渤中凹陷石南一號斷層分段和演化特征及其油氣成藏控制作用*

王國強 張新濤 呂振宇 楊傳超

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459; 2. 中海石油(中國)有限公司勘探部 北京 100010)

石南一號斷層是渤海海域渤中凹陷北部具有重要勘探意義的斷層。到目前為止，在斷層上升盤石臼坨凸起區淺層明化鎮組下段和斷層下降盤陡坡帶的中深層古近系東營組已發現若干個大中型油田。此外，沿著石南一號斷層兩側還有許多已發現的含油氣構造以及勘探潛力較好的構造圈閉或構造—巖性圈閉，因此石南地區一直是渤中凹陷油氣勘探的熱點。前人從構造特征、控制沉積等不同的角度對石南一號斷層進行過研究，如從斷層不同段的構造樣式出發，分析石南陡坡帶構造—巖性復合圈閉的形成及分布規律[1]；通過石南陡坡帶“源—匯”體系定量表征研究，分析東三段砂礫巖儲層分布規律[2]；運用斷層活動速率法分析古近系石南斷層活動特征及其對沉積相及油氣成藏的控制[3-5]等。前人對于石南一號斷層的研究多聚焦于某一段或是某一方面進行，對全段整體的構造特征、形成演化機制及其對油氣藏的控制作用目前尚缺乏系統的分析和認識，值得進一步研究。

在三維地震資料精細構造解釋的基礎上，系統刻畫了石南一號斷層的構造樣式、分段特征等，分析了其活動性、形成演化過程，探討了其成因機制，進而分析了石南一號斷層對烴源巖發育、圈閉類型分布和油氣運移的控制作用，為渤中凹陷北部斷層附近油氣勘探提供依據。

1 區域地質概況

渤中凹陷位于渤海海域中部，為渤海海域最大的生烴凹陷。前新生代基底經歷了中生代印支運動、燕山運動等多起構造運動，新生代以來的構造演化經歷裂陷期、裂后熱沉降期和新構造運動期三個階段，其中裂陷期又可分為古新世—早始新世的裂陷一期、中晚始新世的裂陷二期和漸新世的裂陷三期。渤中凹陷新生代沉積地層自下而上分別為古近系孔店組、沙河街組、東營組，新近系館陶組、明化鎮組及第四系平原組，沉積相類型上古近系以湖相、三角洲相及扇三角洲相為主，新近系以曲流河相、辮狀河相及淺水三角洲相為主，第四系為淺海相。石南一號斷層位于渤中凹陷北部，是渤中凹陷與石臼坨凸起之間的邊界斷層(圖1)。該斷層西起南堡凹陷附近，東至石臼坨凸起東傾末端，呈近東西走向，自西而東延伸約100 km。石南一號斷層在不同段的構造樣式、斷層活動性、成因模式均存在差異性，因此，石南一號斷層是一條復雜斷裂帶的統稱。

2 石南一號斷層分段特征

石南一號斷層位于北西向的張家口—蓬萊斷裂帶和北東向的郯廬斷裂帶交會的位置，受北西向左旋走滑和北東向右旋走滑兩種作用的影響。北西向左旋走滑作用主要影響斷層西段而北東向右旋走滑作用主要影響斷層東段，并各自形成一個轉換帶，在轉換帶的位置斷層具有明顯的走滑伸展特征。據此，將石南一號斷層分為“三段兩帶”，其中“三段”為西段、中段和東段，“兩帶”為西轉換帶和東轉換帶(圖2)。石南一號斷層在不同的段或帶的構造特征各不相同，西段和西轉換帶構造最為復雜，東段次之，中段和東轉換帶構造相對簡單。

圖2 石南一號斷層平面疊合圖Fig.2 Plane superposition diagram of Shinan No.1 fault

2.1 西段

西段主干斷層為鏟式或坡坪式伸展斷層，斷穿基底且規模較大、長期活動，早期伴生斷層為若干產狀基本相同的順向正斷層，成階梯狀排列，晚期伴生斷層與主干斷層組成花狀構造(圖3a)。平面上主干斷層呈弧形展布，展布方向自西向東由北西向逐漸轉為近東西向。由于受伸展作用和走滑作用的雙重影響，西段斷層的平面組合呈現多樣性，早期以耙式和平行式為主，晚期以北西向雁列式和斜列式為主(圖2)。

2.2 西轉換帶

西轉換帶為西段與中段轉換的部位，主干斷層剖面特征與西段類似，也為長期活動的鏟式伸展斷層，但活動性較弱。伴生斷層在該轉換帶較少發育，早期為順向正斷層，晚期為反向正斷層(圖3b)。平面斷層組合上早期表現為首尾相接的北西向弧形組合樣式，晚期則為北西向的雁列式組合樣式(圖2)。

2.3 中段

中段主干斷層為板式正斷層，斷穿基底且規模較大、長期活動，早期伴生斷層欠發育，晚期伴生斷層與主干斷層組成“Y”字型構造樣式(圖3c)。平面上主干斷層呈近東西向展布，西側略呈弧形，東側較平直。晚期伴生斷層與主干斷層組成的平行式組合樣式(圖2)。

圖3 石南一號斷層分段剖面(位置見圖2)Fig.3 Sectional profiles of Shinan No.1 fault(see Fig.2 for location)

2.4 東轉換帶

東轉換帶為中段與東段轉換的部位，該轉換帶斷層呈兩期活動特征。主干斷層早期活動，剖面上產狀直立，無伴生斷層，平面上呈北東向展布。晚期由于受北東向右旋走滑作用的影響，在該轉換帶形成一組北東向弱走滑斷層，剖面上表現為“Y”字型正斷層，平面上呈北東向雁列式組合樣式(圖3d、圖2)。

2.5 東段

東段為石臼坨凸起東傾末端南側斷層，主干斷層為座椅式伸展斷層，早期伴生斷層為順向正斷層，與主斷層呈階梯狀組合樣式，晚期受北東向走滑作用影響形成花狀構造(圖3e)。平面上主干斷層呈近東西向展布，早期較平直，晚期斷層呈首尾相接的弧形展布樣式(圖2)。

3 石南一號斷層演化特征及成因機制

3.1 斷層活動性分析

斷層活動性分析可以采用斷層生長指數、斷層活動速率和斷層古落差等常用參數進行定量表征。斷層古落差一般是指在垂直于斷層走向的剖面上兩盤對應地層之間的鉛直距離，對于生長斷層，其落差通常是計算上盤厚度與下盤厚度的差值[3-7]，該方法可以克服上盤地層缺失及地層年代不精確帶來的影響。斷層活動速率為斷層古落差除以該地層所經歷的地質時間，由于考慮了時間因素，能更好地反映斷層的活動強度。本次研究采用古落差和活動速率對石南一號斷層的活動性進行表征。

石南一號斷層同一段在不同時期的活動性存在差異，同一時期不同段的活動性也存在差異(圖4)。古近紀為斷陷期，斷層活動性普遍強烈，沙河街組沉積時期斷層古落差最大，而東三段沉積時期斷層活動速率最大。新近紀由于進入裂后熱沉降階段，各段活動性普遍減弱，東西段減弱最明顯，中段呈小幅減弱狀態，活動性依然較強。古近紀自西向東各段斷層活動性整體表現為“強—弱—強—弱—強”的特征，除去轉換帶的位置，各段均表現為強活動性；新近紀則表現為“弱—弱—強—弱—弱”的特征，只有中段表現為強活動性特征，其他段活動性均較弱。

圖4 石南一號斷層古落差及活動速率Fig.4 Paleofall and fault activity rate of Shinan No.1 fault

3.2 斷層演化過程分析

根據斷層的構造特征、活動期次并結合前人對渤海灣盆地及渤中凹陷形成演化機制的研究[8-11]，利用平衡剖面對石南一號斷層西、中、東三段分別進行構造演化恢復(圖5)，并將其新生代演化過程劃分為五個時期。

圖5 石南一號斷層各段構造演化剖面(位置見圖2)Fig.5 Tectonic evolution profile of each segment of Shinan No.1 fault(see Fig. 2 for location)

1) 沙一二段沉積之前。

該時期對應渤中凹陷的裂陷一、二期，石南一號斷層發生伸展活動，控制下降盤孔店—沙四段、沙三段沉積，其中西段沉積厚度最大，中段與東段相當，表明西段斷層活動更劇烈。此時主干斷層的伴生斷層發育數量較少，主要分布在西段與東段。

2) 沙一二段沉積時期。

該時期盆地進入裂后熱沉降期，石南一號斷層活動性減弱。

3) 東營組沉積時期。

該時期對應渤中凹陷的裂陷三期，主干斷層持續活動并控制東營組沉積。斷層活動速率顯示東二段、東三段斷層活動性均非常強烈，斷層劇烈活動控制下降盤渤中凹陷快速沉積巨厚東營組。同時由于構造應力場的變化在伸展斷裂基礎上疊加北東北西向區域走滑作用，形成大量伴生斷層。

4) 館陶組沉積時期。

該時期沉積盆地以整體沉降為主，表現為拗陷特征，石南一號斷層各段持續活動，但是斷層活動性較弱。

5) 明化鎮—第四系沉積時期。

渤海海域明化鎮組沉積之后出現活躍的構造運動即新構造運動[12-13]，受其影響，石南一號斷層繼承性活動加強，并產生大量具有走滑—伸展性質的晚期伴生斷層，形成花狀構造樣式。晚期斷層發育數量多，但斷層活動性比早期要弱，同期相比中段斷層活動強度要大于西段與東段。

3.3 斷層演化成因機制探討

新生代渤中凹陷的形成演化受到地幔熱隆起引起的伸展作用和板塊運動引起的走滑作用雙重控制，兩種作用在不同時期此消彼長，控制了渤中凹陷斷裂系統的形成與演化[11,14-16]。

古新世—始新世太平洋板塊以北西—西向向亞歐板塊俯沖，導致地幔上隆和地殼減薄，在石臼坨凸起地區產生近南北向的伸展應力(圖6a)。此時石南一號斷層各段均發生伸展作用，斷層各段形成機制如圖6b，推測該時期西段受到作用力更強，導致西段不僅斷層活動性比中東段強，階梯狀伴生斷層數量也比中東段更發育。

漸新世渤中凹陷仍處于裂陷期，但區域應力發生變化。由板塊運動產生的剪切作用使渤海灣盆地形成北東向與北西向兩組共軛應力系統(圖6a)，形成北東向的郯廬斷裂帶和北西向的張家口—蓬萊斷裂帶。由于位于兩組構造應力場交匯的位置，石南一號斷層此時期具有典型的走滑—伸展成因機制，主干斷層仍以伸展為主，但是各段模式又有不同：西段位于北西向的張家口—蓬萊斷裂帶主斷裂帶上，在伸展斷裂系統上疊加了較強的左旋走滑作用，形成平面上首尾相接的北西向左旋伸展走滑斷裂系統(圖6c)；東段受北東向應力場影響，但由于離北東向郯廬斷裂主走滑帶較遠，走滑作用相對較弱，形成耙狀的走滑伸展斷裂系統(圖6d)；中段此時仍以伸展作用為主，或受微弱北東向應力場影響，產生少量耙狀伴生斷層，未見北西向走滑應力影響痕跡。

圖6 石南一號斷層形成機制模式圖Fig.6 Model diagram of Shinan No.1 fault formation mechanism

新近紀和第四紀，經過裂后熱沉降后，渤中凹陷進入走滑期，走滑作用強烈。石南一號斷層東段形成北東向雁列式走滑斷裂，西段形成北西向雁列式走滑斷裂，只有中段受走滑作用較弱，持續以伸展作用為主，這也導致了新近紀主干斷層中段垂直斷距最大，斷層活動性表現為“弱—弱—強—弱—弱”的特征。

4 石南一號斷層對油氣成藏的控制作用

渤中地區已發現油氣藏多位于石臼坨凸起及石南一號斷層下降盤陡坡帶。石南一號斷層對這些油氣藏的成藏條件均有不同程度的控制作用。前人對石南一號斷層控制沉積相展布、儲層分布進行過一定研究[2-5]，本文重點討論石南一號斷層對烴源巖、圈閉形成機制及油氣運移模式的控制作用。

4.1 對烴源巖的控制作用

斷層對湖相烴源巖的控制作用體現在盆緣斷層控制了盆地沉降、水體深淺、沉積充填類型及烴源巖熱演化程度。石南一號斷層在沙三段沉積時期強烈的伸展活動使渤中凹陷快速沉降，凹陷內部發育良好的半深湖—深湖相生烴泥巖；沙一段沉積時期斷層活動減弱，盆地進入拗陷期，凹陷內部發育濱淺湖—半深湖相生烴泥巖；東三段時期斷層再次強烈活動，湖盆繼續發展，沉降加速，凹陷內部發育半深湖相生烴泥巖。石南一號斷層在裂陷期特別是東三段沉積時期的強烈伸展可以加速烴源巖的快速沉降，加速有機質的轉化。此外，地幔熱隆起作為石南一號斷層伸展作用的主要動力來源，可以為烴源巖提供一定的熱作用，促進烴源巖的成熟演化。

4.2 對圈閉的控制作用

石南一號斷層控制的圈閉有伸展和走滑兩種成因機制。主干斷層伸展過程中，上盤構造變形產生兩種調節方式，一種是塑性變形形成逆牽引構造，另一種是通過調節斷層，前者可以形成斷鼻或斷背斜圈閉，后者可以形成斷塊型圈閉。走滑作用在深層和淺層形成耙狀、雁列式、首尾相接弧形等不同斷層組合，配合地層的局部擠壓可以形成斷鼻、斷塊等多種類型的構造圈閉。此外，由于石南一號斷層及伴生斷層組成不同的斷階樣式，控制下降盤砂體的沉積展布，在陡坡帶形成構造—巖性圈閉，在轉換帶由于地層超覆到石臼坨凸起而形成地層超覆型圈閉。由于石南一號斷層存在分段差異性，其控制的圈閉類型及平面分布規律也同樣具有差異性(圖7)。西段與西轉換帶由于斷層活動強，伴生斷層發育規模較大，斷塊斷鼻型圈閉具有發育且面積大、數量多；中段構造樣式單一，深層斷鼻型，淺層斷塊型，但圈閉面積小、數量少；東段與東轉換帶，主要在中深層發育依附于邊界斷層的斷鼻型圈閉，面積稍大，淺層沒有圈閉發育。構造—地層圈閉主要是由古近系超覆線和斷層控制形成的圈閉，僅在東轉換帶發育；構造—巖性圈閉為具有構造背景但受巖性變化控制的圈閉，在石南一號斷層下降盤廣泛分布。

圖7 石南一號斷層周邊圈閉特征Fig.7 Characteristics of traps around Shinan No.1 fault

4.3 對油氣運移的控制作用

渤中凹陷沙河街組和東營組源巖分別在東營組沉積末期和明化鎮組沉積時期達到生油高峰期[17]，只有切入烴源巖并在對應生油高峰期強烈活動的斷層才能起到良好的油氣運移作用。石南一號主干斷層長期持續活動，斷層深切下部烴源巖層系，且在東營組沉積時期和明化鎮組沉積時期產生的大量次級斷層均可作為油氣垂向運移的通道。從石南一號斷層帶兩側目前已發現油氣層分布來看，油氣主要聚集于淺層明下段和中深層東營組，深層和淺層油氣藏具有不同的油氣運移模式。深層成藏模式為油氣沿著切入烴源巖的斷層垂向運移至東營組砂體或者直接運移至烴源巖中的砂體，然后沿砂體匯聚于構造圈閉成藏(圖8a)。淺層成藏模式為油氣沿著主干斷層垂向運移至淺層館陶組，然后沿著館陶組砂礫巖運移，再通過晚期斷層進行油氣二次運移至明下段圈閉成藏，即“網毯式”運移模式(圖8b)。

圖8 石南一號斷層周邊油氣運移模式Fig.8 Oil and gas migration pattern around Shinan No.1 fault

由于石南一號斷層的分段差異性，其作為油氣運移斷層的作用在各段亦有不同。斷層活動性分析顯示，石南一號斷層在東營組沉積時期各段活動性自西向東呈現為“強—弱—強—弱—強”的特征，在明上段—第四系沉積時期呈現“弱—弱—強—弱—弱”的特征。因此，根據斷層活動性與油氣運移時期的匹配關系認為中段斷層長期活動更利于晚期油氣運移，利于淺層油氣成藏，西段和東段斷層早期活動性強，晚期較弱，利于中深層油氣成藏。

5 結論

1) 石南一號斷層具有“三段兩帶”的分段特征。斷層各段構造樣式存在明顯的差異性，其中西段和西轉換帶表現為左旋走滑—伸展的構造特征，伴生斷層發育數量多，斷層平面組合形式多樣；中段表現為伸展構造特征，早期表現為單斷模式，晚期伴生斷層發育；東段和東轉換帶為右旋走滑—伸展構造特征，早期伸展斷層，晚期右旋走滑作用明顯。

2) 石南一號斷層具有“走滑—伸展”的成因模式。地幔熱隆起引起的伸展作用和板塊運動引起的走滑作用是石南一號斷層形成演化控制因素，兩種作用發生的時期和位置不同導致石南一號斷裂活動性和構造樣式的分段差異性。

3) 石南一號斷層對烴源巖分布及演化、圈閉形成與分布及油氣運移等都具有重要的控制作用。古近紀斷層的強烈活動控制了烴源巖分布，并促進了熱演化；斷層伸展和走滑活動控制了多種類型圈閉的形成，為油氣聚集成藏提供了有利的場所；石南一號中段斷層長期活動更利于晚期油氣運移，利于淺層油氣成藏，西段和東段斷層早期活動性強，晚期較弱，利于中深層油氣成藏。