渤海海域辽北潜山中新生代差异演变与形成机制*

郭 涛 张江涛 王 鑫 张明升 康 琳

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

辽北潜山带是渤海海域辽东湾坳陷乃至整个渤海油田最重要的油气富集区，先后发现了锦州25-1南构造、锦州20-2构造、绥中36-1油田、锦州20-2N油田等多个大中型油气田，累计三级石油地质储量(油当量)4.73×108t，占整个辽东湾探区油气总发现的39%，含油层系从太古界基底潜山到新生界储层均有分布，自南向北实现真正意义上的“满凸富油”。然而，近年来随着浅层圈闭逐渐钻探殆尽，勘探重心逐渐转移至凸起区深层太古界变质岩潜山，相继在辽西凸起北段针对锦州25-1南、锦州20-2和锦州25-1北3个高位构造开展了太古界潜山研究，发现了渤海海域首个大型太古界油田锦州25-1南油田，并且在锦州20-2太古界也获得了良好的油气发现，但随后上钻的JZ25-1N-2井等多口探井及开发井在太古界潜山钻探失利，3个构造紧邻且分布于同一构造单元，但太古界油气富集贫富差异明显。地震和钻井资料揭示整个构造区中生界平面差异分布且厚度不一，太古界顶面形态及出露面积相差各异，变质岩储层内幕裂缝走向及发育程度各不相同，意味着辽北潜山构造演化过程仍需要开展系统性认识。

渤海海域构造演化受控于华北、扬子、太平洋、西伯利亚等多个板块之间俯冲碰撞差异性运动所引发的深部地幔上涌、郯庐断裂带走滑剪切等多种动力学机制[1-6]，构造特征表现为挤压、伸展和走滑等多期构造活动的复合叠加[7-9]，构造特征复杂且具有明显的阶段性，不同阶段的盆地格局存在明显的差异，即使是同一阶段，在不同地区盆地展布格局也截然不同，各演化阶段构造的叠加复合形成了现今复杂多样、改造强烈的盆地格局，这也进一步增大了辽北潜山构造演变恢复的难度，制约了深层潜山的油气勘探进程[10-13]。结合前人研究成果，本文基于钻井资料和三维地震资料的精细刻画，识别总结了潜山结构特征和构造样式类型，厘定了潜山内幕断裂发育特征，恢复了关键构造期古构造格局和潜山发育演变过程，可为研究区后续潜山油气勘探提供地质依据。

1 区域地质概况

辽东湾坳陷位于渤海海域的东北部，面积约2.2×104km2，是下辽河坳陷向渤海海域的延伸部分，整体呈NE向长条状展布，盆地内 NE向主干断裂体系控制了构造单元的发育展布，表现为“三凹夹三凸”的构造格局，自东到西依次为辽东凹陷、辽东凸起、辽中凹陷、辽西凸起、辽西凹陷和辽西南凸起6个二级构造单元(图1)。

图1 渤海海域辽北潜山区域构造图及地层综合柱状图Fig.1 Regional structural map and stratigraphic comprehensive histogram of Liaobei buried hill in Bohai sea area

辽西凸起作为辽东湾坳陷内最大的二级正向构造单元，自南向北贯穿于整个坳陷内部，连续性较好。基于基底潜山的岩性组合及剥蚀残留、新生代层系及其厚度差异以及主干断裂的走向和搭接关系，可将辽西凸起自南向北划分为南段、中段和北段，本文研究区辽北潜山带则位于辽西凸起北段及周边围区。

辽西凸起北段的基底岩性为太古界(Ar)、元古界(Pt)和中生界(Mz)，整体缺失古生界，在不同构造位置，基底的岩性组合和厚度不同。其中，锦州25-1南构造无中生界沉积，太古界直接暴露与上覆新生代地层不整合接触；锦州20-2构造除部分高点中生界遭受剥蚀导致太古界直接出露外，其余位置太古界上均有中生界覆盖；锦州25-1构造太古界上覆均发育有中生界。新生界垂向上由深到浅沉积有沙河街组(E2s)、东营组(E3d)、馆陶组(Ng)、明化镇组(Nm)和平原组(Qp)5套地层(图1)。

2 盆地结构及构造特征

渤海海域历经多次构造活动，导致其内部不同性质、走向及活动强度的深大断裂大量发育，控制了不同地质时期潜山基底的差异隆升或者断陷。整个辽北潜山带基于现今的地貌特征可以分为3支近NE向平行展布的构造条带(图2)：东支(DD’)、中支(EE’)和西支(FF’)，基于垂直于构造带的3条地震剖面(AA’、BB’和CC’)，这3支潜山构造带隆起的特征非常明显，且均依附于3条NE向断裂展布，其中东支和中支的规模相当，延伸较大，西支规模较小。东支：整体为受控于辽西3号断裂的单斜构造，发育有锦州20-2构造、锦州25-3等多个潜山圈闭目标，自南向北整体处于凸起高部位，连续性相对较好，中间下陷掉落的位置，笔者推测是早期断裂后期活化所致；中支：整体受控于辽西2号断裂，北段(AA’)和南段(CC’)为受断层控制而成的断背斜，中段(BB’)则为单斜构造，自南向北逐渐向洼陷中间倾末，南段(CC’)和中段(BB’)整体处于凸起高部位，北段(AA’)则整体过渡到洼陷中央，表现为洼中隆，整体连续性较差，中间被洼槽分割；西支：整体为受控于辽西号断裂的单斜构造，处于洼陷内部表现为洼中隆，整体连续性较好，向北倾末至BB’剖面位置消亡。

图2 辽北潜山结构特征及典型构造样式Fig.2 Structural characteristics and typical structural styles of Liaobei buried hill

辽北潜山带整体缺失古生界，根据潜山组成将辽北地区潜山结构分为2种类型：一元型和二元型。一元型是指仅包含太古界秃顶型结构，主要分布在锦州25-1南和锦州25-3构造带，无中生界，太古界直接与上覆沙河街组不整合接触；二元型是指太古界和残留中生界双层潜山结构，太古界上覆为中生界，主要分布在锦州25-1和锦州20-2构造带。基于目前的潜山勘探成效，一元型明显要好于二元型。

渤海海域辽北潜山带识别出多类型构造样式，这是对历经多期次和多性质构造应力叠加改造的构造响应，主要发育挤压、反转、伸展、走滑4类不同性质构造样式。

伸展构造样式广泛发育，这体现最后一期伸展构造运动对潜山的强改造作用，主要表现为NE向伸展断裂控制形成的单斜构造，断裂之间组合表现为多米诺、地垒和地堑等多种构造样式。

挤压构造样式是指在挤压应力下地层缩短发生褶皱变形和逆冲断裂，一系列逆冲断层与断块之间组合而成的构造样式。研究区经历多期强度和方向不一的挤压运动，在地震剖面中依然可以识别出早期形成的逆冲叠瓦扇、冲起构造等多种挤压构造样式。

走滑构造样式主要是指大型走滑断裂与其在潜山内部切割断块所组成的构造。郯庐走滑断裂带穿过整个辽北潜山带，整体经历了中生代左行走滑和新生代右行走滑，不同时期走滑伴随的挤压和伸展应力以及断裂叠复、S型弯曲造成的应力差异释放，导致不同构造位置断裂所夹持的断块挤压隆升或拉分断陷。

反转构造是指因构造应力场改变而使先期构造力学性质(如正断层与逆断层)或构造类型(如隆起和拗陷)向相反方向转化叠加而成的一类特殊构造。整个辽北地区整体经历了挤压—拉张—挤压—拉张等多期构造应力转换旋回，主要分为正、负2种反转构造类型，其中受北西向和北东向断裂先逆后正负反转控制而成的薄底构造或秃顶构造分布最广，该类构造以断裂上盘中生界很薄甚至整体缺失为特征。

3 辽北潜山构造演变及断裂发育特征

渤海海域辽北潜山带所在的华北克拉通处于西伯利亚板块、扬子板块，西太平洋板块的交会处，板块间垂向或横向运动是控制构造演化的动力来源，断裂、褶皱、地层残留展布均是对各期构造运动中应力释放的地质响应。基于上述构造特征分析并结合前人的研究成果，从复杂的叠加效应中离析各地质阶段的关键构造特征，结合现今三维构造特征恢复辽北潜山带各构造期次的演变特征。太古代：陆核的形成拼合阶段；元古代：陆壳破裂及坳拉槽发育阶段；早古生代：克拉通发育阶段；晚古生代：海-陆克拉通转换阶段；中生代整体进入了板块碰撞拼接和俯冲消减的强活跃期，不同时期板块的差异活动产生了多期“挤压—拉张”的构造旋回，并伴随多期幕式走滑剪切，本文首次在研究区识别出印支期以及燕山晚期构造活动特征；进入新生代喜山运动发生强烈的伸展-走滑断陷，发育了大量张性断裂，凸凹相间的基底构造格局已然成型。

3.1 太古代—元古代

新太古代阜平运动晚期华北陆核固结完成第一次克拉通化，地表强烈的火山喷发等高地热运动使得地壳最终分异为稳定的花岗岩和活动绿片岩，构造成了早期渤海海域的古基底。元古代发生以吕梁运动为主要代表的构造事件，造山活动频繁且强烈，地壳区域性沉降和隆升，断陷、挤压、碰撞等断裂活动引发了剧烈的火山作用，形成大量造山花岗岩，多期热构造活动发生变质为黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩等，陆核进一步固化、联合向陆块过渡演化，陆块克拉通化完成，华北板块和扬子板块雏形已现。晚元古代芹峪运动至蓟县运动导致基底抬升遭受强烈剥蚀，局部有元古代地层残留[14-16](图3)。目前渤海辽北地区锦州25-1南多口钻井均钻遇太古界，岩性以变质花岗岩、花岗片麻岩为主，取得了非常好的油气发现，其中JZ25-XS-8井太古界钻获117.1 m油层，探明了渤海首个太古界油田；JZ20-Y-3井则钻遇元古界，岩性以黑云母混合花岗为主，同样揭示较厚的油气层。

图3 辽北潜山沉积建造构造演化模式Fig.3 Tectonic evolution model of Liaobei buried hill sedimentary formation

3.2 古生代

寒武纪—二叠纪，加里东运动早期主要以陆台的沉降和大规模海侵运动为主，沉积了巨厚的海相灰岩地层，加里东运动晚期整体抬升剥蚀，多口已钻井揭示渤海海域缺失志留系和泥盆系，晚石炭世到晚二叠世再次沉降，海西运动为大规模造山期，华北板块与扬子板块开始接触碰撞，发生大规模海退，逐步形成北陆南海的构造格局。前中生代自克拉通形成以来，板块运动主要是以垂向的隆升和沉降为主，构造运动相对简单，主要表现为区域性地层的剥蚀或沉积，褶皱、断裂等局部横向强应力构造相对较少[17-20](图3)。辽东湾地区SZ36-X-2D井钻遇寒武系灰岩，岩性以白云灰岩、生物灰岩为主，并夹有薄层砂岩和泥岩。

3.3 中生代

3.3.1晚三叠世(印支挤压造山期)

早—中三叠世继承晚古生代构造格局，构造相对稳定；晚三叠世(印支期)，华北板块构造与扬子板块自东向西剪刀式碰撞闭合，古秦岭洋消失，板块拼接缝合处发育了秦岭大别造山带，在近南北向强挤压作用下华北板块发育了逆冲断层及相关褶皱等一系列的挤压构造[3-5,21-22]，强烈挤压引发的持续隆升剥蚀导致整个渤海海域缺失上三叠统，且古生界遭受不同程度剥蚀。现有地震资料和钻井资料揭示辽北潜山在印支期整体处于一个巨型挤压背斜核部，隆升剥蚀作用非常强烈，整体缺失古生界，奠定了辽北潜山高构造的雏形(图4a)。本文在辽北潜山带首次识别出了NW向大型逆冲断层(图2-DD’、图2-EE’)，例如，辽北1号、辽北2号等。这些断层规模较大，剖面上呈铲式，上陡下缓，平面上则呈平行排状，推测这些断层为统一大型逆掩推覆构造，在地壳深部存在统一的低角度逆冲推覆面，逆冲断裂组合形成了一系列逆冲构造。例如：锦州20-2整体表现为逆冲叠瓦扇构造，锦州25-1南表现为逆冲构造，处于构造应力释放最强的区带，逆冲断裂非常发育，对潜山具有强烈的正向改造作用，奠定了良好的储层物质基础(图5a、图2-DD’、图2-EE’)。中国大部分陆壳结进入了一个划时代的构造变动期，中国大部分陆壳结束了海侵历史。

图4 辽北潜山基底“造山-反转-断陷”构造演化模式Fig.4 Tectonic evolution model of “orogeny-inversion-rifting” of Liaobei buried hill

3.3.2侏罗纪—白垩纪(燕山反转改造期)

盆地构造运动动力源由古亚洲陆块体系转换为滨太平洋海陆交互体系。燕山运动早期为印支运动到燕山运动的转型阶段，华北板块与扬子板块挤压碰撞仍在继续，但已经明显减弱，西太平洋板块开始向华北板块俯冲挤压，整个辽北潜山仍处于构造高部位且遭受剥蚀；燕山运动中期，晚侏罗纪到早白垩世受多向挤压运动诱发岩石圈减薄垮塌，大规模软流圈地幔上涌引发强烈的火山运动和伸展断陷[10-13,23-24]，整个辽西凸起北段沉积了巨厚中生界，主要表现为印支期形成的大量逆冲断层及褶皱反转所产生的低洼带的填平补齐，如JZ20-Y-1井揭示了420 m白垩系，JZ25-X-1钻遇了1 040 m的中生界(图4b)；燕山运动晚期，晚白垩世伊泽奈崎板块的俯冲碰撞导致NW-SE向挤压隆升构造运动占据主导地位，同时叠加一定强度郯庐走滑断裂带左旋走滑作用，发育NE向兼具走滑性质的逆冲断层，局部发育有NE-SW走向挤压褶皱构造，各构造带沿NE向断层发生不同程度的反转隆升整体处于隆升剥蚀状态，现今NE走向构造格局渐显雏形，本次研究首次识别出了燕山晚期挤压形成的NE向逆冲断裂，具体表现为中生界残留地层走向为NE向，在逆冲构造前缘，中生界剥蚀最强烈以至于部分区带太古界直接出露地表，存在明显的角度不整合面(图4c、5b)； NE向逆冲断层切割早期印支期NW向逆冲断层，平面上一起组合表现为羽状构造样式(图5b)。钻井揭示锦州25-1南构造抬升最为强烈，中生界整体被剥蚀殆尽，太古界直接出露地表，锦州20-2构造抬升强度次之，仅在构造高点中生界剥蚀出露太古界，锦州25-1构造剥蚀作用最弱，整个构造中生界全覆盖(图6)。

图5 辽北潜山内幕主干断裂体系Fig.5 Main fault system of Liaobei buried hill

图6 辽北潜山地层展布Fig.6 Stratigraphic distribution of Liaobei buried hill

3.4 新生代(喜山断陷定型期)

新生代欧亚板块受太平洋板块的高速俯冲以及印度板块的硬碰撞，渤海湾盆地岩石圈发生区域性强烈主动裂陷作用，地幔上涌引发的NW-SE向强伸展和郯庐断裂带右旋走滑作用[25-30]，在形成新的NE向断裂构造的同时，部分燕山晚期逆冲断裂再次活化反转表现为具有右旋走滑性质的正断层(图4d)，残留古生界在燕山期F9断裂两盘，表现为明显的右旋错动位移，证实了再活化右旋构造运动的存在(图6)，辽北地区基底控凸凹构造格局的断裂体系已现雏形，该时期发生区域性强伸展断陷沉降，接受沙河街组沉积，具体表现为对该时期断陷产生可容空间的填平补齐，即便是现今处于凸起高部位的锦州25-1南等3个构造均接受古近系沉积，JZ25-XS-3井揭示了473 m沙河街组，区域断陷沉降强度可见一斑。喜山运动晚期，NE-SW断裂再次发生强烈伸展走滑作用，整体表现为区域性断陷沉降，地块发生旋转，广泛接受东营组巨厚沉积，辽北地区凸凹相间构造格局已然成型。喜山运动作为辽北潜山最后一期强构造活动，直接控制现今构造地貌的形成，差异强伸展断陷改造了潜山基底的高低关系，例如：锦州14-6构造在燕山晚期为凸起高部位，中生界剥蚀殆尽太古界直接出露，新生代受控于辽西3号的强断陷作用，高凸起被断至洼陷内部表现为洼中隆(图4c、d)。

4 结论

1) 渤海海域辽北潜山整体缺失古生界，潜山结构类型分为一元型和二元型两种，内幕识别出挤压、反转、伸展、走滑4类不同性质构造样式。

2) 渤海海域辽北潜山主要分为4个演化阶段：前中生代前潜山阶段，陆块克拉通形成和地层沉积建造发育为潜山形成提供了物质基础；印支运动造山阶段，近南北向挤压持续隆升致古生界剥蚀殆尽，奠定了辽北高凸起的基础，发育NW向逆冲断裂；燕山运动反转改造阶段，中期的断陷沉积和晚期近北西向挤压，初步形成了潜山北东走向的古构造格局；喜山运动断陷定型阶段，NE向断裂差异断陷作用控制了潜山带相对高低关系。印支运动、燕山运动和喜山运动多期次、多方向、多性质构造演化叠合，造就了辽北潜山带南高北低、东高西低呈NE向条带脊状的构造格局，同时控制了潜山内幕断裂形成和地层差异展布，潜山内幕北西向和北东向 2组逆冲断裂组合形成了复杂网格状断裂系统。