一活動軸面對油氣分布的控制作用
——以惠民凹陷臨南洼陷為例

班 麗

(中國石化勝利油田分公司 地質(zhì)科學(xué)研究院,山東 東營 257015)

一活動軸面對油氣分布的控制作用
——以惠民凹陷臨南洼陷為例

班 麗

(中國石化勝利油田分公司 地質(zhì)科學(xué)研究院,山東 東營 257015)

活動軸面指以斷面傾角逐漸變小的正斷層為基底的半地塹盆地在地殼伸展?fàn)顟B(tài)下,造成上盤產(chǎn)生傾斜的滾卷區(qū)的活動褶皺樞紐。渤海灣盆地內(nèi)伸展正斷層發(fā)育,通過深入研究其活動軸面的形成機(jī)制,并對惠民凹陷臨南油田與臨盤油田含油層系的分析表明,此類正斷層的上盤沿活動軸面產(chǎn)生剪切,形成與主斷層呈反旋向關(guān)系的破裂帶或裂隙帶,這些破裂帶或裂隙帶是重要的油氣輸導(dǎo)通道,油氣可沿其發(fā)生二次運(yùn)移,至有利砂體儲層中成藏?；顒虞S面對于油氣的運(yùn)移具有重要意義。

臨南洼陷;活動軸面;油氣分布

在諸如渤海灣盆地這樣斷裂構(gòu)造頻繁發(fā)育的含油氣盆地中,斷裂帶與裂隙帶作為油氣垂向運(yùn)移通道已被多次證實(shí),裂隙發(fā)育帶的預(yù)測對研究隱蔽微裂縫型運(yùn)移通道具有重要意義。關(guān)于裂隙發(fā)育機(jī)制的研究較多,但利用活動軸面的概念研究并預(yù)測盆地中可能的裂隙帶和破裂帶還未進(jìn)行過系統(tǒng)研究,本文以惠民凹陷臨南洼陷為例,從活動軸面角度對裂隙發(fā)育帶及其對油氣分布的控制作用進(jìn)行了細(xì)致分析,對隱蔽油氣藏的勘探研究具有重要意義。

1 活動軸面的發(fā)育機(jī)制

活動軸面指斷面傾角逐漸變小的正斷層為基底的半地塹盆地在地殼伸展?fàn)顟B(tài)下,造成上盤產(chǎn)生傾斜的滾卷區(qū)的活動褶皺樞紐[1]?；顒虞S面和平行的不活動軸面間的區(qū)域?yàn)闈L卷區(qū),隨著斷層的運(yùn)動,不活動軸面從活動軸面位置移動開來,這樣滾卷區(qū)隨斷層的滑動規(guī)模增大而加寬(圖1，據(jù)文獻(xiàn)[2])。

莫爾圓和破裂包絡(luò)準(zhǔn)則可說明活動軸面上巖石的破裂機(jī)制:

(1)

式中,τ和σ為平面上的剪切應(yīng)力和正應(yīng)力,MPa;k為巖石抗張強(qiáng)度[3],MPa。

圖1 伸展斷層活動軸面的幾何學(xué)模型

圖2為抗張應(yīng)力和壓性應(yīng)力條件下巖石產(chǎn)生破裂的過程,縱坐標(biāo)代表剪切應(yīng)力軸,橫坐標(biāo)代表正應(yīng)力軸。莫爾圓直徑為最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3之差,破裂包絡(luò)線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)為巖石抗剪強(qiáng)度,與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)為拉張強(qiáng)度。若擠壓應(yīng)力σ1不斷加大,或由于應(yīng)力釋放導(dǎo)致σ3減小時,都會使莫爾圓與破裂包絡(luò)線相切產(chǎn)生剪切為主的破裂。

圖2 用莫爾圓和破裂包絡(luò)線表示的巖石破裂應(yīng)力場

渤海灣盆地古近紀(jì)的沉降主要與地殼拉張引起的盆地差異升降有關(guān),從而形成了沉積凹陷的構(gòu)造沉降,沉降量、沉降速率與伸展量和伸展速率基本呈線性相關(guān)[4]。若將拉張斷層的剖面形態(tài)看作由傾角變小的兩段斷層面組成,發(fā)生構(gòu)造沉降時,斷層的上盤沿斷層面向下滑動,滑過斷層面彎曲處時,上盤靠近斷層面彎曲處的地層向著斷層面輕微掀斜,沿遠(yuǎn)離斷層面方向逐漸減弱并最終變?yōu)闊o掀斜(圖1),此時上盤鄰近斷層面處地層的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變,極易產(chǎn)生微裂縫,隨著上盤繼續(xù)向下滑動,上盤經(jīng)過斷層面彎曲處的地層中會產(chǎn)生更多的微裂縫。根據(jù)活動軸面的概念,斷層面彎曲處的軸面為活動軸面;空間上地層由掀斜轉(zhuǎn)變?yōu)闊o掀斜的沿斷層走向延伸的面為不活動軸面,一般與活動軸面平行?；顒虞S面與不活動軸面控制的區(qū)域內(nèi)發(fā)育大量微裂縫,是應(yīng)變的集中帶,同時也是應(yīng)力的釋放帶。構(gòu)造沉降過程中斷層上盤不斷接受沉積,壓實(shí)作用不斷增強(qiáng),使巖石受到不斷加大的垂向擠壓應(yīng)力σ1,橫向上應(yīng)力釋放即σ3不斷減小,莫爾圓不斷增大且向左移動,當(dāng)與破裂包絡(luò)線相切時,巖石在應(yīng)力集中的微裂縫發(fā)生破裂并沿著活動軸面方向在活動軸面與不活動軸面控制的應(yīng)力集中帶上不斷延伸和擴(kuò)展,這樣就在滾卷區(qū)內(nèi)形成了與主斷層呈反旋向關(guān)系且以破裂帶或裂隙帶的發(fā)育為特征的活動軸面。

2 臨南洼陷活動軸面的特征

臨南洼陷為惠民凹陷西部的一個近北東向的次級洼陷,主體受近東西向斷層和北東東向斷層的控制,北部發(fā)育商河、臨南斷裂構(gòu)造帶,東部發(fā)育火成巖相關(guān)構(gòu)造,南部斜坡帶發(fā)育斷塊和鼻狀構(gòu)造(圖3)。臨南洼陷具有雙層結(jié)構(gòu),下部古近系斷裂發(fā)育,上部新近系構(gòu)造平緩,斷層活動減弱。區(qū)內(nèi)斷層的剖面形態(tài)主要有“平面式”、“鏟式”和“座椅式”3種，其中,“鏟式”和“座椅式”正斷層的上盤易發(fā)育活動軸面控制的傾向與斷層面相反的破裂帶。

圖3 臨南洼陷區(qū)域構(gòu)造位置及油氣輸導(dǎo)體系分布

本文中選取臨南洼陷中部的南北向地震剖面463測線和洼陷南部的東西向地震剖面58測線,根據(jù)盆地不同時期的伸展程度,研究該盆地活動軸面的形成機(jī)制及其分布特征(圖3)。從兩測線剖面上看,古近紀(jì)拉張活動從早到晚依次減弱,孔店組沉積時期,盆地南北伸展率和伸展量最大,分別達(dá)到3 288.5 m和4.81%;沙四段沉積時期,盆地東西的伸展量最大,為2 711.6 m,伸展率為4.81%。沙三段沉積時期,盆地東西向與南北向的伸展量均顯著降低,至沙一段沉積期伸展活動微弱,之后新近紀(jì)時停止伸展活動,開始發(fā)生全盆地范圍的拗陷運(yùn)動(表1)。

表1 463測線和58測線伸展量及伸展率

臨南洼陷孔店組—沙四段沉積時期盆地強(qiáng)烈伸展,區(qū)內(nèi)二級斷層臨商斷層的剖面形態(tài)明顯變緩,呈“鏟式”,且形成了一條傾向與其相反的三級斷層——營子街?jǐn)鄬?根據(jù)活動軸面的概念及伸展盆地中活動軸面的產(chǎn)生機(jī)制,這條斷層有可能由活動軸面破裂帶演化而來,隨著構(gòu)造沉降及沉積壓實(shí),該斷層面向下移動成為不活動軸面,活動軸面則沿斷層上盤斷層傾角變化點(diǎn)的法線方向發(fā)育,在沙三段—沙二段沉積時期,盆地的伸展活動雖保持了一定的強(qiáng)度但逐漸減弱,斷層面傾角變化不大,活動軸面很難發(fā)育。區(qū)內(nèi)另一條二級斷層夏口斷層的剖面形態(tài)呈“平面式”,活動軸面很難發(fā)育。

東西方向上,臨南洼陷仍表現(xiàn)出孔店組—沙四段沉積時期盆地伸展強(qiáng)烈的特征,夏口斷裂帶的三條三級斷層剖面呈“鏟式”和“座椅式”,也具備活動軸面破裂帶發(fā)育的良好條件,根據(jù)活動軸面的概念及伸展盆地中活動軸面的產(chǎn)生機(jī)制,活動軸面則沿斷層上盤斷層傾角變化點(diǎn)的法線方向發(fā)育。臨商斷層的剖面形態(tài)也呈“平面式”,活動軸面不發(fā)育。另外該剖面南部“Y”形構(gòu)造組合形態(tài)較發(fā)育,傾向與主斷層相反的次級斷層都起始于主斷層斷面變緩處,也是活動軸面作用的結(jié)果。

3 活動軸面與油氣成藏

臨南洼陷是惠民凹陷生油條件最好的洼陷,研究表明,沙四上烴源巖埋藏深、成熟度較高,沙三下—沙三中是主力烴源巖。前述分析表明,臨商斷層西段和夏口斷裂帶西南段二、三級斷層下降盤中皆發(fā)育有起始于孔店組—沙四段地層的與主斷層傾向相反的活動軸面,將剖面上活動軸面在地面投影,就得到了活動軸面形成的油氣輸導(dǎo)體系在平面上的分布范圍(圖3)?？梢钥闯?臨商斷層西段活動軸面控制范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了臨盤油田,夏口斷裂帶西南段活動軸面控制范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了臨南油田。沿活動軸面發(fā)育的斷裂帶和破碎帶是重要的隱蔽油氣輸導(dǎo)通道,在浮力、水動力和毛細(xì)管阻力的作用下,油氣可以沿其二次運(yùn)移,至有利砂體儲層中成藏,臨南油田與臨盤油田的形成都與活動軸面有關(guān),而并不主要是斷層帶的作用。如夏口斷裂下降盤的臨南油田油氣豐富,而在其上升盤則為油氣貧乏的錢官屯鼻狀構(gòu)造。臨南油田沙三段及沙二段地層為主力含油層系,其他層段偶見油氣顯示或不含油,說明該區(qū)油氣有一定的縱向運(yùn)移。以往認(rèn)為,臨南油田油氣縱向運(yùn)移的通道主要是夏口斷裂,而且在全區(qū)大規(guī)模油氣運(yùn)移期(明化鎮(zhèn)組沉積期—現(xiàn)今),臨南南斜坡所有斷層的活動都較弱,大大限制了油氣的縱向運(yùn)移,導(dǎo)致該區(qū)油氣有一定的縱向運(yùn)移但運(yùn)移不明顯[5]。實(shí)際上,若夏口斷裂是油氣二次運(yùn)移的主要通道,沿斷層運(yùn)移的油氣更容易進(jìn)入地層傾角更大的上升盤的錢官屯鼻狀構(gòu)造砂體中,由于錢官屯鼻狀構(gòu)造較差的保存條件,將會使油氣大量散失,很難在下降盤烴源巖層以上的層系中富集,油氣將集中于沙三段砂體中,顯然與實(shí)際不符。因此該區(qū)斷層并不是唯一的油氣二次運(yùn)移通道,活動軸面破裂帶的輸導(dǎo)作用不容忽視。活動軸面的形成主要是由于沉積壓實(shí)作用,只要盆地接受物源充填,活動軸面的破裂帶就會保持活動性,具有垂向開啟性,因而更易成為油氣的垂向運(yùn)移通道,油氣沿活動軸面向上運(yùn)移至有利砂體中,加之夏口斷層良好的側(cè)向封堵性而形成側(cè)向遮擋油氣藏。由于古近紀(jì)末的東營運(yùn)動使盆地整體抬升,限制了活動軸面破裂帶的繼續(xù)發(fā)育,使活動軸面終止于古近系中下部地層中,油氣的縱向運(yùn)移也隨之終止，使其垂向運(yùn)移距離短。中央隆起帶西段臨盤油田的主要含油層系也是沙河街組地層,而在新近系館陶組中較發(fā)育的背斜構(gòu)造中未發(fā)現(xiàn)油氣顯示,說明活動軸面的發(fā)育對區(qū)內(nèi)油氣的運(yùn)移具有控制作用。

4 結(jié) 論

(1)渤海灣盆地內(nèi)伸展正斷層發(fā)育,對活動軸面的形成機(jī)制及惠民凹陷臨南油田與臨盤油田含油層系的研究表明,該類正斷層的上盤沿活動軸面產(chǎn)生剪切,形成與主斷層呈反旋向關(guān)系的破裂帶或裂隙帶,這些破裂帶或裂隙帶是重要的油氣輸導(dǎo)通道,油氣可沿其發(fā)生二次運(yùn)移,至有利砂體儲層中成藏。

(2)臨南洼陷的巖性油藏勘探中,由于晚期斷層的強(qiáng)烈活動在洼陷中極少或未發(fā)現(xiàn),從而認(rèn)為只有在生油層中才可能存在巖性油藏的觀點(diǎn)大大限制了巖性油藏的勘探層系,利用活動軸面的概念解決了油氣運(yùn)移通道的問題,沿“鏟式”或“座椅式”斷層斷面傾角變緩處有可能發(fā)育以破裂帶為特征的活動軸面,這些破裂帶的活動性主要受控于上部地層的沉積壓實(shí),因此可保持在油氣運(yùn)移期成為油氣運(yùn)移的有利隱蔽輸導(dǎo)通道。

[1] HAMBLIN W K. Origin of “reverse drag” on the downthrown side of normal faults[J].Geological Society of America Bulletin, 1965,76:1145-1164.

[2] 華保欽.構(gòu)造應(yīng)力場、地震泵和油氣運(yùn)移[J].沉積學(xué)報,1995,13(2):77- 85.

[3] XIAO H, SUPPE J. Origin of rollover[J].AAPG Bulletin, 1992,76(4):509-529.

[4] 漆家福,張一偉,陸克政,等. 渤海灣盆地新生代構(gòu)造演化[J].石油大學(xué)學(xué)報,1995,19(增刊):1- 6.

[5] 張勇,趙密福,宋維琪.惠民凹陷臨南斜坡帶油氣縱向運(yùn)移及其控制因素[J].石油勘探與開發(fā),2000,27(6):21- 22.

[責(zé)任編輯] 胡秋媛

2014-11-20

班 麗(1976—),女,山東淄博人,中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院工程師,博士,主要從事地震地質(zhì)綜合研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2015.01.002

TE122

A

1673-5935(2015)01- 0005- 03