东营凹陷郑南地区沙四上亚段坡折带对层序、沉积与油气成藏控制
宋广增1, 2，王华1, 2，甘华军1, 2，徐蒙1, 2，刘睿3，王跃刚4，孙鸣1, 2，任金锋1, 2
(1. 中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉，430074；
2. 中国地质大学(武汉) 资源学院，湖北 武汉，430074；
3. 中国海洋石油天津分公司，天津，300452；
4. 中国石化胜利油田股份有限公司 滨南采油厂，山东 滨州 256600)
摘要：通过分析断层活动性与恢复古地貌，识别出郑南地区沙四上亚段发育典型性与特征性的三级坡折带。Ⅰ级坡折带与Ⅱ级坡折带均为断裂坡折，Ⅲ级坡折带为逆牵引作用形成的挠曲坡折。建立郑南地区三级坡折带对层序发育样式的控制模式，分析出其对沉积体系的发育位置、沉积体的储集物性、纵向沉积相分异、沉积体系展布方向与展布规模等具有控制性。Ⅰ级坡折带上发育沟梁相间分布的特征性微地貌，沟部控制物源输入，梁部形成鼻状构造，对沉积与成藏具有一定意义。由油源条件、储集条件、运移条件、盖层条件、圈闭条件出发，具体分析了坡折带可以控制形成油气富集带，并识别出郑南地区4种油气成藏模式：背斜成藏模式、断层封闭遮挡成藏模式、岩性圈闭成藏模式与砂体上倾尖灭成藏模式。综合分析郑南地区沙四上亚段坡折带对层序、沉积与油气成藏控制，丰富了坡折带理论，并对东营凹陷郑南地区油气藏的勘探具有指导意义。
关键词：郑南地区；坡折带；微地貌；可容纳空间；油气成藏模式
中图分类号：P539.2；TE121 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)08-3415-10
Slope-break and its control on sequence, sedimentation and hydrocarbon accumulation of Upper Es4 in Zhengnan area, Dongying sag
SONG Guangzeng1, 2, WANG Hua1, 2, GAN Huajun1, 2, XU Meng1, 2, LIU Rui3,WANG Yuegang4, SUN Ming1, 2, REN Jinfeng1, 2
(1. Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, Ministry of Education,
China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China;
2. Faculty of Earth Resources, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
3. Tianjin Branch of CNOOC, Tianjin 300452, China;
4. Binnan Oil Production Mill, Shengli Oilfield Company, SINOPEC, Binzhou 256600, China)
Abstract: Through analyzing the fault activity and recovering palaeogeomorphology in Zhennan area, Dongying sag, the classical and characteristical multistage slope-break zones are recognized in the Upper Es4. The Ⅰ-stage and the Ⅱ- stage slope-break zones both are fault slope-break, the Ⅲ-stage is flexure slope-break. The control model of the slope-break on sequence pattern was founded, its control on the development location of depositional system, the reservoir physical property, vertical phase segregation and the direction and scale of depositional system distribution were analysed.Ⅰ-stage slope-break zone developed the characteristical microtopo-graphy, where the channel and the beam distributed alternatively, which was significant for sedimentation and hydrocarbon accumulation. From the point of oil sources, reservoir nature, migration, capping formation and trap, the conclusion that the slope-break could control the formation of hydrocarbon abundance zone was reached, and pooling model could be summarized as four patterns of forming reservoir such as acticline, fault-sealing barrier, lithologic trap and sand undip and nip. Analysing the slope-break and its control on the sequence, sedimentation and hydrocarbon accumulation of the Upper Es4 in Zhennan area has enriched the theory of slope-break zone and could guide the oil exploration activity.
Key words: Zhennan area; slope-break; microtopography; accomdation space; pooling model
坡折带(slope break)原是地貌学概念，指地形坡度发生突变的地带[1]。国外学者对其研究较早，Howell等[2]认为伸展盆地中发育的同沉积断裂和断层转换带的作用等同于被动大陆边缘的陆架坡折；Lemons等[3]研究揭示了断陷湖盆中直接受控于盆地构造边缘类型的不同斜坡类型与体系域类型的关系；Galloway[4]强调大陆斜坡对沉积体系的控制作用。中国坡折带的研究源于对陆相断陷湖盆层序地层的研究。我国地质工作者在对陆相层序成因机制的深入研究中发现湖盆坡折带对层序的发育具有显著的控制作用，从而控制储集层的发育与油气成藏[5-8]。林畅松等[9]深入研究了渤海湾盆地东营凹陷与沾化凹陷内同沉积断裂及其组合样式对沉积体系发育及分布的控制作用，认为构造坡折带控制了沉积体系并提出了相应模式；冯有良等[10]以渤海湾盆地古近系为例，论述了不同坡折带对岩性油气藏富集带的控制作用；王英民等[11-12]论述了坳陷湖盆坡折带类型和分布特征，并分析了其对沉积作用和相应沉积体系的控制作用。前人对坡折带的研究着重论述其对沉积与成藏等的控制，而对坡折带的发育机制及控制机理则缺少详细论述，尤其在东营凹陷郑南地区，尚未有学者对其发育的典型性与代表性的三级坡折带进行过研究。本文作者在前人研究的基础上，针对东营凹陷郑南地区发育的典型坡折带，综合阐述了坡折带对层序样式与沉积体系的控制，不仅控制了沉积体系的发育及展布，而且控制了沉积体系发育位置、规模、储层物性以及沉积体系相分异，并对控制机理进行了具体论证。最后详细阐述坡折带对油气富集带及油气成藏模式的控制。目的是为了将坡折带理论更好地应用于油气藏勘探。
1 区域地质概况
图1所示为东营凹陷郑南地区构造格架和层序单元。郑南地区位于山东省东营市利津县境内，构造位置属于渤海湾盆地东营凹陷北部陡坡带中西部，其北以陈南断层为界与陈家庄凸起相邻，其西为滨县凸起，南临利津生油洼陷(图1)，是东营凹陷沉积和构造相对复杂的地区之一。在基岩古断剥面上充填沉积了以砂砾岩扇体堆积为主体的下第三系沙河街组四段、三段。研究区内主要发育陈南断层、胜北断层，走向近EW向。本文选取沙四上亚段为研究层段(图1)。
图1 东营凹陷郑南地区构造格架和层序单元
Fig. 1 Basic tectonic framework and sequence units of Zhennan area, Dongying sag
图2所示为东营凹陷郑南地区层序地层格架。陈南断层是东营凹陷的控凹断层，其发育贯穿研究区，由于构造活动沿断层走向具有差异性，陈南断层在东部倾角较陡，西部倾角较缓[13](图2(a)，(b))。陈南断层是由早期发育的北东向、北西向两组扭裂面组合形成的复杂生长断裂带，呈锯齿状弧形，部分断层面与伸展方向不垂直，发育侧斜坡[14]，“锯齿”处断面相向而倾成为沟，相背而倾形成梁[15](图2(c))。胜北断层是次级断层，与陈南断层倾角近于相等，走向近于平行，两者共同形成断阶带，并在深部相连形成“桥式构造区”。胜北断层下降盘发生逆牵引作用，形成滚动背斜[13](图2(a)和2(b))。
研究区是胜利油田东营凹陷的主要油气勘探开发区。多年的油气勘探和开发积累了大量的地质、地球物理资料和研究成果，特别是近年来连片的高分辨率三维地震和密集的钻井资料，为研究郑南地区的沉积充填和构造演化等提供了优良条件。
图2 东营凹陷郑南地区层序地层格架
Fig. 2 Sequence framework of Zhennan area, Dongying sag
2 郑南地区坡折带分析
在沙河街组四段沉积时期，东营凹陷处于初始断陷期[16-17]。陈南断层作为控凹断层，活动强烈，形成贯通式正断作用，构成郑南地区大型断裂坡折格局，为本区的Ⅰ级坡折带。与陈南断层相伴生的胜北断层虽是次级断层，但活动仍然强烈，同样形成贯通式正断作用，构成本区的Ⅱ级坡折带。Ⅰ级坡折带与Ⅱ级坡折带以下分别为Ⅰ台阶与Ⅱ台阶，两台阶以胜北断层为界[13](图2(a))。胜北断层下降盘发生逆牵引作用，形成滚动背斜，构成逆牵引背斜挠曲坡折[10]，为本区的Ⅲ级坡折带。
图3 郑南地区沙四上亚段同沉积期古地貌
Fig. 3 Syndepositional palaeogeomorphology of Upper Es4 in Zhennan area
坡折带是重要的古地貌元素。由地层残余厚度出发，经剥蚀量恢复、去压实、古水深校正等，得到沙四上亚段沉积时期的古地貌见图3。由图3可观察到郑南地区坡折带及其组合样式。郑南地区地势整体北西高、南东低，发育三级坡折带，东部坡度比西部较陡，坡折带走向为NEE向，且Ⅰ级坡折带上沟与梁相间分布，构成本区特征性的微地貌。
3 坡折带对层序样式及沉积体系的控制
含油气盆地的层序样式和演化等受控于盆地的构造演化、海(湖)平面变化、古气候和物源体系的展布等因素[18-20]。在陆相断陷盆地中，同沉积构造活动由于长期的持续活动，成为诸因素中的主导因素。同沉积构造活动正是通过对盆地古地貌(坡折带)的控制实现对盆地层序地层格架和沉积体系的控制[7]，而且坡折带制约着盆地充填的可容纳空间的变化，对层序叠加样式及沉积体系的发育等起着重要的控制作用[7]。
3.1 坡折带对层序样式的控制
图4所示为郑南地区沙四上亚段坡折带样式及对层序样式的控制模式。郑南地区，在低位域(LST)沉积时期，湖平面低于Ⅰ台阶，位于Ⅱ级坡折带以下，Ⅰ台阶之上区域则遭受风化剥蚀，并形成下切谷，之下区域被湖水覆盖而接受沉积，碎屑物首先在靠近胜北断层处堆积低位域(LST)近源扇体形成低位楔，扇体在向前推进过程中，遭遇挠曲坡折形成重力流，继续向前推进形成斜坡扇与盆底扇[10]，如图4所示。在湖扩域(EST)与高位域(HST)沉积时期，湖平面快速上升，越过Ⅱ级坡折带，Ⅰ台阶之上区域开始接受地层沉积，形成湖扩域(EST)与高位域(HST)。Ⅰ台阶与Ⅱ台阶由于可容纳空间大小不同，地层的沉积厚度发生突变，Ⅰ台阶之上各层序厚度变化稳定，相对较薄，沉积旋回较少，地层向坡折带上发生超覆或削截，缺少低位域(LST)沉积，仅发育湖扩域(EST)与高位域(HST)，Ⅰ台阶以下地层厚度增大，沉积旋回增多，发育了低位域(LST)、湖扩域(EST)和高位域(HST)，各体系域发育齐全。
图4 郑南地区沙四上亚段坡折带样式及对层序样式的控制模式
Fig. 4 Slope-break pattern and model of its control on sequence pattern of Upper Ess in Zhennan area
综上，郑南地区Ⅰ级坡折带控制了三级层序的发育，Ⅱ级坡折带控制了低位域(LST)的发育，而挠曲坡折则控制了低位域(LST)盆底扇与斜坡扇发育(图4)。
3.2 坡折带对沉积体系的控制
图5所示为郑南地区沙四上亚段沉积相发育类型及特征。图6所示为郑南地区沙四上亚段沉积相发育类型及分布。通过研究区钻井分析、岩心观察、连井对比、地震资料与测井资料分析，并结合砂岩等厚图与含砂率等值线图等，认为郑南地区沙四上亚段主要发育扇三角洲、半深湖-深湖相泥岩和深湖浊积扇等3种沉积相类型(图5)，并编制了沉积相平面展布图(图6)。
坡折带对沉积体系的控制机理有3个方面：(1) 由于构造作用差异形成的构造坡折带沉降剖面斜率大小不同，势必影响水动力的大小，进而控制沉积物的供给速率、粒度等[16]；(2) 坡折带高差大小反映了物源区地势的高低，决定了物源区与汇水区的势能大小和坡折带以上地层的剥蚀程度，进而对沉积物供给量的大小及沉积物性质、粒度和沉积体系展布等方面具有明显的控制作用[16]；(3) 坡折带坡降可产生可容纳空间，是沉积物发生卸载的场所[21]。
本区Ⅰ级坡折带上发育了相间分布的沟与梁，构成了本区特征性的微地貌，对沉积体系同样具有重要的控制意义。
3.2.1 对沉积相展布规模与储集物性的控制
本区Ⅰ级坡折带主要受一级构造运动控制，为直接控制沉积物供给及沉积物粒度、性质的盆缘坡折带，坡折带的坡度、高差、规模相对较大。且坡折带在研究区东部与西部坡度差别较大。结合编制的原始地层等厚图，在Ⅰ级坡折带上下分别选取d1与d2两点，运用下式计算得出[22]，坡折带在研究区东部坡度为30°~40°，西部坡度为10°~20°。
式中：θ为坡脚，(d2-d1)为两点处的沉积厚度差；s为两点间的水平距离。
东部坡折带坡度较大，且高差较大，沉积物供给速率快、供给量大，较低的地势形成较深的水体(图3)，进而构成较大的可容纳空间，陈家庄凸起提供的物源入湖沉积形成扇三角洲，且较大的可容纳空间可以形成较厚的扇体，并阻止了扇体向前发生较长范围的延伸；西部坡度较缓，且高差较小，较高的地势形成的水深较浅(图3)，沉积物在Ⅰ级坡折带控制下形成扇三角洲沉积，由于可容纳空间较小，碎屑物很容易补偿湖口处的可容纳空间，并不断向前进积，使形成的扇体厚度较薄，但展布规模较大。东部坡度较陡，砾岩、含砾砂岩、粗砂岩等粗粒碎屑物较西部含量多，且粒度较大，但分选磨圆较差(图5)，且杂基充填较多；西部坡度较缓，虽然储集体粒度相对东部较细，但分选磨圆好，储集物性较东部优良。胜利油田勘探实践已经证明，西部比东部取得了更好的勘探效果。
图5 郑南地区沙四上亚段沉积相发育类型及特征
Fig. 5 Style and characteristics of sedimentary facies of Upper Es4 in Zhennan area
图6 郑南地区沙四上亚段沉积相发育类型及分布
Fig. 6 Style and distribution of sedimentary facies developed in Upper Es in Zhennan area
3.2.2 对沉积物卸载的控制
图7所示为郑南地区坡折带对沉积体系的控制模式。沿着沟谷或河道搬运的沉积物当其搬运营力减弱时，会发生卸载堆积。沉积物卸载主要发生在2种情况下：一是在突然变陡的斜坡带顶部，由于限制水流的河道突然消失，沉积物会散开而堆积[21]。郑南地区，陈家庄凸起提供充足物源沿沟谷进入湖盆，遭遇Ⅰ级坡折带，可容纳空间突然增加，水动力条件减弱，沉积物发生卸载，堆积形成扇三角洲。二是当地形坡度明显减缓，重力势梯度降低时，流体搬运沉积物的能力减小，沉积物发生卸载[21]。郑南地区Ⅰ级坡折带控制形成的扇三角洲在向前推进过程中，遭遇Ⅱ级坡折带，坡度突然变陡，由于重力作用向前发生滑塌，沉积物发生二次搬运，滑塌体在沿斜坡向前运移过程中到达Ⅱ级坡折带槽线位置时[10]，坡度明显减缓，重力势梯度降低，堆积形成浊积扇。
在物源供给充足条件下，郑南地区多级坡折带使沉积物发生多次搬运，并在不同坡折处发生沉积物的卸载，而且卸载方式存在差别，形成了不同的沉积体系类型，造成沉积体系沿纵向(垂直于坡折带走向)产生相分异(图6和图7)。
3.2.3 对扇体发育位置与扇体走向的控制
陈南断层沿走向呈锯齿状，因产状的变化而产生构造变形[14]，使Ⅰ级坡折带上发育沟与梁相间分布的微地貌。沟部为陈南断层走向变化产生的侧斜坡构成，具有构造变换带的作用[23] ，且构造变换带常为碎屑物源注入裂陷盆地的入口。在沙四上亚段沉积时期，沟部作为陈家庄凸起向凹陷内输送物源的通道(图7)，发育了下切沟谷(图2 (c))，进而控制了扇体的发育位置[21, 24]。
沉积物的展布总是沿着势能降低最快的方向。坡折带均有一定的坡度，在与坡折带走向垂直的方向上，坡度最大，势能降低最快，所以沉积体通常沿垂直于坡折带走向的方向上展布。郑南地区，坡折带的走向为NEE向(图3)，沉积相的走向大致呈SSE向(图6)，两者近于垂直。
图7 郑南地区坡折带对沉积体系的控制模式
Fig. 7 Model of slope-break controlling on depositional system in Zhennan area
4 坡折带对油气成藏模式的控制
坡折带控制了凹陷内部的层序发育样式，并控制沉积体展布。尤其是靠近物源区的坡折带，可以导致相分异剧烈，相变快，使发育的砂体可以与湖相烃源岩直接接触，并直接影响盆地内部烃源岩规模、输导层特征、储集层规模与物性及层序发育的宏观特点等，是形成油气富集带的有利地区,并可控制形成多种油气成藏模式。
4.1 坡折带油气成藏的有利条件
图8所示为郑南地区油气成藏模式。
(1) 油源条件。郑南地区坡折带坡度较陡，湖水在坡折点以下陡然加深，可沉积形成半深湖-深湖相烃源岩。前人研究证实，沙三段、沙四段烃源岩有机质丰度高、类型好，为以生油为主、生气为辅的成熟烃源岩[25]。
(2) 储集条件：坡折带是砂岩厚度和砂岩层数的加厚带[24]。受陈家庄凸起的物源供给，郑南地区坡折带控制发育大规模扇三角洲，并且低位域(LST)形成的斜坡扇和盆底扇、高位域(HST)形成的滑塌浊积体与Ⅰ级坡折带上发育在沟部的下切河道在接受砂体充填后均可作为良好的油气储层(图8)。
(3) 输导条件。郑南地区，油气运移通道有储集性砂体、断层及不整合面(图8)。
储集层作为油气运移通道，对油气在地层内部的侧向运移聚集起良好作用。陈南断层自燕山运动以来异常活跃，几乎切割了东营凹陷的所有油气源层，是油气垂向运移的主要通道[24]；胜北断层落差大，活动时间长，沟通了油源与本区存在的多个不整面[26]。不整合面上下可形成以“底砾岩连通孔隙”为主和以“淋滤带裂缝-溶蚀孔洞”为主的两类高效运载层，将不同时代的地层连接起来，是有效的长距离通道[27]。储集层、断层与不整合面构成本区“Z”型运移通道。另外，湖水的收缩与扩张造成三角洲的前进与后退，纵向上形成砂、泥岩体的犬牙交错状态，为油气初次运移提供了极有利的条件。
(4) 封盖条件。在湖扩域(EST)与高位域(HST)早期，坡折带部位沉积的泥岩是良好的盖层，并且在构造活动宁静期，生长断层由于其生长指数大并易形成断面泥质涂抹层，可作为封堵断层，造成侧向封堵，可形成有利的断层封闭。
(5) 圈闭条件。坡折带是地形坡度发生突变的地带，伴随基准面的升降变化，地层可产生明显的超覆、剥蚀，层序内部体系域构型和沉积体系产生差异，因此沿坡折带可发育多种类型的隐蔽圈闭。郑南地区Ⅰ级坡折带的梁部为局部构造高部位，在接受沉积物堆积后可发育小型鼻状构造[25]，且Ⅲ级坡折带为背斜成因，两者均可形成构造圈闭。
4.2 油气成藏模式
通过对油源条件、储集条件、输导条件、封盖条件与圈闭条件的综合分析，并结合生油层、储层、盖层在层序格架内的空间配置关系(图4)，认为东营凹陷郑南地区主要发育4种油气成藏模式。
图8 郑南地区油气成藏模式
Fig. 8 Pooling model in Zhennan area
4.2.1 背斜成藏模式
在洼陷内部，胜北断层下降盘形成滚动背斜，背斜处砂体下倾方向与湖相烃源岩相接触，油气沿砂体向上运移，并在背斜顶部聚集，形成滚动背斜油气藏。Ⅰ级坡折带梁部，在接受沉积物堆积后，形成小型鼻状构造[25]，高位域(HST)时期沉积形成的砂砾岩体储集由断层或不整合面运移来的油气形成鼻状构造油气藏。此类成藏模式的控藏因素为构造分布、断层与不整合面的连通性和局部盖层条件。K7井在沙四上亚段钻遇小型鼻状构造，并产出工业油流。
4.2.2 断层封闭遮挡成藏模式
郑南地区发育多组断层构成断阶带，断层下降盘的砂砾岩体被断层切割，侧向尖灭，形成断块-岩性圈闭，油气沿断层或砂砾岩体下倾方向向上运移至圈闭中成藏。控制成藏的因素为断层遮挡条件和砂砾岩体的储集物性。K8井沙四上亚段油藏属于这类油气成藏模式[15]。
4.2.3 岩性圈闭成藏模式
Ⅰ级坡折带上的沟部作为物源通道可以形成古河道砂岩圈闭，并且沿坡折带走向呈串珠状分布。低位域(LST)时期形成的湖底扇与高位域(HST)时期形成的扇三角洲远端滑塌体具有一定的储集物性，并且处于湖湘泥岩中，具有“近水楼台”之势，深湖相烃源岩生成的油气运聚至此可以形成岩性透镜体圈闭。控制成藏的因素为砂砾岩体的储集物性、断层与不整合面的连通性与泥岩遮挡条件。
4.2.4 砂体上倾尖灭成藏模式
胜北断层下降盘因逆牵引作用形成滚动背斜，Ⅱ级坡折带控制来自陈家庄凸起的沉积物在背斜带一侧形成砂体，向洼陷方向，砂体上倾尖灭。当烃源岩生成的油气进入该砂体，在上倾尖灭处则富集成藏。控制成藏的因素是砂体的几何形态和空间分布、物性。
5 结论
(1) 东营凹陷郑南地区发育典型的三级坡折带样式，Ⅰ级坡折带与Ⅱ级坡折带为由断裂作用形成的断裂坡折，Ⅲ级坡折带为由断层下降盘发生逆牵引作用形成的挠曲坡折。Ⅰ级坡折带上形成沟梁相间分布的特征性微地貌，沟部控制物源输入，并可形成岩性圈闭，梁部为小型鼻状构造，可形成构造圈闭，两种圈闭均为油气有利聚集区。
(2) 坡折带对层序样式与沉积体系发育规模与展布等具有重要控制性。郑南地区Ⅰ级坡折带控制形成三级层序，Ⅰ台阶之上仅发育湖扩域(EST)与高位域(HST)；Ⅱ级坡折带控制形成低位域(LST)，Ⅱ台阶体系域发育齐全；Ⅲ级坡折带则控制形成低位域(LST)的盆底扇与斜坡扇。由于坡折带的坡度与高差不同，研究区东部与西部控制形成的扇三角洲的展布规模与储集物性存在差异。在物源供给充足情况下，多级坡折带可使沉积物发生多次搬运与卸载(使沉积物体积发生分配)，且在不同坡折带处卸载机理不同，控制了沉积体系在纵向上(垂直于坡折带走向)产生相分异。坡折带的走向控制沉积体系的展布方向。
(3) 坡折带具备良好的油源条件、储集条件、输导条件、封盖条件与圈闭条件，可以形成油气富集带。在郑南地区，共发育有4种油气成藏模式：背斜成藏模式、断层封闭遮挡成藏模式、岩性圈闭成藏模式与砂体上倾尖灭成藏模式。
(4) 综合分析坡折带的发育机理、发育位置、产状等，有助于寻找有利储集体，构建油气成藏模式，对油气勘探具有重要意义。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2012-09-06；修回日期：2012-12-15
基金项目：国家自然科学基金资助项目(41272122)；国家“十二五”油气重大专项(2011ZX05009-002-02)；教育部重点实验室开放课题(TPR-2013-14)；中国地质大学(武汉)教学实验室开放基金资助项目
通信作者：宋广增(1987-)，男，山东济宁人，博士研究生，从事盆地分析研究；电话：027-67883064；E-mail：songguangzeng2006@163.com
