孤东地区走滑作用对油气成藏的控制

2018-03-29 12:36卢姝男吴智平程燕君
东北石油大学学报 2018年1期
关键词:右旋洼陷马尾

卢姝男, 吴智平,2, 程燕君, 李 旭

( 1. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东 青岛 266580; 2. 中国石油大学(华东) 青岛海洋科学与技术国家实验室,山东 青岛 266235 )

0 引言

孤东地区位于济阳坳陷东部的浅滩海地区海陆交接位置,邻近郯庐断裂带西支,处于郯庐断裂带右旋走滑应力场,在燕山—喜山构造阶段的左旋到右旋的转型过程中,导致郯庐断裂带中生代先存NW向断层向新生代NNE向断层转型,且派生一系列NNE和近EW向次级断层,研究区呈现NNE、NE向断裂分割NW向凸起的构造格局[1-4]。人们研究郯庐断裂带影响下邻区的走滑作用,包括济阳坳陷东部走滑构造特征及成因机制[5-6]、济阳坳陷东部垦东—埕岛构造带的断层活动特征[7-8]、黄河口凹陷的走滑断层体系发育特征[9-10],以及莱州湾地区的隐性走滑断层作用[11]等。人们也研究渤海走滑转换带[12-13]、走滑双重构造[14]等走滑派生构造样式的特征。蔡佑星[15]、龚再升等[16]、池英柳等[18]认为,郯庐断裂带影响下的走滑作用对渤海海域东部油气成藏的影响是重要的,对大中型油气田的形成具有重要意义。

渤海湾盆地济阳坳陷含有丰富的油气资源,孤东地区是其中有利的油气充注区块,油气分布具有明显差异性,主要分布于孤东低凸起浅层及孤南洼陷陡坡带,孤东潜山和孤东断层南段尾端所处富林地区不成藏[19-20]。根据对海、陆资料的补充与拼接,笔者分析研究区NNE向断层向相邻黄河口凹陷内部延伸,重新厘定断层性质;利用地震资料及重磁资料,分析断层的发育特征和走滑特征,结合相干切片及物理模拟实验,探讨研究区的走滑派生构造样式发育特征;结合研究区石油地质条件,分析走滑作用对油气成藏的控制,为研究区油气勘探提供参考与借鉴。

1 区域地质概况

孤东地区位于渤海湾盆地济阳坳陷与渤中坳陷的交接带、郯庐断裂带西侧、黄河入海口附近滩海地区东部,主要指孤东低凸起及其附近地区,向西与孤南、富林洼陷相接,向北倾没于黄河口凹陷,向南邻近青东凹陷和青坨子凸起(见图1)。其构造性质及特征与邻区既有相似性,又有差异性。自三叠世以来,该地区经历包括华北板块与华南板块剪刀式碰撞、太平洋板块俯冲转向、郯庐断裂带大型NNE向走滑断裂左旋到右旋的转换等多期构造运动,造成研究区复杂多变的结构特征,呈现NW向展布的凸起带被NNE和NE向断层切割的构造格局。孤东地区的发育演化主要受控于NNE向孤东断层和垦东断层,NE向孤南断层和垦利断层对它具有切割作用,控制孤东低凸起、孤南洼陷东部和富林洼陷东部的凸凹格局。

图1 孤东垦东地区区域地质Fig.1 Regional geological map of Gudong-Kendong area

2 断层性质

孤东断层和垦东断层作为研究区的主控断层,早期人们认为是拉张性质的正断层。通过海、陆地震资料的整合及高分辨率的重磁资料分析[21],研究两条断层的走滑性质。

根据孤东、垦东及周边地区磁异常图,东部一系列NNE、NE向长轴型呈串珠状排列的正磁异常带,是郯庐断裂带西支,呈现左阶不连续排列。西侧的孤东、垦东地区具有相似的特征,正磁异常分布区域更加明显,也呈串珠状排列,异常长轴以NNE向为主(见图2(a))。郯庐断裂带在沙四孔店时期大规模的NNE向走滑断层由左旋向右旋方向转换,派生一系列NNE向走滑断层,包括孤东、垦东断层具有走滑性质,右旋作用十分明显。在孤东地区逐渐形成的NE向孤南、垦利断层开始切割早期的NNE向孤东断层,整体吻合于郯庐断裂带右旋走滑应力场(见图3)。因此,孤东、垦东断层的右旋走滑效应十分明显。

将胜利探区与海油探区进行基底拼接,孤东及相邻地区NNE向断层在东北部的黄河口凹陷内可以找到对应的断层,划分为垦东断层—莱州西支1号断层、孤东断层—莱州西支2号断层、长堤断层—莱州西支3号断层3条断裂带(见图2(b)),垦东、孤东断层具有与其延伸断层同样的走滑性质。根据垂直切割孤东断层和垦东断层的地震剖面,两条断层的倾角较陡,深部断层较为直立,浅部发育一系列次级断层,与主断层组合成似花状构造的特征,证明孤东、垦东断层具有明显的走滑特征(见图4)。

图2 孤东、垦东及周边地区磁异常分布及三维显示Fig.2 Distribution of magnetic anomaly and three-dimensional display in Gudong-Kendong area

图3 郯庐断裂带右旋走滑应变椭球体Fig.3 Right-lateral strike slip strain ellipsoid Tanlu fault zone

图4 研究区主走滑断层剖面特征Fig.4 The characteristics of seismic profile of main strike-slip faults in area

3 走滑断层派生构造

走滑及派生作用是导致盆地内部结构差异性最主要的控制因素。在同一走滑应力场下,不同位置局部应力场差异、不同方向应变差异导致走滑及派生构造发育类型与样式的多样性,包括在走滑弯曲带的局部增压与释压,在叠置带的释压拉张与增压挤压形成的拉张与挤压的双重构造,在走滑断裂带末端形成的叠瓦扇,以及块体活动的改变与断层方向的变化造成的差异等[22-25]。研究区孤东断层—莱州西支2号断层与垦东断层—莱州西支1号断层之间发育右行左阶的增压叠置带,在孤东断层末端发育拉张马尾扇构造。

3.1 走滑断裂增压叠置

两条右旋走滑断层呈左阶叠置排列,产生增压挤压作用,在叠置区形成拱起。对于研究区NNE向断裂,孤东断层和垦东断层平面上右旋左阶排列,组成走滑断裂增压叠置构造样式(见图5)。剖面上表现为局部地层上拱。通过物理模拟实验模拟走滑叠置构造样式的发育演化过程,也验证呈右旋左阶排列的断层产生增压作用,叠置区地层发生拱起现象(见图6)。

物理模拟实验将3块聚苯塑料放置在金属板上,中间1块固定,另外2块置于两侧,分别与底部的2块可以平移活动的金属底板粘连,与金属底板共同运动,实现两侧活动聚苯塑料与中间固定的聚苯塑料发生相对移动。在上面铺设一层塑性橡胶皮,橡胶皮沿底部基底断裂切割但不贯通,形成断裂叠置的形式,两侧固定帆布,使之随基底一起运动,实现走滑功能[26](见图6(a))。采用断裂右旋左阶的叠置形式,遵循几何相似、动力相似和边界相似的相似原则,两侧匀速同时移动,随走滑位移量的不断增加,在位移量为0.4 cm时,主走滑断裂开始发育(见图6(b));位移量为1.5 cm时,断裂发育明显,规模变大,且断裂两侧NNE向的同向次级剪切断裂形成,主断裂间叠置部位开始出现地层上拱现象,且局部派生NE(近EW)向拉张正断层(见图6(c));位移量为1.9 cm时,同向次级剪切断裂数量增多,NE(近EW)向拉张正断层连通,叠置部位地层明显拱起而形成背形(见图6(d))。

图5 孤东和垦东断层走滑断裂叠置构造样式平面与剖面特征Fig.5 The characteristics of 2 000 ms coherence slice and seismic profile of stepovers of strike-slip faults

图6 走滑断裂叠置构造样式物理模拟实验Fig.6 Plan view of physical modeling experiment in stepovers of strike-slip faults

3.2 拉张马尾扇构造

研究区孤东断层尾端发育拉张马尾扇构造,相干切片显示NNE向孤东断层南段与一系列NNE向小次级断层形成拉张马尾扇,其中次级断层向SW方向散开,且延伸至富林洼陷内部(见图7(a));切过马尾扇构造的SN向测线地震剖面表现为,一系列倾向相同的次级断层呈阶梯状排列,断裂分割性较强,部分形成多级Y形构造;同时,断层分割的地层有下陷趋势,说明帚状构造可以派生拉张释压效应(见图7(b))。

为揭示拉张马尾扇构造的形成演化过程,同样利用构造物理模拟实验,在金属底板上铺设聚苯塑料,将塑性橡胶皮沿底部基底断层切割,形成平面梯形固定,两侧随金属底板活动(见图8(a))。遵循相似原则,不断施加应力,充当主动盘一侧走滑强度逐渐增加,走滑量通过次级断裂分解,形成马尾扇构造。位移量为1.0 cm时,主断裂开始形成(见图8(b));位移量为1.4 cm时,NE向次级断裂开始产生(见图8(c));位移量为2.2 cm时,次级拉张断层数量增多(见图8(d));位移量为4.8 cm时,主断层不连续,派生的NE向次级断层规模变大,延伸较远,尾端不断向SW向撒开(见图8(e))。

图7 孤东断层拉张马尾扇构造样式平面及剖面特征Fig.7 The characteristics of 2 000 ms coherence slice and seismic profile of horstail structures

图8 拉张马尾扇构造样式构造物理模拟实验Fig.8 Plan view of physical modeling experiment in horsetail structures

4 油气成藏控制

4.1 走滑断裂增压叠置

走滑断裂增压叠置部位主要指孤东低凸起区。该地区含油气丰富,以孤东低凸起及孤南洼陷陡坡带为油气主要聚集区,陡坡带油气纵向多层位成藏,主要以沙河街组和东营组为主,且深层更为富集;孤东低凸起以浅层成藏为主,潜山不成藏(见图9)。造成油气分布差异性的原因,除自身的石油地质条件外,走滑派生也起很大作用。孤东与垦东断层的右旋左阶排列组成走滑叠置构造,易产生增压作用,加之叠置部位的上覆地层披覆,促使该地区形成背形,是油气充注的主要部位。由于孤东断层平面呈弯曲特点(见图9),右旋走滑断层的局部增压弯曲部位导致断层面紧闭(见图10)。油气不会沿孤东断层运移至孤东潜山上,而是在孤东断层上盘受增压作用封闭,以及高角度断层遮挡而聚集成藏(见图11(a))。由于NE向断层产生及孤东断层逐渐变得不连续,派生大量NEE、NE向次级断层,导致油气的重新分布,为油气的运移提供媒介与通道,不仅扩大浅部油气规模及分布范围,同时不断向叠置增压部位运移聚集,该地区浅层油气藏丰富聚集。

研究区成藏特征有3种:(1)浅层背形圈闭发育,浅层成藏。孤东断层断面紧闭,断层分割性强,封闭能力高,少量油气沿断层运移,在洼陷区沙河街组地层中被断层封闭而成藏,未运移至潜山,因此潜山不成藏;派生的NE向次级断层为拉张断层,沟通深部源岩和浅层圈闭,油气运移至浅部而成藏;同时,黄河口凹陷的部分油气也运移至浅层而成藏。(2)多元供烃。孤东地区三面临洼,被孤北洼陷、孤南洼陷、黄河口凹陷包围,油气供给以孤南洼陷为主,黄河口凹陷次之,孤北洼陷最少。各洼陷具有多套生油层系,Es3、Es1为良好的生油层系,Ed也具有生油能力,从而形成多方向、多层系供油的优势。(3)输导体系。孤东地区西部主要是以派生的NE向正断层及砂体作为主要的输导体系而垂向输导,生排烃期断裂活动有利于油气向浅层输导,东部以不整合面和连通砂体作为主要的输导体系而侧向输导(见图11(b))。

图9 走滑叠置和拉张马尾扇构造样式与浅层油气分布关系Fig.9 The relationship diagram between the shallow oil distribution and stepover and the horsetail splay structure

图10 孤东断层增压释压弯曲模式Fig.10 Compression and extension bending of pattern Gudong fault

图11 孤东、垦东走滑叠置成藏区油藏剖面及三维模式Fig.11 Reservior profile across accumulation area and three-dimensional model of oil distribution in stepovers of Gudong-Kendong strike-slip faults

4.2 走滑拉张马尾扇构造

走滑拉张马尾扇主要发育于富林地区。统计该地区井的油气分布特征,多为失利井,如富23、富15、富291、富7、富29等井(见图1)。研究区目前源岩主要来源于富林洼陷和孤南洼陷,后期走滑释压作用是导致研究区油气溢散的主要原因。对于烃源岩,分析失利区可能来源的4套烃源岩的氯仿抽提物饱和烃色谱、质谱,以及以失利区富15井的古近系沙河街组的原油为代表的失利井[27-28],根据C29甾烷的成熟度参数、4—甲基甾烷和C27重排甾烷的丰度指标,富林洼陷沙三下亚段的烃源岩类异戊二烯烃表现为较高的姥鲛烷,Pr/Ph大于1,萜烷类化合物表现为低γ—蜡烷的特点,兹(脂)类化合物高度重排;富林洼陷沙四上亚段的类异戊二烯烃具有明显植烷优势,Pr/Ph通常小于1,萜烷类化合物表现为高γ—蜡烷的特点,重排甾烷与4—甲基甾烷质量分数较低;孤南洼陷沙三段烃源岩Pr/Ph大于1,表现为低γ—蜡烷的特点;孤南洼陷沙一段烃源岩表现为γ—蜡烷质量分数较高,Pr/Ph较低,C28质量分数丰富。富15井的原油具有明显的植烷优势,Pr/Ph小于1,γ—蜡烷质量分数较高,重排甾烷与4—甲基甾烷质量分数较低。可见富15井与富林洼陷沙四上亚段烃源岩具有相似的特点,具有明显的亲缘关系。因此,富林地区的失利区的油气来源于富林洼陷东次洼沙四上亚段烃源岩,油气主要以近距离、垂向运移和自生自储为主。

后期走滑作用对失利区的影响是导致油气最终在浅部溢散的主要原因。孤东断层右旋走滑作用在孤东断层尾端派生NW-SE向拉张产生释压作用(见图10),不连续的次级断层形成帚状构造,释压作用使次级断层开启,断层的封闭性较差,破坏早期圈闭;同时,为东次洼内油气向浅部运移提供路径,且沿断层不断向外溢散,导致失利区不见油气显示。垂直于组成帚状构造的次级断层的油藏剖面显示(见图12(a)),东次洼内烃源岩生成的油气沿阶梯式的次级断层向浅部运移,至明化镇沉积顶部溢散。

建立富林地区走滑拉张马尾扇构造释压失利区三维模式(见图12(b)),有3种特征:(1)烃源岩主要来源于富林地区的东次洼沙四上亚段,发育地区局限,成熟度低,埋深较浅,生烃量少;(2)孤南洼陷油气受垦利断层反向遮挡,油气无法运移至富林洼陷失利区;(3)拉张马尾扇构造派生释压作用,断层呈开启状态,导致油气易沿断层向浅部垂向运移溢散。

图12 孤东断层尾端拉张马尾扇构造油藏剖面特征及三维模式Fig.12 Reservior profile across failed area in the end of Gudong fault and three-dimensional model

5 结论

(1)孤东地区断层受邻近郯庐断裂带新生代右行走滑作用影响,表现为明显的右行走滑性质,剖面上呈断层直立、负花状及多级Y形构造特征,派生走滑叠置及拉张马尾扇构造样式,增压与释压的作用对孤东地区后期油气的运聚起重要作用。

(2)走滑叠置增压区地层上拱而形成背形,孤东断层平面上呈弯曲状态,右旋作用使断层面紧闭,分割和封堵来源于孤南洼陷的油气,潜山不成藏,后期NNE、NE向次级断层发育,为浅部油气运移提供通道,扩大全部成藏范围,对背形浅部油气聚集成藏起关键作用。拉张马尾扇构造发育于孤东断层尾端的富林地区,断层的局部弯曲产生释压作用,导致拉张次级断层多呈开启状态,破坏油气藏,油气沿断层不断向浅部运移溢散。

(3)在走滑作用控制下往往形成大中型油气藏。对孤东地区断层走滑性质、走滑派生构造样式及其对油气成藏的控制作用的研究,为走滑派生构造控制下的油气藏勘探研究提供参考和借鉴。

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