板桥凹陷大张坨断裂带构造特征及其成藏模式

宋 璠, 苏妮娜, 李 慧, 洪伟俊, 路允乾, 刘佳星, 刘学嘉

( 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东 青岛 266580 )



板桥凹陷大张坨断裂带构造特征及其成藏模式

宋 璠, 苏妮娜, 李 慧, 洪伟俊, 路允乾, 刘佳星, 刘学嘉

( 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东 青岛 266580 )

大张坨断裂带是黄骅坳陷板桥凹陷最大的Ⅱ级断裂系统，对凹陷油气分布与富集具有重要影响.为了揭示大张坨断裂带与新生代油气成藏的关系，利用油区构造解析理论对断裂带的活动性、断裂构造样式及演化特征进行研究，综合断裂输导体系与断层两盘(上升盘、下降盘)的油气分布状况，建立板桥凹陷大张坨断裂带油气的断控成藏模式.结果表明：大张坨断层具有垂向分期、平面分段的活动特征，断层两盘派生大量次级断层，在断裂带内可识别阶梯型、“y”型、“y”型复合、多米诺式、对倾伸展型等5种构造样式，断裂活动贯穿于整个第三纪沉积史，构造演化具有明显的继承性.不同的断裂构造样式决定断层两盘油气运聚规律具有明显差异，形成不同成因类型与不同储量丰度的油气聚集单元.

板桥凹陷； 大张坨断层； 断裂活动； 构造样式； 构造演化； 油气成藏

0 引言

大型断裂带的发育和活动在油气成藏过程中起关键的控制作用[1]，断层活动性及其构造样式决定油气运移富集方式，形成区域特色的油气成藏模式[2].板桥凹陷作为渤海湾盆地重要的新生代含油气区，人们对其构造特征进行研究.邬光辉等认为盆地基底大型伸展活动的差异决定凹陷的古构造格局[3]；梁锋等研究凹陷边界断层的活动性，认为凹陷构造变换带对油气成藏具有重要影响[4]；宋璠等对凹陷新生代断层的活动性进行研究，建立相应的断控成藏模式[5]；梁宝芹等对凹陷含油区块进行构造解剖，刻画油区低级序断层，为油气开发提供依据[6].不同尺度的构造研究主要为了满足不同的勘探开发需求，然而对凹陷Ⅱ级断层研究的报道并不多见.目前，利用主干断层的几何学与运动学特征进行油区构造解析是构造研究领域的热点[7].笔者利用新处理的三维高品质地震数据及钻测井资料，分析凹陷规模最大、对油气成藏影响最显著的大张坨断裂带，明确其活动特征及断裂带构造样式，研究新生代油气成藏的控制作用，为板桥凹陷油气精细勘探开发提供地质依据.

1 区域地质概况

板桥凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷北部，整体呈北东向展布，面积约为540 km2.受沧东断裂活动的影响，板桥凹陷次级断裂主要呈北东、北北东向展布，其中大张坨断层是区内延伸最远、断距最大、活动时间最长的一条Ⅱ级断层[8]，对区内地层发育、沉积体及油气分布影响较大(见图1).大张坨断层平面上呈弧形，延伸距离约为20 km，断面北倾，总体走向为北东东向.该断层在凹陷东部逐步发育为2条断层，其中一条走向不变，向北东方向逐渐消亡；另一条呈近东西走向，与白水头断层相接.

钻井揭示，板桥凹陷沉积层主要包括古近系沙河街组—东营组、新近系馆陶组—明化镇组，具有丰富的原油及凝析气资源.受大张坨断层活动的影响，下降盘地层沉积厚度较大，且受断层牵引形成并排发育断鼻构造群；上升盘地层厚度较小，一系列次级断层呈雁列式依附于大张坨断层南侧，倾向与大张坨断层相反，断层间受扭动作用影响发育小规模背斜.

2 断裂带构造样式

渤海湾盆地中—新生界具有典型的“克拉通基底上的裂谷盆地”特点[9]，纵向上为基底构造层、初始裂陷构造层、伸展断陷构造层、坳陷构造层等叠置.板桥凹陷第三系主要对应于伸展断陷构造层[10]，凹陷大张坨断层及伴生的共轭协调断层与第三系构造层共同组成多种类型构造样式，对油气运移、成藏的影响各异.以大张坨断层及上、下盘次级断层为主要目标进行构造分析，根据运动学与几何性质的差异，在大张坨断裂带内自西向东依次识别“y”型复合、对倾伸展型、阶梯型、“y”型、多米诺等5种构造样式.

2.1 “y”型复合

常见于大张坨断裂带西段，它是由沙河街组三段(沙三段)末期形成的“y”型断裂构造，与沙河街组二段(沙二段)时期的“y”型断裂构造演化叠合组成.地震剖面显示,形成较早、规模较大的断裂组成阶梯型构造，断裂由下向上、由大到小、由老到新递次形成与发展(见图2(a)).总体上，此种构造样式是由早期简单的“y”型样式，再由多期的伸展断陷活动逐步形成的.在沙河街组早期，断裂带西南部断层活动较强，并且与随后形成的调节断层组合，形成序次愈来愈低、规模愈来愈小的复式地堑.

2.2 对倾式伸展断层

主要分布于凹陷中区大张坨断层下降盘的深层，研究区发育数量较少.此种构造样式是由大张坨断层和北部板桥断层，以及所夹持其间的一系列同生褶皱共同组成的构造系统(见图2(b)).构造系统形成过程是在伸展环境与重力作用的控制下，由2组相向的犁式断裂(沧东断层和大张坨断层)控制下降盘第三系地层沿断面回倾，并随着伸展断陷继续发展，使对倾断裂共有上盘伸展变形与沉积负载增加，造成向断陷中心横向挤压作用.由于断陷中心处于沉积中心的沉积物(如沙二段、沙一中亚段、东营组二段(东二段)等大套泥岩层段)属低密度强塑性的岩类，形成“波状”特征，即横向上沿主控制断层滑移并由牵引构造过渡到塑性拱张背斜；纵向上该背斜由老到新、由深到浅发育，且向断陷中心迁移.塑性拱张背斜的产生是垂直沉降活动与水平伸张活动两者强弱交替变化的结果[11]，从而构成对倾式断层控制的继承性塑性拱张背斜和浅层不同规模小型地堑构造组合.

图2 板桥凹陷大张坨断裂带构造样式

2.3 阶梯型

主要发育于大张坨断裂带的中段，表现为大张坨断层生长过程中出现上盘块体逐次下掉，形成较为单一的断阶(见图2(c)).此种构造样式是由主干断层上盘块体沿弧形断面伸展滑移方向产生的.

2.4 “y”型

主要发育于大张坨断层下降盘，由大张坨断层与其反向调节断层，以及在断陷演化过程中地层逆牵引褶皱变形共同构成(见图2(d)).伸展与重力的双重作用使大张坨下降盘地层旋转，并且靠近断面的沉积物向断层面回倾或塌落在断面裂缝中，逐渐积累生长成同生背斜褶皱；随着沉降作用发展，逆牵引背斜进一步形变并在其翼部形成应力相对集中，应力集中区最易产生脆性变形[12]，沿纵向的张剪裂缝最终形成与大张坨断层反倾对偶断层.在长期伸展张性应力环境且上覆地层的重力作用下，“y”型断层夹持的沙二段、沙一段及东营组地层垂向自然陷落，以弥补伸展形成的空间，并且在形态上构成“y”型断层控制下的次级断陷.

“y”型构造具有继承性发展演化过程，主要产生于沙一段时期，形成期为东营组末期，定型期为馆陶组末期或明化镇组时期.

2.5 多米诺

主要发育于大张坨断层上升盘地区，在断裂带东段尤为明显，由一系列南倾断层组合而成.此类构造样式是断陷沉降过程中上升盘地层变形产生次级断层，并且在同向断层间地层沿剪切破裂而旋转掀斜，且地层倾向与断裂倾向相反，形成一系列反向断层(见图2(e)).这种多米诺反向断层组中各断层的形成时期有差异，与不同构造部位的构造变形强弱有关.靠近大张坨主干断层的板深3-2井断层，沙三段末期已经产生，并且与大张坨断层活动较为强烈有关，是上、下两盘地层牵引产生形变所致.总体上，地震剖面显示南区上升盘反向断层形成时间较晚，且断层活动结束时期较早.

3 大张坨断层活动性

喜山运动时期，黄骅坳陷北部构造活动表现为在拉张作用力下产生新的断裂，Ⅱ级断裂的活动性对凹陷内部的构造样式有一定的控制作用[13].根据大张坨断层的垂直断距参数，计算断层平均活动速率[14]，沙一下—沙一中沉积时期断层活动速率最大，平均为185.5 m/Ma，东营组沉积时期断层活动速率次之，约为102.6 m/Ma，两者代表凹陷整体的主要断陷时期(见图3)；其他时期大张坨断层的活动速率相对较低.

根据10余条过断层的地震剖面和上、下盘150余口井连井剖面，采用上、下盘厚度比例法，求取大张坨断层的生长指数[15].大张坨断层横向上自西向东总体活动增强，断层生长指数逐渐变大(见图3)，中间部位2处出现水平断距和垂直断距异常减小区域，并且出现“急拐弯”现象，表明断层横向发育具有分段性特点，与下降盘滚动背斜构造形成紧密相关.大张坨断层在沙三段沉积时期开始发育，主要发育期在整个沙河街组和东营组沉积时期.总体上，断层活动具有明显分期、分段性，直接影响邻近构造带圈闭的形成与分布.

沿大张坨断裂走向由西至东，断层活动性逐渐增强，构造组合样式也逐渐复杂化，尤其在沙一中、下亚段与馆陶组时期，断层东段板深2井附近断层活动尤为强烈，推测为应力释放区域，向东逐渐转变为2条断层；东营组时期应力分布均衡，总体由两端向中部汇聚.断裂活动对断裂带区域生储条件具有重要影响，主要体现在2个方面：首先，烃源岩热解与黏土矿物演化实验证实沙一中亚段为生烃高峰时期，且中心位于断裂下降盘中—东段，与断层活动最强部位相吻合；其次，自西向东断裂活动性增强，对应应力沿北东东方向传递，使沙河街组沉积时期断层下降盘的重力流砂体与上升盘的滩坝砂常发生转向，沿断层呈北东向展布[16].

4 断裂带构造演化

板桥凹陷位于黄骅坳陷北大港潜山构造带东北倾末端，同时处于构造应力转换部位，因而断层发育、构造复杂.大张坨断裂带的构造演化史与黄骅坳陷的相似，经历裂陷、扩展、萎缩3个阶段.构造演化剖面表明，大张坨断裂带新生代构造格局的形成继承沙三段沉积末的古构造，贯穿于整个沙二段、沙一段、东营组和新近系沉积史(见图4).

图3 大张坨断层平均活动速率及生长指数

4.1 沙三段

沙三段为主干断层的产生时期，大张坨断层产生并在沙三段末期已具雏型.大张坨断层是沧东边界断层发展、断陷湖盆快速沉降产生的对倾协调断层.沙三段时期，大张坨南部上升盘地区出现反向断层，具有由北向南、由东向西逐次形成的规律.断层西段下降盘“y”型复合与对倾式伸展断层构造样式发育明显，中段可见典型的“y”型构造样式.该时期大张坨断层对沉积的控制作用较小，下降盘新生代地层厚度在800～900 m之间，自下而上由4套不对称性正韵律层组成，上升盘减少为2套不完整的正韵律层.

4.2 沙二段

随着大张坨断层的发展，对沙二段沉积起到明显的控制作用[17].南部上升盘地区反向断层向斜坡区高部位数量增加，早期反向断裂规模逐渐变大.大张坨断层活动明显强于南部反向断层，在断层下降盘一侧出现地层轻微回返.除继承沙三段构造样式外，断裂构造上升盘已具备规模不大的多米诺构造样式组合，与滩坝砂匹配形成众多小规模的断层—岩性圈闭.

4.3 沙一段

该时期为断层强烈活动和构造形成初期，大张坨断层强烈活动，断层规模变大，对沙一段沉积控制作用进一步增强.大张坨断层中段在下降盘地层出现剪切破裂产生的对倾断层，共同协调地层褶皱变形，局部出现逆牵引构造.在研究区大张坨断层中—西南段弧形断层处，逆牵引构造较为明显.上升盘反向断层数量增加、规模进一步增大，与大张坨断层相邻南倾反向断层对沙一段沉积起到不同程度的控制作用.沙一段时期，构造样式明显增多，如雁列式反向断层、“y”型构造、逆牵引构造、断阶构造、断垒构造等.

沙一段沉积时期处于渐新世旋回期中期，是早第三纪湖盆扩展鼎盛时期，其沉积边界向周边迅速扩展[18]，断层下降盘沉积厚度为700～1 200 m，为一不对称水进型正旋回层序.

4.4 东营组

渐新世晚期，盆地经历强烈隆升湖盆收缩，大张坨断层活动性较强，沿断层两盘形成数量多、类型多样的构造样式及圈闭.南部上升盘遭受一定程度的剥蚀，地震剖面上可见明显的角度不整合接触特征(见图5)，大部分地区缺失东一、东二段地层，东营组整体沉积厚度为100～350 m，且由北向南、由西向东地层逐渐增厚.

图4 大张坨断裂带典型地质剖面构造发育史(F-F'剖面)

4.5 馆陶组、明化镇组

大张坨断层由断陷活动转变为坳陷活动，断裂带反向断层组活动明显减弱，各类圈闭基本定型.大张坨断层虽然在馆陶期仍有活动，但对沉积控制作用明显减弱，主要在断裂带东段附近具有一定影响.馆陶组沉积初期整个凹陷逐渐转变为坳陷型沉积，以准平原化的河流相沉积为主，底部发育厚层底砾岩层，向上依次发育辫状河、曲流河砂泥岩沉积.

5 断裂带成藏模式

断陷盆地的断裂活动对油气成藏起主导作用，勘探实践表明板桥凹陷新生代油气藏主要为断层油气藏，其中沙一下亚段发育大规模凝析气藏，占全凹陷凝析气储量的80%以上[19].板桥凹陷主要烃源岩为沙三上、沙一中亚段两套泥岩，两套泥岩层同时也是区域性封盖层.受大张坨断层强烈活动的影响，构成研究区多个异常压力系统，在上升盘与下降盘形成两套油气成藏环境.古近系烃源岩从东营组末期开始进入生烃门限[20]，明化镇时期进入主运移期，油气运移总趋势由下降盘向南沿斜坡至大张坨断层，再由大张坨断层向上升盘斜坡高处运移.大张坨断裂带内部及两盘具有不同的油气成藏模式(见图6).

5.1 大张坨断层下降盘

由于缺少深大断层，加之两套盖层有效封盖，大张坨断层下降盘生成的油气缺少垂向沟通的条件，多在自身的成藏环境中进入砂岩输导层后沿斜坡向上倾方向侧向运移，油气运移成藏是由储集体上倾尖灭分布范围决定的.沙一段各油组常形成岩性尖灭油气藏，沙二段、沙三段由于储层分布较广，在斜坡上常形成构造岩性复合型油气藏，西部存在断鼻油气藏.油气以自生自储原生油气藏为主，主要分布于紧邻两套主力烃源岩上下的圈闭层.

5.2 大张坨断裂带

大张坨断层内部油气的运移方式主要以垂向运移为主，侧向运移为辅，由断层、砂岩输导层、构造脊，以及馆陶组底不整合面构成完整的输导系统.在大张坨断层下降盘的西部长期继承性构造高部位，油气通过输导网络向构造高部位汇聚，在各时期、各种类型的圈闭群中聚集成藏.

5.3 大张坨断层上升盘

该断块区油气运移以南部反向断层组和高角度倾斜地层(倾向向北)中砂岩输导层组成的输导网络作垂向和侧向运移.古近系油气运移指向为西南方向，由于新近系地层倾向改变为向南倾斜，致使油气运移方向发生改变，使油气沿馆陶组底不整合面由东南向西北侧向运移，在西北部逆牵引背斜发育区聚集成藏，总体储量规模不大.

图5 大张坨断层南部地震剖面(D-D'剖面)

图6 板桥凹陷大张坨断裂带新生代断控成藏模式

6 结论

(1)板桥凹陷大张坨断裂带在古近系沙三段时期开始发育，主要发育期为整个沙河街组与东营组时期，沙一下—沙一中亚段时期断层活动速率最大，东营组时期的次之；平面上，自西向东大张坨断层活动性呈增强趋势.大张坨断裂带可划分为阶梯型、“y”型、“y”型复合、多米诺、对倾伸展构造等5种构造样式，每种构造样式有其特定的发育位置与应力背景.断裂带新生代构造格局在沙三段沉积末期的古构造背景上，沙二段、沙一段、东营组和新近系构造演化具有明显继承性.

(2)大张坨断裂带活动对板桥凹陷油气成藏起重要控制作用，断层的多期次、多级序活动为油气提供良好的运移通道，不同构造样式形成的多种圈闭类型为油气提供有利的聚集场所.由于断裂带不同区段构造变形差异较大，也造成不同区段油气分布的差异性，大张坨断层下降盘的断鼻油藏、沙一下亚段的断层—岩性凝析气藏，是下一步精细勘探开发的有利目标.

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2015-04-27；编辑：陆雅玲

国家科技重大专项(2011ZX05009-002);教育部博士点基金项目(20120133120013)

宋 璠(1982-)，男，博士，讲师，主要从事油气藏开发地质方面的研究.

TE121.2

A

2095-4107(2015)06-0012-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.06.002