渤海湾盆地徐水凹陷地质结构与构造演化

2018-09-17单帅强张煜颖张锐锋

石油与天然气地质 2018年5期

单帅强,张煜颖,张锐锋

[1. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083；2. 中国石油华北油田分公司，河北任丘 062552]

地质结构研究是开展盆地分析的基础，也是认识盆地形成演化和相关资源、能源赋存的重要窗口。盆地的地质结构主要包括由区域性不整合面限定的构造层和被断层(带)切割的断块(断裂系统)[1]。

徐水凹陷位于渤海湾盆地冀中坳陷，西侧紧邻太行山隆起。其地质结构与构造演化的研究对于分析区内油气成藏要素的发育情况有着重要的意义，也将为揭示太行山山前断层的发育特征提供线索。此外，由于雄安新区在构造位置上处于徐水凹陷的东部(图1)，研究徐水凹陷的地质结构还将有助于全面分析雄安新区所在区域的地壳稳定性。前人从断裂的几何特征和活动性入手，在徐水凹陷及邻区开展了相应的工作，并在断裂级次、发育时间和活动强度等方面取得了重要认识[2-3]。最新的航磁结果也局部显示了徐水凹陷基底的起伏特征[4]。然而，目前的研究尚未对徐水凹陷的地质结构开展系统的分析，构造演化方面的研究也有待深入[5]。

本文利用高精度的地震和钻井资料，并结合区域地质填图成果，借鉴前人对盆地构造格局和断裂发育特征的研究方法[6-8]，对徐水凹陷的地质结构和构造演化进行研究。通过“井、震”结合，建立了研究区的地层系统，并根据区域性不整合面的发育，对构造层进行划分；在对地震剖面进行精细解释的基础上，揭示了主要断裂的发育特征；运用平衡剖面技术，恢复了徐水凹陷古近纪以来的构造演化过程，并探讨了其构造演化的控制因素。

1 地质背景

1.1 构造位置及区域构造演化

徐水凹陷位于渤海湾盆地冀中坳陷西部凹陷带的中部，西邻太行山隆起，东接容城凸起，南连保定凹陷，北临廊固凹陷、大兴凸起和北京凹陷(图1)，勘探面积约900 km2。

作为渤海湾盆地的一部分，徐水凹陷在大地构造位置上处于华北克拉通的东部[9-10](图1)。徐水凹陷及邻区完整地经历了华北克拉通太古宙至中生代的演化过程[11]。晚中生代以来，在太行山山前断层的控制下，冀中坳陷西部凹陷带开始发育[12-15]，断陷活动持续至古近纪末期[16-17]。新近纪-第四纪，徐水凹陷及邻区进入热沉降阶段[17-18]。

1.2 地层发育特征

钻井资料揭示，徐水凹陷内发育的新生代地层自下至上包括古近系孔店组、沙河街组、东营组，新近系明化镇组和第四系平原组(图2，图3)。其中，沙河街组由下到上分为沙(沙河街组)四段、沙三段、沙二段和沙一段。孔店组主要包括砂岩和泥岩，底部发育砾岩，厚度247～1 380 m；沙四段以泥岩为主，夹有薄层砂岩，层厚0～746 m；沙三段-沙二段发育砂泥岩互层，沉积环境为河流相和滨浅湖相，地层厚度为0～1 807 m；沙一段以浅湖相泥岩和砂岩为主，包括页岩，厚度变化范围在0～1 088 m；东营组局部发育，岩性为砂岩和泥岩，厚度较小；明化镇组主要有河流相的砂、泥岩构成，底部发育砾岩，层厚430～627 m；平原组发育砾石、粉砂、中砂和粘土，厚214～296 m。

徐水凹陷内仅有龙1井钻遇前新生界，孔店组之下为新元古界青白口系(图3)；而在冀中坳陷的其它地区，前新生界被大量钻井所揭示[19-20]；在研究区西侧的太行山隆起，前新生界(主要是中新元古界、太古宇-古元古界)也有着广泛的出露(图1)。

图1 徐水凹陷构造位置(a)及冀中坳陷中部构造单元及地震测线位置(b)Fig.1 Structural location of Xushui Sag(a) and the structural units and locations of seismic profiles in central Jizhong Depression(b)

图2 徐水凹陷地层综合柱状图Fig.2 Stratigraphic column of Xushui Sag

2 地质结构

2.1 区域性不整合面

通过对研究区内的钻井和地震资料的系统解释，共识别出2个明显的区域性不整合面：古近系底部角度不整合面和新近系底部角度不整合面(图3—图5)。

古近系底部角度不整合面分隔了凹陷内断陷期地层与下伏中新元古界。在NW-SE向的地震剖面上可以观察到孔店组超覆于该不整合面之上，而下伏地层遭受明显的剥蚀，二者之间为典型的角度不整合接触(图4)。

新近系底部角度不整合面形成于渤海湾盆地断陷期与拗陷期之间，并在整个盆地内广泛分布[21-22]。徐水凹陷内不同方向的地震剖面上均清晰地显示了该不整合面的发育(图4，图5)。不整合面附近，地层产状发生显著改变，下伏古近系遭受强烈剥蚀，并与上覆地层呈明显的角度相交(图4，图5)。

2.2 构造层划分

构造层通常是指一定构造单元里，某个特定的构造时期内形成的、具有共同构造变形特征的构造-地层组合[23]。区域性的地层不整合面往往作为构造层之间的界线[6]。

在前人研究的基础上[19-20]，根据识别出的区域性不整合面，在研究区内纵向上划分出3套构造层：基底构造层(太古宇-中新元古界)、古近系构造层、新近系-第四系构造层(图2)。

图3 徐水凹陷NE-SW向连井剖面(井位见图1b)Fig.3 NE-SW trending well-tie profile in the Xushui Sag(see Fig.1b for the well location)

基底构造层在研究区内广泛分布[19-20]。其中，太古宇-古元古界岩性以片麻岩为主(图2)。该套地层经历了中-新元古代以来长期、复杂的演化过程，研究区内古近纪的断陷活动对其现今的构造格局有着明显的控制作用；中新元古界(包括长城系、蓟县系和青白口系)作为冀中坳陷潜山领域勘探的重要目的层[20]，在研究区内遭受强烈的断层切割、改造作用，在凸起部位地层厚度明显减薄(图4，图5)。

古近系构造层包括孔店组、沙河街组和东营组，不同地层在研究区内的分布范围有着明显的区别(图4，图5)。在NW-SE向的地震剖面上，该构造层呈“碗状”，顶部遭受强烈剥蚀，内部断层相对不发育(图4)；NE-SW向剖面则显示，该构造层自北向南显著减薄，顶部同样遭受剥蚀，而内部发育多条不同倾向的次级断层(图5)。

新近系-第四系构造层全区分布。与下伏地层相比，明化镇组和平原组地层产状发生了较大的变化，整体较为平缓且向东倾斜(图4)。地层厚度自西向东逐渐增大，而南北向上则没有表现出明显的厚度变化(图4，图5)。该构造层内部基本上不发育次级断层(图4，图5)。

2.3 主要断裂特征

地震资料解释结果表明，研究区内最主要的断裂为太行山山前断层。该断层不仅是徐水凹陷的边界断层，还是整个渤海湾盆地与太行山隆起的分界[12，24]。在该断层的控制下，徐水凹陷表现出西断东超的构造格局(图4)。太行山山前断层在研究区内呈NE走向，断面倾向SE，断层沿走向上延伸长度大于40 km(图1)；在地震剖面上，断层上陡下缓，表现出典型的犁式断层特征(图4)。图4所示剖面未完全显示出断层面最终变平的位置，但在保定凹陷内，NW-SE向剖面揭示出断层滑脱面深度在5 500～6 500 ms[19]。断层上盘同沉积地层的发育特征表明，研究区内的太行山山前断层于古近纪早期(孔店组-沙四段沉积时期)开始强烈活动，并控制地层沉积，同时，断层上盘内发育有规模较大的次级断层，导致孔店组-沙四段发生明显加厚(图4)；而沙三段-东营组的发育受太行山山前断层的影响相对较小(图4)。

图4 过徐水凹陷的NW-SE向地震剖面(a)及解释结果(b)(剖面位置见图1b中AA′)Fig.4 NW-SE trending seismic profile(a)in the Xushui Sag and its interpretation(b)(see Fig.1b AA′ for the profile location)Qp.第四系平原组；Nm.新近系明化镇组；Ed.古近系东营组；Es1.古近系沙一段；Es2.古近系沙二段；Es3.古近系沙三段；Es4.古近系沙四段；Ek.古近系孔店组

前人在研究整个太行山山前断层的分段性时，曾注意到NWW向发育的涞水断层[24-25]，但均未对其几何学和运动学特征进行分析。本次研究中，通过对研究区内NE-SW向地震剖面的解释，清晰地显示了涞水断层的发育特征(图5)。与太行山山前断层类似，涞水断层在剖面上也表现为犁式断层，断层面滑脱深度大于5 500 ms。剖面显示，太行山山前断层的断面被涞水断层所切割，并随上盘地层一起发生变形(图5)。根据上盘同沉积地层发育特征，认为涞水断层强烈活动于沙三段-东营组沉积时期，并使徐水凹陷具有北断南超的特征。

3 构造演化

通过对古近系进行精细解释，在其内部识别出一系列地层超覆和剥蚀尖灭点(图6)。在综合这些信息和前人研究成果的基础上，采用编制平衡剖面的手段，恢复了徐水凹陷古近纪以来的构造演化过程(图7，图8)，并将其分为4个阶段。

图8)，并将其分为4个阶段。

3.1 强烈断陷阶段(古新世—早始新世)

晚中生代，渤海湾盆地于华北克拉通东部岩石圈大规模减薄的背景下开始发育[10，26-27]，冀中坳陷也进入断陷阶段[12，19，24]。古近纪是冀中坳陷发育的主要时期[13-14]。古新世—早始新世，太行山山前断层强烈活动，徐水凹陷内沉积了厚度较大的孔店组-沙四段(图4)。龙1井揭示该套地层残余厚度达1 380 m。图5显示沿太行山山前断层走向方向上，孔店组-沙四段由SW向NE发生减薄，且在涞水断层上盘附近，该套地层没有发生加厚，表明这一时期涞水断层对徐水凹陷内的沉积过程没有明显的控制作用。

3.2 断陷持续发育阶段(早始新世—晚渐新世)

沙四段沉积之后，研究区内断陷活动持续发育。前人研究成果表明，渤海湾盆地内古近纪断陷活动具有明显的幕式特征[17-18,22]。研究区古近系内部发育的一系列地层超覆和尖灭现象(图6)也表明了这一特征。

NW-SE向地震剖面显示，太行山山前断层上盘沙三段-东营组厚度向断层方向逐渐减薄(图4，图7)；而NE-SW向地震剖面及相应的演化剖面则显示，该套地层厚度由南向北显著加厚(图5，图8)。这些现象表明，在这一阶段(沙三段-东营组沉积时期)，涞水断层的活动对徐水凹陷的发育起主要的控制作用。此外，通过分析NW-SE方向上沙三段-东营组的厚度变化规律可以发现，沉积中心具有向NW方向迁移的特征(图4，图7)，这一现象暗示了涞水断层的活动逐渐向NW方向迁移。

3.3 断-拗过渡阶段(渐新世末—早中新世)

大量研究表明，古近系东营组沉积末期，区域性的挤压使得断陷期地层遭受不同程度的剥蚀[17]，并产生了新近系底部的区域性角度不整合(图7)。

图6 徐水凹陷古近系内部地层超覆和剥蚀尖灭现象(剖面位置见图1b中CC′)Fig.6 Stratigraphic overlapping,denudation and pinch-out within the Paleogene sequences in the Xushui Sag(see Fig.1b CC′ for the profile location)a—e.地震剖面；a′—d′.解释结果Qp.第四系平原组；Nm.新近系明化镇组；Ed.古近系东营组；Es1.古近系沙一段；Es2.古近系沙二段；Es3.古近系沙三段；Es4.古近系沙四段；Ek.古近系孔店组

图7 徐水凹陷NW-SE向构造演化剖面(剖面位置见图1b中AA′)Fig.7 NW-SE trending tectonic evolution section in the Xushui Sag(see Fig.1b AA′ for the section location)a.孔店组-沙四段沉积时期；b.沙三段-沙二段沉积时期；c.沙一段沉积时期；d.东营组沉积时期；e.反转期；f.明化镇组沉积之前；g.现今剖面Qp.第四系平原组；Nm.新近系明化镇组；Ed.古近系东营组；Es1.古近系沙一段；Es2.古近系沙二段；Es3.古近系沙三段；Es4.古近系沙四段；Ek.古近系孔店组

图8 徐水凹陷NE-SW向构造演化剖面(剖面位置见图1b中BB′)Fig.8 NE-SW trending tectonic evolution section in the Xushui Sag(see Fig.1b BB′ for the section location)a.孔店组-沙四段沉积时期；b.沙三段-沙二段沉积时期；c.沙一段沉积时期；d.东营组沉积时期；e.明化镇组沉积之前；f.现今剖面Qp.第四系平原组；Nm.新近系明化镇组；Ed.古近系东营组；Es1.古近系沙一段；Es2.古近系沙二段；Es3.古近系沙三段；Es4.古近系沙四段；Ek.古近系孔店组

该不整合面的出现，标志着徐水凹陷的构造演化由断陷阶段进入拗陷阶段。本次研究中，将这一时期称为断-拗过渡阶段。与邻区相比[19，28]，徐水凹陷内缺失新近系下部馆陶组，表明研究区内这一时期所遭受的挤压作用可能较为强烈。

3.4 拗陷阶段(晚中新世—第四纪)

晚中新世—第四纪(相当于明化镇组-平原组沉积时期)，徐水凹陷内的断陷活动显著减弱，不同方向的地震剖面上均显示这一时期基本上不发育次级断层，区内主要发生热沉降，地层产状平缓(图4，图5)。也有研究表明，太行山山前断层于第四纪期间发生过活动[3]。

4 徐水凹陷构造演化控制因素

综合分析地震解释和剖面复原结果发现，徐水凹陷的构造演化受控于不同方向上断层的差异性活动。古近纪早期，太行山山前断层强烈活动，徐水凹陷表现为典型的半地堑，具有西断东超的结构，断层活动对孔店组-沙四段的沉积有着明显的控制作用(图7)；沙三段-东营组沉积时期，地层厚度变化主要表现在NE-SW方向上，反映了涞水断层的强烈活动，此时徐水凹陷表现为北断南超的半地堑(图5)。同时，凹陷南部的地层因掀斜抬升而遭受剥蚀(图5，图8)，NW-SE向的地震剖面因大致平行于涞水断层而表现出“碗状”结构。

因此，认为在强烈断陷阶段，太行山山前断层的活动控制了徐水凹陷的发育，而在随后的断陷持续发育阶段，太行山山前断层的控制作用减弱，涞水断层的活动主导了徐水凹陷的发展。两条断层的共同作用，使得徐水凹陷表现出早期西断东超，晚期北断南超的构造格局。

在断-拗过渡阶段，太行山山前断层发生一定程度的正反转，导致早期沉积地层遭受剥蚀，而在这一阶段涞水断层基本上不发生活动。晚中新世以来的拗陷阶段，两条断层均没有明显活动，研究区以发生热沉降为主。