渤海湾盆地石臼坨东428 潜山构造成因解析:华北克拉通破坏的深度揭示

王 宇 , 徐春强, 郭玲莉 *, 刘永江 , 王光增 ,刘 博 , 李三忠 , 关庆彬 , 蒋立伟 , 陈昭旭 ,李法坤 , 周琦杰 , 袁菁莲

(1.深海圈层与地球系统前沿科学中心, 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 中国海洋大学 海洋高等研究院/海洋地球科学学院, 山东 青岛 2 66100; 2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛 266100; 3.中海石油(中国)有限公司 天津分公司, 天津 300452)

0 引 言

渤海湾盆地是一个发育于华北克拉通东部地块之上的由走滑-拉分作用形成的中、新生代叠合盆地(侯贵廷等, 2001; 李三忠等, 2010)。盆地经历了印支运动、燕山运动和喜山运动等多期构造变形的叠加改造, 具有非常丰富的油气资源。渤海湾油气已有较长时间的研究历史, 迄今对于新生界内的油气资源分布及储量评估有较清晰的认识, 其中, 渤海海域已发现油气藏主要集中在辽中凹陷、渤中凹陷、黄河口凹陷和歧口凹陷等富生烃凹陷内, 呈环带状分布(刘小平等, 2 009), 主要赋存于明化镇组、东营组、沙河街组等, 且以构造油气藏为主, 复合油气藏次之(王应斌等, 2 010)。近年来, 人们对于更深层次的基底潜山油气藏有了更高的关注度, 并取得一定的突破(杨池银和张一伟, 2003; 李军等, 2006; 夏庆龙, 2016, Wang et al., 2019a)。

渤海湾盆地西部石臼坨东端的428 构造南、北两侧分别被秦南凹陷和渤中凹陷所夹持(图1), 西侧为石臼坨凸起, 东侧被郯庐断裂分支控制, 面积约100 k m2, 印支期以来经历了多期构造事件的改造(于福生等, 2002; 周立宏等, 2003; 周静等, 2013; 刘子林等, 2017), 有着非常独特的构造、沉积演化历史和较大的勘探潜力。20 世纪七十年代在该构造区两个潜山顶部分别发现了428 构造东、西侧两个油田, 并在新生界中钻遇了较好的油气显示, 因此对该区新生界储油层的区域构造-沉积演化特征和成藏特征、规律及勘探潜力都有较为清晰的认识(石文龙等,2012; 张文凯等, 2015), 但是对研究区断裂构造的特征及其对潜山构造成因的控制作用研究比较薄弱, 对428 构造西部没有古生界而东部残留有古生界这一区别(图2)没有给出合理的解释。本文从428 构造的区域构造背景出发, 通过大量地震剖面的精细解析, 结合相干切片和其他相关资料的分析, 对该区域现有断裂特征进行了平面和剖面方向上的研究, 明确了428 构造东、西侧差异的原因, 并构建了其演化模式。

1 断裂展布样式及特点

428 构造介于秦南凹陷和渤中凹陷之间, 西部和石臼坨凸起相接, 两边宽, 中间窄, 两边高, 中间略低(图1)。428 构造区域断裂展布相对较复杂(傅强等, 2003; 周立宏等, 2003; 余一欣等, 2011; 石文龙等, 2012; 周静等, 2013), 其深部构造和浅层构造的展布及样式存在一定差异, 为查明研究区断裂期次及展布样式及特点, 本文从断裂的平面展布样式和剖面结构形态入手, 对潜山三维构造样式开展研究。

图1 渤海海域428 构造特征及其在渤海湾盆地中的构造位置(修改自张震等, 2019)Fig.1 Structural units around the 428 Buried Hill in the Bohai Bay and its tectonic location

1.1 断裂剖面形态

通过对秦皇岛29～35 工区内地震剖面进行精确地震解析可以发现, 研究区内新近系到古生界下的潜山内部均有断裂展布。剖面上, 断裂组合样式主要有斜交式、负花状构造、Y 字形构造、阶梯状、地堑和地垒等, 但在不同层位内断裂数量和展布形态各有差异(图2、3)。

研究区内普遍发育新生界, 断裂分布密集, 长短不一, 少数向下延伸至中生界、古生界甚至潜山内部, 断裂多成簇出现, 倾角较大, 多大于60°, 形成Y 字形构造和典型的花状构造(图2、4)。该类新生代断裂多为走滑性质的正断裂, 反映新生代期间强烈的走滑拉分作用。

在428 构造中, 中生代火山岩发育较广, 在428构造东、西两侧均有发育, 岩性多为安山岩或玄武岩等中基性火山岩。断裂都向潜山外侧倾斜, 多数为正断层, 控制中生代断陷的发育。断裂延伸长短不一, 倾角多小于60°, 多数向下可延伸至古生界,仅少量向下切入基底但延伸不远, 少数断裂控制了储层分布。

428 构造西侧顶部不存在古生界, 仅在428 构造东侧及其南北两侧残留有少量古生界(图2)。古生界内断裂很少, 且断裂多为从中生界或新生界延伸下来的, 倾向不一, 倾角多小于60°, 向南倾斜, 该类断裂可向下延伸至基底内部。

1.2 断裂平面组合型式

通过相干切片(图3a)可以看出, 在秦皇岛29～35研究区(图1)内, 断裂主要分布于秦南凹陷边界断裂附近和428 构造周缘, 总体呈E-W 向、NE 向和NEE向。这些断裂走向和新生代以来渤海的走滑-拉分构造格局一致(侯贵廷等, 1999; 宋鹰等, 2007; 吴庆勋等, 2018)。但是, 断裂走向、组合型式和规模由浅层到深层逐渐变化。

在浅层(图3a), 秦南凹陷边界十分清晰, 断裂主要呈E-W 向、NEE 及NE 向, 无NW 向断裂。断裂主要分布于秦南凹陷边缘及428 构造东南缘, 断裂组合型式为平行式、斜交式、辫状、扫帚装和马尾状(图3a)。根据其特征, 可分为两组: 一组受NE向基底走滑断裂控制, 次级断裂有向NE 向断裂收敛趋势, 指示右行走滑; 另一组次级断裂组合收敛为E-W 走向, 意味着受深部E-W 走向断裂控制。两组次级断裂收敛趋向的主断裂有共轭剪切断裂特点,总体指示NNW 或NW 向区域拉张背景, 相对于E-W 向主断裂, NE 向主断裂有非常明显的右旋左阶特征, 且具主导作用, 这和新生代期间渤海湾盆地整体处于右旋张扭的构造背景相一致。断裂大小200 m到3 km 不等; 逐渐向深层(图3b)拓展至秦南凹陷的边界断裂模糊, 但仍有E-W 向、NEE 及NE 向的断裂, 其组合样式和浅层断裂组合类似, 也呈马尾状及扫帚状展布。

图2 428 构造地震剖面结构特征(剖面位置见图1)Fig.2 Seismic profile showing structural characteristics of the 428 Buried Hill

图3 428 构造及周缘断裂组合(黄色框区为研究区)Fig.3 Fault pattern of the 428 Buried Hill and its surrounding areas

在428 构造内部, 尤其是其东部及东北部, 密集分布着规模不一的NE 向和NEE 向断裂, 部分断裂可达2 km, 其中延续性的NE 向断裂可能对428 构造东、西两侧地层展布差异形成有重要的控制作用。

1.3 断裂类型划分

结合前人研究成果(丁培民, 19 88; 孙永河等,2008; 朱伟林等, 2 009; 王冠民等, 2016), 综合428构造附近断裂性质、产状、活动时间及展布等, 将研究区内的断裂分为以下四种类型:

(1) 次生正断型: 大多数位于古近纪张扭主走滑断裂附近, 主断裂在新近纪仍有活动, 次生正断层主要形成于喜山晚期的构造运动, 规模较小, 部分与基底断裂相连, 是张扭型断裂或压扭型断裂的持续发展。断裂倾角较大, 延伸短, 数量多, 成群出现。剖面上可形成典型的花状构造, 在研究区内多数为负花状构造, 平面上可成雁列状、马尾状组合样式, 随机分布。这类断裂对油气的运移可起到一定的分流作用, 同时, 也有可能形成可储集油气的鼻状构造。

(2) 张扭型: 主要因古近纪伸展作用而产生,只经历喜山早期构造运动, 产状不规则, 形成后仅在较短的一段时间内活动, 之后便不再活动甚至消亡。该类断裂部分可下切至中生界, 极少向上切割到新近系; 剖面上分布不均、成带分布, 在局部区域对油气运移可起到疏导作用。

(3) 压扭型: 受中生代挤压应力到新生代走滑拉分应力影响, 该类断裂活动强度大, 活动时间长。中生代产生的断裂在新生代重新活化, 并且与新生代断裂相结合, 延伸较深, 可从新近系向下延伸至古生界甚至潜山底部。该类断裂在新生界较陡, 向下延伸控制了潜山边界, 并逐渐变缓, 多为控制凸起的边缘断裂, 对区域构造的演化起到控制作用,且对深部油气的运移非常有利, 因此在断裂周缘可见储层条件较好的油气田(图1)。

(4) 逆冲-改造型: 受印支期挤压应力作用及中-新生代压扭、张扭作用, 该类断裂活动强度大, 活动时间长, 逆冲型断裂在后期受到新应力场的叠加改造, 即经历了印支期、燕山期和喜山期等多期变形,变形历史相对较复杂, 且受区域构造演化的控制。这类断裂对油气的垂向输导非常有利, 断裂两侧同样可见储层条件较好的油气田。

1.4 断裂期次划分

按照断裂产生的先后顺序及对应的构造应力期次, 研究区断裂分为印支期、燕山期和喜山期三期断裂构造。

印支期断裂: 由华北板块、华南板块碰撞时的挤压应力产生, 多呈E-W 向展布。印支期断裂为逆冲断层, 多单独出现, 后期最多经三次反转。古生界中断裂后期可向下或向上延展, 有部分断裂可上延至新生界。断裂上盘的古生界明显减少甚至剥蚀殆尽, 典型断裂为石南1 断裂(图4、5)。印支期断裂对研究区的形态起到了控制定型作用, 并控制了研究区古生界的分布。印支期E-W 向逆冲断裂的产生,使得研究区也整体为E-W 向构造, 后期的改造都是在此基础上进行。

燕山期断裂: 由太平洋板块以不同方向和速度向欧亚板块俯冲产生的压扭应力及地幔上涌产生的拉张应力产生, 断裂展布方向不定, 产状不一, 部分可向下切入基底或向上延伸, 少量只存在于中生界。断裂可三五成组出现, 成组出现的断裂产状、大小相近(图2、5), 后期最多经历两次反转。断裂上盘中生界部分剥蚀, 多数地区仍残留厚度不等的中生界, 在印支期断裂的基础上, 燕山期断裂对研究区构造体系起到重要的改造作用, 部分可成为油气运移的通道。

喜山期断裂: 为太平洋板块俯冲后撤的拉张应力的结果, 断裂展布方向不定, 倾角多数较大, 倾向不一, 多成组出现, 剖面上组成典型的Y 字形构造和花状构造, 平面上可形成雁列状或马尾状(图3),多数只存在于新生界且延伸较浅, 部分与先存断裂相连接形成较大断裂。由于多数喜山期断裂没有下延至新生界以下, 故而喜山期断裂对研究区只有轻微的改造作用。

2 428 构造成因及演化史

2.1 区域构造演化背景

中生代之前, 渤海和华北地区的演化过程基本一致, 但由于渤海特殊构造位置, 使其成为了整个华北克拉通破坏最强烈的场所(Hou and Hari, 2014)。古元古代以来, 吕梁运动使渤海进入了稳定地台发展阶段; 早寒武世-中奥陶世期间渤海北部仍处于隆升剥蚀阶段, 其余地区则开始接受下寒武统-中奥陶统碳酸盐相沉积, 奥陶纪末期加里东运动第二幕使整个华北地台处于隆升剥蚀阶段, 致使渤海海域内缺失晚奥陶世-早石炭世的沉积建造(丁培民,1988; 侯贵廷等, 199 9; 朱伟林等, 2 009; 张震等,2019); 中石炭世开始, 渤海区域整体下降, 接受海陆交互相沉积; 二叠纪时部分地区接受陆相含煤建造沉积; 二叠纪之后, 受印支运动影响, 渤海海域内大面积缺失三叠系。总的来说, 渤海海域中元古代-古生代以E-W 向构造为主, 也奠定了本区域从南向北隆坳起伏的格局。三叠纪晚期, 华南板块和华北板块碰撞使渤海湾地区S-N 向挤压作用强烈,形成了一系列E-W 向、向南倾的逆冲断裂, 这些大断裂与渤西地区E-W 向的隆坳格局关系密切, 并在后期对凸起(潜山)的演化起到约束作用; 侏罗纪-白垩纪, 受燕山运动影响, 华北板块东部地区经历挤压-拉张-挤压旋回, 并伴有强烈的火山岩浆作用(李三忠等, 2 010), 太平洋板块向亚欧板块高角度俯冲使渤海处于左旋剪切应力场下(侯贵廷等, 1998; Cao et al., 2015; 张健, 201 5; 胡贺伟等, 20 16), 此时渤海区域经历剥蚀-沉积-剥蚀的旋回, 燕山期形成的断裂对原有潜山的演化起到重要的改造作用, 部分断裂为油气运移的重要通道。燕山早期为NE 向压扭阶段, 这一阶段产生的断裂多使原有E-W 向凸起(潜山)发生剪切变形; 燕山中期为伸展断陷阶段,该阶段产生的断裂对现存中生界沉积起到了重要的控制作用; 燕山晚期为压扭阶段, 该阶段产生的断裂对潜山顶地层剥蚀起到了重要的控制作用。新生代以来, 受太平洋板块向欧亚板块低角度俯冲的影响, 渤海海域处于右旋剪切应力场中(侯贵廷等,1998; 张健, 2015; 胡贺伟等, 201 6), 在这个阶段渤海内潜山构造已经没有大的变形, 此时产生的断裂一般较小较浅, 多存在与新生界内, 深部的断裂对储油构造起到优化改良的作用。

2.2 428 构造演化模式

前人对428 构造烃源岩的地球化学特征、油气藏成藏规律进行了系统总结(石文龙等, 20 12; 张文凯等, 201 3), 结合区域构造背景对研究区的演化史也进行了一定的推测, 但是并没有给出具体的证据(张震等, 201 9)。为此, 本次通过对研究区剖面构造特征进行分析, 试图推出各期构造应力场特征。

综合428 构造潜山顶的断裂展布特征可以发现,在东、西潜山之间鞍部地带有一条延伸较长的NEE向断裂, 倾向NW, 并向下切穿到基底很深的部位,在深处可能与石北2 号断裂相交, 这条断裂在剖面上也有非常好的显示(图4), 指示其在中生代时就已经存在, 后期虽经改造, 但仍有迹可循, 为一条典型的继承-改造型断裂, 因此推测该NEE 向大断裂是造成428 构造东西沉差异的主要原因。

印支期前各个阶段构造运动以整体垂直升降为主, 产生断裂本身较少、构造相对较简单, 且由于构造现象多已经改变或消失, 难以寻找相关证据。由于研究区处于渤海湾盆地内, 其加里东期、华力西期的构造演化应遵循区域大地构造背景, 与整个华北克拉通演化相近, 故在此不再赘述。

图4 428 构造鞍部NEE 向断裂剖面花状构造组合形态Fig.4 NEE-tr ending flower-like fault across the saddle of the 428 Buried Hill

(1) 印支期

印支期, 由于华南板块与华北板块剪刀式的闭合, 导致整个渤海处于强烈的近S-N 向挤压环境中,此时428 构造上隆形成了近E-W 向的褶皱, 428 构造、石臼坨凸起、沙垒田凸起等共同构成了渤海湾盆地核部一个大型近E-W 向隆起。该隆起核部出露太古界, 直接被古近系覆盖, 基底两侧的古生界对称分布, 说明为印支期E-W 走向的背斜构造。后期燕山运动、喜山运动对研究区的改造是建立在E-W轴向的基本格局之上。随着印支晚期华北板块与华南板块进一步挤压, 研究区南侧出现大型E-W 向逆冲断裂, 即现已反转为正断层的石南1 断裂(图1、4)。伴随着挤压的进行, 断裂上盘部分古生代地层被剥蚀(图6a), 此时428 构造东、西潜山差异不大。

(2) 燕山早期

燕山早期(J1～J2), 由于古太平洋板块对欧亚板块前进式高角度俯冲作用(Li et al., 2019), 郯庐断裂系统发生强烈的左旋剪切, 整个渤海处于左旋压扭的应力场中。受压扭应力的影响, 研究区在隆升的同时, 428 构造东、西侧之间形成了一条NE 向的左旋走滑压扭断层。断层上盘的428 构造西侧遭受严重的剥蚀, 古生界完全被剥蚀; 而428 构造东侧虽处于挤压环境, 但由于处于断裂的下盘, 剥蚀量相对较少, 最终保存了少量的古生界。此时428 构造的东、西差异已经显现出来(图 6b), 研究区处于NW-SE 向挤压应力场, 这一观点与周立宏等(2003)、金宠(2007)、Cao et al. (2015)等相一致。在南北向的地震剖面(图5a)上, 断层上盘古生界从北向南加厚,与断层接触地带的古生界减薄明显, 且古生界与中生界呈明显角度不整合接触, 指示此处发生过地层隆升削截; 削截后断层发生负反转导致残余古生界顺断层下滑, 反映了古生界沿基底面逆断层抬升后剥蚀再下降的过程, 而最终的抬升过程为印支期和燕山早期共同作用的结果。

(3) 燕山中期

燕山中期(J3～K12), 古太平洋板块向欧亚板块俯冲可能引发了地幔底辟上涌, 导致渤海湾盆地处于区域持续挤压环境下, 走滑断层围限的三角形块体逃逸挤出, 进而导致三角楔块体后缘处于局部伸展环境(宋鹰等, 2007; 李三忠等, 2010; Li et al., 2013 ;张震等, 2019), 因此研究区整体处于近S-N 向的水平拉张环境中。先存的印支期及燕山早期近E-W 走向逆冲断裂在局部伸展环境中发生负反转, 并产生一系列新的伸展断陷, 此时428 构造东、西两侧同时接受中生代火山沉积建造(图6c), 且428 构造西侧附近还发生岩浆侵入事件(张震等, 2019)。该时期研究区处于局部伸展应力场中, 其他学者从A 型花岗岩的展布状态、郯庐断裂大规模左行平移及其他区域负反转等特征也证实了此时渤海湾盆地局部拉伸断陷格局(丁培民, 1988; 金宠, 2007; 樊瑞等, 2011; 周静等, 2013)。

图5 燕山中期负反转(a)及燕山末期挤压剥蚀(b)Fig.5 Middle Yanshanian negative inversion (a) and Late Yanshanian extrusion and denudation (b)

图6 428 构造演化模式Fig.6 Structural evolutionary model of the Shijiutuo East 428 Buried Hill

(4) 燕山晚期

燕山晚期(K2), 由于古太平洋板块近E-W 向低角度俯冲到欧亚板块之下, 导致郯庐断裂由左旋剪切过渡为右旋剪切, 从此渤海湾盆地也处于右旋压扭的大地构造应力场中(漆家福, 2003), 研究区则处于NE-SW 向局部伸展应力场下。此时428 构造两侧同时发生中生界剥蚀, 由于燕山中期428 构造鞍部断裂的负反转, 西侧较东侧沉积了更多的中生界,故经历剥蚀后, 石臼坨东428 西潜山顶的中生界要厚于428 构造东侧顶部(图6c), 此时, 4 28 构造东、西两侧的差异已完全显现出来。从地震剖面(图5b)上看, 中生界岩体之上的残余中生界与上部新生界在不同部位都呈明显角度不整合接触, 即反映在燕山晚期块体掀斜隆升剥蚀的历史。

(5) 喜山期

进入新生代, 渤海湾盆地整体处于右旋拉张的大地构造背景中, 428 构造已经无显著的构造变动,断裂组合为右行右阶组合, 走滑拉分控制了新生界沉积分布(图6d), 潜山内幕逆冲断裂和反转的正断层大都发生深埋藏, 部分与新生断裂相连接形成较大的断裂活化, 控制了新生界沉积。特别是新近纪后受太平洋板块俯冲地幔楔冷却的影响, 渤海湾盆地整体进入拗陷热沉降阶段。

此外, 通过研究区构造演化分析和周边地区对比可以发现, 研究区演化阶段与渤海湾盆地内大多古潜山的演化过程具很强的一致性(谭明友等, 2002;周心怀等, 2015; Cheng et al., 2018; 吴庆勋等, 2018;张津宁等, 2 019), 同时, 也是整个渤海湾盆地形成演化的局部反映(侯贵廷等, 2001; 李三忠等, 2010)。印支期-喜山期, 从华北克拉通破坏对研究区深部构造的影响, 到古太平洋板块以不同角度、不同速度向欧亚板块俯冲, 到新生代俯冲减慢、地幔楔冷却导致渤海海域大面积拗陷, 在研究区都有一定程度的体现(Wang et al., 2019b)。特别是, 燕山期古太平洋板块向欧亚板块的俯冲过程, 对研究区构造格架的形成起到了决定性作用, 使得研究区一直处于张扭或者压扭的构造环境中, 这是428 构造东、西两侧出现沉积差异的根本原因。

3 结 论

通过对428 构造研究, 得出以下几点新认识:

(1) 研究区断裂平面组合形式有平行式、斜交式、辫状、扫帚状和马尾状等, 剖面组合样式有斜交式、负花状构造、Y 字形构造、阶梯状、地堑和地垒等。

(2) 综合428 构造附近断裂性质、产状、活动时间及展布, 可将研究区断裂分为次生正断型、张扭型、压扭型和逆冲-改造型。

(3) 4 28 构造主要经历五期构造运动, 即: 印支期S-N 向强烈逆冲挤压, 形成428 构造 E-W 走向褶皱-逆冲构造格架; 燕山早期NW-SE 向挤压作用,形成428 构造鞍部NE 向断裂, 同时, 428 构造西侧古生界被剥蚀, 东侧则保留部分古生界, 428 构造东、西两侧差异显现; 燕山中期近E-W 向区域挤压诱发了局部伸展断陷作用, 研究区发育中生界火山建造; 燕山中晚期NW-SE 向张扭作用, 428 构造西侧沉积更厚的中生界, 使东、西两侧的差异进一步增强;喜山期的走滑-拉分断陷, 导致428 构造顶部接受巨厚的新生界沉积, 深埋形成了现今构造面貌。