柯克亞背斜新生代構(gòu)造變形時序厘定與油氣地質(zhì)意義

凌東明 ，韓耀祖，白建樸

（1.中國石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石油 東方地球物理公司 研究院 庫爾勒分院，新疆 庫爾勒 841001）

柯克亞淺層油氣藏發(fā)現(xiàn)于1977年，證實了石炭系和二疊系烴源巖的生排烴能力[1]。1995年，向深部鉆探的柯深1井在古近系卡拉塔爾組灰?guī)r儲集層中獲得高產(chǎn)工業(yè)油氣流，從而在塔西南坳陷尋找深層油氣的歷史上揭開了新的一頁[2]。此后以邊水、層狀和斷塊分隔型凝析氣藏的模式為指導(dǎo)[3]，鉆柯深101井和柯深102井均獲得成功。但緊隨其后鉆探的柯深103井和柯中105井在構(gòu)造及儲集層都落實的情況下相繼失利，表明柯克亞地區(qū)深層卡拉塔爾組凝析氣藏有著更為復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和油氣分布特征。此外，柯克亞地區(qū)地表發(fā)育巨厚黃土山，導(dǎo)致地震資料成像品質(zhì)較差。這兩個因素共同導(dǎo)致柯克亞地區(qū)深層卡拉塔爾組的研究工作進(jìn)入了瓶頸階段。

2008年以來，塔里木盆地新構(gòu)造運動的研究取得較大進(jìn)展[4-5]，在柯克亞地區(qū)實施了新一輪三維地震，獲得了較好的資料[6]。為打開勘探及開發(fā)工作局面，有必要從生長地層分析和構(gòu)造變形時序厘定入手，重新梳理柯克亞背斜新生代構(gòu)造發(fā)育模式，以此為切入點，帶動柯克亞深層卡拉塔爾組內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重新解剖與油氣藏模式再認(rèn)識。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

柯克亞背斜位于塔里木盆地塔西南坳陷柯克亞構(gòu)造帶上，隸屬西昆侖山前第二排構(gòu)造單元，為一近東西向的短軸背斜[7-8]（圖1a）。前人在柯克亞構(gòu)造帶的構(gòu)造演化及成藏規(guī)律方面進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)［9］和文獻(xiàn)［10］通過分析柯克亞地區(qū)不整合面和地層厚度變化特征，認(rèn)為柯克亞背斜的定型期為第四紀(jì)早更新世末期；文獻(xiàn)［11］—文獻(xiàn)［13］關(guān)于柯克亞地區(qū)的熱演化史研究表明，更新世為柯克亞背斜最主要的油氣運移和調(diào)節(jié)時期，也可從側(cè)面反映出該區(qū)的構(gòu)造定型期為更新世；文獻(xiàn)［14］—文獻(xiàn)［17］研究指出，喜馬拉雅運動期的擠壓應(yīng)力在上新世中期傳遞至柯克亞地區(qū)形成柯克亞構(gòu)造帶，至早中更新世晚期，構(gòu)造變形擴(kuò)展至固滿—合什塔格構(gòu)造帶。上述研究均認(rèn)為柯克亞背斜主體形成于喜馬拉雅運動晚期，但在背斜具體的定型期次上有差異。

從地層結(jié)構(gòu)來看，柯克亞地區(qū)發(fā)育淺、中、深3套區(qū)域性滑脫層（圖1b）：淺滑脫層為始新統(tǒng)烏拉根組，是一套潮坪環(huán)境下的穩(wěn)定泥巖沉積，平均厚度80 m左右，可作為上覆剛性地層的滑脫層，也是下伏卡拉塔爾組灰?guī)r儲集層的良好蓋層；中滑脫層為古新統(tǒng)阿爾塔什組膏泥巖，鉆井證實該套滑脫層的厚度普遍超過100 m，地震資料反映出多數(shù)深層斷裂終止于該滑脫層之下；深滑脫層以侏羅系巨厚湖相泥質(zhì)沉積物為主，是形成被多期斷裂改造的擠壓型斷階式背斜的物質(zhì)基礎(chǔ)[9-10，13]。

以淺、中2套滑脫層夾持下的卡拉塔爾組剛性灰?guī)r地層為研究對象，本文系統(tǒng)梳理、并部分借鑒了前人的研究成果，利用新采集的三維地震資料，以構(gòu)造正演模擬和生長地層分析為約束條件，對研究區(qū)構(gòu)造變形時序進(jìn)行重新厘定，通過剖面斷裂特征精細(xì)刻畫，搭建起多期斷裂疊加的構(gòu)造發(fā)育模式，形成了疊置型斷塊油氣藏的認(rèn)識，為柯克亞凝析氣藏下一步的勘探開發(fā)提供了新的目標(biāo)類型和模式參考。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置（a）和地層綜合柱狀剖面（b）

2 生長地層與構(gòu)造變形時序分析

2.1 生長地層特征分析

生長地層是構(gòu)造變形同期沉積于背斜核部和兩翼的地層，記錄了褶皺形成時間、生長過程和運動速率的變化等重要信息[18]。識別褶皺相關(guān)的生長地層，確定其層位和時代，可以半定量化地厘定某一地質(zhì)現(xiàn)象活動的起始時間和演化歷史[19-20]。一般而言，同期形成的生長地層厚度向背斜高部位減薄、向低部位加厚，造成背斜翼部生長地層呈楔形或扇形的幾何形態(tài)，生長三角楔的尖端指向背斜高部位。如圖2所示，在垂向隆升運動為主的構(gòu)造背景下，從圖2a到圖2d，隨著背斜核部的不斷抬升，后期的生長地層在構(gòu)造高部位沉積較薄，兩翼的低部位沉積較厚，呈現(xiàn)出典型的頂薄翼厚的特征。

但以下2種端元模式會導(dǎo)致構(gòu)造高部位地層厚、低部位地層薄的現(xiàn)象。第一種情況是在水平運動為主的構(gòu)造背景下（圖2e—圖2h），早期處于構(gòu)造低部位較厚的同沉積地層（圖2f），隨著背斜核部遷移逐漸抬升到構(gòu)造高部位（圖2h），形成構(gòu)造高部位地層厚、低部位地層薄的現(xiàn)象。這種端元模式的前提是水平位移量足夠大，其典型特征是褶皺軸面的傾向與構(gòu)造運動的方向相反。第二種情況是在斜坡背景下（圖2i—圖2l），沉積了相對較厚地層的構(gòu)造低部位（圖2k）在后期強(qiáng)烈的擠壓隆升作用下被改造成為高部位（圖2l），形成高部位地層厚、低部位地層薄的現(xiàn)象，同時生長三角楔的尖端指向構(gòu)造低部位。這2種情況可作為構(gòu)造變形時序厘定的重要參考依據(jù)。

圖2 不同端元模式下生長地層的構(gòu)造變形特征（據(jù)文獻(xiàn)［21］，有修改）

圖3 柯克亞背斜典型地震剖面解釋模式（剖面位置見圖1）

2.2 構(gòu)造變形時序厘定

從過柯克亞背斜主體的地震剖面來分析，西域組以下的剖面形態(tài)表現(xiàn)為一個典型的直立、平行褶皺（圖3a），褶皺的軸面直立，兩翼近似對稱；褶皺內(nèi)部的地層產(chǎn)狀穩(wěn)定，各層厚度基本相同。這種類型的褶皺變形時序厘定需要開展精細(xì)構(gòu)造成圖來實現(xiàn)。通過對阿圖什組、安居安組、克孜洛依組、巴什布拉克組和烏拉根組的頂界面分別成圖，選取每個層面的構(gòu)造高點和構(gòu)造軸向包絡(luò)線進(jìn)行疊合，可以發(fā)現(xiàn)上2層（阿圖什組和安居安組）頂面高點位置是基本重合的，下3層（克孜洛依組、巴什布拉克組和烏拉根組）頂面高點位置也是基本重合的，但前者的高點明顯向北西西方向偏移了800 m左右（圖4）。表明在安居安組沉積之前，整個柯克亞背斜的主體部位，處于構(gòu)造相對平穩(wěn)期。安居安組沉積期間，即中新世晚期，研究區(qū)經(jīng)歷了小規(guī)模、低運動速率、以水平推覆作用為主的構(gòu)造活動。之后的阿圖什組沉積期間，研究區(qū)以被動接受沉積作用為主，并未發(fā)生顯著的構(gòu)造活動。

圖4 柯克亞背斜新生界構(gòu)造高點遷移示意圖

西域組及以上的地層則可通過識別生長地層厚度橫向分布規(guī)律，區(qū)分出更新世早期和更新世中—晚期2個期次、性質(zhì)明顯不同的構(gòu)造運動。從圖3b可以看出，更新統(tǒng)下部的西域組下段在構(gòu)造高部位真厚度為360 m，在構(gòu)造低部位真厚度為240 m.這種頂厚翼薄的生長地層特征顯然不符合以大位移量的水平運動作為主控因素的基本判別標(biāo)識（圖2e—圖2h）。因此只能是早期斜坡背景下沉積的生長地層被后期的垂向隆升活動改造成為構(gòu)造高部位形成頂厚翼薄的沉積現(xiàn)象（圖2i—圖2l）。

而更新統(tǒng)中—上部的形態(tài)則剛好相反（圖3c）。更新統(tǒng)中部的西域組中段在相對高部位真厚度為320 m，在構(gòu)造低部位真厚度為420 m，表現(xiàn)為典型的頂薄翼厚的生長地層沉積特征，生長三角楔收斂程度明顯大于下更新統(tǒng)西域組，且收斂方向相反。說明在更新世中期，柯克亞背斜主體的構(gòu)造抬升速率要遠(yuǎn)大于早更新世及其之前各個時期。

綜上所述，新生代以來研究區(qū)經(jīng)歷了中新世晚期、更新世早期和更新世中—晚期“一弱一停一強(qiáng)”3個階段的構(gòu)造運動。

第一階段：中新世晚期，安居安組沉積期間，受西昆侖造山活動影響，擠壓應(yīng)力沿區(qū)域性滑脫層（烏拉根組泥巖和阿爾塔什組膏泥巖）向前陸方向近水平傳遞，此時柯克亞背斜雖尚未成型，但在該擠壓應(yīng)力作用下依然可產(chǎn)生低幅度、小規(guī)模構(gòu)造變形。期間上、下滑脫層可通過自身的塑性形變吸收多余的應(yīng)變能量，而2套滑脫層夾持下的卡拉塔爾組剛性灰?guī)r只能通過大量的低角度順層斷裂（剛性破裂）來吸收多余的應(yīng)變能量。上新統(tǒng)阿圖什組沉積期間，上述構(gòu)造活動漸趨平緩。

第二階段：更新世早期，甫沙—克里陽構(gòu)造帶快速定型，柯克亞構(gòu)造帶仍處于相對穩(wěn)定的構(gòu)造低部位，其生長地層呈現(xiàn)南薄北厚的沉積特征。后期雖被抬升至構(gòu)造高部位遭受剝蝕，但生長地層的相對厚度關(guān)系依然得到保留（圖3b中的西域組下段）。這一階段柯克亞地區(qū)以被動接受沉積作用為主，并未發(fā)生顯著的構(gòu)造活動。

第三階段：更新世中期以來，柯克亞背斜快速隆起定型，早期沉積的生長地層遭受剝蝕（圖3b中的西域組下段），新的生長地層（圖3b中的西域組中段及之上的地層）呈現(xiàn)出典型的頂薄翼厚的構(gòu)造變形特征。在此期間，背斜核部發(fā)育大量的高角度脆性調(diào)節(jié)斷裂，改造了早期斷裂形態(tài)。

3 卡拉塔爾組正演平衡剖面制作

構(gòu)造變形時序厘定的結(jié)果還需正演剖面技術(shù)進(jìn)行驗證。該技術(shù)是基于斷層相關(guān)褶皺模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的構(gòu)造幾何變形模擬與復(fù)原技術(shù)，通過構(gòu)造變形的平衡恢復(fù)，尋求地震剖面最合理的構(gòu)造解釋方案，同時再現(xiàn)構(gòu)造變形的疊加過程和演化歷史[22]。如果模擬結(jié)果與實際剖面的吻合程度比較高，可為新建立的構(gòu)造模式提供理論依據(jù)。這樣的構(gòu)造解釋方案可極大降低工作過程中人為控制因素的權(quán)重，在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域可以有效減少某一地質(zhì)現(xiàn)象的多解性。

基于本文構(gòu)造變形時序研究成果，將研究區(qū)不同期次、不同性質(zhì)的斷裂發(fā)育模式作為約束條件開展了構(gòu)造正演模擬。為直觀反映文中地質(zhì)模型所特有的構(gòu)造特征，所有初始地層、斷層參數(shù)都以理想狀態(tài)下的水平層狀模型來進(jìn)行設(shè)置。

（1）圖5a為安居安組沉積之前，卡拉塔爾組灰?guī)r在上、下滑脫層（烏拉根組的泥巖和阿爾塔什組的膏泥巖）夾持下的初始水平層狀模型。

（2）圖5b—圖5c展示出受中新世晚期西昆侖造山活動的影響，研究區(qū)經(jīng)歷了一次小規(guī)模、低運動速率、以水平推覆作用為主的構(gòu)造活動，正是這一期相對較弱的構(gòu)造活動，導(dǎo)致卡拉塔爾組灰?guī)r內(nèi)部產(chǎn)生大量的低角度順層斷裂。

（3）圖5d展示出受更新世早期昆侖山前第一排構(gòu)造帶甫沙—克里陽背斜快速隆起的影響，研究區(qū)雖處于相對穩(wěn)定的構(gòu)造低部位，但整體構(gòu)造形態(tài)呈現(xiàn)出南高北低的特點，導(dǎo)致更新統(tǒng)西域組下段形成南薄北厚的沉積特征（圖3b）。

圖5 研究區(qū)卡拉塔爾組構(gòu)造變形的運動學(xué)模擬

（4）圖5e展示了更新世中期以來柯克亞背斜快速隆起，山前的部分高角度基底卷入型斷裂沿深部軟弱地層向前陸方向傳播（圖3a），導(dǎo)致研究區(qū)經(jīng)歷了一次大規(guī)模、高運動速率、以垂向隆升作用為主的構(gòu)造活動，正是這一期強(qiáng)烈的構(gòu)造運動導(dǎo)致背斜高部位地層被剝蝕，同時在背斜核部發(fā)育大量的高角度脆性調(diào)節(jié)斷裂（圖3c），形成了柯克亞背斜現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)。

4 油氣地質(zhì)意義

在對研究區(qū)主要目的層卡拉塔爾組構(gòu)造模式分析和構(gòu)造時序厘定的基礎(chǔ)上，對研究區(qū)內(nèi)高分辨率的三維地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行了精細(xì)的構(gòu)造解釋。通過把構(gòu)造正演模擬結(jié)果（圖5e）與實際地震剖面（圖3c）作對比，發(fā)現(xiàn)二者有以下4個特征可以類比：①背斜核部及北翼呈現(xiàn)目的層疊置加厚現(xiàn)象；②發(fā)育大量與下伏地層產(chǎn)狀相似的順層斷裂；③原本等厚的上滑脫層在褶皺前翼集聚加厚，形成局部的優(yōu)質(zhì)蓋層；④破碎帶以外褶皺兩翼的地層厚度穩(wěn)定。

正演模擬結(jié)果與實際地震剖面的構(gòu)造變形特征高度吻合，說明新的構(gòu)造解釋方案具有一定的合理性和科學(xué)性。

在新的構(gòu)造變形模式下，柯克亞背斜卡拉塔爾組灰?guī)r受2套滑脫層夾持，在背斜核部和北翼形成大量疊置斷塊，滑脫層優(yōu)異的垂向和側(cè)向封堵性能，使得油氣藏范圍內(nèi)每個斷塊都具備獨立成藏的條件。更新世中—晚期發(fā)育的高角度脆性調(diào)節(jié)斷裂能夠進(jìn)一步改造早期斷塊、改善儲集層物性，同時還促使阿爾塔什組滑脫層之下的油氣向上調(diào)整運移至卡拉塔爾組灰?guī)r優(yōu)質(zhì)儲集層中，形成斷塊油氣藏。這些認(rèn)識突破了以往只在構(gòu)造高部位部署井位的思路（圖6中的柯深101井），通過側(cè)鉆井或大斜度井在垂向上可能多次鉆遇卡拉塔爾組優(yōu)質(zhì)儲集層（圖6中設(shè)計的柯中1x井），將提高鉆井的成功率和單井效益，推動柯克亞凝析氣藏的滾動擴(kuò)邊，有效打開研究區(qū)當(dāng)前的勘探開發(fā)局面。

圖6 柯克亞背斜卡拉塔爾組氣藏模式圖（E2k1為上灰?guī)r段；E2k2為白云巖段；E2k3為下灰?guī)r段）

5 結(jié)論

新生代以來柯克亞背斜經(jīng)歷了中新世晚期、更新世早期和更新世中—晚期“一弱一停一強(qiáng)”3個階段構(gòu)造運動的疊加，每個階段的受力變形機(jī)制各不相同。第一階段以小規(guī)模、低速率、水平推覆作用為主，導(dǎo)致卡拉塔爾組形成大量的低角度疊瓦狀逆沖推覆斷層；第二階段以被動接受沉積作用為主，并未發(fā)生顯著的構(gòu)造活動；第三階段以大規(guī)模、高速率、基底卷入型的垂向隆升活動為主，導(dǎo)致早期低角度斷裂被破壞、改造，在背斜核部形成大量的高角度脆性調(diào)節(jié)斷裂。

多期斷裂疊加的構(gòu)造發(fā)育模式在形成大量疊置斷塊的同時，可有效改善局部儲集層物性，促進(jìn)深層油氣向卡拉塔爾組調(diào)整運移、充注成藏，為柯克亞地區(qū)的下步勘探開發(fā)提供了新的目標(biāo)類型。