烏爾遜凹陷反向斷層及與油氣的關(guān)系

應(yīng)丹琳 潘 懋 李忠權(quán) 陳均亮

（1.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京100871；2.中國石油 西南油氣田分公司 勘探開發(fā)研究院，成都610051；3.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059）

反向斷層（antithetic faults）為斷層面傾向與巖層傾向相反的階梯狀正斷層，又稱抬斜斷塊。大多數(shù)油氣富集于反向正斷層的上升盤斷塊中，形成多層系油藏的疊合?？ㄘ愌┓颍?971）對世界上14個(gè)含油氣區(qū)的150個(gè)區(qū)域性單斜層上的構(gòu)造遮擋油氣田作了統(tǒng)計(jì)和研究，發(fā)現(xiàn)其中處于反向正斷層上升盤的有105個(gè)，占70%；處于同向正斷層下降盤的有37個(gè)，占25%。斷層面傾向與巖層傾向相反的反向斷層是伸展盆地中廣泛發(fā)育的一類斷層，斜坡地帶上的反向斷層更有利于油氣聚集。由于反向斷層與油氣成藏有著較為密切的關(guān)系，近些年來在伸展盆地的油氣勘探中越來越受到重視。張之一等[1]（1994）、王鵬等[2]（2004）從運(yùn)動(dòng)學(xué)成因上將反向斷層的形成分為5種；譙漢生等[3]（1999）、張忠濤等[4]（2010）認(rèn)為反向斷層往往能形成良好的上封側(cè)堵型斷塊圈閉；鄒丙方等[5]（1999）、李家康[6]（2001）、王鵬等[2]（2004）、沈華等[7]（2005）認(rèn)為反向斷層控制了油氣運(yùn)移和聚集。

烏爾遜凹陷為海拉爾盆地15個(gè)凹陷之一。海拉爾盆地經(jīng)歷了多期強(qiáng)烈斷裂變形，形成了一系列與地層傾向相反的反向斷層。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

海拉爾盆地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾盟境內(nèi)，面積為44 210km2。古生界位于華北微大陸與西伯利亞次大陸之間的興－蒙洋位置上。由于興－蒙洋不斷地后退式消減，原興－蒙洋內(nèi)的中間地塊和西伯利亞的拼貼而不斷地向南增生和擴(kuò)大[8]。早二疊世末，華北板塊和西伯利亞板塊碰撞過程中，在歐亞板塊中形成了規(guī)模宏大的近東西向弧形構(gòu)造帶，海拉爾盆地就位于上述弧形構(gòu)造帶的東翼中段[9，10]。因此，海拉爾盆地為疊置在海西褶皺基底上的中—新生代斷陷盆地[11]。海拉爾盆地具有隆拗相間的構(gòu)造特征，自西向東依次為扎賚諾爾拗陷、嵯崗隆起、貝爾湖拗陷、巴彥山隆起和呼和湖拗陷。烏爾遜凹陷的基底主要為布達(dá)特群及海西—印支期花崗巖，凹陷內(nèi)充填侏羅系、白堊系以及第三系、第四系。白堊系為凹陷內(nèi)主體沉積，從下至上為：銅缽廟組（K1t）、南屯組（K1n）、大磨拐河組（K1d）、伊敏組（K1y）以及青元崗組（K2qy）。凹陷的發(fā)育具有建造與改造交互作用的特點(diǎn)，建造過程中經(jīng)歷了初始張裂階段、斷陷階段、拗陷階段和萎縮階段[12]，同時(shí)也經(jīng)歷了南屯組末期張扭變形期、伊敏組末期張扭變形期和青元崗末期反轉(zhuǎn)變形期。烏爾遜凹陷受近南北向的烏西斷裂控制，為一典型的西斷東超箕狀斷陷。在銅缽廟組和南屯組沉積時(shí)期斷層活動(dòng)量最大，大磨拐河組和伊敏組沉積過程中斷裂活動(dòng)性表現(xiàn)出逐漸減弱的趨勢（圖1）。

2 烏爾遜凹陷斷裂變形特征

海拉爾盆地主要經(jīng)歷了5個(gè)形成期（初始張裂期、斷陷期、斷拗期、拗陷期和萎縮期）和3個(gè)改造期（南屯組沉積末張扭變形期、伊敏組沉積末張扭變形期和青元崗組沉積末反轉(zhuǎn)變形期）[12]。海拉爾盆地在5個(gè)形成期斷裂活動(dòng)規(guī)模大，但數(shù)量很少；而3個(gè)改造期的斷裂活動(dòng)規(guī)模和數(shù)量都相對較大。初始張裂期、拗陷期和萎縮期幾乎不發(fā)育同沉積斷層，斷陷期烏爾遜凹陷主要發(fā)育北東向的烏西控陷斷層、北東東向的蘇仁諾爾和北西西向的巴彥塔拉轉(zhuǎn)換斷層[13]。銅缽廟組沉積時(shí)期，火山活動(dòng)雖然趨于停止，但斷裂仍在強(qiáng)烈活動(dòng)，該期烏爾遜凹陷拉張率為27.36%，側(cè)向拉張量為5.5km；同時(shí)發(fā)育了烏西基底深大斷裂，烏西斷裂斷面寬緩，水平斷距達(dá)14km，最大沉積厚度超過2.5km。經(jīng)過早期強(qiáng)烈拉張之后，南屯組沉積時(shí)拉張強(qiáng)度明顯減弱，最大沉積厚度在2km內(nèi)。南屯組沉積時(shí)期，斷陷結(jié)構(gòu)也與銅缽廟組沉積時(shí)期相似，為斷陷發(fā)育的擴(kuò)張期。斷拗期主要發(fā)育近南北向的控凹斷層。海拉爾盆地?cái)嗔炎冃沃饕l(fā)生在3個(gè)改造期，南屯組沉積末期張扭變形過程中，以北東向和北西向斷裂為主；伊敏組沉積末期以近南北向、北北東向、北北西向斷裂為主；青元崗組沉積末期在北西－南東向擠壓應(yīng)力作用下，北東、北東東向斷層發(fā)生反轉(zhuǎn)[13，14]。在地震剖面上南屯組頂面反射T22和伊敏組頂面反射T4為大量斷層的終止面，T22和T4上下為2套明顯不同的斷裂系統(tǒng)（圖2）。

圖1 海拉爾盆地烏爾遜凹陷綜合地質(zhì)圖Fig.1 The comprehensive geologic map in the Wuerxun depression of the Hailaer basin

圖2 烏爾遜凹陷烏北地區(qū)地震剖面解釋圖（line 550）Fig.2 The interpretation of the seismic profile in the north region of the Wuerxun depression

圖3 烏爾遜凹陷典型剖面伸展率直方圖Fig.3 The extensibility histograms of the typical profiles in the Wuerxun depression

從各區(qū)域地質(zhì)剖面的伸展率（圖3）分布可以得知，整個(gè)烏爾遜凹陷在銅缽廟組、南屯組沉積末期、伊敏組沉積末期以及青元崗組時(shí)期均具有較大的變形強(qiáng)度，為斷裂的主要活動(dòng)時(shí)期。在不同的沉積時(shí)期，不同地區(qū)的伸展變形強(qiáng)度有一定差異。在銅缽廟組沉積過程中，烏南和巴彥塔拉地區(qū)的伸展強(qiáng)度較大，烏北地區(qū)的相對要小，反映盆地初始裂陷階段主要發(fā)生在烏南和巴彥塔拉地區(qū)。在南屯組沉積末期，烏北、烏南、巴彥塔拉典型剖面的伸展率和伸展速率均較大，反映烏爾遜凹陷該時(shí)期全區(qū)發(fā)生大規(guī)模的斷裂變形。大磨拐河組－伊敏組第一段（簡稱“伊一段”）沉積時(shí)期，全區(qū)伸展變形強(qiáng)度均較小，反映盆地經(jīng)過了大磨拐河組時(shí)期的斷拗轉(zhuǎn)化后進(jìn)入拗陷的演化階段。伊敏組沉積末期，全區(qū)再一次發(fā)生大規(guī)模的斷裂活動(dòng)，在斷裂張扭變形的作用下使活動(dòng)的斷層發(fā)生較大的水平位移，因而具有較大的伸展率。青元崗組時(shí)期，反轉(zhuǎn)區(qū)域應(yīng)力場作用使斷裂主要發(fā)生擠壓構(gòu)造變形；另外，在地層發(fā)生褶皺反轉(zhuǎn)過程中，也增加了邊界斷層的正向滑動(dòng)位移，部分?jǐn)鄬泳哂猩煺刮灰屏俊?/p>

3 反向斷層的分類及分布特征

反向斷層為斷層面傾向與巖層傾向相反的階梯狀正斷層，又稱抬斜斷塊。斷層面傾向與巖層傾向相反的反向斷層是伸展盆地中廣泛發(fā)育的一類斷層，與油氣成藏有著較為密切的關(guān)系。夾持在反向正斷層之間的斷塊稱抬斜斷塊（或掀斜斷塊、翹傾斷塊）。反向正斷層的上升盤由于斷層面和上升盤巖層的傾向相反，因而上升盤地層在斷面附近形成具有良好圈閉條件的高部位。由于這種圈閉在剖面上形似“屋脊”，因此常稱為“屋脊斷塊”。

海拉爾盆地烏爾遜凹陷經(jīng)歷了早期（銅缽廟組沉積時(shí)期）的斷裂活動(dòng)、中期（南屯組沉積末期）強(qiáng)烈的斷裂變形和晚期（伊敏組沉積末期）強(qiáng)烈的斷裂變形，形成一系列與地層傾向相反的反向斷層。根據(jù)不同時(shí)期斷裂活動(dòng)及疊加特征，將烏爾遜凹陷反向斷層分為6種：早期（K1t）、早中晚期（K1t＋ K1n＋ K1y）、早中期（K1t＋ K1n）、中期（K1n）、中晚期（K1n＋ K1y）、晚期（K1y）反向斷層（圖4）。

早期（K1t）反向斷層在銅缽廟組沉積時(shí)期發(fā)育。從剖面上可以看到，該類斷層一般斷穿基底，終止于T3地震反射層。在烏爾遜凹陷該類反向斷層數(shù)量和規(guī)模較小，在平面上，早期反向斷層主要分布在烏南地區(qū)。

早中晚期（K1t＋K1n＋ K1y）反向斷層在銅缽廟組沉積時(shí)期發(fā)育，南屯組沉積末期和伊敏組沉積末期再次活動(dòng)。從剖面上可以看到，南屯組下伏地層斷距明顯大于上部地層斷距，即銅缽廟組第一段的斷距大于銅缽廟組第二段，銅缽廟組第二段斷距又大于南屯組斷距，這說明該反向斷層在早期活動(dòng)；銅缽廟組第二段的斷距大于南屯組的斷距，說明該斷層在中期再次活動(dòng)。伊敏組第二、第三段（簡稱“伊二三段”）斷距明顯大于伊一段斷距，伊一段斷距又大于大磨拐河組的斷距，淺層斷距向下變小的特征說明該反向斷層在伊敏組沉積末期再次活動(dòng)，所以該類斷層為早中晚期反向斷裂系統(tǒng)。在平面上，早中晚期反向斷層主要分布在東北部及東南部，在烏北的蘇29、海參4及烏南的烏40井附近。

早中期（K1t＋K1n）反向斷層為銅缽廟組沉積時(shí)期形成，南屯組沉積末期再次活動(dòng)。從剖面上可以看到，銅缽廟組斷距明顯大于南屯組，即銅缽廟組沉積時(shí)斷層活動(dòng)，所以該類斷層屬于早中期反向斷裂系統(tǒng)。在平面上早中期斷裂主要分布在烏北的北部及烏南的東南部。

圖4 烏爾遜凹陷反向斷層地震剖面解釋圖（烏南line475）Fig.4 The interpretation of the seismic profile on the antithetic faults in the Wuerxun depression

中期（K1n）反向斷層為南屯組沉積末期形成。從剖面上可以看到，下伏地層的斷距與南屯組的斷距基本相同或者南屯組的斷距明顯大于下伏地層的斷距，這一類斷層屬于中期反向斷層。由于南屯組沉積末期斷裂變形強(qiáng)烈，該類斷層最為發(fā)育，數(shù)量最多。在平面上分布范圍比較廣，烏北地區(qū)廣泛發(fā)育，在烏南地區(qū)主要在東南部的烏53井與烏59井之間呈條帶狀分布。

中晚期（K1t＋K1y）反向斷層為南屯組沉積末期形成，伊敏組沉積末期再次活動(dòng)。從剖面上可以看到，南屯組的斷距大于下伏地層的斷距，并且大磨拐河組沉積時(shí)期斷層活動(dòng)微弱，說明斷層形成于南屯組沉積末期；伊二三段的斷距大于伊一段，也明顯大于大磨拐河組的斷距，說明此斷層在伊敏組沉積末期再次活動(dòng)：所以該類斷層屬于中晚期反向斷裂系統(tǒng)。在平面上，中晚期反向斷層主要在烏南的東南部比較發(fā)育，烏北基本不發(fā)育。

晚期（K1y）反向斷層為伊敏組沉積末期形成。從剖面上可以看到，下伏地層的斷距明顯變小或者與伊二三段的斷距基本相同，所以此類斷層只在晚期才活動(dòng)，屬于晚期反向斷裂系統(tǒng)。在平面上晚期反向斷層在烏北地區(qū)很少發(fā)育，在烏南地區(qū)主要分布在東南部（圖5－A，B）。大磨拐河組只發(fā)育晚期型和早中晚期型反向斷層，晚期型為主（圖5－C）。

4 烏爾遜凹陷反向斷層對油氣的控制作用

圖5 烏爾遜凹陷反向斷層與油氣關(guān)系圖Fig.5 The charts of the relationships between antithetic fault and hydrocarbon of the Wuerxun depression

通過烏爾遜凹陷的沉積埋藏史和熱史分析，可以確定出烏爾遜凹陷的油氣充注成藏的時(shí)間分別為125～110Ma B.P.和90～100Ma B.P.，即伊敏組沉積早期和伊敏組沉積晚期，并以伊敏組沉積晚期的充注為主[15]。海拉爾盆地烏爾遜凹陷反向斷層形成于銅缽廟組沉積時(shí)期、南屯組沉積末期和伊敏組沉積末期，因此，早期（銅缽廟組沉積時(shí)期和南屯組沉積末期）及同期（伊敏組沉積末期）形成的反向斷塊更有利于油氣運(yùn)聚。由于反向正斷層面和上升盤巖層的傾向相反，因而上升盤地層在斷面附近形成具有良好圈閉條件的高部位。正斷層的封閉性主要受斷層兩側(cè)的巖性組合關(guān)系制約，兩側(cè)都為非滲透性巖層時(shí)斷層起封閉作用，否則地層流體壓力很容易超過斷層破碎帶壓力而形成泄流帶，地層流體也可能越過斷層破碎帶繼續(xù)沿儲(chǔ)集層向上傾方向運(yùn)移。大套的上細(xì)下粗的儲(chǔ)蓋組合特點(diǎn)決定了在斷層傾向與斷塊地層傾向相反時(shí)（即反向斷層），由于上升盤南屯組粗碎屑與下降盤的大磨拐河組泥巖對置，同時(shí)，下降盤的大磨拐河組泥巖在斷層活動(dòng)時(shí)也易于形成高封堵性的斷層泥，直接與南屯組儲(chǔ)集層接合，因此，反向斷層上升盤儲(chǔ)集層能夠形成良好的上封側(cè)堵型斷塊圈閉；而斷層與地層傾向相同時(shí)，上升盤不易聚集油氣，往往為油氣沿斜坡運(yùn)移的通道，下降盤南屯組粗碎屑與上升盤的銅缽廟組粗碎屑對置，同時(shí)斷層兩巖盤相互錯(cuò)動(dòng)時(shí)為粗碎屑間的滑動(dòng)，也不易形成高封堵性的斷層泥，則不能形成側(cè)堵型斷塊圈閉。反向正斷層發(fā)育在斜坡地帶，與生油洼陷相鄰，當(dāng)深凹陷的油氣由凹陷中央向斜坡運(yùn)移時(shí)，反向正斷層則首先獲得油氣；其次當(dāng)反向斷層開啟時(shí)，可作為油氣運(yùn)移通道；若斷層是封閉的，可以對油氣起到聚集的效果。反向正斷層對油氣聚集的影響主要有3個(gè)方面：控制油氣聚集程度、控制油氣聚集層位、控制油氣聚集部位。烏南地區(qū)烏112－102井所在的反向斷層上升盤銅缽廟組油藏發(fā)育就說明了這一特點(diǎn)（圖6）。

海拉爾盆地現(xiàn)今的油氣勘探表明，烏爾遜凹陷的油氣分布受反向斷層的控制。銅缽廟組油層組的烏33井區(qū)位于反向斷層的上升盤，油田東側(cè)邊界為早中晚期型反向斷層，烏27井區(qū)西北側(cè)和西側(cè)邊界均為反向斷層，烏27井區(qū)東側(cè)邊界為順傾斷層，從地震剖面上可以看出烏27井區(qū)直接受控于東西兩側(cè)對傾斷層所形成的滑脫構(gòu)造。在烏北銅缽廟組油層組發(fā)現(xiàn)了蘇1井區(qū)油田和蘇6井區(qū)氣田，蘇1井區(qū)的南側(cè)和東側(cè)均以反向斷層為邊界，其中蘇1井區(qū)的南側(cè)反向斷層為早中晚期型，蘇6井區(qū)氣田東側(cè)以北北東向的反向斷層為邊界。蘇1井區(qū)油田和蘇6井區(qū)氣田均位于反向斷層的上升盤。蘇1井區(qū)南側(cè)北東東向的蘇仁諾爾反向斷層與烏爾遜凹陷北北東向和北東向的反向斷層在剖面上表現(xiàn)形式不同，蘇仁諾爾斷層只是相對下盤而言為反向斷層，即上升盤的地層傾向與蘇仁諾爾斷層面傾向相反，而下降盤地層傾向與斷面傾向相同。北東向和北北東向大部分?jǐn)鄬訜o論是上盤地層傾向，還是下盤地層傾向，均與斷層面傾向相反（圖5－A）。

南屯組油氣田同樣受反向斷層的控制，如烏北蘇1井區(qū)油田和蘇11井區(qū)油田以及蘇302井區(qū)氣田均位于反向斷層的上升盤，其中蘇1井區(qū)的南側(cè)反向斷層為早中晚期型。烏南烏134－85井區(qū)和烏51井區(qū)油田均位于早中晚期型反向斷層的上升盤（圖5－B）。大磨拐河組油氣受反向斷層的控制作用較明顯，如烏北有7口獲得工業(yè)油流探井，蘇1、蘇29－45、蘇17、蘇6、烏8和蘇3井位于反向斷層的上升盤，只有1口探井與反向斷層無關(guān)，烏5井獲得工業(yè)油流探井，烏16、烏32和烏39－1井位于反向斷層的上升盤，1口探井位于反向斷層的下降盤（圖5－C）。

圖6 烏112－88—烏112－96—烏112－102—烏120－108井銅缽廟組油藏剖面圖Fig.6 Reservoir section map of Tongbomiao Formation

5 結(jié)論

a.烏爾遜凹陷反向斷層按斷裂活動(dòng)期次可分為：早晚期、早中晚期、早中期、晚期、中晚期、中期6種類型。

b.烏爾遜凹陷的反向斷層控制了油氣運(yùn)移與聚集，反向斷層的上升盤所形成的圈閉最有利于捕獲油氣，可作為重點(diǎn)勘探目標(biāo)。

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