松遼盆地三肇凹陷青一段多邊形斷層的發(fā)育及其油氣地質(zhì)意義

全夏韻, 李祥權(quán),, 任建業(yè), 程 濤

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢430074; 2.中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 3.中海油研究總院, 北京100027)

松遼盆地三肇凹陷青一段多邊形斷層的發(fā)育及其油氣地質(zhì)意義

全夏韻1, 李祥權(quán)1,2, 任建業(yè)1, 程 濤3

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢430074; 2.中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 3.中海油研究總院, 北京100027)

松遼盆地青一段發(fā)育大量密集分布的小型張性斷層系, 其成因一直以來(lái)頗受爭(zhēng)議。本文選取松遼盆地三肇凹陷為研究區(qū), 通過(guò)新連片三維地震剖面精細(xì)解釋及沿層相干切片分析等手段, 詳細(xì)描述了三肇凹陷青一段密集張性斷裂系統(tǒng)的剖面和平面特征, 提出: ①青一段張性斷裂系主體為非構(gòu)造成因的多邊形斷層, 其成因可能是由青山口組青一段泥巖超壓幕式排烴破裂所導(dǎo)致, 同時(shí)盆地構(gòu)造反轉(zhuǎn)活動(dòng)對(duì)斷層發(fā)育特征具有重要影響; ②凹陷內(nèi)多邊形斷層主要發(fā)育于嫩江組沉積末期, 明水組沉積末期盆地強(qiáng)烈構(gòu)造反轉(zhuǎn)致使早期形成的多邊形斷層再活動(dòng), 且對(duì)部分多邊形斷層的發(fā)育進(jìn)行改造; ③多邊形斷層起到溝通青一段烴源巖和分別位于其上部與下部的葡萄花、扶楊2個(gè)油氣儲(chǔ)層的作用, 是凹陷內(nèi)油氣成藏的重要運(yùn)移通道; ④嫩江組沉積末期, 超壓使油氣通過(guò)多邊形斷層從青一段短距離向下部扶楊儲(chǔ)層“倒灌”運(yùn)聚成藏;明水組沉積末期, 超壓導(dǎo)致油氣沿重新開(kāi)啟的多邊形斷層向上部葡萄花儲(chǔ)層或向下部扶楊儲(chǔ)層運(yùn)移聚集形成油氣藏, 同時(shí)垂向延伸較長(zhǎng)的多邊形斷層對(duì)下部扶楊油藏可能具有一定的破壞作用。

三肇凹陷; 多邊形斷層; 扶楊油層; 葡萄花油層; 油氣運(yùn)移成藏

多邊形斷層(polygonal fault)最早由英國(guó)學(xué)者Cartwright于1994年在研究北海盆地泥巖沉積層段中的斷層時(shí)提出, 它是指一種非構(gòu)造成因的、具有微小斷距、在平面上走向各異且相互交織成多邊形的張性斷裂系(Cartwright, 1994a), 一般發(fā)育于深水環(huán)境下沉積的細(xì)粒泥巖或頁(yè)巖中(Cartwright, 1994a; Lonergan et al., 1998; Cartwright and Dewhurst, 1998; Dewhurst et al., 1999a, 1999b; Goulty, 2003)。目前, 已在全世界50多個(gè)深水沉積盆地中發(fā)現(xiàn)了多邊形斷層(Lonergan et al., 1998; Hansen et al., 2004)。國(guó)外學(xué)者對(duì)多邊形斷層的發(fā)育特征、形成機(jī)制及其對(duì)油氣運(yùn)移的輸導(dǎo)作用等均進(jìn)行了較多的研究(Cartwright, 1994a, 1994b; Cartwright and Dewhurst, 1998; Lonergan et al., 1998; Dewhurst et al., 1999a; Goulty and Swarbrick, 2005)。我國(guó)在多邊形斷層的研究方面起步較晚(余一欣等, 2005), 目前僅在瓊東南盆地(吳時(shí)國(guó)等, 2009; 陳端新等, 2009, 2012; Sun et al., 2009, 2010; 王秀娟等, 2010)和松遼盆地(付曉飛和宋巖, 2008; He et al., 2010; 丁修建等, 2013)相繼提出多邊形斷層的存在。

松遼盆地是目前世界上已發(fā)現(xiàn)油氣資源最為豐富的陸相沉積盆地之一, 發(fā)育于盆地內(nèi)青一段烴源巖的張性斷裂體系(又稱(chēng)T2斷層系)一直受到人們的廣泛關(guān)注, 且備受爭(zhēng)議。對(duì)于該張性斷裂系的性質(zhì)主要存在以下兩大爭(zhēng)議: 一是構(gòu)造成因(胡望水, 1995; 劉德來(lái)等, 1996; 謝昭涵和付曉飛, 2013)與非構(gòu)造成因(梅廉夫等, 1996; 付曉飛和宋巖, 2008; He et al., 2010; 丁修建等, 2013)之爭(zhēng); 二是非構(gòu)造成因觀(guān)點(diǎn)里存在斷裂體系的成因機(jī)制和發(fā)育層位之爭(zhēng)。最初, 梅廉夫等(1996)認(rèn)為“T2”斷層系是由于超壓壓力倉(cāng)導(dǎo)致幕式破裂、流體排放而形成的天然水力斷裂系統(tǒng); 付曉飛和宋巖(2008)則指出, 因松遼盆地三肇凹陷青山口組泥巖密度反轉(zhuǎn), 在青山口組頂部發(fā)育“T11”多邊形斷層系; He et al. (2010)隨即又在三肇凹陷青山口組頂界面(T11)與底界面(T2)同時(shí)識(shí)別出多邊形斷層, 并認(rèn)為其可能是由泥巖脫水收縮作用造成; 丁修建等(2013)則指出在松遼盆地三肇凹陷內(nèi)T1層和T3層之間共發(fā)育3組多邊形斷層系,并認(rèn)為其有可能是溶解作用的結(jié)果。為了明確松遼盆地三肇凹陷青一段張性斷裂系的成因?qū)傩? 本文以覆蓋整個(gè)凹陷范圍的新連片3D地震資料為基礎(chǔ),對(duì)該套張性斷裂系的平面展布特征、垂向發(fā)育特征和斷距、走向等進(jìn)行了詳細(xì)描述和系統(tǒng)分析, 并在前人研究基礎(chǔ)上, 結(jié)合盆地構(gòu)造背景對(duì)該套斷層系的成因機(jī)制進(jìn)行探討。研究認(rèn)為, 松遼盆地三肇凹陷青一段張性斷裂系為非構(gòu)造成因的多邊形斷層系, 但其發(fā)育特征受盆地多期構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用的影響, 多邊形斷層系的多期發(fā)育對(duì)油氣輸導(dǎo)、成藏具有十分重要的意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

三肇凹陷位于松遼盆地北部, 是中央坳陷區(qū)的一個(gè)二級(jí)負(fù)向構(gòu)造單元, 它西接大慶長(zhǎng)垣, 東臨朝陽(yáng)溝階地, 北連明水階地, 凹陷面積約為5575 km2(圖1), 是松遼盆地最重要的生油、富油凹陷之一。三肇凹陷由下至上發(fā)育有斷陷期的下白堊統(tǒng)火石嶺組、沙河子組、營(yíng)城組、登婁庫(kù)組, 坳陷期的下白堊統(tǒng)泉頭組, 上白堊統(tǒng)青山口組、姚家組、嫩江組和構(gòu)造反轉(zhuǎn)期的上白堊統(tǒng)四方臺(tái)組和明水組(表1)。

1.1 沉積特征

圖1 三肇凹陷構(gòu)造位置圖Fig.1 Map showing the location of the Sanzhao Sag, in Songliao Basin

松遼盆地是中國(guó)東北地區(qū)晚中生代以來(lái)發(fā)育的大型近海大陸裂谷盆地, 具有典型的斷陷–坳陷復(fù)合結(jié)構(gòu)。下白堊統(tǒng)泉頭組沉積期, 盆地進(jìn)入坳陷期快速沉降階段, 三肇凹陷處于沉降和沉積中心, 沉積體系以沖積扇、河流、濱淺湖為主, 巖性為各色砂–泥巖互層。上白堊統(tǒng)青山口組沉積期, 盆地仍處于快速沉降階段, 但相比泉頭組時(shí)期構(gòu)造沉降開(kāi)始變緩。該組沉積物的沉積分為三段: 青一段時(shí)期由于氣候十分濕潤(rùn), 海平面大幅上漲造成湖海溝通事件(馬立祥等, 1992; 珺王璞等, 1996), 湖盆水量增多,水體加深, 物源供給較弱, 巖性以灰黑、深灰色頁(yè)巖夾四套黑色油頁(yè)巖為主。青山口組二、三段沉積時(shí)期, 氣候向干旱轉(zhuǎn)變, 海平面開(kāi)始下降, 湖海溝通結(jié)束, 但物源供應(yīng)依然較弱, 沉積物粒度較青一段略有變粗, 表現(xiàn)為灰色、灰黑色泥巖夾粉砂巖, 厚度較大, 一般在200～300 m之間。上白堊統(tǒng)姚家組沉積期, 盆地進(jìn)入緩慢熱沉降階段, 湖盆范圍明顯變小, 以濱淺湖–河流相–三角洲沉積為主, 與下伏青山口組呈平行不整合接觸。嫩江組是繼青山口組沉積期之后盆地發(fā)育的又一鼎盛時(shí)期, 湖盆擴(kuò)大, 水體加深, 巖性以黑色泥巖、灰色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖為主, 地層厚度500～700 m(表1)。

1.2 含油氣組合

三肇凹陷垂向上發(fā)育了多套優(yōu)質(zhì)烴源巖。青一段大規(guī)模海侵事件形成本區(qū)最為重要的一套40～70 m厚的生油巖層。油主要產(chǎn)于下白堊統(tǒng)泉頭組三、四段的扶余和楊大城子油層(簡(jiǎn)稱(chēng)扶楊油層)及上白堊統(tǒng)姚家組的葡萄花油層中。油源對(duì)比結(jié)果表明, 三肇凹陷及其周邊地區(qū)扶楊油層和葡萄花油層中的油主要來(lái)源于青山口組一段烴源巖(牟敦山等, 2010;于有等, 2011)。以青山口組一段油頁(yè)巖、頁(yè)巖和泥巖為生油層及區(qū)域蓋層, 并以下伏泉頭組三、四段河流相扶楊油層為儲(chǔ)集層, 構(gòu)成凹陷內(nèi)“上生下儲(chǔ)”式的下部含油氣組合。以青山口組一段為主要生油層, 以上覆姚家組一段三角洲復(fù)合體相葡萄花油層為儲(chǔ)集層, 并以嫩江組一、二段灰黑色暗色泥巖為區(qū)域性蓋層, 構(gòu)成該凹陷內(nèi)“下生上儲(chǔ)”式的中部含油氣組合。

表1 松遼盆地地層單元與構(gòu)造演化階段Table 1 The stratigraphic units and tectonic evolution of Songliao Basin

1.3 構(gòu)造演化

根據(jù)松遼盆地形成機(jī)制及其大地構(gòu)造背景可將松遼盆地垂向演化劃分為斷陷、坳陷和反轉(zhuǎn)3個(gè)構(gòu)造階段。斷陷階段形成松遼盆地的雛形, 后由于區(qū)域重力均衡調(diào)整作用、海底擴(kuò)張加速和太平洋板塊俯沖, 松遼盆地整體下沉, 斷陷向坳陷轉(zhuǎn)化, 進(jìn)入盆地發(fā)育全盛時(shí)期。該時(shí)期盆地中部中央坳陷區(qū)的三肇凹陷、大慶長(zhǎng)垣與齊家–古龍凹陷長(zhǎng)期處于沉積、沉降中心, 沉積了盆地內(nèi)最主要的生油、儲(chǔ)油巖系。構(gòu)造反轉(zhuǎn)階段, 受太平洋板塊向西擠壓左旋壓扭應(yīng)力的作用, 三肇地區(qū)周邊褶皺隆起(正反轉(zhuǎn)),西側(cè)和東南側(cè)分別形成大慶長(zhǎng)垣背斜和朝陽(yáng)溝–長(zhǎng)春嶺背斜帶, 東北側(cè)抬升形成松遼盆地東北隆起帶,其間夾持了一個(gè)相對(duì)低緩的倒三角形凹陷, 即三肇凹陷, 其西界為NNE向的黑魚(yú)泡–頭臺(tái)斷裂帶, 東北界為NW向的濱州斷裂帶, 東南界為松花江斷裂帶(孫雨等, 2008)。松遼盆地正反轉(zhuǎn)構(gòu)造主要可分為嫩江組沉積末期和明水組沉積末期兩期: 嫩江組沉積末期, 構(gòu)造反轉(zhuǎn)強(qiáng)度較弱, 形成構(gòu)造雛形; 明水組沉積末期, 構(gòu)造反轉(zhuǎn)強(qiáng)烈, 使變形在原有基礎(chǔ)上加強(qiáng), 盆地內(nèi)普遍形成了一系列壓性正反轉(zhuǎn)構(gòu)造,松遼盆地大部分構(gòu)造在此期定型(陳昭年和陳布科, 1996; 孫永河等, 2013)。

2 青一段張性斷層系的幾何學(xué)特征

青一段黑色泥巖及油頁(yè)巖是三肇凹陷內(nèi)最為優(yōu)質(zhì)的烴源巖, 對(duì)應(yīng)于地震剖面上的T2地震反射界面。T2界面是松遼盆地最為明顯的地震反射標(biāo)志層,其反射軸由2～3個(gè)強(qiáng)振幅反射波組成, 連續(xù)性好,全區(qū)分布穩(wěn)定。本文將研究區(qū)內(nèi)以T2地震反射界面為中心上下延伸距離較短, 且平面發(fā)育規(guī)模較小的斷層系簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)2斷層系。

2.1 斷層平面發(fā)育特征

此次研究在高精度三維地震資料精細(xì)解釋的基礎(chǔ)上, 通過(guò)地球物理沿層相干切片技術(shù)清晰精確的繪制出三肇凹陷T2斷層的平面展布圖(圖2)。由此,我們歸納出三肇凹陷T2斷層系平面幾何特征如下:①斷層在平面上發(fā)育密集、短且平直, 斷層走向普遍具有多向性(圖3a、3b); ②斷層平面延伸長(zhǎng)度長(zhǎng)短不一, 一般為0.1～8 km不等, 絕大部分?jǐn)鄬娱L(zhǎng)度集中在1～3 km之間(圖2); ③斷層密度較大, 從圖2中統(tǒng)計(jì),三肇凹陷內(nèi)T2界面發(fā)育斷層條數(shù)為3501條, 其平均密度為0.63條/km2。斷層密度大小因所處部位的不同而有所不同, 凹陷北部斷層密度小于南部, 凹陷中部現(xiàn)今埋藏深度最大的位置斷層發(fā)育密度較小(圖2)。

圖2 松遼盆地三肇凹陷青一段(T2界面)斷層系展布圖Fig.2 Distribution of T2faults in the Sanzhao Sag, Songliao Basin

2.2 斷層剖面發(fā)育特征

通過(guò)對(duì)高精度三維地震剖面的精細(xì)解釋, 在三肇凹陷內(nèi)坳陷期白堊系的各地層中一共識(shí)別出了兩類(lèi)斷層(圖4)。第一類(lèi)是局限在T2界面附近發(fā)育的斷層, 即本文所研究的T2斷層系(地震剖面上的紅色解釋斷層), 整體而言其在垂向上延伸距離較短,主要發(fā)育于T1界面(姚家組頂界面)與T3界面(泉頭組底界面)之間, 僅有少量斷層的垂向延伸較長(zhǎng), 并切穿上部的T1界面或下部的T3界面; 第二類(lèi)是局限在T11界面附近發(fā)育的微小斷層系, 我們稱(chēng)之為T(mén)11斷層(地震剖面上的黑色解釋斷層), 該套斷層系具有密度大、垂向延伸短、斷距小和層控性等特點(diǎn), 該套斷層系的發(fā)育在平面上具有較強(qiáng)的不均一性, 在三肇凹陷南部較發(fā)育, 而北部則發(fā)育較少, 甚至不發(fā)育(圖4)。有部分學(xué)者提出T11斷層為非構(gòu)造成因的多邊形斷層(付曉飛和宋巖, 2008; He et al., 2010;丁修建等, 2013)。

圖3 三肇凹陷T2斷層玫瑰花圖(位置見(jiàn)圖2) (左: 相干切片圖; 右: 玫瑰花圖)Fig.3 Strike rose diagrams of T2faults in the Sanzhao Sag

從地震剖面上看, 三肇凹陷內(nèi)T2斷層系均為正斷層, 斷面平直, 具有明顯的層控性; 斷距較小(通常小于100 m), 且在T2界面處斷距最大, 以T2界面為中心向上、下延展方向斷距逐漸減小, 直至消失;斷層傾角較大, 一般為50°～70°, 斷層傾向具有隨機(jī)性。將三肇凹陷內(nèi)由南至北所選取的三條東西向地震剖面進(jìn)行對(duì)比研究表明(圖4): 凹陷南部, T2斷層系發(fā)育較為密集, 斷距較大, 斷層垂向延伸長(zhǎng)短不一, 部分?jǐn)鄬釉谄拭嫔暇哂小八苹睢奔羟薪M合特征(圖4a);凹陷北部, T2斷層系發(fā)育較為稀疏, 斷距較小, 斷層垂向延伸較短, 傾向具有隨機(jī)性, 不具明顯的剖面組合特征(圖4c); 凹陷中部, T2斷層系發(fā)育特點(diǎn)介于凹陷南部和北部斷層發(fā)育特點(diǎn)之間(圖4b)。

3 多邊形斷層屬性確定

3.1 T2張性斷層系非構(gòu)造成因特征

前文已經(jīng)提到, 有學(xué)者提出松遼盆地“T2”斷層系為構(gòu)造成因, 并認(rèn)為其是青山口組沉積早期伸展作用的產(chǎn)物(胡望水, 1995; 劉德來(lái)等, 1996)。另外,在盆地沉積后期, 松遼盆地受到了至少兩期主要的構(gòu)造反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。那么松遼盆地T2張性斷層系到底有沒(méi)有可能是盆地伸展背景下或者是反轉(zhuǎn)背景下發(fā)育的純構(gòu)造成因斷層呢？

伸展構(gòu)造斷層的形成受盆地區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的控制,在同一構(gòu)造應(yīng)力背景之下, 其發(fā)育斷層的走向和傾向往往都具有定向性。而三肇凹陷T2斷層走向玫瑰花圖顯示凹陷內(nèi)T2斷層系走向?yàn)镾N向、NNE向、NNW向、NW向和近EW向等多個(gè)方位(圖3a、3b), 在平面和剖面上和盆地構(gòu)造走向及大的區(qū)域斷層并沒(méi)有明顯的派生組合關(guān)系, 主要表現(xiàn)為隨機(jī)發(fā)育的特征, 而這些特征用純構(gòu)造成因觀(guān)點(diǎn)是很難加以解釋的。付曉飛和宋巖(2008)在研究三肇凹陷T11多邊形斷層時(shí)就已經(jīng)指出,很難用構(gòu)造成因的觀(guān)點(diǎn)解釋T11斷層同時(shí)發(fā)育大量SN向和EW向斷層的現(xiàn)象。葛榮峰等(2010)通過(guò)平衡剖面恢復(fù)表明, 自登婁庫(kù)組沉積末期盆地進(jìn)入坳陷階段之后, 松遼盆地的伸展幅度已大大減弱, 不及斷陷階段的十分之一。這些證據(jù)足以否定三肇凹陷T2張性斷層系為伸展背景下純構(gòu)造成因斷層的觀(guān)點(diǎn)。

圖4 三肇凹陷南部(a)、中部(b)和北部(c)地震剖面圖(位置見(jiàn)圖2)Fig.4 Seismic sections in southern part (a), central part (b) and northern part (c) of the Sanzhao Sag

另外, 在青山口組一段沉積以后, 松遼盆地曾受到多期壓性正反轉(zhuǎn)構(gòu)造作用, 其中最主要的構(gòu)造反轉(zhuǎn)活動(dòng)為嫩江組沉積末期(T03)和明水組沉積末期(T02)兩次大的區(qū)域構(gòu)造反轉(zhuǎn)事件, 形成兩個(gè)大的區(qū)域性不整合面。松遼盆地T2張性斷層系的發(fā)育并不集中在T03與T02界面附近, 而是主要局限在T1界面(姚家組頂部)和T3界面(泉頭組底部)之間。從構(gòu)造成因的角度上說(shuō), T2張性斷層系的發(fā)育與這兩期壓性構(gòu)造反轉(zhuǎn)活動(dòng)在時(shí)間上和應(yīng)力性質(zhì)上均不具有匹配關(guān)系。因此, 也可以排除其為構(gòu)造反轉(zhuǎn)背景下的純構(gòu)造成因斷層。

3.2 T2張性斷層系多邊形斷層屬性

通過(guò)前人(Dewhurst et al., 1999a; Cartwright et al., 2003)大量的研究, 多邊形斷層的主要發(fā)育特征可以概括為以下幾點(diǎn): ①?gòu)V泛發(fā)育于海相地層中,巖性以超細(xì)粒蒙脫石黏土或碳酸鹽巖等細(xì)粒沉積物為主; ②斷層系統(tǒng)涵蓋盆地的大部分區(qū)域, 且在平面上隨機(jī)分布; ③斷層限制在一個(gè)層段內(nèi)發(fā)育; ④斷層是張性的; ⑤斷層的斷距小、間距小、分布密度高; ⑥斷層傾角、傾向在很小的距離內(nèi)發(fā)生很大的變化。如前文所述, 三肇凹陷T2張性斷層系發(fā)育于青一段細(xì)粒泥巖中, 在平面上具有延伸長(zhǎng)度小、密度大、走向具多向性及垂向上斷距小, 具層控性等典型多邊形斷層的發(fā)育特征。

吳時(shí)國(guó)等(2009)、Sun et al. (2010)對(duì)世界上幾個(gè)典型盆地多邊形斷層系統(tǒng)發(fā)育的平面長(zhǎng)度、間距和斷距、傾角等特征進(jìn)行了量化對(duì)比(表2)。據(jù)此次研究統(tǒng)計(jì), 三肇凹陷T2張性斷層系斷層平面長(zhǎng)度為1000～3000 m、斷層平面間距100～1500 m, 斷層斷距20～100 m, 斷層傾角50°～70°(表2)。這些量化指標(biāo)亦顯示三肇凹陷T2張性斷層系和世界典型盆地非構(gòu)造成因的多邊形斷層發(fā)育特征具有很大的相似性。因此, 無(wú)論是從表現(xiàn)特征還是量化指標(biāo)上來(lái)看, 三肇凹陷青一段T2張性斷層系都具有典型的多邊形斷層成因特征。

3.3 T2多邊形斷層構(gòu)造疊加屬性

世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的多邊形斷層主要形成于被動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造穩(wěn)定的深水細(xì)粒沉積物中, 雖然普遍認(rèn)為其是非構(gòu)造成因的斷層, 但是構(gòu)造應(yīng)力等外界條件卻可能會(huì)對(duì)多邊形斷層的發(fā)育密度、斷層走向等產(chǎn)生重要影響。如Clausen et al. (1999)在研究北海北部多邊形斷層系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)多邊形斷層走向具有NW-SE方向上的定向性, 并且認(rèn)為多邊形斷層走向的定向性是受盆地斜坡引起的重力滑動(dòng)和板塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的影響所導(dǎo)致。付曉飛和宋巖(2008)在研究松遼盆地三肇凹陷的多邊形斷層時(shí), 也已經(jīng)觀(guān)察到三肇凹陷南北處于整體凹陷的相同構(gòu)造背景, 經(jīng)歷了相同的構(gòu)造演化, 而斷層的發(fā)育特征卻存在明顯的差異, 但是卻未能找到造成該差異的原因。

表2 松遼盆地T2斷層系與世界多邊形斷層主要幾何特征對(duì)比Table 2 Comparison of the geometry features between T2faults in the Songliao Basin and polygonal faults of typical basins in the world

概括起來(lái)三肇凹陷T2斷層系南北差異性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: ①平面上斷層密度具有不均一性, 凹陷南部斷層密度明顯比北部大(圖2); ②凹陷北部斷層在剖面上的垂向延伸短而且較一致(圖4c),而凹陷中部和南部部分?jǐn)鄬哟瓜蜓由燧^長(zhǎng), 整體表現(xiàn)為長(zhǎng)短不一(圖4a、4b); ③凹陷南部斷層在剖面上表現(xiàn)出“似花狀”剪切應(yīng)力組合特征, 而凹陷北部則表現(xiàn)為不受應(yīng)力控制的隨機(jī)組合特征(圖4c); ④整體而言, 凹陷南部斷層斷距最大, 向北部斷距逐漸減小; ⑤在剖面上可觀(guān)察到的T11多邊形斷層在凹陷南部較為發(fā)育, 而在北部則幾乎不發(fā)育(圖4)。對(duì)于上述三肇凹陷T2斷層系發(fā)育特征的南北差異性,用非構(gòu)造的純多邊形斷層成因很難解釋得通, 我們分析認(rèn)為其是在T2斷層系多邊形斷層成因基礎(chǔ)上疊加了盆地反轉(zhuǎn)構(gòu)造應(yīng)力的影響。

三肇凹陷是受大慶長(zhǎng)垣和朝陽(yáng)溝階地兩個(gè)近NE向構(gòu)造反轉(zhuǎn)帶夾持所形成的倒三角形區(qū)域, 區(qū)域上受SE-NW向反轉(zhuǎn)擠壓應(yīng)力的作用, 這種特征決定了三肇凹陷內(nèi)反轉(zhuǎn)應(yīng)力在南部及西南部因處于反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶的前緣或兩側(cè)反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶的夾角位置而更加集中, 向凹陷北側(cè)及西北側(cè)反轉(zhuǎn)應(yīng)力則明顯減弱(張功成等, 1996)。三肇凹陷南部及西南部因反轉(zhuǎn)應(yīng)力集中, 致使在該區(qū)域內(nèi)多邊形斷層的發(fā)育相對(duì)密集, 斷距較大, 并且應(yīng)力優(yōu)先釋放導(dǎo)致南部部分多邊形斷層垂向延伸發(fā)育較長(zhǎng), 使其在剖面上表現(xiàn)為長(zhǎng)短不一(圖4a、4b)。該區(qū)域內(nèi)多邊形斷層在剖面上具“似花狀”剪切組合樣式及在SN和NW方向表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)方位, 可用區(qū)域壓性構(gòu)造反轉(zhuǎn)應(yīng)力場(chǎng)下派生的剪切力偶作用來(lái)解釋。如圖5, 在三肇凹陷中部發(fā)育一NW向發(fā)辮式斷裂密集帶, 雖然這些斷裂就個(gè)體而言主要呈SN走向(圖5a), 但就整個(gè)斷裂密集帶而言卻具有明顯的NW向右旋剪切應(yīng)力性質(zhì), 南北向的小斷層屬于剪切帶中的R(里德?tīng)?斷裂(圖5b), 在地震剖面上這些小斷裂表現(xiàn)出具有剪切性質(zhì)的“似花狀”特征(圖5c)。三肇凹陷北部及西北部, 隨著凹陷寬度增加, 并且遠(yuǎn)離應(yīng)力來(lái)源方向, 其所受到的構(gòu)造應(yīng)力逐漸減弱, 因此凹陷北部多邊形斷層發(fā)育受構(gòu)造應(yīng)力的影響不明顯, 多邊形斷層發(fā)育密度較凹陷南部明顯減小, 斷距較小, 斷層垂向延伸較短且延伸長(zhǎng)度較一致(圖4c), 更具有典型多邊形斷層的發(fā)育特征。通過(guò)以上對(duì)斷層平面特征、剖面特征, 以及凹陷形態(tài)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分析, 表明三肇凹陷T2斷層系主體為非構(gòu)造成因的多邊形斷層, 因疊加了盆地構(gòu)造反轉(zhuǎn)應(yīng)力的影響而表現(xiàn)出具有構(gòu)造斷層的一些特征。

4 多邊形斷層形成機(jī)制

圖5 三肇凹陷中部斷層發(fā)育的應(yīng)力分析圖(位置見(jiàn)圖2)Fig.5 Stress analysis of faults in the central part of the Sanzhao Sag

對(duì)于多邊形斷層的形成機(jī)制有多種認(rèn)識(shí), 到目前為止, 仍然是眾說(shuō)紛紜, 沒(méi)有定論。影響多邊形斷層形成的因素也有很多, 主要有巖石物性、礦物成分及含量、構(gòu)造應(yīng)力和成巖作用等(Dewhurst et al., 1999a; Gay et al., 2004)。筆者相信在不同的盆地類(lèi)型與發(fā)育背景下, 多邊形斷層發(fā)育的機(jī)制可能有所不同。就松遼盆地而言, 在研究三肇凹陷多邊形斷層發(fā)育機(jī)制時(shí)就提出了密度反轉(zhuǎn)(付曉飛和宋巖, 2008)、脫水收縮作用(He et al., 2010)和溶解作用(丁修建等, 2013)三種成因機(jī)制, 其中密度反轉(zhuǎn)主要考慮了巖性和壓實(shí)作用的影響, 脫水收縮作用主要考慮了蒙脫石含量的影響, 而溶解作用則主要考慮了成巖作用的影響。密度反轉(zhuǎn)和脫水收縮機(jī)制有一個(gè)共同點(diǎn),就是都與凹陷內(nèi)所發(fā)育的超壓具有密不可分的聯(lián)系。青一段是松遼盆地的主力優(yōu)質(zhì)烴源巖, 受壓實(shí)、黏土礦物脫水、熱力作用、生烴等因素的影響, 青一段普遍積蓄了較高的孔隙流體超壓, 其中青一段泥巖的生烴作用是形成松遼盆地泥巖超壓的最主要因素(呂延防等, 2000; 向才富等, 2006), 超壓的積累可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的能量效應(yīng), 進(jìn)而導(dǎo)致地層發(fā)生破裂(郝芳等, 2004)。因此, 我們提出超壓破裂可能是形成三肇凹陷青一段多邊形斷層的最主要因素, 同時(shí)盆地多期構(gòu)造反轉(zhuǎn)活動(dòng)對(duì)多邊形斷層發(fā)育特征具有重要影響。

由于超壓的積累和釋放具有幕式特點(diǎn), 加上又受到最重要的兩期盆地構(gòu)造反轉(zhuǎn)的影響, 因此確定三肇凹陷內(nèi)T2多邊形斷層的形成時(shí)期十分關(guān)鍵。因?yàn)槟劢M沉積末期構(gòu)造反轉(zhuǎn)程度較弱, 而明水組沉積末期則發(fā)生了強(qiáng)烈的構(gòu)造反轉(zhuǎn), 考慮到這兩期反轉(zhuǎn)對(duì)多邊形斷層發(fā)育的影響, 可以提出以下兩種假設(shè): ①T2多邊形斷層為兩期發(fā)育, 嫩江組沉積末期形成斷距小、垂向延伸短的斷層, 明水組沉積末期先存的多邊形斷層選擇性開(kāi)啟, 凹陷南部斷層斷距增大、部分?jǐn)鄬影l(fā)生垂向上的延長(zhǎng); ②T2多邊形斷層為一期發(fā)育, 即明水組沉積末期在凹陷內(nèi)同時(shí)形成南部較密集、斷距大、垂向延伸長(zhǎng)短不一的斷層和北部密度較小、斷距小、垂向延伸短的斷層。青一段烴源巖的生、排烴始于嫩江組沉積末期, 明水組沉積末期達(dá)到生、排烴高峰(付廣和王有功, 2008;楊喜貴和劉宗堡, 2009)。青一段地層超壓也形成于嫩江組沉積末期, 到明水組沉積期達(dá)到高峰, 嫩江組沉積末期、明水組沉積末期這兩期構(gòu)造反轉(zhuǎn)期與青一段的超壓聚集期和油層的油氣聚集期, 三者在時(shí)間上同步發(fā)展并有機(jī)匹配(遲元林等, 2000)。因此,本文更傾向于三肇凹陷內(nèi)T2多邊形斷層的兩期發(fā)育模式。嫩江組沉積末期的構(gòu)造反轉(zhuǎn)活動(dòng)強(qiáng)度較弱,構(gòu)造應(yīng)力作用僅僅表現(xiàn)為誘使凹陷內(nèi)青一段超壓地層更易破裂, T2多邊形斷層在整個(gè)凹陷內(nèi)發(fā)育, 且斷距較小, 斷層垂向延伸較短, 基本表現(xiàn)為剛剛錯(cuò)斷青一段地層。明水組沉積末期是盆地強(qiáng)烈構(gòu)造反轉(zhuǎn)時(shí)期, 而此時(shí)青一段烴源巖大量生烴并存在異常高壓, 超壓致使先存多邊形斷層選擇性開(kāi)啟, 強(qiáng)烈的區(qū)域構(gòu)造反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力使斷層斷距增大、部分多邊形斷層發(fā)生垂向上的延長(zhǎng), 并且導(dǎo)致凹陷中、南部, 尤其是在靠近構(gòu)造反轉(zhuǎn)帶的斜坡區(qū), 斷層密度增大, 甚至出現(xiàn)了多條斷裂密集帶。

5 多邊形斷層對(duì)油氣運(yùn)移成藏的意義

5.1 多邊形斷層對(duì)油氣運(yùn)移的輸導(dǎo)作用

多邊形斷層可以作為油氣運(yùn)移的主要通道已經(jīng)得到共識(shí)(Bünz et al., 2003; Hansen et al., 2004, 2005; Gay et al., 2006a; Hustoft et al., 2007; Sun et al., 2009, 2010)。以青一段為烴源巖在松遼盆地內(nèi)發(fā)育了位于青一段之上“下生上儲(chǔ)”式的葡萄花油層和青一段之下“上生下儲(chǔ)”式的扶楊油層。青一段烴巖源發(fā)育的多邊形斷層和泥巖的生烴超壓具有成因關(guān)系, 同時(shí)斷層又可起到溝通油源和上下儲(chǔ)層的作用(He et al., 2010; 丁修建等, 2013), 因此對(duì)該地區(qū)的油氣運(yùn)聚具有十分重大的意義。

扶楊油層緊臨青一段烴源巖, 油氣屬于短距離近源運(yùn)移, 油氣藏類(lèi)型為受油源斷層和河道砂體共同控制的巖性或斷層–巖性油藏(劉宗堡等, 2009a)。但由于該層油氣屬于“上生下儲(chǔ)”的“倒灌式”油氣藏,要想青山口組一段烴源巖生成的油向下倒灌運(yùn)移需要滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件: ①源巖具備足夠大的超壓;②存在連通源巖和儲(chǔ)層的斷層輸導(dǎo)通道(鄒才能等, 2005; 劉宗堡等, 2009b)。姚家組葡萄花油層和青一段烴源巖中間被青二、三段多套泥巖層相隔, 青一段源巖生成的油不能通過(guò)孔隙直接運(yùn)移至葡萄花油層, 因此存在能溝通油源和姚家組儲(chǔ)層的斷層輸導(dǎo)通道顯得尤為重要。葡萄花油層和扶楊油層在垂向上發(fā)育有多個(gè)油層, 這些油層具有油層厚度小, 平面上大面積連片, 含油氣面積大等特點(diǎn)(丁修建等, 2013)。研究表明, T2油源斷裂的發(fā)育區(qū)控制著油氣聚集區(qū)(付廣等, 2010a, 2010b), 尤其在T2斷裂密集帶附近易形成大面積連片油層(付廣和王超, 2011)。丁修建等(2013)指出, 僅依靠少量油源大斷裂難以形成平面上大面積連片的油層, 再加上葡萄花油層和扶楊油層以淺水三角洲沉積為主, 砂體厚度小、非均質(zhì)性強(qiáng), 油難以在砂體中做遠(yuǎn)距離運(yùn)移, 因此,數(shù)量眾多的多邊形斷層系可能是葡萄花油層和扶楊油層的重要運(yùn)移通道。

5.2 多邊形斷層的發(fā)育及成藏模式

基于青一段張性斷層系為多邊形斷層成因機(jī)制并受盆地構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用影響, 在前文中提出了三肇凹陷內(nèi)T2多邊形斷層具有兩期發(fā)育模式, 在這個(gè)模式的基礎(chǔ)上我們建立了三肇凹陷內(nèi)受多邊形斷層發(fā)育所控制的兩期油氣成藏模式(圖6)。

嫩江組沉積末期, 青一段烴源巖進(jìn)入生烴門(mén)限并開(kāi)始排烴, 生烴超壓致使青一段地層破裂而發(fā)育大量多邊形斷層, 此時(shí)多邊形斷層發(fā)育規(guī)模小、垂向延伸短(圖6a)。因該時(shí)期多邊形斷層發(fā)育規(guī)模較小, 不能溝通青一段烴源巖和姚家組儲(chǔ)集層, 油氣受青二、三段發(fā)育的多套泥巖層的阻擋, 不能進(jìn)入葡萄花油層中聚集成藏。而對(duì)于緊鄰烴源層的下伏泉頭組扶楊儲(chǔ)集層而言, 該時(shí)期發(fā)育的多邊形斷層雖然斷距小, 垂向延伸短, 但是仍能很好地溝通青一段烴源巖和泉頭組的儲(chǔ)集層, 在巨大的生烴超壓及多邊形斷層輸導(dǎo)的雙重控制下油氣主要向下部扶楊油層進(jìn)行“倒灌”運(yùn)移成藏, 前人研究也證實(shí)了青一段烴源巖向扶楊油層的排烴始于嫩江組沉積末期(楊喜貴和劉宗堡, 2009)。青一段烴源巖生成的油氣通過(guò)T2斷層系“倒灌”進(jìn)入扶楊油層, T2斷層下盤(pán)處于構(gòu)造高部位的儲(chǔ)層圈閉, 因距烴源巖近, “倒灌”運(yùn)移所受到的阻力小而優(yōu)先充注, 形成斷層–巖性油氣藏(楊玉華, 2009; 付廣和劉雪雪, 2010), 而其上盤(pán)相對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層圈閉則由于油源充注度的問(wèn)題可能是水層或油水同層, 從而形成扶楊油層斷層兩側(cè)“上油下水”的分布特征(楊玉華, 2009)。

圖6 嫩江組(a)和明水組(b)沉積末期多邊形斷層發(fā)育及成藏模式圖Fig.6 The development and accumulation model of polygonal faulting and reservoir forming in the end of the deposition period of the Nenjiang Formation(a) and the Mingshui Formation(b)

明水組沉積末期, 青一段烴源巖繼續(xù)積累異常高壓, 超壓致使凹陷內(nèi)先存的多邊形斷層選擇性開(kāi)啟, 加上該時(shí)期強(qiáng)烈的構(gòu)造反轉(zhuǎn)活動(dòng), 使得部分開(kāi)啟的多邊形斷層發(fā)生垂向上向兩端延長(zhǎng)(圖6b)。斷層活動(dòng)產(chǎn)生超壓釋放, 形成盆地排烴成藏高峰期(于有等, 2011)。超壓導(dǎo)致油氣沿著開(kāi)啟的多邊形斷層向上部葡萄花油層, 或向下部扶楊油層運(yùn)移聚集形成油氣藏, 該時(shí)期也為上、下兩個(gè)油層的成藏關(guān)鍵期(楊喜貴和劉宗堡, 2009; 楊殿軍等, 2011)。巨大的超壓使油氣沿垂向延伸短且開(kāi)啟的多邊形斷層繼續(xù)向下部扶楊油層“倒灌”運(yùn)移成藏; 垂向延伸長(zhǎng)且開(kāi)啟的多邊形斷層, 向上溝通了青一段烴源巖層和姚家組的儲(chǔ)集層, 成為青一段源巖生成的油向葡萄花油層中運(yùn)移的主要輸導(dǎo)通道, 因該類(lèi)斷層向下延伸至泉頭組儲(chǔ)集巖, 垂向上的油氣輸導(dǎo)作用可能會(huì)對(duì)下部嫩江組沉積末期形成的扶楊油藏起到一種破壞作用。對(duì)于葡萄花油層而言, 油氣先沿明水組沉積末期在超壓下重新開(kāi)啟、并在構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用下垂向增長(zhǎng)的多邊形斷層進(jìn)行垂向運(yùn)移, 再通過(guò)T11斷層進(jìn)行短距離側(cè)向運(yùn)移, 因而斷裂密集區(qū)與三肇凹陷葡萄花油層油藏有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(楊殿軍等, 2011)。

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)三肇凹陷內(nèi)T2斷層系發(fā)育平面特征及剖面特征的詳細(xì)剖析, 并結(jié)合松遼盆地沉積特征、構(gòu)造演化等研究, 對(duì)T2斷層系斷層屬性及形成機(jī)制進(jìn)行深入探討, 進(jìn)一步對(duì)比分析以青一段為烴源巖而發(fā)育的上、下兩套含油氣組合的特點(diǎn)和成藏過(guò)程,主要得出以下2點(diǎn)認(rèn)識(shí):

(1) 三肇凹陷內(nèi)發(fā)育的T2張性斷層系為多邊形斷層成因, 且其發(fā)育具有多期性, 加上幕式排烴期次與不同強(qiáng)弱性質(zhì)的構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用相疊合, 導(dǎo)致研究區(qū)在不同的構(gòu)造部位所發(fā)育的多邊形斷層特征具有較大差異。在嫩江組沉積末期, 由于超壓泥巖幕式排烴破裂作用, 在整個(gè)三肇凹陷內(nèi)發(fā)育有大量的多邊形斷層, 其在平面上具有多方向性, 垂向上具有層控性、延伸短、斷距小等特點(diǎn)。在明水組沉積末期, 超壓致使先存的多邊形斷層選擇性開(kāi)啟, 強(qiáng)烈的區(qū)域構(gòu)造反轉(zhuǎn)使凹陷南部斷層斷距增大、斷層密度增加、部分多邊形斷層發(fā)生垂向上的延長(zhǎng)。

(2) 青一段發(fā)育的油頁(yè)巖是研究區(qū)的主力烴源巖, 對(duì)其上部葡萄花油層和下部扶楊油層均具有貢獻(xiàn)作用, 青一段發(fā)育的T2多邊形斷層正好作為油氣運(yùn)移通道, 對(duì)源巖與儲(chǔ)層具有良好的溝通作用。嫩江組沉積末期, 因青一段烴源巖與下部扶楊油層儲(chǔ)集體直接接觸, 在源巖內(nèi)部超壓作用下, 油氣沿著青一段發(fā)育的規(guī)模小、垂向延伸短的多邊形斷層“倒灌”進(jìn)入扶楊油層, 形成油氣藏, 向上因受到多套泥巖的阻擋且多邊形斷層垂向延伸較短, 無(wú)法與上部葡萄花油層相溝通形成油氣藏; 明水組沉積末期,超壓導(dǎo)致油氣沿開(kāi)啟的多邊形斷層向上部葡萄花儲(chǔ)層或向下部扶楊儲(chǔ)層運(yùn)移聚集形成油氣藏, 由于強(qiáng)烈的構(gòu)造反轉(zhuǎn)導(dǎo)致部分多邊形斷層垂向延長(zhǎng), 從而溝通了青一段烴源巖層和上部葡萄花油層, 油氣向葡萄花油層中運(yùn)移聚集成藏, 然而這種垂向上的輸導(dǎo)作用對(duì)于嫩江組沉積末期形成的扶楊油藏可能會(huì)起到一定的破壞作用。

三肇凹陷青一段多邊形斷層的定義及其發(fā)育和成藏模式的提出, 對(duì)深化研究區(qū)乃至整個(gè)松遼盆地油氣成藏及聚集規(guī)律具有重要的意義, 本文在這些方面提出了一些關(guān)鍵性的認(rèn)識(shí), 但這些認(rèn)識(shí)僅僅停留在模式的建立之上, 尚需在今后的研究和應(yīng)用中加以進(jìn)一步的深化和證實(shí)。

致謝: 東北石油大學(xué)付曉飛教授為本文多次提出寶貴的修改建議, 使其內(nèi)容得以不斷完善, 在此特別表示感謝。

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Polygonal Faulting and Petroleum Geological Significance of Qn1Formation in the Sanzhao Sag, Songliao Basin

QUAN Xiayun1, LI Xiangquan1,2, REN Jianye1and CHENG Tao3
(1. MOE Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China; 2. CAS Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology , Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, Shandong, China; 3. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

Numerous small-scaled, extensional faults occur densely in the mudstone layer of the Qingshankou 1stmember (Qn1) in Songliao Basin. Its attribute and genetic mechanism are highly concerned but still controversy. The high-resolution 3D seismic datasets of a new block that covers most of the Sanzhao sag of Songliao Basin is studied., The characteristics of the profile and plane geometry of the extensional fracture system in the Sanzhao sag were depicted in detail through fine seismic interpretation using coherent technology. Based o the results, we proposed that: (1) The extensional fault system is mainly polygonal fault, which probably resulted from rupture pressure related to the episodic hydrocarbon-expulsion from the mudstone of Qn1. However, the tectonic inversion in Songliao Basin may also contribute to the formation and development of the polygonal fault system; (2) The polygonal faults were mainly formed by the end of deposition period of the Nenjiang Formation, and some experienced vertical direction propagation caused by the strong tectonic inversion at the end of deposition period of the Mingshui Formation; (3) The polygonal faults connect the Qn1hydrocarbon source rock with the underlying Fuyang oil layer and the overlying Putaohua oil layer, and thus are important migration channels for the oil and gas accumulation; (4) Until the end of deposition period of the Nenjiang Formation, hydrocarbon generated in the Qn1mainly migrated downward into the underlying Fuyang oil layer via the small polygonal faults rather than upwards to the Putaohua oil layer. On the contrary, by the end of deposition period of the Mingshui Formation, the oils from Qn1source rock can migrate either downward into the Fuyang oil layer or upward into the Putaohua oil layer. It is noteworthy that the vertical propagation of the polygonal faults induced by the tectonic inversion might also damage the Fuyang accumulations formed earlier.

Sanzhao Sag; polygonal fault; Fuyang oil layer; Putaohua oil layer; oil migration and accumulation

TE12; P542

A

1001-1552(2015)02-0260-013

2013-09-09; 改回日期: 2014-03-29

項(xiàng)目資助: 國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào): 41102068)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(編號(hào): CUGL110246)聯(lián)合資助。

全夏韻(1989–), 女, 碩士研究生, 主要從事沉積、構(gòu)造地質(zhì)研究。Email: 469707032@qq.com

李祥權(quán)(1976–), 男, 副教授, 主要從事沉積盆地動(dòng)力學(xué)、層序地層學(xué)、地震沉積學(xué)等方面的研究工作。Email: lxq@cug.edu.cn