渤海灣盆地埕北斷階帶斷裂發育特征及其控藏作用

繆 歡，王延斌，何 川，李建紅，張 偉，張雨建，龔 訓

（1.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.中國石油大港油田分公司勘探開發研究院，天津 300280）

關鍵字：主干斷層；二次生烴；油氣成藏；上古生界；埕北斷階帶；渤海灣盆地；

0 前言

歧口凹陷油氣資源豐富，是黃驊坳陷油氣勘探開發的重點區［1-2］，研究區WS1 井發現了與上古生界煤系地層有關的油氣藏［3］，表明歧口凹陷上古生界煤系烴源巖具有良好的油氣勘探前景［4-7］。區內埕北斷階帶毗鄰歧口主凹等生烴中心，上古生界河流相碎屑巖儲層及下古生界奧陶系儲層廣泛發育，區內大斷層延伸長、斷距大，可使下降盤的生油層與潛山儲層對接，形成良好的油氣運移通道和供儲關系［8-12］，為歧口凹陷上古生界烴源巖的重點勘探區塊。斷裂構造對歧口凹陷油氣控制作用明顯，油氣藏分布與構造活動緊密相關，主要分布在一些構造帶和斷層帶上［13-16］。

盡管以往的學者對歧口凹陷上古生界烴源巖的特征及生烴演化、主干斷裂的發育特征和斷裂構造對古近系烴源巖的生烴、油氣儲運的控制作用等方面做了大量的工作［4-16］，但目前關于埕北斷階帶內各主干斷裂構造發育特征描述不精細且主要集中在主干斷裂與次級斷裂相互作用而形成的幾何構造樣式、上古生界烴源巖的二次生烴與斷裂構造成藏匹配關系模糊，這些問題將進一步限制埕北斷階帶的上古生界油氣的勘探。

以渤海灣盆地歧口凹陷埕北斷階帶為研究對象，依據鉆井資料、地震資料以及各時代底面構造圖精細刻畫區內張東、張北、趙北和羊二莊斷層的空間幾何特征、活動性和封堵性，并在歧口凹陷石炭系—二疊系烴源巖的生烴演化基礎上，分析主干斷層的發育特征與上古生界烴源巖的二次生烴耦合成藏匹配關系和上古生界原生油氣藏的成藏模式，以期為埕北斷階帶上古生界油氣藏勘探提供依據。

1 地質概況

歧口凹陷位于渤海灣盆地東北部，黃驊凹陷中北部，南起埕寧隆起，北至北大港潛山構造帶，東臨歧口沿岸帶，西到孔店潛山構造帶，總面積約5 280 km2，是黃驊凹陷最大的沉積單元［7］。歧口凹陷經歷了古近系同裂陷階段和新近系后裂陷階段兩個構造演化階段，其中，同裂陷階段又可分為裂陷Ⅰ幕和裂陷Ⅱ幕，最終形成了西部三隆夾三凹和東部以歧口主凹為主的負向構造單元格局，整體形似一個不對稱的箕狀構造［15］。歧口凹陷內每個次凹子單元具有“北深南淺”和“北斷南超”的特點。歧口凹陷自下而上沉積了13 套地層，其中石炭系—二疊系發育的優質煤系烴源巖和古近系巨厚層暗色湖湘泥巖為歧口凹陷的重要生烴層位［1-4］。本次研究的目的地層為石炭系—二疊系煤系烴源巖。

埕北斷階帶位于歧口凹陷南緣，為埕寧隆起向歧口凹陷過渡的斷階式斜坡區，其北側以歧東斷層為界與歧口主凹相接，西以趙北、羊二莊等基巖斷層與歧南次凹、歧北次凹相隔［17］，勘探面積超過2 300 km2（圖1）。研究區被歧東、張東、張北、海4井、趙北、羊二莊等斷層所切，形成了由北向南逐級抬升的斷階結構［18］。位于趙北斷層下降盤的中斷階張東潛山上古生界地層埋深為3 600～4 400 m，位于羊二莊斷層上升盤的高斷階趙東潛山與羊二莊構造地層埋深為1 800～2 200 m。歧口凹陷內的油氣鉆井揭示，石炭系—二疊系原生油氣藏主要存在3 套良好的儲蓋組合（圖1），第1 套為奧陶系峰峰組及其之上的本溪組、太原組，第2 套為二疊系石盒子組及其之上的石千峰組，第3 套為石千峰組及其之上的中生界。

圖1 渤海灣盆地埕北斷階帶位置（a）及上古生界地層柱狀圖（b）Fig.1 Location of Chengbei fault step zone（a）and stratigraphic column of Upper Paleozoic（b）in Bohai Bay Basin

2 主干斷層的發育特征

埕北斷階帶內共有二級主干斷層5 條，其中張北斷層、張東斷層、趙北斷層和羊二莊斷層對上古生界烴源巖發育、油氣藏的運移成藏控制作用明顯，以這4 條主干斷層為研究對象，基于二維地震資料和各時代底面構造特征，精細刻畫其幾何特征、活動性以及封堵性。

2.1 幾何特征

學者們關于埕北斷階帶內的主干斷層已有相關研究［17-21］，但均為簡單描述，難以達到精細刻畫的要求。基于二維地震資料和歧口凹陷的構造圖精細描述可研究這些主干斷層不同部位的幾何特征（表1）。

表1 埕北斷階帶各個主干斷層的幾何特征Table 1 Geometric characteristics of main faults in Chengbei fault step zone

張北斷層走向為NE，傾向WN，平面呈反“L”型，長約14 km（圖2a），斷面上陡下緩，呈鏟式。依據發育特征可分為南北2 段。其中，南段走向近EW 向，傾角較陡，斷距較北部小，次級斷層切割較深，斷塊體呈斷階結構；北段為NE 向走向，傾角較陡，傾角在走向上變化較小，斷距較大，可達1 000 m。斷層兩側發育多條近東西向次級橫向調節斷層與之相交，形成典型的羽狀平面組合樣式，剖面上呈多米諾型組合樣式。

張東斷層走向NEE，傾向NNE，延伸長度約20 km（圖2b）。斷面幾何形態呈坡坪式，其緩傾部位處于東營組，表明與東營組巖性密切相關，上升盤能動性強的基底或潛山也起到了重要作用［19］。走向變化明顯，可將其分為東西2 段。其中，東段走向為NE 向，斷距、水平位移較西段小，發育多條走向與張東斷層近似的次級斷層，平面上呈羽狀組合樣式，剖面上形成共軛式組合樣式；西段走向為NWW 向，斷距落差較東段要高，西與張北斷層相接，發育多條平行次級斷層，在平面上組合呈雁列狀組合形式，剖面上組合呈花狀構造。

趙北斷層東端與羊二莊斷層相接，走向變化明顯，從陸地到海域，走向由NE 轉為NEE 向，延伸長約14 km［17］（圖2c）。斷面上陡下緩，呈鏟式。上升盤則缺失東一段地層，下降盤發育友誼、羊二莊一區等背斜或斷鼻等圈閉［20］。斷層規模、空間組合、次級斷層發育程度、斷塊拼接方式等方面沿走向變化比較明顯，根據變化可以分為東段、中段和西段3部分。其中，東段斷層斷距較小，以單條正斷層為主，上盤也發育反向正斷層，剖面上構成“Y”字型組合樣式，在本段最南端南北兩側次級斷層最多（8 條），規模最大，呈羽列狀排列；中段走向近WE 向，傾角比西段大，整體較陡，中段斷層條數變多，下盤構成多米諾式組合；西段走向為NEE 向，斷層傾角較緩，斷層西端也以單條正斷層為特點，在上盤發育反向正斷層，構成“Y”字型，平面上形成側列狀組合。

圖2 埕北斷階帶各個主干斷層的平面形態及地震剖面Fig.2 Plane shape and profile of main faults in Chengbei fault step zone

羊二莊斷層走向多呈NEE 向、NE 向，長約24 km。傾向NW，傾角40°～60°（圖2d）。羊二莊基底斷層在剖面上產狀較陡，呈坡坪式，并具有負花狀構造特征，與對應蓋層中雁列式展布的張東斷層、歧東斷層等斷層系構成另一個帚狀斷層體系［21］。沿走向，羊二莊斷層可分為東段、中段和西段3 段，斷層帶總體成左階雁列式正斷層系，反映出斷層帶右旋走滑的動力學機制［15］。其中，羊二莊斷層東段走向為NEE 向，傾向北西，傾角接近60°；中段走向為NNE 向，傾向北西，傾角接近50°，但次級斷層由東向西逐漸發育；走向由西段的EW 向，向東部轉為NEE 向，斷層長9 km，構造樣式為“Y”型構造。

2.2 活動性

用于表征斷層活動性的方法有生長指數法、活動速率法和斷層落差法［22-26］。其中，活動速率法相較于應用條件苛刻且不考慮沉積壓實作用的生長指數法具有的簡單、便捷和易獲取的特點［24］，相較于斷層落差法具有直觀性和對比性強的特點［22］。因此，筆者采用活動速率法來分析研究區內主干斷層的活動性。

斷層活動形成的落差與其相應沉積時間的比值叫做斷層活動速率［25-26］。從地震剖面獲取了Es3、Es2，Es1，Ed，Ng，Nm 等6 個時代斷層落差，對研究區內各個主干斷層不同部位、不同時代活動性進行定量描述（圖3）。

圖3 埕北斷階帶主干斷層活動性Fig.3 Activities of main faults in Chengbei fault step zone

統計不同斷層不同時期內的活動平均速率（表2）可以得出，張北、張東、趙北3 條主干斷層ES3期—Es2期活動性減弱，Es2期—Es1期活動性增強達到最大值，Es1期—Ng 期活動性持續減弱至最小值，在Nm 期活動性再增強，但活動性增幅不大；羊二莊斷層在Es2期活動性達到最大值，之后持續減弱，到Ng 期達到最小值，Nm 期活動性小幅度增強。

表2 埕北斷階帶主干斷層不同時期的平均活動速率統計表Table 2 Average activity rate of main faults in different stages in Chengbei fault step zone

通過對主干斷層不同部位斷層活動性分析可得，張東斷層（圖3a）在Es 時期內，斷層兩端的活動性強于中段，Ed 期—Ng 期內，斷層的西段活動性強于東段和中段；張北斷層（圖3b）和羊二莊斷層（圖3d）在Es 時期內，兩端的活動性弱于中段，Ed期—Ng 期內，東段活動性強于西段和中段；趙北斷層（圖3c）在各個時期內，中段的活動性均強于東段和西段。這是由于Es4早期，太平洋板塊對華北板塊的俯沖由Ek 期NWW 向轉向NW 向［27-28］，Es3期—Es1期，在NW—SE 向伸展區域應力場作用下，主干斷層整體活動性強，此時斷裂展布以NE 向為主。新近紀，由于印支板塊對西藏板塊的強烈擠壓和向N 俯沖，此時歧口凹陷區域應力場轉變為以右旋剪切為主［15，29］，各個主干斷層部分區帶走向轉為近WE 向。

2.3 封堵性

區域應力場特征，斷層性質、展布、活動，斷層的兩側巖性及產狀配置等因素影響著斷層的封堵性［30］。其他學者研究發現，斷層的走向與最大主壓應力方向間的夾角可以表示斷層的封堵性，當最大壓應力與斷層走向平行時，斷層趨于開啟，封堵性差；當最大主壓應力與斷層的走向斜交的時候，銳夾角越小，越有利于斷裂的開啟，封堵性差；當最大壓應力與斷層走向垂直的時候，斷層趨于閉合，封堵系數較高［31］。

Es3期—Es1期，受拉張應力的影響，研究區內主干斷層的封堵性整體較差，有利于油氣的運聚成藏；Ed 期—Ng 期，由于印支板塊對西藏板塊的強烈擠壓和向北俯沖，此時歧口凹陷區域應力場以擠壓應力和右旋剪切應力為主，且Ed 期的最大主壓應力方向為SE102°、Nm 期的最大主壓應力方向為SE178°，現今以右旋剪切應力為主［29，32］。

采用模糊定量統計方法［31］計算出埕北斷階帶內主干斷層不同時期的封閉系數（表3）。依據最大主拉應力方向與斷裂走向間夾角所對應的閉合系數（表4），張北斷層在Ed 期內封堵性強，不利于油氣運聚，Nm 期內的封堵性較差，不利于油氣的保存；張東斷層和趙北斷層在Nm 期內封堵性強，有利于油氣成藏，在Ed 期內封堵性弱，有利于油氣的運移；羊二莊斷層在Ed 期—Nm 期的封堵性均為較好，較為有利于油氣的保存。

表3 埕北斷階帶主干斷層不同時期的斷裂封閉系數Table 3 Sealing coefficient of main faults in different stages in Chengbei fault step zone

表4 最大主壓應力方向與斷裂走向間夾角所對應的閉合系數取值［31］Table 4 Sealing coefficient calculated by acute angle between maximum principal compressive stress orientation and fault strike

3 歧口凹陷上古生界烴源巖特征及其生烴演化

歧口凹陷石炭系—二疊系煤系烴源巖主要分布在山西組和太原組地層中，其中山西組煤層厚8～10 m，暗色泥巖厚40～60 m，TOC平均值為1.96%，太原組煤層厚10～12 m，暗色泥巖厚60～80 m，TOC平均值為3.72%，均為好—很好烴源巖［33-36］。

負向構造單元具有埋深較大，有機質演化程度高等特點，往往成為油氣藏的烴源灶［36］。埕北斷階帶通過正斷層與歧口主凹、歧北次凹和歧南次凹等生烴中心相接。此外，研究區內石炭系—二疊系分布廣泛，這為埕北斷階帶提供了充足的油氣來源。

目前，歧口凹陷上古生界烴演化研究主要集中在隆起區，負向構造單元由于地層埋深大、鉆井資料缺乏，上古生界生烴演化研究較少。在其他學者對歧口凹陷和渤海灣盆地沉降史研究［37-38］的基礎上，結合地震資料及鉆井資料，采用沉積速率法恢復剝蝕厚度［39］，并利用petro mod 軟件模擬歧口主凹（圖4a）和埕北斷階帶（圖4b）的埋藏史，進而分析歧口主凹和埕北斷階帶的生烴特性。

圖4 歧口主凹和埕北斷階帶的埋藏史Fig.4 Burial history of Qikou main depression and Chengbei fault step zone

基于其他學者的研究成果［33，37-38］和歧口凹陷構造演化史［27］，研究區石炭系—二疊系烴源巖在二疊紀末—三疊紀初進入了生烴門限，歧口主凹地層溫度約為80 ℃，埕北斷階帶地層約為90 ℃，三疊紀末期，華北板塊與揚子板塊相互擠壓，黃驊坳陷EW軸向寬緩的褶皺構造開始形成，研究區整體抬升遭受強烈剝蝕［33，40-41］，該時期生烴中斷；中生代，研究區接受陸相沉積建造［7］，下白堊統巖漿活動使歧口凹陷部分潛山區域整體抬升接受剝蝕，由于巖漿的加溫、烘烤作用，部分地區烴源巖受熱生烴［4，7，33，35，42］，但該次生烴范圍小，不足以形成工業油氣藏；古近紀，歧口凹陷受區域伸展應力的影響發育大量主干斷層，各級構造單元大幅度沉降，隨埋深增加，烴源巖熱演化程度增高，開始二次生烴，但在東營組沉積期，斷陷活動變弱，喜山運動使得歧口凹陷小幅度抬升遭受剝蝕［7，27］，隨后歧口凹陷進入坳陷發展階段，接受河流相和沖積平原相沉積，上古生界烴源巖持續生烴。歧口主凹在Es3期末達生烴高峰期，Ro為0.7%～0.9%，但現今歧口主凹烴源巖已達過成熟階段，Ro已達2.0%，而埕北斷階帶的烴源巖成熟度為成熟階段，Ro已達1.0%。

4 主干斷層與生烴期次的耦合成藏關系

4.1 主要生烴期與主干斷層的活動性及封堵性關系

Es3期—Es2期，歧口凹陷上古生界烴源巖開始進入二次生烴期，在區域拉張應力的作用下，主干斷層活動性強，斷層的封堵性差，有利于油氣的排出和運聚，但不利于油氣的保存；Es1期—Ed 期為歧口凹陷上古生界烴源巖最大生烴期，主干斷層的活動性由強轉弱，張北斷層和羊二莊斷層為好—較好，有利于油氣的保存，張東斷層和趙北斷層封堵性較差，不利于油氣保存；Ng 期—Nm 期，上古生界烴源巖持續生烴，各個主干斷層的活動性變弱，張東斷層、趙北斷層和羊二莊斷層的封堵性好，有利于油氣的保存，張北斷層的封堵性差，不利于油氣的保存（表5）。這表明Ed 期—現今為埕北斷階帶上古生界油氣成藏的關鍵時期，該結果與其他學者利用流體包裹體測溫［43］與儲層瀝青拉曼光譜特征［44］預測所得油氣成藏期次的結果大致相近。

表5 埕北斷階帶不同時期內主干斷裂發育特征與生烴耦合關系表Table 5 Coupling relationship between fault development characteristics and hydrocarbon generation in different stages in Chengbei fault step zone

4.2 上古生界原生油氣藏類型

依據鉆遇油氣井資料（圖5），埕北斷階帶的油氣藏主要為自生自儲的背斜油氣藏、自生自儲的斷塊-斷鼻油氣藏和新生古儲的古潛山油氣藏，其中，背斜油氣藏和斷塊-斷鼻油氣藏在全區均有分布，而趙北潛山和羊二莊潛山的峰峰組灰巖的孔裂隙發育較差，油氣難以儲存［45］，故古潛山油氣藏分布在張東潛山。背斜主要形成于印支期—燕山期末，由于擠壓應力的作用，埕北斷階帶內形成大量的背斜、推覆疊瓦等構造樣式［29-30］，斷塊-斷鼻形成于Es期，受伸展應力的影響，各主干斷層的活動劇烈，切割原有的背斜構造，形成斷塊-斷鼻構造樣式。

圖5 埕北斷階帶油氣藏類型Fig.5 Types of oil and gas reservoirs in Chengbei fault step zone

4.3 主干斷裂對油氣保存的控制

烴源巖成熟生烴是油氣成藏的基礎，優質的儲層提供了油氣的儲集空間，致密的蓋層是油氣良好的保存環境，開啟的斷層有利于油氣的排出和運移，而封堵的斷層有利于油氣保存成藏。生烴期、圈閉形成時間和斷層活動3 者之間良好的匹配關系是形成現存油氣藏的關鍵［46］。

依據埕北斷階帶油氣事件圖（圖6），上古生界烴源巖在印支期末進入生烴門限，但該次生烴強度低，不具備形成大規模油氣藏的潛力；中生代，埕北斷階帶沉積的泥巖與下伏的石炭系—二疊系之間形成了良好的儲蓋組合；Es3—Es1期，歧口凹陷各負向構造單元的上古生界烴源巖達到了生烴高峰期，主干斷層伸展活動強烈，將研究區切割為由北向南逐級抬升的斷階結構，各生烴中心的生成油氣可運移至奧陶系和上古生界之中，但該時期斷層封堵性較差，不利于油氣的保存；Ed 期，主干斷層活動性減弱，張北斷層和羊二莊斷層的封堵性分別為好和較好，張東和趙北斷層的封堵性差，歧南次凹和歧北次凹生成的油氣無法運移至研究區成藏，該時期的油氣來源為歧口主凹和埕北斷階帶，生成的油氣運移至趙東潛山和羊二莊潛山成藏；Ng 期—現今，為上古生界烴源巖二次生烴成藏的主要關鍵時期，除張北斷層的封堵性較差外，其余均較好—很好，且上古生界烴源巖處于持續生烴階段。因此，Ed期—現今，研究區內各成藏要素匹配極好。

圖6 埕北斷階帶油氣事件圖Fig.6 Oil and gas event diagram of Chengbei fault step zone

5 結論

（1）渤海灣盆地埕北斷階帶主干斷層斷面呈鏟式或坡坪式，與兩側的次級斷裂在剖面呈“Y”字型、花狀等構造樣式，在平面上呈羽狀和雁列狀；各主干斷層在Es 期內的活動性最強，Ng 期最弱；張東斷層和趙北斷層在Ed 期的封堵性較差，Ng 期封堵性好；張北斷層在Ed 期的封堵性好，Ng 期的封堵性較差；羊二莊斷層在Ed 期和Nm 期的封堵性均為較好。

（2）歧口主凹上古生界烴源巖在Es3期內達到生烴高峰期，現今為過成熟階段；埕北斷階帶上古生界烴源巖在新近系達到生烴高峰，且現今仍處于生烴高峰期內。

（3）Ed 期至現今，埕北斷階帶內各成藏要素比配極好，為上古生界油氣藏形成的關鍵時期。上古生界原生油氣藏主要為自生自儲的背斜油氣藏、斷塊-斷鼻油氣藏和新生古儲的古潛山油氣藏，其中背斜油氣藏和斷塊-斷鼻油氣藏在全區均有分布，而古潛山油氣藏分布于張東潛山。