趙光杰李賢慶劉滿倉董才源李謹劉洋肖中堯

1. 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京 100083；2. 中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京 100083；3. 中國石油勘探開發(fā)研究院,河北廊坊 065007；4. 中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆庫爾勒 841000

庫車坳陷是我國“西氣東輸工程”的重要天然氣基地。歷經(jīng)50 多年勘探,在庫車坳陷東部的迪北斜坡帶上發(fā)現(xiàn)了迪北氣藏[1]、吐孜洛克氣藏[2],在吐格爾明隆起帶上發(fā)現(xiàn)了吐東2 油氣藏[3],展示了良好的勘探潛力。但總體來看,庫車北部構造帶油氣勘探程度低,探井相對較少,研究程度較低。

斷裂的發(fā)育過程對油氣的運移、聚集以及油氣藏的破壞均起著至關重要的作用[4-11]。庫車坳陷北部構造帶受復雜的構造活動影響,形成了多條北傾逆沖斷層和褶皺[12]。賈茹等[13]、付廣等[14-15]認為庫車坳陷的斷裂不僅是油氣散失的通道,也是油氣運移和聚集的輸導通道,它們控制著油氣的聚散和分布。付廣等[15]、孫雄偉等[16]和馮建偉等[17]認為逆斷層及相關褶皺促進了裂縫的發(fā)育。徐振平等[18]、何登發(fā)等[19]和魏紅興等[20]對庫車坳陷的構造變形特征及規(guī)律進行了研究。許多學者認為,斷裂活動時間為喜馬拉雅早期(65.0 ～23.3 Ma)、中期(23.3 ～5.2 Ma)、晚期(5.2 ～1.64 Ma)以及第四紀[20-22]。然而,目前對于庫車坳陷北部構造帶斷裂活動期次及其對油氣運移和聚集的影響研究還較少。

由于斷裂活動時間長且多期次的疊加,導致斷裂構造復雜,將會影響油氣運聚及成藏分析。筆者采用生長指數(shù)剖面法、典型剖面伸展(壓縮)率和構造平衡剖面法3 種方法,深入分析庫車坳陷北部構造帶斷裂發(fā)育特征和斷裂活動期次,進而剖析斷裂對油氣的運移、聚集和破壞作用,以期對油氣成藏過程的分析提供借鑒。

1 地質(zhì)概況

庫車坳陷在塔里木盆地北部,受新生代構造擠壓應力而形成,其類型屬于再生前陸盆地,北部緊鄰天山造山帶南界。庫車北部構造帶位于庫車坳陷北部,其構造單元主要包括巴什構造帶、北部斜坡帶、迪北斜坡帶以及吐格爾明構造帶(圖1)。

圖1 庫車坳陷北部構造帶位置Fig.1 Location map of tectonic belt in northern Kuqa Depression

庫車坳陷北部構造帶地層有三疊系、侏羅系、白堊系、古近系和第四系碎屑沉積。上三疊統(tǒng)黃山街(T3h)組的湖相泥巖和中、下侏羅統(tǒng)的煤層、碳質(zhì)泥巖和湖相泥巖構成了主要的烴源巖[23-24]。有利儲層包括侏羅系阿合組(J1a)、陽霞組(J1y)、白堊系巴什基奇克組(K1bs)、古近系蘇維依組(E3s)和庫姆格列木組(E1-2km)、新近系吉迪克組(N1j)、康村組(N1k)、庫車組(N2k)底部礫巖。中生代侏羅系和白堊系蓋層以泥巖為主,在整個盆地中廣泛分布。新生代蓋層主要為E1-2km和N1j,以石膏層和鹽層為主(圖2)。

圖2 庫車坳陷北部構造帶地層綜合柱狀圖（據(jù)文獻[12]修改）Fig.2 Comprehensive column chart of strata in northern Kuqa Depression

2 斷裂發(fā)育特征

2.1 斷裂系統(tǒng)劃分

庫車坳陷北部構造帶充填的沉積層序中有一個重要構造層序界面,是白堊系底界面(TK)。TK 反射界面是強烈構造擠壓活動后形成的局部不整合面,其特點是范圍大、識別特征明顯?；谶@個一級構造層序界面,在剖面上將沉積層序劃分為2 個構造層,即由侏羅系組成的盆地構造層和由白堊系、古近系、新近系和第四系組成的盆地構造層。根據(jù)斷裂對地層切割的特征,以TK 反射層為界可以將斷裂劃分為早期和晚期兩套系統(tǒng)(圖1、圖3)。

圖3 庫車坳陷北部構造帶斷裂系統(tǒng)及類型劃分（剖面位置在圖1 中AB 剖面）Fig.3 Fault system and classification of tectonic belts in northern Kuqa Depression

2.2 斷裂發(fā)育類型及特征

依據(jù)斷裂的運動學特征及其與地層的關系,可將庫車坳陷北部構造帶發(fā)育的斷裂劃分為早期逆沖斷層、晚期逆沖斷層和長期活動斷層3 種類型。與構造應力相關的斷裂變形期次、演化過程及序列會導致不同類型斷裂的形成[25]。

中生代以來,庫車坳陷被天山造山帶的強烈構造活動擠壓。這種擠壓應力來源于歐亞大陸和印度板塊間的碰撞,導致庫車坳陷北部山前構造帶逆沖作用強烈,從而形成大規(guī)模的中生界和新生界逆沖帶[26]。

2.2.1 早期逆沖斷層

早期逆沖斷層是庫車坳陷北部構造帶形成過程中發(fā)育在TJ1a-TK 反射界面之間的斷層。主干斷裂走向主要有NEE 向、NWW 向、近EW 向。NEE 向斷裂在巴什構造帶、迪北構造帶、吐格爾明構造帶均有分布,NWW 向斷裂主要分布在吐格爾明構造帶,近EW 向斷裂主要分布在巴什構造帶和迪北構造帶。

2.2.2 晚期逆沖斷層

晚期逆沖斷層是庫車坳陷北部構造帶形成過程中發(fā)育在TK 反射界面之上的斷層。主干斷裂走向主要有NEE 向、NWW 向,且主要分布在迪北構造帶和吐格爾明構造帶。

2.2.3 長期活動斷層

長期活動斷層是指由基底向上斷至吉迪克組(N1j)及以上地層的斷層。斷層走向以NEE 向和近EW 向為主,主要發(fā)育于迪北構造帶和吐格爾明構造帶,是庫車坳陷北部構造帶油氣成藏的主控斷層類型之一。

3 斷裂活動時期的確定

斷裂活動時期可以通過多種研究方法獲得,如剖面的伸展率/壓縮率變化[27]、生長指數(shù)[28]、構造平衡剖面法[29-31]等。每種方法都能反映斷裂活動時期,但都有其局限性和片面性。因此,本文采用3 種方法聯(lián)合反映庫車坳陷北部構造帶的斷裂活動時期,增加結果的可靠性。

3.1 典型生長指數(shù)剖面法

斷裂生長指數(shù)的大小可以反映斷裂的形成時期及其活動強度[26,32]。斷裂的生長指數(shù)剖面表明:依奇克里克構造帶斷裂活動具有明顯的差異,但總的規(guī)律是E1-2km、N1j、N1k、N2k期斷裂生長指數(shù)較大,對應依奇克里克構造帶的強烈構造運動階段,如圖4(a)所示；吐格爾明構造帶與依奇克里克構造帶類似,斷裂活動具有明顯的差異,總的規(guī)律是E1-2km、N1j、N1k期斷裂生長指數(shù)較大,對應吐格爾明構造帶的強烈構造運動階段,如圖4(b)所示；巴什構造帶斷裂活動也具有明顯的差異,總的規(guī)律是E1-2km、N1j、N1k、N2k期斷裂生長指數(shù)較大,對應巴什構造帶的強烈構造運動階段,如圖4(c)所示。

圖4 庫車坳陷北部不同構造帶斷裂生長指數(shù)剖面Fig.4 Fracture growth index profiles of different tectonic belts in northern Kuqa Depression

3.2 典型剖面伸展（壓縮）率法

典型剖面伸展(壓縮)率法是研究斷裂活動強度的重要方法之一。它的原理是,選取可以覆蓋全區(qū)的典型剖面,假定地質(zhì)體遭受到外界應力的作用,平面應變或剖面面積守恒,計算剖面伸展(壓縮)率[33-34]:

在庫車坳陷北部構造帶選取了3 個剖面,并對這3 個剖面的伸展(壓縮)率進行了計算和分析(圖5)。圖5 表明,E、N1j、N1k、N2k、Q 伸展率約為2% ～2.5% ,而壓縮率為1.5% ～12% 。由此可知,庫車坳陷北部構造帶的斷裂主要活動時期為E、N1j、N1k、N2k、Q 沉積時期。

圖5 庫車北部構造帶典型地質(zhì)剖面各時期伸展（壓縮）率Fig.5 Extension （compression） rate of typical geological profile in northern Kuqa tectonic belt in each period

3.3 構造平衡剖面法

構造應力對地層的影響在水平方向上表現(xiàn)為地層的伸縮。平衡剖面法可以用來定量恢復不同地質(zhì)時期剖面的幾何形態(tài)[35-36]。庫車北部構造帶代表性的構造演化史剖面(圖6,據(jù)滕學清等[37]修改)表明,三疊紀(T)至古近紀(E)期間,斷裂較少,且地層壓縮變形幅度較小,斷裂在該時期活動強度較??；而從吉迪克組沉積期(N1j)至康村組沉積期(N1k),斷裂開始增加,加之地層壓縮變形幅度較大,所以斷裂在該時期活動強度較大；庫車組時期(N2k)至第四紀沉積期(Q),由于喜馬拉雅運動中后期構造運動強烈,造成斷裂數(shù)量大量增加,是坳陷斷裂活動的重要時期。因此,由吐格爾明東部構造演化剖面可知,庫車坳陷北部構造帶斷裂活動時期主要為N1j、N1k、N2k、Q 沉積期。

圖6 吐格爾明東部構造演化剖面（圖1 中CD 剖面）Fig.6 Tectonic evolution profile of eastern Tugeerming

3.4 斷裂主要活動時期綜合判定

綜合以上3 種方法研究的斷裂活動時期結果表明,不同的研究方法判定的斷裂活動時期會有一定的差異,但是主要的斷裂活動時期是大致相同的(圖7)。由此得出,庫車北部構造帶斷裂活動時期有5 期,分別為E、N1j、N1k、N2k、Q 沉積期,而關鍵期為N1j、N1k、N2k,原因是其活動時期與生排烴時期匹配度較好。

圖7 庫車北部構造帶斷裂活動時期綜合判定Fig.7 Comprehensive judgment of fault activity period of northern Kuqa structural belt

4 斷裂形成及演化與油氣成藏的關系

盆地中油氣的運移和聚集受多種石油地質(zhì)因素控制。在前陸盆地中,斷裂的發(fā)育與演化對油氣的運移和聚集起關鍵作用[31,38-39]。學者的實踐和研究結果表明:盆地中構造的形成及演化不僅控制了沉積過程,而且也是油氣成藏的關鍵影響因素,斷裂溝通了烴源巖與儲層,是油氣生成、運移以及聚集的重要通道[31,40-42]。此外,構造發(fā)育過程中,對油氣的聚集場所(圈閉)的形成也有重要的促進作用,如構造可以促使背斜圈閉的形成[39]。

4.1 斷裂對烴源巖的影響

庫車北部構造帶克孜勒努爾組(J2kz)沉積受斷裂的影響較大,斷層的上盤厚度與下盤厚度具有較大差異,受白堊紀(K)強烈逆沖構造運動的影響,導致J2kz烴源巖沉積厚度較大。

4.2 斷裂與多類型圈閉的形成

庫車坳陷北部構造帶經(jīng)歷了燕山運動和喜馬拉雅運動疊加的構造演化歷程,在強烈逆沖構造作用下形成很多褶皺圈閉、地層不整合圈閉、巖性尖滅圈閉(圖8),其中褶皺圈閉數(shù)量最多[43]。

圖8 庫車北部構造帶圈閉類型Fig.8 Trap type diagram of the northern Kuqa Structural Belt

斷裂不但影響圈閉的形成,而且其運動過程對圈閉的平面和縱向的分布也有明顯的控制作用,斷裂逆沖構造運動形成的構造背斜的軸向與斷裂的走向基本一致。另外,斷裂晚期(喜馬拉雅運動晚期)使圈閉最終定型[44]。由于逆沖作用導致的局部扭壓應力致使圈閉的構造幅度得到強化,因此圈閉的有效性得到提高。

4.3 斷裂活動與生排烴時期的匹配關系

研究表明,斷裂未活動時滲透率較低,可以起封閉作用,而在活動期,斷裂的滲透率及流體勢增高,起開啟作用[45]。庫車坳陷北部構造帶中生界烴源巖(三疊系中上統(tǒng)和侏羅系中下統(tǒng))主生排烴期在新近紀(N1j)至今(圖9)。

圖9 表明,烴源巖的生烴高峰略早于斷裂活動的時間,但是,斷裂活動的時期與烴源巖的排烴高峰期大致吻合,反映了研究區(qū)烴源巖的主生排烴期與斷裂活動期的匹配關系較好[43]。

圖9 庫車坳陷北部構造帶斷裂活動時期與三疊系-侏羅系大量生烴時期匹配關系（據(jù)付廣等[46]修改）Fig.9 Matching relationship between fault active periods and large amount of hydrocarbon generation periods of Triassic-Jurassic in the northern structural belt of Kuqa Depression

4.4 斷裂活動與油氣運移通道

斷裂活動期與油氣運移時期匹配時,油氣才能在斷裂通道中有效地運移和聚集。相關學者研究表明,庫車坳陷北部構造帶發(fā)生過2 次油氣運移,即早期的油運移(N1j)和晚期的氣運移(N2k)[41-42]。吉迪克組(N1j)沉積時期和庫車組(N2k)沉積時期的斷裂活動與烴源巖的生排烴時期的匹配關系良好。在N1j時期,三疊系烴源巖大量生油,同時斷裂處于活動時期,所以生成的油沿著斷裂在阿合組儲層充注；在N1k時期,三疊系和侏羅系烴源巖大量生氣并沿活動斷裂在阿合組儲層充注,如依南2 油氣藏,推測此時依南4 和依深4 井也有油氣；然而,在N2k時期,斷裂活動不只會促進油氣的運移和聚集,也會因斷層斷至地表導致油氣的散失。如依南4 和依深4井,含油氣系統(tǒng)與依南2 井類似,但是卻只有少量的油氣保存下來,最可能的原因是斷裂活動破壞了該井的蓋層并且油氣沿著“通天斷層”直接運移至地表(圖10)。地表附近發(fā)現(xiàn)大量油苗可以證明油氣運移至地表。另外,由于斷裂原因?qū)е律w層上升而被剝蝕,也是油氣未能大量保存的原因之一[41-42]。

圖10 庫車坳陷北部構造帶斷裂輸導油氣模式（圖1 中AB 剖面）Fig.10 Oil-gas transport model of faults in the northern structural belt of Kuqa Depression

5 結 論

本文采用剖面伸展(壓縮)率法、生長指數(shù)法、構造平衡剖面法對斷裂的活動時期進行確定,并分析了其對油氣成藏的影響,主要結論如下:

(1) 庫車坳陷北部構造帶斷裂發(fā)育早期逆沖斷層、晚期逆沖斷層、長期活動斷層3 種類型。斷裂走向主要有NEE 向、NWW 向、近EW 向。

(2) 綜合生長指數(shù)法、伸展(壓縮)率法、構造平衡剖面法反映的斷裂活動時期是大致相同的,分別為E、N1j、N1k、N2k、Q 沉積期,其中關鍵期為N1j、N1k、N2k。

(3) 斷裂活動會對烴源巖的沉積厚度產(chǎn)生影響,導致J2kz組烴源巖沉積厚度變大,并有利于油氣成藏條件(圈閉)的形成,如褶皺圈閉、地層圈閉、巖性圈閉,其中褶皺圈閉數(shù)量最多；斷裂活動期(N1j、N1k、N2k)與烴源巖的主生排烴期(E、N1j、N1k、N2k)匹配關系良好；斷裂活動不只有利于油氣的生成和聚集,如依南2 油氣藏,也會使成藏保存條件被破壞,從而導致油氣逸散至地面,如斷裂對依南4 井和依深4 井的破壞。