渤海湾盆地东营凹陷南斜坡断裂趋势带形成机制与控藏作用

安邦，李宝刚，王伟锋，沈跃，孙艺飞，历鑫

中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东青岛，266580

内容提要:断裂趋势带是指盆地基底断裂继承性活动或盖层受到剪切作用影响而产生在盖层中的弱变形构造带，是主断裂面形成前的变形程度较弱的构造带。研究发现，东营凹陷南斜坡王家岗和八面河断裂趋势带是由一系列雁列式排列小断层带组成的，具有上宽下窄，下部收敛于主走滑断裂的特点。由于浅层没有主断层显现，故也称这种构造带为隐性断裂带，其形成机制和变形程度不同，发育的圈闭数量、圈闭性质等特征不同，富集油气的能力也有差异。构造物理模拟实验表明，王家岗和八面河断裂趋势带都形成于基底断裂走滑—伸展双重作用，前者走滑—伸展运动方向夹角为40°～50°，后者夹角为20°左右。前者处于断裂带发育的幼年期，变形程度较弱，趋势带宽度小，断裂密度小；后者处于断裂带发育的青年期，变形程度强，趋势带宽度大，断裂密度大，形成与断裂相关的圈闭数量多，油气聚集能力高于前者。根据断裂趋势带演化阶段、发育特征和源藏匹配关系，认为断裂趋势带变形强度是控制油气富集程度的关键因素。王家岗断裂趋势带成藏模式为“幼年期弱变形—单洼供烃成藏模式”，八面河断裂趋势带成藏模式为“青年期强变形—双洼供烃成藏模式”。

断裂趋势带也称为隐性断裂带，是指断裂带形成早期主断面出现之前由一系列次级构造按一定规律排列构成的构造带，它是受基底断裂继承性活动或受区域剪切作用影响在盆地盖层中产生的弱变形构造带，属于断裂形成演化初、中期阶段的产物，没有明显的断裂面。盆地中断裂趋势带一般由相间或断续分布的裂缝密集区、小断层、小断块、小褶皱、洼陷、凸起等次级构造构成，平面样式有平行带状、侧列带状、雁列带状、串珠带状等。随着基底断裂活动或区域剪切作用增强，这些次级构造变形程度逐渐加剧最终可以演化成具有主断面贯通并发生错动的显性断裂。盆地中线状或串珠状分布的泉眼、油气出露点、沉积体、火山岩体、油气藏等地质体可作为识别断裂趋势带(隐性断裂带)的标志之一。

随着断裂趋势带概念的提出，相关学者做了积极的探索研究工作，发现断裂趋势带在沉积盆地中大量存在，而且其形成与演化过程对油气运聚具有重要的控制作用(汪泽成等，2005；胡素云等，2006；王伟锋等，2014，2017；周维维等，2014a，b，2016；Jiang Shuai et al.,2018；徐兴雨等，2020)。苏北盆地金湖凹陷的断裂趋势带表现为呈雁列式展布的近EW向或NEE向张性正断层之间有小断层沿着一定走向断续相连，这些断裂趋势带同时也构成了NE、NW和近SN向的油藏带(王伟锋等，2014；马洪坤等，2015)。渤海湾盆地不同级别的断裂趋势带控制了盆地的构造格局，使沉积相砂体和隐蔽圈闭呈带状展布，并改善了储层物性，控制了输导体系的形成(周维维等，2014a，b;于英华等，2021；刘鹏等，2021)。歧口凹陷存在基底断裂走滑型断裂趋势带，具有南北分段分布特征，控制了盖层中储层和隐蔽性圈闭的发育与分布(周维维等，2016；Jiang Shuai et al.,2018)。鄂尔多斯盆地发育多组断裂趋势带，控制着砂体的展布，改善储集物性和油气输导能力，进而影响着油气聚集成藏(徐兴雨等，2020；刘永涛等，2020)。四川盆地川中地区NW向的气藏带受一系列断续分布的小断层和低幅度构造控制，并且这些隐蔽性构造的分布与基底断裂相对应(汪泽成等，2005)。王伟锋等(2017)系统总结了沉积盆地断裂趋势带的识别方法、分类特征以及控藏作用，阐述了其研究进展并指出形成机制的相关研究有待加强。

渤海湾盆地济阳拗陷东营凹陷南斜坡存在的王家岗和八面河构造带，实际上是两条北东向基底断裂在剪切作用下形成的断裂趋势带(沈跃，2016；王伟锋等，2017)。但对于这两条断裂趋势带的形成机制的差异、演化阶段及其控藏作用等尚需深入研究。笔者等通过对比分析两条断裂趋势带的构造变形特征，结合构造物理模拟实验，分析其变形特点、发育演化阶段、形成机制的差异性等，有助于完善断裂趋势带识别标志和特征的研究，也有利于其控藏作用的探讨。

1 地质概况

东营凹陷是渤海湾盆地济阳坳陷东南部的一个次级构造单元，是受基底断裂控制的箕状断陷(叶兴树等，2006；王迪等，2018)，具有丰富的油气聚集(孙倩，2021)。该凹陷是在NE、NNE向基底断裂伸展—走滑活动下形成的，自始新世孔店时期开始，持续至上新世明化镇时期，早期活动强烈，后期断续活动且活动强度变弱。基底断裂活动在盖层中产生了大量的断层，其中包括了一系列变形程度较弱的断裂趋势带，如东营凹陷南斜坡发育的两条北东向展布的构造带即为典型的断裂趋势带，特征是油气藏表现为雁列状、串珠状成带分布，构造成分主要是直线状或弧形小断层呈雁列式分布(图1)。这些小断层产生的沟槽控制了砂体的沉积，造成沙四上亚段(始新统沙河街组四段上亚段)的滩坝砂体在该区沿着北东向沟槽带状分布(杨勇强等，2011)，形成串珠状分布的断层—岩性圈闭。根据地球物理资料(沈跃，2016)分析发现王家岗和八面河地区存在北东向的基底断裂，证实这些弱变形构造带是基底断裂继承性活动在浅层产生的地质响应产物。

图1 渤海湾盆地济阳拗陷东营凹陷构造单元和油藏分布图 Fig.1 Structural units and reservoir distribution in Dongying Sag,Jiyang Depression,Bohai Bay Basin

2 断裂趋势带特征

王家岗断裂趋势带由一系列EW—NE向弧形断层和反“S”形断层断续排列而组成(图2)。小断层数量较多，大多数呈近雁列式排列，少数呈侧接式分布，与断裂趋势带走向近于平行或小角度相交。以弧形弯曲为主要特点的弧形小断层和反“S”形小断层，有利于发育断鼻构造。地震剖面上，地层厚度向东南向减薄，地层倾角20°左右，趋势带特征具有分段性：南段呈叉戟形，局部屋脊状特征明显，沙三段底断距最大可达170 m(据时深转换关系D=-92.45+0.7574×T-0.00020049×T2，T和D皆取负值)；中段为树形，断裂复杂化，局部具有明显的叠瓦状构造，断距最大可达150 m；北段以鹿角形为主，正断层特征更加突出，沙一段底断距最大可达190 m。断裂带中部较两端结构更复杂，整体表现为花状或似花状构造，反映出走滑—伸展运动的构造变形特征。盖层小断层带上宽(约6 km)下窄(约2 km)、断层产状上缓(倾角70°～75°)下陡(倾角近90°)，向深部收敛于基底断裂(图3a)。

图2 渤海湾盆地东营凹陷王家岗断裂趋势带和八面河断裂趋势带不同时期主要活动断裂分布图(绿色为王家岗断裂趋势带，紫色为八面河断裂趋势带)Fig.2 Distribution map of main active faults in different periods of Wangjiagang and Bamianhe covert fault zone in Dongying Sag,Bohai Bay Basin (green lines show Wangjiangang covert fault zone,purple lines show Bamianhe covert fault zone)

八面河地区在孔店组—沙四下亚段沉积之后地层变形较强烈，走滑—伸展作用形成了主断面贯通的一条显性断裂，两侧派生了雁列式、平行式的平直小断层(图2a，b)。之后，该断层活动减弱，在沙四上亚段—沙三段表现为断裂趋势带，趋势带宽度大，断层密度大，由一系列近EW向和NEE向的小型正断层组成，呈左列右行雁列式分布(图2c，d)，与断裂趋势带走向呈50°左右夹角。地震剖面上，小断层带呈由多级“Y”字形组成的包心菜状构造，少数为阶梯状、叉戟状，最大断距可达175 m，表现出上宽(约8 km)下窄(约2.5 km)、向下收敛的特点。断层以南倾为主，倾角较陡(约为75°)，地层厚度向东南方向明显减薄，部分地层厚度减少量可达800 m，地层倾角最大可达30°，发育了一系列屋脊状断块、反向断块和断鼻构造，形成了油气聚集成藏的有利场所(图3b)。此外，八面河断裂趋势带走滑程度更强，断层走滑量更大(陈兴鹏等，2019)，根据数学关系，走滑量可表示为古落差与断面视倾角的余切、断层走向与拉张方向夹角的正弦3个参数的乘积(王东晔，2021)，在断层倾角和断距大致相等的前提下，断层走向与拉张方向夹角是一个重要的变量，影响着断层走滑程度的大小。

王家岗和八面河断裂趋势带的构造变形特征均反映出走滑—伸展双重作用的特点，相关研究也支持这一认识(徐义卫，2005；倪金龙等，2006；宋国奇等，2013；陈云锋，2014)，但两者之间也存在差异，王家岗断裂趋势带的雁列式断层大部分呈弧形或反“S”形，与断裂趋势带走向呈小角度夹角或近平行，平面上小断层成雁列式、侧接式排列，剖面上以花状构造或似花状构造为主(图4)，且在孔店组—沙河街组四段，没有形成统一断裂面的主断裂；八面河断裂趋势带上的雁列式小断层较为平直，与断裂趋势带走向呈50°左右夹角相交，平面上成雁列式、斜交式排列，剖面上以卷心菜状构造为主(图4)，且在孔店组—沙四下亚段存在一条显性主断裂，上覆地层主断裂解体消失。下部靠近基底断裂处变形较强，已发育成显性断裂，上部变形较弱属于断裂趋势带，说明八面河断裂趋势带演化程度更高。

图4 渤海湾盆地东营凹陷王家岗和八面河断裂趋势带平面和剖面构造样式Fig.4 Plane and sectional structural styles of covet fault zone in Dongying Sag,Bohai Bay Basin

3 断裂趋势带的形成机制

为了分析王家岗和八面河断裂趋势带形成机制之间的差别，研究它们各自发生走滑—伸展运动方向的夹角α(伸展运动与走滑运动在水平方向上的夹角)大小与变形特点的差异，本文设计了基底断裂以不同方向夹角α发生伸展—走滑运动的构造物理模拟实验，将实验结果与王家岗和八面河断裂趋势带的构造变形特征进行比较分析，为探究其形成机制提供形象直观的佐证。

在构造物理模拟实验中，选取石英砂(直径500 μm、密度1.3 g/cm3)、高岭土(直径5 μm)和水的混合材料作为盖层模拟材料，将石英砂和高岭土按照13：7的比例混合，水按照18%含水率(水的质量与混合材料总质量百分比)进行添加，并搅拌均匀，封存静置48 h以上以形成稳定的力学性质。如图5a所示，实验装置长46 cm，宽33 cm，底部设置一倾角为45°的先存平直的基底断裂。将盖层材料分层先后均匀铺设在模型底板之上，铺设一层并压实一层，盖层总厚度为2 cm。为了便于观察变形现象，盖层表面平行等间距标记2.5 cm×2.5 cm的正方形格框。实验过程中，以一定的角度和距离匀速移动活动盘，总位移距离4.0 cm，模拟伸展—右旋走滑运动，伸展与走滑同时进行，本次研究设计了六组不同角度α(10°、20°、30°、40°、50°、60°)进行伸展—走滑运动模拟实验(图5b)，不同角度α反映不同走滑位移和伸展位移的配置关系，当α小于45°，以走滑位移为主；α大于45°，以伸展位移为主。

图5 构造物理模拟实验模型和方案(a：实验装置模型图；b：不同角度α与走滑量和拉张量的对应关系)Fig.5 The model and scheme of the structural physical simulation experiment(a:the model diagram of experimental device;b:the corresponding relationships between different angles α and strike-slip and tension tensor)

实验结果如图6所示，基底断裂伸展—走滑运动可在盖层中形成雁列式排列的裂缝(小断裂)带，并且裂缝(小断裂)沿着基底断裂走向分布。基底断裂伸展—走滑运动方向夹角α小于30°会在盖层中产生雁列式分布的平直裂缝(小断裂)带，走向与基底断裂走向之间的夹角β为50°左右，也形成少量β夹角的裂缝(图6a)；方向夹角α为30°～50°时，裂缝(小断层)端部发生弯曲，形成呈弧形或反“S”型的裂缝(小断裂)带，夹角β减小；当方向夹角α达到60°时，裂缝(小断裂)的雁列特征不再明显，夹角β小于10°，主要形成平行于基底断裂的张性裂缝。可以发现，随着方向夹角α变大，走滑位移减小，伸展位移增加，裂缝(小断裂)由平直变为弧形或反“S”型，夹角β逐渐变小并近于平行，裂缝雁列式排列特征减弱。

图6 基底断裂不同伸展—走滑运动方向夹角下的盖层变形构造样式Fig.6 Structural styles of basement faults under extensional-strike slip movement at different angles左边为实验结果；右边为素描图the experimental results on the left;sketches on the right

将上文的实验结果与凹陷南斜坡的断裂趋势带特征进行对比，可以发现王家岗和八面河断裂趋势带均形成于基底断裂伸展—走滑运动的叠合作用下，不同之处是王家岗断裂趋势带伸展—走滑运动方向夹角α为40°～50°；八面河断裂趋势伸展—走滑运动方向夹角α为20°左右，表现出强走滑弱伸展的特点，走滑作用强于王家岗断裂趋势带。

研究区断裂趋势带的形成受基底断裂北东向剪切作用的影响。古近纪孔店晚期，在板块运动、郯庐大断裂和深部构造共同影响下，研究区基底断裂处于NNE、NE向伸展—走滑构造作用下(宗国洪等，1999；张克鑫等，2005；沈跃，2016)，其中八面河地区离郯庐断裂更近，受其影响更大，以走滑运动为主。基底断裂走滑作用下断裂趋势带形成的力学机制，可借助走滑及其派生构造理论进行分析(王伟锋等，2017)。在简单剪切模式中，早期出现R剪切破裂，之后形成P剪切和Y剪切破裂，最终形成贯穿的剪切走滑带(Sylvester，1988；徐嘉炜，1995；肖阳等，2017)，而断裂趋势带形成于简单剪切早期，主位移带形成之前(图7a、a，)。与简单剪切模式相比，在张剪模式中，叠加的引张应力会增加应变椭球体伸展应变方向(E)上的力，同时引起派生构造样式发生旋转，R剪切和张裂缝与主走滑带夹角变小(Sanderson and Marchini,1984；王义天等，1999)，或者形成R剪切和垂直于伸展方向的张性正断层(陈兴鹏等，2019)(图7b、b，)。在物理模拟实验中，当伸展—走滑运动方向夹角α较小时，断裂趋势带的特征与简单剪切模式下趋势带特征相似，出现R剪切裂缝沿着基底断裂走向传播，发育少量T破裂。随着夹角α的增大，引张应力变大，断裂趋势带出现了由张性裂缝与R剪切裂缝共同形成弧形裂缝或反“S”裂缝，这些裂缝沿着基底断裂分布，与基底断裂走向夹角逐渐变小。当伸展—走滑运动方向夹角α继续增大超过45°时，以引张应力为主，此时主要发育与先存基底断裂平行的张性裂缝，并发育少量R剪切裂缝。

图7 断裂趋势带形成演化的力学机制模式图(a—a′：简单剪切模式中断裂趋势带应变椭球体及其派生构造；b—b′：张剪模式中断裂趋势带应变椭球体及其派生构造图)Fig.7 Mechanism of formation and evolution in covert fault zone (a—a′:the strain ellipsoid and its derived structure of simple shear mode in covert fault zone;the strain ellipsoid and its derived structure of tension shear mode in covert fault zone)

4 断裂趋势带的控藏作用

组成断裂趋势带的小断层与小断块、鼻状构造、砂体等组合形成断块、断鼻、构造—岩性等圈闭发育区，为油气聚集提供了场所，小断层的切割和活动使趋势带内的储层储集物性得到改善，小断层与砂体组合形成断—砂油气运移通道，因此，断裂趋势带是油气运移聚集的优势区域(王伟锋等，2017)。断裂趋势带的演化程度越高，变形强度越大，其发育的圈闭数量、圈闭规模、储层渗透性越好，油气聚集能力也就越强。断裂趋势带演化过程中，从小断层开始出现到主断面贯通，变形程度逐渐增大，可分为5个演化阶段即胚胎期、幼年期、青年期、壮年期、老年期(姜帅，2019)。

如前所述，王家岗和八面河断裂趋势带的形成机制和演化程度不同，它们的油气聚集能力也有差异。王家岗断裂趋势带在基底断裂伸展—走滑运动背景下形成，处于断裂带发育的幼年期，未形成主断面，以裂缝带为主，变形强度较弱，趋势带宽度较小，断裂密度小，圈闭主要发育于孔店组和沙河街组四段、三段，以断鼻、断块和断层—岩性圈闭等为主。孔店组沉积时期，是断裂主要发育形成期，已发现至少15个断鼻圈闭(宋国奇等，2013)。沙河街组为主要的含油气层段，沙四段储集体以滩坝砂质沉积为主，沙三段沉积时期，河流相沉积分布较广，储集体以冲积扇、三角洲砂体为主(赵琪，2017)，深部酸性流体沿着断裂趋势带进入砂体内部，溶蚀长石，形成次生孔隙(张永旺等，2021)，改善储层物性。油气沿着以断层—不整合—砂体为主的输导体系进行运移(图8a)，趋势带的断层具有良好的垂向油气输导能力，因此可形成距排烃源岩垂向距离较大的多层叠置的油气藏，油气藏含油高度约200 m，主要位于沙四段和沙三段，部分位于孔店组，展布范围受断裂控制，横向上距离可达500 m。八面河断裂趋势带在基底断裂以走滑运动为主的背景下形成，处于断裂带发育的青年期，变形程度高，趋势带宽度大，断裂密度大，内部变形更加复杂。这一时期小断层(裂缝)的规模变大，主断面断续出现，局部贯通。八面河趋势带内储集层主要为沙四段和沙三段。沙四段沉积期，断裂活动强，地形变化大，发育扇三角洲、半深湖—浅湖碎屑等类型砂体；沙三段沉积期断裂活动弱，变形强度减弱，是深湖沉积相的发育期。八面河趋势带原油主要来自于牛庄和广利两个临近的生油洼陷(庞雄奇等，2004)，断裂十分发育，不仅与不整合面和局部砂体构成立体优势通道，还可以形成大量构造圈闭(图8b)，主要发育断鼻、断块圈闭群，受控制且平行于基底断裂，呈北东向排列分布；趋势带北斜坡主要发育断鼻圈闭及构造—岩性圈闭；趋势带南斜坡主要发育地层圈闭及构造—岩性圈闭。据统计(徐义卫等，2006)，八面河探区共发育573个构造—岩性或构造—地层等复合圈闭、309个构造圈闭和169个岩性圈闭。八面河趋势带油气藏数量多，含油高度可达140 m，纵向上叠置分布，主要分布于沙四段和沙三段，横向上展布特征明显受断层控制，被断层发育带切割。

图8 渤海湾盆地东营凹陷王家岗(a)和八面河断裂趋势带油藏剖面图(b)Fig.8 Reservoir profiles of Wangjiagang(a) and Bamianhe(b) covert fault zone in Dongying Sag,Bohai Bay Basin

王家岗和八面河断裂趋势带分布于凹陷南斜坡带上，油气主要来自北部的牛庄洼陷区，其中王家岗断裂趋势带更接近烃源岩区，但八面河趋势带油气富集程度更高，究其原因：首先，八面河断裂趋势带演化程度高于王家岗断裂趋势带，变形强度大，更容易形成破碎带，地表河道易冲刷下切，在地貌上形成长条状或串珠状的负地形，有利于沉积物的卸载，形成储集体，且在八面河地区，断裂趋势带上的小断层和裂缝带有效提高了沙三段砂岩储层的孔隙度和渗透率，孔隙度平均值高于30%，部分地区接近40%，渗透率平均值高于1×10-3μm2部分地区接近2.5×10-3μm2，物性参数显著高于相邻地层(徐义卫等，2006；沈跃，2016)；其次，八面河断裂趋势带的演化程度高，内部结构更加复杂，断层发育更加丰富，相邻小断层重叠区处于挤压状态，发生隆升，可发育成群的构造圈闭；此外，八面河趋势带底部靠近基底断裂处变形较强，在孔店组—沙四下亚段形成显性断裂，加之八面河地区地势较高，所以更加有利于油气在纵向和横向上运移，并发生聚集。

根据断裂趋势带演化阶段、变形特征和源藏匹配关系以及油气分布特征，建立了王家岗和八面河断裂趋势带的成藏模式(图9)。①王家岗断裂趋势带：幼年期弱变形—单洼供烃成藏模式。王家岗断裂趋势带处于断裂带发育的幼年期，变形程度弱，以裂缝带(小断层带)为主，主断面未形成，形成了断块、构造—岩性等类型圈闭，紧邻北部牛庄洼陷，靠近烃源岩区，油气主要通过骨架砂体进行侧向运移(张伟忠等，2017)，在平面上，油气主要在断裂趋势带轴部圈闭呈串珠状分布；②八面河断裂趋势带：青年期强变形—双洼供烃成藏模式。八面河断裂带处于断裂带发育的青年期，变形强度增大，裂缝生长形成小断层，主断面断续出现，发育垒堑断块、反向断块以及构造—岩性等圈闭，油气主要在沙河街组发生聚集成藏，油源主要是北部的牛庄洼陷沙四段成熟烃源岩，部分是东北方的广利洼陷沙四段低熟烃源岩(李雪，2006)，油气可通过砂体和不整合面发生侧向运移，含氮化合物具有明显的断层垂向运移分馏效应(庞雄奇等，2004)，这表明断裂趋势带在纵向上沟通了孔店组、沙河街组四段及沙河街组三段地层，是油气运移的主要通道，在平面上，油气在断裂趋势带上成条带状分布。

图9 渤海湾盆地东营凹陷王家岗和八面河断裂趋势带成藏模式Fig.9 Hydrocarbon accumulation model of Wangjiagang and Bamianhe covert fault zone in Dongying Sag,Bohai Bay Basin

5 结论

(1)断裂趋势带也称为隐性断裂带，是指盆地基底断裂或盖层受到剪切作用影响而产生在盖层中的弱变形构造带，是主断裂面形成前的变形程度较弱的构造带，是对基底断裂继承性活动或区域性剪切作用的程度较弱的变形响应。形成机制和演化程度不同，结构特征和构造类型也不同。

(2)东营凹陷南坡王家岗断裂趋势带内小断层以弧形和反“S”形为主，平面上呈平行式和雁列式，与趋势带走向近于平行或小角度相交，剖面上呈花状构造或似花状构造；八面河断裂趋势带断层为平直正断层，平面上以左列右行雁列式分布为主，与趋势带走向呈50°左右夹角相交，剖面上呈多级“Y”字形和包心菜形构造。

(3)构造物理模拟实验结果表明，王家岗和八面河断裂趋势带均形成于基底断裂伸展—走滑运动的复合应力作用，不同之处是前者伸展—走滑运动方向夹角α为40°～50°；后者伸展—走滑运动方向夹角α为20°左右，表现出强走滑弱伸展的特点。

(4)凹陷南坡处于区域性伸展—走滑运动背景下，与王家岗断裂趋势带相比，八面河断裂趋势带更靠近郯庐走滑断裂，其走滑强度大，演化程度高，断裂带宽度大，断裂密度大，与断裂有关的圈闭数量大，更加有利于油气的聚集成藏。

(5)根据断裂趋势带演化阶段、变形特征和源藏匹配特征分析，认为趋势带变形程度、规模、发育圈闭数量是决定油气富集程度的关键因素。王家岗断裂趋势带油气成藏模式为“幼年期弱变形—单洼供烃成藏模式”；八面河断裂趋势带成藏模式为“青年期强变形—双洼供烃成藏模式”。

致谢：感谢责任编辑和审稿专家提出的宝贵意见和建议；同时感谢中国石油大学(华东)张世奇教授在文章修改中提供的帮助!