冀中坳陷廊固凹陷古近纪断层演化规律

张丹丹，戴俊生，付晓龙，王珂

（1.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东 青岛266580；2.中国石油杭州地质研究院，浙江 杭州310023）

0 引言

廊固凹陷是冀中坳陷3 大富油凹陷之一，为华北油田主要产油区。研究区发育有丰富多样的油气藏类型，其中构造油气藏占探明油藏总数的90%，可进一步分为断块油气藏、断鼻油气藏等［1］。

前人对该区断层的研究，大多集中于大兴断层，对其几何学、 运动学及其对油气的控制作用等方面进行了分析［2-3］。邓婷婷等［4］对旧州断层封闭性进行了综合分析，认为北部地区封闭性好于南部。对于凹陷内其他断层，前人涉及较少。本文利用丰富的三维地震资料，通过绘制构造演化剖面、求取断层活动速率、编制玫瑰花图等，对研究区古近纪断层演化规律进行了分析，有利于后期的油气勘探。

1 区域地质概况

廊固凹陷是渤海湾盆地冀中坳陷西北部的一个次级构造单元，是一个古近纪断陷湖盆。该凹陷西邻大兴凸起，东南部与霸县凹陷相接，东以河西务主断层与武清凹陷相邻（见图1）［3，5-6］。

该凹陷中发育的古近系地层由老到新依次为：孔店组（Ek），沙四下、中、上亚段（Es4下，Es4中，Es4上），沙三下、中、上亚段（Es3下，Es3中，Es3上），沙二段（Es2），沙一段（Es1），东营组（Ed）。

廊固凹陷主要构造为断裂构造，断层数量多，断裂规模差距大，断裂系统复杂。主要发育有北东向与北西向2 组断裂，以北东走向断裂为主。综合断层延伸距离、活动强度、活动时期等因素，认为研究区发育的主要断层有14 条。

除桐柏镇断层走向为北西西外，其余断层走向均为北东向。断层平面组合类型包括平行式、雁列式与斜交式等，剖面组合类型有阶梯状断层、 地堑与地垒、“Y”字形断层等。其中“Y”字形断层组合以多级“Y”字形为主。

图1 廊固凹陷构造及主要断层位置

2 构造演化剖面分析

平衡剖面（又称构造演化剖面）技术是分析断层形成和演化的有效方法之一，其技术与理论日益丰富与完善［7-9］。本文采用旋转法编制构造演化剖面，就是以剖面中视相当点归位和层面长度守衡为核心的作图方法，具有精度高、作图速度快、可操作性强等特点［10］。

本次研究中，在廊固凹陷选取了8 条与主要构造走向垂直的剖面编制成构造演化剖面，由南西到北东，主测线依次为1216，1344，1536，1856，2112，2304，2624，2816。以主测线1856（见图1）构造演化剖面（见图2，3）为例，分析凹陷中断层的演化。

2.1 断层演化分析

孔店组沉积时，地层平缓，断层多分布在剖面的东南部，大兴断层、刘其营断层与半截河断层已经形成并开始活动。沙四早中期，新生断层仍多分布在剖面东南部，除早期形成的主要断层在该时期继续活动外，别古庄西断层与安29 井断层在沙四中期开始形成并活动。沙四晚期新生断层较少，剖面东南部隆起明显。沙三早期，地层起伏明显增大，新生断层数量增多，且多分布在剖面的中部偏东地区，早期形成的安29 井断层、半截河断层等继续活动。沙三中期，杨税务断层、中岔口断层与旧州断层开始活动，新生断层数量略有增加且主要分布在剖面的西北部，刘其营断层在该时期停止活动（见图2）。

图2 廊固凹陷主测线1856 构造演化剖面（Ek—Es3中）

沙三晚期，王居断层开始形成，别古庄西断层与安29 井断层已经停止活动，其余主要断层仍在继续活动。该时期发育大量小规模断层，主要分布在剖面西北部。沙二段沉积地层仅在剖面中部地区分布，琥珀营断层在该时期开始形成；沙一段地层分布范围小于沙二段，该时期新生少量小规模断层（见图2）；东营组地层仅在凹陷北部部分地区分布，形成断层较少（见图3）。

2.2 定量指标——伸展速率

在构造演化剖面上，可计算得到伸展量、伸展率、伸展系数、 伸展速率等参数，用于表征构造活动的强弱。其中伸展量I 为剖面上基底伸展的总量［11］，伸展速率v 是伸展量与时间的比值［12］。廊固凹陷各地质时期沉积时间不同，选取参数v，更能反映不同时期构造活动的强弱。

图4为廊固凹陷构造演化剖面古近纪各时期伸展速率折线记录。可以看出，各条剖面在不同时期伸展速率变化趋势基本一致：孔店期和沙二—东营期，伸展速率值较小，多低于0.2 km/Ma，构造活动较弱；沙四早期—沙四中期和沙三早期—沙三晚期，伸展速率明显增大，构造活动强烈；与沙四中期相比，沙四晚期伸展速率急剧下降，构造活动减弱。

图3 廊固凹陷主测线1856 构造演化剖面（Es3上—Ed）

整体上，廊固凹陷古近纪构造活动强弱交替，以沙四晚期为界，形成2 个弱—强—弱的旋回。

图4 廊固凹陷构造演化剖面古近纪各时期伸展速率

3 断层演化规律

3.1 断层发育序列

3.1.1 主要断层

根据构造演化剖面、断层活动特征、断层切断的层位等方面的研究，认为该区主要断层的发育序列为：大兴断层、桐柏镇断层、半截河断层与刘其营断层在孔店期已经开始活动，其中大兴断层为研究区的控凹断层，其形成时期最早；别古庄西断层与安29 井断层在沙四中期形成，安36 井断层在沙四晚期形成；沙三中期是主要断层的重要形成时期，中岔口断层、 中岔口北断层、杨税务断层、旧州断层均形成于该时期；王居断层在不同位置形成时期不同，其主体在沙三中期形成，南段较小部分在沙三晚期形成；琥珀营断层形成时期较晚，约在沙二期形成并开始活动。对于河西务断层，由于缺乏其上盘地震资料，无法分析其形成时期，在本文中不作讨论。

根据主要断层发育序列可知，除大兴断层和桐柏镇断层以外，凹陷内部早期形成的断层主要分布在凹陷的东南部，而且由南向北，断层形成时期逐渐变晚（见图1）。

3.1.2 次级断层

除主要断层以外，凹陷内发育众多的次级断层，次级断层规模小、活动短暂。孔店—沙四期形成的次级断层较少，且主要分布在凹陷的南部地区；沙三早期—晚期是次级断层的主要形成时期，形成的断层数量最多，平面上断层在凹陷全区均有分布，但在南部地区分布较多；沙二—东营期，整体上形成的次级断层较少，在凹陷中北部地区分布较多（见表1）。次级断层由南到北形成时期越来越晚，与主要断层分布基本一致，说明次级断层发育受主要断层影响。

表1 廊固凹陷古近纪各期新生断层条数统计

3.2 断层走向演化规律

廊固凹陷古近纪各时期形成的断层数量存在较大差异，其走向也存在一定的演化规律。通过分析各时期断层走向玫瑰花图可知，孔店—东营期，断层走向均以北东方向为主，但存在顺时针的旋转。以孔店期、沙四中期、 沙三中期与沙一期为例，其断层走向集中在NE45°，NE50°，NE55°，NE58°。

该区发育的断层主要为正断层，与断层走向垂直的方向为区域拉张应力方向，由古近纪早期到晚期，应力方向由NW315°—SE135°顺时针旋转为NW328°—SE148°（见图5）。这与研究区在古近纪处于右行扭张构造应力场［13］，且以NW—SE 向拉张应力为主的特征基本一致。

3.3 断层活动规律

生长断层活动强度的定量研究方法较多［14-16］，根据本地区断层活动的实际情况，本文选用断层活动速率法。断层活动速率，是指某一地层单元在一定时期内，因断裂活动形成的落差与相应沉积时间的比值［16］。根据断层活动速率大小，将研究区断层活动强度划分为4 个等级：强烈（大于800 m/Ma）、较强烈（400～800 m/Ma）、中等（100～400 m/Ma）、较弱（小于100 m/Ma）。

3.3.1 同一时期不同断层活动特征

廊固凹陷同一时期活动的断层，其活动性存在很大差异。以沙四中期为例，边界大兴断层南段生长速率均大于1 000 m/Ma，活动强烈；而安29 井断层与半截河断层生长速率均小于100 m/Ma，活动较弱；别古庄西断层活动速率在100～200 m/Ma，活动中等（见表2）。这说明边界断层活动较强，凹陷内部断层活动较弱。研究证明，古近纪其他各时期的断层活动均具有这种特征。

图5 廊固凹陷不同时期断层走向分析玫瑰花

表2 廊固凹陷沙四中期断层活动速率

3.3.2 不同时期断层整体活动特征

本文统计了研究区古近纪各时期不同活动强度等级的断层数量。其中工区西部边界断层——大兴断层，活动具有明显的分段性，可分为南段、中段与北段，统计时将大兴断层视为3 条主要断层。

孔店期活动的断层较少且活动均较弱，表明断层整体活动弱；沙四早中期活动的断层增多，活动弱的断层减少，中等以上活动强度的断层数量增加；沙四晚期断层的活动以弱为主，活动速率大部分小于20 m/Ma，与沙四早、中期相比，沙四晚期断层整体活动减弱；沙三早期活动的断层较多，断层活动中等或弱，活动弱的断层其速率多为20～90 m/Ma；沙三中期活动的断层数量多且在平面上延伸距离较长，活动强度以中等为主；沙三晚期活动的断层有11 条，其中规模较大的主要断层有7 条，断层活动中等或弱；沙二—东营期，活动的断层逐渐减少，断层规模较小，活动较弱（见表3）。

表3 廊固凹陷古近纪各期活动断层条数统计

通过分析可知，断层在各时期整体活动强弱与构造活动强弱交替的特征基本一致：孔店期，断层整体活动较弱；沙四早期—沙四中期，断裂活动增强；沙四晚期，整体活动减弱，但比孔店期稍强；沙三早期—沙三晚期，整体活动一直较强，沙三中期活动最强烈；沙二期—东营期，断层整体活动较弱。

4 结论

1）廊固凹陷边界大兴断层形成时间最早，凹陷内部断层由南向北，形成时期逐渐变晚，次级断层发育受主要断层影响。断层走向均以北东方向为主，从孔店期到东营期，断层走向发生顺时针的旋转。

2）断层活动规律：同一时期，边界断层活动强烈，凹陷内部断层活动较弱；不同时期断层整体活动规律表现为孔店期、 沙二—东营期断层活动较弱，沙四早期—沙四中期、 沙三早期—沙三晚期断层整体活动较强，沙四晚期与相邻时期相比断层整体活动减弱。

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