遼東灣拗陷新生代斷裂特征及其對油氣的控制作用

賈 楠, 劉池陽, 周立宏,肖敦清,黃 雷,張東東

(1.遼寧工程技術大學 礦業學院,遼寧 阜新 123000; 2.中國石油大港油田公司,天津 300280;3.西北大學 地質學系,陜西 西安 710069)

遼東灣拗陷斷裂構造極其發育,分布廣泛，活動期次多,東、西部斷裂構造特征、性質、活動屬性及強度等有別[1-3]。加之,中國東部著名的深大斷裂——郯廬斷裂在遼東灣拗陷穿過,且中東部諸多構造帶本身就是郯廬斷裂帶的組成部分,構造活動尤為強烈[4]。在新生代盆地同裂谷發育期間,郯廬斷裂帶發生多期伸展、走滑活動,極大地影響了盆地的構造特征及演化[5-6]。這一構造演化背景造成了盆地內部發育豐富且典型的伸展及走滑-伸展復合構造變形行跡，也使該區成為開展以上相關斷裂構造變形特征及油氣賦存效應等問題研究的良好場所[1-7]。目前,國內外學者對該斷裂帶不同時期的構造屬性[8-9]、變形樣式[10-13]、控盆模式[6]及動態演化過程[14-19]的研究,已取得豐碩成果，認為斷裂構造新生代的活動演變對油氣賦存成藏具有重要的影響[20-25]。然而，關于斷裂構造的發育、活動、演化及其對油氣的控制作用尚不明確,給遼東灣地區油氣地質的勘探帶來極大挑戰。

近年來,隨著油氣地質勘探的深入開展和科技水平的不斷創新,遼東灣地區的三維地震資料連片處理、解釋技術已日趨完善。本文正是基于遼東灣拗陷新近的油氣勘探資料與成果,通過地震資料構造解釋、古地質構造恢復和地質資料綜合分析,對遼東灣拗陷的斷裂特征進行深入剖析,明確其形成、發育及其動態演變的過程,進而探究斷裂對油氣聚集的控制作用,為研究區的油氣地質勘探提供基礎資料與決策依據。

1 研究區地質背景

遼東灣拗陷隸屬于濱太平洋構造域亞洲東部新生代盆地群渤海灣盆地東北部,是下遼河拗陷向海域的延伸,具典型裂谷盆地特征。現今構造格局自西向東可劃分為遼西凹陷、遼西低凸起、遼中凹陷、遼東凸起和遼東凹陷5個次級構造單元,其中凹陷多為箕狀斷陷結構,平面上呈NE向展布(見圖1)。遼東灣拗陷新生代地層自下向上依次發育:古近系孔店組、沙河街組、東營組和新近系館陶組、明化鎮組及第四系平原組。從整體上看,遼東灣拗陷南、北部地層發育有別。古近紀地層在北部發育齊全,南部部分地區缺失沙三段—沙一段。而新近系館陶組和明化鎮組則呈現北薄南厚、北粗南細的特點[19]。這反映了遼東灣拗陷新生代構造變動在空間上的差異。在構造演化與盆地充填上，研究區與整個渤海灣盆地一致,經歷了古近紀裂陷和新近紀拗陷兩個演化階段[15-18],發育同裂陷期沉積和裂后拗陷期沉積兩個沉積序列。基底主要包括太古界和中上元古界的變質巖及花崗巖、古生界碳酸鹽巖和中生界碎屑巖及火成巖；在不同地區，基底的時代和巖性不同。

目前的科學研究及勘探實踐表明[22],遼東灣拗陷共存在8條基底主干斷裂,自西向東依次為遼西一號(F1)、遼西二號(F2)、遼西三號(F3)、遼中一號(F4)、遼中二號(F5)、旅大二號(F8)、遼東一號(F6)、遼東二號(F7)。這些斷裂平面展布特征錯綜復雜,走向多變,優勢走向以NE向為主,不同時期斷裂構造屬性及表現形式有別,凹陷和凸起帶沿著斷裂帶呈NE向條帶狀發育(見圖1)。

2 斷裂發育特征及其成因

2.1 構造樣式及剖面組合特征

伸展活動和走滑活動在盆地中會產生不同類型的構造樣式,如伸展斷層相關的地塹、滾動背斜等,走滑活動相關的花狀構造等;反之,這些不同的構造樣式可以反映出相關斷層所對應的幾何學、運動學特征。研究中,對研究區斷層的相關構造樣式進行識別,繼而通過不同構造樣式所反映的運動學特征來評估研究區斷層的性質。

斷層活動是遼東灣拗陷的主要構造變形,并直接控制了盆地內的構造樣式。研究區因伸展活動和走滑活動同期并存,這些斷層及其控制的構造樣式的幾何學與運動學特征在整個盆地內表現出明顯的時空差異性。其構造樣式主要可劃分為:伸展構造樣式(鏟式正斷層、坡坪式斷層、地塹、箕狀半地塹、鏟式逆牽引);走滑構造樣式(正花狀構造、負花狀構造);伸展-走滑復合構造樣式(半花狀構造、似花狀構造、“Y”字型斷塊),其遼東灣拗陷不同地區的分布有別(見圖2)。

2.2 斷裂發育期次及成因

依據斷裂與兩側沉積地層的切割關系及活動演變特征,將遼東灣拗陷發育的斷裂劃分為:早期伸展斷裂、中期伸展走滑斷裂、晚期走滑斷裂和長期活動斷裂4種類型(見圖3)。不同類型斷裂的發育特征、期次及演變過程與區域構造應力場、周鄰板塊的動力學調整過程有關。

2.2.1 早期伸展斷裂 早期伸展斷裂是指孔店組沉積期—沙河街組三段沉積期末發育形成的斷裂,主干斷裂走向以NNE，NE向為主(見圖1),如遼西一號(F1)、遼西三號斷裂(F3)。其主要分布在遼西凹陷和遼中凹陷斜坡帶,多表現為伸展構造活動屬性,向下斷至前新生界,向上止于東營組底部,對早期斷陷地層的沉積具有明顯的控制作用,形成構造同向或反向斷階帶,分割凹陷基底為多個次級小斷塊,且不同部位發育的斷裂產狀有別(見圖3)。

早期伸展斷裂的形成及活動與古太平洋板塊俯沖方向和速率的多次轉變有關。在古新世至早始新世,板塊運動由原來的NWW轉變為向北運動,平均匯聚速率達7.8 cm/a;中始新世,運動方向轉為NNW向,二者之間的匯聚速率為3.8 cm/a[26]。該俯沖作用引起的弧后擴張,以NW—SE向拉張應力場為主,是中國大陸東部諸多新生代盆地發生廣泛的伸展活動。在該期間,遼東灣拗陷局部地區發生了伸展裂陷作用,沉積充填孔店組—沙四段,盆地總體上表現為初始斷陷結構。始新世中晚期,古太平洋板塊的運動方向再次由NNW向轉變為NWW向,并向歐亞大陸正向俯沖。與此同時,歐亞板塊與印度板塊也發生全面碰撞[26-27],斷裂以強烈的伸展活動為主,盆地的沉積-沉降中心呈NE走向,主干邊界斷裂對沙三段的沉積具有明顯的控制作用。因此，產生NE向的早期伸展斷裂,控制了遼東灣拗陷早期斷陷構造格局。

圖2 遼東灣拗陷典型斷裂構造樣式綜合解析Fig.2 Comprehensive analysis of typical structure styles of the Liaodong Bay depressio

圖3 遼東灣拗陷地質解釋剖面及斷裂類型劃分(剖面位置見圖1)Fig.3 Interpreted seismic profiles across the Liaodong Bay depression showing fault types

2.2.2 中期伸展走滑斷裂 中期伸展走滑斷裂是指沙河街組二段沉積期—東營組沉積期末,盆地經過主力烴源巖發育的始新世沙三期強烈斷陷期后向拗陷期轉變過程中,在區域構造應力場作用下形成的具有走滑性質的伸展斷裂,主干斷裂走向以NE向為主,次級斷裂走向以NE，NNE和近EW向為主。早期NE向伸展斷裂因遭受區域右旋走滑力偶的作用而在早期伸展構造活動的基礎上疊加右旋走滑活動,斷裂延伸遠,連續性好。其中,沙河街組一、二段沉積期,地層沉積厚度較薄,分布較為穩定,斷裂伸展活動較弱;東營組三段沉積期,地層沉積厚度大,斷裂伸展活動強烈,具有較高的沉降速率[15]和斷層活動速率;東營組一、二段沉積期,受郯廬斷裂晚期走滑活動的影響,表現為一定的走滑活動(見圖3),局部地區可見壓扭作用形成的反轉構造[20-21],主要發育在遼中凹陷郯廬斷裂帶內。

中期伸展走滑斷裂的形成發育主要受控于印度板塊與歐亞板塊碰撞的遠程效應所產生的應力場同太平洋板塊俯沖應力的疊加；板塊邊界傳遞到板塊內部的應力作用,使郯廬斷裂的NE和NNE向右旋走滑作用顯著增強,進而在裂陷作用下所形成的伸展斷裂受到右旋走滑斷裂的構造改造變形[15],這可能是遼東灣拗陷乃至渤海海域在漸新世東營組沉積中晚期以來廣泛發育右旋走滑性質斷裂的主要原因所在。

2.2.3 晚期走滑斷裂 晚期走滑斷裂是指盆地在拗陷期形成過程中,于新近紀中晚期(12 Ma)以來,集中發育在中期伸展走滑斷裂帶上的斷裂；其主走滑斷裂一般規模較大,延伸較遠,繼承了東營組沉積中晚期以來的走滑活動性質。斷裂主要走向以NE，NNE和近EW向為主,其中,NNE和近EW向斷裂為主的走滑斷裂活動所形成的伴生次級蓋層斷裂,主要分布于遼東凸起北段地區(見圖4a)。如遼東二號斷裂(F7),主干斷層近于直立插入前新生界,兩側地層厚度相當,對拗陷期的地層沉積沒有控制作用(見圖3)；次級斷裂與主走滑斷裂在平面上的交角,很好地指示為該斷裂活動為右旋走滑活動(見圖4a)。

晚期走滑斷裂的形成及發育主要與印度板塊同歐亞板塊的再次動力學調整過程有關。同時,板內產生的NNE向構造應力場,加劇了郯廬斷裂晚期(12 Ma以來)的右旋走滑活動。對渤海海域影響最為明顯的構造事件是12 Ma以來的加速沉降和渤中地區北西向張家口—蓬萊斷裂強烈活動,淺表層斷層密集發育[7]。

a 600 ms相干切片 b 1 500 ms相干切片圖4 遼東灣拗陷走滑構造帶地震相干切片(切片位置見圖1A)Fig.4 Seismic variance slices across the strike-slip structural belt in the Liaodong Bay depression

2.2.4 長期活動斷裂 長期活動斷裂是指向下切割前新生界,向上斷至新近系內部,具多期活動的基底深大斷裂,其不同活動期構造屬性及表現形式有別。西部地區此類斷裂以多期伸展構造活動為主,如遼西二號斷裂(F2);東部地區早期以伸展構造活動為主,中晚期表現為一定的走滑活動(見圖4b),如遼中二號斷裂(F5),部分地區可見走滑斷裂利用或肢解早期伸展斷裂并對其進行改造的行跡[15]。長期活動斷裂主要發育在凹陷與凸起的交界部位和郯廬斷裂帶內,對遼東灣拗陷含油氣構造或富油氣帶具有明顯的控制作用。

3 斷裂活動特征

3.1 斷裂活動期次的厘定

3.1.1 斷層活動速率反映的斷裂主要活動期 同生斷層活動速率是反映斷裂活動強度和時期的重要指標[28]：選取長期活動的基底主干斷層,依據垂直于構造走向的典型地震剖面的平衡剖面及構造演化綜合分析,求取研究區內各主干斷層的平均活動速率(見圖5a,b)。

斷層活動速率分析表明:遼東灣拗陷的主干斷層新生代活動特征具有明顯的兩期強烈伸展活動,即主要為沙河街組三段沉積期和東營組沉積期,其次為沙河街組一、二段沉積期和新生代早期。不同沉積期各主干斷層活動具有如下特點:于孔店組沉積期至沙河街組三段沉積期末,遼東灣拗陷西部地區的遼西一號(F1)、二號斷層(F2)表現為強烈的伸展活動,而其他的主干斷層伸展活動較弱,差異明顯,最高斷層活動速率可達120 m/Ma,而最低才為10 m/Ma;沙河街組一、二段沉積期,各主干斷層活動速率有所差異,但相對分布較為集中在20～40 m/Ma;東營組沉積期,遼東灣拗陷西部地區的遼西一號(F1)、二號斷層(F2)表現為強烈的伸展活動,但遼西三號斷層(F3)的活動強度較弱,中東部地區其他主干斷層的活動強度變化各異;新近紀以來,遼東灣拗陷中東部地區主干斷層的活動性強于西部地區,尤其是在明化鎮組沉積期,斷層活動強度的差異性表現得更為明顯。

a 主干斷層活動速率 b 計算方法圖5 遼東灣拗陷各主干斷層平均活動速率Fig.5 Main fault average activity rate of the Liaodong Bay depression

3.1.2 盆地伸展變形強度反映的斷裂主要活動期 地質平衡剖面主要構造活動期的伸展率可以做為反映斷裂構造活動強度和活動時期的有效參數,本研究通過垂直于優勢斷裂走向的地質平衡剖面來剖析構造變形過程。從各主干剖面求取的伸展率表明(見圖6),遼東灣拗陷新生代的構造演化過程中存在兩期強烈的伸展活動,即沙河街組三段沉積期和東營組沉積期,盆地平均伸展率可達4.5%和3.2%,為斷裂主要伸展活動期,這也與上述主干斷層平均活動速率分析相一致；不同地區差異明顯,整體表現為南強北弱的伸展活動特點。

圖6 遼東灣拗陷典型地質剖面不同時期伸展率Fig.6 The extension rate of typical geological section in the Liaodong Bay Depression

3.2 斷裂活動演變的過程

古地質構造恢復是探索含油氣盆地構造特征及演化的有效手段之一,它不僅能復原盆地每個階段的構造形態和變形樣式,還可以描述構造活動的性質和演變過程。本研究利用主干地震剖面制作平衡剖面來解析遼東灣拗陷斷裂及其組合的主要形成期與動態演變過程。

平衡剖面復原的結果揭示(見圖7),遼東灣拗陷斷裂及其組合構造主要形成期為新生代早期、沙河街組三沉積期、東營組沉積期和新近紀中晚期,不同時期的斷裂及其組合特征及活動屬性有別。

圖7 遼東灣拗陷構造演化剖面(剖面位置見圖1?)(據文獻[19]修改)Fig.7 Tectonic evolution section of the Liaodong Bay depression

新生代早期(65～42 Ma B.P),主干斷層表現為伸展構造活動,西部地區伸展活動較東部地區明顯,遼西一號斷層(F1)控制早期斷陷地層的沉積,遼西凹陷表現為東斷西超的箕狀斷陷結構;東部地區遼東凸起尚未存在,遼中凹陷與遼東凹陷相連為“古遼中凹陷”,遼中一號斷層(F4)具伸展構造活動屬性,遼東一號斷層(F6)并未活動。

沙河街組三段沉積期(42～38 Ma B.P),主干斷層仍表現為強烈的伸展活動,東西部地區接受較厚的沙三段沉積,“古遼中凹陷”的延展范圍較之前明顯擴大,與遼西低凸起和遼西凹陷構成兩凹-凸的構造格局。沙三期末為關鍵構造變革界面,該界面之下,表現為箕狀半地塹結構;該界面之上,表現為斷拗轉換特征的拗陷結構。

值得一提的是,于沙河街組三段沉積期后,因主干斷層差異活動改造和兩盤垂向快速升降的控制,今遼東凸起顯現,將早期的沉積-沉降格局肢解；遼東凸起上沙河街組三段及之下地層沉積較厚,但部分地層后期抬升,遭受不同程度的翹傾剝蝕。

東營組沉積期(32～24 Ma B.P),主干斷層表現為伸展兼右旋走滑活動,東部地區,斷裂活動屬性及表現形式較西部地區存在較大的差異,且同一斷裂不同段的活動特征有別。西部地區仍表現為以伸展構造活動為主,然而,東部地區不僅走滑活動跡象明顯,局部地區還存在花狀構造和正反轉構造。有關該反轉構造的特征及形成機制已有諸多論述[20-21],在此不再贅述。

新近紀中晚期(12 Ma B.P),東部地區主干斷層表現為走滑活動,部分地區表現為晚期的走滑斷裂利用或肢解早期的伸展斷裂,也有一部分地區表現為主干斷層近于直立地插入前新生界,派生出一系列的次級斷層。這些地質構造現象亦為該地區晚期強烈走滑活動的表現。

4 斷裂形成及演化改造對油氣聚集的控制作用

4.1 斷裂活動對圈閉形成的控制

遼東灣拗陷斷裂差異活動除對油氣聚集成藏起垂向疏導運移作用外,在圈閉的形成方面也有至關重要的作用。該地區的圈閉發育類型主要以構造圈閉為主,包括斷塊、斷背斜、半背斜、披覆背斜、斷鼻、古潛山圈閉等(見圖8)；在這些圈閉形成的因素中,斷裂及其組合構造起著重要的控制作用,無論是與斷裂直接有關的斷塊圈閉,還是間接相關的斷鼻、斷背斜、披覆背斜圈閉等都離不開斷裂的多期活動及組合構造。從圈閉的分布層位來看，其多集中在沙二段至館陶組,新近系明化鎮組也有所分布,主要以斷塊、斷背斜圈閉為主,深部有古潛山圈閉的分布(見圖8)。遼東灣拗陷西部地區控凹斷裂和中東部地區的郯廬斷裂對圈閉的形成與分布具有明顯的控制作用,斷裂伸展活動所形成披覆背斜、斷背斜的軸向展布平行于主斷裂走向;斷裂走滑活動所形成的半背斜、斷鼻軸向與其呈一定的角度相交,尤其是郯廬斷裂的多期活動及其演變特征、表現形式的復雜性,成就了研究區內圈閉分帶的多樣性。

4.2 斷裂發育與油氣聚集的時空耦合匹配

遼東灣拗陷作為渤海海域重要的油氣富集區,為新生代斷陷改造盆地,其古近系所發現的油氣與斷裂密切相關。目前，遼東灣拗陷新近系油氣尚未取得規模發現,而渤中地區淺層油氣占渤海海域油氣發現的一半以上,這多與新近系分布的密集斷裂系統有關。在斷裂發育的含油氣構造帶,斷裂的多期活動演變對油氣的運聚成藏具有重要的控制作用。

上述分析研究表明,遼東灣拗陷主要發育4種類型的斷裂構造:早期伸展斷裂、中期伸展走滑斷裂、晚期走滑斷裂和長期活動斷裂。

其中,長期繼承活動的主干斷層很好地溝通了油源,直接或間接充當了油氣垂向運移的有效通道,并與主干斷層兩側的砂體有效配置,有利于油氣從烴源巖到儲集層的運移聚集。主干斷層活動期間所產生的次級斷層多向下斷至主力烴源巖發育的沙河街組三段內部,具轉換調節斷層的特點,較好地溝通了油源,使遠離主干斷層的油氣沿這些次級斷層向儲集層運移聚集成藏。如JX1-1含油氣構造區的遼中一號斷層(F4),早期控制主力烴源巖發育的沙河街組三段沉積,具多期活動(沙三期至新近紀早期)特點,斷開層位多(沙三段至新近系),切割深;其晚期被郯廬斷裂利用或肢解改造,與之產生的次級斷層及砂體、不整合面的時空耦合,構成油氣運移聚集的良好通道(見圖9a)。

前已論及,遼東灣拗陷諸多地區斷裂在剖面的組合樣式以“Y”字型構造和似花狀構造為主(見圖2)。主干斷層表現為鏟式伸展斷層或近直立的走滑斷層,分支表現為伸展活動或走滑活動形成的次級伴生斷層向下收斂于主干斷層,向上發散撒開。該類斷層組合通常形成斷塊、斷背斜等構造圈閉(見圖8)。主干斷層為長期活動的同沉積斷層,且溝通油源,與其下降盤的次級斷層相互搭接組合成“Y”字型構造樣式,多發育與凹陷與凸起的結合部位或郯廬斷裂帶內,無論是在古近系的斷塊、披覆背斜圈閉,還是古潛山斷塊圈閉均有較好的油氣發現(見圖9b),已被勘探實踐所證實[22]。

通過對遼東灣拗陷典型油氣分布地區的斷裂發育與油氣聚集成藏的分析可知,這些斷裂在油氣聚集成藏的過程中最關鍵的作用是直接或間接地溝通了油源，成為油氣垂向運移的有效通道。斷裂不同時期的差異活動較好地促進了油氣的垂向運移及封閉保存。總而言之,斷裂的發育與該地區油氣聚集成藏具有良好的時空匹配,是積極有利的。

圖8 遼東灣拗陷構造圈閉模式圖及主控因素Fig.8 Structure traps and main factor in the Liaodong Bay Depression

5 結 論

1)遼東灣拗陷新生代發育諸多伸展-走滑雙重構造,斷裂分布廣泛,多種構造樣式相鄰同存。其主要發育4種類型斷裂:早期伸展斷裂、中期伸展走滑斷裂、晚期走滑斷裂和長期活動斷裂。

2)其主要有3期斷裂活動,具明顯的繼承性：新生代早期至沙河街組三段沉積期末(38 Ma),主要形成NE，NNE向伸展斷裂;東營組沉積期,在早期伸展活動下疊加右旋走滑活動;新近紀中晚期(12 Ma以來),NE向斷裂再次發生右旋走滑活動,同時形成NE，NNE和近EW向次級斷裂。

3)斷裂的形成和演化對油氣的生成、運移和聚集具有明顯的控制作用。其構造演化過程中所發生的構造改造作用,肢解和改造了前期的沉積沉降格局,在富烴凹陷中新形成的斷凸和與之相伴而生的良好儲層,加上高角度斷層對油氣運移的直通道作用,構成了凹中隆油氣賦存成藏的極好配置和優越條件。

圖9 遼東灣拗陷斷裂與油藏關系(剖面位置見圖1? 、?)Fig.9 The relationship of fault and reservoir in the Liaodong Bay Depression