同生逆断层正牵引构造对高频层序地层结构及沉积充填的控制作用

印森林，吴胜和，李俊飞，冯文杰

1) 中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室, 北京 ，102249;2) 中国石油大学地球科学学院，北京 ，102249

内容提要：本文拟探讨同生逆断层产生的正牵引构造对高频层序结构及沉积充填的控制作用。利用同生逆断层产生的次级构造要素正牵引构造这个视角来揭示构造与沉积的耦合关系具有其独特性与新颖性。在研究区岩芯、测井及地震资料分析的基础上，结合地质分析、构造平衡剖面技术及井震联合等方法对研究区同生逆断层断层要素进行分析，进而提出正牵引构造的特点以及其对高频层序结构和砂体展布的控制作用机制。研究表明：① 正牵引构造的发育具有3个特点，即上盘形成局部隆起向上牵引弯曲的背斜；因应力反转形成沿背斜核部非对称分布的正断层束；其发育部位砂体发育程度低。同时，② 同生逆断层正牵引构造对高频层序地层结构控制明显，其下盘地层厚度不仅较上盘明显增厚，且上盘地层因强烈的上拱隆升作用容易遭受剥蚀，从而导致平面上自下而上地层遭受削蚀范围逐渐增大的差异削蚀样式；同时，剖面上垂直断裂走向地层呈“厚—薄—厚”的展布样式。地层削蚀形成的局部不整合界面为层序地层研究的关键界面，其可为等时地层格架的建立提供依据。③ 正牵引构造引起的差异隆起的沉积底形控制了古水系的流动方向，因而决定了砂体的分散和充填样式。垂直同生逆断层走向方向，隆起背斜部位的砂体发育程度低，以砂泥交互和厚层泥岩夹薄层砂等非主力储层为主；与之相反，正牵引构造发育部位的背斜两翼砂体以厚层连片状主力储层占绝对优势。

发育于盆地边缘的同生断层(亦称为生长断层、同沉积断层)对层序地层结构及沉积体系展布等方面的研究近年来得到了广泛的关注。从生长断层的概念提出以来(Ocamb,1961;Hardin et al.,1961)，国内外众多学者意识到其对油气藏的形成、层序地层格架及沉积相域的分布起着重要的控制作用(林畅松等，2000，2003；王英民等，2002；任建业等，2004；单敬福等，2010；王华等，2011)。因此，一直以来同沉积断裂为众多学者关注的热点，研究同生断层产生的构造坡折带及其不同的组合配置对层序地层和沉积砂体的分散和充填的控制已经成为研究构造对沉积控制的一个崭新的视角(李勇和曾允孚，1993；林畅松等，2000；Lin Changsong et al.，2001；冯有良和徐秀生，2006；Yang Yongtai and Miall，2010)。

然而，已有研究认为同生断层主要是指同生正断层(Shelton，1968；林畅松等，2003)，而作为挤压性盆地边缘控制着盆地边缘的物源系统和可容空间的同生逆断层对高频层序结构及沉积构型的控制方面未给予足够的重视。同时，与同生正断层下降盘发育逆牵引构造(李德生，1979；陈发景，2008)相对应的是，同生逆断层上升盘发育正牵引构造，即在边沉积边生长的逆断层控制下，上盘出现具有向上牵引弯曲的背斜。虽然前人对正牵引作用形成的背斜构造特征进行过研究(王宁国，1981；吴庆福，1987；Song Tingguang and Wang Xiepei，1993；宋廷光，1997，何登发等，2004；雷振宇等，2005；蔚远江等，20005；Chang Jih-hsin et al.，2012)，但未研究同生逆断层形成的正牵引上拱隆起作用引起的高频层序结构样式(4级或5级)和沉积底形的形态、规模、演化及可容空间等变化对砂体展布的控制作用。从同沉积逆断层产生的正牵引构造这个独特的视角出发，探讨其对高频层序地层结构和沉积砂体填充的控制作用不仅对构造沉积学和沉积地质学的发展具有重要的理论意义，而且对挤压性盆地边缘的油气精细勘探和开发具有重要的指导意义。

新疆克拉玛依油田是我国西部重要油气生产区，研究区湖湾区沿扎伊尔山具有出露良好的三叠系沉积露头，地下覆盖区有3D地震资料(主频30～40Hz)，特别是研究区为油田开发区，具有井距较小(50～200m)的密井网资料，为本次研究提供了良好的资料基础。

图1 准噶尔盆地西北缘湖湾区位置及断裂系统Fig. 1 Location and fault system of Huwan district, northwestern margin of the Junggar BasinF1—克拉玛依断裂(又称克—乌大断裂)；F2—克拉玛依西断裂；F3—南黑油山断裂；F4—北黑油山断裂；F5—大侏罗沟断裂；F6—北白碱滩断裂；F7—南白碱滩断裂；F8—3034断裂；F9—花园沟断裂；f1—四区108井正断裂；f2—336井正断层束；f3—6043井正断层；f4—7367井正断层；f5—南黑油山隆起正断层束；f6—六东区正断层F1—Karamay fault；F2—western Karamay fault；F3—southern black oil fault；F4— northern black oil fault；F5—large Jurassic groove fault；F6— northern Baijiantan fault；F7— southern Baijiantan fault；F8—3034 fault；F9—Huayuan groove fault；f1— 108 normal fault in the 4th Zone；f2—336 normal faults；f3—6043 normal fault；f4—7367 normal fault；f5— southern black oil normal faults；f6—the eastern 6th normal fault

1 区域地质背景

准噶尔盆地三叠纪—早、中侏罗世属于陆内造山过程。其造山活动的变化可以表现在沉积物的记录中从大规模的粗粒到细粒沉积物的周期交替充填。前人经过多年的油气勘探表明，在盆地西北缘克拉玛依油田的克拉玛依组为大规模的逆冲断裂带—碰撞造山及陆内造山强化的结果。该断裂带形成于海西运动末期，一直延续到燕山运动晚期(晚侏罗世)(杜社宽，2005；焦养泉，2001)。

图2 准噶尔盆地西北缘湖湾区构造响应特征、充填序列及高频层序划分Fig. 2 Structural response characteristic, filling succession, and high-frequency sequence division in the Huwan district,northwestern margin of the Junggar Basin

准噶尔盆地西北缘属于前陆盆地边缘，大型逆冲断裂控制了其盆地边缘的沉降和沉积中心(图1)。本次研究目的层三叠系克拉玛依组(T2k)的同生逆断层的上、下盘有明显的厚度差别是其同生性的重要标志。前人研究表明，盆地充填序列及地层—构造格架揭示了该区经历了4幕逆冲过程。陆内造山第I幕逆冲隆升阶段沉积了本次研究目的层中三叠统的克拉玛依组(T2k)的粗碎屑岩段(图2)。研究区范围主要在准噶尔盆地西北缘湖湾区(包括一区、二区、三区及四区)，同时包括了六区、七区部分位置(图1)，目的层为三叠系克拉玛依组，其底面与石炭系为不整合接触，其顶部为三叠系白碱滩组，目前，克拉玛依组可以细分为克上组和克下组两个亚组，进一步细分为7个砂组(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7)和若干小层/单层，不同的地层单元对应不同级次的层序单元。研究区克拉玛依组自下而上发育了冲积扇—扇前湿地—湖泊—辫状河三角洲沉积序列。

2 研究区正牵引构造发育及其特点

以准噶尔盆地西北缘独具特色的湖湾区三叠系同生逆断裂系统为例，研究同生逆断层的断裂特征及断裂要素，拟深入探讨正牵引构造的发育及其特点。

图3 准噶尔盆地西北缘湖湾区高精度地层演化剖面图Fig. 3 Profile of high-resolution stratigraphic evolution in the Huwan district, northwestern margin of the Junggar Basin

2.1 同生逆断层特征分析

同生逆断层与同生正断层具有显著的差异，后者主要形成于拉张盆地边缘，且上盘下降，地层厚度较下盘明显增大，而前者主要形成于挤压盆地边缘，且下盘下降，同时其地层厚度对比上盘明显增厚。研究区三叠系克拉玛依组主要活动的同生逆断层包括近于平行盆地边缘的一级断裂克拉玛依断裂(又称克—乌大断裂)，三级断裂北黑油山断裂和南黑油山断裂，另有若干三级、四级小型断裂。同时，研究区还发育两条垂直克—乌大断裂的两条二级调节断裂，分别是大侏罗沟断裂和西克拉玛依断裂，另外，研究区发育了多条低级次正断层，其共同构成了研究区目的层的断裂系统。同时，大型断裂的边界也是目前勘探开发的分区边界。克—乌大断裂分开了湖湾区与五八区，中西克拉玛依断裂和大侏罗沟调节断裂限制了湖湾区。湖湾区内部被次级南、北黑油山断裂分为一、二、三、四4个区(图1)。

利用研究区地震、测井资料，开展断层性质及要素研究，根据断层两盘相对运动特点，工区可划分出3种性质类型的断层，即正断层、逆断层和扭性断层(调节断层)。工区同生逆断层是最主要的断裂形式，对沉积构造控制作用明显，其中克—乌大断裂在目的层活动强烈，三级南、北黑油山断裂断层性质较为一致。正断层发育数量多，但断层规模较小，沉积控制作用不明显。调节断层是在挤压背景上发育起来的，断距和规模相对小，对位移起调节作用，目的层两条调节断层表现出逆断层的特点，且活动强度也较大，具体断裂性质如(表1)。

图4 准噶尔盆地西北缘与同生逆断层有关的张性构造发育过程Fig. 4 Development process of extensional structure related to contemporaneous reverse fault in the northwestern margin of the Junggar Basin

2.2 精细地层剖面演化与正牵引构造

与同生正断层上盘形成的逆牵引构造不同的是同生逆断层的上盘形成正牵引构造(王宁国，1981；丘东洲和陈新发❶)，这两种构造样式形成的力学机制有很大的差异。通过对横剖面2960测线利用构造平衡剖面技术精细恢复砂组级别地层演化过程。

表1 准噶尔盆地西北缘湖湾区主要断层断层要素统计表Table 1 Statistics of fault elements with main faults of Huwan district, northwestern margin of the Junggar Basin

表2 准噶尔盆地西北缘湖湾区正断层断层要素Table 2 Fault elements of normal faults in the Huwan District, northwestern margin of the Junggar Basin

恢复地层不同时期的结构特点(图3)，剖面分析表明，S7砂组地层沉积在地形起伏不定的石炭系之上，随着逆冲挤压过程不断增强，S6、S5砂组地层沉积过程中，局部地层隆起抬升明显，同时小型张性正断层开始发育；S4、S3、S2砂组地层沉积后，克乌大断裂、南黑油山断裂及北黑油山断裂等高级次断裂等同生逆断层上盘的局部位置由于逆冲断层的推覆作用而使上盘地层逐渐隆起抬升形成明显的小型背斜，此时正断层束开始大量发育，地层自上而下遭受剥蚀形成不整合关键界面。

3 同生逆断层正牵引构造引起的应力变化特点

对于挤压环境下形成的张性构造，很多学者进行了有益的探讨(匡立春等❷)，并提出了相应的观点(崔泽宏和汤良杰，2007)。根据研究区各种资料对研究区发育的正断层断层要素分析，具体见表2。

研究区主要正断层有6束，研究表明发育在目的层三叠系克拉玛依组整体挤压、压扭性环境中的正断层分布特征主要有以下几个特点：①正断层发育位置主要在同生逆断层上盘，背斜核部或主断裂的旁侧且成束分布，其与同生逆断层构造走向呈大致平行分布；②正断层束剖面上具有从背斜核部向两边呈非对称分布的特点；③正断层下盘地层厚度普遍大于其上盘地层厚度，且其上盘地层缺失层位多于下盘地层。

通过以上分析，本文认为发育挤压环境的张性断层(特别是在盆地边缘)与同生逆断层的活动关系密切，其主要是因为由于逆冲断层的推覆作用而使上盘地层逐渐隆起抬升形成背斜，随着同生逆断层挤压力不断增强，在背斜的顶部引起构造应力的反转，在整体呈压应力的条件下，局部出现了张性构造(正断层)，其形成演化过程如(图4)。

4 正牵引构造对高频层序结构样式的控制作用

图6 准噶尔盆地西北缘湖湾区克拉玛依组自上而下地层的差异削蚀特征Fig.6 Differential erosion in Karamay Formation of stratum from top to bottom in the Huwan district, Junggar Basin

图7 正牵引构造控制下克下组(a)、克上组(b)单层砂砾岩体展布特征Fig.7 Characteristics of sandy conglomerate bodies distribution in single layer of Lower Karamay Formation(a) and Upper Karamay Formation(b) controlled by normal drag structure

构造对层序的控制及其相互响应过程一直是构造沉积学研究的热点，一方面通过对层序界面的追踪与识别来判断构造运动的期次及其强弱，另一方面借助构造沉积学来解释构造因素与沉积因素的耦合与响应机制。而对于特定的构造样式，如同生断层对层序的控制作用的研究可以进一步深化构造次级因素与低级次层序(3级)的响应特征。对于同生逆断层产生的正牵引构造对4、5级层序(高频层序)的控制作用的研究对重点区域的精细等时地层格架的建立尤为关键。

4.1 研究区克拉玛依组内部不整合界面识别

利用地震、测井资料结合人工合成地震记录的精细标定，同时，结合研究区测井曲线的特征和标志层分析。研究表明，白碱滩组其测井特征为SP曲线为基线平直，R2M和R025为极低值，测井曲线较易识别，地震反射为连续性强反射特征，为全区稳定分布的湖相泥岩沉积体，其底部地震层位标定可靠；S1砂组测井特征为高幅度SP曲线，同时，R2M和R025为极高值，地震反射为连续性强反射特征，全区较为稳定分布的砂砾岩沉积体，易识别与对比，其顶部层位标定可靠；S6砂组测井特征为SP曲线为基线平直，R2M和R025为低值，测井曲线较易识别，地震反射为连续性较强反射特征，全区分布相对稳定分布的湖相泥岩夹薄层砂体；S7砂组测井特征为高幅度SP曲线，同时，R2M和R025为极高值，地震反射为非连续性反射特征，全区砂砾岩沉积体夹不同厚度泥岩隔夹层，较易识别与对比，其S71小层顶部界面特征明显；基于以上分析，利用井震结合标定与构造解释揭示了研究区目的层克拉玛依组内部S1与下伏地层的不整合界面(图5)。

4.2 高频层序结构样式及差异削蚀

利用井震结合与标志层识别，结合相控等时地层对比，对研究区克上组的S5、S4、S3、S2砂组的地层厚度等值线研究发现，研究区克上组因受同生逆断层及不均匀挤压力作用而存在差异隆起，随着地层隆升幅度不断增大，使地层自上而下不同程度地遭受剥蚀(图6)，其中湖湾区东北部地层缺失最严重。同生逆断层不断的逆冲推覆，加剧了地层隆起抬升的速度，在隆起高度不断累积的情况下，在克上组地层产生了的局部大范围的剥蚀，由此，构成了正牵引构造控制下克拉玛依组内部高频层序结构差异削蚀的独特样式。

5 正牵引构造对砂组、小层级别砂体展布的控制作用

构造作用对砂体的宏观展布样式及其成因类型的控制作用不论在拉张性盆地还是在挤压性盆地都受到了众多学者的关注，其中对拉张性盆地的同生断层产生的特殊古地貌成为关注的焦点。本文从同生逆断层次级构造要素正牵引构造形成的沉积底形这个视角探讨其对砂组、小层级别砂体的形态、规模控制作用。

对湖湾区正牵引特征最明显的一中区的岩芯、测井资料分析表明，研究区克下组下部发育典型的冲积扇沉积体系，上部发育稳定的湖相泥岩，克上组主要为辫状河三角洲沉积体系，其构成了湖进—湖侵—湖退的完整沉积旋回。

研究区在三叠纪同生逆断层强烈的挤压逆冲推覆作用下发育了正牵引构造，其形成的特殊的沉积底形对水携沉积物的分散和沉积起着至关重要的作用。对于一中区克下组冲积扇单层沉积相展布平剖面对比研究表明，在一级同生逆断层克拉玛依断裂的控制下，一中区局部正牵引构造最发育的部位(一中区西南部位)砂砾岩体总体发育程度低，主要为厚层泥岩夹薄层砂岩，其主体砂砾岩体储层如槽流砂砾岩体、片流砂砾岩体、辫流水道等发育程度低，而相对较为发育的是漫洪砂体和漫流细粒沉积等厚度薄、砂泥交互的薄层状差储层，其成因为洪水期间歇沉积的薄层砂体，正牵引发育部位其底形的不断抬升导致了沉积物有效可容空间减小，因此，限制沉积物的卸载和古水流的流动方向。同时，在平水期古水流也因地形因素的控制而在正牵引构造发育的部位绕行(图7a)。与之相反，周围区域沉积物的卸载和沉积速率在正牵引构造隆起抬升影响下不断加快，从而使得背斜区周围砂体的发育程度高。

对于克上组发育的辫状河三角洲来说，进一步说明存在明显的因正牵引构造发育引起古水流及沉积物有效可容空间的变化而形成了独具特色的沉积区带和剖面分布样式。研究表明，自下而上地层受正牵引构造剥蚀范围越来越大，导致S1砂组不整合在S4砂组之上(图7b)。其中S52-2、S52-1河道砂体呈连片状发育在研究区东南部位；S51-2、S51-1河道砂体呈交织状分布在研究区偏东南位置；S42、S41砂体整体发育程度较低，砂体呈条带状分布在研究区偏东南部位。剖面图进一步揭示了砂体在西南部位发育程度最低，其砂体以溢岸砂等差储层为主，向东南部砂体发育程度开始增加，以河道砂体等主力储集体为主，砂体整体由孤立型向叠加交切型变化，砂体展布横向范围逐渐增大，厚度增加。

总体来说，在垂直同生逆断层走向方向，隆起背斜部位的砂体发育程度低，以砂泥交互和厚层泥岩夹薄层砂等非主力储层为主；与之相反，正牵引构造发育部位的背斜两翼砂体以厚层连片状主力储层占绝对优势。这一研究深刻地揭示了次级构造要素通过改变古地貌来影响低级次沉积单元中砂体展布规律。总之，通过对研究区克下组冲积扇沉积体系以及克上组辫状河三角洲沉积体系的精细解剖均揭示了因同生逆断层产生的正牵引构造形成的隆起古地貌对古水流及可容空间的控制作用，进而控制了沉积物的分散与配置的细节。

6 讨论与结论

同生逆断层作为挤压性盆地边缘控制沉积充填及砂体展布的重要同生构造，其产生的次级构造要素正牵引构造形成的不整合面为高频层序结构的重要界面，为建立等时地层格架的关键界面，而追踪等时地层界面对研究沉积体系的展布至关重要。同时，在湖平面处于低水位时，远离湖岸线位置与冲积体系有关的砂分散体系在向盆地方向推进的过程中，正牵引构造产生的地貌或地形对水系的分布和沉积物堆积的决定性控制作用导致在正牵引构造发育部位砂体充填具有其独特的分布样式。这一研究对目前众多学者认为同生断层调节带“通过控制古水流进而控制砂体展布”的认识是一个重要的补充和完善，也说明了对同生断层的研究除需要重点关注断坡要素外，还应该关注同生断层产生的其他断层要素如正牵引等，以期利用多因素条件对砂体分布和预测做出综合的解释和判断来提高勘探开发效率。综上所述，对比前人以研究同生断层活动强度及其组合关系对层序地层及沉积充填为主的思路来说，本次研究进一步深化明确了构造因素与沉积因素的耦合响应细节。

对于同生逆断层正牵引构造的研究对揭示盆地构造对高频层序地层结构、沉积充填过程及沉积体系发育分布等具有重大理论和实践意义。通过研究得出如下认识：

(1)同生逆断层形成的正牵引构造具有其独特的特点。正牵引构造发育具有3个特点，即: ① 上盘形成局部隆起向上牵引弯曲的背斜；② 因应力反转形成沿背斜核部近似对称分布的正断层束；③ 其发育部位砂体发育程度低。

(2) 同生逆断层正牵引构造对高频层序地层结构控制明显，其下盘地层厚度不仅较上盘明显增厚，且上盘地层因强烈的上拱隆升作用容易遭受剥蚀，从而导致平面上自下而上地层遭受削蚀范围逐渐增大的差异削蚀样式以及剖面上垂直断裂走向地层呈“厚—薄—厚”的展布样式。与此同时，地层削蚀形成的局部不整合界面为层序地层研究的关键界面，其可为等时地层格架的建立提供依据。

(3)正牵引构造引起的差异隆起的沉积底形控制了古水系的运动方向，因而决定了砂体的分散和充填样式。垂直同生逆断层走向方向，隆起背斜部位的砂体发育程度低，以砂泥交互和厚层泥岩夹薄层砂等非主力储层为主；与之相反，正牵引构造发育部位的背斜两翼砂体以厚层连片状主力储层占绝对优势。

注释/Notes

❶ 丘东洲，陈新发.1993.准噶尔盆地西北缘三叠—侏罗系沉积相研究与储层评价.新疆油田勘探开发研究院内部报告.

❷ 匡立春,朱筱敏,张年富. 2008.准噶尔盆地西北缘克—百地区油气精细勘探研究. 新疆油田勘探开发研究院内部报告.