庫車坳陷北部構(gòu)造帶斷裂活動及油氣成藏意義

趙光杰李賢慶劉滿倉董才源李謹劉洋肖中堯

1. 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京 100083；2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083；3. 中國石油勘探開發(fā)研究院,河北廊坊 065007；4. 中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆庫爾勒 841000

庫車坳陷是我國“西氣東輸工程”的重要天然氣基地。歷經(jīng)50 多年勘探,在庫車坳陷東部的迪北斜坡帶上發(fā)現(xiàn)了迪北氣藏[1]、吐孜洛克氣藏[2],在吐格爾明隆起帶上發(fā)現(xiàn)了吐東2 油氣藏[3],展示了良好的勘探潛力。但總體來看,庫車北部構(gòu)造帶油氣勘探程度低,探井相對較少,研究程度較低。

斷裂的發(fā)育過程對油氣的運移、聚集以及油氣藏的破壞均起著至關(guān)重要的作用[4-11]。庫車坳陷北部構(gòu)造帶受復(fù)雜的構(gòu)造活動影響,形成了多條北傾逆沖斷層和褶皺[12]。賈茹等[13]、付廣等[14-15]認為庫車坳陷的斷裂不僅是油氣散失的通道,也是油氣運移和聚集的輸導(dǎo)通道,它們控制著油氣的聚散和分布。付廣等[15]、孫雄偉等[16]和馮建偉等[17]認為逆斷層及相關(guān)褶皺促進了裂縫的發(fā)育。徐振平等[18]、何登發(fā)等[19]和魏紅興等[20]對庫車坳陷的構(gòu)造變形特征及規(guī)律進行了研究。許多學(xué)者認為,斷裂活動時間為喜馬拉雅早期(65.0 ～23.3 Ma)、中期(23.3 ～5.2 Ma)、晚期(5.2 ～1.64 Ma)以及第四紀[20-22]。然而,目前對于庫車坳陷北部構(gòu)造帶斷裂活動期次及其對油氣運移和聚集的影響研究還較少。

由于斷裂活動時間長且多期次的疊加,導(dǎo)致斷裂構(gòu)造復(fù)雜,將會影響油氣運聚及成藏分析。筆者采用生長指數(shù)剖面法、典型剖面伸展(壓縮)率和構(gòu)造平衡剖面法3 種方法,深入分析庫車坳陷北部構(gòu)造帶斷裂發(fā)育特征和斷裂活動期次,進而剖析斷裂對油氣的運移、聚集和破壞作用,以期對油氣成藏過程的分析提供借鑒。

1 地質(zhì)概況

庫車坳陷在塔里木盆地北部,受新生代構(gòu)造擠壓應(yīng)力而形成,其類型屬于再生前陸盆地,北部緊鄰天山造山帶南界。庫車北部構(gòu)造帶位于庫車坳陷北部,其構(gòu)造單元主要包括巴什構(gòu)造帶、北部斜坡帶、迪北斜坡帶以及吐格爾明構(gòu)造帶(圖1)。

圖1 庫車坳陷北部構(gòu)造帶位置Fig.1 Location map of tectonic belt in northern Kuqa Depression

庫車坳陷北部構(gòu)造帶地層有三疊系、侏羅系、白堊系、古近系和第四系碎屑沉積。上三疊統(tǒng)黃山街(T3h)組的湖相泥巖和中、下侏羅統(tǒng)的煤層、碳質(zhì)泥巖和湖相泥巖構(gòu)成了主要的烴源巖[23-24]。有利儲層包括侏羅系阿合組(J1a)、陽霞組(J1y)、白堊系巴什基奇克組(K1bs)、古近系蘇維依組(E3s)和庫姆格列木組(E1-2km)、新近系吉迪克組(N1j)、康村組(N1k)、庫車組(N2k)底部礫巖。中生代侏羅系和白堊系蓋層以泥巖為主,在整個盆地中廣泛分布。新生代蓋層主要為E1-2km和N1j,以石膏層和鹽層為主(圖2)。

圖2 庫車坳陷北部構(gòu)造帶地層綜合柱狀圖（據(jù)文獻[12]修改）Fig.2 Comprehensive column chart of strata in northern Kuqa Depression

2 斷裂發(fā)育特征

2.1 斷裂系統(tǒng)劃分

庫車坳陷北部構(gòu)造帶充填的沉積層序中有一個重要構(gòu)造層序界面,是白堊系底界面(TK)。TK 反射界面是強烈構(gòu)造擠壓活動后形成的局部不整合面,其特點是范圍大、識別特征明顯?；谶@個一級構(gòu)造層序界面,在剖面上將沉積層序劃分為2 個構(gòu)造層,即由侏羅系組成的盆地構(gòu)造層和由白堊系、古近系、新近系和第四系組成的盆地構(gòu)造層。根據(jù)斷裂對地層切割的特征,以TK 反射層為界可以將斷裂劃分為早期和晚期兩套系統(tǒng)(圖1、圖3)。

圖3 庫車坳陷北部構(gòu)造帶斷裂系統(tǒng)及類型劃分（剖面位置在圖1 中AB 剖面）Fig.3 Fault system and classification of tectonic belts in northern Kuqa Depression

2.2 斷裂發(fā)育類型及特征

依據(jù)斷裂的運動學(xué)特征及其與地層的關(guān)系,可將庫車坳陷北部構(gòu)造帶發(fā)育的斷裂劃分為早期逆沖斷層、晚期逆沖斷層和長期活動斷層3 種類型。與構(gòu)造應(yīng)力相關(guān)的斷裂變形期次、演化過程及序列會導(dǎo)致不同類型斷裂的形成[25]。

中生代以來,庫車坳陷被天山造山帶的強烈構(gòu)造活動擠壓。這種擠壓應(yīng)力來源于歐亞大陸和印度板塊間的碰撞,導(dǎo)致庫車坳陷北部山前構(gòu)造帶逆沖作用強烈,從而形成大規(guī)模的中生界和新生界逆沖帶[26]。

2.2.1 早期逆沖斷層

早期逆沖斷層是庫車坳陷北部構(gòu)造帶形成過程中發(fā)育在TJ1a-TK 反射界面之間的斷層。主干斷裂走向主要有NEE 向、NWW 向、近EW 向。NEE 向斷裂在巴什構(gòu)造帶、迪北構(gòu)造帶、吐格爾明構(gòu)造帶均有分布,NWW 向斷裂主要分布在吐格爾明構(gòu)造帶,近EW 向斷裂主要分布在巴什構(gòu)造帶和迪北構(gòu)造帶。

2.2.2 晚期逆沖斷層

晚期逆沖斷層是庫車坳陷北部構(gòu)造帶形成過程中發(fā)育在TK 反射界面之上的斷層。主干斷裂走向主要有NEE 向、NWW 向,且主要分布在迪北構(gòu)造帶和吐格爾明構(gòu)造帶。

2.2.3 長期活動斷層

長期活動斷層是指由基底向上斷至吉迪克組(N1j)及以上地層的斷層。斷層走向以NEE 向和近EW 向為主,主要發(fā)育于迪北構(gòu)造帶和吐格爾明構(gòu)造帶,是庫車坳陷北部構(gòu)造帶油氣成藏的主控斷層類型之一。

3 斷裂活動時期的確定

斷裂活動時期可以通過多種研究方法獲得,如剖面的伸展率/壓縮率變化[27]、生長指數(shù)[28]、構(gòu)造平衡剖面法[29-31]等。每種方法都能反映斷裂活動時期,但都有其局限性和片面性。因此,本文采用3 種方法聯(lián)合反映庫車坳陷北部構(gòu)造帶的斷裂活動時期,增加結(jié)果的可靠性。

3.1 典型生長指數(shù)剖面法

斷裂生長指數(shù)的大小可以反映斷裂的形成時期及其活動強度[26,32]。斷裂的生長指數(shù)剖面表明:依奇克里克構(gòu)造帶斷裂活動具有明顯的差異,但總的規(guī)律是E1-2km、N1j、N1k、N2k期斷裂生長指數(shù)較大,對應(yīng)依奇克里克構(gòu)造帶的強烈構(gòu)造運動階段,如圖4(a)所示；吐格爾明構(gòu)造帶與依奇克里克構(gòu)造帶類似,斷裂活動具有明顯的差異,總的規(guī)律是E1-2km、N1j、N1k期斷裂生長指數(shù)較大,對應(yīng)吐格爾明構(gòu)造帶的強烈構(gòu)造運動階段,如圖4(b)所示；巴什構(gòu)造帶斷裂活動也具有明顯的差異,總的規(guī)律是E1-2km、N1j、N1k、N2k期斷裂生長指數(shù)較大,對應(yīng)巴什構(gòu)造帶的強烈構(gòu)造運動階段,如圖4(c)所示。

圖4 庫車坳陷北部不同構(gòu)造帶斷裂生長指數(shù)剖面Fig.4 Fracture growth index profiles of different tectonic belts in northern Kuqa Depression

3.2 典型剖面伸展（壓縮）率法

典型剖面伸展(壓縮)率法是研究斷裂活動強度的重要方法之一。它的原理是,選取可以覆蓋全區(qū)的典型剖面,假定地質(zhì)體遭受到外界應(yīng)力的作用,平面應(yīng)變或剖面面積守恒,計算剖面伸展(壓縮)率[33-34]:

在庫車坳陷北部構(gòu)造帶選取了3 個剖面,并對這3 個剖面的伸展(壓縮)率進行了計算和分析(圖5)。圖5 表明,E、N1j、N1k、N2k、Q 伸展率約為2% ～2.5% ,而壓縮率為1.5% ～12% 。由此可知,庫車坳陷北部構(gòu)造帶的斷裂主要活動時期為E、N1j、N1k、N2k、Q 沉積時期。

圖5 庫車北部構(gòu)造帶典型地質(zhì)剖面各時期伸展（壓縮）率Fig.5 Extension （compression） rate of typical geological profile in northern Kuqa tectonic belt in each period

3.3 構(gòu)造平衡剖面法

構(gòu)造應(yīng)力對地層的影響在水平方向上表現(xiàn)為地層的伸縮。平衡剖面法可以用來定量恢復(fù)不同地質(zhì)時期剖面的幾何形態(tài)[35-36]。庫車北部構(gòu)造帶代表性的構(gòu)造演化史剖面(圖6,據(jù)滕學(xué)清等[37]修改)表明,三疊紀(T)至古近紀(E)期間,斷裂較少,且地層壓縮變形幅度較小,斷裂在該時期活動強度較?。欢鴱募峡私M沉積期(N1j)至康村組沉積期(N1k),斷裂開始增加,加之地層壓縮變形幅度較大,所以斷裂在該時期活動強度較大；庫車組時期(N2k)至第四紀沉積期(Q),由于喜馬拉雅運動中后期構(gòu)造運動強烈,造成斷裂數(shù)量大量增加,是坳陷斷裂活動的重要時期。因此,由吐格爾明東部構(gòu)造演化剖面可知,庫車坳陷北部構(gòu)造帶斷裂活動時期主要為N1j、N1k、N2k、Q 沉積期。

圖6 吐格爾明東部構(gòu)造演化剖面（圖1 中CD 剖面）Fig.6 Tectonic evolution profile of eastern Tugeerming

3.4 斷裂主要活動時期綜合判定

綜合以上3 種方法研究的斷裂活動時期結(jié)果表明,不同的研究方法判定的斷裂活動時期會有一定的差異,但是主要的斷裂活動時期是大致相同的(圖7)。由此得出,庫車北部構(gòu)造帶斷裂活動時期有5 期,分別為E、N1j、N1k、N2k、Q 沉積期,而關(guān)鍵期為N1j、N1k、N2k,原因是其活動時期與生排烴時期匹配度較好。

圖7 庫車北部構(gòu)造帶斷裂活動時期綜合判定Fig.7 Comprehensive judgment of fault activity period of northern Kuqa structural belt

4 斷裂形成及演化與油氣成藏的關(guān)系

盆地中油氣的運移和聚集受多種石油地質(zhì)因素控制。在前陸盆地中,斷裂的發(fā)育與演化對油氣的運移和聚集起關(guān)鍵作用[31,38-39]。學(xué)者的實踐和研究結(jié)果表明:盆地中構(gòu)造的形成及演化不僅控制了沉積過程,而且也是油氣成藏的關(guān)鍵影響因素,斷裂溝通了烴源巖與儲層,是油氣生成、運移以及聚集的重要通道[31,40-42]。此外,構(gòu)造發(fā)育過程中,對油氣的聚集場所(圈閉)的形成也有重要的促進作用,如構(gòu)造可以促使背斜圈閉的形成[39]。

4.1 斷裂對烴源巖的影響

庫車北部構(gòu)造帶克孜勒努爾組(J2kz)沉積受斷裂的影響較大,斷層的上盤厚度與下盤厚度具有較大差異,受白堊紀(K)強烈逆沖構(gòu)造運動的影響,導(dǎo)致J2kz烴源巖沉積厚度較大。

4.2 斷裂與多類型圈閉的形成

庫車坳陷北部構(gòu)造帶經(jīng)歷了燕山運動和喜馬拉雅運動疊加的構(gòu)造演化歷程,在強烈逆沖構(gòu)造作用下形成很多褶皺圈閉、地層不整合圈閉、巖性尖滅圈閉(圖8),其中褶皺圈閉數(shù)量最多[43]。

圖8 庫車北部構(gòu)造帶圈閉類型Fig.8 Trap type diagram of the northern Kuqa Structural Belt

斷裂不但影響圈閉的形成,而且其運動過程對圈閉的平面和縱向的分布也有明顯的控制作用,斷裂逆沖構(gòu)造運動形成的構(gòu)造背斜的軸向與斷裂的走向基本一致。另外,斷裂晚期(喜馬拉雅運動晚期)使圈閉最終定型[44]。由于逆沖作用導(dǎo)致的局部扭壓應(yīng)力致使圈閉的構(gòu)造幅度得到強化,因此圈閉的有效性得到提高。

4.3 斷裂活動與生排烴時期的匹配關(guān)系

研究表明,斷裂未活動時滲透率較低,可以起封閉作用,而在活動期,斷裂的滲透率及流體勢增高,起開啟作用[45]。庫車坳陷北部構(gòu)造帶中生界烴源巖(三疊系中上統(tǒng)和侏羅系中下統(tǒng))主生排烴期在新近紀(N1j)至今(圖9)。

圖9 表明,烴源巖的生烴高峰略早于斷裂活動的時間,但是,斷裂活動的時期與烴源巖的排烴高峰期大致吻合,反映了研究區(qū)烴源巖的主生排烴期與斷裂活動期的匹配關(guān)系較好[43]。

圖9 庫車坳陷北部構(gòu)造帶斷裂活動時期與三疊系-侏羅系大量生烴時期匹配關(guān)系（據(jù)付廣等[46]修改）Fig.9 Matching relationship between fault active periods and large amount of hydrocarbon generation periods of Triassic-Jurassic in the northern structural belt of Kuqa Depression

4.4 斷裂活動與油氣運移通道

斷裂活動期與油氣運移時期匹配時,油氣才能在斷裂通道中有效地運移和聚集。相關(guān)學(xué)者研究表明,庫車坳陷北部構(gòu)造帶發(fā)生過2 次油氣運移,即早期的油運移(N1j)和晚期的氣運移(N2k)[41-42]。吉迪克組(N1j)沉積時期和庫車組(N2k)沉積時期的斷裂活動與烴源巖的生排烴時期的匹配關(guān)系良好。在N1j時期,三疊系烴源巖大量生油,同時斷裂處于活動時期,所以生成的油沿著斷裂在阿合組儲層充注；在N1k時期,三疊系和侏羅系烴源巖大量生氣并沿活動斷裂在阿合組儲層充注,如依南2 油氣藏,推測此時依南4 和依深4 井也有油氣；然而,在N2k時期,斷裂活動不只會促進油氣的運移和聚集,也會因斷層斷至地表導(dǎo)致油氣的散失。如依南4 和依深4井,含油氣系統(tǒng)與依南2 井類似,但是卻只有少量的油氣保存下來,最可能的原因是斷裂活動破壞了該井的蓋層并且油氣沿著“通天斷層”直接運移至地表(圖10)。地表附近發(fā)現(xiàn)大量油苗可以證明油氣運移至地表。另外,由于斷裂原因?qū)е律w層上升而被剝蝕,也是油氣未能大量保存的原因之一[41-42]。

圖10 庫車坳陷北部構(gòu)造帶斷裂輸導(dǎo)油氣模式（圖1 中AB 剖面）Fig.10 Oil-gas transport model of faults in the northern structural belt of Kuqa Depression

5 結(jié) 論

本文采用剖面伸展(壓縮)率法、生長指數(shù)法、構(gòu)造平衡剖面法對斷裂的活動時期進行確定,并分析了其對油氣成藏的影響,主要結(jié)論如下:

(1) 庫車坳陷北部構(gòu)造帶斷裂發(fā)育早期逆沖斷層、晚期逆沖斷層、長期活動斷層3 種類型。斷裂走向主要有NEE 向、NWW 向、近EW 向。

(2) 綜合生長指數(shù)法、伸展(壓縮)率法、構(gòu)造平衡剖面法反映的斷裂活動時期是大致相同的,分別為E、N1j、N1k、N2k、Q 沉積期,其中關(guān)鍵期為N1j、N1k、N2k。

(3) 斷裂活動會對烴源巖的沉積厚度產(chǎn)生影響,導(dǎo)致J2kz組烴源巖沉積厚度變大,并有利于油氣成藏條件(圈閉)的形成,如褶皺圈閉、地層圈閉、巖性圈閉,其中褶皺圈閉數(shù)量最多；斷裂活動期(N1j、N1k、N2k)與烴源巖的主生排烴期(E、N1j、N1k、N2k)匹配關(guān)系良好；斷裂活動不只有利于油氣的生成和聚集,如依南2 油氣藏,也會使成藏保存條件被破壞,從而導(dǎo)致油氣逸散至地面,如斷裂對依南4 井和依深4 井的破壞。