萬貴龍, 張德會, 張守仁

1)中國地質大學(北京)地球科學與資源學院, 北京 100083;2)中聯(lián)煤層氣有限責任公司, 北京 100011

天津北大港構造帶東翼斷裂活動淺析

萬貴龍1), 張德會1), 張守仁2)

1)中國地質大學(北京)地球科學與資源學院, 北京 100083;2)中聯(lián)煤層氣有限責任公司, 北京 100011

構造因素對油氣的分布起著控制性的作用, 斷裂活動特征決定著一個盆地或凹陷油氣的富集與分布。本文通過對北大港構造帶東翼所有斷裂的仔細研究, 統(tǒng)計分析了區(qū)內20條規(guī)模較大斷裂的斷距在縱橫向上的變化, 結合20余條地震剖面和8條構造發(fā)育史剖面, 綜合分析認為北大港構造帶東翼的斷裂活動主要為: 古近紀活動期和新構造期(0.78 Ma至今)活動期。而在新近紀, 研究區(qū)內斷裂(或構造)活動極其微弱,多數(shù)斷裂沒有活動。從演化過程、空間分布等方面認為: 港東-唐家河構造帶, 晚期構造活動對先存構造的破壞性較弱, 與白水頭構造帶的斷裂活動具有一定的相似性, 形成了典型的花狀構造; 而白東構造帶在新構造期斷裂活動強烈, 有些新生斷裂切割到了古近系地層, 有的斷裂已達地表附近, 形成了“對傾式”的斷裂組合。并初步討論了斷層活動對油氣運聚的影響。

北大港構造帶東翼; 斷裂活動; 構造樣式; 形成機制

渤海灣盆地是一個中、新生代的含油氣沉積盆地, 影響油氣藏分布的因素很多, 其中構造因素起著控制性的作用(戴俊生等, 1997)。北大港構造帶東翼位于黃驊坳陷陸上NE向構造與海域近EW向構造的結合部, 在第三紀盆地形成發(fā)展過程中, 主要經歷了三次構造運動, 即發(fā)生于中晚漸新世的華北期(構造期年齡為52~23.5 Ma, 構造事件年齡大致為33.7~23.5 Ma)、發(fā)生于新近紀的喜馬拉雅期(構造期年齡為 23.5~0.78 Ma, 構造事件年齡大致為 8~0.78 Ma)以及中更新世以來的新構造期(構造期年齡為0.78 Ma-今)。其中, 對北大港構造帶東翼影響較強烈的為華北期和新構造期(萬天豐, 2004)。斷裂活動狀況直接影響到油氣的運移和聚集, 因此研究斷裂活動特征非常重要。而目前對于油氣田進行構造演化研究的多數(shù)成果, 由于對中國大陸構造演化的復雜性認識不足, 比較粗略, 常常將盆地內的斷層簡單地視作以垂向運動為主, 而忽視了不同期次形成或活動的斷裂在力學性質、活動特征、形成機制方面的差異。本文將從斷裂活動狀況、斷層的構造樣式以及形成機制方面對北大港構造帶東翼斷層進行討論分析。

1 斷裂活動分析

渤海灣盆地新生代斷層大致可以分為兩類: 一類主要發(fā)育在古近系蓋層中, 直接或間接與基底伸展斷層連鎖在一起; 另一類主要發(fā)育在新近系—第四系蓋層中, 主要沿著基底斷裂帶發(fā)育(漆家福等,2010)。斷裂活動與分布決定著一個盆地或凹陷油氣的富集與分布(孟繁有, 2008), 構造演化歷史對縱向油氣分布起主要控制作用(趙文智等, 2000)。構造作用使地層受擠壓彎曲而發(fā)生拱張, 產生張裂縫和微裂縫, 改善了儲集性, 有利于油氣的運移和成藏(張玉明等, 2006)。北大港構造帶東翼第三系地層內發(fā)育有上百條大小不等的斷裂, 在地震剖面上, 斷裂形跡明顯, 斷裂位置可靠, 對研究斷裂斷距縱橫向變化提供了可靠的資料基礎。通過對區(qū)內所有斷裂(包括同沉積斷裂和一次性斷裂)的仔細分析, 統(tǒng)計了區(qū)內 20條規(guī)模較大斷裂的斷距在縱橫向上的變化, 結合 20余條地震剖面和 8條構造發(fā)育史剖面,厘定了斷裂的活動期次(圖1)。

由于受現(xiàn)有地震資料覆蓋范圍的限制, 北界的海河斷裂幾乎沒有揭示, 而南界的港東斷裂有一部分揭露。據(jù)現(xiàn)有資料推斷, 北大港構造帶東翼的裂陷階段, 主要受到了NE—近EW向斷裂的控制, 而且東部的白東構造帶斷陷期地層厚度遠大于西部的港東-唐家河構造帶(圖 2)。也就是說北大港構造帶東翼古近紀時期的斷陷規(guī)模, 東部遠大于西部。

在北大港構造帶東翼, 除南、北邊界發(fā)育有較大的港東和海河控陷斷裂外, 還發(fā)育有三條次級斷裂, 即唐家河斷裂、白水頭斷裂和白水頭東斷裂, 分別對港東-唐家河構造帶、白水頭構造帶和白東構造帶的形成發(fā)育起到了主要的控制作用?？偟膩砜?北大港構造帶東翼的斷裂活動主要分為兩個期次:古近紀活動期和新構造期(0.78 Ma至今)活動期。而在新近紀, 北大港構造帶東翼斷裂(或構造)活動極其微弱, 大多地震資料揭示該時期斷裂沒有活動,只有個別斷裂有20 m左右斷距的活動(圖3)。

港東斷裂是北大港構造帶東翼在新生代活動強度最大的一條斷裂, 沙河街組一段中部(ES1z)底的斷距可達2000 m左右, 整體上表現(xiàn)為一條同沉積斷裂, 東營組二段沉積以前同沉積作用較強, 而東營組一段沉積之后同沉積作用較弱, 在新近紀該斷裂幾乎沒有活動; 在新構造期(0.78 Ma至今)有一定程度的活動, 最大斷距可達400 m左右(圖3a)。

1.1 古近紀斷裂活動期

斷裂帶形成發(fā)展演化過程中所形成的結構、變形分段性在很大程度上控制了斷裂現(xiàn)今活動的分段性(胡道功等, 1999)。在古近紀, 具有明顯活動形跡的斷裂包括兩類: 一是控制構造帶發(fā)育的斷裂; 二是次級調節(jié)斷裂。

1.1.1 控制構造帶發(fā)育的斷裂

控制構造帶發(fā)育的斷裂主要是指對港東-唐家河構造帶和白水頭構造帶起主要控制作用的唐家河斷裂、白水頭斷裂和白水頭東斷裂。

唐家河斷裂主要控制了港東-唐家河構造帶的發(fā)育, 唐家河斷裂整體表現(xiàn)為明顯的同沉積性(圖3b)。從斷裂斷距的變化幅度來看, 唐家河斷裂的活動過程經歷了三個階段: 第一個階段是沙河街組一段上部沉積前, 該時期斷裂活動強度大, 對沉積地層具有明顯的控制作用, 沙一中底面的斷距最大可達700 m, 而沙一上底面的斷距最大僅有不到500 m;第二個階段是沙河街組一段上部至東營組一段沉積期間, 沙一底的最大斷距近500 m, 而館陶組底的斷距最大不到 200 m, 該時期具有明顯的同沉積性;第三階段是館陶組現(xiàn)今, 該時期唐家河斷裂的同沉積性不強, 僅局部可見, 不到 200 m的斷距主要是在新構造期(0.78 Ma-今)形成的。

圖1 北大港構造帶東翼斷裂分布圖Fig. l Fault distribution in eastern Beidagang tectonic belt

圖2 北大港構造帶東翼港東—白東地震剖面(Crossline 480測線, 位置見圖1)(W: (x: 20535000, y: 4280000), E: (x: 20580000, y: 4305000))Fig. 2 Seismic section of Gangdong-Baidong in eastern Beidagang tectonic belt(For position of the measuring line 480 see Fig. 1)(W: (x: 20535000, y: 4280000), E: (x: 20580000, y: 4305000))

圖3 北大港構造帶東翼部分斷層斷距橫縱向變化柱狀圖Fig. 3 Columnar section of fracture distance changes in vertical and horizontal directions in part of the faults in eastern Beidagang tectonic belt

白水頭斷裂與白水頭東斷裂主要控制了白水頭構造帶的發(fā)育。白水頭斷裂整體表現(xiàn)為明顯的同沉積性(圖3c)。從斷裂斷距的變化幅度來看, 白水頭斷裂的活動過程經歷了四個階段: 第一個階段是沙河街組一段上部沉積前, 該時期斷裂活動強度大, 對沉積地層具有明顯的控制作用, 最大斷距達近 500 m; 第二個階段是沙河街組一段上部至東營組三段沉積期間, 最大斷距達近300 m, 該時期白水頭斷裂的同沉積性不明顯; 第三階段是東營組二段至東營組一段沉積期間, 該時期白水頭斷裂的同沉積性不明顯, 主要表現(xiàn)為東一段沉積期間的活動性; 第四階段為館陶組至現(xiàn)今, 新近紀斷裂活動性弱, 最大不到100 m的斷距主要是在新構造期(0.78 Ma-今)形成。

白水頭東斷裂整體表現(xiàn)為明顯的同沉積性(圖3d)。從斷裂斷距的變化幅度來看, 白水頭東斷裂的活動過程經歷了三個階段: 第一個階段是東營組三段沉積前, 該時期斷裂活動強度大, 對沉積地層具有明顯的控制作用, 沙一中底面的斷距最大可達700 m; 第二個階段是東營組三段至東營組二段沉積期間, 東三段底面的斷距最大可達450 m, 而東營組一段底的斷距最大僅 200 m, 該時期白水頭東斷裂的同沉積性不強烈, 東三底和東二底的斷距差別不大; 第三階段是東營組一段沉積期間至現(xiàn)今, 該時期白水頭東斷裂的同沉積性不明顯, 新近紀斷裂活動性弱, 大多區(qū)段不到100 m(局部可達200 m)的斷距主要是在新構造期(0.78 Ma-今)形成的。

1.1.2 次級調節(jié)斷裂

構造變換帶靠近物源區(qū)發(fā)育的斷階帶與調節(jié)帶,控制著沉積物向洼槽區(qū)的輸送路徑,是巖性油氣藏形成的有利地區(qū)(楊勉等, 2008)。次級調節(jié)斷裂, 是指在古近紀時期, 在較強烈的伸展作用下, 伴隨著控制地層沉積的大型斷裂的活動, 在構造軟弱帶產生了一系列次級斷裂, 起到了調整構造應力進一步達到平衡的作用。這些次級調節(jié)斷裂的活動可進一步劃分為三種類型: (1)僅發(fā)育于古近系內的次級調節(jié)斷裂: 該類斷裂主要發(fā)育在港東-唐家河構造帶(圖 4a), 該地區(qū)多缺失東營組上部地層, 而古近紀或古近紀早期活動的斷裂, 在新近紀或新構造期并沒有繼承性活動。這些斷裂不僅活動時期較短, 而且在古近紀時的活動強度不大。(2)兩段式活動的次級調節(jié)斷裂: 該類次級調節(jié)斷裂主要發(fā)育在白東構造帶(圖 4b), 表現(xiàn)為東二段沉積前的明顯活動以及新構造期的又一次活動, 這些斷裂的活動強度整體不大。(3)三段式活動的次級調節(jié)斷裂: 三段式發(fā)育的次級調節(jié)斷裂(圖 4c), 即表現(xiàn)為東二段沉積前明顯的同生長性、東二至東一段沉積期間有一定的活動性以及新構造期的又一次活動。

1.2 新構造期(0.78 Ma-今)活動期

新構造期, 是北大港構造帶東翼構造明顯活動的又一時期, 主要表現(xiàn)為已有斷裂的再活動以及新斷裂的產生, 圖5反映了港東-唐家河構造帶部分斷裂活動的這一特征。這些斷裂在新構造期的活動強度不大, 斷距多在 100 m左右, 但斷裂活動的范圍較廣, 在整個北大港構造帶東翼普遍存在, 特別是在白東構造帶, 在新構造期產生了大量的斷裂, 對早期構造進行了切割, 使得原有的構造形態(tài)更加復雜化。

2 構造樣式、形成機制的差異性

盆地形成的構造動力機制決定其結構特征, 同時盆地結構特征是其構造動力機制的反映(李明剛等, 2009)。斷層的交切情況決定著斷層的構造樣式(陳書平等, 2004)。北大港構造帶東翼位于黃驊坳陷陸上NE向構造與海域近EW向構造的轉折結合部位, 這種特殊的構造背景, 造成了區(qū)內不同區(qū)域的構造特征各不相同, 所形成的三個構造帶的構造樣式、形成機制也存在明顯差異性。

圖4 北大港構造帶東翼部分斷層斷距橫縱向變化柱狀圖Fig. 4 Columnar section of fracture distance changes in vertical and horizontal directions in part of the faults in eastern Beidagang tectonic belt

圖5 港東-唐家河構造帶Inline1780測線構造發(fā)育史剖面圖(測線位置見圖1)Fig. 5 Profile of structural development history along 1780 measuring line of Gangdong-Tangjiahe tectonic belt (for position of the measuring line see Fig. 1)

2.1 構造樣式的差異性

2.1.1 港東-唐家河構造帶

港東-唐家河構造帶, 在華北期近EW向擠壓作用下, NE走向、SE傾向的唐家河斷裂張性—走滑活動強烈, 在伸展作用下形成了一個寬緩的牽引背斜構造; 在新近紀, 該構造帶構造活動性較弱或幾乎沒有發(fā)生構造活動; 在新構造期(即中更新世以來),在現(xiàn)今構造期 NEE向擠壓作用下, 該地區(qū)已有 NE向斷裂再一次活動, 并相應地產生了一系列 NE走向、NW 傾向的次級小斷裂, 使得港東-唐家河構造帶中斷裂現(xiàn)今呈典型的“Y”字型組合, 港東-唐家河構造帶呈典型的花狀構造(圖5)。

2.1.2 白水頭構造帶

圖6 白水頭構造帶Inline2080測線地震剖面(測線位置見圖1)(NW: (x: 20545000, y: 4308000), SE: (x: 20565000, y: 4281000))Fig. 6 Seismic section along measuring line 2080 of Baishuitou tectonic belt(For position of the measuring line see Fig. 1)(NW: (x: 20545000, y: 4308000), SE: (x: 20565000, y: 4281000))

圖7 白東構造帶Inline2680測線地震剖面(測線位置見圖1)(NW: (x: 20564000, y: 4307000), SE: (x: 20572000, y: 4292000))Fig. 7 Seismic section along measuring line 2680 of Baidong tectonic belt(For position of the measuring line see Fig. 1)(NW: (x: 20564000, y: 4307000), SE: (x: 20572000, y: 4292000))

白水頭構造帶, 在華北期近EW向擠壓作用下,以白水頭斷裂和白水頭東斷裂為主的一系列 NE走向、SE傾向的斷裂伸展張性活動強烈, 在伸展—逆牽引作用下形成了一個寬緩的背斜構造; 在新近紀,該構造帶構造活動性較弱或幾乎沒有發(fā)生構造活動;在新構造期(即中更新世以來), 在現(xiàn)今構造期 NEE向擠壓作用下, 該地區(qū)已有 NE向斷裂再一次的張性—走滑活動, 并相應地產生了一系列 NE走向、NW 傾向的次級小斷裂, 使得白水頭構造帶中斷裂現(xiàn)今呈典型的“Y”字型組合, 白水頭構造帶呈典型的花狀構造(圖 6)。與港東-唐家河構造帶不同的是, 該構造帶受到了一系列NE走向、SE傾向的主斷裂控制, 古近紀以及新構造期的構造活動性更加強烈。

2.1.3 白東構造帶

白東構造帶, 在華北期近 EW 向擠壓作用下,該地區(qū)NEE走向、SE傾向的斷裂伸展張性活動較強烈, 控制沉積了北厚南薄、具有一定箕狀結構的古近系地層沉積, 同時該地區(qū)NEE走向、NW傾向的斷裂的活動也明顯較上述其它兩個構造帶要強,使得白東構造帶在古近紀時期就形成了“對傾式”的斷裂組合; 在新近紀, 該構造帶構造活動性較弱或幾乎沒有發(fā)生活動; 在新構造期(即中更新世以來), 在現(xiàn)今構造期NEE向擠壓作用下, 該地區(qū)已有斷裂再一次活動, 并相應地產生了一系列 NNE走向、NW和SE傾向的次級小斷裂, 使得白水頭構造帶中斷裂現(xiàn)今呈“對傾式”組合, 白水頭構造帶在淺部呈“對傾式”斷裂控制的走滑背斜構造(圖7)。

2.2 形成機制的差異性

對于北大港構造帶東翼3個構造帶現(xiàn)今所呈現(xiàn)的不同的構造樣式, 其根本原因是由于先期構造特征的差異性所導致的: (1)港東-唐家河構造帶與白水頭構造帶具有相似的“Y”字型構造樣式, 其原因是在古近紀時只發(fā)育有SE傾向的主斷裂, 使得在新構造期的剪切走滑作用下, 沿主斷裂派生了一系列反向(NW傾向)的次級小斷裂, 從而形成了典型的“Y”字型構造樣式; (2)在白東構造帶, 由于古近紀時, SE傾向和 NW 傾向的斷裂均有發(fā)育, 在新構造期沿斷裂走向的剪切走滑作用下, 并沒有形成“Y”字型構造的先存構造條件, 而是地質體沿斷面發(fā)生了一定程度的走滑, 形成了與斷裂體系有一定角度的走滑背斜構造, 同時伴生了大量的次級調節(jié)斷裂。

3 認識

綜合以上分析, 北大港構造帶東翼斷裂活動或構造活動主要有以下特點:

(1)從演化過程上: 沙河街—東營組三段沉積期間, 斷裂的同沉積性較強, 斷裂對地層的沉積充填具有一定的控制性; 東營組二段—東營組一段沉積期間, 斷裂活動性較前一階段明顯減弱, 表現(xiàn)在該時期斷裂斷距明顯減小, 而且同沉積性也不太明顯;館陶—明化鎮(zhèn)組沉積期間, 斷裂活動性極其微弱或沒有活動; 新構造期(0.78 Ma-今), 是該地區(qū)構造活動的又一高峰期, 不僅表現(xiàn)為已有斷裂的重新活動,而且產生了一系列的新斷裂, 雖然該時期斷裂活動強度不大(斷距一般小于100 m), 但斷裂在整個研究區(qū)內普遍發(fā)育。

(2)從平面分布上: 港東-唐家河構造帶晚期(新近紀—新構造期)斷裂活動性較弱, 有些斷裂自新近紀始就停止活動, 也就是說在港東-唐家河構造帶,晚期構造活動對先存構造的破壞性較弱; 港東-唐家河構造帶與白水頭構造帶的斷裂活動具有一定的相似性: ①次級調節(jié)斷裂均表現(xiàn)為三段式發(fā)育; ②新構造期斷裂活動強度具有較相似的特點, 即新生斷裂相對較少; 而白東構造帶: ①次級調節(jié)斷裂均表現(xiàn)為兩段式發(fā)育; ②新構造期斷裂活動強度較大,新生斷裂數(shù)量多, 有些斷裂已切割到了古近系中,使原有構造形態(tài)更加復雜化。

(3)從構造樣式上: 港東-唐家河構造帶與白水頭構造帶具有相似的“Y”字型構造樣式, 具有典型的花狀構造; 白東構造帶則形成了“對傾式”的斷裂組合。

(4)早期斷層在始新世—漸新世活動強烈, 且貫穿生油層, 有利于油氣運移與聚集, 此類斷層在新構造期活動性不太強, 如果斷裂沒有貫通到地表或接近地表處, 在斷裂的中、深部可能形成良好的油氣藏; 新構造期新生斷層, 活動性較強, 張裂較明顯, 成為油氣運移的良好通道。如果它們只發(fā)育在淺部, 未能與深部生油層相連通, 則有可能不會破壞深部油氣藏; 如果它們已斷達深部烴源巖, 則會造成油氣的大量散失。

致謝: 本文研究和寫作過程中得到了萬天豐教授的精心指導, 在此表示衷心的感謝。

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An Analysis of Fault Activities in Eastern Beidagang Tectonic Belt,Tianjin

WAN Gui-long1), ZHANG De-hui1), ZHANG Shou-ren2)1)School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing100083;2)China United Coal-bed Methane Limited Liability Co., Ltd., Beijing100011

Structural factors play a controlling role in the distribution of oil and gas, and oil and gas enrichment and distribution in a basin or in a sag depend on characteristics of fault activities. The authors carefully studied all the fractures in eastern Beidagang tectonic belt, calculated and analyzed fracture distance variations of 20 large faults in vertical and horizontal directions in combination with over 20 seismic sections and 8 structural development profiles in the study area. On such a basis, the authors hold that the main fault activities in eastern Beidagang tectonic belt occurred in Paleocene tectonic period and Neocene tectonic period. In Neocene tectonic period, however, fault activities were extremely weak, and most faults were not active. From evolutionary process and spatial distribution, it is considered that the destructive effect of late tectonic activities on earlier faults was weak, and fault activities were somewhat similar to things of Baishuitou tectonic belt in Gangdong-Tangjiahe tectonic belt, forming a typical flower-shaped structure. Nevertheless, fault activities in Baidong tectonic belt were strong in Neocene tectonic period, and some new faults cut Paleocene strata with some reaching the near-surface place, forming “face toward sloping type” fault combination. The influence of fault activities on hydrocarbon migration and accumulation is also preliminarily discussed in this paper.

eastern Beidagang tectonic belt; fault activities; tectonic style; formation mechanism

P618.13; P542.3

A

10.3975/cagsb.2011.03.13

本文由中國石油天然氣股份有限公司大港油田分公司科研項目“北大港構造帶東翼構造演化及控砂、控油研究”(編號: DGYT-2006-J5-3696)資助。

2011-04-05; 改回日期: 2011-04-24。責任編輯: 魏樂軍。

萬貴龍, 男, 1977年生。博士研究生。從事構造地質、地質勘查研究。通訊地址: 100083, 北京市海淀區(qū)學院路29號中國地質大學(北京)地球科學與資源學院B10-2班。電話: 010-82328725。E-mail: wanguilong1977@163.com。