断陷盆地构造枢纽部位油气富集规律

喻 顺,吕修祥,柳广弟,徐宏节,解启来,刘小平

(1.中国石油大学地球科学学院,北京102249;2.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;3.中国石化东北石油局,吉林长春130056;4.华南农业大学资源环境学院,广东广州510642)

断陷盆地构造枢纽部位油气富集规律

喻 顺1,2,吕修祥1,2,柳广弟1,2,徐宏节3,解启来4,刘小平1,2

(1.中国石油大学地球科学学院,北京102249;2.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;3.中国石化东北石油局,吉林长春130056;4.华南农业大学资源环境学院,广东广州510642)

以十屋断陷为例,根据其构造演化、主要断层特征及油气成藏条件分析,揭示多旋回断陷盆地构造枢纽带与油气富集关系。结果表明:十屋断陷枢纽部位经历了断陷期、断拗过渡期、拗陷期、萎缩隆升期等复杂的构造演化,多期差异构造变形及断裂活动导致了小宽枢纽带南段和北段具有相似性及差异性,后期构造反转发育部位多为早期断层发育部位,且主要集中在主干断层上,构造运动产生位移被断裂和褶皱吸收;不同阶段的隆起部位相叠加,使枢纽部位与构造高点相对位置发生变化,枢纽部位相对位置由原来的古隆起演变为斜坡部位;枢纽部位早期为油气的有利指向区,晚期具有良好的保存条件,同时发育多类型圈闭、有利沉积相组合及生储盖组合,围绕枢纽带可形成复式油气聚集带。

十屋断陷;枢纽部位;古隆起;断陷盆地;油气富集

叠合盆地多期复杂差异构造变形、沉积叠加[1]及断裂活动导致沉积盆地内部明显的差异升降、挠曲沉降及沉积中心不断迁移调整,古地貌剧烈变化[2-3]。在盆地基底发生旋转掀斜作用时,垂向位移较小且相对构造稳定部位为构造枢纽部位[2,4],多期构造枢纽部位的叠加形成了构造平衡叠合带[5]。古隆起的形成和发展决定了原生油气的运聚、分配调整及最终聚集部位[6],塔里木叠合盆地枢纽带与多期叠合斜坡区、古隆起区具有密切的关系,且都是油气最有利的聚集区域[4-8]。断陷盆地古隆起及斜坡带为油气较富集区,断陷盆地枢纽部位与油气关系前人研究较少,笔者通过分析十屋断陷枢纽带构造演化,阐明枢纽部位与隆起部位、斜坡部位的关系,总结断陷盆地枢纽带油气富集的机制。

1 地质概况

位于松辽盆地东南隆起区的十屋断陷为西断东超箕状断陷盆地,平面上分为孤家子深凹带、中央复式聚集带、小宽枢纽带及东部断隆带(图1),剖面上呈“下断中坳上隆顶平”四元结构[9]。断陷沉积地层自西部沉降中心呈楔状向东减薄,断陷期发育火石岭组(J3h)、沙河子组(K1sh)、营城组(K1yc)、登娄库组(K1d)地层,拗陷期发育泉头组(K2q)、青山口组(K2qn)、嫩江组(K2n)地层。

图1 十屋断陷构造纲要Fig.1 Structure outline map in Shiwu fault depression

十屋断陷经历多期构造运动[10-11],登娄库组沉积末期和嫩江组沉积末期构造运动最为强烈;发育多性质、多级别、多期次、多类型断裂系统[12-13],不同断裂对油气聚集起着不同的作用,北东向小宽枢纽带断裂兼有伸展、走滑及扭压等性质,对中央构造带油气的垂向分布具有明显的控制作用。已发现油气藏主要集中于横穿断陷盆地中部呈北东走向的小宽枢纽带两侧,如孤家子、后五家户、四五家子、太平庄及秦家屯等油气田。

2 十屋断陷枢纽部位特征

2.1 枢纽部位展布

自晚侏罗世开始东北大陆板块发生左行走滑拉张活动,在十屋地区形成了呈弧形(由北北东转南北再转北北西向)的桑树台左行走滑控盆断裂,其后又产生了与盆地主构造走向相同(呈北北东-北东向展布)的小宽左行走滑断裂系统[11](图2,F3为小宽断裂)。靠近桑树台断裂一侧持续沉降,离桑树台断裂越近沉降量越大,在靠近小宽断裂(F3)一侧上升形成隆起,在小宽断裂附近构造位移变化小的部位为构造枢纽部位即小宽枢纽带(图3,据杨立英等[13]),整体上为一走向北东的狭长地堑(图1)。

2.2 枢纽部位断裂及构造演化

十屋断陷构造演化与松辽盆地相似[12],同时具有箕状断陷盆地构造演化特点,其枢纽部位经历了断陷期、断拗过渡期、拗陷期、萎缩隆升期等4个演化阶段。

(1)断陷期(火石岭组—登娄库组沉积期)。火石岭组沉积期,断裂开始活动,断陷盆地雏形形成,枢纽带断裂F3开始形成(图2)。沙河子组沉积期,小宽枢纽断裂F3生长指数较大,沿走向从南向北依次增大。F2断裂沙河子组沉积期末停止活动,F3与F1呈“弧”“弦”配合[12],F2及F3快速沉降形成中央断垒带的雏形。营城组沉积期,伸展速率减小,F3持续沉降形成北东向地堑(枢纽带雏形),盆地持续下沉引起西部凹陷带快速沉积,地层在重力负荷作用下发生挠曲,中央隆起部位向西部沉降中心迁移(图2)。

(2)断拗过渡期(登娄库组沉积期)。登娄库组沉积末期受强烈的北西—南东向压扭应力影响,十屋断陷整体抬升反转并遭受剥蚀,F1、F3等断裂左行平移;枢纽断裂F3在剖面上呈现下正上逆的特征,在四五家子地区形成了反转构造,在后五家户地区形成滚动背斜(图3、4,图4中剖面位置见图1中剖面线5)。

图4 十屋断陷L1630剖面构造演化(据中石化东北石油局修改)Fig.4 Structural evolution profile of L1630 in Shiwu fault depression

(3)拗陷期(泉头组至嫩江组沉积期)。F3断裂活动逐渐减弱直到结束,沉积物负载均衡作用使盆地整体下陷,拗陷期地层向中央隆起部位超覆,中央隆起部位进一步向西部深凹区迁移。枢纽部位处于相对低部位,沉积的地层向构造高部位超覆,整体上呈“下断中坳”特征,同时在斜坡部位产生一些调节断层,如后五家户及四五家子构造调节断层等。

(4)反转期(嫩江组沉积末期至明水组沉积末期)。嫩江组沉积末期强烈的左旋压扭应力使枢纽带断裂再度活动,沿F3等断裂左行斜向逆冲,隆起高部位继续向西迁移,枢纽部位处于斜坡部位,隆起上部地层遭受强烈的侵蚀夷平,反转型差异拗陷作用[9]使断陷剖面上呈“上隆顶平”的构造特点。此时期形成的四五家子、后五家户等反转构造沿枢纽带(北东向)呈带状展布[14]。

2.3 枢纽部位与古隆起、斜坡带

古隆起具有“期次”特点,主要相对某一时期而言,不同阶段的隆起部位轴线发生偏移、厚度相叠加,构造高点(古隆起部位)不断迁移[6],枢纽部位与构造高点相对位置发生变化[4]。十屋断陷经历了伸展、聚敛及走滑运动过程,对应着古隆起的形成、发展与衰亡,沉积、沉降及后期差异构造变形作用使两侧沉降中心发生迁移,构造古隆起自断陷期开始向西部发生迁移(图2、4),枢纽带的相对位置发生改变,即由原来的古隆起部位演变为斜坡部位。北东走向的秦家屯鼻状构造东部为斜坡,西部为小宽枢纽断层,多期的构造运动叠加引起的变形集中在断裂体系上,其垂向位移较小,断陷期古地貌特征与现今深层构造基本吻合,断陷期为继承古隆起,拗陷期由于地层向中央隆起部位超覆转变为斜坡部位。

3 枢纽带分段性

多期构造应力场转换制约差异构造变形[1],复杂的断裂体系及差异构造变形控制了小宽枢纽带南段和北段具有相似性及差异性。小宽枢纽断裂是松辽南部农安-四家子走滑断裂带南段,其断裂活动性由北向南呈逐渐减弱趋势(图5):北段受强烈的压扭性左行走滑作用发生构造反转,剖面上具有花状构造特征[15];南段表现为挤压作用引起地层褶皱和构造反转。

图5 小宽断裂生长指数柱状图Fig.5 Columnar section of fault growth index along Xiaokuan fault

3.1 枢纽带北段

枢纽带北段主要分布在四五家子及太平庄地区,断裂走向为北东向。晚侏罗世-早白垩世在北西-南东向拉张应力作用下,北段北东向断裂重新活动,白垩系沉积期间具有伸展、走滑性质,白垩纪末转为聚敛左行走滑性质。正断层表现出强烈的挤压反转作用,剖面上呈下正上逆的特征,如四五家子不对称断背斜呈花状构造(图4)。构造反转发育部位多为早期断层较发育部位,其附近断陷层序没发生明显的变形,而沿早期断层上产生了明显位移,上部坳陷层系受挤压产生背斜[14],构造运动产生位移被断裂和褶皱吸收。

3.2 枢纽带南段

枢纽带南段的小宽走滑断裂体系走向为北北东向,平面上呈辫状展布。八屋南部与后五家户之间发育一条长期活动断层,与北段断裂连在一起呈现“Y”字型展布(图6),同时使东侧断凹与西侧主断凹连为一体,湖盆面积增大了一倍[12]。枢纽带南段为农安-四家子走滑断裂尾部,紧邻十屋断陷深凹带,构造伸展与断层下降盘沉积物的负载加积双重作用,产生了一系列走向近南北的东倾次级调节断层,将后五家户背斜分割为若干断块,自西向东依次下掉,成阶梯状展布(图7,剖面位置见图1中剖面线2)。断陷期枢纽带南段正断层规模小,后期强烈挤压反转逆冲量大于裂谷期正断距,逆断距自上向下减小。次级调节断裂仅在登娄库组及泉头组地层轻微反转,构造压应力主要影响褶皱变形,靠近枢纽带的后五家户构造以狭窄形态展布。远离枢纽带的孤家子构造为一宽缓的大型断鼻构造。

图6 十屋断陷枢纽带构造特征Fig.6 Structural features of pivot zone in Shiwu fault depression

图7 后五家户地区枢纽部位地震剖面Fig.7 Seismic settion of structural pivot in Houwujiahu Oilfield

4 十屋断陷枢纽带油气富集条件

4.1 油气有利指向区及良好的保存条件

对于构造活动频繁的叠合盆地,复杂的构造变动导致了构造枢纽部位及与其紧密联系的构造古隆起相对位置发生变化,相对于凹陷构造枢纽部位始终为构造较高的隆起部位及斜坡部位[5],为早期继承性隆起带及晚期挤压背斜带叠合区,相对构造高部位枢纽带始终处于构造稳定部位,对油气调整、聚集及保存具有明显的优越性,被证实为油气较为富集的部位[4,6],十屋断陷围绕枢纽带的中央复式聚集带和东部断隆带为油气最有利富集部位。

枢纽带南段后五家户构造枢纽部位在断陷初期为继承性古隆起,营城组沉积末期发展为背斜构造的翼部即斜坡部位(图7),主要发育潜山和地层圈闭,为早期次级断裂残留高点,在凹陷期受影响不大,具有优越的保存条件。登娄库组沉积末期和嫩江组沉积末期是营城组及沙河子组烃源岩大量生排烃时期,枢纽带断裂活动强烈,断层为油气运移提供良好的通道,深部油气可在营城组及沙河子组聚集形成原生油气藏,也可以运移到上部层系形成次生油气藏。

枢纽带北段断陷期强烈张扭,轴部下沉,枢纽部位成为构造高部位,构造轴部地层厚度大于翼部厚度(图4)。登末运动后,四五家子断裂反转逆冲,轴部成为构造高点,遭受剥蚀,此时轴部地层厚度小于两翼,枢纽部位成为斜坡部位,表明枢纽部位早期为油气的指向区,晚期具有较好的保存条件。

4.2 有利沉积相组合发育

古构造枢纽带为构造坡折带[16],是同沉积构造活动引起沉积地貌突变的地带[17-18],对断陷盆地沉积体系及层序有着重要的控制作用[2,16,18-20]。断陷初期基底断裂沉降速率大,枢纽带南段为凹中隆起区,湖平面高于构造枢纽带,沉积物不断向深凹加积,发育扇三角洲及三角洲前缘砂体[21];枢纽带北段水体较浅,发育三角洲平原及三角洲前缘沉积相。小宽断裂强烈活动,产生明显差异升降及沉积地貌突变,形成了条带状展布的断阶坡折带,控制着枢纽带附近地层厚度及沉积相的突变,如秦家屯扇三角洲沉积相及沉积层序展布[19]。在不同演化阶段枢纽部位有着不同的沉积相域展布:断陷期桑树台断裂强烈活动导致基底沉降加深及沉积地层增厚,枢纽部位为凹陷内古隆起,发育扇三角洲、三角洲前缘沉积相,在枢纽部位易形成有利烃源岩和有利储集相带叠置区[12],如后五家户地区枢纽部位营城组、沙河子组均为扇三角洲沉积,储集条件好,且紧邻生烃凹陷,拗陷期差异沉降使沉降中心、沉积中心不断调整,枢纽部位向构造高部位出现大面积地层超覆,发育了湖相泥岩盖层,具有较好的保存条件;四五家子地区枢纽部位也同样如此,断陷期发育扇三角洲前缘及浅湖相,拗陷期发育一套湖相泥岩,封盖作用较强。

4.3 有利生储盖组合及多类型的圈闭

多期构造运动叠加、多级别断裂及多类型沉积相的发育,有利的储盖组合及多类型油气藏叠置,围绕枢纽带形成了复式油气聚集带。枢纽带南段沙河子组、营城组为继承性古隆起,有利的沉积相带发育了良好储集砂体,且易遭受剥蚀形成风化壳储层;早期发育构造-岩性圈闭及古潜山圈闭,登娄库组沉积末期古隆起逐渐演变为斜坡区,大面积的地层超覆形成的区域性泥岩为营城组盖层,此时期为凹陷区沙河子组及营城组烃源岩成熟时期,油气大量排出,在此时期形成的圈闭中聚集,具有良好的生储盖匹配条件。断裂活动及储盖组合差异性导致纵向上油气分布的差异性,小宽断裂体系的强烈活动,油气藏破坏较为严重,如在四五家子油气田东部强烈构造使原生气藏遭到破坏,油气运移至上部储层,易形成次生油气藏,后期发生构造反转,断裂具有封闭作用,形成下气中油上气的分布格局。

5 结 论

(1)十屋断陷枢纽部位经历了复杂的构造演化,断陷期受盆地张扭拉伸作用枢纽带雏形形成;拗陷期枢纽带处于相对较低部位,地层向中央隆起部位超覆,整体上呈“下断中坳”特征;反转期隆起部位上部地层遭受强烈的侵蚀夷平,反转型差异拗陷作用使断陷剖面呈“上隆顶平”的构造特点。

(2)多期差异构造变形及复杂断裂体系使小宽枢纽带南段与北段具有相似性及差异性。小宽断裂体系兼有伸展、压扭及走滑性质,构造反转发育部位多为早期断层较发育部位,构造运动产生位移被断裂及褶皱吸收,不同的是北段构造变形主要集中在断裂上,而南段则在褶皱上。

(3)断陷盆地构造枢纽部位与古隆起、斜坡带之间存在着密切的关系。不同阶段的隆起部位相叠加,使构造高点不断迁移,枢纽部位与构造高点的相对位置发生变化,枢纽部位相对位置由原来的古隆起部位演变为斜坡部位。

(4)围绕枢纽部位为油气富集区。枢纽部位在早期为构造古隆起部位,是油气的有利指向区;在后期复杂的构造活动中处于斜坡部位,具有优越的保存条件;同时发育多类型圈闭、有利沉积相组合及多套生储盖组合,形成复式油气聚集带。

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(编辑 徐会永)

Hydrocarbon enrichment rules at structural pivot position in rift basin

YU Shun1,2,LÜ Xiu-xiang1,2,LIU Guang-di1,2,XU Hong-jie3,XIE Qi-lai4,LIU Xiao-ping1,2

(1.College of Geosciences in China University of Petroleum,Beijing102249,China;2.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting in China University of Petroleum,Beijing102249,China;3.Northeast Petroleum Bureau,SINOPEC,Changchun130056,China;4.School of Nature Resources and Environment,South China Agricultural University,Guangzhou510642,China)

Shiwu fault depression was taken as an example to discuss the relationship be tween hydrocarbon enrichment and pivot zone in superimposed basin according to its tectonic evolution,the characteristics of main faults and the conditions of hydrocarbon accumulation.The results show that Shiwu fault depression has experienced four stages of the tectonic evolution including extension and compression as faulted period,transition period,depression period,uplift period.Multistage differential structural deformations and fault activity made the south and the north section of Xiaokuan pivot zone different.Tectonic inversion took place in the position where the early faults developed,and the position mainly concentrated in the main fault.Displacement of tectonic movement was absorbed by faults and folds.Superposition of paleouplift at different period caused the high point of the structure migrated,which made the relative position of the structural pivot and high point change.The pivot position being paleouplift in early stage became slope belt,and it was a favorable area for hydrocarbon accumulation in early stage and preservation in late stage.The pivot zone developed various traps,favorable facies assemblage and source-reservoir-cap assemblage,and the multiple hydrocarbon accumulation zones can be formed around the pivot zone.

Shiwu fault depression;structural pivot position;paleouplift;rift basin;hydrocarbon enrichment

TE 122.12

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.02.007

2010-09-16

中国石化东北分公司项目(DBKT2006-YJ-025)

喻顺(1982-),男(汉族),湖北随州人,博士研究生,主要从事油气藏形成与分布规律研究。

1673-5005(2011)02-0039-06