泊爾江海子斷層分段演化特征及其對太原—山西組的控制作用

徐立濤 石萬忠*② 吳 睿 王 任 徐清海 張曉明

（①中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北武漢430074；②中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）構(gòu)造和油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074；③長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430100）

0 引言

斷裂作為沉積盆地中常見的構(gòu)造變形樣式，通常直接影響和控制含油氣盆地的沉積和油氣成藏，在層序地層格架內(nèi)根據(jù)斷層活動及演化研究控制沉積的構(gòu)造因素，目前已成為研究熱點(diǎn)。眾多研究表明，現(xiàn)今的大型斷裂往往是由一系列早期的次級斷層相互連接而成［1-7］，斷層之間以傳遞帶相互作用，主要表現(xiàn)為“硬聯(lián)接”和“軟聯(lián)接”兩種形態(tài)［8-9］。斷層活動形成的傳遞帶往往具有重要的油氣地質(zhì)意義。

鄂爾多斯盆地構(gòu)造穩(wěn)定，盆地沉降緩慢，盆內(nèi)砂巖儲集體分布多受沉積相帶控制［10-11］，以往主要根據(jù)沉積體系及沉積相分析預(yù)測儲層，很少考慮控制沉積的斷裂構(gòu)造因素。鄂爾多斯盆地北部杭錦旗地區(qū)，自西向東發(fā)育了三眼井、烏蘭吉林廟、泊爾江海子等斷層雁列式展布的斷裂帶，三條斷層具有左行走滑性質(zhì)，整體具有“分段”發(fā)育特征［2-3，12-13］。隨著研究的深入，該斷裂帶對研究區(qū)構(gòu)造、沉積、油氣藏分布的影響越來越受到關(guān)注［14-15］。斷裂帶南、北兩側(cè)地層及圈閉類型均存在差異，其中南側(cè)儲層分布除了受相帶控制外，還與斷層活動密切相關(guān)，但斷層對沉積的控制作用尚不清楚。

為此，本文利用三維地震資料研究泊爾江海子斷層構(gòu)造特征，基于區(qū)域動力學(xué)機(jī)制深入認(rèn)識斷層演化規(guī)律，分析斷層活動對儲層的控制作用，以期對類似地區(qū)的油氣勘探、開發(fā)提供借鑒。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

杭錦旗地區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部，橫跨伊陜斜坡、伊盟隆起、天環(huán)坳陷三個(gè)一級構(gòu)造單元［13］（圖1）。該區(qū)沉積地層自下而上為上古生界（石炭系太原組、二疊系山西組、石盒子組、石千峰組）和中生界（包括三疊系、侏羅系及白堊系），幾乎缺失新生界。該區(qū)廣泛發(fā)育正斷層、逆斷層、扭性斷層及反轉(zhuǎn)斷層，其中正斷層主要發(fā)育于上三疊統(tǒng)—下白堊統(tǒng)，逆斷層主要發(fā)育于基底、上古生界（圖2）。

圖1 研究區(qū)地理位置圖（據(jù)文獻(xiàn)［13］修改）

圖2 杭錦旗地區(qū)地震剖面（剖面位置見圖3）

鄂爾多斯盆地處于中國東部穩(wěn)定區(qū)和西部活動帶的結(jié)合部，受特提斯、古亞洲洋和環(huán)太平洋構(gòu)造域的影響［16］，經(jīng)歷了遷西、阜平、五臺等10余次構(gòu)造運(yùn)動［17］，盆地構(gòu)造演化及斷裂發(fā)育與多期區(qū)域應(yīng)力場轉(zhuǎn)變密切相關(guān)。

古生代盆地南、北緣的板塊運(yùn)動主導(dǎo)了構(gòu)造應(yīng)力場的形成。加里東旋回晚期，南部秦祁洋盆與北部中亞—蒙古洋盆的聯(lián)合俯沖效應(yīng)使盆內(nèi)形成近南北向擠壓應(yīng)力場［18］；海西期，陰山火山弧向南俯沖、秦嶺火山弧向北俯沖使盆地南緣及北緣相對仰沖而隆起［19-20］。

中生代盆地構(gòu)造格局的形成主要取決于古特提斯構(gòu)造域和太平洋構(gòu)造域兩大區(qū)域動力體系的聯(lián)合作用［21］。印支期揚(yáng)子板塊、華北板塊、西伯利亞板塊的相對聚斂運(yùn)動造就區(qū)內(nèi)NW—SE向、NNE—SSW向、SN向擠壓應(yīng)力［18，22］；燕山期總體由SN向擠壓格局轉(zhuǎn)換到NW—SE向擠壓格局，特別是在晚中生代發(fā)生了多期引張—擠壓構(gòu)造應(yīng)力體制轉(zhuǎn)換［23］。

喜山期構(gòu)造應(yīng)力場的形成主要源于新特提斯構(gòu)造動力體系和太平洋構(gòu)造動力體系的聯(lián)合作用，中國東、西部之間產(chǎn)生近南北向的右行剪切應(yīng)力場，并在鄂爾多斯盆地派生出NE—SW向擠壓應(yīng)力和NW—SE向拉張應(yīng)力［19］。

2 泊爾江海子斷層分段演化特征

2.1 幾何學(xué)特征

地震剖面顯示，研究區(qū)基底內(nèi)逆斷層較發(fā)育，也可見少量正花狀斷層（圖2），這些斷層主要形成于早古生代加里東期，多終止于T9c界面以下，后期不發(fā)生活動，只有少數(shù)基底斷層重新活化并斷穿至上部的沉積蓋層。泊爾江海子斷裂為其中規(guī)模最大的一條基底卷入型逆斷層，斷面呈高角度犁式，上陡下緩，傾向總體呈NW向，斷裂構(gòu)造幾乎貫穿整套沉積蓋層（圖2），斷距從下往上逐漸變小，反映了斷裂活動的長期性。斷層在地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷多期伸展—擠壓旋回，同時(shí)兼具張扭及壓扭特征，整體表現(xiàn)為海西期—燕山期的多期逆沖活動和喜山期的構(gòu)造反轉(zhuǎn)。

平面上，泊爾江海子斷層橫亙在杭錦旗地區(qū)中部，延伸約為80km，總體為一條走向多變的弧形斷層。斷層中部存在一個(gè)走向轉(zhuǎn)折點(diǎn)，斷層走向在此點(diǎn)由近EW向（走向約為95°）轉(zhuǎn)為NE向（走向約為65°），轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的斷層呈弧形向南凸出（圖3）。斷裂走向變化暗示其可能由多條早期斷層相連而成，如工區(qū)西部斷層至今尚未完全貫通，斷層相互疊覆，呈“軟聯(lián)接”狀態(tài)。

2.2 斷層分段活動特征

由于研究區(qū)遭受多期隆升剝蝕且研究資料有限，因而無法恢復(fù)剝蝕厚度。為了克服剝蝕的影響，選用位移—距離曲線［24-26］與古落差法［27-28］表征斷層的分段活動特征。斷層位移（斷距）指斷層兩盤對應(yīng)巖層之間的相對距離。相鄰斷層間的連接部位往往具有相對較小的累計(jì)斷距，這種特征可通過位移—距離曲線呈現(xiàn)。斷層落差是斷層兩盤對應(yīng)巖層之間的高程差，即某時(shí)期古落差一般為同一時(shí)期兩盤的厚度差。

圖3 研究區(qū)T9c界面相干屬性（左）及斷裂體系分布（右）圖

沿?cái)鄬幼呦虻乳g隔讀取每條測線的鉛直斷距，分別繪制上、下四個(gè)層系的位移—距離曲線（圖4左）和基底界面的累計(jì)斷距曲線（圖4右）；通過求取7套地層組合（志丹群及以上地層、直羅—安定組、延安組、延長組、劉家溝—二馬營組、上石盒子—石千峰組、太原—下石盒子組）的厚度差，制作斷層在各個(gè)時(shí)期的古落差（圖5）。結(jié)果表明：①斷層位移—距離曲線呈“凹凸”相間的結(jié)構(gòu)特征，整體表現(xiàn)為“小—中—大—中—小”變化特征，曲線下“凹”的部位即為各段斷層之間的傳遞帶，反映泊爾江海子斷層早期呈分段式發(fā)育，據(jù)此可將泊爾江海子斷層劃分為5個(gè)部分（圖4中的①～⑤）。②斷層古落差揭示斷層活動隨著時(shí)間遷移不斷變化的特性，且各段斷層的活動特征在走向上具有明顯差異（圖5）。

圖4 位移—距離曲線（左）和基底界面的累計(jì)斷距曲線（右）

圖5 泊爾江海子斷層各層段古落差

從區(qū)域上來看，泊爾江海子斷層與其西部的烏蘭吉林廟、三眼井?dāng)嗔褬?gòu)成左行走滑構(gòu)造樣式，具有大尺度意義上的“分段”活動特征，但現(xiàn)今三者的斷層性質(zhì)及活動特征均有差異。三眼井、烏蘭吉林廟斷層為加里東期形成、燕山期重新活動的南傾正斷層，具有兩期活動特征，泊爾江海子斷層為一條長期活動的北傾逆斷層［29］。根據(jù)上述分析，泊爾江海子斷層在長期的發(fā)展過程中本身又具有相對小尺度的“分段”演化特征，符合早期分段演化、晚期連接、統(tǒng)一的典型斷層發(fā)展模式。加里東—海西期泊爾江海子斷層在近NS向弱—中等強(qiáng)度擠壓應(yīng)力背景下表現(xiàn)為分段性活動（圖4、圖6a），直到印支期一直呈持續(xù)性弱擠壓活動。印支期構(gòu)造活動對斷裂格局影響不大，進(jìn)入延安組沉積末期，該地區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈的陸內(nèi)變形，泊爾江海子斷層各段進(jìn)一步向兩側(cè)拓展但尚未連接（圖4）。中—晚侏羅世，研究區(qū)在南北雙向擠壓及東向擠壓作用影響下發(fā)生強(qiáng)烈逆沖變形［30］，斷層發(fā)生大規(guī)模逆沖并伴隨右旋走滑［2-3］，斷距的劇增和走滑撕裂促使斷層橫向貫穿統(tǒng)一（圖6b）。在晚中生代的多期引張—擠壓旋回中［23］，泊爾江海子斷層繼承性活動并在白堊紀(jì)晚期再次發(fā)生分段性活動（圖6c）。始新世—新近紀(jì)，泊爾江海子斷層在近NS向的右旋剪切應(yīng)力場下表現(xiàn)為一系列雁列展布的張扭性斷裂（圖6d）。喜山晚期斷層再一次構(gòu)造反轉(zhuǎn)，發(fā)生逆沖活動，從而形成現(xiàn)今的斷裂格局。因此，泊爾江海子斷層的構(gòu)造特征基本反映了研究區(qū)各構(gòu)造運(yùn)動時(shí)期的動力學(xué)背景，現(xiàn)今的斷裂格局是加里東、海西、印支、燕山、喜山等多期構(gòu)造活動疊加的結(jié)果。

圖6 研究區(qū)不同時(shí)期斷裂活動特征

3 斷層活動對沉積的控制作用

研究區(qū)的油氣勘探主要集中于上古生界太原—下石盒子組碎屑巖系，陸源碎屑沉積物物源來自盆地北緣，地層及沉積體系在一定程度上受泊爾江海子斷層活動的影響。泊爾江海子斷層對沉積的控制作用主要表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面。

3.1 斷層活動對太原—山西組發(fā)育的影響

晚古生代斷層活動形成的古坡折帶控制了太原組的沉積邊界。根據(jù)前文分析可知，泊爾江海子斷層于太原組沉積之前開始活動，受斷層活動的影響，斷層南、北兩側(cè)地層差異較大。晚石炭世太原組沉積期，以泊爾江海子斷層為界，斷裂以北仍為隆起剝蝕區(qū)，太原組主要分布在斷裂以南，太原組尖滅線基本由泊爾江海子斷層控制（圖7）。進(jìn)入早二疊世山西組沉積期，沉積范圍才擴(kuò)大到泊爾江海子斷裂以北，即太原組沉積期斷層活動控制了高低起伏的構(gòu)造單元，形成了南、北分異的古地貌特征。

斷層活動造就了“北高南低”的古地貌，使斷層兩側(cè)存在明顯的沉積相分異。太原—山西組煤系地層呈異常低的負(fù)振幅響應(yīng)，為重要的地震標(biāo)志層，因此最大波谷屬性可以揭示全區(qū)巖性分布特征。屬性分布圖中深黑色區(qū)大體上代表煤巖或泥巖分布區(qū)，白—黃白—紅色區(qū)依次代表地層含砂率逐漸增加（圖8左）。由此可知：斷層以北水淺，水體動蕩，地層含砂率高，主要發(fā)育相對高能的沉積相帶；斷層以南水深，水體相對平靜，地層含砂率減小，地層含煤量相對較大，相對低能的沉積相帶展布范圍明顯較大。

圖7 連井地層對比剖面（剖面位置見圖3）

圖8 研究區(qū)太原—山西組最大波谷屬性（左）及測井相（右）

3.2 傳遞帶對砂體展布規(guī)律的控制作用

一般來說，由于地質(zhì)均衡作用，在斷層活動強(qiáng)烈的部位，下降盤沉降形成深洼，上升盤反翹形成微幅凸起；在斷層活動較弱的部位或者傳遞帶部位，上升盤形成低地或溝槽，下降盤則相對凸起，能夠引導(dǎo)、匯聚物源水系，成為優(yōu)勢搬運(yùn)通道［31］。因此，泊爾江海子斷層的早期分段活動形成的傳遞帶是南部地區(qū)物源輸入及砂體展布的關(guān)鍵控制因素。

太原—山西組沉積期，主要形成西部近EW向的兩條斷層和東部近NE向的兩條斷層（圖6a），斷層間的傳遞帶具有匯聚物源水系的作用，分別控制物源進(jìn)入南側(cè)的優(yōu)勢搬運(yùn)通道。物源經(jīng)傳遞帶進(jìn)入斷層南側(cè)后主要呈扇狀或條帶狀向南延伸，各砂體條帶被低能相帶分隔（圖8），沉積體展布與斷層的構(gòu)造傳遞帶位置具有良好的配置關(guān)系。

傳遞帶的繼承性發(fā)育使該部位具有長期的控砂能力，從而控制儲集體發(fā)育空間。泊爾江海子斷層南側(cè)沉積體往往是多期沉積體在局限區(qū)域疊加的結(jié)果。如研究區(qū)中部發(fā)育一套遠(yuǎn)距離延伸的寬廣河道沉積，剖面呈透鏡狀幾何外形，測井相表現(xiàn)為多期河道疊加（圖8右）。長期的物源輸送使多期砂體在垂向上疊加，致使沉積體堆積規(guī)模不斷增大，從而成為有利勘探目標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)今的泊爾江海子斷層由5條次級孤立斷層相互連接而成。海西期泊爾江海子斷裂呈分段式逆沖活動，侏羅紀(jì)晚期泊爾江海子斷層發(fā)生大規(guī)模的逆沖運(yùn)動而發(fā)展成為一個(gè)整體，隨后又在早白堊世至新近紀(jì)多期伸展—擠壓旋回中發(fā)生不同程度的構(gòu)造反轉(zhuǎn)和改造，從而形成現(xiàn)今斷裂構(gòu)造格局。

（2）泊爾江海子斷層的傳遞帶與南部沉積體展布具有良好對應(yīng)關(guān)系，相鄰斷層間的傳遞帶或不活動斷層部位可作為物源導(dǎo)入的優(yōu)勢通道，控制著南部大型沉積體的發(fā)育及展布。在穩(wěn)定緩坡背景下，斷層傳遞帶的形成使沉積體分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，這對于追蹤沉積體具有重要意義。