塔中北坡走滑斷裂成因機(jī)理與油氣成藏

寧 飛，金之鈞，張仲培，云金表1, 2,，張繼標(biāo)

(1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 2.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 構(gòu)造與沉積儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 3.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院， 北京 100083)

大型走滑斷裂多是由于板塊之間斜向匯聚或碰撞作用形成的，而在陸內(nèi)構(gòu)造變形中，走滑斷裂常發(fā)育在盆地邊緣及邊界構(gòu)造帶[1-2]。疊合盆地多經(jīng)歷了多期演化過(guò)程和復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)[3-4]，在盆地內(nèi)部，由于扭動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)作用，走滑斷裂也普遍發(fā)育。由于走滑斷裂傾向通常較陡，深層普遍切割基底，為烴類長(zhǎng)距離垂向運(yùn)移提供了良好通道。此外，無(wú)論是張扭作用還是壓扭作用形成的走滑斷裂，在發(fā)育過(guò)程中均會(huì)對(duì)斷裂兩盤(pán)圍巖造成破壞，從而在斷裂周?chē)l(fā)育一系列走滑斷裂所誘導(dǎo)的裂縫[5]，在一定程度上又改善了儲(chǔ)層的質(zhì)量，對(duì)油氣成藏具有積極的貢獻(xiàn)。早在2003年，隨著在塔中隆起TZ16-TZ31井區(qū)獲得了高品質(zhì)的三維地震資料，首次揭示了塔中地區(qū)存在一定規(guī)模的走滑斷裂[6]，并且走滑斷裂可以一直向北延伸到順托果勒低隆起，走滑斷裂還對(duì)塔中隆起起到了東西分段的作用。近年來(lái)，塔中北坡順南4井和順南5井在奧陶系走滑斷裂周?chē)@得了高產(chǎn)氣流，展示了走滑斷裂帶良好的勘探前景。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)塔中北坡NE向走滑斷裂的幾何學(xué)特征[6-10]、運(yùn)動(dòng)學(xué)過(guò)程[8,11]及對(duì)油氣成藏的意義[7-12]都做過(guò)深入探討，但并沒(méi)有對(duì)NE向走滑斷裂的成因機(jī)理做過(guò)有意義的解釋，這在一定程度上制約了斷裂控儲(chǔ)和斷裂控藏的認(rèn)識(shí)。不同成因機(jī)制的走滑斷裂對(duì)儲(chǔ)層改造的貢獻(xiàn)有較大差異，因此，揭示走滑斷裂的成因機(jī)理對(duì)進(jìn)一步尋找優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層、提高勘探可靠性以及降低勘探成本具有一定的實(shí)際意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

塔中北坡指的是塔里木盆地塔中隆起北部邊緣斷裂塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶以北的斜坡，包括順托果勒低隆起南部以及古城墟隆起大部分(圖1)。構(gòu)造整體上為一個(gè)傾向NW的斜坡，南部以塔中隆起北部邊界塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶為界。中-下奧陶統(tǒng)頂部存在明顯的角度不整合面，志留系自塔中北坡坳陷區(qū)向東南部構(gòu)造高部位上超，界面之下可見(jiàn)上奧陶統(tǒng)的頂削特點(diǎn)。走滑斷裂平面上在順托果勒低隆起范圍內(nèi)呈NE走向，往東在順南緩坡內(nèi)則發(fā)育NE向和NEE向兩組走滑斷裂，再往東到了古城墟隆起，走滑斷裂走向則多以NEE向?yàn)橹?。南部自塔中隆起?gòu)造高點(diǎn)塔中Ⅱ號(hào)斷裂帶開(kāi)始，向北切穿塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶，繼續(xù)向北呈線性延伸。斷裂規(guī)模不同，多數(shù)走滑斷裂走向上構(gòu)造樣式存在較大差異。

圖1 塔中北斜坡構(gòu)造綱要Fig.1 Structure outline of northern slope of Tazhong area①阿滿2井?dāng)嗔?②順西2井?dāng)嗔眩虎垌樛?井?dāng)嗔?；④順?井?dāng)嗔眩虎蓓樐?井?dāng)嗔?；⑥順?井?dāng)嗔?；⑦順?井?dāng)嗔?；⑧古?井?dāng)嗔?/p>

受加里東早期運(yùn)動(dòng)的影響，塔中地區(qū)處于碳酸鹽巖臺(tái)地沉積背景，加里東中期 Ⅰ 幕運(yùn)動(dòng)使盆地內(nèi)部發(fā)生了強(qiáng)烈的構(gòu)造變形[13-14]，此時(shí)塔中北坡處于加里東中期古隆起斜坡部位。奧陶系在塔中隆起區(qū)和塔中北坡存在差異，臺(tái)地相區(qū)發(fā)育良里塔格組之上大套碎屑巖地層為桑坦木組，而在塔中北坡良里塔格組沉積期相變?yōu)槟鄮r(表1)，恰爾巴克組之上大套碎屑巖沉積地層為卻爾卻克組，巖性為巨厚灰色-深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、灰質(zhì)泥巖夾灰色粉砂巖和褐色泥灰?guī)r。一系列NE走向的走滑斷裂將塔中北坡下古生界切割成條塊狀。

2 斷裂幾何學(xué)特征

平面上，塔中北坡自西向東發(fā)育8條NE走向的走滑斷裂，一系列NE走向的走滑斷裂呈近平行展布。斷裂規(guī)模和級(jí)別存在較大差異，規(guī)模最大的走滑斷裂延伸大于20 km，如順托1井?dāng)嗔褞?。單條走滑斷裂在平面上也存在多種樣式(圖2)，沿層相干體切片上走滑斷裂展現(xiàn)出了簡(jiǎn)單平移、雁列組合以及帚狀斷裂的次級(jí)斷裂組合。簡(jiǎn)單平移樣式在塔中北坡走滑斷裂分布較廣泛，斷裂在平面上沒(méi)有分叉，表現(xiàn)為單一的斷裂，往深層多切割基底，此類斷裂寬度較窄，對(duì)周?chē)鷰r層變形影響較小。雁列組合樣式是走滑斷裂常見(jiàn)的平面識(shí)別標(biāo)志，在塔中北坡主要走滑斷裂上都有所體現(xiàn)。該類斷裂是在走滑斷裂兩盤(pán)活動(dòng)時(shí)，圍巖受到了扭動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的作用，在主走滑斷裂兩側(cè)呈透入性分布。雁列組合對(duì)走滑斷裂兩側(cè)巖層影響較大，對(duì)儲(chǔ)層具有很好的改造作用。同雁列組合類似，帚狀斷裂也會(huì)誘導(dǎo)裂縫發(fā)育，因此也會(huì)對(duì)儲(chǔ)層改造具有積極意義。不同的是，帚狀斷裂多發(fā)育在走滑斷裂末端，且僅在走滑斷裂活動(dòng)盤(pán)發(fā)育。

剖面上，走滑斷裂呈現(xiàn)3種構(gòu)造樣式，根據(jù)其發(fā)育的應(yīng)力環(huán)境及剖面樣式，分為緊閉平移型、壓扭上拱型和拉分下凹型3類(圖3)。3種類型的走滑斷裂都呈現(xiàn)應(yīng)變相對(duì)較小的特點(diǎn)，表現(xiàn)為斷層傾角較陡，斷距小，且縱向上切割地層較厚的特點(diǎn)。但是單條走滑斷層在走向上存在分段性，同一條走滑斷裂在斷裂連接處與疊加區(qū)，應(yīng)變較大[2]。在拉分疊加區(qū)，表現(xiàn)為正斷層或小型張破裂發(fā)育，在平移段則以斷層兩盤(pán)相對(duì)滑動(dòng)為主；在擠壓連接處，表現(xiàn)為局部壓扭、逆沖或小型剪切破裂密集發(fā)育；而在斷裂尾端，則經(jīng)常發(fā)育有向外發(fā)散的呈帚狀的斷裂三角區(qū)，破裂相對(duì)發(fā)育。

表1 塔中地區(qū)奧陶系劃分

注：表格中豎線代表地層缺失。

圖2 塔中北斜坡沿上奧陶統(tǒng)頂面層相干體切片及走滑斷裂平面樣式(切片位置見(jiàn)圖1)Fig.2 Coherence slice along the top of upper Ordovician showing planar style of strike-slip faults in northern slope of Tazhong area(see Fig.1 for the location)

圖3 塔中北斜坡走滑斷裂剖面構(gòu)造樣式Fig.3 Structural styles of strike-slip faults in northern slope of Tazhong areaa.緊閉平移樣式；b.壓扭上拱樣式；c.拉分下凹樣式Z.震旦系;1-2.中-下寒武統(tǒng)； 3.上寒武統(tǒng)；O1-2.中-下奧陶統(tǒng)；O3.上奧陶統(tǒng)

圖4 塔中北斜坡順南2井走滑斷裂分段性平面和剖面圖Fig.4 Planar and section maps of segmentation of well Shunnan 2 strike-slip faultin Tazhong areaa.分段性剖面圖；b.分段性平面圖Z.震旦系；1-2.中-下寒武統(tǒng)；3.上寒武統(tǒng)；O1-2.中-下奧陶統(tǒng)；O3.上奧陶統(tǒng)；D3-2.下泥盆統(tǒng)東河塘組；C.石炭系

3 斷裂運(yùn)動(dòng)學(xué)過(guò)程

前人對(duì)塔中及鄰區(qū)構(gòu)造演化研究[7-8,11]，認(rèn)為中奧陶世末塔里木盆地碳酸鹽巖臺(tái)地是一次非常重要的抬升時(shí)期，也是塔中地區(qū)開(kāi)始隆起形成雛形的重要時(shí)期。NW走向的塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶自中奧陶世末開(kāi)始活動(dòng)，直到晚奧陶世早期，塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶均為主要的活動(dòng)斷裂。受塔中Ⅰ號(hào)斷裂活動(dòng)的影響，塔中北坡必然受到來(lái)自塔中隆起的推擠作用，從現(xiàn)今塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶的走向變化及活動(dòng)強(qiáng)度的差異分析，其有明顯的分段性，且各段在斷層活動(dòng)時(shí)，強(qiáng)度不同，對(duì)北坡產(chǎn)生的推擠作用力也會(huì)有差異，從而可能會(huì)形成NE向的協(xié)調(diào)斷層。NW向斷裂控制了塔中隆起開(kāi)始形成時(shí)的構(gòu)造格局，從而使塔中隆起帶碳酸鹽巖臺(tái)地由早期的緩坡-鑲邊緩坡型臺(tái)地結(jié)構(gòu)演化為礁灘型孤立臺(tái)地。從圖4順南2井?dāng)嗔褞拭鏄邮娇梢钥吹?，D3d-S/O3之間存在明顯的不整合面。此外，由于在晚奧陶世塔里木盆地南緣北昆侖洋最終關(guān)閉，盆地南緣處于持續(xù)收縮的擠壓構(gòu)造環(huán)境，塔南-塔中地區(qū)在晚奧陶世末期發(fā)生強(qiáng)烈的沖斷擠壓，且地震剖面顯示NE向走滑斷裂最大活動(dòng)斷距發(fā)生在上奧陶統(tǒng)內(nèi)(圖3)。以上諸多證據(jù)可推斷該走滑斷裂主要活動(dòng)時(shí)間范圍為晚奧陶世持續(xù)到晚志留世，為加里東晚期—海西早期運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。

表2 塔中北斜坡順南2井?dāng)嗔牙志嚯x和垂直斷距統(tǒng)計(jì)Table 2 Pull-apart distance and fault throw of well Shunnan-2 strike-slip fault in Tazhong area

注：拉分寬度中，負(fù)值代表擠壓；垂直斷距中，負(fù)值代表逆斷距的雙程時(shí)間。

4 成因機(jī)理

構(gòu)造物理模擬方法是研究斷裂演化過(guò)程與成因機(jī)制強(qiáng)有力的手段，并有過(guò)諸多成功經(jīng)驗(yàn)[1,15-16]。在對(duì)塔中北坡走滑斷裂幾何學(xué)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一組物理模擬實(shí)驗(yàn)，再現(xiàn)走滑斷裂形成的運(yùn)動(dòng)學(xué)過(guò)程，從而明確控制走滑斷裂發(fā)育的主要因素，對(duì)揭示走滑斷裂分段性及成因機(jī)理做出合理的解釋。

4.1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)塔中北坡的構(gòu)造演化背景以及邊界基底條件，設(shè)計(jì)了圖5所示實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)在中國(guó)石化勘探開(kāi)發(fā)研究院構(gòu)造與沉積儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)室3D物理模擬綜合實(shí)驗(yàn)儀上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)儀器中，砂箱尺寸為長(zhǎng)55 cm,寬30 cm,高40 cm，砂箱一側(cè)固定，另一側(cè)連接馬達(dá)，以2.3×10-5m/s的速度勻速運(yùn)動(dòng)，最大擠壓位移量為5.5 cm。實(shí)驗(yàn)材料選用粒徑為0.2～0.3 mm的松散石英砂，其內(nèi)摩擦角為29°～32°，內(nèi)聚力接近零，砂層厚度設(shè)定為5 cm，不同顏色的石英砂只為區(qū)分不同地層界線，其物理性質(zhì)相同。從航磁異常等值線圖上可以看到[14]，塔里木盆地中央隆起區(qū)東部存在一定規(guī)模的NE走向的基底斷裂。基于此，在模型底部平行放置3塊聚苯泡沫，用來(lái)模擬基底斷裂。移動(dòng)擋板一側(cè)放置楔形泡沫，可實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)板推擠過(guò)程中對(duì)3塊基底泡沫逐步施力，從而達(dá)到基底左行走滑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

4.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

從實(shí)驗(yàn)中可以看到(圖6)，在左行剪切力偶狀態(tài)下，雁列組合、簡(jiǎn)單平移和帚狀斷裂3種樣式在砂層表面均有體現(xiàn)。隨著擠壓位移量的增加，斷裂兩盤(pán)錯(cuò)動(dòng)更加明顯，剖面上可以看到發(fā)育有壓扭上拱、緊閉平移和拉分下凹3種樣式(圖6)。邊界斷裂的分段性導(dǎo)致向北差異推擠是NE向走滑斷層形成的控制因素，NE向走滑斷層左行剪切，形成了雁行斷裂。對(duì)運(yùn)動(dòng)5.5 cm后的左行剪切實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了加水切片，切片位置及剖面樣式如圖6。走滑斷層在在B-B′剖面上表現(xiàn)為近直立的斷層，在A-A′剖面上則有半花狀構(gòu)造樣式發(fā)育，在基底剪切應(yīng)力影響下，上覆層局部受到剪張作用形成局部構(gòu)造低點(diǎn)(圖6中C-C′剖面陰影部分)，上覆地層局部地區(qū)受到壓扭作用，地層上拱形成局部構(gòu)造，如剖面A-A′。

圖5 物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.5 Schematic map of apparatus of physical analogue model

圖6 物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋Fig.6 Interpretation of physical analogue experimenta.平面實(shí)驗(yàn)結(jié)果；b—d.剖面切片實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.3 討論

通過(guò)對(duì)塔中北坡斷裂幾何學(xué)樣式解析，區(qū)域構(gòu)造演化歷史分析結(jié)合砂箱物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)識(shí)到塔中北坡發(fā)育一系列NE向左行走滑斷裂并至少兩期活動(dòng)的控制因素可能與兩種地質(zhì)作用有密切關(guān)系。

首先，由于庫(kù)地洋在中奧陶世俯沖消亡，中昆侖地體與塔里木板塊碰撞，使克拉通內(nèi)撓曲隆升形成塔中前緣隆起帶[17]。塔中隆起大致在加里東中期(主要集中在中奧陶世末)初步發(fā)育和形成[18-20]，北部以塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶為界，同時(shí)也是塔中北坡的南部邊界。由于塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶存在分段性，致使塔中隆起這一塊體對(duì)塔中北坡地層形成強(qiáng)度差異的推擠作用。東段明顯比中段要強(qiáng)，表現(xiàn)為斷距較大，越往西北段，斷裂活動(dòng)強(qiáng)度有明顯減小的趨勢(shì)。因此，差異推擠作用會(huì)導(dǎo)致在Ⅰ號(hào)斷裂帶的附近形成垂直于Ⅰ號(hào)斷裂帶走向的NE向走滑斷層，起到協(xié)調(diào)作用。

5 油氣地質(zhì)意義

走滑斷裂在活動(dòng)過(guò)程中對(duì)其兩側(cè)圍巖產(chǎn)生影響，從物理模擬試驗(yàn)所揭示的走滑斷裂成因機(jī)制來(lái)看，同一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的斷裂發(fā)育沿走向可能表現(xiàn)為不同的構(gòu)造樣式，且對(duì)裂縫性儲(chǔ)層改造程度不同。走滑拉分段和壓扭上拱段對(duì)圍巖的影響范圍較大，這兩種剖面樣式所誘導(dǎo)的裂縫產(chǎn)狀多以高角度為主，規(guī)模相對(duì)大。通過(guò)對(duì)塔中北坡取心井奧陶系鷹山組巖心觀察，走滑斷列所誘導(dǎo)的裂縫發(fā)育具有明顯的規(guī)律，受局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制的構(gòu)造縫在塔中北坡普遍發(fā)育，裂縫走向以NE或NEE向?yàn)橹鳎c走滑斷裂走向基本一致。

圖7 塔中北坡油氣成藏模式Fig.7 Schematic plot of hydrocarbon accumulation model in northern slope of Tazhong areaAnZ.前震旦系；Z.震旦系；1y.下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組；1-2.中-下寒武統(tǒng)；3.上寒武統(tǒng)；O1p.下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組；O1-2y.中-下奧陶統(tǒng)鷹山組；O2yj.中奧陶統(tǒng)一間房組；O3q.上奧陶統(tǒng)恰爾巴克組；D3d.下泥盆統(tǒng)東河塘組；C.石炭系

通過(guò)巖心資料統(tǒng)計(jì)分析，裂縫傾向普遍為高角度構(gòu)造縫。裂縫和走滑斷裂構(gòu)成了塔中北坡立體的輸導(dǎo)體系，得深部流體向上運(yùn)移提供了便利。從巖心上可以看到，多數(shù)巖心被裂縫切穿，且常見(jiàn)多塊巖心發(fā)育同一條裂縫，可明確識(shí)別裂縫長(zhǎng)度大于1 m。裂縫的長(zhǎng)度和寬度影響著裂縫的儲(chǔ)集性和滲流能力，裂縫越長(zhǎng)越寬便更容易儲(chǔ)集油氣，并將各儲(chǔ)集空間串聯(lián)起來(lái)，從而形成立體的裂縫滲流網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成良好的油氣儲(chǔ)集空間及運(yùn)移通道(圖7)。

塔中北坡從加里東早期的碳酸鹽巖臺(tái)地演變到加里東中晚期—海西早期的構(gòu)造-沉積復(fù)合斜坡，是滿加爾坳陷優(yōu)質(zhì)烴源巖向高部位運(yùn)移的必經(jīng)之路，優(yōu)質(zhì)的裂縫滲流網(wǎng)絡(luò)為運(yùn)移提供了便利。中、新生代塔中北坡又經(jīng)歷多期整體構(gòu)造變動(dòng)，后期改造弱。除此以外，上奧陶統(tǒng)卻爾卻克組泥巖在塔中北坡厚度大，是優(yōu)質(zhì)的蓋層，且封閉能力形成早，因此塔中北坡具有優(yōu)越的油氣保存條件。垂直走滑斷裂在晚期的活動(dòng)可能為油氣在古生界多個(gè)層系的成藏和調(diào)整聚集提供了條件(圖7)。順南地區(qū)在奧陶系鷹山組、一間房組、志留系和二疊系均發(fā)現(xiàn)油氣層，反映了塔中北坡存在多層油氣成藏的現(xiàn)象。

6 結(jié)論

1) 塔中北坡走滑斷裂在平面上具有簡(jiǎn)單平移、雁列組合以及帚狀斷裂樣式，剖面上根據(jù)走滑斷裂形成的應(yīng)力狀態(tài)可分為拉分下凹、壓扭上拱和緊閉平移3種構(gòu)造樣式，反映了走滑斷裂豐富的幾何學(xué)特征。

2) 物理模擬揭示了塔中北坡走滑斷裂的成因機(jī)理，即由于塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶的分段性導(dǎo)致的差異推擠以及基底斷裂活動(dòng)造成的基底剪切共同作用下，在單一左行力偶狀態(tài)下形成的。

3) NE走滑斷裂分段性對(duì)裂縫性儲(chǔ)層改造具有差異性，所誘導(dǎo)的裂縫以高角度構(gòu)造縫為主，一方面溝通了油氣儲(chǔ)集空間，另一方面，走滑斷裂的活動(dòng)還為塔中北坡多層系立體成藏提供了便利。

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