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东濮凹陷北东向断裂系形成机制与油气关系 樊满仓 中国石化集团中原油 田物探 公司 ，河南省濮阳市 4 5 7 0 0 1 摘要东濮凹陷由于构造运动，由简单的单断凹陷演变成为中隆两洼一斜坡构造格局，所产生的不同断裂系相互 交织切割，区内主要是北东向张性断裂系，它具有雁行排列、渐变性、分区性、与正向构造相伴生以及发育在砂岩体边 缘的分布规律。 它的形成与区域张扭作用、 构造变动方式、 岩性因素以及应力条件的互换、构造背景和边界条件等有关， 北东向断层具有切割、改造构造的作用，使区内构造和油气成藏更趋复杂化，加大了油气勘探的难度。 关键词东濮凹陷；断裂系统；构造变动；构造背景；油气关系 中图分类号T E l l 1 ． 2 文献标识码A 东濮凹陷地处我国中原地区，位于渤海湾含油气 盆地南部。该 凹陷经历了中生代晚期的燕山运动和新 生代喜马拉雅运动等多幕构造运动，使区内由简单的 单断凹陷演变成为中隆两洼一斜坡构造格局， 所产生 的不同断裂系相互交织切割，形成了东濮凹陷构造破 碎复杂的局面。 该区古近纪属于拉张扭动型凹陷，主要发育北北 东、 北东、 北西向3 组断裂系统。 北西向断裂系统在凹 陷中偶有出现 ，但比较隐蔽 ； 北北东向断裂系统分布 广， 规模大， 控制着东濮凹陷的构造格局和油气分布 ； 北东向断裂系统受控于北北东向张扭性断裂 ，具有派 生、 晚期的性质， 其延伸距离一般较短 ， 走向上断续分 布。 由于北东向断层对于构造的切割 、 改造 ， 促使构造 更趋复杂化，给断层的正确解释和平面组合造成了困 难。 东濮凹陷勘探至今， 积累了丰富的资料， 在此基础 之上， 笔者探讨北东向断层的分布规律及其形成机制， 对于该凹陷断块油田的油气勘探和评价是有益的。 1 分布规律 东濮凹陷的北东向断层十分发育， 在北 自文明寨， 南到三春集， 东至兰聊断层， 西到长垣、 石家集等断层 的区域内广泛分布。 从北向南可以划分7 个北东向断裂 系， 即文明寨断裂系、 文留北部一胡状集断裂系、 刘庄 断裂系、 桥 口～ 白庙断裂系、 徐集一唐庄断裂系、 马厂 断裂系和三春集断裂系。它们和区域构造走向一般呈 4 0 。 ～4 5 。 锐角交角关系 图 1 。 众多的北东向断层的断面一般为区域性北倾。部 分地区存在断面南倾的断层，唐庄断裂系的东段和胡 状集断裂系即属此类。 这些断裂系具有以下分布规律。 东濮凹陷北东向断裂系的基本分布规律是从北向 南呈右行雁行排列 ，从文明寨断裂系到三春集断裂系 由西向东依次错移 图 I 。 北东向断裂系间距在凹陷中由北向南存在明显的 渐变性。 从北部的文明寨地区到南部的三春集地区， 断 裂系间距由1 8 k m逐渐变为5 k in， 断裂系的排列密度由 北至南从稀疏变为紧密。这种地质特点导致凹陷南部 的北东向断层相对密集。 与此同时 ， 断裂系还存在明显 的分区性。 以刘庄一 习城集一线为界 ， 把东濮凹陷分为 第一作者简介樊满仓，男，工程师，1 9 8 1 年毕业于石油物探学校，从事地球物理勘探工作。 收稿 日期 2 0 0 8 -0 3 2 0 {修改 日期 2 0 0 8 -0 4 - 2 4 ， r 中国石油勘探 2 30 8 年第6 期2 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图1东濮凹陷断裂系统图 Fi g． 1 Th e r i f t s y s t e m o f Do n g pu s a g 两个区， 北区断裂系间距为 1 8 k m， 南区断裂系间距为 5 ～7 k m。 1 ， 3 s正向构造相伴生 东濮 凹陷的北东向断层和正向构造密切相关。凹 陷南部的正向构造及洼陷中的高鞍部之上北东向断层 大量发育。凹陷北部此类断层主要分布于正向构造的 倾没端。胡状集一庆祖集地区的北东向断层则发育在 大型半背斜之上， 且从西向东沿断阶斜坡越来越发育。 与此相反，长期大幅度稳定沉降区 如前梨园洼 陷 北东向断层不发育， 仅在古近纪晚期的地层中有零 星分布。 1 。 4 一般发育在砂体边缘 东濮凹陷受不同方向物源控制的各类砂岩体十分 发育，它们通过时空叠加构成了数量众多的复合砂岩 体。在砂岩体的边缘 ，往往是北东向断层的发育带。 2 形成机制 北东向断裂系的形成受区域应力场、构造变动方 式、边界条件、岩性岩相变化等多种因素控制。因其 具有派生与后生的性质，对于各类圈闭具有生成和改 造的作用【 1 。 因此对构造的形成演化、 构造与沉积的相 关性 圈闭的配套条件以及油气的聚集和分布均有影 响。 2 ． 1 区域张扭4 A ff 中生代早期，库拉板块对亚洲板块发生北西向斜 向俯冲， 带动郯一庐断裂发生左行扭动 ， 引起大断裂的 东盘向北滑动 ，西盘向南滑动，导致了华北地台的拉 张。 古近纪 ， 太平洋板块向西俯冲， 区域应力场发生了 根本的转变， 郯一庐断裂呈右行平移运动， 区域应力场 从中生代的左行压扭转变成为右行张扭。右行张扭的 旋转型剪切应力， 使地质体内部和外部发生旋转。 这对 2 7 N o 6 2 0 0 8 C h in a P e tr o le u m E x p lo r a t io n 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 力偶可以分解为拉张和挤压分力。因为东濮凹陷属于 拉张扭动型凹陷， 主要表现为以拉张为主的扭动作用 ， 普遍发育的是北北东向和北东向断层。 从理论上而言，一个统一构造单元不因塑性形变 而过分加大区域张扭应力的程度，彼此垂直的联合应 力就与其成4 5 。 交角的扭力相等。 在此种应力状态和地 质条件下， 可以形成和区域扭动方向近4 5 。 交角的、 雁 行排列的北东向张性断裂系 图 1 。 东濮凹陷的北东向断裂系统 ， 符合上述应力条件， 是区域右行张扭应力作用的结果。 2 ． 2 构造变动方式 不同的构造变动方式和由此产生的各种构造背景， 制约着北东向断裂系的发育。 在古近纪郯一庐断裂发生右行张扭的同时 ，位于 渤海湾地区中央隆起带南端的内黄隆起加速隆升，结 果使其两侧产生了强大拉张力，此时兰聊古断裂就成 了抗张强度最薄弱的地带而被拉开。拉开后的兰聊断 层下降盘地层大幅度下倾陷落向内黄隆起方向翘起[ 2 】 。 随着东倾单断的东濮凹陷拉张量的不断加大，兰聊断 层的水平断距也相应增大 ， 拉张带加宽。凹陷边拉张 、 边沉降、 边翘倾的过程 ， 就是张应力不均衡积累和释放 的过程。 当拉张强度达到极限时， 凹陷内就产生了和兰 聊断层近于平行的西倾黄河断层。 在此种应力背景下， 兰聊、 黄河断层夹持的断块体发生了大幅度抬斜旋转。 区域持续拉张和断块体的抬斜旋转，使断块体的表面 宽度不断减小 ， 其结果加大了断块体内部的张应力， 从 而具备了形成于中央隆起带之上的北东 向张性断裂系 的构造应变条件 图2 。 图2北东向断裂应变条件分析图 F ． 2 S t r a i n c o n d i t i o n s a n a l y s i s o f t he NE r i f t s A一拉张带 ；B一视旋转幅度 拉张作用和抬斜作用是正相关关系，二者互为因 果 。中央隆起抬斜带上的正向构造和洼陷高鞍附近成 了张应力的主要聚散平衡部位。长期继承性张应力的 叠加效应，最终导致了正向构造及负向构造高鞍附近 ， r 中国石油勘探 2 0 0 8 年第6 期2 8 北东向张性断层的大量发育。凹陷南部此种地质特点 最为明显。 内黄隆起的隆升和兰聊、 文 卫 西断层之间的断 块体的大规模抬斜 ， 加剧 了区域拉张和差异升降， 西部 斜坡向隆起方向翘起 ，向凹陷方向倾斜诱发的水平分 力和垂直分力导致了西部斜坡的重力滑动 ，造成了海 通集、 柳屯等洼陷自西而东的多期陷落 ， 形成 了马寨到 庆祖集的西部断阶斜坡。 位于海通集一柳屯洼陷北部的相对晚期的柳屯洼 陷的陷落，引起地层的东倾向洼滑动，加剧 了拉张作 用 ， 使得长垣 、 石家集、 五星集等断层的走向在此区由 北北东朝北东向偏转，并有一系列北东 向次级断层在 其附近发育。它们控制海通集洼陷不同地质时期的沉 积中心和断阶斜坡的范围 自西向东推移。重力剪切滑 动引出的拉张应力加强了斜坡带的区域引张 ，使石家 集、长垣等断层的两盘出现了一系列北东向张性羽状 断层 图 3 。由于后期构造活动从西向东强度加大和 沉积负荷的缘故，重力作用下的剪切滑动量同样表现 为西小东大。 因此， 胡状集一庆祖集断阶带上的北东向 断层也是从西向东越来越发育。 图3北东向张l生羽状断层分布示意图 F i g． 3 Ma p s h o wi n g t h e di s t r i b u t i o n o f NE f e a t u r e e xt e n s i o n a l f a u l t s A一 反向正断层、抬斜旋转 ；B一 同向正断 层、重力滑动 2 ． 3 岩性因素 沉积岩的岩性在横 向上存在着不均一性 ，且其成 岩段又必然经历压实。 一般情况下， 泥质岩压实量大于 砂岩 低渗透泥页岩呈超压状态时除外 ， 二者的压实 比可达 1 0 1 。所以说沉积岩的压实作用在横向上存在 差异是肯定的。 东濮凹陷属于封闭性的沉积 凹陷。进入 凹陷的砂 体 尤其是前积推进的三角洲砂体 总是覆于塑性层之 上， 使岩层密度呈现上大下小的状态。 由于上覆层厚度 的横向变化 ， 使下伏层承受的地层静压力有所不同， 砂 岩体边缘成了地层岩性变化带和地层静压力变化带的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 复合区。 此时砂岩体边缘的负荷差很大， 引起下伏塑性 层受压向前滑动， 导致砂岩体边缘发生沉陷 图4 。 砂 岩体边缘沉陷是局部引张加强，以及区域张应力交互 作用的结果 ， 在砂岩体边缘形成了一系列北东 向断层。 图4砂岩体边缘断层分布示意图 Fi g． 4 Ma p s ho wi n g t he f a u l t d i s t r i b u t i o n o n t he m a r g i n o f s a n d b o d i e s 这种在区域张应力背景上因砂岩体的分布所产生 的差异负荷和滑动作用，是东濮凹陷砂岩体边缘北东 向断层大量发育的重要原因之一。 3 北东向断裂系间距变化的控制因素 3 ． 、 不同构造体系的交接作用 东濮凹陷作为北北东向的渤海湾盆地南缘的一个 次级构造单元 ， 与太康东西向构造带近直交相接。 形成 时间较早的近东西 向构造带和形成时间较晚的北北东 向构造带的应力交互导致的构造变动 ，使处于交接部 位的东濮凹陷尤其是 凹陷南部的构造应力得以加 强， 构造变动表现强烈；而距交接部位较远的凹陷北部则 相对变弱。 在此应力背景下， 凹陷南、 北部的北东向张性断裂 系的密度比近于 4 1 ，南部大于北部。 3 ． 2应力变换因素 古近纪郯一庐断裂发生右行扭动 ，带动了兰聊断 层的区域张扭。 由于平移作用逐渐加强 ， 沿东濮凹陷向 北扭动方向扭应力也逐渐加大 ，使兰聊断层平面展布 沿向北扭动方向变得较平直 白庙以北 ， 其断层断面 产状变陡， 垂直运动变强， 凹陷断陷幅度变大。 凹陷北 部兰聊断层下降盘长期稳定沉降 ，各负向构造如前梨 园、 濮城等有利生油洼陷发育。 凹陷南部处于兰聊断层 张扭作用的初始端， 其早期外部旋转较弱， 主要表现为 拉张作用。 地层被拉开之后 ， 扭动作用逐渐加 强。 与凹 陷北部相比，凹陷南部表现出的以拉张为主的扭动更 为明显 ， 兰聊断层的表现也有所不同， 具有弯曲不规则 展布 ，以及水平断距大、断面缓和拉张带宽的特点。 沿兰聊断层扭动方向的应力变换 ，是导致 凹陷南 部北东向张性断裂系密集和北部稀疏的因素之一。 3 ． 3 构造背景和边界条件的控制作用 右行张扭使东濮凹陷受力失去平衡 ，并首先使地 层发生弯曲变形，随着应力的加强和构造变动的加剧 所产生的文西、 卫西、 黄河等北北东向断裂系， 控制构 造 由北而南呈雁列式向东错移。兰聊断层与黄河等断 层的活动诱发的大规模区域拉张 ，是产生北东向断裂 系的必要条件。 与此同时， 构造背景和边界条件对北东 向断裂系也起着重要的控制作用。 位于中央隆起带北部的文明寨、 卫城、 古云集 、 濮 城、 文留等构造同属一个基底半背斜控制。 覆于其上的 古近系大型断块背斜形态仍然清晰。 受兰聊、 长垣等断 层控制的前梨 园、海通集等洼陷的大幅度陷落和文西 等断层的抬斜 ， 以及由此引起的断块体的差异升降， 使 隆起和洼陷的活动正比相关。其结果在侧向张应力作 用下， 隆起的张应力分布从隆起中部向两端加强， 隆起 两端张应力向洼陷扩张， 从而形成了前梨园、 海通集等 洼陷所包络的菱形体边缘分布的文北、刘庄等北东 向 张性断裂系。 处于卫城 、 濮城洼陷北端的文明寨一陈营 一 线的文明寨断裂系同样具有这种特点。 中央隆起带北部因属统一构造背景 ，以及受前梨 园、 海通集等洼陷和兰聊断层等边界条件限制， 使凹陷 北部北东向断裂系间距大于凹陷南部。 相反， 中央隆起带南部的桥I I 、 徐集、 马厂、 三春 集等局部构造均具有独立的基底构造背景 ，由于后期 的构造引张， 上述正 向构造普遍发生 了断块扩展 ， 其范 围延伸到了构造低鞍的两侧 ， 致使构造低鞍萎缩变窄， 正向构造扩大变宽 ， 形成了一系列以窄鞍部相隔的、 沿 正向构造分布的北东向张性断裂系。造成了凹陷南部 北东向断裂系小间距、密集分布的局面 。 4 北东向断层断面倾向变化的力学分析 东濮凹陷的北东向断层 ， 断面一般呈区域北倾， 从 力学分析的角度来看，右行张扭及其诱发出的北西向 张应力， 不但导致产生了大量北东向断层 ， 而且和右行 扭应力联合控制北东向断层顺扭动方向断落 ，反扭动 方向抬升 ，造成了北东向断面区域北倾[ 3 】 。 西部断阶斜坡带 出现 的断面南倾的北东向断层 ， 是 向洼陷的重力滑动作用派生出的张应力对区域张应 2 9 N o 6 2 0 0 8 C h in a P e t r o le u m E p I 。 r a t Io n 、 ’ - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 力加强的结果。唐庄地区的南倾北东向断层则是张扭 作用沿走向因兰聊断层出现弧顶向西的弧形弯曲，发 生局部地质条件的改变，使局部张应力增强的缘故。 北东向断层断面的区域北倾与局部地区的断面南倾， 是东濮凹陷所存在的右行扭动、区域引张、重力滑动及 边界条件变化等诸多因素相互作用的综合地质效应。 5 北东向断层与油气的相关分析 5 ． 1 油源条件 因为北东向断层属于张性断层，所以从其北疏南 密的分布特点，可以判断东濮凹陷张性构造变动具有 南强北弱的特点。 在凹陷南部， 北东向断层一直延伸到 兰聊断层， 葛岗集洼陷和固阳洼陷被严重切割， 生油洼 陷不但破碎， 而且规模变小。而凹陷北部 ， 前梨园、濮 城、海通集、柳屯等生油洼陷因少有北东向断层切割， 生油洼陷较完整 ， 规模也大。 从构造控制沉积的观点来 看， 北东向断层发育 ， 张性构造变动强烈的凹陷南部， 远比凹陷北部沉积环境动荡。 沉积相分析表明， 凹陷北 部主要为浅湖一深湖相，凹陷南部贝 0 以滨湖一浅湖相 为主 ，半深湖相局限于兰聊断层一侧。 综上可知，北东向断层的分布与生油洼陷和沉积 环境密切相关 ，凹陷北部的油源条件优于南部。 5 ． 2 构造的圈闭性 北疏南密分布的北东向断层， 同样影响着局部构造 的圈闭性 。 凹陷北部大量发育的是北北东向的张扭性断 层， 北东向张性断层稀疏， 张性构造变动相对微弱， 构 造的圈闭性好。 凹陷南部北东向断层密集， 张性构造变 动剧烈， 众多的北东向断层严重切割了北北东向张扭性 断层，导致构造破碎，降低了构造对油气的圈闭性。 5 ． 3 油气分布 南强北弱的张性构造变动和南密北疏的北东向断 层的分布同样与油气的分布密切相关，这可以从石油 资源量、 探明储量和产量的南贫北富、 南低北高的分布 状况得到证实。 断层的封闭性直接关系到断块储油圈闭的优劣。 一 般说来 ， 张性断层是开启性的， 它对于油气的保 存是不利的 ；但是有利的应力环境和地质条件可以对 ， r 中国石油勘探 2 o 0 8 6 期 3 0 其加以改造，使之成为有利的圈闭因素。 在东濮凹陷 ，影响和改变北东向断层封闭性的主 要因素有以下几方面。 5 ． 4 ． 1 应力环境 东濮凹陷北东向断层在形成早期均具有良好的开 唐眭； 但漫长的地史时期所经历的应力环境的变化， 使 相当一部分此类断层受到了程度不同的改造。 因为与凹陷扭动方 向同向的北倾北东向断层所处 的张应力环境较为单一 ，所以具有封闭性的多是此种 断层。 强张应力环境所发育的北东向断层一般都具有较 好的开启性 ， 应力复合区是形成强张应力环境的地区。 形成应力复合区的因素有两种 一种是由局部构造 变动方式的变化引起应力场变化的地区， 如西部断阶斜 坡带应力复合区就是因为海通集洼陷从西向东、 由老到 新的多期沉陷导致的重力滑动 ， 加剧了局部拉张 ， 才形 成了一系列倾向于洼陷的开启性的南倾北东向断层； 另 一 种， 如唐庄应力复合区发育的南倾北东向断层是兰聊 断层的走向变化引起东濮凹陷东部边界条件变化的结 果。从图5 可知， 反区域扭动方向的兰聊弧形断层段的 南侧压力相对集中， 如果这种力不足以改变局部构造的 性质，也可以导致构造发生一定程度的反时针偏转； 与 此同时 ， 顺区域扭动方向的兰聊弧形断层段的北侧张应 力却明显加强， 它和区域张应力联合使用发生的强张应 力场导致的张性构造变动表现为北东向断层十分发育， 而且断层多南倾于兰聊弧形断层北侧。 方向 向正断层 图 5兰聊断层应力分析图 F i g． 5 Ma p s h o wi n g t h e s t r e s s a n a l y s i s o f La nl i a o f a u l t 应力复合区的共同特点是局部应力场引发的张应 力和区域张应力相叠加，张应力较之其他地区明显加 强， 断层的开启性良好， 而且断面多倾向于东南力源方 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 向。 力学分析表明，新近纪该区处于区域压扭应力场 的控制之下 ，此时的压扭应力和古近纪的张应力分布 轨迹接近。 东濮凹陷作为一个统一的构造单元， 这种应 力场的转变使古近纪北东向断层的封闭性得到了改善， 部分此类断层甚至趋于封闭。晚期应力环境的变化对 于古近系上部的北东向张性断层的影响尤其明显『 4 1 。 5 ． 4 ． 2塑性层的遮挡作用 在东濮凹陷受北东向断层控制的断块构造中，现 已发现了不同级别的油气显示 ，有些获得了工业油气 流。 其中的一个重要原因是 ， 其所在地区的塑性层起 了 重要作用。它们对于减弱张性断层的活动强度起到了 一 定的抑制作用 ； 同时， 塑性地层的正向牵引变形增强 了断层的遮挡作用。 5 ． 4 ． 3沉积 负荷 东濮凹陷的张性断层构造之上一般都有 2 0 0 0 m 以 上的巨厚覆盖层， 它使断层面承受了巨大的沉积负荷 ， 从而加强了张性断层的封闭性。 5 ． 4 ． 4 断层 面物质 在巨大的压力下 ，碎屑物质沿断层产生滑动、碾 磨 ， 使断层面附近的碎屑物质发生物理 、 化学变化 ， 形 成断层泥， 致使断层具备了封闭条件。 同时， 地表水的 渗滤产生的次生矿物沿断层发生胶结作用，进一步加 强了北东向断层对于油气的封闭性。 5 ． 5油气运移的通道作用 应力复合区的北东 向断层具有开启性 ，是油气运 移的良好通道。例如应力复合区内的胡状集一庆祖集 断阶带的北东向断层，切割石家集等断层控制的半背 斜构造， 形成 了一系列断块圈闭。 来 自海通集洼陷的油 气通过北东向断层进入这些断块 圈闭聚集起来。因为 断块 圈闭属于顺向构造 ，高点偏于封闭性较好的石家 集、 长垣断层一侧， 北东向断层对断块构造主要起抬升 和控制断块构造规模及油气运移通道的作用，所以它 的开启性对断块构造的圈闭性影响不大。 开启性的北东 向断层还可能具有穿带作用 ，这是 一 种带有探讨性质的认识。例如 目前北北东 向的石家 集断层下降盘已建成了胡状集、 庆祖集油田， 但其上升 盘却至今未获得大的突破。人们已经普遍认识到了石 家集断层对油气的封闭作用。对于沙三 、沙四段 目的 层普遍存在，以及断块半背斜构造条件较好的石家集 断层上升盘， 晚期的北东向断层如能切穿石家集断层， 油气即可沿此类断层进入石家集断层上升盘的圈闭之 中 图6 。因此 ，如果一旦发现切割石家集断层的北 东向断层，就须立即沿断层上倾方 向追踪断块圈闭并 优先予以钻探。 如获突破， 将改变西部断阶斜坡带的油 气分布格局。开启性的北东向断层具有使油气逸散的 作用，西温寨构造以西的唐庄地区的开启性断层可作 为典型例子。处于应力复合区的唐庄地区的北东向断 层和兰聊断层相向而倾 ， 断面倾向于葛岗集洼陷方向。 来自葛岗集洼陷的油气沿北东向断层上倾运移，油气 进入断块后因相遇的仍是开启的南倾北东向断层，缺 乏如胡状集一庆祖集地区石家集断层之类的封闭性断 层，所以沿上倾方向的北东向断层只是起到了油气的 接替运移作用， 难以对油气形成有效圈闭。 这是同样具 备强张应力环境的唐庄地区成油条件不如胡状集一庆 祖集断阶带的重要原因。 因为后期应力环境等条件的改变 ，东濮凹陷的北 a 平面图 b 剖面图 图6石家集断层上盘油气聚集模式 F i g． 6 T h e u p f a u l t e d o i l a n d g a s a c c u mu l a t i o n p a t t e r n o f S h i j i a j i f a u l t 3 1 N o 6 2 0 0 8 C h in a P e t r o l e u m E x p l o ra t i o n 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m