塔南凹陷洼槽構(gòu)造演化過程及對有效烴源巖分布的控制

紀(jì)文婷 孫永河 孫 旭 劉 露

(東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

0 區(qū)域概況

海拉爾—塔木察格(海塔)盆地位于中亞蒙古弧形構(gòu)造帶東段，經(jīng)多年勘探實踐證實，盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)的油氣富集帶大多分布在中部斷陷帶[1]。盆地分割性極強，往往發(fā)育眾多形態(tài)各異的洼槽，這些大而深的主洼槽是剩余油氣資源的主要富集帶，具有極大的勘探潛力。洼槽兩端一般不對稱[2]，屬于斷陷以下次級負(fù)向構(gòu)造單元，通常較陡一端為主干邊界斷層，較緩一端為斜坡帶。每個洼槽具有不同的結(jié)構(gòu)、地層沉積特點、生油條件和儲層特征，每個洼槽都是一個獨立的成藏單元[3]。現(xiàn)今具有統(tǒng)一沉積、沉降特征的大且深的洼槽，可能是由若干個小型洼槽通過主干邊界斷層相互作用和生長連接而成[4]。這種由多個具有相對獨立的烴類生成、運移和聚集的基本地質(zhì)單元特征的洼槽復(fù)合而成的斷陷盆地稱為“復(fù)式小型斷陷湖盆群”[5]。

海塔盆地的構(gòu)造格局為“三坳兩隆”，包括西部斷陷帶、中部斷陷帶和東部斷陷帶以及東部隆起和西部隆起(圖1a)[6]。塔南凹陷面積為3500km2，位于海塔盆地中部斷陷帶的南部，整體上為NE向的大型寬緩“東斷西超”的箕狀斷陷，構(gòu)造格局為“三凹兩凸一斜坡”(圖1b)[7]。以三維地震資料解釋成果為基礎(chǔ)，可在海塔盆地中部斷陷帶內(nèi)自下而上識別出T5、T31、T3、T23-2、T23-1、T23、T22、T21、T2、T1和T04共11個主界面，一級層序界面為T5、T22和T04，二級層序界面為T3和T23-1。海塔盆地在地史時期經(jīng)歷了5期構(gòu)造演化，塔南凹陷自下而上依次為山間殘留盆地(銅缽廟組)、被動裂陷盆地(南一段下和南一段中)、主動裂陷盆地(南一段上和南二段)、斷坳盆地(大磨拐河組和伊敏組)和坳陷盆地(青元崗組)構(gòu)造層[8](圖2)。

圖1 塔南凹陷構(gòu)造位置(a)及構(gòu)造單元劃分圖(b)[6-7]

目前關(guān)于洼槽的認(rèn)識，僅局限于現(xiàn)今洼槽樣式和沉積體系特征對油氣藏的控制作用[9]，對中國陸相斷陷盆地內(nèi)的洼槽演化過程缺乏詳細(xì)研究。大位移主干邊界斷層的生長演化機制決定了洼槽的主要構(gòu)造演化過程，因此需要研究主干邊界斷層的生長及活化過程，探討其對洼槽演化的控制作用。本文以海塔盆地塔南凹陷為靶區(qū)，在三維地震解釋的基礎(chǔ)上，觀察沉積地層厚度特征及其對應(yīng)關(guān)系，并結(jié)合斷距—距離曲線和斷距—埋深曲線，通過最大斷距回剝法系統(tǒng)分析洼槽主干邊界斷層生長機制和洼槽構(gòu)造演化過程，明確洼槽結(jié)構(gòu)對有效烴源巖分布的控制作用，對海塔盆地乃至中亞蒙古構(gòu)造帶東段“復(fù)式小型斷陷湖盆群”油氣勘探具有重要意義。

1 主干邊界斷層生長機制及洼槽演化過程

1.1 主干邊界斷層生長機制

近年來，隨著研究的不斷深入，人們普遍認(rèn)為，洼槽演化主要源自主干邊界斷層位移的不斷擴展[10]，主干邊界斷層的整個生長過程控制了斷層累計位移的空間分布，從而決定了洼槽的結(jié)構(gòu)、規(guī)模以及演化模式。根據(jù)斷層位移沿走向的傳播方式將斷層生長機制分為孤立斷層生長機制、斷層分段生長機制兩類[11]。通過編制的斷距—距離(T-X)曲線[12]特征分析斷層的平面生長過程。以塔南凹陷東洼槽邊界斷層F1為例，現(xiàn)今為一條斷面軌跡曲折的大位移斷層，其T-X曲線具有2個極小值點和3個極大值點。通過最大斷距回剝法[11]恢復(fù)斷層生長史(圖3b)，結(jié)果表明： 南一段上沉積后，F(xiàn)1表現(xiàn)為3條NE向側(cè)列控洼的孤立小斷層F1-1、F1-2和F1-3； 南二段沉積時期，F(xiàn)1-1、F1-2、F1-3相向生長，在測線Line517和Line741處通過傳遞斷層“硬連接”為一條大斷層； 當(dāng)大一段沉積后，F(xiàn)1進一步生長。

研究表明，裂陷盆地斷層分段生長具有普遍性，初期兩條孤立斷層在平面上生長，逐漸轉(zhuǎn)化為“軟連接”階段，持續(xù)生長進入“硬連接”階段，在疊覆區(qū)內(nèi)由斷層相互作用形成的轉(zhuǎn)換斜坡處總斷距相對較小。由若干條小斷層生長、連接形成的大斷層的T-X曲線常出現(xiàn)多個“極大值點”和“極小值點”，其中“極小值點”一般存在于斷層分段生長連接點處。因此，塔南凹陷內(nèi)多數(shù)主干邊界斷層主要由斷層分段生長機制形成。

圖3 塔南凹陷東次凹T23-1構(gòu)造圖(a)與F1斷層T-X曲線回剝結(jié)果(b)

1.2 塔南凹陷洼槽演化

1.2.1 主干邊界斷層活動時期厘定

洼槽主要形成于主干邊界斷層強烈活動時期，沿斷層走向選取T-X曲線上最大斷距處正交剖面的地震數(shù)據(jù)，繪制斷距—埋深(T-Z)曲線[13]，結(jié)合生長指數(shù)變化規(guī)律，明確斷層各時期活動性，確定洼槽主要形成時期。

根據(jù)T-Z曲線的幾何學(xué)特征，將斷層分為3種類型[12]：①孤立型斷層，曲線形狀為C型(圖4a)，成核點處斷距最大，向上、下分別逐漸減小至0(圖4b)，屬于一期活動斷層；②先存斷層向上傳播再活化斷層，曲線形狀為折線型，曲線中部有明顯的垂直段，對應(yīng)于斷距向上保持不變(圖4b)，表示斷層靜止期，為多期活動斷層；③傾向連接再活化斷層，曲線形狀為M型，其中兩個斷距極大值被一個斷距極小值分隔(圖4c)，說明斷層存在上、下兩個成核點，由兩條斷層Fa、Fb傾向連接形成，屬于多期活動斷層。因此通過研究T-Z曲線的幾何學(xué)特征，可以明確斷層在不同時期的活動性。

圖4 不同類型斷層的地層剖面(左)及T-Z曲線(右)

選取研究區(qū)內(nèi)9條主干邊界斷層為研究對象。圖5為塔南凹陷主干邊界斷層T-Z曲線。由圖可見：①斷層F1自下而上斷穿了銅缽廟組至伊二、三段等9套地層(圖5a)，T-Z曲線為折線型，斷距自上而下先增大后保持不變再增大，在銅缽廟組和伊一段存在2個極大值點，說明F1具有2個成核點；斷距在伊二、三段和銅缽廟組至南二段持續(xù)增大，生長指數(shù)大于1，說明F1在對應(yīng)沉積期持續(xù)活動；斷距在大一段至伊一段保持不變，生長指數(shù)等于1，說明F1在對應(yīng)沉積期靜止(圖5b)。②斷層F2、F3、F6、F7、F9與F1相似，均為兩期活動的先存斷層向上傳播再活化斷層，其中F2和F9靜止期為大一段到伊一段沉積期，F(xiàn)3、F6和F7靜止期為伊一段沉積期(圖5c、圖5d、圖5g、圖5h、圖5j)。③斷層F8自下而上斷穿銅缽廟組至大一段等6套地層，T-Z曲線為C型，斷距自上而下持續(xù)增大，在銅缽廟組存在1個極大值點，說明F8具有1個成核點；生長指數(shù)在斷距增大時持續(xù)大于1，說明F8在銅缽廟組至大一段沉積期持續(xù)活動，為一期活動孤立型斷層(圖5i)。④斷層F4和F5自下而上斷穿了銅缽廟組至伊一段等8套地層，T-Z曲線為M型；F4的2個極大值點位于伊一段和銅缽廟組，說明F4由上、下兩個孤立斷層在伊一段之上和銅缽廟組之上的地層分別成核，并在伊一段傾向連接形成，生長指數(shù)在斷距增大時大于1(圖5e)； F5的2個極大值點位于伊一段和南一段下，說明F5由上、下兩個孤立斷層在伊一段之上和銅缽廟組之上的地層分別成核，并傾向連接形成，生長指數(shù)在斷距增大時大于1(圖5f)。研究區(qū)內(nèi)9條主干邊界斷層在南一段上和南二段沉積期斷距自上而下驟增且生長指數(shù)大于1，因此認(rèn)為南一段上和南二段沉積期為塔南凹陷主干邊界斷層的強烈活動期——洼槽主要形成期。

1.2.2 洼槽演化過程

綜上所述，南一段上和南二段沉積期為塔南凹陷主干邊界斷層強烈活動期，故以此時期的洼槽特征分析洼槽演化過程。主干邊界斷層的生長機制決定了洼槽沉積、沉降中心及遷移規(guī)律，不同的斷層生長機制產(chǎn)生了不同的演化模式。綜合分析斷層生長的構(gòu)造特征[14]和盆地的沉積、充填特征[15]，可將洼槽演化模式分為孤立斷層控洼(圖6a)和分段生長斷層控洼2種(圖6b)。塔南凹陷存在6個主要洼槽(圖7、圖8)，由于控洼斷層分段生長具有普遍性，僅洼槽3和洼槽6的控洼斷層為孤立斷層，洼槽寬度和厚度隨控洼斷層長度和斷距的增長而增大，在平行于斷層走向剖面上新沉積地層超覆于老地層之上，斷層中部對應(yīng)洼槽的沉積、沉降中心，幾乎不隨時間遷移，表現(xiàn)為孤立斷層控洼演化模式(圖6a)。塔南凹陷中洼槽1、洼槽2、洼槽4和洼槽5的控洼斷層均為大型分段生長斷層，初期形成的幾個由孤立小斷層控制的小洼槽，隨控洼斷層生長、連接逐漸合并，最終形成由一條新連接的大位移斷層控制的大型洼槽，洼槽沉降、沉積中心由各控洼小斷層中部逐漸向連接形成的大控洼斷層中部遷移，表現(xiàn)為分段生長斷層控洼演化模式(圖6b)。

圖9為塔南凹陷洼槽1平面、剖面特征。由圖可見：在南一段上沉積時主干邊界斷層F1為3條NE向的小孤立斷層F1-1、F1-2和F1-3，分別控制3個小洼槽，洼槽沉積、沉降中心分別位于各孤立斷層中部(圖9d)，在F1上盤發(fā)育兩個橫向背斜H1和H2(圖9a)，位置對應(yīng)斷層間的構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，為2個南一段上地層局部減薄區(qū)，分隔3個小孤立洼槽中心，具有明顯的超覆現(xiàn)象[16]；在南二段沉積時3條孤立斷層相互連接成一條大斷層F1，3個小洼槽連為一個整體(圖9c)，此時剖面上仍發(fā)育兩個背斜結(jié)構(gòu)(圖9b)，但背斜兩翼明顯變緩，由F1-1和F1-2控制的洼槽沉降中心逐漸連為一個沉降中心。

圖5 塔南凹陷主干邊界斷層T-Z曲線

圖6 洼槽演化模式

圖7 塔南凹陷南一段上洼槽平面分布圖

圖8 塔南凹陷南二段洼槽平面分布圖

圖9 塔南凹陷洼槽1平面、剖面特征

2 塔南凹陷洼槽結(jié)構(gòu)對有效烴源巖分布的控制

烴源巖是油氣成藏的基礎(chǔ)，確定有效烴源巖的分布是發(fā)現(xiàn)有效資源潛力的前提[17-18]。結(jié)合塔南凹陷現(xiàn)有烴源巖資料，探究主干邊界斷層對有效烴源巖分布的控制作用，可在深入研究洼槽構(gòu)造演化的基礎(chǔ)上預(yù)測有效烴源巖發(fā)育的有利區(qū)帶。

2.1 主干邊界斷層生長機制對烴源巖分布的控制

塔南凹陷主要發(fā)育南一段中和南一段上兩套烴源巖[9]。在南一段中沉積時塔南凹陷呈泛盆結(jié)構(gòu)，該時期烴源巖分割性弱并成片狀分布[9]；在南一段上沉積時烴源巖主要沿主干邊界斷層發(fā)育，并分布于由斷層控制的洼槽內(nèi)部，具有明顯分割性，說明該時期主干邊界斷層活動對烴源巖的分布具有控制作用。

不同的主干邊界斷層生長機制對應(yīng)不同的洼槽演化模式，據(jù)此可將洼槽對有效烴源巖分布的控制方式分為孤立洼槽控源和分段生長洼槽控源(圖10)。在南一段上地層中，孤立洼槽控源表現(xiàn)為有效烴源巖厚度中心位于孤立洼槽中部，與洼槽沉積中心和沉降中心一致；分段生長洼槽控源表現(xiàn)為有效烴源巖厚度中心分別位于被橫向背斜隔開的多個小洼槽中部，洼槽間的橫向背斜處有效烴源巖厚度明顯減小或是不發(fā)育有效烴源巖(圖11)。因此，主干邊界斷層生長機制有效控制了塔南凹陷南一段上有效烴源巖分布。

圖10 洼槽控源分布類型

2.2 主干邊界斷層活動性對烴源巖演化的控制

分析表明，長期繼承性發(fā)育和多期活動是塔南凹陷主干邊界斷層的重要特征。南一段上沉積時期主干邊界斷層的強烈活動控制了凹陷內(nèi)洼槽的形成和演化，洼槽內(nèi)部沉積了極厚的地層，使整個南一段上厚度分布呈明顯的塊狀特征，沿主干邊界斷層走向展布，體現(xiàn)了主干邊界斷層的強分割性。

南一段上沉積時期，主干邊界斷層活動最強且活動時間較長，使整個凹陷的沉降速度增大，造成沉積泥巖的厚度持續(xù)增大，為有效烴源巖的形成提供了大量可容空間。

就主干邊界斷層對烴源巖發(fā)育、演化的控制作用來說，斷層活動對現(xiàn)今有機質(zhì)的成熟度并無太大影響，但伴隨斷層強烈活動產(chǎn)生的區(qū)域沉降和熱作用對烴源巖的演化具有極大的促進作用，尤其是斷層長期繼承性生長引發(fā)的持續(xù)沉降作用越劇烈，烴源巖成熟度就越高[19-21]。

南一段上沉積時期，伴隨塔南凹陷主干邊界斷層強烈活動而產(chǎn)生的區(qū)域沉降和熱作用促進了有機質(zhì)的保存和轉(zhuǎn)化，使南一段上烴源巖有機質(zhì)豐度高，分布范圍廣且厚度大，具有極大生烴潛力[8]。該套烴源巖有機碳含量為0.129%～5.220%，洼槽內(nèi)部為有機碳豐度最高區(qū)，有機碳含量為1.500%～2.500%，有機碳含量向洼槽斜坡區(qū)逐漸降低；氯仿瀝青“A”含量為0.0023%～0.488%， 生烴潛量為0.06～24.36mg/g；有機質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ型為主；烴源巖Ro值為0.51%～1.22%，其中洼槽區(qū)內(nèi)烴源巖為優(yōu)質(zhì)烴源巖，Ro值基本大于0.7%，屬于大量油氣生成時期[8]。因此，主干邊界斷層活動性有效控制了塔南凹陷南一段上烴源巖的演化。

塔南凹陷油氣分布(圖11)和縱向含油面積統(tǒng)計結(jié)果(圖12)表明，平面上油富集區(qū)呈“馬鈴薯”狀分布于有效烴源巖范圍內(nèi)并沿控洼主干邊界斷層展布，具有“小而多”的特征；縱向上油主要分布在源巖層和鄰近地層內(nèi)，即南屯組和銅缽廟組內(nèi)，其他距源巖層較遠(yuǎn)地層含油分布面積極小。

圖11 塔南凹陷南一段上古洼槽、有效烴源巖與油氣分布疊合圖

圖12 塔南凹陷縱向含油面積統(tǒng)計

3 結(jié)論

(1)塔南凹陷主干邊界斷層具有多期活動的特征，凹陷內(nèi)分割性強，每一個洼槽均為獨立的成藏單元，具有不同的結(jié)構(gòu)、地層沉積特點、生油條件和儲層特征。凹陷內(nèi)主干邊界斷層的生長機制分為孤立斷層生長機制和斷層分段生長連接機制兩類，斷層主要活動時期為南一段上和南二段沉積時期。

(2)主干邊界斷層不同生長機制對應(yīng)不同洼槽演化模式，即分為孤立斷層控洼和分段生長斷層控洼兩種演化模式。前者的孤立斷層生長控制了洼槽寬度和厚度增長，洼槽沉積、沉降中心始終位于控洼孤立斷層中部；后者的斷層分段生長使南一段上沉積期由孤立小斷層控制的多個小洼槽在南二段沉積期合并為一個洼槽，沉積、沉降中心向大洼槽中部遷移。

(3)塔南凹陷南一段上洼槽控源分布方式依據(jù)洼槽演化模式分為孤立洼槽控源分布和分段生長洼槽控源分布。主干邊界斷層在南一段上沉積期強烈活動并繼承性生長，為有效烴源巖形成提供了大量可容空間，同時促進了烴源巖的演化，形成了分布廣且厚度大，具有極大生烴潛力的南一段上有效烴源巖。塔南凹陷含油富集區(qū)在平面上呈“馬鈴薯”狀分布于有效烴源巖范圍內(nèi)并沿主干邊界斷層展布，具有“小而多”的特征，縱向上主要分布在南屯組和銅缽廟組內(nèi)。