渤中凹陷北部弧形断层构造特征及地质意义

吴 斌，黄胜兵，耿名扬，沈 朴

中海石油研究总院有限责任公司，北京 朝阳 100028

引言

弧形断层广泛存在于陆内造山带中，在平面上具有明显弧度[1]，国内外的学者对弧形断层的几何学特征[2-4]、运动学特征[5-9]、成因机制[10-14]和对油气控制作用[15-18]等方面开展了大量研究，但是对于裂陷型盆地内弧形断层的研究比较少，主要集中在东营凹陷[19-21]。前人探索和积累的宝贵经验，为本文研究裂陷型盆地内的弧形断层提供了可行的方法和可借鉴的研究思路。

研究区位于渤中凹陷北部，夹持于石臼坨凸起与渤东低凸起之间，工区面积约240 km2，其新生代构造活动分为裂陷期和拗陷期两个阶段，孔店期--沙三期，渤中凹陷受南北向拉张，发育伸展断裂；沙三末期受太平洋板块俯冲作用，导致郯庐断裂带右行，使得一些断裂具有一定的剪切性质。研究区周缘的石南陡坡带、断阶带、洼中带和渤东低凸起均有含油气构造发现[22-25]，其中，石南陡坡带钻井5 口，发现3 个小型含油构造，主要含油层位沙河街组和东营组；石南斜坡带钻井7 口，发现3 个小型含油构造，主要含油层位明下段；洼中带钻井1口，主要含油层位东营组和馆陶组；渤东低凸起钻井9 口，主要含油层位潜山、东营组和明下段，但是在渤中凹陷北部至今尚无突破。

目前，在研究区东二下段已经识别了4 期三角洲，其中，最具有勘探潜力的构造-岩性圈闭位于第四期三角洲上，然而，研究区断层发育复杂，其断裂的构造特征、活动强度、形成机制及对研究区油气控制作用等方面的研究是不清楚的。这些问题的解决，对于构造-岩性油气藏的落实具有重要意义。为了解决上述问题，本文基于两块三维地震数据、钻井和测井资料，对研究区断层的几何学和运动学进行了精细刻画，查明了断层的构造变形特征和规律，通过对研究区周缘走滑断层和断层形成前古坡脚的分析，弄清了弧形断层的成因机制，建立了断层形成演化模式，并探讨了弧形断层对油气成藏的控制作用。

1 区域地质概况

渤中凹陷位于渤海湾盆地中东部，面积约1.0×104km2，是渤海湾盆地的沉降中心和沉积中心[26]，其周缘与渤东低凸起、渤南低凸起、埕北低凸起、沙垒田凸起和石臼坨凸起相邻，具有南西宽北东窄的特征[27]（图1）。渤中凹陷自下而上主要发育前新生界基底，古近系孔店组（E1-2k）、沙河街组（E2s）、东营组（E3d）和新近系馆陶组（N1g）、明化镇组（N2m）等沉积盖层，其中，沙三段、沙一段和东三段为有效烃源岩。纵向上根据生储盖组合[28]和油源对比[29-30]的结果，可以划分出4 套成藏组，包括新生古储的基底组合、自生自储中下组合以及下生上储的上组合[31]。研究区断层十分发育，其形成演化过程对油气的运聚成藏具有重要的控制作用。因此，深入研究渤中凹陷北部断层构造特征及其形成演化过程，并探讨断层对油气成藏的控制作用，有利于指出下一步油气勘探方向。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

2 断层发育特征

渤中凹陷北部断层数量众多，以伸展断层为主，在剖面和平面上表现出复杂的构造变形特征，通过对渤中凹陷北部开展精细的断层解释，并利用时间切片和方差体切片等手段，查明了断层的剖面和平面特征。

结合钻井和地震资料，在研究区识别出7 个界面，自下而上分别是沙一二段底界面（T50）、东三段底界面（T30）、东二下段第I 段底界面（T28）、东二下段第II 段底界面（T26-2）、东二下段第III 段底界面（T26-1）、东二上段底界面（T26）和馆陶组底界面（T20）（图2）。

图2 渤中凹陷北部断层剖面组合样式（位置见图1）Fig.2 The section combined patterns of faults in the north of Bozhong Depression（see Fig.1 for location）

研究区在剖面上发育层间、阶梯状的正断层，具体表现为上盘下降下盘上升的特征，断层的倾角主要集中于30°～60°，断层两盘的厚度存在显著差异，反映出断层对沉积地层的控制作用。从图中也可以看出，断层向下滑脱消失于沙一二段中，向上终止于东营组顶界面之下，是发育在其间的层间断层，这些断层的产状基本一致，各条断层的上盘依次向同一方向下降，在剖面上构成阶梯状的组合样式。

渤中凹陷北部发育弧形断层（图3）。通过剖面和平面交互式解释，利用等时切片和沿层方差体等方法和技术（图3a，图3b），刻画了渤中凹陷北部断层的平面展布特征，共识别出24 条断层（图3c），这些断层呈近NE 向展布，断层两侧发生弯曲转向，形成众多的弧形断层。

这些弧形断层在空间上相互叠置，相互交织，呈现叠瓦状特征（图3d，图中颜色代表不同断层）。

图3 渤中凹陷北部断层的平面分布图Fig.3 Plane distribution of faults in the north of Bozhong Depression

3 断层活动特征

3.1 断层活动强度和活动时期

关于断层活动强度定量研究的方法有多种[32]，目前国内学者在研究断层活动特征时使用较多的方法是断层落差、生长指数和位移-距离变化曲线。断层落差是指断层两盘相当层之间的铅直距离[33]，可以反映断层在垂向上的活动强度[34]。断层的生长指数是下降盘地层厚度与上升盘地层厚度的比值，当生长指数大于1 时，其值越大，说明断层活动强烈；值越小，说明断层活动微弱；当生长指数为1时，说明断层不活动。因此，生长指数也可以反映断层的活动强度。断层位移-距离变化曲线可以研究断层的发育史[35]，在对断层的横向上生长及相互作用的研究中得到了广泛应用[36]。结合这3 种方法，对渤中凹陷北部断层活动特征开展研究，厘定了活动期次，明确了断层形成演化过程。

在垂向上，统计了主干断层的落差和生长指数，分析认为在垂向上，断层落差具有中间大两边小的特征（图4）。断层生长指数的研究表明断层在东二下段第II 段至东二上段沉积期，断层的生长指数大于1，反映出断层对沉积的控制作用，东三段断层生长指数小于1，反映出砂泥互层产生的差异压实作用，而在馆陶组及以上地层沉积时，断层的生长指数为1，说明后期断层不活动。在剖面上，从北东向南西，由深到浅观察断层生长指数的变化规律，发现断层的活动性是逐渐迁移变化的，断层对沉积的控制作用也是迁移变化的（图5）。

图4 渤中凹陷北部主干断层活动性分布图Fig.4 Activity distribution of main faults in the north of Bozhong Depression

图5 渤中凹陷北部主干断层生长指数分布图（位置见图3c）Fig.5 Growth index distribution features of main faults in the north of Bozhong Depression（See Fig.3c for location）

在平面上，统计了主要断层的位移-距离变化曲线（图6），分析认为，所有断层在发育演化过程中均表现为单一断层的生长过程，位移-距离变化曲线为单峰式，具有中间位移大，两边位移小，为简单侧向生长模式。

图6 渤中凹陷北部主干断层平面位移-距离变化曲线Fig.6 Plane displacement and distance of main faults in the north of Bozhong Depression

断层的生长指数和断开层位是反映断层活动时期的重要指标，综合分析上述两个指标，研究区断层活动时期主要为东二下段第II 段、第III 段和东二上段沉积期活动，并且在馆陶组沉积之前断层活动停止。

3.2 断层活动演化过程

构造演化可以重现构造的演变过程，反映断层的主要活动时期和对地层展布的控制作用。通过对研究区断层发育及活动特征分析，建立了断层演化模式，并将其划分为断层孕育期、断层活动期、断层迁移期和断层静止期4 个演化阶段（图7）。

图7 渤中凹陷北部断层演化过程Fig.7 Evolution of faults in the north of Bozhong Depression

东二下段第II 段沉积之前，断层不活动，稳定的沉积了沙一二段、东三段和东二下段第I段（图7a）；东二下段第III 段沉积之前，靠近物源一侧的f1断层首先发育，并控制了断层下降盘的沉积，形成下降盘厚上升盘薄的沉积特征（图7b）；东二上段沉积之前，断层活动性向南西方向迁移，f1断层停止活动，f2断层开始发育，并控制地层的沉积（图7c），东营末期，研究区所有断层停止活动，并且受区域构造抬升运动影响，在研究区形成了古近系与新近系之间的区域不整合[37]。

4 讨论

4.1 成因机制

渤中凹陷北部的断层在剖面上为层间阶梯状断层，平面上为弧形断层。在剖面上产生层间阶梯状断层主要有4 个原因：（1）研究区断层活动时期主要是东营期，即裂陷III 幕[38]，受区域张应力的影响，发育正断层；（2）在东二下段第I 段沉积前研究区的古坡脚约为2°～4°，该坡度非常有利于松散物质的滑动，这些物质会在重力的作用下向下滑动，产生阶梯状正断层（图8a）；（3）研究区沙一二段--东三段主要为泥岩沉积[39]，断层在向下传递能量时被厚层泥岩所吸收，而终止于沙一二段--东三段；（4）东营运动后，研究构造活动稳定，断层没有活动，并且这些断层向上终止于新近系与古近系之间的不整面之下。

图8 渤中凹陷北部断层成因机制模式图Fig.8 Genetic mechanism model of faults in the north of Bozhong Depression

平面上弧形构造产生的原因有很多[40]，包括楔入体形状、楔入体旋转、盆地内刚性块体阻挡、走滑断层的影响、沉积厚度的横向差异、拆离滑脱层强度的横向差异和不同运动速度的多个楔入体。

研究区周缘发育三纵三横的走滑断层，断层的两侧受走滑断层剪切作用影响，使断层两侧的伸展速率小于中部的伸展速率，这种伸展速率差异，造成断层两侧弯曲，并表现出弧形特征（图8b）。

4.2 断层形成及演化对油气成藏的控制作用

沉积盆地中油气成藏受多种石油地质条件的影响和控制，断层的活动与油气成藏具有密切关系，不仅控制着圈闭的形成和演化，也是油气运移的重要通道之。实践证明，断层的形成演化过程对油气聚集成藏具有重要的控制作用[41-44]，主要表现为控制圈闭的形成和演化，改善储层质量，沟通烃源岩和圈闭，控制油气聚集成藏。

渤中凹陷北部发育同沉积断层，在形成演化过程中，其下盘发育滚动背斜，该背斜的形成时间早于渤中凹陷主排烃时期，有利于油气在圈闭中聚集成藏。受来自距燕山褶皱带较近的大石河水系物源和较远的六股河水系物源两大物源影响，渤中凹陷北部东二下段发育多期三角洲，为储层发育型三角洲，受同沉积断层的影响，在断层下降盘形成砂岩厚度增大和砂岩层数增多的储层。根据周围钻井统计，东二下段砂体孔隙度为10%～20%，渗透率为50～500 mD，以中--低孔中渗为主，储层物性较好。

渤中凹陷发育沙三段、沙一段和东三段3 套烃源岩[45]，研究区位于渤中凹陷的北洼和东洼两大生烃洼陷之间的“汇聚脊”之上，是油气汇聚的有利部位，在横向上油气主要是通过基底不整合面向“汇聚脊”上运移聚集，在垂向上研究区发育弧形断层，局部微断裂发育，形成断层破碎带，利于油气短距离垂向运移。

5 结论

（1）渤中凹陷北部发育层间、阶梯状的弧形正断层。在垂向上，断层的活动强度具有中间强两边弱的特征，在平面上，断层演化为简单侧向生长模式，并且从北东向南西，断层的活动性是迁移变化。综合分析断层的生长指数和断开层位这个两个指标，认为东二下段第II 段、第III 段和东二上段沉积期为研究区断层的主要活动时期。

（2）建立了断层形成演化过程，将断层的演化划分为4 个阶段，包括断层孕育期、断层活动期、断层迁移期和断层静止期。指出重力滑动作用和走滑作用共同控制了弧形断层生长发育。

（3）探讨了断层形成演化对油气成藏的控制作用，认为弧形断层的生长发育有利于滚动背斜圈闭的形成，控制了砂体的层数和厚度，促进烃源岩与储层沟通，有利于研究区的油气聚集成藏。