渤中凹陷石南一号断层分段和演化特征及其油气成藏控制作用*

王国强 张新涛 吕振宇 杨传超

(1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459; 2. 中海石油(中国)有限公司勘探部 北京 100010)

石南一号断层是渤海海域渤中凹陷北部具有重要勘探意义的断层。到目前为止，在断层上升盘石臼坨凸起区浅层明化镇组下段和断层下降盘陡坡带的中深层古近系东营组已发现若干个大中型油田。此外，沿着石南一号断层两侧还有许多已发现的含油气构造以及勘探潜力较好的构造圈闭或构造—岩性圈闭，因此石南地区一直是渤中凹陷油气勘探的热点。前人从构造特征、控制沉积等不同的角度对石南一号断层进行过研究，如从断层不同段的构造样式出发，分析石南陡坡带构造—岩性复合圈闭的形成及分布规律[1]；通过石南陡坡带“源—汇”体系定量表征研究，分析东三段砂砾岩储层分布规律[2]；运用断层活动速率法分析古近系石南断层活动特征及其对沉积相及油气成藏的控制[3-5]等。前人对于石南一号断层的研究多聚焦于某一段或是某一方面进行，对全段整体的构造特征、形成演化机制及其对油气藏的控制作用目前尚缺乏系统的分析和认识，值得进一步研究。

在三维地震资料精细构造解释的基础上，系统刻画了石南一号断层的构造样式、分段特征等，分析了其活动性、形成演化过程，探讨了其成因机制，进而分析了石南一号断层对烃源岩发育、圈闭类型分布和油气运移的控制作用，为渤中凹陷北部断层附近油气勘探提供依据。

1 区域地质概况

渤中凹陷位于渤海海域中部，为渤海海域最大的生烃凹陷。前新生代基底经历了中生代印支运动、燕山运动等多起构造运动，新生代以来的构造演化经历裂陷期、裂后热沉降期和新构造运动期三个阶段，其中裂陷期又可分为古新世—早始新世的裂陷一期、中晚始新世的裂陷二期和渐新世的裂陷三期。渤中凹陷新生代沉积地层自下而上分别为古近系孔店组、沙河街组、东营组，新近系馆陶组、明化镇组及第四系平原组，沉积相类型上古近系以湖相、三角洲相及扇三角洲相为主，新近系以曲流河相、辫状河相及浅水三角洲相为主，第四系为浅海相。石南一号断层位于渤中凹陷北部，是渤中凹陷与石臼坨凸起之间的边界断层(图1)。该断层西起南堡凹陷附近，东至石臼坨凸起东倾末端，呈近东西走向，自西而东延伸约100 km。石南一号断层在不同段的构造样式、断层活动性、成因模式均存在差异性，因此，石南一号断层是一条复杂断裂带的统称。

2 石南一号断层分段特征

石南一号断层位于北西向的张家口—蓬莱断裂带和北东向的郯庐断裂带交会的位置，受北西向左旋走滑和北东向右旋走滑两种作用的影响。北西向左旋走滑作用主要影响断层西段而北东向右旋走滑作用主要影响断层东段，并各自形成一个转换带，在转换带的位置断层具有明显的走滑伸展特征。据此，将石南一号断层分为“三段两带”，其中“三段”为西段、中段和东段，“两带”为西转换带和东转换带(图2)。石南一号断层在不同的段或带的构造特征各不相同，西段和西转换带构造最为复杂，东段次之，中段和东转换带构造相对简单。

图2 石南一号断层平面叠合图Fig.2 Plane superposition diagram of Shinan No.1 fault

2.1 西段

西段主干断层为铲式或坡坪式伸展断层，断穿基底且规模较大、长期活动，早期伴生断层为若干产状基本相同的顺向正断层，成阶梯状排列，晚期伴生断层与主干断层组成花状构造(图3a)。平面上主干断层呈弧形展布，展布方向自西向东由北西向逐渐转为近东西向。由于受伸展作用和走滑作用的双重影响，西段断层的平面组合呈现多样性，早期以耙式和平行式为主，晚期以北西向雁列式和斜列式为主(图2)。

2.2 西转换带

西转换带为西段与中段转换的部位，主干断层剖面特征与西段类似，也为长期活动的铲式伸展断层，但活动性较弱。伴生断层在该转换带较少发育，早期为顺向正断层，晚期为反向正断层(图3b)。平面断层组合上早期表现为首尾相接的北西向弧形组合样式，晚期则为北西向的雁列式组合样式(图2)。

2.3 中段

中段主干断层为板式正断层，断穿基底且规模较大、长期活动，早期伴生断层欠发育，晚期伴生断层与主干断层组成“Y”字型构造样式(图3c)。平面上主干断层呈近东西向展布，西侧略呈弧形，东侧较平直。晚期伴生断层与主干断层组成的平行式组合样式(图2)。

图3 石南一号断层分段剖面(位置见图2)Fig.3 Sectional profiles of Shinan No.1 fault(see Fig.2 for location)

2.4 东转换带

东转换带为中段与东段转换的部位，该转换带断层呈两期活动特征。主干断层早期活动，剖面上产状直立，无伴生断层，平面上呈北东向展布。晚期由于受北东向右旋走滑作用的影响，在该转换带形成一组北东向弱走滑断层，剖面上表现为“Y”字型正断层，平面上呈北东向雁列式组合样式(图3d、图2)。

2.5 东段

东段为石臼坨凸起东倾末端南侧断层，主干断层为座椅式伸展断层，早期伴生断层为顺向正断层，与主断层呈阶梯状组合样式，晚期受北东向走滑作用影响形成花状构造(图3e)。平面上主干断层呈近东西向展布，早期较平直，晚期断层呈首尾相接的弧形展布样式(图2)。

3 石南一号断层演化特征及成因机制

3.1 断层活动性分析

断层活动性分析可以采用断层生长指数、断层活动速率和断层古落差等常用参数进行定量表征。断层古落差一般是指在垂直于断层走向的剖面上两盘对应地层之间的铅直距离，对于生长断层，其落差通常是计算上盘厚度与下盘厚度的差值[3-7]，该方法可以克服上盘地层缺失及地层年代不精确带来的影响。断层活动速率为断层古落差除以该地层所经历的地质时间，由于考虑了时间因素，能更好地反映断层的活动强度。本次研究采用古落差和活动速率对石南一号断层的活动性进行表征。

石南一号断层同一段在不同时期的活动性存在差异，同一时期不同段的活动性也存在差异(图4)。古近纪为断陷期，断层活动性普遍强烈，沙河街组沉积时期断层古落差最大，而东三段沉积时期断层活动速率最大。新近纪由于进入裂后热沉降阶段，各段活动性普遍减弱，东西段减弱最明显，中段呈小幅减弱状态，活动性依然较强。古近纪自西向东各段断层活动性整体表现为“强—弱—强—弱—强”的特征，除去转换带的位置，各段均表现为强活动性；新近纪则表现为“弱—弱—强—弱—弱”的特征，只有中段表现为强活动性特征，其他段活动性均较弱。

图4 石南一号断层古落差及活动速率Fig.4 Paleofall and fault activity rate of Shinan No.1 fault

3.2 断层演化过程分析

根据断层的构造特征、活动期次并结合前人对渤海湾盆地及渤中凹陷形成演化机制的研究[8-11]，利用平衡剖面对石南一号断层西、中、东三段分别进行构造演化恢复(图5)，并将其新生代演化过程划分为五个时期。

图5 石南一号断层各段构造演化剖面(位置见图2)Fig.5 Tectonic evolution profile of each segment of Shinan No.1 fault(see Fig. 2 for location)

1) 沙一二段沉积之前。

该时期对应渤中凹陷的裂陷一、二期，石南一号断层发生伸展活动，控制下降盘孔店—沙四段、沙三段沉积，其中西段沉积厚度最大，中段与东段相当，表明西段断层活动更剧烈。此时主干断层的伴生断层发育数量较少，主要分布在西段与东段。

2) 沙一二段沉积时期。

该时期盆地进入裂后热沉降期，石南一号断层活动性减弱。

3) 东营组沉积时期。

该时期对应渤中凹陷的裂陷三期，主干断层持续活动并控制东营组沉积。断层活动速率显示东二段、东三段断层活动性均非常强烈，断层剧烈活动控制下降盘渤中凹陷快速沉积巨厚东营组。同时由于构造应力场的变化在伸展断裂基础上叠加北东北西向区域走滑作用，形成大量伴生断层。

4) 馆陶组沉积时期。

该时期沉积盆地以整体沉降为主，表现为拗陷特征，石南一号断层各段持续活动，但是断层活动性较弱。

5) 明化镇—第四系沉积时期。

渤海海域明化镇组沉积之后出现活跃的构造运动即新构造运动[12-13]，受其影响，石南一号断层继承性活动加强，并产生大量具有走滑—伸展性质的晚期伴生断层，形成花状构造样式。晚期断层发育数量多，但断层活动性比早期要弱，同期相比中段断层活动强度要大于西段与东段。

3.3 断层演化成因机制探讨

新生代渤中凹陷的形成演化受到地幔热隆起引起的伸展作用和板块运动引起的走滑作用双重控制，两种作用在不同时期此消彼长，控制了渤中凹陷断裂系统的形成与演化[11,14-16]。

古新世—始新世太平洋板块以北西—西向向亚欧板块俯冲，导致地幔上隆和地壳减薄，在石臼坨凸起地区产生近南北向的伸展应力(图6a)。此时石南一号断层各段均发生伸展作用，断层各段形成机制如图6b，推测该时期西段受到作用力更强，导致西段不仅断层活动性比中东段强，阶梯状伴生断层数量也比中东段更发育。

渐新世渤中凹陷仍处于裂陷期，但区域应力发生变化。由板块运动产生的剪切作用使渤海湾盆地形成北东向与北西向两组共轭应力系统(图6a)，形成北东向的郯庐断裂带和北西向的张家口—蓬莱断裂带。由于位于两组构造应力场交汇的位置，石南一号断层此时期具有典型的走滑—伸展成因机制，主干断层仍以伸展为主，但是各段模式又有不同：西段位于北西向的张家口—蓬莱断裂带主断裂带上，在伸展断裂系统上叠加了较强的左旋走滑作用，形成平面上首尾相接的北西向左旋伸展走滑断裂系统(图6c)；东段受北东向应力场影响，但由于离北东向郯庐断裂主走滑带较远，走滑作用相对较弱，形成耙状的走滑伸展断裂系统(图6d)；中段此时仍以伸展作用为主，或受微弱北东向应力场影响，产生少量耙状伴生断层，未见北西向走滑应力影响痕迹。

图6 石南一号断层形成机制模式图Fig.6 Model diagram of Shinan No.1 fault formation mechanism

新近纪和第四纪，经过裂后热沉降后，渤中凹陷进入走滑期，走滑作用强烈。石南一号断层东段形成北东向雁列式走滑断裂，西段形成北西向雁列式走滑断裂，只有中段受走滑作用较弱，持续以伸展作用为主，这也导致了新近纪主干断层中段垂直断距最大，断层活动性表现为“弱—弱—强—弱—弱”的特征。

4 石南一号断层对油气成藏的控制作用

渤中地区已发现油气藏多位于石臼坨凸起及石南一号断层下降盘陡坡带。石南一号断层对这些油气藏的成藏条件均有不同程度的控制作用。前人对石南一号断层控制沉积相展布、储层分布进行过一定研究[2-5]，本文重点讨论石南一号断层对烃源岩、圈闭形成机制及油气运移模式的控制作用。

4.1 对烃源岩的控制作用

断层对湖相烃源岩的控制作用体现在盆缘断层控制了盆地沉降、水体深浅、沉积充填类型及烃源岩热演化程度。石南一号断层在沙三段沉积时期强烈的伸展活动使渤中凹陷快速沉降，凹陷内部发育良好的半深湖—深湖相生烃泥岩；沙一段沉积时期断层活动减弱，盆地进入拗陷期，凹陷内部发育滨浅湖—半深湖相生烃泥岩；东三段时期断层再次强烈活动，湖盆继续发展，沉降加速，凹陷内部发育半深湖相生烃泥岩。石南一号断层在裂陷期特别是东三段沉积时期的强烈伸展可以加速烃源岩的快速沉降，加速有机质的转化。此外，地幔热隆起作为石南一号断层伸展作用的主要动力来源，可以为烃源岩提供一定的热作用，促进烃源岩的成熟演化。

4.2 对圈闭的控制作用

石南一号断层控制的圈闭有伸展和走滑两种成因机制。主干断层伸展过程中，上盘构造变形产生两种调节方式，一种是塑性变形形成逆牵引构造，另一种是通过调节断层，前者可以形成断鼻或断背斜圈闭，后者可以形成断块型圈闭。走滑作用在深层和浅层形成耙状、雁列式、首尾相接弧形等不同断层组合，配合地层的局部挤压可以形成断鼻、断块等多种类型的构造圈闭。此外，由于石南一号断层及伴生断层组成不同的断阶样式，控制下降盘砂体的沉积展布，在陡坡带形成构造—岩性圈闭，在转换带由于地层超覆到石臼坨凸起而形成地层超覆型圈闭。由于石南一号断层存在分段差异性，其控制的圈闭类型及平面分布规律也同样具有差异性(图7)。西段与西转换带由于断层活动强，伴生断层发育规模较大，断块断鼻型圈闭具有发育且面积大、数量多；中段构造样式单一，深层断鼻型，浅层断块型，但圈闭面积小、数量少；东段与东转换带，主要在中深层发育依附于边界断层的断鼻型圈闭，面积稍大，浅层没有圈闭发育。构造—地层圈闭主要是由古近系超覆线和断层控制形成的圈闭，仅在东转换带发育；构造—岩性圈闭为具有构造背景但受岩性变化控制的圈闭，在石南一号断层下降盘广泛分布。

图7 石南一号断层周边圈闭特征Fig.7 Characteristics of traps around Shinan No.1 fault

4.3 对油气运移的控制作用

渤中凹陷沙河街组和东营组源岩分别在东营组沉积末期和明化镇组沉积时期达到生油高峰期[17]，只有切入烃源岩并在对应生油高峰期强烈活动的断层才能起到良好的油气运移作用。石南一号主干断层长期持续活动，断层深切下部烃源岩层系，且在东营组沉积时期和明化镇组沉积时期产生的大量次级断层均可作为油气垂向运移的通道。从石南一号断层带两侧目前已发现油气层分布来看，油气主要聚集于浅层明下段和中深层东营组，深层和浅层油气藏具有不同的油气运移模式。深层成藏模式为油气沿着切入烃源岩的断层垂向运移至东营组砂体或者直接运移至烃源岩中的砂体，然后沿砂体汇聚于构造圈闭成藏(图8a)。浅层成藏模式为油气沿着主干断层垂向运移至浅层馆陶组，然后沿着馆陶组砂砾岩运移，再通过晚期断层进行油气二次运移至明下段圈闭成藏，即“网毯式”运移模式(图8b)。

图8 石南一号断层周边油气运移模式Fig.8 Oil and gas migration pattern around Shinan No.1 fault

由于石南一号断层的分段差异性，其作为油气运移断层的作用在各段亦有不同。断层活动性分析显示，石南一号断层在东营组沉积时期各段活动性自西向东呈现为“强—弱—强—弱—强”的特征，在明上段—第四系沉积时期呈现“弱—弱—强—弱—弱”的特征。因此，根据断层活动性与油气运移时期的匹配关系认为中段断层长期活动更利于晚期油气运移，利于浅层油气成藏，西段和东段断层早期活动性强，晚期较弱，利于中深层油气成藏。

5 结论

1) 石南一号断层具有“三段两带”的分段特征。断层各段构造样式存在明显的差异性，其中西段和西转换带表现为左旋走滑—伸展的构造特征，伴生断层发育数量多，断层平面组合形式多样；中段表现为伸展构造特征，早期表现为单断模式，晚期伴生断层发育；东段和东转换带为右旋走滑—伸展构造特征，早期伸展断层，晚期右旋走滑作用明显。

2) 石南一号断层具有“走滑—伸展”的成因模式。地幔热隆起引起的伸展作用和板块运动引起的走滑作用是石南一号断层形成演化控制因素，两种作用发生的时期和位置不同导致石南一号断裂活动性和构造样式的分段差异性。

3) 石南一号断层对烃源岩分布及演化、圈闭形成与分布及油气运移等都具有重要的控制作用。古近纪断层的强烈活动控制了烃源岩分布，并促进了热演化；断层伸展和走滑活动控制了多种类型圈闭的形成，为油气聚集成藏提供了有利的场所；石南一号中段断层长期活动更利于晚期油气运移，利于浅层油气成藏，西段和东段断层早期活动性强，晚期较弱，利于中深层油气成藏。