柳嶼博,黃曉波,徐長貴,李 強,吳 奎,余一欣,張如才
[1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司,天津 300459; 2.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249]
轉(zhuǎn)換帶是一類廣泛發(fā)育在擠壓、伸展和走滑環(huán)境下的調(diào)節(jié)構(gòu)造,主要作用是保持區(qū)域上構(gòu)造位移量的守恒。回溯轉(zhuǎn)換帶的研究歷程,Dahlstrom(1970)[1]在研究加拿大落基山地區(qū)擠壓變形中褶皺-逆沖斷層的幾何形態(tài)時首次提出,之后Morley等(1990)[2]將“轉(zhuǎn)換帶”這一概念引入伸展區(qū)構(gòu)造研究中,21世紀以來國外學者側(cè)重于結(jié)合板塊環(huán)境對轉(zhuǎn)換帶類型和構(gòu)造演化動力學機制開展研究[3-6]。由于轉(zhuǎn)換帶與油氣聚集存在密切關(guān)系,國內(nèi)學者近年結(jié)合中國渤海灣盆地、松遼盆地和塔里木盆地等實例,也積極開展了轉(zhuǎn)換帶的相關(guān)研究工作[7-13]。目前,對轉(zhuǎn)換帶的研究存在兩種現(xiàn)象:其一,研究區(qū)集中于陸上地區(qū)。如對于黃驊坳陷和東濮凹陷等渤海灣盆地陸上次級構(gòu)造單元的轉(zhuǎn)換帶發(fā)育特征都開展過專門研究工作,取得了一定的研究成果[14-15]。其二,對伸展環(huán)境下發(fā)育的轉(zhuǎn)換帶研究較系統(tǒng)。國內(nèi)學者對伸展型轉(zhuǎn)換帶類型的劃分和特征的總結(jié)提出了相應觀點[16-19]。相比之下,對走滑環(huán)境下轉(zhuǎn)換帶特征的描述則是較少的。因此,針對海域內(nèi)重要勘探區(qū)域的轉(zhuǎn)換帶開展研究以及結(jié)合渤海地區(qū)實際開展走滑轉(zhuǎn)換帶研究工作是十分必要的。
同時,郯廬斷裂是發(fā)育在中國東部的大型走滑斷裂帶,其海域段自南向北,大體呈NNE走向直接穿過渤海,對渤海構(gòu)造特征的形成具有重要的控制作用,沿郯廬走滑斷裂廣泛發(fā)育的走滑轉(zhuǎn)換帶的地質(zhì)意義和控藏作用也逐漸為學者所重視。徐長貴(2016)[20]基于大量鉆井資料和油氣田實例,系統(tǒng)總結(jié)了渤海海域走滑轉(zhuǎn)換帶發(fā)育規(guī)律和控藏作用。但鑒于走滑轉(zhuǎn)換帶的復雜性,依然需要對渤海典型地區(qū)的走滑轉(zhuǎn)換帶特征進行更為精細的研究工作。
本次研究認為,在渤海海域廣泛發(fā)育的走滑轉(zhuǎn)換帶是控制油氣成藏的關(guān)鍵地質(zhì)條件。以此為核心,本文系統(tǒng)闡述了渤海海域遼西構(gòu)造帶(遼西帶)發(fā)育的大型斷裂特征及轉(zhuǎn)換帶類型,并建立定量表征走滑轉(zhuǎn)換帶控制油氣成藏的研究方法,為下一步勘探工作提供新思路。
作為新生代渤海灣盆地的海域部分,渤海勘探面積約4.2×104km2。遼東灣坳陷是位于渤海北部的二級構(gòu)造單元,屬于渤海灣盆地下遼河坳陷向海域的延伸部分。郯廬斷裂帶右旋走滑活動塑造了遼東灣坳陷現(xiàn)今的構(gòu)造格局。遼東灣坳陷整體呈NNE向發(fā)育,古近系表現(xiàn)為受伸展斷裂系統(tǒng)控制的斷陷構(gòu)造,新近系—第四系呈毯狀覆蓋在古近系斷陷及分隔斷陷的凸起之上,使之成為統(tǒng)一的沉積盆地。按照古近系分布,遼東灣坳陷又可以劃分為遼西凹陷、遼西凸起、遼中凹陷、遼東凸起和遼東凹陷5個次級構(gòu)造單元,即呈現(xiàn)“三凹兩凸”構(gòu)造格局。
本次研究區(qū)遼西構(gòu)造帶主要包括遼西凸起和遼西凹陷等2個次級構(gòu)造單元,整體走向與遼東灣坳陷保持一致,為NNE向,南北長約160 km,東西寬約30 km,勘探面積近5 000 km2。經(jīng)過多年的勘探實踐,已在遼西帶發(fā)現(xiàn)10個大中型油氣田,是渤海油田重要的油氣產(chǎn)區(qū)。
遼西帶盆地結(jié)構(gòu)南、北向存在差異,依據(jù)遼西凸起在盆地不同位置對遼西凹陷的分隔作用(圖1),大致可以劃分為北、中、南3段,即北次洼(簡稱遼西北洼)、中次洼(簡稱遼西中洼)和南次洼(簡稱遼西南洼)。在北段,遼西凸起為窄凸起且隆升幅度底,遼西北洼表現(xiàn)為東斷西超的簡單箕狀洼陷結(jié)構(gòu)。在中段,遼西凸起更為寬緩,凸起隆升幅度也更大,整體依然保持了單斷箕狀洼陷格局。進入南段,受遼西凸起南部分支——遼西南凸起的遮擋作用,遼西南洼表現(xiàn)為“兩凸夾一凹”的構(gòu)造格局。
遼西帶新生代構(gòu)造變形總體表現(xiàn)為NE向伸展構(gòu)造系統(tǒng)和NNE向右旋走滑構(gòu)造系統(tǒng)的疊合。究其形成原因主要可以歸納為兩點:一方面,古-始新世渤??傮w上受深部地幔熱底辟活動驅(qū)動地殼發(fā)生引張破裂,發(fā)育一系列NE向伸展斷層,主要控制了古近系的沉積充填;另一方面,自漸新世以來,地幔熱底辟活動趨弱,而板塊活動引起的NE-SW向區(qū)域擠壓作用增強,在此影響下郯廬斷裂帶發(fā)生右旋剪切作用,形成與走滑位移相關(guān)的構(gòu)造變形[21-24],作為廣義上郯廬斷裂帶渤海段西支的組成部分,遼西帶主干斷裂同樣發(fā)生右旋走滑位移。正是在主導盆地早期發(fā)育的伸展裂陷作用與后期郯廬斷裂的走滑拉分作用相互疊加、相互影響下,遼西帶斷裂發(fā)育呈現(xiàn)多期性,并且隨著區(qū)域上伸展和走滑作用的演進,遼西帶主干斷裂也普遍發(fā)育早伸展-晚走滑的復合構(gòu)造樣式,進而主導了復雜多樣的走滑轉(zhuǎn)換帶的形成。
三維地震資料揭示,在遼西帶主要發(fā)育4條主干斷裂,自西向東分別是遼西4號斷裂、遼西1號斷裂、遼西2號斷裂和遼西3號斷裂。其中,遼西1號、2號和3號斷裂控凹特征明顯,在地震剖面上深層以發(fā)育伸展變形為主,淺層呈現(xiàn)走滑斷裂特征。遼西4號斷裂屬于西部盆緣斷裂,發(fā)育典型花狀構(gòu)造,指示較強的走滑運動的存在(圖2)。
圖1 渤海灣盆地遼西帶北段區(qū)域位置Fig.1 Location of northern Liaoxi structural belt in Bohai Bay BasinF1.遼西1號斷裂;F2.遼西2號斷裂;F3.遼西3號斷裂;F4.遼西4號斷裂
根據(jù)斷裂活動特征,遼西帶主要發(fā)育長期活動型和早斷早衰型斷裂。所謂長期活動型斷裂是指自新生代早期至新近紀館陶組沉積期均活動的斷裂,此類斷裂往往構(gòu)成了新生代控制遼西帶構(gòu)造格局的大型斷裂。而早斷早衰型斷裂則指代主活動期為古近紀的斷裂,此類斷裂規(guī)模雖不及長期活動型斷裂,卻是重要的深層控圈斷裂。分布于遼西帶的4條主干斷裂均屬于長期活動型,而在盆地新生代早期伸展階段發(fā)育的斷裂則以早斷早衰型為主,發(fā)育位置多集中在盆地的斜坡位置。若干條早斷早衰型斷裂展布與長期活動斷裂展布具有一致性,也揭示了兩者在成因上的相關(guān)性(圖3)。
斷裂活動速率能夠直觀反映斷裂發(fā)育形成的活動歷史,是分析區(qū)域構(gòu)造演化關(guān)鍵變革期的常用方法。利用近年處理完成的連片三維地震資料,對4條主干斷裂活動速率進行了詳細統(tǒng)計,結(jié)果表明,遼西1號、遼西2號和遼西3號存在兩個主要活動時期,分別是古-始新世孔店組—沙河街組三段沉積期和漸新世東營組三段沉積期。而遼西4號斷裂雖然早期具有垂向活動量,但主要活動時期是東營組三段沉積期。分析認為,遼西帶在古-始新世中期(孔店組沉積期至沙河街組三段沉積期)經(jīng)歷了一期較大規(guī)模的伸展裂陷階段,奠定了遼西帶基本構(gòu)造格局。進入漸新世東營組沉積期,在強烈右旋走滑拉分作用下,遼西帶再次發(fā)生強烈的裂陷作用。到了東營組沉積末期,湖盆整體抬升,裂陷階段逐漸結(jié)束(圖4)。
圖3 遼西帶沙河街組頂部斷裂系統(tǒng)Fig.3 Fault system of the Shahejie Formation in Liaoxi structural belt
圖4 遼西1號至遼西4號斷裂活動速率統(tǒng)計Fig.4 Fault slip activity rate of Liaoxi 1-Liaoxi 4 faultNg.館陶組;Ed2.東營組二段;Ed3.東營組三段;Es1.沙河街組一段;Es2.沙河街組二段;Es3.沙河街組三段;Es4.沙河街組四段;Ek.孔店組
英國石油學會曾于2007年召開了關(guān)于走滑轉(zhuǎn)換帶的學術(shù)研討會,與會學者針對全球5類板塊環(huán)境下發(fā)育的走滑轉(zhuǎn)換帶進行了廣泛探討[25-28]。筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn),盡管在全球已發(fā)現(xiàn)227個走滑轉(zhuǎn)換帶實例,但多數(shù)學者都認可從構(gòu)造應力環(huán)境的角度可以將上述實例劃分為走滑增壓段(restraining bends)和釋壓段(releasing bends)兩大類。并且,雖然走滑增壓段和釋壓段既可以沿著一條走滑斷裂的彎曲段發(fā)育,也可以在兩條走滑斷裂的疊覆區(qū)發(fā)育,但筆者認為本質(zhì)上都是由于走滑斷裂受板塊旋轉(zhuǎn)角度或先存構(gòu)造的影響而發(fā)生斷裂走向改變,引起走滑斷裂原本只有水平位移的斷層兩盤因受到擠壓或者拉張應力而發(fā)生垂向位移,導致地層在走滑斷裂轉(zhuǎn)彎處發(fā)生局部隆升或沉降。之所以有的依單條走滑斷裂發(fā)育,有的在走滑疊覆區(qū)發(fā)育,只是處于不同的演化階段。因而從平面幾何形態(tài)上都可以形象地將這一類型轉(zhuǎn)換帶歸結(jié)為S型走滑轉(zhuǎn)換帶。從不同學者揭示的實例上可以推斷,S型走滑轉(zhuǎn)換帶是走滑環(huán)境下發(fā)育的普遍構(gòu)造現(xiàn)象。
筆者認為合理的走滑轉(zhuǎn)換帶類型劃分方案應該以分析問題的實用性為前提。本次研究沿襲國外學者的劃分方案,按照構(gòu)造應力環(huán)境的差異將遼西帶S型走滑轉(zhuǎn)換帶分為增壓段和釋壓段兩類,進一步按照走滑轉(zhuǎn)換帶演化階段的不同將增壓段細分為3個亞類,即壓扭低凸起、平緩增壓段和強烈增壓段。相應地,將釋壓段同樣細分為3個亞類,包括紡錘形淺凹、平緩釋壓段和菱形釋壓段。特殊地,考慮在走滑斷裂傾末端發(fā)育的轉(zhuǎn)換帶具有主斷面呈發(fā)散狀及多組斷塊疊置排列的特征,歸納為增壓型或釋壓型馬尾扇(表1;圖5)。值得注意的是,主干走滑斷裂兩側(cè)常伴隨發(fā)育一系列調(diào)節(jié)斷裂,可歸納為走滑轉(zhuǎn)換帶調(diào)節(jié)斷裂。此外,同一條走滑斷裂在斷面彎曲處的兩端往往成對發(fā)育轉(zhuǎn)換帶。
從遼西帶S型走滑轉(zhuǎn)換帶分布來看,增壓段和釋壓段均有發(fā)育。如果與遼西帶已發(fā)現(xiàn)油田的構(gòu)造位置進行對比,則會發(fā)現(xiàn)增壓段是遼西帶大中型油氣田的有利發(fā)育區(qū)域。比如,位于遼西1號斷裂中部的S型走滑斷裂增壓段發(fā)現(xiàn)的旅大4-2等3個油田,儲量豐度平均(400~500)×104m3/km2,而處于釋壓段的含油氣構(gòu)造儲量豐度平均只有(80~100)×104m3/km2。統(tǒng)計表明,在遼西帶目前已發(fā)現(xiàn)的10個油氣田中,有7個分布在增壓型轉(zhuǎn)換帶中。
增壓型走滑轉(zhuǎn)換帶對圈閉發(fā)育和油氣運聚的控制作用顯著。在控圈方面,增壓型轉(zhuǎn)換帶發(fā)育的圈閉規(guī)模普遍較大,在這一構(gòu)造背景下發(fā)育的圈閉通??蛇_4~7 km2,且以背斜類、斷裂背斜類或鼻狀構(gòu)造為主。這一點與釋壓型轉(zhuǎn)換帶處于張性引力環(huán)境或以張性應力環(huán)境為主的應力環(huán)境中發(fā)育的圈閉顯著不同。在油氣運移方面,轉(zhuǎn)換帶調(diào)節(jié)斷裂是轉(zhuǎn)換帶油氣運移的重要通道,調(diào)節(jié)斷裂的發(fā)育程度往往控制油氣的富集程度。由于增壓型轉(zhuǎn)換帶主干斷裂具有壓性或壓扭性特點,是天然的側(cè)封斷裂,因而能夠?qū)⒂烧{(diào)節(jié)斷裂運移上來的油氣進行有效側(cè)封,于圈閉之中富集成藏。位于遼東灣坳陷中部的旅大6-2油田南、北區(qū)成藏差異現(xiàn)象能夠佐證這一觀點(圖6)。旅大6-2油田南區(qū)處于走滑增壓段且調(diào)節(jié)斷層發(fā)育,鉆井揭示儲量豐度高。而北區(qū)則處于走滑釋壓段,調(diào)節(jié)斷層密度不及南區(qū),儲量豐度低。說明在儲層橫向展布比較穩(wěn)定的情況下,斷層垂向輸導能力成為油氣運移的關(guān)鍵。
表1 遼西帶S型走滑轉(zhuǎn)換帶模式Table 1 S-shaped strike-slip transfer zone model in Liaoxi structural belt
圖5 遼西帶S型走滑轉(zhuǎn)換帶分布Fig.5 Schematic map showing distribution of S-shaped strike-slip transfer zone in Liaoxi structural belt
圖6 遼西構(gòu)造帶旅大6-2油田南、北區(qū)成藏差異對比[18]Fig.6 Comparison of hydrocarbon accumulation between southern and northern part of LD6-2 oil field[18]a.旅大6-2油田東營組二段頂面構(gòu)造;b.旅大6-2油田南部走滑增壓段成藏模式;c.旅大6-2油田北部走滑釋壓段成藏模式Ng.館陶組;Ed2.東營組二段;Ed3.東營組三段;Es1.沙河街組一段;Es4.沙河街組四段;Ek.孔店組;Mz.中生界;Ar.太古界
在認識到增壓型走滑轉(zhuǎn)換帶的控藏特征后,如何定量分析轉(zhuǎn)換帶各要素之間的關(guān)系,對于深刻把握成藏規(guī)模,指導下一步勘探工作就顯得尤為重要。雖然處于S型走滑斷裂增壓段的地區(qū)是圈閉的有利形成區(qū)[29],但在勘探實踐中認識到,這一條件并不是決定圈閉成藏的充分條件,即形成于增壓段位置的圈閉并非全部成藏。如上文所述,該類圈閉受主走滑斷裂和與之伴生的走滑調(diào)節(jié)斷裂共同控制[30]。所以,需要進一步研究主走滑斷裂與走滑調(diào)節(jié)斷裂的耦合情況。
基于上述認識,本次研究提出了S型走滑轉(zhuǎn)換帶“油氣富集指數(shù)”的概念和計算方法?!坝蜌飧患笖?shù)”主要與兩方面因素有關(guān),分別是主走滑斷裂彎曲度和調(diào)節(jié)斷裂活動強度。在研究中發(fā)現(xiàn),主走滑斷裂彎曲度決定了主斷裂斷面彎曲位置構(gòu)造應力的大小,構(gòu)造應力越集中的地方往往越有利于圈閉的形成。同時,隨著構(gòu)造應力的增加,與主斷裂相伴生的調(diào)節(jié)斷裂的數(shù)量也呈遞增趨勢,也就是說調(diào)節(jié)斷裂越發(fā)育。而兩者的乘積大小與油氣富集程度具有明顯的正相關(guān)關(guān)系。
如圖7中所示,在主斷裂彎曲度計算公式中:A,B,C,D,E分別為一個完整S型走滑轉(zhuǎn)換帶中的5個端點。所以,主斷裂彎曲度(W)計算公式為:
W=L/H
(1)
式中:L為弧頂?shù)交啥诉B線的垂直距離,km;H為弧兩端點之間的距離,km。
圖7 S型走滑轉(zhuǎn)換帶彎曲度模式Fig.7 Model of S-shaped strike-slip benda. S型走滑轉(zhuǎn)換帶平面模式;b. S型走滑轉(zhuǎn)換帶立體模式
伴生調(diào)節(jié)斷裂活動強度(Q)計算公式為:
Q=(E1ΔD1+E2ΔD2+…)/S
(2)
式中:E為伴生調(diào)節(jié)斷裂長度,km;ΔD為伴生調(diào)節(jié)斷裂在主裂陷期最大斷距,km;S為圈閉面積,km2。
油氣富集指數(shù)(K)計算公式為:
K=1 000WQ
(3)
式中:W為主斷裂彎曲度,無量綱;Q為伴生斷裂活動強度,無量綱。
需要說明的是,S型走滑轉(zhuǎn)換帶具有左凸和右凸兩種情況,為了加以區(qū)別,當圈閉形成于左凸區(qū)域時油氣富集指數(shù)K為負值,當圈閉形成于右凸區(qū)域時油氣富集指數(shù)K為正值。
以前述計算公式為基礎,對遼西帶北段JZ25-1北部井區(qū),遼西中洼綏中30-3構(gòu)造區(qū),遼西南洼旅大5-2北油田北塊和南塊,旅大4-2,旅大5-2等油田或含油構(gòu)造的主斷裂彎曲度和伴生調(diào)節(jié)斷裂活動強度進行了系統(tǒng)統(tǒng)計,用以揭示兩者的相關(guān)性。
形成上述正相關(guān)性的原因可以在斷裂形成機制上找到答案。由于斷裂是巖層順破裂面發(fā)生明顯位移的構(gòu)造,正是由于構(gòu)造應力的集中使巖層發(fā)生了這一明顯位移,所以斷裂的發(fā)育是構(gòu)造應力集中的表現(xiàn)。在S型走滑轉(zhuǎn)換帶中,增壓段是構(gòu)造擠壓應力集中區(qū),隨著S型主走滑斷裂彎曲程度的增加,增壓段的發(fā)育會越發(fā)明顯,構(gòu)造應力以發(fā)育伴生斷裂的形式對巖層產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。因此,調(diào)節(jié)斷裂的發(fā)育程度直接與主走滑斷裂的彎曲程度相關(guān)。
本次研究重點對遼西南洼陡坡帶圈閉油氣富集指數(shù)進行了統(tǒng)計,對比了旅大5-2北油田南、北塊成藏差異與油氣富集指數(shù)的相關(guān)性。如圖8所示,上述油田都是受右凸型S型走滑斷裂控制的斷塊,同時伴生調(diào)節(jié)斷裂均較為發(fā)育。通過計算,針對主要勘探層系新近系館陶組,北塊的油氣富集指數(shù)為2.86,南塊為7.24,兩者差異顯著。
從勘探結(jié)果的角度分析,在旅大5-2北油田南塊鉆探的多口鉆井均獲得成功,說明南塊油氣富集程度高。反觀北塊,鉆探的X井測井解釋只在漸新統(tǒng)東二下段揭示較薄的氣層。分析認為,旅大5-2北油田南、北兩塊油氣富集差異較大與研究獲得的兩個斷塊油氣富集指數(shù)具有良好的對應關(guān)系。通過進一步對旅大5-2油田和旅大4-2油田的富集指數(shù)進行計算,再對比實際勘探結(jié)果,認識到遼西南洼東北部陡坡帶圈閉富集指數(shù)一般大于4。油氣富集指數(shù)對油氣成藏概率具有指示作用。
1) 遼西帶S型走滑轉(zhuǎn)換帶可劃分為2類,又可以進一步細分為8個亞類。具體為:增壓段細分為壓扭低凸起、平緩增壓段和強烈增壓段等3個亞類。釋壓段細分為紡錘形淺凹、平緩釋壓段和菱形釋壓段等3個亞類。走滑斷裂傾末端發(fā)育的轉(zhuǎn)換帶歸納為增壓型或釋壓型馬尾扇。
圖8 遼西帶旅大5-2北油田北塊(a)和南塊(b)構(gòu)造Fig.8 Structural maps of the northern and southern parts of LD5-2N field
2) 油氣富集指數(shù)是定量化表征走滑轉(zhuǎn)換帶控藏能力的有效方法,揭示了主斷裂彎曲度大的圈閉伴生調(diào)節(jié)斷裂活動強度的值也較大,說明兩者具有明顯的正相關(guān)性。繼續(xù)深挖和應用油氣富集指數(shù)分析方法對于研究S型走滑轉(zhuǎn)換帶發(fā)育區(qū)油氣成藏規(guī)律具有啟示意義。
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