喜馬拉雅晚期構造應力場及其與油氣分布的關系
——以準噶爾盆地南緣為例

張鳳奇 ，劉偉 ，魯雪松 ，劉陽 ，周路 ，曹秦智

（1.西安石油大學地球科學與工程學院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，陜西 西安 710065；3.延長油田股份有限公司勘探開發技術研究中心，陜西 延安 716001；4.中國石油勘探開發研究院，北京 100083）

準噶爾盆地南緣是我國最早進行油氣勘探的地區之一［1-4］，近期高探1井深層白堊系碎屑巖儲層的勘探獲得了重大突破，表明該地區深層具有較大的勘探潛力［5］。晚古生代以來，準噶爾盆地南緣經歷了晚海西期、印支—燕山期和喜馬拉雅期多次構造運動［6-7］。其中，喜馬拉雅晚期構造運動對準噶爾盆地南緣形成的影響最大［8］，構造擠壓最為強烈，而該時期又是準噶爾盆地南緣油氣的主要成藏時期，兩者關系密切。目前，對準噶爾盆地南緣構造應力場分布特征及其對油氣分布的影響研究還較為薄弱。

本文對準噶爾盆地南緣喜馬拉雅晚期的構造應力場進行了數值模擬恢復，總結了其構造應力場的分布特征及其與油氣的分布關系，以期為后續油氣勘探提供指導。

1 地質背景

準噶爾盆地南緣西到扎伊爾山，東到博格達山山前，北與車排子凸起和莫南凸起相鄰，南與天山北緣相鄰［9-11］，東西方向和南北方向上分別形成了東西分段和南北分帶的構造特征（見圖1）。東西方向以烏魯木齊—米泉斷裂和紅車斷裂為界，分為東段阜康斷裂帶、中段山前沖斷帶和西段四棵樹凹陷；南北方向以三排背斜帶為界，自南向北劃分為第一排構造帶（齊古斷褶帶）、第二排構造帶（霍瑪吐背斜帶）和第三排構造帶（呼圖壁—安集海—西湖背斜帶）［12-14］（見圖 1）。本次的研究區域主要是準噶爾盆地南緣的西段四棵樹凹陷和中段山前沖斷帶。研究區多發育向南傾斜的逆斷層，且背斜軸部為斷層發育的主要位置。

圖1 準噶爾盆地南緣區域構造特征

2 構造應力場數值模擬

建立正確的地質模型和力學模型是構造應力場數值模擬的前提，而研究區的大地構造背景、主要構造格局和區域構造單元劃分，以及前人的地震解釋剖面等，是建立正確地質模型和力學模型的基礎［15-16］。

2.1 地質模型的建立

平面和剖面上以準噶爾盆地南緣的西段四棵樹凹陷和中段山前沖斷帶為主體進行模擬，不包含東段阜康斷裂帶。模型建立時兼顧幾個相鄰區域，這是為了方便模擬過程中載荷的施加和避免邊界效應的發生。

平面上選取了下組合侏羅系齊古組進行模擬（見圖2）。剖面模擬時共選取了3個剖面作為本次構造應力場數值模擬的地質模型，分別為過齊古背斜—吐谷魯背斜—呼圖壁背斜的AA′剖面、過霍爾果斯背斜—安集海背斜的BB′剖面、過高泉背斜—西湖背斜—卡因迪克背斜的CC′剖面。其中AA′和CC′剖面均為多條地震剖面拼接而成（見圖 3［5，17-18］）。 盡管剖面的拼接會對模擬效果產生一些影響，但這種拼接并未改變剖面從南向北的延伸趨勢；因此，該處理對模擬結果影響有限。剖面模擬基本上包含了研究區石炭系以來沉積的所有地層。為了方便模型的建立及網格化，平面地質模型建立時還考慮了延伸較長的主斷層。

圖2 準噶爾盆地南緣齊古組平面模擬地質模型

圖3 準噶爾盆地南緣剖面模擬的地質模型

2.2 力學模型的建立

力學模型的建立在數值模擬中尤為重要，正確的地質模型是力學模型建立的基礎。由于巖石力學參數和邊界條件的選擇是影響模擬結果正確性的主要因素，因此建立正確的地質模型之后，還需要從上述兩方面來考慮如何建立力學模型，以保證模擬結果的準確性。

2.2.1 巖石力學參數的選取

研究區高溫高壓三軸巖石力學參數數據較少。庫車坳陷與研究區分布于天山南北兩側，兩者在中、新生代經歷了相似的構造演化，中、新生代的沉積地層雖然存在微弱的差異，但整體上具有較好的相似性［19］，二者的巖石力學參數也應具有可對比性；因此，本次研究區平面和剖面模擬過程中選取的各地質體單元巖石力學參數主要來自于前人有關準噶爾盆地南緣和庫車坳陷的文獻［20-22］（見表 1［23］、表 2）。此外，還需要對同一構造單元的巖石作均質體處理，各構造單元間則需要作非均質體處理，斷層作為斷裂帶進行處理。

表1 準噶爾盆地南緣各構造帶侏羅系齊古組巖石力學參數

表2 準噶爾盆地南緣各地層巖石力學參數

2.2.2 邊界條件的確定

邊界條件的確定及載荷的施加是有限元模擬過程中的重要步驟。在此之前，應對各構造體單元分別賦予相應的巖石力學參數和單元類型［15］。有限元模擬之前還需要對整個研究區的構造應力作用進行研究，以此設定邊界約束條件和構造作用力，建立正確的力學模型。新近系以來，特別是喜馬拉雅晚期，準噶爾盆地南緣發生了自南向北的強烈的構造擠壓作用［8，24］。喜馬拉雅晚期最大主壓應力方向由前期的垂直方向變為近似水平方向，該時期研究區整體上最大水平主應力方向為北東—南西向，博格達山北部邊緣為北西—南東向［7，25］。

平面和剖面模型均可將東西向設定為X方向，南北向設定為Y方向。在對平面模型進行模擬時，根據研究區的最大水平主應力方向，將平面模型的中央坳陷北邊界進行X方向約束，東北角與東南角則進行X和Y方向約束；在模型的南北邊界施加一定的擠壓應力，并不斷改變所施加擠壓應力的大小，直至模擬結果與研究區典型井聲發射實驗最大主壓應力的實測值（見表3）非常相近或一致。最終的初始應力條件為模型北邊界的中央坳陷處向南施加120 MPa的水平擠壓應力，車排子凸起處向南施加90 MPa的水平擠壓應力，模型南邊界向北所施加的水平擠壓應力從西向東逐漸減小，即從220 MPa到90 MPa。

在對剖面模型進行模擬時，將其底部設置為Y方向約束，右邊界設置為X和Y方向約束，頂面為自由態，不作任何設置；由于剖面模型Y方向上各地層在施加應力的同時會受到重力的影響，因此在該方向施加應力時應考慮重力場派生的水平主應力，所施加的合應力大小應是重力場派生的水平應力與構造應力之和［15］。結合前人在庫車坳陷剖面有限元模擬過程中所施加的合應力值［26］，不斷改變構造應力的大小，直到典型井的聲發射實測值（見表3）與同一深度的模擬值基本吻合為止（見表 3）［25，27］。最終，在剖面模型左邊界所加載的合應力為σH=0.01h+55（其中：σH為加載的合應力，MPa；h 為埋藏深度，m），從 AA′剖面到 CC′剖面的合應力分別為 55～175，75～195，80～200 MPa。

表3 準噶爾盆地南緣典型井聲發射測試結果

2.3 構造應力場模擬結果

基于上述模型，運用ANSYS18.1有限元模擬軟件的求解功能，對研究區平面模擬最大主壓應力（見圖4）與剖面模擬最大主壓應力（見圖5）進行了求解。

圖4 齊古組喜馬拉雅晚期最大主壓應力平面分布

圖5 準噶爾盆地南緣典型剖面的最大主壓應力分布

對最大主壓應力模擬結果與聲發射實測值的誤差分析表明：平面上，齊古組Q1，Q009，DS1井的模擬結果分別為 120～130，100～110，200～210 MPa，Q1 井的模擬值與實測值吻合較好，而Q009井模擬值較實測值稍偏大，DS1井模擬值較實測值稍偏小（見表3）；盡管個別地區平面模擬結果與實測值稍有差異，但模擬結果的大小變化趨勢與實測值基本吻合。剖面模擬結果顯示，剖面AA′與Q009井附近處侏羅系頂部最大主壓應力為70～90 MPa，剖面BB′與H001井附近安集海河組最大主壓應力為100～120 MPa，與實測值較為吻合（見表3）。因此，本次平面和剖面模擬結果整體上較為可靠，可以用來表示研究區喜馬拉雅晚期構造應力場的分布狀況。

2.3.1 平面構造應力分布

從平面模擬結果（見圖4）可以看出：侏羅系齊古組喜馬拉雅晚期的最大主壓應力在東段阜康斷裂帶普遍小于60 MPa；四棵樹凹陷的最大主壓應力基本在120～240 MPa，整體上比東段阜康斷裂帶的大；中段的東、中、西部地區的最大主壓應力分別在60～150，90～180，180～240 MPa。

2.3.2 剖面構造應力分布

在前文的聲發射測試結果以及平面和剖面的數值模擬結果的雙重約束下，剖面的模擬結果較為準確。從研究區各剖面的模擬結果（見圖5）可以看出：構造擠壓變形后，第四系的最大主壓應力在研究區中段東部主要分布于60～90 MPa，中段其他地區和四棵樹凹陷則主要分布在90～120 MPa。新近系獨山子組（N2d）、塔西河組（N1t）和沙灣組（N1s）最大主壓應力主要在90～120 MPa，僅中段東部第一、二排構造帶的背斜軸部附近為60～90 MPa。古近系安集海河組（E2-3a）最大主壓應力主要分布在 90～120 MPa，僅中段東部的第一、二排構造帶和第三排構造帶背斜軸部附近為60～90 MPa。紫泥泉子組（E1-2z）在中段東部和中段其他地區背斜軸部的最大主壓應力主要分布在90～120 MPa，中段的其他地區和四棵樹凹陷則主要分布在120～150 MPa；該地層在中段的第一排構造帶附近最大主壓應力主要分布在60～90 MP。白堊系東溝組（K2d）和吐谷魯群（K1tg）在中段東部最大主壓應力主要分布在120～150 MPa，第一排構造帶和第二排構造帶背斜軸部最大主壓應力較小，分別分布在60～90，90～120 MPa；該地層在中段其他地區和四棵樹凹陷最大主壓應力主要分布在150～180 MPa，第二、三排構造帶背斜軸部最大主壓應力主要分布在120～150 MPa，第一排構造帶的最大主壓應力主要集中在90～120 MPa。 侏羅系中上統喀拉扎組（J3k）、齊古組（J3q）、頭屯河組（J2t）和西山窯組（J2x）在中段東部最大主壓應力主要分布在120～150 MPa，在第一排構造帶主要分布于 60～90 MPa；下侏羅統三工河組（J1s）和八道灣組（J1b）在中段東部最大主壓應力主要分布于150～180 MPa，在第一排構造帶主要分布于90～120 MPa；侏羅系在中段除東部的其他地區和四棵樹凹陷最大主壓應力主要集中于180～210 MPa，僅在第一排構造帶分布于90～150 MPa。侏羅系之下的三疊系、二疊系和石炭系在研究區中段東部最大主壓應力主要分布在150～180 MPa，該地區第一排構造帶最大主壓應力主要集中在90～150 MPa；中段其他地區和四棵樹凹陷最大主壓應力主要分布在180～210 MPa，這些地層在靠近山前的地區最大主壓應力主要集中在120～180 MPa，而四棵樹凹陷部分地區的石炭系最大主壓應力可達210～240 MPa。

總的來說，同一層位CC′剖面和BB′剖面的最大主壓應力比AA′剖面的大，CC′剖面與BB′剖面的最大主壓應力基本一致，整體上從東向西逐漸呈遞增趨勢；而靠近天山的第一排構造帶的最大主壓應力較小，這主要是構造擠壓作用致使天山發生抬升剝蝕導致應力釋放造成的，但整體上從東向西也逐漸呈遞增趨勢（見圖5）。同一地區埋深較大地層的最大主壓應力相比埋深較淺地層普遍較大，基本上是隨著埋深的增加而增加的，但不同地區同一深度的最大主壓應力是不相同的，這與構造應力的方向、距離天山的遠近以及喜山運動之前地層的構造特征等因素有關（見圖5）。此外，各剖面背斜和斷裂帶處的最大主壓應力均比其相鄰地層的小（見圖 5）。

3 構造應力與油氣分布關系分析

從最大主壓應力的平面和剖面模擬（見圖4、圖5）來看，同一層位的最大主壓應力一般在凹陷處相對較大，在背斜或斷背斜處一般相對較小，而斷裂處的最大主壓應力相對圍巖普遍要小。前人研究認為，油氣一般由高應力區向低應力區運移［22，28］。因而，烴源巖生成的油氣在構造擠壓作用下向斷裂處匯聚，斷裂一旦開啟，匯聚的油氣便會沿著斷裂向上快速運移，充注到鄰近的儲層之中；而同一層中的油氣也會由向斜部位往背斜或斷背斜運移，并且在其內部形成聚集。油氣的這種運移趨勢，與其在浮力的作用下由低部位向斜區往高部位背斜區的運移趨勢一致。——說明在前陸擠壓區的油氣除了受常規浮力驅動外，還受到構造擠壓作用下的構造應力驅動，這在一定程度上加速了油氣的運聚成藏。

對于研究區中上組合發現的油氣儲層來說，一般物性相對較好，油氣在浮力的作用下便可運聚成藏；但對于研究區下組合深層來說，儲層物性相對較差，在浮力的作用下較難運移，這時構造應力的驅油氣作用對油氣運聚的影響更為顯著。研究區已發現油氣主要位于中上組合，而下組合勘探程度較低［5，29-31］。 模擬結果顯示，研究區第二、三排構造帶下組合發育的背斜或斷背斜圈閉，以及第一排構造帶的隱伏斷背斜圈閉為油氣的有利運聚指向區。現有的勘探成果也證實了這一點：目前，高泉背斜的GT1井下組合已獲得重大突破，西湖背斜XH1井、獨山子背斜DS1井和呼圖壁背斜DF1 井下組合均獲得油氣顯示［5，29］（見圖 1），而且呼圖壁背斜呼探1井下組合近期又獲重大突破［32］。可見，準噶爾盆地南緣喜馬拉雅晚期的構造擠壓應力在很大程度上控制著油氣的分布。

4 結論

1）平面上，喜馬拉雅晚期研究區東段阜康凹陷侏羅系齊古組最大主壓應力基本上小于60 MPa；四棵樹凹陷齊古組最大主壓應力比東段大，且靠近天山山前地區的最大主壓應力比遠離山前地區的大，普遍在120～240 MPa；中段地區齊古組最大主壓應力從東到西逐漸增大，中段東部、中部和西部地區最大主壓應力分別在 60～150，90～180，180～240 MPa。

2）研究區同一地區埋深較大地層的最大主壓應力比埋深較淺地層的大。中段東部地區埋藏較淺的古近系和以上地層最大主壓應力主要分布在60～120 MPa，埋藏較深的侏羅系和二疊系最大主壓應力主要分布在120～180 MPa；中段中部地區埋藏較淺的古近系和以上地層最大主壓應力主要分布在90～120 MPa，埋藏較深的侏羅系和二疊系最大主壓應力主要分布在120～210 MPa；中段西部四棵樹凹陷地區埋藏較淺的古近系和以上地層最大主壓應力主要分布在90～120 MPa，埋藏較深的侏羅系—石炭系最大主壓應力主要分布在120～210 MPa。背斜和斷裂帶處的最大主壓應力均比其相鄰地層的小。

3）準噶爾盆地南緣喜馬拉雅晚期的構造擠壓應力在很大程度上控制著油氣的分布。研究區油氣除受常規浮力驅動外，還受到構造應力的驅動，并在一定程度上加速了油氣的運聚成藏。第一排構造帶的隱伏斷背斜圈閉，第二、三排構造帶下組合發育的背斜或斷背斜圈閉均為油氣的有利運聚指向區。