基于重力数据的渤海湾盆地断裂‒莫霍面特征分析与富烃凹陷预测

Analysis of Fault⁃Moho Characteristics and Prediction of Hydrocarbon⁃Rich Sags in Bohai Bay Basin Based on Gravity Data

摘要

渤海湾盆地作为叠置在古生代华北克拉通坳陷之上的新生代陆内裂谷盆地，处于三大构造域交接中心，其含油气性与地壳结构密切相关. 基于渤海湾盆地的重力数据，系统分析了盆地断裂体系、基底与莫霍面分布特征，并通过主成分分析（PCA）对59个凹陷的油气富集潜力进行定量评价.研究表明，盆地断裂具有多向发育、分级控制、深浅耦合特征，其形成受“地幔热伸展‒板块边界走滑”双动力源协同驱动；莫霍面与基底呈显著镜像响应关系，海域莫霍面平均深度（33.5 km）显著浅于陆域（42.1 km），结晶地壳厚度呈现“陆域厚（36.7 km）、海域薄（25.3 km）”的空间分异特征；渤中凹陷作为盆地内地幔隆起与地壳拉伸减薄的核心区域，油气富集潜力综合评分达1.00，位列所有凹陷之首.依据油气富集综合评分，将59个凹陷划分为四类勘探靶区，其中Ⅰ-Ⅲ类凹陷（含渤中、东营、饶阳、惠民等 27个凹陷）为油气勘探有利区域，Ⅳ类凹陷（32个）因深部构造活动微弱、成藏条件受限，勘探价值较低. 本研究成果不仅揭示了渤海湾盆地深部地壳结构与油气富集的关联机制，更为该盆地及全球同类陆内裂谷盆地的油气资源精准勘探提供了重要的深部地质依据与技术支撑.

Abstract

As a Cenozoic intracontinental rift basin superimposed on the Paleozoic North China Craton depression, the Bohai Bay basin is located at the junction center of three major tectonic domains, where its hydrocarbon potential is closely related to the crustal structure. Based on the gravity data of the Bohai Bay basin, this study systematically analyzes the fault system of basin, basement characteristics, and Moho discontinuity distribution, and quantitatively evaluates the oil and gas enrichment potential of 59 sags using Principal Component Analysis (PCA). The results show that the faults of basin are characterized by multi-directional development, hierarchical control, and deep-shallow coupling, with their formation synergistically driven by the dual dynamic sources of “mantle thermal extension and plate boundary strike-slip movement”. The Moho discontinuity exhibits a significant mirror response relationship with the basement: the average depth of the Moho in the marine area (33.5 km) is significantly shallower than that in the continental area (42.1 km), and the crystalline crust thickness shows a spatial differentiation feature of “thicker in the continental area (36.7 km) and thinner in the marine area (25.3 km)”. As the core area of mantle uplift and crustal stretching-thinning in the basin, the Bozhong sag achieved a comprehensive score of 1.00 for oil and gas enrichment potential, ranking first among all sags. According to the comprehensive enrichment score, the 59 sags were classified into four types of exploration targets. Among them, Type Ⅰ⁃Ⅲ sags (including 27 sags such as Bozhong, Dongying, Raoyang, and Huimin) are favorable for oil and gas exploration, while Type Ⅳ sags (32 sags) have low exploration value due to weak deep tectonic activity and limited reservoir-forming conditions. The findings of this study not only reveal the correlation mechanism between deep crustal structure and oil-gas enrichment in the Bohai Bay basin but also provide important deep geological basis and technical support for the precise exploration of oil and gas resources in this basin and similar intracontinental rift basins worldwide.

Graphical abstract

关键词

渤海湾盆地 / 断裂分布 / 莫霍面特征 / 地壳特征 / 富烃凹陷 / 构造地质 / 油气地质.

Key words

Bohai Bay basin / fault / Moho characteristics / crustal characteristics / hydrocarbon⁃rich sag / tectonics / petroleum geology

0 引言

渤海湾盆地是我国关键的含油气盆地之一，其油气聚集呈现 “复式” 特点，发育的油气藏类型十分丰富（张功成等，2024）.虽然该地区具备良好的区域性储盖组合及优越的成藏条件，但该盆地已探明的油气储量在总资源量中的占比依旧处于较低水平，后续勘探开发的空间仍然较大（薛永安等，2020）.在总资源量中的占比依旧处于较低水平，后续勘探开发的空间仍然较大（薛永安等，2020）.

学者通过研究发现了断裂和莫霍面这两个区域构造对于油气的聚集成藏都有重要影响（夏庆龙和徐长贵，2016）.中国含油气盆地的形成与分布都受到深大断裂的控制，可将无机成因的烃从地下深处运移上来，统计结果表明全国40个具有典型代表意义的油气田的断裂对烃源岩、油气运移、油气圈闭、油气聚集、油气藏分布的各项重要控制率均在75%以上（张文昭，1997）.断裂的复杂性与差异性直接影响了研究区内油气聚集规律（夏庆龙和徐长贵，2016）：伸展活动控制生烃凹陷的形成，并使得岩浆上涌，提供热源，促进烃源岩的快速演化；走滑作用为油气运移提供输导通道，同时形成大量的构造圈闭，可起到封闭作用聚集油气.

莫霍面是地壳与地幔的一级物性分界面，其形态、深度变化记录着深部构造演化信息，对理解盆山耦合及深浅部油气系统关系意义重大.莫霍面隆起和地壳构造薄弱带易沉降成大型沉积区，助力烃源岩、储层等成藏要素的形成与保存，结晶地壳减薄及莫霍面活跃还能提供成藏物质与生烃能量（滕吉文等，1983）.这类隆起且起伏大的盆地更适合找油气，可快速锁定勘探初期目标（邵学钟等，1999；Zhang et al.， 2023）.莫霍面与渤海湾油气富集显著相关（陈光希等，2019）：其突变带对应郯庐断裂等深大断裂，切穿地壳成为深部流体通道，促进无机气与有机烃混合成藏，次级断裂有助油气运移，形成 “下生上储” 等模式；其还关联岩石圈热状态，渤海湾热流高（渤中凹陷最显著），既促烃源岩成熟，也影响油气相态与储层演化.

地球物理勘探为开展渤海湾盆地断裂和莫霍面研究提供了多类型的数据资料，近年来对渤海盆地及其邻区的断裂分布和莫霍面深度研究取得了显著进展（Hao et al.， 2013；李祖辉等， 2015；胡志伟等，2019；Vasanthi and Santosh， 2021；Deng et al.，2023；Cai et al.， 2024；蔡梦轲等，2025）.该盆地内断裂极为发育，以往学者多借助地震资料开展断裂识别工作（胡志伟等，2019；薛永安等，2021），近年来多位学者基于重磁数据也展开了相关研究（张菲菲等，2019；Cai et al.， 2024；蔡梦轲等，2025），并且对于断裂的平面分布与规模的认知也存在分歧.在渤海湾盆地的莫霍面研究方面，近些年来学者已经取得了丰富的成果，例如通过地震台网记录的数据，已采用多种手段刻画莫霍面深度的空间变化（Vasanthi and Santosh，2021；Deng et al.，2023）；或是基于地震剖面资料开展了反演工作，以进一步揭示构造细节（Hao et al.， 2013；李祖辉等， 2015）.然而，受限于地震台站分布稀疏（尤其在渤海湾盆地内部）及地震剖面数量有限，仅依靠地震资料得到的解释结果横向分辨率有限，因此结合地震结果的约束，利用重力资料研究渤海盆地莫霍面深度更具优势.目前，学者们已尝试了包括三维反演、调和级数法、Parker⁃Oldenburg 法等多种反演方法（Hao et al.， 2013；Guan et al.， 2016；Cai et al.， 2024；蔡梦轲等，2025）.尽管部分研究已针对渤海盆地获得了大尺度反演结果，但不同研究得到的莫霍面深度仍存在差异.因此，有必要在重力异常数据源、莫霍面深度约束、莫霍重力异常提取方法及剩余密度选取等方面开展进一步研究，以获得可靠且全面的莫霍面深度信息.

富烃凹陷的预测被视为油气资源进一步精细勘探的核心问题，具有后续勘探开发的潜力（米立军等，2023）.关于富烃凹陷的评价，研究者们提出了多种评价指标（如烃源岩生烃强度、资源丰度、资源规模、已探明储量等）（李志伟等，2006；杨舒越等， 2024）.不过不同学者选用的评价指标与标准却存在显著差异，基于这些指标难以明确界定凹陷.

综上所述，现有工作主要聚焦于盆地尺度莫霍面深度与油气富集的关系，但缺乏针对凹陷区莫霍面深度与油气储量的定量研究，且莫霍面深度的精度仍显不足.为弥补上述不足，本文利用卫星重力数据与地形数据，并结合沉积层分布信息，旨在提高莫霍面重力异常的提取可靠性，进而获得渤海湾盆地莫霍面深度的精细分布.同时，本文提出采用莫霍面深度、地壳厚度等量化评价指标，以刻画各凹陷深部构造活动强度及其油气潜力，并据此预测富烃凹陷的空间位置.

1 区域地质背景

渤海湾盆地位于中国东部，地跨北京、天津、河北、辽宁、山东及河南等多个省市，延伸至渤海海域，区内包括陆地和海洋.它是一个叠置在古生代华北克拉通坳陷之上的新生代陆内裂谷盆地（Suo et al.， 2014；薛永安等，2021），处于古亚洲洋、特提斯洋和太平洋三大构造域相互作用交接的中心区域，属于典型的拉张型盆地，盆地东西两侧分别以太行山隆起区和辽东隆起区‒鲁东隆起区为界，南北则受燕山褶皱隆起区与鲁西隆起区所限（叶涛等，2022）.

中生代之前，华北克拉通作为一个统一的构造单元，东西部具有一致的构造演化过程和沉积特征（李晨等，2024）.进入中生代后，受西太平洋板块俯冲作用的影响，区域热扰动加剧，软流圈物质对岩石圈底部产生强烈侵蚀，导致华北克拉通东部岩石圈发生巨大减薄，而渤海湾盆地是华北克拉通破坏和岩石圈减薄的中心区域.这种岩石圈的强烈减薄为后期断裂的发育和盆地的形成提供了深部构造背景.如图1所示，渤海湾盆地内的构造共可划分59个凹陷和39个凸起.整体具“凸凹相间、大盆地小凹陷”的特点，其内部构造特征多样，伸展、走滑及挤压构造均有发育.

盆地基底构造演化可分为六大阶段（朱伟林等，2009）：（1）太古宙‒古元古代：变质结晶基底形成，由多个地块拼贴而成，拼贴交汇于渤海中部；构造呈近EW、NNW、NE向，不同地体构造方向有差异.（2）中、新元古代：发育大陆裂谷盆地，形成华北第一套沉积盖层（长城系、青白口系），沉积厚度中心在遵化、迁安一带（上万米）；新元古代华北主体抬升，并受到剥蚀，但克拉通南部边缘和营口‒潍坊断裂带以东发生了拉张裂陷；该阶段构造呈NE向.（3）早古生代：受被动陆缘海盆控制，为稳定克拉通盆地发育阶段，寒武系、下奥陶统接受稳定沉积；构造方向近EW向.（4）晚古生代至中生代早期：受西伯利亚板块和华南板块俯冲、碰撞的影响，进入不稳定克拉通盆地阶段，上奥陶统至下石炭统大部分缺失，中、上石炭统沉积海陆交互相含煤地层，二叠纪发育海退型陆源碎屑夹煤；沉积构造方向近EW向.（5）中生代晚三叠世至早、中侏罗世：受板块推挤和走滑作用，进入内陆盆地发育阶段，发育WNW向或NE向斜列构造；发育河、湖相火山岩、碎屑岩，厚度差异大.（6）中生代晚侏罗世至白垩纪：受西太平洋板块俯冲影响，进入裂陷盆地发育阶段，郯庐断裂带左行平移并伴随岩浆活动，后期转为伸展；构造方向以NE或NNE向为主；主要发育沉积河、湖相火山岩、碎屑岩等.

2 断裂与莫霍面分布特征

2.1　数据准备

重力异常数据来源为重力场模型SGG⁃UGM⁃2（Liang et al.，2020），范围为112°~126°E、34°~ 43°N，空间分辨率为5′×5′，海域可达1′×1′（图2）.渤海湾盆地（盆地边界内）异常值异常幅值在-45~20 mGal之间变化，盆地与周边区域的异常分界清晰，以太行山隆起区、燕山褶皱隆起区、辽东隆起区、鲁东隆起区和鲁西隆起区为界，重力异常明显升高.盆地内重力异常整体呈现“陆负海正”的特征，反映莫霍面自西向东系统性抬升.海岸线附近重力异常变化较明显，反映出地壳结构的强烈差异，是构造活动较活跃的地带，也可能是断裂带的分布区域，对油气、矿产的聚集意义重大.

2.2　渤海湾盆地断裂特征

渤海湾盆地位于华北克拉通东部，是我国典型的克拉通破坏区与富油气盆地集中区.其断裂体系的形成演化与克拉通破坏、板块作用、地幔活动等密切相关，对油气的生成、运移和富集具有关键控制作用（李三忠等， 2010）.以下从断裂刻画解释及形成机制等方面进行系统分析.

2.2.1　断裂刻画与解释

对获取的渤海湾盆地布格重力异常进行归一化总水平导数（THDR）处理，以THDR的脊值连线或脊值错断位置作为断裂平面位置的主要识别标志（图3a）.从断裂识别结果来看，太行山断裂和郯庐断裂是控制渤海湾盆地构造走向的关键断裂，二者共同构成了盆地的东西边界，主导了盆地NE向的构造格局.此外，霸县‒束鹿‒邯郸断裂、兰聊‒盐山断裂也在盆地构造演化中发挥重要作用，而新发现的盆地南部NW向断裂则对盆地南部边界的形成具有明显控制作用.张家口‒蓬莱断裂走滑性强，连续性较差，通过北东向断裂的错断解释出来.

研究表明这些断裂均为基底断裂，其中霸县‒束鹿‒邯郸断裂是走滑型断裂（杨克基等，2016），太行山断裂为伸展型断裂（张功成等，2024），而郯庐断裂、兰聊‒盐山断裂和张家口‒蓬莱断裂则属于走滑‒伸展复合型断裂（胡志伟等，2019）.这些断裂的形成与板块相互作用、地幔动力活动紧密相关.华南板块与华北板块的挤压碰撞是太行山断裂形成的直接动力；板块边界的作用力向盆地区传递，促使兰聊‒盐山断裂、霸县‒束鹿‒邯郸断裂的形成；同时，地幔隆起扩张产生的水平拉张作用，在渤海湾盆地中部形成了以多条断裂为边界的断陷盆地，进一步塑造了盆地的宏观结构.

在盆地断裂格架的约束下，进一步解释了次级断裂（图3b）.在兰聊‒盐山断裂以东区域断裂结构复杂，主要发育北西、北东和近东西三个方向的断裂.在印支期的挤压逆冲作用下，形成了北西向的断裂；在燕山期的走滑作用下，形成北东向为主的断裂；在喜山期的拉张与走滑共同作用下，形成近东西向为主的断裂.其中济阳坳陷形成“七纵四横”的构造格局.

结合前人成果与认识，在重力资料解释基础上，建立了渤海湾超级盆地的断裂体系.在深部地幔动力与板块边界力共同作用下，具有显著的多向发育、分级控制、深浅耦合特征，总结为以下几点：

（1）断裂发育方向复杂，包括北东向、北西向和近东西向，反映出多期应力场的叠加作用.其中，北东向断裂是主体，控制盆地总体构造格局；

（2）一级断裂：控制盆地边界，深切基底；二级断裂：继承多期老断裂特征，控制坳陷与隆起的分布；三级断裂：发育于沉积盖层中，走向一致，反映区域应力场；

（3）盆地中存在大量“隐性断裂带”，在沉积盖层中表现为断续小断层，深部往往对应大型基底走滑断裂，体现深浅构造的耦合关系.

基于NW、NE向深大断裂的分区效应，依据盆内结构及构造变形的差异性，可将渤海湾盆地分为3带2区：东部走滑带（I）、西部拆离断陷带（II）、中部叠合断陷带（III）、NW（NWW）向转换区（IV）、NW（NWW）⁃NNE共轭转换区（V）.

2.2.2　断裂形成的动力学机制

渤海湾地区断裂体系的形成是“伸展‒走滑双动力源”共同作用的结果.地幔热作用作为伸展动力源，控制了盆地的裂陷伸展过程，太行山前断裂等伸展型断裂的形成与此密切相关；而板块边界作用力传递到盆地区形成的区域应力场则作为走滑动力源，促使郯庐断裂、兰聊‒盐山断裂等发生走滑活动.

在构造演化时序上，印支期受华南与华北板块近ENE向碰撞挤压，形成大量近EW向或WNW向逆冲断裂；燕山期受东侧太平洋板块近WNW向挤压应力影响，形成大量ENE向走滑逆冲构造，并在近NW⁃SE向伸展应力作用下叠加发育伸展构造；印支期WNW⁃EW向断裂体系与燕山期ENE向断裂体系叠加，共同主导形成了渤海湾盆地中生代东西分带、南北分块的基底构造格局（李三忠等，2010）.古近纪时，在地幔隆起扩张导致的NW⁃SE向水平拉张作用下，沿着燕山期形成的NNE至ENE向逆冲断裂拉张滑脱，发育断陷盆地.因此盆地内主要发育NNE⁃NE向和WNW⁃NW向两组断裂.

此外，华北克拉通东部岩石圈韧性层与刚性层的相互作用也对断裂形成产生重要影响.区域剪切应力场下，刚性层先大面积破裂，韧性层蠕动变形；随着变形加剧，韧性层被剪切断层弱化，部分断层发育成较大断裂系，断裂系间距约150~250 km.这些断裂系区域弧后拉张应力场共同作用，在渤海湾盆地形成雁列式走滑拉分盆地群.

2.3　渤海湾盆地基底与莫霍面特征

本文采用多界面深度和密度同时反演技术得到沉积层底面（基底）、上结晶地壳底面、莫霍面等多个界面.受持续伸展作用影响，渤海湾盆地整体位于区域性莫霍面隆起和地壳拉伸减薄的位置（胡志伟等，2019）.

基底被盆地级断裂分割，兰聊‒盐山断裂和霸县‒束鹿‒邯郸断裂为界，基底由西向东呈“上隆‒下凹”变化特征，沉积层厚度呈“西薄‒东厚”特征，在海陆区域表现出不同的控沉积与控油气作用（图4）.兰聊‒盐山断裂以西的陆域，基底深度为3.5~6.5 km（图4a），构造走向NE向，沉积层厚度较薄且横向变化平缓（图4b），烃源岩发育受单一断陷控制，生烃中心相对固定；断裂以东的海域，基底深度为5.5~12.5 km（图4a），渤中凹陷基底最深，构造走向以NW和WE向为主，沉积层厚度大且横向变化剧烈（图4b），多期断陷叠加形成多个生烃中心（如渤中、辽中凹陷），生烃潜力远超陆域.

在上结晶地壳底面图（图5）上有一条明显的褶皱带，褶皱带南段与太行山断裂重合，中段形成太行山山前断裂，北段与前人研究的太行山断裂走向一致，应为太行山断裂北段分支（卢造勋等，1999）.盆地断裂格架与深层构造有较好的对应关系，证实所解释的深大断裂切穿地壳，为深部热物质与流体上升提供通道.

如图6a所示，渤海湾盆地莫霍面具有与基底结构镜像的特征.由于华南板块向北推挤与华北板块碰撞并横向挤入，太行山断裂在莫霍面反映明显，从太行山断裂到兰聊‒盐山断裂之间的区域，莫霍面埋深变大，地壳变厚，厚度范围在40~48 km（图6a，图7a）.以渤中坳陷为中心，以兰聊‒盐山断裂、郯庐断裂和南部断裂为边界的区域，莫霍面显著抬升，地壳减薄，厚度范围在23~30 km，形成巨型地幔柱（图6a，图7a）.

同时，莫霍面起伏变化显示盆地的海域、陆域部分存在一定差异.陆域莫霍面深度为27.4~ 47.4 km，平均深度为42.1 km，地壳厚度为16.9~44.9 km，平均厚度为36.7 km；海域莫霍面深度为23.8~43.5 km，平均深度为33.5 km，地壳厚度为 12.1~40.2 km，平均厚度为25.3 km.因此，总体上表现为莫霍面深度呈现“陆域深，海域浅”的特征，而结晶地壳厚度呈现“陆域厚，海域薄”的特征.为进一步量化分析，本文对渤海湾盆地范围内的陆域凹陷与海域凹陷（海陆边界处凹陷除外）分别进行了统计，重点分析其莫霍面深度的最小值、平均值、最大值与地壳厚度的最小值、平均值、最大值的分布特征（图6b，图7b）.统计结果显示，海域与陆域在上述指标上存在显著差异，揭示了海域与陆域地区在地壳结构及深部构造活动方面的复杂性.

图6b显示海域凹陷莫霍面最小深度的平均值为30.2 km，明显浅于陆域凹陷的41.5 km；其平均深度（34.8 km）与最大深度（38.5 km）的平均值亦显著小于陆域凹陷（分别为42.3 km和 43.8 km）.这表明无论是在莫霍面顶界、平均界面还是底界深度上，海域凹陷均表现出整体抬升的特征.此外，海域凹陷的最小莫霍面深度可低至23.8 km，远小于陆域凹陷的31.7 km，进一步证实海域凹陷的莫霍面顶界埋深更浅，地幔隆起更为显著.图7b显示海域凹陷的地壳厚度同样呈现系统性减薄特征.其海域最薄地壳厚度的平均值为20.7 km，显著小于陆域凹陷的34.9 km；平均地壳厚度（26.7 km）及最厚地壳厚度（32.7 km）的平均值亦明显薄于陆域凹陷（分别为37.2 km和 39.5 km）.海域凹陷最薄地壳厚度的最小值仅为 12.1 km，也低于陆域凹陷的15.8 km，表明海域凹陷的地壳拉伸减薄程度更为剧烈，深部构造活动性更强.

莫霍面与基底的镜像结构在剖面上反映更清晰（图8），巨型地幔柱在东西方向涵盖渤中坳陷和黄骅坳陷两个一级构造单元，在北东方向涵盖济阳坳陷、渤中坳陷和辽河坳陷三个一级构造单元.莫霍面隆起导致地壳减薄，引起地壳沉降形成大型沉积区，有利于烃源岩、储集层、盖层和各类圈闭等成藏要素的形成和保存.莫霍面突变对应控制渤海湾盆地构造格局的深大断裂，断裂切穿地壳，构成深部流体上升通道，促进幔源CO₂等无机气与有机烃类的混合成藏（薛永安等，2025）.同时，深大断裂诱发的次级断裂系统为油气运移提供了重要通道.深部热物质上涌引起的热沉降也是控制新近纪以来盆地沉积中心迁移的关键因素，决定了油气晚期成藏与保存条件.

上述莫霍面抬升与地壳减薄特征，也体现在莫霍面拉张因子和地壳拉张因子上.本文计算得到渤海湾盆地莫霍面拉张因子和地壳拉张因子，分别如图9a和图9b所示.莫霍面拉张因子和地壳拉张因子在陆域的变化程度较小，但在海域的变化显著.例如海域的渤中凹陷位于郯庐断裂和张家口‒蓬莱断裂交汇位置，二者均属于沟通地幔的岩石圈断裂，周边断层活动强烈，提供了良好的“强断陷”条件，莫霍面拉张因子和地壳拉张因子强，位于渤海湾盆地内莫霍面隆升和地壳拉张减薄的程度最剧烈的位置，为优质烃源岩发育提供了有利条件，同时提供热源以促进生排烃.

3 富烃凹陷预测

大型油气田的形成是一个受多种因素控制的复杂过程，这些因素包括优质烃源岩、有利储层、有效盖层的存在，以及烃源岩‒储层或烃源岩‒储层‒盖层组合的特定配置（邵学钟等，1999）.然而，在油气勘探中仅考虑沉积盖层条件是不够的，深部地壳构造特征对油气的形成与运移也具有重要影响.研究表明，盆地内油气储量分布与深部地壳构造特征存在密切关联，这些特征通常表现为结晶地壳较薄、地幔对地壳的影响较强（邵学钟等，1999）.渤海湾盆地的形成，可归因于不同时期太平洋板块向东亚大陆的俯冲作用，该过程导致岩石圈拆沉、软流圈上涌、地壳拉伸及地壳减薄（Liang et al.， 2016）.在这一地质过程中，地壳与地幔物质沿深大断裂以底辟作用向上运移，为油气形成提供了丰富的物质与能量（Cox and Engebretson， 1985；Maruyama et al.， 1997）.

渤海湾盆地内地壳运动的非均一性，导致不同构造单元在莫霍面深度、地壳厚度、莫霍面拉张因子和地壳拉张因子等深部地壳构造分布特征上存在显著差异，这些差异反映了油气储量地质条件的不均衡分布（Cai et al.， 2024）.Zhang et al.（2023）在近期研究中强调，莫霍面深度的波动是导致不同盆地油气储量分布差异的关键因素.本研究重点对渤海湾盆地内各凹陷的面积，以及深部地壳构造特征的最大值、最小值和平均值进行统计分析，旨在筛选出与现有地质信息具有强一致性的指标.随后，采用主成分分析（PCA）方法，对各凹陷的油气储量赋存程度进行定量评价.

3.1　各凹陷莫霍面深度和地壳厚度的统计及分析

本研究计算了各凹陷的莫霍面深度与地壳厚度（图10a和图10b），其最大值和最小值反映了各凹陷内莫霍面深度的变化范围及地壳减薄或增厚程度.不同凹陷的莫霍面深度与地壳厚度分布存在显著差异，其中渤中凹陷的特征最为突出：其莫霍面最小深度为23.8 km，浅于所有其他凹陷；地壳最小厚度为12.1 km，表明该区域地壳减薄显著.这表明渤中凹陷处于渤海盆地内地幔隆起、地壳拉伸与减薄的中心位置.

秦南凹陷的莫霍面最小深度为24.4 km，地壳最小厚度为 12.6 km，两项指标在渤中凹陷之外均优于（即更浅/更薄）其他所有凹陷，指示该凹陷具有较为显著的莫霍面隆起和地壳拉伸减薄特征.另外，乐亭凹陷、南堡凹陷、辽中凹陷、沙南凹陷、辽西凹陷、渤东凹陷、昌黎凹陷、辽东凹陷、埕北凹陷和黄河口凹陷的莫霍面也相对较浅（最小深度小于 30 km），且地壳厚度较薄（最小厚度小于21 km）.与之相反，石家庄、大广、深县和元集等凹陷的莫霍面隆起与地壳减薄程度较低，且整体变化幅度小，表明这些区域的深部地壳构造活动较弱.这些变化可归因于古太平洋板块的俯冲作用以及华北克拉通的后续改造，最终导致克拉通东部段的破坏和局部化地壳结构差异的出现（朱日祥等，2012）.

为验证本文基于重力数据反演得到的莫霍面深度的可靠性，将各凹陷的莫霍面最小值与已有研究成果进行对比分析.

首先，本文结果与李祖辉等（2015）利用 OBS2013剖面地震数据建立的地壳结构模型具有良好的对应关系. OBS2013 剖面结果显示，莫霍面在渤中凹陷处埋深最浅，约为25.5 km，并向鲁东隆起方向逐渐加深至30 km.这一变化趋势与本文在相应区域观测到的莫霍面自海域向陆地逐渐加深的规律一致，且渤中凹陷的莫霍面深度值（23.8 km）与地震结果较为接近.考虑到重力数据与地震数据在原理和分辨率上的固有差异，两者结果可视为相互印证，表明本文反演结果在宏观趋势上具有可靠性.

其次，将海域各凹陷的莫霍面最小值与Cai et al.（2024）的研究结果进行对比（图11）. 从数据分布形态来看，两组数据在大部分凹陷表现出相似的变化趋势.渤中凹陷作为盆地内地幔隆起中心，在本文和 Cai et al.（2024）的结果中莫霍面最小值分别为 23.8 km和26.5 km，均为全区最浅.其中，渤东、庙西、黄河口三个凹陷的差值均在1 km以内；辽西、南堡、沙南、埕北、辽中、辽东、渤中七个凹陷的差值在3 km以内，表明在盆地主体凹陷，两组数据的吻合度较高.然而，两组数据仍存在一定差异，以莱州湾、青东、莱南三个凹陷差异最为显著，差值接近10 km.从定量评价指标来看，全部14个凹陷的均方根误差（RMSE）为5.08 km，显示两组数据在整体上较为接近；剔除位于盆地边缘且构造特征较为复杂的莱州湾、青东、莱南三个凹陷后，剩余11个凹陷的RMSE显著降低至2.54 km，降幅约50%，一致性进一步提升.

综合上述对比分析，本文结果与李祖辉等（2015）的地震剖面及Cai et al.（2024）的反演结果在盆地主体凹陷的莫霍面最小值分布上具有较好的一致性，证明本文反演结果在整体趋势上是可靠的.边缘凹陷的显著差异可能反映了不同数据源及反演方法对复杂构造区域的适应性差异，值得后续结合更多深部地球物理资料进一步研究和约束.

本研究还统计了各凹陷的莫霍面拉张因子和地壳拉张因子.每个计算点的拉张因子反映了莫霍面或地壳的起伏程度.每个凹陷内所有计算点的拉张因子之和，综合反映了莫霍面和地壳的三维变化程度.这些因子的幅度和平均值分布如图12a和图12b所示.其中渤中凹陷的数值最为突出.渤中凹陷的莫霍面拉张因子最大值和总和分别为1.68和 2 297，在所有凹陷中最为显著.同样，渤中凹陷的地壳拉张因子最大值和总和分别为3.31和3 730，也远高于其他凹陷.这些指标进一步表明，渤中凹陷位于渤海湾盆地的中心区域，该区域上地幔隆起显著，地壳拉伸减薄现象突出.从莫霍面与地壳拉张因子最大值来看，秦南凹陷仅次于渤中凹陷；但其莫霍面与地壳拉张因子之和仅分别为542和906，反映其莫霍面与地壳整体构造活动有限.而惠民凹陷、东营凹陷、饶阳凹陷、辽西凹陷和东濮凹陷的莫霍面与地壳整体构造活动较强（莫霍面拉张因子之和≥770，地壳拉张因子之和≥910）.相比之下，大营镇凹陷、常庄凹陷、沈北凹陷和元集凹陷的莫霍面深度和地壳厚度变化极小（莫霍面拉张因子之和≤80，地壳拉张因子之和≤100）.这些指标进一步印证了该区域内莫霍面起伏和地壳厚薄变化的非均质性.

基于上述统计结果，显然渤中凹陷位于渤海盆地内的上地幔隆起和地壳拉伸减薄中心.该凹陷的莫霍面隆起和地壳拉伸减薄变化最为显著，表明其深部地壳构造活动强烈.惠民凹陷、东营凹陷、饶阳凹陷、辽西凹陷和东濮凹陷是地幔隆起与地壳拉伸减薄的次级中心，这些凹陷的莫霍面隆起及地壳拉伸减薄变化也相对显著.与之相反，大营镇凹陷、常庄凹陷、沈北凹陷和元集凹陷的莫霍面隆起与地壳减薄程度较低，且整体变化幅度小，表明这些区域的深部地壳构造活动较弱.

3.2　富烃凹陷预测

渤中凹陷是渤海湾盆地内最重要的富烃凹陷（张功成，2000；薛永安等，2020）.在本研究采用的统计指标中，该凹陷的油气富集特征体现得尤为明显，主要表现为地壳厚度和莫霍面深度最小值最低，以及地壳和莫霍面拉张因子之和最高.基于上述四项指标，本文采用主成分分析（PCA）方法，对盆地内59个凹陷的油气富集程度进行综合评分.评分越高，表明该凹陷的深部地壳构造活动越强，油气聚集潜力越大.

本研究通过协方差矩阵的奇异值分解（SVD）实现主成分分析（Cai et al.，2024）：先将每个指标减去其均值，再计算协方差矩阵；通过奇异值分解求解4×4协方差矩阵的特征值与特征向量，选取与最大特征值对应的特征向量作为主成分，该主成分可解释大部分数据变异.将协方差矩阵的特征向量与 59×4 的统计指标矩阵相乘，得到一维向量；对该向量进行K均值归一化，即可得到油气富集评分.

基于各凹陷的油气富集评分，通过K均值聚类得到四组结果（图13）：第一组（Ⅰ类）的聚类中心为 1.00，仅包含渤中凹陷（评分1.00）；第二组（Ⅱ 类）的聚类中心为0.39，包含东营凹陷（0.47）、饶阳凹陷（0.42）、惠民凹陷（0.39）、东濮凹陷（0.34）、辽西凹陷（0.33）；第三组（Ⅲ类）的聚类中心为0.20，包含保定凹陷（0.26）、辽中凹陷（0.26）、黄河口凹陷（0.25）、沾化凹陷（0.25）、渤东凹陷（0.23）等21个凹陷；第四组（Ⅳ类）的聚类中心为0.05，包含北京凹陷（0.12）、晋县凹陷（0.11）、盐山凹陷（0.11）、沙南凹陷（0.10）、汤阴凹陷（0.09）等32个凹陷.

其中，Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类凹陷表现出活跃的深部构造活动，地幔上涌为油气生成提供了丰富的物质和能量；地壳拉伸减薄作用使沉积层增厚，为油气生成和聚集创造了有利条件.因此，这些凹陷的油气富集评分较高，是油气勘探和生产最有利的区域（图14）.值得注意的是，渤中凹陷的富集评分显著高于其他凹陷，这与其在实际勘探中作为渤海湾盆地最富烃凹陷的认知一致.而 Ⅳ类凹陷的深部构造活动较弱，油气富集程度较低，因此可考虑减少这些凹陷的生产投入.

张功成（2000）指出，受深大断裂影响，渤海盆地的油气主要分布在渤中凹陷、辽中凹陷、黄河口凹陷、歧口凹陷等富烃凹陷内.基于资源丰度指标和盆地资源规模预测，袁选俊和谯汉生（2002）将辽西凹陷、辽东凹陷、南堡凹陷和歧口凹陷确定为富烃凹陷.张功成等（2013）通过油源对比和地震相分析识别潜在富烃凹陷，证实辽西凹陷为富烃凹陷.基于富烃凹陷烃源岩生成与演化的研究，于彪等（2021）证实渤东凹陷和庙西凹陷具有良好的勘探前景.上述具有较好勘探前景的凹陷主要集中在Ⅰ 类、Ⅱ类和Ⅲ类凹陷，表明研究成果与前人认识基本一致，Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类凹陷适合进行勘探投入.

本研究基于深部地壳构造活动评价发现，油气富集程度较高的凹陷具有明显的断裂带控藏特征，主要沿三条断裂带分布（图14）：北北东向的郯庐断裂、北东向的兰聊‒燕山断裂以及霸 县‒束鹿‒邯郸断裂.其中，沿郯庐断裂带分布的凹陷包括渤中、辽中、辽东、黄河口、辽西、东部、渤东、庙西及西部凹陷；沿兰聊‒燕山断裂分布的凹陷包括北塘、南堡、岐口、车镇、惠民、冠县、莘县、德州及东濮凹陷；沿霸县‒束鹿‒邯郸断裂分布的凹陷则包括丘县、饶阳、霸县及武清凹陷.

4 结论

（1）渤海湾盆地断裂体系受“伸展‒走滑双动力源”驱动形成，具有多向发育、分级控制、深浅耦合的显著特征，依据断裂分区效应可划分为 5 个构造单元，深大断裂与次级断裂共同构成了油气运移的重要通道.

（2）盆地莫霍面与基底呈镜像结构，深部地壳构造存在明显的海陆差异，海域莫霍面更浅、结晶地壳更薄，地幔活动更强烈，为油气生成提供了良好的深部条件.

（3）基于主成分分析的定量评价结果显示，渤中凹陷是盆地内油气富集潜力最优的凹陷，东营、饶阳等Ⅱ类凹陷和保定、辽中等Ⅲ类凹陷为有利勘探区域，具有进一步勘探价值.

（4）深部地壳构造特征（如莫霍面深度、地壳厚度、拉张因子等）与油气富集程度密切相关，可作为渤海湾盆地及类似盆地油气勘探的重要参考指标，为资源精准勘探提供深部地质依据.

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基金资助

新型油气勘探开发国家科技重大专项项目“渤海湾超级盆地油气富集规律与新领域勘探关键技术”(2024ZD1400100)