夏欽禹 ,吳勝和,馮文杰
(1.中國(guó)石油 勘探開發(fā)研究院,北京 100083;2.中國(guó)石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249;3.長(zhǎng)江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,武漢 430100)
同生斷層,即同沉積斷層,一直以來受到構(gòu)造學(xué)家及沉積學(xué)家的廣泛關(guān)注。與拉張性的同生正斷層不同,同生逆斷層通常發(fā)育于擠壓盆地邊緣,逆斷層自身俯沖及伴生的褶皺構(gòu)造形變影響可容空間的大小,因而對(duì)盆地邊緣沉積具有較強(qiáng)的控制作用[1-7]。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為同生斷層的活動(dòng)強(qiáng)度影響沉積物的沉積速率及分布[8-10]。針對(duì)同生正斷層,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者采用不同的方法開展了斷層活動(dòng)性研究[11-28],但對(duì)于上升盤遭受剝蝕的同生逆斷層,特別是其伴生褶皺構(gòu)造的活動(dòng)性研究前人涉及較少。因此,本文以準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)三疊系克拉瑪依組同生逆斷層及其伴生褶皺構(gòu)造為例,利用地震及密井網(wǎng)資料,采用不同的方法評(píng)價(jià)了同生逆斷層及其伴生褶皺的活動(dòng)強(qiáng)度,分析了二者活動(dòng)強(qiáng)度的相關(guān)性,為同生逆斷層及其伴生褶皺活動(dòng)性的評(píng)價(jià)提供了思路。
準(zhǔn)噶爾盆地西北緣為典型的擠壓型盆地邊緣,湖灣區(qū)位于盆地西北緣克百斷裂帶西段,呈條帶狀分布于加依爾山東部(圖1)。研究區(qū)斷層十分發(fā)育,根據(jù)斷層的斷距大小以及斷層對(duì)沉積體的控制作用等,可將準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)斷層劃分為4個(gè)級(jí)別(表1)。
圖1 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣研究區(qū)位置與斷層分布情況
目的層三疊系克拉瑪依組可細(xì)分為克上亞組和克下亞組2個(gè)油組??讼聛喗M自下而上分為2個(gè)砂組:S7砂組(包括小層小層、小層和小層)和S6砂組??松蟻喗M自下而上分為5個(gè)砂組:S5砂組、S4砂組、S3砂組、S2砂組和S1砂組。
同生斷層是在沉積物沉積的同時(shí)發(fā)育的斷層,并導(dǎo)致上升盤可容空間遠(yuǎn)小于下降盤,繼而影響沉積體系及砂體展布。目前,研究同生斷層活動(dòng)性的方法較多,主要包括生長(zhǎng)指數(shù)、斷層落差、古滑距、斷層落差—深度圖、斷層活動(dòng)速率、斷層位移—長(zhǎng)度關(guān)系分析等方法。每種方法均存在優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),其適用性需要結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況具體分析。
由于本次研究以砂組(小層)為單位分析各時(shí)期斷層的活動(dòng)強(qiáng)度,而各砂組(小層)沉積的時(shí)間跨度數(shù)據(jù)難以獲得且精度較低,因此難以使用斷層活動(dòng)速率法分析斷層活動(dòng)強(qiáng)度;斷層落差—深度圖定量化不夠;生長(zhǎng)指數(shù)計(jì)算結(jié)果雖然受上升盤地層剝蝕作用的影響,但本次研究首先確定了上升盤地層剝蝕厚度,根據(jù)恢復(fù)的原始地層厚度計(jì)算斷層生長(zhǎng)指數(shù),克服了這一缺陷;而斷層落差與滑距差異不大。
因此,本文對(duì)研究區(qū)內(nèi)4條主要同生逆斷層的地層厚度和斷層落差進(jìn)行統(tǒng)計(jì),綜合運(yùn)用生長(zhǎng)指數(shù)法和斷層落差法來分析研究區(qū)內(nèi)主要同生逆斷層的活動(dòng)時(shí)期和活動(dòng)強(qiáng)度,驗(yàn)證生長(zhǎng)指數(shù)法分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
表1 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)主要斷裂要素統(tǒng)計(jì)
Thorsen在1963年首次提出斷層生長(zhǎng)指數(shù)的概念,此后生長(zhǎng)指數(shù)在國(guó)內(nèi)外的生長(zhǎng)斷層研究中廣泛應(yīng)用并取得了成功,直至今日仍在運(yùn)用該方法分析生長(zhǎng)斷層的活動(dòng)性。不同學(xué)者對(duì)生長(zhǎng)指數(shù)具體含義的理解不同。本文定義的生長(zhǎng)指數(shù)為下降盤地層厚度與上升盤地層厚度的比值。
針對(duì)生長(zhǎng)指數(shù)法計(jì)算斷層活動(dòng)性的研究現(xiàn)狀和局限性,考慮到研究區(qū)同生逆斷層上盤克上亞組存在地層剝蝕,現(xiàn)今厚度不能反映原始斷層活動(dòng)性。本文通過地層剝蝕厚度恢復(fù)得到原始地層厚度后,選取研究區(qū)內(nèi)近垂直斷層走向的15條連井剖面,統(tǒng)計(jì)130口井上4條主要同生逆斷層上、下盤地層厚度,并利用生長(zhǎng)指數(shù)計(jì)算同生斷層活動(dòng)性。
(1)克拉瑪依斷層 克拉瑪依斷層為控制盆地沉積的一級(jí)同生逆斷層。在克拉瑪依組不同砂組沉積時(shí)期,其生長(zhǎng)指數(shù)遠(yuǎn)大于其他3條三級(jí)和四級(jí)同生逆斷層。最大生長(zhǎng)指數(shù)為2.40,對(duì)應(yīng)于S4砂組沉積時(shí)期;最小生長(zhǎng)指數(shù)為1.40,對(duì)應(yīng)于S6砂組沉積時(shí)期??死斠罃鄬釉诳松蟻喗M各砂組沉積時(shí)期的生長(zhǎng)指數(shù)均大于克下亞組各砂組,表明克上亞組沉積時(shí)期活動(dòng)強(qiáng)度整體上大于克下亞組。
(2)北黑油山斷層 北黑油山斷層為克拉瑪依斷層上盤的一條三級(jí)同生逆斷層。斷層生長(zhǎng)指數(shù)遠(yuǎn)小于克拉瑪依斷層。在克拉瑪依組不同砂組沉積時(shí)期,其生長(zhǎng)指數(shù)相差不大,最大生長(zhǎng)指數(shù)僅為1.30,最小生長(zhǎng)指數(shù)約為1.15,反映北黑油山斷層在克拉瑪依組沉積時(shí)期整體活動(dòng)性較弱且較穩(wěn)定,克下亞組沉積時(shí)期其生長(zhǎng)指數(shù)較克上亞組略大。
(3)南黑油山斷層 南黑油山斷層同樣為克拉瑪依斷層上盤一條三級(jí)同生逆斷層,其最大生長(zhǎng)指數(shù)為1.30,最小生長(zhǎng)指數(shù)接近1.00,整體活動(dòng)強(qiáng)度較弱,且克上亞組和克下亞組沉積時(shí)期差異較小。
(4)3034斷層 相較于北黑油山斷層和南黑油山斷層,3034斷層位于克拉瑪依斷層以及北黑油山斷層上盤,距克拉瑪依斷層較遠(yuǎn),為一條四級(jí)斷層,整體上對(duì)沉積的控制作用不大。由于克下亞組沉積時(shí)期3034斷層附近為構(gòu)造高部位,未能接受沉積。從其他砂組生長(zhǎng)指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,3034斷層最大生長(zhǎng)指數(shù)接近1.10,大部分時(shí)期生長(zhǎng)指數(shù)接近1.00,斷層活動(dòng)強(qiáng)度很弱。
縱觀各斷層各砂組生長(zhǎng)指數(shù)可以看出,生長(zhǎng)指數(shù)反映的斷層活動(dòng)強(qiáng)度與斷層級(jí)次具有較好一致性。各砂組沉積時(shí)期,一級(jí)同生逆斷層克拉瑪依斷層的活動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于三級(jí)和四級(jí)同生逆斷層(圖2)。一級(jí)同生逆斷層平均生長(zhǎng)指數(shù)大于2.00,三級(jí)同生逆斷層平均生長(zhǎng)指數(shù)為1.20,四級(jí)同生逆斷層生長(zhǎng)指數(shù)為1.00~1.10.
圖2 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)主要同生逆斷層在克拉瑪依組各砂組沉積時(shí)期生長(zhǎng)指數(shù)直方分布
由于利用生長(zhǎng)指數(shù)計(jì)算斷層活動(dòng)強(qiáng)度存在一定局限性,本文還采用斷層落差法來輔助計(jì)算斷層各時(shí)期的活動(dòng)強(qiáng)度。所謂生長(zhǎng)斷層的落差指的是在垂直于斷層走向的剖面上,斷層兩盤對(duì)應(yīng)層位間的鉛直距離,并可用同一地質(zhì)歷史時(shí)期下降盤厚度與上升盤厚度之差來表示。
在上盤地層存在剝蝕而無法確定原始沉積厚度的情況下,下降盤地層厚度就是該時(shí)期的落差??死斠罃鄬勇洳钭畲螅畲罂蛇_(dá)24.0 m;3034斷層落差最小,最大僅為1.3 m(圖3)??傮w來看,生長(zhǎng)指數(shù)計(jì)算結(jié)果與斷層落差統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致,二者相關(guān)性較好,因此,綜合生長(zhǎng)指數(shù)法和斷層落差法得到的同生逆斷層活動(dòng)強(qiáng)度可靠程度較高(圖4)。
圖3 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)主要同生逆斷層克拉瑪依組斷層落差直方分布
圖4 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)同生逆斷層落差與生長(zhǎng)指數(shù)交會(huì)圖
同生逆斷層的伴生褶皺位于斷層上盤,是由于在地層沉積過程中受到側(cè)向擠壓作用而形成的具有彎曲形態(tài)的背斜狀隆起構(gòu)造。伴生褶皺活動(dòng)的結(jié)果是導(dǎo)致褶皺頂部和翼部構(gòu)造抬升幅度的明顯差異。依據(jù)沉積補(bǔ)償原理,構(gòu)造低部位沉積厚度大于構(gòu)造高部位沉積厚度。因此,伴生褶皺活動(dòng)作用的間接體現(xiàn)就是頂部與翼部原始沉積地層厚度的厚薄差異,這也是識(shí)別伴生褶皺的主要依據(jù)。
本文選擇以砂組(小層)為單位恢復(fù)各時(shí)期伴生褶皺的活動(dòng)強(qiáng)度,既保證了伴生褶皺活動(dòng)強(qiáng)度恢復(fù)的精度,也合理地劃分了伴生褶皺的活動(dòng)時(shí)期。研究區(qū)克下亞組為連續(xù)沉積,地層厚度完整,能夠反映各時(shí)期伴生褶皺活動(dòng)強(qiáng)度。而克上亞組沉積時(shí)期,湖灣區(qū)東北部存在不同程度的剝蝕作用,有的砂組完全被剝蝕,有的則部分剝蝕殘留一定厚度,因此現(xiàn)今地層厚度不能反映真實(shí)的伴生褶皺活動(dòng)強(qiáng)度,必須對(duì)地層剝蝕量進(jìn)行恢復(fù)?;诖?,本文選取湖灣區(qū)東北部典型伴生褶皺為目標(biāo)區(qū),通過恢復(fù)克上亞組地層剝蝕厚度得到克上亞組原始沉積地層厚度,根據(jù)伴生褶皺翼部與頂部地層厚度差值確定伴生褶皺抬升幅度,并通過伴生褶皺頂部地層厚度與翼部地層厚度的比值確定伴生褶皺相對(duì)活動(dòng)強(qiáng)度。
剝蝕厚度恢復(fù)是盆地定量分析的基本問題之一,很多地質(zhì)工作者進(jìn)行了深入的研究。目前,地層剝蝕厚度的恢復(fù)方法較多,常用的方法包括:參考層厚度變化率法、泥巖聲波時(shí)差法、地震剖面直接追蹤法、流體包裹體法等。但是現(xiàn)有方法都有一定的使用條件和局限性,各具優(yōu)缺點(diǎn)[29-31]。
研究區(qū)被剝蝕地層上覆地層厚度遠(yuǎn)大于剝蝕厚度,原始沉積規(guī)律被改造,因此無法使用聲波時(shí)差法、鏡質(zhì)體反射率法等。同時(shí),由于各砂組厚度較小,地震剖面追蹤難度較大,無法使用地震剖面直接追蹤法[32-36]??紤]到研究區(qū)井?dāng)?shù)較多,井資料十分豐富,本次研究采用參考層厚度變化率法和鄰層厚度比值法兩種方法相結(jié)合來恢復(fù)地層剝蝕厚度[37](圖5)。
圖5 參考層厚度變化率法與鄰層厚度比值法示意圖
參考層厚度變化率法計(jì)算剝蝕厚度公式:
式中 hA——A點(diǎn)地層厚度,m;
hA0,hB0,hC0——分別為A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)參考層厚度,m;
hB——B點(diǎn)剝蝕層原始厚度,m;
——B點(diǎn)剝蝕層現(xiàn)今殘留厚度,m;
hBE——B點(diǎn)剝蝕厚度,m;
LAB——A點(diǎn)與B點(diǎn)間距離,m;
LAC——A點(diǎn)與C點(diǎn)間距離,m;
RAB——A點(diǎn)與B點(diǎn)間地層厚度變化率;
RAC——A點(diǎn)與C點(diǎn)間地層厚度變化率。
鄰層厚度比值法計(jì)算剝蝕厚度公式:
本次研究通過研究區(qū)內(nèi)50條連井地層對(duì)比剖面,對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)近200口井的克上亞組進(jìn)行了剝蝕量的恢復(fù),研究表明,由于S2砂組沉積之后的抬升作用,導(dǎo)致湖灣區(qū)東北部克上亞組自下而上地層剝蝕厚度逐漸增大,剝蝕范圍也逐漸增大。伴生褶皺的局部上隆作用以及逆沖斷層上盤整體抬升是控制剝蝕厚度的主要因素。
(1)活動(dòng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)參數(shù) 對(duì)克上亞組地層剝蝕厚度恢復(fù)之后,結(jié)合現(xiàn)今殘余地層厚度就可以得到原始沉積的地層厚度。根據(jù)沉積補(bǔ)償原理,當(dāng)沉積前存在古地形差異或發(fā)育同生構(gòu)造時(shí),各部位沉積的地層厚度差異能夠反映沉積前的古地貌差異或同生構(gòu)造抬升幅度。
基于以上原理,本文以原始地層厚度為依據(jù),首先圈定不同時(shí)期伴生褶皺的平面發(fā)育范圍,然后統(tǒng)計(jì)不同時(shí)期伴生褶皺的長(zhǎng)度、寬度、長(zhǎng)寬比、面積等基本參數(shù)。為了定量評(píng)價(jià)伴生褶皺的活動(dòng)強(qiáng)度大小,本文定義了伴生褶皺抬升幅度(F)與活動(dòng)強(qiáng)度(Q)2個(gè)參數(shù)。伴生褶皺抬升幅度指的是伴生褶皺翼部地層厚度與伴生褶皺發(fā)育范圍內(nèi)地層厚度的差。活動(dòng)強(qiáng)度指的是抬升幅度與翼部地層厚度的比值。
式中 F——伴生褶皺的抬升幅度;
hF——伴生褶皺發(fā)育范圍內(nèi)地層厚度,m;
hW——伴生褶皺翼部地層厚度,m;
Q——伴生褶皺的活動(dòng)強(qiáng)度。
(2)活動(dòng)強(qiáng)度表征結(jié)果 克上亞組沉積時(shí)期,準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)東北部伴生褶皺發(fā)育范圍較大,主要發(fā)育于克拉瑪依斷層上盤并延伸至北黑油山斷層上盤。伴生褶皺平面呈長(zhǎng)軸狀或近等軸狀,長(zhǎng)軸方向平行于斷層走向。伴生褶皺頂部活動(dòng)強(qiáng)度最大,向兩翼活動(dòng)強(qiáng)度逐漸變?。▓D6)。從S5砂組到S2砂組,伴生褶皺活動(dòng)范圍減小,并逐漸向山前后退,抬升幅度增大,最大活動(dòng)強(qiáng)度增大(表2)。
圖6 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)東北部克上亞組各砂組伴生褶皺活動(dòng)強(qiáng)度平面分布(研究區(qū)位置見圖1b)
在克下亞組沉積初期,準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)砂組地層以填平補(bǔ)齊為主,伴生褶皺作用不明顯。克下亞組伴生褶皺作用以平行于斷層的長(zhǎng)條狀為主,延伸方向大體平行于斷層走向。該時(shí)期伴生褶皺活動(dòng)性較弱,伴生褶皺面積在9~12 km2,發(fā)育范圍遠(yuǎn)小于克上亞組沉積時(shí)期。抬升幅度小于4.2 m,最大活動(dòng)強(qiáng)度僅為0.33(表3)。從下至上,整體上伴生褶皺活動(dòng)范圍減小,活動(dòng)強(qiáng)度減弱(圖7)。
表2 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)東北部克上亞組各砂組伴生褶皺參數(shù)
表3 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)東北部克下亞組S7砂組各小層伴生褶皺參數(shù)
伴生褶皺位于同生逆斷層上盤,是同生逆斷層在活動(dòng)過程中伴生的次級(jí)同生構(gòu)造。因此,伴生褶皺的形成與同生逆斷層的活動(dòng)關(guān)系密切,即通過伴生褶皺參數(shù)可以預(yù)測(cè)同生逆斷層活動(dòng)強(qiáng)度,反之亦然。
圖7 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)東北部克下亞組S7砂組各小層伴生褶皺活動(dòng)強(qiáng)度平面分布(研究區(qū)位置見圖1b)
本次研究通過統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)典型伴生褶皺各項(xiàng)參數(shù),包括長(zhǎng)度、寬度、面積、抬升幅度以及最大活動(dòng)強(qiáng)度,并分析其各項(xiàng)參數(shù)與主控伴生褶皺形成發(fā)育的克拉瑪依同生逆斷層活動(dòng)參數(shù)生長(zhǎng)指數(shù)和落差之間的相關(guān)性(圖8)。
研究表明,伴生褶皺長(zhǎng)度、寬度、抬升幅度和最大活動(dòng)強(qiáng)度與斷層活動(dòng)參數(shù)呈線性相關(guān);伴生褶皺面積與斷層活動(dòng)參數(shù)呈指數(shù)相關(guān);伴生褶皺抬升幅度與斷層活動(dòng)參數(shù)相關(guān)性最好,其與斷層落差的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.911 1;最大活動(dòng)強(qiáng)度與斷層活動(dòng)參數(shù)相關(guān)性較小,其與生長(zhǎng)指數(shù)的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.728 8.
圖8 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)伴生褶皺各項(xiàng)參數(shù)與同生逆斷層活動(dòng)參數(shù)相關(guān)性
(1)斷層級(jí)次越高,斷層活動(dòng)性越強(qiáng)。準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)在克拉瑪依組沉積時(shí)期,一級(jí)同生逆斷層克拉瑪依斷層生長(zhǎng)指數(shù)和斷層落差均遠(yuǎn)大于其他3條同生逆斷層(北黑油山斷層、南黑油山斷層和3034斷層)。一級(jí)同生逆斷層平均生長(zhǎng)指數(shù)大于2.00,三級(jí)同生逆斷層平均生長(zhǎng)指數(shù)為1.20,四級(jí)同生逆斷層生長(zhǎng)指數(shù)為1.00~1.10.
(2)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)在克下亞組沉積時(shí)期總體斷層活動(dòng)強(qiáng)度較弱,伴生褶皺范圍較小,伴生褶皺抬升幅度小于5 m;克上亞組沉積時(shí)期總體伴生褶皺活動(dòng)強(qiáng)度較大,伴生褶皺范圍較大,伴生褶皺抬升幅度為15 m左右??死斠澜M沉積時(shí)期伴生褶皺呈現(xiàn)活動(dòng)強(qiáng)度由強(qiáng)減弱再增強(qiáng)的演化規(guī)律。
(3)伴生褶皺的長(zhǎng)度、寬度、抬升幅度和最大活動(dòng)強(qiáng)度與斷層活動(dòng)參數(shù)呈線性相關(guān);伴生褶皺面積與斷層活動(dòng)參數(shù)呈指數(shù)相關(guān);伴生褶皺抬升幅度與斷層活動(dòng)參數(shù)相關(guān)性最好,其與斷層落差的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.911 1;最大活動(dòng)強(qiáng)度與斷層活動(dòng)參數(shù)相關(guān)性較小,其與生長(zhǎng)指數(shù)的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.728 8.
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