渤海灣盆地濟陽坳陷東辛油田構造特征及成因機制
——物理模擬與討論

李 蕭，胡秋媛，楊 光，馬方雷，楊建磊，魏真真，孫 肖

(中國石油大學 勝利學院 油氣工程學院，山東 東營 257000)

我國東部斷塊油氣田發育，其中，渤海灣盆地濟陽坳陷東辛油田是典型的復雜斷塊油氣田之一。不同期次、不同級別、不同方向的斷裂平面上多走向切割，剖面上多傾向切割，使東辛油田形成獨特的斷裂組合，塑造了復雜的斷裂系統。近年來，諸多學者針對東辛油田的沉積微相、儲層構型、低序級斷層特征及其對剩余油分布的影響等方面進行了研究[1-4]。大量勘探實踐表明，東辛油田內具有伸展背景和扭張背景的構造帶是油氣有利聚集區。但伴隨勘探開發不斷深入和精細勘探需求，東辛油田具有一定規模且形態清晰的構造油氣藏越來越少；加之區內構造樣式未得到深入研究，構造組合與油氣分布的關系不夠清晰，因此，回歸客觀、全面的構造分析，針對研究區開展構造組合樣式及成因機制的研究尤為重要。構造物理模擬實驗是對地質構造進行正演模擬的有效手段，可真實再現研究區構造發育演化及構造組合關系，并為其動力學成因研究提供實際變形依據[5-7]。因此，筆者基于大量地球物理資料，系統研究了東辛油田的構造幾何學、運動學特征，在此基礎上結合構造物理模擬實驗，再現了研究區構造發育演化與組合關系，并進一步探討了研究區構造主控因素與形成機制，以期為區內油氣成藏規律研究提供依據。

1 區域地質概況

東辛油田地處山東省東營市，構造位置上位于濟陽坳陷東營凹陷中央背斜東段(圖1)，是我國東部典型的復雜斷塊油氣田。研究區構造形態上自東向西可依次劃分為辛鎮構造、過渡帶和東營構造3個主要構造單元，南北兩側分別受近東西向的辛120斷裂和營8斷裂所限，形成典型的地塹構造(圖2)。地塹內多條次級斷裂切割、交錯，將內部構造復雜化。鉆井、錄井資料表明，東辛油田主要發育古近紀—第四紀地層，自下而上依次為古近系孔店組(E1-2k)、沙河街組(E2s)、東營組(E3d)，新近系館陶組(N1g)、明化鎮組(N2m)及第四系平原組(Qp)[8]。古近系和新近系巖性序列特征主要為紅色砂泥巖、蒸發巖、礁灰巖、厚層暗色泥巖、三角洲砂巖、粒屑灰巖，其中，含油層系自下而上分別為沙三段(E2s3)、沙二下亞段(E2s2下)、沙二上亞段(E2s2上)、沙一段(E2s1)、東營組和館陶組，主力含油層系為沙二上亞段和沙二下亞段。

圖1 渤海灣盆地濟陽坳陷東辛油田區域構造位置

2 東辛油田構造幾何學和運動學特征

2.1 東辛油田構造幾何學特征

東辛油田整體受南、北兩側2條近東西向斷裂——辛120斷裂和營8斷裂所限，形成典型的地塹構造。地塹內部發育多條低序級斷層，相互切割、交錯，使內部構造復雜化，在研究區平面和剖面上呈現出構造幾何學的多樣性。

2.1.1 斷裂構造平面幾何學特征

平面上，研究區自東向西構造逐漸趨于復雜，其中，東部的辛鎮構造以平行式平面組合為主，整體呈現“單一型”構造樣式；中部過渡帶以平行、斜交式平面組合為主，整體呈現“網格型”構造樣式；西部的東營構造以雁列式、帚狀平面組合為主，整體呈現“復雜型”構造樣式(圖2)。

東部辛鎮構造帶主要發育辛23斷裂和辛1斷裂2條三級斷裂，走向基本一致，近東西向延伸5.5～6 km，與區內典型二級斷裂——營8斷裂構成典型的“平行式組合關系”，使東部辛鎮構造帶呈“單一型”平面構造樣式(圖2①)。

中部過渡帶在辛34斷塊內發育3條典型的三級斷裂，其中2條近東西向延伸約3 km，另一條NNE向延伸約1.5 km，并與2條東西向斷裂構成斜交式斷裂組合。辛16斷塊內發育3條典型的三級斷裂和3條典型的四級斷裂，3條三級斷裂沿NE走向延伸約3.5～4 km，平面上構成平行式斷裂組合(圖2②)；3條四級斷裂沿NW向延伸，被NE向斷裂限制終止，平面上構成斜交式斷裂組合(圖2③)。平行式斷裂組合與斜交式斷裂組合共同塑造出中部過渡帶“網格型”平面構造樣式。

西部東營構造帶在營1斷塊內發育營66斷裂與營31斷裂2條典型的三級斷裂，平面上構成雁列式斷裂組合；同時，近NE走向呈平行式斷裂組合排列的多條低序級斷裂與上述三級斷裂呈斜交式斷裂組合(圖2④)。營13斷塊南界發育典型的三級斷裂——營66斷裂，與營8斷裂在平面上構成雁列式斷裂組合(圖2⑤)；營8斷裂尾部出現弧形彎曲，呈帚狀斷裂組合(圖2⑥)。多組雁列式斷裂組合與帚狀斷裂組合共同塑造出西部東營構造帶“復雜型”平面構造樣式。

圖2 渤海灣盆地濟陽坳陷東辛油田斷裂平面構造樣式分區與走向玫瑰圖

2.1.2 斷裂構造剖面幾何學特征

東辛油田斷裂構造發育，且數百條斷裂在剖面斷距、落差等方面存在較大差別。依據斷距大小、沉積特征、構造演化及其對油氣的控制等因素，可判定研究區主要發育二級斷裂—五級斷裂。其中，二級斷裂多為控洼斷裂，斷距大、可切穿基底，落差可達幾百米；三級斷裂多為不同斷塊間的分隔性斷裂，斷距小、落差100～500 m，對油氣分布具有重要控制作用；四級斷裂規模較小，斷面較陡、垂向落差僅幾十米，通過與主斷裂組合對油氣產生重要作用；五級斷裂多由四級斷裂派生，垂向斷距僅幾米至十幾米，對沉積與油氣均無較大影響。研究區南、北兩翼分別受到辛120斷裂、營8斷裂2條二級斷裂的控制，成為典型的“地塹式”背斜。地塹內、外被多條三級—五級斷裂所切割，在剖面上呈現出典型的“包心菜式”復雜斷裂系統。研究區主要發育典型的扭張斷裂組合樣式和伸展斷裂組合樣式(圖3)。

研究區中部斷塊主要發育張扭斷裂組合樣式，呈典型的“包心菜式”負花狀組合，由2組傾向相反、級別相近的低級別斷裂構成，2組斷裂相互交切(圖3a)。研究區還廣泛發育反“Y”字形、階梯狀、地塹、地壘等伸展斷裂組合樣式。復雜斷塊中的低級別斷裂與主斷裂相交呈反“Y”字形，尤其是主斷裂與派生的低級別斷裂常構成多級反“Y”字形組合(圖3b)。辛34斷塊、辛23斷塊內若干產狀近于平行的正斷層上盤依次下落，剖面上構成階梯狀組合樣式(圖3c)。營1斷塊內地塹式斷裂組合樣式最為典型，兩條或多條斷層傾向相反，上盤依次下掉形成共同的下降盤(圖3d)。營1斷塊內發育典型的地壘式斷裂組合樣式，2條或多條斷層傾向相反，上盤依次抬升形成共同的上升盤，常與地塹共同出現構成塹壘組合(圖3e)。

2.2 東辛油田構造運動學特征

平衡剖面技術是研究構造活動強度與演化特征的重要手段，其基本原理是將“面積守恒”轉化為“層長守恒”，將已變形剖面恢復到變形前狀態[9-10]。本文截取東辛油田內依次切過陳南斷層、營8斷層、辛120斷層的典型NW向剖面Ⅰ-Ⅰ′(圖2)，采用平衡剖面技術，逐層回剝得到研究區的構造平衡演化剖面(圖4)。用L0、L分別表示某地質時期沉積前、沉積后的剖面長度，則該地質時期的伸展率可以表示為e=(L-L0)/L0[11-12]，分別計算了E2s3-E2s2、E2s1-E3d、N1g、N2m-Q時期的伸展率(表1)。計算結果表明，東辛油田典型NW向剖面的活動特征呈強伸展—較弱伸展—弱伸展—弱伸展的演化趨勢。研究區自古近紀以來處于持續伸展狀態，其中，E2s3-E2s2沉積時期伸展率最大，表明此時期受強烈伸展變形，構造活動強烈。至E2s1-E3d沉積時期，構造活動明顯減弱，研究區整體處于弱伸展作用，一直持續至N1g沉積時期。N2m-Q沉積時期，區域伸展作用大幅減弱，斷層幾乎不活動，東辛油田構造趨于穩定。

圖3 渤海灣盆地濟陽坳陷東辛油田斷裂構造剖面幾何學特征

圖4 渤海灣盆地濟陽坳陷東辛油田典型剖面Ⅰ-Ⅰ′平衡演化剖面剖面位置見圖2。

表1 渤海灣盆地濟陽坳陷東辛油田古近紀以來伸展率分析

3 東辛油田斷裂構造成因機制

東辛油田的斷裂構造格局與中國東部構造應力場的發展演化有著密切的成生關系，其根本動力來源于NW向邊界斷裂——郯廬斷裂帶的走滑活動，以及地幔物質上涌產生的拉張應力。

E2s3時期(距今43.5 Ma)，太平洋板塊沿NWW向以38 mm/a的速度俯沖于歐亞大陸之下[13-14]，加之印歐板塊與太平洋板塊的碰撞擠壓達到峰值[15]，致使郯廬斷裂帶由左旋走滑活動轉為右旋走滑活動[16-17]，研究區整體被置于NW-SE向拉張應力場。受此應力場控制，研究區發生大規模伸展活動，近EW向二級斷裂開始強勢正斷發育。此外，郯廬斷裂帶的右旋走滑活動，使研究區在伸展活動基礎上又疊加了扭動因素[18]。至E2s1-E3d時期，研究區仍受NW-SE向拉張，但伸展強度明顯減弱，伸展活動一直持續至23 Ma。上述區域伸展過程中，受NW-SE向拉張應力場及先期近EW向二級斷裂的控制，區內發育一系列近EW向低級別斷裂。同時，NE向斷裂與NW向斷裂持續發育，且在伸展基礎上疊加了走滑，其中，前者走向與郯廬斷裂帶平行或相近，走滑方向一致，而后者走向、走滑方向均與郯廬斷裂帶相反，二者構成共軛的“P剪切”。此外，區域性巖漿活動塑造了一定的拱張應力場，為區內眾多復雜低序級斷層的發育提供了重要條件[19]。平面區域構造樣式上，不同構造分區存在差異，東部辛鎮構造帶以平行式組合為主，整體呈現“單一型”構造樣式；中部過渡帶以平行、斜交式組合為主，整體呈現“網格型”構造樣式；西部東營構造帶以雁列式、帚狀組合為主，整體呈現“復雜型”構造樣式。

進入新近紀以來，研究區所在的濟陽坳陷整體進入熱沉降階段，加之其南鄰的魯西隆起自23 Ma以來進入快速抬升，從而對區域伸展起到了抑制作用，故伸展活動速率大幅減弱(表1)，斷層活動強度降至最低，構造活動趨于穩定。

4 東辛油田構造物理模擬實驗

為深入探討東辛油田構造特征及成因，筆者利用構造物理模擬實驗再現研究區的構造變形過程。構造物理模擬實驗遵循相似性原理，是在實驗室中對地質構造發育演化進行正演模擬的一種有效手段[20-21]。本次研究設計多組實驗，并采用循環滾動的方式進行優化，此處筆者僅選擇擬合程度最高的一組進行討論。

4.1 實驗裝置與模型

本文使用山東中石大石儀科技有限公司2016年研發的DGU-1型物理模擬裝置中的走滑構造模型(圖5a)。選取東辛油田平面矩形區域作為實驗研究對象(實驗模擬區域見圖1)，建立長∶寬∶高為90 cm∶45 cm∶15 cm的實驗模型(模型相似系數為1.30×10-5)。東辛油田斷裂構造的變形要素包括：模擬時期——E1-2k時期至今；動力來源——郯廬斷裂帶走滑作用(E1-2k-E2s4)、郯廬斷裂帶走滑作用+巖漿底劈作用(E2s3-Q)；影響因素——區域幾何邊界、伸展走滑強度、作用持續時間等。基于此，設計實驗模型時，在實驗模具底部預設基底走滑斷裂的基礎上，鋪設一層厚1 mm的彈性布以實現應力傳遞，彈性布周圍再與活動擋板連接；同時，彈性布中央粘貼固定一彈性氣囊，氣囊可通過外接橡膠管進行充氣(圖5b)。為便于實驗結果的觀察與記錄，采用粒度為100～120目的綠色天然石英砂(內聚力50 Pa，內摩擦角31°～41°)作為實驗材料，并輔以少量黏土、凡士林以稍許提高其黏聚性。實驗過程中，通過調節平流泵流速帶動兩側的驅動單元，以實現雙向拉伸并達到半定量—定量的模擬效果。

圖5 構造物理模擬實驗裝置及模型

4.2 實驗過程與討論

實驗共進行25 min，模擬E1-2k-E3d時期，對應距今65～23 Ma[22]。依據“逐步逼近”基本原則，循環優化實驗方案，最終優選出擬合程度最高的一組，確定出邊界載荷的施加方案為：實驗前3個階段(圖6a—圖6c)對應孔店期，平流泵后撤速度為0.057 cm/min，同時帶動基底走滑斷裂活動，此實驗階段實現了區域伸展與走滑作用的疊加；實驗后5個階段(圖6d—圖6h)對應沙四期—東營期，平流泵后撤速度為0.086 cm/min，同時為彈性氣囊充氣，此實驗階段在區域伸展增強的基礎上，實現了區域伸展、基底走滑、局部巖漿底劈的共同疊加。物理模擬實驗過程突出了實驗模型與邊界載荷的主控作用，弱化了實驗材料差異對實驗結果的影響。分析每組實驗結果，并與變形場、地質模型相比對，及時調整實驗模型，實現了地質模型—實驗模型—實驗結果循環優化的滾動實驗。實驗結果如下：

(1)圖6a為實驗初始狀態，實驗初期(即E1-2k)，研究區南側1號斷層自西段開始發育，規模較小(圖6b)。

(2)實驗進行至4 min，1號斷層繼續發育，規模逐漸增大，近EW向延伸，且斷層東部開始出現小規模的次級斷層(圖6c)。

(3)實驗進行至8 min，1號斷層已初具規模，同時，其北側開始發育2號斷層，近NW向延伸，規模較小(圖6d)。

(4)實驗進行至12 min(對應E2s3時期)，2號斷層繼續發育并具有一定規模，其西段沿NW向延伸，至中段呈向北凸出的弧形，至東段轉為向南凸出(圖6e)，至此，1號斷層與2號斷層形態清晰，已基本發育完全。

(5)實驗進行至16.5 min(對應E2s2時期)，2號斷層西段發育一系列NE走向和NW走向的①號次級小斷層，與主干斷層呈斜交式斷層組合，平面上呈樹枝狀分布(圖6f)。

(6)實驗進行至21 min(對應E2s1時期)，在1號斷層與2號斷層所夾限的東部區域發育②號次級小斷層，平面上近EW向延伸，與主干斷層構成平行式斷層組合(圖6g)。

(7)實驗進行至25 min(對應E3d時期)，③號、④號斷層開始發育，其中，③號斷層由3條NE向次級小斷層和3條NW向次級小斷層構成，平面上呈平行式組合和斜交式組合2種樣式；④號斷層也由3條NE向次級小斷層和3條NW向次級小斷層構成，3條NE向次級小斷層呈雁列式組合樣式(圖6h)，實驗結束。

依據相似性原理，構造物理模擬實驗結果可與實際地質情況擬合，因此，推斷1號斷層為營8斷層，2號斷層為辛120斷層，①～④號斷層代表研究區內低序級斷層。E1-2k時期，1號斷層與2號斷層相繼活動，整體近EW向延伸，斷層規模、平面形態與營8斷層、辛120斷層相符。①～④號次級斷層組合受1號、2號斷層控制，在區域走滑、拱升共同作用下依次發育，并在平面上呈平行式、斜交式、雁列式等斷層組合樣式，這與東辛油田平面構造組合樣式相符，即構造物理模擬實驗較好地再現了研究區構造發育與演化，印證了E1-2k-E3d時期斷裂構造的成因機制。

圖6 渤海灣盆地濟陽坳陷東辛油田斷裂構造物理模擬實驗

東辛油田斷裂組合樣式與油氣關系密切。不同類型斷裂組合樣式在時空演化上存在差異[23-26]。例如，雁列式斷裂組合樣式與帚狀斷裂組合樣式在平面上與垂向上均存在“應力集中區”和“應力釋放區”。雁列式斷裂組合樣式往往受伸展走滑控制形成一端凸起，另一端溝谷。其中，凸起端處于“應力集中區”，封閉性好，有利于油氣聚集；而溝谷端處于“應力釋放區”，成為油氣運移的有利通道。同樣，帚狀斷裂組合樣式受伸展走滑控制往往一端發散，另一端收斂，發散端呈開啟狀態，處于“應力釋放區”，有利于油氣運移；而收斂端相對封閉，處于“應力集中區”，有利于油氣聚集。此規律對研究區后續勘探工作具有重要指導意義。

5 結論

(1)區域構造幾何學特征研究表明，東辛油田構造形態自東向西趨于復雜。平面上，東部辛鎮構造以平行式組合為主，整體呈現“單一型”構造樣式；中部過渡帶以平行式、斜交式組合為主，整體呈現“網格型”構造樣式；西部東營構造以雁列式、帚狀組合為主，整體呈現“復雜型”構造樣式。剖面上，區內主要發育負花狀、反“Y”字形、階梯狀、地塹、地壘等5種斷裂組合樣式，整體呈現典型的“包心菜式”復雜斷裂系統。

(2)構造運動學特征分析及構造物理模擬實驗研究表明，東辛地區斷裂構造自E1-2k-E2s4時期開始發育，E2s3時期進入快速活動，E2s3時期以來呈現出強伸展—較弱伸展—弱伸展—弱伸展的演化趨勢，構造組合樣式經歷了“平行式—斜交式—雁列式—帚狀”逐漸趨于復雜化的過程。研究區斷裂組合樣式與油氣關系密切，對后續油氣勘探具有重要意義。

(3)構造物理模擬實驗結果再現了研究區斷裂構造的發育演化，取得了與實際地質情況較高的吻合度。實驗結果進一步證實，東辛地區斷裂構造組合樣式是新生代伸展—走滑應力場與巖漿底劈作用疊加的產物。其根本動力來源于新生代NW-SE向伸展應力場、郯廬斷裂帶的右行走滑及巖漿等塑性物質上涌。