渤海西部沙东南构造带东营组古地貌特征及对沉积的控制作用

康海亮, 林畅松, 牛成民

1. 中国石油勘探开发研究院, 北京 100083;2. 中国地质大学 (北京) 海洋学院, 北京 100083;3. 中海石油 (中国) 有限公司天津分公司, 天津 300459

0 引言

构造作用特别是构造运动形成的古地貌控制了沉积体系的类型和分布、 烃源岩的发育、 有利储层的形成以及油气成藏 (徐长贵等, 2004; 郭正权等, 2008; 蒙启安和纪友亮, 2009; 赵虹等,2012; 杨华等, 2015; 蒋代琴等, 2018; 侯林君等, 2019; 陈磊等, 2019)。 国内学者在盆山分布、 盆内隆坳格局等相对宏观的构造古地貌分析以及凸起、 斜坡、 沟谷等相对微观的地貌及形态研究方面均取得了一系列的成果 (林畅松等,2015; 邵东波等, 2019)。 研究表明同沉积断裂及其组合形成的古地貌在中国东部新生代含油气盆地广泛发育, 国内学者对此研究的最早, 并且一直持续至今。 渤海湾盆地东营、 沾化古近纪发育雁行状、 梳状和帚状断裂组合, 形成了特定的古地貌, 控制了沉积砂体的展布 (林畅松等,2003); 同沉积断裂及其相关古地貌影响了物源方向、 沉积相类型及其发育充填 (郭涛等, 2008;廖计华等, 2016; 夏世强等, 2020); 不同的同沉积断裂及其组合还影响层序的发育样式和岩性圈闭的分布 (宋广增等, 2014; 陈宇航等, 2016;康海亮等, 2016; 段金宝等, 2019)。 除同沉积断裂形成的相关古地貌外, 古隆起边缘、 凸起斜坡的沟谷地貌也受到越来越多的关注, 这是由于沟谷本身就是古地貌的重要组成单元, 也是由剥蚀区向沉积卸载区输送物源的重要通道 (朱红涛等,2013), 还是分析源-汇系统时空演化过程中不可或缺的内容 (林畅松等, 2015)。

文中通过恢复渤海西部沙东南构造带东营组各层序发育时期古地貌及其演化特征, 对比不同分区地貌差异与控制因素, 总结出沟谷-斜坡-断坡和沟谷-多级断坡两种地貌组合对区内沉积相发育的控制, 为下一步砂体预测和油气勘探提供了基础。

1 地质概况

渤海海域是在前中生代基底上发育起来的中新生带陆相盆地。 西部海域部分位于黄骅坳陷中北部, 包含沙垒田凸起、 歧口凹陷东部海域部分、沙南凹陷、 石臼坨凸起西部、 渤中凹陷西斜坡和南堡凹陷南部斜坡等地区。 受北东走向的黄骅-东明断裂和北西走向的张家口-蓬莱断裂的双重影响, 发育北东、 北西和近东西向三组断裂体系,控制了渤海西部的构造格局 (黄雷等, 2013; 张正涛等, 2019a)。 沙东南构造带位于渤海西部海域沙垒田凸起东南部, 为受沙南断裂和沙东南1 号断裂控制的断裂构造带, 此次研究区主要包括沙垒田东凸起南部和沙南凹陷东部 (图1)。

沙垒田凸起为一个继承性的古凸起 (彭文绪等, 2012), 钻井揭示凸起区前古近系基底主要为太古界变质花岗岩, 沉积盖层主要为新近系。 在沙河街组沉积之前, 沙垒田凸起一直处于水体之上, 为长期的剥蚀物源区, 东营组沉积时期, 凸起逐渐沉没并接受沉积。 南部紧邻的沙南凹陷基底为中生界, 基底之上沉积了较厚的新生代地层,整体上东营组由沙南凹陷向沙垒田凸起逐渐超覆(张正涛等, 2019b), 东二段沉积之前, 凸起之上的沟谷为沉积物的输送通道, 东营组晚期随着沉积范围扩大和区域物源的输入, 沟谷逐渐被充填(石文龙等, 2013)。

东营组沉积时期, 渤海西部地区处于盆地裂陷Ⅳ幕阶段, 也就是经历沙二—沙一段热沉降后又一次较为强烈的断陷时期 (黄雷等, 2013)。 总体来看, 东营组构造活动强烈, 地层沉积厚度大,发育了一套扇三角洲、 辫状河三角洲和湖泊体系(李建平等, 2011; 赖维成等, 2012)。 研究区内沙南凹陷在东营组东三段和东二段时期, 表现为较强的断陷作用, 在东营组晚期逐步进入裂陷后期 (李新琦等, 2019)。

图1 渤海西部构造单元划分及研究区位置 (深度为古近系基底埋深)Fig.1 Structural units of the western Bohai Sea area and location of the study area (The depth is the buried depth of the Paleogene Basement)

2 构造古地貌特征

2.1 古地貌恢复

古地貌的控制因素很多, 包括古地形、 沉积作用、 古气候、 湖盆水体变化及构造活动等。 这些因素无时不在发生变化, 因此古地貌恢复是一项系统工程, 定量的恢复较为困难, 大多是根据研究对象的地质特征和实际资料情况采取合适的方法进行定性或半定量的恢复。 目前常用的古地貌恢复方法主要有沉积学分析法、 层序地层学分析法、 地层厚度法、 印模法、 回剥和填平补齐法(姜华等, 2009; 王晨杰等, 2017; 乔博等, 2018;何文军等, 2019)。

其中, 地层厚度法是利用沉积学原理恢复古地貌常用的方法。 一般而言, 古地貌形态控制了地层的充填过程, 古地貌低的地方可容纳空间较大, 不仅率先接受沉积而且充填的地层较厚; 古地貌高的地方可容纳空间小, 沉积较晚, 沉积地层也较薄。 因此通过分析等时界面内现今的地层厚度可以恢复沉积时期的古地貌形态 (鲜本忠等,2017; 厚刚福等, 2018; 朱茂等, 2018; 何文军等, 2019)。 该方法适用于所研究的目的层段无较大的地层剥蚀, 同时为提高古地貌恢复的精度,还需进行去压实校正和古水深分析。 沉降史分析表明东三段开始沙南凹陷总沉降速率超过200 m/Ma (图3), 整个东营组沉积时期处于基准面上升、 区域不断发生沉降的过程, 东营组沉积范围不断扩大, 并由沙南凹陷向沙垒田凸起超覆, 期间并未发生明显的构造抬升和沉积间断, 因此文中利用地层厚度法对东营组沉积区内各层序发育期的古地貌进行了恢复。

图2 渤海西部地区构造-沉积演化与层序划分Fig.2 Tectonic-sedimentary evolution and sequence division of the western Bohai Sea area

图3 沙南凹陷构造沉降史Fig.3 Tectonic subsidence history of the Sha’nan sag

首先选取目的层段之上和之下的标志层, 文中将东营组内各三级层序的顶底界面作为标志层,这些界面不仅等时, 而且岩电特征明显, 地震上易于追踪; 接着求取各层序现今地层厚度, 考虑到研究区钻井主要位于凸起之上及边缘地区, 且钻遇下部东三段的井数量较少, 单纯利用钻井难以获得研究区各三级层序的地层厚度, 主要利用三维地震数据对各层序界面进行区域追踪闭合后得到各层序界面的等时间构造图, 通过时深关系将等时间构造图转换为等深度构造图, 利用各层序顶底界面等深度构造图相减获得各层序的地层厚度。 利用上述方法得到的SQ-Ed3层序现今的地层厚度图如图4 所示, 该层序沉积厚度整体上北薄南厚, 北部主要为无沉积区, 向南过渡为沉积区,沙南凹陷沉积厚度一般在200 ～400 m, 沉积中心位于研究区东南部, 最厚可达1400 m, 但范围较为局限。

对古地貌的恢复还需考虑去压实校正和古水深分析, 对不同岩性孔隙度与深度之间的关系分析表明渤海地区东营组地层的压实系数约为1.9(周连德等, 2016), 利用模拟软件进行了压实厚度恢复。 通过沉积相、 碎屑岩粒度、 三角洲前积结构综合分析, 研究区发育扇三角洲、 辫状河三角洲-湖泊体系, 三角洲前缘古水深一般在0 ～30 m, 半深湖-深湖古水深最大可达60 m, 整个东营组经历了水体由浅变深再变浅的过程 (图2),这一过程与研究区的沉降史相一致 (图3)。 最终恢复的东营组各层序沉积时的古地貌如图5 所示。

图4 沙东南构造带SQ-Ed3 层序地层厚度等值线图Fig.4 Contour map of the stratum thickness in SQ-Ed3 sequence in the Shadongnan structural zone

图5 沙东南构造带东营组各层序沉积时期古地貌Fig.5 Ancient landform of each sequence of the Dongying formation in the Shadongnan structural zone

2.2 古地貌单元划分

古地貌单元一般包括隆起区或古凸起、 古沟谷、 古斜坡、 古断坡、 水下低凸起、 洼陷边缘、深凹或深洼区等 (吴贤顺和樊太亮, 2002; 姜华等, 2009)。 研究区古地貌单元主要由凸起区、 斜坡区、 古沟谷、 断槽、 浅洼和洼陷区组成 (图5)。凸起区主要分布在沙垒田东凸起南部, 分布范围层序逐渐缩小; 斜坡区主要分布在沙垒田凸起向沙南凹陷的过渡部位, 为古潜山面基础上发育的继承性斜坡; 古沟谷主要发育在沙垒田凸起边缘之上, 包括 “U” 型谷、 “V”型谷、 “W” 型谷和复合型沟谷等多种类型 (图6)。 东营组时期研究区整体上西高东低, 浅洼陷区主要分布在西南部, 深洼区始终位于东南部沙东南1 号断裂控制的断裂坡折之下。 研究区发育由主控断裂及同一时期形成的同沉积断裂共同组成的多种断裂组合, 这些断裂组合形成了不同的构造古地貌, 控制了凹陷内的砂分散体系和沉积充填 (邓宏文等, 2001; 邢凤存等, 2008; 张敏强等, 2011; 辛云路等, 2013; 刘若涵等, 2019)。

图6 沙东南构造带沟谷类型及剖面特征 (剖面位置见图1 中①)Fig.6 Valley types and their characteristics in profile in the Shadongnan structural zone (Profile location is shown as ① in Fig.1)

2.3 古地貌演化特征

SQ-Ed3时期凸起区主要位于研究区北部, 位于基准面之上的凸起区遭受剥蚀成为重要的物源区。 以北北东向转换断裂F 为界, 受边界断裂活动影响及基底地貌控制, 沉积区古地貌可以划分为两个区域: 西部为由数条沟谷体系、 古斜坡和早期断裂坡折形成的沟谷-斜坡-断坡地貌 (图5a),其中沟谷成为重要的物源输送通道, 古斜坡整体由西北向东南方向变低, 局部存在地形差异, 对砂体的分散起到一定的控制作用, 断裂坡折控制了早期地层充填; 东部地区主要为由沟谷和同沉积断裂组成的沟谷-多级断坡地貌, 沟谷数量和规模相对较小, 多级断坡是由2 条同向的同沉积断裂组成的顺向断阶, 组成同沉积断裂坡折和单断槽。

SQ-E时期整体上继承了SQ-Ed3时期的古地貌格局, 凸起区依然发育在研究区北部, 但范围有所减小。 由于边界断裂活动有所减弱, 沉积充填范围逐步扩大, 沉积物逐渐向凸起区超覆, 部分低洼地区被充填, 地形高差变小, 低部位沟谷逐渐接受沉积, 沟谷规模变小 (图5b)。

SQ-E时期, 研究区处于裂陷晚期, 区域整体上处于填平补齐阶段, 凸起区范围基本被覆盖,区域古地貌差异进一步减小, 沟谷以及断槽等物源输送通道已被沉积物充填。 整体为表现为西北高、 东南低, 西部区域主要表现为单一的斜坡地貌, 东部区域受同沉积断裂控制, 还存在一定的断裂坡折 (图5c)。

3 古地貌对沉积体系的控制

3.1 古地貌影响下的沉积体系展布特征

古地貌对沉积充填的控制作用表现在不同的古地貌单元在沉积物由源到汇的搬运沉积过程中所起的作用是不同的: 隆起区或古凸起一般为长期剥蚀地貌, 提供物源; 古沟谷或河道、 古斜坡在沉积早期主要作为输送物源的通道, 晚期接受沉积充填;古断坡、 水下低凸起对物源起到分散作用, 凹陷或洼陷区为沉积物卸载区, 洼陷边缘及浅洼区主要为各类扇体、 三角洲和滨浅湖, 深洼区多为半湖相沉积(林畅松等, 2003; 林畅松等, 2009; 蒙启安和纪友亮, 2009; 石开波等, 2017)。

SQ-Ed3层序时期, 受同沉积断裂及古凸起控制, 以北北东向横向调节断裂F 为界, 西部地区物源主要通过古沟谷输送到沙南凹陷, 形成沟谷控源、 斜坡控砂的缓坡扇三角洲体系, 沟扇对应关系良好, 三角洲规模大、 延伸距离较远, 扇三角洲平原主要发育在沙南断裂上升盘, 下降盘发育扇三角洲前缘, 沙中断裂带下降盘发育湖底扇。东部受沟谷-多级断坡地貌控制, 沙南及沙东南1号断裂下降盘发育小型扇三角洲。 研究区西南部主要受埕北低凸起北斜坡控制, 发育缓坡辫状河三角洲 (图7a)。

图7 沙东南构造带东营组各层序沉积体系分布Fig.7 Distribution of the sedimentary system in each sequence of the Dongying formation

SQ-E层序时期, 凸起区范围进一步缩小,北部形成两个独立的凸起, CFD18-1N-1 井南部的古凸起已被淹没, 形成水下高地, 该时期基准面快速上升, 可容纳空间扩大, 物源供给减弱, 研究区主要发育小型辫状河三角洲体系, 来自北部沙垒田凸起的物源依然主要通过古沟谷输送到沙南凹陷。 辫状河三角洲前缘推进至沙南断裂附近,沙南断裂构成大致为辫状河三角洲前缘与滨浅湖的分界。 沙中断裂带下降盘发育湖底扇。 东部受凸起及同沉积断裂控制, 沙南断裂下降盘发育小型扇三角洲, 沙东南1 号断裂发育湖底扇。 在研究区西南部, 来自埕北低凸起的物源减弱, 辫状河三角洲沉积范围缩小 (图7b)。

SQ-E层序时期, 研究区处于填平补齐阶段,构造活动较弱, 残留的凸起区范围很小, 分布在工区北部, 地貌差异进一步减小, 东部和西部区域地貌差异已基本消除, 主要为斜坡和浅洼区,凸起区和深洼区范围有限。 受此影响研究区发育大型辫状河三角洲沉积体系, 由于地貌变缓, 三角洲沉积规模大、 延伸距离远, 不再发育湖底扇(图7c)

3.2 古地貌对沉积充填的控制作用

沙东南地区主要发育沟谷-斜坡-断坡地貌和沟谷-多级断坡地貌组合, 不同的地貌组合及演变对沉积充填的控制存在差异。

3.2.1 沟谷-斜坡-断坡地貌沉积充填特征

侵蚀沟谷、 古潜山斜坡和早期同沉积断裂共同组成了沟谷-斜坡-断坡地貌, 发育在转换断层F西侧 (图5)。 侵蚀沟谷发育在古凸起之上, 主控断裂——沙南断裂中段表现为卷入基底的大型低角度正断层, 与多条切割古潜山斜坡之上沉积盖层的南倾断层在剖面上组成马尾状, 南倾断裂中,沙中断裂主要在沙河街组活动 (图8)。

低角度断层之上发育的同沉积正断层——沙中断裂构成了重要的断裂坡折, 主要控制了沙河街组的沉积, 在断裂坡折之下发育发育巨厚的低位扇三角洲、 浊积扇。 到了SQ-Ed3时期该断裂活动减弱, 断裂坡折之下逐渐被充填, 地貌差异变小, SQ-Ed3早期在弯折带之下发育湖底扇, 古潜山斜坡上发育辫状河三角洲。 随着沉积充填的进行, 到了时期, 沉积相带逐渐扩大到凸起之上, 早期作为物源输送通道的沟谷也被充填, 凸起-斜坡区沉积了一套高位辫状河三角洲 (图9)。

图8 沟谷-斜坡-断坡地貌组合地震特征 (剖面位置见图1 中②)Fig.8 Seismic characteristics of the valley-paleoslope-fault slope-break (Profile location is shown as ② in Fig.1)

图9 沟谷-斜坡-断坡地貌对沉积充填的控制 (剖面位置见图1 中②)Fig.9 Depositional filling characteristics controlled by the valley-paleoslope-fault slope-break (Profile location is shown as ② in Fig.1)

3.2.2 沟谷-多级断坡地貌沉积充填特征

侵蚀沟谷、 多级断裂组成了沟谷-多级断坡地貌, 发育在转换断层F 东侧的沙东南断阶带 (图5)。 断阶主要由沙南断裂东段、 沙东南1 号断裂及同期断裂组成, 沙南断裂东段为上陡下缓的铲式正断层, 断层形成时间早, 均切割基底, 持续时间长。 断裂组合样式平面上为平行式或斜交式,剖面上为同向断阶状, 形成2 ～3 个断裂坡折, 沟谷主要发育在沙南断裂上升盘的沙垒田凸起之上(图10)。

控制沙东南断阶带的沙东南1 号断裂形成时间和主要活动时期均为SQ-Ed3, 为该时期的控凹断裂, 形成的一级断裂坡折控制了SQ-Ed3的沉积充填, 在断裂坡折之下洼陷较深, 发育低位扇三角洲和湖底扇, 平面规模较小, 但在剖面上沉积较厚, 为相带突然增厚的位置。 沙南断裂形成时间晚于沙东南1 号断裂, 主要活动时期为成为分隔凸起与斜坡间的二级坡折, 控制了SQE小型扇三角洲的沉积, 到了SQ-E层序时期,断裂已基本停止活动, 辫状河三角洲沉积扩大到凸起之上, 并充填了SQ-E之前一直作为物源输送通道的沟谷 (图11)。

图10 沟谷-多级断坡地貌组合地震特征 (剖面位置见图1 中③)Fig.10 Seismic characteristics of the valley-multistage fault slope-break (Profile location is shown as ③ in Fig.1)

图11 沟谷-多级断坡地貌对沉积充填的控制 (剖面位置见图1 中③)Fig.11 Depositional filling characteristics controlled by the valley-multistage fault slope-break (Profile location is shown as ③ in Fig.1)

4 结论

(1) 沙东南地区东营组时期主要发育凸起区、斜坡区、 古沟谷、 断槽、 浅洼和深陷区等多个古地貌单元, 凸起区为重要的物源区, 古沟谷是物源输送的重要通道, 古斜坡和水下低隆起对物源的分散起到一定的作用。

(2) 沙东南地区主要发育两种古地貌, 以北北东向转换断层F 为界, 西部主要发育沟谷-斜坡-断坡地貌, 东部发育沟谷-多级断坡地貌。 沟谷-斜坡-断坡地貌控制了SQ-Ed3层序时期发育的远源扇三角洲-湖底扇体系, SQ-E时期的小型辫状河三角洲-湖底扇和SQ-E时期的大型辫状河三角洲体系的发育。 沟谷-多级断坡地貌控制了SQ-Ed3和SQ-E层序时期的小型扇三角洲-湖底扇体系以及SQ-E时期的大型辫状河三角洲体系的发育。

(3) 在沟谷-斜坡-断坡地貌组合中, 古沟谷在SQ-E沉积前作为物源输送通道, 之后接受沉积, 控制断坡的同沉积断裂主要在SQ-Ed3之前活动, 控制了沙河街组低位扇、 浊积扇的沉积充填;SQ-Ed3之后, 活动减弱, 断坡地貌构成了扇三角洲平原和前缘沉积充填的分界, 在SQ-E和SQE时期, 基本演变为辫状河三角洲前缘和滨浅湖的界限。 在沟谷-多级断坡地貌组合中, 多期同沉积断裂形成的古地貌造成沉积充填的差异, SQEd3时期的同沉积断裂控制了深洼的形成和坡折之下小型扇三角洲的沉积, SQ-E时期的同沉积断裂为分隔凸起与斜坡间的坡折, 控制了SQ-E小型扇三角洲的充填。

致谢:感谢中海石油 (中国) 有限公司天津分公司提供了部分研究资料, 同时也感谢评审老师提出的宝贵修改意见。