西湖凹陷断裂系统特征及其控藏机制

摘 要

摘 要:东海陆架盆地西湖凹陷断裂系统复杂,断裂组合样式多样,前人较少涉及凹陷整体断裂系统及其对油气成藏控制作用的研究。为此,基于地震资料解释成果,系统研究了该区断裂的展布

 东海陆架盆地西湖凹陷断裂系统复杂,断裂组合样式多样,前人较少涉及凹陷整体断裂系统及其对油气成藏控制作用的研究。为此,基于地震资料解释成果,系统研究了该区断裂的展布特征和活动特征,探讨了断裂系统对油气成藏的控制作用。结果表明:以渐新统花港组底界和上中新统柳浪组底界为界,可将断裂系统垂向上分为下部(张性)、中部(压性)和上部(张剪性)3套断裂系统;下部张性断裂系统主要有断阶型、多米诺型、地堑、地垒等多种断裂组合样式,主要形成于凹陷裂陷发育阶段,断裂对沉积地层的控制(或改造)作用显著;中部压性断裂系统主要有正“Y”、反“Y”字形和简单后冲型断裂组合样式,形成于凹陷反转期,上盘地层存在不同程度的剥蚀;上部张剪性断裂系统剖面上为悬挂断裂,平面上呈带状和雁行状组合,形成于凹陷区域沉降阶段,对地层控制作用微弱。结论认为:断裂系统中不同性质的断裂对油气聚集的控制作用存在显著差异,深大断裂宏观上控制油气田的分布,裂陷期断裂是油气运移的主要通道,而反转期断裂形成有效圈闭,区域沉降期断裂则改造原生油气藏。

关键词东海陆架盆地  西湖凹陷  断裂系统  控藏机制  垂向运聚  晚期断裂  断裂组合样式  油气运移

Characteristics of the fault systems and their control on hydrocarbon accumulation in the Xihu Sag,East China Sea Shelf Basin

AbstractA fault system is one of the main geological factors controlling the formation and preservation of hydrocarbon reservoirsThe Xihu Sag in the East China Sea Shelf Basin is characterized by a complex fault system and multiple fault configurationsUnfortunatelyprevious studies have rarely focused on the overall fault systems and their control on hydrocarbon accumulationBased on the seismic interpretation of the whole Xihu Sagthis paper studied the control of fault systems on hydrocarbon accumulation in this sagThe following results were obtained(1)The faults can be grouped vertically into the lower(extensional)the middle(compressional)and the upper(extensional shear)fault systemswith the bottom of the Oligocene Huagang Fm and the bottom of the Upper Miocene Liulang Fm as the boundaries(2)The fault configurations of the lower fault system mainly include fault terrace typedoraino typegraben type and horst typeThey were mainly formed in the chasmic stage and played an important role in controlling and modifying the sedimentary strata(3)The fault configurations of the middle fault system are mainly“Y”shapedanti“Y”shaped and simple back thrusting typesThey were formed in the inversion stage and the strata in the upper hanging wall experienced erosion to different degrees(4)The fault configurations of the upper fault system are featured by suspended cross-sectionand ribbon and en echelon on map viewThey were formed during the regional subsidence and had insignificant control on the strataIt is concluded that different fault configurations in the fault systems played different roles in controlling hydrocarbon accumulationThe deep-rooted major faults exert different controls on the distribution of oilgas fieldsSpecificallythe faults formed during the chasmic stage acted as the major pathways for hydrocarbon migrationthe faults formed during the inversion stage controlled the formation of effective trapswhile the faults formed during regional subsidence modified the primary oilgas reservoirs

KeywordsEast China Sea Shelf BasinXihu Sagfault systemreservoir-controlling mechanismvertical migrationlate faultfault configurationhydrocarbon migration

断裂系统是指在特征构造单元中形成的各种不同性质的断裂组合,包括断裂间空排布、相互交切关系及成因联系等。断裂系统是控制油气藏形成和保存的主要地质因素[1-3],深化含油气盆地断裂形成和演化过程是认识油气成藏地质条件和探讨断裂对油气分布规律控制作用所必需的。

东海陆架盆地西湖凹陷在多期构造运动影响下,形成了一套复杂的断裂系统,断裂组合样式多样[4],张性和压性断裂组合共存。西湖凹陷断裂系统特征及其对油气成藏的控制作用前人多早有研究[5-11],但多是局限于个别期次或局部区带断裂对油气成藏的影响,较少涉及西湖凹陷整体断裂系统及其对油气成藏控制作用的研究。

为此,笔者在前人研究成果的基础上,根据西湖凹陷全区地震资料解释成果,在此基础上立足西湖凹陷整体断裂系统研究成果及认识,探讨断裂系统对油气成藏的控制作用,以期为该区下一步的油气勘探工作提供帮助。

1 区域地质概况

西湖凹陷以新生代碎屑沉积为主,凹陷中心最大沉积厚度可超过15000m。自下而上依次发育始新统平湖组以下地层(由于缺少钻井、测井、同位素、古生物等资料,地层属性尚难确定一古新统?)、古近系始新统平湖组(E2p)、渐新统花港组(E3h)、新近系中新统龙井组(N11l)、中新统玉泉组(N12y)、中新统柳浪组(N13l)、上新统三潭组(N2s)以及第四系的东海群(Qpdh)(1)

 

总体上,西湖凹陷可划分出3个构造带,即西部斜坡带()、中央一洼陷反转构造带(Ⅱ)(包括中央反转构造带与东、西次凹)以及东部断阶带(Ⅲ),各构造带又可进一步划分为一系列次级构造带或构造单元(1)。西湖凹陷总体沉积特征为宽缓地貌下海相、陆相复合沉积体系”和“双向物源、阶段海退、沉积物向凹陷中心推进”。始新统平湖组为开阔浅海及海陆过渡相沉积环境,发育潮控三角洲、辫状河三角洲、潮汐海岸等沉积体系;渐新统花港组为宽缓地貌下滨浅湖沉积环境,发育河流、湖泊多物源复合沉积体系。

 

西湖凹陷所属的东海陆架盆地形成于太平洋板块俯冲产生的弧后伸展环境,是由弧后深部物质上涌和软流圈上升造成拉伸形成的裂谷盆地。在演化特征上,西湖凹陷大体上经历了“裂陷®坳陷®反转®区域沉降”的演化过程,可以划分为4个构造演化阶段:盆地开始形成(古新世?)始新世裂陷期、渐新世坳陷期中新世反转期、上新世更新世沉降期。

2 断裂展布特征

21 断裂总体特征

西湖凹陷多数断裂发育于渐新世以前,即盆地开始接受沉积到平湖组沉积时期,断裂活动较强烈,始新世末的玉泉运动后断裂活动明显减弱。从发育时代看,有基底断层、盖层断层、长期活动性断层;从其展布看,大致存在NNENENW、近EW3组断层(2);从其性质主要有拉张性正断层、挤压性逆断层及剪切平移断层;从其影响范围来看,有区域性工级控盆大断层、控制凹陷内部构造带的Ⅱ级断层及控制断块圈闭发育的Ⅲ级断层。

 

22 断裂系统划分

西湖凹陷新生界发育古新统始新统、渐新统中下中新统和上中新统一第四系3个主要构造层,不同构造层断层发育存在显著差异。总体上,发育在这3个构造层内的断层段分别表现出张性、压性和张剪性特征。因此,以渐新统花港组底界和上中新统柳浪组底界为界,可将断裂系统在垂向上划分为下、中、上共3套断裂系统。

221下部张性断裂系统

主要发育在古新统始新统构造层,为基底卷入型张性正断层,断裂规模较大,在西湖凹陷全区均有分布(2-a)。在西部斜坡带和东部断阶带多为与主干断裂同向倾斜,表现出同向断阶式构造样式,局部伴生有滚动背斜的发育。断层走向NNE,与盆地主体走向一致,整体上为凹陷断陷期NW—SE向伸展的产物。

222中部压性断裂系统

主要发育在渐新统中下中新统构造层,为挤压型断裂,主要分布在西湖凹陷中央反转构造带及东、西次凹。压性断裂系统中的断裂主要由反转主断裂和伴生次级断裂两部分构成,反转主断裂发育在挤压作用最强的部位,多是在下部先存张性主断裂基础上活化、反转形成的,具有“下正上逆”特征,伴生次级断裂多是在反转过程中在主断裂周边由应力传导形成的,规模相对较小,与主断裂多构成反“Y”字形和简单后冲型断裂组合样式。此外,还多伴生发育大型挤压反转背斜。断裂走向多与主体构造走向平行(2-b),整体上为凹陷坳陷期NW—SE向挤压的产物。

223上部张剪性断裂系统

主要发育在上中新统一第四系构造层,为张扭型断裂。断裂走向为近E—W向,主要分布在中央反转构造带及西湖斜坡带的平湖构造带(2-c),这些断裂规模较小,延伸短,断距小,在我国近海盆地中普遍发育[12]。断裂一般不控制构造的形成,但可改变原有构造的某些特征并破坏构造的完整性[8],特别是在中央反转构造带南部,断裂切割较深,下延至T21界面(花港组下段地层中)。上部断裂系统是在凹陷区域沉降期东西向挤压应力逐步减弱过程中,南北应力调整不均衡作用下形成的。

23 断裂组合样式

231  张性断裂组合样式

西湖凹陷张性断裂组合样式在全区均有分布,断裂组合类型多样,有断阶型、多米诺型、地堑、地垒、“”字形和“Y”字形等,类型多与其所处构造部位有关。

1)断阶型断裂组合样式:表现为一系列与地层倾向相同的同向断层发育,并逐渐向凹陷方向下掉,组成断阶带,构成了西部斜坡带和东部断阶带的主要断裂组合样式(3)

 

2)多米诺型断裂组合样式:表现为与地层倾向相反的反向断层发育,向凹陷方向逐级下掉,受断层控制断块发生掀斜,主要发育在西部斜坡带和东部断阶带的部分区段。

3)地堑、地垒型断裂组合样式:由倾向相对或倾向相背的走向基本一致的2条或更多的断裂组成,主要发育在西部斜坡带北段(3-b)

4)“字形断裂组合样式:与地垒型断裂组合样式相似,只是其中一条断层被另一条规模相对更大的断层切割,该类断裂组合样式多发育在西部斜坡带和东部断阶带向凹陷中心过渡的部位(3-b)

5)“Y”字形断裂组合样式:主断层与反向倾斜的分支断层或分支断层本身组合成“Y”字形,主断层多为断至基底的大断裂,该类断裂组合样式主要发育在中央洼陷反转构造带(3-b3-c3-d)

232压性断裂组合样式

西湖凹陷压性断裂组合主要发育在中央反转构造带,断裂组合样式复杂,总体上以高角度基底卷入式挤压反转构造为主,主要有正“Y'’、反“Y”字形和简单后冲型断裂组合样式,样式与其所处部位的反转强度有关。自北向南,中央反转构造带可划分为Ⅱa构造带、

b构造带、Ⅱc构造带、Ⅱd构造带等次级构造带(1)。简单后冲型断裂组合样式主要发育在b构造带和Ⅱd构造带(3-a3-e);反“Y”字形断裂组合样式主要发育在Ⅱa构造带南部和Ⅱ。构造带中北部(3-b),正“Y”字形断裂组合样式主要发育在b构造带南部(3-c)c构造带主要发育正“Y”、反“Y”字形组合型的断裂组合样式(3-d)。此外东、两次凹也发育有正“Y”、反“Y”字形断裂组合样式。

233张剪性断裂组合样式

该区张剪性断裂组合样式在剖面上主要表现为成对的悬挂断裂发育,发育在西部斜坡带和中央反转构造带,平面上表现为近EW向小断层呈带状、雁行状组合(2-c)。近E—W向断裂在中央反转构造带切割层位具有显著的南深北浅特征:南部的Ⅱc、Ⅱd构造带下切较深,多切割至T20T21甚至T30界面,规模也相对较大;北部的Ⅱa、Ⅱb构造带多仅切至T12界面。

3 断裂活动特征

31 断裂剖面演化特征

西湖凹陷新生代经历了古新世和早中始新世断陷、晚始新世和渐新世坳陷、早中中新世反转和晚中新世至今整体沉降的4个演化阶段[13]。从断裂剖面演化上看(4),各时期断裂演化的特征如下:

 

1)前始新统平湖组沉积时期及始新统平湖组沉积时期,张性断裂活动较强,对沉积的控制较为显著,表现为凹陷整体拉张,伸展率较大,反映古新世始新世为西湖凹陷的断陷期。

2)渐新统花港组沉积时期,断裂活动逐步停止,部分上延至花港组的断层对沉积控制作用也不明显,凹陷整体表现为下坳,伸展率不明显,反映渐新世为西湖凹陷的坳陷期。

3)中中新世龙井组和玉泉组沉积时期,压性断裂活动较强,主要发育在中央反转构造带和东部断阶带。压性断裂中,主断裂多是张性断裂中的继承性断裂,次级断裂多为新生断裂,压性断裂对沉积地层的控制作用主要表现在上盘地层的褶皱剥蚀。在压性断裂活动期,凹陷压缩率较大,反映早中中新世为西湖凹陷的反转期。

4)晚中新世至第四纪,断裂活动基本停止,仅在南北向剖面上发育部分张剪性断层,断层对地层的控制作用不显著,该时期为西湖凹陷的整体沉降期。

32 断裂期次及演化过程

结合凹陷构造演化阶段、断层活动时、断开层位等特征,可将西湖凹陷断裂系统划分为:裂陷期断裂(盆地开始接受沉积始新世)、坳陷反转期断裂(渐新世中新世)和区域沉降期断裂(上新世现今),分别对应下(张性)、中(压性)、上(张剪)3套断裂系统。3套断裂系统各有其独特的演化过程,并与凹陷特定的构造背景有关。

321裂陷期断裂

古新世始新世由于受到太平洋板块运动的影响,中国东部整体处于NWSE向伸展环境,形成一系列断陷型盆地。东海陆架区处于剪切拉张应力状态,进入凹陷裂陷发育阶段。西湖凹陷断陷沉积了下始新统和中上始新统平湖组,正断层发育,区域断层控制地层沉积,表现为始新统东厚西薄的沉积特征,凹陷整体表现为东断西超的复式半地堑构造。裂陷期断裂具有如下特征。

1)活动时间长,大多数断裂古新世初期即开始活动,至始新世末期的玉泉运动基本停止活动,部分断裂到中新世中晚期才完全停止活动。

2)断裂规模大,平面上延伸较长,剖面上断距从深层到浅层具有明显的继承性。

3)控制沉积厚,裂陷期主断裂多控制着古新世、始新世、渐新世的地层沉积,在其下降盘沉积了巨厚的沉积物。

4)控制了局部构造的形成和发育,局部构造具有“因断而生,依断而存”的特征,存在断块、断鼻等构造,在西部斜坡带最为显著。

322坳陷反转期断裂

平湖组沉积后期的玉泉运动,晚始新世东海陆架区发生了以剪切挤压作用为主的构造事件,西湖凹陷整体抬升,平湖组与上覆地层为不整合接触,裂陷期断裂活动基本停止,部分长期活动断裂进入调整阶段。玉泉运动后,整个盆地处于应力场相对松弛阶段,西湖凹陷地层裂陷结构转为坳陷结构,接受沉积了花港组。该时期凹陷内部仅少部分裂陷期骨干断裂继承性活动,但对地层厚度控制已不明显。东边界断裂深大断裂仍处于活动,致使花港组厚度总体上仍为东厚西薄。花港组沉积后期的花港运动,在西湖凹陷表现为局部剪切挤压作用,凹陷整体抬升,局部地层处于剥蚀阶段,形成局部不整合面了T20,东部断阶带部分断裂发生反转。中新世玉泉组沉积之后的龙井运动,随着东侧冲绳海槽的扩张和钓鱼岛隆褶带的隆升,在强烈聚敛碰撞作用下,导致西湖凹陷内NENNE向断裂的左旋压扭或挤压逆冲反转,并在位于西湖凹陷中央的反转断层上盘形成巨型反转背斜带,此外,在部分反转主断层轴部新生了一系列伴生逆断层。

323区域沉降期断裂

发生于上新世与更新世之间的冲绳海槽运动,应力场性质以张性为主,在西部斜坡带和中央反转构造带发育张剪性近E—W向小断层,一般延伸短、断距小,切割浅。此外,发育少量NENNE向正断层。

4 断裂控藏机制

在凹陷整个发展、演化过程中,曾发生了多类型、多性质、不同规模的断层活动,断裂作用对油气富集具有较明显的控制作用。

41 深大断裂控制了油气田的分布

从深部上延至西湖凹陷下部断裂系统中的深大断裂,对油气形成、运移、聚集和保存起到了至关重要的作用,在一定程度上制约着东海陆架盆地内油气田的分布。在盆地裂陷阶段(古新世?始新世),发育了一组NENNE向为主的切穿基底的深大断裂及其伴生断裂,多为裂陷期断裂的主干断裂。如平湖主断裂及其伴生断裂,其具有延伸距离长、断距大、断开层位多等特点,构成了油气藏西部边界,后期对油气起到了很好的封堵作用。深大断裂控制着大型圈闭成带()分布,同样受平湖主断裂及其伴生断裂影响,平湖斜坡带(Ib)发育数量众多的构造圈闭(断鼻、断块圈闭)和地层岩性圈闭。圈闭形成并定型于主要生排烃期之前,且处于油气运移路径上,为有效的圈闭,易捕获油气成藏。目前西湖凹陷西部斜坡带已发现的油气田均集中于此。

总的来说,发育时间早,具有长期活动特征的深大断裂是重要油气指向区,在宏观上控制了油气富集区带的分布。

42 裂陷期断裂是油气运移的主要通道

裂陷期同沉积断裂为油气垂向运移的良好通道。西湖凹陷裂陷阶段,张性正断层发育,断层大都具有开启性,且这一阶段发育的正断层一般都断穿下部主要烃源层,成为油气运移主要的通道。如平湖斜坡带油气源主要为平湖组及其以下地层,决定了断层为主要油气通道,并形成与断层有关的构造型油气藏。由于断层具有良好的垂向输导能力,常可形成距烃源层有较大时空跨度的含油气层位,在断层带附近可以形成多层叠置的油气藏。其次,斜坡带上不整合面为油气的次主要运移通道,可以使油气进行长距离的侧向和斜向运移[5],裂陷期断裂与不整合面构成了网状的油气输导体系(5)

 

总之,裂陷期断裂作为烃源断层其所断达层位多是油气的富集层位;而烃源断层没有断达的层位,油气难以进一步向上运移。如西湖凹陷中央反转构造带南部A油气藏,断层断达的层位油气较为富集,而浅层由于缺少断层输导,油气难以向上运移聚集(6),油气显示情况较差。

 

43 反转期断裂形成有效圈闭

凹陷中部压性断裂系统中的反转期断裂主要控制有效圈闭的发育,在中央反转构造带尤为显著。反转断裂活动最强烈的时期为中中新世末的龙井运动,是凹陷最主要的圈闭形成与定型期,也是凹陷内规模最大、对油气运聚影响最为深刻的时期,该时期主力烃源岩平湖组已达到生排烃高峰并发生大规模运移[14-15]。龙井运动使原始地层发生倾斜、褶皱甚至断裂,油气在浮力、水动力等作用下发生大规模运移,并在局部低势区聚集成藏。因此,龙井运动时期是西湖凹陷油气运聚最重要的时期,龙井运动形成的断背斜(6)、被断层封堵的单斜以及其他类型的流体低势区对凹陷内油气的运移聚集具有显著影响。

44 区域沉降期断层改造原生油气藏

上部张剪性断裂系统中的区域沉降期断层对油气藏起到一定程度的破坏和改造作用。以中央反转构造B油气藏为例,该区发育2组方向的断裂:①NE向断裂,主要切割深层超深层;②近E—W向区域沉降期断裂,主要发育在中浅层。这2组断层在花港组中发生转换(7),近EW向断层在后期活动破坏已形成的原生油气藏,对花港组油气的保存相对不利。但由于近EW向断层具有良好的垂向沟通能力,在浅层具备自圈的条件下,有利于油气成藏。

 

在中央反转构造带南部花港组下段,近EW向断层与NE向断层多有分布,2套断层共存的过渡层段厚度可达1000m,既可以通过下部断层作为油气运移通道获得油气,又可在上、下部断层的末端,即应力衰退区有利于油气聚集成藏。幕式的断层活动或新的断层活动,也提供了油气从下部成熟烃源岩体中排出和运移的动力。

总的来说,中央反转构造带发育一系列大型挤压背斜构造,这些构造不同程度地被中新世末期发育的晚期断层切割改造。特别是中央反转构造带南部构造抬升幅度大,挤压作用强烈,晚期近E—W向断层发育,几个油气田浅层油气充满度低.仅在构造高点富集,表现为“大构造、小圈闭、小油藏”的特征,是成藏过程中“散大于供”的结果;中央反转构造带中部裙边发育的一系列低伏背斜构造,晚期近E—W向断层不发育,圈闭形态相对完整,油气近乎全充满,是成藏过程中“供大于散”的结果;中央反转构造带北部晚期近E—W向断层基本不发育,油气保存条件较好,成藏过程中“供大于散”,有利于形成规模较大的油气藏。

因此,区域沉降期近E—W向断层的发育对油气藏主要影响油气藏的保存,表现为对早期已形成油气藏的破坏和改造,在浅层具备自圈条件下,有利于油气在浅层聚集。

5 结论及认识

1)在断裂空分布上,西湖凹陷新生界发育下、中、上3个断裂系统:下部断裂系统主要发育在古新统始新统构造层,为基底卷入型张性正断层;中部断裂系统主要发育在渐新统  中下中新统构造层,为挤压型断裂;上部断裂系统主要发育在上中新统第四系构造层,为张扭型断裂,断裂走向为近E—W向。各层次断裂系统中断裂组合样式具有显著的差异:下部张性断裂系统主要有断阶型、多米诺型、地堑、地垒等断裂组合样式,多与构造部位有关;中部压性断裂系统主要有正“Y”、反“Y”字形和简单后冲型断裂组合样式,多与其所处部位的反转强度有关;上部张剪性剖面上为悬挂断裂,平面上呈条带状和雁行状组合。

2)在断裂演化期次上,西湖凹陷断裂系统划分为裂陷期断裂、坳陷反转期断裂和区域沉降期断裂,总体上分别对应下(张性)、中(压性)、上(张剪)3套断裂系统。不同期次的断裂对沉积地层的控制(或改造)作用存在差异明显:裂陷期断裂形成于凹陷裂陷发育阶段,断裂两侧地层厚度差异显著;坳陷反转期断裂主要形成于凹陷反转期,上盘地层存在不同程度的剥蚀;区域沉降期断裂形成于凹陷区域沉降阶段,对地层控制作用微弱。

3)多类型、多性质、不同规模的断层活动,断裂作用对油气富集有较明显的控制作用:深大断裂宏观上控制油气田的分布,裂陷期断裂是油气运移的主要通道,反转期断裂形成有效圈闭,区域沉降期断层改造原生油气藏。

 

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本文作者:蔡华  张建培  唐贤君

作者单位:中海石油(中国)有限公司上海分公司