準噶爾盆地烏爾禾瀝青礦脈走滑斷裂體系特征及形成機制

陳剛強 王學(xué)勇 劉海磊 戚艷平 李宗浩 卞保力

摘? 要：烏爾禾瀝青礦處于斷層破裂的初始階段，露頭觀測條件好，有三維地震資料覆蓋，是研究走滑斷裂體系發(fā)育特征和形成機制的經(jīng)典實例。通過露頭觀測、衛(wèi)片、三維地震資料解釋、同位素測年綜合分析，烏爾禾瀝青礦脈是在單剪作用力下形成的，最大主應(yīng)力方向為NE6.5°～SW186.5°，發(fā)育P剪切、R剪切和Y剪切作用形成的3組斷裂，平面上呈帚狀，剖面上呈“負花狀構(gòu)造”，為典型張扭斷裂體系。南緣天山隆起造成的近NS向的擠壓激活了西北緣的達爾布特斷裂，使其左旋走滑，形成左旋剪切應(yīng)力場，烏爾禾鼻隆深層斷裂弧形彎曲造成的應(yīng)力集中是淺層斷裂體系形成的根本原因。圍繞深層斷裂斷錯、彎轉(zhuǎn)和非連續(xù)里德爾破裂處刻畫淺層斷裂，是準噶爾盆地西北緣尋找淺層斷控“小而肥”油氣藏的重要方向。

關(guān)鍵詞：烏爾禾瀝青礦脈;走滑斷裂;形成機制;剪切作用

上世紀初通過對震后地面位錯現(xiàn)象的研究，認識到走滑構(gòu)造的普遍性和重要性[1-4]。走滑斷層在地殼淺層線狀構(gòu)造中占比超過50%，常形成復(fù)雜的“花狀構(gòu)造”斷裂體系，與油氣富集關(guān)系密切[5-7]。

準噶爾盆地西北緣克百斷裂帶——烏夏斷裂帶延伸上百公里，形成舉世聞名的克拉瑪依到烏爾禾百里油區(qū)[8-11]。該區(qū)深層二疊—三疊系發(fā)育大型逆沖斷裂體系，斷層斷距大，識別難度較小，已發(fā)現(xiàn)的油氣藏主要位于二疊—三疊系;淺層侏羅—白堊系發(fā)育正斷層和走滑斷層，斷距小，識別難度大，已發(fā)現(xiàn)的油氣藏規(guī)模小，分布規(guī)律不清，難以拓展。從三維地震資料上難以刻畫淺層斷裂的分布，先存的深層斷裂對后期淺層斷裂的形成具重要影響。烏爾禾瀝青礦脈淺層走滑斷裂體系處于破裂初始階段，斷裂形成后構(gòu)造運動微弱，地面露頭完整，觀測條件好，地下的三維地震資料利于斷層空間解譯。對該區(qū)開展野外露頭觀測、衛(wèi)片、三維地震資料解釋、同位素測年等綜合分析，通過深、淺結(jié)合，從力學(xué)機制上分析斷裂的形成機理，對確定淺層斷裂發(fā)育模式、空間分布、控制因素，勘探淺層斷控“小而肥”的油氣藏具重要意義。

1 地質(zhì)背景

烏爾禾瀝青礦地理位置處于新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依市烏爾禾區(qū)，構(gòu)造位于準噶爾盆地西北緣烏夏斷裂帶烏爾禾鼻隆上。該礦是我國唯一進行規(guī)?；_采的天然瀝青礦。1958年投入開采，最高年產(chǎn)瀝青達8 000 t，所生產(chǎn)的瀝青為世界少有的優(yōu)質(zhì)硬瀝青，是特種油漆和油墨的重要原料[12-13]。瀝青脈主要分布在近地表的白堊系吐谷魯群砂巖中，向下延伸至侏羅系和三疊系，瀝青充填在一組走滑斷裂體系的斷裂帶內(nèi)。瀝青礦脈的分布受控于斷裂體系，反映斷裂的空間分布特征。烏夏斷裂帶處于準噶爾盆地西北緣東北部，北靠哈拉阿拉特山，南臨瑪湖凹陷， 是自石炭紀末期經(jīng)多期構(gòu)造疊加影響的逆沖斷褶帶[14-15]。達爾布特斷裂是一條切斷地殼的深大斷裂，呈NE向展布，延伸約400 km，對準噶爾盆地西北緣構(gòu)造演化具重要影響。張越遷2011年研究認為達爾布特斷裂是古生界俯沖增生逆沖斷層，晚古生代后轉(zhuǎn)化為走滑斷層，二疊紀—新生代斷層均在活動，古生代晚期—中生代為右旋走滑，新生代轉(zhuǎn)為左旋走滑。陳石2016年研究認為達拉布特斷裂石炭紀為左行走滑，晚二疊—晚三疊世為右行走滑，新生代為左旋走滑。在烏爾禾地區(qū)古近系烏倫古河組被斷裂左旋錯開約20 km，是達拉布特斷裂在古近紀活動的直接證據(jù)[16-20]。烏爾禾瀝青礦距達爾布特斷裂約20 km，形成構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境受達爾布特斷裂古近紀活動影響。

2? 斷裂特征

2.1? 地面露頭特征

瀝青礦脈出露于白堊系吐谷魯群砂巖斷裂裂縫中，白堊系向南東傾，產(chǎn)狀平緩，傾角約3°。研究區(qū)露頭可見18條主要斷裂，形成一個向SE向撒開、向NE向收斂的帚狀斷裂帶，地表分布面積約0.5 km2（圖1）。斷裂均呈NE走向，延伸長30～900 m，斷面近于直立，略向SE傾或NW傾，傾角一般大于80°。瀝青礦脈寬（斷層水平斷距）一般在0.05～0.5 m，最大約1.2 m，礦脈兩側(cè)砂巖因瀝青浸染呈黑色，浸染寬度0.5～1.5 m，形成黑色瀝青砂巖。通過衛(wèi)片、野外觀測，結(jié)合前人研究資料，將研究區(qū)斷裂分為4個次級斷裂（帶）。

北側(cè)Ⅰ號斷裂帶? 由8條小斷裂組成，呈波狀延伸，長70～340 m，傾向260°～330°，傾角70°～85°，斷距小于1 m。其中Ⅰ2斷裂延伸長250 m，主要為逆斷裂，西段斷距較大，約0.6 m，東段斷距逐漸變小，直至斷距為0 m，具樞紐斷裂特征。Ⅰ3斷裂長340 m，西段為逆斷裂，東段為正斷裂，具典型樞紐斷裂特征，剖面上階步現(xiàn)象明顯，反映出左旋走滑運動特征（圖2），瀝青脈寬30～50 cm，脈壁兩側(cè)油浸厚50～90 cm。

中間Ⅱ號斷裂帶? 僅發(fā)育一條正斷裂，呈略向北突的緩弧形，延伸長900 m，是研究區(qū)延伸最大、礦脈規(guī)模最大斷裂，斷裂走向50°～230°，傾向320°，傾角85°，斷距2 m。瀝青脈寬度不同，東段最寬2 m，最窄5～6 cm，一般寬20～30 cm;中段最寬35 cm，一般寬15～20 cm;西段最寬1.5 m，一般寬20～30 cm。脈壁兩側(cè)油浸厚度最寬1 m，一般寬30～50 cm，控脈斷裂滑距時寬時窄的特點反應(yīng)出斷裂具扭性，正斷裂具張性，總體表現(xiàn)為張扭性。

南側(cè)Ⅲ號斷裂帶? 由8條主要斷裂組成，斷線平直延伸，平面呈疊瓦狀，長70～500 m，為正斷裂，傾向300°～330°，傾角85°～88°，斷距均小于0.5。其中Ⅲ4斷裂斷面上階步現(xiàn)象明顯，反應(yīng)出正斷裂及左旋走滑運動特征。

西南側(cè)發(fā)育Ⅳ號斷裂帶? 僅發(fā)現(xiàn)一條斷裂，走向與其余斷裂相差較大。

總體來說，研究區(qū)斷裂具以下特征：斷裂均為NE向，斷面陡直、光滑，其中Ⅰ號斷裂傾角相對稍小，一般大于75°，斷裂在平面上具波狀彎曲特征，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號斷裂斷面傾角均超過85°，平面上較平直。斷裂兩盤相對運動距離較小，傾向滑距一般不超過2 m，斷面上階步現(xiàn)象均反映左旋走滑運動特征，其中Ⅰ號斷裂相對運動方向較復(fù)雜，觀察點顯示正斷裂、逆斷裂均發(fā)育，個別斷裂表現(xiàn)為樞紐斷裂特征，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號斷裂為正斷裂。

2.2? 地震剖面特征

準噶爾盆地西北緣早二疊世為典型前陸盆地，烏夏斷裂帶發(fā)育一組NE走向的逆沖斷裂體系，后期持續(xù)活動[21-22]。從地震剖面上看，深層逆沖斷裂自石炭系向上斷至白堊系底部，深層斷裂體系之上發(fā)育向上斷穿至地面，向下斷至侏羅系、三疊系的淺層斷裂體系，兩套斷裂體系在剖面上呈“Y”型組合，在平面上近平行延伸，均為NE走向（圖3）。雖淺層斷裂斷距小，但由于近地表，且充填瀝青，瀝青挖空后空置或充填低密度物質(zhì)，瀝青礦脈斷裂在地震剖面上反射特征清晰，主要表現(xiàn)為地震反射軸的挫斷、撓曲現(xiàn)象。據(jù)斷裂地表位置，結(jié)合地震剖面波組變化特征，可準確確定淺層斷裂解釋方案。瀝青礦脈發(fā)育在烏爾禾鼻隆的F4斷裂之上，淺層斷裂具“負花狀構(gòu)造”特征，Ⅱ號、Ⅳ號斷裂直接與深層的F4斷裂呈“Y”型組合，Ⅰ號、Ⅲ號斷裂體系與Ⅱ號斷裂交接，未能直接溝通深層斷裂（圖4）。

3? 淺層斷裂形成機制

3.1? 受力分析

淺層斷裂體系形成的力學(xué)特征符合走滑斷層作用的單剪機制。研究表明，大型走滑斷裂均處于單剪域中，里德爾模式是現(xiàn)今被廣泛接受和應(yīng)用的單剪模式[23]。據(jù)里德爾模式分析，烏爾禾瀝青礦脈Ⅰ號斷裂帶形成于P剪切作用，為次生的同向走滑斷層，角度與實際剪切方向呈19.5°，即內(nèi)摩擦角為39°;Ⅱ號斷裂形成于Y 剪切作用，斷裂走向平行主位移帶;Ⅲ號斷裂帶形成于R剪切作用，為同向走滑斷層，與實際剪切方向也呈19.5°;該區(qū)域R’剪切作用下的反向走滑斷層與T斷裂不發(fā)育。通過P剪切與R’剪切作用力方向相互垂直，可求得R’剪切作用力方向，進而求得烏爾禾瀝青礦脈斷層形成的最大主應(yīng)力方向為NE6.5°，該方向與天山山脈向準噶爾盆地的擠壓方向基本一致（圖5）。

3.2? 區(qū)域應(yīng)力分析

烏爾禾鼻隆淺層斷裂的形成與瀝青礦的形成是同步的，斷裂活動造成深層油氣沿斷層向上運移，形成瀝青。1997年張景廉、朱炳泉等通過烏爾禾瀝青中銣（Nd）、鍶（Sr）、鉛（Pb）同位素分析確定年齡為（122±39）Ma、116 Ma[24]，為晚白堊世—古近紀早期（燕山運動晚期—喜山運動早期）。晚白堊世—新生代印度板塊與歐亞大陸碰撞，在新疆地區(qū)引起天山山脈的隆起及準噶爾盆地南緣前陸盆地的發(fā)育，在準噶爾盆地內(nèi)形成近NS向的擠壓應(yīng)力環(huán)境。在該應(yīng)力條件下，達爾布特斷層重新活動，發(fā)生左旋走滑，在準噶爾盆地西北緣形成左旋剪切構(gòu)造應(yīng)力場，二疊—三疊紀形成的NE向逆沖斷裂也再次活動，運動方向由向盆地內(nèi)部的大幅度逆沖轉(zhuǎn)換為NE向的小幅度左旋走滑。烏爾禾鼻隆深淺兩套斷裂體系具有繼承性，平面上近平行，均為NE走向，其中深層F4斷層整體走向為NE55°，淺層Ⅱ號斷裂整體走向為NE51.5°，兩者僅相差3.5°，淺層斷裂走向更偏北，相對深層斷裂發(fā)生左旋，這也說明了斷裂形成時研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力具有左旋特征，淺層Ⅰ號斷裂帶整體走向為NE71°，Ⅲ號斷裂帶整體走向為NE32°。走滑斷裂作用中，經(jīng)常在主斷裂的斷錯、彎轉(zhuǎn)和非連續(xù)里德爾破裂處發(fā)生離散走滑、會聚走滑，形成次級同向走滑斷裂，這些斷裂在剖面上一般呈現(xiàn)“花狀構(gòu)造”。正花狀構(gòu)造是由收斂性走滑斷層在壓扭性應(yīng)力場下形成的，負花狀構(gòu)造是由離散性走滑斷層在張扭性應(yīng)力場下形成的?；顦?gòu)造經(jīng)常出現(xiàn)同一剖面上正、逆斷層共存，同一斷層傾向不同、斷距規(guī)模和方向不同的現(xiàn)象。在烏爾禾瀝青礦脈斷裂系統(tǒng)中，深層的F4斷裂在斷裂系統(tǒng)中部向南東方向發(fā)生了少量弧狀彎轉(zhuǎn)，白堊紀—古近紀該斷裂再次走滑運動時，由先存的彎轉(zhuǎn)構(gòu)造造成該區(qū)域應(yīng)力相對集中，繼而形成了淺層斷裂系統(tǒng)。平面上淺層Ⅱ號主斷裂在深層斷裂彎轉(zhuǎn)的部位發(fā)生了相反方向的彎轉(zhuǎn)，同時Ⅰ號、Ⅲ號斷裂帶在該區(qū)域也發(fā)生相應(yīng)的彎轉(zhuǎn)。在剖面上深淺斷裂呈“Y”字形，淺層斷裂為典型的“負花狀構(gòu)造”，其中Ⅱ號斷裂為主斷裂，Ⅰ號、Ⅲ號斷裂體系為其派生或伴生構(gòu)造。

4? 控藏作用及勘探意義

4.1? 控藏作用

瑪湖凹陷周緣是準噶爾盆地油氣最富集的地區(qū)，探明油氣儲量占全盆地的60%以上，原油產(chǎn)量占全盆地的40%以上，烏爾禾鼻隆緊鄰瑪湖凹陷，處于瑪湖凹陷二疊系優(yōu)質(zhì)烴源灶內(nèi)，油源條件充足。斷裂對成藏的雙重作用在烏爾禾鼻隆得到對立統(tǒng)一的完美體現(xiàn)。

晚白堊世—新生代早期，由于深淺斷裂體系的溝通，烏爾禾鼻隆二疊系、三疊系油藏遭到破壞，油氣沿斷裂向上運移到侏羅系、白堊系中。原油首先充填到裂隙中，并對圍巖形成浸染。由于近地表石油中的輕組分不斷逸散，隨著白堊系裂縫中原油的瀝青化，油氣向上運移阻力增強，主要沿侏羅系順層運移，形成侏羅系稠油油藏，裂縫中的原油逐漸演化成現(xiàn)今的瀝青礦[25-27]。隨著“瀝青塞”的形成，斷裂封閉，二疊系、三疊系油藏下部烴源巖繼續(xù)供烴，仍保存了一定規(guī)模的稀油油藏。由于二疊系、三疊系油藏遭受破壞，多期充注，造成現(xiàn)今油藏原油性質(zhì)變化大，既有密度0.82 t/m3的輕質(zhì)油，也有0.93 t/m3的稠油，甚至取心可見瀝青，但整體以中質(zhì)油為主，形成了二疊系、三疊系稀油油藏、侏羅系稠油油藏、白堊系瀝青礦三位一體的成藏（成礦）模式和“瀝青塞”封堵油藏的范例。

4.2? 勘探意義

瀝青礦脈的形成表明：晚白堊—古近紀準噶爾盆地西北緣發(fā)育一期走滑構(gòu)造運動。大量油氣通過深層大型逆沖斷層與淺層小型走滑斷層組成的斷裂系統(tǒng)運移到淺層侏羅、白堊系。準噶爾盆地西北緣深層逆沖斷裂成排成帶分布，晚白堊—古近紀構(gòu)造活動形成一批類似瀝青礦脈的淺層斷裂，深-淺斷裂系統(tǒng)形成油氣運移的接力通道，使油氣運移到淺層侏羅、白堊系成藏。

準噶爾盆地西北緣淺層走滑斷裂斷距小，地震剖面上不易發(fā)現(xiàn)，深層逆沖斷裂斷距大，地震剖面、平面顯示明顯。從形成機制上分析，圍繞深層斷裂斷錯、彎轉(zhuǎn)和非連續(xù)里德爾破裂處刻畫淺層斷裂，是西北緣沖斷帶尋找淺層油氣藏的重要方向。其中烏爾禾斷裂帶與夏子街斷裂帶交接處，是最有利的勘探區(qū)帶。

5? 結(jié)論

（1）烏爾禾瀝青礦脈斷裂體系是在單剪作用下形成的，最大主應(yīng)力方向為NE6.5°，內(nèi)摩擦角為39°，發(fā)育里德爾模式P剪切、R剪切和Y剪切作用形成的3組斷裂。

（2）準噶爾盆地古近紀再生前陸盆地時期，南緣天山隆起形成的近NS向的擠壓力造成西北緣達爾布特斷層左旋走滑，在斷裂帶形成左旋剪切應(yīng)力場，烏爾禾鼻隆深層F4斷裂的弧形彎曲造成應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致淺層的瀝青礦脈斷裂體系的發(fā)育。

（3）從斷裂形成的力學(xué)機制出發(fā)，圍繞深層斷裂彎曲、斷錯處刻畫淺層斷裂，是準噶爾盆地西北緣沖斷帶尋找淺層油氣藏的重要方向。

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Strike-slip Fault System Characteristics and Forming Mechanisms of Bituminous Vein in Wuerhe， Junggar Basin

Chen Gangqiang1， Wang Xueyong2，? Liu Hailei2，Li Zonghao2，? Bian Baoli2

（1.Petroleum institute of Karamay campus，China university of petroleum（Beijing）， Karamay，Xinjiang，834000，China;

2.Institute of Experiment and Analysis，PetroChina Xinjiang Oilfield Company，Karamay，Xinjiang，834000，China）

Abstract： Wuerhe bituminous vein is a classical example to study the characteristics and formation mechanism of strike-slip fault system，which is in the initial stage of fault rupture， no structural overlap in the later stage， has good outcrop observation conditions and three-dimensional seismic data coverage.Through outcrop observation，satellite photograph，three-dimensional seismic data interpretation and isotope dating，it is concluded that the Wuerhe asphalt vein faults are formed under the action of single shear force， and the maximum principal stress direction is NE6.5°-SW186.5°.There are three groups of faults formed by P shear， R shear and Y shear，which are broom-like in plane and negative flower-like in profile，and belong to typical tension-torsion fault system.The north-south compression caused by the Tianshan uplift in the southern margin activates the Daerbute fault in the Northwest margin of Junggar Basin，which makes it sinistral strike-slip and forms a sinistral shear stress field in the Northwest margin.Under this stress field， the stress concentration caused by the arc bending of the deep fracture of Wuerhe nasal uplift is the fundamental reason for the formation of the shallow asphalt vein fracture system.The description of shallow faults around the bends and dislocations of deep faults is an important direction for searching for shallow fault-controlled "small and enriched" oil and gas reservoirs in the northwestern margin of Junggar Basin.

Key words： Bituminous vein in Wuerhe;Strike-slip fault;Forming mechanismShear action