渤南低凸起北坡坡折带特征及其沉积充填响应

2017-01-19杨悠然杨香华朱红涛官大勇曾智伟

现代地质 2016年5期

杨悠然，杨香华，朱红涛，李森，官大勇，王昕，曾智伟，雷鸣

(1. 中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室，湖北武汉 430074；2.中国地质大学 (武汉)资源学院，湖北武汉 430074；3.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

杨悠然1,2，杨香华1,2，朱红涛1,2，李森1,2，官大勇3，王昕3，曾智伟1,2，雷鸣1,2

渤南低凸起北部东二下段发育多种类型的沉积体，与坡折带的结构与演化密切相关。东二下段沉积时期，渤南低凸起北部斜坡带发育一个完整的坡折带沉积旋回：坡折带演化早期，即东二下段沉积早期，渤南低凸起北部斜坡上有断裂活动，斜坡坡度较大、起伏不平，发育一些古沟谷与洼地，其内堆积了近源碎屑物，在地震剖面上可见古沟谷内充填杂乱或蠕虫状地震反射体；坡折带演化晚期，即东二下段沉积晚期，伴随着准平原化斜坡被填低补齐，演变为沉积物的搬运通道，碎屑物借道斜坡被带到洼陷内部沉积，发育一系列高角度前积地震反射体。东二下段沉积早期斜坡内部古沟谷充填的杂乱或蠕虫状的地震反射体为近源快速堆积的产物，主要分布在第一坡折带内；东二下段沉积晚期洼陷内部发育的高角度前积地震反射体为远源沉积，主要分布在第二坡折带内。渤南低凸起北部斜坡带发育典型的坡折带演化旋回，空间上不同成因地震异常体从斜坡带向洼陷内转移，共同构成一组具有成因联系的坡折带-沉积复合体。

渤南低凸起；坡折带；古沟谷；沉积体

0 引言

近年来，渤中凹陷古近系石油勘探程度不断提高，勘探的主要领域逐渐转移到湖盆的断陷以及坳陷部位[1]，但勘探难度越来越大，呈现的问题也逐渐增多。随着三维地震覆盖范围扩大，在渤南低凸起北坡及洼陷内部发现一系列地震异常体。这些地震异常体主要位于东二下段。通过分析坡折带结构及其演化，明确上述地震异常体空间展布与地质属性，对于勘探部署工作将起到重要的参考意义。渤南低凸起北部斜坡带具有明显的坡折带特征，两种类型和位置不同的坡折带控制了构造区东二下段沉积过程中不同类型砂体的堆积。

坡折带(slope-break zone)最早起源于地貌学概念，指地形坡度发生突变的地带[2]。国外对坡折带研究的起步较早，Howell等研究认为在伸展盆地中被动大陆边缘陆架坡折可等同于断层转换带和同沉积断裂作用[3]；LEMONS等主要阐述了断陷湖盆边缘斜坡和不同体系域组合类型的关系[4]；GALLOWAY的研究主要表明了大陆斜坡对沉积体系的调控作用[5]。林畅松等人深入研究了沾化凹陷和东营凹陷第三系通沉积断层以及不同坡折类型组合对沉积体系展布的控制作用[6]。坡折带理论在陆相盆地研究中起到了巨大的指导作用，尤其是在砂体预测以及成藏分析的实践应用中取得了巨大的市场效益[7-13]。

前人有关坡折带的研究主要集中在坡折带概念、形态特征，及其对物源、砂体展布及隐蔽油气藏的控制方面等。本文通过对东二下段沉积时期，渤南低凸起北部斜坡古地貌和砂体发育关系的分析以及坡折带结构、演化特点，地震异常体空间匹配关系的研究，丰富了坡折带的研究内涵，对寻找和预测斜坡带砂体有重要的地质意义。

1 地质背景

渤海湾盆地是一个典型的在张扭性大地构造背景下经过多期断块活动形成的以陆相沉积为主的新生代大型断陷盆地，其地质演化过程具有多期复合、断坳叠加的特点[14]。渤中凹陷处于渤海湾盆地中心，基底发育太古代—元古代变质岩与晚元古代石英砂岩、白云质灰岩，从早古生代到晚古生代岩性逐渐由海相碳酸盐过渡到海陆交互碳酸盐和陆相碳酸盐及碎屑岩系。中生代沉积一套陆相火山岩及陆相含煤岩系。第三纪为含油陆相地层；第四系为海相地层，包括砂岩及砾岩等，其中新近系十分发育。渤南低凸起作为该地区地质历史沉降中心，具有极高的勘探潜力，沉积了一整套厚度很大的东营组下段、沙河街组的泥岩[15]。渤中凹陷为渤海石油公司重点勘探地区，但是古近系勘探程度较低。目前该区古近系仅钻井80口，二维测网密度约1 km×1 km，累计长度21 510 km。三维地震工区面积2 549 km2。其中，研究区位于渤南低凸起北侧缓坡带东段向渤中凹陷的倾斜末端，夹持在渤南低凸起和渤东低凸起中南段之间，西以渤南低凸起西侧构造脊为界，东至庙西低凸起，研究工区范围约为500 km2(图1)。

2 构造背景及坡折带演化特征

由于该地区缺少井资料，因此基于地震资料传统的层序地层学定性的方法——根据地震剖面上层序界面与相邻地层的接触关系来进行层序界面的识别，包括典型的地层终止方式、古沟谷与地震反射等，是研究区的主要研究手段，结合坡折带构造演化解剖分析，明确地震异常体的源—渠—汇关系，为地震异常体的成因解释提供有关层序、沉积、构造等方面的信息，提高无井/少井条件下砂体预测评价精度。

2.1 区域构造背景

古近纪时期，渤海湾的构造演化活动形成了渤海湾盆地最初的构造格局并加以定型，成为盆地最主要的构造演化期[13]。始新世时期，构造活动增强，其中在沙河街组时期，盆地边缘断层活动强度达到顶峰，同时显现演化强度分异的特点，最终形成一系列被凸起分割的断陷湖盆区域[14]。渤中凹陷是渤海湾盆地海域最大的凹陷，其四周发育一系列凸起，包括渤南、庙西、石臼坨和渤东低凸起(图1)。渤南低凸起北邻渤中凹陷，南与庙西凹陷接壤，处在几个凹陷的连接部位，被郯庐断裂带切割，形成了西边低东边高的形态特征。

渤海湾盆地断裂体系以走向连续分布的NNE-NE向和断续分布的NWW-EW向为主，这两个方向的断裂具有共轭剪切关系[16]，凸起边缘均发育向凹陷逐渐深入的陡坡断层。渤南低凸起北部斜坡带断层按走向可分为三组：NNE、近EW和NW向，其中以沿着两级坡折带分布的NNE向为主。NNE 向断层以郯庐断裂为代表，主要表现为下切深，规模大并伴有岩浆活动。虽然近EW向断层规模较小，但是具有切割深度深、断距明显的特点，多数为I级断层。NW向断层多为规模小、数量小的北东及东西向断层。

渤南低凸起位于郯庐断裂带中段，同时处于渤中凹陷和庙西凹陷分界处，该区域的构造活动与区域地质中的郯庐断裂带基本一致。研究区的构造沉积特征大致可以分为三个阶段。在东二段沉积以前，受到拉伸作用，伸展应变分散在边界断层，产生一系列东西向的边界断裂。在东二段到东一段沉积期间，拉伸作用逐渐减弱，在郯庐断裂带的影响，产生一系列的雁裂构造。研究区成为该时期渤南低凸起北部区域的沉积中心，接受稳定的差异沉降，表现为南高北低的形态。同时第三阶段，在新近系时期，伸展断裂活动基本停止，走滑断裂系统仍具有继承性活动特征。新构造运动使得沉降中心发生偏移，断坡带的坡度减小。同时受到新构造运动走滑断裂和郯庐断裂的影响，产生了新的走滑性质的新生断层。

2.2 坡折带识别以及演化特征

2.2.1 坡折带结构

盆地边缘的坡折带一般对于盆地沉积早期发育的三角洲砂体边界具有明显的控制作用。随着盆地边缘断阶上超，形成的洼陷边缘坡折控制着三角洲前缘砂质沉积加厚带[10]。进入深水湖盆发育阶段，洼陷边缘凸起与斜坡边缘坡折控制着三角洲砂体沉积边界[17-18]。

图2 渤南低凸起北部斜坡带地震剖面Fig.2 Seismic cross section of the northern Bonan Low Uplift剖面位置在图1中标出，为A-A’

孔店组时期，湖盆开始发育，两条坡折带均垂直于NNE向的物源方向，长度均保持在40 km左右，第一坡折带坡度较陡，坡度为35°～40°，宽度约为20 km，第二坡折带坡度相对较小，坡度为10°～15°，宽度约12 km。至东二下段沉积时期，湖盆进一步扩大，研究区发育了一套厚度最大、范围最广的地层，坡折带宽度稳定，坡度变缓，第一坡折带的坡度为20°～30°，为陡坡坡折带，第二坡折带的坡度为2°～4°，为缓坡坡折带。东二上段沉积时期，湖盆进入古近系第三期裂陷幕的萎缩期，盆地凸起逐渐被全部覆盖，坡折带的宽度变窄、坡度变缓，第一坡折带坡度为4°～6°，第二坡折带坡度为1°～2°，物源供给明显减弱。

2.2.2 古沟谷识别与坡折带演化

古沟谷的刻画以及描述对于沉积体的预测、识别以及研究都具有非常显著的意义[20]。通过地震剖面的观察，研究区共发育有V型、U型、W型及复合型4种古沟谷类型。在平面上，从物源区到沉积区，河道的形态依次从V型开始，逐渐过渡到U型及W型。根据朱红涛等研究发现，V型、U型、W型分别代表了古河道发育从早期到晚期的过程，其中V型携沙能力强，U型侧向侵蚀能力较强[21]。

图3 渤南低凸起北坡典型沟谷的地震剖面Fig.3 Representative seismic cross sections of ancient gulchs across the northern Bonan Low Uplift剖面位置在图1中标出，分别为A.B-B′; B.C-C′; C.D-D′; D.E-E′; E.F-F′; F.G-G′

通过对渤南低凸起北部斜坡带典型沟谷地震剖面分析(图3)，在靠近渤南低凸起的A、B、C三个剖面中，孔店组地层广泛发育，但东二下段等地层由于风化剥蚀作用只在古沟谷中局部发育。对于沟谷1，在第一坡折带稳定发育，规模较大，从A剖面中，可以观察到在东二下段早期，沟谷下切深度较大，具有较大的沉积空间，到东二下段晚期，沟谷逐渐被填平，此时沟谷主要体现物源通道的作用。说明古沟谷不仅仅是物源的运移通道，也具有提供沉积空间的作用。在靠近洼陷的D、E、F三个剖面中，古沟谷的下切深度变浅，但是水平宽度增大，其中沟谷6的宽度加大，在剖面E开始分散为两个方向的次级沟谷，与此对比，沟谷3和沟谷2在剖面E汇聚成为一个沟谷，为从第一坡折带通过的物源提供了广阔的沉积空间。说明在东二下段沉积初期获得的物源供给较少，在东二下段沉积晚期获得较多远源物源供给。

经过地震剖面分析，发育于第二坡折带的第二期沉积体均叠置发育在第一坡折带的沉积体之上，根据地层发育由下到上由老到新的原则，可判定第二坡折带沉积体发育时间晚于第一坡折带沉积体(图4)。第二坡折带沉积空间较大，故第二期沉积体相较第一期沉积体具有厚度增大的特点。结合图3可以得出，坡折带和古沟谷的演化过程中，在东二下段早期，古沟谷作为沉积空间，沉积了第一期具有杂乱蠕虫状反射特征的沉积体；在东二下段晚期，古沟谷作为物源通道，沉积物越过第一坡折带，在第二坡折带处沉积，发育具有高角度前积的第二期沉积体。

3 沉积体刻画及地质解释

3.1 沉积体发育特征

渤南低凸起北部地区在东二下段沉积时期，发育了两个三角洲沉积体系。研究区东二下段初期地形坡度较大，第一坡折带坡度达到20°，在坡折带沉积了狭长的具有蠕虫状杂乱反射结构的第一期沉积体。在东二下段沉积晚期，坡度变缓，第一坡折带由于充填作用变平，坡度为2°～4°，起到了过道的作用，沉积物通过第一坡折带在第二坡折带形成具有高角度前积的第二期沉积体。沉积异常体共分为7个小期，其中靠近渤南低凸起位于第一坡折带发育SD1-1、SD1-2、SD1-3、SD1- 4 4个第一期沉积体，靠近渤中凹陷位于第二坡折带发育SD2-1、SD2-2、SD2-3 3个第二期沉积体(图5)。

SD2-1主体发育区面积约21 km2，地震相特征近端为短轴状、低频、差连续性、强振幅，为三角洲平原亚相；中部为中频、中连续性、中等振幅、发育前积结构，为三角洲前缘及前三角洲亚相；远端为平行亚平行反射、中—低频率、中—好连续性、中—强振幅，为滨浅湖相。SD2-2地震相特征与SD2-1相似。SD2-3地震相特征近端为亚平行结构、低频、差连续性、中弱振幅，为三角洲平原亚相；中部发育斜交前积反射、中连续性、中振幅，为三角洲前缘及前三角洲亚相；远端亚平行反射、低频、中连续性、中—强振幅，为滨浅湖相。第一期沉积体相对于第二期沉积体地震反射更为杂乱，其主体部位常表现为“蠕虫状”杂乱前积结构。地震相特征近端为短轴状、低频、低连续、中振幅，为三角洲平原亚相；中部为“蠕虫状”前积、中频、中低连续、中弱振幅，为三角洲前缘及前三角洲亚相；远端为亚平行、中低频、中连续、中振幅，为滨浅湖相。

3.2 沉积体空间展布

沉积异常体是油气勘探研究的目标，只有在准确识别的基础上，才能结合其他油气研究的目标，对储层以及油气藏做进一步的研究。边界刻画主要有测井约束反演法以及地震属性分析法。地震反演的目的是利用地震资料，以已知的地震规律为约束，对地下岩层的结构和物性进行成像的过程，揭示不同类型沉积体的空间展布。通过优化后的地震属性方法刻画沉积体边界，如T3u-T3m界面视窗内，以道积分数据体提取总绝对值振幅的平面图，中部“絮状”异常区为前积反射和蠕虫状前积区域。北部“席状”强异常区为平行～亚平行反射区，西部孤立强振幅区为火成岩发育区(图6)。第一坡折带发育条带状异常特征，第二坡折带发育朵状异常特征，反映不同坡折带不同的沉积体发育特点。

对T3u-T3m时窗提取属性只能反映前积主体区，如图7白色范围分布情况。对每一小期顶底包络面时窗内提取总绝对值振幅属性，沉积体边界特征更加清晰。第一期沉积体平行分布于隆起与沟谷相间的第一期坡折带上，第二期沉积体沿着沟谷的延伸方向平行分布于第二坡折带地区。

在完成了对7个沉积体边界追踪刻画的基础上，通过地震剖面的分析，对前积区进行精细刻画，明确其展布范围以及沉积体的空间分布特征。

图4 坡折带内部沉积体的反射特征与空间分布Fig.4 Spatial distribution and seismic reflection characteristics of sedimentary bodies in slope-break zone剖面位置在图1中标出，从左上到右下分别为H-H′，I-I′，J-J′，K-K′

图5 不同类型沉积体地震反射特征Fig.5 Seismic reflection characteristics of different kinds of sedimentary bodies in slope-break zone剖面位置在图1中标出，由上到下依次为L-L′, M-M′, N-N′,O-O′, P-P′, Q-Q′, R-R′

图6 研究区T3u-T3m界面视窗内总绝对值振幅属性图Fig.6 Total absolute value attributed graph for T3u-T3m window in the study area区域位置在图1中标出，为虚线对应的区域位置

研究区东南地势高，北西地势低，从东南到北西发育两级坡折带，坡折带上沟谷与隆起相间分布，构成了研究区微地形(图8)。

4 坡折带的沉积充填响应

含油气盆地的层序演化受控于盆地的构造演化、海平面变化、古气候和物源体系的展布等因素[22]。在陆相断陷湖盆中，同沉积构造演化通过长期的活动控制着盆地的可容纳空间的规模变化，是沉积体系发育的主导因素。构造演化活动强弱控制着坡折带的坡度以及规模，并最终控制着盆缘砂体的沉积规模及沉积区域。

在孔店组及沙河街组时期，坡折角度较大，表现出陡坡的形态特征，后来逐渐过渡到东二下段时期的缓坡形态特征。通过坡折带在平面和剖面上的分布特征进行研究，坡折带在剖面上主要体现了正向递进的形态；在平面上，表现为平行组合样式。渤南低凸起北部斜坡带地区东二下段主要发育两种沉积体，在靠近盆缘一侧发育有4个第一期沉积体，朝西北方向第二坡折带发育有3个第二期沉积体。

综合研究区前人研究成果、邻近钻井资料、连井剖面对比[1,6,21]、地震资料，结合等构造T0图以及砂岩厚度图，认为渤南低凸起北部斜坡带地区主要发育三角洲和滨浅湖、半深湖和深湖等四种沉积类型(图9)。结合研究区东二下古地貌图，构造-古地貌形态对沉积体系发育的类型、沉积充填序列具有一定的控制作用，从而控制了沉积相的类型，古沟谷的规模，坡折带的形态特征，影响物源的供给情况，从而决定了第一坡折带和第二坡折带沉积体的形态、规模以及平面展布情况。

图7 各沉积体T3u-T3m总绝对值振幅属性图(黑线：沉积体边界线；红线：沉积体富砂边界线)Fig.7 Total absolute value attributed graph for sedimentary bodies of T3u-T3m各沉积体相对位置及范围在图9中标出

坡折带对沉积体系的控制机理有3个方面：(1)由于断裂构造活动性的不同造成沉积展布情况不一样，对坡折带的斜坡角度造成影响[23]；(2)坡折带的地势即坡折带的高程差反映了沉积物沉积体系中的供给量规模和沉积体系特点[23]；(3)坡折带坡度将影响沉积物的沉积可容纳空间[24]。

图8 构造东二段下古地貌Fig.8 Palaeogeomorphology map of E3d2l structure区域位置在图1中标出，为实线对应的区域位置

图9 东二段下沉积相图Fig.9 Diagram of deposition facies for E3d2l

研究区域第一坡折带发育了古沟谷相间分布的沟与梁，构成了研究区独特的微地貌，对沉积体系同样具有非常重要的控制意义。在前期的研究区物源体系分析过程中，追踪发现了自渤南低凸起北缘开始，向NW方向延伸的六条古沟谷。通过盆地方向推进的一系列地震剖面的研究分析，揭示了古沟谷的空间演化。顺沟谷方向地震剖面清晰地显示出第一坡折带沉积复合体的存在，并发现内部存在4个单沉积体，相互之间受断层或沟谷控制。

4.1 沉积体空间展布与坡折带演化的关系

研究区主要受第一坡折带和第二坡折带控制，两者规模和坡度相差都较大。

第一坡折带的坡度较大，且延伸较长，沉积物供给充足，受到古沟谷的影响，构成狭长形的沉积空间，形成了第一期沉积体，且厚度较厚。第二坡折带坡度平缓，古沟谷下切深度浅、宽度较大，远源物源在洼陷内堆积了具有高角度前积特点的第二期沉积体。综上所述，由于卸载方式的差别，形成了不同的沉积体系类型，造成沉积体系沿纵向(垂直坡折带的方向)产生相分异。在前期的研究区物源体系分析过程中，追踪发现了自渤南低凸起北缘开始发育，向NW方向延伸出6条古沟谷，垂直于沟谷的一系列地震剖面揭示了古沟谷的空间演化特征。顺沟谷方向地震剖面清晰地显示出第一坡折带沉积复合体的存在，主体沉积于第一坡折带，内部存在4小期沉积体，相互之间受断层或沟谷控制。在第一坡折带4个长条状沉积体发育基础上，由于沉积物的充足供应、前方走滑断层活动触发等诱导因素，在第一坡折带沉积复合体前方第二坡折带位置发育了SD2-1、SD2-2、SD2-3 3小期沉积体。RD1前缘形成SD2-3沉积体，SD1-4前缘形成SD2-2沉积体，SD1-3、SD1-4共同供源前方形成SD2-1沉积体(图8)。

4.2 沉积体空间展布规律

在东二下段时期，沟谷作为主要的物源通道，起到了输送碎屑物质进入盆地以及提供沉积空间的作用，结合地区发育的断槽，一起控制了沉积体的发育位置。

在中国东部断陷湖盆的形成与发育阶段，坡折带广泛分布在控盆断裂一侧，由一系列活动断层的控制作用造成的古地貌的剧烈变化，同沉积作用是此类坡折带的典型特征。沉积物的展布总是沿着势能降低最快的方向。在渤南低凸起北部，坡折带的走向为NNE向，沉积体走向大致呈SSE向，两者近于垂直。坡折带发育早期，斜坡上高低起伏不平，并伴生同沉积断裂活动，斜坡内部的古沟谷与低洼带接受沉积，发育第一期沉积体(SD1)，其分布明显受第一坡折带内古沟谷、断层与古地形控制；坡折带发育晚期，斜坡被填低补齐，同沉积断裂活动减弱，斜坡内部地形平缓，沉积沉降中心向洼陷内部转移，在第二坡折带及洼陷内部发育第二期沉积体(SD2)。

5 结论

(1)渤南低凸起北部斜坡带地区发育典型的盆缘坡折带，即第一坡折带和第二坡折带，其中第一坡折带的坡度大于第二坡折带的坡度。沉积早期，沉积坡度较大，斜坡带起伏不平，发育古沟谷与断垒；沉积晚期，坡折带的沉积坡度逐渐变缓，斜坡上的古沟谷逐渐被填平，而演变为沉积过道，沉积作用迁移到斜坡底部与洼陷内部。

(2)随着坡折带的古地貌形态的变化，沉积体的反射特征与空间展布演化随之发生变化：沉积早期，坡折带起伏不平，在斜坡上部的第一坡折带古沟谷内充填蠕虫状地震异常体；沉积晚期，随着古沟谷填平，沉积沉降中心越过第一坡折带，迁移到斜坡下部的第二坡折带与洼陷内部，沉积了高角度前积反射地震异常体。

(3)随着盆缘坡折带的演化，渤南低凸起北部斜坡带共发育了两期沉积体，具有较大的勘探潜力。结合区域地质研究成果，认为东二下段早期第一期杂乱蠕虫状反射特征的地震异常体对应第一期沉积体砂体，东二下段晚期第二坡折带处发育的高角度前积地震异常体对应第二期沉积体砂体。

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Characteristics of Slope-break Zone and Its Deposition Response in the North Slope of Bonan Low Uplift

YANG Youran1,2，YANG Xianghua1,2，ZHU Hongtao1,2，LI Sen1,2，GUAN Dayong3，WANG Xin3，ZHENG Zhiwei1,2，LEI Ming1,2

(1.KeyLaboratoryofTectonicsandPetroleumResourcesoftheMinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China;2.FacultyofEarthResources,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China;3.TianjinBranch,CNOOCLtd.,Tianjin300452，China)