剥蚀厚度恢复法在渤海湾盆地济阳坳陷孔店组应用

姜素华,李金山,夏冬明,王 鹏,周海廷

(中国海洋大学1.海洋地球科学学院;2.海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100)

剥蚀厚度恢复法在渤海湾盆地济阳坳陷孔店组应用

姜素华1,2,李金山1,2,夏冬明1,2,王 鹏1,周海廷1

(中国海洋大学1.海洋地球科学学院;2.海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100)

针对勘探程度较低的复杂断陷盆地,利用常规剥蚀厚度恢复方法无法准确恢复其剥蚀厚度的问题,提出了1种基于构造演化研究的剥蚀厚度恢复方法,即从剥蚀动力学角度出发,分析剥蚀的成因机制,利用构造演化研究的平衡剖面,用地震资料界定剥蚀范围和求取剥蚀厚度,再根据已确定剥蚀区域的实际钻井资料情况,采用沉积速率法、波动分析法等进行井震结合的剥蚀厚度恢复。并以渤海湾盆地济阳坳陷孔店组为例,对孔一段(Ek1)和孔二段(Ek2)剥蚀厚度进行了恢复,结果表明:孔一段(Ek1)受剥蚀作用较强,在区域上存在较大差异,总体上剥蚀厚度较大,而孔二段(Ek2)受剥蚀作用较弱,剥蚀厚度较薄。该方法比传统的单一方法更加精确可靠,对恢复复杂断陷盆地剥蚀厚度具有较好的效果。

济阳坳陷;孔店组;构造演化;剥蚀恢复

渤海湾盆地是华北克拉通上1个以古生界为基底的中、新生代叠合盆地,盆地形成于中生代,发展于早第三纪[1]。济阳坳陷位于渤海湾盆地东南,南邻鲁西隆起,东接郯庐断裂带,北部和西部则为埕宁隆起带,其古近系为典型的断陷盆地,发育在中生界断陷作用和褶皱作用复杂的构造背景下,类似的断陷盆地多是在拉张应力作用下形成的,其裂陷通常不是一次性沉降到位,往往是多层次、多周期性的构造作用过程,一般具有典型的“断陷—坳陷”双层结构[2-3]。这类复杂的断陷盆地,剥蚀前的地层古地温场、声波时差等特征均被再次沉积改变,以Wyllie公式为模型计算的方法及与古温标有关的方法[4-8]等都难以真实反映地层缺失的原因,为此提出了基于构造演化研究的剥蚀厚度恢复方法,即从剥蚀动力学角度出发[9],分析剥蚀的成因机制,利用构造演化的平衡剖面,还原地层沉积史与地层剥蚀过程,以地震资料界定剥蚀范围和求取剥蚀厚度,再根据已确定剥蚀区域的实际钻井资料情况,采用沉积速率法、波动分析法等进行井震结合的剥蚀厚度恢复。该方法不受剥蚀前的地层古地温场、声波时差等因素的影响,对恢复复杂断陷盆地剥蚀厚度具有较好的效果。

1 孔店组构造转型期的剥蚀特征

由于印度板块与欧亚板块碰撞和太平洋板块由北北西向转为北西西向俯冲,郯庐断裂由左旋变为右旋,济阳坳陷进入新生代构造演化阶段,形成了1个受NEE、NE向断层控制的半地堑式复合盆地,叠置于中生代NW向断层控制的盆地之上[10-11]。

孔店组—沙四期为中、新生代盆地转型的过渡时期[12],孔店期(Ek)济阳坳陷基本继承中生代的盆地格局,NE(NEE)向断层未对盆地发育起控制作用;沙四期(Es4)新生代盆地格局初步定型,NE(NEE)向断层取代NW向断层,控制盆地的发育(见图1)。

对处于构造转型期孔店组地层,其地层的剥蚀程度受控于济阳坳陷中生代、新生代盆地叠合的影响[13-14],根据其叠合关系,可划分为中坳新坳型(即中生代为坳陷区,新生代也为坳陷区),中坳新隆型(即中生代为坳陷区,新生代为隆起区),以此类推还有中隆新坳型与中隆新隆型共4种类型的叠合单元(见图1),由于不同的叠合单元经历了不同的沉积埋藏史,其剥蚀的程度也大不相同,分析不同叠合单元的剥蚀特征,对研究孔店组构造转型期的剥蚀特征具有重要意义,本文主要针对目的层孔店组地层讨论各叠合单元的沉积与剥蚀。

(1)中坳新坳型叠合单元:该叠合单元主要位于中生代北西向控盆断层和古近纪北东向控盆断层下降盘的叠加部位,在中、新生代断陷盆地发育阶段均处于坳陷区接受沉积,地层层序相对完整,凹陷内基本没有剥蚀或有少量剥蚀。如惠民凹陷的临南洼陷西南部、阳信洼陷西南部、里则镇洼陷等,东营凹陷的利津洼陷、民丰洼陷西部、牛庄洼陷、博兴洼陷西南部等,沾化凹陷的渤南—四扣洼陷北部、孤北洼陷等(见图1)。

(2)中坳新隆型叠合单元:该叠合单元类型主要位于中生代北西向控盆断层下降盘与新生代北东向控盆断层上升盘的叠加部位,中生代处于沉降区,接受沉积,新生代处于隆升区,地层遭受剥蚀。如惠民凹陷的林樊家凸起、滨县凸起等,东营凹陷的青城凸起、陈家庄凸起西部等,以及义和庄凸起东部等(见图1)。

图1 济阳坳陷中、新生代主控断裂分布与叠合单元分布图Fig.1 The distribution of main faults and folding units during Mesozoic era and Cenozoic era,Jiyang Depression

(3)中隆新坳型叠合单元:该叠合单元类型主要位于中生代北西向控盆断层上升盘与新生代北东向控盆断层下降盘的叠加部位,由于中生代处于隆升剥蚀状态,不仅没有接受沉积,就连下伏的古生界地层也遭受了一定程度的剥蚀。如惠民凹陷的滋镇洼陷、阳信洼陷东部等,东营凹陷的民丰洼陷东部、博兴洼陷东北部等,沾化凹陷的邵家洼陷、孤南—富林洼陷、渤南—四扣洼陷南部以及桩西洼陷等(见图1)。

(4)中隆新隆型叠合单元:该类型叠合单元主要位于中生代北西向控盆断层上升盘与新生代北东向控盆断层上升盘的叠加部位,在中、新生代两期断陷盆地发育阶段均处于隆升区;古生界、中生界均被剥蚀殆尽,新近纪直接覆盖于泰山群之上,主要有陈家庄凸起区东部、义和庄凸起区西部(见图1)。

2 剥蚀厚度恢复的方法

2.1 剥蚀成因机制分析

根据上述叠合单元的分析结果,对于中隆新隆型叠合单元,无需考虑孔店组地层剥蚀情况;对于中坳新坳型叠合单元,在沉积过程中基本没有发生剥蚀或在洼陷边缘发生少量剥蚀,因此只需考虑洼陷边缘剥蚀量以及零剥蚀范围;对于中隆新坳型叠合单元,由于在新生代凹陷中表现为潜山,会遭受不同程度的剥蚀,需要分别考虑;对于中坳新隆型叠合单元,在新生代地层抬升的过程中,会遭受强烈的剥蚀,因此需要重点考虑。而在这些有剥蚀的区域,造成构造转型期孔店组地层剥蚀的动力主要是断层活动性差异作用、构造运动抬升作用及两者的共同作用3种类型。

(1)断层活动性差异导致剥蚀 由于断层活动性强弱不同使地层抬升遭受剥蚀,剥蚀厚度小,剥蚀厚度的恢复一般只在2个断层之间,受断层分隔作用较强,在地层接触关系上表现为削截不整合,多与边界生长断层有关,是该区剥蚀的重要方式。削截不整合是地层在断层作用下发生掀斜,翘起端遭受风化剥蚀,这类剥蚀厚度可以根据地层厚度变化规律外推得到(见图2)。

(2)构造运动使地层抬升导致剥蚀 基底地层在挤压作用下发生局部抬升,上覆古近系遭受强烈剥蚀。这类剥蚀多与低凸起有关,在地震剖面上基底表现为潜山,古近系早期超覆在潜山之上,形成披覆构造,后期遭受抬升剥蚀。这一类剥蚀厚度较大,需要根据潜山两端地层厚度的变化和地层的结构,结合沉积相特点向剥蚀中心恢复剥蚀厚度(见图3)。

图3 构造运动使地层抬升剥蚀示意图(南北向483测线)Fig.3 Schematic diagram of erosion caused by formation uplift,line SN 483

(3)2种机制的共同作用 在上述2种机制的共同作用下,隆起的缓坡带抬升遭受剥蚀。这类剥蚀厚度大,断层的分隔作用不强,在地层接触关系上表现为削截不整合,上覆地层超覆特征明显,在地震剖面上可以清楚划分出起剥点(见图4)。

图4 2种机制共同作用剥蚀示意图(南北向534.5测线)Fig.4 Schematic diagram of erosion caused by different fault activity and formation uplift,line SN 534.5

2.2 利用平衡剖面界定剥蚀范围

在对剥蚀成因机制分析的基础上,利用平衡剖面进一步圈定剥蚀的范围,即利用构造演化剖面中“平衡”的原则,先从单条剖面上复原地层沉积与剥蚀的过程,界定剥蚀区域,来推测地层的剥蚀范围和厚度。以南北向568测线为例(见图5),如要研究孔二段(Ek2)的剥蚀厚度,先恢复到孔一段(Ek1)地层沉积前的特征,在滨县凸起以北,主要受基底隆升的影响,中生界(Mz)一直在抬升剥蚀,没有沉积孔二段(Ek2)的地层,位于滨县凸起以南的平方王潜山,在中生界(Mz)遭受夷平剥蚀,沉积了孔二段(Ek2)的地层,根据平衡剖面的恢复,可以推测孔二段(Ek2)地层剥蚀范围和厚度值。

图5 济阳坳陷南北向568测线孔二段(Ek2)地层剥蚀范围图Fig.5 The Ek2erosion area of line NS 568,Jiyang Depression

在对所有骨干剖面界定剥蚀区域的基础上,从线到面,可以在平面上圈定孔店组剥蚀区域的范围(见图6),同时在剖面上,以地震资料为依据,选择测线附近的井点,利用平衡剖面读取剥蚀厚度值(见表1)。

图6 济阳坳陷孔店组剥蚀区域平面分布图Fig.6 The plane distribution of Ek’s erosion area,Jiyang Depression

2.3 剥蚀厚度的求取

由于平衡剖面是在地震剖面上量取数据,对计算的精度有一定的影响,因此在计算剥蚀厚度时,重点考虑被剥蚀及剥蚀厚度大的地区。在上述研究的基础上,再根据钻井及资料情况,井震结合,应用波动分析法、沉积速率法[5-8]求取剥蚀厚度,最后对剥蚀厚度数据加权平均综合取值,其部分计算结果见表1。

最后根据计算结果做出平面分布图(见图7、8)。

表1 孔店组地层剥蚀量数据表Table 1 Data of Ek’s erosion thickness /m

3 剥蚀厚度特征分析

根据以上的计算结果可分别做出孔二段(Ek2)和孔一段(Ek1)的剥蚀厚度平面分布图(见图7、8)。

图7 济阳坳陷孔二段(Ek2)剥蚀厚度等值线图Fig.7 The erosion thickness of Ek2strata,Jiyang depression

图8 济阳坳陷孔一段(Ek1)剥蚀厚度等值线图Fig.8 The erosion thickness of Ek1strata,Jiyang Depression

从地层剥蚀厚度图可以看出,坳陷内孔一段(Ek1)和孔二段(Ek2)地层剥蚀具有如下特点:①剥蚀量较大的区域集中在凹陷内靠近隆(凸)起区附近,各凹陷内的低凸起是凹陷内部的主要剥蚀区,孔一段(Ek1)最大剥蚀区在惠民凹陷东北缘,最大剥蚀量>450 m;孔二段(Ek2)最大剥蚀区在青城凸起区北侧,最大剥蚀量达450 m左右,但范围较小;②坳陷内各凹陷南缘的缓坡带,地层剥蚀范围较大,但剥蚀量却比较小;③在凹陷北部的陡坡带,由于靠近控盆断层,孔店组地层沉降幅度大,一般没有剥蚀,部分地区存在小幅剥蚀。总体上,孔一段(Ek1)的剥蚀量相对于孔二段(Ek2)要大,一般在100～300 m,平均剥蚀量在200 m左右,孔二段(Ek2)地层剥蚀量大多集中在50～200 m,平均剥蚀量为100 m左右,且剥蚀受中生代构造运动形成的古地形地貌、新生代构造、沉积的控制作用明显。

4 结论

(1)剥蚀成因机制分析是求取剥蚀厚度的基础。剥蚀成因机制分析从构造动力学出发,探索构造运动所引发的地层剥蚀原因,依据剥蚀的类型不同,应用相对适应的求取剥蚀厚度方法,为剥蚀厚度的计算奠定了基础。

(2)构造演化剖面界定剥蚀范围是求取剥蚀厚度的前提。利用构造演化剖面中“平衡”的原则,从单条剖面上界定剥蚀区域,以线至面的圈定地层剥蚀平面分布范围,能客观的还原地层沉积史与地层剥蚀过程。

(3)在构造演化研究的基础上,井震结合综合应用多种方法,是获取精确的剥蚀厚度值的保障。用该方法恢复剥蚀量的结果表明,地层沉积与剥蚀的关系合理,比传统的单一方法求取的结果更加可靠,对恢复复杂断陷盆地剥蚀厚度具有较好的效果。

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Abstract: It’s difficlut to recover the erosion thickness precisely by common methods for the complex fault basin,which has a low degree of prospecting.So a new way based on structure evolution for recovering erosion thickness has been proposed.According to the dynamic of erosion,it can analyse contributing factors of erosion,divide areas of erosion and calculate the worth of erosion thickness by using structure evolution sections and the seismic data.Based on the integration of well and seismic in main erosion area, the erosion amounts of local layers were calculated by means of the sedimentary rate,wave analysis.Taking Kongdian formation of Jiyang depression in Bohai bay basin as an example,Ek1and Ek2’s erosion thickness were recovered.The result showed that Ek1was denuded more seriously and the one area differs from another greatly.But a whole,the erosion thickness of Ek1was thicker than Ek2.Eventually,this method was more accurate than others,which could be used to recover the erosion thickness of the complex fault basin precisely.

Key words: Jiyang depression;Kongdian formation;structure evolution;recovering denudation

责任编辑 徐 环

The Recovering Denudation Method and Its Application in Kongdian Formation of Jiyang Depression,Bohai Bay Basin

J IANG Su-Hua1,2,LI Jin-Shan1,2,XIA Dong-Ming1,2,WAN G Peng1,ZHOU Hai-Ting1
(Ocean University of China 1.College of Marine Geosciences,2.Key Lab of Seafloor Science and Exploration Technology, Qingdao 266100,China)

P542

A

1672-5174(2011)04-097-06

国家科技重大专项“深水地震处理关键技术及处理软件平台研发”项目(2008ZX05025-001-006)资助

2010-06-21;

2011-01-10

姜素华(1963-),女,博士,高级工程师,E-mail:jiangsuh@163.com。