济阳坳陷西南端沙三段剥蚀厚度恢复及其区域构造意义

倪金龙，郭 颖，马骁骐，张 凯，王志敏，韩 帅

（1.山东科技大学山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东青岛266590；2.中国石油大学地球科学学院，北京102249；3.胜利油田公司临盘采油厂，山东临邑251507）

济阳坳陷西南端沙三段剥蚀厚度恢复及其区域构造意义

倪金龙1，郭 颖2，马骁骐1，张 凯1，王志敏3，韩 帅1

（1.山东科技大学山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东青岛266590；2.中国石油大学地球科学学院，北京102249；3.胜利油田公司临盘采油厂，山东临邑251507）

基于地球物理、钻井等资料，运用地层对比、孔隙度拟合以及盆地模拟的原理与方法，恢复出济阳坳陷西南端沙三段（Es3）剥蚀地层厚度及原始地层厚度，进行构造沉降量和拉张系数计算，探讨沙三段沉积期盆地构造活动特征及主控应力场。结果表明：沙三段沉积期，济阳坳陷西南端沉积中心的延伸方向宏观上呈NE-SW向展布，局部表现为近SN向延伸；该时期盆地的伸展强度并不均匀，表现为中部强，向NW、SE方向减弱；伸展作用宏观上受控于NW-SE向伸展应力场，可能受基底断层走滑的影响，局部伸展受控于近SN向应力场；济阳坳陷沉积中心展布方位前后经历了不同阶段近EW向、近EW与NE向共存及NE向展布的递进演变过程，但最终受控于NW-SE向伸展应力场。

济阳坳陷；沙河街组三段；剥蚀地层评估；地层古厚度；沉积中心

济阳坳陷西南端是胜利油田一个重要的油气富集区，古近系是主要成藏组合的发育层系和油气勘探的重要目的层系。沙河街组三段（简称沙三段，地层代号：Es3）沉积期不仅是古近纪济阳坳陷的强烈裂陷期，同时也是一个重要的构造体制变革时期［1］，因而认识与评价该时期盆地的沉积与断裂活动特征对于恢复该时期的区域构造应力大有裨益。尽管前人对济阳坳陷西南端的构造发育史、断层封闭性、沉积相带展布以及岩石学和地球化学等方面展开过研究［2-6］，但对该地区沙三段地层古厚度恢复及基于地层古厚度恢复的构造活动特征研究很少，制约了对该时期盆地沉积充填及区域应力场的认识。笔者基于原型盆地恢复对油气勘探的重要理论意义和实用价值，立足于测井、地震及钻井资料，运用地层对比、孔隙度拟合以及盆地模拟的原理与方法，系统恢复济阳坳陷西南端沙三段剥蚀地层厚度、地层古厚度；计算构造沉降量及拉张系数，分析该时期盆地的伸展应力场；结合济阳坳陷早、中、晚不同时期沉积中心的形态及分布，探讨该时期整个盆地伸展应力场的分布状态。

1 区域地质背景

济阳坳陷位于渤海湾盆地南部，郯庐断裂带以西，兰聊断裂带以东，是渤海湾盆地中一个重要的二级构造单元，南北侧以鲁西隆起和埕宁隆起为界。坳陷总体呈近东西向展布，主要由东营凹陷、惠民凹陷、沾化凹陷和车镇凹陷及分隔凹陷的凸起带组成（图1）。

研究区位于济阳坳陷的西南端，西侧紧邻兰聊断裂，南侧为鲁西隆起，主要包括惠民凹陷中央隆起带、临南洼陷带及惠民南斜坡部分区域。盆地基底发育有晚中生代末期形成的规模较大NE向断层，如夏口断层、临邑断层，及规模较小的NW断层（图1）。济阳坳陷在古近纪岩浆活动频繁。目前的勘探共钻遇5套火山岩地层，如惠民地区沙三段的碱性橄榄玄武岩［7］，商河地区沙三段的辉绿岩、火山角砾岩、沙一段含角砾凝灰岩、东营组碱性橄榄玄武岩［8］，在成因上与大陆裂谷演化有关［5，7］。

2 剥蚀面识别

盆地中的剥蚀面通常表现为角度不整合面和平行不整合面。在古地形梯度变化大的地方，以角度不整合面为主，但在古地形梯度变化较小的地方，以平行不整合为主，可能局部表现为角度不整合。角度不整合面的识别可以通过地震剖面直观地表现出来；平行不整合面的识别，在地震剖面上可以根据识别出的角度不整合面进行追踪。在地震剖面上，角度不整合面的典型特征表现为上覆地层截切了下伏地层。角度不整合的存在通常说明该地区存在剥蚀，或不存在沉积作用。通常由于挤压应力造成块体抬升而造成剥蚀作用。实践证明，在区域伸展的作用下也可以形成角度不整合面。

对于济阳坳陷而言，沙三段沉积期是济阳坳陷强烈伸展的时期，盆地总体以接受沉积为主。但对于济阳坳陷西南端而言，除了临南洼陷带持续接受沉积作用外，在其周缘地区，如惠民凹陷中央隆起带（盘河、商河地区）及惠民南斜坡区，沙三段沉积中后期均遭受了不同程度的剥蚀作用，尤其是惠民凹陷的中央隆起带地区（图2）。

地震剖面显示，该构造带西部缺失了沙三段上部和中部的部分地层，上覆地层明显截切了沙三段中、下段的地层，显示二者明显的角度不整合接触关系（图2（a））。在构造带的东部商河地区，角度不整合面所表现出的截切关系主要体现在沙三段上亚段内部（图2（b）），显示了该构造带在总体伸展的条件下存在间歇性的抬升与剥蚀作用，之后再次接受沉积。

除了借助地震剖面外，测井曲线也可以用来确定不整合面，如泥岩的声波时差、砂泥岩的孔隙度和密度测井曲线等。其依据为不整合面上下地层的压实作用存在差异，因而在测井曲线上表现为不整合面上下延伸趋势产生中断。

图1 济阳坳陷构造单元及研究区断裂构造格架Fig.1 Tectonic units and fault sketch in Jiyang Depression

3 剥蚀地层厚度及地层古厚度恢复

针对剥蚀量的恢复问题前人曾进行了广泛的研究，并取得了丰硕的成果，比较成熟的方法有3类［9-10］：地热学方法，包括镜体反射率法、磷灰石裂变径迹法、流体包裹体法及伊利石结晶度法；地质学方法，包括地层对比法、沉积-剥蚀速率法及沉积波动方程分析法；地球物理学方法，包括孔隙度法、泥岩声波时差法等。一般认为，对于中国东部的中、新生代盆地而言，可以利用地层对比法先定性地确定出剥蚀量的范围，然后选择利用地球物理方法或地热法进行剥蚀量恢复［9］。对于济阳坳陷而言，沙三段主要以砂岩和泥岩沉积为主，缺少灰岩沉积，因而适合利用孔隙度进行地层剥蚀量的计算。另外，本文中还联合应用地层对比法进行剥蚀量的校对与约束。

3.1 地层对比法

地层对比法是比较传统但却是简单可行的恢复剥蚀厚度的方法。该方法简单直观，受限的条件较少。其基本的原理是，连续沉积的地层其沉积厚度在纵向的变化具有一定的规律性和可比性，因而可以通过与相邻地层的对比计算剥蚀区地层的沉积厚度。在实际计算时，将需要恢复剥蚀厚度的地层与邻区未被剥蚀的相同地层进行对比，求出其沉积厚度，除去该地层的残余厚度即可得到地层剥蚀量。如图3所示，根据地震剖面已知盘37井未遭受剥蚀与沉积间断，假设Ek、Es4、Es3的地层厚度分别为hx1、hx2、hx3；临9井的Ek、Es4、Es3的地层厚度分别为hy1、hy2、hy3（剥蚀前厚度），根据地层厚度变化的趋势，则应有hx3/hx1=hy3/hy1。但由于临9井的沙三段上部遭受剥蚀，目前的厚度为ha，其剥蚀量hb=hy3-ha，即（hx3/hx1）×hy1-ha=410 m。为了提高剥蚀量计算的准确性，采用与地震剖面解释相类似的原则，在不同延伸方向上找到另一口未遭受剥蚀和沉积间断的井，进行闭合，如基2井，将临9井与基2井进行地层对比法计算后得到的剥蚀量为（hz3/hz1）×hy1-ha=386 m，二者在计算结果上存在一定的差异，这是由于地层可能存在起伏或压实差异，当然也可能是由于分层数据存在一定的误差等。最终的剥蚀量取二者的平均值，即398 m。在实际计算过程中，当通过不同的井计算得出的剥蚀量判别较大时，说明存在明显的误差，应在不同延伸方向上多选几口井进行校对，使误差降至最小。

图2 济阳坳陷西南端地震剖面与沙三段中上部的角度不整合接触Fig.2 Seimic cross-sections indicating angular unformatity between Es3and its overlying strata in extreme southwest Jiyang Depression

图3 地层对比法求剥蚀地层厚度原理图Fig.3 Principle digram of estimating eroded overburden by contrasting strata thick

3.2 孔隙度法

该方法的基本原理是，在一定深度范围内，碎屑沉积物原生孔隙度与其埋深呈指数关系，并且随着埋深的增加而减小，且趋向于一个定值。二者的关系［11-12］可以表示为

式中，z为埋藏深度；Φ为深度z处的孔隙度；Φ0为地表（z=0）的原生孔隙度；c为因次常数。

当地层遭受剥蚀再次被埋藏时，理论上只要上覆沉积物厚度不大于剥蚀厚度，该地层剥蚀前的孔隙度不会变化，这主要是因为孔隙度与上覆地层的压实作用密切相关。此时，式（1）修正为

式中，h为剥蚀厚度；z′为相对于剥蚀面的深度；Φ为恢复剥蚀厚度后深度为（z′+h）处的孔隙度。

实际上，被剥蚀后的埋藏深度可能大于剥蚀厚度，造成现今某一深度岩层的孔隙度小于剥蚀前的孔隙度，这可能会造成计算的剥蚀厚度偏小，因此剥蚀量的求取通常需要两种方法联合，以尽可能减小误差。目前，国内外在剥蚀量计算时的误差分析还缺少深入研究，这可能与剥蚀量值本身就是个估算值有关。另一方面，这种误差的存在对结果的讨论并没有太大的影响，因为对于一个局部地区而言，压实作用是相似的，计算获取的剥蚀量值同时偏小或偏大，不会改变地层厚度变化的趋势。

在实际计算过程中，本文中参考了优化孔隙度法［13］。根据公式（2），当Φ0和不同深度的原生孔隙度实测值Φi（i=1，2，…，m）已知时，通过编制计算机程序，赋予不同的h值可求取对应深度的Φ值，将Φ值与相应的实测值Φi对比，总可以找到一个h值，使得到的Φ值与实测值Φi值之间偏差平方和最小，此时求取的h即理论上的剥蚀厚度。

在根据孔隙度法计算剥蚀量的过程中，首先统计各井的砂、泥岩厚度，分别进行计算；济阳坳陷西南端沙三段的灰岩较薄，在计算时按泥岩进行处理。作为校对与补充，同时采用地层对比法约束地层剥蚀量范围，剔除两种方法不相吻合的剥蚀地层古厚度数据，确定合理的剥蚀地层古厚度值。

本文中分别选取盘河、商河等证明存在剥蚀的地区临77、盘10、商541等82口井沙三段剥蚀地层厚度（图4（b）），再叠加沙三段残余地层厚度（图4（a））得到单井原始地层厚度S（h）（图4（c））。

4 构造活动性特征

构造活动性研究有多种方法，如断层落差法、生长指数法等，由于不同岩性对压实作用的响应差别明显，上述方法有时可能不能真实反映构造活动性特征。基于前文原始地层厚度的恢复，本文中从构造沉降量和拉张系数方面对沙三段沉积期盆地构造活动性进行定量研究，重建该时期盆地的伸展特征，校正幕式沉积过程中剥蚀间断对盆地形态的影响。

图4 济阳坳陷西南端沙三段残余地层厚度、剥蚀地层及原始地层古厚度等值线图Fig.4 Contour maps of remanent strata thickness，paleothickness of remanent strata and denuded strata and primary strata thickness of the third Member of Shahejie Formation in extreme southwest Jiyang Depression

4.1 构造沉降量计算

对于伸展盆地，构造沉降量是指盆地在演化过程中由于地壳深部的构造作用盆地基底相对于某一基准面的下降量。对构造沉降量的计算，本文中采用二维剖面上构造沉降量Y（h）反演公式，通过编制计算机程序来进行［14］：

式中，S（h）为校正后的沉积物厚度（原始地层古厚度）；C为Airy均衡与区域均衡最大值的比值（均衡比值）；ρm、ρw、ρs（h）分别为地幔密度、水密度、沉积物平均密度；Wd（h）为古水深；ΔSL为古海平面高度相对于现今海平面的升降值［15-16］。

济阳坳陷西南端沙三段沉积期地质历史相对短暂。强烈的构造活动严重破坏了岩石圈的挠曲均衡，其负载均衡补偿模式主要为Airy均衡［17-18］；基于沉积相、古生物组合和古气候等资料，估计出古水深和古海平面位置（表1）；沉积物平均密度根据表1和岩性柱状图读出，并加权平均获得。

综合原始沉积地层厚度、沉积物平均密度、沉积物和水负载的均衡沉降、沉积物的压实、古水深及海平面变化等因素［17-20］（表1），根据公式（3）分别求出临77、盘10、商541等82口井沙三段沉积期构造沉降量（图5（a））。

表1 惠民凹陷中央隆起带及邻区Es3期构造活动性计算参数Table 1 Parameters of tectonic activity in Es3of cenral uplift belt in Huimin Depression

4.2 拉张系数计算

拉张系数（β）等于初始地壳厚度与拉张后地壳厚度的比值，是直观反映沉积盆地同沉积断裂活动、沉降充填史和热演化的重要参数。以构造沉降量计算为基础，正演求取拉张系数。McKenzie［21］提出张性沉积盆地沉降的瞬时均匀纯剪拉伸模型。按照该模型，张性盆地的构造沉降量Y（h）分解为同裂陷期沉降和裂后期热衰减沉降。多幕式的张裂过程可以用多次的瞬时拉伸模型进行模拟，张裂期的沉降在各幕末期瞬时完成，盆地持续沉积时间小于20 Ma时，只考虑Airy均衡［17，21-22］。

济阳坳陷为中、新生代伸展盆地，古近纪经历了多次沉积旋回，每一沉积旋回都是对总体裂陷作用的一次响应。沙三段沉积期处于古近纪断陷Ⅲ幕前期，从更精细的构造层序划分来看，可以作为一个单独的构造幕处理②根据胜利油田内部资料，Es3绝对年龄为38.8～43.5Ma.；另外，盆地断层切割较深，并呈现出地堑式的发育特征，岩石圈伸展可以看作是垂向上均匀、水平上对称的纯剪切，遵循Airy重力均衡法则，适用于瞬时的均匀纯剪切模型，公式如下：

式中，Yl为岩石圈初始厚度；Yc为地壳初始厚度；α为热膨胀系数；tm为软流圈温度；β为拉张系数；τ为热时间，τ=Yl/π2k，k为热扩散系数；t为受热时间。这是一项近似公式［18］，误差在10-2。

据上述拉伸模型正演拉张系数β（反演时的参数见表1），通过迭代计算求出临77、盘10、商541等82口井沙三期拉张系数（图5（b））。

5 讨 论

5.1 地层分布与剥蚀特征

沙三段是济阳坳陷西南端沉积时期的产物，尽管在惠民西部中央隆起带地区遭受剥蚀作用，但其仍是全区分布（图4（a））。地层的剥蚀主要集中于中央隆起带地区，如盘河和商河地区，但两个地区的剥蚀厚度等值线的延伸方向并不相同，盘河地区沿NE-SW向，商河地区总体呈EW向剥蚀（图4（b））。恢复剥蚀量的地层厚度总体可以代表沉积时盆地的地层赋存状态，结果表明，沙三段沉积期盆地的沉积总体沿NE-SW向进行，盆地的沉积中心总体沿NE-SW向展布，但在局部地区，呈近SN向展布，如S541井区（图4（c））。

5.2 构造活动性特征与伸展应力场

构造沉降量（图5（a））与拉张系数（图5（b））的计算表明，伸展活动在济阳坳陷西南端的强度并不均匀，主要表现为构造沉降量与拉张系数的差异性。较强的伸展主要集中于临南洼陷内部，构造沉降量介于800～1000 m、拉张指数介于1.21～1.27，自临南洼陷向两侧的盘河、商河及东南部地区构造沉降量与拉张系数均逐渐变小，显示伸展作用逐渐变弱。盘河地区的构造沉降量与拉张系数明显高于商河的大部分地区，等值线图清晰反映盆地总体的伸展方向为NW-SE向，但局部有近SN向的伸展作用，显示了沙三段沉积期济阳坳陷西南端的盆地沉积总体以NW-SE向伸展作用占主导地位，但局部仍有走滑作用。

图5 济阳坳陷西南端沙三段沉积期构造沉降量与拉张系数等值线图Fig.5 Contour maps of tectionic subsidence and tension coefficient in extreme southwest Jiyang Depression

根据对该地区中、新生代断裂活动及沙三段沉积期新生断裂的解析（图6（a）），临邑断裂与夏口断裂均为前新生代断裂，在沙三段沉积期，二者均作为基底断裂存在并复活。根据区域伸展方向与基底断层的夹角不同所形成的新生断层的规律［23］，济阳坳陷西南端不同区域伸展方向并不相同，其中在最南端（图6（a）①）主要表现为NW-SE向伸展，走滑作用处于次要地位；中段（图6（a）②）的伸展方向为NNW-SSE，由于伸展方向与基底断裂并不垂直，在伸展作用的同时派生出右行走滑作用，伸展与走滑作用的叠加（图6（b））在中段形成了大量与基底断裂呈“帚状”排列的NEE-SWW向断裂；作为基底断层的临邑断层并没有继续向NE方向延伸，因而北东端（图6（a）③）的新生断裂形成受基底断裂的影响很小，只是在南东侧的夏口断层附近形成一些平行于基底断层的次级断层。该区新生断裂与基底断裂的组合样式一方面反映了NW-SE向的伸展应力场，另一方面反映了该应力场在该区域的变形分解作用。由于受夏口基底断层的影响，NW-SE向应力场在该区一方面分解出近SN向的拉伸，另一方面引起该区域的右行走滑作用。

图6 济阳坳陷西南端沙三段沉积期断裂发育特征及成因分析Fig.6 Character and analysis of structure in extreme southwest Jiyang Depression during depositional stage of the third Member of Shahejie Formation

5.3 区域构造意义

古近纪济阳坳陷区域伸展应力的方向如何尚存争议。对济阳坳陷西南端的研究表明，对于伸展型盆地而言，沉积中心的形态与迁移在一定程度上反映了伸展构造活动的强弱与变迁，也间接地反映了主控构造应力场转换。

根据胜利油田提供的泥岩厚度数据，通过对济阳坳陷沙三段上、中、下3个亚段沉积中心的绘制，再现了沙三期早、中、晚3个不同时期整个盆地沉积中心的形态及分布位置（图7）。沙三段沉积期，济阳坳陷沉积中心经历了早期近EW向展布（图7（a））、中期NE向展布与EW向展布共存（图7（b））、晚期NE向展布的变迁过程（图7（c））。沉积中心的递进变化过程，一方面反映了沙三段沉积期断裂活动的继承与发展，另一方面显示早期近SN向伸展应力场完全转换后期的NW-SE向伸展应力场。结合本文中对于济阳坳陷西南端原始地层及新生断层的应力场解析，沙三段沉积期济阳坳陷尽管经历了构造体制的转换，但总体还是后期的NW-SE向伸展应力场占主导地位。

图7 济阳坳陷沙三段地层沉积中心形态及分布位置Fig.7 Shape and distribution location of depocenter in Jiyang Depression during Es3

6 结 论

（1）沙三段沉积期，济阳坳陷西南端广泛接受沉积，但原始地层的分布并不均匀，沉积中心总体呈NE-SW向展布，局部呈近SN向展布。

（2）沙三段沉积期，济阳坳陷西南端的伸展强度并不均匀，表现为中部强，向NW、SE方向减弱；伸展作用宏观上受控于NW-SE向伸展应力场；可能受基底断层走滑的影响，局部伸展受控于近SN向应力场。

（3）沙三段沉积期，济阳坳陷沉积中心展布方位经历了前后不同阶段近EW向、近EW与NE向共存及NE向展布的递进演变过程，但最终受控于NW-SE向伸展应力场。

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（编辑 修荣荣）

Estimation of eroded overburden and its tectonic significance of the third Member of Shahejie Formation in extreme southwest Jiyang Depression

NI Jinlong1，GUO Ying2，MA Xiaoqi1，ZHANG Kai1，WANG Zhimin3，HAN Shuai1
（1.Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization&Sedimentary Minerals，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.College of Geosciences，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；3.Linpan Oil Production Plant，Shengli Oilfield Company，Linyi 251507，China）

Using the physical geography and drilling well data，the eroded and original overbudens during the third Member of Shahejie Formation（Es3）in extreme southwest Jiyang Depression were estimated with a series of methods such as stratigraphic correlation，porosity fitting and the principle and methods of basin modeling.The tectonic subsidence and the extension coefficient were then calculated，and the character of sedimentation and its main controlling factor were discussed.The results are as follows.First，the depocenter is NE-SW trending as a whole，but is locally nearly south-north trending during Es3stage in the extreme southwest Jiyang Depression.Second，the extensional level is not uniform：the center is stronger and it weakens toward northwest and southeast.The extension is controlled by NW-SE trending stress field in general，and bysouth-north trending locally resulting from the slip of the basement faults.Lastly，the spatial distribution of the depocenter in Jiyang Depression has gone through the progressive development from east-west trending in the early stage，the coexistence of nearby east-west and north-east trending in the middle stage，and north-east trending finally during Es3stage.The whole system is however controlled mainly by NW-SE trending extensional stress field.

Jiyang Depression；the third Member of Shahejie Formation；eroded overburden estimation；stratigraphical paleo-thickness；depocenter

TE 121.2

A

1673-5005（2015）04-0010-09

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.04.002

2014-12-20

山东省自然科学基金项目（ZR2013DM007）；国家“973”计划项目（2012CB723104）；国家自然科学基金项目（41102149，41202165，41430211）

倪金龙（1974-），男，副教授，博士，研究方向为构造地质学。E-mail：nijldq@163.com。

引用格式：倪金龙，郭颖，马骁骐，等.济阳坳陷西南端沙三段剥蚀厚度恢复及其区域构造意义［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2015，39（4）：10-18.

NI Jinlong，GUO Ying，MA Xiaoqi，et al.Estimation of eroded overburden and its tectonic significance of the third Member of Shahejie Formation in extreme southwest Jiyang Depression［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（4）：10-18.