东濮凹陷古近系伸展褶皱及形成机理

陈书平, 韩　煦, 黄新文(1.中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室, 北京 109; .中国石油大学 地球科学学院, 北京109; .辽河油田 勘探开发研究院, 辽宁 盘锦 1010; .中石化 中原油田分公司, 河南 濮阳 57001)

东濮凹陷古近系伸展褶皱及形成机理

陈书平1,2, 韩煦3, 黄新文4
(1.中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249; 2.中国石油大学 地球科学学院, 北京102249; 3.辽河油田 勘探开发研究院, 辽宁 盘锦 124010; 4.中石化 中原油田分公司, 河南 濮阳 457001)

东濮凹陷是一个新生代裂陷盆地, 古近纪为裂陷期, 形成各种各样的褶皱构造及具有潜力的圈闭构造。本文在地震资料解释基础上, 对东濮凹陷褶皱类型进行划分, 讨论褶皱形成机制和油气地质意义。东濮凹陷古近纪褶皱, 按照褶皱轴向与断层走向关系分为纵向、横向和斜向褶皱; 按照褶皱与断层的成因联系, 可划分为断弯褶皱、断展褶皱和变换褶皱等。褶皱作用分三个时期, 即始新世、渐新世和始新世–渐新世。褶皱的形成机理为顺层剪切滑动和切层剪切滑动。褶皱的形成与断层紧密相关, 是断面形态、断层多期活动和断层位移变化的结果。东濮凹陷油气圈闭与褶皱存在直接或间接的关系。

东濮裂陷盆地; 断层; 褶皱; 油气

0　引　言

褶皱是原始水平岩层受外力作用而形成的永久性波状弯曲, 在含油气盆地中, 它可以形成构造圈闭。如果是同沉积背斜, 则又控制着岩性圈闭。褶皱通常与断层相伴产出, 且多数形成于收缩和扭压的构造背景之下, 近年来的研究表明, 褶皱构造可广泛发育于伸展构造背景下(Schlische, 1995)。

逆牵引是最早提出的伸展褶皱(Hamblin, 1965),随后发现伸展盆地中, 存在多方向、多性质的褶皱构造。Schlishe (1995)将其划分为断弯褶皱、正牵引褶皱、逆牵引褶皱、横向褶皱、断展褶皱和压实披覆褶皱。Janeckeet al. (1998)先根据褶皱长轴与主断裂走向的关系划分为纵向褶皱、横向褶皱和斜向褶皱。然后, 再分出断弯褶皱、断展褶皱、均衡褶皱、横向褶皱、构造变换带褶皱、横向收缩褶皱、转换伸展褶皱等多种类型。我国学者也开展了伸展褶皱的研究工作(杜旭东等, 1999; 汪新文, 2008; Chen et al., 2010; 陈书平等, 2010, 2013), 并提出伸展褶皱的分类方案, 讨论其油气地质意义(杜旭东等, 1999;汪新文, 2008)。在所有这些研究工作中, 都关注褶皱与断层的几何关系和成因联系, 但很少讨论褶皱机理(Dula, 1991; Xiao and Suppe, 1992)及不同褶皱机理形成的褶皱在形态上的差异, 而这在石油勘探和开发上具有重要意义, 因为不同的褶皱机理会伴生不同的微断裂系统。

东濮凹陷是一个新生代伸展裂陷盆地, 始新世–渐新世为其主裂陷阶段, 新近纪以来进入坳陷阶段(漆家福等, 2006; 陈书平等, 2007; Chen et al., 2013)。盆地自东而西划分为兰聊断层带、东部次凹带、中央构造带、西部次凹带、西部斜坡带等 5个次级构造单元(图1)。油气资源评价证明, 东濮凹陷具有丰富的油气资源量, 剩余资源量丰富, 其中剩余石油资源量为7.19×108吨、剩余天然气资源量为2506.6×108立方米, 剩余油气资源丰度为 18.3×104吨/平方公里。盆地的油气主要储集在古近系中, 油气圈闭直接或间接地与褶皱有关, 是研究褶皱机理和褶皱与油气关系的理想地区。

本文基于地震资料, 在分析东濮凹陷褶皱类型和分布的基础上, 总结裂陷盆地成因机制及不同成因机制形成褶皱的特点。同时, 结合东濮凹陷褶皱的勘探实践, 分析褶皱与油气聚积的关系。

1　褶皱类型及形成时间

东濮凹陷古近系的褶皱, 根据褶皱与盆地长轴或主干断层的几何关系, 划分为纵向、横向和斜向褶皱(表1, 图1)。纵向褶皱长轴与主断层走向一致,横向褶皱长轴与主断层走向垂直, 斜向褶皱长轴与主断层走向既不平行, 也不垂直。从褶皱与断层的成因联系上看, 有断展褶皱、断弯褶皱、中央斜向背斜、变换斜坡和雁列式褶皱。纵向断弯褶皱又包括与铲式正断层相关的滚动背斜和与坡坪式断层相关的断坪背斜。

表1　东濮凹陷古近系褶皱类型划分表Table 1　Fold types of the Paleogene period in the Dongpu Sag

图1　东濮凹陷盆地结构及褶皱分布图Fig.1　Tectonic units and folds in the Dongpu Sag

1.1纵向断弯褶皱(L)

褶皱长轴平行于断裂走向, 是断层面在倾向方向上由浅到深倾角变化引起的褶皱。当断面为凹形时, 形成滚动背斜。

东濮凹陷的形成演化受兰聊断层及其相关的基底滑脱断层控制, 兰聊断层为铲式断层, 上盘发育沿中央构造带分布的滚动背斜(图1)。北部兰聊断层伴生反向调节断层; 从地层厚度上看, 沙三段–东营组楔形体明显, 反映了滚动背斜的发育时期(图2a)。南部, 次级断裂较发育, 且两组断裂呈“X”型; 从厚度上看, 始新统–渐新统, 尤其是沙四段–沙三段厚度变化明显, 反映了褶皱发育期(图2b)。值得注意的是, 中央构造带南部褶皱的发育也与兰聊断层的坡坪式断面形态有关(Chen et al., 2011)。

东濮凹陷还有一些次级断层, 如文东断层、桥东–马东断层等也都伴生断弯式滚动背斜, 对局部含油构造的形成起控制作用。

1.2断展褶皱

东濮凹陷典型的断展褶皱位于中央构造带北部的濮城构造(图1)。该构造为一NE-SW向的长轴背斜, 与濮城断层活动有关(图 3)。地震剖面显示, 濮城断层在沙三段盐下断距大, 活动性强, 盐上断距小, 活动性弱, 各断层向上发散、向下收敛成一条,表现为濮城断层的分支断层, 倾角约 30°～55°(图3b)。从地层厚度及褶皱幅度上看, 其发育时间为渐新世(陈书平等, 2015)。另外, 盆地南部马场一带可能也发育断展褶皱。

1.3横向断弯褶皱(T)

兰聊断层断面的起伏变化, 直接影响着东濮凹陷的构造样式(漆家福等, 2006)。NW-SE方向(与断层走向垂直)上的断面形态变化伴生了纵向断弯褶皱。沿NE-SW向(与断层走向平行), 上盘多处发育横向断弯褶皱, 如辛庄构造、白庙构造、毛岗构造等, 其中以白庙构造规模最大(图1, 图4)。这些褶皱都位于兰聊断层断面变浅的部位。从白庙构造看, 褶皱发育时期为古近纪, 主要发育期为始新统沙三段沉积时。

1.4中央斜向背斜

中央斜向背斜以长垣断层和黄河断层之间的何家集地区发育最为明显(图5)。长垣断层和黄河断层是盆地主干断层, 相向倾斜, 沿走向上两断层间的位移变化, 形成了夹持期间的斜向背斜。从地层厚度上看(图6), 背斜发育时间为始新世–渐新世。

1.5变换斜坡

同向倾斜、雁列式或侧列式断层间的叠合部位,由于两断层间位移的传递, 常引起岩层的弯曲现象,发生褶皱作用。该褶皱岩层常常表现为一个斜坡,称为变换斜坡。东濮凹陷最明显的变换斜坡发育在西斜坡北部(图1, 图7), 构造带内断层走向NE-SW,倾向南东, 断层叠合部位发育变换斜坡(陈书平等, 2007), 斜坡倾向北东。断层两盘的地层显示, 变换斜坡形成于沙三段沉积期, 局部发育时间延续到渐新统早期的沙二段沉积期。

图2　东濮凹陷纵向断弯褶皱典型剖面图Fig.2　Typical cross sections for the longitudinal fault-bend folds in the Dongpu Sag

图3　濮城构造沙二段底面构造图(a)及代表性剖面图(b)Fig.3　Structural contour map (a) of the bottom of the second member of the Shahejie Formation in the Pucheng structure and a representative section (b)

1.6雁列式褶皱

东濮凹陷渐新世曾受到右行走滑作用的影响(Chen et al., 2011), 西斜坡北部, 单一断裂走向自NE向转变为NEE向, 多条断层组合成左阶雁列式,雁列式断层上盘出现受此断层影响的向斜构造, 这些向斜构造呈雁列式排列, 构成一组左阶雁列褶皱(图8), 其发育时期为渐新世。

综上看出, 纵向滚动背斜主要沿中央构造带分布, 横向断弯褶皱主要沿兰聊断层分布, 都受兰聊断层的控制。西部次凹带南部和东部次凹带北部局部地区, 发育中央斜向背斜; 西部次凹带北段和西部斜坡带北部, 发育斜向(雁列式)褶皱和变换斜坡。断展褶皱主要发育在中央构造带北部的濮城地区,南部马厂一带也有所发育。

图4　白庙构造T62反射层(沙三段二亚段底)等深线图(a)和剖面图(b)Fig.4　Structural contour map (a) of the T62reflector (base of the second sub-member of the third member of the Shahejie Formation (E2s32)) in the Baimiao structure and a representative section (b)

从褶皱发育时间上看, 东濮凹陷伸展褶皱形成可以划分为三个时期, 即始新世(早期)、渐新世(晚期)和始新世–渐新世(长期)。纵向断弯褶皱、中央斜向背斜和横向断弯褶皱发育时间为始新世–渐新世,为长期褶皱。西斜坡带北部的变换斜坡形成于始新世, 局部发育到渐新世早期, 为早期褶皱; 西部次凹带北部的雁列褶皱和东部次凹带的断展褶皱形成于渐新世, 为晚期褶皱。

2　褶皱机制

2.1岩层面弯曲机制

岩层面的弯曲, 从受力情况看, 有两种端元模式(图 9), 即顺层挤压和垂直挤压(拉张或底辟)。从物质运动方式上看, 一是顺层剪切, 是纵弯褶皱的主要形式; 二是切层剪切, 或者是垂直简单剪切,或者是斜向简单剪切。

图5　东濮凹陷南何家地区沙三段2亚段顶面构造图Fig.5　Contour map of top of the second sub-member of the Shahejie Formation (E2s32) in the Nanhejia oblique anticline of the Dongpu Sag

顺层挤压–顺层剪切时, 形成平行褶皱(图9a)或顶厚褶皱(图9b)。顺层挤压–切层剪切时, 形成膝折带, 褶皱为平行褶皱或相似褶皱(图9e)。

垂直挤压即挤压力与原始水平层面垂直, 水平拉张或底辟作用符合该条件, 因为在此条件下, 最大主应力是铅直的(Zoback, 2007; Twiss and Moores, 2007)。伸展作用下形成的铲式正断层上盘发生变形时的应力条件, 就符合垂直挤压条件。在此作用下,如果发生顺层剪切时, 形成平行褶皱(图 9c); 存在物质流动时, 形成半个顶薄褶皱, 类似于一个底辟背斜的一半(图9d)。如果发生切层剪切, 或者是垂直简单剪切, 或者是斜向简单剪切, 形成的褶皱为相似褶皱(Dula, 1991)。

对于伸展褶皱来说, 区别顺层剪切和切层剪切形成褶皱的标志有: (1)如果在露头区, 则在层面上可以观察是否存在垂直于褶皱轴的擦痕、顺层节理和旋转节理, 如果存在, 则为顺层剪切; (2)观察垂直层面厚度和平行轴面厚度的变化, 如果厚度不变或出现顶薄褶皱, 则为顺层剪切; 如果出现相似褶皱, 则为切层剪切; (3)观察断层, 如果切层断层发育, 则应属于切层剪切。一组断层发育且断层倾向与主断层相反时, 为反向简单剪切; 一组断层发育,且倾向与主断层一致时, 为同向简单剪切; 两组断层同等发育时, 则为垂向简单剪切(Dula, 1991)。值得注意的是, 这里的褶皱形态指的是前生长地层, 对于生长地层来说, 厚度变化则可能比较复杂, 因为在靠近断层的地方厚度总是增大, 这时要仔细分析厚度变化及伴生的断层, 再来判断褶皱的形成机理。

切层剪切情况下(图 10), 若考虑面积守恒, 原始水平岩层变形后, 岩层长度和厚度与变形前岩层长度和厚度的关系为

式中, l0、h0为原始层长及厚度, l1、h1为变形后层面长度及厚度, 剪裂角(滑动面与铅直线夹角)为 α, 岩层倾角为 β。可以看出, 变形后, 倾角越陡, 垂直岩层面厚度越小。

东濮凹陷的褶皱发育于始新世‒渐新世, 期间盆地经历了NW-SE向伸展, 渐新世时叠加了右旋走滑作用(Chen et al., 2011, 2013)。从岩层厚度和断层发育情况看, 东濮凹陷褶皱存在两种机理, 一是顺层剪切机理, 二是切层剪切机理。濮城断展褶皱属于顺层剪切机理, 这些褶皱翼部很少发育与褶皱长轴平行的断层, 且前生长地层厚度保持不变。

图6　东濮凹陷南何家地区联合地质剖面(位置见图5)Fig.6　Sections of the Nanhejia oblique anticline in the Dongpu Sag (see Fig.5 for locations)

中央构造带北部的纵向断弯背斜, 褶皱机理为反向简单剪切, 即剪切滑动面的倾向与兰聊断层相反。如图2a的滚动背斜, 寒武系–奥陶系、石炭系–二叠系和三叠系的厚度从顶部到翼部存在厚度变化,顶部厚, 翼部薄, 是切层剪切的结果。东濮凹陷6个砂泥岩实验样品测得内摩擦角平均为 37°, 剪切角为26.5°。现今寒武系底界地层倾角为30°。根据公式(2)计算得到褶皱顶部厚度(代表变形前厚度)与翼部厚度(变形后厚度)之比为 0.625, 实际测得两者的厚度比为 0.66, 符合反向简单剪切褶皱模型(图10)。该反向简单剪切变形机理也得到了“桁架法”作图的验证(Dula, 1991; 肖华, 2013)。西部斜坡带北部的走向斜坡和西部次凹带北部的雁列褶皱也是这种褶皱机理。

中央斜向背斜(变换褶皱)(图6)、中央构造带南部(图 2b)以及白庙横向褶皱, 变形机理属于垂直简单剪切, 因为从伴生断层看, 两组断层相互切割呈共轭状, 可认为是垂直简单剪切(Dula, 1991)。

图7　东濮凹陷变换斜坡分布图(T63反射层, 相当于沙三段3亚段底)Fig.7　Distribution of relay ramps in the Dongpu Sag (T63reflector, the base of the third sub-member of the third member of the Shahejie Formation)

2.2弯曲条件

伸展褶皱都与断层伴生, 层面的弯曲是重力作用的结果, 重力作用的环境各有不同。从东濮凹陷褶皱发育情况及与断层关系来看, 划分出与断面形态相关的(即断弯褶皱, 包括纵向和横向)、与断层再活动有关(断展褶皱)以及与断层位移变化和传递有关的(位移褶皱)(图11)。

断弯褶皱与单一断层有关, 断弯包括倾向方向上和走向方向上断层面的弯曲。凹形断面形成滚动背斜(图 11a-1), 坡坪式断面形成断坡背斜(图11a-2)。走向上断层面的弯曲, 形成横向断弯褶皱(图11a-3)。

断展褶皱也与单一断层有关, 是隐伏断层作用形成的。早期活动断裂在后期一定阶段停止活动, 然后再次活动, 就会出现下部断裂, 上部褶皱的现象(图11b)。这种情况经常需要塑性层, 如盐岩的存在。

位移(变换)褶皱是指当存在多条侧列或雁列式断层时, 在断层叠合部位发生的褶皱作用(图 11c),其类型视两断层的倾向关系而定: 同向倾斜形成变换斜坡, 相向倾斜形成中央斜向背斜, 相背倾斜形成地垒凸起。

图8　文留地区沙一段(E3s1)等厚图及雁列式洼陷Fig.8　Isopach map of the first member of the Shahejie Formation (E3s1) and en echelon depressions in Wenliu

3　褶皱与油气关系

3.1褶皱与油气聚积

截至 2010年, 东濮凹陷估算的油总资源量为 12.37亿吨, 探明储量占 44%; 气总资源量为3675亿立方米, 探明占17%。东濮凹陷油气富集构造与背斜(褶皱)存在着直接或间接的关系(图12)。濮城含油气构造是典型的被断层复杂化的背斜, 是整装背斜型油气圈闭。文留构造位于中央构造带中段,油气储量均排第一位, 其油气藏类型为断块, 但该含油气构造是发育在滚动背斜的背景上。胡状集油田发育在西斜坡带的变换斜坡上, 白庙油田发育在兰聊断层上盘的横向背斜上。

图9　褶皱形成机理及褶皱形态Fig.9　Fold mechanisms and fold geometric shapes

油气的聚集成藏以及保存与多种因素有关, 如烃源岩的发育、储盖层的发育等。东濮凹陷油气主要聚集于北部有其原因, 如主要生油区位于北部,作为盖层的盐岩发育在北部, 北部褶皱构造发育,且构造形成时间与烃源岩排烃时间匹配好。

图10　简单剪切变形模型Fig.10　Simple shear deformation model

图11　东濮凹陷伸展褶皱形成条件Fig.11　Geological settings of the extensional folds in the Dongpu Sag

东濮凹陷北部含油构造与褶皱的关系, 对南部的油气勘探不无启示。如果不考虑烃源岩发育情况,仅从圈闭情况看, 西部次凹带南部, 发育好的褶皱构造, 即中央斜向背斜(图1)。这些背斜位于凹陷中央, 构造位置与濮城构造类型, 应该具有捕获油气的良好条件。尽管目前还没有大的油气发现, 但由于其构造位置和圈闭类型都好, 因此是不容忽视的构造区。

3.2褶皱与裂缝发育

不同机理形成的褶皱, 伴生不同类型的节理或亚分辨断层, 也就影响着油气的运移和富集。在层平行褶皱中, 褶皱翼部发育顺层节理, 旋转节理, 转折端弯曲层外侧形成张节理(朱志澄, 2006)。从转折端到翼部, 节理有规律地发育(Cosgrove and Ameen, 2000)。

在切层剪切褶皱中, 多发育的是切层节理或亚分辨断层, 会对储层的储积物性和油气运移产生重要的影响, 在开发过程中值得重视。

图12　东濮凹陷主要含油气区储量分布直方图Fig.12　Histogram of reserves in the major petroleum-bearing areas in the Dongpu Sag

4　结　论

东濮新生代裂陷–凹陷盆地, 在古近纪裂陷阶段伴生伸展褶皱构造。这些褶皱构造对于认识盆地构造特点和形成演化具有重要意义, 同时它们形成了良好的储油气构造。

东濮凹陷的伸展褶皱构造, 按与控制断层关系看, 可划分为受单一断层控制和受两条断层控制。按与断层走向关系, 可划分为纵向褶皱(褶皱长轴与断层平行)、横向褶皱(褶皱长轴与断层走向垂直)和斜向褶皱(褶皱长轴与断层走向斜交)。按与断层的成因联系, 划分为断展褶皱、断弯褶皱和传递褶皱等。

从褶皱分布上看, 东濮凹陷北部有纵向断弯褶皱(滚动背斜)、横向断弯褶皱、变换斜坡、断展褶皱和雁列褶皱。南部则主要是纵向断弯褶皱(滚动背斜和断坡背斜)和中央斜向背斜。从褶皱发育时间上看,变换斜坡形成于始新世, 雁列褶皱和断展褶皱形成于渐新世, 其余褶皱形成于始新世–渐新世, 始新世为主要发育期。

东濮凹陷(及类似裂陷盆地)的伸展褶皱都与断层伴生, 是重力作用的结果。变形机理为顺层剪切滑动和切层剪切滑动, 不同机理形成的褶皱几何形态和伴生构造有所不同。形成重力作用的条件受断层面几何形态的影响、或者受多期活动断层、或者受断层位移变化和传递的影响。

东濮凹陷主要的聚油构造都直接或间接与褶皱有关, 目前尚未取得重要发现的褶皱构造, 如西部次凹带南部的中央斜向背斜是值得注意的勘探目标。另外, 不同方式的褶皱, 内部微断裂系统不同,在开发过程中值得注意。

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Paleogene Extensional Folds in Dongpu Sag and Their Folding Mechanism

CHEN Shuping1,2, HAN Xu3and HUANG Xinwen4
(1. State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2. College of Geosciences, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 3. Exploration and Development Institute of Liaohe Oilfield, Panjin 124010, Liaoning, China; 4. Zhongyuan Oil Company, Sinopec, Puyang 457001, Henan, China)

The Dongpu Sag is a Cenozoic rift-depression basin developed in the Paleogene, within which the folds are plausible loci for petroleum exploration. Based on seismic interpretation, the folds were classified. Folding mechanisms were analyzed and the implication of folds in petroleum was discussed. Many extensional folds in the Dongpu Sag formed in the Paleogene. In terms of the geometric relationship between the folds and their master faults, the folds can be divided into longitudinal, transversal and oblique ones. According to the main controlling factors, the folds can be divided into fault-bend, fault-propagation and transfer. There were three folding stages, the Eocene, the Oligocene and the Eocene-Oligocene. The folds were formed through bed-parallel shear and bed-across shear as the results of changes in geometry, poly-phase activity, and displacement of the faults. The oil and gas traps in the Dongpu Sag were associated with the folds.

Dongpu rift; fault; fold; oil and gas

P542

A

1001-1552(2016)05-0908-011

10.16539/j.ddgzyckx.2016.05.001

2015-04-20; 改回日期: 2015-08-26

项目资助: 国家自然科学基金项目(41172124)资助。

陈书平(1965–), 男, 教授, 从事构造地质学和盆地构造分析等的教学和科研工作。Email: csp21c@163.com