歧口凹陷板桥斜坡构造变形特征及断裂系统划分

陈彦，刘海涛，赵长毅1,，姜文亚，汪顺宇，李传明1,

(1.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；3.中国石油大港油田分公司，天津 300280；4.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318)

0 引 言

研究区板桥斜坡形成于新生代[1-2]，位于渤海湾盆地典型富油气凹陷——歧口凹陷的西北部，发育大量正断层，成藏条件十分优越，油气资源丰富，拥有多种类型复杂的断块油气藏，目前已发现新生界沙河街组、东营组、馆陶组、明化镇组等多套含油气层系。随着三维地震技术的迅速发展并走向成熟，依据最新的歧口凹陷5 280 m2三维地震数据体，整个大歧口凹陷的构造地质特征得到了更为精确且量化的解释[3]，基于大区构造解释成果，开展板桥斜坡构造地质的精细研究，对于揭示其构造成因及演化机制具有一定的导向作用，同时通过对重点断裂带构造特征及断层形成发育过程分析，深化断裂控藏研究，对于重新认识该地区油气勘探具有重要意义。

前人已经从板桥斜坡的烃源岩、构造和沉积等多个角度进行了细致研究评价。LIU Q X等[4]针对板桥斜坡的岩石样品进行热解实验，分析稳定碳同位素及生物标志物，将实验结果与原油样品进行比较，对沙河街组烃源岩进行优劣划分，并评价出Es1x和Es3为两组有效烃源岩；王锦程等[5]、尹玲玲等[6]在板桥斜坡测井曲线解析成果的基础上，利用电性图版、孔隙结构分析、泥质含量矫正等多种方法建立流体性质判别图版，对板桥斜坡有效储层下限进行了定性的判定及老井的重新评价，并用斜坡区评价井等生产资料加以验证；陈淑芹等[7]、王莉[8]通过对Es3烃源岩、储层物性等分析，发现板桥低斜坡砂体发育、源储一体，与断裂组合构成统一的疏导体系，从而得出具备形成深部大型天然气藏的结论，并优选出大张坨断层下降盘低斜坡区为有利区带；付东立等[9]以板桥西斜坡为例，以油气运移优势取向结合断层封堵能力为出发点，优选有利区带为板桥西斜坡及南坡，指明了未来的勘探方向；宋璠等[1-2]根据岩心描述结合井震，对板桥凹陷构造系统、沉积物来源、水动力环境和同期断层活动等都进行了细致研究，并提出了适用于板桥斜坡的沉积模式；周立宏等[10]利用井震结合分析化验，明确了板桥斜坡Es1x亚段灰黑色泥岩与砂岩互层的异重流沉积展布体系，所采取的针对性预探部署取得了良好的勘探成效。王振升等[11]、陈长伟等[12]运用地震、测井、薄片鉴定和油源对比等方式，分析了板桥斜坡的构造-沉积演化特征及有利储集相带，发现板桥斜坡区古近纪经历了整体沉降-旋转掀斜2个演化阶段，缓坡为岩性圈闭形成提供了构造背景，早期古地貌平缓有利于缓坡区优质砂体叠置连片，晚期旋转掀斜有利于上倾尖灭岩性圈闭形成。

国内专家学者已经对板桥斜坡的构造、沉积、储层等方面进行了研究探讨，但是针对板桥斜坡断裂带的变形特征及断裂系统划分尚未进行精细刻画，鉴于此，本文依托大量区域地质与地震工区资料，利用生长指数、断距-位移曲线和发育演化史等方法，对断裂带构造变形特征进行精细解析，分析断层形成演化机制，划分新生代断裂系统，为该区下一步的油气评价与勘探开发提供依据。

1 地质概况

歧口凹陷构造破碎，断裂发育，多期构造运动使板桥斜坡断裂系统非常复杂(图1)。板桥斜坡为油气资源非常丰富的大型旋转掀斜斜坡，斜坡带不仅具有形成构造油气藏的条件，而且同时有利于形成地层、岩性和构造-岩性等油气藏[13]。自1973年板3井于沙一下亚段首获工业油气流以来不断有所发现，目前已发现大张坨、板桥和白水头3个油气田，研究表明斜坡区沙三段岩性地层油气藏热演化程度高，生气强度大，具有大面积连片油气富集的有利条件，板桥低斜坡为生气强度大的高值区，具备形成大中型天然气田的资源基础[1，14]。

板桥斜坡新生界主要有两套烃源岩，分别是沙三段上亚段和沙一下亚段，如图2所示。沙三段地层有效烃源岩厚400～1 400 m，为凹陷内的第一套也是最主要的生油层系，该套源岩偏腐殖型有机质含量高，有机质丰度在0.6%～1.25%间，沙三段由于埋深较大，演化程度高，Ro一般小于1.2%，板桥次凹中深层以生气为主。沙一下亚段烃源岩偏腐殖型有机质含量较高，热演化程度比较适中，板桥次凹以低成熟为主，Ro一般低于0.7%[4，7，14]。新生界储集层主要包括渐新统沙河街组三段、沙河街组二段及沙河街组一段，新近系分为馆陶组和明化镇组。主要发育三套区域盖层，自下而上分别是沙三段泥岩、沙一中泥岩和东二段泥岩。受沙一段中上部泥岩区域盖层分隔，板桥地区油气纵向分成上下两套油气组合：下部原生油气系统分布在沙一段盖层之下，分布层位：沙一下亚段、沙一中亚段、沙二段、沙三段；上部次生油气组合分布在沙一段盖层之上，分布层位：沙一上亚段、东营组、馆陶组、明化镇组，分布滨海断裂及港东断裂边部。不同含油组合中，由于储盖组合特征、油气运聚条件等的差异，形成不同类型的油气藏，板桥地区新生界主要形成4类油气藏类型：(1)沙三段——自生自储型油气藏；(2)沙二段、沙一下亚段——自生自储、下生上储型油气藏；(3)沙一中、沙一上和东营组——自生自储、下生上储型油气藏；(4)新近系(馆陶组、明化镇组)——下生上储型油气藏[3，7，12，14]。

图1 歧口凹陷板桥断层分布Fig.1 Distribution of fault in Banqiao slope，Qikou sag

图2 板桥斜坡含油气系统分布Fig.2 Distribution map of oil and gas system in Banqiao slope

板桥斜坡断裂带自北向南可划分为西南部半地堑断裂带、中部地堑断裂带及东北部叠瓦扇断裂带，这些盆地特征是裂陷阶段构造活动的产物，反映了岩石圈在区域拉张应力场作用下发生破裂沉陷而形成的构造形态，断裂对成盆、成烃和成藏具有重要控制作用，主干边界断层沧东断裂控制洼槽迁移，从而调整不同时期有效烃灶分布，大张坨断层作为板桥斜坡的主要分区断层，具有多期活动的特点，对油气封堵能力及聚集成藏起着至关重要的作用，基于断层岩可以定量研究断层封闭对油气运移的封堵能力[15-23]。因此,对研究区从几何学、运动学角度进行精细构造解析，有助于下一步对盆地断裂控藏作用的理解。

2 构造变形特征及断裂系统划分

如图3(a)所示，将三维地震解释数据导入到3D move软件，可得到板桥斜坡Es3段底界的地质基底底图。由图1可知,研究区基底断层走向多为NE向，再分别统计各个时期断层走向，做出走向玫瑰花图(图3(b))，可以发现在裂陷I幕时，工区沉积了Es3和Es2两套地层，断层走向多为NE向；至裂陷Ⅱ幕(Es1和Ed时期)，工区内不仅发育NE向断层，而且也开始出现了近EW走向断层；Ng及Nm时期，研究区NE及近EW走向断层都明显发育，验证了板桥斜坡受控于歧口凹陷伸展断裂活动的影响[24]，发生了3个时期的伸展变形，分别为裂陷Ⅰ幕(沉积Es3和Es2段地层)、裂陷Ⅱ幕(沉积Es1和Ed地层)及后裂陷期(沉积Ng和Nm地层)，其中裂陷I幕伸展方向为NW向，裂陷Ⅱ幕伸展方向为近NS向。

图3 走向玫瑰花图验证应力方向转变Fig.3 Strike rose diagrams prove the change in stress direction

2.1 厘定生长期次

生长指数是一个比值，为下降盘的岩层厚度(H1)/上升盘的岩层厚度(H2),当生长指数大于1,且该地未发生强烈的地层剥蚀时，说明此时期断层发生活动断层埋深-断距曲线是反映不同层位断距变化规律、确定断裂成核点的曲线，断层生长指数可用于表征断层活动性，通过对研究区主控断层的埋深与断距关系曲线和生长指数图的绘制，可以准确表征断层垂向分段生长规律。

埋深-断距曲线可以反映出单条地震剖面上不同地层断距沿倾向上的变化规律，孤立断层整体表现为椭圆特征，中心位移最大，向断层末端逐渐较小，至末端点位移为0。断层垂向分段生长过程中，塑性叠覆带(岩桥区)吸收应变，消耗位移，从而导致断层分段生长部位断距偏低。其高值区为断层生长成核部位[25]。由图4～6可知，板桥断层在Es2时期发育成为小断层，经过Es1和Ed时期的剧烈活动，断层进一步发育，成为板桥斜坡内的主控断层之一；断距最大处位于Es1段地层，说明板桥断层生长成核部位位于沙一段地层；整体表现形式为沙三段未发育→沙二段开始发育→沙一段至东营组断层强烈活动→馆陶、明化镇组活动减弱。

图4 板桥断层生长指数直方图Fig.4 Banqiao-fault growth index histogram

图5 板桥断层生长指数平面分布

由生长指数联合断距-埋深曲线(图7～8)可知，刘岗庄断层起始于裂陷最开始的时期，Es33时期断距最大，故成核点在Es33时期或Es33之前，Es33时期已经发育；Es32时期不活动，处于断层休止期；Es31期起继续强烈活动，直至古近纪东营组结束；新近纪断层继续活动，只是活动性相对减弱，表现形式为Ng和Nm生长指数略大于1；其整体趋势为“活跃→停止→活跃→逐渐衰退”的演化过程。

由图9～10可知，大张坨断层断距最大处普遍位于Es33时期，故成核点位于Es33时期，整体表现为自Es33时期开始活动，从未停止，几乎断穿整套新生界地层，古近纪Ed时期断层活动性最为强烈，新近纪以来断层活动性减弱；在line2184处刘岗庄断层与大张坨断层重合，大张坨断层受刘岗庄断层在Es32时期不活动的影响，所以在line2184～line2334间，生长指数表现为小于等于1，断层不发生活动；断层整体表现为“活动→剧烈活动→活动减弱”状态。

图6 板桥断层断距-埋深曲线Fig.6 Buried depth-fault throw curves of Banqiao-fault

图7 刘岗庄断层生长指数直方图Fig.7 Liugangzhuang-fault growth index histogram

图8 刘岗庄断层断距-埋深曲线Fig.8 Buried depth-fault throw curves of Liugangzhuang-fault

图9 大张坨断层生长指数Fig.9 Dazhangtuo-fault growth index

图10 大张坨断层断距-埋深曲线Fig.10 Buried depth-fault throw curves of Dazhangtuo-fault

2.2 主干断层生长机制

生长断层普遍发育于地壳中，其形成过程类似于材料力学中的刚体受力发生变形损伤直至破裂的试验，其形成过程可以认为是：完好的地层结构→受力后存在微观缺陷→微观缺陷发展→形成宏观裂缝→宏观裂缝扩展→岩体失稳，形成小规模断层→断层规模进一步扩展，这种损伤过程不仅适用于小的微裂隙，而且也适用于区域性大断层[25-26]，在断层的分段生长体现在一条断层的产生往往是由多条更为细小的断层所构成，断层分段生长具有普遍性，其生长演化经历3个阶段：(1)孤立成核阶段；(2)“软连接”阶段，即断层通过其间叠覆区调节应变的过程；(3)“硬连接”阶段，即断层分段生长连接形成一条大断层的过程[25]。由断层平面走向变化及图11-12可知，刘岗庄断层为一条典型孤立生长的大断层，孤立生长断层整体断距-距离曲线呈半椭圆形，中心断距最大，向四周断距逐渐减小，至端点处断距变为0[27]，断层中部断距及活动速率大，两侧小，波峰明显集中在断层中部，断层平面上呈近弧形形态，自沙河街—馆陶、明化镇时期一直活动。曲线断开后右侧为板桥斜坡研究区内的刘岗庄断层，左侧不在研究区范围，为说明断层孤立生长，故统计了刘岗庄断层整体的活动曲线。

图11 刘岗庄断层断距-距离曲线

图12 刘岗庄断层活动速率

由生长指数及断距-埋深曲线(图13～14)可知，Es3时期板桥断层未发育，Es1和Ed时期板桥断层活动性增强，故断距-距离曲线及断层活动速率只分析沙一下—明化镇时期。从断层平面走向(图13～14)可以看出，Es1时期板桥断层具有明显的分段特征，分为两条弧形小断层，断层在剖面为铲式，控制地层沉积，断距-距离曲线及断层活动速率都存在两个波峰，由此证明，板桥断层为一条典型的分段生长形成的断层。Es1时期板桥断层由两部分构成，Es1x时期两条小断层活动强烈，开始孤立成核，Es1z开始进行软连接阶段，Ed时期两条小断层软连接，至Ng,Nm时期断层发生硬连接，成为一条独立的大断层，也就是如今的板桥断层。

由断距-距离曲线及断层活动速率曲线(图15～16)可知，沧东断层为一条不存在明显分段生长的大断层，自Es33起活动至今，为典型的控沉积铲式断层，对整个板桥斜坡的形成发育影响巨大，断层面并不平滑，其上分布有大大小小的凸起。

图13 板桥断层断距-距离曲线

综上所述，板桥斜坡内主控断裂活动时间多集中在裂陷Ⅰ幕(Es3+Es2)和裂陷Ⅱ幕(Es1+Ed)，在后裂陷期(Ng+Nm)活动性减弱。

图14 板桥断层活动速率Fig.14 Fault activity rate of Banqiao-fault

图15 沧东断层断距-距离曲线

图16 沧东断层活动速率

2.3 构造演化史

对板桥斜坡埋深-断距曲线及生长指数等内容的解析，可以得到断层的发育先后顺序及活动期次，再结合构造演化史的分析，就可以分析断陷盆地及其内部断层的形成演化过程。以工区地震剖面资料为依据，应用平衡剖面技术，进行构造回剥，可做出构造演化图。图17为板桥斜坡西南部半地堑的构造演化史：裂陷Ⅰ幕(Es3+Es2)，受控于歧口主凹陷伸展应力的作用，板桥斜坡进入强烈活动时期并产生地层伸展减薄现象，初具次凹雏形，沧东断层作为控凹主边界断层随伸展的进行向深部逐渐延伸并发生旋转，断层面倾角随之减小、曲率半径增大，断层控制沉积明显，以沧东断裂为主，刘岗庄断裂为辅的断裂系统控制形成的小型断陷沉积了沙三段地层，发育的同向、反向断层成为顶部塌陷地层的边界断层；至沙二段沉积之后，大张坨断层尾端延伸过来，与刘岗庄断层倾向相同，半地堑顶部塌陷地堑内部产生的次生调节断层使得工区更加构造复杂化。裂陷Ⅱ幕(Es1+Ed)，新一幕裂陷的断层继承性发育明显，同向、反向的原生断层随着伸展产生迁移，断层面形态稍有变缓趋势，逐渐形成“y”型交互式断裂内部构造变形规律，近似于铲式边界断层上盘的构造变形规律，东营组沉积之后，可以明显观察到断层由下至上穿层发育，伸展过程类似于材料力学中的金属拉伸实验，底部由于长期的压实作用使韧性较上部更强，所形成的断层面弧形形态更加显著。后裂陷期(Ng+Nm)，该时期由断陷型沉积变为坳陷型沉积，伸展速率、断层活动速率及断层控沉积等方面明显减弱，坳陷期沉积地层厚度超过千米，形成具有楔型形态的潜伏盆地。

图17 西南部半地堑构造演化史

由图18构造演化史推知中部地堑构造带发育过程为：裂陷Ⅰ幕(Es3+Es2)，伸展运动使得Es3地层产生断裂，发育沧东、大张坨断层，伸展运动持续进行，Es2开始孕育与主控断裂反向的如板桥等次生调节断层，导致反向断层进一步生长，并控制凹陷内部沉积；沧东断裂作为先存断裂断控作用显著，地层在伸展运动中开始发生旋转。裂陷Ⅱ幕(Es1+Ed)，次生调节断层大量发育，由于沧东断裂的断控作用始终强于大张坨断层，所以地层旋转现象变得更加明显，板桥断层发育，开始控制盆内沉积，在原有的由沧东-大张坨断裂控制的大地堑中间发育小型地堑。后裂陷期(Ng+Nm)，坳陷阶段断层基本活动减弱，主干断层继续向上延伸至新的沉积地层内，整个裂陷盆地被坳陷期地层逐渐覆盖，成为潜伏盆地，盆内发育大量次生调节断层，形成许多大大小小的地堑系统。

图18 中部地堑构造带发育演化史Fig.18 History of the development and evolution of the central mantle tectonic belt

通过对构造演化史的分析，进一步验证了断层发育时期，板桥斜坡内部断裂系统在新生代具有明显继承性发育特点，沧东断裂作为主控断层贯穿于板桥斜坡断裂带内，并发育包括板桥、大张坨、刘岗庄断层在内的大量次生调节断层，裂陷Ⅰ幕和裂陷Ⅱ幕两个沉降阶段发育大量次生调节断层，区域内部构造进一步复杂化。

2.4 断裂系统划分

依据板桥斜坡内断层形成演化过程及工区的构造活动期次等因素，将研究区断层划分为6种类型，即裂陷Ⅰ幕断裂(Ⅰ型)、裂陷Ⅱ幕断裂(Ⅱ型)、后裂陷期断裂(Ⅲ型)、沙河街组-东营组断裂(Ⅰ-Ⅱ型)、沙一段-东营组-馆陶组及明化镇组断裂(Ⅱ-Ⅲ型)、沙河街组-东营组-明化镇组断裂(Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型)，以Es1段地层为例，断层平面划分结果如图19所示。

Ⅰ型断层是指只在裂陷Ⅰ幕产生断裂活动，后期断层进入休止期不再活动的断层，这类断层大多集中在工区东北部的叠瓦状铲式正断层系统内，发育于Es3和Es2段地层，断层面为平直板式的居多，表明局部发育脆性断裂，倾向与周边大断层的倾向相同，规模小，穿层性较弱，一般只断穿一套或两套地层，说明裂陷Ⅰ幕之后Ⅰ型断层附近的局部应力场较弱，不足以使断层继续活化。

Ⅱ型断层是指只在裂陷Ⅱ幕存在断裂活动而后裂陷期停止活动的断层，这类断层一部分只断穿Es1-Ed段地层，发育规模小，临近大规模断层，倾向与周边大断层倾向相同，断层面为板式的居多；另一部分规模较大，穿层性较强，可以断穿沙河街组-东营组两套地层，断层面为铲式，发育于板桥斜坡中部及东北部。

Ⅲ型断层是指只在后裂陷期发育的断层，这类断层在板桥斜坡广泛发育，断穿Ng-Nm段或Ng-Nm段以上的地层，规模有大有小，规模小的只在Ng或Nm一套地层发育，规模大的可以向上延伸至地表，形成“通天断层”，极个别断层可以向下延伸至Es1段地层，但是对地层沉积不起控制作用。

Ⅰ-Ⅱ型断层说明断层在裂陷Ⅰ幕和Ⅱ幕活动，后裂陷期处于休止状态，这类断层往往规模较大，平面延伸范围广，在全区都有分布，所断穿的地层多集中在沙河街组和东营组，个别断层会向上延伸至馆陶组，很少控制地层沉积。

Ⅱ-Ⅲ型断层说明断层自裂陷Ⅱ幕沙一期即开始活动直至馆陶-明化镇时期，这类断层往往活动性较强，穿层性很强，个别断层可以断穿整个第三系地层，可以控制地层沉积，平面延伸范围广，著名的板桥断层即为这类断层，板桥断层北部的长芦断裂的一个分支也属于此类型断层，工区东北部发育较多，西南部发育较少，包括刘岗庄断层北部的一个断层及滨海断裂系的一个分支断层。

Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型断层说明断层在整个第三系均发生活动，从未出现休止期，包括大张坨、刘岗庄、滨海、海河、长芦、港8井断层以及工区主控沉积的铲式边界断层沧东断层，这类断层规模大，走向上延伸很长距离，断层穿层性很强，可以断穿整个第三系地层，这类断层属于研究区主干断层，对板桥斜坡形成演化及次级断层的发育起到了至关重要的作用。

图19 断裂系统划分(以Es1段地层为例)Fig.19 Fault system division(example of Es1 sections)

3 结 论

板桥斜坡位于渤海湾盆地歧口凹陷北部，形成于新生代，本文基于最新歧口凹陷5 280 m2三维地震资料，从几何学、运动学角度论述研究区断裂变形特征，得出如下主要结论。

(1)利用断层走向玫瑰花图、埋深-断距曲线、断层活动速率曲线、生长指数曲线及断距-距离曲线进行构造解析，厘定伸展应力方向、断层形成期次、成核时间、活动性及分段生长等特性，表明板桥斜坡经历了3个裂陷期及NW-SE和近N-S向的伸展变形，主控断裂活动时间多集中在裂陷Ⅰ幕(Es3+Es2)和裂陷Ⅱ幕(Es1+Ed)，在后裂陷期(Ng+Nm)活动性减弱，边界断层沧东断裂为主要控沉积断层，自Es3起开始活动，对板桥斜坡的发育演化影响最大。

(2)基于平衡剖面技术，作出斜坡区不同位置的发育演化史，进行构造恢复分析可知该地区在裂陷Ⅰ幕(Es3+Es2)发生伸展运动，发育初始断层，以沧东断裂为主，刘岗庄-大张坨断裂为辅的断层系统控制了小型断陷，沉积了沙三段地层，沙二段沉积之后，大张坨断层尾端持续延伸并与刘岗庄断层倾向相同，断裂带顶部塌陷区发育反向控沉积小断层，裂陷Ⅱ幕(Es1+Ed)由于沧东断裂的断控作用始终强于大张坨-刘岗庄断层，所以地层旋转现象变得更加明显，板桥断层发育，开始控制盆内沉积，次生调节断层大量发育，在原有断裂带中发育各类小型的顶部塌陷地堑及半地堑，明显观察到断层由下至上穿层发育并延伸。后裂陷期(Ng+Nm)为坳陷阶段，伸展速率及断层活动性减弱，裂陷盆地被坳陷期地层逐渐覆盖形成了如今的潜伏盆地。

(3)依据断裂活动的时间性特征对断裂带进行系统划分，表明工区内存在6套断裂系统，即裂陷Ⅰ幕断裂(Ⅰ型)、裂陷Ⅱ幕断裂(Ⅱ型)、后裂陷期断裂(Ⅲ型)、沙河街组-东营组断裂(Ⅰ-Ⅱ型)、沙一段-东营组-馆陶组及明化镇组断裂(Ⅱ-Ⅲ型)、沙河街组-东营组-馆陶及明化镇组断裂(Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型)。