2. 中国石油大学 (北京) 地球科学学院, 北京 102249;
3. 中石油冀东油田分公司勘探开发研究院, 河北 唐山 063004
2. College of Geosciences, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
3. Research Institute of Exploration and Development, Jidong Oilfield, PetroChina, Tangshan 063004, Hebei, China
0 引言
最初源于被动大陆边缘的层序地层学认为全球海平面变化是控制层序演化的主要因素[1-3]。虽然被动大陆边缘盆地构造沉降规模大, 但是相对于海平面变化而言, 构造因素对层序演化的影响是次要的[4-5]。但在陆相断陷盆地中, 边界断层控制了盆地的形成、演化及沉积充填, 其上盘构造沉降不仅是产生盆地可容纳空间的主要控制因素[6], 也对盆地内古地貌、物源供给和沉积速率等都产生了深刻影响[7-8]。在我国东部断陷盆地研究中将断裂作用与古地貌、沉积体系分布以及层序成因分析相结合, 取得了显著的进展, 提出了断裂坡折带概念[7-13]。但这些研究缺少对断层活动的定量化研究, 且没有注意到沿断层走向特征变化对层序内部构成样式的控制作用。陆相断陷边界断层演化过程中普遍表现出分段特征[14-16], 即沿断层走向其位移发生较大变化。这会直接影响盆地内可容纳空间分布和上、下盘古地貌, 进而影响物源供给、沉积体系分布和层序构成样式, 且它们间的联系没有得到重视。本文以渤海湾盆地南堡凹陷西南庄断层为例, 以三级层序为时间单元, 通过对东营组不同地质时期断层落差的定量分析, 并结合断层面产状变化特征, 探索了边界断层分段性及其相应层序地层响应特征, 分析了边界断层分段对其上盘陡坡带层序内部构成样式的控制作用。
1 地质概况南堡凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷北部, 是一个以中新生代为主的陆相断陷盆地, 面积约1 932 km2(图 1)。凹陷内地层包括前第三系基底、古近系 (沙河街组、东营组) 和新近系 (馆陶组和明化镇组), 沉积岩最大厚度可达8 000 m; 其中古近纪为断陷期, 新近纪为坳陷期。
南堡凹陷在断陷期存在四期幕式张裂活动, 即由沙三4+5亚段 (Es34+5)、沙三3沙二 (Es33Es2) 亚段、沙一 (Es1) 亚段和东营组 (Ed)4个伸展幕组成。其中, Es34+5是初始裂陷期, 断层活动较弱; Es33Es2为强烈断陷期, 断层最大垂直位移超过3 000 m, 是南堡凹陷迅速沉降和扩张的关键时期; Es1段沉积期是衰退期; Ed沉积时期是本区第二个强烈伸展期, 断层活动再次加强, 沉积地层厚度大。东营组作为最后一个裂陷幕的沉积充填, 也明显表现出初始沉降 (东三段) 快速沉降 (东二段) 衰退 (东一段) 的完整过程。西南庄断层是南堡凹陷西北部一条边界断层, 总体上走向北东, 倾向南东, 在工区内长度约55 km; 它明显地控制了断陷盆地形成演化和沉积填充。
2 西南庄断层分段特征 2.1 断层分段几何学特征通过三维地震资料解释发现:西南庄断层总体上表现为上陡下缓的"铲式", 断层面上部倾角可达50°~60°, 向下减小到15°~30°。但是沿断层走向断层倾角变化非常明显, 表现出很强的分段性; 首先, 以老爷庙地区为界分为东西两个明显不同的断层段 (图 2), 东段断层面上下均较陡, "铲式"形态不甚明显; 而西段不仅断层面整体变缓, 而且上陡下缓的铲式形态更加明显。在老爷庙地区断层面倾角明显较小, 即使在较陡的断面上部也只有30°左右; 小于其两侧15°~20°(图 2)。老爷庙以西的断层面还表现出次级的分段性, 存在2个明显的倾角缓带将断面分为3个次级分段带, 断面沿走向呈现陡缓陡变化, 断面陡带倾角50°~55°, 而其间的倾角缓带只有35°~45°, 包括老爷庙地区在内的倾角缓带并不沿断面倾向分布, 自下而上皆向东偏移。
2.2 断层分段运动学特征断层分段的运动学特征主要表现在断层活动强度沿走向的差异。目前主要表征方法有断层生长指数法、(古) 落差法和断层活动速率法[17]。其中, 生长指数法在国内应用最为广泛, 但它需要有完整的断层下盘地层厚度数据, 否则会产生很大误差甚至得出活动强度无穷大的结论; 而后两者无需考虑断层下盘的剥蚀情况, 能够较好地分析断层的活动史, 并用于对比同一时期断层沿走向的活动强度。对于某一确定时期的地层, 断层落差和断层活动速率的相对形态是一致的。由于西南庄断层下盘地层缺失, 并且本区边界断层整体上较陡, 落差和位移存在正相关关系, 因此, 使用落差可以反映断层位移的相对变化。所以, 本次研究在三维地震解释基础上, 选用落差法以三级层序为时间单元求取了西南庄断层沿走向的断层落差, 绘制了其沿走向变化曲线。
西南庄断层在东营组时期落差曲线呈波状起伏状态, 断层活动也表现出明显的分段特征。在西南庄断层上盘陡坡带, 向斜式半地堑位于断层落差局部极大段, 背斜位于断层落差极小段, 并且在不同演化阶段形态有所不同 (图 3)。东三段时期以高柳断层为界明显分为二段, 高柳断层以北断层活动较弱; 而高柳断层以南断层活动较强, 并可以进一步细分为3个亚段, 每个亚段分别在上盘控制半地堑单元, 相应断层落差较大, 而半地堑连接处断层落差小, 老爷庙地区就是其中一个分段点, 处于2个半地堑连接部位, 其两侧半地堑对应的断层落差量可达800~900 m; 老爷庙地区位移只有550 m左右。进入东二段时期, 高柳断层以北的断层段停止活动。而其以南的3个断层段继续演化, 最明显的变化是西部断层段活动增强, 最大位移达到700 m, 其所控制半地堑范围明显扩大, 且3个断层段控制的半地堑都有自西向东迁移的趋势; 老爷庙背斜向东迁移, 东部林1井区的半地堑减小。在东一段时期西南庄断层分段性减弱, 3个断层段合并的趋势增强。其中老爷庙地区断层位移最小, 向两侧增大; 即以老爷庙地区为界可明显分为东、西二段, 西段最大位移可达700 m, 东段最大位移约500 m, 而老爷庙地区落差最小只有约400 m。老爷庙以西的两个断层段所控制半堑已基本合并, 合并的半地堑和老爷庙背斜继续向东迁移。
通过对比西南庄断层分段的几何学与运动学特征可以看出:断层分段几何学与运动学特征具有明显对应关系, 在活动最强烈的断层段落差大, 断层面较陡; 而断层段连接处断层活动较弱, 对应的断层倾角也较小。
3 断层分段对古地貌和沉积体系的控制作用 3.1 边界断层附近古地貌特征边界断层活动时在上盘形成半地堑, 半地堑在断层面附近沉降量最大, 而向离开断面的方向减小; 相应地沉积地层呈"楔状", 从而形成所谓"箕状"地堑。这是大家对断陷盆地的共识。但是, 由于边界断层活动量和产状沿走向实际上是变化的, 因而在沿断层走向剖面上, 断层上盘地层构造形态呈明显隆-洼相间特征, 表现为向斜 (半地堑) 与背斜相间排列, 向斜内地层厚度大, 背斜上地层厚度减小。在本区西南庄断层上盘就明显表现为东、西部向斜式半地堑被老爷庙背斜构造分隔 (图 4)。半地堑分布于断层落差极大处, 断面陡; 而背斜分布于断层段落差极小处, 断面较平缓, 为断层段连接处。无论向斜或背斜, 其枢纽皆垂直于断层走向, 向离开断层的方向褶皱幅度都迅速减小, 因此, 它们也被称为横向褶皱[18], 其成因与相关断层的分段作用直接相关。反映在古地貌上, 边界断层上盘横向背斜对应沉积时的高地势带, 而向斜则对应沉积时的低地势带。
正断层在其上盘沉降的同时, 下盘会因均衡作用发生一定程度的隆升, 从而形成下盘凸起和上盘半地堑 (向斜), 二者之间形成明显的断层崖地貌[19]。但是断层崖高度变化与正断层位移变化和断层活动的分段作用密切相关 (图 5)。在断层段中央附近, 在断层位移极大处的下盘隆升和上盘沉降量最大, 断层崖高度也最大; 而上盘则由于沉降量大而形成深湖, 即形成陡崖-深湖式地貌特征。由于下盘地形倾向与断层倾向相反, 陡崖成为下盘集水区和上盘湖区的分水岭, 阻止了下盘较大入湖水系的形成。而在断层位移极小处即断层段连接处, 下盘地形高度较低, 却对应断层上盘相对高地势带, 因此, 该处是边界断层下盘集水区主要入湖盆通道 (图 5)。
3.2 边界断层上盘物源和沉积体系分布特征断层分段生长控制了其下盘物源和集水水系进入盆地的通道及演化[20]。通过对老爷庙横向背斜东二段和东一段含砾率统计[21](图 3), 含砾率最高值位于边界断层与横向背斜交汇部位, 并沿背斜转折端向盆地中心和背斜两侧减小。说明老爷庙背斜与边界断层下盘物源区沟通, 横向背斜是边界断层下盘剥蚀区水系进入盆地的主要通道, 且主河道沿背斜轴向展布。相应地, 横向背斜对应发育面积较大的扇三角洲沉积; 而向斜区则紧邻边界断层发育小规模近岸水下扇沉积, 相带沿边界断层走向展布较宽, 但向盆地内延伸很短, 迅速过渡为较深水湖相沉积, 整个向斜区以较深水或浅水细粒的湖相沉积为主 (图 6)。
3.3 边界断层上盘可容纳空间变化特征一般认为:陆相断陷盆地可容纳空间增减、沉积物供给速率及气候变化是控制层序特征的主要因素。而对于同一个三级层序而言, 由于断陷盆地面积较小, 气候变化因素可以忽略。盆地不同构造部位层序内部构成样式的变化主要取决于前二个因素。可容纳空间的变化主要源于构造沉降, 断层活动速率越大, 其上盘对应可容纳空间增长速率越大[20]。所以, 对于断层上盘而言, 断层在某一地质时期沿走向位移量实际上就近似地反映了可容纳空间的变化。对于边界断层段中央位移量极大值段, 其上盘是构造沉降量相对极大处, 而由于分水岭效应, 沉积物供应速率通常很小, 因此沉积物供给速率往往小于可容纳空间增长速率, 更有利于深水沉积环境的形成; 而在断层段连接段 (即位移极小处), 由于断层活动相对更弱, 相应地构造沉降量也较小; 但该部位却对应着物源的入盆通道, 也意味着沉积物供给速率高, 因此, 沉积物供给速率通常会大于可容纳空间增长速率。所以, 在气候条件相同的条件下, 在局部范围内沿断层走向沉积物供给和可容纳空间对比的变化必将导致不同层序地层结构。西南庄断层上盘沉积相研究成果也证明, 沿断层走向沉积相发生明显变化, 在断层段连接处 (老爷庙背斜区) 为扇三角洲相, 以含砾砂岩为主; 而向断层段中央 (向斜区) 演变为深湖-半深湖相, 以泥质沉积为主 (图 7)。
4 断层分段的层序地层响应特征通过综合钻井、地震和测井资料, 对边界断层陡坡带东营组层序地层特征进行了研究。并在西南庄断层上盘陡坡带东营组中识别出2种典型层序地层构成样式, 即断坡型和陡崖型, 分别对应于横向背斜与横向向斜区枢纽带附近。它们在层序内部结构特征上存在明显不同, 其发育部位和边界断层的分段特征有明显对应关系, 反映了层序特征与边界断层分段的响应关系。
4.1 陡崖型陡崖型位于边界断层段中央附近, 断层呈平面状, 上下均较陡, 断层位移量大, 位于半地堑中央附近。由于入湖水系集水面积小而分散、流程短, 砂砾岩体向湖中延伸距离小, 呈裙边状分布, 沉积相以深湖-半深湖或浅湖亚相为主, 具体水深环境主要取决于不同三级层序处在整个构造幕的阶段不同而有所不同。通常在勘探实践中, 由于它处于半地堑中部缺乏储层, 一般钻井很少。本区以老爷庙背斜以东的林1井区半地堑为例说明其特征 (图 7)。其地层层序特征为: 1) 地层厚度在断层面附近最大, 向离开断面的方向减薄, 而地层倾向指向断面, 地层向远离断层面方向抬升。2) 沉积特征上表现为紧邻断层面为冲积扇或水下扇, 相带窄, 沉积物颗粒粗、分选差; 向盆地内部方向快速过渡为细粒深湖-半深湖沉积, 总体上沉积物颗粒偏细, 以泥质为主。本区东一段由于处在整个断陷的衰亡期, 湖水较浅, 地层厚度特征也出现了向坳陷转化的特征, 但以泥岩为主的沉积特征仍反映了碎屑物供应不足的沉积特征。3) 层序内部结构特征上表现为层序由低位域、湖侵域和高位域三部分组成。其中, 低位域以扇三洲相为主, 是层序内主要砂体类型, 厚度占层序总厚度比例不大; 湖侵域表现为退积式准层序叠加样式; 高位域厚度很大, 也以退积或加积式准层序叠加样式为主。岩性以湖相泥岩为主, 层序界面上没有明显的下切作用, 也没有明显的沉积相向盆地内部的转移, 反映了该构造部位可容纳空间增长速率始终大于或等于沉积速率, 没有发生明显的相对湖平面下降。
4.2 断坡型断坡型位于边界断层位移极小段也就是断层段连接处, 断层面倾角较缓, 处于深洼中高地势带 (横向背斜), 是下盘碎屑进入盆地的主要通道, 也是上盘陡坡带储层的主要发育区。通常情况下, 对于河流或扇三角洲相而言, 岩层含砾率高的部位一般认为是主水道发育部位。所以, 在断层分段期, 由于断层活动速率较两侧更小而沉积物供应速率更大, 致使该区可容纳空间增长速率始终小于沉积物供应速率, 沉积物相对较粗。又由于搬运距离较远, 因而沉积物分选较好; 沉积相通常以扇三角洲为主, 向盆地内延伸较远, 具有独特的层序地层特征 (图 8): 1) 地层厚度在断层面附近最小, 而向远离断层面方向增大, 地层倾向总体上指向盆地内部, 与断层面倾向基本一致; 在横向背斜顶部地层较平缓, 而翼部较陡。2) 沉积特征上表现为以扇三角洲相为主, 相带宽, 向盆地内延伸距离远 (图 5 B, C, 图 6, 图 8)。向盆地内部方向逐渐过渡为深湖沉积环境。3) 层序由低位域、湖侵域和高位域三部分组成, 沉积物颗粒粗、分选较好; 层序中的湖侵域较薄, 泥岩不发育; 低位域在断层面附近较薄, 向盆地内部逐渐增厚; 以扇三角洲为主体的高位域非常发育, 是层序的主体, 准层序叠加样式以进积为主。总体上看, 该区带长期处于断层活动速率小而沉积物供应速率较大的背景下, 层序内部结构总体上以进积叠加样式为主。层序界面上下切作用非常明显, 发育类似于经典层序的Ⅰ型层序界面。
5 讨论沿边界断层走向由于断层活动速率、古地貌和沉积物供给速率方面的差异, 断陷盆地陡坡带层序内部结构特征会相应地发生变化 (图 9)。其中, 以断层段中央附近和其连接处最为典型。具体来说就是在断层段中央附近由于沉积物供给速率小、断层活动速率局部最大, 使得该区域构造沉降可以抵消气候因素导致的湖平面下降的影响, 使得相对湖平面可以一直处于增长或稳定状态, 可容纳空间增长速率总是大于沉积物供给速率; 所以层序内部的准层序叠加样式以退积或加积为主, 沉积物偏细, 层序界面剥蚀不明显。而在断层段连接处, 由于断层活动速率局部最低, 相应地构造沉降亦是最小, 加之沉积物供给速率最大, 因此, 无论实际湖平面上升还是下降, 则沉积物供给速率总是大于可容纳空间增长速率; 表现在层序内部结构上, 准层序叠加样式以进积式为主, 沉积物偏粗, 层序界面剥蚀和下切作用明显。而在二者之间则呈现两种特征的过渡。因此, 可以认为:在陆相断陷盆地, 1) 不仅边界断层幕式活动 (时间) 可以控制层序内部结构, 在同一层序内, 由于边界断层沿走向分段活动也可以导致层序的内部结构和层序界面特征的变化; 2) 由于边界断层分段点位置在不同地质时期会发生变化, 在层序分析时应将二者结合分析; 3) 本文分析的是西南庄断层在东一段时期的一级分段作用, 而不同级次的分段作用对层序影响也可能有所不同。
6 结论1) 南堡凹陷西南庄断层表现出分段活动特征, 分段处断层位移局部最小, 其断层面倾角也相应变小。
2) 断层分段控制陡坡带附近古地貌特征。在断层段中央附近位移局部最大并发育半地堑, 而在断层段连接处位移局部最小并发育横向背斜, 该部位是边界断层下盘碎屑物质进入盆地陡坡带的主要通道。
3) 在边界断层上盘陡坡带的同一层序内, 断层段中央附近半地堑以较深水湖相沉积为主, 向断层分段处逐渐过渡为扇三角洲沉积为主。
4) 在断层段中央附近, 断层活动速率大, 沉积物供给速率小, 在层序演化期内可容纳空间增长始终可以抵消或湖平面下降的影响, 因此, 在该区域没有明显的沉积相带向盆地内部的迁移, 层序内部以加积或退积叠加样式为主, 沉积物较细。
5) 在边界断层连接处, 断层活动速率较小, 沉积物供给速率大, 在层序演化期内可容纳空间增长速率小于沉积物供给速率, 总体上表现为湖平面相对下降为主, 因此, 在该区域常有明显的沉积相带向盆地内部的迁移, 层序内部以进积叠加样式为主, 沉积物较粗。
6) 不仅边界断层幕式活动 (时间) 可以控制层序内部结构; 在同一层序内, 由于边界断层沿走向分段活动也可以导致层序的内部结构和层序界面特征的变化。
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