南堡凹陷斷裂發育特征及其演化機制

田濤，，蔣有錄，萬濤徐小龍，謝君

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452；2.中國石油大學（華東）地球資源與信息學院，山東 青島 266580）

南堡凹陷斷裂發育特征及其演化機制

田濤1，2，蔣有錄2，萬濤2徐小龍2，謝君2

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452；2.中國石油大學（華東）地球資源與信息學院，山東 青島 266580）

南堡凹陷受渤海灣盆地北東向斷裂和北西向斷裂的共同控制，凹陷北部是北西向的張家口—蓬萊斷裂帶，凹陷東部和西部分別是北東向且具有走滑性質的郯廬斷裂帶和滄東斷裂帶。因此，南堡凹陷的形成和構造變形既具有張性變形特征，又具有壓扭或張扭變形特征。剖面上，斷裂的組合樣式較為復雜，大致可分為“y”形、“x”形、包心菜式、花狀及階梯狀等；平面上，斷裂的組合樣式主要為帚狀、梳狀、平行式、雁列式、交織狀和“入”字形。構造演化史表明，古近系沙河街組沉積時期為凹陷的伸展斷陷階段，主要受郯廬大斷裂的右行扭動控制，斷陷作用強烈、水體較深，是烴源巖發育的主要時期。東營組沉積時期，凹陷進入穩定的沉降階段，為持續裂陷期，主要受近南北向區域張力的作用。新近系至今，凹陷進入坳陷階段，主要受重力和熱沉降的共同作用，次級斷裂較為發育。

斷裂組合樣式；構造演化；伸展斷陷；持續裂陷；坳陷；南堡凹陷

斷裂的性質和結構對油氣的富集具有重要的影響，南堡凹陷斷裂尤為發育，然而由于早期的地震資料品質較差，解釋后對斷裂系統和各構造帶沒有形成正確認識，導致前期勘探工作失利。最近幾年由于三維地震技術的發展，對斷裂和構造進行了更為精細的刻畫，勘探有了重大突破。因而，在前人研究成果的基礎上，繼續深入研究本區斷裂系統的發育特征，對于后期勘探工作具有重要意義［1-6］。

1 區域應力背景

南堡凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷北部，是在華北地臺基底上，經中、新生代發育起來的北斷南超的箕狀凹陷［7］。該凹陷地處渤海灣盆地北東向構造與北西向構造的交會部位，控制凹陷的西南莊和柏各莊斷層是張家口—蓬萊斷裂帶的組成部分（見圖1），凹陷東部為郯廬斷裂帶，西部為滄東斷裂帶。因此，該凹陷的形成和演化不僅受渤海灣盆地區域應力場影響，而且受張家口—蓬萊斷裂帶、滄東斷裂帶和郯廬斷裂帶的共同作用。北西向延伸的張家口—蓬萊斷裂帶橫跨渤海灣盆地中部，是華北地臺內一條重要的韌性剪切帶［8-9］。

研究表明，庫拉板塊中生代向北西方向俯沖，在它的作用下，區內發生區域性左旋剪切走滑和源于軟流圈上隆的拱升裂陷作用，最終形成了南堡凹陷早期斷陷盆地的雛形［10］。此時，柏各莊和西南莊斷裂活動對凹陷的沉積、巖漿活動和構造發育起一定的控制作用。新生代，南堡凹陷的區域應力場由原來的北西向擠壓變為北西向拉張，早期形成的柏各莊斷層和西南莊斷層開始右行走滑，該斷裂帶得到進一步發展，對新生代區域地質構造發育起重要的控制作用。早第三紀晚期，太平洋板塊的運動方向發生了明顯變化，華北板塊再次遭受北東東方向的強烈擠壓。館陶期，發生了區域性大規模的火山活動后，開始區域性的熱沉降，進入坳陷沉積演化階段［11］。

2 斷裂的基本特征

凹陷內主控斷層的幾何形態和活動性質對凹陷的形成、演化、沉積物充填及油氣成藏起著重要作用。根據斷層對區域構造格架、沉積和二級構造帶的控制作用，以及斷層的規模、幾何學和運動學特征等因素，將南堡凹陷斷裂分為3個級別：

1）一級斷裂也稱控凹斷裂，控制凹陷的形成和演化。剖面上，這類斷層具有斷距大、活動時間長、切穿層位多并伸入基底等特點，且往往為同沉積斷層，斷層上下盤地層厚度差異較大，下降盤處的地層厚度往往遠大于上升盤處的地層厚度；平面上，控凹斷裂延伸較遠，可以達數十至上百千米，為凹陷邊界［12］。南堡凹陷的控凹斷裂主要有西南莊斷裂、沙北斷裂和柏各莊斷裂等。

2）二級斷裂為控帶斷裂和控洼斷裂，控制了凹陷內二級構造帶的展布和規模。這類斷裂控制了凹陷內部次級洼陷與突起的形成，往往是油氣由洼陷向構造帶運移的主要通道，具有形成時間早、延伸長、斷距大、繼承性強等特點。研究區內二級斷層主要包括高柳斷層、南堡一號斷層和南堡二號斷層等。

3）其他斷裂為規模相對較小的斷裂，對構造帶的形成和分布不起控制作用，一般是一、二級斷裂的伴生斷層，在縱向或橫向上起調節作用，延伸長度和斷距在不同的構造位置有較大差異。這類斷裂剖面上淺層較為發育，向深部與較大的斷層相交。該類斷層對局部沉積作用、構造形態及油氣的分布范圍具有重要影響。

3 斷層組合樣式

南堡凹陷的形成和構造變形，既具有張性變形特征，又具有壓扭或張扭變形特征。

3.1 平面組合樣式

南堡凹陷斷裂系統平面上的組合形態主要有梳狀、帚狀、平行式、雁列式、“入”字型及交織狀等6種（見圖2）。

1）梳狀斷裂由一條主干斷層和一些小的調節斷裂組成，這些小斷裂都發育在主斷裂的同一側，與主斷裂呈近似垂直關系，平面上類似梳子，稱為梳狀斷裂。南堡地區主要在柏各莊斷裂帶處發育這種斷裂組合（見圖2a）。

2）帚狀斷裂主要由一系列向一端收斂，向另一端撒開的弧形斷裂組成，平面上形似掃帚，稱為帚狀斷裂。帚狀斷裂一般是在壓扭或張扭性應力環境下形成的。南堡四號構造的斷裂向東南收斂，向北西撒開為典型的帚狀斷裂，在弧形斷裂的內側常形成斷背斜構造，是油氣富集的有利區域（見圖2b）。

3）平行式斷裂由若干條走向大致相同且規模基本相當的斷層組合而成。平行式組合斷裂具有等規模性和等間距性，即在同一組合內各斷層的規模大致相當，相鄰兩條斷層間的距離大致相同。老爺廟構造帶中，這種組合樣式較為發育，斷層規模較小，為主斷層的伴生斷層，與主斷裂在深部相交，對油氣起次級輸導作用（見圖2c）。

4）雁列式斷裂，又稱雁行式斷裂、邊幕式斷裂，是指一組平行錯列或斜列、產狀及性質相同的斷裂。各單條斷裂長度相近且皆較短，相鄰斷裂端部尖滅側依次排列。該構造一般發育于張扭或壓扭的應力環境中，對于構造圈閉的形成較為有利。南堡地區主要在南堡一號構造帶和南堡五號構造帶發育雁裂式平面組合（見圖2d）。

5）“入”字形斷裂表現為平面上2條較大的斷裂相交于一點，形似“入”字。南堡地區主要在一號構造帶發育“入”字形斷裂組合，由于這2條斷層規模較大且一直伸入洼陷內部，因而具有很好的油源條件，對于油氣聚集成藏較為有利（見圖2e）。

6）交織狀斷裂表現為斷層走向各異，彼此之間相交、錯斷，平面上呈網狀。這類組合主要是一級和二級斷層的伴生斷層，在各種類型的凹陷中都有廣泛發育（見圖2f）。

圖2 南堡凹陷主要斷裂平面組合樣式

3.2 剖面組合樣式

南堡凹陷內斷裂非常發育，斷裂間相互作用，在空間上形成了不同的斷裂組合樣式。剖面上斷裂組合樣式較為復雜，大致可分為復合“y”形、“x”形、包心菜式、花狀以及階梯狀等（見圖3）。

1）“y”形斷裂組合。凹陷發育的早期形成較大的斷裂，后期在主斷層之上發育一系列次生的調節斷層，這些調節斷層逐級收斂到主斷層之上，剖面上形似英文字母y，稱為“y”形斷裂組合。該區“y”形斷裂主要分布于凹陷周邊和突起的斜坡帶附近，在斷層的下降盤常發育較大的滾動背斜，為油氣的聚集提供了良好的構造背景。該斷裂組合主要分布在高尚堡-柳贊構造帶、二號構造帶西部、北堡構造帶和老爺廟構造帶（見圖3a）。

圖3 斷裂剖面組合樣式

2）“x”形斷裂組合。該斷裂組合為共軛正斷層控制、下部壘塊隆升和上部塌陷成對出現的形似英文字母x的組合樣式。“x”形斷層處的油氣通常較為富集，其原因為：一方面，“x”形斷層深部的分支可作為溝通烴源巖與淺層圈閉的有效油氣運移通道，為淺層圈閉提供良好的油源條件；另一方面，“x”形斷層下部的分支所夾圍巖的外側地層為斷層的下降盤，地層下掉后在所夾斷塊處發育深部地壘構造，這些深部地壘構造常為背斜，且深部地層距烴源巖較近或其本身就是烴源巖，因而具有良好的油氣成藏條件。該斷裂組合主要分布在南堡一號構造帶、二號構造帶和三號構造帶等地區（見圖3b）。

3）包心菜式斷裂組合。芯部兩側斷層掉向相反，各斷層由內向外依次增大，內部斷塊較小，向兩側依次增大，剖面上形似包心菜，稱為包心菜構造（見圖3c）。這種構造主要在二號構造帶東部和四號構造帶發育。外部的大斷裂切割的層位較深，可以將烴源巖與儲層很好地聯系起來，對于油氣聚集成藏較為有利。

4）階梯狀斷裂組合。該斷裂組合由若干條產狀基本一致、各斷層上盤依次向同一方向斷落的正斷層組合而成。南堡凹陷高柳斷層、高北斷層、柏各莊斷層等組成一級臺階斷層，四號構造帶西部次級斷層則構成二級臺階狀斷層（見圖3d）。南部南堡二號、三號構造帶北東向正斷層逐級北掉，構成階梯狀正斷層組合。

5）花狀斷裂組合。在剪切斷裂帶的淺部常常表現為向上分叉、撒開的斷裂組合，剖面上形似花朵，稱為花狀斷裂。根據應力條件的不同，可分為正花狀和負花狀斷裂。正花狀斷裂是在壓扭應力場條件下形成的，其主要特征是扭動帶內地層向上散開，向深處變窄、變陡，主斷層及分支斷層多具逆滑距，散開的斷層間常為地壘；負花狀斷裂是在張扭應力場條件下產生的，斷層向上分支并構成向形構造，主斷層及分支斷層多具正滑距，撒開的斷層間常為地塹。南堡地區四號構造帶的蛤坨斷層為典型的花狀斷裂組合（見圖3e）。

4 斷層演化特征

從區域地質背景上看，南堡凹陷在晚古生代的石炭—二疊系曾與華北地臺經歷了相同的沉積建造過程。中生代，華北地臺解體。晚白堊世末—新生代古新世，本區整體處于隆升剝蝕狀態，因而南堡凹陷是在第三系形成和發展起來的。通過三維地震資料的精細解釋，結合區域地質資料及對現今構造樣式的梳理，認為南堡凹陷主要經歷了伸展斷陷期、持續裂陷期、坳陷期3個主要階段（見圖4）。

4.1 伸展斷陷期

南堡凹陷斷裂極其發育，斷層的形成和演化與郯廬斷裂帶的活動緊密相關。在古近系沙河街組沉積時期，郯城-廬江大斷裂由中生代的左行扭動轉化為右行扭動，導致兩側地塊以右旋拉張和剪切應力為主。

圖4 二號構造帶東部—高尚堡構造帶構造演化

在總的拉張應力作用下，南堡凹陷進入斷陷發育期，凹陷內在中生代形成的基底大斷裂西南莊-柏各莊斷裂上升盤強烈上升形成凸起，下降盤強烈下降形成凹陷［13］。主干斷裂的上盤在抬升時會發生塌陷，因而形成了一系列的蓋層斷層。

這一時期凹陷南部斷層較少，北部則形成一系列南傾階梯狀正斷層。邊界斷層產狀較陡，呈輕微鏟式。這些斷層大多具有同生斷層的特點，地層沉積厚度較大，在同生斷層下降盤逆牽引作用下，南堡凹陷在這一時期形成了滾動背斜構造，此時凹陷形成了箕狀斷陷的雛形［14］。

漸新世中期，南部海中隆起北側斷裂的形成和北部邊界斷裂的逐步下降，使南堡凹陷變為雙斷型凹陷。由于水域范圍較深且較廣，沉積了一套深湖相暗色泥巖和油頁巖，為生油層。

4.2 持續裂陷期

東營組沉積時期，凹陷進入穩定的沉降階段，在近南北向區域張力的作用下，西南莊斷層、柏各莊斷層和高柳斷層均發生了強烈的伸展拆離運動，因此產生了滾動背斜構造及次級基底斷裂［13］。

本期邊界斷層呈上陡下緩的鏟式正斷層結構，南部形成北傾的階梯狀正斷裂組合，北部為南傾的階梯狀正斷裂和“y”形斷裂組合。這一時期湖盆較為穩定，湖水較淺，以濱淺湖和三角洲沉積為主［15］，砂體發育較為廣泛，是本區儲集層系發育的主要時期。漸新世末期，區域構造運動以隆升為主，斷裂活動基本結束，古近系地層遭到剝蝕，與上覆新近系地層形成區域性不整合。

4.3 坳陷期

新近系，南堡凹陷進入坳陷演化階段。凹陷進入繼承性發育階段，內部應力減弱，斷裂基本停止活動，伸展作用已經完全不受斷層控制，而是受重力和熱沉降機制控制。在新近紀后期，尤其是明化鎮組沉積期，凹陷內部的伸展速率和沉積速率明顯加快，在重力載荷影響下，部分斷層塊體甚至發生了重力滑動，從而產生了眾多呈北東向延伸的次級正斷層。

剖面上，在二號構造帶的東部地區，這些次級斷裂間組合形成了包心菜式斷裂組合。包裹體測溫表明，東三段烴源巖在明化鎮組沉積時期達到生烴高峰，而此時次級斷裂活動性較強，從而使油氣不斷地運移至儲集層中。凹陷的南部和北部呈現出階梯狀和“y”形斷裂組合的復合，邊界斷裂的產狀經后期構造運動的改造，為鏟式或坡坪式。

5 結論

1）南堡凹陷的斷裂主要分為3個級別：一級斷裂控制了南堡凹陷的形成和演化；二級斷裂控制了凹陷內二級構造帶的展布和規模；其他斷裂一般是一、二級斷裂的伴生斷層，對局部沉積作用、構造形態及油氣的分布范圍具有重要影響。

2）南堡地區的斷裂較為復雜。剖面上主要有復合“y”形、“x”形、包心菜式、花狀以及階梯狀斷裂組合等；平面上主要有帚狀、梳狀、平行式、雁列式、“入”字形和交織狀6種斷裂組合。

3）南堡凹陷主要經歷了伸展斷陷期、持續裂陷期、坳陷期3個主要階段。

［1］ James R B，Peter E，Grant G，et al.Evolution of a hydrocarbon migration pathway along basin-bounding faults：Evidence from fault cement［J］.AAPG Bulletin，2004，88（7）：947-970.

［2］ 樊生利，王秀林，蘇玉山.東濮凹陷斷裂系統構造格局與油氣聚集［J］.斷塊油氣田，1995，2（3）：16-23.

［3］ 尚爾杰，金之鈞，丁文龍，等.斷裂控油的物理模擬實驗研究：以準噶爾盆地西北緣紅車斷裂帶為例［J］.石油實驗地質，2005，27（4）：414-417.

［4］ 杜春國，郝芳，皺華耀，等.斷裂輸導體系研究現狀及存在的問題［J］.地質科技情報，2007，26（1）：51-55.

［5］ 譚開俊，田鑫，孫東，等.準噶爾盆地西北緣斷裂帶油氣分布特征及控制因素［J］.斷塊油氣田，2004，11（6）：4-6.

［6］ 佟卉.油氣輸導通道的內部結構和輸導機制特征［J］.大慶石油學院學報，2008，32（2）：23-26.

［7］ 史冠中，王華，徐備，等.南堡凹陷柏各莊斷層活動特征及對沉積的控制［J］.北京大學學報：自然科學版，2011，47（1）：85-90.

［8］ 高戰武，徐杰，宋長青，等.張家口—蓬萊斷裂帶的分段特征［J］.華北地震科學，2001，19（1）：35-42.

［9］ 丁國瑜.中國內陸活動斷裂基本特征的探討［M］.北京：地震出版社，1982：1-9.

［10］周海民，魏忠文，曹中宏，等.南堡凹陷的形成演化與油氣的關系［J］.石油與天然氣地質，2000，21（4）：345-349.

［11］徐杰，宋長青，楚全芝.張家口—蓬萊斷裂帶地震構造特征的初步探討［J］.地震地質，1998，20（2）：146-154.

［12］張永剛，許衛平，王國力，等.中國東部陸相斷陷盆地油氣成藏組合［M］.北京：石油工業出版社，2006：6-30.

［13］范柏江，劉成林，柳廣弟，等.南堡凹陷斷裂系統形成機制及構造演化研究［J］.西安石油大學學報：自然科學版，2010，25（2）：13-17.

［14］鄧俊國，王賢.南堡凹陷構造應力場演化史與油氣聚集［J］.保定師專學報，1999，12（2）：72-77.

［15］劉得志，周江羽.渤海灣盆地南堡凹陷斷裂控藏特征研究［J］.海洋石油，2009，29（4）：19-25.

（編輯 王淑玉）

Development characteristics of fault and its evolution mechanism in Nanpu Sag

Tian Tao1，2,Jiang Youlu2,Wan Tao2,Xu Xiaolong2,Xie Jun2
(1.Tianjin Branch of CNOOC Ltd.,Tianjin 300452,China;2.College of Geo-Resources and Information,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

Because Nanpu Sag is controlled by northeast fault and northwest fault in Bohai Bay Basin,Zhangjiakou-Penglai fault zone with northwest trend is located in the northern part of the sag,and Tanlu fault zone and Cangdong fault zone with strike-slip nature are located separately in the eastern part and in the western part of the sag.Therefore the formation and tectonic deformation of Nanpu sag indicate both the characteristics of tensional deformation and the characteristics of compressional deformation or tensional deformation.Faults of Nanpu sag can be classified into five styles in section:"y"-shaped fault assemblage,"x"-shaped fault assemblage,cabbage-shaped fault assemblage,flower-shaped fault assemblage and step-shaped fault assemblage.In plane,the fault assemblage type is mainly brush assemblage,comb assemblage,parallel assemblage,en echelon assemblage,interlaced assemblage and"λ"-shaped fault assemblage.Analysis result of structural evolution history shows that the depositional period of Shahejie Formation in Paleogene is the extensional rift stage of the sag,and is the main period of hydrocarbon source rock development because of the controlling of right lateral wrench movement of Tanlu fault,with rift faulting strong and with water body deep.The sag enters the stable subsidence stage during depositional of Dongying Formation by the strain near northern and southern region to keep the rift period.The sag has turned into depression stage from Paleogene to present.Subsidiary fault develops well due to the combined effect of gravity and thermal subsidence.

style of fault assemblage;structural evolution;extensional rift;continuous rift;depression;Nanpu Sag

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”（2008ZX05050）

TE121.2

A

10.6056/dkyqt201204001

2011-12-13；改回日期：2012-05-19。

田濤，男，1984年生，2012年畢業于中國石油大學（華東）礦產普查與勘探專業。E-mail：tiantao276200258@163.com。

田濤，蔣有錄，萬濤，等.南堡凹陷斷裂發育特征及其演化機制［J］.斷塊油氣田，2012，19（4）：409-413.

Tian Tao，Jiang Youlu，Wan Tao，et al.Development characteristics of fault and its evolution mechanism in Nanpu Sag［J］.Fault-Block Oil &Gas Field，2012，19（4）：409-413.