斷陷盆地構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度與構(gòu)造區(qū)劃

斷陷盆地構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度與構(gòu)造區(qū)劃

構(gòu)造區(qū)劃是了解地殼構(gòu)造發(fā)育史的主要方法之一?，F(xiàn)有對(duì)構(gòu)造區(qū)劃的研究大多是依據(jù)構(gòu)造狀態(tài),其無法直觀地反映構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)弱。而構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度反映了構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)區(qū)域地質(zhì)體影響的強(qiáng)弱程度,是影響油氣成藏的重要因素,在油氣成藏的各個(gè)階段都具有不同的作用。因此,深入研究各個(gè)沉積時(shí)期的構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度區(qū)劃以及演化模式能夠更好地指導(dǎo)油氣勘探。構(gòu)造活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致巖層發(fā)生形變和流變,形成褶皺、斷裂、節(jié)理等,導(dǎo)致地殼的升降,因此構(gòu)造形態(tài)、地層變形程度等都是反映構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度的參數(shù),這些參數(shù)常用于煤礦構(gòu)造評(píng)價(jià)。構(gòu)造活動(dòng)過程中會(huì)導(dǎo)致很多地質(zhì)參數(shù)發(fā)生變化,但多數(shù)參數(shù)不能定量、準(zhǔn)確地表征活動(dòng)強(qiáng)度,存在隨機(jī)性。因此筆者通過分析選取了5個(gè)最典型的定量表征參數(shù),并將其影響效應(yīng)相疊合,綜合定量地對(duì)斷陷盆地構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行劃分,并分析了其演化模式。1構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度有強(qiáng)弱之分,是可以定量表征的。在選取構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度表征參數(shù)時(shí),應(yīng)滿足3個(gè)條件:①參數(shù)容易獲得,能夠準(zhǔn)確測量;②參數(shù)受其他因素影響小,隨機(jī)性弱;③參數(shù)能夠定量、準(zhǔn)確、直觀地反映出構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度。通過綜合分析選取底面曲率、地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)、斷層密度和斷層落差面密度、不整合面剝蝕率作為定量指標(biāo)。1.1構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中,當(dāng)?shù)貙邮艿綌D壓等作用時(shí),地層由最初的近乎水平狀態(tài)變?yōu)橛胁煌潭绕鸱臓顟B(tài),形成形態(tài)各異的構(gòu)造。不同構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度,導(dǎo)致不同程度的起伏變形,構(gòu)造活動(dòng)越強(qiáng),地層彎曲變形程度越強(qiáng)。因此,底面曲率可以作為構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度分區(qū)的一個(gè)重要指標(biāo)。底面曲率值越大,說明構(gòu)造活動(dòng)越強(qiáng)。1.2地震資料求導(dǎo)構(gòu)造活動(dòng)使地層發(fā)生隆升、差異沉降等,使其可容納空間發(fā)生變化,從而導(dǎo)致地層厚度的變化。定義單位水平距離內(nèi)地層厚度的變化為地層厚度變化率。式中:Vh為地層厚度變化率;ΔH為地層厚度差,km;ΔS為水平距離,km。由于可能存在早期構(gòu)造格局的影響,地層沉積厚度會(huì)在一定區(qū)域上呈現(xiàn)一種固有的變化趨勢,如在活動(dòng)較弱的斜坡帶,早期的傾斜可能造成該期沉積厚度的差異,導(dǎo)致厚度變化率值較高,但斜坡的斜率基本一定,厚度變化率值變化不大。因此,單一引入厚度變化率就存在一定的缺陷,對(duì)厚度變化率再進(jìn)行求導(dǎo)得到厚度變化率導(dǎo)數(shù)(即地層厚度對(duì)水平距離的二次求導(dǎo))來表示地層厚度變化的快慢,可以消除這一影響(圖1)。由Ab=ΔVb/ΔS可得式中:Ab為厚度變化率導(dǎo)數(shù),km-1;ΔVh為地層厚度變化率差;H為地層厚度,km;S為水平距離,km。構(gòu)造活動(dòng)越強(qiáng),區(qū)域地層厚度變化得越快,即地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)值越高,地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)就可以用于表示剖面構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度。1.3斷層密度的估算構(gòu)造活動(dòng)控制斷層的產(chǎn)生、數(shù)量和分布范圍等,其導(dǎo)致了斷層分布的不均勻性。構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)的區(qū)域斷層分布比較集中,數(shù)量較多,斷層密度就較大,因此斷層密度可以反映構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)弱。高級(jí)別斷層數(shù)量較少,不容易反映變化趨勢,因此主要對(duì)4級(jí)斷層進(jìn)行統(tǒng)計(jì),斷層密度越大,構(gòu)造活動(dòng)越強(qiáng)。斷層密度的計(jì)算公式為式中:ρ為斷層密度,條/km2;C為單個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的斷層條數(shù);Sg為網(wǎng)格面積,km2。1.4斷層活動(dòng)強(qiáng)度法構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不僅控制著斷層的數(shù)量,還控制著斷層的規(guī)模、產(chǎn)狀和性質(zhì),如斷層延伸長度、斷層強(qiáng)度、斷層走向、斷層性質(zhì)等。在一定時(shí)期內(nèi)受一定區(qū)域應(yīng)力場控制,斷層走向、性質(zhì)可能變化很小,但斷層規(guī)模受構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度影響顯著。對(duì)于單條斷層的強(qiáng)度分析有生長指數(shù)法、古落差法、斷層活動(dòng)速率法、位移-長度關(guān)系法等多種研究方法,但對(duì)斷層的區(qū)域活動(dòng)強(qiáng)度無法表征[21,22,23,24,25,26,27]。因此通過提出斷層落差面密度的概念,將斷層密度、斷層延伸長度及單條斷層活動(dòng)強(qiáng)度相疊合,從而將斷層規(guī)模和數(shù)量用斷層落差面密度來綜合表征,進(jìn)而反映區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度。構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)的區(qū)域,斷層較多、延伸較遠(yuǎn)、落差較大(圖2),斷層落差面密斷層古落差計(jì)算公式為斷層落差面密度計(jì)算公式為式中:D為斷層古落差,km;A、B為地層厚度,km;M為斷層落差面密度;Li為各斷層長度,km。1.5不同沉積時(shí)期的剝蝕率不整合面是盆地內(nèi)常見的地質(zhì)構(gòu)造要素,其剝蝕量體現(xiàn)了盆地抬升的程度。構(gòu)造活動(dòng)使地層隆升遭受剝蝕,剝蝕量的大小直接反映了構(gòu)造作用的方式、活動(dòng)范圍和強(qiáng)度。因此剝蝕厚度可以作為同一組沉積時(shí)期不同地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)弱的判別依據(jù)。但對(duì)于不同沉積時(shí)期,由于剝蝕作用時(shí)間、地層原始沉積厚度等都存在較大差異,單一的引入剝蝕量很難準(zhǔn)確判斷各沉積時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度,因此可以使用剝蝕率,即地層剝蝕量與該沉積時(shí)期地層原始平均厚度的比值。剝蝕率越大,構(gòu)造活動(dòng)越強(qiáng)烈。不整合面剝蝕率計(jì)算公式為式中:Eh為不整合面剝蝕率;He為地層剝蝕厚度,m;H0為地層原始厚度,m。2饒陽坍塌結(jié)構(gòu)力的形成2.1構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)饒陽凹陷的底面曲率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí),由于各個(gè)階段的恢復(fù)曲率受主觀因素影響較大,較難準(zhǔn)確獲得,因此就對(duì)現(xiàn)今各底面曲率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。雖然深部底面曲率會(huì)受到后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,但其影響相對(duì)較小,仍能夠反映當(dāng)時(shí)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)弱?？椎杲M—東營組的底面曲率值多在(1～3)×10-5m-1區(qū)間內(nèi):孔店組—沙河街組四段的底面曲率值在凹陷南部、北部較高,中部較低[圖4(a)];沙河街組二段—三段在凹陷中北部底面曲率值較低,南部值較高[圖4(b)];沙河街組一段—東營組在凹陷大部分區(qū)域底面曲率值都較高[圖4(c)];新近系—第四系與前幾個(gè)地層相比,底面曲率值整體較低,多小于1×10-5m-1,局部為(1～3)×10-5m-1[圖4(d)]。新生代饒陽凹陷乃至整個(gè)渤海灣盆地構(gòu)造機(jī)制為NW向殼內(nèi)伸展并帶有右旋走滑,控制形成的斷層基本為NE向伸展、走滑正斷層,1—3級(jí)斷層數(shù)量較少,密度一般小于0.3條/km2,多集中在斷裂構(gòu)造帶區(qū)域,4級(jí)斷層數(shù)量較多,能夠反映構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)弱。一般在洼槽和斜坡構(gòu)造帶處,4級(jí)斷層密度較低,處于0.2～0.4條/km2的區(qū)間,在斷裂構(gòu)造帶處斷層密度較高,多大于0.6條/km2,部分地區(qū)斷層密度大于1.0條/km2?？椎杲M—沙河街組四段沉積期,饒陽凹陷4級(jí)斷層密度北高南低[圖5(a)]。沙河街組二段—三段沉積期,4級(jí)斷層密度除了在凹陷西北局部區(qū)域值較高,其余都為低值區(qū)[圖5(b)]。沙河街組一段—東營組沉積期,4級(jí)斷層明顯增多,凹陷東部4級(jí)斷層密度普遍較大,西部密度較小[圖5(c)]。新近紀(jì)—第四紀(jì)斷層活動(dòng)較弱,斷層密度較小[圖5(d)]?？椎杲M—沙河街組四段沉積期,饒陽凹陷斷層落差面密度整體較小,僅局部出現(xiàn)高值[圖6(a)];沙河街組二段—三段沉積期,凹陷西部斷層落差面密度較低,均低于0.2,東部部分區(qū)域密度較高[圖6(b)];沙河街組一段—東營組沉積期,凹陷西部斷層活動(dòng)較弱,斷層落差面密度低于0.06[圖6(c)];新近紀(jì)—第四紀(jì),凹陷內(nèi)部斷層較少,斷層活動(dòng)較弱,整個(gè)凹陷斷層落差面密度值低于0.2,大部分小于0.03[圖6(d)]。饒陽凹陷古近紀(jì)—新近紀(jì)受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)各幕次影響,在沙河街組四段沉積末期、沙河街組二段沉積末期、東營組沉積末期發(fā)生了3次比較強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),剝蝕嚴(yán)重,形成3個(gè)不整合面,與上覆地層均呈區(qū)域角度不整合接觸。沙河街組四段沉積末期凹陷北部剝蝕率較高,基本大于0.4;沙河街組二段沉積末期,剝蝕范圍較大,剝蝕率高值區(qū)位于北部局部區(qū)域;東營組沉積末期,剝蝕強(qiáng)度略有降低,凹陷剝蝕率基本低于0.5,剝蝕較弱;新近系及第四系地層相對(duì)較完整(圖7)。綜合考慮不同區(qū)域的各種因素,并權(quán)衡各個(gè)量化表征參數(shù),最終確定了饒陽凹陷構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)。將饒陽凹陷整體劃分為強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)、中構(gòu)造活動(dòng)區(qū)和弱構(gòu)造活動(dòng)區(qū)(表1)。2.2設(shè)計(jì)活動(dòng)強(qiáng)度的分工2.2.1構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度區(qū)劃綜合古近紀(jì)不同沉積時(shí)期各個(gè)表征參數(shù)的均值,依據(jù)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn),將饒陽凹陷古近紀(jì)整體劃分為雁翎、任丘、肅寧、八里莊、饒陽南5個(gè)強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū),高陽、南馬莊、河間3個(gè)中構(gòu)造活動(dòng)區(qū),蠡縣、趙皇莊、虎東3個(gè)弱構(gòu)造活動(dòng)區(qū)。弱構(gòu)造活動(dòng)區(qū)主要位于凹陷的西部,強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)分布范圍較廣,主要位于凹陷北部、東部[圖8(a)]。強(qiáng)、中、弱構(gòu)造區(qū)相間分布,強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)與弱構(gòu)造活動(dòng)區(qū)之間以中構(gòu)造活動(dòng)區(qū)作為過渡,由于局部構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度主要受斷裂控制,斷裂帶較窄,對(duì)周邊影響范圍較小,因此一些強(qiáng)構(gòu)造區(qū)周邊存在的一些小范圍窄條狀中構(gòu)造區(qū)不做重點(diǎn)探討。通過活動(dòng)強(qiáng)度區(qū)劃與古近紀(jì)二級(jí)構(gòu)造帶的分布對(duì)比發(fā)現(xiàn):斜坡基本為弱構(gòu)造活動(dòng)區(qū);留楚—皇甫村等背斜構(gòu)造帶為強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū);楊武寨、肅寧等斷裂構(gòu)造帶基本為強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)或中構(gòu)造活動(dòng)區(qū);洼槽多為弱構(gòu)造活動(dòng)區(qū)或中構(gòu)造活動(dòng)區(qū)[圖8(b)]。2.2.2構(gòu)造活動(dòng)分布饒陽凹陷位于渤海灣盆地冀中伸展區(qū),為NNE向鏟形正斷層控制的箕狀斷陷,新生代多表現(xiàn)為右行張性走滑?？椎杲M—沙河街組四段沉積期,饒陽凹陷NW向伸展,初始裂陷。北部高陽構(gòu)造區(qū)、雁翎構(gòu)造區(qū)、八里莊構(gòu)造區(qū)及南部靠近衡水?dāng)嗔褏^(qū)域?yàn)閺?qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū),凹陷中部河間構(gòu)造區(qū)為中構(gòu)造活動(dòng)區(qū),其余大部分地區(qū)為弱構(gòu)造活動(dòng)區(qū)[圖9(a)]。沙河街組二段—三段沉積期,NW向伸展,強(qiáng)烈斷陷,構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)的區(qū)域向南遷移。凹陷南部饒陽南構(gòu)造區(qū)基本都為強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū),北部雁翎構(gòu)造區(qū)為強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū),中北部大部分地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度較弱或中等[圖9(b)]。沙河街組一段—東營組沉積期,伸展走滑強(qiáng)烈,強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)主要分布在凹陷東部,河間、任丘附近零星出現(xiàn)中構(gòu)造活動(dòng)區(qū)及弱構(gòu)造活動(dòng)區(qū),西部整體活動(dòng)較弱[圖9(c)]。新近紀(jì)—第四紀(jì),地層底面曲率值均小于3×10-5m-1,地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)均小于0.03km-1,斷層落差面密度也較小,饒陽凹陷處于坳陷階段,整體為弱構(gòu)造活動(dòng)區(qū)[圖9(d)]。2.3構(gòu)造活動(dòng)的演化根據(jù)饒陽凹陷孔店組—第四系各沉積時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度分區(qū),饒陽凹陷構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度的演化可分為3類:先變強(qiáng)后變?nèi)酢⒆內(nèi)?、持續(xù)弱。先變強(qiáng)后變?nèi)跤挚煞譃槿酢小?、弱—?qiáng)—弱;變?nèi)跤挚煞譃橹小?、?qiáng)—中—弱、強(qiáng)—弱(表2)。南馬莊構(gòu)造區(qū)主要受馬西斷層北段活動(dòng)控制。孔店組—沙河街組四段沉積期,馬西斷層活動(dòng)南強(qiáng)北弱,控制北部南馬莊地區(qū)古斜坡發(fā)育,為弱構(gòu)造活動(dòng)區(qū);沙河街組三段—東營組沉積期,馬西斷層及其伴生斷層繼續(xù)活動(dòng),使上、下兩盤地層厚度相差很大,此時(shí)為中構(gòu)造活動(dòng)區(qū);新近紀(jì)—第四紀(jì)整體活動(dòng)較弱,為弱構(gòu)造活動(dòng)區(qū)。肅寧構(gòu)造區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)演化模式為:孔店組—沙河街組四段沉積期,少量斷層繼承性發(fā)育,為弱構(gòu)造活動(dòng)區(qū);沙河街組三段沉積期,產(chǎn)生一系列斷層,使構(gòu)造復(fù)雜化,轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū),并一直持續(xù)到東營組沉積期;新近紀(jì)—第四紀(jì),斷層基本停止活動(dòng),整體活動(dòng)較弱,為弱構(gòu)造活動(dòng)區(qū)。河間構(gòu)造區(qū)在孔店組—東營組沉積期,由于河間斷層等活動(dòng)的控制,一直為中構(gòu)造活動(dòng)區(qū);隨后河間斷層等活動(dòng)性開始減弱,到古近紀(jì)末基本停止,河間構(gòu)造區(qū)變?yōu)槿鯓?gòu)造活動(dòng)區(qū)。高陽構(gòu)造區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)演化模式為:孔店組—沙河街組四段沉積期,高陽構(gòu)造區(qū)由于高陽博野斷層北段、任西斷層、出岸斷層強(qiáng)烈活動(dòng)的影響,為強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū);沙河街組二段—三段沉積期,斷層活動(dòng)減弱,變?yōu)橹袠?gòu)造活動(dòng)區(qū);沙河街組一段—第四系沉積期,高陽構(gòu)造區(qū)整體活動(dòng)較弱,一直為弱構(gòu)造活動(dòng)區(qū)(圖10)。雁翎構(gòu)造區(qū)在孔店組—沙河街組四段沉積期構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng),由于受劉李莊等斷層的影響,一直到東營組沉積期構(gòu)造活動(dòng)仍然較強(qiáng),為強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū);新近紀(jì)—第四紀(jì),構(gòu)造活動(dòng)減弱,轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯓?gòu)造活動(dòng)區(qū)。蠡縣構(gòu)造區(qū)從孔店組沉積期一直到新近紀(jì),活動(dòng)斷層較少,構(gòu)造活動(dòng)較弱,整體持續(xù)為弱構(gòu)造活動(dòng)區(qū)。2.4潛山與古近紀(jì)油氣藏成藏地質(zhì)背景構(gòu)造活動(dòng)對(duì)油氣成藏控制作用明顯而持久,不僅影響油氣的生成,還影響油氣運(yùn)移、圈閉的形成,以及油氣藏的保存。在油氣成藏各個(gè)階段,構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度所起作用各不相同,因此準(zhǔn)確分析各個(gè)時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度分區(qū)及演化模式對(duì)油氣勘探有很好的啟示作用。饒陽凹陷主要生烴層為沙河街組一段下亞段、沙河街組三段和孔店組—沙河街組四段。饒陽凹陷發(fā)育潛山油氣藏和古近系油氣藏,主要集中在先變強(qiáng)后變?nèi)鯓?gòu)造區(qū)和強(qiáng)變?nèi)鯓?gòu)造區(qū),其中強(qiáng)變?nèi)鯓?gòu)造區(qū)最有利于油氣藏形成,是油氣勘探的重點(diǎn)(圖11)。先變強(qiáng)后變?nèi)鯓?gòu)造區(qū),主要發(fā)育古近系油氣藏。南馬莊、肅寧、饒陽南構(gòu)造區(qū),孔店組—沙河街組四段沉積期構(gòu)造活動(dòng)較微弱,地層相對(duì)穩(wěn)定沉積;沙河街組三段沉積期開始構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,有利于圈閉形成,促進(jìn)油氣大規(guī)模運(yùn)移,形成自生自儲(chǔ)古近系油氣藏;新近紀(jì)構(gòu)造活動(dòng)微弱,有利于古近系油氣藏保存。強(qiáng)變?nèi)鯓?gòu)造區(qū),最利于油氣藏的形成。河間、任丘、雁翎構(gòu)造區(qū)等,除了發(fā)育大量古近系油氣藏還發(fā)育古潛山油氣藏?？椎杲M—沙河街組四段沉積期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,前古近系地層抬升剝蝕,形成古潛山,潛山地層以斷面或超覆不整合面與古近系陸相暗色泥巖直接或間接接觸;沙河街組三段—一段沉積期斷層強(qiáng)烈活動(dòng),不整合和斷層作為溝通潛山和古近系—新近系的油源通道,形成新生古儲(chǔ)的潛山油氣藏;自新近紀(jì)開始,構(gòu)造活動(dòng)微弱,整體穩(wěn)定下沉,古潛山油氣藏的規(guī)模不斷增大,蓋層不斷增厚,油氣藏得以很好地保存。持續(xù)弱構(gòu)造區(qū),斷層很少,活動(dòng)微弱,很難達(dá)到油氣成藏的條件,油氣藏較為少見。3構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度及構(gòu)造-沉積關(guān)系(1)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度在油氣成藏各個(gè)階段中至關(guān)重要,依據(jù)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度提出了斷陷盆地構(gòu)造區(qū)劃概念,確定了能夠準(zhǔn)確、定量、直觀地表征構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度的5個(gè)參數(shù):底面曲率、地層厚度變化率導(dǎo)數(shù)、斷層密度、斷層落差面密度、不整合面剝蝕率。(2)饒陽凹陷強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)