克拉通盆地內(nèi)部走滑斷裂發(fā)育、演化特征及其石油地質(zhì)意義: 以塔里木盆地順北地區(qū)為例

鄧 尚, 劉雨晴, 劉 軍, 韓 俊, 王 斌, 趙 銳

克拉通盆地內(nèi)部走滑斷裂發(fā)育、演化特征及其石油地質(zhì)意義: 以塔里木盆地順北地區(qū)為例

鄧 尚1, 2, 3, 劉雨晴1*, 劉 軍2, 韓 俊2, 王 斌1, 趙 銳1

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083; 2.中國石化 西北油田分公司, 新疆 烏魯木齊 830011; 3.馬永生科學(xué)家工作室, 北京 100083)

在詳細(xì)刻畫與定量分析順北地區(qū)走滑斷裂幾何學(xué)特征的基礎(chǔ)上, 解剖了走滑斷裂典型構(gòu)造樣式, 建立了主干斷裂演化模式, 并結(jié)合生產(chǎn)動態(tài)資料探討了走滑斷裂差異演化對規(guī)模儲集體發(fā)育部位、油氣沿斷裂帶差異分布的控制作用: (1) 順北地區(qū)普遍具有“縱向分層變形、主滑移帶平面分段”的空間結(jié)構(gòu)特征, 縱向分層變形分界面多為巖性界面, 平面分段主要發(fā)育于中下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖(勘探目的層)。平面分段中疊接變形段長寬比相似, 均值為3.2。(2) 順北地區(qū)走滑斷裂在目的層同時發(fā)育有“壓脊?地塹”復(fù)合構(gòu)造樣式, 上覆地塹構(gòu)造是下伏壓脊構(gòu)造在后期活動時拖曳上覆地層形成的伴生構(gòu)造。(3) 順北地區(qū)走滑斷裂演化受控于盆地南、北不同區(qū)域應(yīng)力場的疊加作用, 演化早期最大主應(yīng)力方向從南到北發(fā)生了NNE向到NNW向的逆時針偏轉(zhuǎn), 為順北5斷裂弧形構(gòu)造行跡的發(fā)育奠定了基礎(chǔ)。(4) 壓脊構(gòu)造與壓隆段邊界斷面類似, 根部溝通烴源, 具有“控儲、控藏”特征。地塹構(gòu)造自上而下發(fā)育至目的層, 不直接溝通烴源, 暫未鉆遇規(guī)模性儲集體。研究區(qū)走滑斷裂晚期活動強度可控制晚期高成熟油氣充注程度。

復(fù)合構(gòu)造樣式; 演化模式; 走滑斷裂; 控藏特征; 塔里木盆地

0 引 言

克拉通內(nèi)走滑斷裂(Intracratonic strike-slip faults)遠(yuǎn)離活動板塊邊界, 由盆地內(nèi)部先存構(gòu)造(例如破裂或斷層)在板內(nèi)應(yīng)力集中下再活動形成(Mann, 2007)?？死▋?nèi)走滑斷裂與大型走滑斷裂(板塊邊界型、嵌入碰撞型等)有著明顯差異, 前者的滑移距通常在數(shù)百米?數(shù)千米左右, 而后者滑移距多在數(shù)百千米尺度。因為滑移距較小, 克拉通內(nèi)走滑斷裂又被前人描述為小滑移距走滑斷裂(Harding, 1974)。該類走滑斷裂活動弱且產(chǎn)狀高陡, 在二維地震資料中難以被識別, 因此其在盆地內(nèi)部的存在性往往被人們所忽視(Gogonenkov and Timurziev, 2010)。近年來, 隨著在塔里木盆地內(nèi)部深層?超深層獲得一系列與走滑斷裂相關(guān)的油氣發(fā)現(xiàn), 人們逐漸認(rèn)識到塔里木盆地腹部普遍發(fā)育走滑斷裂, 并依據(jù)三維地震資料識別出多個走滑斷裂體系(呂海濤等, 2017)。

前人針對塔里木盆地不同地區(qū)走滑斷裂體系開展了深入的研究工作, 明確了走滑斷裂構(gòu)造樣式、活動期次、滑移距特征、控儲機制等(王璐瑤等, 2017; Han et al., 2017, 2020; 韓曉影等, 2018; 寧飛等, 2018; 鄧尚等, 2018, 2019; Deng et al., 2019; 李兵等, 2019; 李映濤等, 2019; 馬德波等, 2019; 馬永生等, 2019; Ma et al., 2019; Qiu et al., 2019)。鄧尚等(2018, 2019)通過對順北及鄰區(qū)發(fā)育的主干走滑斷裂進行三維地震精細(xì)解析, 一方面明確了該類斷裂具有“縱向分層變形、主滑移帶平面分段、垂向多期疊加”的特征, 另一方面也基于不同斷錯標(biāo)志實測了水平滑移距(多在1 km左右), 提出了順北及鄰區(qū)主干走滑斷裂水平滑移距與平均分段長度成正比的分段發(fā)育模式。馬德波等(2019)通過對塔北隆起哈拉哈塘油田發(fā)育的“共軛”走滑斷層進行分段研究, 探討了分段性對于儲層發(fā)育規(guī)律與油氣富集的控制作用。在此基礎(chǔ)上, 鄔光輝等(2012)基于對分段特征的定量分析進一步提出了“共軛”走滑斷層分段連接的發(fā)育模式。

受滑移方向與分段展布階式的控制, 走滑斷裂在平面上通?？煞譃榀B接壓隆段、拉分段和平移段(鄧尚等, 2018), 在剖面上可發(fā)育縱向分層的“復(fù)合花狀”構(gòu)造樣式(韓曉影等, 2018)。在成因機制方面, Qiu et al.(2019)基于對塔中隆起和塔中北坡北東向走滑斷裂體系進行活動特征與期次的系統(tǒng)解剖, 提出了控制塔中隆起發(fā)育的北西向逆沖斷裂體系和與其正交的北東向走滑斷裂體系耦合變形, 兩者的構(gòu)造演化共同受控于不同地質(zhì)時期的盆緣構(gòu)造事件。前人也進一步明確了多期活動的通源走滑斷裂可形成斷控洞穴、裂縫及沿縫溶蝕的“斷溶體”儲層, 具有“控儲、控藏、控富”特征(李映濤等, 2019; 馬永生等, 2019)。然而, 隨著三維資料的進一步采集與勘探評價的不斷推進(鄧尚等, 2019; 漆立新, 2020), 順北地區(qū)走滑斷裂呈現(xiàn)出新的構(gòu)造樣式和更為復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 且存在差異明顯的控儲控藏特征。目前, 針對這些復(fù)雜的構(gòu)造樣式及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)尚缺乏系統(tǒng)的解析, 不僅影響了順北地區(qū)走滑斷裂演化過程的研究, 同時也制約了該地區(qū)油氣勘探開發(fā)的進程。

鑒于此, 本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上, 以順北地區(qū)走滑斷裂為例, 依據(jù)高精三維地震資料, 利用以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)建立的斷裂解析方法, 開展走滑斷裂構(gòu)造特征與演化模式研究, 結(jié)合實鉆與生產(chǎn)動態(tài)資料探討斷裂構(gòu)造特征與演化模式對斷控儲集體和油氣沿主干斷裂分布的控制作用。研究結(jié)果不僅能夠深化塔里木盆地克拉通內(nèi)走滑斷裂活動特征與成因機制的認(rèn)識, 還可為超深“斷溶體”油藏的勘探評價提供一定的指導(dǎo), 具有重要的理論和實踐意義。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

塔里木盆地順北地區(qū)主體位于順托果勒低隆北部, 該低隆起處于南北兩隆(卡塔克隆起、塔北隆起)、東西兩坳(滿加爾坳陷、阿瓦提坳陷)之間, 呈“馬鞍形”(圖1)。順北地區(qū)的古生界發(fā)育相對齊全,包括寒武系?中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖地層和上奧陶統(tǒng)?二疊系碎屑巖地層(漆立新, 2020)。其中, 奧陶系自下而上可劃分為下統(tǒng)蓬萊壩組(O1), 中?下統(tǒng)鷹山組(O1-2), 中統(tǒng)間房組(O2), 以及上統(tǒng)恰爾巴克組(O3)、良里塔格組(O3)和桑塔木組(O3)(圖2)。

順北地區(qū)下古生界發(fā)育完整的生?儲?蓋組合, 多期活動的走滑斷裂體系為該地區(qū)油氣運移、聚集與富集提供了優(yōu)越的石油地質(zhì)條件, 沿斷裂帶部署的多口探井均獲得高產(chǎn)油氣流, 揭示了順北油田的存在(焦方正, 2018)。截止目前, 順北油田已有順北1號、順北5號等多條斷裂帶(圖1)獲得工業(yè)油氣產(chǎn)能并逐漸轉(zhuǎn)入評價、開發(fā)階段, 目前已初步建成100×104t/a產(chǎn)能(漆立新, 2020)。

1.2 走滑斷裂體系區(qū)域分布特征

結(jié)合前人的研究成果和大量的二維地震測線, 依據(jù)新采集的三維地震資料, 在順北地區(qū)及鄰區(qū)可厘定多個走滑斷裂體系(圖1)。順北地區(qū)走滑斷裂體系以順北5斷裂為界, 呈現(xiàn)出“東西分區(qū)”特征: 以東主要發(fā)育北東向斷裂體系, 以西主要發(fā)育北西向斷裂體系。塔北隆起發(fā)育的“X”型似共軛斷裂體系也具有類似的東西分區(qū)特征: 托普39斷裂以東北東向斷裂更為發(fā)育, 而托普39斷裂以西北西向斷裂更為發(fā)育(Wu et al., 2020)。這些北西向斷裂與輪臺斷裂走向近乎垂直, 這一特點與塔中北坡北東向斷裂體系近垂直于塔中1號斷裂(或坡折帶)類似。總結(jié)起來, 順北及鄰區(qū)走滑斷裂體系整體分布特征具有“兩個東西分區(qū), 兩個近垂直”的特點。

2 走滑斷裂構(gòu)造樣式

本研究選取順北地區(qū)已采集處理的三塊三維地震資料(圖1), 針對順北1斷裂、順北4斷裂和順北5斷裂等探評程度較高的重點斷裂帶進行了地震—地質(zhì)精細(xì)解析。在研究區(qū)內(nèi), 順北1斷裂和順北4斷裂走向大致為45°; 順北5斷裂走向自北向南發(fā)生了約30°的偏轉(zhuǎn)(圖3), 依據(jù)走向變化特征可將其分為北段(走向大致為340°)、中段(走向近南北向)和南段(走向大致為10°)。本文作者在前期針對順北1斷裂、順北5斷裂“縱向分層、平面分段”特征已開展了精細(xì)解析(鄧尚等, 2018, 2019), 本研究在總結(jié)前期認(rèn)識的基礎(chǔ)上, 重點闡述研究進展。

2.1 縱向分層變形特征

前期研究揭示順北1斷裂、順北5斷裂具有下伏陡直走滑段(主滑移層)與上覆雁列正斷層(雁列層)的縱向分層變形特征(鄧尚等, 2018)。下伏主滑移層與上覆雁列層之間的界面通常對應(yīng)中下奧陶統(tǒng)頂面T74界面, 該界面同樣是中下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖與上奧陶統(tǒng)、志留系等碎屑巖層系之間的巖性界面(圖2)。本研究中提取的高精度相干切片(T83界面, 對應(yīng)吾松格爾組頂面, 圖2)進一步表明, 順北1斷裂、順北5斷裂在T74界面以下也存在分層變形特征。順北1、順北5斷裂(北段、中段)在T83界面主要表現(xiàn)出線性延伸構(gòu)造特征(圖3a), 尤其是在順北5斷裂西側(cè)發(fā)育若干北東向分支斷裂, 與其在T74界面分段變形特征存在明顯差異(圖3b)。此外, 順北5斷裂南段在T83界面表現(xiàn)出分段變形特征, 分段間不發(fā)育明顯的隆起和下掉(圖3a), 該構(gòu)造樣式與T74界面發(fā)育的“壓脊?地塹”復(fù)合構(gòu)造樣式(鄧尚等, 2019)也存在明顯差異(圖3b)。與T74界面類似, T83界面位于下伏膏鹽巖(或膏質(zhì)白云巖)和上覆白云巖之間, 同為巖性界面(圖2)。

2.2 平面分段與典型疊接段發(fā)育特征

分段性是走滑斷裂的基本特征之一, 在盆地尺度大型走滑斷裂和露頭尺度走滑斷層中均普遍發(fā)育(Aydin and Nur, 1985)。在順北地區(qū), 走滑斷裂平面分段樣式在中下奧陶統(tǒng)頂面(T74界面)相干切片中清晰可見(圖3b, 圖4a), 但不同斷裂分段展布階式和疊接構(gòu)造類型具有明顯差異。順北1斷裂在T74

圖1 塔里木盆地順北地區(qū)及鄰區(qū)下古生界主要斷裂分布圖

圖2 塔里木盆地順北地區(qū)古生界地層與古生代盆地周緣動力學(xué)背景(動力學(xué)背景依據(jù)賈承造, 2004)

界面分段均呈左階展布, 在分段疊接部位發(fā)育拉分段, 指示順北1斷裂在T74界面左行走滑。順北5斷裂(北段、中段)在T74界面分段也以左階展布為主, 但在分段疊接部位主要發(fā)育壓隆段, 指示順北5斷裂在T74界面右行走滑(圖3b)。與順北1、順北5斷裂明顯不同的是, 順北4斷裂在T74界面分段呈現(xiàn)左、右階交替展布特征(圖4a)。例如, 1號段和2號段、3號段和4號段之間為左階展布, 而2號段和3號段, 5號段和6號段之間為右階展布, 左階和右階展布分段之間分別發(fā)育拉分段和壓隆段, 指示順北4斷裂在T74界面呈左行走滑特征(圖4a)。

本研究對發(fā)育在順北1、順北5和順北4斷裂的10個壓隆段和7個拉分段的長度、寬度進行了定量統(tǒng)計。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明(圖4b), 壓隆段長度和寬度大小范圍分別約為2.01~4.11 km和0.47~1.40 km, 長寬比均值約為3.45; 拉分段長度和寬度大小范圍分別約為1.32~3.60 km和0.43~1.03 km, 長寬比均值約為3.03。綜合壓隆段和拉分段數(shù)據(jù), 順北走滑斷裂疊接段平均長寬比約為3.20, 這一數(shù)值與前人對于多個地區(qū)、多個尺度走滑斷裂疊接段統(tǒng)計分析得出的長寬比數(shù)值(約等于3)十分接近(Aydin and Nur, 1982)。

前期研究重點關(guān)注了塔里木盆地走滑斷裂疊接段的發(fā)育部位、形變類型(擠壓或拉張)以及對油氣富集的控制作用(顧憶等, 2019; 李兵等, 2019 ), 而對于典型疊接段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和發(fā)育模式研究較少。本研究以順北5斷裂北段發(fā)育的典型疊接壓隆段(Ⅰ號壓隆段, 位于3號段和4號段之間, 圖3b)為例, 依據(jù)多層位高精度相干切片, 采用平?剖結(jié)合方法精細(xì)解剖了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征(圖5)。

該壓隆段在T81、T76和T74界面都表現(xiàn)出兩個分段疊接發(fā)育的特征(圖5a), 且在疊接段內(nèi)部均發(fā)育有和壓隆段邊界斷面近平行且斜交的其他斷面。尤其是在T74界面, 在以3號和4號斷面為邊界的壓隆段內(nèi)部, 還發(fā)育有由1號和2號斷面疊接形成的另一個隆起, 形成了“隆起之內(nèi)有隆起”的構(gòu)造樣式(圖5a)。內(nèi)部隆起的走向和1號、2號斷面以及3號、4號斷面整體走向夾角約為15°, 指示Ⅰ號壓隆段在形成內(nèi)部隆起之后, 疊接斷面滑移量的進一步增加導(dǎo)致了隆起內(nèi)部塊體的旋轉(zhuǎn)(Flodin and Aydin, 2004), 該壓隆段正上方發(fā)育的雁列正斷層在T70界面(對應(yīng)上奧陶統(tǒng)頂面, 圖2)走向和南、北部發(fā)育的雁列也具有5°至15°的角度差異, 進一步指示在雁列層形成之后, 下伏壓隆段塊體的順時針旋轉(zhuǎn)也帶動了上覆雁列構(gòu)造的順時針旋轉(zhuǎn)(圖5a)。對比內(nèi)部隆起邊界斷面(1號和2號)與整個壓隆段邊界斷面(3號和4號)的斷距大小表明, 1號和2號斷面斷距明顯大于3號和4號, 過內(nèi)部隆起剖面(B-B’)也揭示1號和2號斷面夾持的塊體垂向擠出幅度明顯大于外圍塊體(圖5b)。由此說明, 內(nèi)部隆起是容納垂向應(yīng)變的主要部位, 其邊界1號和2號斷面活動強度應(yīng)該大于3號和4號斷面, 該認(rèn)識與前人針對走滑斷裂疊接壓隆段內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行漸進式物理模擬得出的結(jié)論一致(McClay and Bonora, 2001)。

圖3 順北1斷裂與順北5斷裂多層位相干切片與斷裂平面解釋(三維資料研究范圍見圖1)

圖4 (a)順北4斷裂中下奧陶統(tǒng)頂面(T74界面)分段特征(研究范圍見圖1)與(b)順北主干斷裂典型疊接段長、寬值

圖5 順北5斷裂典型隆起段(發(fā)育部位見圖3)多層位相干斷裂解釋(a)及地震剖面(b)

2.3 “壓脊?地塹”復(fù)合構(gòu)造樣式與斷距分析

順北地區(qū)走滑斷裂除發(fā)育壓隆段、拉分段和平移段“三段式”變形外, 也發(fā)育有“壓脊?地塹”復(fù)合構(gòu)造樣式(鄧尚等, 2019)。走滑斷裂壓脊構(gòu)造(Pressure ridges or push up ridges)可沿整段連續(xù)發(fā)育斜壓變形(Transpressional deformation), 整體具有隆起特征(Cunningham and Mann, 2007), 與在疊接部位局部發(fā)育的壓隆段具有根本差異。本研究針對順北5斷裂南段壓脊構(gòu)造進行了進一步解剖, 發(fā)現(xiàn)其同樣表現(xiàn)出分段性, 分段疊接部位變形較弱, 不同于北段和中段發(fā)育的典型疊接構(gòu)造(圖3b)。此外, 壓脊構(gòu)造兩側(cè)發(fā)育相向傾斜的地塹構(gòu)造, 該構(gòu)造主要在T63界面(對應(yīng)下志留統(tǒng)塔塔埃爾塔格組頂面)以下發(fā)育, 并斷穿T74界面, 其根部不一定與壓脊構(gòu)造斷面相交(圖6)。

通過近垂直于地塹構(gòu)造密間距(500 m)統(tǒng)計東、西兩側(cè)斷面在T74界面和T70界面垂向斷距表明(圖6a), T74界面西側(cè)斷面斷距在部分剖面(38~65號)明顯大于東側(cè)斷面, 推測可能與地塹形成前T74界面本身的構(gòu)造面貌有關(guān), 而在T70界面東、西兩側(cè)斷面斷距無明顯差異。此外, T70界面東、西兩側(cè)斷面平均斷距為?38.3 ms, 明顯大于T74界面平均斷距(?30.6 ms), D-D’剖面也揭示地塹斷面對T70界面造成的落差明顯大于T74界面。根據(jù)斷層位移場分布原理, 斷面從發(fā)育中心部位至邊緣部位位移量逐漸減小(Fossen, 2010)。由此看來, 該地塹構(gòu)造在T70界面平均斷距大于T74界面這一現(xiàn)象, 揭示了其從T70界面至T74界面自上而下發(fā)育, 這與其中部夾持的走滑壓脊構(gòu)造所表現(xiàn)出的自T74界面往上變形幅度變小的自下而上繼承性變形模式存在根本差異(圖6)。

3 走滑斷裂演化模式

3.1 順北5斷裂南段“壓脊?地塹”復(fù)合構(gòu)造演化模式與成因機制

根據(jù)壓脊構(gòu)造、地塹構(gòu)造以及上覆雁列層斷穿層位, 可以厘定順北5斷裂在研究區(qū)內(nèi)至少經(jīng)歷了四個階段的活動。壓脊構(gòu)造同時造成了T74界面以及T70界面以下地層的局部隆起, 且無明顯角度不整合, 所以該構(gòu)造樣式形成時期大致在晚奧陶世, 對應(yīng)加里東中期Ⅲ幕構(gòu)造運動(鄧尚等, 2019)。地塹斷面主要在T63界面(對應(yīng)下志留統(tǒng)柯坪塔格組頂面, 圖2)以下發(fā)育(圖6b), 且自上而下斷穿T74斷面, 由此推斷地塹斷面形成大致在中晚志留世, 對應(yīng)加里東晚期構(gòu)造運動。上覆雁列層分為上、下兩層(圖6b), 下層主要在T56界面(對應(yīng)下石炭統(tǒng)巴楚組頂面, 圖2)以下發(fā)育, 且斷穿T60界面, 由此推斷在海西早期活動形成; 上層在T50界面(對應(yīng)二疊系頂面, 圖2)以下發(fā)育, 且斷穿T56界面, 由此推斷在海西中期或海西晚期活動形成(圖7)。

地塹構(gòu)造是伸展性質(zhì)的構(gòu)造, 通常在大陸伸展構(gòu)造系統(tǒng)中離散分布, 與地壘構(gòu)造等共同產(chǎn)出(Fossen, 2010)。然而, 本研究中的地塹構(gòu)造并未在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布, 在平面上僅分布在壓脊構(gòu)造兩側(cè)(圖3b), 且主體沿下伏主滑移帶展布, 說明其在成因機制上與主滑移帶有著必然的聯(lián)系。前人基于破裂力學(xué)推導(dǎo)出主滑移帶上覆伴生伸展斷層(例如雁列正斷層)雁列角(上覆雁列正斷層與下伏主滑移帶走向之間的夾角)的大小與下伏主滑移帶活動時是否受到張應(yīng)力有關(guān): 當(dāng)主滑移帶在純剪應(yīng)力狀態(tài)下活動時, 雁列角為45°; 當(dāng)垂直于主滑移帶有張應(yīng)力作用時, 雁列角會小于45°; 當(dāng)張應(yīng)力大到一定程度時, 雁列角會接近0°(Olson and Pollard, 1991; Martin, 2016)。本研究中的地塹構(gòu)造雖然和雁列正斷層在平面幾何學(xué)特征上具有明顯差異(前者不具有雁列展布的特征), 但在運動學(xué)特征上都是下伏壓脊構(gòu)造在上覆地層中形成的正斷層, 只是與下伏主滑移帶具有不同的夾角, 表明地塹構(gòu)造是下伏壓脊構(gòu)造在后期活動時拖曳上覆地層形成的伴生構(gòu)造, 其在形成時受到了一定的張應(yīng)力作用, 因而表現(xiàn)出地塹斷面的特征。地塹斷面附近發(fā)育的一系列NE向派生次級正斷層也指示其在形成過程中經(jīng)歷了一定程度的右行走滑(圖3c)。由此可以推斷, 下伏壓脊構(gòu)造在晚期多次活動, 在不同地質(zhì)時期、不同應(yīng)力背景下分別形成了上覆地塹斷層、雁列斷層等伴生構(gòu)造(圖7)。

圖6 研究區(qū)順北5斷裂南段地塹斷面垂向斷距變化(a)與典型剖面特征(b)

圖7 研究區(qū)順北5斷裂南段演化模式圖

3.2 順北5斷裂古應(yīng)力背景及演化模式

在對走滑斷裂體系的研究中, 前人曾通過對走滑斷裂伴生構(gòu)造, 例如對雁列正斷層雁列角的測量來反演走滑斷裂體系古應(yīng)力狀態(tài), 建立演化模式, 從而進一步厘定其成因機制(Martin, 2016)。本研究依據(jù)相干切片資料, 對研究區(qū)內(nèi)順北5斷裂北段、中段和南段在T70、T60等界面發(fā)育的雁列正斷層進行了系統(tǒng)的地震解釋(圖3b), 分界面(對應(yīng)不同地質(zhì)時期)測量了雁列角的大小(圖8), 并以此為依據(jù)反演了順北5斷裂在研究區(qū)內(nèi)不同分段的古應(yīng)力狀態(tài)(圖9)。在此基礎(chǔ)上, 結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景(賈承造, 2004; 何登發(fā)等, 2008; 安海亭等, 2009; 任建業(yè)等, 2012), 建立了順北5號帶的整體演化模式。

加里東中期Ⅰ幕(中奧陶世末): 塔里木板塊南緣古昆侖洋板塊向中昆侖地塊強烈俯沖, 由盆緣向盆地腹部傳遞北東向擠壓應(yīng)力。在NNE向最大主應(yīng)力的作用下, NWW向塔中隆起在基底古隆起的基礎(chǔ)上開始隆升, 同時在隆起內(nèi)部以及隆起北坡形成一系列與隆起軸向呈高角度(近垂直)的NNE向(平行于最大主應(yīng)力方向)區(qū)域節(jié)理(Qiu et al., 2019)。本文研究區(qū)內(nèi)順北5斷裂南段也呈NNE走向, 與鄰近塔中Ⅰ號斷裂呈高角度相交, 推測同樣是發(fā)育于加里東中期Ⅰ幕(中奧陶世末)NNE向最大主應(yīng)力背景下的區(qū)域節(jié)理(圖9)。與此同時, 塔里木盆地北緣也轉(zhuǎn)化為活動大陸邊緣, 北昆侖洋向南俯沖, 中昆侖地體與塔里木地塊碰撞, 此時受由南向北擠壓應(yīng)力的控制, 塔北地區(qū)發(fā)生褶皺隆升(楊勇等, 2018; 陳槚俊等,2019), 同時在塔北隆起西部形成了平行于最大主應(yīng)力(推測為NNW向)的區(qū)域節(jié)理。在塔北隆起與塔中隆起之間夾持的順托果勒低隆區(qū)域, 因為受控于南、北不同應(yīng)力場的疊加作用(Pollard and Fletcher, 2005), 最大主應(yīng)力方向從南到北發(fā)生了NNE向到NNW向的逆時針偏轉(zhuǎn), 形成的區(qū)域節(jié)理同時具有走向偏轉(zhuǎn)特征(Cruikshank and Aydin, 1995), 為順北5斷裂弧形構(gòu)造行跡的發(fā)育奠定了基礎(chǔ)(圖1)。

加里東中期Ⅲ幕(晚奧陶世末), 塔里木盆地東南緣阿爾金構(gòu)造域強烈褶皺造山作用, 形成NNW向區(qū)域擠壓應(yīng)力, 該最大主應(yīng)力作用于加里東中期Ⅰ幕形成的NNE向區(qū)域節(jié)理, 造成其左行走滑(Qiu et al., 2019), 研究區(qū)內(nèi)順北5斷裂南段在T74界面發(fā)育系列雁列褶皺, 也指示其具有左行走滑特征(圖3b)。與此同時, 塔里木板塊北部古大洋向中天山地塊進一步俯沖(賈承造, 2004), 受由南向北擠壓應(yīng)力的控制, 研究區(qū)內(nèi)順北5斷裂中段和北段同時右行走滑, 最大主應(yīng)力走向分布在早期區(qū)域節(jié)理走向的右象限(圖9)。值得指出的是, 受南北應(yīng)力場的影響, 此時研究區(qū)內(nèi)順北5斷裂北段、中段右行走滑, 而南段左行走滑, 說明其暫時還分屬于不同的斷裂體系, 早期區(qū)域節(jié)理可作為薄弱面引導(dǎo)后期斷裂的走向(Myers and Aydin, 2004), 但順北5斷裂本身還未形成自北向南連通的斷裂帶, 這一推測也與前期基于滑移距分析得出的順北5斷裂“后期逐段拼接”的演化模型相符(鄧尚等, 2019)。

圖8 研究區(qū)順北5斷裂北段、中段、南段T70、T60、T56界面雁列角大小分布

加里東晚期(中、晚志留世), 塔里木盆地北緣南天山地區(qū)擴張成洋盆, 海西早期(泥盆紀(jì)), 南天山地區(qū)曾處于擴張階段, 塔北隆起從海西早期開始進入拉張—擠壓構(gòu)造旋回; 海西中期(石炭紀(jì)), 塔里木盆地南緣開始進入被動大陸邊緣時期(賈承造, 2004; 陳槚俊等, 2019)。上述研究表明, 自加里東晚期到海西晚期, 盆地內(nèi)部具備形成區(qū)域性弱伸展或者南北向擠壓、東西向弱伸展的動力學(xué)背景, 為順北5斷裂在后期繼承性斜拉活動(主滑移帶在垂向受到一定的張應(yīng)力作用)提供了條件。其中, 加里東晚期, 順北5斷裂整體右行形成了自北向南貫通的走滑斷裂。此時, 中段在加里東晚期雁列角大小平均值為46.9°(T70界面), 約等于45°(考慮測量誤差), 說明中段主滑移帶在加里東晚期處于純剪應(yīng)力狀態(tài)下活動, 在平面內(nèi)等同于壓、張雙軸應(yīng)力狀態(tài)且壓應(yīng)力或張應(yīng)力與主滑移帶走向呈45°(圖9), 而北段的雁列角為35.7°, 說明北段下伏主滑移帶的繼承性走滑活動中都受到了垂直于斷面的張應(yīng)力的作用(圖9, 紅色箭頭), 壓、張雙軸應(yīng)力中的張應(yīng)力與主滑移帶夾角也應(yīng)小于45°; 南段形成了地塹構(gòu)造。海西早期、海西中?晚期, 順北5斷裂整體均為左行活動, 不同分段形成了雁列角小于45°的雁列正斷層(圖3, 圖9)。

4 石油地質(zhì)意義

4.1 走滑斷裂內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征與井組連通性分析

順北地區(qū)鷹山組與一間房組碳酸鹽巖基質(zhì)物性較差, 全直徑巖心孔隙度和滲透率實測揭示, 平均孔隙度約等于2%, 實測滲透率分布在0.01~5.52 mD, 其中約72%的樣品實測滲透率小于1 mD(漆立新, 2020)。基于現(xiàn)有的實鉆、巖心資料進行分析, 順北地區(qū)現(xiàn)今有效儲集空間被認(rèn)為是沿深大斷裂帶斷面發(fā)育且受溶蝕改造的洞穴或空腔, 以及斷裂破碎帶內(nèi)構(gòu)造縫及伴生的溶蝕孔洞等(李映濤等, 2019), 洞穴與規(guī)模裂縫帶主要表現(xiàn)為鉆井過程中鉆遇的放空和漏失(焦方正, 2018)。

致密碳酸鹽巖因其本身脆性強, 在應(yīng)力集中下容易先形成節(jié)理, 進一步剪切活動形成走滑斷層。斷層的核部在初期通常表現(xiàn)為由正交節(jié)理切割而成的巖塊, 在斷層進一步剪切活動的過程中, 巖塊間發(fā)生錯位或滾動, 形成具有洞穴或空腔的角礫帶(Billi et al., 2003)。此外, 在局部張應(yīng)力作用下(例如拉分段), 致密碳酸鹽巖中也可形成張性角礫巖(Woodcock et al., 2007)。致密碳酸鹽巖中的斷層角礫帶因為孔滲性普遍高于圍巖, 通常被認(rèn)為是油氣運移的優(yōu)勢通道, 在北美地表露頭和地下都有實際案例佐證(Aydin, 2000)。

本研究基于對塔里木盆地阿克蘇地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖露頭走滑斷層(鄔光輝等, 2012)以及剪切節(jié)理帶進行考察, 發(fā)現(xiàn)了類似的走滑斷層核部發(fā)育角礫帶, 角礫帶一側(cè)或雙側(cè)發(fā)育裂縫帶的“核?帶”結(jié)構(gòu)(圖10a, b)。其中, 位于蓬萊壩剖面(杜洋等, 2016)走滑斷層核部的角礫和角礫之間發(fā)育空腔和裂縫, 且部分被瀝青充填, 直接指示其具備輸導(dǎo)和聚集油氣的作用(圖10b)。該角礫帶中部被淺色礦物膠結(jié), 也進一步說明該斷層存在多期活動, 中部的角礫形成或活動時存在非烴類流體的浸染, 導(dǎo)致其被膠結(jié)。

空腔的發(fā)育并非僅局限于斷層的核部, 對剪切節(jié)理帶的露頭觀測揭示, 空腔也可發(fā)育于剪切節(jié)理的疊接區(qū)域(圖10c): 該露頭中并列發(fā)育多條剪切節(jié)理, 滑移距(右行)從1 cm到20 cm不等, 右階展布的兩條剪切節(jié)理疊接部位形成了寬約30 cm的拉分段, 內(nèi)部發(fā)育空腔。此外, 剪切節(jié)理的發(fā)育也受到層序或巖性界面的限制, 具備幾何學(xué)上的頂、底板(圖10d)。

除上述露頭案例外, 鉆井和成像測井資料也已證實順北地區(qū)走滑斷裂在盆地地下同樣發(fā)育“核—帶”結(jié)構(gòu)(趙銳等, 2019)。在本文研究區(qū)內(nèi), 部署于順北5斷裂Ⅰ號隆起段的三口鉆井(W1, W2, W3井)均成功建產(chǎn)(圖11), 且在測試階段具有壓力動態(tài)連通的特征。其中, W1井鉆穿2號斷面, W2井鉆穿與1號斷面相連的6號斷面以及3號斷面, W3井鉆穿1號斷面和4號斷面(圖11)。結(jié)合在前文中針對Ⅰ號隆起內(nèi)部1號和2號斷面相比其他斷面活動更強的分析可以看出, W1, W2和W3井應(yīng)該通過1號和2號斷面進行壓力上的溝通, 沿斷面發(fā)育的“核—帶”結(jié)構(gòu)或者斷面之間分布的剪切裂縫體系為該井組提供了壓力溝通的渠道(圖10)。

圖9 順北5斷裂北段、中段、南段平面演化模式與基于雁列角的古應(yīng)力狀態(tài)反演

圖10 塔里木盆地柯坪地區(qū)走滑斷層內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及剪切節(jié)理帶露頭特征

圖11 順北5斷裂I號隆起段(發(fā)育部位見圖3)內(nèi)部井組過井剖面與斷裂解釋

4.2 走滑斷裂斷面活動特征差異性與高產(chǎn)、失利對比分析

與Ⅰ號隆起段不同的是, 位于研究區(qū)內(nèi)順北5斷裂中段的Ⅴ號隆起段在地震上只見邊界斷面發(fā)育, 不具備“隆起之內(nèi)有隆起”的構(gòu)造樣式(圖12a)。部署于該隆起段的W4井在鉆遇東側(cè)斷面時發(fā)生漏失, 經(jīng)測試后獲高產(chǎn), 也進一步證實疊接段邊界斷面具有“控儲、控藏”的特征。對比研究區(qū)內(nèi)順北5斷裂南段的“壓脊?地塹”復(fù)合構(gòu)造樣式, W5井自東向西依次鉆穿東側(cè)地塹斷面(1號)和內(nèi)部壓脊構(gòu)造斷面(2號和3號), 但只在內(nèi)部壓脊構(gòu)造相關(guān)兩個斷面鉆遇漏失(圖12b), 后期測試獲高產(chǎn)。壓脊構(gòu)造斷面在幾何學(xué)、運動學(xué)特征上類似壓隆段邊界斷面, 向下斷入中下寒武統(tǒng)烴源巖(漆立新, 2020), 向上控制T74界面隆起, 同樣具有“控儲、控藏”的特征。然而, 前文分析表明地塹斷面從T70界面至T74界面自上而下發(fā)育, 其根部不一定與壓脊構(gòu)造斷面相交 (圖6、7)。由此看來, 地塹斷面不直接溝通烴源, 正斷層形成的斷控儲集體可能被非烴類流體膠結(jié)破壞(圖10b)。此外, 傾向活動斷層形成的斷控儲集空間可能受控于地層能干性(Ferrill et al., 2017), 裂縫體系在縱向上發(fā)育規(guī)模受限(圖10d)。

4.3 走滑斷裂差異演化對油氣分布面貌的控制作用

順北地區(qū)油氣藏沿主干斷裂分布呈現(xiàn)出明顯的非均質(zhì)性: 順北5斷裂北段為未飽和輕質(zhì)油藏, 順北5斷裂中段和順北1斷裂為未飽和揮發(fā)性油藏, 順北5斷裂南段為凝析油藏(漆立新, 2020)。在地面20℃條件下, 測得原油密度分布也符合順北1斷裂原油成熟度高于順北5斷裂中段、順北5斷裂中段高于北段的特點(圖13a, 圓圈面積與原油密度成正比)。

前人研究認(rèn)為, 順北地區(qū)地溫梯度自西向東逐漸升高, 烴源巖差異演化, 導(dǎo)致了晚期高成熟油氣充注程度有差異, 是造成不同斷裂帶和同一斷裂帶不同部位油氣性質(zhì)差異的主要原因(顧憶等, 2019; 漆立新, 2020)。

對比原油密度分布特征(與成熟度變化一致)與順北1、順北5斷裂淺層(T60、T56界面)雁列正斷層活動特征表明, 研究區(qū)內(nèi)順北5斷裂北段成熟度相對最低, 對應(yīng)的T60、T56界面雁列活動強度(雁列正斷層密度與寬度)也較弱; 順北5斷裂中段原油成熟度整體低于順北1斷裂, 其在T60、T56界面雁列活動強度也整體弱于順北1斷裂(圖13)。此外, 研究區(qū)內(nèi)順北5斷裂南段原油成熟度也高于順北5斷裂中段(漆立新, 2020), 其在T60、T56界面雁列活動強度也強于中段。由此也進一步說明, 研究區(qū)走滑斷裂晚期活動性控制了晚期高成熟油氣充注強度, 可能是烴源巖差異演化之外造成油氣性質(zhì)差異的另一主控因素。

圖12 順北5斷裂中段V號隆起段(中段)與“壓脊?地塹”復(fù)合構(gòu)造(南段)典型井過井剖面

圖13 順北1、順北5斷裂已鉆井原油密度分布(a)與淺層雁列活動強度對比(b, c)

5 結(jié) 論

(1) 順北地區(qū)走滑斷裂普遍具有“縱向分層變形、主滑移帶平面分段”的空間結(jié)構(gòu)特征, 縱向分層變形分界面多為碎屑巖、碳酸鹽巖與膏鹽巖(或云質(zhì)膏巖)層系之間的巖性界面, 而平面分段主要發(fā)育于中下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖(勘探目的層)。平面分段疊接部位發(fā)育的壓隆段、拉分段普遍具有相似的長寬比, 均值為3.2。疊接壓隆段可發(fā)育“隆起之內(nèi)有隆起”的構(gòu)造樣式, 且內(nèi)部塊體可隨斷裂右行走滑發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)。

(2) 順北地區(qū)走滑斷裂在目的層除發(fā)育壓隆段、拉分段和平移段“三段式”變形外, 也發(fā)育有“壓脊?地塹”復(fù)合構(gòu)造樣式。壓脊構(gòu)造在剖面上表現(xiàn)為沿斷裂走向連續(xù)發(fā)育的隆起變形, 代表主滑移帶, 其本身具有分段性。壓脊構(gòu)造兩側(cè)發(fā)育相向傾斜的地塹斷面, 成因機制上, 地塹構(gòu)造是下伏壓脊構(gòu)造在后期活動時拖曳上覆地層形成的伴生構(gòu)造, 其在形成時受到了一定的張應(yīng)力作用。

(3) 順北地區(qū)走滑斷裂演化受控于盆地南、北不同區(qū)域應(yīng)力場的疊加作用, 演化早期(加里東中期I幕)最大主應(yīng)力方向從南到北發(fā)生了NNE向到NNW向的逆時針偏轉(zhuǎn), 形成的區(qū)域節(jié)理同時具有走向偏轉(zhuǎn)特征, 為順北5斷裂弧形構(gòu)造行跡的發(fā)育奠定了基礎(chǔ)。順北5斷裂在研究區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了南、北段滑移方向相反(加里東中期Ⅲ幕), 到走滑方向一致、南北貫通的轉(zhuǎn)變(加里東晚期?海西中、晚期), 不同分段在不同演化階段具有斜壓、斜拉走滑特征。

(4) 疊接壓隆段邊界斷面可控制規(guī)模儲集體的發(fā)育, 壓脊構(gòu)造與壓隆段邊界斷面類似, 根部溝通烴源, 具有“控儲、控藏”特征。然而, 地塹構(gòu)造自上而下發(fā)育至目的層, 不直接溝通烴源, 暫未鉆遇規(guī)模性儲集體。研究區(qū)走滑斷裂晚期活動越強, 沿斷裂分布的油氣成熟度越高, 說明斷裂晚期活動強度可控制晚期高成熟油氣充注程度。

兩位審稿專家在論文評審過程中提出了寶貴意見與建議, 在此致以誠摯的謝意。文章構(gòu)思與撰寫過程當(dāng)中得到了很多專家的指點, 中國石化西北油田分公司漆立新教授和云露教授在2016?2020年作者參與順北油田地質(zhì)攻關(guān)期間給予了重要的指導(dǎo), 中國石化石油勘探開發(fā)研究院李慧莉教授和張仲培教授對本文涉及的斷裂解析工作提出了建設(shè)性的意見, 高天、李兵等承擔(dān)了部分研究工作, 在此一并表示衷心的感謝。

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Structural Styles and Evolution Models of Intracratonic Strike-slip Faults and the Implications for Reservoir Exploration and Appraisal: A Case Study of the Shunbei Area, Tarim Basin

DENG Shang1, 2, 3, LIU Yuqing1*, LIU Jun2, HAN Jun2, WANG Bin1and ZHAO Rui1

(1.100083,; 2.830011,; 3.100083,)

Based on detailed structural characterization and geometric analysis, the structural styles of the strike-slip faults in the Shunbei area are determined and the evolution models are proposed. Incorporated with analysis of production data, the controls of strike-slip fault evolution on the formation of reservoir space as well as the heterogeneous distribution of hydrocarbon along the faults are discussed. The new findings include the following: (1) The strike-slip faults in the Shunbei area are characterized by “l(fā)ayered deformation” in profiles, which display subvertical segments as “principal displacement zone” at depth and en echelon normal fault zones at relatively shallow parts. The interfaces between the “l(fā)ayered deformations” are commonly lithological boundaries, and the fault segmentations are usually developed in the carbonate rocks (i.e., target layers for exploration). The length to width ratios of the step-over structures between segments are around 3.2; (2) “Pressure ridges and graben” composite structures are also developed in the strike-slip faults in the Shunbei area. The formation of the overlying graben structure is associated with the movement of the underlying pressure ridges; (3) The evolution of the strike-slip faults in the Shunbei area is controlled by the superposition of stress fields in the northern and southern regions. Such a superposition caused a counterclockwise rotation of the maximum compressive stress from NNE-orientation in the south to the NNW-orientation in north, which shaped the curved trace of the Shunbei 5 at the early stage of evolution; and (4) Pressure ridges and push-up step-overs cut through the source rocks at depth, and they both can control the hydrocarbon accumulation in the carbonate rocks developed above the source rocks. In contrast, the graben structures are not directly connected with the source rocks due to their nature of downward propagation into the carbonate rocks, and no reservoirs associated with the graben faults have been discovered so far. In the study area, the intensity of fault movements at the later stages can control the charge amount of hydrocarbons at higher maturity levels.

Composite structure; evolution model; strike-slip faults; control the hydrocarbon accumulation; Tarim Basin

P54

A

1001-1552(2021)06-1111-016

10.16539/j.ddgzyckx.2020.05.015

2020-04-26;

2020-09-09;

2020-11-19

國家自然科學(xué)基金企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目(U19B6003)、中石化科技部項目(P20062)聯(lián)合資助。

鄧尚(1987–), 男, 博士, 高級工程師, 主要從事構(gòu)造地質(zhì)與石油地質(zhì)綜合研究。Email: shang_deng@126.com

劉雨晴(1990–), 女, 博士, 主要從事構(gòu)造地質(zhì)與石油地質(zhì)綜合研究。Email: liuyqsmile@163.com