米倉山—南大巴山西段深部構(gòu)造特征及對頁巖氣成藏的控制

侯丁根，周效志，汶小崗，孫文華，張永強(qiáng)

(1.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021；2.陜西省煤田物探測繪有限公司，西安 710005；3.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116)

0 引言

大巴山構(gòu)造帶以其復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變特征一直都是研究的重點(diǎn)區(qū)域，眾多專家、學(xué)者從盆山結(jié)構(gòu)發(fā)育特征、弧形構(gòu)造帶、構(gòu)造抬升時(shí)間與樣式等方面對米倉山、大巴山與四川盆地的過渡地帶進(jìn)行了構(gòu)造與油氣研究[1-6]，并指出地層超壓、高演化程度、含氣性好、頁巖層厚度大等儲(chǔ)層特征是南方海相頁巖氣高產(chǎn)的有利條件[7-9]。目前的研究多集中于四川盆地東北緣與米倉山隆起、南大巴山弧形構(gòu)造帶的過渡區(qū)，而對米倉山隆起與南大巴山西段過渡區(qū)的構(gòu)造與成藏特征研究較少。本研究在二維地震勘探成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合鎮(zhèn)地1井鉆孔資料，繼續(xù)深化對米倉山隆起與南大巴山弧形構(gòu)造帶過渡區(qū)的構(gòu)造發(fā)育及成藏特征的認(rèn)識(shí)，為區(qū)內(nèi)的頁巖氣勘探工作提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于上揚(yáng)子西北緣大巴山弧形構(gòu)造帶西段，其西南部為四川盆地、西部為米倉山隆起、北部為漢南隆起，具體位于米倉山隆起與南大巴山弧形構(gòu)造帶西段的過渡區(qū)中(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖Figure 1 Geological sketch map of study area

區(qū)域地層總體發(fā)育較全，以古生界、中生界為主，缺失泥盆系、石炭系。米倉山隆起區(qū)主要出露寒武系、奧陶系及志留系等，而大巴山弧形構(gòu)造帶主要出露二疊系、三疊系及侏羅系等。研究區(qū)主要目的層為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組(∈1n)。地表主要出露下志留統(tǒng)羅惹坪組(S1lr)、中志留統(tǒng)寧強(qiáng)組(S2n)、二疊系(P)及下三疊統(tǒng)大冶組(T1d)等，其中羅惹坪組以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，二疊系及三疊系以泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖為主。鎮(zhèn)地1井為區(qū)內(nèi)僅有的頁巖氣井。

米倉山前緣與南大巴山西段的過渡帶至少存在兩期重要的擠壓構(gòu)造應(yīng)力場，目前認(rèn)為主要受到印支期與燕山期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響[10-11]。印支期受南北向擠壓，形成軸向東西的寬緩褶皺；燕山期受東西向擠壓，形成軸向南北的緊閉褶皺。燕山運(yùn)動(dòng)在印支期東西向的造山幕之上，產(chǎn)生了大規(guī)模南北向的橫跨疊加褶皺。

上揚(yáng)子北緣沉積演化主要經(jīng)歷了震旦紀(jì)初始的碳酸鹽臺(tái)地、早中寒武世陸棚、晚末寒武世-早奧陶世碳酸鹽臺(tái)地與邊緣隆升、中晚奧陶臺(tái)地淹沒、晚奧陶-早志留世滯留陸棚沉積等階段，形成了多套有利的烴源巖儲(chǔ)層[12]。地球化學(xué)研究表明，米倉山地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組沉積于淺海陸棚環(huán)境中，早寒武世早期海洋普遍為底水缺氧環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)富集并保存良好，為頁巖氣的生成奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)[13-14]。

2 深部構(gòu)造特征

2000年至2016年，相關(guān)單位在米倉—大巴山山前帶開展了大量油氣地震勘探的科研攻關(guān)工作，在資料采集、處理及解釋等方面取得了較多深刻認(rèn)識(shí)[15-18]，為本研究的相關(guān)工作提供了重要借鑒。

2.1 測線位置及采集參數(shù)

研究區(qū)4條測線呈“井”字形布設(shè)，其中主測線D3、D2線為東西走向，聯(lián)絡(luò)測線L1、L2線為南北走向，D2線經(jīng)過鎮(zhèn)地1井(圖1)。采用3線2炮寬線觀測系統(tǒng)，中間放炮，4800-20-20-20-4800，線距40 m，炮距40 m，覆蓋次數(shù)360次。

2.2 典型剖面的構(gòu)造特征

縱觀2條典型時(shí)間剖面(圖2)，測線地震反射較好，構(gòu)造特征明顯，主要地層反射波同相軸連續(xù)、信噪比高，原始資料較為理想。通過合成記錄標(biāo)定，連續(xù)追蹤了下寒武統(tǒng)牛蹄塘組(1n，洋紅色)、下志留統(tǒng)龍馬溪組(S1l，深藍(lán)色)及下二疊統(tǒng)梁山組(P1l，綠色)。

圖2 D2線(上)及L1線(下)典型時(shí)間剖面示意圖Figure 2 Schematic diagram of line D2 (upper)and line L1 (lower)typical time sect

由圖可知，D2線剖面表現(xiàn)為一系列東傾疊瓦狀逆斷層所夾持的斷塊構(gòu)造樣式，地層呈現(xiàn)出東高西低的分布特征，局部可見褶皺的反射，表明中上部褶皺構(gòu)造相對發(fā)育。L1線剖面表現(xiàn)為一系列北傾疊瓦狀逆斷層所夾持的斷塊構(gòu)造樣式，地層呈現(xiàn)出北高南底的分布趨勢，表現(xiàn)為單斜上局部發(fā)育褶皺的反射波組合特征?？梢姡苊讉}山隆起的影響，區(qū)內(nèi)地層整體表現(xiàn)為西北高、東南低的分布形態(tài)。

基于區(qū)域滑脫層位(表1)與構(gòu)造的耦合特征[19-20]，結(jié)合研究區(qū)巖性發(fā)育特征，將上震旦統(tǒng)粉砂巖、頁巖及志留系內(nèi)部的粉砂質(zhì)泥巖層作為區(qū)內(nèi)滑脫層，指導(dǎo)地震地質(zhì)解釋工作。通過分析，認(rèn)為研究區(qū)構(gòu)造特征以單斜為主，局部發(fā)育次級褶皺。主要斷層切穿寒武系、志留系，向上收斂于下志留統(tǒng)的泥頁巖及砂質(zhì)泥巖滑脫層，向下收斂于上震旦統(tǒng)的頁巖、泥質(zhì)粉砂巖等軟弱巖層。

表1 大巴山區(qū)域滑脫層特征Table 1 Characteristics of decollement zones in Dabashan Mts.area

2.3 構(gòu)造發(fā)育模式探討

針對二疊系底界至震旦系各小層之間地層及斷層表現(xiàn)出的特殊延展現(xiàn)象(圖3)，探討研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育模式。志留系龍馬溪組上覆與下伏地層中的斷層表現(xiàn)出兩種不同的空間分布形態(tài)，且其落差與延伸長度相差較大，同時(shí)斷層的切割作用導(dǎo)致地層形態(tài)各異。整體而言，區(qū)內(nèi)地層垂向上表現(xiàn)出不同的構(gòu)造樣式，即震旦系至志留系底界層位較穩(wěn)定，而志留系底界至二疊系底界層位相對復(fù)雜。

圖3 研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育模式示意圖Figure 3 Schematic diagram of structural development mode in study area

在成因方面，研究區(qū)獨(dú)特的地層組合方式為深部構(gòu)造的差異性發(fā)育提供了巖性基礎(chǔ)。志留系巖性主要為泥巖、頁巖及粉砂巖等，硬度較小，擠壓作用下容易碎裂，因此上覆地層反射波雜亂、斷續(xù)，地層相對不完整；寒武系巖性則以灰?guī)r、白云巖為主，硬度較大，擠壓作用下局部軟弱層位發(fā)生碎裂，但整體層位相對完整，因此下伏地層反射波清晰、連續(xù)，僅在局部出現(xiàn)層位錯(cuò)斷現(xiàn)象。寒武系層位的穩(wěn)定分布，對牛蹄塘組頁巖層形成了有效保護(hù)，使得多處目的層垂向臨近構(gòu)造相對簡單。

綜合分析2條測線時(shí)間剖面的反射與構(gòu)造特征，認(rèn)為深部構(gòu)造在志留系滑脫層的影響下表現(xiàn)為雙重構(gòu)造，即以志留系底部滑脫層為界，上覆與下伏地層的構(gòu)造差異性顯著。同時(shí)，寒武系的穩(wěn)定分布有利于頁巖氣的富集成藏。

3 構(gòu)造對頁巖氣成藏的控制

鎮(zhèn)地1井開孔層位為下志留統(tǒng)羅惹坪組，完鉆層位為震旦系燈影組，井深1 772.97 m。該井資料顯示：牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁巖厚90 m，TOC含量高(平均為3.37%)，熱演化成熟度相對適中(平均為2.66%)，脆性礦物含量較高(平均為53.6%)，頁巖孔隙發(fā)育程度較好，解析法測得平均含氣量為4.19 m3/t，含氣性較好[21]。參考四川盆地及其周緣的頁巖氣儲(chǔ)層參數(shù)[22-25](表2)與開發(fā)效果[26-28]，研究區(qū)儲(chǔ)層參數(shù)表明頁巖氣層具有良好的儲(chǔ)層特征與開發(fā)基礎(chǔ)，但在地層壓力參數(shù)方面，仍需進(jìn)一步研究。

表2 研究區(qū)周緣頁巖氣井儲(chǔ)層參數(shù)對比Table 2 Comparison of shale gas well reservoir parameters in study area periphery

基于地震勘探資料，對研究區(qū)牛蹄塘組的埋深、厚度及含氣性要素進(jìn)行評價(jià)，并預(yù)測有利區(qū)范圍(圖4)。

圖4 牛蹄塘組有利區(qū)評價(jià)要素及結(jié)果Figure 4 Niutitang Formation favorable area assessment factors and assessed results

圖4a中，牛蹄塘組整體呈現(xiàn)出西北淺、東南深的分布特征，與區(qū)內(nèi)地層的空間延展形態(tài)相似。受印支與燕山兩期造山運(yùn)動(dòng)的疊加影響，區(qū)內(nèi)東部目的層總體較深且表現(xiàn)出類似弧形構(gòu)造帶的NW-SE向分布形態(tài)。主要埋深為1 500～3 000 m，埋深適中。鎮(zhèn)地1井周緣牛蹄塘組埋深在2 000 m左右，并具有一定的擴(kuò)展范圍。

沿目的層上下界面延伸5ms提取均方根振幅屬性，結(jié)合反演數(shù)據(jù)體縱波阻抗樣點(diǎn)累計(jì)數(shù)，刻畫出頁巖厚度的平面分布形態(tài)見圖4b。區(qū)內(nèi)牛蹄塘組厚度變化微弱，符合淺海陸棚相沉積穩(wěn)定的特征，由于受后期斷層切割與褶皺擠壓的改造作用，故等厚線數(shù)值相差不大但連續(xù)性較低。主要厚度為80～100 m，厚度較大且分布均勻，僅在鎮(zhèn)地1井東南側(cè)加厚至120 m。

采用碳?xì)錂z測技術(shù)，獲得反映頁巖氣富集程度的預(yù)測結(jié)果見圖4c。區(qū)內(nèi)以Ⅱ類含氣區(qū)為主，較好的Ⅰ類含氣區(qū)片段式分布于區(qū)內(nèi)西北側(cè)，包含鎮(zhèn)地1井并沿北東向連續(xù)延伸。鎮(zhèn)地1井顯示含氣性良好，因此Ⅰ類含氣區(qū)預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確度較高。值得注意的是，該方法通過地震波穿過介質(zhì)的頻率變化情況來進(jìn)行油氣預(yù)測，其關(guān)鍵因素為激發(fā)條件及含氣性。從當(dāng)前結(jié)果來看，Ⅰ類含氣區(qū)所在地表為砂泥巖區(qū)，激發(fā)條件好，所獲剖面信噪比高且頻率高低易于辨識(shí)，于其他區(qū)域而言，則無法判定預(yù)測結(jié)果是由于激發(fā)因素差或是含氣性差所致。鎮(zhèn)地1井鉆遇小型逆斷層，但仍為Ⅰ類含氣區(qū)，表明逆斷層的封隔性良好，鑒于寒武系構(gòu)造簡單，推測Ⅰ類含氣區(qū)的實(shí)際分布范圍更廣。

依據(jù)構(gòu)造弱發(fā)育、埋深適中、厚度大及含氣性好等條件進(jìn)行有利區(qū)優(yōu)選，結(jié)果如圖4d所示。有利區(qū)面積約為10.5 km2，由D2、D3及L1線地震及鎮(zhèn)地1井資料控制，評價(jià)結(jié)果較為可靠。同時(shí)，有利區(qū)出露志留系砂泥巖地層，或僅有薄層二疊系灰?guī)r作為蓋層，大大降低了開發(fā)難度。

4 結(jié)論

1)受大巴山弧形構(gòu)造帶自東向西逆沖推覆作用的影響，研究區(qū)主要發(fā)育逆斷層。斷層整體傾向北東，縱向貫穿區(qū)內(nèi)主要地層，向上、向下分別收斂于志留系、震旦系滑脫層。深部構(gòu)造在滑脫層的影響下表現(xiàn)為雙重構(gòu)造，即以志留系底部滑脫層為界面，上覆地層起伏較大，下伏地層相對穩(wěn)定。

2)受米倉山隆起的影響，區(qū)內(nèi)地層由西北至東南逐漸降低。目的層受構(gòu)造影響較小，僅局部產(chǎn)生錯(cuò)斷、褶皺，但幅度微小。層位整體穩(wěn)定，且多處目的層垂向臨近構(gòu)造相對簡單，表明區(qū)內(nèi)頁巖氣富集的封蓋條件良好。

3)在構(gòu)造的控制作用下，牛蹄塘組由西北至東南逐漸加深，主要為1 500～3 000 m，埋深適中；厚度較大且分布均勻，主要為80～100 m；儲(chǔ)層具備封隔性，Ⅰ類含氣區(qū)連續(xù)分布，含氣性較好?？傮w呈現(xiàn)出優(yōu)良的頁巖氣成藏特征，并優(yōu)選有利區(qū)一個(gè)，基本滿足頁巖氣勘探開發(fā)的前期需求。