南堡凹陷構(gòu)造樣式及形成機(jī)制研究

南堡凹陷構(gòu)造樣式及形成機(jī)制研究

南堡石油豐富。2007年，南寶油田宣布石油儲(chǔ)量為10.2.08噸，并對(duì)南堡塌陷構(gòu)造發(fā)展和發(fā)育進(jìn)行了研究。例如，徐亞硝酸鹽等人研究了塌陷地震裂系統(tǒng)的分類(lèi)，周天偉等人研究了凹陷新系統(tǒng)的形成機(jī)制。然而，目前的研究側(cè)重于局部研究，研究舊系統(tǒng)的形成機(jī)制沒(méi)有相關(guān)研究。鄭紅菊等人在南堡塌陷的結(jié)構(gòu)發(fā)展方面進(jìn)行了相關(guān)研究，但僅局限于沉積相的研究，與控制坍塌發(fā)展的構(gòu)造活動(dòng)（缺陷）結(jié)合在一起。本文以整個(gè)凹陷為研究對(duì)象，分析了古近系和近系塌陷的形成機(jī)制，并從結(jié)構(gòu)角度研究了凹陷的結(jié)構(gòu)過(guò)程。1南堡凹陷內(nèi)部構(gòu)造演化南堡凹陷位于燕山臺(tái)褶帶南緣,渤海灣盆地黃驊坳陷之北.其北部與燕山相連,南部和東部與渤海相接,西部與津冀邊界的澗河為邊,海域以渤海5m水深線(xiàn)與渤海石油公司為界.整個(gè)凹陷面積1900km2,其中陸地面積800km2,灘海面積1100km2.據(jù)最新的構(gòu)造單元?jiǎng)澐?南堡凹陷二級(jí)構(gòu)造帶具有明顯的分帶性,自北向南分別為陸上的高-柳構(gòu)造、老爺廟構(gòu)造、北堡構(gòu)造,灘海地區(qū)的南堡1號(hào)、南堡2號(hào)、南堡3號(hào)、南堡4號(hào)及南堡5號(hào)構(gòu)造(圖1).南堡凹陷內(nèi)部斷裂極其發(fā)育,凹陷北部和東北部邊緣分別為西南莊斷裂和柏各莊斷裂,這2條斷裂活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、繼承性強(qiáng)、斷距大,控制著盆地的形成和發(fā)展;凹陷南緣逐步過(guò)渡為較緩的斜坡.南堡凹陷內(nèi)部的斷層,總體上都表現(xiàn)為同沉積正斷層.自下向上斷距逐漸變小,在時(shí)間和空間上具有明顯的繼承性發(fā)育特征.斷層傾角在垂向上多由緩變陡;側(cè)向上斷層傾角、斷距和活動(dòng)強(qiáng)度變化較大.從不同層位的斷層方位分布玫瑰花圖(圖2)上看,南堡凹陷內(nèi)部的斷層以NEE向斷層為主,除Es2+3底界以外,NEE向的斷層在其他層段中均占主導(dǎo)地位;其次發(fā)育NW向斷層和NE向斷層;Ng,Nm無(wú)論是主干斷層還是次級(jí)斷層,斷層的方位都相一致,但Nm底界近EW向斷層所占的比例相對(duì)較大;對(duì)于Es1、Es2+3層段,NE向斷層數(shù)量明顯增加.上述斷層方位的分布特征充分表明,南堡凹陷深部(沙河街組、東營(yíng)組)的斷裂系統(tǒng)和淺部(館陶組、明化鎮(zhèn)組)的斷裂系統(tǒng)是由不同的構(gòu)造應(yīng)力控制、經(jīng)歷不同的構(gòu)造發(fā)育機(jī)制而演化形成的.2構(gòu)造樣式及斷裂組合構(gòu)造樣式是盆地內(nèi)具有內(nèi)在聯(lián)系的地質(zhì)組合體,常受控于主干斷層的幾何學(xué)特征和運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律,對(duì)構(gòu)造樣式的研究即建立在斷裂研究的基礎(chǔ)之上.南堡凹陷內(nèi)部斷裂發(fā)育,在沙河街組末期,凹陷已發(fā)育南傾的控盆大斷裂,這些大斷裂基本上控制了凹陷的構(gòu)造格局.東三段末期,在控盆斷裂的影響下,凹陷內(nèi)發(fā)育一系列南傾次生斷裂.至東營(yíng)期,凹陷開(kāi)始發(fā)育北傾斷裂.南堡凹陷內(nèi)的大部分?jǐn)嗔延绕涫敲骰?zhèn)以前的斷裂都屬于同生斷裂,這些斷裂基本上控制或影響了凹陷的發(fā)展演化過(guò)程,最終形成了現(xiàn)今的凹陷面貌.由于先期斷裂在垂向上的活動(dòng)及后期斷裂不斷疊加的影響,在凹陷的不同部位形成了不同的構(gòu)造樣式和斷裂組合,各種構(gòu)造樣式和組合的具體特征如下所述.2.1項(xiàng)目風(fēng)格2.1.1“坡坪式”結(jié)構(gòu)“坡坪式”構(gòu)造樣式主要由坡坪式正斷層構(gòu)成.坡坪式正斷層具有明顯的斷坡(坡度較大)和斷坪(坡度較小或者無(wú)坡度變化)結(jié)構(gòu),如高尚堡構(gòu)造的邊界斷層即為坡坪式正斷層(圖3).“坡坪式”構(gòu)造樣式構(gòu)成了南堡凹陷控制邊界斷層的重要構(gòu)造樣式,主要分布在柳贊構(gòu)造、高尚堡構(gòu)造(圖3).2.1.2結(jié)合構(gòu)造樣式形成的構(gòu)造樣式由鏟式正斷層控制的半地塹內(nèi)部的斷層向深部延伸可以與主邊界斷層交匯在一起,如老爺廟構(gòu)造的邊界斷層在深部交匯在一起(圖4),這些交匯構(gòu)成的連鎖斷層系統(tǒng)即“鏟式”構(gòu)造樣式.“鏟式”構(gòu)造樣式也是南堡凹陷控盆斷層形成的重要構(gòu)造樣式,主要集中在北堡構(gòu)造、老爺廟構(gòu)造(圖4).2.1.3“多米諾式”構(gòu)造樣式“多米諾式”構(gòu)造樣式主要由一系列同傾斷層所組成的斷層系統(tǒng)控制.其本質(zhì)是由于受遞進(jìn)剪切力作用,導(dǎo)致地層發(fā)生破裂并旋轉(zhuǎn),每個(gè)碎片向剪切方向傾斜,猶如一疊書(shū)被推倒,從而形成類(lèi)似于多米諾骨牌的形狀.“多米諾式”構(gòu)造樣式的顯著特點(diǎn)是其內(nèi)部構(gòu)造不受邊界斷層的控制.“多米諾式”構(gòu)造樣式是南堡凹陷內(nèi)部控制斷層重要的構(gòu)造樣式之一.如南堡2號(hào)構(gòu)造(圖4)、4號(hào)構(gòu)造內(nèi)部發(fā)育的次級(jí)斷層就構(gòu)成“多米諾式”構(gòu)造樣式.2.2“y”型斷裂組合南堡凹陷內(nèi)部眾多的斷裂在空間上形成了不同的斷裂組合,在斷裂系統(tǒng)組合上大致可分為“Y”型斷裂組合、“X”型斷裂組合.“Y”型斷裂組合主要分布于凹陷深部位(古近系).凹陷內(nèi)部先期形成控盆大斷裂,后期在該斷層之上發(fā)育一系列次生分支斷層,分支斷層逐級(jí)收斂到主斷層之上便構(gòu)成了剖面上的“Y”型斷裂組合.平面上主要分布在高尚堡-柳贊構(gòu)造、北堡構(gòu)造、老爺廟構(gòu)造(圖4).“X”型斷裂組合是共軛正斷層控制的、下部壘塊隆升和上部塌陷成對(duì)出現(xiàn)的組合樣式.“X”型斷裂組合是純剪切變形作用的結(jié)果.深度上,南堡凹陷內(nèi)“X”型斷裂組合主要分布于淺層(新近系).平面上,南堡凹陷的“X”型斷裂組合主要集中分布于南堡3號(hào)(圖3)、南堡2號(hào)構(gòu)造.西部的1號(hào)構(gòu)造是南傾的控盆斷裂之上發(fā)育一系列北傾次生斷裂,中部3號(hào)構(gòu)造主要發(fā)育一系列南傾的斷裂,而東部4號(hào)構(gòu)造發(fā)育一系列北傾的斷裂.即灘海東部、中部、西部其構(gòu)造發(fā)育及演化存在差異,在中部存在一個(gè)轉(zhuǎn)換區(qū),該轉(zhuǎn)換區(qū)受到南北構(gòu)造剪切力的控制.3采用中斷系統(tǒng)形成機(jī)制3.1構(gòu)造變形類(lèi)型南堡凹陷深部斷層的形成和演化與郯廬斷裂帶的活動(dòng)緊密相關(guān),而對(duì)于郯廬斷裂帶在不同時(shí)期走滑性質(zhì)發(fā)生改變的研究還存在較大分歧.本次研究認(rèn)為,郯廬斷裂帶在古近紀(jì)時(shí)期為右旋走滑-伸展運(yùn)動(dòng),新近紀(jì)以來(lái)則為右旋走滑運(yùn)動(dòng).古近紀(jì)(距今45～37Ma)是郯廬斷裂帶右旋-伸展活動(dòng)最強(qiáng)烈的時(shí)期,郯廬斷裂帶的右旋-伸展導(dǎo)致渤海灣盆地形成一個(gè)左旋張扭應(yīng)力場(chǎng).在該區(qū)域伸展作用的背景下,南堡凹陷進(jìn)入斷陷發(fā)育期,形成的大量正斷層,且大部分都具有同生性質(zhì).如此時(shí)形成西南莊斷層、柏各莊斷層等鏟式邊界斷層.作為拆離斷層控制的半地塹結(jié)構(gòu),南堡凹陷的伸展變形以簡(jiǎn)單剪切變形為主,“Y”型斷裂組合為其斷層組合的主要形式(圖4),這也是伸展半地塹盆地中較常見(jiàn)的斷層組合類(lèi)型.隨著西南莊、柏各莊等主干邊界斷層的伸展拆離,凹陷基底發(fā)生了快速大幅度的沉降,主干斷裂的上盤(pán)因垮塌而形成塌陷構(gòu)造.同時(shí),一些斷層的上盤(pán)塊體發(fā)生逆時(shí)針?lè)较虻姆蔷鶆蛐D(zhuǎn),在靠近主干斷裂的上盤(pán)因垮塌和旋轉(zhuǎn)2種因素的共同作用,產(chǎn)生了滾動(dòng)背斜構(gòu)造.在旋轉(zhuǎn)軸的軸部或構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶(或?qū)?yīng)于邊界斷裂伸展滑脫拆離部位),因受到深部地層的橫彎褶皺作用,即巖層受到與地層面垂直的外力作用而發(fā)生褶皺作用,導(dǎo)致中淺地層產(chǎn)生了縱向上的張應(yīng)力,從而產(chǎn)生了斷陷期及反轉(zhuǎn)期的蓋層斷層.東三段沉積期,在近南北向區(qū)域拉張應(yīng)力場(chǎng)作用下,西南莊斷層、柏各莊斷層、高柳斷層均發(fā)生了強(qiáng)烈的伸展拆離運(yùn)動(dòng),因此產(chǎn)生了一系列滾動(dòng)背斜構(gòu)造及次級(jí)基底斷裂.古近紀(jì),南堡凹陷形成了“Y”型斷裂組合(大型拆離斷層發(fā)育).而依據(jù)三維空間構(gòu)造應(yīng)變守恒的原則,在深大斷裂的轉(zhuǎn)折或變換部位,一般發(fā)育有變換構(gòu)造,同時(shí)在盆地或凹陷緊鄰變換構(gòu)造的位置發(fā)育有與斷裂大角度相交的鼻狀或斷鼻構(gòu)造帶.南堡2號(hào)構(gòu)造、老爺廟構(gòu)造即為南堡凹陷變換構(gòu)造發(fā)育的部位.在發(fā)生強(qiáng)烈伸展斷陷的構(gòu)造部位,形成了一些逆牽引褶皺;而稍弱的伸展斷陷或邊界斷裂的轉(zhuǎn)折或變換部位,則形成了一些鼻狀構(gòu)造或斷鼻構(gòu)造.3.2積蓋層不斷增增新近紀(jì)以來(lái),南堡凹陷由斷陷期轉(zhuǎn)化為拗陷期.由于巖石圈的伸展變薄和地殼的整體下沉,凹陷內(nèi)部深大斷裂的活動(dòng)強(qiáng)度逐漸減弱.各級(jí)同生斷層的活動(dòng)強(qiáng)度也逐漸降低.拗陷過(guò)程與郯廬斷裂帶活動(dòng)的關(guān)系已不密切.周天偉認(rèn)為該時(shí)期凹陷發(fā)育機(jī)制為熱作用機(jī)制.本次研究認(rèn)為南堡凹陷此期的變形機(jī)制應(yīng)該是受重力均衡作用與熱演化作用兩者共同控制機(jī)制(圖5).新近紀(jì),研究區(qū)內(nèi)沉積蓋層不斷增厚,特別是明化鎮(zhèn)組沉積以來(lái)凹陷沉積速率明顯加快;同時(shí),凹陷內(nèi)部的伸展速率也迅速加快,導(dǎo)致凹陷基底頂面的斜坡部位發(fā)生重力滑動(dòng),沿構(gòu)造坡折位置則產(chǎn)生了眾多的次級(jí)正斷層,這也是這些正斷層沒(méi)有切入深部基底的根本原因.新近紀(jì),凹陷內(nèi)部伸展變形機(jī)制以純剪切作用為主,“X”型結(jié)構(gòu)則成為斷裂組合的主要形式,“X”型斷裂組合在平面上分布最集中的構(gòu)造位于南堡1號(hào)、南堡3號(hào)構(gòu)造.大部分該類(lèi)斷層仍為生長(zhǎng)斷層,自館陶組沉積以來(lái)便開(kāi)始發(fā)育;而明化鎮(zhèn)組沉積以來(lái),隨地層的不斷增厚,其發(fā)育程度也不斷增強(qiáng).這種后期構(gòu)造活動(dòng)明顯增強(qiáng),但其表現(xiàn)形式與主干斷層控制的裂陷盆地的演化存在差異,又被稱(chēng)為“構(gòu)造再活化”.而“Y”型斷裂組合向“X”型斷裂組合的轉(zhuǎn)變需要一定的外部條件,通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),中下地殼韌性層長(zhǎng)期經(jīng)受來(lái)源于地幔的熱作用,至新近紀(jì)該層的熱作用程度降低,巖層黏度亦變低,導(dǎo)致其變形機(jī)制逐漸從簡(jiǎn)單剪切向純剪切方式轉(zhuǎn)變,從而促使X型斷層組合樣式的廣泛發(fā)育.南堡1號(hào)、南堡3號(hào)構(gòu)造均經(jīng)歷了高地?zé)嶙饔?巖漿作用),這即是X型結(jié)構(gòu)斷裂組合在這2個(gè)構(gòu)造集中發(fā)育的主要原因.因此,南堡凹陷新近紀(jì)盆地構(gòu)造樣式的形成是重力均衡作用和熱演化作用2種作用機(jī)制疊加的結(jié)果.4構(gòu)造樣式的發(fā)育從區(qū)域地質(zhì)背景上看,南堡凹陷在中晚元古代、早古生代寒武—中奧陶系及晚古生代的石炭—二疊系曾與華北地臺(tái)經(jīng)歷了相同的沉積建造過(guò)程.進(jìn)入中生代,華北地臺(tái)解體.晚白堊世末—新生代古新世,本區(qū)整體處于隆升剝蝕狀態(tài).而南堡凹陷的凹陷發(fā)展歷史也即是古近紀(jì)、新近紀(jì)2個(gè)階段的歷史(圖6).受區(qū)域拉張力作用,古近紀(jì)(沙河街、東營(yíng)期)是南堡凹陷裂陷發(fā)育階段.而西南莊、柏各莊等南傾的控盆斷層在沙三段沉積時(shí)期就已發(fā)育,在這些同生正斷層逆牽引作用的影響下,南堡凹陷滾動(dòng)背斜發(fā)育.至沙一段沉積期,在這些同生斷層的影響下凹陷內(nèi)部繼承發(fā)育一系列次生斷層,此時(shí)凹陷已具有了箕狀斷陷的雛形.北堡構(gòu)造、高尚堡構(gòu)造、南堡1號(hào)構(gòu)造的構(gòu)造雛形亦形成.而南堡凹陷其他各次級(jí)構(gòu)造的構(gòu)造雛形在東三段沉積末期也逐漸形成.構(gòu)成“鏟式”構(gòu)造樣式.至東二段沉積末期,北堡、老爺廟、高尚堡構(gòu)造均開(kāi)始成型,各構(gòu)造的構(gòu)造高部位在此時(shí)亦形成,1號(hào)構(gòu)造、2號(hào)構(gòu)造、柳贊構(gòu)造在東一段沉積期也開(kāi)始成型.至東一段沉積期,邊界斷層的總體幾何特征以鏟式形態(tài)為主.構(gòu)造樣式特征在不同構(gòu)造帶的發(fā)育存在明顯差異:斜坡帶發(fā)育一系列同傾階梯狀盆傾斷層,受后期持續(xù)伸展作用,在盆地的不同構(gòu)造部位有時(shí)表現(xiàn)為地層與斷層同時(shí)發(fā)生顯著旋轉(zhuǎn)的多米諾式特征;鄰近鏟式斷層的上盤(pán)區(qū)域受鏟式斷層的旋轉(zhuǎn)變形影響則發(fā)育“Y”型斷裂組合,并控制了滾動(dòng)背斜頂部塌陷構(gòu)造,尤以西南莊斷層控制的北堡—老爺廟構(gòu)造帶為代表.沙一段至東營(yíng)組沉積期,由于受拉張應(yīng)力作用,凹陷基底發(fā)生一定的變形,上覆地層在基底突起部位沉積較薄,周?chē)练e相對(duì)較厚,此時(shí)開(kāi)始發(fā)育高尚堡、柳贊等構(gòu)造帶內(nèi)的同沉積披覆背斜,經(jīng)后期的改造調(diào)整,這些披覆背斜在明化鎮(zhèn)組沉積期定型.新近紀(jì),南堡凹陷進(jìn)入拗陷發(fā)育階段,其內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力減弱,凹陷進(jìn)行穩(wěn)定繼承性發(fā)育,其伸展特征已完全不受邊界斷層的影響,而是熱作用控制沉降機(jī)制,表現(xiàn)為透入性的均勻變形特征,與此相匹配的是多條主干地震剖面顯示了“X”型斷裂組合特征.在新近紀(jì)后期尤其是明化鎮(zhèn)組沉積期,凹陷內(nèi)部的伸展速率和沉積速率明顯加快,在重力載荷的影響下,部分?jǐn)鄬訅K體甚至發(fā)生了旋轉(zhuǎn).促使了“多米諾式”構(gòu)造樣式的形成.凹陷基底頂面的斜坡部位亦發(fā)生了重力滑動(dòng),沿構(gòu)造坡折位置產(chǎn)生了眾多的次級(jí)斷裂,這些斷裂基本上都未能斷至古近系.此時(shí),凹陷內(nèi)部先期形成的構(gòu)造高部位亦向南轉(zhuǎn)移.由南堡凹陷構(gòu)造情況的對(duì)比(表1)可知,對(duì)南堡凹陷的構(gòu)造演化而言,西南莊斷層和柏各莊斷層控制了整個(gè)盆地的演化格局,而高柳斷層、南堡斷層及蛤坨斷層等新生代早期或前新生代的斷層則控制二級(jí)構(gòu)造帶,這些早期的斷層實(shí)際上造成了基底伸展的不均勻性,因此也在一定程度上影響了凹陷的構(gòu)造變形.5“x”型組合樣式的形成機(jī)制(1)南堡凹陷構(gòu)造樣式可分為“坡坪式”、“鏟式”和“多米諾式”構(gòu)造樣式.在斷裂系統(tǒng)組合上,可分為“Y”型、“X”型斷裂組合,“Y”型組合主