碳酸鹽巖地層斷裂結(jié)構(gòu)特征及油氣地質(zhì)意義
——以青州云門(mén)山地區(qū)下古生界斷裂為例

王勇，熊偉，秦峰，程付啟，劉瑞娟，楊永紅

（1.中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257015；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

0 引言

濟(jì)陽(yáng)坳陷下古生界潛山發(fā)育印支期、 燕山期和喜山期形成的多期斷裂［1-4］，對(duì)潛山油氣成藏控制明顯，油氣主要富集在印支期、 燕山期形成的6 條北西向大型反轉(zhuǎn)斷裂帶和燕山期、 喜山期形成的多條北東向走滑斷裂帶，油藏類型以斷層-不整合油藏和斷塊油藏為主，占比達(dá)80%以上。 斷裂在油氣成藏過(guò)程中起雙重作用，一方面表現(xiàn)為斷裂對(duì)潛山油氣成藏起儲(chǔ)集、輸導(dǎo)作用，另一方面又在油氣成藏過(guò)程中起著封堵作用［5-8］。濟(jì)陽(yáng)坳陷下古生界碳酸鹽巖地層斷裂結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣［9-12］，與碎屑巖地層發(fā)育的斷裂結(jié)構(gòu)存在明顯差異， 碎屑巖地層斷裂結(jié)構(gòu)控藏作用的相關(guān)成果已不能有效指導(dǎo)濟(jì)陽(yáng)坳陷下古生界碳酸鹽巖潛山的勘探。

在油氣勘探過(guò)程中， 下古生界潛山斷裂帶的取心井少，且取心收獲率低，制約了對(duì)碳酸鹽巖地層斷裂結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)， 致使前期井位部署過(guò)程中有一大批潛山探井失利。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 與斷裂相關(guān)的失利井占比在50%以上。 為明確濟(jì)陽(yáng)坳陷下古生界碳酸鹽巖地層斷裂結(jié)構(gòu)對(duì)油氣成藏的控制作用， 本文選取了青州云門(mén)山地區(qū)碳酸鹽巖露頭斷裂進(jìn)行野外地質(zhì)考察， 以期通過(guò)巖心、野外露頭、分析化驗(yàn)等資料的綜合研究，建立碳酸鹽巖地層斷裂結(jié)構(gòu)地質(zhì)模型， 揭示碳酸鹽巖潛山斷裂帶控藏作用，以指導(dǎo)該區(qū)油氣勘探部署。

1 基本地質(zhì)概況

青州云門(mén)山地區(qū)位于濟(jì)陽(yáng)坳陷東南部， 與濟(jì)陽(yáng)坳陷同屬于華北地臺(tái)， 主要發(fā)育2 條北西向基底大型斷層，具有左行走滑性質(zhì)。本次考察露頭鄰近無(wú)棣—青州斷裂帶， 斷裂帶由諸城西部過(guò)沂沐深斷裂帶向西北延伸，經(jīng)安丘、昌樂(lè)、臨朐、青州進(jìn)入濟(jì)陽(yáng)坳陷，說(shuō)明青州云門(mén)山地區(qū)下古生界與濟(jì)陽(yáng)坳陷的構(gòu)造、沉積演化基本一致。 野外考察成果對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷下古生界斷裂有指導(dǎo)意義。

青州云門(mén)山地區(qū)下古生界寒武系（Э）、奧陶系（O）碳酸鹽巖地層從下至上依次發(fā)育饅頭組（Э1m）、毛莊組（Э2m）、徐莊組（Э2x）、張夏組（Э2z）、崮山組（Э3g）、長(zhǎng)山組（Э3c）、鳳山組（Э3f）、冶里-亮甲山組（O1y+l）和馬家溝組（分為下馬家溝組O2xm、上馬家溝組O2sm）。饅頭組主要發(fā)育灰白色含海綠石石英砂巖夾砂質(zhì)泥巖；毛莊組以灰黑、淺灰色厚層石灰?guī)r、白云巖為主，中部夾余糧村頁(yè)巖段，底部常含燧石條帶及結(jié)核；徐莊組以棕紅色頁(yè)巖、泥灰?guī)r及泥云巖為主，局部含較多白云母碎片，上部夾白云巖及鮞狀灰?guī)r，頂部發(fā)育洪河砂巖段；張夏組上部為灰色厚層、巨厚層藻凝塊狀灰?guī)r段，中部為盤(pán)車溝黃綠色頁(yè)巖段，下部為厚層鮞?；?guī)r段；崮山組以黃綠色頁(yè)巖為主， 夾薄層疙瘩狀灰?guī)r及竹葉狀灰?guī)r；長(zhǎng)山組—鳳山組為中厚層微晶灰?guī)r、生物屑鮞狀灰?guī)r及中薄層竹葉狀灰?guī)r；冶里-亮甲山組上部為灰色中厚層含燧石條帶及結(jié)核白云巖， 中部為紫灰色中薄層細(xì)晶白云巖、竹葉狀白云巖，下部為中厚層微晶白云巖夾中薄層細(xì)晶白云巖；馬家溝組為泥晶灰?guī)r、云斑灰?guī)r夾薄層白云巖，下部為黃綠、土黃色薄層泥質(zhì)白云巖及泥灰?guī)r，膏溶現(xiàn)象發(fā)育，底部發(fā)育底礫巖（見(jiàn)圖1，Qpd 為第四系平原組）。

圖1 野外剖面位置及地層綜合柱狀圖Fig.1 Location of field profile and comprehensive stratigraphic column

本次主要研究云門(mén)山頂奧陶系上馬家溝組下段、云門(mén)山后采石場(chǎng)奧陶系上馬家溝組下段和王府街道采石場(chǎng)冶里-亮甲山組。 馬家溝組和冶里-亮甲山組均為濟(jì)陽(yáng)坳陷下古生界潛山的主力含油層段， 選擇該層組野外露頭斷裂進(jìn)行研究具有重要的實(shí)踐和理論意義，研究成果可直接指導(dǎo)濟(jì)陽(yáng)坳陷下古生界潛山油氣的勘探部署。

2 斷裂結(jié)構(gòu)類型及特征

2.1 多期方解石膠結(jié)斷裂結(jié)構(gòu)

云門(mén)山頂奧陶系上馬家溝組下段碳酸鹽巖地層發(fā)育一條北北西向拉張-走滑斷裂， 具有左行走滑性質(zhì)，斷層產(chǎn)狀近于直立（見(jiàn)圖2a），寬度在30～40 cm。 斷裂帶被多期方解石充填， 從斷裂帶邊部向中心肉眼可識(shí)別出Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ期，具有多期對(duì)稱充填特征，方解石晶粒粗大，粒徑大小不一，一般在0.2～1.5 cm，不同期次的方解石晶粒大小、形狀及排列方式有所不同（見(jiàn)圖2b）。 局部地區(qū)斷裂帶中間部位尚未完全充填，裂縫明顯，裂縫寬度在0.1～0.5 cm，與濟(jì)陽(yáng)坳陷下古生界碳酸鹽巖潛山已鉆遇的部分裂縫充填結(jié)構(gòu)十分相似。 如富臺(tái)潛山車古201 井3 489.95 m， 裂縫被2 期方解石充填，呈對(duì)稱發(fā)育（見(jiàn)圖2c）。

圖2 多期方解石膠結(jié)斷裂結(jié)構(gòu)（馬家溝組北庵莊段觀測(cè)點(diǎn)）Fig.2 Multi-stage calcite cemented fault structures(observation point in Beianzhuang section of Majiagou Formation)

巖心觀察過(guò)程中發(fā)現(xiàn)， 部分裂縫被多期方解石充填后，中間部位尚有瀝青充填其中，表明方解石多期膠結(jié)斷裂結(jié)構(gòu)具有垂向輸導(dǎo)和橫向封堵雙重作用。 在斷裂開(kāi)啟期，Ⅰ期方解石膠結(jié)物首先沿著斷裂面生長(zhǎng)形成包殼，降低橫向滲透性，隨著多期膠結(jié)作用進(jìn)行，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ期方解石相繼生長(zhǎng)，橫向滲透性進(jìn)一步降低。 若縱向通道未完全膠結(jié)，則縱向通道仍然保持連通，可以繼續(xù)起輸導(dǎo)作用，直至斷裂完全膠結(jié)，主要起封堵作用，最終表現(xiàn)為明顯的多期方解石膠結(jié)斷裂結(jié)構(gòu)特征（見(jiàn)圖2d）。

2.2 泥質(zhì)充填斷裂結(jié)構(gòu)

云門(mén)山后采石場(chǎng)奧陶系上馬家溝組下段碳酸鹽巖地層發(fā)育一條北北西向的拉張-走滑斷裂（見(jiàn)圖3a），具有左行走滑性質(zhì)， 沿?cái)嗔炎呦蚩勺匪莩雎锻暾臄嗔褞?00 m 左右，可三維立體觀察和測(cè)量，斷裂具有向西北端撒開(kāi)、向東南段收斂的特點(diǎn)。西北段斷裂帶寬度在30～50 cm，延伸到東南段演化為由多條厘米級(jí)寬度的裂縫組成的裂縫帶，斷裂傾角大，產(chǎn)狀近于直立，斷面擦痕近水平（見(jiàn)圖3b）。 西北段斷裂帶含礫及土黃色砂質(zhì)黏土充填物，充填物中礫石大小差異較大，最大礫石直徑為11.0 cm，粒徑主要集中在0.3～2.0 cm，礫石多呈棱角狀，成分復(fù)雜，有灰質(zhì)、黏土質(zhì)和長(zhǎng)英質(zhì)（見(jiàn)圖3c，3d）。

圖3 泥質(zhì)充填斷裂結(jié)構(gòu)（馬家溝組北庵莊段觀測(cè)點(diǎn)）Fig.3 Clay filling fault structures(observation point in Beianzhuang section of Majiagou Formation)

碳酸鹽巖缺少Si，Al，F(xiàn)e 元素，黏土巖則主要富集Si，Al，Ca，Mg，F(xiàn)e 元素［13］，這意味著碳酸鹽巖研磨破碎后很難形成黏土，特別是帶有氧化色的土黃色黏土，因此這些土黃色砂質(zhì)黏土充填物并非斷層碎裂泥， 而是外來(lái)物質(zhì)。 對(duì)附近幾條斷至地表的斷裂剖面進(jìn)行系統(tǒng)觀察， 以及對(duì)濟(jì)陽(yáng)地區(qū)類似碳酸鹽巖地層斷裂結(jié)構(gòu)的取心資料詳細(xì)剖析［14］（見(jiàn)圖3e）認(rèn)為，該物質(zhì)主要為地表露頭土壤化過(guò)程的產(chǎn)物。 由于砂質(zhì)黏土充填物成巖過(guò)程中通常與碳酸鹽巖地層富鈣的流體相互作用，成巖致密化程度往往較高， 最終形成泥質(zhì)充填斷裂結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3f）。

2.3 “三元”斷裂結(jié)構(gòu)

王府街道采石場(chǎng)奧陶系冶里-亮甲山組碳酸鹽巖地層發(fā)育一條北北西向斷裂帶， 斷裂產(chǎn)狀陡， 傾角在80°～85°，主斷面上的擦痕垂直于斷層走向，表現(xiàn)為拉張性質(zhì)。

由于礦山開(kāi)采，整個(gè)斷裂帶裸露于地表，在露頭區(qū)延伸120 m 左右，寬度在40～70 cm，斷裂結(jié)構(gòu)完整且清晰可見(jiàn)，從斷層核部向兩側(cè)依次發(fā)育角礫巖帶、破碎帶和裂縫帶，從而組成完整的“三元”斷裂結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4a，4b）。 該斷裂帶西北段寬且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在角礫巖帶和破碎帶之間發(fā)育多期馬牙狀方解石結(jié)晶層（見(jiàn)圖4c），厚度在6～15 cm，方解石晶粒粗大，絕大部分達(dá)到厘米級(jí)以上，表明該斷裂帶開(kāi)啟時(shí)間長(zhǎng)。角礫巖帶致密化程度高，且含大量礫石，礫石大小不均，粒徑大部分在0.2～30.0 cm，形態(tài)各異，多呈長(zhǎng)條狀、橢球狀和不規(guī)則狀，礫石多為灰質(zhì)、硅質(zhì)，部分灰質(zhì)礫石中的方解石晶體清晰可見(jiàn)。其中，長(zhǎng)條狀粗晶方解石礫多為主斷面方解石結(jié)晶層破碎掉落的產(chǎn)物， 橢球狀粗晶方解石礫多為圍繞斷層核部的碎屑顆粒結(jié)晶產(chǎn)物。 2 種礫石大量出現(xiàn)，說(shuō)明該斷裂帶在角礫巖帶大規(guī)模形成之前尚處于開(kāi)啟狀態(tài)，且存在較大的斷裂帶空腔，為圍繞斷層核部的碎屑顆粒和斷層面生長(zhǎng)提供條件。 隨著后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)進(jìn)行，斷裂帶進(jìn)一步充填、研磨和膠結(jié)成巖，角礫巖帶結(jié)構(gòu)逐漸致密化。斷裂帶東南段馬牙狀方解石礫不發(fā)育，僅發(fā)育含礫灰質(zhì)角礫巖帶（見(jiàn)圖4d，4e），角礫巖帶兩側(cè)裂縫大量發(fā)育，且距角礫巖帶越遠(yuǎn)，裂縫發(fā)育程度明顯降低，表現(xiàn)為明顯的斷裂破碎帶和裂縫帶特點(diǎn)。整體上看，該斷裂帶具有“三元”分段差異性發(fā)育的特點(diǎn)（見(jiàn)圖4f，4g）。

3 斷裂結(jié)構(gòu)控藏作用

3.1 多期方解石膠結(jié)斷裂結(jié)構(gòu)控藏作用

多期方解石膠結(jié)斷裂結(jié)構(gòu)能夠很好地解釋長(zhǎng)期活動(dòng)的大型深部潛山兩側(cè)油氣多層系分布、區(qū)塊間差異性富集等特征。 以濟(jì)陽(yáng)坳陷下古生界富臺(tái)潛山油氣藏為例，油氣主要沿二臺(tái)階斷裂兩側(cè)八陡組、馬家溝組、冶里-亮甲山組、鳳山組和饅頭組多層系分布，主要富集在馬家溝組和冶里-亮甲山組（見(jiàn)圖5。圖中Ed，Es1，Es2，Es3，Es4，C，P，Ar 分別為東營(yíng)組，沙河街組一、二、三、四段，石炭系，二疊系，太古宇，下同）。 油源對(duì)比結(jié)果表明，油氣來(lái)自上覆的沙三段烴源巖，在生烴高壓的驅(qū)動(dòng)下，沿二臺(tái)階斷裂倒灌運(yùn)移至潛山成藏［15］。

圖5 富臺(tái)潛山油氣成藏模式Fig.5 Hydrocarbon accumulation model in Futai buried hill

二臺(tái)階斷裂為拉張-走滑斷裂，受喜山期多幕次構(gòu)造應(yīng)力與多期生烴流體高壓耦合控制， 發(fā)生剪-張破裂，開(kāi)啟幕式活化［16］，局部應(yīng)力伸展區(qū)形成的斷裂帶空腔為方解石晶體生長(zhǎng)提供了空間， 高礦化度地層水為方解石析出提供了物質(zhì)條件（鉆井測(cè)試潛山地層水礦化度高，介于23 686～27 015 mg/L，水型為NaHCO3型，屬于開(kāi)放型地層水）。 二臺(tái)階斷裂及伴生斷層的車古201、車古202 斷裂發(fā)育多期方解石膠結(jié)結(jié)構(gòu)，多期方解石原生含烴鹽水包裹體（包裹體溫度76.3～129.3 ℃）對(duì)應(yīng)的鹽水包裹體（包裹體溫度76.3～155.0 ℃）恢復(fù)油氣充注時(shí)期表明，裂縫充填與油氣成藏同期，油氣充注過(guò)程伴隨著方解石膠結(jié)過(guò)程， 多期方解石膠結(jié)主要發(fā)生在東營(yíng)期和明化鎮(zhèn)期。

綜合分析認(rèn)為，車鎮(zhèn)凹陷北部多幕次活動(dòng)的二臺(tái)階斷裂發(fā)育多期方解石膠結(jié)斷裂結(jié)構(gòu)， 對(duì)油氣具有垂向輸導(dǎo)和橫向封堵雙重作用， 控制油氣沿二臺(tái)階斷裂兩側(cè)斷塊圈閉選擇性成藏。

3.2 泥質(zhì)充填斷裂結(jié)構(gòu)控藏作用

濟(jì)陽(yáng)坳陷下古生界碳酸鹽巖潛山地層經(jīng)歷加里東、海西、印支、燕山和喜山多期大型構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。由于地層形成時(shí)間早，地層脆性強(qiáng)，在斷裂形成過(guò)程中容易形成斷裂帶空腔，特別是拉張-走滑性質(zhì)的斷裂更易形成一定規(guī)模的斷裂帶空腔［17］。 表層形成的風(fēng)化產(chǎn)物在重力、 風(fēng)力或水流等地質(zhì)營(yíng)力作用下， 填充于斷裂帶空腔， 形成泥質(zhì)充填斷裂結(jié)構(gòu)。 該斷裂結(jié)構(gòu)對(duì)潛山油氣成藏具有較好的封堵作用， 在斷層兩盤(pán)有效儲(chǔ)層均發(fā)育的條件下也能封堵油氣。

據(jù)統(tǒng)計(jì)， 濟(jì)陽(yáng)坳陷下古生界喜山期不活動(dòng)的拉張斷裂和拉張-走滑斷裂在距離不整合面一定深度范圍內(nèi)，絕大多數(shù)對(duì)油氣起封堵作用，研究認(rèn)為與該類斷裂帶容易形成泥質(zhì)充填斷裂結(jié)構(gòu)封堵油氣有關(guān)。

該斷裂結(jié)構(gòu)在草橋潛山Cg103 井（井深683.5～685.5 m）取心過(guò)程中已被證實(shí)。 燕山期形成的分割殘丘潛山斷裂帶巖心為棕黃色含礫灰質(zhì)泥巖， 灰質(zhì)泥巖與上覆館陶組泥巖的稀土元素配分基本一致， 均表現(xiàn)為Ce 和Nd 元素相對(duì)異常。 斷裂中充填的泥巖來(lái)自館陶組泥巖， 泥巖致密帶的存在對(duì)不同斷塊的殘丘山油藏起封堵分割作用，使得深洼區(qū)生成的油氣通過(guò)“斷裂、骨架砂體和不整合面”輸導(dǎo)體系運(yùn)移至被泥質(zhì)充填斷裂結(jié)構(gòu)分割的不同斷層-不整合油藏中獨(dú)立成藏，表現(xiàn)為不同潛山斷層-不整合油藏的油水界面不統(tǒng)一［18］（見(jiàn)圖6。 圖中Ng，Ek，Mz 分別為館陶組、孔店組、中生界，下同）。

圖6 草橋潛山油氣成藏模式Fig.6 Hydrocarbon accumulation model in Caoqiao buried hill

3.3 “三元”斷裂結(jié)構(gòu)控藏作用

碳酸鹽巖地層發(fā)育完整的“三元”斷裂結(jié)構(gòu)，對(duì)油氣具有封堵和輸導(dǎo)雙重作用， 致密化的角礫巖帶對(duì)油氣起封堵作用，破碎帶和裂縫帶起輸導(dǎo)作用。在油氣充注前尚未致密化的情況下， 斷裂帶不僅是油氣的輸導(dǎo)通道，也是酸性流體的輸導(dǎo)通道。 另外，由于酸性流體注入，通常在斷裂帶發(fā)生溶蝕，改善儲(chǔ)集性能，對(duì)油氣具有一定的輸導(dǎo)儲(chǔ)集作用［19］。 下古生界義和莊潛山油氣沿義東大斷層上升盤(pán)近東西向南掉的2 條大型斷層下盤(pán)呈梳狀分布（見(jiàn)圖7）。

圖7 義和莊潛山油氣成藏模式Fig.7 Hydrocarbon accumulation model in Yihezhuang buried hill

油源對(duì)比表明， 該潛山油氣主要來(lái)自四扣洼陷的沙三下亞段烴源巖。受義東大斷層控制，沙三下亞段烴源巖與下古生界地層呈側(cè)向接觸， 館陶期—明化鎮(zhèn)期生成的油氣在生烴高壓的驅(qū)動(dòng)下，首先進(jìn)入東西向“三元”斷裂結(jié)構(gòu)［20］，沿著斷裂破碎帶和裂縫帶輸導(dǎo)至潛山， 進(jìn)而在浮力作用下運(yùn)聚， 受角礫巖帶封堵富集成藏。 如YG80 井1 762.15～1 762.45 m 角礫巖帶未見(jiàn)油氣顯示，1 988.44～1 994.00 m 裂縫帶富含油，表現(xiàn)為潛山油氣主要沿油氣來(lái)源方向的斷層下盤(pán)呈梳狀富集成藏（見(jiàn)圖7）。

4 結(jié)論

1）青州云門(mén)山地區(qū)下古生界碳酸鹽巖地層發(fā)育多期方解石膠結(jié)、泥質(zhì)充填斷裂結(jié)構(gòu)以及由裂縫帶、破碎帶和角礫巖帶組成的完整的“三元”斷裂結(jié)構(gòu)。不同力學(xué)性質(zhì)的斷裂結(jié)構(gòu)存在明顯不同，拉張-走滑性質(zhì)斷裂相對(duì)發(fā)育多期方解石膠結(jié)斷裂結(jié)構(gòu)和泥質(zhì)充填斷裂結(jié)構(gòu)，拉張性質(zhì)斷裂主要發(fā)育“三元”斷裂結(jié)構(gòu)。

2）不同類型斷裂結(jié)構(gòu)對(duì)油氣成藏具有明顯的差異化控藏作用。 多期方解石膠結(jié)斷裂結(jié)構(gòu)對(duì)油氣具有垂向輸導(dǎo)和橫向封堵雙重作用， 控制油氣沿?cái)鄬觾蓚?cè)不同斷塊、不同層系選擇性成藏；泥質(zhì)充填斷裂結(jié)構(gòu)對(duì)潛山油氣成藏具有明顯的封堵作用，控制油氣在斷層-不整合油藏中富集成藏；“三元” 斷裂結(jié)構(gòu)具有破碎帶和裂縫帶輸導(dǎo)、角礫巖帶封堵的雙重作用，控制油氣主要沿油氣來(lái)源方向的斷層下盤(pán)呈梳狀富集成藏。