準(zhǔn)噶爾盆地西北緣石炭系火山巖斷層封堵史與油氣成藏

高長(zhǎng)海，張嘉豪，江汝鋒

(1.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； 2.海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580；3.中海油湛江分公司 研究院，廣東 湛江 524057)

引 言

準(zhǔn)噶爾盆地西北緣位于扎伊爾山—哈拉阿拉特山東南山前過渡帶，勘探面積約1.2×104km2。受晚海西、印支、燕山等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，造成區(qū)內(nèi)斷裂十分發(fā)育，并控制了油氣的運(yùn)聚成藏。該區(qū)先后在石炭系發(fā)現(xiàn)了克拉瑪依、百口泉、車排子等40多個(gè)火山巖油田/藏。前人在構(gòu)造特征[1-3]、儲(chǔ)層特征[4-6]、成藏特征[7-9]等方面作了大量研究工作，但較少探討地史時(shí)期(尤其是成藏期)的斷層封堵性，對(duì)油氣成藏過程、油氣分布規(guī)律等缺乏深入認(rèn)識(shí)，這制約了火山巖油氣藏的精細(xì)勘探。本文在前人研究成果基礎(chǔ)上，以準(zhǔn)噶爾盆地克拉瑪依油田石炭系火山巖為例，通過對(duì)三維地震資料的綜合解釋，運(yùn)用平衡剖面技術(shù)、最大古落差法等，分析了斷層活動(dòng)史，恢復(fù)了斷層封堵史，探討了斷層與油氣運(yùn)聚成藏關(guān)系，以期為油氣成藏規(guī)律、有利區(qū)帶預(yù)測(cè)等提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地西北緣構(gòu)造上處于西伯利亞板塊、東歐板塊和塔里木板塊的交匯部位，為一整體呈北東向展布的大型逆沖構(gòu)造帶[10]。研究區(qū)在晚石炭世火山噴發(fā)和間歇期沉積的共同作用下，形成了一套巨厚的火山巖-沉積巖交互式地層[11]，巖性主要包括火山熔巖類的玄武巖、安山巖、霏細(xì)巖和火山碎屑巖類的火山角礫巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂礫巖、輝綠巖和砂礫巖。

準(zhǔn)噶爾盆地西北緣主要經(jīng)歷了中晚二疊世晚海西運(yùn)動(dòng)、三疊紀(jì)末印支運(yùn)動(dòng)、中晚侏羅世早燕山運(yùn)動(dòng)以及白堊紀(jì)末晚燕山運(yùn)動(dòng)[12]，造成石炭系火山巖斷塊體向東南不斷推覆形成南東低北西高的斷階狀格局。受不同期次構(gòu)造活動(dòng)影響，區(qū)內(nèi)斷層十分發(fā)育，各級(jí)斷層呈不規(guī)則網(wǎng)狀分布，按斷層規(guī)模可分為三級(jí)斷層(圖1)。其中，一級(jí)斷層規(guī)模大，屬逆沖斷層，延伸長(zhǎng)度20～50 km，如克拉瑪依斷層、南白堿灘斷層；二級(jí)斷裂規(guī)模較大，屬逆沖或壓扭斷層，延伸長(zhǎng)度15～25 km，斷距達(dá)數(shù)公里，如大侏羅溝斷層、克拉瑪依西斷層等；三級(jí)斷裂規(guī)模較小，屬逆沖斷層，延伸長(zhǎng)短不一，斷距一般數(shù)十米或數(shù)百米，如北黑油山斷層、南黑油山斷層和白堿灘斷層等。這些斷層控制了石炭系火山巖油藏的形成與分布，主要分布于克百斷裂帶上盤，油藏分布的差異性以及不同斷塊之間油水界面的差異性均與斷層的活動(dòng)性和封堵性緊密相關(guān)。

圖1 研究區(qū)石炭系斷裂及油藏分布Fig.1 Carboniferous fault and hydrocarbon distribution in the study area

2 斷層活動(dòng)史

選取克拉瑪依、南白堿灘、白堿灘、北黑油山、南黑油山以及西白百等主要斷層，在對(duì)三維地震資料精細(xì)解釋的基礎(chǔ)上，利用最大古落差法對(duì)這些斷層活動(dòng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)(圖2)。結(jié)果表明，克拉瑪依斷層活動(dòng)期為二疊紀(jì)—晚侏羅世，存在中晚三疊世和中晚侏羅世2期強(qiáng)烈活動(dòng)；南白堿灘斷層活動(dòng)期為二疊紀(jì)—晚侏羅世，存在中三疊世、早侏羅世和中晚侏羅世3期強(qiáng)烈活動(dòng)；白堿灘斷層活動(dòng)期為中三疊世—中侏羅世，存在晚三疊世和中侏羅世2期較強(qiáng)烈活動(dòng)；南黑油山斷層活動(dòng)期為早侏羅世—晚侏羅世，存在早侏羅世和中侏羅世2期較弱活動(dòng)；北黑油山斷層活動(dòng)期為早侏羅世—晚侏羅世1期較弱活動(dòng)；西白百斷層活動(dòng)期為中晚侏羅世1期較弱活動(dòng)。根據(jù)斷層活動(dòng)強(qiáng)度，研究區(qū)斷層活動(dòng)史可劃分為早中三疊世活動(dòng)間歇期、中晚三疊世強(qiáng)烈活動(dòng)期、早中侏羅世活動(dòng)間歇期和白堊紀(jì)以后靜止期?？傮w上，高級(jí)次斷層活動(dòng)表現(xiàn)為“強(qiáng)度大、時(shí)間早、期次多”的特征，如克拉瑪依斷層、南白堿灘斷層和白堿灘斷層；而低級(jí)次斷層活動(dòng)表現(xiàn)為“強(qiáng)度小、時(shí)間晚、期次少”的特征，如北黑油山斷層、南黑油山斷層和西白百斷層。

圖2 研究區(qū)主要斷層活動(dòng)史Fig.2 Activity history of main faults in the study area

在石炭系斷層中發(fā)現(xiàn)了大量的鹽水包裹體和烴類包裹體。這些包裹體主要賦存于方解石脈中，是油氣曾經(jīng)沿?cái)鄬舆\(yùn)移的直接證據(jù)。鹽水包裹體均一溫度主要存在3個(gè)區(qū)間，即60～70 ℃、80～90 ℃和100～110 ℃，結(jié)合埋藏史，確定流體活動(dòng)時(shí)間(油氣充注時(shí)間)依次為中三疊世、三疊紀(jì)末—早侏羅世和中晚侏羅世，這3期流體活動(dòng)正是斷層的主要活動(dòng)期(圖2)；根據(jù)有機(jī)質(zhì)演化程度，烴類包裹體也可分為3期，透射光下呈現(xiàn)褐黃色、黃褐色和淡黃色，相應(yīng)的熒光下呈現(xiàn)棕褐色、亮黃色和黃綠色(圖3)，這與鹽水包裹體均一溫度以及斷層活動(dòng)史的分析結(jié)果相吻合。

3 斷層封堵史

斷層活動(dòng)史反映了斷層活動(dòng)的時(shí)期和強(qiáng)度，斷面古壓應(yīng)力反映了地質(zhì)時(shí)期斷面的緊閉程度，兩者結(jié)合可恢復(fù)斷層封堵史[13]。斷層強(qiáng)烈活動(dòng)時(shí)處于開啟狀態(tài)，以最大古落差評(píng)價(jià)斷層封堵性；斷層活動(dòng)間歇期或靜止期可能處于封堵狀態(tài)，以斷面古壓應(yīng)力評(píng)價(jià)斷層封堵性。借鑒前人構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化史研究成果[14-15]，結(jié)合構(gòu)造演化史恢復(fù)，獲得各地質(zhì)時(shí)期古埋深、古傾角、水平主壓應(yīng)力大小和方向等參數(shù)，即可計(jì)算出斷層斷面古壓應(yīng)力值。

圖3 研究區(qū)石炭系斷層中流體包裹體鏡下特征Fig.3 Microscopic characteristics of fluid inclusions in the carboniferous faults of the study area

根據(jù)斷面古壓應(yīng)力和最大古落差特征，結(jié)合斷層封堵類型[16]，將研究區(qū)斷層封堵特征劃分為深成型和淺成型。深成型斷層多為高級(jí)次斷層，如克拉瑪依斷層、南白堿灘斷層、白堿灘斷層等，這些斷層在中晚三疊世(強(qiáng)烈活動(dòng)期)的最大古落差分別為201 m、236 m、97 m，而在侏羅紀(jì)的最大古落差分別為152 m、179 m、116 m，表明中晚三疊世的斷層古輸導(dǎo)性能好于侏羅紀(jì)。早中三疊世(活動(dòng)間歇期Ⅰ)的斷面古壓應(yīng)力值為39～62 MPa，早中侏羅世(活動(dòng)間歇期Ⅱ)的斷面古壓應(yīng)力值為80～95 MPa，靜止期(白堊紀(jì)以后)的斷面古壓應(yīng)力值為26～76 MPa，表明早中侏羅世的斷層古封堵性能較好(圖4)。淺成型斷層多為低級(jí)次斷層，如北黑油山斷層、南黑油山斷層、西白百斷層等，其中北黑油山斷層和南黑油山斷層在侏羅紀(jì)的最大古落差分別為146 m、68 m，表明侏羅紀(jì)的斷層古輸導(dǎo)性能較差。早中三疊世的斷面古壓應(yīng)力值為57～63 MPa，早中侏羅世的斷面古壓應(yīng)力值為72～87 MPa，靜止期的斷面古壓應(yīng)力值為7～60 MPa，表明早中侏羅世的斷層古封堵性能較好(圖4)?？傮w來看，深成型斷層強(qiáng)烈活動(dòng)期的古輸導(dǎo)性能以及活動(dòng)間歇期II和靜止期的古封堵性能好于淺成型，而淺成型斷層在活動(dòng)間歇期Ⅰ的古封堵性能較好(表1)。

4 斷層控藏作用

斷層封堵史與油氣充注期的配置控制了地質(zhì)時(shí)期的油氣運(yùn)聚成藏及其差異性[17-19]。準(zhǔn)噶爾盆地西北緣石炭系火山巖發(fā)育區(qū)深成型斷層和淺成型斷層的封堵史與該區(qū)主要油氣充注期(中三疊世、三疊紀(jì)末—早侏羅世、中晚侏羅世)[20-21]具有不同的配置關(guān)系，從而具有不同的成藏特征。

4.1 深成型斷層對(duì)油氣多期成藏的控制

中三疊世油氣充注期，克拉瑪依、南白堿灘等斷層活動(dòng)加強(qiáng)，斷層輸導(dǎo)性能較好，此時(shí)瑪湖凹陷風(fēng)城組烴源巖生成的原油通過斷層垂向運(yùn)移至石炭系，但因三疊紀(jì)晚期仍有部分?jǐn)鄬踊顒?dòng)，導(dǎo)致該期油氣大量散失。三疊紀(jì)末—早侏羅世油氣充注期，克拉瑪依、南白堿灘、白堿灘等斷層活動(dòng)強(qiáng)烈，斷層輸導(dǎo)性能好，尤其是南白堿灘斷層與油氣充注期配置最好，瑪湖凹陷風(fēng)城組烴源巖生成的原油進(jìn)入石炭系，由于早中侏羅世這些斷層具較好的封堵性能，大量油氣得以聚集成藏。中晚侏羅世油氣充注期，深成型斷層再次強(qiáng)烈活動(dòng)，斷層輸導(dǎo)性能較好，尤其是克拉瑪依斷層和南白堿灘斷層與油氣充注期配置好，成為瑪湖凹陷風(fēng)城組烴源巖生成的天然氣垂向運(yùn)移的通道，白堊紀(jì)時(shí)斷層停止活動(dòng)，斷層封堵性能好，油氣得以聚集成藏(圖4(a)—圖4(c))。

圖4 研究區(qū)斷層封堵史與油氣成藏期配置Fig.4 Configuration of fault sealing history and hydrocarbon accumulation stages in the study area

活動(dòng)時(shí)期深成型淺成型活動(dòng)間歇期Ⅰ(早中三疊世)39 MPa

注：P古為斷面古壓應(yīng)力，MPa；ΔH最大為最大古落差，m。

4.2 淺成型斷層對(duì)油氣晚期成藏的控制

中三疊世油氣充注期，淺成型斷層活動(dòng)弱，封堵性能較好，難以作為油氣運(yùn)移的通道；三疊紀(jì)末—早侏羅世油氣充注期，大多數(shù)斷層輸導(dǎo)性能較差，僅有少量斷層(如南黑油山斷層)具較好的輸導(dǎo)性能，且與油氣充注期配置較好(圖4(d))，利于油氣垂向運(yùn)移，后期由于早中侏羅世斷層封堵性較好，油氣得以聚集成藏，但油氣藏規(guī)模較??；中晚侏羅世油氣充注期，淺成型斷層活動(dòng)強(qiáng)烈，輸導(dǎo)性能較好，可作為油氣運(yùn)移通道，盡管白堊紀(jì)斷層停止活動(dòng)，但封堵性能較差，部分油氣發(fā)生散失，導(dǎo)致油藏規(guī)模亦較小。

白堊紀(jì)—今，無論是深成型斷層，還是淺成型斷層，斷層活動(dòng)基本停止。因此，白堊紀(jì)—現(xiàn)今斷層主要對(duì)油氣起封堵作用，其封堵能力主要取決于現(xiàn)今封堵性。封堵性控制油氣藏的規(guī)模、類型及分布特征。斷層現(xiàn)今封堵性研究結(jié)果表明[16]：深成型斷層現(xiàn)今封堵性較好，斷層兩盤不具統(tǒng)一油水界面，形成斷塊型油藏，且油藏規(guī)模大；淺成型斷層現(xiàn)今封閉性較差，油藏具統(tǒng)一油水界面，形成斷凸型油藏，且油藏規(guī)模較小。由此可見，隨著斷層級(jí)別的增大，斷層現(xiàn)今封堵性能越好，控制的油藏規(guī)模也越大(圖5)。

圖5 研究區(qū)斷層控藏模式Fig.5 Fault-controlled hydrocarbon accumulation mode in the study area

5 結(jié) 論

(1)斷層活動(dòng)主要經(jīng)歷早中三疊世活動(dòng)間歇期、中晚三疊世強(qiáng)烈活動(dòng)期、早中侏羅世活動(dòng)間歇期和白堊紀(jì)以后靜止期，高級(jí)次斷層活動(dòng)具“強(qiáng)度大、時(shí)間早、期次多”的特征，而低級(jí)次斷層活動(dòng)表現(xiàn)為“強(qiáng)度小、時(shí)間晚、期次少”的特征。

(2)深成型斷層多為高級(jí)次斷層，其在中晚三疊世強(qiáng)烈活動(dòng)期的輸導(dǎo)性能以及早中侏羅世活動(dòng)間歇期、白堊紀(jì)以后靜止期的封堵性能好；淺成型斷層多為低級(jí)次斷層，其在早中三疊世活動(dòng)間歇期的封堵性能較好。

(3)深成型斷層控制油氣多期成藏，以形成斷塊型油藏為主，且油藏規(guī)模大；淺成型斷層控制油氣晚期成藏，以形成斷凸型油藏為主，且油藏規(guī)模較小。