沧东—南皮凹陷孔一上亚段原型盆地边界恢复

时间：2024-09-03

梁园，刘子藏，王湘君，李勇，王同，钱赓，肖敦清，蒲秀刚，袁淑琴

(1.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610059;2.大港油田公司勘探开发研究院，天津 300280)

0 引言

沧东—南皮凹陷是渤海湾盆地黄骅坳陷中的第二大富油凹陷，孔店组为其重要的生油层，随着该地区油气勘探的不断深入，对孔店组沉积期原型盆地的恢复便成了当前的重要任务。原型盆地恢复研究虽然难度大，但是在油气勘探中意义十分重要。孔店期地层分为孔三段、孔二段、孔一段。孔一段又分为孔一上、下2个亚段。由于受活动断层的影响，各个时期的盆地都呈现出不同面貌，目前仅有少量对孔三、孔二亚段盆地恢复的研究，而孔一下、孔一上2个亚段则研究甚少(颜照坤等，2011;钱赓等，2011;王锦成等，2011)。目前争议的是孔店期原型盆地是否被沧东断层与徐西断层控制，因此对孔店期原型盆地地层分布范围的确定是原型盆地分析的基础。目前，盆地古沉积边界恢复主要以地层学方法、盆地边缘相、碎屑岩矿物成熟度、碎屑重矿物稳定系数、泛克立格法及平衡剖面法等方法(颜照坤等，2011;钱赓等，2011;王锦成等，2011;苏玉平等，2009;银晓等，2008)，利用各种方法的优点综合分析，尽可能精确地恢复原型盆地边界。笔者基于钻井资料和地震资料，应用边缘相法和平衡剖面法恢复了沧东—南皮凹陷孔一上亚段的原型盆地边界。

1 区域地质概况

沧东—南皮凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷东南部，东西分别受徐西断层和沧东断层控制，南北向分别为灯明寺和孔店凸起。包括沧东、南皮两大凹陷和孔店、灯明寺等6个主要二级构造带。沧东—南皮凹陷是渤海湾新生代盆地发育最早的区域，孔一上亚段沉积期沧东断裂东侧发育2个主要的沉降中心，舍女寺北部为沧东凹陷，南部为南皮凹陷，沧东凹陷沉降中心不断向北扩张，南皮凹陷沉降中心也有向北迁移的趋势(大港油田石油地质编辑委员会，1987)。该区域地层发育了古近系孔店组、沙河街组等。孔店组是沧东—南皮凹陷的主要生油岩层和储集层，为重要的油气勘探层系。其中孔一上亚段主要分布于沧东断层和徐西断层之间，地层于南北向逐渐减薄尖灭。在东西方向上，盆地结构显示为不对称地堑式结构，在平面上地层厚度呈椭圆展布(漆家福等，1994)。

2 孔一上亚段残留盆地边界确定

2.1 盆地结构分析

由于孔店组多期叠合，盆地结构具有自身独特的结构特征(周立宏等，2009)。通过沧东—南皮凹陷三维地震工区的NWW—SEE向地震构造解释剖面，南皮凹陷为东深西浅的不对称地堑结构，沧东、徐西断层为地堑的东西边界(图1a)。沧东凹陷则表现为相向倾斜的2个半地堑，随着拉张断陷，可容空间增加，沉积物快速堆积，发生构造沉降使中部上拱，中央凸起(孔店凸起)表现为背斜式凸起。在孔店末期孔店凸起形成，分割成常庄凹陷与沧东凹陷2个次级凹陷，东断西超(图1b)。

图1 孔店期盆地结构分析

通过残留盆地结构分析，在研究区沧东断层和徐西断层相向倾斜构成一个地堑式断陷，断陷结构在不同位置有明显的差异。沧东断层、徐西断层之间的断陷由南向北从简单的东深西浅的不对称地堑过渡到复杂的相向倾斜的2个半地堑，内部发育多条次级断层。靠近2条主控断层——沧东断层、徐西断层一侧主要发育冲积扇、扇三角洲沉积。

在孔一上亚段沉积期，控制坳陷形成演化的主边界断层——沧东断层、徐西断层持续活动，可容空间不断增加，盆地持续沉降，多余沉积物向盆地中心部位搬运。湖盆东西部的2条主要基底断裂——沧东断层和徐西断层下降盘孔一上亚段厚度明显增大，表明其控制了孔一上亚段的沉积，为同沉积控盆断层，孔一上亚段沉积期断层边界即为原始湖盆沉积边界。

2.2 孔一上亚段沉积期残留盆地边界的确定

应用地层的“垂向加积原理”、“横向连续性原理”与钻井资料相结合，通过在地震剖面上观察地层的厚度变化、地层的尖灭现象、地层缺失现象、断层与地层的截切关系，从而确定孔店期地层残留边界的分布范围(董立生等，2004)。孔一段的钻井资料较为丰富，基于钻井资料，结合二维地震剖面确定孔一上亚段时期湖盆残留边界。

湖盆东部边界明显受徐西断层所控制，根据地震测线 Inline1120、Inline1600、Inline2138、Inline2560位置的地震剖面，再由官23井、王30井、王103-2井、官140井、军6井，最终确定出孔一上亚段在湖盆东部的残留沉积边界。

湖盆西部残留地层边界主要根据钻井资料来确定，观察可知，舍女寺地区女82井、女39井、女55井均缺失孔一上亚段地层，沙河街组地层与中生代地层之间呈不整合接触关系。而女83井、女79井以东的钻井均有孔一上亚段地层分布，从而确定出孔一上亚段在湖盆西部的残留沉积边界。

湖盆南部和西南缘孔一上亚段钻井分布较稀少，地层边界以地震资料为依据，结合东古1井进行确定。由于东古1井缺失孔店组，可以确定湖盆南缘现今地层边界在东古1井与灯1井之间，通过地震测线K85231A-PJ可以看出，孔一上亚段地层向南厚度逐渐减薄并上超到下伏地层之上，可以确定此边界为湖盆原始沉积边界(图2a)。

湖盆北部残留边界可确定在钻井上存在孔一上亚段和缺失孔一段的井位之间。沧16井、孔87井、孔76井、孔5井均缺失孔一段，沙河街组呈不整合接触关系直接覆于中生代地层之上。孔古5井、沧15井、孔34井、孔6井均可见孔一段地层分布，结合地震测线Inline3520位置的地震剖面可以看出，孔店凸起已形成，孔一上亚段向孔店凸起方向厚度逐渐减薄，部分遭受剥蚀，由此确定北缘在孔一上亚段已接近原始沉积边界(图2b)。

综合湖盆长轴、短轴取得的残留边界分布范围，总结恢复各分区残留边界所用到的地震证据与钻井证据，得出孔一上亚段残留边界的分布范围(图6)。

图2 孔一上亚段残余盆地边界的地震剖面

3 孔一上亚段原型盆地边界的确定

对原型盆地边界的确定是全面掌握研究区沉积学特征的必要步骤和对沉积盆地分析的重要内容(李思田等，2004)。采用平衡剖面法和盆地边缘相法对沧东—南皮凹陷孔一上亚段进行原型盆地边界恢复。

3.1 利用边缘相对湖盆边界恢复

边缘相是位于湖泊沉积边缘范围各种沉积相的总称，边缘相分析有助于受断层控制的断陷盆地恢复，研究边缘相的空间位置及展布特征对研究地质时期中湖盆的特点意义重大(赵宗举等，2007)。盆地边缘冲积扇的分布，可以代表陆相陡坡近源的沉积单元。冲积扇通常在下倾方向变成细粒、坡度较小的沉积体系，最后演变为湖泊体系，因此冲积扇是最可靠的边缘相沉积。沧东—南皮凹陷的主干边界断裂包括沧东断层、徐西断层，在盆地边界两侧形成箕状断层，沉积物沿箕状断层陡坡带形成冲积扇。在三角洲发育的区域同样可以确定盆地边缘相，由于盆地边缘不一定就是湖泊边缘，因此原型盆地边界大于或等于恢复距离。

在研究区的断陷湖盆中，笔者把沉积在箕状断层陡坡带的冲积扇体及三角洲作为研究区的孔店组沉积层序的边缘相的标志。据张万选等(1993)对陆相盆地前积反射结构的总结，研究区冲积扇有2种特殊的前积反射结构:(1)帚状前积结构，内部放射从根部向下倾方向呈发散状，下超于下伏地层之上，解释为陡坡下的快速堆积体。如Inline1120、Inline1280、Inline1760、Inline1600。(2)杂乱前积结构，内部反射杂乱，不连续、不整一，但总体具有向前积斜坡倾斜的优选方位，为沙、砾为主的高能环境快速前积所致。如 Inline1600、Inline1760、Inline2080、Inline2560、Inline2240(图3)。

湖盆北部由于受到地震资料的限制，主要利用岩芯、测井及钻井资料统计地层厚度图、砾岩厚度图及砂地比等值线图勾绘出冲积扇的形状。通过地层厚度图及盆地结构分析结果可见湖盆北部孔一上亚段时期受孔店凸起的影响，可容空间不大，北部已接近原始沉积盆地边缘。对孔家店，军马站，枣园地区钻井沉积序列的研究，湖盆北部属于砾岩区。结合孔73取芯井的岩芯分析，取芯段为下粗上细的4个正旋回组成，旋回底部发育具有冲刷面的棕红色砾岩，向上渐变为棕红色细砂岩偶见粉砂质泥岩、泥岩。综合分析取芯段4个旋回中上下端元保留较为齐全，为冲积扇扇面上辫状河道的摆动，由于河道摆动及洪水冲刷的影响河道沉积的上端元部分缺失(图4)。

图3 孔一上亚段不同测线位置的地震剖面中的边缘相

图4 孔73井岩芯描述综合柱状图

通过地震剖面中冲积扇和三角洲的地震相及钻、测井特征识别出在孔一上亚段的冲积扇体和三角洲大致形态，结合砂体厚度等值线图，观察砂体的分布规律，确定了冲积扇体及三角洲的分布位置和边缘相的形状。再结合沉积学方面盆地剥蚀方面的理论，将盆地剥蚀边界即盆地古沉积边界确定在冲积扇的扇根部位，然后将扇根部位确定的剥蚀边界用曲线连起来，即是湖盆古沉积边界(图5)。

由上述方法分析得到孔一上亚段古沉积边界距现今残留边界在地震测线方向上的直线距离(表1)。

图5 孔一上亚段原型盆地边界恢复成果

3.2 利用平衡剖面法恢复湖盆边界

平衡剖面技术以物质守恒定律为基础，旧平衡的破坏一定伴随新平衡态的产生。平衡剖面遵循基本的几何学法则为:面积守恒、层长一致、位移一致和缩短量一致。平衡就是提供一系列的限制条件以保证剖面解释的合理性，既真实又合理的剖面就是平衡剖面，不平衡的剖面一定是错误的(蔡希源等，2007)。所以，平衡地质剖面原理可以看作是一个确实存在的合理的剖面，在垂直构造走向上遵循岩层变形前后长度、面积(二维)及体积(三维)的不改变原则，将变形剖面恢复到沉积地层的初始状态或者从其初始状态剖面按照变形顺序得出最终变形剖面(刘景东等，2011)。

利用平衡剖面法的反演效果，即在单位测线上，应用平衡剖面法恢复其初始的沉积状态，进而恢复沧东—南皮凹陷孔一上亚段地层的古沉积边界。以测线K85-80为例，采取以下步骤对孔南地区孔店组地层运用平衡剖面法恢复湖盆古沉积边界(图5)。

(1)在测线K85-80的地震剖面与构造剖面之间进行时深转换，得出构造剖面。根据转换后的构造剖面可以得到该层位垂直于盆地长轴的地层剖面长度Lb1=31.44 km。另外，还可以得出受沧东断层与徐西断层所控制的盆地长度Ls0=42.500 0 km。

(2)对该层位去压实，验证其是否平衡，若结果不平衡则要重新对时深转换图与复原图进行校正。经验证明去压实后的复原图是平衡的。根据平衡剖面图可以得出:在Ek1去压实后，其层位的长度La1=34.27 km，研究区受沧东断层与徐西断层控制的盆地长度Ls1=35.75 km。

(3)得到去压实构造平衡剖面后，在应用构造平衡的正演模式，对其进行压实，然后再进一步进行时深转换，把压实后的构造剖面与进行时深转换的地震剖面进行对比。如果结果表明不平衡，则要返回到(1)中重新进行时深转换;如果结果表明平衡，可进行下一个步骤。

(4)计算层位长度在复原前后的实际变化量。

①研究区受2个拉张性质的断层——沧东断层与徐西断层控制，所以在从盆地形成一直到新生代，该湖盆一直不断地扩张。在计算该层位初始沉积边界时，必须把盆地在演化过程中的扩张距离的扩张距离Lk1=Ls0－Ls1)从现今的残留边界去除，即为经过校正后的残留边界长度Lj(Lj=Lb－Lk)。

②复原后的盆地边界长度与经过校正后的残余盆地边界长度差减，就是盆地在演过过程中由压实作用产生的变化量ΔL，即ΔL=La－Lj。规定当ΔL为“正”时，表示盆地中某层位从开始沉积到盆地消亡为止，盆地一直受压实作用影响，导致层位在水平方向上的收缩。

计算结果表明，ΔL1=La1－Lj1=9.58 km，表明在测线K85-80上，中生界地层的长度要比刚沉积下来的层位的长度收缩9.58 km。

③最后，将盆地在演化过程中由压实作用产生的某层位的变化量ΔL与未经复原的层位长度加和，计算出的长度就是位于测线K85-80方向上某层位在同生阶段左右边界的直线距离，即测线K85-80方向上层位古沉积边界的直线距离。

图6 K85-80测线平衡剖面恢复图

4 综合确定孔一上亚段原型盆地边界

通过对上述2种恢复方法结果对比分析，结合研究区实际情况，可确定孔一上亚段原型盆地边界。在横向上，相对沧东—南皮凹陷孔店组孔一上亚段东缘、南缘2个方向，西缘古沉积边界的恢复距离比较大。在地震测线K85127-PJ方向上，恢复出的古沉积边界距现今残留边界的距离为7.00 km，而东缘恢复出的古沉积边界距现今残留边界的最大距离为5.45 km，南缘恢复出的古沉积边界即为现今残留边界，在研究区北缘恢复出的古沉积边界距现今残留边界的最大距离为12.5 km(表1)。

根据孔南地区残留地层范围和原始沉积范围计算出了残留地层面积和原始沉积区面积，并得出了盆地剥蚀面积和剥蚀率。剥蚀面积大于500 km2，剥蚀率均高达20%，表明孔一上亚段盆地受到后期强烈的改造，盆地沉积范围远大于残留地层面积。

5 结论

(1)在井震资料丰富的前提下可以利用边缘相法确定孔店期原型盆地分布范围剖面图。而缺乏井资料的情况下，可采用平衡剖面法，同时也有效验证了边缘相法对于原型盆地边界的构造假设分析结果。(2)综合分析孔一上亚段盆地受到后期强烈的改造，剥蚀面积大，剥蚀率高，盆地沉积范围远大于现在的残留地层面积。因此，盆地古沉积边界的确定对原型盆地的恢复、湖盆演化、层序分析、沉积体系分析和油气资源评价等均具有不可忽视的指导作用。

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