南堡凹陷Ⅱ號、Ⅲ號構造帶斷裂構造發育特征及成因

楊榮超 , 李 亮, 婁 瑞, 劉 露 , 劉 聰 , 高 添

(1．中國石油冀東油田分公司，河北 唐山 063004；2.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318；3.CNPC斷裂控藏實驗室，黑龍江 大慶 163318；4.中國石油大學 地球科學學院，北京 102249)

南堡凹陷是位于渤海灣盆地北部的一個Ⅲ級負向構造單元，面積約 1 932 km2。自新生代以來，多期區域應力場方向的變化導致凹陷內部斷裂系統十分復雜，整體上呈現北斷南超的箕狀形態特征[1]。根據斷層特征與地層充填差異的影響，南堡凹陷主要分為3個構造演化階段：裂陷Ⅰ幕、裂陷Ⅱ幕和后裂陷期[1]。

南堡凹陷Ⅱ號、Ⅲ號構造帶作為凹陷內典型的中淺層油氣有利富集區，油氣富集差異大[4-5]，究其原因是構造帶內斷裂發育密集且相互作用關系復雜，受基底先存斷裂及應力場方向轉變等因素的影響，斷裂成因機制尚不明確。因此有必要開展對該地區斷裂構造發育特征的解析，明確斷裂間組合模式及活動時期，并最終對研究區斷裂形成演化過程及成因機制進行研究，進而為南堡凹陷下一步油氣勘探提供理論依據。

1 地質背景

南堡凹陷北以西南莊斷層與老王莊凸起、西南莊凸起相接，南以斜坡或斷階帶與沙壘田凸起相連，東以柏各莊斷層與柏各莊凸起、馬頭營凸起及石臼坨凹陷相鄰，西以澗南-新港潛山與北塘凹陷相隔[1-3](圖1-A)；沉積層序自下而上發育沙河街組(Es)、東營組(Ed)、館陶組(Ng)、明化鎮組(Nm)和平原組(Qp)。層序中共存在3個重要的不整合界面，分別為Es底界、Ed底界和Ng底界，其中Es和Ng底界面屬于區域性不整合界面，Ed底界為次級不整合界面[6-7]?；谶@3個構造層序界面，南堡凹陷在剖面上分為4個構造層次，分別為前新生代基地構造層、沙河街組構造層(裂陷Ⅰ幕)、東營組構造層(裂陷Ⅱ幕)和館陶組-明化鎮組構造層(后裂陷期)[8-9](圖1-B)。

南堡凹陷Ⅱ號、Ⅲ號構造帶位于南堡凹陷南部灘海處(圖1)，夾持于林雀次洼與曹妃甸次洼之間，西鄰Ⅰ號構造帶，東接Ⅳ號構造帶。2組構造帶平面上斜列分布，根據剖面上斷層組合樣式，Ⅱ號構造帶還可細分為Ⅱ號北構造帶和Ⅱ號東構造帶。不同構造帶中獨特的構造樣式導致油氣聚集成藏具有明顯差異性，其中Ⅱ號東構造帶油氣儲量最大，是冀東油田規劃的中淺層重點勘探目標。因此，正確理解南堡凹陷Ⅱ號、Ⅲ號構造帶整體斷裂構造發育特征及其成因，對指導該地區勘探部署具有重要意義。

2 構造特征

構造樣式是盆地多期構造變形疊加效應的結果，是不同應力作用下所產生構造的總和，研究的目的在于揭示地質構造發育的規律。通過對南堡凹陷Ⅱ號、Ⅲ號構造帶三維地震資料的構造解析，構造帶整體表現受控于主干邊界斷層，呈現典型伸展構造樣式。

圖1 南堡凹陷構造位置和地層綜合柱狀圖Fig.1 Location and stratigraphic column of Nanpu Sag

2.1 平面展布特征

Ⅱ號、Ⅲ號構造帶主要由NEE-近EW向的伸展斷裂構成，3條主干邊界斷層F2-1、F2-2和F3-1傾向NW且相互平行，平面延伸長度約為15 km，自南向北斷層軌跡依次向西偏移。平面上以平行對傾式為主要組合樣式，不同構造帶內斷裂平面組合、分布特征存在一定的差異：Ⅱ號北構造帶內次級斷層多向北傾，相互切割，在平面上組成網狀交織式的斷層樣式；Ⅱ號東構造帶平面輻射范圍最大，次級斷層延伸長度最長且近似平行；Ⅲ號構造帶平面展布范圍最小，次級斷層走向上不連續，表現為雁列式組合(圖2)。

2.2 剖面構造特征

就剖面特征而言，南堡凹陷Ⅱ號、Ⅲ號構造帶整體上表現為受控于NW傾向主干邊界斷層，深部呈“塹壘式”、中淺部呈“似花狀”的構造(圖3)。其中Ⅱ號構造帶以基底先存斷層F2為界，存在2個完整的復合“y”字形組合構造，分別為Ⅱ號北構造帶和Ⅱ號東構造帶。斷裂帶邊界一般由一條主干斷層與其上盤規模較大的反向傾斜斷層組成?；紫却鏀鄬覨2和F3僅存在于剖面底部，向上消失于東三段地層中，垂向上表現為鏟式斷層特征，對沙河街組沉積有明顯的控制作用，并在深部與主干邊界斷層相連。3條NW傾主干斷層斷面呈鏟式，垂向上貫穿斷陷構造層和拗陷構造層，彼此之間呈“多米諾骨牌式”排列。每個斷裂帶內發育多條對稱相向傾斜的次級斷層，這些次級斷層均在主干斷層上盤出現，多數為平直的板式正斷層，在東營組之上地層以“y”字形或反“y”字形的組合樣式向下逐級搭接收斂到主干斷層上，形成“似花狀”斷裂密集帶。受主干斷層影響，“y”字形斷層切割關系明顯，主體表現為NW傾斷層限制了SE傾斷層。作為重點研究對象的Ⅱ號東構造帶，存在于F2和F3斷層之間，斷層數量最多，斷裂帶展布范圍最寬。

圖2 明化鎮組底界面Ⅱ號、Ⅲ號構造帶斷層平面展布特征和斷層玫瑰花圖Fig.2 Plane distribution characteristics and fault rose diagram of faults in Ⅱ and Ⅲ structural zones at bottom boundary of Minghuazhen Formation

圖3 研究區典型地震解釋剖面Fig.3 Typical seismic interpretation profile in the study area(剖面位置見圖2)

根據主干斷裂活動性質與構造分布位置的差異，Ⅱ號、Ⅲ號構造帶自西向東可劃分為3個區帶。西部：此位置Ⅱ號北構造帶最為完整，Ⅲ號構造帶尚未出現，Ⅱ號東構造帶的主控斷層為北側SE傾向的邊界斷層，Ⅱ號北和Ⅱ號東斷裂帶共同構成“共軛式”斷層組合，淺層主干斷層相向傾斜，在兩個“地塹”之間發育窄條狀地壘(圖4中C-C’剖面)。中部：Ⅱ號北構造帶內斷層數量減少，斷層間距變大，Ⅲ號構造帶以完整段出現，Ⅱ號東構造帶的主控斷層已轉變為NW傾向的斷層，并在深部搭接在F3的上盤，形成明顯背形構造(圖4中B-B’剖面)。東部：Ⅱ號北構造帶基本消失，Ⅱ號東、Ⅲ號構造帶靠近Ⅳ號構造帶并有斷層發生連接現象，斷裂帶范圍逐漸變寬，斷裂排布更松散(圖4中A-A’剖面)。

3 構造帶發育特征

現代伸展構造的研究成果表明，裂陷盆地內斷層的幾何形態和活動性質對盆地的形成和演化、沉積物充填和油氣成藏有重要的控制作用[1-2]。不同時期的斷層在盆地構造演化及油氣成藏過程中起到的作用不同，所以進行斷裂系統劃分是十分必要的。

3.1 斷裂活動時期

從剖面上看，Ⅱ號、Ⅲ號構造帶存在各層位分布富集的斷層，這些斷層在生長和活動時期存在差異，筆者采用“傾向位移曲線”[10]的方法準確標定斷裂形成和活動時期，從而作為斷裂系統劃分的依據。通常來說，斷距最大值代表斷層成核點。繪制主干邊界斷層傾向位移曲線后發現，F2-1、F2-2和F3-1斷層斷距最大值出現在沙河街組內，表明斷層形成于沙河街組沉積時期(圖5)。其中F2-1和F2-2分別在東一段和館陶組沉積時期出現斷距極小值后又向上逐漸增加，表明斷層形成后在該時期出現活動間斷，在明化鎮組沉積期與淺部新生斷層發生傾向連接后一起持續活動。

3.2 斷裂系統劃分

根據斷距-埋深曲線和生長指數曲線，可將Ⅱ號、Ⅲ號構造帶發育的斷裂分出3套斷裂系統，即：基底先存斷裂系統，指Ed底界反射界面之下發育的斷裂，特指F2和F3斷層；晚期新生斷裂系統，指Ed底界反射界面之上發育的斷裂；長期活動斷裂系統，指剖面上自下而上貫穿所有層并持續活動的斷層(圖6)。

圖4 研究區垂直于斷層走向的聯合剖面Fig.4 Fence profiles perpendicular to the strike direction of fault in the study area

圖5 研究區主干斷層傾向位移曲線Fig.5 Dip displacement curve of main faults in the study area

3.2.1 基底先存斷裂系統

研究區內基底先存斷裂僅包括F2和F3斷層，斷層數量相對較少，組合樣式簡單，走向NNE，傾向NW。作為南堡凹陷內基底先存斷層僅在沙河街組沉積時期活動，但位移量較大，對沙河街組的沉積體系及構造變形樣式均有明顯的制約；剖面上，斷層向上消失于東三段，主要與東三段發育的大套泥巖的分隔作用有關。

3.2.2 晚期新生斷裂系統

晚期新生斷裂系統主要在東營組、館陶組和明化鎮組發育，斷層走向多為NEE向。少數斷層于東營組形成并向上傳播成為構造帶的邊界，多數斷層于明化鎮組形成， 在邊界斷層控制范圍內發育。這些斷層在剖面上與邊界斷層構成“y”字形組合，用于調節局部應變，控制沉積作用極弱，是油氣在淺部有利聚集部位。

3.2.3 長期活動斷裂系統

該類斷層始終保持著繼承性活動，是該地區重要的油源斷裂[11]。研究區內該類斷層運動形式非常相似，均為沙河街組產生，向上持續傳播生長成為負花狀構造組合中的邊界斷層。斷層走向以NE向為主，與沙河街組NW-SE向的伸展應力場相對應，剖面上呈上陡下緩的鏟式，且不同時期斷層走向有微弱變化，表明斷層在不同構造時期受應力場的轉變發生了斜向伸展。

圖6 斷裂系統劃分剖面圖Fig.6 Profile of fault system classification(剖面位置見圖1)

3.3 斷裂形成演化過程及其特征

新生代以來，南堡凹陷經歷了裂陷Ⅰ幕、裂陷Ⅱ幕及后裂陷期3個演化階段，Ⅱ號、Ⅲ號構造帶內斷裂在不同演化階段呈現出不同的活動特性(圖7)。

3.3.1 裂陷Ⅰ幕(沙河街組沉積期)

裂陷Ⅰ幕，先存基底斷層F2和F3的走向與伸展方向基本垂直，協調性較好，在此時期活動性較強，控制沙河街組沉積。此外，在強烈伸展環境下，形成一系列NE向板式正斷層，與先存基底斷層一同構成“多米諾骨牌型”構造樣式。由于NE向斷層比NNE向斷層與伸展方向的夾角更大，其上盤沉積的厚度也較大。

3.3.2 裂陷Ⅱ幕(東營組沉積期)

裂陷Ⅱ幕，南堡凹陷構造應力場方向發生了由NW-SE向至近NS向的轉變[1-3]，受基底斷層、應力場方向轉變以及沉積層序機械性質多重因素的影響，Ⅱ號、Ⅲ號構造帶在該時期的演化過程顯得尤為復雜。首先，受應力方向改變及沉積地層機械性質的影響，F2和F3斷層在剖面上僅延伸至東三段地層中，斷面發生強烈彎曲呈鏟式。其次，裂陷Ⅰ幕形成的NE向斷層在此時期持續發生斜向伸展活動，斷面彎曲，控制地層沉積，并與在其上盤形成的大規模反向斷層組合成“y”字形構造，共同構造各斷裂帶的邊界，復雜斷裂帶初具規模。

圖7 南堡凹陷Ⅱ號、Ⅲ號構造帶形成演化過程Fig.7 Formation and evolution of Ⅱ and Ⅲ structural zone in Nanpu Sag(剖面位置見圖1)

3.3.3 后裂陷期(館陶組-明化鎮組沉積期)

館陶組沉積時期，除長期活動斷裂系統外，少有斷層活動，地層展布均勻，盆地進入拗陷期，構造活動微弱。明化鎮組沉積時期，在已有復雜斷裂帶雛形的基礎上，在邊界斷層內部形成一系列“y”形、復雜“y”形或復合“y”形晚期斷層，使得復雜斷裂帶變得更為完整。

4 成因分析

4.1 F2和F3斷層與上覆構造帶的潛在耦合關系

F2和F3作為基底先存控陷斷層，早期活動強度巨大，但為何沒貫穿淺部構造層卻被封存在東三段泥巖之下，反而是沙河街組新生正交斷層向上傳播控制淺部斷裂帶的發育，深淺兩套斷裂系統是何種耦合關系，一直以來是南堡凹陷的未解難題。筆者通過分析研究區斷裂構造發育特征，得到以下認識：F2和F3潛伏于Ⅱ號、Ⅲ號構造帶深部，沙河街組沉積前走向NNE，經裂陷Ⅰ幕NW向斜向伸展后，斷層末端向北逐漸傳播，斷層軌跡逐漸向NE向彎曲偏轉，斷層南段活動性強，北段活動性弱。同時，在F2和F3斷層北部末端附近，新生3條正交于伸展應力場方向的F2-1、F2-2和F3-1斷層。在東營組沉積期，伸展應力場由NW-SE向轉變為近NS向，相較于NNE向先存基底斷層，沙河街組新生NE向斷層與東營組伸展應力場夾角更大，更易發生斜向伸展向上傳播。與此同時，東三段沉積了巨厚的泥巖，在應力場方向轉換以及地層機械性質改變的雙重作用影響下，原平直斷面發生彎曲，變成上陡下緩的鏟式形態。在深部，F2-1和F2-2分別與F2和F3發生搭接，形成鏟式扇構造，共同控制凹陷演化進程。早期先存斷裂繼承性活動誘導淺部發育次級正斷層，兩者在空間上受東三段地層分隔，構成間接關聯的耦合關系。

4.2 復雜斷裂帶的成因

斷裂帶可形象地稱為“斷裂密集帶”，意為集中帶狀分布的斷裂集合。通常來說，斷裂帶一般于拗陷期定形或形成，且基底的斷陷構造與斷裂帶有密切的關系?？刂茢嗔褞Оl育的因素主要包括先存構造、應變非均質性、變換構造帶、巖層力學性質和主干斷層位移等因素[12-14]。就南堡凹陷Ⅱ號、Ⅲ號構造帶來說，主要受先存構造、應變非均質性和巖層力學性質三種因素的影響。

裂陷Ⅰ幕沙河街組沉積時期，基底先存斷層F2、F3發生斜向伸展持續活動，同時NW-SE方向的伸展環境是形成NE走向控帶斷層的主要應力條件。裂陷Ⅱ幕東營組沉積時期，原NNE、NE走向斷層在近NS向伸展作用下發生斜向伸展，加之東營組底部厚層泥巖的分布使巖層力學性質發生變化，剖面上斷層面上陡下緩呈鏟式，且NE向控帶斷層與NNE向基底先存斷層相連構成鏟式扇組合控制沉積。此外，東營組沉積期新生一些反向斷層與控帶斷層“y”形相交，共同成為構造帶的邊界，此時斷裂帶已顯雛形。后裂陷期，伸展強度變弱，在邊界斷層范圍之內形成一系列與主干斷層走向近平行的次級斷層，形成現今的構造樣式(圖8)。

圖8 斷裂形成演化模式圖Fig.8 Model diagram of fault formation and evolution

4.3 動力學背景

南堡凹陷作為渤海灣盆地內的Ⅲ級負向構造單元，其構造變形特征與渤海灣盆地形成過程及動力學背景息息相關。渤海灣盆地分布于華北地臺中東部，長期以來受東南部古太平洋板塊運動的影響而表現出構造演化過程復雜的特點[15-16]。中生代晚侏羅世-早白堊世，古太平洋板塊NWW-NW向俯沖到歐亞板塊之下，促使研究區內成盆前的一系列NNE-NE向的先存斷裂及NW向變換構造形成；新生代古新世-始新世，即沙河街組沉積期，古太平洋NW向俯沖，先存斷層發生斜向伸展和伸展作用，控制了一系列新生NE向斷層的形成；漸新世，即東營組沉積期，古太平洋SN向俯沖，區域應力場方向發生轉變，控制NE-NNE向斷層再活動的同時，部分區域形成近E-W向斷層。最后太平洋板塊后撤作用導致區域上經歷裂陷后的熱沉降過程，控制前期發育的各走向斷層發生伸展、斜向伸展變形。

5 結 論

a.南堡凹陷Ⅱ號、Ⅲ號構造帶是典型的伸展變形樣式，平面上斷層沿NEE向展布，以走向平行對傾式為主要斷裂組合特征，剖面上整體表現為受控于NW傾向的主干邊界斷層，深部呈“塹壘式”、中淺部呈“似花狀”的構造。

b.南堡凹陷Ⅱ號、Ⅲ號構造帶垂向上根據斷層活動時期可劃分為3期斷裂系統，分別為基底先存斷裂系統、晚期新生斷裂系統和長期活動斷裂系統。

c.基底先存F2、F3斷層潛伏于構造帶基底，受東三段泥巖層的分隔作用，與晚期新生斷層形成耦合關系。沙河街組沉積期，F2、F3斷層與新生NE向的F2-1、F2-2和F3-1斷層在深部發生連接構成鏟式扇組合，繼承性活動誘導淺部次級正斷層的形成，間接控制淺部構造帶的發育。東營組沉積期由于太平洋板塊俯沖方向由NW向轉變為近NS向，導致研究區內應力場方向發生轉變；原NNE、NE走向斷層在近NS向伸展作用下發生斜向伸展，東營組底部厚層泥巖的分布使巖層力學性質發生變化，造成斷層發生幾何形態上的轉變，晚期一系列NEE向新生斷層作為次級斷層與先期主干斷層共同構成密集斷裂帶。