海拉爾盆地碎屑巖地層斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)及斷層封閉性

王盛波

（成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610051）

0 引言

斷層封閉性研究是油氣勘探中重要的環(huán)節(jié)［1-3］，有關(guān)研究主要表現(xiàn)在4方面：（1）明確斷層封閉類型：一是對接封閉［4］；二是斷層巖封閉（包括碎裂巖、層狀硅酸鹽—框架斷層巖和泥巖涂抹）［1，3，5-8］；三是膠結(jié)封閉.（2）提出評價斷層側(cè)向封閉性的兩種圖解——Knipe圖解和Allan圖解［5，9］；（3）斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為斷層核和破碎帶的二分性［10-13］，斷層核由滑動面和不同類型的斷層巖組成，斷層巖泥質(zhì)含量決定斷層的側(cè)向封閉能力，提出SSF、CSP、CSF、SGR和ESGR等斷裂帶泥質(zhì)含量的預(yù)測方法［1，14-15］；（4）建立斷層封閉的烴柱高度與SGR關(guān)系［16］，實現(xiàn)對斷層側(cè)向封閉性的定量評價，預(yù)測斷層圈閉的風(fēng)險性，有利指導(dǎo)勘探部署.目前，斷層封閉性研究存在問題：（1）斷層幾何學(xué)特征呈現(xiàn)出分形特征，斷層空間結(jié)構(gòu)特別是圍繞大斷層周圍的亞地震斷層極大影響斷層封閉性評價結(jié)果，亞地震斷層缺乏有效的識別手段［5］；（2）斷裂帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，斷層核和破碎帶二分結(jié)構(gòu)很難代表全部的斷層，特別是破碎帶的發(fā)育程度對斷層封閉性的影響有待深入［7］；（3）影響斷層側(cè)向封閉性的因素很多，確定性因素包括斷裂帶結(jié)構(gòu)、斷層核中泥質(zhì)含量、埋藏史與斷裂變形史之間的關(guān)系、斷層再活動、斷移地層巖石力學(xué)特征和膠結(jié)作用等，不確定性因素包括應(yīng)力狀態(tài)、斷面壓力等，對斷層封閉性的影響機理不清楚，更重要的是缺乏綜合考慮不確定因素的評價方法；（4）斷層封閉性評價研究集中在砂泥巖互層地層中，斷層性質(zhì)基本為張性正斷層，而對碳酸鹽區(qū)、逆斷層和走滑斷層封閉性評價缺乏認(rèn)識.

斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)刻畫不清，不同類型的盆地斷層性質(zhì)不同、斷移地層巖性不同、斷層活動規(guī)律不同，導(dǎo)致斷層帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，斷層封閉性的影響因素不同.筆者以海拉爾盆地為研究對象，根據(jù)斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析不同類型、不同級次、不同層位斷層側(cè)向封閉類型，特別是泥巖蓋層內(nèi)斷裂帶結(jié)構(gòu)，為海拉爾盆地普遍存在的斷層圈閉封閉性評價提供指導(dǎo).

1 盆地及斷裂演化史

海拉爾盆地古生代位于西伯利亞次大陸與華北微大陸之間的興—蒙洋位置上，受控于近東西向壓性構(gòu)造體系的控制.侏羅紀(jì)—早白堊世構(gòu)造體制發(fā)生明顯的改變，由于巖石圈拆沉，地幔隆起，構(gòu)造格局發(fā)生質(zhì)的改變，從前期的壓性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為張性狀態(tài)，裂陷盆地開始發(fā)育［17］.因此，海拉爾盆地為海西褶皺基底上發(fā)育的晚中生代—古近紀(jì)斷—拗陷盆地，早白堊世的發(fā)育明顯受北東向斷裂控制而出現(xiàn)“兩隆三拗”的構(gòu)造格局［18］.海拉爾盆地發(fā)育三大構(gòu)造層（見圖1）：斷陷構(gòu)造層（銅缽廟組—南屯組）、斷—拗構(gòu)造層（大磨拐河組—伊敏組）和拗陷構(gòu)造層（青元崗組—更新統(tǒng)—全新統(tǒng)）.斷陷期末有過局部抬升，形成蘇德爾特潛山帶.伊敏組末期盆地大規(guī)?；胤?，整體抬升.之后進入拗陷階段，古近紀(jì)末期為盆地又一次重要的反轉(zhuǎn)期.受到基底破碎和晚期構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用，在海拉爾盆地形成復(fù)雜的斷裂系統(tǒng).根據(jù)盆地演化規(guī)律，海拉爾盆地斷裂可以分為二類五型：一是盆地的基底斷裂，均為正斷層，盆地發(fā)育期常演化為控陷的主干邊界斷層；二是盆地蓋層斷裂.根據(jù)活動時期和變形特征，分為早期（銅缽廟組—南屯組）伸展斷裂系統(tǒng)、中期（伊敏組末期）張扭斷裂系統(tǒng)、早期伸展—中期張扭斷裂系統(tǒng)、中期張扭—晚期反轉(zhuǎn)斷裂系統(tǒng)和早期伸展—中期張扭—晚期（青元崗組末期）反轉(zhuǎn)斷裂系統(tǒng)（見圖1和圖2）.

2 斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)

斷層的形成源于裂縫的遞進發(fā)展，伴隨地震活動變形，斷距逐漸累積而增大，由于受到應(yīng)變硬化作用，新的活動面并不追蹤古老的滑動面，每次地震活動變形均造成斷裂帶寬度增大.因此，斷層并非是一個簡單的面，而是一個長度、寬度與斷距成正比關(guān)系的斷裂帶.斷裂帶（Fault zone）結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為二分性［10-13，19-21］：斷層核（Fault core）和破碎帶（Damage zone），斷層核吸收斷層大部分位移，由滑動面（Slip surface）和多種類型斷層巖（Fault rock）構(gòu)成［22］；破碎帶為與斷層形成統(tǒng)一應(yīng)力場和活動派生應(yīng)力場中形成的大量裂縫切割圍巖部分，因此具有比圍巖更高的滲透性.如果不考慮膠結(jié)作用，斷層核滲透性往往比破碎帶低得多［12，14，23-24］，斷層核表現(xiàn)為特低孔特低滲特征，大量裂縫發(fā)育引起破碎帶滲透性大大提高.由于斷裂性質(zhì)、活動規(guī)律及斷移地層巖石力學(xué)特征不同，不同類型的斷層斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，有的只發(fā)育斷層核，有的只發(fā)育破碎帶，有的二分結(jié)構(gòu)清楚.

2.1 致密儲層斷層角礫巖結(jié)構(gòu)

貝38-1井布達特群內(nèi)部系列斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征：貝38-1井布達特群（2 521.20～2 529.2m）巖性主要為灰黑色砂巖和泥巖互層，發(fā)現(xiàn)多個十幾厘米—幾米寬度不等的斷裂帶（見圖3），斷裂帶由斷層核和破碎帶構(gòu)成（見圖3圖版1），斷層核主要由斷層角礫巖構(gòu)成（見圖3圖版1和3），后期被方解石和石英膠結(jié)，在斷層核內(nèi)的溶洞見晶粒完整粗大的自生方解石（見圖3圖版4）.破碎帶內(nèi)裂縫發(fā)育，將圍巖切割破碎（見圖3圖版1和2），但裂縫多為膠結(jié)物所充填；根據(jù)裂縫切割關(guān)系（見圖4圖版2），破碎帶為多期形成，早期充填石英，晚期充填方解石（見圖3圖版2）.根據(jù)貝38-1井?dāng)嗔褞?nèi)部結(jié)構(gòu)，盡管斷裂帶二分結(jié)構(gòu)清晰，但普遍被膠結(jié)物充填，斷層側(cè)向封閉機理多為膠結(jié)封閉.

2.2 泥質(zhì)巖蓋層涂抹結(jié)構(gòu)

泥巖涂抹的連續(xù)性受控于斷距與泥巖厚度的比率（SSF）［15，25-29］，F(xiàn)aerseth R B認(rèn)為小規(guī)模斷層（斷距小于15m），即亞地震斷層（Subseismic fault），泥巖涂抹保持連續(xù)SSF變化范圍為1～50，通常泥巖層厚度為幾毫米～10厘米，斷距為幾分米～4厘米［25，30-32］.對于規(guī)模較大的斷層（斷距大于15m），泥巖涂抹保持連續(xù)的臨界值較小，SSF一般為4-8［6，15，26-27，30］.Takahashi M 通過高溫高壓物理模擬研究表明，當(dāng)有效正應(yīng)力為30MPa，SSF大于4.9時，粉砂巖涂抹失去連續(xù)性；當(dāng)有效應(yīng)力為40MPa，SSF大于6.6時，粉砂巖涂抹失去連續(xù)性［28］.因此，隨著埋深增加，相同泥巖涂抹越發(fā)育，越容易保持連續(xù)性.免渡河—扎敦河林場公路10km處南平組淺灰色粉砂巖和灰黑色粉砂質(zhì)泥巖互層地層中發(fā)現(xiàn)斷距約為40cm小型正斷層（F4），上盤伴生20cm小型逆斷層（F5），斷裂帶寬度為15～20cm（見圖4圖版1）.

2.3 泥質(zhì)巖蓋層斷層泥結(jié)構(gòu)

盆地抬升過程形成斷裂，由于應(yīng)力松弛和卸載作用影響，泥巖塑性強度變差，剪切型泥巖涂抹不發(fā)育，斷層常常切割蓋層.發(fā)育在海拉爾盆地靈泉煤礦伊敏組上部的張性正斷層，切割黑色煤層和灰白色粉砂質(zhì)泥巖互層，斷距為40～50m，斷裂帶寬度為5～25cm不等.斷裂帶填充物松散，為來自兩盤圍巖的混合物，主要依據(jù)：（1）斷裂帶填充物成分主要為煤和泥巖的混合物，除了構(gòu)造透鏡體發(fā)育的地方（見圖5圖版3），斷裂帶填充物成分總體表現(xiàn)為煤多于泥.（2）斷裂帶填充物顏色介于黑色煤層與灰白色粉砂質(zhì)泥巖之間，總體為深灰色（見圖5圖版2），反映斷裂帶填充物為煤和泥巖的混合；（3）在斷裂上部粉砂質(zhì)泥巖與粉砂質(zhì)泥巖對接的部位（見圖5圖版4），斷裂帶內(nèi)部填充物顏色為灰黑色（見圖5圖版5），表明斷裂上盤煤層滑過該點時卷入斷裂帶內(nèi)部.

3 斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)模式及封閉性

與油氣垂向運移有關(guān)的斷裂系統(tǒng)包括三類：一是早期伸展—中期張扭—晚期反轉(zhuǎn)斷裂系統(tǒng)，即正反轉(zhuǎn)斷層，從基底斷至青元崗組，控制烏爾遜蘇仁諾爾和貝爾凹陷霍多莫爾大磨拐河組一段油藏形成（見圖6）.這類斷裂后期反轉(zhuǎn)再活動，通常破壞早期的封閉條件，在早期形成的碎裂巖或泥巖涂抹中產(chǎn)生大量裂縫，造成油氣垂向運移.

二是早期伸展—中期張扭—晚期反轉(zhuǎn)活動的斷裂系統(tǒng)，即反轉(zhuǎn)期再活動的正斷層.這類斷層反轉(zhuǎn)程度較低，表現(xiàn)為正斷層，如貝爾凹陷貝中希58-64、南貝爾凹陷21-69油藏、塔南凹陷19-69和19-78大磨拐河組二段油藏.選擇塔南凹陷中西部構(gòu)造帶斷層遮擋油藏作為重點研究對象，分析斷層成為油氣垂向運移通道的條件.該區(qū)為反向斷層控制的斷層遮擋型油藏，大部分油聚集在南屯組一段，只有F1、F9和F19控制的斷層圈閉在大磨拐河組二段富含原油，南二段和大磨拐河組一段構(gòu)成一套厚度較大的蓋層，導(dǎo)致斷裂在蓋層段上下分段擴展，形成剪切型泥巖涂抹，計算每條斷層SSF，控制南一段油藏的斷裂為早期伸展斷裂系統(tǒng)和早期伸展中期張扭斷裂系統(tǒng)，在蓋層段SSF小于5，控制大二段油藏的斷裂為早期伸展—中期張扭反轉(zhuǎn)期活動的斷裂系統(tǒng)，在蓋層段SSF大于5，但一般不超過6；因此，當(dāng)SSF大于5時，泥巖涂抹失去連續(xù)性，油氣垂向運移［33］.

三是中期張扭—晚期反轉(zhuǎn)活動的斷裂系統(tǒng)，即褶皺式反轉(zhuǎn)構(gòu)造翼部正斷層.這類斷層形成較晚，后期抬升斷裂活動，形成貫通性斷裂，造成早期聚集油氣被調(diào)整，如烏爾遜凹陷南部烏20—烏16—烏32大磨拐河組二段油藏（見圖7）.

4 結(jié)論

（1）海拉爾盆地斷裂可以分為二類五型：一是盆地的基底斷裂；二是盆地蓋層斷裂；根據(jù)活動時期和變形特征，分為早期伸展斷裂系統(tǒng)、中期張扭斷裂系統(tǒng)、早期伸展—中期張扭斷裂系統(tǒng)、中期張扭—晚期反轉(zhuǎn)斷裂系統(tǒng)和早期伸展—中期張扭—晚期反轉(zhuǎn)斷裂系統(tǒng).

（2）海拉爾盆地發(fā)育3種斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)模式：一是致密儲層中斷層角礫巖結(jié)構(gòu)，布達特群儲層斷裂帶具有二分結(jié)構(gòu)，斷層核主要由斷層角礫巖構(gòu)成，但普遍被膠結(jié)物充填，斷層側(cè)向封閉性多為膠結(jié)封閉；二是泥質(zhì)巖蓋層中泥巖涂抹結(jié)構(gòu)，泥巖涂抹的連續(xù)性受控于斷距與泥巖厚度的比率，免渡河—扎敦河林場公路10km處南平組小型正斷層發(fā)育15～20cm寬的剪切型泥巖涂抹帶；三是泥質(zhì)巖蓋層內(nèi)斷層泥結(jié)構(gòu).

（3）與油氣垂向運移有關(guān)的斷裂系統(tǒng)有三類：一是早期伸展—中期張扭—晚期反轉(zhuǎn)斷裂系統(tǒng)（正反轉(zhuǎn)斷層）破壞早期的封閉條件，造成油氣垂向調(diào)整運移；二是早期伸展—中期張扭—晚期反轉(zhuǎn)活動的斷裂系統(tǒng)（反轉(zhuǎn)再活動正斷層），具有剪切型泥巖涂抹結(jié)構(gòu)，當(dāng)斷距超過蓋層厚度5倍時，泥巖涂抹失去連續(xù)性，垂向運移；三是中期張扭—晚期反轉(zhuǎn)活動的斷裂系統(tǒng)，后期抬升斷裂活動，形成貫通性斷裂，造成早期聚集油氣被調(diào)整.

［1］Bouvier J D，Kaars-Sijpesteijn C H，Kluesner D F，et al.Three-dimensional seismic interpretation and fault sealing investigations，Nun River field，Nigeria［J］.AAPG，1989，73：1397-1414.

［2］Harding T P，Tuminas A C.Structural interpretation of hydrocarbon traps sealed by basement normal blocks and at stable flank of foredeep basins and at rift basins［J］.AAPG Bulletin，1989，73：812-840.

［3］Knipe R J.Faulting processes and fault seal［C］／／Larsen R M.Structural and tectonic modelling and its application to petroleum geology.Stavanger，Norwegian Petroleum Society，1992，325-342.

［4］Smith D A.Theoretical consideration of sealing and nonsealing faults［J］.AAPG，1966，50：363-374.

［5］Knipe R J.Juxtaposition and seal diagrams to help analyse fault seals in hydrocarbon reservoirs［J］.AAPG，1997，81（2）：187-195.

［6］Doughty P T.Clay smear seals and fault sealing potential of an exhumed growth fault，Rio Grande rift，New Mexico［J］.AAPG，2003，3：427-444.

［7］Aydin A，Eyal Y.Anatomy of a normal fault with shale smear：implications for fault seal［J］.AAPG，2002，86：1367-1382.

［8］Clausen J A，Gabrielsen R H.Parameters that control the development of clay smear at low stress states：an experiment study using ring-shear apparatus［J］.Journal of Structure Geology，2002，24：1569-1586.

［9］Allan U S.Model for hydrocarbon migration and entrapment within faulted structures［J］.AAPG，1989，73：803-811.

［10］Forster C B，Evans J P.Hydrogeology of thrust faults and crystalline thrust sheets：Results of combined field and modeling studies［J］.Geophysical Research Letters，1991，18：979-982.

［11］Byerlee J.Model for episodic flow of high-pressure water in fault zones before earthquakes［J］.Geology，1993，21：303-306.

［12］Scholz C H，Anders M H.The permeability of faults，in The mechanical involvement of fluids in faulting：U S［J］.Geological Survey Open-File Report，1994，94-228，247-253.

［13］Caine.Fault zone architecture and permeability structure［J］.Geology，1996，24：1025-1028.

［14］付曉飛，方德慶，呂延防，等.從斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)評價斷層垂向封閉性的方法［J］.地球科學(xué)，2005，30（3）：328-336.Fu Xiaofei，F(xiàn)ang Deqing，Lv Yanfang，et al.Method of Evaluating Vertical Sealing of Faults in Terms of the Internal Structure of Fault Zones［J］.Earth Science，2005，30（3）：328-336.

［15］Yielding G，F(xiàn)reeman B，Needham D T.Quantitative fault seal prediction［J］.AAPG，1997，81（6）：897-917.

［16］Bretan P，Yielding G，Jones H.Using Calibrate shale gouge ratio to estimate hydrocarbon column heights［J］.AAPG，2003，87（3）：397-413.

［17］吳根耀.白堊紀(jì)：中國及鄰區(qū)板塊構(gòu)造演化的一個重要變換期［J］.中國地質(zhì)，2006，33（1）：64-77.Wu Genyao.Cretaceous：A key transition period of the plate tectonic evolution in China and its adjacent areas［J］.Geology In China，2006，33（1）：64-77.

［18］陳均亮，吳河勇，朱德豐，等.海拉爾盆地構(gòu)造演化及油氣勘探前景［J］.地質(zhì)科學(xué)，2007，42（1）：147-159.Chen Junliang，Wu Heyong，Zhu Defeng，et al.Tectonic evolution of the Hailar Basin and its potentials of oil-gas exploration［J］.Chinese Journal Of Geology，2007，42（1）：147-159.

［19］呂延防.斷層封閉的差異性分析［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報，1996，20（4）：7-11.Lv Yanfang.Analysis on the difference of fault seals［J］.Journal of Daqing Petroleum Institute，1996，20（4）：7-11.

［20］高君，呂延防，田慶豐.斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)與油氣運移封閉［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報，2007，31（2）：4-7.Gao Jun，Lv Yanfang，Tian Qingfeng.Analysis of hydrocarbon migration through the fault based on the interior structure of fault zone［J］.Journal of Daqing Petroleum Institute，2007，31（2）：4-7.

［21］呂延防，王帥.斷層封閉性定量評價［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報，2010，31（5）：35-41.Lv Yanfang，Wang Shuai.Quantitative evaluation of fault seal［J］.Journal of Daqing Petroleum Institute，2010，31（5）：35-41.

［22］Anderson L J，Osborne R H，Palmer D F.Cataclastic rocks of the San Gabriel fault-An expression of deformation at deeper crustal levels in the San Andreas fault zones［J］.Tectonophysics，1983，98：209-251.

［23］Andersson J E，Ekman L，Nordqvist R，et al.Hydraulic testing and modeling of a low-angle fracture zone at Finnsjon，Sweden［J］.Journal of Hydrology，1991，126：45-77.

［24］Goddard J V，Evans J P.Chemical changes and fluid-rock interaction in faults of crystalline thrust sheets，northwestern Wyoming，U S A ［J］.Journal of Structural Geology，1995，17：533-547.

［25］Sperrevik S，F(xiàn)aerseth R B，Gabrielsen R H.Experiments on clay smear formation along faults［J］.Petroleum Geoscience，2000，6：113-123.

［26］Yielding G.Shale gouge ratio-Calibration by geohistory.In：Koeslter A G，Hunsdale R，eds.Hydrocarbon seal quantification［J］.Norwegian Petroleum Society Special Publication，2002，1-15.

［27］Kim J W，Berg R R，Watkins J S，et al.Trapping capacity of faults in the Eocene Yegua Formation，East Sour Lake field，southeast Texas［J］.AAPG，2003，87：415-425.

［28］Takahashi M.Permeability change during experimental fault smearing［J］.Journal of Geophysical Research，2003，108（B5）：1-15.

［29］Eichhubl P，D’Onfro P S，Aydin A，et al.Structure，petrophysics，and diagenesis of shale entrained along a normal fault at Black Diamond Mines，California-Implicationsfor fault seal［J］.AAPG，2005，89（9）：1113-1137.

［30］Faerseth R B.Shale smear along large faults：continuity of smear and the fault seal capacity［J］.Journal of the Geological Society，2006，163：741-751.

［31］Hesthammer J and Fossen H.The use of dipmeter data to constrain the structural geology of the Gullfaks Field，northern North Sea［J］.Marine and Petroleum Geology，1998，15：549-573.

［32］Fisher Q J and Knipe R J.The permeability of faults within siliciclastic petroleum reservoirs of the North Sea and Norwegian Continental Shelf［J］.Marine and Petroleum Geology，2001，18：1063-1081.

［33］付曉飛，陳哲，閆百泉，等.海拉爾-塔木察格盆地中部斷陷帶油氣富集主控因素分析——斷層和蓋層雙控模式［J］.中國科學(xué)：地球科學(xué)，2013，43（1）：1-14.Fu Xiaofei，Chen Zhe，Yan Baiquan，et al.Analysis of main controlling factors for hydrocarbon accumulation in central rift zones of the Hailar-Tamtsag Basin using a fault-caprock dual control mode［J］.Science China：Earth Sciences，2013，43（1）：1-14.