松遼盆地伏龍泉斷陷邊界斷層構造反轉率

張美華，王春華，欒 穎

(中國石化 東北油氣分公司,吉林 長春 130062)

對于同沉積斷層定量分析有多種方法:生長指數(shù)、活動速率、古落差、位移-長度關系、古滑距等[1],對于反轉斷層研究有反轉率、位移-距離曲線等方法[2-7]。近年來,國內學者在研究同沉積斷層時,對上述方法開展了探討和應用,使用較多的方法是古落差、位移-長度關系及斷層活動速率[8-11],以此來判斷盆地的沉降及沉積展布規(guī)律。在實際研究中,盆地邊界斷層通常為同沉積斷層,邊界斷層上盤地層保存較為完整,下盤位于沉積盆地外,缺失與上盤對應的同期地層,這就造成了上述反轉率、位移-距離曲線、斷層生長指數(shù)方法無法使用,而邊界斷層與盆地結構與油氣分布關系密切,斷層活動影響各種成藏組合油氣宏觀分布,控制了油氣富集類型及富集區(qū)帶[12]。有學者提出了楔形發(fā)散相指數(shù)法[13],地層楔形體法[14]來定量評價邊界斷層。針對邊界斷層,本文提出一種虛擬下盤厚度的方法,結合松遼盆地伏龍泉斷陷實際資料(研究區(qū)大部被三維地震資料覆蓋,本文構造剖面均為時深轉換后的深度域剖面),探討對邊界斷層進行定量分析的方法。

1 同沉積斷層形成的理論模式

同沉積斷層又名生長斷層、同生斷層,具有邊生長,邊沉積的特點[15],實際上,斷層活動具有間歇性和突發(fā)性,活動的過程劇烈且時間短,活動結束后進入相對穩(wěn)定期,然后接受地層沉積,而沉積的過程相對較長,直到斷層再次活動。同沉積斷層的這種活動特點稱為幕式活動,斷層的一次周期性幕式活動分為活動期和間歇期兩個階段[16]。本文假設沉積速率僅與同沉積斷層活動有關,建立同沉積斷層形成模式(圖1)。

為進一步解釋同沉積斷層的生長過程,本文引入斷面長度的概念,斷面長度定義為斷層破裂面在斷層傾向剖面上的長度。代表了斷層在縱向上的存在范圍。

將某同沉積斷層的形成過程分為3期(圖1)。從理論模式對應的斷層活動強度、沉積速率、斷面長度與時間關系圖(圖1g—i)來看,斷層活動強度呈尖峰狀,在無斷層活動的情況下,沉積速率穩(wěn)定,隨著斷層開始第1期活動,沉積速率激增,進入A地層沉積階段,可容納空間不斷被充填,沉積速率呈減小趨勢,直到第2期斷層活動,沉積速率再次激增,B地層沉積。在同沉積斷層幕式活動背景下,沉積速率呈鋸齒狀變化。斷層活動導致斷面長度增加,斷層活動結束后,斷面長度保持不變,斷面長度與時間關系呈臺階狀。

從上述理論模式可以看出:同沉積斷層的生長并非單向切割老地層,其具有向上斷開新地層,同時向下切割老地層的特點；同沉積斷層上下盤厚度差,主要是由于斷層活動造成的上盤斷陷可容納空間大于下盤造成的。

從同沉積斷層形成立體模式圖來看(圖1a′，b′，c′):斷層第1期活動在基巖上形成了第1期斷陷區(qū)(圖1a′點f1，g1，j1范圍內),基巖頂面f1處斷距最大,往斷層兩端斷距逐漸減小,斷層末端g1處斷距為零,然后斷層停止活動,被A地層填平補齊(圖1b′),A地層的厚薄展布定型,假設后續(xù)構造及沉積不再影響A地層厚度分布,斷陷區(qū)內(圖1b′點f1，g1，j1范圍內)地層厚度受斷層控制,而斷陷區(qū)外地層厚度大致相當,斷距最大處生長指數(shù)最大,斷層末端生長指數(shù)為1,因此斷層末端g1位置下盤厚度與上盤厚度一致。 同沉積斷層第2期活動導致A地層陷落,形成第2期斷陷區(qū)(圖1c′點f2,g2,j2范圍內),同時斷層水平生長,長度增加,第2期斷陷區(qū)面積比第1期擴大,A地層頂面在f2處斷距最大,g2處斷距為零,此時A地層在斷陷區(qū)內(圖1c′點f2，g2，j2范圍內)產(chǎn)狀發(fā)生變化,但厚度分布格局未變。此時不僅第2期斷陷區(qū)外地層厚度基本一致,斷陷區(qū)內緩坡帶g1與g2之間、j1與j2之間的地層厚度也與斷陷區(qū)外相當。這就為用緩坡帶地層厚度代替邊界斷層下盤厚度提供了理論依據(jù)。

上述理論模型基于平緩地貌、構造單一條件下產(chǎn)生斷陷,待斷陷填平補齊后,沉積了厚度相對穩(wěn)定的地層,盆地處于過補償狀態(tài),而實際情況下,斷陷地層往往保存不完整,由于剝蝕,古地貌及沉積速率等多種變化因素,造成斷陷各位置沉積厚度分布不穩(wěn)定,斷陷區(qū)外的地層厚度變化也較大。本文通過分析實際資料結合上述理論模型,完善反轉率及位移-距離曲線方法,盡可能接近邊界斷層生長演化的真實情況。

2 伏龍泉斷陷地質概況

伏龍泉斷陷位于松遼盆地南部,為東南隆起區(qū)上的一個次級斷陷,該斷陷發(fā)育4條邊界斷層(F1-F4),自南向北雁列狀分布,依次控制了4個沉積次洼(F4邊界斷層資料較少,本次研究不涉及),整體構造格局為東斷西超的半地塹(圖2)。

伏龍泉斷陷自下而上發(fā)育下白堊統(tǒng)[火石嶺組(K1h)、沙河子組(K1sh)、營城組(K1yc)、登婁庫組(K1d)、泉頭組(K1q)],上白堊統(tǒng)[青山口組(K2qn),姚家組(K2y),嫩江組(K2n)]及第四系(Q)。伏龍泉斷陷經(jīng)歷過3個主要的構造階段:斷陷期-拗陷期-反轉期。

圖1 同沉積斷層形成理論模式Fig.1 The theoretical model of the formation of synsedimentary faultsa.在基巖地層上斷層開始第1期活動,形成斷陷；b.斷層活動停止,進入A地層充填階段,將斷陷填平補齊,在區(qū)域整體下陷背景下,斷陷外也沉積了一定的厚度；c.斷層開始第2期活動,A地層被斷開,同時第1期斷層下切,A地層下陷形成了新的斷陷；d.B地層充填階段；e.斷層第3期活 動；f.C地層充填;g，h,i.斷層活動與時間關系；a′,b′,c′.同沉積斷層形成立體模式

從伏龍泉斷陷構造發(fā)育剖面上看(圖3),火石嶺組為斷陷前沉積,地層分布與邊界斷層活動關系不大,主要受火山地貌控制,局部發(fā)育沉積地層。沙河子組時期開始進入斷陷期,斷陷期受南東-北西向拉張應力作用,邊界斷層強烈活動,形成斷陷,發(fā)育沙河子組、營城組,地層厚度受邊界斷層控制；登婁庫組時期為斷拗轉換階段,早期邊界斷層仍然在活動,地層厚度仍然受到控制,晚期邊界斷層活動停止,地層厚度不受邊界斷層控制；拗陷期發(fā)育泉頭組及以后上白堊統(tǒng),斷層停止活動,地層厚度不受邊界斷層控制；上白堊統(tǒng)明水組末期(即白堊系K2末期)進入反轉期,此時受南東-北西向擠壓應力作用,邊界斷層再次活動,性質轉變?yōu)槟鏀鄬?伏龍泉斷陷整體抬升遭受剝蝕,在邊界斷層附近形成反轉背斜構造。

圖2 伏龍泉斷陷構造位置Fig.2 The structural location of Fulongquan fault depression

伏龍泉斷陷烴源巖主要位于沙河子組、營城組中,保存于斷陷期地層(沙河子組、營城組、登婁庫組下部)中的油氣藏為原生藏,保存于拗陷期地層(登婁庫組上部、泉頭組)中的為次生藏。明水組末期的構造反轉是次生藏形成的重要因素,反轉運動活化了斷陷期的斷裂體系,并破壞了部分原生藏,油氣沿斷層向上運移到坳陷期地層中,從而形成次生藏。

3 反轉構造與油氣成藏關系

3.1 反轉構造的研究方法

反轉作用可定義為[4]:原先由張性-張扭性斷層控制、常有同沉積期地層(被動充填層序)發(fā)育的上盤盆地(地塹或半地塹),后來在壓性-壓扭作用下發(fā)生隆起和局部擠出,由此產(chǎn)生的構造即為反轉構造(圖4)。為研究其反轉率,取沿斷面的同沉積期上盤地層長度(dh，m),地層位移零點以上長度(dc，m),地層位移零點以下長度(de，m),計算反轉率公式為[2]:

圖3 伏龍泉斷陷構造發(fā)育剖面圖(剖面位置見圖2,AA′)Fig.3 Section diagram showing the structural development of Fulongquan fault depression,(see Fig.2 for the section location)

Ri=dc/dh

(1)

反轉率Ri值無單位,僅用于定量表示反轉構造的反轉程度。把同沉積前地層的底面當作基準底,可以在斷層上盤測量該面至各層位的順斷層距離。用縱坐標標繪這一距離。而在左、右兩側的橫坐標分別標繪各地層界面的逆斷距和正斷距,這樣就可以得到一幅反映反轉構造運動學演化的位移-距離曲線(圖4d)。圖4d中右側的虛線是由線性構造造成的,其斜率的變化反映了張性斷層的發(fā)育特征。它與縱坐標的交點就是反轉前構造的零點。在此后的收縮反轉中,整條曲線雖保留其基本形狀,但需在橫坐標上移動若干距離,間距的大小與反轉程度(反轉率)有關。這時零點順縱坐標下移,真實地反映了反轉時的情形。計算反轉率所需參數(shù)(dh,dc,de)也可在圖中直接得到[4]。

圖4 反轉構造理論模式及位移-距離曲線[3-4]Fig.4 The theoretical model of inverted structures and sketch of displacement-distance graph[3-4]a.反轉前構造剖面,其中A為同沉積前地層,B為同沉積期地層,C為同沉積后地層；b.反轉后構造剖面,上盤地層沿斷層面發(fā)生位移反轉,斷層性質轉變?yōu)槟鏀鄬?；c.反轉剖面示意圖,其中1為同沉積前地層,6為同沉積后地層,上下盤厚度一致,其他2～5為同沉積期地層,上盤地層厚度大于下盤；d.反轉構造的位移-距離曲線,c中基準頂?shù)交鶞实椎臄嗝骈L度dL為縱坐標最大值,以各地層界面到基準底的長度為縱坐標值,以各地層界面 的斷距為橫坐標值,標注到該坐標系內,并用曲線連接,曲線和縱坐標軸的交點即為地層位移零點

國內學者運用上述反轉構造研究方法[7,17],也有學者提出針對負反轉構造的位移-距離曲線改進方法[18],取得了良好的研究成果,但其研究對象限于盆地內同沉積斷層。對于各斷陷盆地廣泛存在的邊界斷層,除前文所述的楔形發(fā)散相指數(shù)與地層楔形體外,也有研究人員運用2D Move軟件編制平衡剖面,測量剖面地層的反轉強度因子[19],以及根據(jù)地層厚度變化率估算反轉期地層剝蝕量的剝蝕比率法[20]。

上述方法優(yōu)點在于能定量評價反轉強度,缺點在于無法評價盆地邊界斷層,因為邊界斷層下盤地層不能與上盤對應,無法讀取層位的位移數(shù)據(jù)。

為解決上述問題，定量研究邊界斷層，本文提出虛擬下盤地層厚度的方法，具體方法如下,選擇邊界斷層上盤緩坡帶遠離邊界斷層位置,該位置未遭受明顯剝蝕,地層分布相對穩(wěn)定,近似認為該位置厚度與邊界斷層下盤沉積厚度相當,將其移植到邊界斷層下盤,然后開展定量研究。

3.2 研究實例

以伏龍泉斷陷伏北次洼為例(圖2),伏北次洼邊界斷層F3,上盤地層齊全,下盤缺失K1h、K1sh及部分K1yc地層(圖5a)。對F3斷層應用位移-距離曲線法開展研究,研究層位包含同沉積期地層(K1sh、K1yc、K1d),同沉積前地層(K1h),同沉積后地層選擇上白堊統(tǒng)泉頭組一段(K1q1)。

不同斷層之間斷面長度和斷距值差別巨大,因此不同斷層的位移-距離曲線坐標系缺乏可比性,而如前文所述反轉率(Ri)值無單位,僅用于定量表示反轉構造的反轉程度,其計算參數(shù)均來自于斷層自身,不受其絕對值大小的影響。本文以斷層上盤地層沿斷面長度dL為1進行歸一化處理,縱坐標為地層界面沿斷面長度與dL的比值,橫坐標為斷距與dL的比值,因此坐標軸最大值為1(圖5b),處理后的位移-距離曲線的坐標軸無單位,統(tǒng)一坐標系便于不同斷層之間的對比。

F3邊界斷層下盤K1d以下地層保存不完整,取斷陷緩坡帶K1yc、K1sh厚度相對穩(wěn)定區(qū)域的地層厚度hy、hs為虛擬下盤厚度,K1h為同沉積前地層,其厚度不受邊界斷層F3控制,取靠近邊界斷層位置厚度hh,將上述虛擬下盤厚度移植到下盤K1d底面以下(圖5a),然后測量剖面并編制F3斷層的位移-距離曲線(圖5b),所有地層在邊界斷層F3位置上均為正斷距,表明邊界斷層F3性質未發(fā)生變化,依據(jù)文獻[21]標準,屬于輕微反轉。

圖5 伏北次洼構造剖面圖AA′(a)及F3斷層位移-距離曲線(b)(剖面位置見圖2)Fig.5 Structural section AA′ of Fubei sub-sag and the displacement-distance graph of boundary fault F3(see Fig.2 for the section location)a.伏北次洼AA′構造剖面,F3斷層上盤地層(K1h—K1q1)沿斷面長度為dL,同沉積期地層(K1sh—K1d)沿斷面長度為dh；b.F3斷層位移-距離曲線

圖6 伏龍泉斷陷反轉期構造發(fā)育剖面及邊界斷層位移-距離曲線(剖面位置見圖2)Fig.6 Section diagram showing the structural development in inversion and displacement-distance graph of boundary faults in Fulongquan fault depression(see Fig.2 for the section location)

用同樣的方法對伏南次洼F2斷層、顧家店次洼F1斷層開展研究(圖6)，下盤同樣缺失同沉積期地層，因此讀取緩坡帶的地層厚度，建立虛擬下盤厚度，然后編制邊界斷層的位移-距離曲線，可計算得伏南次洼F2斷層反轉率Ri=0.1,顧家店次洼F1斷層反轉率Ri=0.37。

從伏龍泉斷陷反轉期構造發(fā)育剖面來看(圖6),上白堊統(tǒng)明水組時期(即K2末期)本區(qū)地層保存完整,拗陷期地層疊置于斷陷期地層之上,拗陷期地層中不發(fā)育斷層；明水組末期發(fā)生構造反轉,斷陷東部整體抬升并遭受剝蝕,在抬升過程中,邊界斷層重新開始活動,性質由正斷層轉變?yōu)槟鏀鄬?并斷開拗陷期地層。反轉后,邊界斷層表現(xiàn)為“下正上逆”的特點。

用地層趨勢法恢復地層剝蝕厚度(圖6虛線),伏北次洼與顧家店次洼的K2+Q遭受了一定程度的剝蝕,伏南次洼BB′剖面剝蝕程度最大,在邊界斷層附近,不僅K2+Q被剝蝕殆盡,K1q也受到了一定程度的剝蝕。但本文研究表明,剝蝕程度最大并不意味著構造反轉率最大(見圖6反轉率Ri值),伏南次洼邊界斷層附近的區(qū)域性抬升作用較強才是剝蝕程度最大的主要原因。

按照文獻[22]分類標準,伏龍泉斷陷反轉構造均為正反轉構造,可進一步歸屬于斷裂型,伏北次洼邊界斷層性質為上下均正,伏南次洼與顧家店次洼為下正上逆。

通過位移-距離曲線方法計算得顧家店次洼反轉率0.37,伏南次洼反轉率0.1,伏北次洼邊界斷層性質無反轉,整體上,伏龍泉斷陷邊界斷層都屬于輕微反轉構造。

3.3 反轉構造與油氣富集規(guī)律

伏龍泉斷陷已發(fā)現(xiàn)油氣藏主要集中于反轉期形成的背斜構造中,是拗陷期地層受反轉擠壓形成的構造,3個背斜高點疊置于斷陷期的3個沉積次洼之上,從而形成“下生上儲”的圈源配置關系。邊界斷層既是形成構造的有利因素,同時也是油氣運移通道。

其中伏南次洼油氣最為富集,伏北次洼次之,顧家店次洼最差。研究認為這與反轉程度有關,上文計算得伏南次洼反轉程度適中,這最有利于次生藏的形成和保存,伏北次洼反轉程度弱不利于形成構造圈閉,顧家店次洼反轉程度太強會對圈閉造成破壞,這與鄰區(qū)孤店斷陷的勘探經(jīng)驗(反轉率小于0.20有利)[23]一致。

4 討論

4.1 研究結論的真實性

虛擬下盤厚度法也存在一些問題,首先沒有考慮地層壓實效應,且虛擬厚度取值處地層可能存在剝蝕,保存不完整的情況；本方法假設不發(fā)育同沉積斷層的情況下,盆地整體地層沉降速率與沉積速率基本一致,這沒有考慮同沉積斷層本身對下盤地層厚度也有影響。

盡管存在一些問題,虛擬下盤厚度方法結果是符合真實情況的,理論上同沉積斷層下盤地層的發(fā)育存在兩個極限情況,以伏北次洼邊界斷層F3為例:一是下盤完全缺失同沉積期地層(圖7a),此時相當于所有地層都凝縮到同沉積后地層(K1q1)底面,在這種情況下的位移-距離曲線如圖7c中藍線,此時斷層生長指數(shù)為無限大；二是下盤不缺失任何地層(圖7b),且邊界斷層斷距為零,這種情況下的位移-距離曲線與縱坐標軸重合,各地層斷距為零,該情況實際上相當于上邊界斷層不存在。

圖7 伏龍泉斷陷F3邊界斷層構造剖面及位移-距離曲線Fig.7 The structural section and displacement-distance graph of boundary fault F3 in Fulongquan fault depressiona.完全缺失下盤地層的情況；b.完整下盤地層的情況；c.各種情況對應的位移-距離曲線

而真實的邊界斷層位移-距離曲線應介于這兩種情況之間,因此采用本文所述虛擬下盤厚度(圖7c中紅線)是一種接近真實情況的研究方法。

4.2 虛擬下盤厚度的取值原則

據(jù)陸相斷陷湖盆緩坡帶的構造特征及層序發(fā)育特征,可將其劃分為3種類型:寬緩型、窄陡型、雙元型[24]。結合前文理論模型,半地塹是在邊界正斷層控制下,發(fā)生的旋轉沉降,必然形成由陡坡、深洼到緩坡的結構,邊界斷層導致?lián)锨纬傻拇怪蔽灰?由斷層向遠端逐漸減小,最終形成相對穩(wěn)定區(qū)域。斷陷盆地緩坡帶(尤其是寬緩型)地層厚度存在一個較為穩(wěn)定的區(qū)域,本文認為可用此區(qū)域厚度來代替邊界斷層下盤厚度。實際情況下,多數(shù)斷陷盆地從緩坡帶盆地邊緣到深洼帶地層并非均勻增厚,而是在斷層或坡折的作用下,厚度才發(fā)生明顯變化,在斷層和坡折以外,厚度分布是相對穩(wěn)定的。

斷陷緩坡帶地層厚度并不均勻,在各剖面上得出的穩(wěn)定區(qū)厚度存在誤差,可結合地層厚度圖進行分析,確定合理的厚度區(qū)間范圍。從伏龍泉斷陷沙河子地層厚度(圖8a)來看,緩坡帶厚度變化較小,圍繞斷陷分布存在一個厚度穩(wěn)定的環(huán)帶,這個環(huán)帶從邊界斷層的一側端點開始,經(jīng)過緩坡帶,與另一側端點相接,大致相當于圖上厚度200～400 m,由于伏龍泉斷陷發(fā)育多條邊界斷層,因此,環(huán)帶從最南端F1斷層一直延伸到最北端 F4斷層。

除參考厚度平面圖外,還可借鑒地震相特征來判斷厚度穩(wěn)定區(qū),地貌控制著沉積,形成不同的地震相。穩(wěn)定區(qū)地震同相軸分布穩(wěn)定,呈平行狀(圖8b—d),是在近水平地貌條件下的沉積地層。發(fā)散狀地震相代表地層增厚,是邊界斷層活動導致的,而在斷陷盆地緩坡帶往往存在一個臨界點,從發(fā)散狀地震相轉變到平行狀地震相,臨界點以外的平行地震相區(qū)域地層厚度可近似代表虛擬下盤厚度。

圖8 伏龍泉斷陷沙河子組地層厚度圖及緩坡帶典型地震剖面Fig.8 Isopach map of K1sh formation and typical seismic profiles of the gentle slope zones in Fulongquan fault depressiona.沙河子組地層厚度；b.伏北次洼緩坡帶地震剖面DD′；c.伏南次洼緩坡帶地震剖面EE′；d.顧家店次洼緩坡帶地震剖面FF′

因此虛擬下盤厚度取值可參考3個原則:①構造剖面緩坡帶厚度相對穩(wěn)定區(qū)；②地層厚度平面圖緩坡帶厚度穩(wěn)定分布環(huán)帶；③緩坡帶地震相平行穩(wěn)定區(qū)。實際研究過程中,應綜合考慮。

4.3 與其他定量研究方法比較

針對邊界斷層,通過虛擬下盤厚度,不僅可以編制位移-距離曲線,進行反轉率研究,也可進行斷層生長指數(shù)研究,斷層定量研究的范圍擴大到了邊界斷層。

邊界斷層研究常用古落差方法,上盤沉降接受沉積,下盤抬升遭受剝蝕,因此在某一地質時期的斷層落差應表示為:斷層落差(D)=上盤沉積厚度+下盤剝蝕厚度[25]。但對于下盤剝蝕厚度難以確定,所以通常仍然采用兩盤地層的厚度差來表示,即:斷層落差(D)=上盤沉積厚度-下盤沉積厚度。下盤殘余沉積厚度較小,甚至為零,這就造成計算得到的古落差實際就是上盤的沉積厚度,比真實值偏大,如果采用虛擬下盤厚度值,會更接近斷層生長的真實情況。

斷陷的形成通常伴隨著區(qū)域性整體沉降,虛擬下盤厚度能代表這種整體沉降的程度:值越小,整體沉降弱,值越大,整體沉降強。

5 結論

1) 盆地邊界斷層決定了斷陷地層厚度分布格局,而邊界斷層通常為同沉積斷層,下盤缺失與上盤對應的同期地層,理論上可用斷陷緩坡帶地層厚度代替邊界斷層下盤厚度。

2) 伏龍泉斷陷在上白堊統(tǒng)明水組末期(白堊紀末)整體構造反轉,斷陷內各次洼反轉程度存在差異,通過邊界斷層反轉率計算得顧家店次洼反轉率0.37,伏南次洼反轉率0.1,伏北次洼反轉輕微。從油氣分布來看,伏南次洼油氣最為富集,伏北次洼次之,顧家店次洼最差。本文認為伏南次洼反轉率適中,最有利于次生油氣藏的形成和保存,伏北次洼反轉弱不利于形成構造圈閉,顧家店次洼反轉太強造成圈閉被破壞。

3) 應用虛擬下盤厚度法研究盆地邊界斷層可參考3個原則:①構造剖面緩坡帶厚度相對穩(wěn)定區(qū)；②地層厚度平面圖緩坡帶厚度穩(wěn)定分布環(huán)帶；③緩坡帶地震相平行穩(wěn)定區(qū)；并綜合考慮。