全夏韻, 李祥權,, 任建業(yè), 程 濤

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 構造與油氣資源教育部重點實驗室, 湖北 武漢430074; 2.中國科學院 海洋研究所海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室, 山東 青島 266071; 3.中海油研究總院, 北京100027)

松遼盆地三肇凹陷青一段多邊形斷層的發(fā)育及其油氣地質(zhì)意義

全夏韻1, 李祥權1,2, 任建業(yè)1, 程 濤3

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 構造與油氣資源教育部重點實驗室, 湖北 武漢430074; 2.中國科學院 海洋研究所海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室, 山東 青島 266071; 3.中海油研究總院, 北京100027)

松遼盆地青一段發(fā)育大量密集分布的小型張性斷層系, 其成因一直以來頗受爭議。本文選取松遼盆地三肇凹陷為研究區(qū), 通過新連片三維地震剖面精細解釋及沿層相干切片分析等手段, 詳細描述了三肇凹陷青一段密集張性斷裂系統(tǒng)的剖面和平面特征, 提出: ①青一段張性斷裂系主體為非構造成因的多邊形斷層, 其成因可能是由青山口組青一段泥巖超壓幕式排烴破裂所導致, 同時盆地構造反轉(zhuǎn)活動對斷層發(fā)育特征具有重要影響; ②凹陷內(nèi)多邊形斷層主要發(fā)育于嫩江組沉積末期, 明水組沉積末期盆地強烈構造反轉(zhuǎn)致使早期形成的多邊形斷層再活動, 且對部分多邊形斷層的發(fā)育進行改造; ③多邊形斷層起到溝通青一段烴源巖和分別位于其上部與下部的葡萄花、扶楊2個油氣儲層的作用, 是凹陷內(nèi)油氣成藏的重要運移通道; ④嫩江組沉積末期, 超壓使油氣通過多邊形斷層從青一段短距離向下部扶楊儲層“倒灌”運聚成藏;明水組沉積末期, 超壓導致油氣沿重新開啟的多邊形斷層向上部葡萄花儲層或向下部扶楊儲層運移聚集形成油氣藏, 同時垂向延伸較長的多邊形斷層對下部扶楊油藏可能具有一定的破壞作用。

三肇凹陷; 多邊形斷層; 扶楊油層; 葡萄花油層; 油氣運移成藏

多邊形斷層(polygonal fault)最早由英國學者Cartwright于1994年在研究北海盆地泥巖沉積層段中的斷層時提出, 它是指一種非構造成因的、具有微小斷距、在平面上走向各異且相互交織成多邊形的張性斷裂系(Cartwright, 1994a), 一般發(fā)育于深水環(huán)境下沉積的細粒泥巖或頁巖中(Cartwright, 1994a; Lonergan et al., 1998; Cartwright and Dewhurst, 1998; Dewhurst et al., 1999a, 1999b; Goulty, 2003)。目前, 已在全世界50多個深水沉積盆地中發(fā)現(xiàn)了多邊形斷層(Lonergan et al., 1998; Hansen et al., 2004)。國外學者對多邊形斷層的發(fā)育特征、形成機制及其對油氣運移的輸導作用等均進行了較多的研究(Cartwright, 1994a, 1994b; Cartwright and Dewhurst, 1998; Lonergan et al., 1998; Dewhurst et al., 1999a; Goulty and Swarbrick, 2005)。我國在多邊形斷層的研究方面起步較晚(余一欣等, 2005), 目前僅在瓊東南盆地(吳時國等, 2009; 陳端新等, 2009, 2012; Sun et al., 2009, 2010; 王秀娟等, 2010)和松遼盆地(付曉飛和宋巖, 2008; He et al., 2010; 丁修建等, 2013)相繼提出多邊形斷層的存在。

松遼盆地是目前世界上已發(fā)現(xiàn)油氣資源最為豐富的陸相沉積盆地之一, 發(fā)育于盆地內(nèi)青一段烴源巖的張性斷裂體系(又稱T2斷層系)一直受到人們的廣泛關注, 且備受爭議。對于該張性斷裂系的性質(zhì)主要存在以下兩大爭議: 一是構造成因(胡望水, 1995; 劉德來等, 1996; 謝昭涵和付曉飛, 2013)與非構造成因(梅廉夫等, 1996; 付曉飛和宋巖, 2008; He et al., 2010; 丁修建等, 2013)之爭; 二是非構造成因觀點里存在斷裂體系的成因機制和發(fā)育層位之爭。最初, 梅廉夫等(1996)認為“T2”斷層系是由于超壓壓力倉導致幕式破裂、流體排放而形成的天然水力斷裂系統(tǒng); 付曉飛和宋巖(2008)則指出, 因松遼盆地三肇凹陷青山口組泥巖密度反轉(zhuǎn), 在青山口組頂部發(fā)育“T11”多邊形斷層系; He et al. (2010)隨即又在三肇凹陷青山口組頂界面(T11)與底界面(T2)同時識別出多邊形斷層, 并認為其可能是由泥巖脫水收縮作用造成; 丁修建等(2013)則指出在松遼盆地三肇凹陷內(nèi)T1層和T3層之間共發(fā)育3組多邊形斷層系,并認為其有可能是溶解作用的結果。為了明確松遼盆地三肇凹陷青一段張性斷裂系的成因?qū)傩? 本文以覆蓋整個凹陷范圍的新連片3D地震資料為基礎,對該套張性斷裂系的平面展布特征、垂向發(fā)育特征和斷距、走向等進行了詳細描述和系統(tǒng)分析, 并在前人研究基礎上, 結合盆地構造背景對該套斷層系的成因機制進行探討。研究認為, 松遼盆地三肇凹陷青一段張性斷裂系為非構造成因的多邊形斷層系, 但其發(fā)育特征受盆地多期構造反轉(zhuǎn)作用的影響, 多邊形斷層系的多期發(fā)育對油氣輸導、成藏具有十分重要的意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

三肇凹陷位于松遼盆地北部, 是中央坳陷區(qū)的一個二級負向構造單元, 它西接大慶長垣, 東臨朝陽溝階地, 北連明水階地, 凹陷面積約為5575 km2(圖1), 是松遼盆地最重要的生油、富油凹陷之一。三肇凹陷由下至上發(fā)育有斷陷期的下白堊統(tǒng)火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組, 坳陷期的下白堊統(tǒng)泉頭組, 上白堊統(tǒng)青山口組、姚家組、嫩江組和構造反轉(zhuǎn)期的上白堊統(tǒng)四方臺組和明水組(表1)。

1.1 沉積特征

圖1 三肇凹陷構造位置圖Fig.1 Map showing the location of the Sanzhao Sag, in Songliao Basin

松遼盆地是中國東北地區(qū)晚中生代以來發(fā)育的大型近海大陸裂谷盆地, 具有典型的斷陷–坳陷復合結構。下白堊統(tǒng)泉頭組沉積期, 盆地進入坳陷期快速沉降階段, 三肇凹陷處于沉降和沉積中心, 沉積體系以沖積扇、河流、濱淺湖為主, 巖性為各色砂–泥巖互層。上白堊統(tǒng)青山口組沉積期, 盆地仍處于快速沉降階段, 但相比泉頭組時期構造沉降開始變緩。該組沉積物的沉積分為三段: 青一段時期由于氣候十分濕潤, 海平面大幅上漲造成湖海溝通事件(馬立祥等, 1992; 珺王璞等, 1996), 湖盆水量增多,水體加深, 物源供給較弱, 巖性以灰黑、深灰色頁巖夾四套黑色油頁巖為主。青山口組二、三段沉積時期, 氣候向干旱轉(zhuǎn)變, 海平面開始下降, 湖海溝通結束, 但物源供應依然較弱, 沉積物粒度較青一段略有變粗, 表現(xiàn)為灰色、灰黑色泥巖夾粉砂巖, 厚度較大, 一般在200～300 m之間。上白堊統(tǒng)姚家組沉積期, 盆地進入緩慢熱沉降階段, 湖盆范圍明顯變小, 以濱淺湖–河流相–三角洲沉積為主, 與下伏青山口組呈平行不整合接觸。嫩江組是繼青山口組沉積期之后盆地發(fā)育的又一鼎盛時期, 湖盆擴大, 水體加深, 巖性以黑色泥巖、灰色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖為主, 地層厚度500～700 m(表1)。

1.2 含油氣組合

三肇凹陷垂向上發(fā)育了多套優(yōu)質(zhì)烴源巖。青一段大規(guī)模海侵事件形成本區(qū)最為重要的一套40～70 m厚的生油巖層。油主要產(chǎn)于下白堊統(tǒng)泉頭組三、四段的扶余和楊大城子油層(簡稱扶楊油層)及上白堊統(tǒng)姚家組的葡萄花油層中。油源對比結果表明, 三肇凹陷及其周邊地區(qū)扶楊油層和葡萄花油層中的油主要來源于青山口組一段烴源巖(牟敦山等, 2010;于有等, 2011)。以青山口組一段油頁巖、頁巖和泥巖為生油層及區(qū)域蓋層, 并以下伏泉頭組三、四段河流相扶楊油層為儲集層, 構成凹陷內(nèi)“上生下儲”式的下部含油氣組合。以青山口組一段為主要生油層, 以上覆姚家組一段三角洲復合體相葡萄花油層為儲集層, 并以嫩江組一、二段灰黑色暗色泥巖為區(qū)域性蓋層, 構成該凹陷內(nèi)“下生上儲”式的中部含油氣組合。

表1 松遼盆地地層單元與構造演化階段Table 1 The stratigraphic units and tectonic evolution of Songliao Basin

1.3 構造演化

根據(jù)松遼盆地形成機制及其大地構造背景可將松遼盆地垂向演化劃分為斷陷、坳陷和反轉(zhuǎn)3個構造階段。斷陷階段形成松遼盆地的雛形, 后由于區(qū)域重力均衡調(diào)整作用、海底擴張加速和太平洋板塊俯沖, 松遼盆地整體下沉, 斷陷向坳陷轉(zhuǎn)化, 進入盆地發(fā)育全盛時期。該時期盆地中部中央坳陷區(qū)的三肇凹陷、大慶長垣與齊家–古龍凹陷長期處于沉積、沉降中心, 沉積了盆地內(nèi)最主要的生油、儲油巖系。構造反轉(zhuǎn)階段, 受太平洋板塊向西擠壓左旋壓扭應力的作用, 三肇地區(qū)周邊褶皺隆起(正反轉(zhuǎn)),西側和東南側分別形成大慶長垣背斜和朝陽溝–長春嶺背斜帶, 東北側抬升形成松遼盆地東北隆起帶,其間夾持了一個相對低緩的倒三角形凹陷, 即三肇凹陷, 其西界為NNE向的黑魚泡–頭臺斷裂帶, 東北界為NW向的濱州斷裂帶, 東南界為松花江斷裂帶(孫雨等, 2008)。松遼盆地正反轉(zhuǎn)構造主要可分為嫩江組沉積末期和明水組沉積末期兩期: 嫩江組沉積末期, 構造反轉(zhuǎn)強度較弱, 形成構造雛形; 明水組沉積末期, 構造反轉(zhuǎn)強烈, 使變形在原有基礎上加強, 盆地內(nèi)普遍形成了一系列壓性正反轉(zhuǎn)構造,松遼盆地大部分構造在此期定型(陳昭年和陳布科, 1996; 孫永河等, 2013)。

2 青一段張性斷層系的幾何學特征

青一段黑色泥巖及油頁巖是三肇凹陷內(nèi)最為優(yōu)質(zhì)的烴源巖, 對應于地震剖面上的T2地震反射界面。T2界面是松遼盆地最為明顯的地震反射標志層,其反射軸由2～3個強振幅反射波組成, 連續(xù)性好,全區(qū)分布穩(wěn)定。本文將研究區(qū)內(nèi)以T2地震反射界面為中心上下延伸距離較短, 且平面發(fā)育規(guī)模較小的斷層系簡稱為T2斷層系。

2.1 斷層平面發(fā)育特征

此次研究在高精度三維地震資料精細解釋的基礎上, 通過地球物理沿層相干切片技術清晰精確的繪制出三肇凹陷T2斷層的平面展布圖(圖2)。由此,我們歸納出三肇凹陷T2斷層系平面幾何特征如下:①斷層在平面上發(fā)育密集、短且平直, 斷層走向普遍具有多向性(圖3a、3b); ②斷層平面延伸長度長短不一, 一般為0.1～8 km不等, 絕大部分斷層長度集中在1～3 km之間(圖2); ③斷層密度較大, 從圖2中統(tǒng)計,三肇凹陷內(nèi)T2界面發(fā)育斷層條數(shù)為3501條, 其平均密度為0.63條/km2。斷層密度大小因所處部位的不同而有所不同, 凹陷北部斷層密度小于南部, 凹陷中部現(xiàn)今埋藏深度最大的位置斷層發(fā)育密度較小(圖2)。

圖2 松遼盆地三肇凹陷青一段(T2界面)斷層系展布圖Fig.2 Distribution of T2faults in the Sanzhao Sag, Songliao Basin

2.2 斷層剖面發(fā)育特征

通過對高精度三維地震剖面的精細解釋, 在三肇凹陷內(nèi)坳陷期白堊系的各地層中一共識別出了兩類斷層(圖4)。第一類是局限在T2界面附近發(fā)育的斷層, 即本文所研究的T2斷層系(地震剖面上的紅色解釋斷層), 整體而言其在垂向上延伸距離較短,主要發(fā)育于T1界面(姚家組頂界面)與T3界面(泉頭組底界面)之間, 僅有少量斷層的垂向延伸較長, 并切穿上部的T1界面或下部的T3界面; 第二類是局限在T11界面附近發(fā)育的微小斷層系, 我們稱之為T11斷層(地震剖面上的黑色解釋斷層), 該套斷層系具有密度大、垂向延伸短、斷距小和層控性等特點, 該套斷層系的發(fā)育在平面上具有較強的不均一性, 在三肇凹陷南部較發(fā)育, 而北部則發(fā)育較少, 甚至不發(fā)育(圖4)。有部分學者提出T11斷層為非構造成因的多邊形斷層(付曉飛和宋巖, 2008; He et al., 2010;丁修建等, 2013)。

圖3 三肇凹陷T2斷層玫瑰花圖(位置見圖2) (左: 相干切片圖; 右: 玫瑰花圖)Fig.3 Strike rose diagrams of T2faults in the Sanzhao Sag

從地震剖面上看, 三肇凹陷內(nèi)T2斷層系均為正斷層, 斷面平直, 具有明顯的層控性; 斷距較小(通常小于100 m), 且在T2界面處斷距最大, 以T2界面為中心向上、下延展方向斷距逐漸減小, 直至消失;斷層傾角較大, 一般為50°～70°, 斷層傾向具有隨機性。將三肇凹陷內(nèi)由南至北所選取的三條東西向地震剖面進行對比研究表明(圖4): 凹陷南部, T2斷層系發(fā)育較為密集, 斷距較大, 斷層垂向延伸長短不一, 部分斷層在剖面上具有“似花狀”剪切組合特征(圖4a);凹陷北部, T2斷層系發(fā)育較為稀疏, 斷距較小, 斷層垂向延伸較短, 傾向具有隨機性, 不具明顯的剖面組合特征(圖4c); 凹陷中部, T2斷層系發(fā)育特點介于凹陷南部和北部斷層發(fā)育特點之間(圖4b)。

3 多邊形斷層屬性確定

3.1 T2張性斷層系非構造成因特征

前文已經(jīng)提到, 有學者提出松遼盆地“T2”斷層系為構造成因, 并認為其是青山口組沉積早期伸展作用的產(chǎn)物(胡望水, 1995; 劉德來等, 1996)。另外,在盆地沉積后期, 松遼盆地受到了至少兩期主要的構造反轉(zhuǎn)運動。那么松遼盆地T2張性斷層系到底有沒有可能是盆地伸展背景下或者是反轉(zhuǎn)背景下發(fā)育的純構造成因斷層呢？

伸展構造斷層的形成受盆地區(qū)域應力場的控制,在同一構造應力背景之下, 其發(fā)育斷層的走向和傾向往往都具有定向性。而三肇凹陷T2斷層走向玫瑰花圖顯示凹陷內(nèi)T2斷層系走向為SN向、NNE向、NNW向、NW向和近EW向等多個方位(圖3a、3b), 在平面和剖面上和盆地構造走向及大的區(qū)域斷層并沒有明顯的派生組合關系, 主要表現(xiàn)為隨機發(fā)育的特征, 而這些特征用純構造成因觀點是很難加以解釋的。付曉飛和宋巖(2008)在研究三肇凹陷T11多邊形斷層時就已經(jīng)指出,很難用構造成因的觀點解釋T11斷層同時發(fā)育大量SN向和EW向斷層的現(xiàn)象。葛榮峰等(2010)通過平衡剖面恢復表明, 自登婁庫組沉積末期盆地進入坳陷階段之后, 松遼盆地的伸展幅度已大大減弱, 不及斷陷階段的十分之一。這些證據(jù)足以否定三肇凹陷T2張性斷層系為伸展背景下純構造成因斷層的觀點。

圖4 三肇凹陷南部(a)、中部(b)和北部(c)地震剖面圖(位置見圖2)Fig.4 Seismic sections in southern part (a), central part (b) and northern part (c) of the Sanzhao Sag

另外, 在青山口組一段沉積以后, 松遼盆地曾受到多期壓性正反轉(zhuǎn)構造作用, 其中最主要的構造反轉(zhuǎn)活動為嫩江組沉積末期(T03)和明水組沉積末期(T02)兩次大的區(qū)域構造反轉(zhuǎn)事件, 形成兩個大的區(qū)域性不整合面。松遼盆地T2張性斷層系的發(fā)育并不集中在T03與T02界面附近, 而是主要局限在T1界面(姚家組頂部)和T3界面(泉頭組底部)之間。從構造成因的角度上說, T2張性斷層系的發(fā)育與這兩期壓性構造反轉(zhuǎn)活動在時間上和應力性質(zhì)上均不具有匹配關系。因此, 也可以排除其為構造反轉(zhuǎn)背景下的純構造成因斷層。

3.2 T2張性斷層系多邊形斷層屬性

通過前人(Dewhurst et al., 1999a; Cartwright et al., 2003)大量的研究, 多邊形斷層的主要發(fā)育特征可以概括為以下幾點: ①廣泛發(fā)育于海相地層中,巖性以超細粒蒙脫石黏土或碳酸鹽巖等細粒沉積物為主; ②斷層系統(tǒng)涵蓋盆地的大部分區(qū)域, 且在平面上隨機分布; ③斷層限制在一個層段內(nèi)發(fā)育; ④斷層是張性的; ⑤斷層的斷距小、間距小、分布密度高; ⑥斷層傾角、傾向在很小的距離內(nèi)發(fā)生很大的變化。如前文所述, 三肇凹陷T2張性斷層系發(fā)育于青一段細粒泥巖中, 在平面上具有延伸長度小、密度大、走向具多向性及垂向上斷距小, 具層控性等典型多邊形斷層的發(fā)育特征。

吳時國等(2009)、Sun et al. (2010)對世界上幾個典型盆地多邊形斷層系統(tǒng)發(fā)育的平面長度、間距和斷距、傾角等特征進行了量化對比(表2)。據(jù)此次研究統(tǒng)計, 三肇凹陷T2張性斷層系斷層平面長度為1000～3000 m、斷層平面間距100～1500 m, 斷層斷距20～100 m, 斷層傾角50°～70°(表2)。這些量化指標亦顯示三肇凹陷T2張性斷層系和世界典型盆地非構造成因的多邊形斷層發(fā)育特征具有很大的相似性。因此, 無論是從表現(xiàn)特征還是量化指標上來看, 三肇凹陷青一段T2張性斷層系都具有典型的多邊形斷層成因特征。

3.3 T2多邊形斷層構造疊加屬性

世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的多邊形斷層主要形成于被動大陸邊緣構造穩(wěn)定的深水細粒沉積物中, 雖然普遍認為其是非構造成因的斷層, 但是構造應力等外界條件卻可能會對多邊形斷層的發(fā)育密度、斷層走向等產(chǎn)生重要影響。如Clausen et al. (1999)在研究北海北部多邊形斷層系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)多邊形斷層走向具有NW-SE方向上的定向性, 并且認為多邊形斷層走向的定向性是受盆地斜坡引起的重力滑動和板塊運動產(chǎn)生的區(qū)域應力場的影響所導致。付曉飛和宋巖(2008)在研究松遼盆地三肇凹陷的多邊形斷層時, 也已經(jīng)觀察到三肇凹陷南北處于整體凹陷的相同構造背景, 經(jīng)歷了相同的構造演化, 而斷層的發(fā)育特征卻存在明顯的差異, 但是卻未能找到造成該差異的原因。

表2 松遼盆地T2斷層系與世界多邊形斷層主要幾何特征對比Table 2 Comparison of the geometry features between T2faults in the Songliao Basin and polygonal faults of typical basins in the world

概括起來三肇凹陷T2斷層系南北差異性主要表現(xiàn)在以下幾個方面: ①平面上斷層密度具有不均一性, 凹陷南部斷層密度明顯比北部大(圖2); ②凹陷北部斷層在剖面上的垂向延伸短而且較一致(圖4c),而凹陷中部和南部部分斷層垂向延伸較長, 整體表現(xiàn)為長短不一(圖4a、4b); ③凹陷南部斷層在剖面上表現(xiàn)出“似花狀”剪切應力組合特征, 而凹陷北部則表現(xiàn)為不受應力控制的隨機組合特征(圖4c); ④整體而言, 凹陷南部斷層斷距最大, 向北部斷距逐漸減小; ⑤在剖面上可觀察到的T11多邊形斷層在凹陷南部較為發(fā)育, 而在北部則幾乎不發(fā)育(圖4)。對于上述三肇凹陷T2斷層系發(fā)育特征的南北差異性,用非構造的純多邊形斷層成因很難解釋得通, 我們分析認為其是在T2斷層系多邊形斷層成因基礎上疊加了盆地反轉(zhuǎn)構造應力的影響。

三肇凹陷是受大慶長垣和朝陽溝階地兩個近NE向構造反轉(zhuǎn)帶夾持所形成的倒三角形區(qū)域, 區(qū)域上受SE-NW向反轉(zhuǎn)擠壓應力的作用, 這種特征決定了三肇凹陷內(nèi)反轉(zhuǎn)應力在南部及西南部因處于反轉(zhuǎn)構造帶的前緣或兩側反轉(zhuǎn)構造帶的夾角位置而更加集中, 向凹陷北側及西北側反轉(zhuǎn)應力則明顯減弱(張功成等, 1996)。三肇凹陷南部及西南部因反轉(zhuǎn)應力集中, 致使在該區(qū)域內(nèi)多邊形斷層的發(fā)育相對密集, 斷距較大, 并且應力優(yōu)先釋放導致南部部分多邊形斷層垂向延伸發(fā)育較長, 使其在剖面上表現(xiàn)為長短不一(圖4a、4b)。該區(qū)域內(nèi)多邊形斷層在剖面上具“似花狀”剪切組合樣式及在SN和NW方向表現(xiàn)出優(yōu)勢方位, 可用區(qū)域壓性構造反轉(zhuǎn)應力場下派生的剪切力偶作用來解釋。如圖5, 在三肇凹陷中部發(fā)育一NW向發(fā)辮式斷裂密集帶, 雖然這些斷裂就個體而言主要呈SN走向(圖5a), 但就整個斷裂密集帶而言卻具有明顯的NW向右旋剪切應力性質(zhì), 南北向的小斷層屬于剪切帶中的R(里德爾)斷裂(圖5b), 在地震剖面上這些小斷裂表現(xiàn)出具有剪切性質(zhì)的“似花狀”特征(圖5c)。三肇凹陷北部及西北部, 隨著凹陷寬度增加, 并且遠離應力來源方向, 其所受到的構造應力逐漸減弱, 因此凹陷北部多邊形斷層發(fā)育受構造應力的影響不明顯, 多邊形斷層發(fā)育密度較凹陷南部明顯減小, 斷距較小, 斷層垂向延伸較短且延伸長度較一致(圖4c), 更具有典型多邊形斷層的發(fā)育特征。通過以上對斷層平面特征、剖面特征, 以及凹陷形態(tài)和構造應力場的分析, 表明三肇凹陷T2斷層系主體為非構造成因的多邊形斷層, 因疊加了盆地構造反轉(zhuǎn)應力的影響而表現(xiàn)出具有構造斷層的一些特征。

4 多邊形斷層形成機制

圖5 三肇凹陷中部斷層發(fā)育的應力分析圖(位置見圖2)Fig.5 Stress analysis of faults in the central part of the Sanzhao Sag

對于多邊形斷層的形成機制有多種認識, 到目前為止, 仍然是眾說紛紜, 沒有定論。影響多邊形斷層形成的因素也有很多, 主要有巖石物性、礦物成分及含量、構造應力和成巖作用等(Dewhurst et al., 1999a; Gay et al., 2004)。筆者相信在不同的盆地類型與發(fā)育背景下, 多邊形斷層發(fā)育的機制可能有所不同。就松遼盆地而言, 在研究三肇凹陷多邊形斷層發(fā)育機制時就提出了密度反轉(zhuǎn)(付曉飛和宋巖, 2008)、脫水收縮作用(He et al., 2010)和溶解作用(丁修建等, 2013)三種成因機制, 其中密度反轉(zhuǎn)主要考慮了巖性和壓實作用的影響, 脫水收縮作用主要考慮了蒙脫石含量的影響, 而溶解作用則主要考慮了成巖作用的影響。密度反轉(zhuǎn)和脫水收縮機制有一個共同點,就是都與凹陷內(nèi)所發(fā)育的超壓具有密不可分的聯(lián)系。青一段是松遼盆地的主力優(yōu)質(zhì)烴源巖, 受壓實、黏土礦物脫水、熱力作用、生烴等因素的影響, 青一段普遍積蓄了較高的孔隙流體超壓, 其中青一段泥巖的生烴作用是形成松遼盆地泥巖超壓的最主要因素(呂延防等, 2000; 向才富等, 2006), 超壓的積累可以產(chǎn)生強烈的能量效應, 進而導致地層發(fā)生破裂(郝芳等, 2004)。因此, 我們提出超壓破裂可能是形成三肇凹陷青一段多邊形斷層的最主要因素, 同時盆地多期構造反轉(zhuǎn)活動對多邊形斷層發(fā)育特征具有重要影響。

由于超壓的積累和釋放具有幕式特點, 加上又受到最重要的兩期盆地構造反轉(zhuǎn)的影響, 因此確定三肇凹陷內(nèi)T2多邊形斷層的形成時期十分關鍵。因為嫩江組沉積末期構造反轉(zhuǎn)程度較弱, 而明水組沉積末期則發(fā)生了強烈的構造反轉(zhuǎn), 考慮到這兩期反轉(zhuǎn)對多邊形斷層發(fā)育的影響, 可以提出以下兩種假設: ①T2多邊形斷層為兩期發(fā)育, 嫩江組沉積末期形成斷距小、垂向延伸短的斷層, 明水組沉積末期先存的多邊形斷層選擇性開啟, 凹陷南部斷層斷距增大、部分斷層發(fā)生垂向上的延長; ②T2多邊形斷層為一期發(fā)育, 即明水組沉積末期在凹陷內(nèi)同時形成南部較密集、斷距大、垂向延伸長短不一的斷層和北部密度較小、斷距小、垂向延伸短的斷層。青一段烴源巖的生、排烴始于嫩江組沉積末期, 明水組沉積末期達到生、排烴高峰(付廣和王有功, 2008;楊喜貴和劉宗堡, 2009)。青一段地層超壓也形成于嫩江組沉積末期, 到明水組沉積期達到高峰, 嫩江組沉積末期、明水組沉積末期這兩期構造反轉(zhuǎn)期與青一段的超壓聚集期和油層的油氣聚集期, 三者在時間上同步發(fā)展并有機匹配(遲元林等, 2000)。因此,本文更傾向于三肇凹陷內(nèi)T2多邊形斷層的兩期發(fā)育模式。嫩江組沉積末期的構造反轉(zhuǎn)活動強度較弱,構造應力作用僅僅表現(xiàn)為誘使凹陷內(nèi)青一段超壓地層更易破裂, T2多邊形斷層在整個凹陷內(nèi)發(fā)育, 且斷距較小, 斷層垂向延伸較短, 基本表現(xiàn)為剛剛錯斷青一段地層。明水組沉積末期是盆地強烈構造反轉(zhuǎn)時期, 而此時青一段烴源巖大量生烴并存在異常高壓, 超壓致使先存多邊形斷層選擇性開啟, 強烈的區(qū)域構造反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的應力使斷層斷距增大、部分多邊形斷層發(fā)生垂向上的延長, 并且導致凹陷中、南部, 尤其是在靠近構造反轉(zhuǎn)帶的斜坡區(qū), 斷層密度增大, 甚至出現(xiàn)了多條斷裂密集帶。

5 多邊形斷層對油氣運移成藏的意義

5.1 多邊形斷層對油氣運移的輸導作用

多邊形斷層可以作為油氣運移的主要通道已經(jīng)得到共識(Bünz et al., 2003; Hansen et al., 2004, 2005; Gay et al., 2006a; Hustoft et al., 2007; Sun et al., 2009, 2010)。以青一段為烴源巖在松遼盆地內(nèi)發(fā)育了位于青一段之上“下生上儲”式的葡萄花油層和青一段之下“上生下儲”式的扶楊油層。青一段烴巖源發(fā)育的多邊形斷層和泥巖的生烴超壓具有成因關系, 同時斷層又可起到溝通油源和上下儲層的作用(He et al., 2010; 丁修建等, 2013), 因此對該地區(qū)的油氣運聚具有十分重大的意義。

扶楊油層緊臨青一段烴源巖, 油氣屬于短距離近源運移, 油氣藏類型為受油源斷層和河道砂體共同控制的巖性或斷層–巖性油藏(劉宗堡等, 2009a)。但由于該層油氣屬于“上生下儲”的“倒灌式”油氣藏,要想青山口組一段烴源巖生成的油向下倒灌運移需要滿足以下兩個條件: ①源巖具備足夠大的超壓;②存在連通源巖和儲層的斷層輸導通道(鄒才能等, 2005; 劉宗堡等, 2009b)。姚家組葡萄花油層和青一段烴源巖中間被青二、三段多套泥巖層相隔, 青一段源巖生成的油不能通過孔隙直接運移至葡萄花油層, 因此存在能溝通油源和姚家組儲層的斷層輸導通道顯得尤為重要。葡萄花油層和扶楊油層在垂向上發(fā)育有多個油層, 這些油層具有油層厚度小, 平面上大面積連片, 含油氣面積大等特點(丁修建等, 2013)。研究表明, T2油源斷裂的發(fā)育區(qū)控制著油氣聚集區(qū)(付廣等, 2010a, 2010b), 尤其在T2斷裂密集帶附近易形成大面積連片油層(付廣和王超, 2011)。丁修建等(2013)指出, 僅依靠少量油源大斷裂難以形成平面上大面積連片的油層, 再加上葡萄花油層和扶楊油層以淺水三角洲沉積為主, 砂體厚度小、非均質(zhì)性強, 油難以在砂體中做遠距離運移, 因此,數(shù)量眾多的多邊形斷層系可能是葡萄花油層和扶楊油層的重要運移通道。

5.2 多邊形斷層的發(fā)育及成藏模式

基于青一段張性斷層系為多邊形斷層成因機制并受盆地構造反轉(zhuǎn)作用影響, 在前文中提出了三肇凹陷內(nèi)T2多邊形斷層具有兩期發(fā)育模式, 在這個模式的基礎上我們建立了三肇凹陷內(nèi)受多邊形斷層發(fā)育所控制的兩期油氣成藏模式(圖6)。

嫩江組沉積末期, 青一段烴源巖進入生烴門限并開始排烴, 生烴超壓致使青一段地層破裂而發(fā)育大量多邊形斷層, 此時多邊形斷層發(fā)育規(guī)模小、垂向延伸短(圖6a)。因該時期多邊形斷層發(fā)育規(guī)模較小, 不能溝通青一段烴源巖和姚家組儲集層, 油氣受青二、三段發(fā)育的多套泥巖層的阻擋, 不能進入葡萄花油層中聚集成藏。而對于緊鄰烴源層的下伏泉頭組扶楊儲集層而言, 該時期發(fā)育的多邊形斷層雖然斷距小, 垂向延伸短, 但是仍能很好地溝通青一段烴源巖和泉頭組的儲集層, 在巨大的生烴超壓及多邊形斷層輸導的雙重控制下油氣主要向下部扶楊油層進行“倒灌”運移成藏, 前人研究也證實了青一段烴源巖向扶楊油層的排烴始于嫩江組沉積末期(楊喜貴和劉宗堡, 2009)。青一段烴源巖生成的油氣通過T2斷層系“倒灌”進入扶楊油層, T2斷層下盤處于構造高部位的儲層圈閉, 因距烴源巖近, “倒灌”運移所受到的阻力小而優(yōu)先充注, 形成斷層–巖性油氣藏(楊玉華, 2009; 付廣和劉雪雪, 2010), 而其上盤相對應的儲層圈閉則由于油源充注度的問題可能是水層或油水同層, 從而形成扶楊油層斷層兩側“上油下水”的分布特征(楊玉華, 2009)。

圖6 嫩江組(a)和明水組(b)沉積末期多邊形斷層發(fā)育及成藏模式圖Fig.6 The development and accumulation model of polygonal faulting and reservoir forming in the end of the deposition period of the Nenjiang Formation(a) and the Mingshui Formation(b)

明水組沉積末期, 青一段烴源巖繼續(xù)積累異常高壓, 超壓致使凹陷內(nèi)先存的多邊形斷層選擇性開啟, 加上該時期強烈的構造反轉(zhuǎn)活動, 使得部分開啟的多邊形斷層發(fā)生垂向上向兩端延長(圖6b)。斷層活動產(chǎn)生超壓釋放, 形成盆地排烴成藏高峰期(于有等, 2011)。超壓導致油氣沿著開啟的多邊形斷層向上部葡萄花油層, 或向下部扶楊油層運移聚集形成油氣藏, 該時期也為上、下兩個油層的成藏關鍵期(楊喜貴和劉宗堡, 2009; 楊殿軍等, 2011)。巨大的超壓使油氣沿垂向延伸短且開啟的多邊形斷層繼續(xù)向下部扶楊油層“倒灌”運移成藏; 垂向延伸長且開啟的多邊形斷層, 向上溝通了青一段烴源巖層和姚家組的儲集層, 成為青一段源巖生成的油向葡萄花油層中運移的主要輸導通道, 因該類斷層向下延伸至泉頭組儲集巖, 垂向上的油氣輸導作用可能會對下部嫩江組沉積末期形成的扶楊油藏起到一種破壞作用。對于葡萄花油層而言, 油氣先沿明水組沉積末期在超壓下重新開啟、并在構造反轉(zhuǎn)作用下垂向增長的多邊形斷層進行垂向運移, 再通過T11斷層進行短距離側向運移, 因而斷裂密集區(qū)與三肇凹陷葡萄花油層油藏有著良好的對應關系(楊殿軍等, 2011)。

6 結 論

通過對三肇凹陷內(nèi)T2斷層系發(fā)育平面特征及剖面特征的詳細剖析, 并結合松遼盆地沉積特征、構造演化等研究, 對T2斷層系斷層屬性及形成機制進行深入探討, 進一步對比分析以青一段為烴源巖而發(fā)育的上、下兩套含油氣組合的特點和成藏過程,主要得出以下2點認識:

(1) 三肇凹陷內(nèi)發(fā)育的T2張性斷層系為多邊形斷層成因, 且其發(fā)育具有多期性, 加上幕式排烴期次與不同強弱性質(zhì)的構造反轉(zhuǎn)作用相疊合, 導致研究區(qū)在不同的構造部位所發(fā)育的多邊形斷層特征具有較大差異。在嫩江組沉積末期, 由于超壓泥巖幕式排烴破裂作用, 在整個三肇凹陷內(nèi)發(fā)育有大量的多邊形斷層, 其在平面上具有多方向性, 垂向上具有層控性、延伸短、斷距小等特點。在明水組沉積末期, 超壓致使先存的多邊形斷層選擇性開啟, 強烈的區(qū)域構造反轉(zhuǎn)使凹陷南部斷層斷距增大、斷層密度增加、部分多邊形斷層發(fā)生垂向上的延長。

(2) 青一段發(fā)育的油頁巖是研究區(qū)的主力烴源巖, 對其上部葡萄花油層和下部扶楊油層均具有貢獻作用, 青一段發(fā)育的T2多邊形斷層正好作為油氣運移通道, 對源巖與儲層具有良好的溝通作用。嫩江組沉積末期, 因青一段烴源巖與下部扶楊油層儲集體直接接觸, 在源巖內(nèi)部超壓作用下, 油氣沿著青一段發(fā)育的規(guī)模小、垂向延伸短的多邊形斷層“倒灌”進入扶楊油層, 形成油氣藏, 向上因受到多套泥巖的阻擋且多邊形斷層垂向延伸較短, 無法與上部葡萄花油層相溝通形成油氣藏; 明水組沉積末期,超壓導致油氣沿開啟的多邊形斷層向上部葡萄花儲層或向下部扶楊儲層運移聚集形成油氣藏, 由于強烈的構造反轉(zhuǎn)導致部分多邊形斷層垂向延長, 從而溝通了青一段烴源巖層和上部葡萄花油層, 油氣向葡萄花油層中運移聚集成藏, 然而這種垂向上的輸導作用對于嫩江組沉積末期形成的扶楊油藏可能會起到一定的破壞作用。

三肇凹陷青一段多邊形斷層的定義及其發(fā)育和成藏模式的提出, 對深化研究區(qū)乃至整個松遼盆地油氣成藏及聚集規(guī)律具有重要的意義, 本文在這些方面提出了一些關鍵性的認識, 但這些認識僅僅停留在模式的建立之上, 尚需在今后的研究和應用中加以進一步的深化和證實。

致謝: 東北石油大學付曉飛教授為本文多次提出寶貴的修改建議, 使其內(nèi)容得以不斷完善, 在此特別表示感謝。

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Polygonal Faulting and Petroleum Geological Significance of Qn1Formation in the Sanzhao Sag, Songliao Basin

QUAN Xiayun1, LI Xiangquan1,2, REN Jianye1and CHENG Tao3
(1. MOE Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China; 2. CAS Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology , Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, Shandong, China; 3. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

Numerous small-scaled, extensional faults occur densely in the mudstone layer of the Qingshankou 1stmember (Qn1) in Songliao Basin. Its attribute and genetic mechanism are highly concerned but still controversy. The high-resolution 3D seismic datasets of a new block that covers most of the Sanzhao sag of Songliao Basin is studied., The characteristics of the profile and plane geometry of the extensional fracture system in the Sanzhao sag were depicted in detail through fine seismic interpretation using coherent technology. Based o the results, we proposed that: (1) The extensional fault system is mainly polygonal fault, which probably resulted from rupture pressure related to the episodic hydrocarbon-expulsion from the mudstone of Qn1. However, the tectonic inversion in Songliao Basin may also contribute to the formation and development of the polygonal fault system; (2) The polygonal faults were mainly formed by the end of deposition period of the Nenjiang Formation, and some experienced vertical direction propagation caused by the strong tectonic inversion at the end of deposition period of the Mingshui Formation; (3) The polygonal faults connect the Qn1hydrocarbon source rock with the underlying Fuyang oil layer and the overlying Putaohua oil layer, and thus are important migration channels for the oil and gas accumulation; (4) Until the end of deposition period of the Nenjiang Formation, hydrocarbon generated in the Qn1mainly migrated downward into the underlying Fuyang oil layer via the small polygonal faults rather than upwards to the Putaohua oil layer. On the contrary, by the end of deposition period of the Mingshui Formation, the oils from Qn1source rock can migrate either downward into the Fuyang oil layer or upward into the Putaohua oil layer. It is noteworthy that the vertical propagation of the polygonal faults induced by the tectonic inversion might also damage the Fuyang accumulations formed earlier.

Sanzhao Sag; polygonal fault; Fuyang oil layer; Putaohua oil layer; oil migration and accumulation

TE12; P542

A

1001-1552(2015)02-0260-013

2013-09-09; 改回日期: 2014-03-29

項目資助: 國家自然科學基金(批準號: 41102068)和中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(編號: CUGL110246)聯(lián)合資助。

全夏韻(1989–), 女, 碩士研究生, 主要從事沉積、構造地質(zhì)研究。Email: 469707032@qq.com

李祥權(1976–), 男, 副教授, 主要從事沉積盆地動力學、層序地層學、地震沉積學等方面的研究工作。Email: lxq@cug.edu.cn