江汉盆地江陵凹陷复兴场背斜盐构造特征与成因

邱建华,彭金宁,唐 玮,潘文蕾,李风勋,杨 帆

1.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所,江苏 无锡 214126;2.中国石化 油气成藏重点实验室,江苏 无锡 214126;3.中国石化 江汉油田分公司 勘探开发研究院 石油开发所 荆州项目部,湖北 荆州 434020

盐构造对油气成藏具有重要的意义,盐构造及其伴生构造不仅是油气聚集的有利场所,盐构造的形成也可为油气运移和聚集提供网络通道[1-5]。江陵凹陷是江汉盆地内油气资源丰富的含盐凹陷[6-11],与盐岩层塑性流动相关的构造组合形成的构造圈闭是现今主要勘探目标[6,8,12-20],如复兴场构造、沙市构造、范家台构造和花园构造等,因此通过对盐构造特征和成因机制的分析,可以促进对不同期次断裂的发育特征和组合规律的认识,从而指导研究区的精细勘探。并且,对复兴场盐背斜构造特征与成因机制的精细解析,可以为凹陷其他盐构造的研究提供启示,促进对区域的研究认识。然而,由于构造演化时间长、多期次构造叠加,以及复杂断裂体系对构造的改造,对复兴场背斜的构造演化特征存在争议。有人通过对地震剖面解析,结合区域地质背景的分析认为复兴场背斜是一个形成于新沟咀组沉积末期,荆沙组沉积末期及古近纪末期加以改造,新近纪最后定型的盐隆或盐断鼻构造[13,15-16];也有人通过构造平衡恢复技术认为复兴场背斜是一个喜马拉雅期Ⅱ幕挤压作用形成的盐背斜构造[17-19];还有观点认为复兴场背斜是由于荆沙期不同位置的沉积厚度差异形成的差异压实,导致盐层的流动形成初始褶皱构造,后叠加新近纪挤压作用最终定型[8]。本文通过高精度三维地震剖面的构造解释研究复兴场背斜构造在走向上的变化特征,再通过关键构造层的逐层构造平衡恢复技术,结合生长地层分析技术,剖析复兴场背斜的构造演化特征及成因机制,并分析其油气地质意义。

1 地质背景

江陵凹陷位于江汉盆地西南缘,是白垩纪—新生代形成的陆内裂陷型盆地的一个重要次级构造单元,经历白垩纪—新沟咀早期和荆沙期—荆河镇期两期断拗旋回[10-15]。凹陷以问安寺断层、纪山寺断层、清水口断层,南部逆冲断层为界,与周缘构造相分割(图1a)。凹陷可分成九个三级构造单元,其中三级构造单元荆州背斜带位于江陵凹陷中部(图1a),由八岭山、复兴场、沙市、范家台和赤岸街等构造组成。研究区复兴场背斜位于荆州背斜带中部,北邻八岭山背斜,南接沙市背斜。复兴场背斜在平面上近南北走向,长约12 km,宽约3～4 km(图1b)。两翼发育一系列近南北、北东、北东东向断层,以正断层为主。另外,在靠近核部还发育两条平行褶皱轴向、倾向相反的逆断层。

图1 江汉盆地江陵凹陷研究区构造和地层综合柱状图

江陵凹陷地层发育齐全,沉积了以红色为主的上白垩统砂泥岩和古近系红色泥岩、砂岩和膏盐岩等陆内湖相地层。自下而上,包括白垩系渔洋组(K2y)、古近系沙市组(Es)、新沟咀组(Ex)、荆沙组(Ej)、潜江组(Eq)、荆河组(Ejh),新近系广华寺组(Ng)及第四系平原组(Qp),其底界分别对应地震反射层T11、T10、T9、T8、T7、T2、T1和T0(图1c)。荆河镇组在喜马拉雅中期经历强剥蚀作用,只在资福寺向斜、梅槐桥向斜等少数较低的位置有少量残留,在研究区复兴场构造带内完全剥蚀。沙市组膏岩层广泛分布,主要由盐岩、钙芒硝岩、含膏泥岩、膏岩和砂泥岩夹层组成,厚度大,最大厚度大于3 000 m[7-8]。

2 复兴场背斜构造特征

本文选取其中7条垂直于构造走向的地震剖面,由北向南精细描述复兴场背斜几何学样式在走向上的变化。

剖面AA’位于复兴场背斜北倾末端,与北部八岭山背斜以一低幅度向斜相间隔。地震剖面显示,背斜具有明显的分层变形特征,沙市组盐下为正断层控制的地堑构造,盐上为一宽缓背斜构造,两翼及核部地层变形弱(图2a)。盐上只发育两条倾向相反的高陡逆断层,错断古近系—第四系,出露地表,并在逆断层F1上盘形成低幅度断层传播褶皱。剖面BB’盐上构造样式发生变化(图2b),沙市组盐层在背斜核部聚集,造成盐上地层褶皱上拱,形成盐背斜,背斜两翼大致对称,东翼比西翼略长。在背斜核部同样发育两条倾向相反的逆断层,向上错断至第四系。背斜核部出露地表,部分新近系—第四系被剥蚀。在远离背斜西翼的方向上,发育东倾铲形正断层——李埠断层,错断新沟咀组—潜江组上段,向下终止于盐层内。在李埠断层上盘形成伸展强制型褶皱,断层上盘新沟咀组—潜江组下段地层加厚,为同构造沉积,表明该断层自早始新世新沟咀组沉积期开始持续活动。

图2 江汉盆地江陵凹陷研究区地震剖面AA’-BB’-CC’-DD’-EE’-FF’构造解释剖面位置见图1b。

到剖面EE’和FF’,复兴场背斜两翼倾角和褶皱幅度减小。在背斜东翼,断层F5消失,断层F4依然发育,控制了荆沙组和潜江组下段沉积(图2e,f)。逆断层F1消失,被背斜核部发育的正断层F6取代,断层北东走向(图1b),将复兴场背斜分成南北两部分。盐层开始部分刺穿上覆地层,形成反应盐底辟构造。逆断层F2持续发育,在断层的尖点处,形成膝折构造。在背斜西翼,天鹅洲断层规模逐渐减小,伴随着复兴场背斜幅度的减小(图2e)。到剖面FF’,天鹅洲断层规模只控制新沟咀底部很薄的地层沉积,之上的地层在背斜西翼近水平,褶皱作用不明显。在背斜东翼,断层F4上盘地层倾角较小,并且荆沙组—潜江组向断层方向加厚,表现为同构造沉积特征,褶皱整体表现为断层F4控制的滚筒褶皱构造[26](图2f)。在背斜核部和翼部均发育有新近系与古近系潜江组之间的角度不整合,并且在褶皱前后翼,新近系均形成生长三角(图2e,f),与剖面CC’和DD’类似。

到剖面GG’,伴随着天鹅洲断层和李埠断层的消失,复兴场背斜不再发育,而是形成一正断层控制的东倾滚筒状构造,主要由西倾正断层F7和F8控制(图3)。在平面上,断层F7近南北走向,F8北北东走向,二者向南合成一条断层(图1b)。断层F7错断潜江组下段、荆沙组、新沟咀组,向下终止于沙市组盐层内部,并且根据断层上下盘厚度差和地震影像特征,可以确定断层F7自新沟咀期开始持续活动至早潜江期(图3)。

图3 江汉盆地江陵凹陷研究区地震剖面GG’构造解释剖面位置见图1b。

综上所述,复兴场盐背斜构造特征在走向变化明显,主要表现在:(1)自北向南挤压作用减弱,表现为靠近褶皱脊部发育的逆断层F1和F2断距减小,从最北部的断层上盘可以形成挤压背斜并突破地表(图2a,b),到南部只在新近系形成膝折构造(图2c-f);(2)改造复兴场盐背斜构造特征的断层发生变化,在北部主要受逆断层F1、F2和李埠断层改造(图2b),中部主要受天鹅洲断层、背斜北翼发育的、倾向相反的正断层F4和F5改造(图2c,d),而南部则主要受东倾正断层F6和西倾正断层F4改造,并且随着天鹅洲断层规模、断距的减小,背斜幅度减小(图2e,f),背斜最终随着天鹅洲断层的消失而不再发育(图3)。

3 复兴场盐背斜构造平衡恢复

3.1 方法选择

利用构造平衡恢复技术,研究复兴场背斜的构造演化特征。上文对复兴场盐背斜的构造分析表明该背斜构造特征在走向上变化明显,且具有多期活动性,因此选取过复兴场背斜典型剖面BB’、CC’和EE’的T1、T7、T8、T9地震反射界面做复原。其中,剖面BB’的复原结果代表构造北部的演化特征,重点观察李埠断层和逆断层F1和F2对背斜形成的影响;剖面CC’的复原结果代表构造中部的演化特征,重点观察天鹅洲断层、F4和F5断层对褶皱形成的影响;剖面EE’的复原结果代表构造南部的演化特征,重点观察天鹅洲断层、F4和F6断层对褶皱构造的改造。

平衡恢复技术是通过选用合适的岩石变形机理(如弯滑法、斜向简单剪切法和垂向简单剪切法),对解释剖面的变形构造恢复成合理的未变形状态的一种剖面技术,已被广泛应用于研究推覆、伸展、反转和盐底辟等构造的形成演化特征[19-22,26-27]。由于具有强流动性的沙市组盐层卷入复兴场构造变形,盐层的流进、流出造成面积的不守恒。因此采用分层合并复原法,即盐上、盐下和盐层分别复原,再合并。这种方法不仅可以应用于挤压区和伸展区,也可以用于盐下复杂变形区。研究表明弯滑法一般适用于挤压背斜下形成的构造,垂向简单剪切法适用于伸展构造[28-29]。根据前一节对复兴场背斜构造特征的分析,认为复兴场背斜在古近纪经历伸展作用,经新近纪挤压变形,因此分别采用垂直简单剪切法和弯滑法对背斜做恢复。

3.2 平衡恢复结果分析

剖面BB’,现今表现为挤压背斜构造,在复兴场背斜的两翼发育了两条倾向相反的逆断层F1、F2(图4a1)。通过弯滑法对T1地震反射界面做平衡恢复后,逆断层F1和F2的断距消失,表明它们是新近纪挤压作用的产物(图4a2)。在荆河镇组沉积末期,复兴场背斜幅度明显减小,西翼为李埠断层上盘形成的滚筒状构造,东翼为沙市组盐层聚集导致的低缓褶皱。李埠断层控制了新沟咀组、荆沙组和潜江组下段沉积,并且主要活动时间在古新世—早始新世。潜江组上段近水平,表明处于拗陷期。早始新世—中始新世,由于李埠断层的活动,在断层上盘形成滚筒构造和其导致的盐层向东流动聚集形成了复兴场背斜的初始形态,并且随着断层活动持续时间的增加,背斜幅度增大(图4a3,a4)。在沙市组沉积早期,发育了一系列的正断层,在复兴场背斜下部形成地堑构造(图4a5),形成盐下基底结构。这些断层并未对盐上褶皱形成直接影响,因此推测这些断层在沙市组沉积晚期不再活动。

图4 过江汉盆地江陵凹陷复兴场背斜典型剖面BB’、CC’、EE’构造平衡恢复

剖面EE’,整体演化特征与CC’类似,在荆河镇期形成了由潜江组形成的西倾单斜构造(图4c2),发育了逆断层F2和自新沟咀期开始活动的天鹅洲断层和F4(图4c1-c4),以及沙市早期在盐下形成的地堑构造(图4c5)。然而在背斜东翼不再发育东倾断层F5,只受断层F4的控制(图4c2-c4)。靠近背斜核部,逆断层F1不再发育,而是发育东倾正断层F6,断层将复兴场背斜分成两半,形成反应盐底辟构造,该断层自荆沙组沉积期开始活动,并在潜江组沉积中期停止活动(图4c2-c3)。

4 复兴场盐构造演化及成因机制

4.1 盐背斜成因机制

盐背斜有3种形成机制[30](图5):(1)在缺少区域应力的情况下,盐层上覆沉积地层的厚度、密度的侧向变化产生沉积差异负载,盐岩从高压区(如向斜下方)流向低压区(如背斜核部)(图5a),这类盐背斜通常变形时间较长,可能出现背斜两翼变形时间不同的情况;(2)在挤压构造背景下,地层发生平行层缩短,背斜核部形成的空间由软弱盐层充填,从而形成挤压盐背斜构造。这类盐背斜通常具有周期性特征,单次变形持续时间较短,生长地层向褶皱脊部更快速减薄。通常会伴生发育逆断层、膝折带等挤压构造(图5b);(3)在拉张背景下,铲形正断层上盘地层向下弯曲滑动,形成的楔形生长地层在断层上盘加厚,驱使盐层向远离断层的方向流动,聚集形成拉张型盐背斜,在断层下盘形成盐滚(图5c)。

图5 不同成因机制形成的盐背斜或盐枕构造的特征修改自文献[32]。

4.2 复兴场盐背斜构造演化及成因机制

图6 江汉盆地江陵凹陷复兴场背斜构造成因模式

自晚始新世晚期—渐新世荆河镇组沉积期,复兴场盐背斜变形机制变为沉积差异负载。该时期凹陷进入拗陷期,断层活动弱,主要断层均未切穿这些地层(图2,图3)。然而潜江组和荆河镇组却表现为西倾单斜构造,与T1面呈角度不整合接触(图3,图4)。显然这期变形不受这些断层的直接控制:(1)断层在此期间基本不活动;(2)断层的规模小,不足以形成如此规模的单斜构造。然而正是由于这些早期断层的活动,在涴市构造和复兴场构造之间形成地堑,成为沉积中心,地层厚度远大于断层F4下盘未变形地层的厚度(图2c-f)。从而造成西边沉积负载相对东边更大,加上整体西低东高,驱使涴市构造和复兴场构造的盐层向东流,形成这期单斜构造,如图5a、图6c模型所示。渐新世晚期,江陵凹陷整体抬升,处于剥蚀状态,部分潜江组和全部荆河镇组被剥蚀(图6c)。

新近纪—第四纪,复兴场盐背斜转变为挤压盐背斜。在此期间,江陵凹陷构造演化进入第三阶段,由于受印度板块向欧亚板块俯冲的远程效应影响,江汉盆地区域应力背景转变为挤压环境。由于挤压作用,导致盐层在复兴场背斜核部进一步聚集,褶皱幅度增大,并且伴生了逆断层F1、F2,以及褶皱翼部的生长三角(膝折构造)(图6d),与图5b显示的挤压盐背斜产生的盐背斜构造特征一致。除此之外,在涴市构造,早期正断层形成的地堑沉积中心,在新近纪—第四纪反转成背斜构造(图2c-f),也证实了构造处于挤压应力环境,这一现象在物理模拟实验中得到了证实[32]。

5 石油地质意义

江陵凹陷荆州背斜带的勘探目标为受沙市组上段—新沟咀组下段主力烃源岩控制的生储盖组合,储层为新沟咀组下段三角洲前缘相砂体,盖层为新沟咀组上段湖相膏泥岩。现今勘探的主要目标为构造圈闭,即一系列与盐岩流动相关的盐构造组合,因此复兴场盐背斜构造演化及成因机制的分析对理解研究区油气成藏具有重要意义。

研究表明复兴场地区的主要烃源岩发育于新沟咀组下段,烃源岩在新沟咀组上段沉积期处于未成熟阶段,开始少量生油,荆沙组沉积末期进入成熟阶段,潜江组沉积末期处于高成熟阶段,是液态烃生成、排出的高峰期[6,8,11-14]。潜江组和荆河镇组沉积期为主要排油期,其后生、排油过程基本结束。复兴场地区圈闭类型主要有断鼻、断块和背斜。背斜构造演化研究表明,复兴场背斜的圈闭开始形成于新沟咀组沉积期(图4a4-c4),并且在荆沙组—潜江组下段沉积期,断裂活动加强,圈闭规模增大(图4a3-c3),因此圈闭的形成早于主要生油高峰和排油期,有利于油气成藏。在荆河镇组沉积期,研究区进入拗陷阶段,断裂活动弱,复兴场盐背斜由于地层的差异负载,形成一向东倾的单斜构造,对圈闭的改造作用小,因此该时期是早期圈闭成藏的关键期。新近纪至今,烃源岩生、排油量较少,构造、油藏进入定型期。此时,复兴场盐背斜转变为挤压盐背斜,并且发育了逆断层F1、F2。在背斜北部,逆断层F1和F2活动强,出露地表,可能造成部分油气溢散,不利于油气成藏;在背斜中南部,逆断层活动强度小,未切穿T0面,虽不会造成油气排到地表,但可能导致油气溢散到荆沙组、潜江组等层系,这些层系可能成为下一步勘探目标。

6 结论

(1)复兴场盐背斜为一个受正断层李埠断层、天鹅洲断层、F4、F5和F6以及逆断层F1和F2改造的盐背斜,构造特征在走向上存在明显差异。

(2)复兴场盐背斜主要经历三期不同变形机制的构造作用:早始新世新沟咀组沉积期—晚始新世潜江组上段沉积期,正断层活动形成滚筒状褶皱并造成盐层的聚集,形成第一期复兴场盐背斜构造;晚始新世潜江组沉积期—渐新世荆河镇组沉积期,由于涴市和复兴场构造处于沉积中心,形成自西向东地层的差异负载作用,驱使盐层自西向东流动,复兴场背斜形成一西倾单斜构造,并且在荆河镇晚期发生强烈剥蚀;新近纪—第四纪,由于区域应力场由拉张背景转变成挤压背景,复兴场盐背斜发生构造反转,演化为一挤压型盐背斜,形成逆断层和膝折构造。

(3)复兴场盐背斜的形成受区域构造背景、基底断层形成的古地形、东倾正断层以及沙市组盐层控制,西倾断层(如F4)起到促进褶皱发育的作用,但是不起控制作用。

(4)复兴场盐背斜形成的构造圈闭略早于烃源岩的主要排油期,并且在主要排油期,构造处于拗陷阶段,断层活动弱,有利于早期圈闭油气的成藏。

致谢:本文在写作过程中,中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院石油开发所荆州项目部叶建中等专家提供了大量的资料支持和指导,中国石化石油勘探研究院无锡石油地质研究所南方室曹清古、胡烨等同事给予大量的参考意见,编辑部及审稿人为文章的最终录用见刊提出了宝贵意见,在此致以衷心感谢!

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors’Contributions

该科研成果主要由邱建华主持。地震解释及构造恢复由邱建华、彭金宁、唐玮、潘文蕾、杨帆完成。手稿由邱建华、唐玮、彭金宁、李风勋起草和修订。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。

The study was mainly organized by QIU Jianhua. The seismic interpretation and structural restoration were completed by QIU Jianhua, PENG Jinning, TANG Wei, PAN Wenlei and YANG Fan. The manuscript was drafted and revised by QIU Jianhua, TANG Wei, PENG Jinning and LI Fengxun. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.