歧深地区沙三段沉降特征及其与构造演化的关系

杜 民,陆永潮,李 锐

(1.广州海洋地质调查局,广东广州510760;2.中国地质大学(武汉)资源学院)

歧深地区沙三段沉降特征及其与构造演化的关系

杜 民1,陆永潮2,李 锐1

(1.广州海洋地质调查局,广东广州510760;2.中国地质大学(武汉)资源学院)

对歧深地区重点勘探层段进行沉降史模拟,可了解其沉降速率的时空展布特征,同时也可以研究沉降特征与盆地构造演化阶段之间的关系。以歧深地区的三维地震资料为基础,合理选取各项模拟参数,利用 EBM盆地模拟软件对沙三段进行了沉降史模拟。模拟结果表明沙三段各亚段沉积期的沉降特征既有明显的继承性又有一定的差异性;沙三段时期,歧深地区的沉降特征与构造演化密切相关,其构造应力状态由初始的强烈伸展应力状态先后经历显著减弱、小幅减弱两次演变,即在沙三段沉积期盆地经历了断陷初始期、断陷加速期和断陷减弱期三个演化阶段;歧深地区沉降特征与构造作用控制着沙三段各亚段的沉积砂体展布。综合研究歧深地区高速沉降特征与成藏规律,认为歧深地区沙三段存在超压油气成藏模式。沉降史模拟研究揭示了沙三段时期盆地的沉降速率特征及其与构造演化的关系,同时初步探讨了沉降特征与沉积、成藏的关系,从而为研究区精细油气勘探奠定了良好基石。

歧深地区;构造演化;沉降特征;沉降史

盆地沉降史分析是含油气盆地分析中的一项常规技术,可用来调查盆地沉降的构造驱动机制,研究盆地的形成和演化,以及确定含油气盆地的热演化史,推测油气生成窗[1]。分析可恢复地质历史时期的地层形态特征及沉积、沉降速率的变化,故其可为盆地的发育史、盆地伸展与沉降参数及古热流演化史研究提供时空框架[2～3]。构造沉降速率及沉降量直接受控于盆地类型及其形成机制,故沉降史分析不仅是油气勘探的重要技术,也可作为定量或半定量地划分盆地构造演化阶段或期次的重要参数[4]。

沙三段-沙二段沉积时期,歧深地区处于伸展断陷盆地发育期,该阶段所沉积的沙三段地层是进行勘探与研究的主要目的层系之一。本文试图以沙三段沉降史模拟为出发点,通过对沉降速率的剖析,了解其沉降特征的时空展布规律,并分析沉降特征与构造演化以及沉积、成藏的关系。

1 研究区地质概况

黄骅坳陷位于渤海湾盆地中部,是渤海湾盆地的一个重要含油气区,是我国东部大型富油气叠合盆地之一,其中歧口凹陷位于黄骅坳陷中部,是黄骅坳陷内的富油气凹陷之一,为新生代以来长期继承发育的大型生油凹陷[5]。本文所研究的歧深地区位于歧口凹陷中北部和极桥凹陷中南部,具体范围:包括板桥凹陷、北大港潜山构造带、歧口北部凹陷、南大港潜山构造带等次级构造单元(图1)。

图1 歧深地区构造单元(据大港油田,2008)

从区域位置来看,歧深地区处于鲁西、太行、燕辽三大基底地块的拼接部位,与黄骅坳陷一样经历了印支-燕山运动和喜山期多次构造变动,中生代为地台隆褶、解体阶段,新生代古近纪进入裂谷发育期,盆地持续沉降,盆缘隆起区持续隆升,古地形高差大,盆地以湖盆发育为特色,沉积了多种类型的湖盆沉积体系。根据在研究区内识别出的主要等时界面,可将古近系和新近系充填沉积划分为1个一级层序,4个二级层序,17个三级层序(图2)。本文的研究层段(沙三段)岩性总体为一套大段暗色泥岩夹成组的砂岩、砂砾岩。

图2 歧深地区古近系-新近系层序划分(据陆永潮等,2008)

2 沉降史模拟原理及具体方法

2.1 沉降史分析的基本原理

沉降史及沉积速率分析作为盆地模拟的重要组成部分,以盆地参数的定量化、地质过程的动态描述、地质模型和地质解释的验证或“实验”过程为研究路径,经过长期的发展目前已成为盆地分析中的一种常规技术。定量沉降史模拟的方法分两种:其一是反演法,即回剥法;其二是正演法[6]。本文沉降史分析的基本原理属回剥法,即在保持地层骨架厚度不变的条件下,从已知地层分层参数出发,将地层按地质年龄由新到老逐层回剥直至地表(其间考虑压实、间断及构造时间等因素),进而恢复各地层的原始沉积厚度、盆地埋藏史和构造沉降史[7]。

EBM盆地模拟软件属于二维剖面回剥系统,其模拟工作中主要涉及三项参数的校正:①压实校正:首先利用地层界面深度、岩石物性和地层界面年龄等基础数据建立各种沉积物的孔隙度-深度的关系曲线,然后应用压实原理对沉积地层进行压实校正;②古水深校正:沉积物沉积时,其沉积界面在水面下一定深度,所以沉积物厚度不能代表其沉降深度。古水深可以通过沉积相及古生物组合等综合分析获得,将其与沉积物厚度相加就可以得到真正的深度[8];③负载校正:利用艾里地壳均衡补偿原理计算当沉积盆地空间被沉积物充填时,沉积物自身的重量使得基底被动下沉的幅度,从而实现沉积物的负载校正。模拟过程中,盆地的构造沉降(纯水载盆地沉降)可表述为:构造沉降=总沉降-(沉积物和水负载沉降+沉积物压实沉降+湖水面的变化),从而可求出构造沉降量并进行构造沉降史分析[9]。

2.2 模拟数据的采集

应用EBM盆地模拟系统对歧深地区进行模拟时,主要以研究区的三维地震资料为基础。数据采集工作主要可分为3个步骤:①在 Geo Frame解释平台上,在三维地震工区内对各个层序界面,重点对沙三段层序界面进行了解释、追踪及闭合;②首先选取研究区内49条主测线(NW-SE向),根据地层在各测线上的展布特征,将测线上地层厚度发生明显变化的点(特别是剥蚀点)作为模拟点,每条测线上的模拟点在50个左右,采集每个模拟点处坐标及各层位底界面的双程旅行时间,最后将各层位底界面时间值换算为相应的深度值;③依据 EBM盆地模拟软件的数据格式要求,进行模拟数据的采集。

2.3 模拟参数的选取

沉降史模拟相关的参数主要包括岩石压实系数、表面孔隙度、密度、界面年代和古水深。根据各层序不同沉积相的岩性及相关参数的特征及不同相态的平面展布范围,可以确定出各模拟点的模拟参数(表1)。对于地层顶、底界面的地质年代,可以根据同位素定年法来获取,由此方法获取的沙三段底界面的同位素年龄为42.4 Ma,顶界面的同位素年龄为39.5 Ma。本研究将沙三段划分为三个亚段,综合前人研究成果以及各亚段的沉积厚度、沉积速率、古生物等资料,确定 SQEs32的底界面年龄为41.4 Ma和SQEs31的底界面年龄为40.4 Ma,即沙三一亚段(Es31)的年代为39.5～40 M a,沙三二亚段(Es32)的年代为40～41 Ma,沙三三亚段(Es33)的年代为41～42.4 Ma。

另外,在歧深地区,由于北、南大港潜山的局部隆升,沙三段各亚段地层在其沉积末期都遭受了一定程度的剥蚀。因此,在确定模拟层段各模拟点底界面深度时,必须考虑其剥蚀厚度。本文利用趋势分析法与地层对比法相结合[10-11],估算了沙三段各亚段的剥蚀厚度。沙三段各亚段剥蚀区均分布在潜山附近,北大港潜山北缘剥蚀区呈长条状延伸,南大港潜山北部剥蚀区则呈C字形展布,两潜山顶部均存在小范围的非沉积区(图3)。沙三段各亚段的剥蚀厚度均在接近潜山顶部处达到最大值,沙三三亚段、沙三二亚段时期,区内最大剥蚀厚度达120 m,沙三一亚段时期,区内最大剥蚀厚度达160 m。

表1 不同沉积相的岩石物性参数及古水深

图3 歧深地区沙三段剥蚀厚度平面分布

3 沙三段各亚段沉降特征

3.1 平面演化

通过对所模拟的49条主测线的全部数据点沉降速率进行统计和分析,分别编制了歧深地区沙三段各亚段的沉降速率等值线图(图4)。图4反映了同一时期不同地区沉降速率的变化趋势及不同时期沉降中心的变化情况。

在沙三三亚段沉积期,歧深地区沉降速率整体呈现高值,歧北凹陷最大值可达1 200 m/Ma,板桥凹陷最大值为1 000 m/M a(图4a);到沙三二亚段沉积期,盆地沉降速率较沙三三亚段沉积期有大幅度降低,在歧北凹陷和板桥凹陷内最大沉降速率在800 m/M a左右(图4b);在沙三一亚段沉积期,盆地沉降速率又略有降低,歧北凹陷内最大沉降速率为700 m/Ma,而板桥凹陷内最大沉降速率为600 m/M a(图4c)。且在整个沙三段沉积期,北、南大港潜山区周缘沉降速率值均表现为低值,一般小于200 m/Ma。

研究显示,歧北凹陷和板桥凹陷是盆地沙三段沉积时期的沉降中心,而北、南大港潜山为古隆起区。沙三三亚段沉积期,歧北凹陷内分布有东、西两个次级的沉降中心,后者发育较大,轮廓呈狭长椭圆状,板桥凹陷亦可细分为东、西两个次级的沉降中心;沙三二亚段沉积期,歧深地区各个次级沉降中心发生明显变化,歧北凹陷内表现为沿东北向展布的三个等大的次级沉降中心,板桥凹陷内也呈现出三个次级沉降中心,此时,各次级沉降中心不仅在沉降幅度上较沙三三亚段沉积期有显著减小,且在外形方面表现得相对宽广;沙三一亚段沉积期,歧深地区沉降特征继承了沙三二亚段沉积期的特征,只是沉降幅度整体上略有减小,且沉降中心轮廓表现得更为宽广。

图4 歧深地区沙三段沉降速率等值线

3.2 垂向演化

通过研究歧深地区沉降速率垂相演化特征发现,研究区沙三段沉积时期沉降曲线具明显的阶梯状特征。以测线Inline2200为典型例子进行分析的结果见图5。

图5 歧深地区测线Inline2200第30号模拟点沉降量和沉降速率

在沙三三亚段沉积期,总沉降速率和构造沉降速率最大,沉降量曲线最陡,构造沉降量约占总沉降量的70%左右;在沙三二亚段沉积期,总沉降速率和构造沉降速率有显著降低,沉降量曲线也有明显变缓,构造沉降量约占总沉降量的60%左右;到沙三一亚段沉积期,总沉降速率和构造沉降速率又略有降低,沉降量曲线又稍有变缓,但构造沉降量占总沉降量的份额仍然大于50%。

沉降速率垂相演化特征显示:沙三段沉积期沉降速率和沉降量都很大,构造沉降量占总沉降量的份额均大于50%,即构造作用总是起着主要作用,说明该时期存在重要的构造运动;从沙三三亚段到沙三一亚段沉积期,盆地沉降速率先经历了由极高值到较高值的转化,然后又经历了由较高值向高值的变化。

4 沉降特征与构造演化的关系

歧深地区沙三段沉降速率特征与盆地的构造演化密切相关。受喜山运动影响,沙三段、沙二段沉积时期歧口凹陷正处于主断陷期,盆地表现出沉积厚度大、沉降速率快的特点。沉降史模拟及分析结果显示,沙三段各沉积期沉降速率值都很高,最高值均超过700 m/Ma,构造沉降量占总沉降量的份额均大于50%,结合构造背景可判断沙三段时期盆地属于典型的断陷期。沙三段沉积期,盆地沉降速率先后经历了极高值-较高值-高值三个阶段的变化,这与该断陷期所细分出的初始期(Es33沉积期)、加速期(Es32沉积期)和减弱期(Es31沉积期)三个演化阶段相吻合。

沙三段各亚段沉积期均处于受喜山运动影响的断陷期,且可细分为三个演化阶段,这使得沙三段沉积期的沉降特征既有明显的继承性,又有一定的差异性。继承性:南大港潜山区和北大港潜山区沉降速率始终呈现低值,即南、北大港潜山区始终属于相对隆起区,而歧北凹陷和板桥凹陷内沉降速率始终呈现高值,即沉降中心一直位于歧北凹陷和板桥凹陷。差异性:沙三三亚段沉积期,歧北凹陷与板桥凹陷两个主沉降中心表现为狭长状,其均可细分为两个次级沉降中心,且高值区局限于次级沉降中心中部;到沙三二亚段沉积期,沉降速率整体上显著降低,歧北凹陷和板桥凹陷两个主要沉降中心轮廓表现得较为宽广,其内各发育有三个次级沉降中心,中心高值区范围所占比率有所扩大;沙三一亚段沉积期,歧深地区沉降特征与沙三二亚段沉积期时基本相似,但沉降速率整体上略有降低,两主沉降中心轮廓表现得十分宽阔。

歧深地区沉降特征差异性说明沙三段沉积期盆地构造演化发生了阶段性的变化。沙三三亚段沉积期,盆地受控于强烈的拉张构造应力,即属于断陷初始期,凹陷内沉降速率及沉降幅度均较大。湖盆边缘发育的港东、港西断层及大张坨断层活动强烈,对沉积层序厚度和沉积相分布产生重要影响,多个局部的次级沉降-沉积中心明显呈狭长状且紧邻断裂并沿断裂走向分布。沙三二亚段沉积期,构造应力发生明显的松弛,盆地进入断陷加速期,凹陷内沉降速率及沉降幅度显著减小。各主干伸展断层在这一时期发生继承性断陷活动,但是断陷强度明显减弱,次级沉降、沉积中心表现为次圆状并有向凹陷中心迁移的迹象。沙三一亚段沉积期,构造应力进一步减弱,盆地进入断陷减弱期,凹陷内沉降速率及沉降幅度也相应降低。此时,主干伸展断裂虽仍然持续活动,但区内部分次级正断层已停止活动,区域性拗陷开始对盆地沉降产生影响,最后使盆地在板桥凹陷和歧北凹陷中分别形成了一个相对稳定、统一、宽阔的沉降中心。

5 沉降特征与沉积、成藏的关系

通过以上对沉降特征分析,可以确定出研究区两大沉积中心,即板桥凹陷和歧北凹陷,同时也确定出南、北大港潜山隆起区,从而展现了沙三段沉积期隆凹相间的古构造格局。不同的古构造和沉降特征对研究区沉积体系分布起着重要的控制作用。

沙三三亚段沉积期,凹陷区域快速沉降,地形高差急剧增加。该时期以发育扇三角洲为特征,主要分布在北大港潜山北缘、南大港潜山东北缘以及研究区东北部。沙三二亚段沉积期,凹陷区沉降速率有明显减小,但其值仍较高,隆起与凹陷之间地势继续增加,歧北凹陷范围略有扩张。该时期北大港潜山北缘仍发育扇三角洲,但南大港潜山东北缘以及研究区东北部发育有辫状河三角洲,且歧北凹陷内部还发育滑塌型近岸水下浊积扇。沙三一亚段沉积期,研究区整体进入稳定沉降期,隆凹之间高差开始减小。该时期北大港潜山北缘仅发育规模较小的扇三角洲沉积体,研究区东北部仍发育辫状河三角洲,因地势较缓,此辫状三角洲不仅直接入注板桥凹陷,还继续向南推进到歧北深凹形成远岸水下扇。

沙三段沉积期,沉降速率较快,使得泥岩欠压实,并产生超压。研究认为超压对深层砂体的物性起到改善的作用,且对下伏油气藏具有良好的封闭保存作用,还对油气具有驱动作用。综合分析得出,歧深地区沙三段可形成与超压相关的油气成藏模式,主要类型包括超压封闭岩性油气藏和超压封闭气藏。相对沙三一亚段而言,该模式在沙三二亚段与沙三三亚段内更为普遍。

6 结论

(1)歧深地区沉降史模拟结果分析表明:沉降速率平面演化与垂向演化特征均说明沙三段各亚段沉积期的沉降既有明显的继承性又有一定的差异性。进一步分析揭示:歧深地区沙三段沉降史演化与盆地构造演化密切相关,其构造应力状态由强烈伸展应力状态经历了先显著减弱、再小幅减弱的两次演变,即沙三段时期盆地先后经历了断陷初始期、断陷加速期和断陷减弱期三个构造演化阶段。

(2)模拟结果也表明,歧深地区沉降特征受不同期次的构造作用控制,具有极高值-较高值-高值的变化特征。相应的古构造和沉降特征控制着沙三段各亚段沉积期的沉积砂体展布特征。综合研究歧深地区沙三段沉积期的高速沉降特征和油气成藏规律,认为研究区可形成与超压相关的油气成藏模式。

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Carrying on the subsidence histo ry simulation in Qishen area key exploration stratigraphic interval,understand the space and time distribution characteristic of its subsidence rate,simultaneously study the subsidence characteristic and its relationships w ith the basin structure evolutionary.Take Qishen area’s three dimensional seismic data as a foundation,select each simulation parameter reasonably,carry on the subsidence history simulation on Sha IIImember by using the EBM basin simulation software.The analogue result indicates that subsidence features of each sub-member of the Sha IIImember depositional stage have the characteristics of both obvious succession and certain difference.Further analysis reveals:Sha IIImember stage,subsidence features of Qishen area is related to its tectonic evolution,its tectonic stress condition experiences successively by the initial intense extension stress condition two evolutionsof obviously weakening and the small scale weakening.Which means Sha III member sedimentary basin experienced three evolutionary phases as the fault dep ression initial period,accelerating period and weakening period.The analogue result also indicates:Qishen area subsidence characteristic and the tectonism are controlling the sedimentary sand body distribution of each sub-member of Sha IIImember.According to the comp rehensive study of Qishen high speed subsidence features and reservoir fo rming law,it is thought overp ressure oil and gas reservoir existed in Sha IImember of Qishen area.The subsidence history simulator study has revealed Sha IIImember basin sedimentation rate characteristic and its relationship with tectonic evolution,meanw hile discussed the subsidence characteristic and its relationship with the deposition and formation,thus established the good foundation fo r the research area fine oil-gas exploration.

01 Subsidence feature of Qishen area Sha IIImember and its relationship with tectonic evolution

Du M in et al(Guangzhou Marine Geological Survey Bureau,Guangzhou,Guangdong 510760)

Qishen area;tectonic evolution;subsidence feature;subsidence histo ry

TE111.2

A

1673-8217(2011)05-0001-05

2011-05-16;改回日期:2011-06-23

杜民,1985年生,2006年毕业于中国地质大学(武汉)资源勘查工程专业,2009年获中国地质大学(武汉)海洋地质专业硕士学位,现主要从事海洋地质科研工作。

中国石油大港油田公司重点科研项目“歧深地区沙三段地震地质综合研究与目标预测”(DGYT-2007-JS-5315)。

编辑:吴官生