渤海湾盆地新生代的沉积演化史包括古近纪裂谷断陷、新近纪—第四纪拗陷两个阶段。古近纪裂谷断陷阶段又进一步分为断陷初期、第一断陷期、第二断陷期三个时期。
（一）断陷初期
裂谷断陷初期，盆地大部分地区处在沉积基准面之上的剥蚀区，沉积区分布面积小。沉积区主要沿主要断裂带分布，沿区域性深大断裂带——郯庐深大断裂分布的如辽河坳陷，沿盆地边界大断裂如太行山东麓断裂带分布的廊固、保定、石家庄等凹陷，沿鲁西隆起北部和西部断裂带分布的有昌潍坳陷、辛县凹陷和东濮凹陷。沿盆地内一级构造单元边界如沧东断裂分布的有东侧沧东、南皮凹陷，西侧深县、冠县凹陷。沿二级构造单元边界如陈家庄、无棣、宁津等凸起南缘断裂带分布的东营凹陷和惠民凹陷（图5-23）。
渤海湾裂谷盆地的显著特征之一是孔店期早期沿区域深大断裂发生持续时间较长，厚度巨大的基性火山岩喷发，在辽河拗陷孔店期的玄武岩层广泛发育于西部凹陷、东部凹陷和大民屯凹陷，火山岩覆盖面积可占凹陷面积的二分之一。呈NE向带状分布，最大厚度在1200m以上。山东潍北凹陷也发育巨厚玄武岩层，玄武岩层中夹薄层深灰色、黑色泥岩、炭质泥岩及薄煤层，反映火山活动时的湖泊及沼泽环境。
裂谷盆地断陷初期的孔店组其下部孔三段以充填式沉积为特征，不整合于上白垩统之上。以冀中坳陷太行山东麓为典型，是一套分选极差的杂色砾岩、砂砾岩及红色砂质泥岩。在黄晔坳陷的沧东断陷带沧东、南皮地区的同期沉积，即孔店组的命名地点为红色砂质、砾质泥岩夹绿色泥岩、砂岩及玄武岩。此套地层未发现化石，属冲积扇、河流至极浅水的湖泊环境。上述两地岩相上的明显差异反映不同级别的主要断裂活动幅度及块断幅度对沉积物性质的控制。从层序地层学的观点分析，孔三段属层序下部的低位体系域。
断陷初期的孔二段，孔店地区为灰黑色泥岩夹砂岩及玄武岩，为含丰富的介形类五图真星介-沼泽拟星介组合的浅湖环境。济阳坳陷的含五图真星介层为灰色泥岩、白云质泥岩夹碳质泥岩、砂岩及含砾砂岩和砾岩。冀中坳陷南部发育蓝灰色的膏泥岩及白云岩，在廊固凹陷桐柏断层下降盘为黑色泥岩及砂砾岩层，是全盆地水体较深的湖区。孔二段分布范围较孔三段广，是层序中部的湖侵体系域，是孔店组中的生油层段。
断陷初期的孔一段为棕红色砂岩、粉砂岩和泥岩夹五层炭质泥岩。在济阳坳陷出现少量硬石膏质泥岩。含火红美星介-美丽金星介化石组合及潜江扁球轮藻。孔一段分布范围比孔二段更广，而湖区范围缩小水体较浅，是冲积扇河流和浅水湖泊环境，是层序中的高位-下降体系域（水退体系域），是孔店组中的重要储集层段。
图5—23 渤海湾盆地古近系孔店组沉积体系分布图
（据CNPC，2000；裘怿楠等，1997）
岩性、岩相、厚度和沉积速率的差异性，反映裂谷盆地早期的分隔性，包括沉降时间。沉降幅度的差异，物源区供给速度的差异和古地形、古气候的差异。
（二）第一断陷期
1.沙四期
孔店末期盆地普遍抬升，孔三段上部出现不同程度的剥蚀，并形成古近系的深层构造，如林樊家构造和孔店构造。
沙四期黄骅坳陷处于隆升状态，沉积范围小。鲁西隆起以北的东营至东濮等断陷群沙四期沉积十分发育。冀中坳陷基本继承孔店期的沉积轮廓。辽河坳陷在经历孔店期的剧烈火山活动后，沉降较晚，普遍缺失沙四段中下部沉积，其中东部凹陷直至沙三期始接受沉积（图5—24）。
图5—24 渤海湾盆地古近系沙四段沉积体系分布图
（据CNPC，2000；裘怿楠等，1997）
沙四段与孔店组不整合接触，与沙三段为连续沉积。在干热气候控制下普遍发育红色沉积、膏盐沉积和碳酸盐沉积。由于构造沉降及物源供给的差异，其旋回性及沉积特征有差别。
代表东营凹陷湖盆中部沉积的沙四段有较明确的三分性，以粗碎屑岩少，膏盐层及碳酸盐岩层多为特征。下部为红色泥岩夹少量砂岩、硬石膏及盐岩，上部为碳酸盐岩及油页岩。下部沉积在凹陷边缘发育粗碎屑的冲积扇与河流沉积，与凹陷内部滨浅湖红色泥质及含膏沉积组成低位体系域，仅含少量轮藻。中部除含轮藻外，还有较多的介形类、腹足类和藻类，是湖侵的标志。晚期由凹陷边缘冲积扇、水下扇、扇三角洲及滨浅湖滩坝，经斜坡及水下隆起的碳酸盐沉积至湖盆中心的泥岩和油页岩，介形类、腹足类丰富，并含超微钙藻和中国技管藻，是明显的湖侵早期体系域。
在其他地区，也同样存在低位体系域和湖侵体系域，但三分性并不明显而表现为二分性。如东濮凹陷和冀中坳陷南部，下部为棕红色泥岩与粉砂岩互层至棕红色夹灰色泥岩；上部为深灰色泥岩、含膏泥岩、粉砂岩夹薄层碳酸盐岩及白云质灰岩。
在冀中坳陷北部沙四段旋回性明显，由粗—细—粗组成。下部为灰白色、红色砂砾岩段，中部为暗色生油泥岩段，上部为暗色泥岩与粉砂岩、细砂岩互层。形成低位期的河流沉积，湖侵期较深湖泥质沉积和浊积沉积，高位期的三角洲沉积。砂质浅滩及礁灰岩见于隆起斜坡。
气候较为润湿的辽河坳陷沙四段上部沉积也是一个普遍湖侵过程，但不具含盐沉积。在最北部的大民屯凹陷沙四段底部为粗碎屑砾岩、砂砾岩及红色、杂色泥岩（冲积扇、低位体系域），继以水进背景下形成的砂砾岩夹湖相泥岩的扇三角洲，此后为稳定浅水油页岩及快速湖侵期的深水厚层质纯暗色泥岩。在西部凹陷北部半封闭的湖湾区，沙四段上部碎屑物供给少，湖水矿化度较高，主要为白云质灰岩、缅灰岩、钙质页岩、泥岩、油页岩夹薄层粉砂岩。在西部凹陷南部的开阔湖区斜坡带为砂岩、砂砾岩与灰色、棕红色泥岩间互的辫状河三角洲沉积，末期物源供给锐减，水体变浅，在三角洲顶部普遍发育灰色泥岩与油页岩、钙质页岩、白云质灰岩薄层间互沉积。
2.沙三期
沙三期渤海湾盆地发生大幅度沉降，沙四段处于隆升状态的黄骅坳陷和辽河东部凹陷此时也接受沉积，渤海海域也见沙三段超覆在前古近纪不同层位之上。济阳坳陷、辽河西部凹陷和大民屯凹陷在沙四段浅湖沉积的背景上快速沉降形成深水湖盆。冀中坳陷的沉降中心在孔店期至沙四期位于西部，沙三期转向东部（图5—25）。
古气候除盆地南部较干热外，大都远较孔店期和沙四期温湿。
沙三段是渤海湾盆地沉积发展的深陷期和主要生油岩发育期，也是决定各凹陷含油气潜力的最重要沉积阶段。大套深水暗色泥岩夹各种类型重力流的砂岩。砂砾岩和砾岩是这个时期的普遍特征。但各地区因断块运动的差异性，物源供给的变化，南北气候环境及内部古地形的不同，故次级旋回性及沉积特征存在差别。
济阳坳陷沙三段有明显三分性，下部为含隐瘤华北介的深灰色、棕褐色泥岩和油页岩，夹少量粉砂岩。中部为含脊刺华北介的深灰色泥岩夹泥灰岩和浅灰色不等粒含砾砂岩。上部为含惠东华北介的灰色含砾砂岩、砂岩夹泥岩和少量碳质泥岩。沉积上，沙三段下部以深湖泥质沉积和水下扇广布为特征，深湖区范围最广；沙三段中部深湖泥质沉积区有所收缩，并发育水下扇、扇三角洲和三角洲沉积；沙三段上部深湖泥质沉积区大大收缩，并以发育三角洲和扇三角洲为主（图5—25）。
辽河坳陷在生物地层上也有相同的三分性，在沉积环境上有其突出特征，最大湖侵期发生于沙三中期，沙三段以水下扇沉积为主（如莲花油层和大凌河油层）及部分扇三角洲沉积。
图5—25 渤海湾盆地古近系沙三段沉积体系分布图
（据CNPC，2000；裘怿楠等，1997）
冀中坳陷沙三段下部为暗色泥岩夹钙质页岩、油页岩和白云岩，中部为灰色泥岩和砂岩呈互层或夹层，上部为灰绿色泥岩与细砂、粉砂岩呈互层或夹层。最大湖侵期为沙三早期，以三角洲沉积为主。
黄骅坳陷的北部物源活跃，由砂岩、砂砾岩段与暗色泥岩形成多个次级旋回，南部为深灰色泥岩夹薄层粒屑灰岩，中部地区以砂泥岩为主，次级旋回性不及北部明显。沉积上北部和中部以水下扇为主，南部以三角洲和滩坝相为主。
渤海湾盆地南部的东濮凹陷在干热气候和内部分隔性复杂的古地形控制下形成多韵律的含盐沉积。由盐岩层、盐膏层、含膏泥岩及钙质页岩、油页岩组成多套盐韵律层及砂泥岩韵律层。上部为灰色泥岩、油页岩与砂岩互层。沉积上以细砂岩、粉砂岩为主，形成轴向三角洲及横向水下扇沉积。
渤海海域除海中隆起缺失外，其他地区均有沙三段分布，由砾岩、砂砾岩、含砾砂岩、砂岩与暗色泥岩组成向上变粗或向上变细的旋回。沉积环境以水下扇、浊流及扇三角洲相为主。
总观渤海湾全盆地，沙三期沉积范围比沙四期扩大和加深，继沙四晚期浅水碳酸盐沉积后，沙三早期出现较普遍的油页岩集中段，代表由沙四段上部浅水碳酸盐沉积与沙三段中下部深湖泥质沉积及水下扇之间的过渡沉积。沙三段上部沉积普遍向浅水和向粗变化的灰绿色泥岩及砂岩、砂砾岩。沙三早中期属于主湖侵期（深水）体系域，沙三晚期属于高位和下降（水退）体系域。沙三晚期在辽河西部凹陷、沾化凹陷和南堡凹陷以扇三角洲和水下扇沉积为主，与沙二段呈明显不整合接触，在东营凹陷沙三段上部高位期以三角洲沉积为主，与上覆沙二段下部的河流三角洲相基本为连续沉积（图5-26）。在东濮凹陷，系统的研究查明，沙四段和沙三段各亚段沉积范围的变化：
（三）第二断陷期
1.沙二期
沙三晚期渤海湾盆地发生普遍抬升，抬升剧烈的沉积区成为剥蚀区，沙三段上部与沙二段呈明显不整合接触，如辽河大民屯凹陷、东部凹陷和西部凹陷北部，黄骅坳陷南部，冀中坳陷北部和西南部。在充填速率大于沉降速率的地区沙三段与沙二段为连续沉积，而沉积环境发生明显变化。如东营凹陷沙二段下部河流三角洲相沉积范围进一步扩大，于沙二晚期大部分地区隆升剥蚀，沙二段下部与沙二段上部为不整合接触。东濮凹陷由沙三段上部湖相转为沙二段下部河流及浅湖相，即沙三晚期至沙二早期抬升运动的强弱及表现形式不完全一致，反映大型断陷盆地不同凹陷构造沉积发育的差异（图5—27）。
辽河坳陷沙二段为肉红色砂砾岩、砂岩夹灰绿、棕红色及灰色泥岩。侧向可相变为生物灰岩、鲕灰岩，向湖方向相变为钙质页岩及深灰色泥岩，含沙二段上部椭圆拱星介组合，不含卵形拱星介及济南星形介沙二段下部组合，故确认类似地层缺失沙二段下亚段，沙二段上部与沙三段上部为不整合接触。冀中坳陷北部廊固凹陷与辽河相似。
东营凹陷沙二段下部与沙三段上部为连续沉积，由灰绿色、深灰色粉砂质泥岩、泥岩夹碳质泥岩组成，含卵形拱星介及济南土形介，沙二段上部为紫红色、灰绿色泥岩和砂砾岩，含椭圆拱星介。
在沾化凹陷的大部分地区缺失沙二段下部，只在凹陷中心渤南沙二段下部为暗色泥岩和白云质、灰质泥岩，仅20m厚。沙二段上部岩性类似沙二段下部，上部出现少量灰绿色和红色泥岩，边缘夹有砂岩或以砂砾岩为主。胜利油田姚益民在沙二段底部发现含惠东华北介的沙三段再沉积灰岩砾岩层，超覆于沙三段中下部之上。类似情况也发现于辽河西部凹陷兴隆台和黄骅坳陷歧口地区。说明沙三段与沙二段之间的不整合是明确的。
图5-26 东营凹陷607连井剖面沉积断面图
（据胜利油田研究院，2000）
图5—27 渤海湾盆地古近系沙二段沉积体系分布图
（据CNPC，2000；裘怿楠等，1997）
东濮凹陷沙二段分布范围较沙三段缩小，下部为河流至滨浅湖相沉积的紫红色、浅棕色砂泥岩，上部出现红色、灰色泥岩夹含膏泥岩的浅湖沉积。沙二段与沙三段大部分地区表现为连续沉积，而沉积环境发生重要变化，由浅湖-半深湖（沙三段）向河流及滨浅湖相转变。含博兴玻璃介和肖庄美星介，不含东营凹陷沙二段下部的卵形拱星介及济南上形介。渤海海域的沙二段的分布范围也较沙三段小，在歧口凹陷为灰色砂岩，含砾砂岩、杂色砾岩夹深灰色泥岩，中上部偶夹薄层油页岩和白云岩，凹陷中心为浅灰色泥岩夹薄层砂岩，也以含椭圆拱星介组合为标志。与沙三段在凹陷中为整合接触，在隆起或斜坡带为不整合接触。
综上所述，渤海湾盆地沙二段与沙三段之间普遍存在不整合，仅在部分凹陷，特别是凹陷中心为连续沉积。因此，沙二段是古近系第三旋回的下部，即第三层序的低位期体系域及湖侵早期体系域，在不同凹陷沙三段下部沉积体系不同，可以是河流和滨浅湖，也可以是扇三角洲和滨浅湖浅滩，也可以是水下扇沉积等。
2.沙一期
沙一期在沙二末期沉积背景上继续稳定沉降和扩张。盆地内部的低隆起此时也接受沉积，如辽河坳陷大民屯凹陷与东部凹陷间的狭窄低隆起位于湖水之下，三个凹陷水域相通。在冀中坳陷沙一段的碳酸盐沉积也发现于太行山麓的北京凹陷和河北曲阳县灵山镇（图5-28）。
沙一期气候湿润，湖泊水体有一定含盐度，沉积物以普遍碳酸盐岩为特征。
沙一段是古近系第三旋回层的最大湖侵期。地层发育有二分性，也有三分性。
东营凹陷沙一段下部为深灰色、灰绿色泥岩夹生物灰岩和白云岩，含明亮丽星介；中部为深灰色泥岩夹生物灰岩、针孔状藻白云岩和白云岩，含惠民小豆介；上部为灰绿、褐灰色泥岩夹豆状砂岩，含光亮西营介和李家广北介。即中下亚段为特殊岩性集中的浅湖沉积，上亚段为滨浅湖泥质沉积，夹分选良好的河口坝砂层。与下伏沙二段上部，上覆东营组为连续沉积。沾化凹陷沙一段为大套油页岩及生物礁。
黄骅坳陷沙一段广泛超覆在不同层位之上。在中北部地区，沙一段下部为中细砂岩及含砾砂岩与深灰、灰绿色泥岩组成的四个水进小旋回层；南部地区由粒屑灰岩、泥晶灰岩、白云岩、钙质页岩、油页岩和泥岩组成。上段为深灰色泥岩。
冀中坳陷沙一段下部为灰色泥岩、油页岩、钙质页岩、泥灰岩及生物灰岩段。上部为紫色泥岩夹砂岩。
辽河坳陷沙一段下部特殊岩性段与沙二段呈连续沉积，在西部凹陷斜坡带沙一段砂岩与下伏沙三段泥岩段或砂岩段不整合接触。在东部凹陷及大民屯凹陷与沙三段上部炭质泥岩集中段不整合接触。
东濮凹陷沙一段下部为灰白色盐岩、石膏与泥岩、碳酸盐岩组成的韵律层。上部由灰色、灰色泥岩及碳酸盐岩组成。
渤海海域沙一段基本由深灰色泥岩、灰褐色油页岩、钙质页岩、泥灰岩、白云岩和生物碎屑灰岩等组成特殊岩性段的碳酸盐台坪沉积。
层序地层特征上，在边缘地区，沙一段超覆在不同层位之上，或与沙三段上部呈不整合并以浅水碳酸盐沉积的广泛分布作为古近系第三层序湖侵体系域的突出特征。
3.东营期
东营期渤海湾裂谷盆地处于最后一个演化阶段，抬升与收缩阶段，沉降沉积中心向渤中坳陷转移。气候较为湿润。边缘物源区的水系也较为发育，向湖盆输入大量碎屑物质，是河流三角洲沉积广泛发育阶段。在盆地边缘，东营组与沙一段有局部不整合接触，如辽河坳陷北部（图5-29）。
东营组在渤海海域是分布最广的一个组，与下伏沙一段为连续沉积，在凸起和斜坡地带层层向上超覆。渤中地区厚度大于2000m。下段为大段灰、深灰、灰褐色泥岩夹少量薄层砂岩，化石丰富，为浅湖和深湖环境，是渤海湾盆地东营期的沉降沉积中心；上段为砂岩、含砾砂岩与灰绿色、紫红色泥岩互层，滨浅湖及河流三角洲沉积。
图5—28 渤海湾盆地古近系沙一段沉积体系分布图
（据CNPC，2000；裘怿楠等，1997）
黄骅坳陷东营组与沙一段为连续沉积，下部为灰色、绿灰色泥岩与砂岩互层，中部为泥岩夹砂岩，上部为灰绿、灰褐至紫红色砂岩、中细砂岩与砂砾岩。
济阳坳陷东营组与沙一段连续沉积，下部为暗色泥岩夹粉砂岩及少量薄层白云质灰岩；中部为深灰、灰绿色泥岩夹薄层粉砂岩，其下有多层白云质灰岩；上部泥岩为灰绿色及紫红色，其下为含砾砂岩。
图5—29 渤海湾盆地古近系东营组沉积体系分布图
（据CNPC，2000；裘怿楠等，1997）
辽河西部凹陷南部东营组为一向上变粗变浅的反旋回沉积，其下部为大段深灰色泥岩，与沙一段连续沉积，向北至凹陷中部为砂泥岩互层夹炭质泥岩，凹陷北部出现大套紫红及灰绿色泥岩与砂岩、砂砾岩互层。反映凹陷北部抬升，南部沉降，水域范围明显收缩，在凹陷北部呈退覆式沉积。
冀中坳陷东营组为一粗—细—粗，红—灰绿—红的完整旋回。下部为紫红色泥岩与砂岩不等厚互层；中部为灰绿色泥岩夹薄层砂岩，含碳质泥岩，局部夹油页岩；上部为紫红色泥岩与砂岩互层。在坝县饶阳凹陷与沙一段为连续沉积，在构造带及凸起顶部为不整合接触。
综上所述，就盆地整体而言，东营组与沙一段连续沉积，呈反旋回特征，是古近系第三层序的高位及水退体系域，由半深湖-浅湖-三角洲-河流及冲积扇沉积组成；位于盆地边缘和凸起顶部，东营组与沙一段呈局部不整合接触，并形成粗—细—粗的次级旋回。这些地区沙二段至东营组可以划分出低位体系域 湖侵体系域（沙二段至沙一段）和低位体系域-湖侵体系域-高位、水退体系域（东营组三段至一段）。
（四）盆地坳陷阶段
新近纪和第四纪渤海湾盆地整体沉降，发育洪泛平原和河流相较粗的砂泥岩不等厚互层沉积，为盆地坳陷阶段沉积。
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