神木北地區上古生界斷裂構造分析及其影響

王俊杰 張菡 張小浩

摘? 要：神木北地區位于鄂爾多斯盆地的東北部，富集油氣資源，其在上古生界太原組、山西組和石盒子組上發育小型正斷層、逆斷層、個別切割能力較強的走滑斷層及高角度裂縫，由構造作用產生的斷層、裂縫及后期由烴源巖內部異常高壓使泥巖破裂所形成的裂縫都影響油氣運移和油氣田分布。該文利用地震資料、鉆井資料、測井資料和成像資料結合人工地震合成記錄標定法、野外露頭調查法等對地震資料處理、解釋和結合野外露頭調查法、巖心觀察法，鏡下薄片鑒定法和成像測井方法等識別裂縫構造、發育類型和發育基本規律，上述方法對神木北地區的油氣資源勘探，具有重要的研究意義和具體的應用價值。

關鍵詞：神木北；上古生界；斷裂構造；構造應力場；油氣聚集

中圖分類號：P54? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0090-05

Abstract： The northern Shenmu region is located in the northeastern part of the Ordos Basin， known for its abundant oil and gas resources. In the Paleozoic Taiyuan Formation， Shanxi Formation， and Shihezi Formation， there are small-scale normal faults， reverse faults， strike-slip faults with strong cutting abilities， as well as high-angle fractures. Faults and fractures generated by tectonic activity， as well as fractures formed by the fracture of mudstone due to abnormally high pressure within source rocks， all have an impact on the migration of oil and gas and the distribution of oil and gas fields. This paper utilizes seismic data， drilling data， well logging data， and imaging data， combined with methods such as synthetic seismogram calibration using artificial seismic records and field outcrop investigation. It employs techniques such as core observation， thin-section identification， and imaging logging to identify fracture structures， their development types， and basic development laws. The above methods have significant research significance and practical application value for oil and gas exploration in the northern Shenmu region.

Keywords： shenmu North area; upper Paleozoic; fault structure; tectonic stress field; accumulation of oil and gas

近年，隨著鄂爾多斯盆地天然氣勘探工作的不斷深化，盆地北部神木地區的天然氣勘探取得重要突破。在所勘探的眾多油氣田中，構造性油氣田較為突出。裂縫和斷層的存在既影響油氣的運移，又在油氣田開發過程中起到重要作用[1]。本文主要通過對野外露頭剖面、二維地震剖面和一些測井資料和成像測井資料的綜合研究，展開本區斷裂構造發育特征的分析。

1? 區域地質概況及地層特征

鄂爾多斯盆地位于中國大陸中西部，面積約250 000 km2，四周被多個造山帶所包圍，其邊界受到了周緣深大斷裂的控制。神木北地區位于伊陜斜坡的東北部，地質構造復雜，眾多小斷裂分布其中，褶皺較少[2]，二疊系下統太原組、山西組和中統石盒子組是神木北地區主要研究層位。太原組的底部為灰黑色灰巖夾煤層，上部為灰黑色頁巖夾灰質結核；山西組底部為灰色、深灰色含礫塊狀砂巖夾薄層炭質泥巖，上部為鐵磨溝砂巖、淡黃色的塊狀含礫粗砂巖、粉砂質泥巖和煤層等。石盒子組上、下部通過整合接觸相連，桃花泥巖是其分界標志。上石盒子組的主要巖性為細粒砂巖和粉砂質泥巖，地層厚度130～170 m，下石盒子組的主體巖性為灰黑色-灰綠色粉砂巖泥巖，地層厚度約為115～165 m。

2? 斷層及其特征

2.1? 斷層發育狀況

通過對研究區周邊保德扒樓溝、柳林成家莊和府谷海則廟3條野外地質露頭的勘察，可以發現上古生界野外露頭發育斷裂構造：海則廟低角度小型逆斷層發育在本溪組頂部，斷層面產狀較緩，傾角在15°左右，整體呈NE-SW延伸，北西傾向，斷距1～2 m；海則廟太原組底部巨厚橋頭砂巖內部發育走滑斷層[3]，斷層面傾角大于80°，與橋頭砂巖的層理呈大角度相交，東西向延伸；扒樓溝本溪組中上部發現逆斷層，斷層面產狀較緩，其傾角在45°左右，整體呈NNE延伸，傾向北西，斷距可達5～8 m；扒樓溝下石盒子組巨厚砂巖內部發現走滑斷層，斷層面近于直立，斷層面與盒7砂巖近于垂直，南北向延伸；成家莊山西組內部剖面上可見2條低角度正斷層，南北向延伸，西北傾向，其傾角在30～40°之間，這2條正斷層均為小型的層內斷層，斷距在0.5～1 m左右，明顯錯斷了山西組內薄層砂巖。

2.2? 剖面的層位對比及構造解釋

根據地震勘探原理，地質模型得到地震記錄，利用人工地震合成記錄標定方法進行層位標定，由于本次收集的地震剖面比較分散，各個剖面的地震道號不同，無法進行全區的層位閉合分析，所以只能利用各地震剖面所經過或附近的探井的VSP曲線來對各層系進行標定，進行地震剖面的解釋工作。本次解釋工作是在人機聯作工作站上，利用Landmark解釋系統對本工區二維地震資料進行精細追蹤、對比和解釋的[4]。共追蹤對比了4個反射層位，在此基礎上對收集到的地震剖面進行了解釋。

研究區主要位于陜北斜坡的東北部邊緣，由于受伊盟隆起和晉西擾褶帶的影響，逆斷層和小褶皺相對較發育，但其斷層規模較小，斷距不大，基本在幾米到十幾米左右。在地震剖面利用波組或波系錯斷、同相軸的增加或減少、界面兩邊地震相差異以及同相軸的扭曲或變形等特征來識別斷層[5]。

3? 裂縫及其發育特征

3.1? 野外宏觀觀察

在選取野外露頭良好、構造特征明顯、巖層產狀較穩定和露頭面積較大的剖面進行野外測量。太原組觀測點位于府谷海則廟，其巖性為細粒石英砂巖與炭質泥巖互層，砂巖層厚平均為90 cm，泥巖的厚度大約在35～55 cm之間，砂巖裂縫發育程度較低，主要發育了北北東向和北西向兩組裂縫（表1、圖1（a）、（d）），其中北北東向裂縫比北西向裂縫發育。根據裂縫特點及縫面痕跡可推斷出，北北東向裂縫首先經歷了流體的影響，在其形成后北西向裂縫開始形成，因此北北東向裂縫的形成時間早于北西向裂縫。

山西組觀測點位于保德扒樓溝，可觀察到厚度為2.5～3 m的細粒石英砂巖。該觀測點與太原組的砂巖裂縫發育程度相似，發育程度都比較低（圖1（b）、（e）），與太原組不同的是此砂巖層中只發育了一組北西西向的剪裂縫，這類裂縫的高度大于4.5 m，長度大于9 m；裂縫張開度的范圍為1.5～2 mm，裂縫中完全填充了方解石和褐鐵礦。除此之外，還含有極少的張裂縫，由于數量較小，不做分析。

石盒子組觀測點在成家莊麻塔則西側50 m，巖性為厚度可達7～8 m的黃綠色石英砂巖（圖1（c））。在此觀察點發現北北西向和北東向的裂縫（表2），裂縫較稀疏，含有高角度的剪切縫（圖1（f））。在野外觀察時發現北東向裂縫切割了北北西向裂縫，切割現象突出，由此可以推出，北北西向裂縫的形成時間要早于北東向裂縫。

3.2? 鏡下微觀觀察及成像測井識別

研究區巖心上剪裂縫特征主要為延伸距離比較長，破裂面較光滑，個別破裂面上還可見擦痕，表現出極強的切割能力，是天然氣運移的一種十分重要的通道（圖2（a））；張裂縫破裂面與巖層層里面呈大角度相交，有時會向斜切割，在巖心上形成緩L型（圖2（b））；層理縫主要呈現為與層理平行或與層理小角度相交的較平直破裂面（圖2（c）），在泥巖、砂巖和煤層中均有發育；改造縫是由剪裂縫和張裂縫共同組成（圖2（d）），張裂縫呈鋸齒狀延伸，在應力作用下，將早期剪破裂面改造成張破裂面，使原來的剪裂縫變為張裂縫。在鑄體薄片的鏡下觀察中，微裂縫和微裂隙大量存在，可分為2類：一類為成巖壓溶縫（圖2（e）、（f）），是由成巖壓實壓溶作用形成，多分布在凹凸接觸的顆粒之間，被瀝青物質充填，可作為油氣運移的通道；另一類為構造成因縫（圖2（g）、（h）），多為構造擠壓成因，裂縫延伸距離遠，切穿石英顆粒及膠結物。這類裂縫對氣藏的保存不利。

利用收集的10口井成像測井資料，分別在太原組、山西組和石盒子組均識別出構造裂縫，總計220條裂縫，絕大部分剪切縫，無鉆井誘導縫（圖3）。根據成像測井統計數據可知太原組共識別出北西向、北東向裂縫89條，其中高角度裂縫達有82條；山西組識別出近東西向和北北西向及北東向裂縫82條，其中高角度裂縫有80條；石盒子組識別北西和北東向裂縫49條，高角度裂縫有47條。

3.3? 裂縫期次劃分

鄂爾多斯盆地東部自上古生界以來經歷了多期次構造運動，受到的遠程應力較為復雜，因此形成了多套裂縫系統。研究區野外觀察露頭的裂縫呈現出相互錯開、相互切割、相互限制和追蹤、利用、改造其他裂縫的交切現象（圖4（a））。根據測量的數據分析，得到研究區主要發育南北向、北東向、北北西向、東西向、北西向和北北東向的6組裂縫。在這6組裂縫中南北向、北北西向、北西向和北北東向裂縫的發育程度相對較高，北東向和東西向裂縫的發育程度相對較弱。圖4（b）—（d）中可以明確地反映出研究區裂縫的交切和相互關系：此關系可以反映出裂縫的形成時間，由早到晚為北北東向和北北西向、東西向和北西向、南北向和北東向[6]。

4? 構造應力場特征

中新生代的鄂爾多斯盆地主要經歷的構造運動分為印支活動期、燕山活動期和喜山活動期。三疊紀時期，華南板塊與華北板塊碰撞，發生了印支運動產生了近南北向的構造應力場，形成了北北東向和北北西向的構造裂縫。在早白堊世之后，由于喜山運動與燕山運動的構造應力方向不同，由于太平洋板塊的俯沖和特提斯構造域的擠壓使燕山期北西向和南東向構造應力場轉變為北東向和南西向構造應力場，巖石圈塊體受到了北西向和南東向拉伸（圖4（b）—（d））。

5? 裂縫的受控因素及成因機制

5.1? 受控因素

巖性是影響裂縫發育最基本的因素，隨著埋深的增加，泥巖受到高溫高壓的作用，其脆性增大，容易產生破裂，研究區粗-中砂巖中裂縫數量較少，粉砂質泥巖和泥巖中裂縫數量較多，即巖石的粒度越小，裂縫就越發育；當砂巖和泥巖巖層厚度在逐漸增大的過程中，裂縫數量越來越小，呈現出反比例關系：巖層厚度越大，裂縫發育程度越低[7]；在裂縫形成時期，巖石所受到的應力狀態及應力大小也影響裂縫的發育程度，在其他條件相同的情況下，巖石中裂縫發育的程度越高，表明其受到的應力越強；在非均質性較強的砂泥巖交錯層位中，泥巖中裂縫傾角小，砂巖中裂縫傾角大，裂縫方向發生變化，并且在露頭處可見砂巖中的裂縫密度小于泥巖中裂縫的密度，巖石在垂向上的波速、楊氏模量及泊松比都存在各向異性。由此可見，垂直層理方向的巖石各向異性對裂縫的方位和發育程度均產生影響。

5.2? 成因機制分析

鄂爾多斯盆地的基底由各期元古宙變質褶皺帶與太古宇陸殼組合而成，最終在呂梁運動中形成。自早古生代以來，除盆地西緣和南緣構造活動強烈外，鄂爾多斯盆地內部沉積蓋層構造變形微弱，基底斷裂活動也不明顯，表現出剛性塊體運動的整體性。

對上古生界儲集層滲流作用影響較大的主要有構造縫和風化縫，裂縫主要在：印支期、燕山中期和燕山晚期——喜馬拉雅早期形成，其中燕山中期是重要的構造破裂期，發育東西向、北東向和北西向3組裂縫，反映構造縫在有效縫中占重要位置。中生界延長組不同層段都發現構造縫存在，其規模較大，斜交裂縫縫壁較為平直，數量多。自三疊紀始，鄂爾多斯盆地經歷了華南與華北板塊印支運動期間的碰撞對接，產生南北向擠壓應力，同時古特提斯封閉產生北東向局部擠壓應力。太平洋與歐亞板塊在燕山運動時期產生左旋剪切在華北盆地體現為南北向剪切擠壓應力，并派生了北西-南東向擠壓應力。喜馬拉雅運動使盆地受到北東向壓應力。這些不同階段的區域應力作用于盆地，使得其構造變形顯著，內部構造活動分異小且整體性強。不同剛性強度塊體在旋轉與扭動過程中產生扭裂和滑移，基底斷裂活動較強，但未導致大規模的斷層落差或蓋層明顯變形。這種活動導致沉降加快，地層厚度增大，主水系規模增大及小斷層發育，同時，有助于沉積蓋層裂縫發育[8]。

研究區裂縫的延伸方向與前人對鄰區下古生界奧陶系和中生界延長組預測的裂縫分布規律，以及在陜北地表實測的節理和裂隙展布規律非常相似，表明古生界和中生界裂縫是統一構造應力場作用下的產物，野外觀察的裂縫與地下裂縫一致。這些裂縫帶幾乎分布在基底斷裂帶內，表明構造裂縫的分布與基底斷裂后期活動有關。

6? 構造作用對天然氣成藏演化的影響

文獻資料顯示，神木北部含氣致密砂巖儲層從早期沉積埋藏到三疊紀中期，經歷了快速埋藏和強機械壓實階段。儲層壓實程度隨著埋藏深度的增加而加強，導致原生孔隙大量減少，物性降低，在此階段，山西組和石盒子組在泥巖中形成欠壓實作用，有利于形成天然氣的早期聚集條件。自早侏羅世起，儲層進入中成巖階段，其酸性環境導致不穩定礦物溶蝕，孔隙度增加。后期生成次生孔隙，顯著改善儲層物性。在儲層定型階段，膠結作用使儲層物性持續下降。至抬升-改造階段，儲層局部破裂的發生在一定程度上改善了儲層物性[9]。在中晚侏羅統，烴源巖排烴強度增大，導致泥巖內異常壓力。當壓力接近靜巖壓力時，泥巖發生破裂，高壓流體進入致密儲層。在早白堊世后期，隨著地層抬升和剝蝕，溫度降低，高壓流體沿構造裂縫散失，向上層儲層運移。構造作用形成良好的氣體運移通道以及儲集空間，對天然氣成藏演化產生了深遠的影響[10]。

7? 結論

1）研究區上古生界斷裂構造較發育，包含逆斷層、正斷層、走滑斷層，地震剖面上以逆斷層為主；斷層的發育不均衡，規模不大，多以層內小型斷層為主，個別剖面發育切割能力較強的走滑斷層。

2）研究區主要發育70～90°的高角度裂縫，裂縫間距主要集中在小于1 m的范圍內；裂縫的張開度主要集中在 0.1～0.5 mm范圍內；裂縫的填充率為67.7%。神木北地區先在印支期形成了北北東和北北西方向的構造裂縫；又在燕山期形成了近東西方向和北西方向的構造裂縫；最后，在喜山期形成了北東方向和近南北方向的構造裂縫。

3）研究區在中晚侏羅統，由于膨脹作用，泥巖內部形成異常壓力導致泥巖發生破裂，地層孔隙內高壓流體沿著裂縫向致密儲層內充注聚集。早白堊世后期，地層抬升剝蝕，砂巖儲層內高壓流體沿著喜山期構造裂縫向石盒子組及其以上儲層運移。

參考文獻：

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