松辽盆地王府凹陷断层特征及对油气的控制

陈方文^{1, 2}，卢双舫^{1, 2}，石美娟^{1, 2}

(1. 东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆，163318；

2. 东北石油大学 油气藏形成机理与资源评价省重点实验室，黑龙江 大庆，163318)

摘要：通过系统分析断层形成和演化过程，研究松辽盆地王府凹陷断层对油气成藏的控制作用。将王府凹陷断层划分为4种类型，即断陷期伸展断层、坳陷期拉张断层、反转期挤压断层和长期活动断层。确定断层活动主要有3期：火石岭组至营城组沉积时期形成断陷期伸展断层；青山口组沉积时期形成坳陷期拉张断层；嫩江组至新近系沉积时期形成反转期挤压断层。研究结果表明：断层活动强度不同造成断陷期和坳陷期源岩有机质类型和砂体分布及类型存在差异。断陷期断层活动强度较大，有机质类型接近Ⅲ型，形成扇三角洲和辨状河三角洲等快速沉积；坳陷期断层活动强度较小，有机质类型趋向Ⅰ型，形成与长期活动断层平行的储集砂体；断层除作为油气垂向运移的通道外，与砂体组合成断层-岩性输导脊指示王府凹陷平面油气优势运移方向为NNE向和SSW向。

关键词：松辽盆地；王府凹陷；断层；油气；优势运移方向

中图分类号：TE122.1         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)01-0249-09

Characteristics of fault and its control on oil-gas in Wangfu Depression of Songliao Basin

CHEN Fang-wen^{1, 2}, LU Shuang-fang^{1, 2}, SHI Mei-juan^{1, 2}

(1. College of Geosciences, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;

2. Province Key Laboratory of Petroleum Accumulation Mechanism and Resource Prediction,

Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Abstract: Through analyzing the formation and evolution of faults in Wangfu Depression, the effect of fault on oil-gas reservoir forming was studied. The faults in Wangfu Depression are divided into four types, including the extensional faults of fault-depression stage, the tensional faults of depression stage, the compressive faults of structure reverse stage and the long-term moving faults. There are three primary periods of fault activity. During the sediment period from Huoshiling formation to Yingcheng formation the extensional faults were grown. In the sediment period of Qingshankou formation the depression faults were formed. In the sediment period from Sifangtai formation to Neogene the transpressional faults were formed. The results show that the different moving strengths of faults cause the different organic matter types of source rocks, and different distribution and types of sand bodies in fault-depression stage and depression stage. In fault-depression stage the moving strength of faults is bigger, organic matter of source rocks approaches type Ⅲ, and fan delta and braided channel delta sedimentary are formed. In depression stage the moving strength of faults is smaller, organic matter of source rocks reaches type Ⅰ, sand bodies paralleling to the long-term moving faults are formed. Besides as the pathway of oil-gas vertical migration, faults combined with sand into fault-lithology pathway ridge indicate that the preferred direction of migration is NNE and SSW directions in Wangfu Depression.

Key words: Songliao Basin; Wangfu Depression; fault; oil-gas; preferred direction of migration

断层是沉积盆地中最常见的构造变形样式，断层的作用贯穿于油气藏形成的整个过程，断裂与油气藏的关系研究一直是石油地质学研究的热点。目前，国内学者对断层在控制盆地沉积充填和油气成藏等方面都进行了深入的研究，在断层控制沉积方面主要以断陷型盆地作为研究对象，对断层控制坳陷型盆地的沉积充填研究较少，而且侧重对储层分布和类型的解  剖^[1-4]，缺少断层活动强度对源岩分布及有机质类型的影响研究。在断层控制油气成藏方面，围绕油气的运移、聚集、保存进行了大量研究^[5-10]，在油气运移方面主要研究断层垂向输导作用，忽略了平面上断层、砂体相匹配对油气优势运移方向的控制。在此，本文作者选取松辽盆地构造演化特征典型的王府凹陷开展研究，分析断层的活动特征，比较断层对断陷层和坳陷层沉积充填的控制作用，分析平面上断层、砂体匹配规律，指示油气优势运移方向。

1  研究区概况

王府凹陷位于松辽盆地东南隆起带的西北部，紧邻长春岭背斜，两者呈现凹隆相邻的构造格局(图1)，其发育经历了断陷—断坳—坳陷—抬升4个阶段，形成下断上坳的双层沉积结构。地层由老到新依次为下白垩统火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组、泉头组，上白垩统青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组以及古近系和新近系。泉头组沉积时期，三肇凹陷和王府凹陷连为一体，同时接受沉积，王府凹陷是大庆长垣以东地区沉积中心的一部分，青山口组沉积末期长春岭背斜带初具雏形。

沙河子组煤系地层和青山口组泥岩为研究区源岩层，泉四段扶余油层为主要的产油气层位。区内扶余油层属于三角洲平原亚相沉积环境，分流河道微相沉积的条带状、透镜状砂体错迭连片为油气藏的形成提供了良好储集空间。目前已发现五站气田、涝洲气田、三站气田、长春岭气田和双城油田，探明油气主要分布于王府凹陷北部的长春岭背斜带，在凹陷南部亦有零星分布(图1)。

2  断层发育特征及其成因

2.1  断层系统划分

王府凹陷的沉积层序中有3个重要构造层序界面，自下而上分别是火石岭组底界(T₅)、登娄库组底界(T₄)和四方台组底界(T₀₃)。3个界面均为区域不整合面，是区域应力场改变和盆地构造演化的重要分界面。根据这3个构造层序界面将王府凹陷中新生代地层划分为3个构造层^[11]，即火石岭组(K₁h)至营城组(K₁yc)地层为断陷构造层，登娄库组(K₁d)、泉头组(K₁q)、青山口组(K₂qn)、姚家组(K₂y)和嫩江组(K₂n)地层为坳陷构造层，四方台组(K₂s)至第四系(Q)地层为反转构造层，其中反转构造层在研究区内大量剥蚀或缺失。在剖面上发育3套断层系统，由下至上分别为断陷期断层系统、坳陷期断层系统和反转期断层系统(图2)，反转期断层系统因反转构造层大量剥蚀或缺失而不明显。

图1  王府凹陷扶余油层勘探成果图

Fig.1  Oil exploration of Fuyu formation in Wangfu Depression

2.2  断层发育期次与成因机制

根据断层几何学、运动学特征，并结合断层与构造层的关系，将王府凹陷断层划分为断陷期伸展断层、坳陷期拉张断层、反转期挤压断层和长期活动断层4种类型(图2)。

2.2.1  断陷期伸展断层

断陷期伸展断层是发育在T₅(火石岭组底界)至T₄(登娄库组底界)反射层之间的断层，主要形成于火石岭组沉积时期，控制断陷期半地堑式或地堑式构造沉降及沉积充填。断陷期伸展断层的成因有2种：一是深部断层拉张，中下地壳上拱，上地壳断层伸展；二是深部断层差异升降或是地幔物质上涌，中下地壳挠曲，上地壳断层伸展。

图2  王府凹陷断层系统及断裂类型划分( AA′剖面)

Fig.2  Fault systems and types in Wangfu Depression (AA′ section)

2.2.2  坳陷期拉张断层

坳陷期拉张断层是发育在T₄(登娄库组底界)至T₁(嫩江组底界)反射层之间的断层，大部分向上终止于青山口组地层且在青山口组沉积时期表现为较强的同生性(图2)，表明青山口组沉积时期是断层活动的主要时期之一。坳陷期的明显沉降与区域热地幔收缩有关，是一个沉降速率逐渐变小，最后停止。该时期主要受近东西向的拉张应力作用，形成NNE和NNW向正断层。

2.2.3  反转期挤压断层

反转期挤压断层是受晚白垩世-新生代北西、北北西挤压应力发育在T₁(嫩江组底界)反射层之上的断层(图2)，一般断距、平剖面延伸长度都相对较小，走向主要为EW向和NNW向。区域应力场主要来至于太平洋板块向欧亚板块的俯冲作用。

2.2.4  长期活动断层

长期活动断层是断陷期的控陷断层在坳陷期继续活动，走向为NNE向，由基底向上至少断至青山口组地层。长期活动断层由断陷期的强烈伸展过渡为坳陷期的微弱活动，并在坳陷构造层伴生一系列呈“似花状”组合的小规模断层(图2)。

3  断层活动时期

3.1  断层生长速率

断层生长速率是断层上盘厚度与断层下盘厚度之差与沉积时间的比值，直接反映断层活动时期和强度，还可指示基底沉降速率。该参数为正值反映正生长断层活动，为零反映断层不活动，为负值反映逆生长断层活动。由于研究区抬升、剥蚀严重，只能分析火石岭组至嫩江组沉积时期的断层生长速率。长期活动断层的平均生长速率明显呈现2个主峰(图3)，分别对应断陷期火石岭组-营城组沉积时期和坳陷期青山口组沉积时期，而且断陷期与坳陷期断层活动强度存在明显差异，沙河子组与青山口组长期活动断层平均生长速率分别为16.2 m/Ma和6.0 m/Ma。

3.2  剖面伸展率

伸展率是反映断层活动的重要参数，是通过对垂直于控陷断裂走向的剖面采取逐层剥离的反演法，计算各时期的伸展量或收缩量与下伏相邻地层剖面长度的比值而得到。王府凹陷各时期伸展率与断层平均生长速率相一致，也呈现2个主峰(图4)。火石岭组至营城组沉积时期盆地伸展强烈，在沙河子组沉积时期伸展率最大为4.4%。青山口组沉积时期伸展率再次增大，平均伸展率为1.4%。嫩江组沉积时期伸展率变为负值，在四方台组至新近系沉积时期伸展率为-0.36%。

图3 王府凹陷长期活动断层平均生长速率分布图

Fig.3  Average values of active rate of main faults in Wangfu Depression

图4  王府凹陷各时期伸展率

Fig.4  Extension rate of every period in Wangfu Depression

3.3  平衡剖面分析

构造平衡剖面可以很好的反映构造演化过程和断层形成的主要时期。构造平衡剖面显示(图4)：断陷构造层沉积时期断层活动剧烈，地层呈楔状且受控于主干断层；坳陷构造层沉积时期断层活动强度明显减弱，断层对沉积地层控制作用减弱，在青山口组沉积时期断层活动性相对增强形成一系列小规模正断层；嫩江组沉积时期区域构造应力场发生变化，伸展率为负值，受挤压应力作用长春岭背斜明显隆起，并遭受抬升剥蚀，剥蚀厚度为200~550 m。

参考前人研究成果^[12]，结合断层生长速率、伸展率和平衡剖面特征，将王府凹陷构造演化划分为8个阶段：(1) 初始慢速裂陷阶段(火石岭组沉积期)，基底在岩石圈伸展运动作用下开始拆离裂陷，控陷断层开始活动；(2) 加速裂陷阶段(沙河子组沉积期)，基底拆离作用加剧，控陷断层活动加剧；(3) 减速裂陷阶段(营城组沉积期)，基底拆离作用减弱，大多数基底断层活动逐步减弱；(4) 缓慢坳陷阶段(登娄库组-泉头组沉积期)，基底拆离作用非常微弱，断层活动接近停止；(5) 加速坳陷阶段(青山口组沉积期)，基底拆离作用再次加剧，断层活动增强；(6) 减速坳陷阶段(姚家组沉积期)，基底拆离作用减弱，断层活动迅速减弱，接近停止；(7) 反转构造阶段(嫩江组、四方台组-新近系沉积期)，受挤压作用断层发生反转、产生褶皱；(8) 反转构造停止阶段(第四系沉积期)，挤压作用减弱至消失，断层活动基本结束。断层活动主要有3期：(1) 火石岭组至营城组沉积时期形成断陷期伸展断层；(2) 青山口组沉积时期形成坳陷期拉张断层；(3) 嫩江组至新近系沉积时期形成反转期挤压断层。

4  断层与油气成藏

4.1  断层与源岩

4.1.1  断层控制源岩分布

断层是控制源岩分布的主要因素之一。断层活动强度较大时盆地处于欠补偿沉积状态是沉积源岩的主要时期，王府凹陷断陷构造层火石岭组、沙河子组、营城组均沉积源岩，其中沙河子组沉积源岩厚度相对较大；坳陷构造层青山口组沉积时期断层活动较强亦沉积一套源岩。分析沙河子组与青山口组青一段地层厚度和长期活动断层的关系认为长期活动断层影响源岩发育范围和规模(图6)。沙河子组沉积时期断层活动强度大，沉积最大厚度约为700 m，而且分布范围明显受长期活动断层控制，呈狭长条带状。坳陷期青山口组沉积时期断层活动强度较大，青一段最大厚度约为110 m，长期活动断层对源岩沉积范围的控制作用减弱。

4.1.2  断层影响源岩有机质类型

断层活动强度不同还会影响源岩有机质类型存在差异。断陷期断层活动强度大于坳陷期，造成坳陷层有机质类型整体上优于断陷层。通过比较断陷层沙河子组沉积中心和坳陷层青一段沉积中心的源岩有机质氢碳-氧碳摩尔比(n(H)/n(C)-n(O)/n(C))(图7)，确定断陷层沙河子组沉积中心的源岩有机质类型主要为Ⅱ₂型和Ⅲ型，主要倾向生成天然气；坳陷层青一段的沉积中心的源岩机质类型主要为Ⅰ型和Ⅱ₁型，主要倾向生成石油。这是由于断层活动强度较大时，沉积中心距物源相对较近，沉积充填速度相对较快，造成有机质类型趋向Ⅲ型。

图5  王府凹陷AA′剖面构造发育史

Fig.5  Structural history of AA′ section in Wangfu Depression

图6  王府凹陷长期活动断层控制源岩分布

Fig.6  Long-term active faults control on distribution of source rock in Wangfu Depression

图7 王府凹陷主要源岩层有机质n(H)/n(C)- n(O)/n(C)关系图

Fig.7  n(H)/n(C)- n(O)/n(C) relation diagram of main source rocks in Wangfu Depression

4.2  断层控制砂体分布和类型

断层对砂体的分布和类型具有重要控制作用^[3-4]，断层活动强度控制古地貌形态，不同古地貌具有不同沉积响应。断陷期断层活动剧烈，长期活动断层平均生长速率为9.8~16.2 m/Ma，剖面伸展量和古地貌起伏落差均相对较大，沉积物近物源快速沉积，常形成扇三角洲和辫状河三角洲等类型沉积。断层所形成的盆缘沟谷控制物源，断层坡折带控制砂体展布方向^[4]。由断陷期进入坳陷期，地势相对平坦，形成平行于长期活动断层的长距离搬运沉积。

在断陷期王府凹陷断陷陡坡带主要形成扇三角洲沉积，缓坡带主要为辫状河三角洲沉积，沿盆缘沟谷分布，砂体具有垂向分期、继承性强与断层大角度相交的特点(图8(a))。坳陷期以泉头组泉三、四段沉积时期，长期活动断层控制砂体展布方向，三角洲平原亚相分流河道走向与长期活动断层走向平行(图8(b))。

图8  断层活动强度控制砂体分布及类型模式图

Fig.8  Model of faults active degree control on distribution and type of sandstone

4.3  断层对油气运移具有重要作用

4.3.1  断层是油气垂向运移通道

沟通源岩与储层且在大量排烃期活动的断层是油气垂向运移的有效通道^[9-10]，长期活动断层为断陷层天然气和坳陷层油气提供了垂向运移通道。研究区绝大多数断层未断穿作为区域性盖层的青山口组地层，使得油气能够在泉头组地层中聚集和保存。通过类比分析，双城断陷深层煤系地层大量生排烃期与徐家围子断陷相近，为100~73 Ma，即泉头组沉积末期至四方台组沉积时期^[13]；青一段源岩大量生排烃期为75~68 Ma，即嫩江组沉积末期至明水组沉积时期，2套源岩大量生排烃期均能与断层活动时期相匹配。深部煤型气沿长期活动断层向上运移，青山口组地层发育一系列小规模断层与长期活动断层相伴生共同组成油气倒灌运移的通道^[14]。

4.3.2  断-砂组合指示油气优势运移方向

油气二次运移是一个极不均一的过程，其优势运移方向主要受构造形态、砂体和断层影响^[15]。由构造形态所形成的势能差对油气的运移方向起主导作用，断层与砂体相匹配可以形成断层-岩性输导脊沿断层走向输导油气。其指示油气优势运移方向，是油气富集的关键因素之一。

断层-岩性输导脊是由于断层活动在断层下降盘形成负地形，断层上升盘与砂体组合成脊状构造，而且该脊状构造与上覆青山口组泥岩侧向对置具有很好的封闭性所形成。断层-岩性输导脊以断层为脊线，沿断层走向输导油气。脊线与地势抬升方向夹角小于45?时有利于输导油气，为有效断层-岩性输导脊；夹角大于45?时易遮挡油气运移，为无效断层-岩性输 导脊。

研究区为中心下凹、四周隆起的构造形态，油气二次运移的整体方向是由王府凹陷向四周高部位运移。目的层段泉三段、泉四段油层属于三角洲平原沉积环境，分流河道砂体非常发育，SSW—NNE向展布(图9)，为油气二次运移提供了良好的输导层。泉头组断层走向主要为近SN向和NNE向(图9)，断层走向与分流河道砂体展布方向小角度相交，形成一系列以王府凹陷为中心向NNE向和SSW向分布的断层-岩性输导脊，受构造形态影响双33、双38井附近断层-岩性输导脊的脊线与地势抬升方向近于垂直，倾向于遮挡油气运移，使得王府凹陷油气优势运移方向为NNE向和SSW向。这与现今在王府凹陷NNE方向和SSW方向发现油气而其他方向未发现油气相吻合(图1)。

图9  王府凹陷泉四段F12沉积单元河道砂体、断层及油气分布

Fig.9  Distribution of channel sand, faults and hydrocarbon of F12 sedimentary unit in member 4 of

Quantou formation in Wangfu Depression

5  结论

(1) 断层活动主要有3期：火石岭组至营城组沉积时期形成断陷期伸展断层；青山口组沉积时期形成坳陷期拉张断层；嫩江组至新近系沉积时期形成反转期挤压断层。

(2) 断层活动强度不同造成断陷期和坳陷期源岩有机质类型和砂体分布及类型存在差异。断陷期断层活动强度较大，源岩呈狭长条带状分布，有机质类型接近Ⅲ型，形成扇三角洲和辨状河三角洲等快速沉积；坳陷期断层活动强度较小，源岩一般大面积分布，有机质类型趋向Ⅰ型，形成储集砂体展布方向与长期活动断层平行。

(3) 断层-岩性输导脊以断层为脊线，脊线与地势抬升方向夹角小于45?时有利于输导油气，夹角大于45?时易遮挡油气运移。有效断层-岩性输导脊指示王府凹陷平面油气优势运移方向为NNE向和SSW向。

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(编辑 杨幼平)

收稿日期：2010-11-22；修回日期：2011-03-14

基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-04-0345)；国家自然科学基金资助项目(41002044)

通信作者：陈方文(1984-)，男，湖北仙桃人，博士研究生，从事油气藏形成与资源评价方面研究；电话：13945950918；E-mail: cfwdqpi@163.com