松遼盆地肇州油田層控多邊形斷層發(fā)育特征及在油成藏中的作用

平貴東，付曉飛，劉宗堡，謝昭涵，高煜婷，方曉

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松遼盆地肇州油田層控多邊形斷層發(fā)育特征及在油成藏中的作用

平貴東1,2，付曉飛1,2，劉宗堡1，謝昭涵1,2，高煜婷3，方曉3

(1. 東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶，163318；2. 黑龍江省普通高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)，黑龍江大慶，163318；3. 慶新油田開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司黑龍江安達(dá)，151413)

地震解釋和沿層相干切片，結(jié)合儲(chǔ)層沉積特征對(duì)松遼盆地三肇凹陷南部肇州油田層控多邊形斷層的發(fā)育特征進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：該區(qū)層控?cái)鄬佣ㄏ蚺帕?，展布方位與斜坡走向平行，并向著斜坡上傾方向傾斜，其發(fā)育時(shí)期與青山口組末期—姚家組沉積早期的構(gòu)造抬升事件相對(duì)應(yīng)，地層翹傾引起的重力滑動(dòng)作用被認(rèn)為是驅(qū)使斷層活動(dòng)的成因。層控多邊形斷層的平面展布受砂體和構(gòu)造斷層的影響，集中分布在含砂地層厚度較薄的區(qū)域，并且多向著構(gòu)造斷裂下盤(pán)生長(zhǎng)。在不同地質(zhì)歷史時(shí)期，多邊形斷裂的啟閉性質(zhì)不同，其在油成藏中的作用也不同。成藏期(明水組末期)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)為北西向擠壓，北西—北北西向溝通青一段源巖和葡萄花油層的活動(dòng)斷裂是垂向輸導(dǎo)油的油源斷裂，而此時(shí)東西展布的層控?cái)嗔咽苷驍D壓，斷面緊閉，對(duì)油成藏主要起遮擋作用。新生代以來(lái)至現(xiàn)今區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻鼥|西向擠壓，層控多邊形斷層展布方位與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向一致，具有高滲透性，成為油在低滲透儲(chǔ)層內(nèi)側(cè)向運(yùn)移的高滲透通道，促進(jìn)油藏連片分布。

多邊形斷層；層控；重力滑動(dòng)；葡萄花油層；控藏

在過(guò)去的20多年中，有一種特殊的非構(gòu)造成因的正斷層系?多邊形斷層(polygonal faults)，由于它們具有獨(dú)特的交叉組合模式、特殊的發(fā)育背景以及對(duì)區(qū)域流體運(yùn)移的重要影響而引起人們的廣泛關(guān)注[1?9]。多邊形斷層又稱為層控?cái)鄬踊驅(qū)觾?nèi)變形斷層，為非構(gòu)造成因的斷裂，其概念自1994年由Cartwright提出以來(lái)[10]，已經(jīng)在世界100多個(gè)沉積盆地中有所發(fā)現(xiàn)，它是一種平面上走向多方位并相互交叉組合成多邊形形態(tài)，剖面上具有層控特征的小型伸展斷裂系統(tǒng)[11]。1個(gè)多邊形斷層系通常由一系列斷距小于100 m、傾角為30°~70°、斷裂密度大、走向隨機(jī)的小規(guī)模正斷層組成，這些斷層主要發(fā)育在被動(dòng)大陸邊緣或陸內(nèi)克拉通盆地的細(xì)粒沉積物中，不過(guò)在前陸盆地或聚斂的板塊邊緣地區(qū)也偶有發(fā)現(xiàn)[12?13]。多邊形斷層走向隨機(jī)，發(fā)育具有層控性[10]，當(dāng)?shù)貙悠骄彆r(shí)沒(méi)有優(yōu)勢(shì)傾向，發(fā)育的地層缺少構(gòu)造伸展，這些特點(diǎn)都說(shuō)明多邊形斷層的形成有別于構(gòu)造成因斷層，為非構(gòu)造成因。關(guān)于多邊形斷層的成因機(jī)制至今沒(méi)有統(tǒng)一的觀點(diǎn)，許多學(xué)者針對(duì)不同地質(zhì)背景下斷裂發(fā)育特征相繼提出了多種成因機(jī)制,如密度反轉(zhuǎn)作用機(jī)制(density inversion)[14?15]、斜坡上細(xì)粒沉積物的重力滑塌作用機(jī)制(gravity collapse)[16]、超壓泥巖層幕式水力破裂作用機(jī)制(episodic hydrofracturing)[17]、脫水收縮作用機(jī)制(syneresis)[18]、重力載荷作用機(jī)制(gravitational loading)[19?20]、差異壓實(shí)(differential compaction)[21]及由成巖作用引起的熱或化學(xué)收縮[13]等多種假說(shuō)。隨著3D地震技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)對(duì)這種復(fù)雜斷層的研究越來(lái)越引起石油地質(zhì)學(xué)家們的注意，一方面，人們對(duì)它的成因機(jī)制還不清楚；另一方面，經(jīng)過(guò)多年研究發(fā)現(xiàn)，多邊形斷層對(duì)儲(chǔ)層砂體形態(tài)以及流體、天然氣水合物的運(yùn)移和聚集有重要的控制作用，了解這類斷層的分布和發(fā)育特征對(duì)淺層靶區(qū)的石油與頁(yè)巖氣勘探及CO2埋存具有重要意義。國(guó)外對(duì)多邊形斷層的研究有近30年，而國(guó)內(nèi)對(duì)這類斷層的研究起步較晚，近些年隨著我國(guó)被動(dòng)大陸邊緣和陸內(nèi)裂陷盆地多邊形斷層的相繼發(fā)現(xiàn)，也逐漸引起地質(zhì)學(xué)者們的關(guān)注[6?9]。基于3D地震數(shù)據(jù)精細(xì)解釋，前人已證實(shí)松遼盆地三肇凹陷南部肇州油田葡萄花油層觀察到的小規(guī)模斷層為多邊形斷層[6]，這些斷層發(fā)育在青山口組泥巖上部并向上斷過(guò)了上覆的葡萄花油層，儲(chǔ)層中高密度斷裂發(fā)育必然會(huì)對(duì)油氣成藏及勘探開(kāi)發(fā)產(chǎn)生重要影響，然而，目前關(guān)于本地區(qū)多邊形斷層在油聚集成藏過(guò)程中的石油地質(zhì)意義尚不明確，影響了勘探開(kāi)發(fā)的進(jìn)程。為此，本文作者通過(guò)分析多邊形斷層發(fā)育的構(gòu)造和地層特征，描述其幾何特征，研究活動(dòng)規(guī)律，探討多邊形斷層成因機(jī)制及在油成藏過(guò)程中的作用，以期指導(dǎo)油氣勘探。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

松遼盆地是位于中國(guó)東北部的大型中、新生代陸相含油氣盆地，三肇凹陷為松遼盆地二級(jí)負(fù)向構(gòu)造單元，隸屬于一級(jí)構(gòu)造單元的中央坳陷區(qū)。它西接大慶長(zhǎng)垣東部，東鄰綏化凹陷和朝陽(yáng)溝階地，北接明水階地。現(xiàn)今葡萄花油層頂面在三肇凹陷腹部總體呈現(xiàn)“三鼻三凹”的構(gòu)造特征,即宋芳屯、肇州、升平3個(gè)鼻狀構(gòu)造及徐家圍子、升西和永樂(lè)3個(gè)次級(jí)凹陷，見(jiàn)圖1。沉積蓋層自下而上發(fā)育下白堊統(tǒng)火石嶺組(K1h)、沙河子組(K1sh)、營(yíng)城組(K1ych)、登婁庫(kù)組(K1d)和泉頭組(K1q)、上白堊統(tǒng)青山口組(K1qn)、姚家組(K1y)、嫩江組(K1n)、四方臺(tái)組(K1s)、明水組(K1m)、古近系依安組、新近系大安組和泰康組地層，見(jiàn)圖2。

(a) 葡萄花油層頂面(T11反射層)構(gòu)造圖；(b) 三肇凹陷葡萄花油層油藏分布圖

圖2 松遼盆地地層綜合柱狀圖[6]

三肇凹陷的形成演化是奠定在下部徐家圍子斷陷和古中央隆起帶基礎(chǔ)上的，自下而上可劃分出三大構(gòu)造層，即斷陷構(gòu)造層(K1h—K1ych)、坳陷構(gòu)造層(K1d—K1s)和反轉(zhuǎn)構(gòu)造層(K1m之后)，具有“下斷上凹”的二元結(jié)構(gòu)[22]。下部徐家圍子斷陷呈NNW向展布，受徐西斷裂控制形成西斷東超的箕狀斷陷。該區(qū)發(fā)育一條徐中右旋走滑斷裂，將徐西斷裂切為南北兩段，造成徐家圍子“兩凹夾一隆、東西分帶、南北分塊”的構(gòu)造格局[23]，斷陷期徐家圍子斷陷在SSE—NNW方向伸展應(yīng)力作用下發(fā)育4個(gè)方位的斷裂[24]：1) 南北向張扭變形的徐西斷裂；2) 北北西向的徐中走滑斷裂；3) 北北東向伸展斷裂；4) 近東西向調(diào)節(jié)斷裂。這4個(gè)方位的斷裂對(duì)中淺層斷裂的形成及分布產(chǎn)生重要影響。

自登婁庫(kù)組沉積開(kāi)始，盆地進(jìn)入坳陷演化階段，登婁庫(kù)組—泉頭組沉積早期斷裂活動(dòng)性較弱，處于相對(duì)靜止期，只是在斷陷期后的區(qū)域熱沉降作用下形成部分規(guī)模較小的次級(jí)正斷層。泉頭組晚期—青山口組沉積時(shí)期是斷裂的強(qiáng)變形期，青山口組底部T2反射層形成高密度斷裂(后文簡(jiǎn)稱T2斷裂)，走向主要為SN向(見(jiàn)圖3(a))，表明受控于近EW向的拉張應(yīng)力場(chǎng)的控制。眾多物理模擬結(jié)果顯示：若先存斷裂與后期應(yīng)力場(chǎng)方向斜交，則受其影響后生斷裂多會(huì)發(fā)生張扭變形，平面上呈雁行式排列[25?26]。三肇凹陷斷陷期斷裂展布與坳陷期東西向拉張應(yīng)力場(chǎng)方向多呈高角度斜交，斜向拉張作用影響下T2斷裂平面展布密集呈帶，不同方位的斷裂密集帶具有不同的變形性質(zhì)[27]。

(a) T2反射層斷裂展布；(b) T11反射層斷裂展布

青山口組沉積末期松遼盆地經(jīng)歷了短暫的構(gòu)造抬升[28]，沉積了姚家組地層。葡萄花油層在姚一段地層中下部，從其頂面構(gòu)造圖(T11反射層)可以看到三肇凹陷北部斷裂展布以南北向?yàn)橹?，斷裂密集帶依然發(fā)育(見(jiàn)圖3(b))，說(shuō)明這期間區(qū)域東西向拉張應(yīng)力可能一直持續(xù)，但三肇凹陷南部尤其是肇州油田地區(qū)斷裂卻不再有優(yōu)勢(shì)的展布方向，除了近南北走向斷裂外，東西向的斷層也大量發(fā)育。東西向斷裂的存在明顯與該時(shí)期東西向拉張應(yīng)力場(chǎng)不協(xié)調(diào)，因此，該地區(qū)斷裂的形成應(yīng)當(dāng)受某種局部應(yīng)力場(chǎng)的控制，可能為某些非構(gòu)造因素(如重力滑動(dòng)、差異壓實(shí)、沉積相變等)的影響，形成了具有不同成因機(jī)制的特殊類型的斷裂。經(jīng)斷裂幾何特征分析，前人判定該區(qū)斷裂即為多邊形斷層[6]。嫩江組沉積末期松遼盆地回返抬升，至明水組末期反轉(zhuǎn)構(gòu)造基本定型，三肇凹陷周邊形成3條反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶：西側(cè)為大慶長(zhǎng)垣，東北為望奎－任民鎮(zhèn)反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶，東南為長(zhǎng)春嶺背斜帶。三肇凹陷內(nèi)部受反轉(zhuǎn)作用影響相對(duì)較弱，并沒(méi)有明顯的反轉(zhuǎn)構(gòu)造；坳陷期形成的部分?jǐn)嗔咽軈^(qū)域壓扭作用影響傾滑活動(dòng)，一直斷過(guò)T06反射層并向上延伸進(jìn)入反轉(zhuǎn)構(gòu)造層，這些斷層主要為斷裂密集帶的邊界斷層，可以作為葡萄花油層成藏的油源斷裂。

2 發(fā)育多邊形斷層的地層區(qū)段和巖性特征

多邊形斷層發(fā)育在青山口組泥巖上部至姚家組地層內(nèi)，斷過(guò)了葡萄花油層，使儲(chǔ)層復(fù)雜化。青山口組地層沉積于松遼盆地坳陷發(fā)育的全盛期，主要為一套黑色、綠色泥巖和砂巖。在三肇凹陷肇州地區(qū)青一段主要為深湖—半深湖相暗色泥巖和油頁(yè)巖，是控制該區(qū)中淺層油氣成藏的主要烴源巖，青二、三段以灰綠色或黑色泥巖與粉砂質(zhì)泥巖互層為主，含有大量介形蟲(chóng)，反映出該時(shí)期水體變淺。青山口組地層因欠壓實(shí)作用多具有異常高的孔隙流體壓力，全區(qū)超壓普遍為4~10 MPa。

葡萄花油層位于青山口組上覆的姚家組一段中下部，姚一段地層為淺水河控三角洲沉積，受三肇凹陷北西向物源控制，地層厚度總體上呈現(xiàn)自西北向東南逐漸減薄的模式[29]。通過(guò)橫跨衛(wèi)星—宋芳屯—肇州油田開(kāi)發(fā)區(qū)南北向骨干剖面層序地層精細(xì)解剖(見(jiàn)圖4)，葡萄花油層砂體向南逐漸減薄，在北部衛(wèi)星油田砂體厚度可達(dá)50~60 m，而到肇州油田南部已減小到小于10 m(見(jiàn)圖4(b))。葡萄花油層頂?shù)鬃员毕蚰仙皫r相變?yōu)槟鄮r，在小層底部南北兩區(qū)形成砂泥對(duì)接模式，劉宗堡等[30]指出葡萄花油層順源逐層減薄主要為三角洲末端同沉積構(gòu)造抬升控制的結(jié)果，說(shuō)明青山口組沉積末期—姚家組沉積時(shí)期三肇凹陷東南部發(fā)生構(gòu)造抬升。多邊形斷層發(fā)育區(qū)葡萄花油層含砂層段厚度普遍小于14 m，而在多邊形斷層不發(fā)育的北部地區(qū)厚度普遍大于14 m(見(jiàn)圖4(a))。儲(chǔ)層厚度的變化是影響多邊形斷層分布，導(dǎo)致三肇凹陷葡萄花油層斷裂展布特征南北分區(qū)的1個(gè)因素，厚層砂巖可能會(huì)對(duì)下部泥巖中多邊形斷層垂向擴(kuò)展和生長(zhǎng)起到阻礙作用，不利于其發(fā)育[13]。

(a) 葡萄花油層含砂層厚度與多邊形斷層分布的關(guān)系；(b) 葡萄花油層地層對(duì)比剖面

3 斷層幾何學(xué)特征

3.1 斷層平面組合特征

多邊形斷層發(fā)育構(gòu)造主體位于肇州鼻狀構(gòu)造上(見(jiàn)圖1(a))，多邊形斷層的分布區(qū)域與其北部不發(fā)育區(qū)域有明顯的分界線(見(jiàn)圖3(b))，受儲(chǔ)層厚度影響，這個(gè)界線幾乎是突變的(見(jiàn)圖4(a))，邊界線的構(gòu)造位置對(duì)應(yīng)肇州鼻狀構(gòu)造底部。斷層平面組合樣式在儲(chǔ)集層頂面有較好呈現(xiàn)，從杏山南三維地震工區(qū)T11反射層上可以看出斷層呈現(xiàn)明顯的多邊形組合模式(見(jiàn)圖5)，斷層密集交叉，交角多呈直角或高角度。T11斷裂走向以東西向?yàn)橹鳎@些斷裂規(guī)模相對(duì)較小，其次是北北西和北北東向(見(jiàn)圖5(a))，為本區(qū)規(guī)模較大的斷層，斷距為5~50 m，延伸長(zhǎng)度一般為114 m至5 km，個(gè)別可超過(guò)10 km。T2反射層斷裂走向主要為北北西和北北東向(見(jiàn)圖5(b))，T11層北北西和北北東向斷裂展布與下部T2斷裂系有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明這些斷裂在發(fā)育過(guò)程中受先存斷裂影響較大，這種現(xiàn)象也出現(xiàn)在加拿大大西洋陸緣Sable次盆[31]。

(a) T11反射層斷裂展布；(b) T2反射層斷裂展布

3.2 斷層剖面特征

根據(jù)斷裂影響的層位和活動(dòng)性，將葡萄花油層發(fā)育的斷層分為3種類型(見(jiàn)圖6)：1) 層控?cái)鄬?Ⅰ型)，僅局限于葡萄花油層及附近的小范圍地層內(nèi)，一般分布在T1反射層和青山口組內(nèi)部層A之間，斷層多為平直斷層，斷層斷距為5~10 m，見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)斷層傾向統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)這些層控?cái)鄬佣嘞蚰蟽A斜(見(jiàn)圖7)，即斜坡的上傾方向，斜坡對(duì)多邊形斷層發(fā)育起到重要影 響[32]。2) 未能影響到嫩江組之上地層的斷裂(Ⅱ型)，地震剖面上表現(xiàn)為T(mén)06反射層之下的斷裂，這些斷裂在葡萄花油層沉積后有部分活動(dòng)過(guò)，地震剖面上可見(jiàn)楔形的生長(zhǎng)地層(見(jiàn)圖6)，但嫩江組沉積之后處于靜止?fàn)顟B(tài)。3) 影響了嫩二段及其以上地層的斷裂(Ⅲ型)，斷層最大斷距一般為20~45 m，延伸長(zhǎng)度超過(guò)1 km(見(jiàn)表1)，地震剖面上表現(xiàn)為斷穿T06反射層，并能繼續(xù)影響其上部地層的斷裂，這些斷裂為嫩江組沉積后有再滑動(dòng)復(fù)活的斷裂。Ⅱ型和Ⅲ型斷裂展布多與下部T2斷層系展布方位一致，為受先存T2斷裂控制的繼承性發(fā)育斷裂。

(a) 東西向橫剖面斷裂分布；(b) 南北向橫剖面斷裂分布

(a) 不斷類型斷裂平面分布；(b) 各類型斷裂走向玫瑰花圖；(c) 各類型斷裂傾向玫瑰花圖

表1 葡萄花油層斷層類型描述

雖然T11斷裂的發(fā)育受T2斷裂系的影響較大，但是在剖面上兩者大多并不是相互連接的，應(yīng)力的傳遞通常通過(guò)2個(gè)斷層系疊覆的巖橋區(qū)實(shí)現(xiàn)。通常斷層垂向疊覆的方式有2種類型[33]：限制型疊覆帶(restraining overlap zones)和釋放型疊覆帶(releasing overlap zones)。限制型疊覆帶為兩斷層疊置的巖橋區(qū)，表現(xiàn)為擠壓趨勢(shì)的疊覆帶，原則上疊覆帶會(huì)通過(guò)體積縮小來(lái)調(diào)節(jié)兩斷層間的變形，但通常更多的是表現(xiàn)為疊覆區(qū)地層的旋轉(zhuǎn)(見(jiàn)圖8(a))。與之相反，釋放型疊覆帶則表現(xiàn)為疊覆區(qū)具有拉伸的趨勢(shì)，像黏土巖或頁(yè)巖等軟弱層在釋放型疊覆帶也會(huì)發(fā)生層位旋轉(zhuǎn)(見(jiàn)圖8(b)))。若軟弱層較薄的話還可能發(fā)生剪切涂抹，則這是形成剪切型泥巖涂抹的常見(jiàn)形式。三肇凹陷T11與T2斷裂系的疊覆類型以限制型疊覆為主(見(jiàn)圖8(c))，疊覆部位地層通常發(fā)生褶皺或旋轉(zhuǎn)。

(a) 限制型疊覆帶；(b) 釋放型疊覆帶；(c) 三肇凹陷限制型疊覆斷層樣式

4 討論

4.1 影響多邊形斷層平面展布的因素

構(gòu)造成因的斷層在統(tǒng)一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下，多具有相似的幾何特征。斷裂具有優(yōu)勢(shì)走向，斷層規(guī)模上具有自相似性(Self-similar)的特點(diǎn)[34]。三肇凹陷T2斷裂展布方位以南北向?yàn)橹?，是東西向區(qū)域伸展作用的結(jié)果，為構(gòu)造成因的斷裂。葡萄花油層頂面T11反射層斷裂展布不同地區(qū)存在差異(見(jiàn)圖3)，三肇凹陷北部斷裂密集帶依然發(fā)育，密集帶展布與T2密集帶方位基本一致，表明該時(shí)期東西向應(yīng)力場(chǎng)作用依然持續(xù)，以凹陷南部的肇州油田NNW和NNE向?yàn)橹鞯蘑蛐秃廷笮蛿嗔?，走向與下伏的T2斷裂方位一致(見(jiàn)圖5)，為繼承性發(fā)育的構(gòu)造斷裂，但該區(qū)發(fā)育眾多東西向展布為主的Ⅰ型層控?cái)嗔?見(jiàn)圖7)。這些斷裂的展布方位與區(qū)域東西向拉張應(yīng)力明顯不協(xié)調(diào)，用構(gòu)造的觀點(diǎn)是無(wú)法解釋的，剖面上具有層控特征，為規(guī)模受限的斷裂系統(tǒng)(scale-bound fault system)[35]，為非構(gòu)造成因。肇州油田T11斷層密集交叉，交角多呈直角或高角度(見(jiàn)圖7(a))。付曉飛等[6]對(duì)斷層交叉連接方式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明該區(qū)斷層組合方式為小斷層多向著構(gòu)造斷層的下盤(pán)生長(zhǎng)。層控?cái)嗔讯嘟K止于大的構(gòu)造斷層(圖7(a))，說(shuō)明構(gòu)造斷層在多邊形斷層形成時(shí)出現(xiàn)并可能活動(dòng)，它們的出現(xiàn)可能對(duì)局部應(yīng)力產(chǎn)生擾動(dòng)，使得最大張應(yīng)力由垂直構(gòu)造斷層走向的方位轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫杏跇?gòu)造斷層走向，迫使后生成的多邊形斷層向著垂直他們的方向生長(zhǎng)[31]。

另一個(gè)影響多邊形斷層分布的因素是砂巖的變化。姚家組一段為淺水河控三角洲沉積，泥巖厚度占地層厚度的60%~90% ，為典型的“泥包砂”結(jié)構(gòu)。其內(nèi)部葡萄花油層砂體自南向北逐漸減薄[29]，多邊形斷層發(fā)育區(qū)葡萄花油層砂層段厚度普遍小于14 m，而不發(fā)育多邊形斷層的北部地區(qū)砂層厚度普遍大于這個(gè)范圍(見(jiàn)圖4)。很明顯，厚層砂巖的出現(xiàn)對(duì)多邊形斷層的發(fā)育起了重要影響，這種現(xiàn)象在世界其他盆地也有發(fā)現(xiàn)，例如Faeroe—Shetland盆地內(nèi)1個(gè)多邊形斷層發(fā)育層序中[13]，有1個(gè)夾在厚層細(xì)粒黏土層內(nèi)的海底扇向著地層邊界減薄，在砂體最厚的地區(qū)多邊形斷層不發(fā)育，而在減薄的地區(qū)發(fā)育(見(jiàn)圖9)。夾裹在泥巖中的相對(duì)粗粒的砂巖會(huì)阻礙多邊形斷層的發(fā)育，說(shuō)明它的某種特性能夠抑制斷裂的成核或阻礙斷層的擴(kuò)展，然而，產(chǎn)生這種影響的機(jī)制尚不明確，是砂巖的力學(xué)性質(zhì)影響還是內(nèi)部物質(zhì)成分或孔隙流體化學(xué)的側(cè)向變化等其他因素影響還不得而知。但是，這種砂泥互層的區(qū)域也為人們繼續(xù)研究斷層的生長(zhǎng)歷史提供了線索，若范圍足夠廣，則在多邊形斷層發(fā)育的地區(qū)突然出現(xiàn)了1塊斷層消失的區(qū)域，這可能是砂體的影響。

圖9 Faeroe—Shetland盆地厚層砂巖對(duì)層控多邊形斷層分布的影響[13]

4.2 成因機(jī)制

關(guān)于多邊形斷層的發(fā)育特征，盡管有超過(guò)20年的探索研究，但目前關(guān)于其成因機(jī)制國(guó)際上依然缺乏明確的解釋。前人對(duì)三肇凹陷多邊形斷層成因機(jī)制也進(jìn)行過(guò)探討，付曉飛等[6]認(rèn)為三肇凹陷T11多邊形斷層系可能是盆地反轉(zhuǎn)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)青山口組泥巖層密度反轉(zhuǎn)的結(jié)果，但多邊形斷層系下部并沒(méi)發(fā)現(xiàn)有泥巖上涌的波狀變形痕跡；另一方面，根據(jù)斷層的發(fā)育特征，多邊形斷層應(yīng)當(dāng)形成于青山口組末期至葡萄花油層早期，而不是反轉(zhuǎn)期形成的，所以，密度反轉(zhuǎn)的觀點(diǎn)并不適合；He等[36]認(rèn)為多邊形斷層可能是脫水收縮作用的結(jié)果，脫水收縮作用多發(fā)生于蒙脫石含量較高的地層中，而三肇凹陷粘土礦物中伊利石含量較高，蒙脫石含量較低，不具備脫水收縮作用發(fā)生的條件，故脫水收縮作用也不是該區(qū)斷層的成因機(jī)制。丁修建等[39]認(rèn)為溶解作用形成的剪切破裂是該區(qū)多邊形斷層可能的成因，可是顆粒溶解作用為何只在特定層位產(chǎn)生破裂，微觀上產(chǎn)生的裂縫又如何發(fā)育成延伸長(zhǎng)度超1 km的規(guī)模斷層等問(wèn)題缺少明確解釋，另一方面，這種實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)的結(jié)論在實(shí)際的地質(zhì)環(huán)境中也很難得到有效驗(yàn)證，所以，溶解作用產(chǎn)生多邊形斷層的說(shuō)法尚存在爭(zhēng)議。

值得注意的是：從斷層幾何特征的統(tǒng)計(jì)看，肇州油田層控?cái)嗔炎呦蛞詵|西向?yàn)橹?，與該區(qū)斜坡走向平行，剖面上斷層為平直斷層，具有優(yōu)勢(shì)的斷層傾向，多數(shù)都向著地層上傾方向傾斜(見(jiàn)圖7)。以上這些特征都與北海外馬里灣斜坡處古近系層控?cái)嗔训陌l(fā)育特征相似，Higgs等[16]最早用重力滑動(dòng)機(jī)制來(lái)解釋其成因。多邊形斷層對(duì)局部應(yīng)力的變化較敏感，當(dāng)有斜坡[16]或構(gòu)造斷層[31]影響時(shí)斷層平面組合可能會(huì)偏離多邊形形態(tài)，許多學(xué)者研究了沉積斜坡對(duì)多邊形斷層發(fā)育的影響[16,37?38]。Stewart等[32]提出多米諾斷層的傾向與地層的邊界條件有關(guān)，受地層強(qiáng)度差異的影響，當(dāng)變形層下部不存在滑脫層而是一個(gè)相對(duì)的剛性層時(shí)，地層翹傾容易導(dǎo)致上部軟弱層形成一系列反向斷層(圖10(a))；與之相反，當(dāng)變形層底部有滑脫層存在時(shí)，順向斷層和反向斷層都有可能出現(xiàn)，但在實(shí)際地質(zhì)條件下以順向斷層居多(圖10(b))。

(a) 基底沒(méi)有滑脫層的斷層展布模式；(b) 基底有滑脫層的斷層展布模式

隨著三維地震技術(shù)的發(fā)展，多數(shù)觀點(diǎn)都力圖解釋多邊形斷層的網(wǎng)狀特征的成因。所以，一方面，由于無(wú)法解釋斷層多方位的展布特征，另一方面，目前發(fā)現(xiàn)的多邊形斷層發(fā)育區(qū)除了古斜坡以外，大部分是在平緩的盆底地區(qū)，這樣早期提出重力滑動(dòng)機(jī)制的觀點(diǎn)就很難被廣泛接受。但對(duì)于斜坡部位具有優(yōu)勢(shì)展布方位的層控?cái)鄬觼?lái)說(shuō)，重力滑動(dòng)作用仍可能是解釋其發(fā)育特征的最好機(jī)制。

肇州油田層控?cái)嗔哑拭嫔媳幌薅ㄔ谟邢薜姆秶鷥?nèi)，斷層下部端點(diǎn)向著青山口組內(nèi)部層A逐漸終止(見(jiàn)圖6)。斷層一致向著斜坡上傾方向傾斜，構(gòu)成一系列多米諾式的反向斷層，發(fā)育特征與Stewart等[32]提出的反向多米諾斷層展布方式相似。從斷裂的展布特征及斷裂發(fā)育時(shí)期與青山口組末—姚家組早期構(gòu)造抬升事件相吻合這2方面看，本文作者推斷斷裂的形成可能是重力滑動(dòng)的結(jié)果。青山口中下部含有大量油頁(yè)巖，一方面，相對(duì)上部地層較早地接受壓實(shí)，巖石強(qiáng)度增加；另一方面，頁(yè)巖壓實(shí)成巖過(guò)程中蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生的鈣離子和硅離子都會(huì)使得地層脆性增強(qiáng)，相對(duì)于青山口組上部弱壓實(shí)地層來(lái)說(shuō)是一個(gè)相對(duì)的剛性層。青山口組末期地層翹傾，斷層下部端點(diǎn)受底部相對(duì)剛性層的影響被“釘”住，而上部端點(diǎn)沿斜坡向下滑動(dòng)(見(jiàn)圖10(a))，在簡(jiǎn)單剪切作用下形成一系列反向斷層。重力滑動(dòng)的觀點(diǎn)可以解釋目前層控?cái)鄬拥膸缀翁卣?，但仍需要進(jìn)一步深入研究。隨著巖心測(cè)試資料的完善，獲知實(shí)測(cè)地層強(qiáng)度差異的數(shù)據(jù)后這個(gè)觀點(diǎn)會(huì)得到相應(yīng)驗(yàn)證。

4.3 多邊形斷層在油氣成藏中的作用

三肇凹陷是松遼盆地北部重要的生油、富油凹陷，葡萄花油層為其主要產(chǎn)層之一，經(jīng)過(guò)多年的勘探與開(kāi)發(fā)，含油面積整體疊合連片，具有滿凹含油的特征[40]。肇州油田由于構(gòu)造上具有有利的鼻狀構(gòu)造背景，是三肇凹陷有利的油氣富集區(qū)，油田的西部和中部油大面積連片(見(jiàn)圖7)。三角洲前緣席狀砂和水下河道是油分布的主要儲(chǔ)集砂體[30]，然而，其東部油氣顯示較差(見(jiàn)圖11)，鉆井成功率較低。東西兩區(qū)相互臨近，油源條件和儲(chǔ)層特征相同，油氣成藏的靜態(tài)要素并無(wú)顯著差異，因此，造成油水分布差異的主要原因應(yīng)當(dāng)是斷裂對(duì)油輸導(dǎo)特征的差異。

圖11 肇州油田區(qū)域油藏剖面圖(剖面位置見(jiàn)圖7)

三肇凹陷控制中淺層油氣成藏的主力烴源巖為青一段泥巖，青二、三段泥巖由于處于低熟階段對(duì)油成藏的貢獻(xiàn)較小，青一段烴源巖生排的油需要溝通儲(chǔ)層和源巖的油源斷裂的輸導(dǎo)，才能向上運(yùn)移至葡萄花油層的儲(chǔ)層中，而對(duì)于葡萄花油層發(fā)育的不同類型斷裂，在不同時(shí)期活動(dòng)的差異性控制了油水分布的范圍。

4.3.1 葡萄花油層斷層活動(dòng)性質(zhì)

明水組沉積末期，在NW—SE向的擠壓應(yīng)力作用下[41]，松遼盆地強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)形成多個(gè)大型反轉(zhuǎn)構(gòu)造，三肇凹陷周邊的大慶長(zhǎng)垣、長(zhǎng)春嶺背斜及綏棱背斜在此時(shí)期定型。然而，三肇凹陷內(nèi)部受反轉(zhuǎn)作用影響相對(duì)較弱，并沒(méi)有明顯的反轉(zhuǎn)構(gòu)造，但在NW—SE向區(qū)域主壓應(yīng)力作用下，葡萄花油層先前存在的眾多NW—近SN向斷裂斜滑活動(dòng)，向上生長(zhǎng)延伸，而此時(shí)NNE—近WE向斷層受正向擠壓作用，斷面緊閉而不易活動(dòng)。青一段源巖在嫩江組末期開(kāi)始生烴，明水組末期開(kāi)始大量排烴，烴源巖大量生排烴期也是松遼盆地中淺層油藏的主要成藏時(shí)期，所以，三肇凹陷葡萄花油層油藏最早形成于嫩江組時(shí)期，發(fā)育于明水組末期。從地震數(shù)據(jù)上，三肇凹陷目前能有效識(shí)別出的最上部層序是嫩二段，其頂部對(duì)應(yīng)地震反射層位為T(mén)06反射層。前人普遍將連通葡萄花油層和青一段源巖并向上斷至T06層以上的生長(zhǎng)斷裂(嫩江組中晚期活動(dòng)的斷裂)定為油源斷裂[42]，即為本文的Ⅲ型斷裂，這些斷裂多是NNW向展布的密集帶邊界斷裂，而Ⅰ型和Ⅱ型斷裂在成藏期均不活動(dòng)，主要起遮擋油氣的作用。

進(jìn)入新生代后，太平洋板塊俯沖方向的轉(zhuǎn)變和后期日本海的弧后擴(kuò)張作用，松遼盆地區(qū)域擠壓應(yīng)力主要為NEE向[43]。這一應(yīng)力方向一直持續(xù)至今，由于應(yīng)力機(jī)制的轉(zhuǎn)變，斷裂的啟閉性也發(fā)生了變化：早期(嫩江組—明水組)活動(dòng)的北北西—南北向斷裂(Ⅲ型斷裂)，在北北東向擠壓作用下停止活動(dòng)，而此時(shí)北北東—東西向斷裂(主要為Ⅰ型斷裂及部分Ⅱ型斷裂)則易于開(kāi)啟。從油田實(shí)際生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)來(lái)看印證了這一結(jié)論。肇州油田葡萄花油層現(xiàn)今實(shí)測(cè)地層最大水平主應(yīng)力為32 MPa，方向?yàn)镹80°E，顯示出其應(yīng)力方向?qū)艖?yīng)力方向的繼承。肇50-21井區(qū)開(kāi)展井間示蹤劑注入試油，與該井平行的東西向井排可以檢測(cè)到示蹤劑，而其他方向井排沒(méi)有示蹤劑顯示，說(shuō)明在該井東西方向存在高滲透帶。通過(guò)結(jié)合電位法井間監(jiān)測(cè)、鉆井取芯及測(cè)井解釋結(jié)果，葡萄花油層發(fā)育眾多NEE—WE向與最大水平主應(yīng)力方向平行的裂縫，這些裂縫構(gòu)成了流體運(yùn)移的高滲透性條帶。斷裂帶和裂縫的滲透性與原地應(yīng)力的方位有一定關(guān)系，通常認(rèn)為沿平行或近平行于最大水平主應(yīng)力(Hmax)方向的高角度裂縫或斷裂帶，由于作用到斷面上的正應(yīng)力最小而容易產(chǎn)生膨脹趨勢(shì)，滲透率會(huì)得到增強(qiáng)[44?45]。肇州油田葡萄花油層現(xiàn)今Hmax的方位為N80oE，可以推斷NEE—WE向斷層和裂縫可能是開(kāi)啟的(見(jiàn)圖7)。這里值得說(shuō)明的是，斷裂帶的滲透性可能受膠結(jié)作用的影響而變化，所以，開(kāi)啟斷層的方向并不一定都依賴于Hmax的方向，尤其是在大于3 km的深度下[46]。然而，本區(qū)多邊形斷層發(fā)育的層位均小于1.5 km，另外結(jié)合井間示蹤劑和電位法裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果及目前油藏分布與油源斷裂較吻合，有理由推斷Hmax的方向是控制研究區(qū)斷層帶滲透性的主要因素。肇州油田葡萄花油層發(fā)育遠(yuǎn)源河控淺水三角洲前緣亞相[30]，儲(chǔ)層砂體薄，單砂體一般低于2 m，儲(chǔ)層物性差，但儲(chǔ)層內(nèi)大量斷裂發(fā)育，將增加儲(chǔ)層物性的非均質(zhì)性。低孔滲儲(chǔ)層中高滲透性斷裂的廣泛發(fā)育使得油沿?cái)嗔押土芽p運(yùn)移調(diào)整要比沿砂體流動(dòng)更容易。

4.3.2 葡萄花油層油成藏規(guī)律

從斷層的活動(dòng)性質(zhì)看，由成藏期及之后應(yīng)力場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)變化而引起的斷裂差異活動(dòng)是肇州油田葡萄花油層油成藏主控因素。圖12所示可說(shuō)明肇州油田葡萄花油層斷裂演化和成藏的過(guò)程。青山口組沉積早期在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的作用下，形成了有優(yōu)勢(shì)走向的T2斷裂系，隨著區(qū)域應(yīng)力的持續(xù)作用，青山口組上部發(fā)育繼承性構(gòu)造斷裂(Ⅱ型和Ⅲ斷裂)，展布方位與下部T2斷裂相同，兩者之間通過(guò)限制型疊覆帶實(shí)現(xiàn)應(yīng)力傳遞(見(jiàn)圖12(a))。在青山口組沉積末期—葡萄花油層早期，三肇凹陷南部構(gòu)造抬升，地層翹傾引起層A上部泥巖發(fā)生重力滑動(dòng)，形成一系列走向平行斜坡，傾向與斜坡相反的層控多邊形斷層(Ⅰ型斷裂)(見(jiàn)圖12(b))；在葡萄花油層沉積時(shí)期，三肇凹陷南部持續(xù)抬升，儲(chǔ)層砂體自北向南減薄，肇州油田薄層砂體對(duì)斷層的拓展阻礙較小，層控?cái)鄬酉蛏仙L(zhǎng)錯(cuò)斷儲(chǔ)層；在明水組末期盆地反轉(zhuǎn)，受NNW向擠壓應(yīng)力影響，NNW—SN向斷裂傾滑活動(dòng)，此時(shí)期也是葡萄花油層成藏的主要時(shí)期，這些活動(dòng)的斷裂成為油從青一段源巖向上部葡萄花油層垂向輸導(dǎo)的油源斷裂(Ⅲ型斷裂)(見(jiàn)圖12(c))，這些斷裂主要分布在肇州油田的中西部，東部地區(qū)并無(wú)油源斷裂，而此時(shí)EW向和NNE向展布的Ⅰ型層控?cái)嗔押廷蛐蛿嗔咽苷驍D壓，斷面緊閉，對(duì)油成藏主要起遮擋作用(見(jiàn)圖12(c))。進(jìn)入新生代以來(lái)，盆地發(fā)育處于萎縮階段，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻麰W向，這個(gè)方向的高角度斷裂和裂縫在區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)的作用下具有膨脹趨勢(shì)，形成易于流體流動(dòng)的高滲透帶(主要為Ⅰ型斷裂和小部分Ⅱ型斷裂)，有利于油在儲(chǔ)層內(nèi)的橫向調(diào)整，使得油藏相互連通、分布連片(見(jiàn)圖12(d))，而NNW—SN向斷裂此時(shí)受正向擠壓而處于封閉狀態(tài)，這樣就阻礙了早期油源斷裂附近的油向肇州東部的橫向運(yùn)移(見(jiàn)圖12(d))。成藏期沒(méi)有油源斷裂的垂向輸導(dǎo)，后期油的橫向運(yùn)移又受到阻礙，這是造成肇州東部油氣顯示差的主要原因。

(a) 青山口組沉積后T11斷理解展布模式；(b) 姚家組沉積早期層控多邊形斷層展布模式；(c) 油氣成藏期斷裂控制藏模式；(d) 主成藏期后多邊形斷層促進(jìn)油藏連片模式

5 結(jié)論

1)松遼盆地三肇凹陷南部肇州油田發(fā)育眾多東西向展布的層控多邊形斷層，斷層延伸長(zhǎng)度150~3 000 m，斷距多小于10 m，剖面上被限定在青山口組上部至姚一段之間的有限范圍內(nèi)，斷裂展布方位與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向不協(xié)調(diào)，用構(gòu)造作用的觀點(diǎn)無(wú)法解釋其成因。

2) 層控多邊形斷層平面展布受砂體和構(gòu)造斷層的影響，集中分布在砂巖較薄的區(qū)域，并且多向著構(gòu)造斷層下盤(pán)生長(zhǎng)，與構(gòu)造斷裂高角度相交。

3) 層控?cái)嗔颜共挤轿慌c斜坡走向平行，剖面上斷層多向著斜坡上傾方向傾斜，構(gòu)成一系列反向多米諾式斷裂組合。這些斷裂的下部端點(diǎn)一致向著青山口組內(nèi)部一個(gè)統(tǒng)一界面(層A)收斂，斷裂發(fā)育時(shí)期與青山口組末—姚家組早期構(gòu)造抬升事件相吻合，這表明重力滑動(dòng)作用是控制斷層發(fā)育的成因。

4) 肇州油田中部和西部葡萄花油層油藏充滿程度高，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)連片，但其東部地區(qū)含油顯示差，究其原因歸結(jié)為不同時(shí)期斷裂的差異活動(dòng)引起不同類型斷裂在油藏中的作用不同，具體表現(xiàn)為成藏期北西—北北西向斷裂斜滑活動(dòng)，成為油從青一段源巖向上部葡萄花油層垂向輸導(dǎo)的油源斷裂(Ⅲ型斷裂)，而此時(shí)東西向和北北東斷裂(Ⅰ型層控?cái)嗔押廷蛐蛿嗔?受正向擠壓主要起遮擋作用。自新生代以來(lái)至現(xiàn)今，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻鼥|西向擠壓，平行于這個(gè)方向的斷裂由于斷面正應(yīng)力小而具有膨脹趨勢(shì)，東西向Ⅰ型層控?cái)嗔押筒糠症蛐蛿嗔芽梢宰鳛橛蛡?cè)向運(yùn)移的高滲透通道，使油藏連片。肇州油田東部成藏期沒(méi)有油源斷裂的垂向輸導(dǎo)，后期油的橫向運(yùn)移又受到阻礙，故油氣顯示差。

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(編輯 陳燦華)

Development characteristic of layer-bound polygonal faults and their role in hydrocarbon accumulation in Zhaozhou Oilfield, Songliao Basin

PING Guidong1, 2, FU Xiaofei1, 2,LIU Zongbao1, XIE Zhaohan1, 2, GAO Yuting3, FANG Xiao3

(1. Faculty of Earth Sciences, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2. Science and Technology Innovation Team, Daqing 163318, China; 3. Qingxing Oil Development Limited Liability Company, Anda 151413, China)

Through the 3D seismic data interpretation and coherence slices, combined with depositional characteristics of Putaohua reservoir, the development characteristic of layer-bound polygonal faults (PFs) was studied in Zhaozhou oilfield in the south of Sanzhao depression, Songliao Basin. The results show that the layer-bound faults show preferential alignment, that most faults distribution are parallel to the strike of the slope and that aligned faults incline to updip direction of slope. The development period of PFs is coincided with a late Qingshankou stage to early Yaojia stage tilting event, and gravity sliding model is proposed as a possible mechanism for the deformation. Plannar distribution of the faults is controlled by sand body and tectonic faults, PFs mainly concentrate in the area where sandstone-bearing stratum is thin, and individual PFs mostly grow to the footwall of the tectonic faults. Because of the difference in the activity of PFs in geological times, there are differences in the role of faults in hydrocarbon accumulation. The regional stress field of hydrocarbon accumulation period (the end of Mingshui formation) is NW trending compressive stress, NW—NNW faults where oblique slipping occur are pathways for oil migrating vertically from the source rock of the Qing-l member up to Putaohua reservoir, yet layer-bounding EW trending faults are closed under normal compression, so PFs play seal effect in hydrocarbon accumulation. Since the Cenozoic, regional stress field transforms into EW trending compression, PFs oriented parallel or nearly parallel to the maximum horizontal principal stress show high permeability. PFs are expected to be the dominant lateral migration pathways for oil within low-permeability reservoir, and make oil reservoir interconnected.

polygonal faults; layer-bound; gravity sliding; Putaohua reservoir; reservoir-controlling

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.04.025

TE122

A

1672?7207(2015)04?1353?13

2014?04?10；

2014?06?22

黑龍江省杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(JC201304) (Project (JC201304) supported by the Outstanding Youth Science Fund Project of Heilongjiang Province, China)

平貴東，博士，講師，從事斷裂變形、封閉性及控藏機(jī)理研究；E-mail：pingguidong@126.com