塔里木盆地古城低凸起古—中生界構造演化特征與油氣成藏關系

李 昂，鞠林波，張麗艷

1.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，沈陽 110034 2.大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163514

0 引言

塔東古城低凸起地處滿加爾生烴凹陷南緣，構造上處于塔中1號斷裂帶與車爾臣斷裂交接的三角部位，具有良好的古構造發(fā)育背景與優(yōu)質(zhì)的儲蓋組合發(fā)育條件。2012年古城6井獲得日產(chǎn)26.65×104m3高產(chǎn)工業(yè)氣流之后，古城8井、古城9井又相繼獲得高產(chǎn)氣流，揭示了古城地區(qū)奧陶系鷹山組白云巖儲集層蘊含豐富的油氣資源，具有廣闊的勘探前景，也逐漸成為學者研究的重點。塔里木盆地多年勘探實踐表明，斷裂對儲層的形成和成藏有著重要的控制作用。厲玉樂等[1]在2014年研究了古城地區(qū)的構造及演化特征，認為斷裂對儲層有建設性改造且溝通了下部烴源巖，油氣勘探應避開南部碳酸鹽巖強烈變形區(qū)。吳斌等[2]在2015年通過對本地區(qū)的斷裂特征及成因機制研究后認為：斷裂作為重要的油氣通道，不僅控制油氣垂向運移，也是熱液流體的通道，利于白云巖化改善儲層物性。前人雖然對本地區(qū)的斷裂體系及特征做過相關研究，但多集中在古生代的寒武系—奧陶系，對中生代時期古生代斷裂的再度活化還沒有學者做深入研究，對油氣成藏作用的影響尚未做系統(tǒng)分析。因此，本文以區(qū)內(nèi)1 700 km2高精度三維地震資料為基礎，以構造解析思想為指導，從分析斷裂構造樣式入手，深入剖析斷裂的構造分期差異活動和發(fā)育分布特征，以期揭示不同時期斷裂構造形成演化和發(fā)育分布的控制機理，對進一步提高塔東古城地區(qū)的勘探潛力及豐富斷裂控烴理論提供理論指導。

1 地質(zhì)概況

塔里木盆地古城低凸起處于塔東隆起、塔中隆起和滿加爾凹陷構造轉換的部位(圖1)，是在寒武系—中奧陶統(tǒng)碳酸鹽臺地坡折帶的基礎上發(fā)育起來的呈向NW傾伏的鼻狀低凸起，整體表現(xiàn)為NW傾向的大型寬緩鼻狀構造。自下而上，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育古生界的寒武系、奧陶系、石炭系，中生界三疊系、白堊系，新生界古近系。由于在石炭系沉積之前，受塔中斷裂帶和阿爾金斷裂剪切走滑雙重作用影響，導致整個地區(qū)整體抬升遭受剝蝕，造成區(qū)內(nèi)泥盆系、志留系整體缺失，石炭系高角度不整合覆蓋于奧陶系之上，白堊系角度不整合覆蓋于三疊系之上。勘探主要目的層是中下奧陶統(tǒng)的鷹山組,該地層分上下兩段：上段巖性以泥晶-亮晶顆粒灰?guī)r、藻黏結巖、顆粒泥晶灰?guī)r為主，地層厚度一般為200～300 m，灰?guī)r最大孔隙度2.00%，平均孔隙度0.77%，平均滲透率0.06 mD*mD(毫達西)為非法定計量單位，1 mD=0.987×10-3 μm2。，儲層物性極差，是除了卻爾卻克組“黑背子”之外的又一套區(qū)域蓋層；下段巖性以顆粒泥晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，并出現(xiàn)較多的白云巖，白云巖最大孔隙度4.65%，平均孔隙度1.21%，平均滲透率0.49 mD，白云巖儲層是鷹山組氣藏的主要儲集體。

圖1 古城低凸起構造位置圖Fig.1 Regional structure location of Gucheng low uplift

2 隱蔽走滑斷裂識別

本區(qū)斷裂表現(xiàn)為較典型的走滑特征，斷面產(chǎn)狀一般上緩下陡，下部近乎垂直，垂向斷距小，斷面和地層傾向變化快，加上大沙漠區(qū)地震數(shù)據(jù)信噪比較低，造成走滑斷裂特征不明顯，常規(guī)方法不能有效識別，這給開展精細斷裂解釋和構造認識帶來難題。目前提高復雜斷裂識別精度的地球物理輔助解釋方法主要有相干體、傾角體、曲率體等[3-5]。本文采用多窗口傾角掃描的方法，明顯提高了走滑斷裂的識別精度，為深化斷裂特征識別和構造演化分析奠定了堅實基礎。

通過與常規(guī)相干、傾角屬性進行對比發(fā)現(xiàn)，當斷層表現(xiàn)為明顯的同相軸錯斷時，斷層兩側地層沒有撓曲形變，在相干體上可以清楚識別。比如NE向斷層，當斷面表現(xiàn)為小型撓曲和微幅度時，采用相干體和常規(guī)傾角屬性可以基本確定一條主干走滑斷層的走向，但是主干斷層的具體位置不清楚；采用多窗口傾角掃描后，走滑斷層帶的整體輪廓，包括主干走滑斷層、部分分支斷裂都可以表現(xiàn)出來，整體改善了走滑斷裂帶的規(guī)則性，突出了主干斷層和羽狀斷層的規(guī)則性，最重要的是發(fā)現(xiàn)了一組近NW向的共軛走滑斷裂。在構造模式的指導下，基于多窗口傾角掃描數(shù)據(jù)體，充分結合其他不連續(xù)性檢測方法相干屬性、曲率等進行了斷裂精細解釋，為進一步深化本區(qū)斷裂識別提供了有效依據(jù)(圖2)。

3 斷裂幾何學特征及演化序列

3.1 斷裂幾何學特征

通過對古城三維區(qū)1 700 km2地震剖面的精細解釋，根據(jù)盆地構造演化過程中表現(xiàn)出的不同動力學背景，將本地區(qū)劃分為4大類、7小類的不同斷層構造樣式(圖3)。

第一類是發(fā)育在下寒武統(tǒng)塹壘相間的張性正斷層。這類斷層向上一般終止于中上寒武統(tǒng)，向下斷穿寒武系底部(圖3)，總體以NE向和NW走向為主，最大水平斷距一般為5～56 m，平均為21 m，最大垂向斷距為8～70 m，平均為22 m，延伸長度有限，一般小于2 km，碳酸鹽巖頂界面斷裂平均密度達到0.22條/km2(圖4)。各構造時期的斷裂分布如圖5。平面上整體呈現(xiàn)出“短、小、碎”的展布特征，主要集中在研究區(qū)西北部、西部和東南部。北部斷裂多、密度大，以NE向走向為主，延伸長度較大；西部斷裂密度中等，延伸長度小，NE向和NW向都有分布；東南部斷裂密度小，延伸長度更小，NE向和NW向都有分布(圖5a)。

a.灰?guī)r頂面相干體屬性；b.灰?guī)r頂面常規(guī)傾角屬性；c.多窗口傾角掃描屬性。圖2 多窗口傾角掃描與其他方法效果對比圖Fig.2 Contrast map between multi-window dip scanning and other methods

圖3 研究區(qū)內(nèi)過南北剖面(D--D′)及斷裂解釋Fig.3 D-D′ seismic section and fault interpretation

第二類是貫穿寒武系—中下奧陶統(tǒng)的張扭性走滑斷層。這類斷層一般向下斷穿寒武系底部、向上終止于上奧陶統(tǒng)的卻爾卻克組的底部，在剖面上主要發(fā)育張扭性負花狀、正“Y”字形構造、反“Y”字形構造等幾種構造樣式(圖3)；平面上基本都以NE向展布為主，最大水平斷距一般為16～170 m，平均為58 m，最大垂向斷距為25～227 m，平均為59 m，延伸較長，長度一般為3～7 km，碳酸鹽巖頂界面斷裂平均密度0.06條/km2(圖4)。此類斷層全區(qū)都有分布，呈現(xiàn)出張裂強度大、分布稀疏的特點，奠定了本區(qū)塹壘相間的構造格局(圖5b)。

圖4 不同構造時期斷裂幾何學特征 Fig.4 Fault geometry characteristics of different tectonic periods

a．早加里東期；b．中加里東期；c．晚加里東—早海西期；d．印支—燕山期。圖5 古城三維區(qū)各構造時期斷裂分布圖Fig.5 Fault distribution of different tectonic periods in Gucheng area

第三類斷層有兩種。第一種是在第二類斷裂基礎上繼承性發(fā)育的斷層，向上一般終止于石炭系的底部，在上奧陶統(tǒng)卻爾卻克組內(nèi)部表現(xiàn)形式為典型的壓扭性正花狀構造(圖3)。此類斷層全區(qū)分布局限，僅在工區(qū)的西南部和西部有發(fā)育，主要以NE向為主(圖5c)；該類斷裂走滑特征明顯，在垂直于走滑斷層走向的不同位置的地震剖面上，時而東傾，時而西傾，在同一條剖面上，走滑斷層的下段和上端傾向發(fā)生改變，表現(xiàn)出明顯的“絲帶效應”。由于在走滑斷層不同彎曲位置傾向走滑應力分量的差異，有的表現(xiàn)為擠壓，呈現(xiàn)凸起逆斷層形態(tài)，有的表現(xiàn)為拉張，呈現(xiàn)為正斷層形態(tài)；同時，沿NWW向走滑斷層的東西兩翼，交替分布著壘塹相間的構造，表現(xiàn)出明顯的“海豚效應”(圖6)。第二種斷層斷面較陡近乎直立，一般向上終止于石炭系的底部，向下斷穿寒武系底部，斷距一般為2～30 m，延伸長度一般為4～8 km，主要集中在研究區(qū)的北部, 并在古城10井和古城7井附近出現(xiàn)了NE向和NW向共軛走滑的特征，在其下半支可以明顯看出斷裂的分段性及右行左階特征，是較為典型的共軛走滑斷層。在其西南部出現(xiàn)了一條明顯的壓扭性正花狀構造帶，NE向發(fā)育，擠壓特征明顯。

第四類斷層一般向上終止于白堊系底面，向下斷穿三疊系、石炭系底部。平面上主要發(fā)育在研究區(qū)的西北部、西南部和東南部(圖5d)，以張扭性走滑正斷層為主。剖面上由主干斷裂向兩側發(fā)散，多個分支斷層向深部收斂合并(圖3)，斷層特征不明顯，最大水平斷距一般為3～45 m，平均為21 m，最大垂向斷距為6～49 m，平均為29 m，延伸長度一般為3～7 km，斷裂平均密度0.17條/km2(圖4)，以等長度的“羽狀”排列為主。

平面位置見圖5c。圖6 海豚效應和絲帶效應典型剖面Fig.6 Typical section of Dolphin effect and Ribbon effect

3.2 斷裂變形序列

在對本地區(qū)斷裂變形序列研究中，本文主要采用了構造變形時期、斷裂垂直活動速率、典型剖面水平伸展率和斷層生長指數(shù)的方法來綜合判斷斷層的活動期次。

構造變形時期：在本次的研究目標區(qū)，除了寒武系發(fā)育的由于沉積差異作用形成的丘灘體之外，主要在上奧陶統(tǒng)的卻爾卻克組和石炭系底部接觸面存在有高角度的不整合。由南往北，卻爾卻克組呈平行楔狀終止于石炭系的底部，削截特征明顯，缺失志留系、泥盆系，說明在石炭系沉積之前，古城地區(qū)遭受了較為強烈的一期抬升剝蝕，志留系、泥盆系被基本剝蝕干凈，僅剩部分上奧陶統(tǒng)卻爾卻克組，而石炭系以上地層均呈平行整合接觸。由此可以判斷，在卻爾卻克組內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的正花狀構造應該是在石炭系沉積之前形成的(圖3)。

通過計算斷裂垂直活動速率和斷層生長指數(shù)，結合強活動時期的變形性質(zhì)恢復了斷裂的變形演化序列，分別選取了不同位置的典型剖面進行了分析。從斷裂垂直活動速率、斷層生長指數(shù)(圖7、圖8)綜合分布來看：研究區(qū)斷裂的多期活動特征比較明顯，下寒武統(tǒng)斷層生長指數(shù)略大于1.00，斷層活動速率為1.43 m·Ma-1,斷層活動強度較弱；中寒武統(tǒng)和上寒武統(tǒng)生長指數(shù)為1.00，斷層活動速率為0 m·Ma-1,斷層不活動；中下奧陶統(tǒng)斷層生長指數(shù)陡然增大，達到1.21，斷層活動劇烈，速率達到18.40 m·Ma-1，這期斷裂活動奠定了本區(qū)塹壘相間的構造格局；在石炭系沉積之前，上奧陶統(tǒng)沉積時期，斷裂繼續(xù)活動，強度有所減弱，斷層生長指數(shù)大于1.00，垂向活動速率較大，這期斷裂是早期斷裂持續(xù)活動的結果，本期斷裂造成志留系、泥盆系的高角度翹傾并遭受大面積風化剝蝕；石炭系至三疊系斷裂斷距中等，延伸長度短，斷層生長指數(shù)大于1.00，垂向活動速率減小，活動強度進一步減弱，產(chǎn)生了一系列羽狀斷裂帶。

圖7 斷層垂直活動速Fig.7 Fault vertical activity rate

圖8 斷層生長指數(shù)Fig.8 Fault growth index

3.3 構造演化與形成機制

塔里木盆地是由不同時期不同類型單式盆地疊置形成的復合盆地,而塔東地區(qū)也經(jīng)歷了多期構造演化，具有明顯的階段性，與區(qū)域的地球動力學背景息息相關，綜合認為古城低凸起構造演化主要經(jīng)歷4個主要時期，包括早—中寒武世、中—晚奧陶世、志留紀—泥盆紀、石炭紀—白堊紀。

早—中寒武世：該時期受周緣古天山洋、古昆侖洋和阿爾金洋拉張裂解的影響，塔里木盆地周邊形成被動大陸邊緣，整個塔里木板塊及其周緣處于拉伸構造環(huán)境。古城地區(qū)在克拉通弱伸展背景下，形成了一系列以正斷層為主的斷裂體系，斷層整體走向以NE向為主，但在局部也出現(xiàn)了“團塊狀”的小斷裂密集發(fā)育帶。在這些帶之下的基底出現(xiàn)了疑似火山侵入的痕跡，資料[6]揭示在塔北隆起、塔中隆起、塔東隆起都有寒武系覆蓋的新元古代—古元古代火成巖或變質(zhì)巖，所以推測在寒武系沉積時期應該有過一次中等規(guī)模的火山侵入,寒武系斷層可能是早期克拉通弱伸展背景和晚期火山侵入的聯(lián)合作用下形成的。

中—晚奧陶世：古昆侖洋閉合，阿爾金洋俯沖消減。塔里木盆地東南部出現(xiàn)大面積抬升，斷裂活動強烈，塔里木古板塊開始從早期的伸展構造環(huán)境向擠壓聚斂構造環(huán)境轉換，古城地區(qū)這一時期處于構造較低部位，鼻狀構造形態(tài)逐漸形成。此時的塔中Ⅰ號斷裂反轉為逆沖斷裂，在西昆侖強烈壓扭作用下，古城地區(qū)持續(xù)發(fā)育大量NE向斷裂，呈SE—NW向展布，控制了后期的壘塹構造格局[7]。

志留紀—泥盆紀：此時期斷裂表現(xiàn)出明顯的分區(qū)特征，研究區(qū)南部由于接近阿爾金一車爾臣斷裂帶，受左行壓扭持續(xù)影響，發(fā)育負花狀構造，具有典型的走滑特征。該類斷層在平面上與中奧陶統(tǒng)發(fā)育的斷層是同一斷層，是早期斷裂持續(xù)活動的結果，具有繼承性；而在北部地區(qū)則發(fā)育一系列NE向斷面較陡近乎直立的走滑斷裂，該斷裂有共軛性質(zhì)。在這個時期，受塔中斷裂帶和阿爾金斷裂剪切走滑雙重作用影響，古城塔東地區(qū)發(fā)生南北雙向強烈對沖擠壓，導致整個古城、塔東地區(qū)整體發(fā)生翹傾作用，古城地區(qū)遭受最大的一期抬升剝蝕，石炭系與前石炭系呈高角度不整合接觸，志留紀—泥盆紀地層被剝蝕干凈。古城低凸起構造在此時期也基本定型。

石炭紀—白堊紀：從早海西到印支—晚燕山期運動，區(qū)內(nèi)構造變形作用較弱，接受連續(xù)穩(wěn)定沉積，以平行整合接觸關系為主。白堊紀早期進入造山后應力松弛階段，發(fā)生區(qū)域性的構造伸展作用。石炭紀—白堊紀內(nèi)發(fā)育了幾組較大的右行左階走滑斷裂帶，這類斷裂在平面上呈羽狀分布，縱向上發(fā)育于早期主干斷層的末端，由主干斷裂向兩側發(fā)散，多個分支斷層向深部收斂，是具有明顯張扭性質(zhì)的正斷層。通過與早期各期斷裂疊合發(fā)現(xiàn)，其延展方向與晚加里東—早海西期的斷裂走向基本一致，反映了晚加里東—早海西期斷裂在此時期又發(fā)生了一次區(qū)域性走滑，并產(chǎn)生了羽狀斷裂帶，這種現(xiàn)象與塔北哈拉哈塘白堊系的羽狀斷裂是一致的[8]。

4 構造控藏作用探討

齊井順等[9]認為，本地區(qū)經(jīng)歷兩期油氣成藏，晚加里東期以原油充注為主，喜山期天然氣聚集成藏。

通過瀝青包裹體、瀝青-氣烴包裹體、含瀝青氣烴包裹體、氣烴包裹體分析，認為天然氣主要來源于原油裂解。測井和巖心資料證實，在寒武系到奧陶系各主要含氣層均發(fā)現(xiàn)有瀝青存在。大面積的瀝青分布說明早期古油藏在提供氣源的同時，部分已經(jīng)遭受破壞并散失，油氣的充注時間和充注部位以及運聚過程與斷裂活動及演化過程密切相關，因此有必要研究各構造演化時期斷裂對油藏的控制作用，為落實油氣富集區(qū)及下一步勘探方向奠定基礎。本區(qū)的構造演化經(jīng)歷4個主要時期，早—中寒武世、中—晚奧陶世、志留紀—泥盆紀、石炭紀—白堊紀，各個時期所形成的斷裂系統(tǒng)對成藏控制明顯不同。

早—中寒武世發(fā)育大量正斷層，這類斷層斷距小、縱橫向延伸有限，而且是早于古油藏之前形成，因此對油藏運移和保存不起作用；中—晚奧陶世斷層斷穿寒武系，直接溝通下寒武統(tǒng)烴源巖和奧陶系鷹山組白云巖儲層，所形成時間與古油藏屬于同一時期，是溝通運移古油藏的重要通道；志留紀—泥盆紀斷層形成于古油藏之后，所形成的斷裂主要是NW向和NE向的一組共軛走滑斷裂，這組斷裂在區(qū)域擠壓走滑的過程中對古油藏可能起著破壞作用；石炭紀—白堊紀斷層是幾組比較典型的“羽狀斷裂帶”，是具備走滑特征的重要標志，特別值得指出的是，中—晚奧陶世在工區(qū)南部靠近阿爾金斷裂帶所形成的斷層、北部斷層以及志留紀—泥盆紀的共軛走滑斷層在此時期進行了又一次走滑，其主要證據(jù)是這些斷層在平面上與“羽狀斷裂帶”的位置幾乎完全一致，而且與塔北哈拉哈塘地區(qū)白堊系發(fā)育的羽狀斷裂的特征也是一致的，充分表明此次斷裂活動是整個塔里木盆地區(qū)域性走滑的結果。為了說明此次構造活動對成藏控制作用，進行了目前已有鉆井與斷裂的水平距離統(tǒng)計，結果發(fā)現(xiàn)，古城6(日產(chǎn)氣26×104m3)、古城8(日產(chǎn)氣47×104m3)、古城9(日產(chǎn)氣107×104m3)、古城12(差氣層，低產(chǎn))、古城7(差氣層，低產(chǎn))這幾口鉆探效果較好的井距離這期斷裂都在3.0 km以上，而古城10、古城13、古城14、古城16鉆探效果較差的井距離斷裂都小于3.0 km(表1、圖5d)，尤其是古城13和古城16井除在鷹山組有零星含氣之外多發(fā)育水層，顯示晚期排烴時充氣能力不足且受斷裂影響已大多散失,說明在石炭紀—白堊紀這期區(qū)域性的走滑斷層對古油藏的破壞程度較大。

表1鉆井與石炭紀—白堊紀斷層距離統(tǒng)計表

Table1DistancesbetweendifferentwellsandfaultsofCarboniferousandCretaceous

井名儲層含油氣性/(104m3)距離/km古城6優(yōu)質(zhì)267．5古城7差差氣層10．5古城8優(yōu)質(zhì)4712．0古城9優(yōu)質(zhì)1074．2古城12差差氣層5．9古城10差差氣層1．7古城13優(yōu)質(zhì)差氣層、水層2．1古城14優(yōu)質(zhì)差氣層、水層1．8古城16差干層0．9

古油藏形成之后的構造演化如圖9。從中奧陶統(tǒng)頂面的構造演化來看：在成藏時期(志留系沉積之前)，構造高點處于研究區(qū)北部，北部最先形成古油藏(圖9a)；在石炭系沉積前，構造高點轉移至研究區(qū)西部，受前期NE向斷層阻隔，古油藏后期由北部向西南調(diào)整(圖9b)，受中西部灘間海相致密碳酸鹽巖阻擋，東部顆粒灘相油氣較難向西運移，東部顆粒灘相古油藏得以保留，該時期古油藏主要集中在東部顆粒灘相西部(圖10)；在三疊系沉積前，構造高點向南轉移，高點位于壘塹的中部，受早期NE向斷裂封堵，古油藏在研究區(qū)內(nèi)向古城16、6、9、12井一線區(qū)域高點聚攏(圖9c)；在白堊系沉積前的定型期，構造高點轉移至研究區(qū)東部，受早期NE向斷裂封堵，古油藏由古城6、9、12井附近向東側聚集(圖9d)。由于東部臺地邊緣相致密灰?guī)r阻擋油氣東移，油氣被阻隔在東部顆粒灘相帶內(nèi)(圖10)；該區(qū)帶內(nèi)古油藏始終處于封閉狀態(tài)，因此東部顆粒灘相帶內(nèi)有利儲層始終具有比較可靠的聚氣條件，加上中—晚奧陶世斷裂的溝通作用和石炭紀—白堊紀的破壞作用。綜合認為，目前的有利勘探區(qū)域應在中部壘、塹相間的構造高部位上，主要集中在古城9井以上地壘與兩側地塹的部分區(qū)域。

a．志留系沉積前灰?guī)r頂面古構造圖； b．石炭系沉積前灰?guī)r頂面古構造圖； c．三疊系沉積前灰?guī)r頂面古構造圖； d．白堊系沉積前灰?guī)r頂面古構造圖。時間厚度是地層的頂?shù)捉缑娴臅r間之差。圖9 古油藏形成之后構造演化圖Fig.9 Tectonic evolution after the formation of ancient reservoir

圖10 古城三維區(qū)鷹三段沉積相圖Fig.10 Sedimentary facies map of Ying 3 in Gucheng area

5 結論

1)多窗口傾角掃描技術對碳酸鹽巖區(qū)隱蔽走滑斷裂具有較強的識別能力，為本區(qū)斷裂組合和構造識別起到關鍵作用。

2)古城地區(qū)主要發(fā)育7類不同的構造樣式，包括張性正斷層、張扭性負花狀構造、正“Y”字形構造、反“Y”字形構造、壓扭性正花狀構造、近直立的共軛走滑斷層及張扭性走滑正斷層；平面上主要發(fā)育NW向、NE向和NNE向共3個方向的斷裂。

3)古城低凸起構造演化主要經(jīng)歷4個主要時期，早—中寒武世、中—晚奧陶世、志留紀—泥盆紀、石炭紀—白堊紀。

4)有利勘探區(qū)域位于中部壘、塹相間的構造高部位上，應遠離印支—燕山期斷裂帶3.0 km以上，主要集中在古城9井附近的地壘與兩側地塹的部分區(qū)域。

致謝:大慶油田勘探開發(fā)研究院與勘探事業(yè)部相關人員提供了大力支持,在此表示感謝。

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