渤海海域遼北潛山中新生代差異演變與形成機制*

郭 濤 張江濤 王 鑫 張明升 康 琳

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

遼北潛山帶是渤海海域遼東灣坳陷乃至整個渤海油田最重要的油氣富集區，先后發現了錦州25-1南構造、錦州20-2構造、綏中36-1油田、錦州20-2N油田等多個大中型油氣田，累計三級石油地質儲量(油當量)4.73×108t，占整個遼東灣探區油氣總發現的39%，含油層系從太古界基底潛山到新生界儲層均有分布，自南向北實現真正意義上的“滿凸富油”。然而，近年來隨著淺層圈閉逐漸鉆探殆盡，勘探重心逐漸轉移至凸起區深層太古界變質巖潛山，相繼在遼西凸起北段針對錦州25-1南、錦州20-2和錦州25-1北3個高位構造開展了太古界潛山研究，發現了渤海海域首個大型太古界油田錦州25-1南油田，并且在錦州20-2太古界也獲得了良好的油氣發現，但隨后上鉆的JZ25-1N-2井等多口探井及開發井在太古界潛山鉆探失利，3個構造緊鄰且分布于同一構造單元，但太古界油氣富集貧富差異明顯。地震和鉆井資料揭示整個構造區中生界平面差異分布且厚度不一，太古界頂面形態及出露面積相差各異，變質巖儲層內幕裂縫走向及發育程度各不相同，意味著遼北潛山構造演化過程仍需要開展系統性認識。

渤海海域構造演化受控于華北、揚子、太平洋、西伯利亞等多個板塊之間俯沖碰撞差異性運動所引發的深部地幔上涌、郯廬斷裂帶走滑剪切等多種動力學機制[1-6]，構造特征表現為擠壓、伸展和走滑等多期構造活動的復合疊加[7-9]，構造特征復雜且具有明顯的階段性，不同階段的盆地格局存在明顯的差異，即使是同一階段，在不同地區盆地展布格局也截然不同，各演化階段構造的疊加復合形成了現今復雜多樣、改造強烈的盆地格局，這也進一步增大了遼北潛山構造演變恢復的難度，制約了深層潛山的油氣勘探進程[10-13]。結合前人研究成果，本文基于鉆井資料和三維地震資料的精細刻畫，識別總結了潛山結構特征和構造樣式類型，厘定了潛山內幕斷裂發育特征，恢復了關鍵構造期古構造格局和潛山發育演變過程，可為研究區后續潛山油氣勘探提供地質依據。

1 區域地質概況

遼東灣坳陷位于渤海海域的東北部，面積約2.2×104km2，是下遼河坳陷向渤海海域的延伸部分，整體呈NE向長條狀展布，盆地內 NE向主干斷裂體系控制了構造單元的發育展布，表現為“三凹夾三凸”的構造格局，自東到西依次為遼東凹陷、遼東凸起、遼中凹陷、遼西凸起、遼西凹陷和遼西南凸起6個二級構造單元(圖1)。

圖1 渤海海域遼北潛山區域構造圖及地層綜合柱狀圖Fig.1 Regional structural map and stratigraphic comprehensive histogram of Liaobei buried hill in Bohai sea area

遼西凸起作為遼東灣坳陷內最大的二級正向構造單元，自南向北貫穿于整個坳陷內部，連續性較好。基于基底潛山的巖性組合及剝蝕殘留、新生代層系及其厚度差異以及主干斷裂的走向和搭接關系，可將遼西凸起自南向北劃分為南段、中段和北段，本文研究區遼北潛山帶則位于遼西凸起北段及周邊圍區。

遼西凸起北段的基底巖性為太古界(Ar)、元古界(Pt)和中生界(Mz)，整體缺失古生界，在不同構造位置，基底的巖性組合和厚度不同。其中，錦州25-1南構造無中生界沉積，太古界直接暴露與上覆新生代地層不整合接觸；錦州20-2構造除部分高點中生界遭受剝蝕導致太古界直接出露外，其余位置太古界上均有中生界覆蓋；錦州25-1構造太古界上覆均發育有中生界。新生界垂向上由深到淺沉積有沙河街組(E2s)、東營組(E3d)、館陶組(Ng)、明化鎮組(Nm)和平原組(Qp)5套地層(圖1)。

2 盆地結構及構造特征

渤海海域歷經多次構造活動，導致其內部不同性質、走向及活動強度的深大斷裂大量發育，控制了不同地質時期潛山基底的差異隆升或者斷陷。整個遼北潛山帶基于現今的地貌特征可以分為3支近NE向平行展布的構造條帶(圖2)：東支(DD’)、中支(EE’)和西支(FF’)，基于垂直于構造帶的3條地震剖面(AA’、BB’和CC’)，這3支潛山構造帶隆起的特征非常明顯，且均依附于3條NE向斷裂展布，其中東支和中支的規模相當，延伸較大，西支規模較小。東支：整體為受控于遼西3號斷裂的單斜構造，發育有錦州20-2構造、錦州25-3等多個潛山圈閉目標，自南向北整體處于凸起高部位，連續性相對較好，中間下陷掉落的位置，筆者推測是早期斷裂后期活化所致；中支：整體受控于遼西2號斷裂，北段(AA’)和南段(CC’)為受斷層控制而成的斷背斜，中段(BB’)則為單斜構造，自南向北逐漸向洼陷中間傾末，南段(CC’)和中段(BB’)整體處于凸起高部位，北段(AA’)則整體過渡到洼陷中央，表現為洼中隆，整體連續性較差，中間被洼槽分割；西支：整體為受控于遼西號斷裂的單斜構造，處于洼陷內部表現為洼中隆，整體連續性較好，向北傾末至BB’剖面位置消亡。

圖2 遼北潛山結構特征及典型構造樣式Fig.2 Structural characteristics and typical structural styles of Liaobei buried hill

遼北潛山帶整體缺失古生界，根據潛山組成將遼北地區潛山結構分為2種類型：一元型和二元型。一元型是指僅包含太古界禿頂型結構，主要分布在錦州25-1南和錦州25-3構造帶，無中生界，太古界直接與上覆沙河街組不整合接觸；二元型是指太古界和殘留中生界雙層潛山結構，太古界上覆為中生界，主要分布在錦州25-1和錦州20-2構造帶。基于目前的潛山勘探成效，一元型明顯要好于二元型。

渤海海域遼北潛山帶識別出多類型構造樣式，這是對歷經多期次和多性質構造應力疊加改造的構造響應，主要發育擠壓、反轉、伸展、走滑4類不同性質構造樣式。

伸展構造樣式廣泛發育，這體現最后一期伸展構造運動對潛山的強改造作用，主要表現為NE向伸展斷裂控制形成的單斜構造，斷裂之間組合表現為多米諾、地壘和地塹等多種構造樣式。

擠壓構造樣式是指在擠壓應力下地層縮短發生褶皺變形和逆沖斷裂，一系列逆沖斷層與斷塊之間組合而成的構造樣式。研究區經歷多期強度和方向不一的擠壓運動，在地震剖面中依然可以識別出早期形成的逆沖疊瓦扇、沖起構造等多種擠壓構造樣式。

走滑構造樣式主要是指大型走滑斷裂與其在潛山內部切割斷塊所組成的構造。郯廬走滑斷裂帶穿過整個遼北潛山帶，整體經歷了中生代左行走滑和新生代右行走滑，不同時期走滑伴隨的擠壓和伸展應力以及斷裂疊復、S型彎曲造成的應力差異釋放，導致不同構造位置斷裂所夾持的斷塊擠壓隆升或拉分斷陷。

反轉構造是指因構造應力場改變而使先期構造力學性質(如正斷層與逆斷層)或構造類型(如隆起和拗陷)向相反方向轉化疊加而成的一類特殊構造。整個遼北地區整體經歷了擠壓—拉張—擠壓—拉張等多期構造應力轉換旋回，主要分為正、負2種反轉構造類型，其中受北西向和北東向斷裂先逆后正負反轉控制而成的薄底構造或禿頂構造分布最廣，該類構造以斷裂上盤中生界很薄甚至整體缺失為特征。

3 遼北潛山構造演變及斷裂發育特征

渤海海域遼北潛山帶所在的華北克拉通處于西伯利亞板塊、揚子板塊，西太平洋板塊的交會處，板塊間垂向或橫向運動是控制構造演化的動力來源，斷裂、褶皺、地層殘留展布均是對各期構造運動中應力釋放的地質響應。基于上述構造特征分析并結合前人的研究成果，從復雜的疊加效應中離析各地質階段的關鍵構造特征，結合現今三維構造特征恢復遼北潛山帶各構造期次的演變特征。太古代：陸核的形成拼合階段；元古代：陸殼破裂及坳拉槽發育階段；早古生代：克拉通發育階段；晚古生代：海-陸克拉通轉換階段；中生代整體進入了板塊碰撞拼接和俯沖消減的強活躍期，不同時期板塊的差異活動產生了多期“擠壓—拉張”的構造旋回，并伴隨多期幕式走滑剪切，本文首次在研究區識別出印支期以及燕山晚期構造活動特征；進入新生代喜山運動發生強烈的伸展-走滑斷陷，發育了大量張性斷裂，凸凹相間的基底構造格局已然成型。

3.1 太古代—元古代

新太古代阜平運動晚期華北陸核固結完成第一次克拉通化，地表強烈的火山噴發等高地熱運動使得地殼最終分異為穩定的花崗巖和活動綠片巖，構造成了早期渤海海域的古基底。元古代發生以呂梁運動為主要代表的構造事件，造山活動頻繁且強烈，地殼區域性沉降和隆升，斷陷、擠壓、碰撞等斷裂活動引發了劇烈的火山作用，形成大量造山花崗巖，多期熱構造活動發生變質為黑云斜長片麻巖、斜長角閃巖等，陸核進一步固化、聯合向陸塊過渡演化，陸塊克拉通化完成，華北板塊和揚子板塊雛形已現。晚元古代芹峪運動至薊縣運動導致基底抬升遭受強烈剝蝕，局部有元古代地層殘留[14-16](圖3)。目前渤海遼北地區錦州25-1南多口鉆井均鉆遇太古界，巖性以變質花崗巖、花崗片麻巖為主，取得了非常好的油氣發現，其中JZ25-XS-8井太古界鉆獲117.1 m油層，探明了渤海首個太古界油田；JZ20-Y-3井則鉆遇元古界，巖性以黑云母混合花崗為主，同樣揭示較厚的油氣層。

圖3 遼北潛山沉積建造構造演化模式Fig.3 Tectonic evolution model of Liaobei buried hill sedimentary formation

3.2 古生代

寒武紀—二疊紀，加里東運動早期主要以陸臺的沉降和大規模海侵運動為主，沉積了巨厚的海相灰巖地層，加里東運動晚期整體抬升剝蝕，多口已鉆井揭示渤海海域缺失志留系和泥盆系，晚石炭世到晚二疊世再次沉降，海西運動為大規模造山期，華北板塊與揚子板塊開始接觸碰撞，發生大規模海退，逐步形成北陸南海的構造格局。前中生代自克拉通形成以來，板塊運動主要是以垂向的隆升和沉降為主，構造運動相對簡單，主要表現為區域性地層的剝蝕或沉積，褶皺、斷裂等局部橫向強應力構造相對較少[17-20](圖3)。遼東灣地區SZ36-X-2D井鉆遇寒武系灰巖，巖性以白云灰巖、生物灰巖為主，并夾有薄層砂巖和泥巖。

3.3 中生代

3.3.1晚三疊世(印支擠壓造山期)

早—中三疊世繼承晚古生代構造格局，構造相對穩定；晚三疊世(印支期)，華北板塊構造與揚子板塊自東向西剪刀式碰撞閉合，古秦嶺洋消失，板塊拼接縫合處發育了秦嶺大別造山帶，在近南北向強擠壓作用下華北板塊發育了逆沖斷層及相關褶皺等一系列的擠壓構造[3-5,21-22]，強烈擠壓引發的持續隆升剝蝕導致整個渤海海域缺失上三疊統，且古生界遭受不同程度剝蝕。現有地震資料和鉆井資料揭示遼北潛山在印支期整體處于一個巨型擠壓背斜核部，隆升剝蝕作用非常強烈，整體缺失古生界，奠定了遼北潛山高構造的雛形(圖4a)。本文在遼北潛山帶首次識別出了NW向大型逆沖斷層(圖2-DD’、圖2-EE’)，例如，遼北1號、遼北2號等。這些斷層規模較大，剖面上呈鏟式，上陡下緩，平面上則呈平行排狀，推測這些斷層為統一大型逆掩推覆構造，在地殼深部存在統一的低角度逆沖推覆面，逆沖斷裂組合形成了一系列逆沖構造。例如：錦州20-2整體表現為逆沖疊瓦扇構造，錦州25-1南表現為逆沖構造，處于構造應力釋放最強的區帶，逆沖斷裂非常發育，對潛山具有強烈的正向改造作用，奠定了良好的儲層物質基礎(圖5a、圖2-DD’、圖2-EE’)。中國大部分陸殼結進入了一個劃時代的構造變動期，中國大部分陸殼結束了海侵歷史。

圖4 遼北潛山基底“造山-反轉-斷陷”構造演化模式Fig.4 Tectonic evolution model of “orogeny-inversion-rifting” of Liaobei buried hill

3.3.2侏羅紀—白堊紀(燕山反轉改造期)

盆地構造運動動力源由古亞洲陸塊體系轉換為濱太平洋海陸交互體系。燕山運動早期為印支運動到燕山運動的轉型階段，華北板塊與揚子板塊擠壓碰撞仍在繼續，但已經明顯減弱，西太平洋板塊開始向華北板塊俯沖擠壓，整個遼北潛山仍處于構造高部位且遭受剝蝕；燕山運動中期，晚侏羅紀到早白堊世受多向擠壓運動誘發巖石圈減薄垮塌，大規模軟流圈地幔上涌引發強烈的火山運動和伸展斷陷[10-13,23-24]，整個遼西凸起北段沉積了巨厚中生界，主要表現為印支期形成的大量逆沖斷層及褶皺反轉所產生的低洼帶的填平補齊，如JZ20-Y-1井揭示了420 m白堊系，JZ25-X-1鉆遇了1 040 m的中生界(圖4b)；燕山運動晚期，晚白堊世伊澤奈崎板塊的俯沖碰撞導致NW-SE向擠壓隆升構造運動占據主導地位，同時疊加一定強度郯廬走滑斷裂帶左旋走滑作用，發育NE向兼具走滑性質的逆沖斷層，局部發育有NE-SW走向擠壓褶皺構造，各構造帶沿NE向斷層發生不同程度的反轉隆升整體處于隆升剝蝕狀態，現今NE走向構造格局漸顯雛形，本次研究首次識別出了燕山晚期擠壓形成的NE向逆沖斷裂，具體表現為中生界殘留地層走向為NE向，在逆沖構造前緣，中生界剝蝕最強烈以至于部分區帶太古界直接出露地表，存在明顯的角度不整合面(圖4c、5b)； NE向逆沖斷層切割早期印支期NW向逆沖斷層，平面上一起組合表現為羽狀構造樣式(圖5b)。鉆井揭示錦州25-1南構造抬升最為強烈，中生界整體被剝蝕殆盡，太古界直接出露地表，錦州20-2構造抬升強度次之，僅在構造高點中生界剝蝕出露太古界，錦州25-1構造剝蝕作用最弱，整個構造中生界全覆蓋(圖6)。

圖5 遼北潛山內幕主干斷裂體系Fig.5 Main fault system of Liaobei buried hill

圖6 遼北潛山地層展布Fig.6 Stratigraphic distribution of Liaobei buried hill

3.4 新生代(喜山斷陷定型期)

新生代歐亞板塊受太平洋板塊的高速俯沖以及印度板塊的硬碰撞，渤海灣盆地巖石圈發生區域性強烈主動裂陷作用，地幔上涌引發的NW-SE向強伸展和郯廬斷裂帶右旋走滑作用[25-30]，在形成新的NE向斷裂構造的同時，部分燕山晚期逆沖斷裂再次活化反轉表現為具有右旋走滑性質的正斷層(圖4d)，殘留古生界在燕山期F9斷裂兩盤，表現為明顯的右旋錯動位移，證實了再活化右旋構造運動的存在(圖6)，遼北地區基底控凸凹構造格局的斷裂體系已現雛形，該時期發生區域性強伸展斷陷沉降，接受沙河街組沉積，具體表現為對該時期斷陷產生可容空間的填平補齊，即便是現今處于凸起高部位的錦州25-1南等3個構造均接受古近系沉積，JZ25-XS-3井揭示了473 m沙河街組，區域斷陷沉降強度可見一斑。喜山運動晚期，NE-SW斷裂再次發生強烈伸展走滑作用，整體表現為區域性斷陷沉降，地塊發生旋轉，廣泛接受東營組巨厚沉積，遼北地區凸凹相間構造格局已然成型。喜山運動作為遼北潛山最后一期強構造活動，直接控制現今構造地貌的形成，差異強伸展斷陷改造了潛山基底的高低關系，例如：錦州14-6構造在燕山晚期為凸起高部位，中生界剝蝕殆盡太古界直接出露，新生代受控于遼西3號的強斷陷作用，高凸起被斷至洼陷內部表現為洼中隆(圖4c、d)。

4 結論

1) 渤海海域遼北潛山整體缺失古生界，潛山結構類型分為一元型和二元型兩種，內幕識別出擠壓、反轉、伸展、走滑4類不同性質構造樣式。

2) 渤海海域遼北潛山主要分為4個演化階段：前中生代前潛山階段，陸塊克拉通形成和地層沉積建造發育為潛山形成提供了物質基礎；印支運動造山階段，近南北向擠壓持續隆升致古生界剝蝕殆盡，奠定了遼北高凸起的基礎，發育NW向逆沖斷裂；燕山運動反轉改造階段，中期的斷陷沉積和晚期近北西向擠壓，初步形成了潛山北東走向的古構造格局；喜山運動斷陷定型階段，NE向斷裂差異斷陷作用控制了潛山帶相對高低關系。印支運動、燕山運動和喜山運動多期次、多方向、多性質構造演化疊合，造就了遼北潛山帶南高北低、東高西低呈NE向條帶脊狀的構造格局，同時控制了潛山內幕斷裂形成和地層差異展布，潛山內幕北西向和北東向 2組逆沖斷裂組合形成了復雜網格狀斷裂系統。