塔里木盆地古城地區(qū)古生界壘-扭疊合復(fù)合斷層-裂縫體模型

何光玉,曹自成,姚澤偉,廖天奇,林 波

[1.浙江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.中國石化 西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011]

塔里木盆地是中國西北地區(qū)非常重要的含油氣盆地，油氣資源異常豐富，先后發(fā)現(xiàn)了塔中、塔河、克拉2等大型油氣田。近年來，在塔中隆起北斜坡順北地區(qū)古生界海相碳酸鹽巖斷層-裂縫帶中油氣勘探取得了重大突破。同時，在順南地區(qū)古生界海相碳酸鹽巖斷層-裂縫帶中也取得了天然氣勘探的重大突破，表明在塔中北坡古生界海相碳酸鹽巖斷層-裂縫體中油氣資源異常豐富，勘探潛力巨大。

位于塔中北坡南部的古城地區(qū)，其油氣勘探經(jīng)歷了由海相碎屑巖勘探向奧陶系坡折帶臺緣礁灘體勘探，再向奧陶系臺內(nèi)層間巖溶領(lǐng)域勘探的3個階段[1]。2012年，中國石油在古城6井奧陶系獲高產(chǎn)天然氣流。隨后，又在古城8井和古城9井奧陶系鷹山組含白云巖層系中獲得高產(chǎn)氣流，并在寒武系臺緣丘灘體鉆遇氣層，表明古城地區(qū)古生界海相碳酸鹽地層油氣資源非常豐富，勘探潛力很大。

然而，目前對于古城地區(qū)的油氣地質(zhì)研究，主要集中于古生界海相碳酸鹽巖的儲層類型[2-6]、沉積環(huán)境[7-8]與成因機理[9-12]等方面，特別是白云巖儲層與臺緣丘灘體。此外，還有少量斷層特征與成因機制[13]、走滑斷裂與熱流體[14]、構(gòu)造演化與油氣成藏[15-17]等方面的研究。對于該區(qū)古生界海相碳酸鹽地層中斷層-裂縫體的研究，目前尚未見諸于公開報道。

基于以上原因，本文根據(jù)古城地區(qū)的三維地震剖面，結(jié)合鉆井和測井資料，依據(jù)構(gòu)造疊加復(fù)合分析方法[18]，對分布于古城三維地震工區(qū)中部的地壘構(gòu)造帶進行研究，提出了古生界壘-扭疊合復(fù)合斷層-裂縫體模型。

1 地質(zhì)背景

古城地區(qū)位于塔里木盆地中部北西向的卡塔克隆起與北東東向的古城墟隆起之間，北鄰滿加爾坳陷，南鄰車爾臣斷裂(圖1)，是一個發(fā)育于上寒武統(tǒng)—下奧陶統(tǒng)臺地邊緣相帶的鼻狀隆起，面積約為6 100 km2。

圖1 塔里木盆地古城地區(qū)構(gòu)造位置(a,b)及上奧陶統(tǒng)底面斷層分布(c)Fig.1 Location of the Gucheng area (a,b),and distribution of faults on the bottom of the Upper Ordovician(c),Tarim Basin

古城低凸起為向北西傾的下古生界大型寬緩鼻狀構(gòu)造，包括南、北兩個部分。南部受車爾臣斷裂影響劇烈，發(fā)育一系列復(fù)雜沖斷構(gòu)造。北部受車爾臣斷裂影響相對較弱，構(gòu)造相對平緩，局部表現(xiàn)為斷背斜構(gòu)造[1]。

古城低凸起自上而下發(fā)育新生界第四系、新近系和古近系，中生界白堊系和三疊系，古生界二疊系、石炭系、奧陶系和寒武系[12]。缺失中生界侏羅系、上古生界泥盆系和下古生界志留系。

地層分析結(jié)果表明，古城低凸起自下而上發(fā)育4個角度不整合面：上奧陶統(tǒng)底面角度不整合、石炭系底面角度不整合、三疊系底面角度不整合及白堊系底面角度不整合[1]。

古城地區(qū)奧陶系分為上、中、下三統(tǒng)：下奧陶統(tǒng)由蓬萊壩組與鷹山組三、四段組成，巖性以白云巖、灰?guī)r互層為主；中奧陶統(tǒng)由鷹山組一、二段與上覆一間房組組成，主要由泥晶灰?guī)r組成；上奧陶統(tǒng)為卻爾卻克組，主要為巨厚泥巖層[15]。

前人研究表明，古城地區(qū)深部斷層非常發(fā)育，主要有北西向、北北東向與北東向三組斷裂，主要為走滑斷裂[8]，分別形成于加里東早期、加里東中期、加里東晚期-海西早期[13]。其中，以北北東向和北東向走滑斷列為主，主要活動于加里東中期和加里東晚期-海西早期兩個主要時期。

2 壘-扭疊合復(fù)合變形特征

本次研究運用Landmark地震解釋工作站，對古城地區(qū)的三維地震資料進行了精細地質(zhì)分析，獲得了古城地區(qū)斷層剖面特征與剖面地質(zhì)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)網(wǎng)格狀分布的三維地震剖面資料，編制了古城地區(qū)斷層分布圖，并據(jù)此確定了斷層分布特征及平面地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

上述研究的地震資料來源于中國石化西北油田分公司，地層分層來源于鉆井、測井與地震資料的綜合研究。涉及的地震分層主要有：三疊系、石炭系、上奧陶統(tǒng)、中-下奧陶統(tǒng)+上寒武統(tǒng)、中-下寒武統(tǒng)。

2.1 剖面疊合特征

圖2為橫穿古城三維地震工區(qū)的南北向測線剖面。由圖可知，研究區(qū)古生界整體上為一上倒錐-下地壘疊合構(gòu)造，發(fā)育于寒武系-奧陶系，并依次受到壓扭與張扭斷層的改造。該疊合構(gòu)造可以分為上、下兩層：下層地壘分布于寒武系-中奧陶統(tǒng)，主要由GL3井北和GL2井北斷裂所形成。證據(jù)是，在這2條斷裂的上盤，中-下寒武統(tǒng)、上寒武統(tǒng)-中奧陶統(tǒng)的厚度明顯要大于下盤對應(yīng)地層的厚度，表明在早-中寒武世與晚寒武世-中奧陶世，這兩條斷層都發(fā)生過明顯的伸展活動。

圖2 塔里木盆地古城地區(qū)AA′三維地震測線剖面(剖面位置見圖1)Fig.2 3D seismic section A-A′ in Gucheng area,Tarim Basin (see Fig.1 for the section location)a.AA′三維地震剖面;b.AA′三維地震剖面解釋

圖2表明，上層倒錐構(gòu)造分布于上奧陶統(tǒng)之中，主要由GL3井北、GL2井東和GL2井北等斷裂及其派生斷層張扭活動所形成。證據(jù)是：①在GL3井北和GL2井北斷裂的上盤，上奧陶統(tǒng)的厚度明顯要大于下盤對應(yīng)地層的厚度；②GL3井北、GL2井東和GL2井北等斷裂帶均為半花狀構(gòu)造[19-21]；③圖1中GL3井北和GL2井北之間的斷裂形成了走滑變形特有的“掃帚狀”構(gòu)造。因此，這些斷裂都發(fā)生過張扭活動。

至于張扭活動的時間，應(yīng)該發(fā)生于加里東晚期，即志留紀。這是因為：①圖2中上奧陶統(tǒng)底面發(fā)育沖斷構(gòu)造；②發(fā)生沖斷的GL2井東斷裂帶具有走滑活動特有的半花狀變形特征，表明加里東中期為壓扭變形期；③鄰近順北、順南兩地志留紀具有張扭變形特征[22-25]。

此外，圖2還表明，上述地壘構(gòu)造還受到過海相早期張扭斷裂、印支期伸展斷裂的改造。因此，縱向上具有壘-扭疊加的特征。

2.2 平面復(fù)合特征

進一步的研究表明，古城不同地質(zhì)時期的斷層表現(xiàn)出了明顯的復(fù)合特點。圖3表明，在加里東早期，研究區(qū)發(fā)育北東東—近東西走向的正斷層，相背傾斜，平行排列，整體上為一向北東東方向延伸的地壘。在加里東中期，研究區(qū)發(fā)育北西—北北西走向的壓扭斷層，整體上沿著北北東方向雁列；在加里東晚期，研究區(qū)發(fā)育北東—北東東向張扭斷層，整體上具有“掃帚狀”展布的特點。而在海西早期，研究區(qū)發(fā)育的北東東向斷層，整體上具有沿著北東方向雁列的特點。

圖3 塔里木盆地古城地區(qū)不同地質(zhì)時期斷層分布Fig.3 Fault distribution during different geological periods in Gucheng area,Tarim Basina.加里東早期(下寒武統(tǒng)底面);b.加里東中期(上奧陶統(tǒng)底面);c.加里東晚期(上奧陶統(tǒng)底面);d.海西早期(石炭系底面)F1.GL2井北斷裂;F2.GL2井東斷裂;F3.GL3井北斷裂

3 壘-扭疊合復(fù)合斷層-裂縫體模型

3.1 巖心與鏡下裂縫發(fā)育狀況

基于GL2井與GL3井的巖心分析表明，研究區(qū)中-下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖裂縫發(fā)育，部分被方解石充填，部分被瀝青質(zhì)充填(圖4)。其中，GL3井在6 062～6 162 m井段見微裂縫，但被方解石充填。GL2井在5 984～5 985 m見直立微裂縫，未被充填。同時，鏡下觀察在GL3井5 907～6 236 m井段處發(fā)現(xiàn)微裂縫，但被方解石充填。GL2井5 754.97～5 783.42 m井段處發(fā)現(xiàn)微裂縫，但被瀝青充填。

圖4 塔里木盆地古城地區(qū)鉆井巖心與鏡下裂縫分布(1)中石化西北油田研究院.塔中北坡井資料[R].中石化西北油田研究院，2013.Fig.4 Drilling core images and fractures in the cores under microscope,Gucheng area,Tarim Basin①a.GL2井，埋深5 757.88～5 758.03 m，O2yj，淺黃灰色泥晶灰?guī)r，見3條交錯立縫，縫長15 cm，寬約3～8 mm，被晶簇狀自形晶方解石全填充；b.GL2井，埋深5 783.21～5 758.32 m，O2yj，黃灰色砂屑灰?guī)r，見2條斜縫，縫長5～8 cm，寬約2 mm，1條被黑色有機質(zhì)及晶簇自形晶方解石填充，另1條被晶簇狀自形晶方解石全填充；c.GL2井，埋深5 789.49～5 789.79 m，O2yj，黃灰色砂屑泥晶灰?guī)r，見2條平行立縫，縫長30 cm，寬約3 mm，被晶簇狀自形晶方解石全填充；d.GL3井，埋深6 162.18～6162.40.03 m，O1-2y，灰色砂屑泥晶灰?guī)r，見1條立縫，縫長5 cm，寬0.5～1.0 mm，被黑色瀝青質(zhì)和白色結(jié)晶方解石全填充，見1條斜縫，縫長約4cm，縫面見黑色瀝青質(zhì)和白色結(jié)晶方解石；e.GL2井，埋深5 754.97 m ，O2yj，泥晶灰?guī)r，見一條裂縫0.1 mm， 縫合線發(fā)育，內(nèi)充填黑色瀝青；f.GL2井，埋深5 783.42 m ，O2yj，泥晶砂屑灰?guī)r，見一條裂縫0.01～0.04 mm，縫合線發(fā)育，內(nèi)充填黑色瀝青

3.2 地震剖面上裂縫發(fā)育狀況

圖5表明，研究區(qū)至少發(fā)育有4期構(gòu)造裂縫。從早至晚依次為加里東早期、加里東中期、加里東晚期和海西早期。其中，加里東早期分布于寒武系-中奧陶統(tǒng)，主要為張性裂縫。加里東中期主要分布于中帶中奧陶統(tǒng)頂部-上奧陶統(tǒng)中部，主要為壓性裂縫。加里東晚期主要分布于研究區(qū)南帶與北帶的中奧陶統(tǒng)頂部-上奧陶統(tǒng)，主要為張性裂縫。另外，還分布于中帶上奧陶統(tǒng)上部，也主要為張性裂縫。海西早期的斷層-裂縫體主要分布于北帶的石炭系，也主要為張性裂縫。

圖5 塔里木盆地古城地區(qū)AA′三維地震測線斷層-裂縫體剖面(剖面位置見圖1)Fig.5 Fault-fracture bodies on 3D seismic section A-A′ in Gucheng area,Tarim Basin (see Fig.1 for the section location)a.鉆井裂縫在地震剖面上的投影； b.斷層-裂縫體剖面

上述各期構(gòu)造裂縫的分布總體上具有下窄上寬、呈倒錐狀展布的特點，這與走滑變形的花狀或半花狀的形態(tài)特征是一致的。

3.3 壘-扭疊合復(fù)合斷層-裂縫體模型

在上述分析的基礎(chǔ)上，建立了如圖6所示的壘-扭疊合復(fù)合斷層-裂縫體模型。

圖6表明，該模型具有如下特點：①剖面上，斷層-裂縫體的性質(zhì)不具有繼承性。深部寒武系、中部中-下奧陶統(tǒng)、上部上奧陶統(tǒng)和頂部石炭系中依次發(fā)育加里東早期伸展斷層-張性裂縫帶、加里東中期壓扭斷層-壓剪性裂縫帶、加里東晚期張扭斷層-張剪性裂縫帶和海西早期張扭斷層-張剪性裂縫帶，它們在垂向上依次疊合；②平面上，自下而上斷層-裂縫體的走向發(fā)生了明顯的順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)。深部寒武系、中部中-下奧陶統(tǒng)、上部上奧陶統(tǒng)和頂部石炭系中斷層-裂縫體的走向分別為北東東向、北北東向、北東—北東東向和北東向，它們在橫向上依次復(fù)合；③剖面上，斷層-裂縫體整體上呈現(xiàn)出“上倒錐、下地壘”的形態(tài)特點和“上、下張性，中間壓性”的性質(zhì)特點；④平面上，斷層-裂縫體整體上呈現(xiàn)出“掃帚狀”和雁列狀的特點。

圖6 塔里木盆地古城地區(qū)壘-扭疊合復(fù)合斷層-裂縫體模型Fig.6 Horst-twist superimposed fault-fracture body model for Gucheng area,Tarim Basin

4 結(jié)論

1) 古城地區(qū)古生界至少發(fā)育加里東早期、加里東中期、加里東晚期和海西早期等4期斷層-裂縫體，它們在垂向上依次疊置。其中，除加里東中期為壓性外，其余均為張性。

2) 古城地區(qū)古生界發(fā)育的上述4期斷層-裂縫體的走向明顯不同，它們在橫向上具有不同時期、不同方向的斷層-裂縫體依次復(fù)合的特征。

3) 古城地區(qū)古生界發(fā)育壘-扭疊合復(fù)合的斷層-裂縫體。根據(jù)斷層-裂縫體的形態(tài)，可以分為上、下兩層，下層為地壘狀，由早期伸展變形形成，上層為倒錐狀，由后期走滑變形形成。