莱州湾凹陷新生代走滑-伸展叠合断裂体系发育演化模式

李 坤, 董 柔, 徐国盛, 梁 强, 杨海风

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，成都 610051；3.中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452)

渤海湾盆地是近期油气勘探突破的重点地区之一[1-2]，先后在渤中19-6构造、莱州湾垦利10-1、垦利16-1等构造发现多个千万吨级大型油气田。走滑、伸展、收缩是3种基本的地质构造变形方式[3]，而在现实地质环境下，很少发育单一变形方式，大多为2种或者3种变形的叠合作用。渤海湾盆地在中、新生代经历了2期裂陷旋回，渐新世又发生走滑运动，导致盆地内部近EW向的伸展作用与NNE向的走滑作用分区差异叠加[4]，存在伸展-走滑叠合、伸展-挤压叠合、挤压-走滑叠合3个成因类型[5]，其中辽东湾地区为早期强伸展和晚期走滑垂直叠加，渤南地区为早期伸展和晚期强走滑平行叠加[6]。莱州湾凹陷位于渤海湾南部东南侧，郯庐走滑断裂带从凹陷内部穿过[7]，前人广泛关注走滑断裂与油气赋存的联动关系[8-10]，但是针对凹陷内部走滑-伸展叠合断裂体系发育特征及其对油气成藏的控制作用研究相对较少。本文以地震资料精细剖析为基础，进一步厘定莱州湾凹陷主干断裂发育特征，对比伸展-走滑时空差异，建立断裂体系演化模式，进而探讨走滑-伸展叠合断裂控藏要素，对渤海南部下一步油气勘探提供科学依据。

1 区域地质概况

渤南地区在“早伸展-晚走滑-局部叠加”的应力机制影响下，近EW向伸展断裂系统与NNE向走滑体系纵横交错，总体呈现“南北分块”、“东西分带”的空间格局 。莱州湾凹陷位于盆地东南侧，是中生界基底之上发育的新生代凹陷[11-12]，平面上整体呈菱形，长轴方向为NE，剖面呈“北断南超”的半地堑结构形态[5]。近EW向莱北1号断裂分割莱州湾与莱北低凸起；郯庐断裂带东支与鲁东隆起分隔，西支为莱州湾边界，整体上呈现“三断一凸”的构造形态(图1)。

图1 莱州湾凹陷构造纲要图Fig.1 Structural outline map of Laizhou Bay Sag

2 莱州湾凹陷断裂发育特征

莱州湾凹陷内部主要发育近EW向伸展断裂、NNE向走滑断裂、NEE向次级断裂和叠合走滑断裂，凹陷中深层以伸展和走滑断裂为主，而浅层则以次级断裂、花状伴生断裂及走滑叠合断裂为主(图2)，整体构成“H”形平面组合(图3)。

2.1 近EW向伸展断裂

近EW向伸展断裂主要发育于凹陷中北部，剖面表现为“北断南超”的箕状特征，控制内部新生代沉积。凹陷北部边界莱北1号断裂以铲式正断层为主要特征，倾向SE，向下断至新生界基底，向上穿过新生界，在中浅层与次级断裂组成“y”字形、反“y”字形以及马尾状组合样式(图4-A)。莱南1号和莱南2号断裂为一组相背倾向的伸展断裂，在凹陷中部形成一个小型地垒，并将莱州湾分割成南北两个次洼。莱南2号为铲式正断层，与浅层断层形成反“y”字形组合样式。莱南1号为高角度板式正断层，在剖面上与次级断层叠合形成多级“y” 字形组合(图4-B)；同时莱南1号的东西两端受郯庐断裂带东西分支的应力偏转影响，走向由EW向分别调整为NNE和NWW向。

2.2 NNE向走滑断裂

郯庐断裂带是一条横贯中国东部的大型走滑断裂带[13-14]，渤海湾南部郯庐断裂带由大致平行的2～3条NNE向分支走滑断裂组成[15]，EW向双断式地堑控制边缘凹陷的发育[16]。郯庐断裂带东支向北逐渐分散成3个同向排开的马尾状分支，负花状构造特征更加明显(图5-A)；西支从凹陷南部深入渤南低凸起，平面连续性较好，主干断裂较东支倾角较大，丝带效应明显，且中南部多呈现半花状构造特征(图5-C)。

2.3 走滑-伸展叠合断裂

走滑-伸展叠合断裂是指强走滑作用叠加在早期伸展断裂之上形成的复杂断裂系统。莱州湾早期裂陷被夹持在郯庐断裂带的分支走滑内部，为发育走滑-伸展叠合构造提供了应力条件。例如郯庐断裂带西支断裂发育NE向叠合1号断裂，东支4号断裂(图6-A)和中支1号断裂北侧(图6-B)也发育近NS向的叠合断裂，均呈现后期走滑花状构造切割早期伸展铲式断层中上斜坡的典型组合样式。

图2 莱州湾凹陷构造剖面栅状图Fig.2 Structural profile grid map of Laizhou Bay Sag

图3 莱州湾凹陷断裂体系图Fig.3 Fault system of Laizhou Bay Sag

图4 莱州湾凹陷伸展断裂样式剖面图Fig.4 Extensional fault style pattern of Laizhou Bay Sag

图5 莱州湾凹陷走滑断裂样式剖面图Fig.5 Strike-slip fault patterns of Laizhou Bay Sag

3 断裂演化特征

渤海湾盆地新生代经历了孔店运动、济阳运动、东营运动、新构造运动等多期构造活动，表现为断陷-断拗转换-拗陷等多个发育阶段。渤南地区经历了新生代早期孔店组-沙河街组第四段(简称“沙四段”，其他组段也使用类似的简称)沉积期、沙三段沉积期和渐新世晚期3期断陷伸展过程，同时经历了沙二段-沙一段沉积期、新近纪走滑-伸展叠合过程，尤其是晚期走滑叠合作用分段差异明显，北段叠合作用明显强于南段(表1)[17-19]，断裂多期差异演化赋予莱州湾复杂的沉积-构造特征。

3.1 断裂演化期次

结合渤海湾区域构造演化特征，根据典型构造剖面演化分析，认为莱州湾凹陷断裂演化经历了4个阶段：

a.初始裂陷阶段(孔店组-沙四段沉积期)。莱州湾内部发育3条近EW向控洼断裂，NE向箕状凹陷雏形初现，发育的半地堑系统控制早期地层沉积，为第一套烃源岩(沙四段)的形成奠定了坚实的基础。主干伸展断裂以莱北1号为主，表现为上部倾角较缓的铲式正断层(图7-A)；郯庐断裂带的中部分支则为直立断层，次级断裂不发育。

图6 莱州湾凹陷走滑-伸展叠合断裂样式剖面图Fig.6 The profiles of strike slip-extension superimposed faults in Laizhou Bay Sag

表1 渤南地区新生代构造运动期次Table 1 Characteristics of Cenozoic tectonic periods in Bonan area

b.断陷伸展阶段(沙三段沉积期)。莱州湾凹陷处于快速裂陷沉积阶段，中部隆起格局初步形成，主干伸展断裂基本定型，4个半地堑系统由北向南依次减弱，上盘沉积了较厚的沙三段，进一步富集第二套烃源岩；同时莱南2号断裂东南侧内部伴生反向次级断裂，平面上南洼缓坡带呈雁行式排列，剖面上“y”字形断裂组合广泛发育(图7-B)，为油气早期运移提供垂向输导通道。

c.强走滑-伸展叠合阶段(沙二段-东营组沉积期)。由于太平洋板块偏转挤压和印度板块的持续俯冲[20]，导致郯庐断裂带右旋走滑，莱州湾内部在右行张剪应力作用下，郯庐断裂带东支主干断裂发育花状构造、中支1号发育半花状构造(图7-C、D)，同时内部伸展断裂也普遍发育“y”和反“y”字形组合。其中沙一段-沙二段沉积期为强走滑运动期，叠加在莱州湾凹陷西部陡坡带和中部地垒带中上斜坡处，走滑断裂切割早期伸展断裂中深部，组成走滑-伸展叠合断裂体系；东营组沉积期为强伸展-弱走滑阶段，莱北低凸起上次级断裂呈明显的雁行式排列，东部走滑带次级断裂与主干断裂呈羽状相交，东营组末期经历短暂剥蚀作用[21]。走滑作用与伸展断裂的叠加，致使断层再次开启，将油气输送至浅层构造中形成高产油气藏[22]。

d.晚期弱伸展-弱走滑阶段(馆陶组沉积期-至今)。古近纪末期，渤南地区断裂活动差异较大，庙西凹陷处于强走滑-强伸展阶段，而莱北低凸起以南区域则表现为弱伸展-弱走滑平稳调节阶段。莱州湾凹陷已接近活动尾声，在郯庐断裂弱右旋压扭作用下，浅层发育少量次级派生断裂，北断南超的箕状凹陷格局定型(图7-E、F)。

3.2 断裂发育模式

走滑伸展盆地是重要的含油气盆地类型，渤海盆地、莺歌海盆地都分布在郯庐、红河等大型走滑断裂带上[23-24]。渤海新生代的含油气盆地是始新世的伸展裂陷盆地、渐新世的走滑拉分盆地和上新世以来构造活动叠加、复合的结果，表现为伸展-走滑拉分叠加复合盆地[25]。莱州湾走滑-伸展叠合断裂发育模式可以归纳为3个阶段。

a.初期裂陷-快速伸展阶段。边界伸展断裂短时间内快速发育，铲式正断层形成凹陷初期“北断南超”的整体样式(图8-A)，裂陷作用控制凹陷内烃源地层富集[26]，平面上展现“四凸两凹”的构造格局。

图7 莱州湾凹陷中部地震剖面构造演化图Fig.7 Seismic profiles showing structural evolution in the middle segment of Laizhou Bay Sag

b.中期叠合-强烈走滑阶段。伴随着郯庐断裂带的右行张剪作用，莱州湾凹陷东西两侧走滑断裂活动增强，切割早期铲式伸展断层的中部，在剖面上形成花状构造与“y”字形构造的叠合(图8-B)。

c.晚期叠加-走滑延续阶段。伴随着渤海湾盆地热沉降，莱州湾凹陷进入弱改造定型期，伸展断裂和走滑断裂都处于弱活动阶段，以浅层次级断裂发育为主，表现为叠合走滑的浅层分支断裂增多(图8-C)，油气晚期运聚成藏并定型。

4 断裂控藏特征

渤海湾盆地南部近几年在大型断裂带附近取得重大勘探突破[27]，尤其是在莱州湾凹陷的北部陡坡带发现大型油田，断裂对油气成藏的控制作用明显[28-29]，主要表现为：早期伸展断裂控制烃源岩的沉积、中期断裂组合样式控制圈闭的规模、多期断裂活动控制油气的运聚。

4.1 早期伸展断裂规模控制烃源岩展布

渤南地区南段发育4套烃源岩，主力生烃层位为发育在强烈断陷时期的沙四上段和沙三中下段，表现为厚度较大的深水-半深水相暗色泥岩。莱州湾凹陷早期受近EW向伸展断裂控制，优质烃源岩沉积在快速裂陷期的北洼、南洼东侧和东北次洼，烃源岩厚度自凹陷中心向凹陷边缘逐渐变薄。其中沙四上段沉积期伸展断裂活动速率快，最大埋藏深度达1.46 km，有机碳质量分数达2.7%。并且断裂活动性越强，烃源岩成熟度越高。沙四上段烃源岩在东营组早期开始生烃，至馆陶期进入生排烃高峰，匹配该阶段次级断裂活动，形成良好的时空配置关系，及时将油气垂向输送至有效圈闭中。

图8 莱州湾凹陷叠合走滑模式图Fig.8 Superimposed strike-slip model for Laizhou Bay Sag(A)初期裂陷-快速伸展阶段; (B)中期叠合-强烈走滑阶段; (C)晚期叠加-走滑延续阶段

4.2 晚期断裂组合样式控制圈闭类型

渤南地区南段广泛发育伸展断裂、走滑断裂以及叠合走滑断裂体系，受郯庐断裂带及近EW向断层的控制，断层上下盘相互叠加组合，形成断块、断鼻、伸展-走滑叠合成因的断背斜和断层-岩性复合圈闭(图9)，发育位置主要位于浅部层系的陡坡带、洼陷带、转换带、凸起带和郯庐断裂带上；同时NNE向郯庐断裂带和近EW、NWW向主干断裂展布控制构造圈闭的分布，晚期郯庐走滑断裂叠加改造作用导致浅层圈闭数量和类型明显多于深层。

图9 莱州湾凹陷叠合走滑圈闭类型示意图Fig.9 Sketch showing superimposed strike-slip trap in Laizhou Bay Sag

4.3 多期断裂活动控制油气运聚

渤海湾盆地南部断裂构造复杂，活动幕次较多，油源断裂活动时期与烃源岩生排烃期的配置关系影响油气的运聚富集[30]。莱州湾凹陷北洼为主力生烃区，北部斜坡带发育铲式陡坡边界油源断裂，而东部走滑带发育阶梯状油源断裂，其活动性控制了主成藏期油气输导体系的时效性。莱州湾地区油气成藏期为5 Ma B.P.以来，晚期的区域构造抬升，激活了主成藏期的输导体系，主干及派生断裂提供良好的深浅层输导通道，其中晚期NNE向郯庐断裂带的封堵性优于近EW向断裂，同时早期近EW向断裂浅层封堵性优于深层，长期活动油源断层的活动强度越大，油气富集程度相对越高。

5 结 论

a.莱州湾凹陷周缘及内部发育3类主干断裂，伸展断裂系统呈近EW向展布，主要发育在凹陷中北部，呈上陡下缓铲式特征，表现为“y”与反“y”字形组合，控制凹陷内各次洼沉积；走滑断裂系统呈NNE向展布，主要发育在东西边界，平面连续性较好，剖面上呈现花状或半花状构造；叠合走滑断裂主要分布在走滑带两侧，以花状走滑断裂切割铲式伸展断层中上部为典型特征。 NNE向的郯庐断裂带分支走滑断裂与近EW向的莱北1号伸展断裂共同组成“H”形断裂体系。

b.莱州湾凹陷构造演化经历了4个主要时期：孔店组-沙四段沉积期为初始裂陷阶段，局部强烈伸展，控制第一套主力烃源岩富集；沙三段沉积期为继承裂陷伸展阶段，持续性最强断陷，第二套烃源岩大量富集；沙二段-东营组沉积期为强走滑-伸展叠合阶段，凹陷内部走滑强烈，并在郯庐断裂带东西分支局部形成叠加构造，对先期形成的伸展断裂进行切割，为油气纵横向运移提供有利通道；馆陶组-明化镇组沉积期为弱伸展-弱走滑阶段，少量次级断裂在浅层组合成多样样式，与沉积盖层一起控制晚期油气调整与成藏。

c.莱州湾走滑-伸展叠合断裂发育模式包含初期裂陷快速伸展、中期强烈走滑叠合、晚期叠合走滑延续3个阶段。通过主干断裂生长指数及活动速率定量分析，明确了不同构造时期断裂活动的差异，其中沙三段沉积期是断裂强烈伸展阶段，沙二段沉积期为走滑-伸展叠合体系最为典型的时期。

d.断裂构造控藏作用主要表现为：早期断裂控制烃源岩的沉积、晚期断裂组合样式控制圈闭的规模、多期断裂活动控制油气的运聚。