南堡凹陷西南莊斷層分段活動性及其對沉積的控制作用①

姜華 王建波 張磊 方欣欣 袁圣強

(1.中國石油勘探開發研究院石油地質所北京100083; 2.中國石油化工股份有限公司東北分公司勘探開發研究院長春130062;3.中國地質大學北京100083)

南堡凹陷西南莊斷層分段活動性及其對沉積的控制作用①

姜華1王建波2張磊1方欣欣3袁圣強1

(1.中國石油勘探開發研究院石油地質所北京100083; 2.中國石油化工股份有限公司東北分公司勘探開發研究院長春130062;3.中國地質大學北京100083)

應用古落差方法進行南堡凹陷西南莊斷層分段活動性的研究，并以此為基礎對沉積的控制作用進行研究。西南莊斷層可劃分為3段，東段最先發育，西段和中段在中晚期強烈活動。其中，西段控制著南堡⑤號構造帶的發育，由于強烈活動形成了其滾動背斜的構造樣式;而中段和東段的連接部位正是老爺廟構造帶的發育部位。正是由于兩翼的強烈沉降，使老爺廟構造帶形成了長軸垂直于西南莊斷層的橫向背斜。南堡⑤號構造帶的物源主要是從斷裂西段的傾沒端沿斷裂下降盤的溝槽進入西段控制的中心部位;老爺廟構造帶對應著東段和中段的連接部位，是繼承性發育的物源入口，沉積體系進入盆地后沿背斜樞紐部位向盆地中心運移。

南堡凹陷西南莊斷層分段活動性橫向褶皺背斜

構造對沉積控制作用的研究一直是盆地分析領域的一個重要問題［1～4］。隨著板塊構造學說的興起，以研究各種大地構造背景下沉積盆地形成、發展和演化過程及其盆內沉積作用為主要的構造沉積學或構造地層學得到長足的發展。在盆地內，構造對沉積的控制作用主要表現在控盆斷裂及伴生的盆內斷裂形成、演化對沉積體系類型及其展布的控制作用。構造對沉積的控制作用目前的研究主要集中在以下幾個方面:(1)構造活動的幕式構造活動控制著盆地沉積充填序列;(2)構造活動及其演化控制著盆地沉積—沉降中心的分布及不同時期的變遷;(3)構造活動形成的構造坡折帶控制著沉積體系的類型及空間展布; (4)斷層之間形成的轉換帶和調節帶部位控制著物源進入盆地的入口。隨著研究的深入，控制盆地形成的邊界斷裂具有分段性的特征這一觀點已經達成共識，但其分段演化規律及其對沉積控制作用的研究仍處于探索階段:一方面斷層活動具有時空演化的特點并受到區域應力場變化的控制得到普遍的認可，并有學者用落差法進行不同時期古落差的測量和構造演化史恢復;而另一方面由于地層往往是由多期構造頻繁活動控制了地層的發育，以何種級別的地層作為演化對比往往成為研究中凸顯的問題［5～8］。筆者認為，中國東部盆地普遍受到幕式構造活動的控制，控盆斷裂也基本為區域幕式構造活動的響應，因此，合理的劃分構造幕，并按構造幕進行斷裂活動的規律性研究是較為合理的，并以南堡凹陷西南莊斷層為例，進行了斷裂分段活動性及其對沉積控制作用的研究。

1 盆地背景

南堡凹陷位于華北板塊北部，是渤海灣盆地群黃驊坳陷北部的一個中、新生代盆地(圖1)，屬于渤海灣盆地中油氣資源豐富的小型凹陷。該凹陷東北部以柏各莊控盆斷層為界與柏各莊凸起、馬頭營凸起毗鄰;西北部以西南莊控盆斷層為界與西南莊、王老莊凸起為鄰;南部緩坡與沙壘田凸起呈超覆關系，該凹陷內總的構造格局呈NNE向，面積約1 932 km2。南堡凹陷總體呈“北斷南超”的復式半地塹結構［9～13］。西南莊斷層是南堡凹陷北部重要的邊界斷層，控制著南堡5號構造帶、老爺廟構造帶和高尚堡構造帶的形成，其產狀和走向復雜多變，是南堡凹陷北部重要的油氣勘探部位［14］。

南堡凹陷總體表現為幕式構造活動的特點，古近紀是西南莊斷層主體活動期，該時期構造演化總體可以劃分為4個構造幕(圖2)。其中，Es4+53亞段是裂陷Ⅰ幕，為初始裂陷幕，發育范圍局限，厚度較薄，超覆于前第三系基底上;Es33至Es2亞段是裂陷Ⅱ幕，為主裂陷幕，是南堡迅速沉降擴張的關鍵時期，地層分布范圍大，沉積地層較厚，與Es4+53亞段地層呈角度不整合接觸，也超覆于前第三系基底上。地層保存相對完整，可以劃分出裂陷活動階段(即Es33至Es13亞段)和裂后相對靜止階段(即Es2亞段)。Es1亞段是裂陷Ⅲ幕，為衰退裂陷幕，與前期裂陷活動相比強度降低，厚度較薄，其發育范圍與盆地最后的主體范圍相當。Ed亞段是裂陷Ⅳ幕，為再活化裂陷幕，該幕處于裂陷晚期，但是構造活動強烈，沉積地層厚度大，盆地均一化程度高。

圖1 渤海灣盆地南堡凹陷構造格局(據徐安娜，2008修改)Fig.1Schematic structure of Nanpu sag in Bohaiwan basin(modified by Xu Anna，2008)

圖2 南堡凹陷幕式構造運動特征Fig.2Characteristics of periodic rifting of Nanpu Sag

2 西南莊斷層分段活動性研究

2.1 基本原理與分段性劃分

國外學者研究表明，大型控盆斷裂的形成通常要經歷一個漫長的演化過程［5］(圖3)，往往起始于相同應力場作用下形成的一系列小型弧狀斷裂。這些小型斷裂不斷擴展，進而相互影響，最后連接成為一條統一的大型斷層。一條單獨的弧狀斷層通常具有斷層中心部位落差最大，向兩側變小直至落差為零。當這些小型斷層連接成為一條大型斷裂共同活動時，在相接部位落差往往仍相對較小，分析這一特征可以進行斷層分段活動性的研究。這些分段活動斷層的鏈接部位往往是盆地早期構造轉換帶和調節帶發育的部位，也就是物源進入盆地內部的入口，在伸展盆地中這些物源入口往往具有繼承性發育的特點，這種方法可以作為判斷盆地物源入口的新方法。

圖3 某盆地主干斷層演化特征(Gawthorpe，2000)Fig.3Evolution characteristics of trunk faults in certain foreign basin(Gawthorpe，2000)

研究斷層活動性差異主要是通過古落差的識別［15］，斷層古落差指某地質歷史時期的鉛直斷層滑距。在沉積補償的情況下，沉積盆地的沉降幅度等于沉積物的厚度，可以利用兩盤地層厚度代表生長斷層兩盤的下降幅度。雖然，計算斷層古落差應考慮壓實作用、剝蝕作用、塑性流動、古水深等因素的影響.但只要斷層線附近沉積表面沒有明顯的高度差，都可以用兩盤的地層厚度差代表兩盤的下降幅度差，而不必考慮整個盆地是否沉積補償。

應用古落差分析法分析各構造幕西南莊斷層古落差的演化規律，可將其劃分為3段(圖4)。其中東段最早發育于裂陷Ⅰ幕，而中段和西段在裂陷Ⅱ幕開始強烈活動，其強度在以后各個時期一直超過東段。在裂陷Ⅲ幕構造活動期，高柳斷層開始發育，使東段分為兩個部分，并且兩部分由于高柳斷層的調節作用古落差產生明顯的差異。

圖4 西南莊斷層分段性分析Fig.4Analysis on segment of Xi’nanzhuang fault

2.2 西南莊斷層分段性特征及其控制作用

對比西南莊斷層的3段，除了古落差的差異性特征，還具有以下特征:a.西段整體為一個NEE向為主的弧狀斷層并伴生發育南堡⑤號斷層;中段為近EW向展布;東段為近NE相展布，且東段由于在裂陷IV幕高柳斷層強烈的活動，在這一時期分為兩段;b.西段斷裂以鏟狀為主，中段和東段則以板狀為主;c.值得注意的是，西南莊斷層西段控制著南堡⑤號構造帶的發育，而老爺廟構造帶恰恰對應東段和中段的連接部位。而通過地震解釋發現，南堡⑤號構造帶是一個長軸近平行于西段的滾動背斜構造，而老爺廟構造帶則是一個長軸垂直于西南莊斷層的橫向褶皺背斜(圖5)。

圖5 西南莊斷層下降盤構造帶形態特征——以東營組底界面為例Fig.5Shapes of tectonic belts in down wall of Xi’nanzhuang fault:take base interface of Dongying Formation as an example

南堡⑤號構造帶和老爺廟構造帶是南堡凹陷內重要的二級含油氣構造單元，特別是老爺廟構造帶經過長期的勘探已證明具有豐富的油氣產量。西南莊下降盤同時形成了南堡⑤號構造帶滾動背斜構造樣式和老爺廟構造帶橫向褶皺(橫向背斜)構造樣式，與該斷層分段活動性有著密不可分的關系。通過前面對西南莊斷層活動性的分析，可以對這種差異進行合理的解釋。西南莊主要由3條獨立的斷裂最終合并成為一條斷裂，老爺廟構造發育于中段和東段的結合部位，既是物源的輸入部位，同時其兩側斷裂沉降速度快，軸部較慢，逐漸形成樞紐垂直于斷裂走向的橫向背斜，并且在裂陷Ⅳ幕由于高柳斷層的活動使東段分為兩個部分且沉降最大部位向老爺廟構造帶迫近，從而導致在東營期時期老爺廟構造帶橫向褶皺的特征最為明顯;而北堡構造帶主要受到西南莊斷裂西段的控制，西南莊斷裂西段斷面呈鏟狀，延展較長，在其下降盤形成滾動背斜，其長軸方向基本與西南莊斷裂西段走向平行，其物源主要是從西部西南莊斷層末端輸入凹陷內部(圖6)。

圖6 西南莊斷層橫向褶皺與滾動背斜成因解析Fig.6Analysis on formation of transverse fold and rollover anticline in Xi’nanzhuang fault

圖7 南堡凹陷西南莊斷裂控砂模型Fig.7Models of cotrolling of Xi’nanzhuang fault on sand bodies in Nanpu Sag

3 西南莊斷層分段活動性對沉積體系展布的控制

西南莊斷層的傾末端和連接部位是盆地早期的構造調節帶部位，隨著構造發育各段連接成為一條大斷裂，但是早期形成的物源通道已經繼承發育繼續沿原部位或附近地區進入凹陷，并隨著凹陷內部古地貌的改變在凹陷內重新分配。因此，其控制作用主要表現在早期的調節帶及其繼承發育的對沉積體系展布的控制作用，總體可以劃分為兩種類型，即調節帶控砂和橫向背斜拉砂。

3.1 調節帶控砂

調節帶的概念最早出現在擠壓地區的構造研究中。20世紀80年代，國外學者Scott等［16］、Morley等［17］將這一概念應用于伸展構造研究，用來描述控凹主干斷層沿走向通過其它形式的構造(分支斷裂、凸起、走向斜坡或撕裂斷層等)傳遞或轉換為另一條控凹主斷層，以保持應變和位移(伸展量)量守恒，由于物源的繼承性，原來調節帶輸砂的方向往往是后期物源進入盆地的繼承性通道。

南堡⑤號滾動背斜構造帶受控于西南莊斷層西段弧形斷層控制，該斷層兩端成為沉積物進入凹陷的入口，然后沿著斷裂橫向進行展布(圖7A)。由于該段在東營組沉積期強烈的活動，地層嚴重翹傾，該部位的西南莊斷層下降盤基本為溝槽式充填。而凹陷西部物源的一支，沿南堡⑤號斷層向凹陷深部展布(圖7A)。

3.2 橫向背斜控砂

老爺廟構造帶是一個典型的橫向背斜，由于該部位對應著西南莊斷層中段和東段的連接部位，即是繼承性的物源通道，因此該部位砂體發育。同時，由于老爺廟構造兩翼的斷裂強烈沉降，造成老爺廟構造呈現樞紐垂直于西南莊斷層的橫向背斜樣式。從而形成了老爺廟構造獨特的構造形態和砂體展布特征(圖7B)。

4 結論與討論

控盆邊界斷裂的活動差異性不應僅僅理解為斷裂發育的橫向差異性，更應對其發育史和分段活動特征進行研究。西南莊斷層按其古落差可以劃分為3段，各段發育時期不同，東段最先發育，而中段和西段在中晚期活動強烈。各段之間的連接部位和斷層傾末端是早期構造調節帶發育的部位，也是晚期物源繼承性發育的部位。同時，由于其分段活動導致其下降盤發育滾動背斜和橫向背斜兩種褶皺，并且控制著儲集砂體的展布樣式。

通過斷裂分段活動性研究可以進行物源進入盆地通道的判斷，從而對沉積體系的展布進行有效預測。

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Segment Activity of Xi’nanzhuang Fault in Nanpu Sag and Its Controlling on Sedimentary Process

JANG Hua1WANG Jian-bo2ZHANG Lei1FANG Xin-xin3YUAN Sheng-qiang1
(1.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration＆Development，Beijing 100083; 2.Research Institute of Exploration and Development，Northeast Branch，SINOPEC，Changchun 130062; 3.China University of Geosciences，Beijing 100083)

Segment activity of Xi＇nanzhuang fault in Nanpu Sag was studied by using fault fall.On the base of this，controlling of fault on sedimentary Process was researched.Xi＇nanzhuang fault was divided into three parts，the eastern part was developed firstly，the western part and the middle part was strongly activated at the middle and later period.Furthermore，the western part controlled development of Nanpu-5 tectonic belt，rollover anticline was formed in there; While linkage of the middle and eastern part was the developed part of Laoyemiao tectonic belt，it was a transverse fold of which axis was vertical to Xi＇nanzhuang fault.It was formed for bilateral strong subsidence.Sedimentary source of Nanpu-5 tectonic belt came from pitching end of the western part into the center of western part along down wall; Laoyemiao tectonic belt was correlated with inherited sedimentary source entrance，depositional systems entered the center of sag along hinge of transverse fold.

Nanpu sag;Xi’nanzhuang fault;segment activity;transverse fold anticline

book=6,ebook=383

姜華男1977年出生博士層序地層學、沉積學E-mail:sorcerer_2004@126.com

P512.2

A

1000-0550(2010)06-1047-07

①國家重點基礎研究規劃項目(973)［編號:2007CB209502］，國家自然科學基金項目(批準號:40872077)和湖北省重點自然科學基金(編號: 2008CDA098)聯合資助。

2009-09-28;收修改稿日期:2009-10-10