地质力学学报  2009, Vol. 15 Issue (4): 385-395
引用本文
李红南, 刘伟, 蔡传强, 刘泽蓉. 豫冀鲁不同级序旋扭构造体系和油气富集规律[J]. 地质力学学报, 2009, 15(4): 385-395.
LI Hong-nan, LIU Wei, CAI Chuan-qiang, LIU Ze-rong. ROTATIONAL SHEAR TECTONIC SYSTEMS IN DIFFERENT LEVELS AND THEIR RELATION TO HYDROCARBON ENRICHMENT RULES IN HEBEI, SHANDONG AND HENAN PROVINCES[J]. Journal of Geomechanics, 2009, 15(4): 385-395.
豫冀鲁不同级序旋扭构造体系和油气富集规律
李红南1 , 刘伟2 , 蔡传强3 , 刘泽蓉1     
1. 中国石油大学(华东)地球资源与信息学院,山东 东营 257061;
2. 中国石化中原油田采油二厂,河南 濮阳 457532;
3. 中国石化胜利油田胜利采油厂,山东 东营 257051
摘要:新华夏系第二沉降带华北沉降区受郯庐断裂中新生代应力方式及应力场的影响,广泛发育了不同级序旋扭构造体系,控制了不同级序复式油气聚集区带的形成分布。油气主要富集在内旋回层和撒开端,弧形断裂内侧和构造运动活跃期形成的低级序扭动构造中,对指导油气勘探开发有重要意义。
关键词旋扭构造体系    郯庐断裂    不同级序同生断裂    应力场    油气富集规律    
文章编号:1006-6616(2009)04-0385-11
ROTATIONAL SHEAR TECTONIC SYSTEMS IN DIFFERENT LEVELS AND THEIR RELATION TO HYDROCARBON ENRICHMENT RULES IN HEBEI, SHANDONG AND HENAN PROVINCES
LI Hong-nan1 , LIU Wei2 , CAI Chuan-qiang3 , LIU Ze-rong1     
1. College of Geo-Resources and Information, China University of Petroleum, Dongying 257061, Shandong, China;
2. Zhongyuan Oilfield Company, SINOPEC, Puyang 457532, Henan, China;
3. Shengli Oilfield Company, SINOPEC, Dongying 257051, Shandong, China
Abstract: With the effect of stress and stress field in Tanlu fault in Meso-Cenozoic, tectonic systems of various rotational shear structures are developed extensively in Huabei depression area in the second depression zone of new Cathaysian, which controls the generation and distribution of duplex hydrocarbon accumulation zones in different degrees. Oil and gas are concentrated in the inner cycle bed, divergent places, inner part of the arc faults and the lower-order twisting structures formed in tectonic movement active phase, which has important guiding significance in oil and gas exploration and development.
Key words: rotational shear tectonic system    Tanlu Fault    syngenesis faults in different degrees    stress field    hydrocarbon enrichment rules    

隶属新华夏系第二沉降带的华北地区近年来深入进行过不少石油地质研究工作[1~15]。华北盆地位于郯庐断裂西侧,因郯庐断裂中新生代应力方式及应力场的影响,伴生或派生了巨、大、中、小、微型等不同级序旋扭方式及应力场,形成不同级序的旋扭构造体系[16~18]。豫冀鲁旋扭构造体系由鲁西旋扭砥柱和不同级序的旋扭层组成,控制了区内不同级序复杂构造带、岩相带及其油气聚集区带的形成、分布和富集。本文简要论述不同级序旋扭构造体系及其控油规律。

1 豫冀鲁巨型旋扭构造体系和油气富集规律

豫冀鲁巨型帚状构造体系位于新华夏系第二沉降带华北沉降区,北以宝坻一禾亭断裂与阴山炜向带毗邻,东以郯庐断裂与新华夏系第二隆起带相邻,西以太行山东麓断裂与新华夏系第三隆起带为界,南以济源一枣庄断裂与秦岭炜向带北支相接,横跨河南、河北、山东三省,面积约22×104km2, 是与我国西部陇西系相媲美的巨型帚状构造体系。

豫冀鲁巨型帚状构造体系由鲁西隆起砥柱和济阳一临清坳陷、埕宁隆起、黄骅坳陷、沧县隆起、冀中坳陷等5个旋回层组成。鲁西砥柱北部的山脉走向、地层产状、构造线展布、岩浆岩带和矿产分布等均呈向北凸的半环状。各旋回层中的隆起和坳陷带、构造(断裂)带、岩相带、油气田乃至油气藏等均围绕鲁西砥柱呈向北东撒开、南西收敛的帚状展布,收敛端位于东濮凹陷黄河南地区(图 1)。

图 1 豫冀鲁巨型旋扭构造体系和油气分布图 Figure 1 Tectonic system of macroscopic rotational shear structures and its relation to the distribution of hydrocarbon in Hebei, Shandong and Henan provinces

据新华夏系第二沉降带华北沉降区的沉积和构造、中新生代岩浆岩建造、地层接触关系、古生代地层变形和断裂发育、古潜山形式分布和古一新近系油气藏形成分布等7大方面的综合研宄,均表明该巨型帚状构造体系经历了燕山和喜马拉雅运动复杂的动力活动和作用[16, 18],表现出明显的“构造反转”特征。晚侏罗世,太平洋板块活动取代了扬子板块、西伯利亚板块活动对华北地区构造演化的控制地位,华北地区东西成带、南北分块的滨太平洋构造域已基本形成[19~20]。由于太平洋板块对中国大陆的消减俯冲,华北东部整体处于压扭性背景,出现了郯庐断裂的左行走滑运动,致使郯庐断裂带以西的地区处于左行剪切应力场[21~24],进而发育了一系列的NW、NWW向张性断裂系统及雁行排列的小型断陷盆地[25~27],形成了压扭性豫冀鲁巨型帚状构造体系的雏形。晚白垩世初期(距今90Ma),太平洋板块的高角度正向俯冲,形成了以伸展为主的张性到扭张性应力场[28~30],至新生代,由于印度板块与欧亚板块碰撞和太平洋板块由NNW向转为WNW向俯冲,华北地区夹持于喜马拉雅与环太平洋构造域之间,处于右旋走滑一引张应力场[31]。压扭性至张扭性应力场的演化(图 2),改造了豫冀鲁巨型帚状构造体系的中生代早期构造格局,导致该帚状构造体系展布区内发育了众多不同级序的张扭性同生断裂控制的隆起和坳陷带、构造带、岩相带,控制了古一新近系油气富集带的形成和分布。

①鲁西舐柱;②济阳坳陷轴线;③埕宁隆起轴线;④黄骅坳陷轴线;⑤沧县隆起轴线;⑥冀中坳陷轴线 图 2 中新生代动力学环境示意图 Figure 2 Sketch map of dynamic environment in Meso-Cenozoic

豫冀鲁巨型帚状构造体系的应力方式、应力场,控制巨型复杂的复式油气区带的形成分布[16~18]。其油气富集规律有如下特点:

(1) 从巨型旋扭构造体系的撒开端和收敛端来看,油气主要富集在旋扭构造体系的撒开端,特别是在距撒开端三分之一的部位,不仅形成和分布的油气田数量多,而且油气富集程度高、储量大,产能也大(见图 1)。虽然油气的运移和聚集必须要有一定的应力驱动,但在地应力相对集中的地区又常不利于油气的聚集和富集。因旋扭构造收敛端应力较集中,故常不是油气富集的有利地区。

(2) 从巨型旋扭构造体系的内外旋回层比较来看,内旋回层比外旋回层油气富集程度高,产能也高。如内旋回层的济阳坳陷,开始形成于晚侏罗世,古近纪之后,郯庐断裂派生的张扭应力场使坳陷在大幅度张开的同时剧烈下沉,沉积了近万米厚的陆相含油层系,发育多个生储盖组合[23~2431]; 。目前发现了近70个油气田约2000多个油气藏,累计探明储量接近40亿吨。而外旋回层的冀中坳陷,古近系沙三段主要生油岩系最厚可达4000, 以上[32],已发现油气田仅为48个,累计探明储量为9亿吨左右。

(3) 从组成豫冀鲁巨型旋扭构造体系的断裂分布来看,同生断裂下降盘弧形断裂内侧、两组扭裂面相对倾斜的前方和主断裂一侧分支构造常有利于形成良好的储油构造,有利于油气聚集和富集。从各断裂发育时期来看,在构造运动活跃期和成藏期成生的断裂及其伴生的低级序构造,有利于油气的聚集和富集。

2 冀鲁区大型旋扭构造体系和油气富集规律

大型旋扭构造体系主要分布在豫冀鲁巨型帚状构造体系的济阳坳陷、黄骅坳陷、冀中坳陷等3个大型坳陷旋回层和2个隆起旋回层中,因隆起旋回层油气极少,仅研究坳陷旋回层和油气的关系。3个坳陷旋回层均由低级序的凹陷和凸起组成。如济阳坳陷为两凸三凹次级旋回层,自南向北为临南一东营凹陷带;林樊家披覆背斜一滨县凸起一陈家庄凸起带;滋镇一阳信一沾化凹陷带;无棣一义和庄凸起带;车镇凹陷等5个旋回层组成。黄骅坳陷为一凸两凹次级旋回层,自东南向西北为盐山一常庄一歧口一埋北凹陷带;徐杨桥一孔店一北大港一灯南构造带;南皮一沧东一板桥一北塘一乐亭凹陷带等3个旋回层组成。冀中坳陷亦为一凸两凹次级旋回层,自东向西为武清一霸县一饶阳一南宫凹陷带;大兴一牛驼镇一高阳一博野(构造带)一南宫凸起带;北京一保定一石家庄凹陷带等3个旋回层组成。这些低级序旋回层的凸起、凹陷、构造带、断裂体系、岩性岩相带和油气富集带展布仍为南西收敛、北东撒开的帚状面貌(图 3)。

a.济阳坳陷;b.黄骅坳陷;c.冀中坳陷 图 3 大型旋扭构造体系和油气分布图 Figure 3 Tectonic systems of large rotational shear structures and their relation to the distribution of hydrocarbon

在临近鲁西砥柱的济阳坳陷旋回层内,因旋扭应力场发育,各类构造线常为弧形展布,同时曲率最大,黄骅坳陷次之,远离鲁西砥柱的冀中坳陷旋回层,因直扭应力场发育,各类构造线曲率常较小,多为雁列,表明鲁西砥柱旋扭应力场对大型旋回层的控制作用。

以济阳坳陷为例,大型旋扭构造撒开端的东营和沾化凹陷,构造活动强烈,凹陷持续时间长,沉积了巨厚的暗色生油岩系,发育多套生储盖组合,油气较为富集,东营凹陷油气地质储量达19.2×l08t,发现4个亿吨级储量的大油田,沾化凹陷油气地质储量为12.6×l08t,发现3个亿吨级储量的大油田。收敛端的惠民凹陷构造和火山活动强烈,其北部和东部地区的生油层遭受剥蚀;外旋层车镇凹陷发育缓慢,有机质丰度和成熟度偏低。两凹陷的油气相对贫乏,油气地质储量均小于3×108t。

豫冀鲁区大型旋扭构造体系是巨型帚状构造体系应力方式、应力场在晚侏罗至新近纪明化镇组沉积期发生复杂的演化,在各凹陷旋回层中伴生或派生出复杂的大型低级序应力方式、应力场的产物。控制研究区内大型复杂构造带、构造岩相带、火山岩带和大型复式油气聚集带的形成、分布与演化,其控油规律与豫冀鲁巨型帚状构造体相似。

3 豫冀鲁区中型旋扭构造体系和油气富集规律

因研究区低级序旋扭应力场极活跃,导致各旋回层中低级序的中型旋扭构造也很发育。中型旋扭构造体系是发育分布在各大型凹陷带中的低级序的复杂二级构造,常为三级复杂同生断裂构造带、断裂带、洼陷和突起带、火山岩带、岩性岩相带等组成。如东营凹陷中的陡坡带、洼陷带、中央隆起带和缓坡带,惠民凹陷北部的陵县一阳信陡坡带、洼陷带,临盘一商河中央隆起带、临南洼陷带和缓坡带等。

因各二级构造中发育了不同时期、不同规模、不同强度、不同应力方式、应力场的同生断裂,导致研究区三级(中型)旋扭构造体系的成生发展。它们不仅控制研究区各凹陷二级构造带的复杂构造格架和演化,还控制豫冀鲁区中型复杂油气富集带、油气田。如冀中坳陷的任丘潜山带,黄骅坳陷的徐杨桥一灯南构造带均为左行斜列的多字形构造[33]。济阳坳陷次级突起、洼陷带也常为左行斜列式排列。在其收敛端常发育中型的旋扭构造体系[34, 35]。如惠民凹陷临一商构造具向南西收敛、向北东撒开的帚状特征。它由临南洼陷旋涡和3个北凸断块群旋回层组成,在临南洼陷伴生的背斜顶部地层由老至新自东南向西北方向位移,表明是内旋反扭、外旋顺扭的右行压扭性构造体系。该帚状构造控制临盘、商河油田断块油气藏、岩性油气藏、火山岩油气藏及其它复合油气藏的形成分布,油气主要富集在内旋回层和撒开端。油田开发动态数据表明,它们还控制特高含水期剩余油分布及油田开发地质环境污染和地质灾害的形成(图 4)。又如东营凹陷北部陡坡带,是一个向北凸出的弧形构造带,在弧形内侧发育滨南断阶带、利津入字形构造、胜坨逆牵引背斜和永安镇断阶带等,为济阳运动期左行张扭性应力场转变为东营运动期右旋压扭性应力场的产物,受豫冀鲁区巨型旋扭构造应力场的控制[36]。在压扭应力作用下,早先形成的同生断裂具备良好的断层封闭性,从而形成了滨南、利津、胜坨和永安镇等油气富集区(图 5)。

图 4 临商中型旋扭构造体系和油气分布图 Figure 4 Tectonic system of medium rotational shear structures and its relation to the distribution of hydrocarbon in Linshang area

图 5 东营凹陷北部弧形构造带与油气分布图 Figure 5 The arc structure zone and its relation to the distribution of hydrocarbon in north Dongying Sag
4 豫冀鲁区小型旋扭构造体系和油气富集规律

豫冀鲁区的小型旋扭构造体系主要发育分布在该巨型帚状构造体系各凹陷带中的第四级复杂构造带或复杂构造区。常为四级复杂同生断裂构造带或构造区块、洼陷突起带端部、火山岩带、岩性岩相带等组成。

如东营凹陷中央隆起带西南端现河庄帚状断裂构造体系为豫冀鲁区巨型帚状构造体系派生的第四级低级序小型旋扭构造断块群,其应力活动方式与豫冀鲁帚状一致,并受其构造应力场控制,在新生代时期为右行压扭性扭动[37~38]。该构造北以河4大断层为界、南为河68大断层,面积约120km2, 北部的民丰次洼为旋扭核心,南部的4个微弧形南凸断块呈向北东收敛、南西撒开的帚状展布(图 6),剖面为向北西节节下掉的断阶带。故油气田(藏)在平面上呈帚状分布,北东部收敛端油气分布范围窄,地质储量相对小,如河68区块约为542 × 104t、河50区块约为554 × 104t。西南部撒开端含油气范围宽散,含油面积大,地质储量也大,如梁11区块和河60区块均大于950 × 104t,河4区块也达867 × 104t。纵向上沿规模大、切割深的大断层附近油气丰度高,含油层系多,小断层附近油气分布少。

①河50放射状断裂体系;②河68墙角状断裂体系;③河31平行弧形断裂体系;④河125末端入字形断裂体系;⑤河10断阶状断裂体系 图 6 现河庄小型旋扭构造体系与油气分布图 Figure 6 Tectonic system of small rotational shear structures and its relation to the distribution of hydrocarbon in Xianhe area

此外,因小型构造体系中发育不同规模、不同强度、不同应力方式、应力场的断裂,导致研究区更低级的旋扭构造体系较为发育,使得油气富集和形成期也极为复杂。常见的有帚状、雁列式、锯齿状弧形、棋盘格式、微弧形、放射状、环状、入字形等构造(图 7),亦是晚侏罗纪至新近纪明化镇组沉积期间高级序应力场的形成演化,伴生或派生的低级序旋扭应力方式和应力场的产物。如现河庄帚状断裂构造体系的收敛端发育河50放射状断裂体系,中段发育河31平行弧形断裂体系,在撒开端发育河125末端入字形断裂体系等(图 6)。油藏常常置于断层和地层构成反向屋脊部位,断层弧形段弧湾内侧,两条或两条以上断层交汇部位,少数出现于断层侧现部位,断层尖灭再现部位及断层尾端和断层转换处。

图 7 五级旋扭构造体系与油气分布示意图 Figure 7 Tectonic systems of fifth degree rotational shear structures and their relation to the distribution of hydrocarbon

因小型或更低级旋扭构造体系内各类断块的特征和形成机制不同,导致各自成藏条件、成藏环境和成藏期各不相同,不仅油气聚集规律、富集程度和控制因素不相同,而且注水开发油藏的剩余油形成与富集规律,乃至开发地质环境污染和地质灾害形成分布和破坏性也存在差异。

总体上,豫冀鲁不同级序的旋扭构造展布区内同生断裂极为发育,主要为NNE、NEE、近EW、NW-NWW向等断裂,常为锯齿状弧形展布,缘于旋扭构造成生、发展过程中,沿新华夏系早期的NE、NEE压扭性和NW张、张扭性两组扭裂面追踪演化而成。在两组扭裂面相背倾斜的部位常为山脊,为物源区。在两组断裂面相向倾斜的部位常为沟谷,是河流发育的地区,沉积发育了不同成因类型的储集体,也是各油气藏聚集和富集的场所。

5 结论和认识

(1) 华北沉降区广泛发育了豫冀鲁不同级序旋扭构造体系,为旋扭核心和隆起、坳陷等旋回层组成,高级序旋扭构造体系常为帚状或雁列,低级序的旋扭构造体系类型复杂多样。

(2) 豫冀鲁不同级序的旋扭构造体系是新华夏系构造成分受郯庐断裂中生代左行扭动和新生代右行扭动伴生和派生的不同级序旋扭应力场影响的产物。

(3) 豫冀鲁区不同级序的控油同生断裂,是新华夏系早期的两组扭裂面联合复合的产物,常为弧形展布。在不同级序同生断裂下降盘,两组扭裂面相向倾斜的前方常发育了不同成因类型砂体,是断块油藏、岩性油藏及复合油藏发育的部位。

(4) 油气常富集在内旋回层撒开端,同生断裂下降盘,两组扭裂的相对倾斜的前方及弧形断裂内侧构造运动活跃期或成藏期成生的低级序旋扭构造体系。

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