銅川野外露頭區(qū)延長組裂縫發(fā)育特征及形成機理

阮勇淇,宋立軍

(西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710065)

引 言

銅川地區(qū)位于渭北隆起中東部,與伊陜斜坡的接合部位。渭北隆起位于鄂爾多斯盆地南部,南接渭河地塹、北接伊陜斜坡、東西分別與晉西擾褶帶和天環(huán)向斜相鄰。國內(nèi)學(xué)者對渭北隆起隆升過程[1]以及隆起西南部鎮(zhèn)遠-涇川地區(qū)[2-3]和東南部黃陵地區(qū)[4-5]延長組裂縫發(fā)育特征及形成期次進行了研究。前人普遍認為延長組內(nèi)近NS向、NE向和近EW向三組高角度裂縫和垂直裂縫發(fā)育,然而對裂縫發(fā)育期次、過程認識不一,如王勃力等[2]認為紅河油田延長組裂縫是印支、燕山和喜山期多期構(gòu)造運動疊加形成,王芮等[4]則認為延長組裂縫主體形成于燕山期,喜山期存在微弱改造,而且對裂縫疊加改造的過程缺乏系統(tǒng)分析。1953年初,陳賁、李德生、黃先馴就提出了延長油田屬 “裂縫油藏或油田”的認識[6-8],1953年10月蘇聯(lián)專家到延長指導(dǎo)工作也曾指出“要尋找裂縫油田”的勘探思路[8]。對裂縫發(fā)育期次、過程及其分布規(guī)律認識的分歧或不足,這在一定程度上制約了延長組油氣勘探的深入進行。

銅川地區(qū)延長組野外地質(zhì)露頭出露良好,其內(nèi)裂縫極為發(fā)育,對該地區(qū)延長組露頭開展裂縫發(fā)育特征、形成期次及疊加改造過程研究,將加深人們對渭北隆起及鄂爾多斯盆地南部裂縫發(fā)育特征及成因機制的認識,對延長組油氣勘探也有著重要指導(dǎo)意義。

因而,本研究在延長組典型露頭區(qū)觀測的基礎(chǔ)上,對該地區(qū)裂縫發(fā)育特征、活動期次、性質(zhì)及其形成機理進行分析,以期為延長組油氣資源勘探開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渭北隆起是鄂爾多斯盆地南部的次級構(gòu)造單元。該隆起南隔渭河地塹與秦嶺造山帶相望,北接陜北斜坡,西臨西緣逆沖帶,東止晉西擾褶帶[1]。渭北隆起及鄰區(qū)EW向、NEE向和NW基底大斷裂發(fā)育,NEE向斷裂控制著對元古代裂陷槽發(fā)育,近東西向或北東向基底斷裂部分逆沖至地殼淺層(圖1)。其中,銅川地區(qū)主要發(fā)育EW向和NEE向基底斷裂發(fā)育(圖2),地表多列線狀小型背斜發(fā)育(圖1、圖3)。

圖1 渭北隆起區(qū)構(gòu)造綱要及剖面Fig.1 Structural outline and section map of Weibei Uplift

圖2 基底斷裂與布格區(qū)域歸一化總水平導(dǎo)數(shù)垂向?qū)?shù)疊加圖Fig.2 Vertical derivative of total horizontal normalized derivative overlay by fracture and Bouger region

渭北隆起基底形成于18億年前的呂梁運動,其后經(jīng)歷了復(fù)雜而漫長的構(gòu)造演化過程,主要經(jīng)歷了中新元古代裂陷、寒武-早奧陶世被動陸緣、中晚奧陶世-二疊紀活動陸緣、三疊紀前陸盆地及其之后印支期、燕山期早期、燕山期晚期和喜山期等多期次構(gòu)造運動改造。

中晚元古代,在裂陷離散背景下,鄂爾多斯盆地南緣——渭北隆起區(qū)近東西向或NEE向基底斷裂伸展活動,中新元古裂陷槽的發(fā)育,其中渭北隆起則位于箕狀裂陷槽發(fā)育部位。

寒武紀,隨著區(qū)域進一步離散,該地區(qū)進入被動大陸邊緣發(fā)展階段,隨后沉積了一套濱淺海相碎屑巖及碳酸鹽巖沉積;奧陶紀末期,伴隨著古秦嶺洋—商丹洋閉合,該地區(qū)發(fā)生加里東運動,這造成該區(qū)遭受強烈的構(gòu)造擠壓和這種隆升剝蝕,并形成了其與上覆地層之間的角度不整合[9-10];進入海西期,該地區(qū)地殼開始坳陷,隨后遭受海侵,先后發(fā)育了上石炭統(tǒng)本溪組及二疊系太原組、山西組[11];隨著古秦嶺洋—勉略洋開始關(guān)閉,該地區(qū)再次遭受擠壓隆升,以致區(qū)內(nèi)石千峰組、紙坊組等紫紅色砂泥巖互層發(fā)育。

中晚三疊世,受商丹洋閉合、華北板塊和華南板塊陸陸碰撞的影響,該地區(qū)進入近SN向擠壓構(gòu)造背景下,前陸盆地發(fā)育,其內(nèi)延長組發(fā)育。晚三疊世末期,隨著松潘-甘孜洋閉合,該區(qū)印支期末期構(gòu)造運動發(fā)生,這造成鄂爾多斯盆地西南緣及渭北隆起西部遭受強烈隆升剝蝕,以致延長組上部地層遭受剝蝕飴盡[12]。

燕山早期,受古太平洋板塊—庫拉板塊北北西向俯沖影響,中國大陸東部及鄂爾多斯盆地東南緣遭受強烈擠壓,渭北隆起也隨之遭受強烈隆升,以致侏羅紀鄂爾多斯盆地向西北遷移;燕山期晚期,受岡底斯向北俯沖、庫拉板塊向西俯沖綜合影響,鄂爾多斯盆地處于南東東-北西西向擠壓的構(gòu)造背景下,鄂爾多斯盆地西緣前陸盆地發(fā)育,渭北隆起遭受一定北西西向擠壓。

新生代,受印度板塊與歐亞板塊碰撞遠程效應(yīng)的影響,鄂爾多斯盆地及渭北隆起處于北東向擠壓兼有右旋伸展的背景下,以致渭河斷陷形成,渭北隆起翹傾抬升,形成現(xiàn)今地貌[12]。

2 銅川地區(qū)裂縫發(fā)育特征

銅川地區(qū)地表奧陶系、二疊系、三疊系、白堊系及第四系出露,其中三疊系露頭發(fā)育良好,裂縫極為發(fā)育(圖3、圖4)。該區(qū)三疊系延長組內(nèi)多列SW-NE向線狀褶皺發(fā)育,未褶皺延長組地層在線狀褶皺之間呈條帶狀展布(圖3)。延長組線狀背斜剖面呈南翼緩、北翼陡的斷背斜構(gòu)造樣式(圖3、圖5),延長組內(nèi)發(fā)育NEE、NW、NS向3組裂縫(圖4、圖5)。其中,褶皺地區(qū)和非褶皺地區(qū)裂縫發(fā)育特征差距巨大,NEE向裂縫在全區(qū)廣泛發(fā)育(圖4、圖5),而北西向及近南北向裂縫在線狀褶皺區(qū)則較為發(fā)育(圖5)。

2.1 非褶皺區(qū)裂縫發(fā)育特征

研究區(qū)非褶皺區(qū)——水平地層發(fā)育區(qū)露頭中NEE向裂縫規(guī)模大、近乎等間距發(fā)育,裂縫極為發(fā)育,NNW走向裂縫僅在局部零星發(fā)育。NEE向的裂縫平直光滑、等間距發(fā)育,顯示為剪切型裂縫特征(圖4 Tc1、Tc2、Tc3);與NEE向裂縫呈小角度相交的NEE向裂縫和近SN向裂縫發(fā)育在為NEE向裂縫端部(圖4 Tc3),顯示為受NEE向裂縫控制的派生剪張或剪切型裂縫,與NEE向裂縫形成同期;同時可見與NEE向裂縫大角度相交的NW向裂縫少量發(fā)育,并具有被NEE向斷裂限制特征(圖4),因而推測其形成較晚,形成于NEE向裂縫之后。

圖3 銅川地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.3 Geological structure map of Tongchuan area

圖4 非褶皺區(qū)延長組砂巖層系露頭裂縫特征Fig.4 Outcrop fracture characteristics of medium-huge sandstone layer of Yanchang Formation in non-folded area

不同厚度的巖層發(fā)育裂縫密度差距較大,其中巨厚層砂巖層系內(nèi),NEE走向裂縫發(fā)育,裂縫長度大(50～120 m),裂縫密度較小(0.2～0.5條/m),縫面較為平整,部分裂縫可切穿巨厚砂巖層系及其上覆、下伏層系,其它方向裂縫則零星發(fā)育(圖4);中厚層砂巖層系內(nèi),NEE走向裂縫極為發(fā)育,裂縫長度20～30 m,密度1～3條/m,裂縫縫面平整,常常切穿整套巖系,顯示剪切成因特征(圖4)。

2.2 褶皺區(qū)裂縫發(fā)育特征

研究區(qū)線型褶皺發(fā)育,Tc4觀測露頭位于背斜東南翼。該露頭整體為一套灰色中薄層細粒巖屑長石砂巖和泥巖組合。該露頭延長組內(nèi)發(fā)育NEE向裂縫極為發(fā)育,裂縫長度20～30 m,密度2～3條/m,裂縫方向基本一致,間距大小也基本相等,縫面基本平整;NWW向和近NS向裂縫也較為發(fā)育,且被NEE向裂縫限制,規(guī)模較小,且兩者極少同時發(fā)育。其中,NWW走向裂縫在局部地段密集帶狀展布,帶內(nèi)裂縫密度0.2～0.5條/m,長度30～50 m,密度2～3條/m,縫面較平整,多切穿各砂巖層系;近NS走向裂縫發(fā)育規(guī)模較小,裂縫長度2～5m,縫面凸凹不平,被北東東向裂縫限制特征明顯(圖5)。

3 裂縫發(fā)育機理探析

3.1 裂縫發(fā)育期次

3.1.1 裂縫切割關(guān)系

裂縫之間的錯開、限制及相互切等現(xiàn)象是判斷裂縫形成期次最直接有效的手段。研究區(qū)內(nèi)的大多數(shù)裂縫延伸展布方向為NEE向平行排布(圖4)。

圖5 褶皺區(qū)延長組中薄層砂巖露頭裂縫特征Fig.5 Outcrop fracture characteristics of thin-middle sandstone layer of Yanchang Formation in folded area

褶皺區(qū)除NEE向裂縫外,還發(fā)育NWW向和近NS向裂縫(圖5),NNW向裂縫和NEE向裂縫被NEE向裂縫限制(圖5(c)),且這兩組裂縫與巖層面不完全垂直,顯示裂縫形成于地層褶皺后。其中,紫色NWW向的裂縫與綠色近NS向的裂縫互相切錯,顯示這兩組裂縫同時形成。燕山早期,由于區(qū)域處于南東-北西向的擠壓構(gòu)造背景下,這與NWW向和近NS向裂縫銳夾角平分線方向一致,故推測這兩組裂縫形成于燕山期早期古太平洋板塊NW向俯沖造成的SE-NW向擠壓作用有關(guān),為與褶皺同時形成的共軛裂縫(圖5(e))。

延長組非褶皺區(qū),NEE向裂縫與巖層面垂直,NWW向與NEE向裂縫則與巖層面呈小角度相交,顯示派生平直型剪裂縫特征(圖4 Tc3)。因而,該區(qū)NNW裂縫是NEE走向裂縫的派生裂縫,其應(yīng)該是NEE向裂縫形成時左旋剪切時形成的次生裂縫(圖4)。NEE走向裂縫及其派生的NWW向裂縫形成的構(gòu)造應(yīng)力場,與印支期末期SW-NE向擠壓兼左旋走滑構(gòu)造應(yīng)力場一致,加之該組裂縫形成于燕山期早期之前,故這兩組裂縫應(yīng)形成于印支期末期,推測其應(yīng)與該時期羌塘板塊與華北板塊匯聚造成的強烈SW-NE向擠壓有關(guān),在這強烈SW-NE向擠壓背景下,EW和NEE向基底斷裂發(fā)生左旋剪切活動,從而引起蓋層內(nèi)NEE向斷裂大量發(fā)育。

因而,NEE斷裂形成于褶皺前——印支期末期,褶皺區(qū)NWW裂縫、近NS向裂縫受褶皺構(gòu)造的影響,形成于褶皺形成期——燕山期早期。

3.1.2 流體包裹體分析

裂縫充填物流體包裹體代表裂縫形成時的原始流體樣品,是研究裂縫形成時間的有效手段根據(jù)流體包裹體測定結(jié)果(圖6)。延長組長8段包裹體均一溫度分布顯示,該區(qū)存在3個流體充注時期：第一期溫度大于170 ℃,第二期溫度145～150 ℃,第三期溫度120～135 ℃。這與趙孟為(1995)據(jù)該標(biāo)準估算延長組溫度(90～160 ℃)[13]及其測試獲得延長組包裹體溫度(90～170 ℃)[13-14]基本一致。這表明上部包裹體均為延長組沉積后流體充注成因,而不是繼承包裹體。

由于高溫流體會掩蓋低溫流體,因而推測170 ℃流體充注最早、120～135 ℃流體充注最晚。由渭北隆起最大增溫事件發(fā)生于早白堊世[14-15],該時期也是油氣生成和運移的關(guān)鍵時刻。因而,推測這3期包裹體,應(yīng)該均形成于燕山期早期之后,至燕山晚期,推測170 ℃流體充注應(yīng)形成于早白堊世,145～150 ℃和120～135 ℃包裹體則形成于早白堊世及之后地殼抬升剝蝕降溫階段。

圖6 流體包裹體均一溫度分布頻率Fig.6 Histogram of uniform temperature distribution frequency of fluid inclusions

3.2 形成演化、后期改造過程及成因

野外地質(zhì)露頭揭示延長組裂縫形成于印支期晚期與燕山期早期,發(fā)展和完善于燕山期晚期與喜山期。其中,NEE向裂縫主要形成于印支期末期左旋走滑剪切應(yīng)力場;燕山期早期在NEE向裂縫的基礎(chǔ)上,疊加了NWW與近SN向2組裂縫,其中褶皺地區(qū)裂縫疊加改造強烈。

3.2.1 形成期

(1)印支期末期,鄂爾多斯盆地西南緣處于羌塘板塊與華北板塊碰撞導(dǎo)致的SW-NE向水平擠壓構(gòu)造背景下。在這一構(gòu)造背景下,受基底NEE向基底斷裂控制,研究區(qū)內(nèi)NEE向基底斷裂左旋走滑剪切,造成延長組內(nèi)NEE向走滑剪切裂縫發(fā)育。隨著WS-NE向水平擠壓兼左旋走滑作用繼續(xù),在基底斷裂左旋剪切滑動作用下,在 NEE向裂縫走滑產(chǎn)生的局部構(gòu)造應(yīng)力場影響,在個別NNE向裂縫端部產(chǎn)生了與NEE向裂縫呈小角度相交的平直型剪裂縫和大角度相交的NNW向的剪張型裂縫(圖7(a))。

(2)燕山期早期,受到庫拉板塊俯沖導(dǎo)致的NNW-SSE 向(330～150°)強烈擠壓影響下,鄂爾多斯盆地及渭北隆起內(nèi)延長組褶皺擠壓,受基底斷裂影響局部產(chǎn)生褶皺逆沖推覆(圖1),并形成條帶狀展布線型褶皺,受早期NEE向裂縫控制,致使延長組褶皺內(nèi)NWW向和近NS向兩組共軛剪裂縫發(fā)育(圖7(b))。

3.2.2 改造期

(1)燕山期晚期,受庫拉板塊北西西向俯沖造成的北西西向擠壓應(yīng)力場的影響,研究區(qū)低幅度背斜內(nèi)的NWW向裂縫可能進一步走滑擴展,而近SN向和NEE向裂縫則處于擠壓背景下,無明顯活動(圖7(c))。

圖7 裂縫形成演化及后期改造模式圖Fig.7 Fracture formation evolution and later transformation mode diagram

(2)喜山期,受印度板塊與歐亞板塊碰撞引起的NNE 向的擠壓兼右行走滑構(gòu)造應(yīng)力場的影響研究區(qū)內(nèi),NEE向裂縫處于剪張狀態(tài)、NWW向裂縫處于剪壓狀態(tài),近NS向裂縫則繼續(xù)遭受擠壓改造、活動較弱(圖7(d))。

4 裂縫控藏意義

延長組內(nèi)印支期晚期形成的NEE走向裂縫極為發(fā)育,其可切穿整套巖層,溝通油源和儲層,是重要的溝源斷裂。燕山期早期,受北西向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場的影響,研究區(qū)北東向線型褶皺發(fā)育,在背斜褶皺發(fā)育的同時,受NEE向裂縫的限制,褶皺區(qū)延長組又疊加了NWW向、近NS向兩組裂縫。低幅度背斜隆起,加之裂縫發(fā)育,易形成裂縫型背斜圈閉。

燕山期晚期是延長組烴源巖生成油氣的關(guān)鍵時刻,該時期生成的油氣沿NEE向裂縫發(fā)生垂向運移,可向上運移至長6、長3-1內(nèi)的低幅度背斜內(nèi)聚集,在其內(nèi)NW向和NEE向裂縫及其砂巖儲層內(nèi)聚集成藏,并可向下運移至長8-長10致密砂巖儲層背斜部位的裂縫及其砂巖內(nèi)成藏。喜山期,由于NEE向裂縫處于剪張狀態(tài),其對油氣藏調(diào)整可能有一定影響。

5 結(jié) 論

鄂爾多斯盆地渭北隆起銅川地區(qū)延長組NEE向、近SN向和NWW 3組裂縫發(fā)育,其中非褶皺區(qū)NEE向裂縫極為發(fā)育;褶皺區(qū)NEE向、NWW向和近NS向三組裂縫均發(fā)育。根據(jù)裂縫切割關(guān)系和區(qū)域地質(zhì)背景綜合分析揭示NEE斷裂形成于地層褶皺前的印支期末期;NWW裂縫和近NS向裂縫形成于褶皺形成期,即燕山期早期。不同時期裂縫對油氣成藏的意義不同,其中,印支期末期形成的裂縫是重要的溝源斷裂;燕山期早期形成裂縫則對裂縫背斜圈閉形成及油氣聚集具有重要意義。燕山期晚期和喜山期裂縫改造活動使得NEE和NW向裂縫活動相對強烈,其對油氣運移調(diào)整具有一定影響。本研究加深了人們對延長組裂縫發(fā)育機理的認識,對延長組油氣勘探也有一定指導(dǎo)意義。