南堡3号构造沙一期断裂活动特征及控砂作用

周延豪， 杨少春， 冯建伟， 兰志勤， 张博明

( 1. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛　266580；　2. 山东省煤田地质规划勘察研究院，山东 泰安　271000；　3. 中国石油冀东油田分公司 勘探开发研究院，河北 唐山　064300 )



南堡3号构造沙一期断裂活动特征及控砂作用

周延豪1， 杨少春1， 冯建伟1， 兰志勤2， 张博明3

( 1. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛266580；2. 山东省煤田地质规划勘察研究院，山东 泰安271000；3. 中国石油冀东油田分公司 勘探开发研究院，河北 唐山064300 )

南堡凹陷古近纪断裂活动控制局部构造带的形成及沉积砂体的展布。在三维地震与测井解释基础上，采用分段评价方法，应用生长指数、古落差方法,研究南堡3号构造沙河街组沉积时期断裂活动演化特征及其控砂作用。结果表明：以沙一期为界，研究区经历两期伸展变形，分别为NW-SE与S-N向，伸展转折期为沙一下亚段，使EW向断裂逐渐增多；沙一期断裂活动强度呈现由强到弱变化趋势，不同时期区域断裂活动呈北强南弱的分区分带特征；西南部属于断裂特殊活动区域，应力状态独特，发育断裂调节带，沙一末期古地貌呈凹隆斜相间，对沉积作用具有导向意义，砂体堆积特征受地貌及断裂活动控制明显。该研究结果对类似构造带研究、南堡凹陷后续油气藏勘探具有参考意义。

南堡3号构造； 分段评价； 断裂活动演化； 两期伸展变形； 断裂调节带； 古地貌

0　引言

南堡凹陷属于中国东部渤海湾盆地内黄骅坳陷北部的一个次级构造单元，总体呈北断南超的箕状结构，其演化发展受控于北部三条盆缘同沉积大断裂[1]，内部构造带的分布格局与断裂相关。古近纪，凹陷进入裂陷阶段，构造活动强烈，发育大量正断层，断裂成为南堡凹陷构造活动的主要表现形式。断裂活动制约南堡凹陷沉积空间的变化，它塑造的特定地貌形态控制沉积物分散体系和砂体展布样式。人们研究南堡凹陷的裂陷演化与沉积充填[1-5]、断裂系统成因机制[6-8]、构造样式及其控油作用[9-13]等整体特征，以及柏各庄、西南庄、高柳等主干级别断裂的活动性及其对沉积的控制作用[14-16,4]。随着勘探开发的深入，局部构造带和低级别断裂成为增储上产的重点勘探对象，寻找并预测有利砂体发育区域成为该区进行隐蔽油气藏勘探的重点；同时，研究局部构造带断裂活动特征能够佐证区域构造演化，也可为深化凹陷整体特征的认识提供理论依据。

断裂活动强度定量研究方法主要包括生长指数法、古落差法、断裂活动速率法、滑距分析法、位移—长度关系分析法和高分辨率断层落差图技术等[17]。前三种方法[18-26]应用广泛。滑距分析法[27]以相当点(未断前的一个点在两盘发生相对移动后对应的两个点[28])间的实际距离(滑距)作为断裂在某一地质时期的活动量，但相当点在地下难以识别和确定。位移—长度法[29]原理为断裂的断距和长度随沉积时间延长而增加，因此可将两者沿断裂走向投影制作出位移—长度图，分析曲线形态进而获取断裂活动信息，该方法亦与相当点有关。由于各层位沉积持续时间(时间因子)难以准确测得，断裂活动速率法应用受到限制。

笔者以南堡3号构造为研究对象，基于三维地震精细构造解释及测井评价成果，采用分段评价方法，应用生长指数、古落差方法，分析断裂活动强度，研究沙河街时期断裂活动规律，明确断裂调节带发育有利部位及断裂活动塑造的特殊地貌形态，借助古地貌恢复探讨断裂活动与砂体的堆积关系。

1　地质概况

南堡3号构造位于南堡凹陷东南部，北邻林雀次凹，南接曹妃甸次凹，西南部为缓坡，物源多来自沙垒田凸起(见图1(a))，持续多变的构造演化使它具备多套生储盖组合[4]，成为油气聚集的较有利场所。通过合成地震记录标定的精细地层格架、沿层时间切片处理及10余条地震剖面的精细解释对比发现：区内地层发育较齐全，自下而上依次为古近系的沙河街组(Es)和东营组(Ed)、新近系的馆陶组(Ng)和明化镇组(Nm)、第四系的平原组；地层内断裂以三、四级为主，走向为NE-EW。文中研究层位为沙河街组一段(简称沙一段，Es1)。

图1　南堡凹陷构造格局(据文献[7]修改)和地震剖面Fig.1 The tectonic framework of the Nanpu sag (modified by reference [7] ) and seismic profile

根据层序地层学理论，在单井层序划分的基础上，结合地震界面反射特征，进行区域连井层序对比，将沙一段自下而上细分为：Es1下(沙河街组一段下亚段，简称沙一下亚段)-TST(湖侵域)、Es1下-RST(湖退域)、Es1中(沙河街组一段中亚段，简称沙一中亚段)-TST、Es1中-RST；沙一段顶部为东营组与沙河街组间的区域不整合界面。

根据断裂延伸长度及与层位交切关系，将研究区内断裂分为大、中、小三类规模：大断裂延伸长度大于6 km，穿层性强，连续发育；中断裂延伸长度介于3～6 km，切穿层位较大断裂少；小断裂延伸长度短，穿层少，由大、中断裂派生并与其相交，活动受大、中断裂控制。平面上，断裂样式以平行式、斜交式等相互组合为主(图1(a))，其中NE向断裂以同向(NW)倾斜为主，EW向断裂背向、对向、同向倾斜均有；剖面上，断裂组合样式西部以反“y”型、共轭“X”型等为主，东部以阶梯状组合为主(见图1(b-c))。

2　断裂活动分析

生长指数为断层两侧同一地层单元下降盘厚度与上升盘厚度的比值。古落差为某时期的铅直断层滑距，可用两盘同一沉积地层的厚度差表示。在两盘存在剥蚀的情况下，生长指数计算结果偏大甚至趋近无穷，无法正确体现断裂活动强度；古落差计算不受剥蚀量影响，能求取两盘厚度之准确差值，但不能体现断裂两盘的差异沉降程度。两者结合可弥补各自不足，地层厚度与两盘的垂直断距关联紧密，厚度差异可表征某一时期断裂活动性。文中由断裂活动与区域活动强度划分区块活动；通过差异沉降程度(生长指数)表征同一时期区域活动性，通过古落差比较相邻时期活动强弱；两者通过地层厚度资料确保结果的可比性。

根据地震时间剖面，通过层位标定获得地层厚度，结合时深转换得到地层深度，由顶底构造面深度相减得到地层厚度。为避免人为误差，借助Surfer数字化取点功能于断层两盘指定位置分别取样，计算相应生长指数与古落差。取样遵循原则：(1)沿断裂延伸方向分段取样，每段内两盘各取若干样本计算平均值；(2)在距断裂一定距离的稳定地段取样，减少断裂牵引或逆牵引造成的层厚变化影响。

图2　南堡3号构造不同沉积时期断裂生长指数Fig.2 Histogram of fault growth index at different sedimentary periods in Nanpu No.3 unit

在长期伸展断陷背景下，南堡凹陷构造反转期短暂，上升盘厚度往往大于下降盘厚度，生长指数大于1，通过对生长指数进行评判可以分析断裂演化规律(见图2)。由图2可以看出，断裂生长指数可分为三段：1.00～1.15、1.15～1.35，以及大于1.35，分别对应弱断裂活动、较强断裂活动和强断裂活动，进而反映区域活动演化程度。

3　断裂活动演化分析

计算沙一期及邻近时期的生长指数和古落差，将生长指数标在断裂上盘、古落差值标在断裂下盘[8]，按照生长指数三段范围分析南堡3号构造沙一期及邻近时期断裂活动演化规律(见图3)。

Es2(沙河街组二段，简称沙二段)沉积时期，南堡凹陷整体处于构造活动相对平静的过渡期[7]，两盘落差较小，地层较薄；活动区域呈NE-SW向带状分布，且由古落差值推测活动强度自NW向SE减弱(见图3(a))，说明该时期对应断裂呈NW-SE向伸展。

Es1下-TST沉积时期，两盘古落差增大，相比沙二段沉积时期区域活动性增强，全区生长指数多大于1.15，处于较强活动范畴。活动分布特征为NE向带状，西北部断裂活动最为强烈，古落差最高达107 m；东南部断裂活动较弱，古落差小于20 m。地势由SE向至NW向呈阶梯状降低，为NW-SE向伸展断裂差异活动所致(见图3(b))。

Es1下-RST沉积时期，近EW向断裂数目增多，西南部新生多条平行断裂，与NE向大断裂斜交，原有断裂发生EW向偏转。该类断裂处于较强活动范围，古落差为15～60 m；活动区域转变为近EW向展布。西北部断裂活动强度为该区最强，古落差达90 m，东南部NE向断裂消亡，地势呈东南高、西北低(见图3(c))。说明该沉积时期断裂伸展方向发生偏转，呈S-N向伸展，偏转为基底NE向深断裂右旋走滑所致[24]。

Es1中-TST沉积时期，全区古落差最大为73.3 m，多为20～30 m，区域活动强度呈减弱趋势；EW向断裂进一步发育，延伸长度增大，西南部EW向断裂与NE向断裂相连；除局部外活动区域呈EW向带状展布(见图3(d))。该沉积时期EW向断裂横过中部NE向断裂，并将它切割；西南部多条断裂通过小断裂相连，强弱活动共存为该区断裂调节带发育的有利条件。

Es1中-RST沉积时期，断裂生长指数表明全区活动强度明显降低，东北及西南部等处于相对较强和强活动范围，古落差为20～40 m；西南部共存的强弱活动使调节带持续发育(见图3(e))。Es1沉积晚期，南堡凹陷整体抬升[30]，沙河街组沉积地层遭受风化剥蚀，缺失沙一上亚段(Es1上)，与上覆东营组呈不整合接触，这与中国东部渐新世—中新世末期发育的反转构造[31]有关。

图3　不同沉积时期断裂分布及活动特征Fig.3 Distribution and acting features of big and medium faults at each period

Ed3下(东营组三段下亚段，简称东三下亚段)-TST沉积时期，南北向伸展作用再次增强，除中部平行断裂区及南部少数区域外，其他区域断裂生长指数大于1.15，北部区域活动强度最大，古落差达107 m，北强南弱的活动特点造成地势呈北低南高(见图3(f))。南堡凹陷于东营组时期进入裂陷Ⅳ幕沉积时期[3-4,32]，构造沉降加快，伸展速率高于沙一段沉积时期的[12]。

综上所述，南堡3号构造沙河街组时期经历NW-SE与S-N向两期伸展变形，转折期为沙一下亚段(Es1下)，EW向断裂开始增多，且原有NE向断裂末端渐向EW偏转；Es1时期，在区域应力方向发生偏转的同时，伸展强度也逐渐减弱，总体上北强南弱的分区分带特征较为明显(见图3(b-e))。此外，自Es1下-RST沉积时期，西南部作为特殊区域，强弱活动共存，应力状态独特，发育断裂调节带，中、小断裂较为集中；南部及东南部始终处于弱活动范围，断裂活动渐弱或停止，地势较高。

4　断裂控砂作用

断裂活动影响并塑造古地貌，古地貌决定沉积分散体系及砂体展布样式。选取南堡3号构造西南部区域，分析其断裂活动与砂体堆积关系。

4.1地貌塑造

受古构造活动影响，产生复杂应力状态[33]，断裂之间或其结合部位形成断距变化，断裂活动影响区域内地层沉降不均，派生次级小断裂，进而组合形成断裂调节带；在浅层或地表易形成地势起伏，表现为凸起、褶皱或走向斜坡等复杂地貌[34]。这种由断裂活动塑造的地貌形态称为调节带地貌(或断裂坡折带[35])，对沉积物分散和砂体展布样式研究具有重要意义。

一般情况下，断裂上盘常发生非均匀沉降，中心部位下降幅度大，向两端扩展，位移逐渐减小至消失，断裂停止发展，因此单条断裂的调节区在半平面上呈斜三角、或在完整平面上呈半椭圆形态。根据断裂重叠区域比例不同，调节带呈曲面斜坡或地垒凸起等不同形态。根据研究区断裂平面、剖面上的组合样式，刻画断裂完全或部分重叠时的立体形态(见图4)。

图4　断裂调节区地貌形态Fig.4 The geomorphology of fault accommodation zone

在两条同向倾斜断裂(包含相交或近平行)之间区域，对于其中一条断裂为下降盘，相对沉降；对于另一条断裂为上升盘，相对上隆，地貌表现为斜坡形态。在两条对向倾斜断裂之间区域，为两条断裂共同的下降盘，相对沉降，地貌表现为地堑斜坡形态，部分重叠时，两断裂末端连线区相对未沉降，较两侧高，表现为背形斜坡。在两条背向倾斜断裂之间区域，为两条断裂共同的上升盘，相对隆升，地貌表现为地垒形态，部分重叠时，两条断裂末端连线区相对未上隆，较两侧低，表现为向形地垒。

沙河街组时期，南堡3号构造西北部及中部两条持续活动延伸的NW向大断裂是半椭圆调节区的典型塑造者，沿两条断裂中垂线方向，地势西北低、东南高；东部的阶梯状及斜交式断裂组合满足同向断裂调节带地貌发育条件，西部的平面及剖面特征与对向、背向断裂组合特征匹配。

实际地质体中，在各类断裂集中发育部位(特别是在强弱活动共存情况下)，断裂活动对地貌的塑造更加特殊；由于两盘相对升降幅度不协调，不同部位彼此叠加，不同级别断裂调节区域的空间形态随之复杂化，形成凹隆斜相间的独特构造格局。

4.2控砂作用

由断裂活动演化可知，南堡3号构造西南部为强弱活动共存部位，中、小断裂集中，具备凹隆斜相间格局发育条件。结合构造解释及测井分析资料，应用井震联合地层恢复法[36-37]，恢复沙一段顶部剥蚀量，以沙一期顶界不整合界面作为约束；根据沉积补偿原理，利用原始地层厚度(残余厚度与剥蚀厚度之和)与地貌的负相关关系重塑沙一末期西南部古地貌形态(见图5)；根据砂体厚度平面变化特征，分析砂体堆积影响因素。

图5　Ed3下-TST地层单元沉积砂体厚度等值线及南堡3号构造西南部Es1末期古地貌形态

Fig.5 The paleogeomorgraphy(below one) at the late sedimentary period of Es1and the thickness isogram(above one) of sedimentary sand bodies of Ed3x-TST formation in the southwest of Nanpu No.3 unit

由Es1末期古地貌可见，受持续断裂活动影响，沿南堡3号构造中部NE向大断裂，地形发生坡降，南北由断隆分隔，总体呈南高北低趋势；大、中断裂交汇的叉角部位落差大，形成洼槽；在EW向平行断裂集中发育区，各断裂两盘相对升降幅度不协调，不同部位彼此叠加，使所夹断块呈走向斜坡、局部凸隆变化，说明在断裂集中调节的区域地貌呈显著凹隆斜相间格局。

根据测井约束下的砂体波阻抗反演及20余口井的取心观察，绘制Ed3下-TST地层单元沉积砂体厚度等值线图(见图5(a))。后期砂体展布受地貌特征控制作用明显：西南斜坡及中部洼槽砂体平均堆积厚度大(大于25 m)，东南部位砂体平均堆积厚度薄(小于13 m)。碎屑体系推进方向(见图5(b)中红色箭头)由南至北，遇中部较高NE向断隆阻挡，首先于洼槽部位发生沉积，然后汇聚为沿斜坡流动，部分折向东部；在入湖区水动力减弱，碎屑体系发生卸载并堆积，形成沿斜坡的水下扇体，由于砂体厚度大，且受两侧断面限制，砂体无法侧向迁移，沉积呈窄条带状展布，属于典型的断—沟控砂[38]；进入北部湖盆后，碎屑物减少使砂体厚度变薄，但断裂突变可诱导较厚浊积砂体堆积。表明断裂活动塑造地貌，进而影响碎屑物体系的流动与堆积，对沉积作用具有明显导向意义。

对比Ed3下-TST沉积时期断裂分布(见图3(f))与砂体厚度等值线图(见图5(a))，后期断裂活动引起沉积空间变动，造成砂体展布变化。北部区域断裂活动较强，伸张较均匀稳定，沉积空间广阔，砂体近于平铺展布，厚度薄且变化小；中南部差异活动的区域断裂伸展作用不均匀，使沉积空间狭窄且不断变动，砂体厚度变化快；东部阶梯状组合断裂活动使沉积空间在各下降盘位置突变，垂直走向推进的沉积物流在此卸载，砂体呈阶梯状突变。建立南堡3号构造断裂活动的控砂模式(见图6)。

图6　南堡3号构造断裂活动控砂模式Fig.6 The controlling mode for sand of fault activities in Nanpu No.3 unit

西南部探井油气显示明显高于其他部位探井的，油层厚度最大超过60 m。原因是断裂的集中发育为油气由深部向上提供有利运移通道；同时，临近物源的碎屑体系受导向作用推进而卸载堆积，砂体厚度大，能够形成有利储集体，在上覆泥岩盖层东营组二段(Ed2)[4,39]配合下，形成有效圈闭，适于油气聚集成藏。

5　结论

(1)南堡3号构造沙河街时期历经NW-SE与S-N向两期伸展变形，伸展转折期为Es1下；沙一时期，区域应力方向在偏转的同时伸展强度呈现由强到弱变化，每一子时期内区域活动基本为北强南弱的分区分带特征；受断裂活动影响，区域地貌呈南高北低；西南部为特殊区域，强弱断裂活动共存，应力状态独特，发育断裂调节带，中、小断裂集中；南部及东南部处于弱活动范围，断裂活动渐弱或停止。

(2)单条断裂上升盘不均一沉降，造成调节区在半平面上呈斜三角形态，完整平面上为半椭圆形态；根据重叠比例不同，两断裂间地貌形态可分为曲面斜坡或地垒凸起、凹槽；3号构造东部的阶梯状断裂组合符合同向断裂塑造地貌发育条件，西部的EW向断裂组合特点与对向、背向断裂发育特征较为匹配；在断裂集中发育部位，各断裂两盘相对升降幅度不协调且不同部位彼此叠加，塑造的调节带空间形态复杂化，呈现凹隆斜相间共存的独特格局。

(3)南堡3号构造西南部受断裂活动影响，呈凹隆斜相间格局：洼槽、凸起、斜坡相间共存；碎屑体系由南向北推进，沉积砂体展布特征受地貌控制明显，斜坡及洼槽区砂体堆积厚度大，断裂活动塑造的地貌对沉积作用具有明显导向意义；断裂活动引起的局部沉积空间变动影响砂体的展布特征；集中发育的断裂体系、厚度可观的砂体及上覆泥岩盖层使得西南部适于油气聚集成藏。

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2015-08-17；编辑：张兆虹

国家自然科学基金项目(41572124)

周延豪(1991-)，男，硕士研究生，主要从事构造地质学与油气田勘探方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.02.004

TE122.1

A

2095-4107(2016)02-0027-09