南堡凹陷構(gòu)造樣式及形成機制研究

南堡石油豐富。2007年，南寶油田宣布石油儲量為10.2.08噸，并對南堡塌陷構(gòu)造發(fā)展和發(fā)育進行了研究。例如，徐亞硝酸鹽等人研究了塌陷地震裂系統(tǒng)的分類，周天偉等人研究了凹陷新系統(tǒng)的形成機制。然而，目前的研究側(cè)重于局部研究，研究舊系統(tǒng)的形成機制沒有相關(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（缺陷）結(jié)合在一起。本文以整個凹陷為研究對象，分析了古近系和近系塌陷的形成機制，并從結(jié)構(gòu)角度研究了凹陷的結(jié)構(gòu)過程。1南堡凹陷內(nèi)部構(gòu)造演化南堡凹陷位于燕山臺褶帶南緣,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水深線與渤海石油公司為界.整個凹陷面積1900km2,其中陸地面積800km2,灘海面積1100km2.據(jù)最新的構(gòu)造單元劃分,南堡凹陷二級構(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、南堡2號、南堡3號、南堡4號及南堡5號構(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條斷裂活動時間長、繼承性強、斷距大,控制著盆地的形成和發(fā)展;凹陷南緣逐步過渡為較緩的斜坡.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、斷距和活動強度變化較大.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無論是主干斷層還是次級斷層,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較大;對于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)特征和運動學(xué)規(guī)律,對構(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.至東營期,凹陷開始發(fā)育北傾斷裂.南堡凹陷內(nèi)的大部分斷裂尤其是明化鎮(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)是由于受遞進剪切力作用,導(dǎo)致地層發(fā)生破裂并旋轉(zhuǎn),每個碎片向剪切方向傾斜,猶如一疊書被推倒,從而形成類似于多米諾骨牌的形狀.“多米諾式”構(gòu)造樣式的顯著特點是其內(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號構(gòu)造(圖4)、4號構(gòu)造內(nèi)部發(fā)育的次級斷層就構(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(圖3)、南堡2號構(gòu)造.西部的1號構(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號構(gòu)造主要發(fā)育一系列南傾的斷裂,而東部4號構(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)形成機制3.1構(gòu)造變形類型南堡凹陷深部斷層的形成和演化與郯廬斷裂帶的活動緊密相關(guān),而對于郯廬斷裂帶在不同時期走滑性質(zhì)發(fā)生改變的研究還存在較大分歧.本次研究認為,郯廬斷裂帶在古近紀時期為右旋走滑-伸展運動,新近紀以來則為右旋走滑運動.古近紀(距今45～37Ma)是郯廬斷裂帶右旋-伸展活動最強烈的時期,郯廬斷裂帶的右旋-伸展導(dǎo)致渤海灣盆地形成一個左旋張扭應(yīng)力場.在該區(qū)域伸展作用的背景下,南堡凹陷進入斷陷發(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的斷層組合類型.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,主干斷裂的上盤因垮塌而形成塌陷構(gòu)造.同時,一些斷層的上盤塊體發(fā)生逆時針方向的非均勻旋轉(zhuǎn),在靠近主干斷裂的上盤因垮塌和旋轉(zhuǎn)2種因素的共同作用,產(chǎn)生了滾動背斜構(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)力場作用下,西南莊斷層、柏各莊斷層、高柳斷層均發(fā)生了強烈的伸展拆離運動,因此產(chǎn)生了一系列滾動背斜構(gòu)造及次級基底斷裂.古近紀,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以來,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)部深大斷裂的活動強度逐漸減弱.各級同生斷層的活動強度也逐漸降低.拗陷過程與郯廬斷裂帶活動的關(guān)系已不密切.周天偉認為該時期凹陷發(fā)育機制為熱作用機制.本次研究認為南堡凹陷此期的變形機制應(yīng)該是受重力均衡作用與熱演化作用兩者共同控制機制(圖5).新近紀,研究區(qū)內(nèi)沉積蓋層不斷增厚,特別是明化鎮(zhèn)組沉積以來凹陷沉積速率明顯加快;同時,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,沿構(gòu)造坡折位置則產(chǎn)生了眾多的次級正斷層,這也是這些正斷層沒有切入深部基底的根本原因.新近紀,凹陷內(nèi)部伸展變形機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、南堡3號構(gòu)造.大部分該類斷層仍為生長斷層,自館陶組沉積以來便開始發(fā)育;而明化鎮(zhèn)組沉積以來,隨地層的不斷增厚,其發(fā)育程度也不斷增強.這種后期構(gòu)造活動明顯增強,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,通過研究發(fā)現(xiàn),中下地殼韌性層長期經(jīng)受來源于地幔的熱作用,至新近紀該層的熱作用程度降低,巖層黏度亦變低,導(dǎo)致其變形機制逐漸從簡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、南堡3號構(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個構(gòu)造集中發(fā)育的主要原因.因此,南堡凹陷新近紀盆地構(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經(jīng)歷了相同的沉積建造過程.進入中生代,華北地臺解體.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、新近紀2個階段的歷史(圖6).受區(qū)域拉張力作用,古近紀(沙河街、東營期)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號構(gòu)造的構(gòu)造雛形亦形成.而南堡凹陷其他各次級構(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)造均開始成型,各構(gòu)造的構(gòu)造高部位在此時亦形成,1號構(gòu)造、2號構(gòu)造、柳贊構(gòu)造在東一段沉積期也開始成型.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)造部位有時表現(xiàn)為地層與斷層同時發(fā)生顯著旋轉(zhuǎn)的多米諾式特征;鄰近鏟式斷層的上盤區(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,周圍沉積相對較厚,此時開始發(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,南堡凹陷進入拗陷發(fā)育階段,其內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力減弱,凹陷進行穩(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,部分斷層塊體甚至發(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,沿構(gòu)造坡折位置產(chǎn)生了眾多的次級斷裂,這些斷裂基本上都未能斷至古近系.此時,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)造情況的對比(表1)可知,對南堡凹陷的構(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構(gòu)造帶,這些早期的斷層實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