真武-漢留斷裂帶分段生長及其油氣意義

于愛暄，王有功，劉世瑞，趙 鵬，王偉康，張佩佩，呂 雪

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318；2. 東北石油大學(xué)CNPC斷裂控藏研究室，黑龍江 大慶 163318；3.中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010；4.中國石油國際管道有限公司，北京 100083)

0 引 言

斷層的生長模式主要分為斷層孤立生長和斷層間相互作用連接兩大類[1-2]。自然界中的大型斷層通常是由多條小斷層多次連接而成，斷層連接過程分為孤立生長、軟連接和硬連接3個階段[3-4]。初期，斷層成核生長，表現(xiàn)為孤立斷層生長；當2條斷層端部趨于疊覆時，進入軟連接階段；斷層最終完全連接形成貫穿的大斷層，進入硬連接階段[5]。在軟連接階段，由于疊覆區(qū)部位斷層端部斷距比核部小，在轉(zhuǎn)換帶部位會出現(xiàn)橫向背斜，為油氣聚集成藏提供了有利條件[6]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對斷層分段生長以及轉(zhuǎn)換帶控藏理論研究已經(jīng)相對成熟，對油氣資源勘探具有非常重要的研究意義[7-8]。前人對真武-漢留斷裂帶各自的演化特征和真武斷裂帶橫向背斜控藏特征進行了分析[9-11]，而對漢留斷裂帶橫向背斜及其與真武-漢留斷裂帶形成演化的內(nèi)在關(guān)聯(lián)并未進行明確闡述。因此，根據(jù)三維地震數(shù)據(jù)，從斷裂帶幾何學(xué)和運動學(xué)2個方面進行分析，利用斷距-距離曲線、埋深-斷距曲線以及生長指數(shù)等手段定量表征斷層的活動特征，解析其形成演化規(guī)律，結(jié)合油氣分布特征分析斷層分段生長對油氣成藏的影響，為該地區(qū)斷層生長演化以及油氣聚集成因提供證據(jù)補充和構(gòu)造分析新思路。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

高郵凹陷位于蘇北盆地南緣，是具有“南斷北超”結(jié)構(gòu)的新生代NE向箕狀斷陷，具備較大的勘探潛力[12]。真武-漢留斷裂帶位于高郵凹陷南部，其中，真武斷裂帶包含真①斷層、真②斷裂帶及其之間的構(gòu)造帶，和北側(cè)的漢留斷裂帶共同組成了真武-漢留斷裂帶(圖1)。

圖1 高郵凹陷構(gòu)造單元劃分及地層簡表

高郵凹陷經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動，在早白堊世晚期—古新世，由于古太平洋板塊NNW向高角度俯沖于歐亞大陸之下，使得處于弧后擴張環(huán)境的中國東部發(fā)生NW—SE向伸展作用，形成蘇北盆地[13-14]；晚白堊世晚期儀征運動之后，高郵凹陷開始形成，依次沉積泰州組和阜寧組，在古新世末期發(fā)生吳堡運動，導(dǎo)致一次區(qū)域性抬升剝蝕，隨后盆地再次斷陷，開始沉積戴南組[15-16]。從晚始新世開始，真武運動之后，太平洋板塊轉(zhuǎn)為NWW向俯沖，同時印度板塊與歐亞板塊碰撞，導(dǎo)致中國東部出現(xiàn)近EW向的擠壓應(yīng)力，使得蘇北盆地西界的郯廬斷裂帶發(fā)生右行走滑作用，派生出的近NS向拉張應(yīng)力影響了蘇北盆地內(nèi)的構(gòu)造[9,17]。在三垛組沉積之后，盆地整體抬升剝蝕，導(dǎo)致高郵凹陷漸新統(tǒng)缺失沉積。在新近紀—第四紀，高郵凹陷進入拗陷階段，沉積了鹽城組和東臺組[18](圖1)。

2 斷裂帶形成演化研究

2.1 斷層結(jié)構(gòu)分析

平面上，真①斷層整體呈近NE走向，走向沿斷層略有變化，而真②斷裂帶和漢留斷裂帶整體呈NEE走向，均表現(xiàn)為3條側(cè)列疊覆的左階雁列式斷層，沿斷層走向存在明顯拐點(圖2)。其中，真②-3和真②-1斷層西段呈NEE走向，東段轉(zhuǎn)為近EW走向，真②-2斷層西段呈EW走向，東段轉(zhuǎn)為近NEE走向。漢留斷裂帶走向也具有明顯拐點，漢③和漢②西段呈近NE走向，向東轉(zhuǎn)為近EW向，漢①斷層整體呈NE走向，斷層中部出現(xiàn)輕微走向變化。

由圖2可知：真武斷裂帶整體以北傾為主，漢留斷裂帶整體表現(xiàn)為南傾斷層。其中，真①斷層表現(xiàn)為鏟式正斷層，其與真②斷裂帶之間形成了一系列斷階式的次級斷層，地層剝蝕較為嚴重，真②斷裂帶和漢留斷裂帶在深部搭接于真①斷層之上。真②-3和真②-2斷層在剖面上是平行的2條斷層，而真②-1和真②-2斷層在深部為1條斷層，淺部分叉呈“Y”形構(gòu)造樣式。漢留斷裂帶在剖面上表現(xiàn)為近平行的板狀斷層，其下盤同樣發(fā)育一系列同傾向的次級斷層。

2.2 斷層活動性分析

斷層活動性可以通過斷距-距離曲線、埋深-斷距曲線以及生長指數(shù)來定量表征。斷距-距離曲線能夠反映沿斷層走向統(tǒng)計的同一層位斷層垂直斷距的變化，埋深-斷距曲線能夠反映斷層某一部位不同層位的垂直斷距隨埋深的變化，斷距的極小值處可以分別反映斷層在平面或剖面上的分段連接特征。生長指數(shù)是指斷層上盤地層厚度和同一層位所對應(yīng)的下盤厚度的比值，能夠反映斷層性質(zhì)以及是否具有同沉積特征[19-20]。

基于以上幾種方法，分別統(tǒng)計了真武和漢留斷裂帶的活動特征。真②斷裂帶整體活動性在平面上從西向東逐漸增強，真②-2斷層的曲線出現(xiàn)局部極小值，表明其由東西2段連接形成(圖3a)，真②-1斷層?xùn)|端與吳①斷層相連，斷距-距離曲線存在局部極小值且與斷層走向拐點處位置相符(圖3a)，東西兩側(cè)的埋深-斷距曲線特征也不一致(圖3b)。綜上研究可知，真②-1斷層也是由東西2段分段連接而成。垂向上，真②-3斷層表現(xiàn)為深部成核向上逐漸生長傳播的特征(圖3b)，而另2條斷層?xùn)|西2段的活動規(guī)律不一致，真②-2斷層西段在戴南組開始形成并向上下傳播，東段則早期就已形成，真②-1斷層西段具有垂向分段連接特征，而東段表現(xiàn)為長期活動斷層。根據(jù)剖面圖中地層厚度的變化可以推測(圖2)，真武斷裂帶的次級斷層大部分形成于古近紀早期。

圖2 真武-漢留斷裂帶平剖面樣式

漢留斷裂帶平面上活動性自西向東逐漸減弱，漢③和漢②斷層的斷距-距離曲線呈半橢圓形，表現(xiàn)為典型的孤立斷層生長樣式，漢①斷層在中間部位出現(xiàn)明顯的斷距極小值，表明其具有分段連接特征(圖4a)。漢留斷裂帶不同部位的垂向活動性具有不同的特點：漢③斷層的埋深-斷距曲線表現(xiàn)為典型的同生斷層特征(圖4c)；漢②斷層?xùn)|西兩側(cè)的活動特征略有不同，西側(cè)表現(xiàn)為早期形成且垂向上分段連接的特征，而東側(cè)主要是戴南組時期開始形成的；漢①斷層?xùn)|西兩段活動規(guī)律基本一致，均為早期形成的同生斷層。根據(jù)圖2中所標出的地層厚度變化規(guī)律，基本確定漢留斷裂帶的次級斷層大部分形成于阜寧組沉積時期，戴南組沉積時期活動強烈。

真①斷層的下盤地層剝蝕非常嚴重，無法獲得下盤地層厚度等數(shù)據(jù)，因此，用上述方法難以得知其運動學(xué)特征。然而，前人利用斷層生長速率的方法，分析認為真①斷層沿走向具有分段連接的特征，并且分段連接部位與真②斷裂帶疊覆區(qū)相對應(yīng)，結(jié)合漢留斷裂帶分析發(fā)現(xiàn)真①斷層及其上盤發(fā)育的真②和漢留斷裂帶的分段生長部位相對應(yīng)，使得形成的橫向背斜具有帶狀分布的規(guī)律。

圖3 真武斷裂帶運動學(xué)特征

2.3 真武-漢留斷裂帶形成演化過程

通過對斷層的幾何學(xué)和運動學(xué)特征進行分析，真武-漢留斷裂帶主要經(jīng)歷了4期演化。①白堊紀末期。真①斷層和吳①斷層強烈活動，其上盤開始發(fā)育走向平行的真武次級斷層，均表現(xiàn)為正斷層性質(zhì)。②泰州組—阜寧組沉積時期。受區(qū)域應(yīng)力場以及真①斷層分段生長的影響，真②斷裂帶表現(xiàn)為3條近NE向的斷層，漢留斷裂帶則表現(xiàn)為4條NE向的斷層段，同時伴生部分次級斷層。③戴南組沉積時期。由于區(qū)域應(yīng)力場由NW—SE轉(zhuǎn)為NS向伸展，真②-1和真②-2斷層西側(cè)形成近EW向斷層段，真②-3斷層端部走向略有偏轉(zhuǎn)，真②斷裂帶分段性促使橫向背斜形成發(fā)育并向北影響著漢留斷裂帶，漢①斷層逐漸連接，漢②斷層向東生長且東側(cè)走向轉(zhuǎn)為EW向，漢③斷層端部走向也有變化，次級斷層逐漸增多。④三垛組沉積時期。斷層持續(xù)活動，真②-1和真②-2斷層西側(cè)與EW向分支斷層相連，漢留斷裂帶及次級斷層繼續(xù)生長，最終各自發(fā)育成3條左階雁列式斷層。至新近紀，構(gòu)造運動逐漸減弱，真武-漢留斷裂帶大部分斷層不再活動或活動微弱(圖5)。真武-漢留斷裂帶之所以具有這樣的演化過程，與區(qū)域應(yīng)力場的轉(zhuǎn)變以及真①斷層分段連接形成橫向背斜密切相關(guān)。

圖4 漢留斷裂帶運動學(xué)特征

圖5 真武—漢留斷裂帶形成演化模式

Fig.5 Formation and evolution mode of Zhenwu-Hanliu fault zone

3 轉(zhuǎn)換帶對油氣聚集的影響

基于對斷層分段生長的研究，前人發(fā)現(xiàn)在斷層軟連接階段會形成轉(zhuǎn)換帶。在斷層連接部位，由于斷層段端部斷距相對于核部減小，正斷層主要活動的上盤地層出現(xiàn)核部地勢較低，端部地勢較高的現(xiàn)象，從而在2條斷層連接的部位形成局部地勢高點，即橫向背斜，影響了構(gòu)造圈閉的發(fā)育，進而對油氣的聚集分布起到一定的控制作用[6]。

平行于斷層走向截取地震剖面，可以觀察到在真②斷裂帶的斷層疊覆區(qū)域，即真②-3和真②-2斷層以及真②-2和真②-1斷層之間發(fā)育了較明顯的橫向背斜(圖3c)，地勢相對較高的部位有利于油氣向其運移匯聚。通過漢留斷裂帶上盤平行斷層走向的地震剖面(圖4c)，也能夠發(fā)現(xiàn)在漢③和漢②斷層以及漢②和漢①斷層之間存在橫向背斜，相對于真武斷裂帶幅度較小，這是由于真②斷裂帶的形成受真①斷層分段形成的橫向背斜影響較大，而漢留斷裂帶所受影響略小。由真武-漢留斷裂帶油氣平面分布可以看出(圖6)，大部分油氣資源聚集在斷層疊覆區(qū)，和橫向背斜發(fā)育部位相對應(yīng)，結(jié)合真武-漢留斷裂帶的形成演化(圖5)，真①斷層分段性質(zhì)影響了真②和漢留斷裂帶橫向背斜的發(fā)育，從而促使油氣聚集模式具有帶狀分布的趨勢。

4 結(jié) 論

(1) 真②-2、真②-1和漢①斷層在平面上可分為東西2段。真②-2和真②-1斷層?xùn)|西2段垂向上分別表現(xiàn)為分段連接和同沉積特征，漢②斷層?xùn)|西2側(cè)分別表現(xiàn)為分段連接和孤立斷層。斷層的分段連接以及走向上的變化與應(yīng)力場由NW轉(zhuǎn)為NS向伸展有關(guān)。

(2) 真①斷層分段性影響了真②和漢留斷裂帶的生長發(fā)育，分段連接處形成了橫向背斜，促使該區(qū)域主要油氣資源呈帶狀分布在真武—漢留斷裂帶疊覆區(qū)域。