冀中坳陷古近纪地层厚度变化及断层活动特征

李梦萍，戴俊生，邹娟

（1.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；2.中国石油冀东油田勘探开发研究院，河北 唐山 063004）

冀中坳陷古近纪地层厚度变化及断层活动特征

李梦萍1，戴俊生1，邹娟2

（1.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；2.中国石油冀东油田勘探开发研究院，河北 唐山 063004）

以地震、地质资料为基础，以冀中坳陷的廊固、霸县及饶阳凹陷为研究工区，利用地层厚度变化率导数法和断层落差面密度法，分别研究工区古近纪地层厚度变化特征及断层活动性，进而反映构造活动强弱。结果表明：冀中坳陷古近纪断层活动性整体较强，地层厚度变化快。其中：孔店—沙四期地层厚度变化较慢，断层活动性较弱；沙三—沙二期地层厚度变化加快，断层活动性增强；沙一—东营期地层厚度变化明显减慢，断层活动整体减弱，局部断层持续活动。冀中坳陷古近纪构造活动强度经历了较弱—强—弱的变化过程。

地层厚度变化率导数；落差面密度；断层活动性；冀中坳陷

0　引言

冀中坳陷是国内研究及勘探程度都较高的地区之一。前人对冀中坳陷的构造、沉积、油气成藏以及储层特性等各个方面都已经进行了非常详尽的研究，并为油气藏的勘探开发提供了非常宝贵的理论指导与实践经验。在地层厚度研究方面，徐会永等［1］于2009年提出利用地层厚度系数法 （地层厚度/最小地层厚度）研究构造演化，并应用于查干凹陷的研究。而关于地层厚度变化的研究，前人多利用地层对比研究地层厚度的横向变化。这种方法只能显示地层厚度变化的多少，而不能反映地层厚度变化的快慢；主要用来显示沉积特征，而不能很好地反映构造因素的影响。总的来说，前人对冀中坳陷古近系地层厚度的研究程度较低。

断层活动性研究，前人曾采用过多种方法［2-14］。但这些方法多用于单条断层的研究，且都存在一定的缺陷，不能很好地体现断层活动性随时间的强弱变化以及区域性特征。

1　区域地质概况

冀中坳陷位于渤海湾断陷盆地的西北部，是在华北板块结晶基底上发育起来的中、新生代的沉积坳陷，东西南北分别以沧县隆起、太行山隆起、邢衡隆起和燕山褶皱带为界，总体呈北北东向展布，总面积约3.2× 104km2，其沉积格局总体呈现“东西分带、南北分区”的特征。本文的研究工区包括廊固凹陷、霸县凹陷和饶阳凹陷，均位于东部凹陷带。工区内发育的古近系地层有孔店组、沙河街组和东营组。冀中坳陷断裂体系非常发育，研究工区内发育的断层主要有廊固凹陷西部大兴断层、北部桐柏镇断层、东部河西务断层，霸县凹陷西北部牛东断层，饶阳凹陷任丘断层、任南断层、南马庄断层、河间断层以及留路断层等［15-16］。

2　研究方法

2.1地层厚度变化率导数

本文采用的研究地层厚度变化的方法为地层厚度变化率导数法。定义地层厚度变化率（V）为单位水平距离内地层厚度的变化。

式中：H为地层厚度，km；S为水平距离，km。

地层厚度变化率表示地层厚度变化的多少，但不能反映地层厚度变化的快慢，而且受地形的影响较大，例如坡度。为了消除这一影响，引入地层厚度变化率导数，即地层厚度对水平距离的二次求导，它表示地层厚度变化的快慢（见图1）。

图1　地层厚度变化示意

式中：Z为地层厚度变化率导数，km-1；ΔV为地层厚度变化率差。

在构造活动较强的地区，区域地层厚度变化快，地层厚度变化率导数值大。因此，利用地层厚度变化率导数在一定程度上能反映构造活动的强弱。

2.2断层落差面密度

关于断层活动性的研究方法，前人已进行过很多研究，主要有生长指数法、断层落差分析法、断层活动速率法、滑距分析法及断层位移-长度关系法等［3-14］。这些方法对单条断层的活动强度分析有很好的效果，但对于断层的区域活动强度的表征存在局限性。本文综合各种方法的优缺点，采用断层落差面密度法［17］，来研究断层活动强度。

落差面是由断层落差与断层长度所组成的铅直面，落差面密度是指单位面积内所有断层落差面的面积之和（见图2）。

式中：M为断层落差面密度；L为各断层长度，km；D为各断层的古落差（计算方法见断层落差分析法），km；A为区域面积，km2。

图2　断层落差面密度示意

落差面密度结合了断层延伸长度、单条断层活动强度及断层密度，将断层规模、数量及活动强度综合表征，反映了区域构造活动强度。构造活动强度较强的地区，断层较多，延伸较远，落差较大，断层落差面密度越大；反之，在构造活动较弱的地区，断层落差面密度较小。因此，利用断层落差面密度能有效地研究区域断层活动性，不仅可以分析横向上断层活动性的区域性差异，也可对比不同时期的断层活动性特征，体现断层在时间轴上的强弱变化。

3　地层厚度变化特征

3.1分时期地层厚度变化特征及对比

根据地震剖面获取地层厚度数据，绘制地层厚度变化率导数等值线图（见图3）。由于受边界断层的影响，冀中坳陷孔店组—沙四段地层发育不完全，空间延伸局限，地震剖面数据有限（图3中白色区域为数据缺失区）。在有限的数据基础上，分析图3a可知：孔店组—沙四段沉积期地层厚度变化率导数数值均小于0.200 km-1，且数据有限，不能有效地反映横向上地层厚度变化的情况；大于0.020 km-1的高值区分布局限，范围较小，可以在一定程度上反映出该时期构造活动强度较弱，局部的构造活动较强。沙三—沙二段沉积时期地层厚度变化率导数虽然数值也偏小（均小于0.200 km-1），但大于0.020 km-1的高值区范围较大，且连续成片，说明地层厚度变化较快，且范围较广，反映构造活动强度增大，整体性强，波及范围扩大（见图3b）。沙一段—东营组沉积时期地层厚度变化率导数值较大，局部区域可大于0.200 km-1，但大于0.020 km-1的高值区域范围较小，且连续性较差，说明晚期构造活动整体较弱，仅局部地区的构造活动持续增强，如饶阳凹陷南部、廊固凹陷北部等地区（见图3c）。

不同时期地层厚度变化特征不同，反映的构造活动强度也不同。从凹陷的角度分析可知：廊固凹陷早期地层厚度变化慢，沙三—沙二期变化加快，后期持续变快；霸县凹陷在孔店—沙四期地层厚度变化较快，沙三—沙二期有所降低，以牛东断层活动为主，晚期地层厚度变化又加快；饶阳凹陷早期地层厚度变化较快，沙三—沙二期整体加快，沙一—东营期整体减慢，局部加快，地层厚度变化快的区域逐渐向东和向南迁移。整体上，反映了构造活动强度经历了较弱—强—弱的变化过程。

3.2古近系地层厚度变化特征

根据图3d显示，冀中坳陷整个古近系地层厚度变化较快，反映构造活动整体较强。高值区主要分布在廊固凹陷的北部和东部，霸县凹陷的西部和北部，饶阳凹陷的中部、东部和南部，以及霸县凹陷和饶阳凹陷之间的局部区域。这些地区与断层的分布具有一致性，说明该时期主要的构造活动为断层活动，在一定程度上反映了冀中坳陷古近纪断层活动较为强烈。

图3　冀中坳陷分时期及古近系地层厚度变化率导数等值线

4　断层活动性特征

4.1分时期断层活动性特征及对比

分析图4得出：冀中坳陷在古近纪早期，即孔店—沙四期，断层活动性整体较强，局部活动很强，面密度可大于0.600。其中，廊固凹陷断层活动性最弱，霸县及饶阳凹陷断层活动性相对较强（见图4a）。沙三—沙二期断层活动性整体增强，大多数区域面密度都大于0.060，极少的局部大于0.600。活动性较强的断层主要集中在廊固凹陷西部的大兴断层和东部的河东断层，霸县凹陷的牛东断层，饶阳凹陷东部的河间断层、南马庄断层及留路断层（见图4b）。冀中凹陷在沙一—东营期断层落差面密度整体偏小，断层活动性强度较弱，霸县凹陷断层活动性有所增强。由于东营期末的区域性抬升，造成廊固凹陷沙一—东营组遭受剥蚀（见图4c）。

对比不同时期断层落差面密度的特征，可以研究断层的活动史。对比分析表明，冀中坳陷古近纪是断层活动性较强的一个时期，主要为断陷阶段。断层活动性既具有继承性，又有差异性。孔店—沙四期断层活动性整体较强，沙三—沙二期断层活动性增强，且活动范围扩大，沙一—东营期断层活动性明显减弱，仅局部断层活动性持续增强。因此，冀中坳陷古近纪断层经历了较强—强—弱的活动史。

4.2古近纪断层活动性特征

从图4d可以看出：冀中坳陷古近纪断层活动整体较强，面密度大多大于0.050。廊固凹陷西部和中部断层落差面密度较大，局部最大可达1.000；东部和南部面密度相对较小，小于0.500；北部面密度较大，部分区域大于1.000。霸县凹陷大部分地区断层落差面密度大于0.050，高值区分布在西部和北部，局部区域面密度大于1；西部面密度相对较小，小于0.200；南部与饶阳凹陷连接的区域面密度在0.050~0.500，局部较大。饶阳凹陷高值区集中分布在东部，面密度均大于0.050，局部区域面密度大于1；西部和饶阳南是落差面密度的低值区，面密度小于0.050；北部与霸县凹陷相接，呈现高值区。

冀中坳陷古近系地层厚度变化快的区域 （见图3d），与古近纪断层活动性强的区域（见图4d）的分布具有一致性，主要分布在廊固凹陷的北部、东部和西部，霸县凹陷的西北部，饶阳凹陷的中部和东部，以及霸县凹陷和饶阳凹陷之间的局部区域。这些强构造活动区又与区域性断层的分布一致，如廊固凹陷西部大兴断层，北部和东部的桐柏镇断层和河东断层，活动性强；霸县凹陷的西北部，受牛东断层的影响，活动性较强；饶阳凹陷与霸县凹陷相连接处，主要是由于徐水—安新断层变换带的活动，局部强度较大；饶阳凹陷东部和中部，此处主要发育有任丘断层、任南断层、仓西断层、留路断层等伸展构造，活动性强。由此也说明了利用地层厚度变化率导数和断层落差面密度研究构造活动强度的有效性。

图4　冀中坳陷分时期及古近纪断层落差面密度等值线

5　构造演化特征

冀中坳陷古近纪构造演化可分为3个阶段［16-18］：早期，断陷扩张，大型断陷盆地阶段（孔店—沙四期）；中期，翘倾断块分化，断陷分隔阶段（沙三—沙二期）；晚期，翘倾断块消亡，断陷抬升阶段（沙一—东营期）。

古近纪早期构造面貌与燕山末期相同，始新世晚期构造活动强烈，以伸展走滑作用为主。孔店—沙四期构造活动整体较弱，廊固凹陷西部和北部、霸县凹陷、饶阳凹陷中部和南部构造活动性较强。沙三—沙二期，伸展作用加剧，构造活动增强，霸县凹陷整体活动性有所减弱，但牛东-河东断层活动性开始增强，中央凸起带形成，东西分带格局明显。沙一—东营期，冀中坳陷开始抬升，构造活动整体减弱，廊固凹陷遭受剥蚀，中部徐水—安新转换断层带成型，南北分区开始形成。

6　结论

1）冀中坳陷在古近纪整体地层厚度变化较快，构造活动较强。孔店—沙四期地层厚度变化较慢，局部变化快，构造活动弱；沙三段—沙二段沉积期地层厚度变化加快，且高值区具有连续性，构造活动增强，波及范围广；沙一—东营期地层厚度变化速率减慢，只有局部保持高值，构造活动减弱，局部地区继承性活动。冀中坳陷古近系地层厚度变化速率的高值区与区域性断层的分布具有一致性，说明该时期主要的构造活动为断层活动，构造活动强度经历了较弱—强—弱的发展演化过程。

2）古近纪断层的活动性较强，主要集中在一级和二级控凹伸展构造区域。孔店—沙四期断层活动性整体较强，局部断层的活动性很强。沙三—沙二期断层活动性整体增强，部分断层活动性有所减弱。沙一—东营期仅有少数断层持续活动，强度较大。由此，冀中坳陷古近纪断层经历了较强—强—弱的活动史。

3）冀中坳陷地层厚度变化的快慢与断层活动性的强弱具有一致性，地层厚度变化快的地方主要集中在控凹断层或三级伸展构造区，而断层活动性强的地区地层厚度变化也较快，两者均反映了构造活动强度由较弱（较强）到强再到弱的变化过程。

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（编辑赵旭亚）

Paleogene formation thickness changes and fault activities of Jizhong Depression

LI Mengping1，DAI Junsheng1，ZOU Juan2
（1.School of Geosciences，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Research Institute of Exploration&Development，Jidong Oilfield Company，PetroChina，Tangshan 063004，China）

Based on the seismic data and geological information，the main research areas are Langgu Sag，Baxian Sag and Raoyang Sag.The derivative of stratigraphic thickness changing rate and the throw-surface density are used for the formation thickness changes and faults activities，which reflect the tectonic activities.Results show that Paleogene fault activities of Jizhong Depression are intensive as a whole with the rapid formation thickness changes.The thickness changes of Ek-Es4formation were slow and fault activities were weak.While in the period of Shahejie 3-2，the formation thickness changed greatly with increasingly intensive tectonic activities.Then as the thickness changes of Es1-Ed formation decreased，the tectonic activities became weak，only partial areas continued actively.The Jizhong Depression in Paleogene underwent a weak-strong-weak tectonic evolution.

derivative of stratigraphic thickness changing rate；throw-surface density；fault activity；Jizhong Depression

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（2011ZX05042）；中国石油华北油田分公司科技项目“冀中富油凹陷二次勘探潜力与方向研究”（HBYT-WTY-2011-JS-303）

TE122.3+21

A

10.6056/dkyqt201602001

2015-11-01；改回日期：2016-01-10。

李梦萍，女，1992年生，在读硕士研究生，本科毕业于中国石油大学 （华东），主要从事构造地质学研究。E-mail：eslinlmp@163.com。

引用格式：李梦萍，戴俊生，邹娟.冀中坳陷古近纪地层厚度变化及断层活动特征［J］.断块油气田，2016，23（2）：137-141. LI Mengping，DAI Junsheng，ZOU Juan.Paleogene formation thickness changes and fault activities of Jizhong Depression［J］.Fault-Block Oil& Gas Field，2016，23（2）：137-141.