長嶺斷陷斷層活動特征及控藏作用

王 琦 張萬福 孫永河 王有功⑤ 付曉飛 孫立志

(①東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶 163318； ②“油氣藏及地下儲庫完整性評價”黑龍江省重點實驗室，黑龍江大慶 163318； ③東方地球物理公司研究院地質(zhì)研究中心，河北涿州 072751； ④重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331； ⑤東北石油大學(xué)三亞海洋油氣研究院，海南三亞 572025)

0 引言

斷層作為輸導(dǎo)通道，控制著油氣的運移和聚集[1-2]。松遼盆地南部的長嶺斷陷是一個復(fù)式斷陷[3-5]，多期次的構(gòu)造活動導(dǎo)致斷層活動特征十分復(fù)雜[6-7]。近年來的勘探表明，長嶺斷陷深層(下白堊統(tǒng)泉頭組泉二段以下)具有豐富的天然氣資源[4,8]，氣藏類型多樣，如烴類氣藏、CO2氣藏以及CO2與烴類混合氣藏等，并且縱向上多層位含氣[4]。長嶺斷陷氣藏分布特點與斷層活動息息相關(guān)，主干斷層多期次活動，控制著優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育、火山巖和碎屑巖儲層的分布及有利圈閉的形成[9-10]； 活動性斷層為天然氣運聚提供通道[11-12]。

目前氣藏差異分布的成因尚不明確，不同類型斷層與氣藏的關(guān)系仍然不是很清楚。為此，基于盆地構(gòu)造演化背景，利用伸展正斷層生長指數(shù)(EI)、垂直斷距—埋深(T-Z)曲線、反轉(zhuǎn)斷層反轉(zhuǎn)率(RI)和滑移距離曲線分析斷裂活動時期和活動強度，劃分斷層類型，分類探討不同類型斷層與氣藏之間的關(guān)系，以期對松遼盆地南部深層天然氣勘探提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

長嶺斷陷是松遼盆地南部規(guī)模最大的復(fù)式斷陷，呈NNE向展布(圖1a)，主要發(fā)育紅崗、大安、乾安、孤店、乾北、黑帝廟、前神字井、哈爾金、孤西和伏龍泉等大型斷層。其中，乾安斷層、前神字井斷層為主干斷層，控制主洼的發(fā)育； 孤店斷層、黑帝廟斷層等為區(qū)域內(nèi)次級斷層，控制著主洼周邊次級斷陷的發(fā)育。

在前白堊系基底之上，長嶺斷陷發(fā)育的地層自下而上依次為：下白堊統(tǒng)火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組、泉頭組； 上白堊統(tǒng)青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組、明水組； 古近系的依安組； 新近系大安組、泰康組(圖1b)。

圖1 長嶺斷陷構(gòu)造綱要圖(a)和地層發(fā)育簡表(b)

受蒙古—鄂霍茨克洋構(gòu)造域和古太平洋構(gòu)造域共同影響，松遼盆地經(jīng)歷了斷陷期、拗陷期和反轉(zhuǎn)期三個構(gòu)造演化階段[13]。早白堊世早期，在蒙古—鄂霍茨克洋東段閉合引發(fā)的造山后伸展作用影響下，松遼盆地南部斷陷開始發(fā)育，此時主要發(fā)育火石嶺組火山巖和沙河子組湖泊相碎屑巖及含煤層系[14]。營城組沉積時期，受古太平洋板塊俯沖后撤作用的影響，松遼盆地發(fā)生大規(guī)?；鹕交顒雍蜔崧×严荩l(fā)育了營城組火山巖—沉積巖組合，厚度最大可達2000m，發(fā)育火山巖儲集層[14]。早白堊世晚期—晚白堊世，隨著蒙古—鄂霍茨克洋影響的減弱及地幔的冷卻，松遼盆地進入了拗陷期穩(wěn)定沉積階段[13]，先后沉積了登婁庫組、泉頭組、青山口組、姚家組及嫩江組。晚白堊世以來，受太平洋板塊向歐亞板塊俯沖作用以及印藏板塊碰撞產(chǎn)生的遠程效應(yīng)的影響，在嫩江組沉積末期、晚白堊世明水組沉積末期、古近紀依安組沉積末期，松遼盆地均發(fā)生強烈的構(gòu)造反轉(zhuǎn)活動，其中以明水組沉積末期最為強烈。同時，部分斷陷期及拗陷期活動斷層在構(gòu)造反轉(zhuǎn)期持續(xù)活動[14]，最終形成現(xiàn)今的構(gòu)造格局。

2 斷層活動性分析

2.1 正斷層活動性分析

本文利用EI變化和斷層T-Z曲線[15-18]分析正斷層活動時期及活動強度。

生長指數(shù)是指同一地質(zhì)歷史時期斷層上盤與下盤地層厚度的比值。EI>1表明斷層發(fā)生了同沉積活動，EI值越大，表明同沉積作用越明顯且同沉積斷層活動越強； EI≤1則表明斷層不發(fā)生同沉積活動。

T-Z曲線可以反映斷層活動規(guī)律。該曲線中垂直斷距最大值點代表斷層成核點，曲線形態(tài)反映了斷層在不同時期的活動性[15](圖2)。當曲線向上(由深到淺)線性遞減時，表明垂直斷距向上減小，且曲線斜率越小斷層垂直斷距減小越快、活動越強烈； 當曲線直立時，斜率最大，表明垂直斷距向上不變，代表斷層處于靜止期(圖2)。

圖2 T-Z曲線(左)和對應(yīng)地層剖面模式(右)

由圖3可見，F(xiàn)1～F4、F6-1、F9斷層斷距在火石嶺組最大并向淺層減小，表明斷層大多在火石嶺組沉積期成核； F1～F4斷層、F9斷層在火石嶺組—營城組沉積時期EI>1，斷距向淺層急劇減小，T-Z曲線斜率較小，表明斷層強烈活動時期為火石嶺組—營城組沉積時期； F6-1斷層在火石嶺組形成且斷距向淺層遞減，火石嶺組—泉頭組之間斷距微減，在青山口組斷距驟減，且EI>1，表明斷層活動時期為青山口組—姚家組沉積時期。

圖3 長嶺斷陷不同測線典型正斷層地震地質(zhì)解釋剖面(左)和不同斷層EI、T-Z曲線(右)

綜上所述，正斷層活動存在2期，即盆地斷陷期的火石嶺組—沙河子組及營城組沉積時期、拗陷期的青山口組—姚家組沉積時期。

2.2 反轉(zhuǎn)斷層活動性分析

晚白堊世以來，松遼盆地經(jīng)歷了3期不同程度的構(gòu)造反轉(zhuǎn)變形，計算RI及滑移距離曲線可以定量確定反轉(zhuǎn)程度的大小，分析反轉(zhuǎn)斷層的活動性差異[19-21]。

反轉(zhuǎn)率是縮短位移與伸展位移的比值(圖4a)

(1)

式中：h為同沉積地層沿斷面的長度；c為位移零點以上反轉(zhuǎn)同沉積地層沿斷面的長度；e為位移零點以下地層沿斷面長度。RI越大，表示反轉(zhuǎn)程度越高。當零點位于同沉積地層頂部時，RI=0(即e=h)，說明沒有發(fā)生反轉(zhuǎn)； 如果零點位于同沉積地層底部時，RI=1(即c=h或e=0)，說明同沉積地層完全反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)程度最大(圖4a)。

滑移—距離曲線[20-22]是以同沉積地層的底界面作為基準面(基準底)，以各地層與基準底之間的距離為縱坐標，以各層的斷距為橫坐標而得到的曲線(圖4b)。右側(cè)虛線是反轉(zhuǎn)擠壓前的曲線，其斜率的變化代表了正斷層斷距變化； 反轉(zhuǎn)擠壓后曲線形狀不變，但沿橫坐標向左平移若干距離，距離大小與反轉(zhuǎn)程度有關(guān)，式(1)中的參數(shù)可以直觀地在圖4b中獲得。

圖4 反轉(zhuǎn)率計算示意圖

由孤店斷層(F5)和伏龍泉斷層中段(F12m)地震剖面(圖5)可見，二者均具有“下正上逆”的特點，但斷穿層位及兩盤地層褶皺變形不同。根據(jù)式(1)計算可知，F(xiàn)5斷層反轉(zhuǎn)率為0.46(圖5a)，F(xiàn)12m斷層反轉(zhuǎn)率為0.26(圖5b)，說明二者反轉(zhuǎn)強度存在差異。

圖5 不同斷層的正反轉(zhuǎn)構(gòu)造地震剖面(左)及其位移—距離曲線(右)

3 斷層類型劃分

根據(jù)斷層的活動特征，長嶺斷陷斷層可劃分為4類，即斷陷期活動、斷陷期—拗陷期活動和長期活動(指斷陷期—拗陷期—反轉(zhuǎn)期持續(xù)活動，下同)弱反轉(zhuǎn)、強反轉(zhuǎn)斷層(圖6)。

3.1 斷陷期斷層

斷陷期斷層是指火石嶺組—營城組沉積時期活動的斷層，包括基底斷層及斷陷期形成的斷層。平面走向以NNE向和NNW向為主，剖面上斷穿T4以下地震反射層，斷層面多為板式或鏟式，控制斷陷期地層的發(fā)育(圖3)。比較典型的為乾安斷層、黑帝廟斷層等(圖6)。

圖6 松遼盆地南部長嶺斷陷斷層與氣藏分布

3.2 斷陷期—拗陷期活動斷層

斷陷期—拗陷期持續(xù)活動斷層，平面走向為NE、NNW和近NS向； 在剖面上可見，發(fā)育在T4、T5地震反射層與T1地震反射層之間，斷層面多為板式(圖3)。拗陷期斷距明顯小于斷陷期斷距，反映斷層具有同生性，如紅崗斷層南段、前神字井斷層南段、哈爾金斷層、孤西斷層南段及伏龍泉斷層北段等(圖6)。

3.3 長期活動斷層

斷陷期、拗陷期及構(gòu)造反轉(zhuǎn)期均發(fā)生活動的斷層，依據(jù)反轉(zhuǎn)程度的差異，可以進一步劃分為長期活動弱反轉(zhuǎn)斷層和長期活動強反轉(zhuǎn)斷層。

3.3.1 長期活動弱反轉(zhuǎn)斷層

反轉(zhuǎn)期發(fā)生微弱反轉(zhuǎn)、變形，平面走向以NNE向、NE向為主，主要分布在紅崗氣藏、前神字井氣藏和孤店氣藏等區(qū)域(圖6)； 在剖面上可見，斷層面多為鏟型，斷層自基底斷至T2或T1反射層以下(如圖3b 的F2s斷層和F11n斷層等)。由于斷層向上滑動受阻，斷層頂端形成隱伏型反轉(zhuǎn)構(gòu)造(如斷層擴展褶皺等)。研究區(qū)該類型斷層有紅崗斷層北段、大安斷層南段、前神字井斷層北段、孤西斷層北段和伏龍泉斷層中段(圖6)，反轉(zhuǎn)率最大為0.26(伏龍泉斷層中段)，最小為0.17(前神字井斷層北段)，平均反轉(zhuǎn)率為0.22。

3.3.2 長期活動強反轉(zhuǎn)斷層

反轉(zhuǎn)期發(fā)生強烈反轉(zhuǎn)、變形，主要分布在紅崗氣藏和孤店氣藏等區(qū)域，走向以NNE向和近NS向為主，在剖面上可見，斷層自T5地震反射層向上斷穿T06及以上地震反射層，甚至斷層的端點擴展至地表，反轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的褶皺多發(fā)育在斷層上盤(如圖3a的F2n和圖3b的F5斷層等)。研究區(qū)此類型斷層主要有孤店斷層、大安斷層北段和伏龍泉斷層南段(圖6)，其中大安斷層北段反轉(zhuǎn)率最大(0.60)，反轉(zhuǎn)率最小的伏龍泉斷層南段也達到0.4，此類斷層平均反轉(zhuǎn)率為0.49。

4 油氣地質(zhì)意義

4.1 深層天然氣分布特征

長嶺斷陷天然氣藏類型多樣，分布范圍也不同。目前已發(fā)現(xiàn)來源于沙河子組煤系地層的烴類氣藏與幔源成因的CO2氣藏[3,6-7,23]。泉頭組—嫩江組沉積時期(125～75Ma)充注的烴類氣藏[4,23-26]主要分布在油氣輸導(dǎo)斷層附近的優(yōu)勢聚集部位，古近紀(28Ma以來)充注的CO2氣藏[23-26]主要分布在火山巖儲層和深大斷層附近(圖6)。縱向上，深層天然氣分布在青山口組區(qū)域蓋層(T2地震反射層)之下，受登婁庫組底部和泉頭組底部兩套蓋層的分隔作用，可進一步劃分為下部、中部和上部三套成藏組合(表1)。其中CO2氣體主要賦存于中、下部成藏組合中， 烴類氣體在三套成藏組合均有分布。

4.2 不同類型斷層的控藏作用

4.2.1 斷陷期斷層控制深層源巖及火山巖儲層分布

斷陷期主干斷層控制著著沙河子組烴源巖的分布范圍，并且大多與基底深大斷層相關(guān)。在營城組沉積時期火山巖噴發(fā)時，它控制火山巖分布，為幔源CO2氣體在下部成藏組合中提供儲集空間[26]。典型模式如長深6等高含CO2氣藏(圖7a)。

表1 長嶺斷陷主要氣藏縱向分布的鉆井統(tǒng)計

4.2.2 斷陷期—拗陷期斷層控制深部天然氣聚集

斷陷期—拗陷期斷層控制著深層烴源巖及火山巖儲層分布。如果在源內(nèi)分布，則可作為油氣輸導(dǎo)斷層，為中、下部登婁庫組碎屑巖和營城組火山巖烴類氣藏提供運移通道。古近紀以來，幔源CO2沿該類斷層運移至營城組火山巖儲層，與烴類氣體形成混合氣藏(圖7b)，碎屑巖儲層中仍以烴類氣體聚集為主。如位于哈爾金斷層下盤的長深1氣藏(圖6)，哈爾金斷層為斷陷期—拗陷期活動斷層(圖7b)，上盤控制了沙河子組烴源巖的分布。泉頭組—嫩江組沉積時期，烴類氣體先充注在下部營城組火山巖儲層和中部登婁庫組碎屑巖儲層中，形成烴類氣藏； 古近紀以來，幔源CO2沿斷層運移至營城組火山巖儲層中，與早期烴類氣藏混合，形成烴類氣與CO2氣混合氣藏，其中CO2含量為27%(表1)。而同一構(gòu)造帶的長深2和長深4氣藏，位于烴源巖外的火山巖分布區(qū)，烴源巖供烴效果差，形成高含CO2的氣藏，其中長嶺2號氣藏CO2含量高達98%。

4.2.3 長期活動弱反轉(zhuǎn)斷層控制天然氣多層系分布

長期活動弱反轉(zhuǎn)斷層在斷陷期控制洼槽及有效烴源巖分布，在拗陷期控制天然氣輸導(dǎo)路徑，在反轉(zhuǎn)期控制淺層圈閉的形成及拗陷期氣藏的調(diào)整。

泉頭組—嫩江組沉積時期，深層沙河子組有效烴源巖生成的烴類氣沿著斷層向上運聚，形成中、下部烴類氣藏。反轉(zhuǎn)期斷層微弱反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致淺層(泉頭組及以上)發(fā)育反轉(zhuǎn)背斜等構(gòu)造，烴類氣體伴隨反轉(zhuǎn)期斷層活動調(diào)整、運移至上部(泉頭組)有利圈閉中，形成上部烴類聚集，進而使得天然氣呈縱向多層系分布特征。與此同時，部分幔源CO2氣沿著大斷層運移至淺層(泉頭組)儲層中，形成了中、上部CO2氣藏。如紅崗氣藏位于紅崗斷層北段，該斷層自基底向上斷至泉頭組，斷層頂部發(fā)育反轉(zhuǎn)背斜(圖7c)，為氣體聚集提供有利圈閉； 古近紀以來，幔源CO2氣沿斷層向上充注泉頭組四段儲層中，形成上部的CO2氣有效聚集。由于遠離烴源巖，該氣藏烴類氣體較少。研究區(qū)類似氣藏還有乾安氣藏(乾深1氣藏)、紅7氣藏等。

圖7 不同類型斷層控藏模式

4.2.4 長期活動強反轉(zhuǎn)斷層不利于成藏

長期活動強反轉(zhuǎn)斷層在反轉(zhuǎn)期變形強烈，對早期形成的烴類氣藏破壞明顯，使天然氣難以形成規(guī)模聚集，故這類斷層不利于天然氣富集(圖7d)。如孤店斷層長期活動且晚期反轉(zhuǎn)變形強烈，斷層穿透淺層所有地層(圖5a)，目前勘探證實各層位均未見規(guī)模產(chǎn)能； 伏龍泉斷層在平面上具有三段式發(fā)育特征(圖6)，自北至南反轉(zhuǎn)強度逐漸增強，尤其是最南段，反轉(zhuǎn)期反轉(zhuǎn)變形程度最高，不利于氣藏形成[21]。

4.3 有利氣藏區(qū)預(yù)測

參考已發(fā)現(xiàn)氣藏分布特征，根據(jù)不同類型斷層對氣藏的控制作用，可對長嶺斷陷深層天然氣富集區(qū)帶進行預(yù)測(圖6)。

中部哈爾金、前神字井、乾安斷層一帶，以斷陷期、斷陷期—拗陷期斷層為主，烴源巖和火山巖發(fā)育，并已發(fā)現(xiàn)長深1混合氣藏(圖7b)，預(yù)測該帶為混合氣藏有利富集區(qū)。

西部紅崗、乾安、黑帝廟斷層一帶主要發(fā)育斷陷期、斷陷期—拗陷期斷層和長期活動弱反轉(zhuǎn)斷層，火山巖分布廣，烴源巖較少，已發(fā)現(xiàn)紅崗CO2氣藏和長深6 CO2氣藏(圖7a)，預(yù)測該帶為CO2氣有利富集區(qū)。

東部乾北、孤西、雙坨子、伏龍泉斷層一帶主要發(fā)育斷陷期—拗陷期、長期活動弱反轉(zhuǎn)和長期活動強反轉(zhuǎn)斷層，烴源巖較發(fā)育，近源火山巖體及構(gòu)造圈閉烴類氣富集，已發(fā)現(xiàn)伏8、雙坨子等烴類氣藏(圖7c)，預(yù)測為烴類氣富集區(qū)； 但該帶中部的孤店氣藏烴源巖不發(fā)育，長深7井已在營城組發(fā)現(xiàn)高含CO2氣藏，預(yù)測為CO2氣有利富集區(qū)。

5 結(jié)論

斷陷盆地斷層類型復(fù)雜，活動特點不一，據(jù)此可將長嶺斷陷斷層劃分為斷陷期、斷陷期—拗陷期、長期活動弱反轉(zhuǎn)及長期活動強反轉(zhuǎn)四種類型。

不同類型斷層對天然氣成藏具有不同的控制作用，可以據(jù)此預(yù)測氣藏類型及分布區(qū)域。如長嶺斷陷中部哈爾金、前神字井、乾安斷層一帶預(yù)測為烴類氣與CO2氣混合氣藏有利富集區(qū)； 中部帶以西預(yù)測為CO2氣有利富集區(qū)； 中部帶以東除孤店氣藏為CO2氣有利富集區(qū)外，其他近源部位預(yù)測為烴類氣有利富集區(qū)。

本文研究方法及成果對于松遼盆地南部深層天然氣勘探具有指導(dǎo)作用。