南襄盆地南陽凹陷北部坡折帶類型及其古構(gòu)造意義

南襄盆地南陽凹陷北部坡折帶類型及其古構(gòu)造意義

山坡折疊是地形學(xué)的概念，指地形坡度變化較大的古地理區(qū)域。它對(duì)同生斷層和沉積層序及相帶的發(fā)育有重要控制作用,既是盆地的主要沉積區(qū),又是油氣的主要成藏儲(chǔ)藏區(qū)。箕狀單斷式斷陷盆地在中國(guó)東部分布較為廣泛,箕狀凹陷坡折帶的深入研究對(duì)整個(gè)斷陷盆地的成藏規(guī)律分析有重要意義。南襄盆地南陽凹陷為一南深北淺的中新生代箕狀斷陷湖盆(圖1),面積3600km2,其形成受控于南部新野—唐河鏟狀邊界大斷裂。盆內(nèi)有東莊和牛三門2個(gè)生油次凹,蓋層最大厚度5500m以上,自下而上發(fā)育有下第三系玉皇頂—大倉(cāng)房組、核桃園組、廖莊組、上第三系上寺組及第四系,其中核桃園組是該凹陷油氣勘探的主要目的層,其沉積厚度一般為2000～3000m。據(jù)構(gòu)造和沉積特征,可將凹陷分為南部斷坡帶、中部凹陷帶和北部斜坡帶。由于只經(jīng)歷了喜山期的一次構(gòu)造旋回作用,該凹陷構(gòu)造和沉積現(xiàn)象較少受其他地質(zhì)因素影響因而沒有復(fù)雜化,是研究箕狀斷陷坡折帶的理想范例。1不同構(gòu)造變形區(qū)的彎折演化箕狀斷陷盆地中,邊界鏟式大斷裂是斷陷盆地邊界斷層常見的幾何學(xué)形態(tài),這種斷層的滑動(dòng)導(dǎo)致斷層上盤(緩坡帶)彎折變形,沉積斜坡坡度發(fā)生明顯變化,斷層上盤伸展斷彎褶皺發(fā)育,進(jìn)而形成彎折型坡折帶,簡(jiǎn)稱彎折帶。理論計(jì)算及物理模擬研究表明,盆地內(nèi)部的變形與控盆主邊界斷層的幾何形態(tài)密切相關(guān)。圖2a表示一個(gè)切過先存地層并隨深度向下彎折變緩的正斷層。當(dāng)斷層上盤與下盤拉開時(shí),如果是剛性體,則會(huì)在兩者之間形成一個(gè)空隙帶(圖2b),但巖層并非剛性體,會(huì)通過向下崩塌或塑性變形來充填這個(gè)空隙(圖2c),從而導(dǎo)致巖層變形。依據(jù)庫(kù)侖剪切破裂理論,上盤巖塊受重力作用將沿著傾斜角約為70°的庫(kù)侖破裂面滑移而充填這個(gè)空隙(圖2b)。在這一過程中,將發(fā)生沿庫(kù)侖剪切破裂面方向的變形,形成滾動(dòng)背斜。變形區(qū)構(gòu)成了滾動(dòng)背斜的前翼,并處于沿?cái)鄬訌澱鄄课欢ㄎ坏幕顒?dòng)軸面和不活動(dòng)軸面之間。不活動(dòng)軸面是代表變形前沿活動(dòng)軸面分布的巖石的一個(gè)界面。在遞進(jìn)的斷層滑移過程中,活動(dòng)軸面向離開不活動(dòng)軸面的方向移動(dòng),從而,滾動(dòng)變形區(qū)隨斷層位移增大而逐漸加寬(圖2d)。圖2e和2f表示斷層上盤同沉積地層中伸展斷彎的發(fā)育過程。同沉積地層變形區(qū)在一個(gè)由先存地層頂面、活動(dòng)軸面和生長(zhǎng)軸面限制的楔形生長(zhǎng)區(qū)內(nèi),圖2e中的巖層1是最新沉積物,活動(dòng)軸面和生長(zhǎng)軸面在巖層1界面的交會(huì)點(diǎn)是正在進(jìn)入變形區(qū)的物質(zhì)。圖2f表示巖層2沉積時(shí),進(jìn)入生長(zhǎng)楔內(nèi)的巖層1已發(fā)生平行于活動(dòng)軸面的變形。在斷陷盆地中,受鏟式斷層控制的伸展斷彎褶皺的前翼越向下,進(jìn)入變形區(qū)的巖層越寬,斷彎褶皺幅度越大;向上則逐漸變窄,以致消失,巖層為水平。在邊界斷層和沉積地層繼承發(fā)育的情形下(圖2g),上盤內(nèi)可以發(fā)育多個(gè)相應(yīng)的庫(kù)侖剪切變形帶,且傾向與邊界斷層的傾向相反。實(shí)際的控邊斷層往往表現(xiàn)為光滑的曲線,由此控制的伸展斷彎褶皺也表現(xiàn)為連續(xù)的彎曲,而非簡(jiǎn)單的膝折。因此,由斷陷盆地控凹鏟形正斷層活動(dòng)導(dǎo)致的活動(dòng)軸面或非活動(dòng)軸面的變化是彎折形成的主要原因。而鏟形正斷層的持續(xù)活動(dòng)使沉降中心和沉積中心同步向控凹斷層一側(cè)移動(dòng),形成多個(gè)連續(xù)的斷層彎折。所以,彎折帶軸向在平面和剖面上都近似平行于邊界大斷裂。2折帶彎曲程度和沉積速率對(duì)斷層平面特征的影響南陽凹陷同沉積斷層主要沿坡折帶軸線區(qū)分布,其形成主要受坡折帶彎曲程度(主要影響斷層剖面特征)及沉積速率和相帶(主要影響斷層平面特征)的控制。坡折朝向深湖一側(cè)是同生長(zhǎng)斷層發(fā)育的主要地方,朝向?yàn)I湖一側(cè)是后生反向正斷層產(chǎn)生的主要區(qū)域。2.1差異壓實(shí)作用的結(jié)果坡折帶單斜撓曲作用:使該區(qū)地層拉伸彎折,形成應(yīng)力集中帶,是同沉積斷層發(fā)生的主要誘因。另外,蓋層呈單斜撓曲,在樞紐帶上巖層的傾角與厚度有一突變,沉積物的荷重是控制生長(zhǎng)斷層的另一主要因素。差異壓實(shí)作用:在推進(jìn)式三角洲的沉積巖系中,由于巖層的橫向非均質(zhì)性,受其上覆堆積物的重力作用時(shí)必然出現(xiàn)差異壓實(shí)。這是因?yàn)?砂巖與頁巖的壓實(shí)率不相等,他們的原始體積與壓實(shí)后的體積有一變化,砂泥兩者之間體積變化最大的地方,出現(xiàn)在巖系中巖性厚度變化最劇烈的位置上。差異壓實(shí)作用的結(jié)果,使巖層以褶皺變動(dòng)的形式開始,以斷層破壞作用而告終。重力蠕動(dòng)滑動(dòng):蠕動(dòng)滑移開始有一個(gè)平衡階段,當(dāng)重力分量超過了巖石的內(nèi)聚力、滑動(dòng)面的摩擦力和邊緣的摩擦力時(shí),則開始沿層滑動(dòng)。隨著沉降幅度的增大,坡折帶巖層的表面曲率相應(yīng)增大,使得水平分量增大,從而導(dǎo)致未固結(jié)的沉積物順傾向移動(dòng),水平位移的積累必然造成沉積物極大地蠕動(dòng)而張裂,隨后的蠕動(dòng)滑移是連續(xù)活動(dòng)的。運(yùn)動(dòng)幅度與地層斜率和沉積重量的增加成正比。2.2向湖推進(jìn)的同生斷層平面展布特征:平面上總體展布在與邊界斷裂近平行的坡折帶范圍內(nèi),軸向上生長(zhǎng)斷層具有圍繞局部沉積中心發(fā)育的趨勢(shì)(圖1)。同沉積斷裂具有多種平面組合樣式,包括平行或雁行狀斷裂系、梳狀斷裂系、帚狀斷裂系以及斷裂調(diào)節(jié)帶等。沉積速度與沉降速度的比值增大,斷層間距變小,由于沉積速度大于盆地的沉降速度,三角洲迅速向前推進(jìn),新的沉積中心連續(xù)形成,促使生長(zhǎng)斷層活動(dòng)加劇。當(dāng)三角洲向湖推進(jìn)時(shí),波浪狀的生長(zhǎng)斷層由老而新向深湖推進(jìn),并與坡折帶平行伴生,從圖3上剖面坡折帶處發(fā)育的同生斷層可清晰地發(fā)現(xiàn)此規(guī)律。剖面特征:上陡下緩,70°～40°變化,向深處斷面逐漸變緩,并逐漸與泥質(zhì)巖層層面平行,最后斷層在層間或?qū)觾?nèi)發(fā)生滑動(dòng)而消失,于是巖層的破裂變位被柔性變形所代替。剖面上發(fā)育具旋回性,中部斷距大,上下斷距小,可通過研究其生長(zhǎng)指數(shù)(地層兩盤厚度的比值)來確認(rèn)。坡折帶地層原始曲率的增加使斷層斷距規(guī)模加大,從圖3a和3b南陽凹陷2張地震剖面(位置見圖1)對(duì)比可以看出,圖3a南掉同生斷層斷距規(guī)模較小,圖3b同生斷層斷距規(guī)模較大(核桃園地層沉積時(shí)的古地貌,圖3b坡折帶地層曲率要比圖3a的大,現(xiàn)今剖面對(duì)比不明顯是由凹陷消亡期抬升作用的差異性引起的,從2張剖面上后生斷層的發(fā)育程度及坡折帶上側(cè)核桃園地層沉積厚度的變化可以證明)。3彎折帶上中下游流域內(nèi)沉積旋回和變形補(bǔ)償作用南陽凹陷坡折帶控制著其沉積及沉積層序的形成(圖4),凹陷物源主要來自北部社旗凸起、師崗?fù)蛊鸷蛯捑彵辈勘┞秴^(qū)。低位期,坡折帶之上為暴露剝蝕、下切水道和沖積—濱岸平原沉積,坡折帶內(nèi)為低位扇和湖泊相沉積;高位期,坡折帶之上主要為辮狀三角洲平原或?yàn)I湖區(qū),之下為辮狀三角洲朵狀砂體或深湖—半深湖發(fā)育區(qū)。坡折帶上下沉積厚度發(fā)生突變。彎折帶以上一般坡度平緩,各層序厚度相對(duì)較薄,變化穩(wěn)定;彎折帶以下坡度突然加大,各層序厚度明顯增加,地層格架上呈緩坡向上散開的扇形。坡折帶向深凹內(nèi)的沉積旋回增多,低位、湖擴(kuò)展和高位體系域發(fā)育齊全,在碎屑體系到達(dá)的部位砂體層數(shù)和厚度明顯加大。彎折帶上的寬緩斜坡帶區(qū)沉積旋回明顯減少,有地層削蝕、超覆現(xiàn)象發(fā)生,僅發(fā)育湖擴(kuò)展或高位體系域,厚度相對(duì)穩(wěn)定且薄。坡折帶控制了低位體系域的發(fā)育范圍,同時(shí)還控制了湖擴(kuò)展體系域深湖和濱淺湖區(qū)及高位體系域軸向三角洲沉積區(qū)。低位期,低位體系域主要發(fā)育在彎折帶下的深凹內(nèi)或深凹的斜坡區(qū),形成低位扇或低位斜坡扇;在湖擴(kuò)展或高位時(shí)期,彎折帶則是從淺水區(qū)向較深水區(qū)過渡的突變界限,同時(shí)也是東西兩端軸向高位三角洲的擴(kuò)展邊界線,因此彎折帶往往是半地塹斷陷盆地沉積體系域分帶的界線。伴生同生斷層的形成在區(qū)域構(gòu)造背景上必定有一個(gè)總的沉降趨勢(shì),斷層將伴以沉積補(bǔ)償。如果沉積區(qū)物源豐富,沉積補(bǔ)償速度與沉積速度基本一致,兩盤雖然仍在不斷變位,但其地形都通過沉積補(bǔ)償保持平衡,不至于發(fā)生顯著變化,巖相更不會(huì)發(fā)生變化,這時(shí)僅兩盤地層增厚。但,假若下降盤運(yùn)動(dòng)速度明顯超過了沉積補(bǔ)償速度,則下降盤的地層厚度增長(zhǎng)量將小于斷層的活動(dòng)量,地形的平衡隨之破壞,于是下降盤將出現(xiàn)一個(gè)深水環(huán)境。在沉積分異的作用下,兩盤將相應(yīng)地出現(xiàn)巖相變化。4坡折帶內(nèi)油氣坡折帶是斷陷湖盆油氣藏形成的極有利地帶。坡折帶一般緊鄰生油中心,且位于油氣運(yùn)移的上傾方向,生長(zhǎng)斷裂既是重要的油氣通道,又容易形成有利的斷層封閉;坡折帶是大型低位扇的有利發(fā)育部位和高位砂體的加厚帶,沿坡折帶走向的碎屑體系供給部位可找到加厚的砂巖儲(chǔ)集體;坡折帶一般控制著三角洲前緣相帶和斜坡扇體的分布,因此,砂體的成熟度、分選性及物性好,是油氣的有利儲(chǔ)集區(qū)。南陽凹陷的勘探開發(fā)結(jié)果證實(shí),該區(qū)主要油氣田沿坡折帶軸線一帶分布,自西向東有:1)受東一號(hào)同生斷層控制的東莊滾動(dòng)背斜油氣田,圈閉類型有滾動(dòng)背斜、斷塊及巖性上傾尖滅,儲(chǔ)層巖性以粉砂為主;2)被一系列同生斷層和后生斷層復(fù)雜化的魏崗鼻狀構(gòu)造油氣田,圈閉類型有滾動(dòng)背斜、斷鼻及斷層+巖性,儲(chǔ)層巖性以粉砂、細(xì)砂為主;3)張店鼻狀構(gòu)造油氣田,圈閉類型有斷鼻、斷層+巖性及巖性,儲(chǔ)層巖性以粉砂、細(xì)砂為主。以上已發(fā)現(xiàn)的油藏主要分布在高位進(jìn)積型三角洲前緣相帶,而對(duì)坡折帶內(nèi)的低位扇體及其上部的下切谷揭露較少,而地層不整合油藏尚未揭露。因此加強(qiáng)對(duì)坡折帶內(nèi)伸入牛三門和東莊次洼的低位扇的研究,及坡折帶上東莊、