冀中坳陷南部中—新生代構造轉換及其油氣地質意義

摘要：為了分析冀中坳陷南部中—新生代構造轉換機制及其與油氣分布的關系，基于地震解釋資料，對該區地質結構特征、構造演化及構造轉換過程進行研究，并對其油氣地質意義進行了探討。結果表明：冀中坳陷南部衡水調節帶兩側地質結構存在明顯差異，北部為“雙斷雙向滑脫背傾半地塹”結構，南部為“多斷單向滑脫復式半地塹”結構；冀中坳陷南部地區中—新生代構造演化大致分為基底演化（中生代）、初始裂陷演化（孔店組—沙四段沉積時期）、強裂陷演化（沙三段—沙二段沉積時期）、弱裂陷演化（沙一段—東營組沉積時期）及后裂陷演化（館陶組沉積時期以來）5個階段；冀中坳陷南部經歷了基底NNE向構造體系向新生代NE向構造體系的轉換，區域中—新生代以來應力場變化是冀中坳陷多方位復雜構造形成的原因；冀中坳陷南部構造轉換作用通過影響洼槽遷移進而影響有效烴源巖分布，通過控制砂體入盆通道影響儲層砂體展布，構造變換過程中主干斷層位移梯度變化導致橫向背斜形成指示油氣富集的有利部位。構造體制轉換形成的不同規模變換構造具有一定勘探潛力。

關鍵詞：渤海灣盆地；冀中坳陷；斷層活動性；構造轉換；構造演化；油氣分布

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220175

中圖分類號：P618.13；TE12

文獻標志碼：A

0引言

盆地構造轉換是盆地演化過程中普遍存在的現象，主要由區域應力場方向變化引起。這種構造轉換控制著復雜斷層的發育2]、盆地地層的沉積充填、圈閉的發育及流體的運移等。盆地經歷單期伸展，可形成與伸展方向接近正交的正斷層，而大多數盆地都經歷了多期非共軸的伸展變形，斷裂發育特征復雜，如渤海灣盆地9]、北海盆地12]、泰國灣盆地及東非裂谷盆地等。復雜裂陷盆地多期次的構造轉換已經成為盆地構造領域研究的熱點。近年來，構造轉換形成各類變換構造的理論已經廣泛應用于盆地構造變形的研究中19]，勘探實踐中相繼發現許多與變換構造有關的油氣田，證實變換構造是油氣富集的有利部位[22]。

我國東部渤海灣盆地受多期構造活動控制，新生代廣泛發育NNE—NE向的伸展構造及NW向的調節帶，這種多方位構造分割了盆地，控制了盆地的形成和演化，造成了盆內結構的差異。冀中坳陷作為渤海灣盆地西部的一個重要的斷陷，受不同走向、不同性質基底先存斷層及多期構造演化的影響，發育復雜的構造樣式，其中，南部地區構造演化主要受NW向衡水調節帶控制26]。近年來，勘探已經證實，冀中坳陷南部地區剩余資源量豐富，多口井獲得了規模儲量，展示了良好的勘探潛力。但是該區構造樣式較為復雜，特別是衡水調節帶兩側地層結構、斷層組合差異明顯，油氣分布規律不清，并且多方位斷層的成因機制、構造演化過程及衡水調節帶與鄰區之間的相互作用關系等有待進一步明確，制約了該區的下一步勘探。本文通過對冀中坳陷南部構造特征的分析和斷層活動時期的厘定，明確多方位斷層的變形特征及成因機制，建立中—新生代構造演化過程及構造變換模式，以期揭示多期構造轉換與油氣分布的關系，為該區油氣勘探提供借鑒和指導。

1區域地質背景

渤海灣盆地位于華北克拉通陸內中心。華北克拉通受周圍造山帶和板塊活動的影響，經歷了太古宙以來的陸塊形成、裂解、拼接；穩定的華北克拉通形成于古元古代末期；中、新元古代—古生代，華北克拉通內部整體以穩定的升降為主；晚古生代—早中侏羅世，南北兩側大洋關閉，板塊邊緣碰撞，開始擠壓造山，盆地內發育EW走向逆沖構造；中—新生代以來，受太平洋構造域的影響32]，渤海灣盆地經歷多期的構造變形及轉換，最終形成了現今盆地復雜的格局。

冀中坳陷位于渤海灣盆地西北部，由多條橫向構造帶分割為北部、中部和南部地區。冀中坳陷南部地區共發育13個構造單元，包括保定凹陷、高陽低凸起、蠡縣斜坡、饒陽凹陷、深澤低凸起、深縣凹陷、石家莊凹陷、無極藁城低凸起、晉縣凹陷、寧晉凸起、束鹿凹陷、新河凸起及前磨頭凹陷等（圖1）。構造單元走向以NNE、NE向為主，中部發育一條NW向衡水斷層，其對兩側構造單元起到明顯的分隔作用。

冀中坳陷南部地區整體發育在前新生界基底之上，新生界自下而上包括古近系孔店組（Ek）、沙河街組（Es）、東營組（Ed）、新近系館陶組（Ng），其中古近系是冀中坳陷重要的富油氣層系，巖性以陸相碎屑巖為主（圖2）。

2構造特征

2.1地層結構特征

研究區廣泛發育不同級別的斷層，其中一級斷層包括太行山前斷層、獻縣斷層、新河斷層、寧晉斷層、衡水斷層等控坳斷層，同時，受主干斷層控制，還發育多條二級斷層，如前磨頭斷層、虎北斷層、楊武寨斷層、皇甫村斷層、大王莊斷層等，另外在坳陷內發育多條次級斷層控制局部構造帶。

受主干斷層差異的影響，衡水斷層南北兩側盆地結構存在明顯的差異，從南北兩側的區域骨架剖面（圖3）可以看出：衡水斷層東北部為“雙斷雙向滑脫背傾半地塹”結構（圖3a），西側太行山前斷層上盤控制西斷東超的保定凹陷，孔店組—沙二段靠近斷層厚度較大，沙一段以來沉積受斷層影響較小，表明太行山前斷層在古新世—始新世發生了強烈的伸展變形，漸新世以來斷層活動明顯減弱；東側獻縣斷層上盤古近系厚度向西逐漸減薄，說明古近紀獻縣斷層控制地層的沉積，同時上盤產生大量三、四級調節斷層，相比于西側，東側次級斷層發育數量較多；東、西兩個半地塹呈背傾特征，太行山前斷層和獻縣斷層作為邊界大斷層向下收斂于深部同一滑脫層，中部地區受兩側對傾的邊界斷層滑動影響，西翼陡、東翼緩，核部古近系薄、兩翼逐漸增厚，反映其與古近紀兩側斷層強烈伸展有關。

衡水斷層西南部整體為“多斷單向滑脫復式半地塹結構”（圖3b），西側太行山前斷層控制整體結構，同時發育寧晉斷層、新河斷層及前磨頭斷層等西傾的二、三級斷層，這些斷層向下收斂于太行山前斷層面之上，并控制晉縣凹陷、束鹿凹陷、前磨頭凹陷等箕狀半地塹發育；此外衡水斷層南部次級斷層廣泛發育，西側次級斷層多分布于無極藁城低凸起上，這些斷層向下斷至基底，上部多終止于古近系內，結合地層厚度及斷層活動性，認為這些斷層為中生代產生。東側次級斷層主要發育在古近系—第四系凹陷內，主要為二、三級控凹斷層新生代活動伴生的次級斷層。古近系分布于各箕狀半地塹內，并明顯受控于控凹斷層，凹陷之間分別發育無極藁城低凸起、寧晉凸起及新河凸起，呈現“凹凸相間”結構；新近系—第四系整體沉積在古近系盆地之上，構成現今復式半地塹構造格局。

2.2主干斷層活動性

本文采用斷距埋深曲線法、生長指數（EI）法等方法34]分析正斷層活動性。斷距埋深曲線法是通過建立斷層垂直斷距與埋深的變化關系曲線來反映斷層的生長過程，曲線中斷距最大值點代表斷層成核點，斷距埋深曲線斜率變化反映斷層活動快慢。生長指數法反映斷層活動強弱，EI是指正斷層上盤與下盤同一地層厚度的比值，若EIgt;1，表明斷層發生了同沉積活動，且EI值越大活動越強，同沉積作用越明顯；若EI≤1，則表明斷層不活動。

圖4為研究區不同走向主干斷層斷距埋深曲線及生長指數統計圖。其中：NW走向的衡水斷層（圖4a）成核點（斷距最大值點）位于基底地層中，且向上斷距逐漸減小，EI值在沙河街組沉積時期較大，說明衡水斷層是一條基底形成、新生代以來長期活動的主干斷層。NE走向的大王莊斷層、皇甫村斷層、虎北斷層及前磨頭斷層（圖4b）成核點大多位于孔店組—沙四段，并且向上和向下斷距均逐漸降低，說明這些斷層在孔店組—沙四段沉積時期形成；EI值在沙一段—東營組較大，說明該時期活動強烈。而NNE走向的寧晉斷層、新河斷層（圖4c）成核點位于前新生代基底地層，斷距向上減小；表明斷層在基底成核并且長期活動，沙三段沙二段EI值較大，表明沙三段沙二段經歷強烈活動。

斷層活動性分析結果表明：NW、NNE向主干斷層在前新生代基底時期成核，新生代以來持續活動；而NE走向的主干斷層形成于孔店組—沙四段沉積時期，后持續活動；以上主干斷層在新生代均長期活動，但NNE走向斷層和NW向衡水斷層形成早于NE走向主干斷層。

2.3主干斷層分段生長特征

自然界中大型斷層通常是由多條小斷層分段連接而成，斷層分段生長形成的局部變換構造為油氣聚集成藏提供了有利的圈閉條件36]。斷距距離曲線通過沿斷層走向統計同一層位斷層垂直斷距的變化來表征斷層的分段性，曲線中極小值點代表斷層分段點。本次研究以衡水斷層、虎北斷層、新河斷層、前磨頭斷層為例（圖5），分析不同走向斷層分段性。

分段點），其中H3點為新河斷層與衡水斷層交點，H4點為深西斷層與衡水斷層交點，H6點為虎北斷層與衡水斷層交點，虎北斷層以東為一個完整段。因此衡水斷層可以分為4個亞段，即束鹿亞段（H1—H3）、新河亞段（H3—H4）、深南亞段（H4—H6）及孫虎亞段（H6以東），衡水斷層這種分段性的特征是其兩側多方位斷層相互作用的結果。

虎北斷層的斷距距離曲線（圖5b）存在兩個極小值點，說明虎北斷層具有三段式分段生長特征；曲線中斷距向靠近衡水斷層方向逐漸降低，對比H6處的斷距，可以看出虎北斷層H6處的斷距明顯小于衡水斷層的斷距（圖5a、b），說明虎北斷層在孔店組—沙四段形成時并未與衡水斷層相交，斷層成核位置遠離衡水斷層，后期活動才逐漸生長并與之連接的。

新河斷層斷距距離曲線（圖5c）存在兩個極小值點，說明新河斷層是由3個孤立斷層段分段生長連接形成的，南段最大斷距為2.8 km，中段和北段最大斷距分別為2.7和2.0 km；值得注意的是，在新河斷層與衡水斷層相交點H3處，新河斷層Tg反射層斷距為1.8 km，明顯大于衡水斷層在此處的斷距（圖5a），說明新河斷層與衡水斷層在前新生代就已經相交。

前磨頭斷層為前磨頭凹陷的邊界斷層，其斷距距離曲線（圖5d）各層斷距向NE方向逐漸降低，斷距最大值位于斷層中段（約2.0 km），而前磨頭斷層與衡水斷層交叉點處斷距僅為0.8 km，這一點與虎北斷層規律相似，說明前磨頭斷層初始形成遠離衡水斷層。由此可見，衡水斷層為NNE向基底斷層伸展伴生的變換斷層，新生代NE向斷層晚期“相交”形成現今兩側多方位斷層相互作用關系。

3冀中坳陷南部地區構造體制轉換

3.1冀中坳陷南部構造演化過程

結合區域構造演化（圖2），將冀中坳陷南部地區衡水斷層構造演化劃分5個階段。

3.1.1基底演化階段

晚侏羅世—早白堊世，受太平洋板塊NNW向高速俯沖的影響33]，渤海灣盆地內部發育大量NE—NNE向裂谷及一系列NNE向基底斷層、NW向變換調節帶（例如衡水調節帶）；晚白堊世，太平洋板塊俯沖角度改變，渤海灣盆地進入燕山運動B幕演化階段，盆地發生抬升剝蝕，使得現今渤海灣盆地前新生代地層具有殘留分布的特征。形成的斷層作為基底先存斷層，既控制殘余地層的分布，又影響新生代的構造變形。

3.1.2初始裂陷演化階段

孔店組—沙四段沉積時期（圖6a1、b1），在區域伸展作用的影響下，先存基底斷層發生復活，這一時期，衡水斷層北部為太行山前斷層和獻縣斷層控制的兩個獨立半地塹，地層沉積在半地塹內部，中部高陽低凸起上無孔店組沙四段地層（圖6a1）；同時新產生的正斷層剖面上呈多米諾式或塹壘式組合樣式，平面為NE走向展布。衡水斷層以南地區NNE向二級斷層（寧晉斷層、新河斷層等）持續活動，孔店組—沙四段主要分布在靠近太行山前斷層的半地塹內，東側前磨頭斷層的雛形開始出現（圖6b1）。

3.1.3強裂陷演化階段

沙三段—沙二段沉積時期（圖6a2、b2），受區域強烈伸展作用的影響，衡水斷層北部地區太行山前斷層、獻縣斷層強烈伸展使得上盤沉積較厚的沙三段—沙二段，同時在中部沉積較薄的高陽低凸起；衡水斷層以南地區（圖6b）太行山前斷層、寧晉斷層、新河斷層及前磨頭斷層持續伸展，沙三段—沙二段受斷層控制分布在各凹陷中，同時凹陷內部產生若干次級斷層，奠定了斷陷的基本形態。

3.1.4弱裂陷演化階段

沙一段—東營組沉積時期（圖6a3、b3），衡水斷層以北地區裂陷作用逐漸減弱，先存的斷層在斜向伸展作用下復活，與伸展方向高角度相交的NE向斷層較NNE向更易復活；因此虎北斷層上盤沙一段—東營組厚度明顯大于NNE向獻縣斷層，同時NNE向獻縣斷層在斜向伸展的作用下，傾角逐漸變緩。衡水斷層南部地區太行山前斷層、寧晉斷層及新河斷層繼承性活動，斷面傾角逐漸變緩，呈鏟型，淺層新生大量次級斷層，地層分布在各個凹陷內，厚度小于衡水斷層北部。

3.1.5后裂陷演化階段

館陶組沉積時期以來（圖6a4、b4），盆地以整體熱沉降活動為主，先存主干斷層均不同程度復活，剖面以“似花狀”斷層組合樣式為特征。衡水斷層兩側沒有明顯的差異，主要以地層的填平補齊、獨立半地塹聯合為特征，最終形成盆地現今的構造格局。

3.2中—新生代構造轉換及成因機制

冀中坳陷南部現今多方位展布的斷層體系及復雜的地質結構是中—新生代以來多期伸展變形疊加的結果。基底演化階段，受泛太平洋構造域的影響，研究區經歷了晚侏羅世—早白堊世的NWW—SEE方向伸展，發育一系列NNE走向的基底伸展斷層（新河斷層、寧晉斷層及獻縣斷層）及NW向調節帶（衡水斷層），控制洼槽局部分布（圖7a），西側太行山前斷層分段活動形成新樂背斜，獻縣斷層、寧晉斷層、新河斷層差異伸展形成NW向衡水變換斷層，奠定了冀中坳陷南部構造的雛形。進入新生代，由于太平洋板塊俯沖速率和俯沖方向的不斷變化，研究區經歷多期伸展變形：初始裂陷演化階段（孔店組—沙四段沉積時期），在太平洋板塊俯沖及海溝后撤的作用下38]，研究區經歷NW—SE向伸展，NNE向基底先存斷層斜向伸展再活動，控制早期洼槽進一步擴大，同時坳陷內新生一系列NE向斷層（前磨頭斷層、虎北斷層、大王莊斷層等）控制局部洼槽新生（圖7b）；強裂陷演化階段以來（沙三段—沙二段沉積時期），在NW—SE向強烈的拉張應力作用下，NNW向及NW向基底斷層發生斜向伸展再復活，初始裂陷形成的NE向斷層持續生長，凹陷范圍進一步擴大（圖7c）；弱裂陷演化階段（沙一段—東營組沉積時期）及后裂陷演化階段（館陶組沉積時期以來），區域上受太平洋板塊俯沖方向的變化以及印度板塊與歐亞板塊陸陸碰撞遠場應力的共同作用，冀中坳陷南部經歷N—S向伸展，強度逐漸減弱，盆地由斷陷向坳陷轉化，最終形成現今的構造格局。

因此，冀中坳陷南部經歷了基底NNE向構造體系向新生代NE向構造體系的轉換，區域中—新生代以來應力場變化是冀中坳陷多方位復雜構造形成的原因。

4油氣地質意義

多期構造轉換形成的不同規模變換構造對烴源巖分布、儲層砂體的展布及構造圈閉的形成等方面同樣具有控制作用（圖8）。

4.1主干斷層多期分段活動控制洼槽的形成及有效烴源巖的范圍

冀中坳陷南部地區新生代烴源巖以孔店組—沙四段和沙三段為主，主干斷層的多期分段活動控制洼槽遷移生長，進而影響有效烴源巖的分布。以束鹿凹陷新河斷層為例，新河斷層具有三段式生長特征，控制上盤3個古近系洼槽的展布，因此束鹿凹陷沙三段烴源巖分布在3個洼槽當中。對于整個冀中坳陷南部地區，受多期構造轉換的影響，有效烴源巖的分布明顯受控主干斷層下降盤洼槽分布，如虎北斷層、留楚—皇甫村斷層、大王莊斷層等，沿NE向斷層分布的烴源巖為斷層附近的油田（榆科油田、留楚油田、大王莊油田等）提供充足的油氣源供給（圖8a）。

4.2構造轉換控制變換構造發育決定儲層砂體的展布

多期次構造體制轉換形成的不同類型的變換構造，尤其是斷層分段連接部位通常是控制沉積物源進入匯水盆地的通道42]，進而控制盆內沉積體系及砂體的展布。冀中坳陷南部地區受衡水斷層變換作用的影響，主干斷層本身（如虎北斷層）、兩條斷層相互疊覆作用區域發育不同規模類型的變換構造。這些構造部位發育的砂體一旦鄰近生烴凹陷，便利于油氣聚集成藏，如楊武寨油田，北部砂體沿留路斷層與楊武寨東斷層之間的轉換斜坡進入盆內，南部發育虎北洼槽和楊武寨東洼槽兩個生烴洼槽（圖8a），為楊武寨油田油氣聚集提供了烴源巖和基礎良好的儲層。研究區類似油田還有束鹿凹陷的臺家莊油田、荊丘油田，晉縣凹陷的趙州橋油田等。

4.3位移梯度變化導致橫向背斜形成指示油氣富集有利部位

斷層分段活動導致沿斷層走向位移梯度存在變化，這種位移梯度的變化常會在斷層上盤發育橫向背斜，為油氣成藏提供圈閉條件36]。從油氣運聚角度來講，局部發育的變換構造帶往往處于構造高部位，油氣運聚的低勢區是油氣成藏的優勢部位。以晉縣凹陷南部為例，寧晉斷層沿走向具有三段式發育的特征，中段與南段的分段連接處發育南柏舍橫向背斜，同時該構造緊鄰烴源巖分布區且位于沉積砂體范圍內（圖8a）；因此烴源巖生成的油氣能夠沿著輸導通道向南柏舍背斜高部位運聚成藏，使得南柏舍背斜成為油氣富集區（圖8b）。研究區荊丘油田、深南油田及榆科油田具有相同的成藏模式（圖8a），油氣富集于主干斷層位移梯度變化形成的橫向背斜圈閉中。

冀中坳陷中—新生代多期次的構造轉換過程影響了有效烴源巖、沉積儲層及有利圈閉等成藏因素，已探明的儲量分布大多數與構造轉換過程形成的變換構造有關，這也為下一步冀中坳陷乃至渤海灣盆地的油氣勘探提供了一種可以借鑒的思路。

5結論

1）衡水斷層北部為太行山前斷層與獻縣斷層控制的“雙斷雙向滑脫背傾半地塹結構”，衡水斷層以南為太行山前斷層主控的“多斷單向滑脫復式半地塹結構”；NNE向、NW向主干斷層形成早于NE向主干斷層。

2）冀中坳陷南部地區中—新生代構造演化經歷了基底演化（中生代）、初始裂陷演化（孔店組—沙四段沉積時期）、強裂陷演化（沙三段—沙二段沉積時期）、弱裂陷演化（沙一段—東營組沉積時期）和后裂陷演化（館陶組沉積時期以來）5個階段以及基底NNE向構造體系向新生代NE向構造體系的轉換，區域應力場變化是冀中坳陷多方位復雜構造形成的原因。

3）主干斷層多期分段活動控制洼槽遷移影響有效烴源巖的分布；構造轉換控制變換構造發育決定儲層砂體展布；主干斷層位移梯度變化形成的橫向背斜構造，指示油氣富集有利部位。

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