渤海海域庙西凹陷古近纪沙三段沉积期原盆面貌恢复

韩少甲 ，赵俊峰，刘池洋，芦建军，贾楠

西北大学大陆动力学国家重点实验室/西北大学地质学系，西安，710069

内容提要：庙西凹陷位于渤海湾盆地渤中坳陷的东南部，是渤海海域近期勘探的热点地区和潜在富烃凹陷之一。由于该地区处于郯庐断裂带穿越部位，新生代以来构造改造较为强烈，致使对其主要生烃层段古近纪沙三段沉积期的原始面貌认识不清，从而给油气勘探和资源潜力评价造成困难。本文遵循改造型盆地的研究思路，在70余条地震剖面、多口钻井资料以及样品裂变径迹分析等基础上，恢复了该凹陷沙三段沉积期的原始面貌。研究表明，庙西凹陷东部在始新世末及其后遭受过较强烈的剥蚀改造，造成凹陷东部约1/4的原始沉积地层剥蚀无存；庙西北凸起和南凸起为沙三期同沉积断块，在沙三段沉积期向庙西凹陷提供物源；庙西凹陷西北部与渤东凹陷相通，西南部与黄河口、莱州湾凹陷连通。从沙三段烃源岩的原始沉积规模和勘探实践看，该凹陷具有良好的资源潜力。

图1 渤海湾盆地庙西凹陷地理位置与构造区划图Fig. 1 The geographical location and structural division diagram of the Miaoxi Sag in the Bohai Bay Basin

庙西凹陷位于渤海湾盆地渤中坳陷东南部，处于北北东向郯庐断裂带和北西向京蓬断裂的交汇部位，北部为渤东凹陷；西部毗邻渤南低凸起、黄河口凹陷及莱北低凸起；东部为胶辽隆起，总面积约2200km2(图1)。依据现今古近系的分布和赋存状态，庙西凹陷可划分为南洼、中洼、东洼、北洼和西洼5个洼陷。凹陷内发育沙河街组四段、三段和东营组三段共3套烃源岩，其中尤以沙河街组三段(简称沙三段)最为重要，在5个洼陷均有分布，是庙西凹陷已证实的主力烃源岩(吴克强和刘丽芳❶),沙三段在各洼陷最大厚度可达800～2000m。受新生代以来多期次构造作用和郯庐断裂带活动影响，古近纪盆地原貌遭受不同程度的改造破坏。庙西地区已有的研究工作侧重于新生代构造样式与期次、油气成藏条件等的探讨(王国纯，1998；张功成，2000；李建平等，2011；宗奕等，2012；王昕等，2013)，而对古近纪凹陷原始构造和沉积格局的研究较少。近年来的研究表明，沙三段沉积期后(始新世末)的构造运动在渤海海域具有普遍性，从而造成沙三段古、今面貌的明显差异(吴磊等，2006；黄雷等，2012)，但对于庙西凹陷沙三段的改造作用以及沙三段沉积期沉积范围、凹陷性质及其与渤中、黄河口等周邻构造单元的关系等,尚缺少专门研究，从而制约了对该区油气资源潜力的客观评价。

图2 渤海湾盆地庙西凹陷典型地震解释剖面(位置见图1，3)Fig. 2 The typical interpreted seismic profiles in the Miaoxi Sag, the Bohai Bay Basin(See Fig. 1,3 for the location) (a) 过庙西南洼EW向地震剖面AA′；(b) 过庙西中洼EW向地震剖面BB′；(c) 过庙西北洼、东洼NW—SE向地震剖面CC′(a) The EW seismic profile AA′ across southern subsag of the Miaoxi sag; (b) the EW seismic profile BB′ across the central subsag of the Miaoxi sag; (c) the NW—SE seismic profile CC′ across northern and eastern subsag of the Miaoxi sag

图3 渤海湾盆地庙西凹陷沙三段顶、底接触关系图 Fig. 3 Overlying and underlying contact styles of the Third Member of the Shahejie Formation in the Miaoxi Sag, the Bohai Bay Basin(a)沙三段顶部地层接触关系；(b)沙三段底部地层接触关系(a) The contact relationship with overlying strata at the top of the Third Member of the Shahejie Formation；(b) the contact relationship with underlying strata at the bottom of the Third Member of the Shahejie Formation

恢复改造型盆地的沉积范围及原型是盆地分析的一项重要内容，所选取的方法有赖于盆地的类型、演化-改造特点和实际资料基础等(Hill et al.，1995； Lowell，1995；刘池洋和孙海山，1999；刘池洋和杨兴科，2000；赵俊峰等，2010)。针对研究区实际情况，本文选取70余条地震剖面、多口钻井资料并结合样品裂变径迹测试等，系统剖析了庙西凹陷沙三段的赋存与改造特点、原始沉积环境、相邻凸起的抬升时限，在此基础上恢复了沙三段剥蚀厚度与原始沉积范围，并探讨了其盆地类型和油气地质意义。

1 现今凹陷边部沙三段赋存特点

地震剖面可直观地反映地层的接触关系以及后期改造特征。结合海域地区的资料特点，本文收集整理了覆盖整个庙西地区的北西-南东向、东-西向以及北东-南西向共70余条控制性地震剖面(图1，2)。通过与已解释剖面的类比分析和VSP资料井震标定等，完成了对未解释剖面的层位标定，并编制了沙三段顶、底部地层接触关系图(图3)。

地震剖面分析表明，庙西南洼主要呈西断东翘的箕状断陷，沙三段底部(即T6反射界面)与下伏沙四段主要呈平行接触关系；沙三段顶部(即T5反射界面)与上覆沙二段呈削截接触关系。说明沙三段在其沉积末期发生过一次抬升掀斜作用，使部分地层遭受剥蚀，造成T5上、下地层呈角度不整合接触(图2a)。因此,南洼沙三段的保存边界已不是原始边界，沙三期原始沉积边界应向东延伸一定距离。庙西中洼为北西断、南东剥的箕状断陷结构。中洼东部沙三段也遭受一定程度的剥蚀，但地层倾角相比南洼较缓，说明剥蚀量较小,同时由于后期的构造反转，使洼陷中部沙三段亦遭受剥蚀，肢解为东、西两个次洼(图2b)。与南洼、中洼沙三段的高角度抬升掀斜特点不同，东洼、北洼均呈北西断、南东超的箕状断陷结构。北洼沙三段底部与庙西南凸起多呈上超接触，顶部为平行接触关系，指示凸起在沙三段沉积时已经存在，随着沉积范围不断扩大沙三段沿着凸起逐渐向上超覆沉积，且沙三段沉积后遭受的改造较弱。东洼沙三段底部为上超的接触关系，东部边界顶部可见轻微削截现象，表明沙三段剥蚀程度较中洼、南洼弱得多(图2c)。

图4 渤海湾盆地庙西凹陷西部沙三段沉积相连井剖面图(平面位置见图1)Fig. 4 Well section for sedimentary facies analysis of the Third Member of the Shahejie Formation in the west of the Miaoxi Sag,the Bohai Bay Basin(See Fig. 1 for the wells’ location)

从大量地震剖面所反映的地层接触关系看，庙西凹陷沙三段剥蚀改造地区主要位于凹陷东部边界部位，剥蚀程度具有由南向北逐渐减弱的特点(图3)，且剥蚀作用主要发生在始新世末期的区域性构造运动。关于该期构造运动的表现形式、发生的背景，前人已有讨论(黄雷等，2012)。因此，沙三段现今的保存边界并非原始沉积边界，沙三期沉积边界应向东延伸一定距离，且南洼、中洼延伸距离更远；而庙西北凸起和南凸起在沙三段沉积时可能已经存在。

2 沙三段沉积环境

图5 渤海湾盆地庙西凹陷DD′剖面地震相—沉积相分析图(据陈少平和杜宏宇❷，修编；平面位置见图1) Fig. 5 Transforming seismic facies into sedimentary facies in profile DD′ across the Miaoxi Sag, the Bohai Bay Basin (Modified after Chen Shaoping and Du Hongyu❷; See Fig. 1 for the location)

图6 渤海湾盆地庙西北凸起PL9-1-1井裂变径迹年龄与长度分布图 Fig. 6 Distribution of the apatite fission track ages and lengths sampled from the Drill PL9-1-1 on the Northern Miaoxi uplift, the Bohai Bay Basin(a)单颗粒年龄分布图; (b)裂变径迹长度分布直方图 (a) Distribution of single-grain ages; (b) histogram of fission track lengths

区域沉积相带的分布和完整性对于判识盆地改造状态具有重要的指示意义。庙西凹陷目前钻遇沙三段的井仅有3口，其中只有1口钻穿沙三段(图4)。位于庙西凹陷西部的PL25-6-1井，沙三段上部为泥岩与粉砂岩、细砂岩互层，中部为大套泥岩夹细砂岩及白云岩，下部为泥岩夹细砂岩、粉砂岩及灰岩，主要是三角洲前缘和滨浅湖亚相沉积。而与之相邻的、位于渤南低凸起东部的PL19-3-8 井亦钻遇了沙三段，主要发育厚层的深灰色泥岩，且藻类化石含量高，说明该地区在沙三段沉积期中深湖相较为发育。据此可推断，至少渤南低凸起东部靠近庙西凹陷的地区在沙三沉积期是接受沉积的。莱北低凸起也具有类似的情况，根据前人研究(张国良等，2001),目前莱北低凸起尚有沙河街组分布，说明沙三期这一地区可能也在接受沉积。位于莱北低凸起东部的BZ36-3-1井沙三段主要是灰质砂岩,自然电位曲线表现为齿化箱型，属于滨浅湖亚相沉积。因此，庙西凹陷西部在沙三期应当与渤东、黄河口等凹陷相通。

庙西凹陷东部目前尚无钻井，研究其沉积特征主要依据地震相类比与解释。在靠近庙西北凸起一侧的北洼，沙三段地震相内部反射结构表现为楔形杂乱反射，可解释为扇三角洲相，往洼陷内部逐渐变为平行、连续、低频、强振幅反射结构的湖相沉积；庙西南凸起和胶辽隆起向庙西东洼具有相类似的地震相转变模式，体现了从隆起边缘的粗粒、不稳定沉积向凹陷内部细粒、稳定沉积转变的特点(图5)，说明北洼、东洼沉积体系保存较为完整，改造程度弱。中洼和南洼沙三段地震相主要具有低频、连续、强反射的特点，反映了在低能静水环境下的沉积过程，解释为滨浅湖、中深湖亚相沉积。南洼东部有部分中强振幅斜交前积反射，可解释为辫状河三角洲沉积(陈少平和杜宏宇，2010❷)。在凹陷东部边界未见到边缘相的地震反射特点，指示这一区域的原始盆地发生了改造，边缘相带遭受剥蚀。这与前文沙三段地层接触关系分析结果一致。

3 凸起部位的抬升时限

碎屑矿物裂变径迹测年建立在磷灰石、锆石等所含238U裂变产生的径迹在地质时间内受温度作用而发生退火行为的基础上，已广泛用于研究盆地与山体抬升剥露史。裂变径迹数据(径迹年龄、长度)不仅能反映样品经历最大古地温的时间，还可记录样品所经历的温度历史(Laslett et al.，1987；Green，1988；张志诚和王雪松，2004)，故可用于研究地层的抬升时限和过程。本文对庙西北凸起PL9-1-1井进行了裂变径迹分析(图6)，样品采自埋深1521～1529m井段的基底元古宇火山岩。裂变径迹年龄的置信度P(χ2)检验值为99.3%，故采用中值年龄(Central Age)用于地质解释。其中值年龄37±3Ma远小于寄主地层年龄，表明样品经历了完全退火。裂变径迹年龄、长度分布均为单峰态，推断为一次较持续的构造抬升运动所致，指示基底岩石在37±3Ma左右的时候抬升至完全退火带，之后庙西北凸起持续抬升降温。而沙三段的沉积时间是38～42Ma，与庙西北凸起抬升的时间基本吻合。由此可以推断庙西北凸起的抬升是与沙三段沉积期周邻洼陷的沉积同时发生的，这与前文1、2部分的认识是一致的。

4 原始沉积厚度与边界恢复

上述分析表明，沙三段沉积之后经历了强烈的构造抬升运动，造成庙西凹陷东部边界沙三段被大量剥蚀，特别是南洼、中洼剥蚀尤为强烈，北洼、东洼改造较弱。

综合考虑庙西地区新生代埋藏史和各种厚度恢复方法的适用条件(胡圣标等，1999；牟中海等，2002；李伟等，2005；李坤等，2007；张小兵等，2007； 李儒峰等，2012)，本文选取“趋势厚度法”对中东部地区进行剥蚀厚度的计算。首先利用覆盖研究区的5口钻井的VSP资料对该地区地震剖面的时深关系进行校正,在此基础之上选取了12条控制性地震剖面(图7),共计算了97个控制点的剥蚀量，进而恢复了沙三段原始沉积厚度与范围。

图7 渤海湾盆地庙西凹陷剥蚀量计算原理图(以04mx105剖面为例)Fig. 7 Principle for calculating erosion amount, the Miaoxi Sag, the Bohai Bay Basin (Taking seismic profile 04mx105 for the example)

图8 渤海湾盆地庙西凹陷沙三段沉积期原始盆地恢复图Fig. 8 The original extent of the Miaoxi Sag in the Bohai Bay Basin during the sedimentary period of the Third Member of the Shahejie Formation

计算表明，庙西凹陷沙三段剥蚀厚度由南向北逐渐减少，南洼平均剥蚀厚度为200m左右，最大可达350m。中洼平均剥蚀厚度为100m左右，最大不超过200m。北洼和东洼剥蚀量较小，平均剥蚀厚度为50m左右，改造相对较弱。厚度恢复显示，南洼、中洼的原始沉积范围更大，南洼在沙三期的沉积范围可在现今的基础之上向东延伸约10km左右，中洼的原始沉积边界可向南东延伸5～6km，东洼的沉积边界可向东延伸1～2km。庙西凹陷东部约800km2的原始沉积地层被后期改造剥蚀，即约1/4的原始沉积范围已不复存在(图8)。

5 结论和讨论

(1)庙西凹陷在始新世末发生了较大规模的构造抬升，使凹陷中、东部沙三段遭受强烈剥蚀，其中南洼、中洼表现尤为明显，东洼、北洼改造相对较弱。剥蚀厚度恢复表明，沙三段沉积期庙西南洼沉积边界可向东追索10km左右，约1/4的原始沉积地层被抬升剥蚀，不复存在。庙西北凸起和南凸起为沙三期同沉积断块，在沙三段沉积期向庙西凹陷提供物源。

(2)地震地层学和地震相分析表明，庙西凹陷在沙三段沉积期主体具有断陷性质，但并非孤立的小型断陷盆地，其北部与渤东凹陷连通，南部与黄河口凹陷、莱州湾凹陷等沟通，东部原始沉积范围亦较现今广阔。相对于孔店组、沙四段在渤海海域分布的局限性和沉积凹陷相对孤立的特点，沙三段沉积期，渤海海域沉降作用较为强烈，兼具有断陷和坳陷沉降作用机制(赵俊峰等❸)，故地层沉积范围大，连通性强。

(3)作为一个原始沉积范围较广阔，且与周邻黄河口凹陷等已证实富烃凹陷有广泛沟通的潜在富烃凹陷，评价庙西地区的生烃量和资源潜力显然不应仅局限于现今的深凹部位，而在凹陷间连通部位、凹陷东部的斜坡部位，亦可能有高品质的烃源岩。从勘探实践看，不论是庙西凹陷西部已投入开发的蓬莱19-9、蓬莱25-6油田，以及相邻的蓬莱19-3油田(渤海油区最大的油田，油源主要来自渤中和庙西凹陷沙三段)(郭永华等，2011)，还是近年来在庙西北凸起发现的蓬莱9-1亿吨级大油田(朱伟林等，2013；王昕等，2013)，都证实庙西凹陷具有丰富的资源潜力和良好的勘探前景。

致谢: 感谢中海油研究总院、中海油天津分公司勘探部和研究院的有关领导、专家，在资料收集、样品采集等方面给予的大力支持与帮助。

注释/Notes

❶吴克强,刘丽芳.2010.庙西凹陷勘探潜力评价.中海石油(中国)有限公司北京研究中心.

❷ 陈少平,杜宏宇.2010.庙西凹陷古近系沉积研究.中海石油(中国)有限公司北京研究中心.

❸ 赵俊峰,刘池阳,韩少甲.2013.渤中坳陷古近纪沙三段沉积期原盆恢复.西北大学科研报告.