南襄盆地南阳凹陷北部坡折带类型及其古构造意义

南襄盆地南阳凹陷北部坡折带类型及其古构造意义

山坡折叠是地形学的概念，指地形坡度变化较大的古地理区域。它对同生断层和沉积层序及相带的发育有重要控制作用,既是盆地的主要沉积区,又是油气的主要成藏储藏区。箕状单断式断陷盆地在中国东部分布较为广泛,箕状凹陷坡折带的深入研究对整个断陷盆地的成藏规律分析有重要意义。南襄盆地南阳凹陷为一南深北浅的中新生代箕状断陷湖盆(图1),面积3600km2,其形成受控于南部新野—唐河铲状边界大断裂。盆内有东庄和牛三门2个生油次凹,盖层最大厚度5500m以上,自下而上发育有下第三系玉皇顶—大仓房组、核桃园组、廖庄组、上第三系上寺组及第四系,其中核桃园组是该凹陷油气勘探的主要目的层,其沉积厚度一般为2000～3000m。据构造和沉积特征,可将凹陷分为南部断坡带、中部凹陷带和北部斜坡带。由于只经历了喜山期的一次构造旋回作用,该凹陷构造和沉积现象较少受其他地质因素影响因而没有复杂化,是研究箕状断陷坡折带的理想范例。1不同构造变形区的弯折演化箕状断陷盆地中,边界铲式大断裂是断陷盆地边界断层常见的几何学形态,这种断层的滑动导致断层上盘(缓坡带)弯折变形,沉积斜坡坡度发生明显变化,断层上盘伸展断弯褶皱发育,进而形成弯折型坡折带,简称弯折带。理论计算及物理模拟研究表明,盆地内部的变形与控盆主边界断层的几何形态密切相关。图2a表示一个切过先存地层并随深度向下弯折变缓的正断层。当断层上盘与下盘拉开时,如果是刚性体,则会在两者之间形成一个空隙带(图2b),但岩层并非刚性体,会通过向下崩塌或塑性变形来充填这个空隙(图2c),从而导致岩层变形。依据库仑剪切破裂理论,上盘岩块受重力作用将沿着倾斜角约为70°的库仑破裂面滑移而充填这个空隙(图2b)。在这一过程中,将发生沿库仑剪切破裂面方向的变形,形成滚动背斜。变形区构成了滚动背斜的前翼,并处于沿断层弯折部位定位的活动轴面和不活动轴面之间。不活动轴面是代表变形前沿活动轴面分布的岩石的一个界面。在递进的断层滑移过程中,活动轴面向离开不活动轴面的方向移动,从而,滚动变形区随断层位移增大而逐渐加宽(图2d)。图2e和2f表示断层上盘同沉积地层中伸展断弯的发育过程。同沉积地层变形区在一个由先存地层顶面、活动轴面和生长轴面限制的楔形生长区内,图2e中的岩层1是最新沉积物,活动轴面和生长轴面在岩层1界面的交会点是正在进入变形区的物质。图2f表示岩层2沉积时,进入生长楔内的岩层1已发生平行于活动轴面的变形。在断陷盆地中,受铲式断层控制的伸展断弯褶皱的前翼越向下,进入变形区的岩层越宽,断弯褶皱幅度越大;向上则逐渐变窄,以致消失,岩层为水平。在边界断层和沉积地层继承发育的情形下(图2g),上盘内可以发育多个相应的库仑剪切变形带,且倾向与边界断层的倾向相反。实际的控边断层往往表现为光滑的曲线,由此控制的伸展断弯褶皱也表现为连续的弯曲,而非简单的膝折。因此,由断陷盆地控凹铲形正断层活动导致的活动轴面或非活动轴面的变化是弯折形成的主要原因。而铲形正断层的持续活动使沉降中心和沉积中心同步向控凹断层一侧移动,形成多个连续的断层弯折。所以,弯折带轴向在平面和剖面上都近似平行于边界大断裂。2折带弯曲程度和沉积速率对断层平面特征的影响南阳凹陷同沉积断层主要沿坡折带轴线区分布,其形成主要受坡折带弯曲程度(主要影响断层剖面特征)及沉积速率和相带(主要影响断层平面特征)的控制。坡折朝向深湖一侧是同生长断层发育的主要地方,朝向滨湖一侧是后生反向正断层产生的主要区域。2.1差异压实作用的结果坡折带单斜挠曲作用:使该区地层拉伸弯折,形成应力集中带,是同沉积断层发生的主要诱因。另外,盖层呈单斜挠曲,在枢纽带上岩层的倾角与厚度有一突变,沉积物的荷重是控制生长断层的另一主要因素。差异压实作用:在推进式三角洲的沉积岩系中,由于岩层的横向非均质性,受其上覆堆积物的重力作用时必然出现差异压实。这是因为,砂岩与页岩的压实率不相等,他们的原始体积与压实后的体积有一变化,砂泥两者之间体积变化最大的地方,出现在岩系中岩性厚度变化最剧烈的位置上。差异压实作用的结果,使岩层以褶皱变动的形式开始,以断层破坏作用而告终。重力蠕动滑动:蠕动滑移开始有一个平衡阶段,当重力分量超过了岩石的内聚力、滑动面的摩擦力和边缘的摩擦力时,则开始沿层滑动。随着沉降幅度的增大,坡折带岩层的表面曲率相应增大,使得水平分量增大,从而导致未固结的沉积物顺倾向移动,水平位移的积累必然造成沉积物极大地蠕动而张裂,随后的蠕动滑移是连续活动的。运动幅度与地层斜率和沉积重量的增加成正比。2.2向湖推进的同生断层平面展布特征:平面上总体展布在与边界断裂近平行的坡折带范围内,轴向上生长断层具有围绕局部沉积中心发育的趋势(图1)。同沉积断裂具有多种平面组合样式,包括平行或雁行状断裂系、梳状断裂系、帚状断裂系以及断裂调节带等。沉积速度与沉降速度的比值增大,断层间距变小,由于沉积速度大于盆地的沉降速度,三角洲迅速向前推进,新的沉积中心连续形成,促使生长断层活动加剧。当三角洲向湖推进时,波浪状的生长断层由老而新向深湖推进,并与坡折带平行伴生,从图3上剖面坡折带处发育的同生断层可清晰地发现此规律。剖面特征:上陡下缓,70°～40°变化,向深处断面逐渐变缓,并逐渐与泥质岩层层面平行,最后断层在层间或层内发生滑动而消失,于是岩层的破裂变位被柔性变形所代替。剖面上发育具旋回性,中部断距大,上下断距小,可通过研究其生长指数(地层两盘厚度的比值)来确认。坡折带地层原始曲率的增加使断层断距规模加大,从图3a和3b南阳凹陷2张地震剖面(位置见图1)对比可以看出,图3a南掉同生断层断距规模较小,图3b同生断层断距规模较大(核桃园地层沉积时的古地貌,图3b坡折带地层曲率要比图3a的大,现今剖面对比不明显是由凹陷消亡期抬升作用的差异性引起的,从2张剖面上后生断层的发育程度及坡折带上侧核桃园地层沉积厚度的变化可以证明)。3弯折带上中下游流域内沉积旋回和变形补偿作用南阳凹陷坡折带控制着其沉积及沉积层序的形成(图4),凹陷物源主要来自北部社旗凸起、师岗凸起和宽缓北部暴露区。低位期,坡折带之上为暴露剥蚀、下切水道和冲积—滨岸平原沉积,坡折带内为低位扇和湖泊相沉积;高位期,坡折带之上主要为辫状三角洲平原或滨湖区,之下为辫状三角洲朵状砂体或深湖—半深湖发育区。坡折带上下沉积厚度发生突变。弯折带以上一般坡度平缓,各层序厚度相对较薄,变化稳定;弯折带以下坡度突然加大,各层序厚度明显增加,地层格架上呈缓坡向上散开的扇形。坡折带向深凹内的沉积旋回增多,低位、湖扩展和高位体系域发育齐全,在碎屑体系到达的部位砂体层数和厚度明显加大。弯折带上的宽缓斜坡带区沉积旋回明显减少,有地层削蚀、超覆现象发生,仅发育湖扩展或高位体系域,厚度相对稳定且薄。坡折带控制了低位体系域的发育范围,同时还控制了湖扩展体系域深湖和滨浅湖区及高位体系域轴向三角洲沉积区。低位期,低位体系域主要发育在弯折带下的深凹内或深凹的斜坡区,形成低位扇或低位斜坡扇;在湖扩展或高位时期,弯折带则是从浅水区向较深水区过渡的突变界限,同时也是东西两端轴向高位三角洲的扩展边界线,因此弯折带往往是半地堑断陷盆地沉积体系域分带的界线。伴生同生断层的形成在区域构造背景上必定有一个总的沉降趋势,断层将伴以沉积补偿。如果沉积区物源丰富,沉积补偿速度与沉积速度基本一致,两盘虽然仍在不断变位,但其地形都通过沉积补偿保持平衡,不至于发生显著变化,岩相更不会发生变化,这时仅两盘地层增厚。但,假若下降盘运动速度明显超过了沉积补偿速度,则下降盘的地层厚度增长量将小于断层的活动量,地形的平衡随之破坏,于是下降盘将出现一个深水环境。在沉积分异的作用下,两盘将相应地出现岩相变化。4坡折带内油气坡折带是断陷湖盆油气藏形成的极有利地带。坡折带一般紧邻生油中心,且位于油气运移的上倾方向,生长断裂既是重要的油气通道,又容易形成有利的断层封闭;坡折带是大型低位扇的有利发育部位和高位砂体的加厚带,沿坡折带走向的碎屑体系供给部位可找到加厚的砂岩储集体;坡折带一般控制着三角洲前缘相带和斜坡扇体的分布,因此,砂体的成熟度、分选性及物性好,是油气的有利储集区。南阳凹陷的勘探开发结果证实,该区主要油气田沿坡折带轴线一带分布,自西向东有:1)受东一号同生断层控制的东庄滚动背斜油气田,圈闭类型有滚动背斜、断块及岩性上倾尖灭,储层岩性以粉砂为主;2)被一系列同生断层和后生断层复杂化的魏岗鼻状构造油气田,圈闭类型有滚动背斜、断鼻及断层+岩性,储层岩性以粉砂、细砂为主;3)张店鼻状构造油气田,圈闭类型有断鼻、断层+岩性及岩性,储层岩性以粉砂、细砂为主。以上已发现的油藏主要分布在高位进积型三角洲前缘相带,而对坡折带内的低位扇体及其上部的下切谷揭露较少,而地层不整合油藏尚未揭露。因此加强对坡折带内伸入牛三门和东庄次洼的低位扇的研究,及坡折带上东庄、