準噶爾盆地西北緣克夏斷裂帶膠結封閉作用研究

崔　殿

（中國石化勝利油田分公司地質科學研究院，山東東營257000）

準噶爾盆地西北緣克夏斷裂帶膠結封閉作用研究

崔殿

（中國石化勝利油田分公司地質科學研究院，山東東營257000）

克夏斷裂帶是準噶爾盆地西北緣的一個二級構造單元，由南向北發育有克拉瑪依斷裂、南白堿灘斷裂、百口泉斷裂、百烏斷裂及夏紅北斷裂共5條主要的一級斷裂以及伴生的多條次級斷裂。在篩選鉆遇斷裂探井的基礎上，通過巖心取樣進行巖石薄片及掃描電鏡分析，發現這5條一級斷裂的膠結物類型明顯不同，由南向北依次為克拉瑪依斷裂的綠泥石和濁沸石、南白堿灘斷裂的方解石、百口泉斷裂的方解石和黏土礦物、百烏斷裂的方解石和鐵方解石以及夏紅北斷裂的鐵白云石和菱鐵礦。由此可見，克夏斷裂帶成巖作用階段由南向北逐漸趨向晚期，且經歷了膠結—溶蝕—再膠結的過程。結合斷層活動性分析和斷裂帶內流體包裹體均一溫度測試，認為這是由于斷裂活動期由南向北逐漸提前，進而影響斷裂內地下流體活動期次導致的。不同斷裂的膠結封閉作用和流體活動差異性可進一步影響各斷裂的油氣藏分布。

斷層封閉性；膠結作用；克夏斷裂帶；準噶爾盆地

0　引言

準噶爾盆地西北緣是一個形成于古生代晚期至中生代早期的大型疊瓦狀沖斷系統［1］，主要發育平行于構造線的北東向逆（掩）斷層和垂直或斜交于主斷層的近北西向橫斷層［2］。這些斷層控制著準噶爾盆地西北緣的油氣空間分布［3］。隨著近年來對斷裂帶結構研究的深入開展，部分學者［4-5］普遍認為小型斷裂是簡單斷面，大型斷裂往往由發育斷層巖及伴生裂隙的破碎帶和發育多次序微裂縫及伴生低級別小斷層的誘導裂縫帶組成。靜止期斷層的封閉作用主要包括涂抹作用、碎裂充填作用及成巖作用。前人［6-9］主要針對前2種類型的封閉作用及成巖作用中的壓實作用進行研究，但這些封閉作用主要影響的是小型斷裂和大型斷裂破碎帶的封閉性。誘導裂縫帶在“地震泵”效應［10-11］下，地下流體易在其內部運移而發生水-巖反應，導致礦物質發生過飽和沉淀，說明是膠結斷裂帶中的孔縫導致了斷層的封閉［12-13］，因此成巖作用中的膠結作用是斷層在靜止期封閉的重要因素［14-17］。由于膠結作用對斷層的封閉作用前人涉及較少，所以，開展膠結封閉作用的研究不但可以豐富斷層封閉性研究的理論和方法，而且對尋找與斷層相關的油氣藏具有重要意義。

1　地質概況

克夏斷裂帶是在準噶爾盆地整體被擠壓的構造背景下，形成于西北緣扎伊爾山與哈拉阿拉特山山前地帶的一系列逆（掩）斷層。其斷裂體系在縱向上可分為深層斷裂體系和淺層斷裂體系，二者特征差異顯著。深層斷裂體系均為逆斷層，形成于海西運動時期，斷層規模較大，斷開了石炭系、二疊系、三疊系及侏羅系下部等地層，主要包括克拉瑪依斷裂、南白堿灘斷裂、百口泉斷裂、百烏斷裂和夏紅北斷裂共5條一級斷裂及伴生次級斷裂（圖1）；淺層斷裂體系主要為三級斷裂，并包括少量正斷層，形成于燕山運動時期，斷層規模相對較小，斷開了侏羅系中上部地層和白堊系地層?？讼臄嗔褞б寻l現的油氣藏以構造型為主，主要分布于被5條一級斷裂以及伴生次級斷裂所遮擋的二疊系、三疊系及侏羅系下部地層中，其油源主要為二疊系海相泥巖。因此，這5條一級斷裂不僅是研究區油氣運移的主要通道，而且是最重要的控藏斷裂［18］。由于研究區逆斷層斷距普遍較大，上升盤地層被剝蝕嚴重，殘留地層基本為石炭系，所以對其控藏斷裂封閉性的研究較為困難。

圖1　克夏斷裂帶斷層平面分布、鉆遇斷裂取樣井位置及斷層流體活動期次Fig.1　Distribution of faults，the drilling fault sampling wells and fluid activity periods in Kexia fault zone

筆者在篩選鉆遇斷裂探井的基礎上，選取5條一級斷裂內的取心探井21口（圖1），并取樣200余塊（取樣涵蓋5條一級斷裂，但受取樣井位置限制，克拉瑪依斷裂、百口泉斷裂南段及百烏斷裂北段沒有樣品覆蓋），進行巖石薄片和掃描電鏡分析及流體包裹體均一溫度測試。進一步結合斷層活動性，分析5條一級斷裂內的膠結物類型，發現成巖作用階段由南向北逐漸趨向晚期，并認為這是由于斷裂活動期由南向北逐漸提前，進而影響斷裂內地下流體活動期次導致的。不同斷裂的膠結封閉作用和流體活動差異性可進一步影響各斷裂內油氣藏的分布。

2　膠結作用的主要礦物類型

克夏斷裂帶內膠結作用十分發育，不同類型的膠結物基本將斷裂帶內的孔、縫全部膠結，使斷層的輸導能力變差。筆者在篩選鉆遇斷裂探井的基礎上，通過巖心觀察并進行巖石薄片分析發現，5條一級斷裂中的成巖膠結物類型具有明顯差別（圖版Ⅰ）：

（1）克拉瑪依斷裂誘導裂縫帶內裂縫發育，膠結物均為綠泥石和濁沸石，二者體積比約為3∶2，因此，將其膠結物類型劃分為綠泥石-濁沸石相帶。

（2）南白堿灘斷裂內破裂縫主要被方解石膠結，約占膠結物總體積分數的90%以上，其余為少量方沸石和硅質膠結物，因此，其膠結物類型應屬于方解石（早期碳酸鹽）相帶。

（3）百口泉斷裂內膠結物主要為方解石，其次為黏土礦物，二者體積比約為7∶3，見少量鐵方解石，因此，其膠結物類型屬于方解石（早期碳酸鹽）-黏土礦物相帶。

（4）百烏斷裂內巖石膠結物致密，膠結物均為方解石和鐵方解石，二者基本等量，因此，其膠結物類型屬于方解石（早期碳酸鹽）-鐵方解石（晚期碳酸鹽）相帶。

（5）夏紅北斷裂內膠結物為鐵白云石和微晶菱鐵礦，二者體積比約為4∶1，因此，其膠結物類型屬于鐵白云石（晚期碳酸鹽）-菱鐵礦相帶。

3　成巖階段和序列的劃分

3.1成巖階段的劃分

筆者在儲層成巖作用研究的基礎上，重點針對克夏斷裂帶內巖心樣品進行巖石薄片觀察和掃描電鏡分析，并以石油行業標準［19］為依據，分析斷裂帶內膠結作用礦物類型和溶蝕作用特征，將5條一級斷裂的成巖階段分別劃歸早成巖階段A期和B期與中成巖階段A期和B期（圖2）。

圖2　克夏斷裂帶成巖階段劃分及主要標志Fig.2　Diagenetic stage and principal marks of Kexia fault zone

（1）鉆遇克拉瑪依斷裂的古25井火成巖中的長石顆粒表面分布大量綠泥石和沸石（圖版Ⅱ-1），通過對其分布形態的分析認為，應屬于早期低溫熱液產物；鉆遇該斷裂的547井內的裂縫也主要被綠泥石和濁沸石膠結（圖版Ⅰ-1）。說明該斷裂處于早成巖階段A期。

（2）對南白堿灘斷裂內所有鉆井樣品分析顯示，裂縫基本被亮晶方解石膠結（圖版Ⅰ-2），并且在鉆遇該斷裂的534井內見大量伊/蒙混層礦物（圖版Ⅱ-2），并可見方解石交代泥質雜基產生泥晶方解石的現象。說明該斷裂處于早成巖階段A期和B期。

（3）鉆遇百口泉斷裂的424井內裂縫基本被方解石膠結，可見少量鐵方解石膠結物，423井內見黏土礦物充填裂縫（圖版Ⅰ-3～Ⅰ-4），并在百烏12井內見片狀伊利石（圖版Ⅱ-3）。說明該斷裂成巖階段較晚，已處于早成巖階段B期至中成巖階段A期。

（4）百烏斷裂內的裂縫基本被方解石和鐵方解石膠結（圖版Ⅰ-5～Ⅰ-6），并且在鉆遇該斷裂的百重7井內見長石向高嶺石轉化（圖版Ⅱ-4）。說明該斷裂已處于早成巖階段B期至中成巖階段A期。

（5）夏紅北斷裂內的裂縫基本被鐵白云石和微晶菱鐵礦膠結（圖版Ⅰ-7～Ⅰ-8），鉆遇該斷裂的夏18井內見蠕蟲狀高嶺石生成（圖版Ⅱ-5），夏69井內見片狀伊利石生成（圖版Ⅱ-6）。說明該斷裂所處成巖階段最晚，已處于中成巖階段A期和B期。

3.2成巖序列的劃分

筆者在成巖階段劃分的基礎上，以標志礦物的生成順序為標準進一步研究了克夏斷裂帶成巖現象的先后序列。由于該斷裂帶上升盤為石炭系，所以有大量火山巖分布，在早期低溫熱液蝕變作用下［20］，火山巖中的基質、斑晶以及已形成的蝕變礦物進一步發生交代蝕變而形成綠泥石?；鸪蓭r導致的富含鐵鎂離子的熱液不僅可提供綠泥石轉變時所需的鐵鎂成分和堿性的水介質條件，其本身作為“綠泥石溶液”也可在孔、縫中沉淀結晶并形成綠泥石。綠泥石和濁沸石的產狀和分布大體一致，說明濁沸石也是火成巖在成巖早期水化蝕變形成的特征礦物之一。早期地層水活動形成的方解石膠結物屬于早成巖階段的產物，之后在烴類活動形成的酸性地下水作用下，長石溶蝕并生成高嶺石，在沒有烴類活動的區域，伊/蒙混層礦物在堿性條件下伊利石比例不斷增加，最終變成伊利石。晚期由于埋藏溶蝕作用產生的鐵離子在強還原環境下可以進入碳酸鈣和碳酸鎂的晶格中，從而形成鐵方解石和鐵白云石［21］，說明鐵碳酸鹽形成于溶蝕作用之后，應為中成巖階段的產物。以上分析表明，研究區成巖現象的先后序列為綠泥石、沸石→方解石膠結→溶蝕作用→高嶺石→伊利石→鐵碳酸鹽膠結，且經歷了膠結—溶蝕—再膠結的過程。

4　膠結作用的影響因素

克夏斷裂帶5條一級斷裂的膠結物類型不同。膠結物類型由南向北的變化說明成巖作用階段具有由早期趨向晚期的特點。這一特點應是受斷裂活動歷史以及流體活動期次的影響而形成。

從生長指數分析可以看出，克夏斷裂帶東南部的4條一級斷裂活動高峰期由南向北逐漸提前：克拉瑪依斷裂南段侏羅紀時期活動強烈，中段和北段在中、晚三疊世出現活動強度高峰（北段活動時期略有提前），在中侏羅世晚期至晚侏羅世出現一個小的活動高峰；南白堿灘斷裂與克拉瑪依斷裂中段和北段活動高峰期基本相同；百口泉斷裂和百烏斷裂活動強度高峰期相對較早，活動強度的峰值出現在三疊紀時期（表1）。

表1　克夏斷裂帶東南部4條一級斷裂斷層活動性分析Table 1　Fault activity analysis of 4 primary faults in Kexia fault zone

從斷層古落差分析可以看出，夏紅北斷裂活動高峰期比東南部4條一級斷裂更加提前，活動強度的峰值出現在中二疊世和晚二疊世，三疊紀之后活動強度逐漸減弱，早侏羅世八道灣期之后基本停止活動（表2）。

表2　夏紅北斷裂斷層活動性分析Table 2　Fault activity analysis of Xiahongbei fault m

研究表明，克夏斷裂帶斷層活動性具有由南向北活動高峰期逐漸提前的特點，而由北向南斷裂膠結作用次序由晚期趨向早期的特點則與斷層活動性特點密切相關。具體原因為：夏紅北斷裂活動強度高峰期最早，與烴源巖排烴期相配合［21］，烴類活動強烈，現今斷裂內仍可見瀝青殘留，使地層水酸性增加，導致溶蝕作用加強，水-巖反應（例如脫玻作用）產生的鐵質與烏夏地區廣泛分布的云質巖形成晚期膠結物——鐵白云石；百口泉斷裂和百烏斷裂由于活動強度高峰期也較早，由斷層上盤石炭系火成巖溶蝕產生的鐵離子在強還原環境下進入早期膠結物（CaCO3）的晶格中而生成的晚期膠結物——鐵方解石膠結物；南白堿灘斷裂活動高峰期相對較晚，烴類活動較弱，導致斷裂內膠結物主要為早期地層水活動形成的方解石；克拉瑪依斷裂活動高峰期最晚，基本沒有烴類活動，導致溶蝕作用極弱，早期火山巖蝕變產生的綠泥石和濁沸石膠結物得以保留。

5　膠結封閉作用對油氣藏分布的影響

對斷裂帶內巖心方解石脈中包裹體分析結果顯示，克夏斷裂帶大致經歷了3期流體活動。烴類包裹體有3期，對應的均一溫度分別為40～70℃，70～100℃和100～130℃。鹽水包裹體有2期，對應的均一溫度分別為40～70℃和70～110℃。根據張義杰［22］的埋藏—熱演化史研究成果，可以確定第Ⅰ期流體活動的時間為晚二疊世—早三疊世（距今230～240 Ma），第Ⅱ期流體活動的時間為晚三疊世—早侏羅世（距今200～220 Ma），第Ⅲ期流體活動的時間為晚侏羅世—早白堊世（距今125～150 Ma）（參見圖1）。對方解石內包裹體的分析表明，克夏斷裂帶內的方解石形成于第Ⅰ期和第Ⅱ期流體活動時期，與第Ⅲ期流體活動關系較小。

結合斷裂活動史的分析結果認為：①夏紅北斷裂在二疊紀晚期最早開始活動，與烏夏地區烴源巖排烴期相適應，因此在活動期對油氣起到了良好的輸導作用，現今仍可見瀝青殘留。由于烴類活動，溶蝕作用較強，早期膠結物基本未保留，之后斷層活動減弱，后期膠結作用使斷層逐漸封閉，導致現今夏紅北斷裂內成巖作用階段趨于晚期，并且斷層上盤和下盤都有油氣藏分布。②百口泉斷裂與百烏斷裂活動期相近，活動高峰期為三疊紀，地下水活動較強而烴類運移較弱，導致溶蝕作用相對較弱，早期方解石膠結物得以部分或大部分保留，表現為現今斷裂內膠結物為方解石和鐵方解石，這使得該斷層比夏紅北斷層封閉早，斷層活動期對油氣輸導作用較弱，現今油氣主要分布于被斷層遮擋的下盤三疊系地層中，而上盤油氣藏分布較少。③南白堿灘斷裂與克拉瑪依斷裂相似，活動高峰期較晚，為晚三疊世—侏羅紀，斷裂內以地下水活動為主，基本未發生溶蝕作用，膠結作用強烈，使斷層早期封閉。④南白堿灘斷裂內膠結物為地層水活動的產物——方解石，克拉瑪依斷裂內早期火山巖蝕變產物——綠泥石和濁沸石膠結物得以保留，所以這2條斷裂對油氣起封堵作用，現今油氣主要分布于被斷層遮擋的下盤三疊系和侏羅系早期地層中，而上盤基本無油氣藏分布。

6　結論

（1）克夏斷裂帶的5條一級斷裂成巖膠結物類型不同，由南向北依次為克拉瑪依斷裂的綠泥石和濁沸石、南白堿灘斷裂的方解石（早期碳酸鹽）、百口泉斷裂的方解石（早期碳酸鹽）和黏土礦物、百烏斷裂的方解石（早期碳酸鹽）和鐵方解石（晚期碳酸鹽）以及夏紅北斷裂的鐵白云石（晚期碳酸鹽）和菱鐵礦。

（2）克夏斷裂帶內成巖現象的先后成巖序列為綠泥石和沸石→方解石膠結→溶蝕作用→高嶺石→伊利石→鐵碳酸鹽膠結，且經歷了膠結—溶蝕—再膠結的過程。5條一級斷裂由南向北成巖作用階段具有由早期趨向晚期的特點，這一特點是受斷裂活動期由南向北逐漸提前，而導致斷裂帶內流體活動期次不同的影響而形成。

（3）克夏斷裂帶大致經歷了3期流體活動，每個一級斷裂的流體活動類型和期次存在差異，從而導致斷裂膠結封閉作用各不相同，進而影響油氣藏的分布。夏紅北斷裂先輸導后封閉，斷層上盤和下盤都有油氣藏分布；百口泉斷裂與百烏斷裂輸導作用較弱，油氣藏主要分布于被斷層遮擋的下盤三疊系地層中，而上盤油氣藏分布較少；南白堿灘斷裂與克拉瑪依斷裂以封閉作用為主，油氣藏主要分布于被斷層遮擋的下盤三疊系和侏羅系早期地層中，而上盤基本無油氣藏分布。

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圖版Ⅰ

圖版Ⅱ

（本文編輯：郭言青）

Cemented sealing in Kexia fault zone in northwestern margin of Junggar Basin

Cui Dian
（Geology Scientific Research Institute，Sinopec Shengli Oilfield Company，Dongying 257000，Shandong，China）

Kexia fault zone is a sublevel structural unit in northwestern margin of Junggar Basin.In the region from south to north，there are 5 major primary faults including Karamay fault，Nanbaijiantan fault，Baikouquan fault，Baiwu fault and Xiahongbei fault and many associated subsidiary faults.Based on the selected wells drilled cross fracture，combined with petrographic thin section and SEM analysis on the core sampling，it is found that the cement in the 5 primary faults are obviously different.From south to north，there are chlorite and laumontite，calcite，calcite and clay minerals，calcite and ferrocalcite，ankerite and siderite respectively in the 5 primary faults.It shows that from south to north diagenesis stage in Kexia fault zone tend to be late，which shows that Kexia fault zone experienced a process of cementation-denudationcementation.Combined with the analysis of fault activity and homogenization temperature test of fluid inclusions，it is considered that this is the result of differences of geofluid activity influenced by gradual advance of the fault activities. Cemented sealing of different faults and differences of geofluid activity can further affect the oil and gas distribution.

fault sealing；cementation；Kexia fault zone；Junggar Basin

P542.31

A

1673-8926（2015）06-0048-07

2015-07-11；

2015-09-17

國家油氣重大專項“準噶爾前陸盆地油氣富集規律與勘探目標優選”（編號：2011ZX05003-005）資助

崔殿（1982-），男，博士，工程師，主要從事石油地質方面的研究工作。地址：（257000）山東省東營市聊城路2號中國石化勝利油田分公司。E-mail：cuidian.slyt@sinopec.com。