烏蘭花凹陷轉換帶特征及控藏作用

曹思佳 李 鵬 劉冬民 胡少華* 郭 波 陳 林

(①東北石油大學地球科學學院，黑龍江大慶 163318；②東方地球物理公司研究院地質研究中心， 河北涿州 072750)

0 概況

轉換帶起初是由Dahlstrom[1]在研究加拿大落基山脈的褶皺—逆沖斷層的幾何形態(tài)時提出的，后來人們將轉換帶的概念用于研究伸展盆地[2-6]。轉換帶是為了保持區(qū)域伸展應變守恒而起調節(jié)作用的構造帶，通常表現為橫向凸起和正斷層，也可以是沿與裂谷盆地走向平行的側接處發(fā)育的橫向凸起、走向斜坡或斷層斷壘。Morley等[7]根據成因、斷裂傾向和組合關系將轉換帶分為接近型、疊覆型、平行型和共線型四種類型。至20世紀90年代，人們利用轉換帶研究中國東部伸展盆地演化及對油氣成藏的控制作用[8-15]。

二連盆地位于西伯利亞板塊與中朝古板塊的縫合帶[16]，烏蘭花凹陷是二連盆地的一個次級構造單元，區(qū)域構造位置屬于華北板塊北緣、二連盆地南部溫都爾廟隆起。烏蘭花凹陷早白堊世為伸展斷陷[17-18]，呈NE向展布，斷陷面積為600km2。下白堊統(tǒng)最大厚度達3000m，自下而上劃分為阿爾善組(K1ba)、騰格爾組(K1bt)、賽漢塔拉組(K1bs)，其中K1ba自下而上分為阿三段(K1ba3)、阿四段(K1ba4)(雖然溫都爾廟隆起受西拉木倫和康保兩條大斷裂控制，從而發(fā)生劇烈的拉張作用，然而烏蘭花凹陷距離較遠，因此拉張的時間較晚，致使阿一、阿二段不發(fā)育)，K1bt自下而上分為騰一段(K1bt1)和騰二段(K1bt2)[19]，主要勘探目的層為K1ba和K1bt(表1)。烏蘭花凹陷發(fā)育兩條NE向大型邊界斷層(烏蘭花東、西斷層)，控制了凹陷的結構及演化，并將凹陷分為南、北兩個次凹(圖1)。早白堊世晚期發(fā)育近EW向斷層，控制圈閉的形成和展布。NE向控陷斷層控制構造樣式轉換，形成的轉換帶控制烏蘭花凹陷的構造格局及油氣成藏。

鑒于烏蘭花凹陷轉換帶的復雜構造特征及前人未進行過系統(tǒng)研究，本文綜合地震資料解釋成果及鉆、測井資料，分析了烏蘭花凹陷構造演化、轉換帶構造特征及對油氣成藏的控制作用，對該區(qū)油氣藏勘探具有現實意義。

1 轉換帶構造特征

三維地震資料和構造研究成果表明，烏蘭花凹陷為受烏蘭花東、西斷層控制的NE向早白堊世裂谷盆地，轉換帶的形成受中、新生代構造背景和古生界基底結構等邊界條件的共同制約[20]。在烏蘭花凹陷的不同演化階段轉換帶構造特征不同，具有不同的時、空分布特點(圖1)。

1.1 斷陷初期(K1ba沉積時期)

K1ba沉積時期是烏蘭花凹陷的初始斷陷階段。在區(qū)域NW—SE向伸展應力場作用下，早期邊界斷裂開始活動，開始形成NE—SW向拉張斷陷，烏蘭花凹陷初具雛形(圖2)。在斷陷早期拉張過程中，受控于基底結構和早期凹陷邊界斷層差異性活動等因素影響[21]，形成了相向疊覆型(土牧爾轉換帶)(圖3a)、同向平行型(紅井轉換帶)(圖3b)兩類轉換帶[7，22]。

圖1 烏蘭花凹陷K1bt構造單元劃分

圖2 烏蘭花凹陷構造發(fā)育剖面(剖面位置見圖1)

1.1.1 土牧爾轉換帶

土牧爾轉換帶位于現今烏蘭花凹陷南、北部次凹之間，呈近NWW向展布，在K1ba沉積時期為向SEE傾伏的大型低凸起，平面范圍約為85km2。

在K1ba3沉積時期，北部次凹開始形成，受東側邊界斷層(烏蘭花東斷層)控制，形成“東斷西超”的箕狀斷陷，南部次凹K1ba不發(fā)育。隨著斷陷進一步擴張，西側凹陷邊界斷層(烏蘭花西斷層)活動加強，南部次凹主要受該斷層控制，形成“西斷東超”的箕狀斷陷。受烏蘭花凹陷南、北部的不均衡伸展的控制，產生了調節(jié)不均衡伸展應變的土牧爾轉換帶，將烏蘭花凹陷分隔為具明顯結構性差異的南、北部次凹。根據Morley等[7]的轉換帶分類方案可知，土牧爾轉換帶為相向疊覆型(圖3a)。

綜上所述，烏蘭花東斷層活動時期相對較早，北部次凹首先快速沉降，沉降、沉積中心位于北部次凹，沉積了一套厚約1100m的K1ba3，此時土牧爾地區(qū)及南部次凹為古臺地。隨著斷陷進入持續(xù)拉張期(K1ba4沉積時期)，湖盆范圍進一步擴大，受烏蘭花東、西斷層控制，在各自下降盤分別形成北、南部次凹，中部形成土牧爾轉換帶。

在土牧爾轉換帶發(fā)育期(K1ba沉積時期)烏蘭花凹陷基底快速沉降，加之土牧爾轉換帶(低凸起)周緣以抗風化能力強的花崗巖為基巖[23]，沉積物供給少，除局部短時期有小規(guī)模的湖底扇、扇三角洲、近岸水下扇沉積外，主要為深湖—半深湖沉積環(huán)境，是烏蘭花凹陷烴源巖主要形成期。

K1bt1沉積時期，烏蘭花東斷層進一步活動，并向南延伸，北部次凹仍為“東斷西超”的箕狀斷陷；在烏蘭花西斷層活動的同時，在其東部的賽烏蘇斷層開始發(fā)育，共同控制南部次凹構造格局，此時土牧爾轉換帶的作用更為突顯。K1bt2沉積初期，烏蘭花東斷層活動逐漸變弱，賽烏蘇斷層活動愈發(fā)劇烈，土牧爾轉換帶于K1bt2沉積末期發(fā)生構造反轉[24]，演變?yōu)槟蟽A斜坡，轉換作用變弱，南、北部次凹幾乎不具分割性。

1.1.2 紅井轉換帶

紅井轉換帶主要形成于K1ba4沉積時期，該轉換帶在烏蘭花東斷層向南延伸過程中，對南部次凹控陷強度逐漸減弱，并在南部次凹東部轉換為紅格爾斷層。同時，近EW向展布、控制南部次凹南部的邊界斷層(紅井斷層)與紅格爾斷層在平面上以近90°的角度相交，形成“L型”拐角斷層(紅格爾—紅井斷層)(圖1)。在剖面上該拐角斷層的兩個走向的控凹斷層在深部連為一條控凹斷層，共同控制K1ba4和K1bt沉積，導致斷層下降盤K1ba、K1bt厚度大，上升盤K1ba、K1bt厚度小(圖4)。

圖3 烏蘭花凹陷轉換帶三維模式圖[22]

因此，紅井轉換帶是沿著紅格爾斷層與紅井斷層的正交部位發(fā)育的，也稱為“橫向斷層轉換帶”[25]，類似于同向平行型(圖3b)。紅井轉換帶的形成時間略晚于土牧爾轉換帶，并持續(xù)活動，但后者為一個持續(xù)活動的正向構造單元，晚期有強烈反轉，前者則表現為紅井斷階帶，且晚期沒有明顯構造反轉[24]。

圖4 過紅井轉換帶的地震剖面(剖面位置見圖1)

1.2 斷陷擴張期(K1bt1沉積時期)

K1bt1沉積時期是烏蘭花凹陷的斷陷擴張期，也是早白堊世湖盆發(fā)育的鼎盛期，湖盆持續(xù)下沉、擴張加劇，南、北部次凹范圍擴大形成統(tǒng)一湖盆。烏蘭花西斷層東側的賽烏蘇斷層發(fā)育，并控制南部次凹沉積演化，烏蘭花東斷層向南延伸轉換為紅格爾斷層，在兩條控凹斷層的應力和應變轉換部位發(fā)育賽烏蘇轉換帶、土南轉換帶、紅格爾轉換帶(圖1)。

1.2.1 賽烏蘇轉換帶

賽烏蘇轉換帶位于烏蘭花凹陷南部次凹西部賽烏蘇斷階帶，呈近EW向展布，以向東傾沒的走向斜坡形式出現，平面范圍約為45km2。在K1bt1沉積時期賽烏蘇斷層活動強度較大，導致斷層下降盤K1bt1厚度大，上升盤K1bt1厚度小。在K1bt1沉積時期，賽烏蘇斷層在南部次凹西部衍生為北、中、南三段，平面上形成“S形”斷裂系統(tǒng)，在賽烏蘇斷層南段與中段交會處，形成了賽烏蘇轉換帶。因此，賽烏蘇轉換帶的形成與賽烏蘇斷層南、中段的差異性活動有關。賽烏蘇斷層中段和南段走向近乎平行(均為NEE向)，在賽烏蘇轉換帶部位賽烏蘇斷層(走向為NE向)與中段、南段呈斜交硬連接，因此賽烏蘇轉換帶為同向趨近型(圖3c)。

1.2.2 土南轉換帶

土南轉換帶位于南部次凹西北部的土牧爾低凸起與賽烏蘇斷階帶之間，呈近NS向展布，以向南傾沒的斷坡形式出現，平面范圍約為25km2(圖1)。賽烏蘇斷層北段向南延伸斷距逐漸減小，與中段發(fā)生構造轉換，走向由NNW向轉為NE向，在斷層走向轉換部位形成土南轉換帶。因此，土南轉換帶的形成與賽烏蘇斷層中、北段的差異性活動有關。依據土南轉換帶的發(fā)育部位及控制轉換帶的斷層產狀，將該轉換帶歸為同向疊覆型(圖3d)，發(fā)育時期為K1bt1沉積時期。

1.2.3 紅格爾轉換帶

紅格爾轉換帶位于南部次凹東部的烏蘭花東斷層與紅格爾斷層之間，呈NS向展布，以“南高北低”的斜坡形式出現，平面范圍約為20km2(圖1)。紅格爾轉換帶的形成與烏蘭花東斷層、紅格爾斷層的差異性活動有關。在K1bt1沉積時期，紅格爾斷層劇烈活動，對K1bt1、K1bt2及K1bs的沉積具有明顯控制作用，導致斷層下降盤K1bt1、K1bt2及K1bs厚度大，上升盤K1bt1厚度小、K1bt2及K1bs大部分被剝蝕。烏蘭花東斷層的南延段與紅格爾斷層在平面上呈銳角相交，在兩條斷層的交叉處形成紅格爾轉換帶。依據紅格爾轉換帶的發(fā)育部位及控制轉換帶的斷層產狀，將該轉換帶歸為同向疊覆型(圖3d)。

1.3 斷陷萎縮期(K1bt2沉積時期)

至K1bt2沉積末期，烏蘭花凹陷區(qū)域應力機制由伸展演變?yōu)槿鯏D壓，烏蘭花凹陷進入斷陷萎縮期，發(fā)生了強烈的構造擠壓反轉[26]，表現為南、北邊緣劇烈抬升，地層遭受嚴重剝蝕，致使K1bt2頂部地層與上覆K1bs呈高角度不整合接觸(表1)。此時土牧爾轉換帶再次分割南、北部次凹，并成為油氣成藏最有利的正向構造單元。這一時期南部次凹周緣早期形成的轉換帶被改造，出現土牧爾、賽烏蘇、紅井、紅格爾四個反轉構造帶。土牧爾轉換帶翼部反轉抬升形成大量構造圈閉，同時使洼槽的K1bt1砂體向構造高部位上傾尖滅——南部次凹油氣運移的優(yōu)勢方向，形成了土牧爾轉換帶南翼的有利構造—巖性圈閉群。紅井轉換帶表現為受持續(xù)活動的紅井、紅格爾等斷層控制形成的斷坡，在繼承性發(fā)育的扇三角洲前緣形成巖性—構造圈閉群。K1bt2原型盆地改造大，早期盆地改造相對較小，因此K1bt2沉積時期奠定了凹陷基本構造格局。

2 轉換帶對油氣成藏的控制作用

斷陷盆地轉換帶往往是油氣成藏的有利區(qū)帶，是為了保持區(qū)域應變守恒而起調節(jié)作用的構造帶，其本身不具備油氣成藏的必要條件，但控制或影響油氣成藏的“生、儲、蓋、圈、運、保”等必要條件的某些因素。烏蘭花凹陷轉換帶對油氣成藏的控制作用體現在以下方面。

2.1 轉換帶控制不同時期凹陷的沉降、沉積中心遷移

土牧爾轉換帶控制烏蘭花凹陷南、北部次凹的沉降構造格局，使不同時期沉積、沉降中心遷移。在K1ba3沉積時期，烏蘭花東斷層活動相對較早，北部次凹首先快速沉降，沉降、沉積中心位于北部次凹；在K1ba4沉積時期，烏蘭花西斷層開始活動，烏蘭花凹陷受東、西部邊界斷層控制，湖盆范圍進一步擴大，形成南、北兩個沉降、沉積中心。烏蘭花凹陷在K1ba沉積時期快速成盆，且持續(xù)沉降幅度較大，最大沉降厚度達2600m。此期間深湖區(qū)暗色泥巖普遍發(fā)育，為第一套烴源巖發(fā)育期，烴源巖厚度大、品質好、分布廣，油源條件十分有利。

在K1bt1沉積時期，在烏蘭花西斷層開始活動的同時，賽烏蘇斷層開始發(fā)育，共同控制南部次凹構造格局，土牧爾轉換帶作用更突顯，進一步分割南、北部次凹。此期間構造運動加劇，烏蘭花凹陷水體深度和范圍較大，為湖盆發(fā)育鼎盛期，深湖區(qū)廣布，氣候溫暖潮濕，暗色泥巖普遍發(fā)育，形成第二套烴源巖及區(qū)域蓋層，厚層暗色泥巖為生油提供了物質基礎。此時沉降、沉積中心開始向南部次凹遷移，K1bt1暗色泥巖厚度及分布范圍大于北部次凹(圖5)。

在K1bt2沉積時期，土牧爾轉換帶演變?yōu)槟蟽A斜坡，轉換作用變弱，南、北部次凹幾乎不具分割性。在K1bt2沉積早期湖盆開始抬升，發(fā)生短期水退，之后很快下沉，進入了廣湖盆、淺水體發(fā)育階段，為斷陷湖盆穩(wěn)定期。相對K1bt1沉積時期，K1bt2沉積時期的沉降、沉積中心遷移至南部次凹，北部次凹總體為南傾斜坡。

圖5 烏蘭花凹陷K1bt1厚度圖

2.2 轉換帶控制有利沉積砂體的展布

裂陷盆地中控陷斷層的活動明顯控制盆地的沉降—沉積作用[27]。轉換帶是裂陷盆地中發(fā)育的典型構造，一方面在盆地邊緣構成相對低地勢，在盆地內部形成可容空間；另一方面由于斷裂轉換在湖岸隆起形成溝谷體系，成為水系流入裂陷盆地的通道，通常由大量富砂沉積物提供物源[28-31]。兩方面因素決定轉換帶部位發(fā)育富砂沖積扇、扇三角洲和濁流沉積等，也是有利儲層發(fā)育區(qū)帶[32-33]。

烏蘭花凹陷早白堊世轉換帶主要表現為沿側列斷層相向疊覆型走向斜坡，主水系從下盤地形高處沿走向斜坡進入盆地，形成一系列與轉換帶有關的三角洲或湖底扇砂體(圖6)。

在K1ba沉積時期形成土牧爾和紅井轉換帶，物源主要由東、西、西南、東南四個方向匯入凹陷。此時東面物源小部分由烏蘭花東斷層地勢較高的下盤進入北部次凹形成小范圍近岸水下扇，大部分則在土牧爾轉換帶及紅格爾斷層影響下匯入南部次凹。受紅井轉換帶影響，在其附近發(fā)育扇三角洲。由于該時期物源供給少，因此四個物源方向匯入湖盆均形成小規(guī)模沉積體系(圖7)。

在K1bt1沉積時期形成賽烏蘇、紅格爾及土南轉換帶，物源方向主要來自南部。烏蘭花西斷層活動性強于東斷層，南部地層的抬升造成基巖剝蝕作用加強，湖盆進入鼎盛時期，水動力作用強，此時物源豐富加之轉換帶所處地勢相對較低，可作為局部物源，大規(guī)模扇三角洲呈裙帶狀連片分布(圖8)。

烏蘭花凹陷西部K1bt1呈弱振幅、較連續(xù)反射，為典型的扇三角洲平原反射特征；經過轉換帶進入南部次凹振幅變強，連續(xù)性變好，頻率變高，為扇三角洲前緣反射特征(圖9中陰影區(qū)，陰影顏色與沉積相顏色相同)。因此賽烏蘇轉換帶具有局部物源的作用，并作為通道使沉積物通過其走向斜坡區(qū)向東經過塞烏蘇斷裂注入南部次凹，對物源具有明顯的控制作用。

圖6 烏蘭花凹陷轉換帶控砂模式

圖7 烏蘭花凹陷K1ba沉積相

圖8 烏蘭花凹陷K1bt1沉積相

紅格爾轉換帶K1bt1呈雜亂、空白、斷續(xù)反射，經過轉換帶后變?yōu)橹械皖l、連續(xù)強反射(圖10)。在K1ba和K1bt沉積時期分別發(fā)育一套三角洲沉積體系，呈疊置關系并持續(xù)發(fā)育。

紅井轉換帶作為在兩條主控邊界斷層交接部位形成的“橫向斷層轉換帶”，是拉張應力集中區(qū)，斷層位移大，往往是次級凹陷的沉降、沉積中心，同時也是凹陷物源和大型扇三角洲發(fā)育部位。過紅井轉換帶地震剖面(圖11)的反射特征表明， 扇三角洲前緣砂體多逐層上傾尖滅向盆內沉積中心發(fā)育。土南轉換帶的反射特征及對砂體控制作用與上述轉換帶類似，本文不再贅述。

總之，烏蘭花凹陷轉換帶控制南部次凹的主要物源體系，形成紅格爾、紅井、賽烏蘇三大扇三角州體系，為油氣成藏提供了有利儲集條件。

圖9 過賽烏蘇轉換帶地震剖面(剖面位置見圖8)

圖10 過紅格爾轉換帶地震剖面(剖面位置見圖8)

圖11 過紅井轉換帶地震剖面(剖面位置見圖8)

2.3 轉換帶控制油氣聚集的有利方向

在K1ba—K1bt沉積時期，烏蘭花凹陷形成K1bt1下生上儲和K1ba自生自儲兩套生儲蓋組合。晚期生成的油氣主要沿著NE向斷層和不整合面向構造高部位和有利儲層發(fā)育區(qū)運移、聚集成藏。圖12為烏蘭花凹陷油藏剖面，表明烏蘭花凹陷存在多種油氣藏。土牧爾轉換帶在K1ba—K1bt沉積時期為一大型低凸起，是油氣運移指向區(qū)，在K1bt2沉積末期構造反轉，大量斷層交叉分布切割儲層，形成大量斷塊、斷鼻圈閉，為油氣聚集提供了儲集空間；南部次凹周緣早期形成的轉換帶被改造，形成土牧爾、賽烏蘇、紅井、紅格爾四個反轉構造帶，是油氣運移的優(yōu)勢指向區(qū)，同時轉換帶也是有利儲層發(fā)育區(qū)，油氣運聚時空關系配置好，具備形成較大規(guī)模構造、構造—巖性油氣藏的有利條件?？碧綄嵺`證實，轉換帶是烏蘭花凹陷油氣富集區(qū)，圍繞轉換帶獲得較好勘探效果。在K1ba和K1bt1主要勘探目的層發(fā)現了億噸級規(guī)模儲量，已發(fā)現的土牧爾、賽烏蘇、紅井、紅格爾等油田均處于轉換帶[24]。轉換帶通過控制構造格局控制物源和沉積體系展布，進而控制有利儲層分布，后期反轉改造形成的隆起區(qū)，是油氣運移指向區(qū)。

圖12 烏蘭花凹陷油藏剖面(剖面位置見圖8)

3 結論

烏蘭花凹陷發(fā)育五個轉換帶，對油氣成藏具有重要控制作用。土牧爾轉換帶為相向疊覆型，發(fā)育于K1ba沉積時期，K1bt1沉積時期成型，K1bt2沉積時期演變?yōu)槟蟽A斜坡，晚期強烈反轉。長期凸起背景是油氣運移指向區(qū)，晚期反轉形成了構造圈閉，是油氣勘探的有利區(qū)帶。紅井轉換帶為“橫向斷層轉換帶”，發(fā)育于K1ba沉積時期，控制K1bt1扇三角洲沉積體系。土南和紅格爾轉換帶為同向疊覆型，賽烏蘇轉換帶為同向趨近型，三者均發(fā)育于K1bt1沉積時期，控制扇三角州沉積體系。烏蘭花凹陷構造轉換帶與油氣成藏關系密切，控制南、北部次凹構造樣式、地層充填、烴源巖、儲層分布，油氣運聚時空關系配置好，具備形成較大規(guī)模構造、構造—巖性油氣藏的有利條件，是油氣勘探的有利區(qū)帶。斷陷盆地轉換帶研究對準確掌握盆地構造特征和評價油氣勘探有利區(qū)帶具有重要意義。