泊爾江海子斷層分段演化特征及其對太原—山西組的控制作用

徐立濤 石萬忠*② 吳 睿 王 任 徐清海 張曉明

（①中國地質大學（武漢）資源學院，湖北武漢430074；②中國地質大學（武漢）構造和油氣資源教育部重點實驗室，湖北武漢430074；③長江大學地球科學學院，湖北武漢430100）

0 引言

斷裂作為沉積盆地中常見的構造變形樣式，通常直接影響和控制含油氣盆地的沉積和油氣成藏，在層序地層格架內根據斷層活動及演化研究控制沉積的構造因素，目前已成為研究熱點。眾多研究表明，現今的大型斷裂往往是由一系列早期的次級斷層相互連接而成［1-7］，斷層之間以傳遞帶相互作用，主要表現為“硬聯接”和“軟聯接”兩種形態［8-9］。斷層活動形成的傳遞帶往往具有重要的油氣地質意義。

鄂爾多斯盆地構造穩定，盆地沉降緩慢，盆內砂巖儲集體分布多受沉積相帶控制［10-11］，以往主要根據沉積體系及沉積相分析預測儲層，很少考慮控制沉積的斷裂構造因素。鄂爾多斯盆地北部杭錦旗地區，自西向東發育了三眼井、烏蘭吉林廟、泊爾江海子等斷層雁列式展布的斷裂帶，三條斷層具有左行走滑性質，整體具有“分段”發育特征［2-3，12-13］。隨著研究的深入，該斷裂帶對研究區構造、沉積、油氣藏分布的影響越來越受到關注［14-15］。斷裂帶南、北兩側地層及圈閉類型均存在差異，其中南側儲層分布除了受相帶控制外，還與斷層活動密切相關，但斷層對沉積的控制作用尚不清楚。

為此，本文利用三維地震資料研究泊爾江海子斷層構造特征，基于區域動力學機制深入認識斷層演化規律，分析斷層活動對儲層的控制作用，以期對類似地區的油氣勘探、開發提供借鑒。

1 研究區地質背景

杭錦旗地區位于鄂爾多斯盆地北部，橫跨伊陜斜坡、伊盟隆起、天環坳陷三個一級構造單元［13］（圖1）。該區沉積地層自下而上為上古生界（石炭系太原組、二疊系山西組、石盒子組、石千峰組）和中生界（包括三疊系、侏羅系及白堊系），幾乎缺失新生界。該區廣泛發育正斷層、逆斷層、扭性斷層及反轉斷層，其中正斷層主要發育于上三疊統—下白堊統，逆斷層主要發育于基底、上古生界（圖2）。

圖1 研究區地理位置圖（據文獻［13］修改）

圖2 杭錦旗地區地震剖面（剖面位置見圖3）

鄂爾多斯盆地處于中國東部穩定區和西部活動帶的結合部，受特提斯、古亞洲洋和環太平洋構造域的影響［16］，經歷了遷西、阜平、五臺等10余次構造運動［17］，盆地構造演化及斷裂發育與多期區域應力場轉變密切相關。

古生代盆地南、北緣的板塊運動主導了構造應力場的形成。加里東旋回晚期，南部秦祁洋盆與北部中亞—蒙古洋盆的聯合俯沖效應使盆內形成近南北向擠壓應力場［18］；海西期，陰山火山弧向南俯沖、秦嶺火山弧向北俯沖使盆地南緣及北緣相對仰沖而隆起［19-20］。

中生代盆地構造格局的形成主要取決于古特提斯構造域和太平洋構造域兩大區域動力體系的聯合作用［21］。印支期揚子板塊、華北板塊、西伯利亞板塊的相對聚斂運動造就區內NW—SE向、NNE—SSW向、SN向擠壓應力［18，22］；燕山期總體由SN向擠壓格局轉換到NW—SE向擠壓格局，特別是在晚中生代發生了多期引張—擠壓構造應力體制轉換［23］。

喜山期構造應力場的形成主要源于新特提斯構造動力體系和太平洋構造動力體系的聯合作用，中國東、西部之間產生近南北向的右行剪切應力場，并在鄂爾多斯盆地派生出NE—SW向擠壓應力和NW—SE向拉張應力［19］。

2 泊爾江海子斷層分段演化特征

2.1 幾何學特征

地震剖面顯示，研究區基底內逆斷層較發育，也可見少量正花狀斷層（圖2），這些斷層主要形成于早古生代加里東期，多終止于T9c界面以下，后期不發生活動，只有少數基底斷層重新活化并斷穿至上部的沉積蓋層。泊爾江海子斷裂為其中規模最大的一條基底卷入型逆斷層，斷面呈高角度犁式，上陡下緩，傾向總體呈NW向，斷裂構造幾乎貫穿整套沉積蓋層（圖2），斷距從下往上逐漸變小，反映了斷裂活動的長期性。斷層在地質歷史時期經歷多期伸展—擠壓旋回，同時兼具張扭及壓扭特征，整體表現為海西期—燕山期的多期逆沖活動和喜山期的構造反轉。

平面上，泊爾江海子斷層橫亙在杭錦旗地區中部，延伸約為80km，總體為一條走向多變的弧形斷層。斷層中部存在一個走向轉折點，斷層走向在此點由近EW向（走向約為95°）轉為NE向（走向約為65°），轉折點處的斷層呈弧形向南凸出（圖3）。斷裂走向變化暗示其可能由多條早期斷層相連而成，如工區西部斷層至今尚未完全貫通，斷層相互疊覆，呈“軟聯接”狀態。

2.2 斷層分段活動特征

由于研究區遭受多期隆升剝蝕且研究資料有限，因而無法恢復剝蝕厚度。為了克服剝蝕的影響，選用位移—距離曲線［24-26］與古落差法［27-28］表征斷層的分段活動特征。斷層位移（斷距）指斷層兩盤對應巖層之間的相對距離。相鄰斷層間的連接部位往往具有相對較小的累計斷距，這種特征可通過位移—距離曲線呈現。斷層落差是斷層兩盤對應巖層之間的高程差，即某時期古落差一般為同一時期兩盤的厚度差。

圖3 研究區T9c界面相干屬性（左）及斷裂體系分布（右）圖

沿斷層走向等間隔讀取每條測線的鉛直斷距，分別繪制上、下四個層系的位移—距離曲線（圖4左）和基底界面的累計斷距曲線（圖4右）；通過求取7套地層組合（志丹群及以上地層、直羅—安定組、延安組、延長組、劉家溝—二馬營組、上石盒子—石千峰組、太原—下石盒子組）的厚度差，制作斷層在各個時期的古落差（圖5）。結果表明：①斷層位移—距離曲線呈“凹凸”相間的結構特征，整體表現為“小—中—大—中—小”變化特征，曲線下“凹”的部位即為各段斷層之間的傳遞帶，反映泊爾江海子斷層早期呈分段式發育，據此可將泊爾江海子斷層劃分為5個部分（圖4中的①～⑤）。②斷層古落差揭示斷層活動隨著時間遷移不斷變化的特性，且各段斷層的活動特征在走向上具有明顯差異（圖5）。

圖4 位移—距離曲線（左）和基底界面的累計斷距曲線（右）

圖5 泊爾江海子斷層各層段古落差

從區域上來看，泊爾江海子斷層與其西部的烏蘭吉林廟、三眼井斷裂構成左行走滑構造樣式，具有大尺度意義上的“分段”活動特征，但現今三者的斷層性質及活動特征均有差異。三眼井、烏蘭吉林廟斷層為加里東期形成、燕山期重新活動的南傾正斷層，具有兩期活動特征，泊爾江海子斷層為一條長期活動的北傾逆斷層［29］。根據上述分析，泊爾江海子斷層在長期的發展過程中本身又具有相對小尺度的“分段”演化特征，符合早期分段演化、晚期連接、統一的典型斷層發展模式。加里東—海西期泊爾江海子斷層在近NS向弱—中等強度擠壓應力背景下表現為分段性活動（圖4、圖6a），直到印支期一直呈持續性弱擠壓活動。印支期構造活動對斷裂格局影響不大，進入延安組沉積末期，該地區發生強烈的陸內變形，泊爾江海子斷層各段進一步向兩側拓展但尚未連接（圖4）。中—晚侏羅世，研究區在南北雙向擠壓及東向擠壓作用影響下發生強烈逆沖變形［30］，斷層發生大規模逆沖并伴隨右旋走滑［2-3］，斷距的劇增和走滑撕裂促使斷層橫向貫穿統一（圖6b）。在晚中生代的多期引張—擠壓旋回中［23］，泊爾江海子斷層繼承性活動并在白堊紀晚期再次發生分段性活動（圖6c）。始新世—新近紀，泊爾江海子斷層在近NS向的右旋剪切應力場下表現為一系列雁列展布的張扭性斷裂（圖6d）。喜山晚期斷層再一次構造反轉，發生逆沖活動，從而形成現今的斷裂格局。因此，泊爾江海子斷層的構造特征基本反映了研究區各構造運動時期的動力學背景，現今的斷裂格局是加里東、海西、印支、燕山、喜山等多期構造活動疊加的結果。

圖6 研究區不同時期斷裂活動特征

3 斷層活動對沉積的控制作用

研究區的油氣勘探主要集中于上古生界太原—下石盒子組碎屑巖系，陸源碎屑沉積物物源來自盆地北緣，地層及沉積體系在一定程度上受泊爾江海子斷層活動的影響。泊爾江海子斷層對沉積的控制作用主要表現為以下兩個方面。

3.1 斷層活動對太原—山西組發育的影響

晚古生代斷層活動形成的古坡折帶控制了太原組的沉積邊界。根據前文分析可知，泊爾江海子斷層于太原組沉積之前開始活動，受斷層活動的影響，斷層南、北兩側地層差異較大。晚石炭世太原組沉積期，以泊爾江海子斷層為界，斷裂以北仍為隆起剝蝕區，太原組主要分布在斷裂以南，太原組尖滅線基本由泊爾江海子斷層控制（圖7）。進入早二疊世山西組沉積期，沉積范圍才擴大到泊爾江海子斷裂以北，即太原組沉積期斷層活動控制了高低起伏的構造單元，形成了南、北分異的古地貌特征。

斷層活動造就了“北高南低”的古地貌，使斷層兩側存在明顯的沉積相分異。太原—山西組煤系地層呈異常低的負振幅響應，為重要的地震標志層，因此最大波谷屬性可以揭示全區巖性分布特征。屬性分布圖中深黑色區大體上代表煤巖或泥巖分布區，白—黃白—紅色區依次代表地層含砂率逐漸增加（圖8左）。由此可知：斷層以北水淺，水體動蕩，地層含砂率高，主要發育相對高能的沉積相帶；斷層以南水深，水體相對平靜，地層含砂率減小，地層含煤量相對較大，相對低能的沉積相帶展布范圍明顯較大。

圖7 連井地層對比剖面（剖面位置見圖3）

圖8 研究區太原—山西組最大波谷屬性（左）及測井相（右）

3.2 傳遞帶對砂體展布規律的控制作用

一般來說，由于地質均衡作用，在斷層活動強烈的部位，下降盤沉降形成深洼，上升盤反翹形成微幅凸起；在斷層活動較弱的部位或者傳遞帶部位，上升盤形成低地或溝槽，下降盤則相對凸起，能夠引導、匯聚物源水系，成為優勢搬運通道［31］。因此，泊爾江海子斷層的早期分段活動形成的傳遞帶是南部地區物源輸入及砂體展布的關鍵控制因素。

太原—山西組沉積期，主要形成西部近EW向的兩條斷層和東部近NE向的兩條斷層（圖6a），斷層間的傳遞帶具有匯聚物源水系的作用，分別控制物源進入南側的優勢搬運通道。物源經傳遞帶進入斷層南側后主要呈扇狀或條帶狀向南延伸，各砂體條帶被低能相帶分隔（圖8），沉積體展布與斷層的構造傳遞帶位置具有良好的配置關系。

傳遞帶的繼承性發育使該部位具有長期的控砂能力，從而控制儲集體發育空間。泊爾江海子斷層南側沉積體往往是多期沉積體在局限區域疊加的結果。如研究區中部發育一套遠距離延伸的寬廣河道沉積，剖面呈透鏡狀幾何外形，測井相表現為多期河道疊加（圖8右）。長期的物源輸送使多期砂體在垂向上疊加，致使沉積體堆積規模不斷增大，從而成為有利勘探目標。

4 結論

（1）現今的泊爾江海子斷層由5條次級孤立斷層相互連接而成。海西期泊爾江海子斷裂呈分段式逆沖活動，侏羅紀晚期泊爾江海子斷層發生大規模的逆沖運動而發展成為一個整體，隨后又在早白堊世至新近紀多期伸展—擠壓旋回中發生不同程度的構造反轉和改造，從而形成現今斷裂構造格局。

（2）泊爾江海子斷層的傳遞帶與南部沉積體展布具有良好對應關系，相鄰斷層間的傳遞帶或不活動斷層部位可作為物源導入的優勢通道，控制著南部大型沉積體的發育及展布。在穩定緩坡背景下，斷層傳遞帶的形成使沉積體分布呈現一定的規律性，這對于追蹤沉積體具有重要意義。