东营凹陷中央隆起带平衡剖面分析及差异隆升过程研究

张凯，孙潇，杨常伟，魏云召，黄伟

(莱芜市国土资源局，山东 莱芜 271100)

0 引言

东营凹陷中央隆起带是胜利油田油气最富集的地区之一[1-3]。作为油气生成和储集的重要场所，前人对东营凹陷中央隆起带进行了诸多油气方面的研究，如断裂构造、油气运移、圈闭模式，油藏类型等[4-7]。但对中央隆起带不同区域的差异隆升过程及构造形态缺少对比研究，成因机制的争议也较大[8-11]。中央隆起带差异隆升过程的精细对比研究可为中央隆起带成因机制研究提供更详细充分的基础依据；可以为该地区油气的生成、聚集、圈闭类型、油气成藏模式的研究提供更具借鉴意义的资料依据；并对下一步油气勘探靶区的圈定、精细化找油、勘查技术的应用提供指导依据。另外，中央隆起带的演化是郯庐断裂、兰聊断裂及鲁西隆起等大型构造活动及岩石圈深部过程的浅部响应[12-15]。开展其组成结构、差异隆升过程及机制的深入研究，能够从几何学、运动学和动力学等方面为探讨郯庐断裂等大型构造活动及岩石圈深部动力学过程提供直接和有说服力的证据[15-16]。

平衡剖面是通过分析区域构造背景，遵循物质守恒定律，将剖面上的变形构造通过几何学、运动学原理恢复成原始沉积地层状态的一种剖面分析技术[17-19]。由于能够比较真实地再现不同地质历史时期盆地的构造形态及演化过程，为深入分析构造演化机制及油气勘探提供依据，因而得到越来越广泛地应用[20]。自20世纪60年代末系统提出平衡剖面的概念以来[17]，经过众多研究人员的探索发展，这一方法逐渐被应用到地震地质解释[21]、逆冲推覆[22]、伸展构造[23]、反转构造[24,25]的研究中并成为恢复盆地构造的核心基础环节[26]。90年代后，平衡剖面技术在我国地质行业的应用日渐增多，被广泛应用于国内主要含油气盆地的研究中并取得可喜进展[27]。该文从平衡剖面的原理与方法入手，通过平衡剖面的绘制，复原不同地质历史时期东营凹陷中央隆起带各个组成部分的真实面貌，进而对其隆升过程、隆升差异进行对比分析，重塑了东营凹陷中央隆起带的构造形态及演化过程。通过平衡剖面的分析可以直观的观察到中央隆起带不同区域的形态差异及隆升过程差异，这将为该地区基础地质及油气地质的研究提供更具价值的依据，同时为渤海湾新生代盆地内大型构造的发育规律及主要特点研究提供更有利的证据[28]。

1 区域地质概况

东营凹陷位于渤海湾盆地南部，是济阳坳陷一个重要的次级构造单元[2],为古近纪时期受北部的陈南断层控制的箕状断陷盆地[29]。凹陷内发育有民丰、牛庄、利津和博兴四个次级洼陷及纯化-乐安隆起带、中央隆起带、北部陡坡带、南部斜坡带[3](图1)。

中央隆起带位于东营凹陷中东部，为近EW走向的背斜构造带[9-10]，东西长60km，最宽处达12km，面积约600km2。四周被民丰、利津和牛庄洼陷包围，是东营凹陷主要的油气富集区。构造带走向与东营凹陷轴向平行，地层倾角北陡南缓，为不对称的隆起带[8]；中央隆起带断裂复杂，不仅受南、北两侧断层的控制，也受隆起带上发育的一系列近EW向断层的影响，是一个被断裂复杂化的背斜带[10,11]。中央隆起带大致以623号测线为界可分为构造特征明显不同的东西两段(图1)；东段主要由长轴状的辛镇构造带组成，西段又可分为两支，北支为东营-郝家构造带、南支为梁家楼-现河构造带[8,10]。

1—分布范围；2—主要断层；3—超覆带；4—剥蚀带；5—城市；6—剖面(a)—研究区大地构造位置图；(b)—东营凹陷断裂构造平面分布简图图1 东营凹陷断裂构造平面分布简图

2 平衡剖面构造演化分析

剖面平衡的方法有很多，归纳起来主要有2种，即正演法和反演法[20,31]。所谓正演模拟是指由原始未变形剖面一步步向变形后的剖面模拟的过程。模拟过程中，每一个剖面都满足平衡剖面的约束条件，即每一模拟变形过程得到的剖面都是平衡剖面[19,24]。反演模拟是指由实际形变剖面开始，根据平衡原则，按照构造形成顺序将其恢复至原始的未变形剖面的过程[25]。在恢复过程中，必须对每一时期的剖面检验其合理性和可接受性，以提高剖面的真实性[19,20-27]。无论是哪一种模拟方法，平衡剖面技术都必须遵守物质守恒定律，即被平衡岩层变形前后体积保持恒定，只是形态发生改变[32-34]。为便于实际应用，推导出面积(体积)守恒、层长守恒、位移量守恒、缩短量一致等一系列平衡剖面恢复的几何法则，以此可制约剖面解释的随意性[20,33-34]。为对比分析中央隆起带构造演化差异，该文选取穿过中央隆起带并能反映其构造演化特征的4条剖面：607.5,616,625,638.6(图1)，运用2D-Move软件进行剖面复原，对比分析中央隆起带的演化特征。

1—断层；2—地层界线；3—寒武-奥陶纪地层；4—石炭-二叠纪地层；5—侏罗-白垩纪地层；6—孔店组-沙四段地层；7—沙三-沙二段地层；8—沙一-东营组地层；9—馆陶组地层；10—明化镇-更新世地层图2 东营凹陷607.5测线平衡剖面图

图2显示，东营凹陷具有明显的北断南超的性质。孔店-沙四组沉积期，陡坡带洼陷区域沉积地层厚度明显大于缓坡带地层沉积厚度，盆地的沉积中心位于控盆断层所在的北部陡坡区域。盆地陡坡区域基本没有形成新的断层。沙三-沙二期，地层沉积厚度依然是陡坡带洼陷区域沉积地层厚度大于缓坡带地层沉积厚度，但相对于孔店-沙四期厚度较均衡，沉积中心位于靠近断层的洼陷区域。先期形成的断层继续活动，缓坡带的断层继续发育，同时伴生一系列新生断层。陡坡带形成具生长断层性质的同向派生断层。凹陷中央开始发育一系列反向调节断层，形成中央隆起带的雏形。陡坡带与中央隆起带的断层均切穿沙二段地层，说明沙三期是陡坡带与中央隆起带同生断层的主要发育期；沙二阶段陡坡带与中央隆起带的断层活动并不强烈。这一阶段的伸展量为2.1km，伸展率为4%。沙一至东营组沉积期，拉张作用增强，伸展量为5km，伸展率为9%。沉积中心由靠近陡坡带的位置向盆地中心迁移，凹陷内沉积厚度较为均一。中央隆起地带断层依旧保持生长断层的性质持续活动且数量略有增加，凹陷内的主要断裂基本形成。东营组末期，断裂活动强度减弱。馆陶组及以后的沉积期，东营凹陷进入整体坳陷期，控盆断裂活动强度逐渐减弱，尤其是在馆陶组沉积期以后，沉积活动基本不再受断层控制；馆陶组沉积阶段，中央隆起带断裂数量略有增加，但均为小型次生断裂；缓坡带断层数量也略有增加。这一阶段的伸展量为2km，伸展率为3.3%。

1—断层；2—地层界线；3—寒武-奥陶纪地层；4—石炭-二叠纪地层；5—侏罗-白垩纪地层；6—孔店组-沙四段地层；7—沙三-沙二段地层；8—沙一-东营组地层；9—馆陶组地层；10—明化镇-更新世地层图3 东营凹陷616测线平衡剖面图

图3显示，孔店-沙四阶段，地层厚度由北向南逐渐减薄，变化明显。沉积中心受控于凹陷北部的控盆断裂。沙三-沙二期，拉张作用强烈，伸展量为6.3km，伸展率为12.3%。伴随东营凹陷的拉张，陡坡带派生数条同向断层，凹陷中央发育了反向断层。中央反向断层多数未切穿沙二地层，因此，沙三阶段末中央隆起带雏形已经显现，沙二沉积期主干断裂基本形成，形态基本确定。沙三-沙二期，沉积活动依然受边界断层控制，靠近主干断裂沉积地层厚度大，向缓坡带地层厚度逐渐减小。沙一至东营组沉积期，伸展量为0.2km，伸展率为0.3%。沙一阶段，先前形成的断层继续活动，表现出同生断层的性质，中央断裂带进一步复杂化，缓坡带断层数量有所增加。东营组末期，断裂活动性减弱。沙一至东营期，沉积中心位于凹陷中心，中央隆起带周围地层厚度较大，向凹陷周边递减。新近纪，东营凹陷进入坳陷期，断裂活动强度持续减弱。馆陶组时期，中央隆起带断层稍有增加，至明化镇时期，中央隆起带发育为现今状态。自馆陶组开始，沉积活动基本不再受断层活动的控制，沉积厚度在全区内比较均匀。这一阶段伸展量为2km，伸展率为3.3%。

1—断层；2—地层界线；3—寒武-奥陶纪地层；4—石炭-二叠纪地层；5—侏罗-白垩纪地层；6—孔店组-沙四段地层；7—沙三-沙二段地层；8—沙一-东营组地层；9—馆陶组地层；10—明化镇-更新世地层图4 东营凹陷625测线平衡剖面图

图4显示，孔店-沙四期，盆地主要受控于凹陷北部的边界断层，靠近主干断层地层沉积厚度大，向缓坡带地层厚度逐渐减小。沙三-沙二沉积期，盆地陡坡带派生出同向断层，中央隆起带和南部缓坡带开始形成少量同向断层和一些反向断层，对盆地拉张起调节作用。中央隆起带的雏形基本形成。沉积活动主要受控于断裂活动，靠近断裂的洼陷区沉积地层厚度较大，向盆地周缘地带厚度逐渐减小。这一时期的伸展量为3.7km，伸展率为7.7%。沙一至东营组沉积期，拉张强度减弱，这一阶段的伸展量为0.5km，伸展率为0.8%。中央隆起带和缓坡带先前形成的断层继续活动，缓坡带反向断层的数量有所增加，并产生数条同向断层。此时，中央隆起带主干断裂基本形成，大体格局基本显现。自新近纪开始，东营凹陷的断裂活动强度逐渐减弱，盆地整体坳陷。伸展量为0.4km，伸展率为0.7%。馆陶组沉积期，断裂继续形成，使中央断裂及南部缓坡带断裂更加复杂化。沉积作用不再受断裂的控制，沉积地层均匀分布。馆陶组末期，中央隆起带发展为现今的状态。

图5显示，孔店-沙四期，沉积作用主要受控盆断裂控制，地层以北部陡坡带洼陷区最厚，向缓坡区递减。沙三-沙二沉积期，缓坡带先前形成的断层继续发育。在持续拉张作用下，凹陷陡坡带派生出同向断层。凹陷中央形成相向断层，在沙二沉积期，中央隆起带的雏形显现。这一阶段的拉张作用强烈，伸展量为8.8km，伸展率为20.1%。沉积中心受断层控制，在洼陷带厚度较大，向缓坡带减薄。沉积作用受断层控制，靠近断裂的洼陷区域地层厚度较大，向缓坡带地层厚度逐渐减小。沙一至东营组沉积期，拉张作用减弱，伸展量为0.9km，伸展率为1.7%。之前形成的断层继续活动。陡坡带继续产生派生断层，并出现反向调节断层。中央隆起带形成数条新断层，形成地堑格局。中央隆起带构造格局大体已定。在缓坡带发育数条同向断层及一条反向断层。沉积中心位于凹陷中部洼陷带，向周缘地区地层厚度递减。在新近纪始，东营凹陷整体坳陷，断裂活动逐步减弱。这一时期的伸展量为0.8km，伸展率为1.5%。馆陶组时期，陡坡带及缓坡带均有新的断层产生。中央隆起带只是规模的扩大，并未产生新的断层。馆陶组及其以后沉积阶段，沉积作用不再受断层控制。明化镇沉积阶段初期，中央隆起带发展为现今的状态。

3 中央隆起带差异构造演化过程

中央隆起带东段主体为辛镇构造带，总体表现为EW向不对称长轴断裂背斜[10]，构造范围约50km2。辛镇构造可分为上下两套系统，深部为由沙四和孔店组构成发育较完整的背斜形隆起(图5)，形成时间大约在孔店组至沙三沉积阶段初期；上部发育落差极大的辛北断层[10]。辛北断层上陡下缓倾向S，控制了一组平行轴向密集发育的复杂小型地堑式断裂，这套断裂从沙三时开始发育，并且从两侧向中央区域断层发育时代逐渐变新[10，36]。

中央隆起带西段发育NE向短轴背斜或穹窿，从梁家楼到现河发育一系列由EW向渐变为NEE或NE左阶斜列式断裂系，断层主体向北倾，且向北级级断落[9]。主断裂上部较陡下部变缓，切割到沙四塑性层中消失[8-9]。

综合各类地质资料及该文所做研究，中央隆起带东段构造发育可分为雏形、定型和壮大3个阶段。

雏形阶段：由孔店和沙四沉积地层组成的背斜形隆起在沙三初期时已经形成。自沙三沉积末期以来，东营凹陷北部主控断裂陈南断层活动性逐渐减弱，其上盘发育的辛北断层逐渐控制了辛镇构造带的沉积。从沙三中开始辛镇构造带的断裂活动强度逐渐加强，生长指数较大，至沙二沉积期达到其第一次活动高峰[30,36]，沙二沉积阶段末主断裂都已形成，中央隆起带构造雏形基本显现。

定型阶段：沙一组沉积时期，辛北断层继续活动，断层数量进一步增加。至东营组时，随着上覆沉积物增多，断层数量增加，断距不断增大，构造幅度也逐步增大，地堑式断裂大体形成，中央隆起带构造格局基本定型。

壮大阶段：馆陶组沉积期辛镇构造带主干断裂生长指数仍然较大[37]，辛镇构造带断裂继续产生，且在核部由于塑性物质上拱[9]，使断裂体系不仅幅度增加而且更加复杂化。这种作用在625测线表现明显，在638.6测线主干断裂活动只是使断层的幅度进一步增大。到明化镇组沉积期，地堑式断裂完成，构造形态发展到现今状态。

中央隆起带西段亦可分为雏形、定型和壮大3个阶段。

雏形阶段：梁家楼-现河一带发育有复杂褶皱断裂系，在断裂的上盘发育有斜列式展布的短轴状滚动背斜，该断裂系统的发育时间为沙四至馆陶组沉积期。沙三沉积期中央断裂系活动强度加强，主干断裂相继产生，中央隆起带西段构造雏形基本显现。

定型阶段：沙二沉积时期主干断层断距明显增加，构造幅度也明显增大，出现明显背斜，此时中央隆起带西段构造形态基本定型。

壮大阶段：沙一至东营末期时期，梁家楼-现河一带断裂系统继续活动，构造形态进一步扩大，同时由于塑性物质的上拱作用，导致构造形态及断裂进一步复杂化。从东营组沉积阶段末开始，构造活动减弱，西段的构造形态没有发生大的变化，到明化镇沉积期，发展为如今构造形态。

东西两段比较而言，断裂活动开始时间相差无几，但中央隆起带西段在沙三末期构造雏形已基本显现，东段则是在沙二期显现雏形。中央隆起带西段在沙二沉积期构造形态基本确定，辛镇构造带一直到东营组末构造格局才基本定型。两者都是在明化镇沉积期发育成现今构造格局。

4 结论

通过平衡剖面的系统分析，主要得到以下结论和认识：

(1)中央隆起带东段主体为辛镇构造带，总体表现为EW向不对称长轴断裂背斜；辛镇构造可分为上下两套系统，深部为由沙四和孔店组构成发育较完整的背斜形隆起；上部发育落差极大的辛北断层，断层上陡下缓倾向向南，控制了一组平行轴向密集发育的复杂小型地堑式断裂。

(2)中央隆起带西段发育NE向短轴背斜或穹窿，从梁家楼到现河发育一系列由EW向渐变为NEE或NE左阶斜列式断裂系，断层主体向北倾，且向北级级断落。主断裂上部较陡下部变缓，切割到沙四段中消失。

(3)中央隆起带东段辛镇构造带断裂活动从沙三开始，沙二沉积期形成构造雏形；东营组沉积期，构造格局基本定型；到明化镇组沉积期，构造形态发展为现今状态。中央隆起带西段梁家楼-现河一带的褶皱断裂系自沙三沉积期开始发育，沙三末期构造雏形基本显现；沙二沉积阶段构造形态基本定型；到明化镇组沉积阶段，发展为现今构造形态。