渤海海域古近纪断裂活动对烃源岩的控制作用

2015-05-14柴永波李伟刘超王光增徐珂

断块油气田 2015年4期

柴永波，李伟，刘超，王光增，徐珂

（1.中海石油（中国）天津分公司，天津 300452；2.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580）

0 引言

渤海海域油气资源丰富，其油气勘探前景备受关注[1-7]，但古近纪断裂体系复杂，单从几何学特征描述不够全面[8-9]，可以从运动学和动力学特征对断裂体系的动态发育过程进行研究。文中结合渤海海域现有的烃源岩资料[10-11]，探讨渤海海域断裂活动对烃源岩的控制作用，为在进一步研究断裂体系的基础上预测优质烃源岩发育的有利区带提供了新的方法思路和理论依据[12]。

罗群等在1998年提出了“断裂控烃”的概念，认为“断裂是控制油气生成、运移、聚集、保存和分布的根本原因”，并把能控制烃源岩形成、演化和分布的断裂定义为控源断裂[13]。在此基础上，许多学者关于渤海海域断裂活动对烃源岩的控制作用做了相关研究[14-19]，但范围仅局限于郯庐断裂等单一断裂或者渤中凹陷等单一凹陷，缺乏相关因素具体的差异性对比，因此有必要具体深入地结合断裂活动特征和烃源岩各要素，依照渤海海域同一凹陷不同层段，同一层段不同凹陷，以及同一层段不同盆地类型按照一定的顺序进行差异性对比，直观、明确地显示渤海海域断裂活动对烃源岩的控制作用，进一步丰富断裂控烃的规律性研究。

1 渤海海域古近纪断裂活动特征

渤海海域位于渤海湾盆地东侧的中部，在郯庐断裂和沧东断裂之间，海域面积约4.2×104km2[1]。其中含有黄骅坳陷东缘、埕宁隆起北缘、济阳坳陷东北缘、渤中坳陷和下辽河坳陷的西南部分等5个一级构造单元，坳陷内分布有多个凸起和凹陷构造单元[2]（见图1）。

图1 渤海海域构造单元区划及测线位置

为了明确不同构造阶段的控盆断裂体系及其发育强度，选取渤海海域60余条主要断裂近400个测线点统计断层落差和断层活动速率2个参数，对该区主要断层的活动性进行定量分析。对不同方向、不同性质的控凹断裂的垂向活动性进行分析，认为渤海海域主要发育4个方向的主干断裂，即NNE—SSW向、NE—SW向、NW—SE向和近EW向；从不同方向断裂的平均断层活动速率统计中发现，整体上断裂多在Ek—Es4期开始活动，且在Es3期活动达到峰值，随后垂向活动逐渐减弱，但NNE—SSW向主干断裂在Ed期相对于Es2+Es1期垂向活动性有所增强。

古近纪各地质阶段的断裂体系具有继承性活动的特点，但各时期活动断裂体系又存在差异[20]。 1）Ek—Es4期为主干断层形成初期。渤中西部、渤西地区近EW和NW向断裂部分活动，但垂向活动性较强；东部NNE向断裂普遍活动，但活动性较弱，活动速率多低于50 m/Ma。2）Es3期为渤海海域各断裂古近纪垂向活动性最强的时期。断层普遍垂向活动，整体上，近EW和NW向断裂垂向活动速率普遍大于150 m/Ma，仍强于NNE和NE向断裂（活动速率一般小于150 m/Ma）。 3）Es2—Ed期整个断裂体系与前期具有继承性，但活动强度有所差异。与Es3相比，整体上断裂垂向活动性都减弱，且各方向断裂垂向活动强度相近，活动速率一般小于等于50 m/Ma，次级断裂普遍活动。

2 断裂活动控制下烃源岩的发育和展布

邱楠生等2010年对渤海海域源岩发育和分布特征进行了比较详尽的评价和预测，认为该区主要分布东二段与东三段、沙二段与沙一段、沙三段及孔店组与沙四段等4套烃源岩[21]。在此基础上，笔者补充探井岩性和石油地化资料120余口，并查阅相关文献对图件进行修改和校正，得出了更准确的渤海海域暗色泥岩厚度及有机质丰度、类型和成熟度的展布规律。

2.1 Ek—Es4段

该段发育的泥岩为潜在的烃源岩，但仅有其厚度数据，暗色泥岩出现在渤中凹陷的周缘地区，如辽东湾、歧口、莱州湾地区，这些都是伴随主干断裂活动发生裂陷作用的地区。

2.2 Es3段

该段对应的地质时期内，断裂活动最强且活动持续时间较长，接受深湖或半深湖相沉积，气候潮湿，物源和水供应充足，发育了富含藻类的腐泥型（Ⅱ1和Ⅱ2型为主）有机质较高的暗色泥岩（最厚可达800 m以上），是渤海海域的主力烃源岩。各局限深洼有机质质量分数较高。其中：沿张家口—蓬莱断裂最高，呈长条状沿断裂NW向分布，有机碳质量分数最高可达4.0%；辽东湾有机碳质量分数相对较低，最高3.0%，且分布局限。有机质沿以上断裂呈条带状发育。其中：以窄长型湖盆发育最好，如辽东湾坳陷，多以Ⅱ1和Ⅰ型为主；宽泛湖盆如渤中凹陷，紧邻断裂处，发育较好；而其余区域则以Ⅱ2型为主。

2.3 Es2—Es1段

有机质的沉积和保存受气候和断裂双重作用影响，且受断裂活动作用影响明显。由于断裂活动性减弱，有机碳质量分数高值区（3.0%～3.5%）与沙三段相比明显减小；由于近EW向和NW向断裂活动性较强，故有机碳质量分数高值区多集中在郯庐断裂西侧的NW或近EW向断裂附近，与断裂近平行展布。有机质类型与沙三段类似，依然沿郯庐断裂和张家口—蓬莱断裂呈条带状发育，只是局部范围Ⅱ1型进一步扩大，如渤中凹陷，其余凹陷相差不大。

2.4 Ed段

该段对应东营期，受早期NNE向郯庐断裂右旋走滑—伸展作用加强，以及共轭的NW向张家口—蓬莱断裂左旋走滑—伸展共同作用影响，暗色泥岩厚度增大（最厚可达1 400 m），渤中凹陷最发育，其次为辽东湾坳陷，整体呈NNE向展布。有机碳质量分数总体较低，局部高值可达2.5%，辽东湾依然相对较低，且整体向辽中凹陷偏移，局部高值位于辽西凸起内部小洼陷。有机质类型与有机碳质量分数相似：张家口—蓬莱断裂南支以南以Ⅱ2型为主，往北则以Ⅱ1型为主，紧邻断裂处多发育Ⅰ型；辽东湾地区，仅辽中凹陷发育较好，以Ⅱ1型为主，辽西凹陷以Ⅱ2型为主，辽东凹陷则以Ⅲ型为主。该时期由于其厚度较大，构成渤海海域第2套主力烃源岩。

就断裂活动对烃源岩发育演化的控制作用而言，某一时期的断裂活动跟现今有机质的成熟度没有太大联系，但断裂活动引起的区域沉降和热作用，对烃源岩的成熟和演化起着重要作用，尤其是断裂继承性发育导致的持续沉降，持续沉降作用剧烈的地区往往成熟度较高[14]。渤海海域自孔店组以来成熟度逐渐减小，并以渤中凹陷为高值向外逐渐递减，到沙南凹陷附近又有所增加。

3 断裂活动控制作用的差异性

为了更直观地显示断裂活动与源岩发育和演化的关系，对渤海海域典型凹陷不同时期源岩要素进行了统计，并与其附近的断层落差、断层活动速率及由断层的长期活动导致的现今构造沉降量进行对比，来分析控制作用在不同要素间的差异性。

3.1 断层落差与暗色泥岩厚度

断层落差控制着断层上、下盘地层的厚度差，尤其在盆地发育早期，控凹断裂的落差就等于地层发育的厚度。Es2—Ed期为渤海海域的断坳转换期，通常，凸起上Es2—Es1期地层发育零星，到东营期地层才基本全部覆盖。

3.1.1 同一凹陷不同层段

各凹陷断层落差与源岩厚度有很好的正相关关系（见图2），其中莱州湾凹陷由Es2—Es1到Ed出现了不一致的趋势，这是由于Es3之后莱州湾凹陷沉积中心由莱北断裂逐渐转为莱州东支断裂控制，落差有所减小但暗色泥岩一直在沉积。值得注意的是，单一凹陷断裂活动仅控制源岩发育的趋势，并没有明确的数值关系，因此源岩发育除受断裂活动主因素的控制外，还可能与气候和物源有关。

图2 同一凹陷不同层段断层落差与暗色泥岩厚度对比

3.1.2 不同凹陷同一层段

不同凹陷同一层段断层落差与暗色泥岩厚度两者具有很好的正相关关系（见图3）。南北方向上（见图3a），断层落差和暗色泥岩厚度高值都由莱州湾凹陷向渤中凹陷迁移；东西方向上（见图3b），渤中凹陷自孔店组—沙四段以来都是高值区，可见渤中凹陷受NNE向郯庐断裂和NW向张家口—蓬莱断裂共轭剪切作用影响明显，断裂活动性强且暗色泥岩很发育。

3.1.3 不同类型盆地同一层段

对于不同类型盆地同一层段而言，双向断裂控盆有机质发育要优于单向断裂控盆，例如：由NNE和NW向共轭走滑断裂控盆的“斗状”盆地（渤中凹陷）发育最好，强烈拉分时期的走滑拉分盆地（莱州湾凹陷）发育次之。就单向断裂控盆也有差异性，以NNE向断裂为主支、NE向断裂为次支的“帚状”构造体系（渤东凹陷）发育最差。另外，辽中凹陷为NNE向断裂控制的“堑垒”构造体系，沙南凹陷为NW向早期伸展晚期走滑断裂控制的盆地（见图3）。

图3 不同凹陷同一层段的断层落差与暗色泥岩厚度

3.2 断层活动速率与有机碳质量分数

快速的断裂活动可以短时间内形成欠补偿深水湖盆，易于形成还原—半还原环境，从而利于有机质的富集和保存，断层活动速率应该与有机碳质量分数具有较好的相关性。统计结果表明，断层活动速率与有机碳质量分数在同一凹陷不同层段、不同凹陷同一层段和不同盆地类型同一层段，均具有同断层落差与暗色泥岩厚度类似的、很好的正相关关系。

从不同凹陷同一层段来看：

1）Es2—Es1时期，尽管断层活动速率较小，但具有较高的有机碳质量分数，这说明有机质的富集与否，还与其形成时的古气候和湖泊的生产力以及水介质条件有关。具体原因主要是，Es2干燥的气候环境导致湖水咸化，从而在水体不深的情况下有机质得到保存；而Es1则延续了这种咸化环境，且湿润的气候使藻类含量增高，促成了高的生产力。因而，Es2—Es1期，断层活动速率与有机碳质量分数之间的关系普遍异常。尽管断层活动速率和有机碳质量分数之间的变化趋势相同，但没有明显的数值比例关系。

2）Es3—Ed期，东西方向上，有机碳质量分数高值区由渤中凹陷转为沙南凹陷，又转回渤中凹陷；南北方向上，则一直集中于渤中凹陷。

3.3 现今构造沉降量与源岩成熟度

从同一凹陷不同层段来看，辽中凹陷和渤中凹陷各构造层顶面源岩成熟度最高，辽东凹陷最低。从不同凹陷同一层段来看，现今构造沉降量与源岩成熟度在东西、南北方向上高值均集中在渤中凹陷。从不同盆地类型同一层段来看，现今构造沉降量和源岩成熟度双向断裂控盆依然优于单向断裂控盆，就单向断裂控盆的盆地而言，以NNE为主支、NE向断裂为侧支的 “帚状”构造体系（渤东凹陷）较好，NNE向控盆的“堑垒”构造体系（辽中凹陷）和NW向早期伸展晚期走滑断裂的盆地（沙南凹陷）相差不大，而以NNE向走滑断裂控盆的走滑拉分性质盆地（莱州湾凹陷）最差。

3.4 控凹断裂对不同构造带源岩发育的影响

为了研究在同一层段垂直于控凹断裂方向（即同一凹陷同一层段不同构造带）的源岩发育规律，选取了5个典型凹陷沙三段不同构造带的源岩各要素进行了数据统计，并建立了相对应的柱状图（见图1、图4）。由图4可以看出，不同盆地结构类型各构造带源岩要素的发育特征相差不大，均表现为由缓坡带向紧邻控凹断裂的洼陷带源岩各指标逐渐变好。其中，双断式盆地（渤中凹陷）洼陷带各要素相比单断式盆地要好，中央隆起带各要素比两侧略差（沙南凹陷（西））。

图4 不同盆地结构类型各构造带源岩要素发育特征

以渤南地区莱州湾凹陷为例，有效烃源岩主要来自Es3下亚段和Es4上亚段暗色泥岩。受基底断裂莱北断裂在Ek期的继承性活动影响，该期断层落差和断层活动速率显示较高值，并且凹陷内垦利1号和垦利2号断裂均有活动，形成了中央隆起带。由此，预测莱州湾凹陷内中央隆起带两侧北部洼陷带和南部洼陷带Ek中2亚段可能为烃源岩层，具体位置见图5。与此类似，黄河口凹陷Ek上1亚段可能为烃源岩层。

图5 莱州湾凹陷主力烃源岩和预测烃源岩层位

5 结束语

分析表明，虽然渤海海域古近纪烃源岩的发育是受物源、气候、火山作用及断裂活动等多种因素影响的，但断裂活动与烃源岩的各要素间在同一凹陷不同层段和不同凹陷同一层段表现出很好的正相关性；从不同盆地类型和同一凹陷不同构造带内源岩发育的差异性对比可以看出，断裂活动作为主控因素，控制着渤海海域古近纪烃源岩的发育和展布。这就为以后深入精细地研究该地区断裂活动特征，并预测其烃源岩的发育提供了方法思路和理论依据。

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