尹 帥， 丁文龍， 王鳳琴， 曹翔宇， 劉建軍， 盧學(xué)軍

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083；3.中國(guó)石油華北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552)

沁水盆地南部構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)、應(yīng)力機(jī)制及油氣意義

尹 帥1， 丁文龍2， 王鳳琴1， 曹翔宇2， 劉建軍3， 盧學(xué)軍3

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083；3.中國(guó)石油華北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552)

沁水盆地南部地區(qū)古生界高角度張性斷裂極為發(fā)育，但至今仍未能很好地解釋其形成及演化機(jī)制。本文依據(jù)區(qū)域構(gòu)造演化背景分析、二維地震資料解釋、巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試、產(chǎn)能數(shù)據(jù)及應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果，研究其形成機(jī)制。結(jié)果表明，研究區(qū)經(jīng)歷了3期構(gòu)造旋回、4個(gè)構(gòu)造演化階段，華北板塊整體處于大的擠壓背景下，走滑拉分是典型的局部構(gòu)造特征。負(fù)反轉(zhuǎn)作用形成的高角度正斷層造成了基底塊斷差異升降，產(chǎn)生了盆地內(nèi)壘-塹相間分布的結(jié)果，由于地壘塊體上升作用造成了石炭-二疊系形成了等厚橫彎褶皺。在主生烴期，地層巖石易于發(fā)生近垂直的張性破裂，為區(qū)域垂直斷裂的形成創(chuàng)造了條件。在區(qū)域強(qiáng)擠壓構(gòu)造環(huán)境下，可形成高角度逆斷層；在伸展構(gòu)造環(huán)境下，為構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造了條件。同時(shí)，該破裂型式也表明盆地具有一定的走滑拉分性質(zhì)。古生界經(jīng)歷了2次構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)，分別為燕山中晚期(K1-K2)及喜馬拉雅期(E-N)。燕山中晚期負(fù)反轉(zhuǎn)的原因?yàn)榕璧氐娜跎煺弓h(huán)境、由生烴作用所引發(fā)的張性破裂及地層剝蝕所導(dǎo)致的應(yīng)力降低，該時(shí)期構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)程度較小。喜馬拉雅期負(fù)反轉(zhuǎn)的原因?yàn)榕璧氐膹?qiáng)伸展環(huán)境、強(qiáng)烈的隆升剝蝕所造成的地層應(yīng)力降低、溫度大幅度降低產(chǎn)生的額外應(yīng)力張量及地層巖石產(chǎn)生的張性應(yīng)變量，該時(shí)期構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)程度較大。該區(qū)構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)對(duì)致密氣儲(chǔ)層的控“圈”、控“運(yùn)”、控“儲(chǔ)”及控“藏”效應(yīng)明顯。

沁水盆地；構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)；應(yīng)力機(jī)制；油氣意義；張性斷裂；走滑

沁水盆地?fù)碛胸S富的煤層氣資源，所開發(fā)煤層主要為下二疊統(tǒng)山西組3號(hào)煤層及上石炭統(tǒng)太原組15號(hào)煤層[1]。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，沁南地區(qū)已實(shí)現(xiàn)煤層氣的商業(yè)規(guī)模開發(fā)[2]。沁南地區(qū)石炭-二疊系氣測(cè)異常較為普遍，游離氣主要分布在太原組、山西組及下石盒子組致密砂巖中，具備形成致密砂巖氣田(藏)的基本條件[3]。同時(shí)，沁南地區(qū)與鄂爾多斯盆地具有類似的沉積地質(zhì)特征[4-5]。該地區(qū)煤系地層致密砂巖氣的成功開發(fā)，將成為煤層氣的重要補(bǔ)充，為該地區(qū)天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一條新的思路，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。

沁水盆地石炭系-二疊系現(xiàn)今埋藏較淺，構(gòu)造研究程度較低。該地區(qū)古生界發(fā)育區(qū)域性高角度近垂直張性斷裂，斷裂具有明顯的走滑特征[6]，同時(shí)地壘、地塹相間分布。該類型斷層的演化及形成機(jī)制一直未能得到很好的解釋。深入研究這些區(qū)域性高角度張性走滑斷裂的形成機(jī)制，對(duì)正確認(rèn)識(shí)地下烴類流體運(yùn)移及分布規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)致密氣勘探具有重要意義[7]。本文結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化背景分析、地震資料解釋、巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試、產(chǎn)能數(shù)據(jù)及應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)這些斷裂的形成機(jī)制進(jìn)行深入研究，研究結(jié)果可以為該地區(qū)致密氣勘探提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

沁水盆地位于山西省南部，處于祁呂賀蘭“山”字型構(gòu)造的東側(cè)(圖1-A)。該“山”字型構(gòu)造開始活動(dòng)于古生代末期，成形于中生代，定形于新生代[8]?！吧健弊中蜆?gòu)造是一種扭動(dòng)構(gòu)造，由李四光[8]提出，其形成演化往往與大型礦產(chǎn)及油氣藏相關(guān)。從圖1還可以看出，所示區(qū)域內(nèi)的主干斷裂及其伴生斷裂主要沿著該“山”字型構(gòu)造分布，主干斷裂整體沿著NE向展布。該“山”字型構(gòu)造正好穿過(guò)沁水盆地南部地區(qū)。

沁水盆地為走向近南北的大型復(fù)式向斜盆地，四周分別為：太行山隆起(東側(cè))、呂梁山隆起(西側(cè))、中條山隆起(南側(cè))、五臺(tái)山隆起(北側(cè))，總面積約為36 000 km2。本文所研究地區(qū)位于沁水盆地南部地區(qū)(圖1-B)，包括：沁南區(qū)塊、夏店區(qū)塊、馬必區(qū)塊、鄭莊區(qū)塊及樊莊區(qū)塊，總面積約為 5 169 km2。研究區(qū)沉積地層單元及描述見圖2，底部為奧陶系，其上石炭系-二疊系為連續(xù)沉積，三疊系僅在盆地北部部分地區(qū)有出露，其上被第四系直接覆蓋。

圖1 沁水盆地南部地理位置圖Fig.1 Geographical location of southern Qinshui Basin

圖2 沁水盆地南部地區(qū)沉積地層Fig.2 Stratigraphic column of sedimentary strata in the southern Qinshui Basin

2 區(qū)域構(gòu)造演化背景

古生代以來(lái)，中國(guó)大陸構(gòu)造發(fā)展主要受特提斯洋、古亞洲洋及古太平洋三大全球動(dòng)力學(xué)體制所控制[9]。華北地塊從早元古代的最終克拉通化到中生代裂解之前的1 700 Ma間，基本處于較為穩(wěn)定的沉積階段。印支期，華北地塊南部主要形成了一些近EW向的褶皺與上沖斷層[10]；華北地區(qū)新生代拗陷內(nèi)部殘留一些中生代NWW走向的寬緩褶皺[11]，表明印支期變形已波及華北地塊內(nèi)部[12]。

早侏羅世，沁水盆地東部太行山尚未開始隆起，華北克拉通整體處于西伯利亞板塊和印度板塊兩向匯聚的作用下[13]。中侏羅世，中國(guó)東部地區(qū)的構(gòu)造機(jī)制發(fā)生了重大的變化。此時(shí)，主要的板塊運(yùn)動(dòng)機(jī)制為古太平洋板塊向歐亞板塊之下劇烈俯沖，華北陸塊整體的擠壓方向?yàn)镹W-SE向[11-12]。燕山運(yùn)動(dòng)在中侏羅世末使中國(guó)東部地區(qū)發(fā)生了大面積隆升剝蝕[13]，在華北地區(qū)形成了大量NE向擠壓褶皺和高角度走滑斷層。沁水盆地兩側(cè)的太行山和呂梁山此時(shí)開始逐漸隆起，在兩大隆起帶之間形成了沁水盆地寬緩復(fù)向斜[14]。中晚侏羅世，即燕山運(yùn)動(dòng)早期，沁水盆地徹底與華北其他盆地分開而成為一個(gè)獨(dú)立的構(gòu)造盆地[14-15]。

華北地區(qū)在燕山中期(K1)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺弓h(huán)境，對(duì)應(yīng)的時(shí)間約為136 Ma B.P.[16]。該地區(qū)變質(zhì)核雜巖群的分布、盆地中的伸展構(gòu)造、大火山巖省與巖漿巖帶的分布均表明華北地區(qū)此時(shí)處于伸展環(huán)境[17]。受盆地伸展的影響，燕山中晚期(K1-K2)，華北地區(qū)盆地內(nèi)部早期形成的高角度逆斷層逐漸開始發(fā)生構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)[12-13]。

古近紀(jì)以來(lái)，華北地區(qū)開始發(fā)生裂解，汾渭地塹出現(xiàn)[17]。此時(shí)，該地區(qū)整體以NW-SE向伸展為主[18]，盆地發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)，淺部地層發(fā)育大量右行張扭性高角度斷層[19]。新近紀(jì)以來(lái)，華北地區(qū)各盆地進(jìn)入克拉通內(nèi)拗陷發(fā)育階段。上新世初，受印度大陸和歐亞大陸持續(xù)匯聚的影響，該擠壓作用向東一直擴(kuò)展并波及華北地區(qū)，引起該地區(qū)斷裂的右行走滑再次復(fù)活[20]，在該階段山西地塹系最終形成，一系列被切割成塊體的山間盆地分布在各主要斷裂帶附近。

在區(qū)域構(gòu)造演化條件下，形成沁水盆地現(xiàn)今構(gòu)造格局。該盆地處于大的擠壓背景下，走滑拉分是典型的局部構(gòu)造特征[12]。沁水盆地周邊地區(qū)如太行山及呂梁山地區(qū)也具有類似的構(gòu)造演化歷程，例如盆地東側(cè)的太行山斷裂帶內(nèi)淺部NE向張性斷裂發(fā)育[6,21]。這些高陡正斷裂疊加在早期(J2+3)的上沖斷層之上，反映出后期區(qū)域的伸展應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境，斷裂發(fā)生了強(qiáng)烈負(fù)反轉(zhuǎn)(圖3，底部為寒武系變質(zhì)巖，頂部為三疊系砂巖及第四系黃土露頭)。

圖3 沁水盆地東側(cè)太行山地區(qū)NE向斷裂特征Fig.3 Characteristics of NE faults in the Taihang Mountain area, eastern of Qinshui Basin(據(jù)曹現(xiàn)志等[6])(A)泗家水村東斷裂, GPS N40°5.785′, E115°57.421′; (B)趙各莊鎮(zhèn)紫金關(guān)斷裂, GPS N39°41.423′, E115°18.988′

圖4 沁水盆地二疊系野外構(gòu)造地質(zhì)剖面Fig.4 The photograph showing the structural section of the Permian in Qinshui Basin澤州縣南嶺鄉(xiāng)向東500 m,山西組，坐標(biāo):E112°42′40.75″、N35°23′5.82″

3 構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)

研究區(qū)上古生界主要發(fā)育高角度張性斷裂，褶曲以與高角度正斷層相伴生的斷層相關(guān)等厚開闊褶皺為標(biāo)志性特征(圖4)。圖4所示褶皺的軸向近EW向，與印支期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征(SN向)較為一致，表明印支運(yùn)動(dòng)對(duì)研究區(qū)部分褶皺的形成具有一定程度的影響，進(jìn)而發(fā)生一定程度的縱彎褶皺作用[12]。但該時(shí)期(印支期)沁水盆地為克拉通內(nèi)寬緩擠壓拗陷盆地雛形形成階段，該階段盆地內(nèi)部主要形成一些近EW向褶皺和高角度逆斷層[14]。研究區(qū)現(xiàn)今所觀察到的斷裂都是高角度的，且看不到有層間的滑動(dòng)。因此推斷研究區(qū)印支期褶皺為與逆斷層相關(guān)的短軸寬緩的斷展褶皺[17]。研究區(qū)斷裂可劃分為構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)斷裂及新生張扭性斷裂2種，燕山期斷裂通常為基底斷裂，規(guī)模大，主要為NE向和NEE向斷裂；而新生張扭性斷裂的規(guī)模較小，且多為NNE向及NNW向斷裂[17]。

沁水盆地在燕山早期處于克拉通內(nèi)壓扭型拗陷盆地演化階段，以發(fā)育壓扭性走滑斷層為主[12]；早白堊世沁水盆地處于克拉通內(nèi)弱伸展裂陷盆地演化階段，處于弱伸展應(yīng)力環(huán)境下，盆地內(nèi)斷層開始發(fā)生負(fù)反轉(zhuǎn)[15]；喜馬拉雅期為克拉通內(nèi)強(qiáng)伸展裂陷盆地演化階段，在NNE-NE向的區(qū)域性擠壓背景下，應(yīng)力與斷裂之間具有一定夾角，早期形成的斷裂發(fā)生右行走滑，盆地持續(xù)隆升剝蝕，斷層發(fā)生強(qiáng)烈負(fù)反轉(zhuǎn)，早期逆斷層最終被完全改造，形成高角度張性走滑斷層的構(gòu)造格局[6](圖5)。

圖5 沁水盆地南部QS08-211_8測(cè)線構(gòu)造樣式Fig.5 Tectonic style of QS08-211_8 line in the southern Qinshui Basin T’5.下石盒子組頂界; T5.山西組頂界; T6. 3號(hào)煤層; T7.太原組頂界; T8. 15號(hào)煤層; Tg.中奧陶統(tǒng)頂界

因此，研究區(qū)的地層主要發(fā)生了2期主要的構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)，分別對(duì)應(yīng)于燕山中晚期(K1-K2)和喜馬拉雅期(E-N)。這2次構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)對(duì)研究區(qū)上古生界構(gòu)造演化產(chǎn)生了重要影響，在橫彎褶皺作用下由于地壘塊體上升形成了等厚褶皺，其形成的主要機(jī)制為走滑拉分作用下的基底塊斷差異升降[15-17](圖5)。

結(jié)合研究區(qū)地震解釋結(jié)果及區(qū)域構(gòu)造演化背景分析[6-18]，可將沁水盆地南部地區(qū)構(gòu)造演化劃分為3期構(gòu)造旋回(印支期構(gòu)造旋回、燕山期構(gòu)造旋回、喜馬拉雅期構(gòu)造旋回)，4個(gè)構(gòu)造演化階段(印支期、燕山早期、燕山中晚期、喜馬拉雅期)，據(jù)此建立了沁水盆地構(gòu)造演化模式(圖6)。

4 構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)應(yīng)力機(jī)制分析

在地層巖石處于連續(xù)沉積埋藏過(guò)程中，所經(jīng)受的上覆應(yīng)力不斷增加，同時(shí)溫度不斷升高，當(dāng)達(dá)到生烴門限并大量生排烴時(shí)，地層壓力也會(huì)不斷升高[22]。而在地層抬升或遭受剝蝕時(shí)，則大體相當(dāng)于前述過(guò)程的一個(gè)逆過(guò)程。在這個(gè)逆過(guò)程中，受應(yīng)力卸載、溫度降低及水平方向應(yīng)力等方面因素的影響，地層巖石易于形成張性正斷層及區(qū)域裂縫系統(tǒng)[23]。

研究區(qū)主要生烴期有2次，分別為晚三疊世(第一生烴期)及晚侏羅-早白堊世(主生烴期)。這2個(gè)時(shí)期山西組埋深大，巖石已經(jīng)致密化，地層大量生排烴，排烴量分別為35%和65%。此時(shí)，山西組處于相對(duì)閉塞的環(huán)境，地層壓力高，易于發(fā)生生烴增壓破裂。而對(duì)于剝蝕降溫和張性應(yīng)變量，主要由喜馬拉雅期強(qiáng)烈的剝蝕隆升所引起(圖7)。

研究區(qū)高角度正斷層主要形成于張性環(huán)境，斷層的延伸方向總與中間主應(yīng)力方向平行，該地區(qū)高角度張性斷層總是與水平方向最小主應(yīng)力正交(圖8)[24]。

圖6 沁水盆地構(gòu)造演化模式示意圖Fig.6 Tectonic evolution model for the Qinshui Basin

對(duì)于各向異性巖石，斷層的形成總是產(chǎn)生于與最小主應(yīng)力垂向方向的位置，因?yàn)檫@些部位最容易發(fā)生破裂。地層巖石在垂向上產(chǎn)生張性正斷裂時(shí)，滿足以下條件[25]

(1)

通過(guò)上式可以看出，當(dāng)?shù)貙訅毫υ黾訒r(shí)，地層巖石容易發(fā)生張性破裂。

對(duì)于線彈性巖石介質(zhì)來(lái)說(shuō)，估算巖石σh,min(總應(yīng)力)的公式可以表示為[23]

圖7 沁南地區(qū)沁12-7井埋藏史、生烴及構(gòu)造演化階段劃分Fig.7 Burial history, hydrocarbon generation and tectonic evolution stage of Well Qin 12-7 in Qinnan area黃色表示早成熟階段，Ro=0.5%～0.7%； 淺綠色表示中成熟階段，Ro=0.7%～0.1%；深紅色表示晚成熟階段，Ro=1%～1.3%； 桃紅色表示主生氣階段， Ro=1.3%～2.0%

圖8 地應(yīng)力類型劃分及斷層產(chǎn)狀示意圖Fig.8 Diagram showing stress classification and fault occurrenceσz表示垂直方向主應(yīng)力, σx和σy表示水平方向主應(yīng)力。 Ⅰa類的σx為壓應(yīng)力，形成正斷層; Ⅰb類的σx為張應(yīng)力，形成張斷裂或張剪斷裂; Ⅱ類形成逆斷層; Ⅲ類形成走滑斷層

(2)

式中：μ為泊松比；E為彈性模量；αp為Biot系數(shù)；Δt為溫度變化量；εh,max和εh,min分別為水平方向2個(gè)主應(yīng)力的應(yīng)變量；σv為垂向主應(yīng)力；αt為熱膨脹系數(shù)。

當(dāng)采用有效應(yīng)力表示(2)式中σh,min時(shí)，為[26]

(3)

式(3)表明，由水平最小主應(yīng)力所導(dǎo)致的地層破裂的主要因素為：孔隙壓力的增加、溫度的降低及張性水平應(yīng)變的增加3方面因素。

4.1 生烴期地層壓力的增加作用

埋藏期地層流體壓力的增加是張性斷裂形成的一種重要機(jī)制。這些斷裂的形成與地層中先存斷裂及區(qū)域裂縫有關(guān)[27]。地層巖石中由于生烴作用產(chǎn)生的流體主要分布在巖石基質(zhì)、斷裂及裂縫中。對(duì)于主要生烴期，持續(xù)產(chǎn)生的烴類流體會(huì)使地層壓力增加。此時(shí)，地層壓力能一定程度上減小水平方向主應(yīng)力，同時(shí)減小巖石發(fā)生張性破裂的強(qiáng)度，從而易于產(chǎn)生張性斷裂[28]。

通過(guò)公式(2)可知，由孔隙壓力變化(Δpp)帶來(lái)的地層巖石水平應(yīng)力變化(Δσh)可以表示為

(4)

根據(jù)(4)式建立了不同泊松比(μ)地層巖石Biot系數(shù)與Δσh/Δpp間關(guān)系圖(圖9)?？梢钥闯?，當(dāng)μ=0時(shí)，地層巖石Δσh/Δpp=Biot系數(shù)。對(duì)于實(shí)際地層巖石而言，0lt;μlt;0.5，因而巖石Δσh/Δpp不大于Biot系數(shù)。隨著巖石泊松比的增加，地層巖石Δσh/Δpp整體下降，表明硬脆性砂巖相比塑性泥巖而言，其水平最小主應(yīng)力受地層壓力的影響程度更大，張性破裂更容易發(fā)生在砂巖地層中。

圖9 目的層巖石Biot系數(shù)與Δσh/Δpp間關(guān)系圖Fig.9 Relationship between Biot coefficient and Δσh/Δpp of the target layer

圖10 沁水盆地南部地區(qū)Z1井山西組巖屑石英砂巖顯微照片F(xiàn)ig.10 Microscopic image showing quartz sandstone of Shanxi Formation in Well Z1, Qinnan area

研究區(qū)石炭-二疊系砂泥巖地層具有高密度、低孔隙度及強(qiáng)膠結(jié)特征，巖石內(nèi)部的充填礦物有石英、方解石、云母、黏土礦物及黃鐵礦，致密砂巖通常發(fā)育石英次生加大邊(圖10)，顆粒間多為線接觸，孔隙空間的連通性及有效性均較差。解釋數(shù)據(jù)顯示，目的層致密碎屑巖地層巖石的Biot系數(shù)值主要分布在0.2附近，文獻(xiàn)[29]對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)描述。較小的Biot系數(shù)值反映地層致密，高強(qiáng)度特征，與薄片觀察結(jié)果一致。三軸巖石力學(xué)測(cè)試顯示(表1)，所研究目的層碎屑巖的μ值分布在0.2～0.3的范圍。因此，根據(jù)圖9所示結(jié)果，目的層巖石的Δσh/Δpp主要分布在0.1～0.15之間。

研究區(qū)石炭系太原組的最大古埋深gt;3 km。假設(shè)所研究地層埋深為3 km，水平方向最小主應(yīng)力完全由垂向主應(yīng)力誘導(dǎo)產(chǎn)生，地層巖石Biot系數(shù)取0.2，根據(jù)公式(4)建立了所研究地層生烴期地層壓力梯度與水平最小主應(yīng)力梯度間關(guān)系圖版(圖11)。

表1 石炭--二疊系目的層碎屑巖的巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of rock mechanic parameters of the Carboniferous-Permian target clastic rock samples

圖11 目的層生烴期地層壓力梯度與水平最小主應(yīng)力梯度間關(guān)系圖Fig.11 Relationship between formation pressure gradient in hydrocarbon generation stage and minimum principal stress gradient of the target layer

圖11中地層壓力梯度最小值取10 kPa/m，為靜水壓力梯度，生烴期地層壓力會(huì)明顯大于該梯度值[27]；最大地層壓力梯度取25 kPa/m，為靜水壓力梯度的2.5倍，略高于該地區(qū)歷史時(shí)期超壓的最大地層壓力[30-31]。根據(jù)物性測(cè)試結(jié)果，地層平均密度取2.7 g/cm3。通過(guò)圖11可以看出，隨著地層壓力梯度的增加，地層水平方向最小主應(yīng)力梯度也增加。當(dāng)位于圖中所示張性破裂準(zhǔn)則線以下時(shí)，巖石易于發(fā)生張性破裂；反之，巖石不發(fā)生破裂或發(fā)生剪性破裂。該張性破裂的依據(jù)為：水平最小主應(yīng)力lt;地層壓力。

通過(guò)圖11還可以看出，具有低泊松比的硬脆性巖石更容易發(fā)生張性破裂，而具有高泊松比的巖石在生烴期超壓條件下不容易發(fā)生張性破裂。圖11中張性破裂所對(duì)應(yīng)的地層巖石泊松比大約為0.25，研究區(qū)石炭-二疊系巖層在三疊紀(jì)時(shí)期已經(jīng)達(dá)到高度致密化(圖7)。巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示，目的層巖石泊松比基本小于該值。因此，在生烴期高地層壓力條件下，目的層巖石易于發(fā)生張性破裂。

從野外地質(zhì)剖面上也易于發(fā)現(xiàn)這些張性破裂(圖12)。地層壓力的方向與垂向應(yīng)力相反，兩者綜合作用下容易在垂向產(chǎn)生高角度近垂直張性裂縫[32]。同時(shí)，圖12中的裂縫為全充填縫，表明形成時(shí)期比較早，可能為早白堊世大量生烴期形成，因此推測(cè)這種裂縫是由高地層壓力作用而形成的。

圖12 沁水盆地二疊系野外地質(zhì)剖面Fig.12 The field geological section of Permian in Qinshui Basin火焰狀垂直張性破裂，被方解石充填；坐標(biāo): E112°42′40.75″,N35°23′5.82″

4.2 抬升剝蝕過(guò)程中溫度降低的影響

當(dāng)沉積盆地處于強(qiáng)烈剝蝕抬升過(guò)程中，深部地層溫度不斷降低，此時(shí)，地層容易發(fā)生構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)，主要機(jī)制為熱收縮[33]。

根據(jù)公式(2)，在沉積盆地剝蝕抬升過(guò)程中，由溫度變化所導(dǎo)致的地層巖石水平最小主應(yīng)力的變化可以表示為

(5)

式中：αt為熱膨脹系數(shù)，石英的αt為10-5℃-1，其他類型沉積巖體礦物αt通常為10-6℃-1[34]；E為彈性模量；Δt為溫度變化量。

圖13 沁參1井中生代晚期古地溫Fig.13 Palaeo-geotherm of Well Qinshen 1 in late Mesozoic(據(jù)任戰(zhàn)利等[35])

研究區(qū)在燕山期埋深較大，具有異常熱事件，地溫梯度較大，主要為0.25～0.6℃/km(圖13)，在盆地南北兩端地溫梯度最高可達(dá)0.8℃/km[35]。

根據(jù)研究區(qū)石炭-二疊系目的層各類巖性巖石熱學(xué)特征及巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果，對(duì)所研究目的層巖石屬性進(jìn)行賦值(表2)。

根據(jù)公式(5)原理，建立了區(qū)分砂巖、泥巖條件下研究區(qū)目的層剝蝕量與水平最小主應(yīng)力變化量關(guān)系圖版(圖14)。該圖版同時(shí)考慮了地層梯度分別為0.250、0.305、0.360、0.400、0.450、0.500、0.550及0.600℃/km的8種情況，分別代表從正常地溫梯度到異常高地溫梯度的變化。

隨著地層溫度梯度的升高，剝蝕或溫度的變化對(duì)地層水平最小主應(yīng)力的變化的影響程度逐漸增加，砂巖相比泥巖地層而言，受影響程度更大(圖14)。隨著地層剝蝕厚度的增加，地層溫度逐漸降低，水平最小主應(yīng)力相應(yīng)降低。

表2 沁水盆地南部地區(qū)石炭——二疊系目的層砂、泥巖熱學(xué)及力學(xué)參數(shù)賦值Table 2 Assignment of thermal and mechanical parameters value of Carboniferous-Permian sandstones and mudstones layer in Qinnan area

研究區(qū)二疊系頂部地層累計(jì)剝蝕厚度為1～3 km[35]，從圖14中可以看出，對(duì)于砂巖地層，剝蝕過(guò)程中水平最小主應(yīng)力可降低10～50 MPa；泥巖地層可降低5～40 MPa，降幅明顯。在水平最小主應(yīng)力減小過(guò)程中，部分強(qiáng)壓實(shí)地層會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯄簩?shí)，而弱壓實(shí)地層可能會(huì)向張性地層轉(zhuǎn)化。在這種地應(yīng)力環(huán)境下，一方面易于形成近垂直的張性斷裂；另一方面，先期形成的斷裂易于發(fā)生構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)。

根據(jù)測(cè)井資料、巖石物性及巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果獲得了研究區(qū)致密砂巖沉積地層物性及力學(xué)參數(shù)取值簡(jiǎn)化模型(圖15)。隨著埋深的增加，研究區(qū)致密砂巖的孔隙度降低，彈性模量增加，而泊松比減小。在地層埋深較淺時(shí)，致密砂巖孔隙度(q)往往大于15%～20%；當(dāng)?shù)貙勇裆頶t;1 km時(shí)，致密砂巖的孔隙度整體較小，變化不大。致密砂巖的彈性模量和泊松比與地層埋深為一種近似線性的變化關(guān)系，巖石動(dòng)態(tài)彈性模量大于靜態(tài)彈性模量[36]。

利用上述簡(jiǎn)化模型參數(shù)可以建立研究區(qū)地層沉積及剝蝕過(guò)程中巖石受溫度影響下的水平最小主應(yīng)力與埋深間關(guān)系圖版(圖16)。該計(jì)算未考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響。由于強(qiáng)烈剝蝕期主要發(fā)生在喜馬拉雅期，晚于生烴期，因此，地層壓力梯度取常壓值，地層壓力的變化根據(jù)埋深進(jìn)行計(jì)算。可以看出，沉積過(guò)程中，隨著埋深的增加，受溫度升高的影響，巖石中水平最小主應(yīng)力變化量隨埋深的增加而增加。地溫梯度越高，該變化越為顯著(圖16-A)。

圖14 砂巖、泥巖目的層剝蝕量與水平最小主應(yīng)力變化量關(guān)系圖版Fig.14 Relationship between denudation amount and minimum principal stress gradient of the target layer sandstone and shale

圖15 研究區(qū)致密砂巖沉積地層物性及力學(xué)參數(shù)取值簡(jiǎn)化模型Fig.15 Simplified model showing physical mechanics parameter selection for tight sandstone sedimentary strata in the study area

圖16 沉積及剝蝕過(guò)程中研究區(qū)地層巖石受溫度影響下的水平最小主應(yīng)力與埋深間關(guān)系圖Fig.16 Relationship between minimum principal stress and buried depth under the effect of temperature in the process of sedimentation and uplift 剝蝕曲線起始點(diǎn)假設(shè)最大埋深為3 km

對(duì)于抬升剝蝕過(guò)程，則大致相當(dāng)于前述沉積過(guò)程的逆過(guò)程；但與沉積過(guò)程存在顯著不同的是，剝蝕過(guò)程中沉積地層的物性及力學(xué)參數(shù)不會(huì)發(fā)生逆向的變化或變化非常小[37]。因此，在地層剝蝕抬升過(guò)程中，隨著溫度的降低，地層巖石中水平最小主應(yīng)力變化量不會(huì)沿著沉積時(shí)的原曲線演化路徑進(jìn)行變化，而是沿著最大埋深曲線處的切線方向發(fā)生變化(圖16-B)[37]。從圖16-B可以看出，當(dāng)沉積地層最大古埋深為3 km，同時(shí)地溫梯度為0.36℃/km時(shí)，對(duì)應(yīng)的切線顯示水平最小主應(yīng)力變化量約為-8 MPa；當(dāng)沉積地層最大古埋深為2 km時(shí)，對(duì)應(yīng)的切線顯示水平最小主應(yīng)力變化量約為-4.5 MPa；當(dāng)沉積地層最大古埋深為1 km時(shí)，對(duì)應(yīng)的切線顯示水平最小主應(yīng)力變化量約為-2.0 MPa。說(shuō)明在抬升剝蝕過(guò)程中，受溫度降低的影響，沉積地層巖石中會(huì)在水平最小主應(yīng)力方向產(chǎn)生一個(gè)額外的應(yīng)力張量。古最大埋深越大，抬升剝蝕過(guò)程中由溫度降低誘導(dǎo)所產(chǎn)生的額外應(yīng)力張量越大。這些額外應(yīng)力張量能進(jìn)一步促進(jìn)研究區(qū)高角度斷裂發(fā)生負(fù)反轉(zhuǎn)。

4.3 抬升剝蝕過(guò)程中水平方向張性應(yīng)變量分析

地層在抬升剝蝕過(guò)程中，由于存在應(yīng)力松弛或應(yīng)力卸載，地層巖石會(huì)產(chǎn)生水平方向的張性應(yīng)變[38]。因此，根據(jù)公式(2)可知，地層抬升剝蝕過(guò)程中，水平方向應(yīng)變量對(duì)地層巖石水平最小主應(yīng)力的影響可以表示為

(6)

通過(guò)上式可以看出，沉積過(guò)程中，水平方向應(yīng)變量為壓性。此時(shí)，隨著巖石E的增大及μ的減小，應(yīng)變量會(huì)使地層巖石水平方向最小主應(yīng)力增加。但在隆升剝蝕過(guò)程中，由于地層巖石的E和μ的變化均非常小，但水平方向應(yīng)力為張性，此時(shí)，地層巖石水平方向最小主應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)降低[26]。

上式還說(shuō)明，沉積過(guò)程中，由于砂巖相比泥巖具有較大的E值和較小的μ值，因此其中應(yīng)力有可能會(huì)高于鄰層的泥巖。在剝蝕過(guò)程中，水平方向應(yīng)變量相等條件下，砂巖地層的應(yīng)力減小程度更大。

沉積巖體在沉積過(guò)程中不斷被壓縮，地殼表層的沉積巖體可以假想為沿著橢球狀地球中的一小段圓弧[39]。因此，沉積巖體橫向應(yīng)變率(Δε)與地球的半徑相關(guān)。由于地球的半徑為 6 371 km，因此，假設(shè)沉積巖體水平最大應(yīng)變量(ΔεH)和水平最小應(yīng)變量(Δεh)相等[40]，則Δε=ΔεH=Δεh=1/6 371=0.000 16 km-1。根據(jù)該應(yīng)變關(guān)系及公式(6)，得到剝蝕過(guò)程中研究區(qū)目的層砂泥巖地層受張性應(yīng)變量影響條件下，地層巖石水平方向最小主應(yīng)力的變化情況(圖17)。

通過(guò)圖17可以看出，隨著剝蝕量的增加，受地層巖石水平方向應(yīng)變量的影響，地層巖石水平方向最小主應(yīng)力減小量逐漸增加，砂巖地層的減小程度高于泥巖地層。該因素對(duì)地層巖石水平最小主應(yīng)力的影響程度相比前述溫度因素來(lái)說(shuō)要低一些，但也能產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力張量環(huán)境，使地層易于發(fā)生構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)。

4.4 構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)程度

根據(jù)以上3個(gè)方面的詳細(xì)分析，從應(yīng)力角度分析了研究區(qū)現(xiàn)今高角度近垂直張性斷層形成的應(yīng)力環(huán)境。這3個(gè)方面主要跟生烴期異常地層壓力、強(qiáng)烈隆升剝蝕所導(dǎo)致的溫度降低及水平方向張性應(yīng)變量相關(guān)。沁水盆地南部地區(qū)石炭-二疊系目的層在燕山中晚期(K1-K2)處于第二生烴期(主生烴期)。強(qiáng)烈的生烴作用能極大地減小地層巖石的破裂程度，使地層易于發(fā)生張性破裂，局部應(yīng)力降低。結(jié)合東亞地區(qū)區(qū)域構(gòu)造演化背景，在侏羅紀(jì)末期，沁南地區(qū)整體處于強(qiáng)烈的擠壓環(huán)境[12]；而在早白堊世逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿跎煺弓h(huán)境[15]。因此，燕山中晚期(K1-K2)由生烴作用所引發(fā)的張性破裂及剝蝕所導(dǎo)致的應(yīng)力降低易于使研究區(qū)早期斷層發(fā)生構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)，但該時(shí)期構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)程度較小。

在喜馬拉雅期(E-N)，強(qiáng)烈的隆升造成地層大量剝蝕，應(yīng)力顯著降低[18]；同時(shí)，溫度強(qiáng)烈降低，產(chǎn)生額外應(yīng)力張量；地層產(chǎn)生較大程度的張性應(yīng)變量。這3方面因素共同作用，使研究區(qū)目的層構(gòu)造應(yīng)力發(fā)生極大程度降低，類似于“應(yīng)力松弛”效應(yīng)，是克拉通內(nèi)拗陷盆地形成的重要應(yīng)力機(jī)制[32]，對(duì)目的層構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生了較大的影響，該時(shí)期構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)程度較大。同時(shí)，由于喜馬拉雅期地層強(qiáng)烈剝蝕所導(dǎo)致的地層應(yīng)力大幅度降低，易于形成一些新的近垂直張性正斷層。這些斷層屬晚期斷層，其走向受喜馬拉雅期應(yīng)力方向及先存構(gòu)造的綜合影響，規(guī)模相對(duì)較小。

圖17 剝蝕過(guò)程中張性應(yīng)變量對(duì)研究區(qū)目的層水平最小主應(yīng)力影響Fig.17 Relationship between the effects of extensional strain variable and minimum principal stress in the uplift process of target layer

5 油氣意義

5.1 負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造控“圈”作用

沁南地區(qū)石炭-二疊系斷裂在早白堊世之后開始發(fā)生構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)，負(fù)反轉(zhuǎn)作用形成的高角度正斷層造成了基底塊斷差異升降，產(chǎn)生了盆地內(nèi)壘-塹相間的結(jié)果。由于地壘塊體上升作用導(dǎo)致石炭-二疊系形成了等厚橫彎褶皺(圖6)[32,41]，這些褶皺的規(guī)模都不大。負(fù)反轉(zhuǎn)形成的壘-塹相間構(gòu)造圈閉對(duì)天然氣的不均勻分布產(chǎn)生了重要影響。在沁南地區(qū)構(gòu)造格局轉(zhuǎn)變過(guò)程中，中部區(qū)塊形成了構(gòu)造樞紐帶。該樞紐帶受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較弱，一般位于沉降中心過(guò)渡地區(qū)，斷裂發(fā)育程度中等，為致密砂巖氣長(zhǎng)期運(yùn)移的有利場(chǎng)所。

5.2 負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造控“運(yùn)”作用

沁南地區(qū)經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，特別是后期(燕山中晚期及喜馬拉雅期)走滑-伸展構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈。這2個(gè)時(shí)期構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)形成的正斷層(開啟)、滲透性巖體及構(gòu)造裂縫，均是良好的輸導(dǎo)體系，這些輸導(dǎo)體系也可以相互組合并形成復(fù)式運(yùn)移通道[42-43]。研究區(qū)現(xiàn)有的天然氣主要來(lái)源于石炭-二疊系的煤巖及泥巖[4]。大型斷裂受燕山中晚期和喜馬拉雅期構(gòu)造活動(dòng)影響而發(fā)生負(fù)反轉(zhuǎn)，對(duì)早期斷裂具有一定程度改造，最終被完全改造為現(xiàn)今高角度張性正斷層。這些斷裂開啟程度越大，滲流空間相應(yīng)越大，越有利于致密砂巖氣向上運(yùn)移。

5.3 負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造控“儲(chǔ)”作用

從單井埋藏史(圖7)可以看出，研究區(qū)的儲(chǔ)層具有先期致密化的特征，后期構(gòu)造變動(dòng)，特別是喜馬拉雅期持續(xù)的構(gòu)造抬升使應(yīng)力大幅度降低，斷裂發(fā)生強(qiáng)烈負(fù)反轉(zhuǎn)。雖然其加速了游離氣的擴(kuò)散損失，但也能在一定程度上改善儲(chǔ)層的物性，使原本地層巖石中緊閉的孔縫系統(tǒng)重新張開，成為有效空間系統(tǒng)，使天然氣可以賦存其中或發(fā)生運(yùn)移。

5.4 負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造控“藏”作用

研究區(qū)高角度張性正斷裂對(duì)致密砂巖氣成藏的影響具有雙重作用[44]。一方面，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響而發(fā)生強(qiáng)烈活動(dòng)的大型通天斷裂對(duì)游離氣的聚集不利。這些大規(guī)模斷裂通常發(fā)生了最為強(qiáng)烈的負(fù)反轉(zhuǎn)，地層泄壓程度最高，但通天斷裂造成了天然氣的大量逸散。另一方面，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造較小的先存構(gòu)造、發(fā)育側(cè)向封堵或規(guī)模較小的斷裂及上覆良好封閉蓋層相結(jié)合形成的圈閉，對(duì)致密砂巖氣的聚集具有重要控制作用。這些規(guī)模較小的斷層，其負(fù)反轉(zhuǎn)程度較小，改善了周圍儲(chǔ)層的物性，天然氣未嚴(yán)重逸散，從而得到有效保存。

從目前的地震解釋資料及產(chǎn)能數(shù)據(jù)來(lái)看，由于沁南地區(qū)石炭-二疊系埋藏較淺，部分大斷裂已斷至地表，為通天斷層，對(duì)油氣保存不利。如圖18中鄭134井及鄭試83井靠近通天斷層，這2口井均為低產(chǎn)井。同時(shí)，還有部分?jǐn)鄬又粩嚅_部分層位，在上覆區(qū)域性良好泥巖蓋層的封蓋條件下，可聚集大量天然氣，如圖18中鄭試30井，該井附近無(wú)通天斷層，產(chǎn)氣量在 1 000～2 000 m3/d。總體來(lái)看，研究區(qū)經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其中負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造對(duì)保存條件的影響較大。喜馬拉雅期強(qiáng)烈的伸展構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈，破壞了蓋層的完整性；但在部分蓋層發(fā)育程度較好的地區(qū)，斷層未穿過(guò)蓋層，往往利于天然氣的富集。

圖18 鄭莊區(qū)塊QS08-97測(cè)線及QS08-88測(cè)線地震構(gòu)造解釋剖面圖Fig.18 Seismic tectonic interpretation section of QS08-97 line and QS08-88 line in Zhengzhuang Block

6 結(jié) 論

a.沁南地區(qū)經(jīng)歷了3期構(gòu)造旋回、4個(gè)構(gòu)造演化階段，華北板塊整體處于擠壓背景條件下，走滑拉分是擠壓構(gòu)造背景下的局部構(gòu)造特征。負(fù)反轉(zhuǎn)作用形成的高角度正斷層造成了基底塊斷差異升降，產(chǎn)生了盆地內(nèi)壘-塹相間分布的結(jié)果；地壘塊體上升作用導(dǎo)致石炭-二疊系形成了等厚褶皺。

b.在生烴期，地層巖石易于發(fā)生近乎垂直的張性破裂，為區(qū)域垂直斷裂的形成創(chuàng)造了條件。在區(qū)域強(qiáng)擠壓構(gòu)造環(huán)境下，可形成高角度逆斷層；在伸展構(gòu)造環(huán)境下，為構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造了條件。同時(shí)，該破裂型式也表明盆地具有一定的走滑拉分性質(zhì)。

c.研究區(qū)古生界經(jīng)歷了2次構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)，分別對(duì)應(yīng)于燕山中晚期(K1-K2)及喜馬拉雅期(E-N)。燕山中晚期負(fù)反轉(zhuǎn)的原因?yàn)榕璧氐娜跎煺弓h(huán)境、由生烴作用所引發(fā)的張性破裂及地層剝蝕所導(dǎo)致的應(yīng)力卸載，該時(shí)期構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)程度較小。喜馬拉雅期負(fù)反轉(zhuǎn)的原因?yàn)榕璧氐膹?qiáng)伸展環(huán)境、強(qiáng)烈的隆升剝蝕所造成的地層應(yīng)力降低、溫度強(qiáng)烈降低產(chǎn)生的額外應(yīng)力張量及地層巖石產(chǎn)生的張性應(yīng)變量，該時(shí)期構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)程度較大。

d.研究區(qū)構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)對(duì)致密氣儲(chǔ)層控“圈”、控“運(yùn)”、控“儲(chǔ)”、控“藏”效應(yīng)明顯。

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StressmechanismofnegativeinversionstructuresanditsimplicationforoilandgasinSouthernQinshuiBasin,China

YIN Shuai1, DING Wenlong2, WANG Fengqin1, CAO Xiangyu2, LIU Jianjun3, LU Xuejun3

1.SchoolofEarthScienceandEngineering,Xi’anPetroleumUniversity,Xi’an710065,China; 2.SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China; 3.ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopmentofHuabeiOilfieldLtd.,PetroChina,Renqiu062552,China

Based on the analysis of regional tectonic background, interpretation of 2 dimensional seismic data, experimental testing of rock mechanics, data of production and numerical simulation of stress, the mechanism of nearly vertical faults developed in the Paleozoic strata in Southern Qinshui Basin are studied. It reveals that this area experienced 3 tectonic cycles and 4 stages of tectonic evolution. The North China plate was characteristic of compressive background, while strike-slip is the local structural features. The negative inversion of structures resulted from the formation of high angle normal fault caused lift and down of basement block, formed horst and graben in the basin. The uplift of horst resulted in the bending of Carboniferous and Permian strata. In hydrocarbon generation period, vertical tensile fractures occur easily in the rocks and provide condition for the formation of regional vertical normal faults and regional stretching environment provides conditions for the formation of negative inversion of structures. This area experienced 2 stages of structural negative inversion in the Palaeozoic strata, one is the early to mid Cretaceous, and the other is the Eogene to Neogene. The former is resulted from the weakly extensional environment. The effect of hydrocarbon formation leads to the occurrence of tensile fractures and the erosion of strata leads to the decease of stress. But the negative inversion of structures is weak in this period. Strong extension, occurrence of stress decease duo to extensive uplift of strata, occurrence of additional stress duo to temperature decrease and occurrence of tensile strain duo to strata and rocks in the Eogene to Neogene periods brings in the extensive negative inversion of structures. The negative inversion of structure affects obviously the trap, migration, accumulation and storage of oil and gas of the tight reservoir in the study area.

Qinshui Basin; structure negative inversion; stress mechanism; oil and gas significance; tensile fracture; strike-slip

TE121.2

A

10.3969/j.issn.1671-9727.2017.06.05

1671-9727(2017)06-0676-15

2016-05-04。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41372139, 41072098, 41572130)。

尹帥(1989-),男,博士,講師,主要從事石油構(gòu)造及地質(zhì)力學(xué)方面的教學(xué)與研究工作, E-mail:speedysys@163.com。