塔南凹陷总体上表现为向西倾斜的3条基底断裂控制的3个半地堑次凹构造, 次凹内部又被斜向主干断层分隔成若干洼陷, 整体表现为东西分带、南北分块的构造格局(于丹, 2010; 方石等, 2012)。依据三维地震资料解释成果, 可将整个凹陷按剖面结构形态划分为东部次凹、中部次凹和西部次凹(图1), 东部次凹又可以分为南部、中部和北部洼陷区, 中部次凹又可以分为南部和中部洼陷区, 西部次凹又可以分为中部和北部洼陷区。

图1

Fig.1

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	图1 塔南凹陷构造单元划分Fig.1 Division of tectonic units of Tanan Sag

2.1.1 北部区

塔南凹陷北部区在T₂₂界面(南屯组顶界面)以下表现为西断东超的半地堑式结构, 多条走向NE、倾向NW的正断层控制着铜钵庙组和南屯组的沉积, 断层向上切割至南屯组顶部。根据南屯组地层厚度的变化, 剖面上主要可分为3个半地堑式结构, 分别受控于F3、F4和F5断层(图 2, C-C'), 后期被改造成两洼的构造格局。在T₂₂界面以上地层表现为断拗式结构, 被F4断层分割成东、西2段, 西段比较发育小型走滑断层, 东段走滑断层不太发育。

2.1.2 中部区

塔南凹陷中部区剖面结构可分成3段, 主要是被F2断层、F4断层以及F7断层分割为3个半地堑式结构(图 2, B-B')。几条大断层主要控制铜钵庙组、南屯组和大磨拐河组沉积, 次生断层较少, 后期主断层发生走滑运动形成许多Y型断层组合。

2.1.3 南部区

塔南凹陷南部区剖面结构可分成东、西2段, 主要是被F4和F1断层分隔为2个半地堑式结构, 且均为东断西超(图 2, A-A')。T₂₂界面以下主要为断陷结构, 其上部表现为拗陷结构。T₂₂界面以上发生轻微走滑, 形成少量Y字型断层。主控边界断层F1、F4断层及其次级断层控制铜钵庙组和南屯组沉积, 拗陷期发育继承性或新生性西倾断层。

通过对断层分布特征、构造变形样式的系统解析, 按断层形成的力学性质, 将塔南凹陷断裂主要划分出2种类型, 即伸展型断层和伸展-走滑型断层。在铜钵庙组— 南屯组沉积时期, 受NW-SE向引张应力作用形成NE和NNE向正断层, 主要包括铜钵庙组、南屯组沉积时期各次凹边界断层及其伴生的次级断层。在大磨拐河组— 伊敏组沉积时期, 区域应力由NW-SE向引张转为近EW向引张, 导致原有断层面上产生走滑位移分量, 从而使早期的伸展断层兼有走滑的性质, 逐步演变为伸展-走滑型断层。该类断层多发育为各次凹的边界断层, 多为长期活动的继承性断裂。区域应力的转变导致在原有的NE-NNE向断层间形成一个右旋走滑应力场, 产生众多近SN向和NW向的小型正断层, 这些走滑作用产生的小型正断层与NE向的基底正断层在平面上形成众多雁列构造和帚状构造, 在剖面上则显示为花状构造和V字形构造(图 2)。

图2

Fig.2

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	图2 塔南凹陷地震结构剖面(测线位置见图1)Fig.2 Seismic structure section of Tanan Sag(seismic line in Fig.1)

塔南凹陷不同构造层中的断层发育存在显著差异。伊敏组沉积末期的构造反转运动只在北部地区比较剧烈, 并未形成全区大规模的反转。以T₂₂界面为界, 根据断层演化及其性质可划分为下部伸展断裂系统和上部伸展— 走滑断裂系统(图 2)。下部伸展断裂系统主要发育于铜钵庙组和南屯组, 上部伸展— 走滑断裂系统发育于大磨拐河组、伊敏组、青元岗组。两套断裂系统均受长期活动的主干基底断层控制, 自下而上形成一套连锁断裂体系, 上部伸展— 走滑断裂系统是叠加在下部伸展断裂系统之上的继承性演化的产物。

断裂构造样式不仅是断层组合及演化的综合体现, 同时也对沉积展布和油气聚集有重要的影响。研究区经历了早期伸展、中期张扭、晚期反转多期构造运动, 其中伸展、披覆、张扭3大类构造样式与油气藏的关系最为密切(图 3)。

图3

Fig.3

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	图3 塔南凹陷构造样式划分及其分布与特征Fig.3 Division, distribution and characteristics of structural styles in Tanan Sag

2.3.1 伸展型构造样式

在南屯组中广泛发育, 主要切割了T₅、T₃、T₂₃、T₂₂反射层, 多数终止在大磨拐河组中, 部分向上持续活动而控制着上部张扭构造样式的演化。根据正伸展断层的组合方式可分为6个亚类:反向翘倾断块, 顺向翘倾断块, 垒堑构造, 共轭交切, 顺向断阶和反向断阶; 其中顺向、反向翘倾断块多分布于各次凹的缓坡带上, 顺向、反向断阶多分布于东部次凹陡坡带上, 而垒堑构造广泛分布于铜钵庙组。

2.3.2 披覆型构造样式

塔南凹陷断陷期垂直升降活动剧烈, 在上覆盖层中形成多种批覆构造, 自东向西主要分布在东部、中部和西部潜山断裂带附近, 垂向上以铜钵庙组上部和南屯组下部为主; 可分为背斜披覆、堑背斜披覆、断鼻披覆3个亚类。

2.3.3 张扭型构造样式

主要发育于塔南凹陷构造演化的中后期(伊敏组、青元岗组沉积时期), 由于后期区域应力方向的改变, 早期伸展断层会顺其断面发生一定的走滑位移, 从而使其既具有伸展位移又具有走滑位移。从地震剖面(图 2)中可以看出, 各控次凹断层在铜钵庙组和南屯组中主要表现为铲式特征, 但这些长期活动的边界断层在大磨拐河组和伊敏组中发育大量(半)正花状构造和V字形构造, 主要沿各次凹的陡坡带发育。

断裂的数量、活动速率、伸展率是界定断裂活动期次和活动强度的重要参考指标(卢异等, 2010; 尹新义等, 2010)。前人在研究区做过相关的断裂活动性研究(于丹, 2010), 但仅讨论了单条断层的活动强度, 并未将各个次凹作为单元进行断裂的活动性研究。盆地中断裂的发育是一个有机的整体, 因此以小级别构造为单元进行研究对凹陷整体的构造演化乃至沉积体系分布的分析具有重要意义。

图4

Fig.4

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	图4 塔南凹陷主要控次凹断裂活动性叠合直方图(断层位置见图1)Fig.4 Congruent histogram of activity of main faults controlling sub-sag in Tanan Sag(fault location in Fig.1)

研究区不同次凹主干断裂的活动时间、活动强度存在明显差异, 并且出现交替转移的现象(图 4)。通过统计主干断裂的生长指数和净沉积量(图 4), 发现活动的分段性表现为东强西弱、南北交替。在铜钵庙组沉积时期断裂活动较强, 东部次凹是整个凹陷的沉降中心, 其中南部又是东部次凹的主要沉降区; 南屯组沉积时期是整个凹陷断裂活动最强的时期, 各次凹全面沉降接受沉积, 但东部次凹的断裂活动仍然最剧烈; 大磨拐河组沉积时期, 断裂活动强度明显减弱, 但东部次凹的北部断裂活动较前一期开始逐渐增强。

海塔盆地中、新生代不同时期的构造-沉积特征有明显差异, 盆地沉积盖层中包含多个不整合面。根据不整合面, 可以将海塔盆地划分为前白垩纪、早白垩世早期(铜钵庙组、南屯组沉积时期)、早白垩世晚期(大磨拐河组、伊敏组沉积时期)、晚白垩世— 新生代等4个大的演化阶段; 根据层序结构反映的盆地结构形态、同沉积断层特征等可以将不同阶段划分为不同的构造演化期次。

塔南凹陷的构造演化与整个海塔盆地构造演化是同步的, 但是塔南凹陷后期褶皱反转程度相对较弱。根据塔南凹陷地震资料解释的不整合面的分布特点、构造变形样式差异、褶皱变形时期等综合特征, 将塔南凹陷盆地构造演化划分为叠合断陷、叠合断拗、反转拗陷3大成盆阶段, 其中“ 叠合断拗” 是指两期或两期以上的盆地均表现为断坳或拗断、拗陷的结构特征, 垂向上叠置在一起。根据断层的活动性和样式特征, 又可细分为以下5个阶段:(1)初始断陷期(铜钵庙组沉积时期), (2)强烈断陷期(南屯组沉积时期), (3)断拗沉降期(大磨拐河组沉积时期), (4)张扭拗陷期(伊敏组沉积时期), (5)反转拗陷期(伊敏组沉积末期至青元岗组沉积时期)(图 5)。

通过对塔南凹陷断陷期地层沉积厚度与同沉积断层分布的研究发现, 各个次凹的沉积中心和沉降中心发生了明显的差异变化和交替迁移(图6), 这与同沉积断层的活动和演化密切相关。铜钵庙组沉积时期, 塔南凹陷的沉积中心比较分散, 规模也较小, 3个次凹形态基本形成, 但次凹内部的若干洼陷并未连通, 洼陷的延展方向和NE走向与断层具有很高的相关性。南屯组沉积时期, 断陷作用进一步加剧, 地层沉积厚度明显大于上一时期, 沉积中心展布仍呈NE走向, 各次凹内的洼陷基本连通, 中部次凹已经完全连通呈NE向的狭长型延展。东部次凹南部沉积作用持续增强, 沉积厚度达到1600 m, 相比之下中部和北部均已明显减弱, 该时期F1断层控制着东部次凹南部深洼的形成, 并使深洼范围进一步扩大。西部次凹沉积面积明显扩大, 上一时期的3个小洼陷基本连通, 沉积厚度达到600~800, m。大磨拐河组沉积时期, 盆地演化由断陷向拗陷过渡, 此时由早期3个次凹的单独充填沉积转为整个凹陷的统一沉积(图 6)。

近年来, 构造作用对沉积体系分布的控制与影响研究已经成为含油气盆地分析的热点之一(Cowle et al., 2000; Wood, 2000; Pavelic, 2001; Bryan and Jason, 2002; Hans et al., 2002; Lezzar and Tiercelin, 2002; Mcleod et al., 2002)。沉积体系的发育和分布与沉积时期的古地貌有关, 而古地貌又直接受同沉积断裂控制(陈莹等, 2006; 叶兴树等, 2006; 邓宏文等, 2008; 纪友亮等, 2010; 林畅松等, 2010; 史冠中等, 2011)。

通过对研究区沉积体系对比研究发现, 沉积相分布和物源供给总体上受断层活动和延展方向的控制, 陡坡带、缓坡带及凹中隆起等不同构造单元的沉积相分布明显受到断层活动的影响(林畅松等, 2003; 路智勇, 2008)。早白垩世, 塔南凹陷断陷作用强烈, 断裂极为发育, 凹陷内主要的沉积体系及组合有冲积扇、扇三角洲、湖底扇、三角洲、滨浅湖和半深湖— 深湖等(杨永华等, 2009; 王建鹏等, 2011)。在断陷初始阶段(铜钵庙组沉积时期), 塔南凹陷北部和西部地势较高, 地形坡度相对较缓, 主要发育冲积扇和三角洲沉积; 在东部次凹的陡坡带, 断层断面陡、地形高差大, 主要发育扇三角洲和近岸水下扇沉积; 中部次凹发育滨浅湖沉积。在强烈断陷阶段(南屯组沉积时期), 水深进一步增大, 东部次凹的南部洼陷和中部次凹发育大面积的半深湖— 深湖沉积, 东部次凹中部和北部以及西部次凹被滨浅湖沉积所覆盖, 这为大套的烃源岩沉积提供了良好的基础; 西部缓坡带则发育大套的三角洲沉积, 这为油气的储集提供了砂体保证。大磨拐河组沉积时期, 主要发育半深湖— 深湖沉积, 为研究区内提供了大套的泥岩; 在中部次凹以东的地区发育滨浅湖沉积, 以西的地区主要发育三角洲沉积(蒙启安和纪友亮, 2009; 杨子成, 2010; 苗长盛等, 2011; 许凤鸣等, 2011)。从纵向来看, 塔南凹陷东部次凹的边界断层活动性持续较强, 使得东部次凹持续接受来自东部的物源, 在陡坡带附近发育扇三角洲, 部分深洼处发育湖底扇沉积; 中部次凹相对简单, 伴随F3断层活动性由弱到强再到弱(图 4), 发生了滨浅湖向半深湖— 深湖— 湖沼相的演化; 西部次凹及其以西的地区地势一直相对较高, 主要发育冲积扇和三角洲的沉积。

图5

Fig.5

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	图5 塔南凹陷B— B′测线构造演化Fig.5 Tectonic evolution of Line B-B' in Tanan Sag

图6

Fig.6

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	图6 塔南凹陷下白垩统地层厚度图Fig.6 Isopach map of the Lower Cretaceous in Tanan Sag

根据钻井资料, 研究区主要发育铜钵庙组、南屯组、大磨拐河组3套泥岩, 油气主要来自铜钵庙组和南屯组暗色泥岩。主干基底断层将塔南凹陷分为东部、中部、西部3个次凹, 暗色泥岩受断层活动影响沿NE走向展布(图 7)。铜钵庙组沉积时期是湖盆的断陷初始期, 形成大量NE— NNE走向的正断层, 暗色泥岩沿着断裂走向展布, 并紧邻陡坡带一侧堆积, 中部次凹和西部次凹沉积最厚。南屯组沉积时期, 随着断陷作用的增强, 泥岩的厚度继续增大并且仍与NEE-NE向断层有良好的相关性。断陷阶段沉积的暗色泥岩在拗陷阶段得到深埋保存, 且伴随着埋藏深度增大、地温和压力的不断升高, 烃源岩开始逐渐成熟, 这为油气成藏创造了油源基础。塔南凹陷目前油气主要来自于南屯组的烃源岩, 这与当时断裂活动强度大、凹陷沉降速度快、可为暗色泥岩沉积提供大量可容空间的构造背景密不可分。

圈闭是油气成藏的储集空间, 断裂活动在控制地层沉积的同时也控制了圈闭的形成分布(胡望水等, 2002; 慕德梁等, 2009)。据目前已钻探的油气井, 研究区内大多数油气分布在与伸展断层相关的构造圈闭中。塔南凹陷圈闭类型多样, 大致可分为两种(图 8), 一种是断层控制的构造圈闭, 另一种是断层和岩性共同控制的复合圈闭。

1)断层构造圈闭:主要发育于断陷期(铜钵庙组和南屯组沉积时期), 该时期塔南凹陷水平伸展和垂直沉降同时进行, 发育了大量断块、断鼻、断背斜等3类构造圈闭, 这些圈闭的形成与主干基底断层的活动密切相关。随着伸展断层的发育, 断裂样式在垂向和横向的叠加形成了多个断裂控制的复式圈闭。伊敏组沉积末期近EW向的挤压反转弥补了伸展构造的不足, 在凹陷不同部位形成了一些低幅度的隆起和背斜, 这为油气储存提供了良好的储集空间。

图7

Fig.7

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	图7 塔南凹陷暗色泥岩与同沉积断裂叠合图(暗色泥岩据陈庆, 2010, 有修改)Fig.7 Congruent map of dark mudstone and synsedimentary faults in Tanan Sag(data of dark mudstone modified from Chen, 2010)

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 塔南凹陷油气运聚模式 A— 断层构造圈闭; B, C— 断层-岩性复合圈闭Fig.8 Pattern of hydrocarbon accumulation in Tanan Sag

图9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 塔南凹陷断陷期地层厚度、油气分布与油源断层(T3反射层)关系图Fig.9 Relationship between stratum thickness of Tanan Sag in faulted stage, oilfield distribution and oil-faults(T3)

2)断层和岩性复合圈闭:断层和岩性共同控制的圈闭主要是同沉积断裂在控制沉积的同时形成的一系列扇体共同控制的一类含油气圈闭。南屯组油井的日产量中三角洲前缘砂体的累积日产量最大, 其次为近岸水下扇中扇砂体(方石等, 2012)。在塔南凹陷中部次凹的陡坡带和深洼区主要发育断层控制的近岸水下扇、浊积扇圈闭; 西部次凹的缓坡区主要发育扇三角洲、辫状河三角洲等岩性圈闭。

国外学者Hooper在1991年提出用地震泵的观点解释油气沿断裂的运移, 国内学者在地震泵与油气沿断裂的运移方面也做了大量研究(孙永河等, 2007), 普遍认为油气沿同沉积断裂从烃源岩向圈闭中流动具有快速、幕式的充注特点。伊敏组沉积时期构造活动较弱, 盆地以热沉降为主, 塔南凹陷上部形成了巨厚的盖层, 下部烃源岩埋深增加、压力大、成熟度高, 在125~100Ma进入大量排烃期(陈守田等, 2004); 同时在伊敏组沉积后期, 整个塔南凹陷经历了一次挤压反转运动, 烃源岩排烃期与构造活动及圈闭形成了良好的时空匹配关系。反转构造运动虽然对塔南凹陷的构造格局并未产生大的变动和影响, 但对油气的运移、聚集及分布起到了关键作用, 使油气源源不断地运移至早期形成的圈闭中。现今开发的塔南油气田均沿NE向断裂带走向展布, 持续活动的主干基底断层应是该区油气运移的主要油源断层(图 9), 其下部切穿铜钵庙组和南屯组, 上部连通大磨拐河组以及相伴生的次级正断层, 一起构成了复式断裂油气疏导系统。研究区内在长期活动正伸张断层的上盘深洼带沉积有巨厚暗色泥岩, 使得其在空间配置上更便于作为油源与储集层间的运移通道, 受其控制的圈闭更易于富集油气。