布，屬于典型的斷—溝控砂[38]；進入北部湖盆后，碎屑物減少使砂體厚度變薄，但斷裂突變可誘導較厚濁積砂體堆積。表明斷裂活動塑造地貌，進而影響碎屑物體系的流動與堆積，對沉積作用具有明顯導向意義。

對比Ed3下-TST沉積時期斷裂分布(見圖3(f))與砂體厚度等值線圖(見圖5(a))，后期斷裂活動引起沉積空間變動，造成砂體展布變化。北部區域斷裂活動較強，伸張較均勻穩定，沉積空間廣闊，砂體近于平鋪展布，厚度薄且變化小；中南部差異活動的區域斷裂伸展作用不均勻，使沉積空間狹窄且不斷變動，砂體厚度變化快；東部階梯狀組合斷裂活動使沉積空間在各下降盤位置突變，垂直走向推進的沉積物流在此卸載，砂體呈階梯狀突變。建立南堡3號構造斷裂活動的控砂模式(見圖6)。

圖6　南堡3號構造斷裂活動控砂模式Fig.6 The controlling mode for sand of fault activities in Nanpu No.3 unit

西南部探井油氣顯示明顯高于其他部位探井的，油層厚度最大超過60 m。原因是斷裂的集中發育為油氣由深部向上提供有利運移通道；同時，臨近物源的碎屑體系受導向作用推進而卸載堆積，砂體厚度大，能夠形成有利儲集體，在上覆泥巖蓋層東營組二段(Ed2)[4,39]配合下，形成有效圈閉，適于油氣聚集成藏。

5　結論

(1)南堡3號構造沙河街時期歷經NW-SE與S-N向兩期伸展變形，伸展轉折期為Es1下；沙一時期，區域應力方向在偏轉的同時伸展強度呈現由強到弱變化，每一子時期內區域活動基本為北強南弱的分區分帶特征；受斷裂活動影響，區域地貌呈南高北低；西南部為特殊區域，強弱斷裂活動共存，應力狀態獨特，發育斷裂調節帶，中、小斷裂集中；南部及東南部處于弱活動范圍，斷裂活動漸弱或停止。

(2)單條斷裂上升盤不均一沉降，造成調節區在半平面上呈斜三角形態，完整平面上為半橢圓形態；根據重疊比例不同，兩斷裂間地貌形態可分為曲面斜坡或地壘凸起、凹槽；3號構造東部的階梯狀斷裂組合符合同向斷裂塑造地貌發育條件，西部的EW向斷裂組合特點與對向、背向斷裂發育特征較為匹配；在斷裂集中發育部位，各斷裂兩盤相對升降幅度不協調且不同部位彼此疊加，塑造的調節帶空間形態復雜化，呈現凹隆斜相間共存的獨特格局。

(3)南堡3號構造西南部受斷裂活動影響，呈凹隆斜相間格局：洼槽、凸起、斜坡相間共存；碎屑體系由南向北推進，沉積砂體展布特征受地貌控制明顯，斜坡及洼槽區砂體堆積厚度大，斷裂活動塑造的地貌對沉積作用具有明顯導向意義；斷裂活動引起的局部沉積空間變動影響砂體的展布特征；集中發育的斷裂體系、厚度可觀的砂體及上覆泥巖蓋層使得西南部適于油氣聚集成藏。

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2015-08-17；編輯：張兆虹

國家自然科學基金項目(41572124)

周延豪(1991-)，男，碩士研究生，主要從事構造地質學與油氣田勘探方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.02.004

TE122.1

A

2095-4107(2016)02-0027-09