平衡剖面技术对东海西湖凹陷正反转构造及其成藏控制的研究

胡望水 柴浩栋 李瑞升 徐 发 葛和平

摘要:利用平衡剖面技术,对东海西湖凹陷第三系的正反转构造发育的期次、强弱进行了研究。把西湖凹陷划分为早、中、晚3期反转。其中,始新世末的早期反转主要发生在盆地的西斜坡带,且研究区由南向北反转强度增大;渐新世末的中期反转主要发生在盆地的东缘断裂带,且研究区由南向北反转强度减弱;中中新世末的晚期反转主要发生在盆地的中央隆起带,且研究区由南向北反转强度增大;总体反转作用由早到晚依次增强。反转作用形成多种类型的构造圈闭,具有面积较大、圈闭完整的特征,对油气的运移聚集十分有利,同时对油气的保存及储层物性有改造作用。根据目前的勘探,西湖凹陷的3个构造反转带是寻找油气最有利的地区。

关键词:平衡剖面技术;东海西湖凹陷;正反转构造;构造演化;圈闭;

中图分类号:TE122文献标识码:A

引 言

平衡剖面技术诞生于石油勘探的实践,从Dahlstrom(1969)提出这一概念至今经历了30余年的时间。在此期间,该技术不断得到完善,其在现代构造地质、石油地质与勘探以及盆地模拟应用等方面,已被广泛地作为一种重要的模型解释工具[1-5]。在石油地震勘探中,剖面的平衡与否已成为检验构造解释是否正确合理的标准,对含油气盆地构造特征进行定量分析,并快速、有效、合理地恢复盆地构造演化历史,为油气勘探提供可靠的依据[6-8]。利用平衡剖面技术对东海西湖凹陷的正反构造进行研究,分清盆地内正反转构造发育演化的期次及强弱[4-5,9-10];在此基础上,对反转构造与油气成藏规律的关系进行研究,总结反转构造对油气成藏的控制作用及规律[11-14],为该盆地进一步的油气勘探奠定了良好的基础。

1 平衡剖面技术的原理

平衡剖面技术是为了建立合理的地质横剖面而提出的一种几何学方法。所谓平衡剖面是指可以把剖面上的变形构造通过几何原理全部复原成合理的未变形状态的剖面[14]。平衡的剖面是合理的,但不一定是真实的剖面,但不平衡的剖面一定是错误的。

建立平衡的地质剖面通常需要遵循下列原则:①“体积不变原则”,变形前后的物质守恒。即变形前后区域地层所占的体积不变;②“二维的面积不变原则”,在垂直构造走向的剖面上的变形,通常可以假设为平面应变。因此这时的三维体积不变原则可以转化为“二维的面积不变原则”;③“层长不变原则”,假设变形前后岩层厚度保持不变,当各层间没有不连续的滑脱断层或底板断层面时,则面积不变原则可以转化为“层长不变原则”,即各地层恢复后的原始长度在同一剖面中应当一致;④断层位移距守恒。即同一条断层应当保持相同的位移量,如果断层发生分叉,位移量分散到各小断层之上;出现同生断层,位移量被地层厚度差异弥补。

在东海西湖凹陷的研究中,选取穿过研究区且垂直构造走向,成像效果好,有典型的构造,能够覆盖全区的10条时间地震剖面(图1)。利用了平湖1、平湖5、宝云亭1、孔雀亭1等12口井,归纳出了研究区的时—深转换数据表,得到更为符合实际的地震地质解释剖面;从而进行平衡剖面恢复,对区域反转构造进行定量化研究。

2 东海西湖凹陷区域地质概况

西湖凹陷是东海陆架盆地中东部坳陷的一部分,东邻钓鱼岛隆褶带,西邻海礁隆起,向北、南分别与福江凹陷和钓北凹陷相接,其地理位置在东经124°27′至127°、北纬27°30′至30°59′之间,总体呈北东走向。西湖凹陷长400 km,宽100 km,总面积约4.7×104km²,是东海陆架盆地中规模较大的第三系含油气盆地(图1)。

西湖凹陷新生代沉积凹陷是在晚白垩世末期的构造背景上发育起来的,研究区新生代地层自下而上主要由始新统平湖组、渐新统花港组、中新统龙井组、玉泉组和柳浪组、上新统三潭组及第四系东海群组成。其中烃源岩主要为平湖组暗色泥岩和煤,且成熟度高,主要处于生油带和湿气带,储集层为平湖组、花港组及龙井组砂岩,平湖组和花港组上部连续分布的厚层泥岩为区域性盖层,龙井组泥岩可作为局部盖层。在新生代,东海陆架盆地经历了多次的构造运动,显示出一定的阶段性,主要经历了5个发展阶段:①晚侏罗世—早白垩世热隆—火山作用阶段,热隆背景上形成小型的裂陷盆地;②古新世至始新世盆地处于裂陷阶段;③渐新世拗陷阶段,这一阶段盆地在热冷却的驱动下拗陷下沉;④中新世末至上新世早期,构造反转阶段;⑤上新世以来盆地进入了整体调整沉降阶段。

盆地的演化具有多旋回分阶段、过渡转化、继承性等特点。

3 各期反转的特征及演化

反转构造又称盆地反转或构造反转,是指构造变形作用发生反向变化所产生的,与前期构造性质相反的一种叠加构造,分为正反转构造和负反转构造。正反转构造是指早期受拉张下沉,晚期受挤压上隆的一种反转构造(负反转构造与之相反)。近年来,反转构造研究进展很快,在理论与方法上都取得了很大的进展。根据正反转构造在盆地内的带状分布,湖凹陷沿北北东走向自西向东划分为西部斜坡断裂带、中央背斜隆起反转带、东缘断裂带3个构造带(图1)。根据盆地反转的期次,依次分为始新世末的早期反转,渐新世末的中期反转,中中新世末的晚期反转[15-18]。盆地内的正反转构造发育于各构造带中,其中,早期反转主要表现在西部斜坡断裂带,中期反转主要表现在东缘断裂带,晚期反转主要表现在中央背斜隆起反转带。利用GEOSEC-2D软件对凹陷内所选的10条剖面进行平衡恢复,得到反转构造发育史剖面图(图2)和各剖面在不同期次的反转强弱直方图。以下利用测线-03恢复的剖面概述各反转期次的主要特征。

3.1 早期反转

早期反转发生在始新世末,即平湖组沉积后,受玉泉运动的影响,具有弱的拉张到弱的挤压性图2 东海西湖凹陷反转构造演化史剖面质,使盆地局部抬升反转,而收缩反转相对不明显,反转强度小,反转隆起造成的剥蚀量小。伴生构造主要是继承或强化早期滚动背斜所形成的简单断展型背斜。在断阶发育的部位形成简单滑移反转断阶组合,反转主要表现在西部斜坡带(图2,表1早期反转)(图3中的阴影部分表示每期反转遭受剥蚀最大的部分),剥蚀作用主要发生在反转带的北端,最大可达800 m;反转带南部剥蚀量较小,一般在200～400 m之间,由南向北呈增大趋势。东缘和中央构造带也有少量剥蚀,最大可达400 m。从整个西湖凹陷来看,始新统与渐新统间的不整合是玉泉运动的产物,其形成与裂后的构造格局差异调整作用和热隆起有关,代表了盆地的初次反转。这一期的构造反转主要发生在西斜坡区,且研究区反转强度由南向北逐渐增大(表1早期反转)。

3.2 中期反转

中期反转发生在渐新世末,即花港组沉积后,

受花港运动的影响,这次运动具有弱的拉张到较强的挤压性质,抬升和收缩都有所表现,构造层收缩变形在盆地内由东向西逐渐减弱,东部断裂带表现最为强烈(图3b),反转过程是沿着先存的西倾犁形大断裂反转逆冲,形成大型的反冲叠瓦式反转构造。断裂上盘的滚动背斜被强化上冲,其高点与顶部的断展背斜高点不一致。向盆内一侧为一浅的向斜构造,向东发育一西倾断裂,该断裂近南北走向,呈复合“Y”字型反转构造。该断裂的反转形成了低缓的反转断展背斜。这一构造整体是由早期的次级小地堑两侧断裂反转逆冲的结果。地层抬升剥蚀,剥蚀主要分布在盆地东缘呈长条带状展布,最大可达1 500 m(图2),由东向西剥蚀量逐渐减小。从整个西湖凹陷来看,渐新统与中新统间的不整合是花港运动的结果,是拗陷期盆地遭受强烈挤压的产物,代表了盆地二次反转。从平衡剖面统计的伸缩量、伸缩率直方图来看,这一期的剥蚀量分布也表明构造反转主要发生在东部边缘区,且研究区反转强度由北向南增大(表1中期反转)。

3.3 晚期反转

晚期反转发生在中中新世末,受龙井运动的影响,在陆架盆地的西湖凹陷表现为水平挤压,使巨厚的地层褶皱、抬升和被剥蚀。数量众多的局部构造经过这次运动得到加强和定型。强烈的收缩反转,在西湖凹陷都有所表现,以中央反转构造带最为明显(图2)。形成规模宏大的中央背斜,背斜顶部遭受严重剥蚀,最大剥蚀量达1 000～1 400 m(图3c)。从整个西湖凹陷来看,中新统与上新统间的不整合是龙井运动的结果,是盆地发生的第3次大规模构造反转。从平衡剖面统计的伸缩量、伸缩率直方图来看,这一期的剥蚀量分布也反映了反转

作用主要发生在盆地中央,且研究区反转强度北部比南部大(表1)。

从始新世末到中新世末,西湖凹陷各期反转的形成与盆地演化的各阶段中各种地质事件和过程密切相关。剥蚀严重的3个主要构造不整合面都是盆地构造反转的结果,反转越强,剥蚀量越大。从整个盆地来看,发生在盆地中央构造带的晚期反转造成的剥蚀量最大、分布最广,这一期的反转作用也最强烈,规模最大。

4 反转构造与油气成藏的关系

研究表明,盆地内正反转构造能否形成油气藏,关键在于反转期(圈闭的形成时间)与油气运移聚集相匹配。反转构造形成早于油气运移期是最有利的形成油气藏的反转构造。相反,反转构造形成晚于油气运移期不利于油气藏的形成。

西湖凹陷在发生构造反转之前,已经经历了裂陷到坳陷的发展阶段,沉积了比较厚的生、储、盖层,构造反转形成的背斜直接盖在生油层之上。因此,在油气的生成、运移、聚集条件的空间配置关系上可谓得天独厚。其中发生于始新世末的早期反转仅对古新统烃源岩生成的油气运聚有一定的影响作用,而对其他源岩生成油气的运聚作用影响微弱,因为此时仅古新统源岩进入了成烃阶段,其他源岩均未成熟;发生于渐新世末的中期反转对古新统源岩所生成油气的运聚具有较重要的影响作用,此时该套烃源岩正好处于生排烃高峰期,但对凹陷主力烃源岩平湖组有关的油气运聚影响不大,因为其大部分尚未进入生排烃高峰期,该期构造反转对凹陷油气成藏所起的主要作用在于为后期的油气聚集提供了有利的圈闭构造;发生于中中新世末的晚期反转是西湖凹陷最重要的圈闭形成与定型期,也是凹陷内规模最大、对油气运聚影响最为深刻的时期,此时凹陷主力烃源岩平湖组已达到生排烃高峰期,挤压反转使原始地层发生倾斜、褶皱甚至断裂,使油气在浮力、水动力等作用下发生大规模运移,并在局部低势区聚集成藏。因此,晚期反转是西湖凹陷油气运聚最重要的时期,反转作用形成的背斜、被断层封堵的单斜以及其他类型的流体低势区对凹陷内油气的运移聚集具有明显的控制作用;从含油气系统演化角度出发,应是西湖凹陷油气系统形成的关键时期。

5 结 论

(1) 平衡剖面技术不仅可以用于评价和修正地震解释,还可以更合理地解释盆地的构造样式和构造变形的过程,为盆地的形成演化研究提供依据,其次,正确进行构造剖面的复原,由平衡剖面反演制作的演化剖面可以合理的解释盆地的形成过程和埋藏历史,为油气的生成、运移和成藏过程研究提供依据。

(2) 反转构造可以形成有利的构造圈闭,构造反转作用强,可以形成大面积的构造圈闭,提供油气充注的空间。西湖凹陷的几期构造反转,使原盆地叠加改造,发育了多种类型的构造圈闭,有断层圈闭、背斜圈闭、断背斜圈闭等。

(3) 正反转构造的发育时期和构造反转强度对油气的运移、聚集至关重要,构造反转期早于油气大量的运移时期是最有利的。西湖凹陷内反转强度相对小的早期反转主要发生在盆地西斜坡带,反转强化了前存的滚动背斜,为油气运移提供了有利通道,形成了盆内极其重要的含油气圈闭,这一部位也是地垒、旋转断块等基底隆起上的披覆背斜发育的有利地带。晚期反转的作用最强烈,规模最大。形成了盆地中央连续分布的背斜隆起,一方面给油气聚集和圈闭提供了有利空间,另一方面由于背斜顶部地层的严重剥蚀,将造成油气的逸散。这一带南部的地层抬升适度,剥蚀量不大,有利于油气的运移和聚集;而北部地层强烈剥蚀,造成大量的油气泄露,含油性相对不好。

(4) 反转构造对油气的保存、储层的物性有改造作用。西湖凹陷在其形成与发展过程中历经的每期的构造反转,都形成一个不整合面,为油气保存形成了良好的盖层。同时,在沉积间断、抬升剥蚀期间,不整合面之下的地层通常受到地表风化、地表水淋滤和地下水溶蚀作用的改造,从而改善了其岩石物性,提高了岩石储集性能,同时也可作为有利的油气运移通道。

参考文献:

[1] 张明山,陈发景.平衡剖面技术应用的条件及实例分析[J].石油地球物理勘探,1998,33(4):532-540.

[2] 梁顺军.平衡观点与地震观点的解释效果分析与评价[J].石油物探,2002,41(3):377-384.

[3] 梁慧社,张建珍.平衡剖面技术及其在油气勘探中的应用[M].北京:地震出版社,2002:1-24.

[4] 张世奇,等.平衡剖面分析技术在松辽盆地构造演化恢复中的应用[J].新疆地质,2003,21(4):489-498.

[5] 刘景彦,姜亮.东海西湖凹陷第三系主要不整合面的特征、剥蚀量的分布及其意义[J].现代地质,1999,13(4):432-438.

[6] Dahlstrom C D A.Balanced cross section[J].Canadian Journal of Earth Sciences,1969,36(6):743-759.

[7] Gibbs A D.Balanced cross section construction from seismic sections in ares of extensional tectonics[J].Journal of Structural Geology,1983,5(2):153-160.

[8] Jone P B.Quantitative geometry of thrst and fold belt structures: method in exploration series [C].AAPG,1987,9(6):1-26.

[9] 张明利,王震.东海西湖凹陷构造应力场与油气运聚探讨[J].中国海上油气:地质,2003,17(1):51-56.

[10] 肖国林,周才凡.论东海陆架盆地玉泉运动[J].青岛海洋大学学报:自然科学版,1995,25(4):488-494.

[11] 周平.东海西湖凹陷始新统沉积环境及含油气性[J].上海地质,1994,50(2):19-25.

[12] 胡芬,叶加仁,刘俊海,等.东海西湖凹陷平湖构造带油气运聚特征[J].海洋地质与第四纪地质,2003,23(1):95-102.

[13] 顾惠荣,贾健谊,吴伟力,等.东海平湖油气田下第三系平湖组储层评价[J].海洋石油, 2002,20(2):1-7.

[14] Elliot D.The construction of balanced cross-section[J].Journal of Structural Gdology,1983,38(5):101-136.

[15] 胡望水,等.塔里木盆地反转构造与油气聚集[J].新疆石油地质,1995,16(2):89-95.

[16] 胡望水,等.松辽盆地北部反转构造与油气聚集[J].天然气工业,1996,16(5):20-24.

[17] 胡望水,周延军,刘学锋.正反转构造综合分析原理和方法[M].北京:石油工业出版社,2001:1-22.

[18] 胡望水,李瑞升,李涛.正反转构造动力学成因探讨[J].石油天然气学报,2007,100(29):23-27.

编辑 林树龙