走滑强控型盆缘洼陷控洼机制及主烃灶预测——以渤海盆地庙西南洼为例

王 航, 杨海风, 黄 振, 赵弟江, 赵 野

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300459)

盆缘洼陷又称边缘洼陷，为盆地演化过程中位于其边缘的局部块体未发生继承性沉降，与盆地主体逐渐分离而形成的沉降幅度较小的洼陷[1]。盆缘洼陷受面积小、埋藏浅、剥蚀强等条件的制约，其烃源岩的发育规模与生烃能力长期以来受到质疑，其油气成藏机理与富集规律也一直未能引起重视。近年来，在渤海湾盆地海域部分的秦南凹陷、庙西凹陷北洼、黄河口凹陷东洼等盆缘洼陷周缘相继发现多个亿吨级油田，展现出较大的勘探潜力。特别是在黄河口东洼发现的BZ36-1油田，充分证实了盆缘洼陷具备形成大中型油田的物质条件[2-3]。研究区庙西南洼紧邻黄河口东洼，二者发育规模、埋藏深度、主力烃源岩层系均较为相似，使得该洼陷逐渐成为渤海湾盆地油气勘探的热点地区。然而，实际的勘探成效却不甚理想，区内已钻3口探井，均未获商业储量。前人对于该区的研究侧重于烃源岩评价与油源分析、断裂体系与构造特征、油气成藏与勘探潜力等方面，对于洼陷演化、沉降中心迁移及优质烃源岩展布等缺乏深入研究[4-6]。近年来研究表明，断裂活动为渤海湾盆地最主要的控盆动力因素，庙西南洼作为渤海湾盆地的一部分，长期处于强烈的构造活动下，受郯庐断裂带活动、太平洋板块俯冲碰撞、深部地幔上涌等区域构造应力的影响，体现出走滑-伸展断裂的叠加复合效应及多期构造隆升的改造[7-8]，使洼陷的沉降中心发生多次迁移，从而对优质烃源岩展布范围及主烃灶发育位置产生较大影响，导致洼陷对周缘圈闭的油源贡献尚不明确，严重制约着该区的进一步勘探评价。本文以三维地震资料为基础，利用剖面特征分析、古地貌恢复及水平方差切片分析等技术，对庙西南洼的走滑、伸展等控洼断裂的活动期次、活动性质、活动强度进行研究，分析沉降中心的迁移规律，建立洼陷的演化模式，明确优质烃源岩的展布范围，进而优选有利烃灶的发育位置，为庙西南洼进一步的油气勘探提供新的依据。

1 地质概况

庙西南洼位于渤海湾盆地的渤海东部海域，为渤海湾盆地最东部位置。洼陷北靠庙西南凸起，南接莱北低凸起，西邻黄河口东洼，被郯庐走滑断裂带所分隔，东侧地层逐渐超覆于胶辽隆起之上，为典型的盆缘洼陷(图1)。庙西南洼紧邻郯庐走滑断裂带东支油气富集带，被黄河口东洼、莱州湾东北洼、庙西北洼等多个富烃洼陷所环绕，周缘已发现多个大中型油气田。勘探实践表明，环庙西南洼地区发育沙三、沙四段2套主力烃源岩，尤其以沙三段烃源岩最为重要，已得到围区多口探井的钻探揭示[9]。

图1 庙西南洼区域位置图Fig.1 The regional tectonic location of Miaoxi Sag

自新生代以来，庙西南洼经历了多期构造运动，整体上可分为古近纪古新世-始新世裂陷阶段、渐新世裂陷阶段以及新近纪中新世以来的后裂陷阶段，不同构造运动阶段形成了不同的断裂活动特征[10-11]。区域构造上，该洼陷处于北北东向郯庐断裂带与北西向张蓬断裂带的交汇部位，受两个方向的走滑、伸展断裂的复合改造作用，使沉降中心随着不同方向断裂带的幕式活动而不断迁移，导致洼陷结构不断发生改变。此外，庙西南洼位于渤海湾盆地东部边缘，其东侧的胶辽隆起受板块俯冲碰撞、深部地幔上涌等影响，发生多次上隆，对盆地结构起到一定的改造作用[12]。

2 走滑-伸展断裂活动规律

图2 庙西南洼古近纪断裂系统分布图Fig.2 The distribution of Paleogene fault system in Miaoxi Sag

庙西南洼处于走滑-伸展复合应力的条件下，洼陷结构主要受走滑-伸展断裂的联合控制，因此首先对走滑、伸展断裂的活动规律进行分析。研究区断裂发育、分布复杂，依据断裂的活动性质，可以将其分为4类断层：①NNE-NE向的郯庐走滑断层，以走滑运动为主；②近NW-SE向的早期伸展断层，主要发育于郯庐走滑断裂带的东侧；③近EW向的伸展断层，主要依附于走滑断裂，发育于郯庐走滑断裂带的西侧；④NNE-NE向走滑派生断裂、调节断裂(图2)。不同类型断裂的活动期次、变形强度及相互关系是控制洼陷形成的关键。以三维地震资料为基础，结合剖面特征及水平方差切片等对研究区古近纪断裂活动规律进行分析，发现存在4个不同的阶段。

2.1 伸展主控阶段

该阶段主要存在于孔店组沉积时期。从过郯庐走滑断裂带的剖面及方差切片中可以观察到，走滑断裂两侧孔店组地层断距、产状并无明显差异，未产生与走滑断裂伴生的花状构造；同时切片中未见明显的走滑平面形态，表明该时期NNE-NE向的郯庐走滑断裂带尚未开始活动，对洼陷结构及沉降中心并无明显的控制作用。从过研究区东侧伸展断裂的剖面中可以看出，断裂上升盘与下降盘的孔店组断距较大、地层厚度差异明显(图3-A)；同时结合断裂生长指数，表明位于郯庐走滑断裂带东侧的近NW-SE向的伸展断裂活动较为强烈(图4-A)。因此，孔店组沉积时期郯庐断裂带处于隐伏状态，并不活跃；其东侧的伸展断裂则处于活动状态，对洼陷结构及沉降中心具有明显控制作用。

2.2 伸展-走滑分异阶段

该阶段主要存在于沙四段沉积时期。郯庐走滑断裂带开始活动，由隐伏走滑向穿透走滑转变。从过走滑断裂的剖面看出，断裂两侧的沙四段地层存在明显的产状变化，同时在方差切片上能够观察到初期的双轨走滑形态及局部雁列状派生断裂特征。双轨走滑带内部存在受走滑断裂面形态变化而影响的走滑增压带与释压带，在左旋极性作用下，导致释压带地层发育较厚、增压带地层发育较薄的差异化分布[13-14]。先期活动的东侧近NW-SE向伸展断裂在该阶段持续性活动，其剖面特征与前述阶段较为相似(图3)。因此，沙四段沉积时期郯庐断裂带开始活动，对双轨走滑带内的洼陷结构与地层分布有一定影响，同时其东侧的伸展断裂的控洼陷作用具有延续性。该阶段走滑与伸展断裂分别对研究区洼陷结构的改变起到控制作用。

2.3 走滑-伸展联控阶段

该阶段主要存在于沙三段沉积时期。该时期由于研究区东部胶辽隆起的隆升，导致在沙四段-孔店组沉积时期形成于郯庐走滑断裂带东侧的、主要受伸展断裂控制的断陷型次洼遭受抬升[15]，形成较大程度的剥蚀，使洼陷遭到破坏。这一时期，郯庐走滑断裂带活动逐渐变强，从过走滑带剖面可以观察到走滑断裂的右旋极性特征[16]。与前述分异期的左旋应力相比，相应的释压带、增压带的位置发生了反转，从而使地层厚度发生了改变：先期的释压带，由于走滑极性的反转发生隆升，导致沙三段地层减薄；先期的增压带由于应力改变，成为释压带并发生局部块体拉分，使得沙三段地层变厚。而走滑断裂的分段性，主要体现在由于断裂各位置活动强度不同，导致其两侧地层的形变程度及地层产状也不相同：活动强烈的位置，两侧地层下拉形态明显、地层产状及厚度差异显著；活动较弱的位置，地层产状相对平缓，断裂两侧差异不明显(图3-B)。受走滑断裂分段活动影响，弱活动带的端部位置限制了走滑位移量，导致走滑断裂旁侧地层由于位移量的差异而形成拉分-断陷效应[17]，从而造成郯庐断裂带西侧的EW向派生伸展断裂开始活动，形成走滑-伸展联控型洼陷。通过统计西侧EW向伴生伸展断裂的生长指数，发现其在沙三段沉积时期活动较为强烈、控沉积作用较为明显(图4-B)。因此，该阶段郯庐走滑断裂带的旋转极性改变及分段活动效应影响着派生伸展断裂的活动性，二者对研究区洼陷结构起到联合控制作用。

图3 不同阶段走滑-伸展断裂活动典型特征Fig.3 Typical features of strike-slip faults and extensional faults at different tectonic stages(A)不同演化阶段方差切片(从下至上依次为：伸展主控期、走滑-伸展分异期、走滑-伸展联控期、走滑强拉期); (B)不同演化阶段平衡剖面，剖面位置见左侧箭头线

图4 伸展断裂不同时期生长指数Fig.4 Growth index of extensional faults at different stages

2.4 走滑强拉阶段

该阶段主要存在于沙一、沙二段-东营组沉积时期。与前述阶段活动明显不同，该时期郯庐走滑断裂带呈整体穿透式的活动特点，其活动性较先前明显活跃。从过走滑断裂的剖面可以观察到，断裂两侧地层的产状变化明显，同时与走滑断裂所伴生的花状构造样式贯穿东营组始末。由于走滑带整体活动增强，解除了弱活动带端部的限制，使得旁侧地层的拉分效应减弱，西侧伴生的EW向伸展断裂活动逐渐衰减，控沉积作用不再明显。通过方差切片也能够观察到清晰的双轨走滑形态，以及较为发育的雁列状派生断裂展布形态(图3)。因此，该阶段随着走滑活动逐渐增强，走滑断裂对于研究区洼陷结构及沉降中心的控制占主导地位，而与其伴生的伸展断裂的控洼能力较为有限。

3 沉降中心时空演化特征

研究区古近纪控洼断裂的活动性，大体上遵循郯庐走滑断裂带活动逐渐增强，伸展断裂活动由强变弱这样的变化规律，而研究区的沉降中心及洼陷结构会随着控洼断裂的规律性变化而不断迁移、改变[18-19]。因此，结合前述不同阶段断裂活动的特点，可进一步厘清沉降中心的迁移规律及洼陷结构的演化特征。

伸展主控期(孔店组沉积时期)，研究区东侧伸展断裂活动强烈，郯庐走滑断裂带处于隐伏状态。由于伸展断裂的持续活动，为该时期的主要控洼断裂，此时研究区沉降中心主要位于东部，形成具有伸展断陷性质的东次洼。伸展-走滑分异期(沙四段沉积时期)，郯庐走滑断裂带由先期隐伏状态转变为初始活动，对洼陷结构起到一定的控制作用，在走滑带内部的释压带位置形成局部洼槽；东侧伸展断陷持续活动，先期形成的断陷型东次洼继承性发育。该时期受走滑与伸展断裂的分异控制，分别形成拉分型洼槽与断陷型次洼，沉降中心位于中-东部。走滑-伸展联控期(沙三段沉积时期)，郯庐走滑断裂带活动性逐渐增强，在走滑带内发育规模性次洼，但由于运动极性发生反转，使沉降中心逐渐向南转移；同时走滑断裂具有分段式活动特征，活动减弱的端部位置限制了走滑位移，对走滑西侧的EW向伴生伸展断裂形成拖拽效应，促使伸展断裂开始活动，此时走滑与派生伸展断裂对洼陷结构起到联合控制作用，于走滑带西侧形成具有拉分-断陷性质的近“L”形的西南次洼，沉降中心逐渐向中-西部转移。由于受东部胶辽隆起的隆升影响，先期形成的断陷型东次洼于该阶段遭受抬升剥蚀，洼陷结构遭到严重破坏，故东部不再是研究区的沉降中心。走滑强拉期(沙一、沙二段-东营组沉积时期)，郯庐走滑断裂带的活动更加强烈，呈整体穿透式特点，弱活动带端部对走滑位移的限制逐渐消失，使走滑断裂对旁侧地层的拖拽效应减弱，西侧的EW向派生伸展断裂活动逐渐萎缩，走滑-伸展的拉分-断陷效应逐渐消失，此阶段郯庐走滑断裂带成为研究区的主要控洼断裂，沉降中心稳定在走滑带内部，形成由走滑断裂主控的中南次洼，一定程度上继承了沙三段沉积时期的发育特征。

研究区古近纪的沉降中心迁移与演化大体呈如下规律：孔店组沉积时期的东部沉降中心→沙四段沉积时期中-东部多沉降中心→沙三段沉积时期中部-西南部沉降中心→东营组沉积时期中部偏南沉降中心，宏观上围绕走滑带往复迁移，大体上呈由东向西、由北向南的迁移规律，其实质上是对研究区郯庐走滑断裂活动逐渐增强、伸展断裂活动逐渐减弱这种构造应力场转换的一种响应[20-21]，与走滑和伸展断裂的活动规律密不可分(图5)。

4 优质烃源灶的确定

优质烃源灶的形成，需要2个条件：①物质基础。在主力烃源岩层发育时期，存在相对较厚的泥岩层，为烃源岩形成提供充足物质基础。盆地的沉降中心一般为盆地沉积过程中的最大厚度位置，埋深最大、有机质最为发育，大多以半深湖、深湖相为主，从而满足形成烃源灶的物质要求。②保存条件。在主力烃源岩层形成之后的盆地演化过程中，沉降中心的持续性、继承性发育，会促使烃源岩的埋藏深度不断增加、地层温度不断升高，进而达到生、排烃条件，为其成熟、保存提供稳定环境，最终形成优质烃源灶。因此，盆地的沉降中心一定程度上预示着优质烃源灶的发育位置[22-23]。结合前述沉降中心的迁移规律及演化特征，可进一步对优质烃源灶进行确定。

通过对研究区已钻井的古近系烃源岩样品进行分析，发现沙三段与沙四段2套烃源岩的有机地化指标相对较好。其中沙三段有机碳质量分数(wTOC)平均值约为2%，最高可达到8%；Ro平均值约为0.5%，最高可达1.3%；干酪根类型以Ⅰ型、Ⅱ1型为主。结合现有油样进行油源对比可以看出，原油色质谱呈现高伽马蜡烷、高硫特征，同时C35升藿烷存在“翘尾”现象，这些特征为研究区典型的沙四段原油特征；此外，还可见4-甲基甾烷呈中-高幅值状态，反映了研究区沙三段的原油特征(图6)。综合以上分析，认为研究区存在沙三段、沙四段2套优质烃源岩，原油主要来自这2个时期烃源岩的贡献[24-25]。

图5 古近纪沉降中心时空演化规律Fig.5 Spatio-temporal evolution of Paleogene subsiding center(A)不同演化阶段剖面特征(从下至上依次为：伸展主控期、走滑-伸展分异期、走滑-伸展联控期、走滑强拉期); (B)古近纪沉降中心演化模式

因此，在沙三、沙四段沉积时期，洼陷的沉降中心聚集了较为充足的有机质，为优质烃源岩的发育提供充足的物质基础。沙四段沉积时期，受郯庐走滑断裂带的初始运动以及东侧伸展断裂的持续活动，分别形成走滑带内小型拉分式中次洼与断陷型东次洼。该时期沉降中心位于中-东部，而东部由于受到伸展断裂活动的影响更为强烈，导致断陷型东次洼的发育更具规模。因此，研究区沙四段沉积时期在中-东部发育的次洼，具备形成优质烃源灶的物质条件。沙三段沉积时期，受郯庐走滑断裂带逐渐活跃且分段式活动的影响，走滑断裂带西侧的EW向伴生伸展断裂开始活动，此时郯庐走滑断裂带与西侧派生伸展断裂对洼陷结构起到联合控制作用，形成具有拉分-断陷性质的近“L”形西南次洼。该时期沉降中心逐渐由中-东部向中-西部转移；同时由于受东部胶辽隆起的影响，先期形成的断陷型东次洼遭受抬升破坏，在沙三段沉积时期及后续的构造演化过程中缺乏延续性。因此，研究区沙三段沉积时期在中-西部发育的近“L”形西南次洼，同样具备形成优质烃源灶的物质条件。

沙三段沉积之后的沙一、沙二段与东营组沉积时期，已不再属于研究区的主力烃源岩发育期，因此这一阶段洼陷的构造演化对于优质烃源灶发育的影响，更多体现在为沙三、沙四段等主力烃源岩发育期形成的优质烃源岩提供持续、稳定的保存条件[26]。沙一、沙二段-东营组沉积时期，郯庐走滑断裂带进一步强烈活动，呈整体穿透式活动特点，西侧的EW向派生伸展断裂活动减弱，走滑-伸展的拉分-断陷效应逐渐消失。此阶段郯庐走滑断裂带成为研究区的主要控洼断裂，使沉降中心稳定于走滑带内部，即研究区中部偏南位置，对于沙三段沉积时期形成的洼陷具有一定的继承性。因此，研究区沙一、沙二段-东营组沉积时期的沉降中心稳定在中南次洼，对于烃源岩的保存具有较好的帮助(图7)。

结合上述分析可以发现，庙西南洼古近纪受走滑与伸展断裂的影响，沉降中心发生规律性迁移，发育多个次级洼陷，具有多洼共存的特点。具体表现为：孔店组沉积时期的东部次洼→沙四段沉积时期中-东部次洼→沙三段沉积时期中部-西南部次洼→东营组沉积时期中南次洼，宏观上围绕走滑带往复迁移。这些洼陷中，沙三段沉积时期形成于郯庐走滑断裂带内的中南次洼，在烃源岩发育期具有充足的物质条件，在后期构造演化中具有持续、稳定的沉降中心，进而达到生、排烃条件，具有较好的保存条件，有利于优质烃源岩的成熟排烃，因此中南次洼为研究区的Ⅰ类优质烃源灶。同样形成于沙三段沉积时期、位于走滑带西南侧的近“L”形西南次洼，在烃源岩发育期也具有充足的物质条件；但由于后续洼陷演化中沉降中心向中部走滑带内迁移，导致该次洼在埋藏深度、地层温度等促进烃源岩成熟排烃的重要指标上受到一定程度影响，保存条件与中部次洼相比略逊一筹，因此西南次洼为研究区的Ⅱ类烃源灶。形成于沙四段沉积时期、位于走滑带东侧的断陷型东次洼，具备较好的物质基础；但由于自沙三段沉积时期始受胶辽隆起隆升的影响，导致洼陷结构受到破坏，烃源岩遭受抬升剥蚀，严重缺乏优质烃源岩发育所需的保存条件，难以达到生烃门限，故为研究区较差的Ⅲ类烃源灶(图8)。

图6 主力生烃层系油源对比Fig.6 Oil-source correlation of main hydrocarbon source rocks

图7 古近纪各时期洼陷平面分布图Fig.7 Plane distribution of Paleogene sub-sags at different stages

图8 优质烃源灶剖面结构特征Fig.8 Sectional structure features of quality hydrocarbon kitchen

5 结 论

a.研究区庙西南洼受郯庐走滑断裂带及其伴生的伸展断裂复合作用，控洼断裂的活动性质与强度存在变化，依据变化可划分为4个时期：伸展主控期，郯庐断裂带处于隐伏状态，其东侧伸展断裂较为活跃；伸展-走滑分异期，郯庐断裂带开始呈左旋运动，其东侧伸展断裂持续性活动；走滑-伸展联控期，郯庐断裂带以右旋活动为特点，同时其分段活动效应带动西侧派生伸展断裂拉张活动；走滑强拉期，郯庐断裂带活动性逐渐增强，占据构造活动的主导地位，与其伴生的伸展断裂活动性逐渐减弱。

b.研究区古近纪洼陷结构及沉降中心随着走滑-伸展断裂的规律变化而改变：孔店组沉积时期受东侧伸展断裂控制，为东部沉降中心；沙四段沉积时期受走滑-伸展断裂的分异控制，中-东部发育多沉降中心；沙三段沉积时期受走滑及其西侧派生伸展断裂联合控制，中部-西南部为沉降中心；东营组沉积时期走滑断裂占主导地位，伸展断裂逐渐萎缩，以中南部沉降中心为主。宏观上，沉降中心围绕走滑带往复迁移，呈由东向西、由北向南的迁移规律，实质上是对郯庐断裂带活动增强、伸展断裂逐渐减弱的应力场变化的一种响应。

c.庙西南洼被控洼断裂分隔为东次洼、中南次洼及西南次洼3个次级洼陷。位于郯庐走滑断裂带内的中南次洼，在烃源岩发育期具有充足的物质条件，后期构造演化中烃源岩保存完好，有利于成熟排烃，为研究区Ⅰ类优质烃源灶。位于走滑带西南侧的近“L”形西南次洼，在烃源岩发育期同样具有充足的物质条件；但由于后期演化中沉降中心向中部走滑带内迁移，保存条件与中南次洼相比略逊一筹，导致烃源岩生排烃受一定程度影响，为研究区Ⅱ类烃源灶。位于走滑带东侧的东次洼，具备较好的物质基础；但由于胶辽隆起隆升的影响，构造演化缺乏延续性，导致烃源岩遭受抬升剥蚀，缺失优质烃源岩发育所需的保存条件，为研究区较差的Ⅲ类烃源灶。