江漢盆地江陵凹陷復興場背斜鹽構造特征與成因

邱建華,彭金寧,唐 瑋,潘文蕾,李風勛,楊 帆

1.中國石化 石油勘探開發研究院 無錫石油地質研究所,江蘇 無錫 214126;2.中國石化 油氣成藏重點實驗室,江蘇 無錫 214126;3.中國石化 江漢油田分公司 勘探開發研究院 石油開發所 荊州項目部,湖北 荊州 434020

鹽構造對油氣成藏具有重要的意義,鹽構造及其伴生構造不僅是油氣聚集的有利場所,鹽構造的形成也可為油氣運移和聚集提供網絡通道[1-5]。江陵凹陷是江漢盆地內油氣資源豐富的含鹽凹陷[6-11],與鹽巖層塑性流動相關的構造組合形成的構造圈閉是現今主要勘探目標[6,8,12-20],如復興場構造、沙市構造、范家臺構造和花園構造等,因此通過對鹽構造特征和成因機制的分析,可以促進對不同期次斷裂的發育特征和組合規律的認識,從而指導研究區的精細勘探。并且,對復興場鹽背斜構造特征與成因機制的精細解析,可以為凹陷其他鹽構造的研究提供啟示,促進對區域的研究認識。然而,由于構造演化時間長、多期次構造疊加,以及復雜斷裂體系對構造的改造,對復興場背斜的構造演化特征存在爭議。有人通過對地震剖面解析,結合區域地質背景的分析認為復興場背斜是一個形成于新溝咀組沉積末期,荊沙組沉積末期及古近紀末期加以改造,新近紀最后定型的鹽隆或鹽斷鼻構造[13,15-16];也有人通過構造平衡恢復技術認為復興場背斜是一個喜馬拉雅期Ⅱ幕擠壓作用形成的鹽背斜構造[17-19];還有觀點認為復興場背斜是由于荊沙期不同位置的沉積厚度差異形成的差異壓實,導致鹽層的流動形成初始褶皺構造,后疊加新近紀擠壓作用最終定型[8]。本文通過高精度三維地震剖面的構造解釋研究復興場背斜構造在走向上的變化特征,再通過關鍵構造層的逐層構造平衡恢復技術,結合生長地層分析技術,剖析復興場背斜的構造演化特征及成因機制,并分析其油氣地質意義。

1 地質背景

江陵凹陷位于江漢盆地西南緣,是白堊紀—新生代形成的陸內裂陷型盆地的一個重要次級構造單元,經歷白堊紀—新溝咀早期和荊沙期—荊河鎮期兩期斷拗旋回[10-15]。凹陷以問安寺斷層、紀山寺斷層、清水口斷層,南部逆沖斷層為界,與周緣構造相分割(圖1a)。凹陷可分成九個三級構造單元,其中三級構造單元荊州背斜帶位于江陵凹陷中部(圖1a),由八嶺山、復興場、沙市、范家臺和赤岸街等構造組成。研究區復興場背斜位于荊州背斜帶中部,北鄰八嶺山背斜,南接沙市背斜。復興場背斜在平面上近南北走向,長約12 km,寬約3～4 km(圖1b)。兩翼發育一系列近南北、北東、北東東向斷層,以正斷層為主。另外,在靠近核部還發育兩條平行褶皺軸向、傾向相反的逆斷層。

圖1 江漢盆地江陵凹陷研究區構造和地層綜合柱狀圖

江陵凹陷地層發育齊全,沉積了以紅色為主的上白堊統砂泥巖和古近系紅色泥巖、砂巖和膏鹽巖等陸內湖相地層。自下而上,包括白堊系漁洋組(K2y)、古近系沙市組(Es)、新溝咀組(Ex)、荊沙組(Ej)、潛江組(Eq)、荊河組(Ejh),新近系廣華寺組(Ng)及第四系平原組(Qp),其底界分別對應地震反射層T11、T10、T9、T8、T7、T2、T1和T0(圖1c)。荊河鎮組在喜馬拉雅中期經歷強剝蝕作用,只在資福寺向斜、梅槐橋向斜等少數較低的位置有少量殘留,在研究區復興場構造帶內完全剝蝕。沙市組膏巖層廣泛分布,主要由鹽巖、鈣芒硝巖、含膏泥巖、膏巖和砂泥巖夾層組成,厚度大,最大厚度大于3 000 m[7-8]。

2 復興場背斜構造特征

本文選取其中7條垂直于構造走向的地震剖面,由北向南精細描述復興場背斜幾何學樣式在走向上的變化。

剖面AA’位于復興場背斜北傾末端,與北部八嶺山背斜以一低幅度向斜相間隔。地震剖面顯示,背斜具有明顯的分層變形特征,沙市組鹽下為正斷層控制的地塹構造,鹽上為一寬緩背斜構造,兩翼及核部地層變形弱(圖2a)。鹽上只發育兩條傾向相反的高陡逆斷層,錯斷古近系—第四系,出露地表,并在逆斷層F1上盤形成低幅度斷層傳播褶皺。剖面BB’鹽上構造樣式發生變化(圖2b),沙市組鹽層在背斜核部聚集,造成鹽上地層褶皺上拱,形成鹽背斜,背斜兩翼大致對稱,東翼比西翼略長。在背斜核部同樣發育兩條傾向相反的逆斷層,向上錯斷至第四系。背斜核部出露地表,部分新近系—第四系被剝蝕。在遠離背斜西翼的方向上,發育東傾鏟形正斷層——李埠斷層,錯斷新溝咀組—潛江組上段,向下終止于鹽層內。在李埠斷層上盤形成伸展強制型褶皺,斷層上盤新溝咀組—潛江組下段地層加厚,為同構造沉積,表明該斷層自早始新世新溝咀組沉積期開始持續活動。

圖2 江漢盆地江陵凹陷研究區地震剖面AA’-BB’-CC’-DD’-EE’-FF’構造解釋剖面位置見圖1b。

到剖面EE’和FF’,復興場背斜兩翼傾角和褶皺幅度減小。在背斜東翼,斷層F5消失,斷層F4依然發育,控制了荊沙組和潛江組下段沉積(圖2e,f)。逆斷層F1消失,被背斜核部發育的正斷層F6取代,斷層北東走向(圖1b),將復興場背斜分成南北兩部分。鹽層開始部分刺穿上覆地層,形成反應鹽底辟構造。逆斷層F2持續發育,在斷層的尖點處,形成膝折構造。在背斜西翼,天鵝洲斷層規模逐漸減小,伴隨著復興場背斜幅度的減小(圖2e)。到剖面FF’,天鵝洲斷層規模只控制新溝咀底部很薄的地層沉積,之上的地層在背斜西翼近水平,褶皺作用不明顯。在背斜東翼,斷層F4上盤地層傾角較小,并且荊沙組—潛江組向斷層方向加厚,表現為同構造沉積特征,褶皺整體表現為斷層F4控制的滾筒褶皺構造[26](圖2f)。在背斜核部和翼部均發育有新近系與古近系潛江組之間的角度不整合,并且在褶皺前后翼,新近系均形成生長三角(圖2e,f),與剖面CC’和DD’類似。

到剖面GG’,伴隨著天鵝洲斷層和李埠斷層的消失,復興場背斜不再發育,而是形成一正斷層控制的東傾滾筒狀構造,主要由西傾正斷層F7和F8控制(圖3)。在平面上,斷層F7近南北走向,F8北北東走向,二者向南合成一條斷層(圖1b)。斷層F7錯斷潛江組下段、荊沙組、新溝咀組,向下終止于沙市組鹽層內部,并且根據斷層上下盤厚度差和地震影像特征,可以確定斷層F7自新溝咀期開始持續活動至早潛江期(圖3)。

圖3 江漢盆地江陵凹陷研究區地震剖面GG’構造解釋剖面位置見圖1b。

綜上所述,復興場鹽背斜構造特征在走向變化明顯,主要表現在:(1)自北向南擠壓作用減弱,表現為靠近褶皺脊部發育的逆斷層F1和F2斷距減小,從最北部的斷層上盤可以形成擠壓背斜并突破地表(圖2a,b),到南部只在新近系形成膝折構造(圖2c-f);(2)改造復興場鹽背斜構造特征的斷層發生變化,在北部主要受逆斷層F1、F2和李埠斷層改造(圖2b),中部主要受天鵝洲斷層、背斜北翼發育的、傾向相反的正斷層F4和F5改造(圖2c,d),而南部則主要受東傾正斷層F6和西傾正斷層F4改造,并且隨著天鵝洲斷層規模、斷距的減小,背斜幅度減小(圖2e,f),背斜最終隨著天鵝洲斷層的消失而不再發育(圖3)。

3 復興場鹽背斜構造平衡恢復

3.1 方法選擇

利用構造平衡恢復技術,研究復興場背斜的構造演化特征。上文對復興場鹽背斜的構造分析表明該背斜構造特征在走向上變化明顯,且具有多期活動性,因此選取過復興場背斜典型剖面BB’、CC’和EE’的T1、T7、T8、T9地震反射界面做復原。其中,剖面BB’的復原結果代表構造北部的演化特征,重點觀察李埠斷層和逆斷層F1和F2對背斜形成的影響;剖面CC’的復原結果代表構造中部的演化特征,重點觀察天鵝洲斷層、F4和F5斷層對褶皺形成的影響;剖面EE’的復原結果代表構造南部的演化特征,重點觀察天鵝洲斷層、F4和F6斷層對褶皺構造的改造。

平衡恢復技術是通過選用合適的巖石變形機理(如彎滑法、斜向簡單剪切法和垂向簡單剪切法),對解釋剖面的變形構造恢復成合理的未變形狀態的一種剖面技術,已被廣泛應用于研究推覆、伸展、反轉和鹽底辟等構造的形成演化特征[19-22,26-27]。由于具有強流動性的沙市組鹽層卷入復興場構造變形,鹽層的流進、流出造成面積的不守恒。因此采用分層合并復原法,即鹽上、鹽下和鹽層分別復原,再合并。這種方法不僅可以應用于擠壓區和伸展區,也可以用于鹽下復雜變形區。研究表明彎滑法一般適用于擠壓背斜下形成的構造,垂向簡單剪切法適用于伸展構造[28-29]。根據前一節對復興場背斜構造特征的分析,認為復興場背斜在古近紀經歷伸展作用,經新近紀擠壓變形,因此分別采用垂直簡單剪切法和彎滑法對背斜做恢復。

3.2 平衡恢復結果分析

剖面BB’,現今表現為擠壓背斜構造,在復興場背斜的兩翼發育了兩條傾向相反的逆斷層F1、F2(圖4a1)。通過彎滑法對T1地震反射界面做平衡恢復后,逆斷層F1和F2的斷距消失,表明它們是新近紀擠壓作用的產物(圖4a2)。在荊河鎮組沉積末期,復興場背斜幅度明顯減小,西翼為李埠斷層上盤形成的滾筒狀構造,東翼為沙市組鹽層聚集導致的低緩褶皺。李埠斷層控制了新溝咀組、荊沙組和潛江組下段沉積,并且主要活動時間在古新世—早始新世。潛江組上段近水平,表明處于拗陷期。早始新世—中始新世,由于李埠斷層的活動,在斷層上盤形成滾筒構造和其導致的鹽層向東流動聚集形成了復興場背斜的初始形態,并且隨著斷層活動持續時間的增加,背斜幅度增大(圖4a3,a4)。在沙市組沉積早期,發育了一系列的正斷層,在復興場背斜下部形成地塹構造(圖4a5),形成鹽下基底結構。這些斷層并未對鹽上褶皺形成直接影響,因此推測這些斷層在沙市組沉積晚期不再活動。

圖4 過江漢盆地江陵凹陷復興場背斜典型剖面BB’、CC’、EE’構造平衡恢復

剖面EE’,整體演化特征與CC’類似,在荊河鎮期形成了由潛江組形成的西傾單斜構造(圖4c2),發育了逆斷層F2和自新溝咀期開始活動的天鵝洲斷層和F4(圖4c1-c4),以及沙市早期在鹽下形成的地塹構造(圖4c5)。然而在背斜東翼不再發育東傾斷層F5,只受斷層F4的控制(圖4c2-c4)?？拷承焙瞬?逆斷層F1不再發育,而是發育東傾正斷層F6,斷層將復興場背斜分成兩半,形成反應鹽底辟構造,該斷層自荊沙組沉積期開始活動,并在潛江組沉積中期停止活動(圖4c2-c3)。

4 復興場鹽構造演化及成因機制

4.1 鹽背斜成因機制

鹽背斜有3種形成機制[30](圖5):(1)在缺少區域應力的情況下,鹽層上覆沉積地層的厚度、密度的側向變化產生沉積差異負載,鹽巖從高壓區(如向斜下方)流向低壓區(如背斜核部)(圖5a),這類鹽背斜通常變形時間較長,可能出現背斜兩翼變形時間不同的情況;(2)在擠壓構造背景下,地層發生平行層縮短,背斜核部形成的空間由軟弱鹽層充填,從而形成擠壓鹽背斜構造。這類鹽背斜通常具有周期性特征,單次變形持續時間較短,生長地層向褶皺脊部更快速減薄。通常會伴生發育逆斷層、膝折帶等擠壓構造(圖5b);(3)在拉張背景下,鏟形正斷層上盤地層向下彎曲滑動,形成的楔形生長地層在斷層上盤加厚,驅使鹽層向遠離斷層的方向流動,聚集形成拉張型鹽背斜,在斷層下盤形成鹽滾(圖5c)。

圖5 不同成因機制形成的鹽背斜或鹽枕構造的特征修改自文獻[32]。

4.2 復興場鹽背斜構造演化及成因機制

圖6 江漢盆地江陵凹陷復興場背斜構造成因模式

自晚始新世晚期—漸新世荊河鎮組沉積期,復興場鹽背斜變形機制變為沉積差異負載。該時期凹陷進入拗陷期,斷層活動弱,主要斷層均未切穿這些地層(圖2,圖3)。然而潛江組和荊河鎮組卻表現為西傾單斜構造,與T1面呈角度不整合接觸(圖3,圖4)。顯然這期變形不受這些斷層的直接控制:(1)斷層在此期間基本不活動;(2)斷層的規模小,不足以形成如此規模的單斜構造。然而正是由于這些早期斷層的活動,在涴市構造和復興場構造之間形成地塹,成為沉積中心,地層厚度遠大于斷層F4下盤未變形地層的厚度(圖2c-f)。從而造成西邊沉積負載相對東邊更大,加上整體西低東高,驅使涴市構造和復興場構造的鹽層向東流,形成這期單斜構造,如圖5a、圖6c模型所示。漸新世晚期,江陵凹陷整體抬升,處于剝蝕狀態,部分潛江組和全部荊河鎮組被剝蝕(圖6c)。

新近紀—第四紀,復興場鹽背斜轉變為擠壓鹽背斜。在此期間,江陵凹陷構造演化進入第三階段,由于受印度板塊向歐亞板塊俯沖的遠程效應影響,江漢盆地區域應力背景轉變為擠壓環境。由于擠壓作用,導致鹽層在復興場背斜核部進一步聚集,褶皺幅度增大,并且伴生了逆斷層F1、F2,以及褶皺翼部的生長三角(膝折構造)(圖6d),與圖5b顯示的擠壓鹽背斜產生的鹽背斜構造特征一致。除此之外,在涴市構造,早期正斷層形成的地塹沉積中心,在新近紀—第四紀反轉成背斜構造(圖2c-f),也證實了構造處于擠壓應力環境,這一現象在物理模擬實驗中得到了證實[32]。

5 石油地質意義

江陵凹陷荊州背斜帶的勘探目標為受沙市組上段—新溝咀組下段主力烴源巖控制的生儲蓋組合,儲層為新溝咀組下段三角洲前緣相砂體,蓋層為新溝咀組上段湖相膏泥巖?，F今勘探的主要目標為構造圈閉,即一系列與鹽巖流動相關的鹽構造組合,因此復興場鹽背斜構造演化及成因機制的分析對理解研究區油氣成藏具有重要意義。

研究表明復興場地區的主要烴源巖發育于新溝咀組下段,烴源巖在新溝咀組上段沉積期處于未成熟階段,開始少量生油,荊沙組沉積末期進入成熟階段,潛江組沉積末期處于高成熟階段,是液態烴生成、排出的高峰期[6,8,11-14]。潛江組和荊河鎮組沉積期為主要排油期,其后生、排油過程基本結束。復興場地區圈閉類型主要有斷鼻、斷塊和背斜。背斜構造演化研究表明,復興場背斜的圈閉開始形成于新溝咀組沉積期(圖4a4-c4),并且在荊沙組—潛江組下段沉積期,斷裂活動加強,圈閉規模增大(圖4a3-c3),因此圈閉的形成早于主要生油高峰和排油期,有利于油氣成藏。在荊河鎮組沉積期,研究區進入拗陷階段,斷裂活動弱,復興場鹽背斜由于地層的差異負載,形成一向東傾的單斜構造,對圈閉的改造作用小,因此該時期是早期圈閉成藏的關鍵期。新近紀至今,烴源巖生、排油量較少,構造、油藏進入定型期。此時,復興場鹽背斜轉變為擠壓鹽背斜,并且發育了逆斷層F1、F2。在背斜北部,逆斷層F1和F2活動強,出露地表,可能造成部分油氣溢散,不利于油氣成藏;在背斜中南部,逆斷層活動強度小,未切穿T0面,雖不會造成油氣排到地表,但可能導致油氣溢散到荊沙組、潛江組等層系,這些層系可能成為下一步勘探目標。

6 結論

(1)復興場鹽背斜為一個受正斷層李埠斷層、天鵝洲斷層、F4、F5和F6以及逆斷層F1和F2改造的鹽背斜,構造特征在走向上存在明顯差異。

(2)復興場鹽背斜主要經歷三期不同變形機制的構造作用:早始新世新溝咀組沉積期—晚始新世潛江組上段沉積期,正斷層活動形成滾筒狀褶皺并造成鹽層的聚集,形成第一期復興場鹽背斜構造;晚始新世潛江組沉積期—漸新世荊河鎮組沉積期,由于涴市和復興場構造處于沉積中心,形成自西向東地層的差異負載作用,驅使鹽層自西向東流動,復興場背斜形成一西傾單斜構造,并且在荊河鎮晚期發生強烈剝蝕;新近紀—第四紀,由于區域應力場由拉張背景轉變成擠壓背景,復興場鹽背斜發生構造反轉,演化為一擠壓型鹽背斜,形成逆斷層和膝折構造。

(3)復興場鹽背斜的形成受區域構造背景、基底斷層形成的古地形、東傾正斷層以及沙市組鹽層控制,西傾斷層(如F4)起到促進褶皺發育的作用,但是不起控制作用。

(4)復興場鹽背斜形成的構造圈閉略早于烴源巖的主要排油期,并且在主要排油期,構造處于拗陷階段,斷層活動弱,有利于早期圈閉油氣的成藏。

致謝:本文在寫作過程中,中國石化江漢油田分公司勘探開發研究院石油開發所荊州項目部葉建中等專家提供了大量的資料支持和指導,中國石化石油勘探研究院無錫石油地質研究所南方室曹清古、胡燁等同事給予大量的參考意見,編輯部及審稿人為文章的最終錄用見刊提出了寶貴意見,在此致以衷心感謝!

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’Contributions

該科研成果主要由邱建華主持。地震解釋及構造恢復由邱建華、彭金寧、唐瑋、潘文蕾、楊帆完成。手稿由邱建華、唐瑋、彭金寧、李風勛起草和修訂。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was mainly organized by QIU Jianhua. The seismic interpretation and structural restoration were completed by QIU Jianhua, PENG Jinning, TANG Wei, PAN Wenlei and YANG Fan. The manuscript was drafted and revised by QIU Jianhua, TANG Wei, PENG Jinning and LI Fengxun. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.