孤北洼陷构造演化与勘探“黄金带”分布

罗 霞



孤北洼陷构造演化与勘探“黄金带”分布

罗 霞

（中国石化胜利油田分公司物探研究院，山东东营 257001）

应用钻井、三维地震等资料，通过断裂活动性分析、洼陷构造演化过程恢复等方法，对济阳坳陷沾化凹陷孤北洼陷构造演化特征及其控制下的勘探“黄金带”分布进行研究。结果表明，受郯庐断裂走滑运动应力场影响，孤北洼陷东、西边界断层活动的差异控制了洼陷演化的阶段性和勘探“黄金带”的分布；东边界五号桩断层活动早、持续时间长，控制东次洼2期成藏，发育孔店组、沙四段和沙三段3个勘探“黄金带”；西边界埕东断层活动晚、强度大，控制西次洼1期成藏，发育沙三段1个勘探“黄金带”。

济阳坳陷；孤北洼陷；郯庐断裂；构造演化

在陆相断陷盆地油气勘探方向预测方面，学者们先后提出过“源控论”[1，2]、“复式油气聚集理论”[3]、“洼槽聚油理论”[4]和断裂带油气富集理论[5–7]等创新性认识，指导了油气勘探取得重要进展[8，9]。近期挪威学者依据干酪根生烃模式提出了油气勘探“黄金带”的概念，其核心是盆地的每套烃源岩进入生油高峰阶段后，储盖组合条件决定了该套源岩油气运聚空间的有利区，也就是油气勘探的优势区，称之为勘探“黄金带”。国内学者对这个概念进行了深化和发展[10]，将控制油气富集的每一层系视为一个勘探“黄金带”，那么叠合含油气盆地会发育多个勘探“黄金带”，勘探“黄金带”的观点对于我国多期叠合、发育多套烃源岩盆地的勘探方向选择具有重要的指导意义。本文以济阳坳陷沾化凹陷孤北洼陷为例，运用国内学者对勘探“黄金带”概念的诠释，通过恢复洼陷演化过程及对勘探“黄金带”分布的控制，分析下一步有利勘探方向，以期指导孤北洼陷下一步油气勘探部署工作。

1 地质简况

孤北洼陷位于济阳坳陷沾化凹陷东部，紧邻郯庐断裂带，是一个在中生界基底上发育的新生界断陷洼陷带，面积约500 km2，目前发现的油气全部集中在古近系。洼陷通过断层和周围潜山（凸起）相接，东部以五号桩断层和长堤潜山相邻，西北部以埕东断层与埕东凸起相连，南部通过孤北断层和孤岛潜山相接，北部以桩南断层和桩西潜山相望，西南方向通过孤西断层和渤南洼陷相连。洼内构造较为简单，主要发育两个近南北向对接的鼻状构造，即南部的孤北鼻状构造和北部的桩南鼻状构造，将洼陷分割为东、西两个次洼，整个洼陷形态呈“马鞍型”（图1）。

图1 孤北洼陷构造简图

洼陷内自下而上依次发育古近系孔店组、沙河街组、东营组，新近系馆陶组、明化镇组，第四系平原组（图2）。孔店组自下而上发育孔三段和孔二段，孔三段为一套干旱环境的洪积扇沉积，孔二段为滨浅湖沉积，是一套较厚的深灰色泥岩。沙河街组自下而上依次发育沙四段（分为沙四下亚段和沙四上亚段）、沙三段（分为沙三下亚段、沙三中亚段和沙三上亚段）、沙二段和沙一段。沙四下亚段主要为干旱环境的洪积扇沉积，沙四上亚段为滨浅湖深灰色油页岩和泥岩沉积夹薄层灰岩；沙三下亚段–沙三中亚段整体为深湖相沉积，全区发育较厚的油页岩、泥岩互层夹薄层灰岩；沙三上亚段和沙二段为滨浅湖沉积，沙一段为深湖–半深湖泥岩沉积；东营组为半深湖–河流相三角洲体系，上覆新近系馆陶组为河流相沉积。

2 构造演化过程

图2 孤北洼陷地层综合柱状图

2.1 断裂特征及其活动性

孤北洼陷四周依次发育五号桩断层、孤北断层、孤西断层、埕东断层和桩南断层（图1），断层活动性具有明显差异。

五号桩断层为东部边界西掉正断层，断层倾角60°左右，呈弧型展布，以北北西走向为主，延伸约20 km。从活动时期看，从孔店组沉积时期开始活动（活动速率40 m/Ma），并在沙四段沉积时期达到活动的高峰期（活动速率60 m/Ma），沙二段沉积时期有一个低谷期（活动速率11 m/Ma），沙一段–东营组沉积时期有所增强（活动速率22 m/Ma），馆陶组–明化镇组沉积时期衰减消亡（图3a）。

孤西断层为西南边界西掉正断层，断层倾角50°左右，北西走向，延伸约11 km。从活动时期看，孔店组沉积时期达到活动的高峰期（活动速率达到40 m/Ma），沙四段沉积时期衰减，并在沙三段沉积时期消亡（图3b）。

埕东断层为西北部边界东掉正断层，断层倾角70°左右，北东走向，延伸约15 km。沙四段沉积时期开始活动，沙三段沉积时期进入第一次活动高峰期（活动速率32 m/Ma），沙二段沉积时期活动性减弱，沙一段沉积时期再次进入活动高峰期（活动速率42 m/Ma），且活动强度远大于其他断层；新近纪衰减，明化镇组沉积时期消亡。该组断层活动性“双峰”特征明显（图3c）。

桩南断层为北部边界南掉正断层，断层倾角50°左右，近东西走向，延伸约10 km。从断层活动时期看，孔店组–沙四段沉积时期开始发育但活动较弱，沙三段沉积时期为一个活动高峰期（活动速率20 m/Ma），沙二段沉积时期有所减弱，沙一段–东营组沉积时期进入第二个活动高峰期，然后逐渐减弱，新近纪明化镇组沉积时期消亡。断层活动性呈“双峰”的特点（图3d）。

孤北断层为南部边界北掉正断层，断层倾角45°~50°，北东东走向，延伸约16 km。沙三段沉积时期开始活动并进入高峰期，活动速率达39 m/Ma，然后逐步衰减，馆陶组沉积时期消亡（图3e）。

图3 孤北洼陷边界断裂活动速率

2.2 区域应力场特征

由于受周围板块拼合作用的影响，济阳地区在不同地质历史时期处于不同方向的应力场中[11–12]。受三叠纪末期扬子板块与华北地块拼接作用[13,14]和晚侏罗世–早白垩世伊泽奈崎（Izanagi）板块转向俯冲（30 cm/a）[15]的影响，古新世（孔店组–沙四下亚段沉积时期）济阳坳陷处于左旋走滑应力场中[16–18]，孤北地区受到北东–南西向拉分作用。始新世–渐新世时期，在太平洋板块快速俯冲于东亚大陆之下[15]和印度板块向北碰撞[19]的共同作用下，济阳地区处于右旋走滑应力场中[18]，孤北地区受到北东–南西向走滑、伸展作用；中新世以来，在西太平洋弧后扩张响应下[20]，济阳地区进入热沉降为主的阶段。

2.3 构造演化过程分析

对应区域应力场的转换和孤北洼陷断层活动时期，可将该区域划分为孔店组–沙四段沉积时期的“东部断陷阶段”、沙三段–东营组沉积时期的“东西双断阶段”和新近纪热沉降阶段3个主要演化阶段。

2.3.1 东部断陷阶段

孔店组–沙四段沉积时期，孤北地区在郯庐断裂左旋走滑产生的北东–南西向拉分作用下，东边界五号桩断层持续伸展，在孤北地区形成东断西超、北西走向的箕状形态，即孤北洼陷断陷I幕。在东部五号桩断层和西南孤西断层伸展作用控制下，孤北鼻状构造基本形成。沙四段沉积末期，受燕山运动的影响，洼陷整体抬升遭受剥蚀，形成沙三段与沙四段地层之间不整合，本轮构造活动结束。孔三段为砂泥岩互层的洪泛沉积，孔二段沉积时期洼陷快速沉降为滨浅湖环境，以湖相泥岩为主；沙四下亚段沉积时期为砂泥岩互层的洪泛沉积，沙四上亚段沉积时期为滨浅湖环境。该演化阶段显著特征是东部为孤北地区沉降和沉积中心（图4a）。

2.3.2 东西双断阶段

沙三段–东营组沉积时期，孤北洼陷带处于北东–南西向走滑、伸展应力场中，周围边界断层活动较强，进入洼陷发育鼎盛期（断陷II幕），发育较厚的沙三中下亚段深湖–半深湖相油页岩和泥岩。西北部埕东断层的活动强度加强，形成西次洼，在五号桩和埕东断层控制下，桩南鼻状构造形成。经历沙三上亚段–沙二段沉积时期构造活动相对稳定期后，沙一段–东营组沉积时期，埕东断层进入活动的高峰期，西部成为孤北洼陷沉降中心，与东部次洼共同形成东西2个沉降和沉积中心；东营组沉积末期受喜山运动影响，区域抬升，本轮构造活动结束。该演化阶段显著特征是东西次洼共同发育，桩南鼻状构造与孤北鼻状构造分割洼陷形成“马鞍形”形态（图4b）。

2.3.3 热沉降陷阶段

洼陷在新近纪进入热沉降为主阶段，边界断裂活动明显减弱并逐渐趋于消亡，发育厚度较为统一的新近系馆陶组、明化镇组河流相沉积和第四系泛滥平原沉积（图4c）。

3 勘探“黄金带”分布特征

图4 孤北洼陷构造演化阶段和勘探“黄金带”分布示意

3.1 勘探“黄金带”要素特征

烃源岩分布特征：孤北洼陷自下而上发育3套烃源岩，分别为孔二段、沙四上亚段、沙三中下亚段。①孔二段：目前只有ZS1井在东次洼南缘钻遇深灰色暗色泥岩230 m，从已钻井泥岩地球化学分析数据看，为0.4%~0.8%，氯仿沥青“A”为0.09%~0.86%，干酪根类型为Ⅰ–II1型，o为1.03%~1.37%，为一套较好–好的烃源岩，可以生成规模油气。②沙四上亚段：油页岩和泥岩厚度80~300 m，为咸化沉积环境[21]，为3.3%~5.0%，氯仿沥青“A”为1.03%~1.08%，干酪根类型为Ⅰ型，o为0.58%~0.81%，为一套优质烃源岩，生排烃较早，可提供丰富的油气资源。③沙三中下亚段：烃源岩厚度300~500 m，分布最为广泛。

储盖组合分布：孤北洼陷古近系整体为一套湖相沉积，呈砂泥岩互层，伴随着构造震荡式演化，发育几套区域性储盖组合。沙四下段为盐湖沉积环境，发育稳定膏盐和膏泥岩（厚度100~200 m）与下伏孔店组形成第一套储盖组合；沙三段底部深湖相泥岩（厚度200~300 m）与沙四上亚段滨浅湖体系形成第二套储盖组合；沙一段稳定的深湖相泥岩（厚度100~300 m）与下伏沙三上亚段–沙二段碎屑岩形成第三套储盖组合（图2）。

压力分布特征：实钻资料证实，在生烃增压作用下[21]，孤北洼陷古近系纵向发育孔二段、沙四段、沙三段3个异常压力区，其中孔二段压力系数1.4，沙四段和沙三段压力系数均可达1.5以上。孤北洼陷内断层不发育，纵向上3个压力区相对独立，平面上以东、西次洼为分布中心，纵向相互叠置，高压区自下而上范围渐次增大。

3.2 勘探“黄金带”时空展布

孤北地区地质特点和东营组沉积末期、新近纪两期成藏过程[22]决定了洼陷内勘探“黄金带”的时空分布。孔二段和沙四段烃源岩在东营组沉积末期进行规模排烃[23]并形成勘探黄金带（图4b）。沙三中下亚段烃源岩在新近纪进入主成藏期[24-26]，东次洼纵向3套储盖组合类似封存箱成藏模式控制发育3个勘探“黄金带”，即孔二段为第一勘探“黄金带”、沙四段为第二勘探“黄金带”、沙三段为第三勘探“黄金带”。受烃源岩（湖盆演化）影响，三个“黄金带”纵向上相互叠置，平面上有一定的差异，第一勘探“黄金带”主要分布在东次洼北部，第二勘探“黄金带”叠置其上方但范围有所扩大，第三勘探“黄金带”满洼分布。西次洼主要发育沙三段第三勘探“黄金带”，且满洼分布（图4c）。

前期勘探主要集中在东次洼第三勘探“黄金带”，并已经探明石油地质储量7 000×104t，勘探程度较高。东次洼的第一和第二勘探“黄金带”还未取得大的突破；西次洼的第三勘探“黄金带”前期油气发现较少，是下一步有利的勘探方向。

4 结论与认识

受郯庐断裂走滑变应力场影响，孤北洼陷东边界断层活动早、持续长和西边界断层活动晚、强度大的差异性控制了孤北东、西次洼演化阶段和不同勘探“黄金带”的分布。孤北东次洼发育孔店组、沙河街组沙四段和沙三段3个勘探“黄金带”，西次洼发育沙三段1个勘探“黄金带”。东次洼孔店组、沙河街组沙四段和西次洼沙河街组沙三段3个勘探“黄金带”是下一步有利勘探方向。

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Structural evolution and‘golden zones’of hydrocarbon exploration distribution in Gubei sub-sag

LUO Xia

(Geophysical Exploration Research Institute of Shengli Oilfield Company, SINOPEC, Dongying, Shandong 257001, China)

By using the drilling data and 3D seismic data, through the analysis of fracture activity and the restoration of tectonic evolution process, the structural evolution characteristics and‘golden zones’ distribution of hydrocarbon accumulation of Gubei sub-sag of Zhanhua sag in Jiyang depression are studied. The results show that the ‘golden zones’of hydrocarbon exploration distribution are controlled by boundary fault activity difference influenced by Tanlu fault deformation stress field. The Wuhaozhuang fault activity in the east is early and enduring long, controlling two stages of accumulation in the east sub-sag of Gubei sag, and three‘golden zones’of hydrocarbon exploration are developed which are Kongdian formation, the fourth member and the third member of Shahejie formation. Chengdong fault activity in the west is late and strong, controlling one stage of accumulation in the west sub-sag of Gubei sub-sag, and one‘golden zone’of hydrocarbon exploration of the third member of Shahejie formation is developed.

Jiyang depression; Gubei sub-sag; Tanlu faults; structural evolution

1673–8217（2019）02–0001–05

TE111.1

A

2018–10–09

罗霞，博士，高级工程师，1973年生，2011年毕业于中国石油大学（北京）沉积、测井专业，现从事构造解析与勘探部署研究。

“十三五”国家重大科技专项“渤海湾盆地精细勘探关键技术”（2016ZX05006–003）部分研究成果。

编辑：蒲洪果