渤中坳陷沙北地区构造—沉积分析

王永利，陈树光

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452；2.中国地质大学（武汉）资源学院，湖北武汉430074）

渤中坳陷沙北地区构造—沉积分析

王永利1，陈树光2*

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452；2.中国地质大学（武汉）资源学院，湖北武汉430074）

利用三维地震和钻井资料，基于构造—沉积分析方法，在盆地构造活动性分析的基础上，研究了渤中坳陷沙北地区古近纪的构造—沉积充填响应及其演化过程，结合钻井岩相、地震相和地震属性的对应关系，探讨了研究区构造—沉积的时空演化规律。研究区发育U型沟谷、W型沟谷、V型沟谷、单断槽、双断槽5种古沟谷体系和断崖型、断坡型、同向断阶型和反向断阶型4种构造坡折带类型。不同古沟谷的输砂能力及对应扇体规模各异，不同坡折带类型对应的沉积物的堆积样式不同。研究区在沙河街组沉积时期发育富砂的扇三角洲沉积和富泥的滨浅湖沉积，物源来自石臼坨凸起和沙垒田凸起，为近源体系；在东营组沉积时期除发育扇三角洲沉积外，开始发育辫状河三角洲沉积，包含了近源的石臼坨凸起和沙垒田凸起以及远源的北部古滦河流域两大物源体系。

构造—沉积分析 时空演化 古沟谷体系 沉积物充填样式 沙北地 区渤中坳陷

近年来，随着地球物理技术的发展和三维地震资料的广泛应用，在含油气盆地的研究中，地质工作者提出了各种理论思想和方法。比如早期的层序地层学理论［1-6］在油气田的勘探与开发中取得了显著的成果；地震沉积学方法在研究地层岩石的宏观特征、沉积结构、沉积体系、沉积相平面展布以及沉积发育史方面发挥了重要作用［7-9］；构造—地层学方法在研究盆地构造与层序地层、沉积物分散体系以及沉积层序或旋回的成因分析方面具有很强的实用性［10］。而随着地质研究的逐步深入，地质工作者又提出了新的研究方法和思路，即构造—沉积分析。与前面方法不同的是，构造—沉积分析更强调同沉积构造活动的精细解剖以及对沉积过程的动态控制，体现的是构造活动性及其演化与同沉积建造之间的密切关系［11-12］。

前人对渤中坳陷西斜坡（沙北地区中南部）的研究主要反映在古地貌对盆地层序充填特征以及对沉积体系的控制方面［13-14］，很少涉及构造活动是如何影响沉积体系发育及其构造和沉积的响应关系的。笔者利用高分辨率三维地震和钻井资料，采用构造—沉积分析法，在控盆断裂活动性研究的基础上，结合地震相和地震属性分析，解剖了构造与沉积相互作用的演化过程，以期为油气的勘探和寻找构造-岩性油气藏提供参考。

1 区域地质概况

沙北地区地处渤中坳陷的西北部，西北方向与南堡凹陷相邻，东南方向连接渤中坳陷，东北和西南方向分别到石臼坨凸起和沙垒田凸起，构造位置属于南堡凹陷和渤中坳陷过渡区的鞍部，是在中生代盆地基础上发育的新生代沉积单元。研究区古近系沉积包括沙河街组（沙三段—沙一段）和东营组（东三段—东一段），表现为典型的断陷盆地特征，构造演化对沉积的控制作用十分明显。

2 盆地结构与控盆断裂活动性分析

根据沙北地区主要控盆断层活动性定量分析（古落差和断层活动速率）和典型剖面的构造沉降演化史模拟分析，研究区的西北部为由石南1号断层和沙北断层组成的复式地堑结构，其中4号断层将复式地堑分割成东部的半地堑和西部的地堑结构；而研究区的中南部则为北断南超的由石南1号断层和4号断层向南延伸段控制的复式半地堑结构（图1）。所以，从盆地结构特征可看出，盆地主要受到石南1号断层和沙北断层的控制，而盆地内部的4号断层及其向南的延伸段将盆地结构进一步复杂化。

图1 沙北地区东三段断裂体系展布特征Fig.1 Distribution characteristics of the fault systems of the 3rdnumber of the Dongying Formation in the Shabei area

石南1号断层 该断层是沙北地区规模最大的断层，构成了研究区的北部边界陡坡带（图1），延伸长度近40 km。在研究区中西部呈NW向延伸，倾向SW，倾角中等到陡倾，约为51°；在北部，沿NW向继续延伸，并与构成南堡凹陷东北边界的柏各庄断裂相连；在东部，突然向东北弯折，呈NE走向延伸，该区段倾角较小，约为45°，控制了石南小次洼和渤中西次洼的发育。根据断层上、下盘地层厚度变化计算的重要断裂累积古落差（图2）和典型剖面沉降史分析及最大活动速率可以看出，在沙河街组沉积时期该断层活动性总体不强，由北向南有一定程度的增强趋势。主要活动时期为东三段和东二段沉积时期，到东一段沉积时期活动性变得很弱。从不同区段看，断层活动相对比较弱的区段往往是上盘发育似横向背斜的位置，如沙北构造带与南堡凹陷分界位置和东部断层区段由NW向延伸向NE向延伸转折的部位，均有这类褶皱发育。

图2 沙北地区主要断层活动性分析Fig.2 Analysis of main fault sactivities in the Shabei area

沙北断层 该断层是曹妃甸次洼和沙垒田凸起的分界线，近东西向延伸，向北陡倾，规模大，延伸长，向东一直延伸到4号构造带，在研究区内长度约为25 km。断层上盘沉积了较厚的沙河街组—东营组，下盘主要为前新生代古老变质岩系。该断层自沙河街组沉积时期开始活动，东三段沉积时期活动达到最强，中西部断层活动性强，东部到靠近4号构造带古落差逐渐减小，直至断层消失。

4号断层 在盆地内部，该断层NW向延伸，倾向SW，主要与沙北断层一起控制了曹妃甸次洼的发育。从其古落差分析结果来看，其主要的活动时期为沙河街组和东三段沉积时期，在沙河街组沉积时期活动量比其他断层大，在东三段沉积时期与沙北断层和石南1号断层的活动性相当。所以，早期该断层对曹妃甸次洼具有非常重要的控制作用。

3 构造—沉积响应过程分析

裂谷盆地的构造活动对沉积过程具有直接、显著的影响，最明显的表现为构造活动造成了盆地可容纳空间的变化，进而为大量沉积物的输送和沉积提供了场所。同时，构造活动造成的古地貌变化，影响着沉积物的输送路径、堆积方式、沉积演化以及平面展布。反过来，沉积作用同样影响着古地貌的变化进而影响着沉积中心的变迁。所以，构造活动、古地貌的变化及其沉积作用的相互传递和影响，构成了构造—沉积的演化过程。通过古地貌变化进行构造—沉积过程分析，是进行沉积相研究和砂体预测的有效途径。

3.1 沉积物输送路径分析

沉积物的输送路径基本反映了沉积相的类型、规模以及平面展布等特征，所以进行沉积物的输送路径分析对于研究构造—沉积过程具有非常重要的意义，沉积物的输送路径分析主要集中在对古沟谷和断槽的分析上。

3.1.1 古沟谷

在古近纪，沙垒田凸起和石臼坨凸起作为研究区主要的物源来源地，长期遭受剥蚀，发育了多种样式的古沟谷类型，由于长期的风化剥蚀，沙河街组和东三段沉积时期的古沟谷已无法考证，目前在地震剖面上能识别并发生充填的古沟谷主要发育在东二段沉积时期及以后，其中石臼坨凸起少量古沟谷充填了东二段。根据三维地震剖面，在沙垒田凸起和石臼坨凸起上共识别出5种类型的古沟谷体系，即U型沟谷、V型沟谷、W型沟谷、单断槽、双断槽（图3）。这些不同类型的古沟谷体系所代表的输砂能力不同，一般认为V型沟谷发育在靠近物源处，其侵蚀下切能力最强，因而水动力条件和携砂能力也最强；U型沟谷和双断槽其次，W型沟谷一般发育在沟谷的末端，其水动力较弱，输砂能力较差。同时，要想准确判断古沟谷输砂能力还要综合分析其规模。

图3 沙北地区古近纪古沟谷类型Fig.3 Types of the palaeo-valley of Paleogene in the Shabei area

研究结果表明，沙垒田凸起的主体水系是从凸起的中部向四周发散的，古沟谷在凸起的西部和南部最为发育，数量多且规模大，而北部和东部发育的古沟谷规模相对较小。石臼坨凸起的不同位置发育不同数量及规模的古沟谷，西侧相对低缓，古沟谷发育较差，南侧和东侧相对较陡，古沟谷发育规模较大。同时，研究区沟—扇对应关系良好，大沟对大扇，小沟对小扇；大型边界断层向内拐弯处古沟谷发育，规模大，长期侵蚀；古沟谷出口处，沉积体系继承性发育，形成了良好的储层；小沟侵蚀时间短，储集体发育相对较差。

3.1.2 断槽

沙北地区除了发育水系方向与断坡带方向垂直，带来的沉积物聚集在控盆断裂与斜坡构成的次洼外，还发育物源水系与断裂陡坡带走向一致的断槽沉积体系（图4）。在石南1号断层的NW段和4号断层控制的区域为一个典型断槽形态，根据恢复的古地貌特征，其地形表现为西高东低。在东营组沉积时期，来自东北部的物源沿着断槽自北向南发育轴向辫状河三角洲沉积体系，物源供给充足的情况下，沉积物不仅可以向4号断层的上盘沉积，形成分布在曹妃甸次洼的扇体，而且富砂且储集性能好的辫状河三角洲前缘沉积体还可向南一直延伸到渤中西次洼，断槽处则发育辫状河三角洲平原沉积。在物源供给稍差的情况下，辫状河三角洲砂体延伸范围较小，断槽处发育储集性能好的辫状河三角洲前缘砂。所以，4号断层和石南1号断层控制的区域既可作为沉积物的输送通道，又可作为良好的储集场所，是油气勘探和寻找岩性油气藏的有利部位。

图4 沙北地区断槽扇体发育模式Fig.4 Fanmodel of the fault trough in the Shabei area

3.2 沉积充填过程（堆积样式）分析

许多学者对伸展背景下的构造样式、构造活动强度及对古地貌（坡折带）的影响做过详细的探讨，认为古地貌对沉积体具有重要的控制作用［15-17］。笔者从不同的构造活动强度对古地貌的影响及所控制的沉积物堆积样式出发，分析构造与沉积充填的响应关系。

不同的坡折带类型反映了不同的构造活动特征，并塑造了不同的沉积物堆积样式。根据构造活动及其对古地貌造成的影响，研究区共识别出断崖型、断坡型、同向断阶型和反向断阶型4种坡折带类型（图5）。

图5 沙北地区坡折带类型Fig.5 Slope break types in the Shabei area

断崖型 断崖型主要集中在构造活动强烈期石南1号断层的部分区段，表现为可容纳空间大于沉积物的堆积量，在断层上升盘凸起处遭受强烈剥蚀，发育的沉积物经过短距离运移即冲向断层上盘，并发生快速堆积，往往形成冲积扇、扇三角洲沉积，地震剖面上表现为楔状、帚状和透镜状外形，内部反射杂乱，端部见不明显前积或低角度前积，一般扇体展布范围有限。

断坡型 断坡型主要发育在沙北断层的上盘，以沙河街组和东三段沉积时期为主，该时期曹妃甸次洼发生快速沉降，其沉降速率大于沙北断层的活动速率，表现为可容纳空间远大于沉积物的输送量，来自沙垒田凸起的物源在沙北断层上盘发生快速堆积，形成扇三角洲沉积。另外在三角洲前缘陡坡处，还可能发育盆底扇沉积。

同向断阶型 在4号构造带的古潜山上，受到石南1号断层NW段的控制，同时该构造带西侧发育的4号断层和沙北断层一起控制了曹妃甸次洼的沉积，所以，石南1号断层NW段和4号断层就构成了大型同向断阶型构造样式。同时4号构造带的地形表现为西高东低的特点，为典型的断槽形态。富砂沉积物主要集中在4号构造带上，在4号断层控制的曹妃甸次洼以富泥质沉积物为主，在东部物源充足的情况下，可能会跨过4号断层发育浊积扇沉积。

反向断阶型 在沙垒田凸起东部的缓坡带上发育反向断阶型构造样式，该地区构造活动相对较弱，主要发育辨状河三角洲沉积。当发育多阶反向断层时，富砂的粗碎屑物往往首先填充在第一阶断层控制的沉积区，所以，该处储层也最为发育。同时反向断层的活动速率和古落差决定了沉积区的规模和可容纳空间，对油气资源量的评估具有非常重要的意义。

3.3 连井沉积剖面分析

通过录井和测井资料并结合地震剖面，以研究区NW—SE向连井剖面为例进行了古近纪沉积体系演化过程分析（图6），该剖面位于石臼坨凸起和沙垒田凸起之间，4号构造带（蛤坨潜山）及其向南东的延伸方向上。

图6 沙北地区NW—SE向连井沉积剖面Fig.6 Sedimentary section of NW-SE across-well in the Shabei area

蛤坨潜山（剖面北段） 该部分处于北倾的古潜山之上，主要受石南1号断层NNW段控制，在沙河街组和东三段沉积时期，控盆断层活动性较强，在断层附近发育扇三角洲沉积，在远离断层的部位则主要发育浅湖相沉积，同时夹杂有来自北东向的辫状河三角洲沉积，并可见到上超现象。在东二段及东一段沉积时期，构造活动减弱，湖平面开始下降，可容纳空间减小，发育大量来自北东向的辫状河三角洲沉积，前积现象非常明显，结合钻井资料可知，该时期砂体较为发育，是构造-岩性油气藏的有利储集部位。

6-2构造带（剖面中段） 该部分物源主要来自石臼坨凸起。在沙河街组沉积时期，盆地主要发育东北断西南超的半地堑结构，在断裂活动较强的根部，主要发育扇三角洲沉积，砂体展布范围局限，远离凸起的6-2构造带则主要发育滨浅湖相沉积，以泥岩为主。到东三段沉积时期，石南1号断层EW段向NW段转折部位活动性显著增强，相对湖平面上升，并开始出现石南小次洼，发育扇三角洲沉积。在连井剖面上主要以半深湖、深湖相的泥岩为主；到东二段沉积时期，来自北部的物源显著增强，同时根据古地貌可看出，在石臼坨凸起与4号断层之间出现了较为平缓的通道，为北部物源输送到石南小次洼和渤中西次洼提供了可能，同时物源方向与连井剖面平行，所以可看到前积现象；到东一段沉积时期，构造活动显著减弱，同时伴随湖平面下降，来自北部的辫状河三角洲以及来自东部石臼坨凸起的辫状河三角洲同时为盆地内次洼输送沉积物，连井剖面上可清楚地看到2个方向的物源交替出现的现象。

6-1构造带（剖面南段） 该部分物源主要来自沙垒田凸起。在沙河街组沉积时期，沙垒田凸起东部的缓坡带构造活动较弱，同时发育多阶反向正断层，从而造成来自沙垒田凸起的辫状河三角洲沉积体难以到达盆地中部的6-1构造带，连井剖面上表现为滨浅湖相沉积；在东三段和东二段下部沉积时期，控盆断裂活动性增强，同时湖平面显著上升，该构造带以发育半深湖、深湖相的泥岩为主；到东二段上部和东一段沉积时期，相对湖平面开始下降，并开始接受来自沙垒田凸起的辫状河三角洲前缘砂沉积，地震相表现为连续性差以及双向超覆的特征。

3.4 沉积体系的精细刻画

根据沙北地区连井地震剖面与钻井资料的标定结果，发现沙河街组沉积时期石南1号断层活动性较强，在断层附近发育了具有杂乱反射特征的楔形前积体，钻井岩性表现为含砾的中粗砂岩，同时粒度具有向上逐渐变粗的特征，结合岩相特征可判断该区发育扇三角洲沉积，结合地震相和古地貌特征，可大致判断出扇三角洲的延伸范围。同时根据5-5X井的钻探结果，沙河街组沉积时期发育滨浅湖相的泥岩沉积，地层较薄，对应的地震相表现为较强振幅、中强连续的特征。根据提取的均方根振幅属性分析，发现反映扇三角洲沉积的富砂区域与滨浅湖相沉积的富泥区域的地震属性明显不同。所以由此可推断沙河街组沉积时期的物源来自东部的石臼坨凸起，是单一的近源体系。根据岩相与地震相和地震属性特征的标定结果，对研究区无井区的沉积相类型及其展布范围进行了有效预测，从而完成了沙河街组沉积时期全区沉积相平面展布特征的分析。

4 构造—沉积时空演化分析

沙河街组沉积时期为研究区的初始裂陷期，以控盆大断裂的构造活动为主，主要发育沙北断层和4号断层共同控制的曹妃甸次洼以及石南1号断层NE段控制的渤中西次洼2个大的沉积中心。其中沙北断层、4号断层以及石南1号断层NE段构造活动性较强，所控制洼陷的沉积速率较大，沉积物在断裂活动较强的上盘发生堆积，以扇三角洲沉积为主；在洼陷中心部位，构造不发育，沉降速率较慢，主要发育滨浅湖—半深湖相的泥岩沉积。此时，物源主要来自临近的凸起上，盆地范围较小。

在东营组沉积时期，研究区开始进入大规模裂陷阶段。尤其在东三段沉积时期，构造活动强烈，湖平面显著上升，研究区主要断裂处的构造—沉积响应关系继承了沙河街组沉积时期的特点。不同的是，石南1号断层NWW段与4号构造带南侧南倾断层组成的犄角处，断裂活动增强，并发育扇三角洲沉积。此时，湖盆面积较之前已明显扩大，石南断层NW段开始发生较强活动，物源体系还是以近源为主。到东二段沉积时期，除沙北断层活动性较强，发育扇三角洲沉积之外，石南1号断层在各区段活动性有所减弱，开始发育辫状河三角洲沉积，同时物源体系除了来自石臼坨凸起等近源物源外，开始出现来自北部古滦河流域的远源物源体系。通过古地貌分析，石南1号断层NNW段上盘形成了断槽地貌，为来自远源的碎屑物质提供了良好的运输通道，并最终将沉积物输送到渤中西次洼。此时湖盆面积进一步扩大，物源体系包含了近源和远源两大沉积物来源。东一段沉积时期，随着湖平面下降以及构造活动显著减弱，研究区进入断拗转换期，主要发育辫状河三角洲沉积，含砂率显著提高，远源沉积物来源进一步增强。

5 结论

通过分析沙北地区沉积物的输送路径，识别出U型沟谷、W型沟谷、V型沟谷、单断槽和双断槽5种古沟谷体系。不同的古沟谷类型代表着当时不同的输砂能力，其中V型沟谷发育在靠近物源处，其侵蚀下切能力较强，因而水动力条件和携砂能力也最强；U型沟谷和双断槽其次，W型沟谷一般发育在沟谷的末端，其水动力较弱，输砂能力较差。

沙北地区发育断崖型、断坡型、同向断阶型和反向断阶型4种坡折带类型。其中断崖型表明断层活动速率大，发育扇三角洲沉积，沉积体系的展布有限；断坡型表明断层的活动速率小于盆地的沉降速率，盆地的可容纳空间较大，并常处于饥饿状态，主要发育扇三角洲沉积，沉积体系的展布范围较大，通常与物源供给是否充足有很大关系；断阶型对砂体的控制尤为显著，对于寻找岩性油气藏非常有利。

沙北地区在沙河街组沉积时期发育富砂的扇三角洲沉积和富泥的滨浅湖相沉积，物源来自石臼坨凸起和沙垒田凸起，为近源体系；在东营组沉积时期除发育扇三角洲沉积外，开始发育辫状河三角洲沉积，包含了近源（石臼坨凸起和沙垒田凸起）以及远源的北部古滦河流域两大物源体系。

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编辑 经雅丽

Tectonic-sedimentary analysis of Shabei area in Bozhong depression

Wang Yongli1，Chen Shuguang2

（1.CNOOC Tianjin Company，Tianjin City，300452，China；2.Faculty of Earth Resources，China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan City，Hubei Province，430074，China）

Based on the approach of tectonic-sedimentary analysis and the basin tectonic activity，the filling response of paleogene tectonic-sedimentary and its evolution process in great details were studied by 3D seismic and drilling data of the Shabei area in Bozhong depression.Furthermore，combined with the corresponding relationship among the lithofacies，seismic facies and seismic attributes，the tectonic-sedimentary evolution regularity in time-space was discussed.Five types of ancient valley systems（U-type，W-type，V-type valleys，single fault trough，and double fault trough），and four types of tectonic break zones（cliff type，ramp type，synthetic and antithetic fault terrace types）developed in the study area.The sand transport ability of different ancient valleys varies，so the scale of its corresponding fan body differs as well；sedimentary build-up varies with different slope broken zones.The sand-rich fan delta and mud-rich coastal shallow-lake developed during Shahejie Formation deposited in the study region，whose provenance came from the near source system of Shijiutuo uplift and Shaleitian uplift.However，not only the fan delta developed during Dongying Formation sedimentary period，but also the braided river delta began to develop，which included two main provenance systems（the near source system of Shijiutuo uplift and Shaleitian uplift）and the far source system of northern paleo-Luan River.

tectonic-sedimentary analysis；time-space evolution；paleo-valley system；sediments accumulation patterns；Shabei area；Bozhong depression

TE112.31

A

1009-9603（2015）04-0026-07

2015-05-18。

王永利（1974—），男，山东日照人，高级工程师，从事油气勘探研究与管理工作。联系电话：（022）25807961，E-mail：wangyl2@cnooc.com.cn。

*通讯作者：陈树光（1984—），男，山东聊城人，博士。联系电话：18062123371，E-mail：chshg4212@foxmail.com。

国家科技重大专项“近海大中型油气田形成条件与分布”（2011ZX05023-006）。