准噶尔盆地西北缘克夏断裂带胶结封闭作用研究

崔　殿

（中国石化胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营257000）

准噶尔盆地西北缘克夏断裂带胶结封闭作用研究

崔殿

（中国石化胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营257000）

克夏断裂带是准噶尔盆地西北缘的一个二级构造单元，由南向北发育有克拉玛依断裂、南白碱滩断裂、百口泉断裂、百乌断裂及夏红北断裂共5条主要的一级断裂以及伴生的多条次级断裂。在筛选钻遇断裂探井的基础上，通过岩心取样进行岩石薄片及扫描电镜分析，发现这5条一级断裂的胶结物类型明显不同，由南向北依次为克拉玛依断裂的绿泥石和浊沸石、南白碱滩断裂的方解石、百口泉断裂的方解石和黏土矿物、百乌断裂的方解石和铁方解石以及夏红北断裂的铁白云石和菱铁矿。由此可见，克夏断裂带成岩作用阶段由南向北逐渐趋向晚期，且经历了胶结—溶蚀—再胶结的过程。结合断层活动性分析和断裂带内流体包裹体均一温度测试，认为这是由于断裂活动期由南向北逐渐提前，进而影响断裂内地下流体活动期次导致的。不同断裂的胶结封闭作用和流体活动差异性可进一步影响各断裂的油气藏分布。

断层封闭性；胶结作用；克夏断裂带；准噶尔盆地

0　引言

准噶尔盆地西北缘是一个形成于古生代晚期至中生代早期的大型叠瓦状冲断系统［1］，主要发育平行于构造线的北东向逆（掩）断层和垂直或斜交于主断层的近北西向横断层［2］。这些断层控制着准噶尔盆地西北缘的油气空间分布［3］。随着近年来对断裂带结构研究的深入开展，部分学者［4-5］普遍认为小型断裂是简单断面，大型断裂往往由发育断层岩及伴生裂隙的破碎带和发育多次序微裂缝及伴生低级别小断层的诱导裂缝带组成。静止期断层的封闭作用主要包括涂抹作用、碎裂充填作用及成岩作用。前人［6-9］主要针对前2种类型的封闭作用及成岩作用中的压实作用进行研究，但这些封闭作用主要影响的是小型断裂和大型断裂破碎带的封闭性。诱导裂缝带在“地震泵”效应［10-11］下，地下流体易在其内部运移而发生水-岩反应，导致矿物质发生过饱和沉淀，说明是胶结断裂带中的孔缝导致了断层的封闭［12-13］，因此成岩作用中的胶结作用是断层在静止期封闭的重要因素［14-17］。由于胶结作用对断层的封闭作用前人涉及较少，所以，开展胶结封闭作用的研究不但可以丰富断层封闭性研究的理论和方法，而且对寻找与断层相关的油气藏具有重要意义。

1　地质概况

克夏断裂带是在准噶尔盆地整体被挤压的构造背景下，形成于西北缘扎伊尔山与哈拉阿拉特山山前地带的一系列逆（掩）断层。其断裂体系在纵向上可分为深层断裂体系和浅层断裂体系，二者特征差异显著。深层断裂体系均为逆断层，形成于海西运动时期，断层规模较大，断开了石炭系、二叠系、三叠系及侏罗系下部等地层，主要包括克拉玛依断裂、南白碱滩断裂、百口泉断裂、百乌断裂和夏红北断裂共5条一级断裂及伴生次级断裂（图1）；浅层断裂体系主要为三级断裂，并包括少量正断层，形成于燕山运动时期，断层规模相对较小，断开了侏罗系中上部地层和白垩系地层。克夏断裂带已发现的油气藏以构造型为主，主要分布于被5条一级断裂以及伴生次级断裂所遮挡的二叠系、三叠系及侏罗系下部地层中，其油源主要为二叠系海相泥岩。因此，这5条一级断裂不仅是研究区油气运移的主要通道，而且是最重要的控藏断裂［18］。由于研究区逆断层断距普遍较大，上升盘地层被剥蚀严重，残留地层基本为石炭系，所以对其控藏断裂封闭性的研究较为困难。

图1　克夏断裂带断层平面分布、钻遇断裂取样井位置及断层流体活动期次Fig.1　Distribution of faults，the drilling fault sampling wells and fluid activity periods in Kexia fault zone

笔者在筛选钻遇断裂探井的基础上，选取5条一级断裂内的取心探井21口（图1），并取样200余块（取样涵盖5条一级断裂，但受取样井位置限制，克拉玛依断裂、百口泉断裂南段及百乌断裂北段没有样品覆盖），进行岩石薄片和扫描电镜分析及流体包裹体均一温度测试。进一步结合断层活动性，分析5条一级断裂内的胶结物类型，发现成岩作用阶段由南向北逐渐趋向晚期，并认为这是由于断裂活动期由南向北逐渐提前，进而影响断裂内地下流体活动期次导致的。不同断裂的胶结封闭作用和流体活动差异性可进一步影响各断裂内油气藏的分布。

2　胶结作用的主要矿物类型

克夏断裂带内胶结作用十分发育，不同类型的胶结物基本将断裂带内的孔、缝全部胶结，使断层的输导能力变差。笔者在筛选钻遇断裂探井的基础上，通过岩心观察并进行岩石薄片分析发现，5条一级断裂中的成岩胶结物类型具有明显差别（图版Ⅰ）：

（1）克拉玛依断裂诱导裂缝带内裂缝发育，胶结物均为绿泥石和浊沸石，二者体积比约为3∶2，因此，将其胶结物类型划分为绿泥石-浊沸石相带。

（2）南白碱滩断裂内破裂缝主要被方解石胶结，约占胶结物总体积分数的90%以上，其余为少量方沸石和硅质胶结物，因此，其胶结物类型应属于方解石（早期碳酸盐）相带。

（3）百口泉断裂内胶结物主要为方解石，其次为黏土矿物，二者体积比约为7∶3，见少量铁方解石，因此，其胶结物类型属于方解石（早期碳酸盐）-黏土矿物相带。

（4）百乌断裂内岩石胶结物致密，胶结物均为方解石和铁方解石，二者基本等量，因此，其胶结物类型属于方解石（早期碳酸盐）-铁方解石（晚期碳酸盐）相带。

（5）夏红北断裂内胶结物为铁白云石和微晶菱铁矿，二者体积比约为4∶1，因此，其胶结物类型属于铁白云石（晚期碳酸盐）-菱铁矿相带。

3　成岩阶段和序列的划分

3.1成岩阶段的划分

笔者在储层成岩作用研究的基础上，重点针对克夏断裂带内岩心样品进行岩石薄片观察和扫描电镜分析，并以石油行业标准［19］为依据，分析断裂带内胶结作用矿物类型和溶蚀作用特征，将5条一级断裂的成岩阶段分别划归早成岩阶段A期和B期与中成岩阶段A期和B期（图2）。

图2　克夏断裂带成岩阶段划分及主要标志Fig.2　Diagenetic stage and principal marks of Kexia fault zone

（1）钻遇克拉玛依断裂的古25井火成岩中的长石颗粒表面分布大量绿泥石和沸石（图版Ⅱ-1），通过对其分布形态的分析认为，应属于早期低温热液产物；钻遇该断裂的547井内的裂缝也主要被绿泥石和浊沸石胶结（图版Ⅰ-1）。说明该断裂处于早成岩阶段A期。

（2）对南白碱滩断裂内所有钻井样品分析显示，裂缝基本被亮晶方解石胶结（图版Ⅰ-2），并且在钻遇该断裂的534井内见大量伊/蒙混层矿物（图版Ⅱ-2），并可见方解石交代泥质杂基产生泥晶方解石的现象。说明该断裂处于早成岩阶段A期和B期。

（3）钻遇百口泉断裂的424井内裂缝基本被方解石胶结，可见少量铁方解石胶结物，423井内见黏土矿物充填裂缝（图版Ⅰ-3～Ⅰ-4），并在百乌12井内见片状伊利石（图版Ⅱ-3）。说明该断裂成岩阶段较晚，已处于早成岩阶段B期至中成岩阶段A期。

（4）百乌断裂内的裂缝基本被方解石和铁方解石胶结（图版Ⅰ-5～Ⅰ-6），并且在钻遇该断裂的百重7井内见长石向高岭石转化（图版Ⅱ-4）。说明该断裂已处于早成岩阶段B期至中成岩阶段A期。

（5）夏红北断裂内的裂缝基本被铁白云石和微晶菱铁矿胶结（图版Ⅰ-7～Ⅰ-8），钻遇该断裂的夏18井内见蠕虫状高岭石生成（图版Ⅱ-5），夏69井内见片状伊利石生成（图版Ⅱ-6）。说明该断裂所处成岩阶段最晚，已处于中成岩阶段A期和B期。

3.2成岩序列的划分

笔者在成岩阶段划分的基础上，以标志矿物的生成顺序为标准进一步研究了克夏断裂带成岩现象的先后序列。由于该断裂带上升盘为石炭系，所以有大量火山岩分布，在早期低温热液蚀变作用下［20］，火山岩中的基质、斑晶以及已形成的蚀变矿物进一步发生交代蚀变而形成绿泥石。火成岩导致的富含铁镁离子的热液不仅可提供绿泥石转变时所需的铁镁成分和碱性的水介质条件，其本身作为“绿泥石溶液”也可在孔、缝中沉淀结晶并形成绿泥石。绿泥石和浊沸石的产状和分布大体一致，说明浊沸石也是火成岩在成岩早期水化蚀变形成的特征矿物之一。早期地层水活动形成的方解石胶结物属于早成岩阶段的产物，之后在烃类活动形成的酸性地下水作用下，长石溶蚀并生成高岭石，在没有烃类活动的区域，伊/蒙混层矿物在碱性条件下伊利石比例不断增加，最终变成伊利石。晚期由于埋藏溶蚀作用产生的铁离子在强还原环境下可以进入碳酸钙和碳酸镁的晶格中，从而形成铁方解石和铁白云石［21］，说明铁碳酸盐形成于溶蚀作用之后，应为中成岩阶段的产物。以上分析表明，研究区成岩现象的先后序列为绿泥石、沸石→方解石胶结→溶蚀作用→高岭石→伊利石→铁碳酸盐胶结，且经历了胶结—溶蚀—再胶结的过程。

4　胶结作用的影响因素

克夏断裂带5条一级断裂的胶结物类型不同。胶结物类型由南向北的变化说明成岩作用阶段具有由早期趋向晚期的特点。这一特点应是受断裂活动历史以及流体活动期次的影响而形成。

从生长指数分析可以看出，克夏断裂带东南部的4条一级断裂活动高峰期由南向北逐渐提前：克拉玛依断裂南段侏罗纪时期活动强烈，中段和北段在中、晚三叠世出现活动强度高峰（北段活动时期略有提前），在中侏罗世晚期至晚侏罗世出现一个小的活动高峰；南白碱滩断裂与克拉玛依断裂中段和北段活动高峰期基本相同；百口泉断裂和百乌断裂活动强度高峰期相对较早，活动强度的峰值出现在三叠纪时期（表1）。

表1　克夏断裂带东南部4条一级断裂断层活动性分析Table 1　Fault activity analysis of 4 primary faults in Kexia fault zone

从断层古落差分析可以看出，夏红北断裂活动高峰期比东南部4条一级断裂更加提前，活动强度的峰值出现在中二叠世和晚二叠世，三叠纪之后活动强度逐渐减弱，早侏罗世八道湾期之后基本停止活动（表2）。

表2　夏红北断裂断层活动性分析Table 2　Fault activity analysis of Xiahongbei fault m

研究表明，克夏断裂带断层活动性具有由南向北活动高峰期逐渐提前的特点，而由北向南断裂胶结作用次序由晚期趋向早期的特点则与断层活动性特点密切相关。具体原因为：夏红北断裂活动强度高峰期最早，与烃源岩排烃期相配合［21］，烃类活动强烈，现今断裂内仍可见沥青残留，使地层水酸性增加，导致溶蚀作用加强，水-岩反应（例如脱玻作用）产生的铁质与乌夏地区广泛分布的云质岩形成晚期胶结物——铁白云石；百口泉断裂和百乌断裂由于活动强度高峰期也较早，由断层上盘石炭系火成岩溶蚀产生的铁离子在强还原环境下进入早期胶结物（CaCO3）的晶格中而生成的晚期胶结物——铁方解石胶结物；南白碱滩断裂活动高峰期相对较晚，烃类活动较弱，导致断裂内胶结物主要为早期地层水活动形成的方解石；克拉玛依断裂活动高峰期最晚，基本没有烃类活动，导致溶蚀作用极弱，早期火山岩蚀变产生的绿泥石和浊沸石胶结物得以保留。

5　胶结封闭作用对油气藏分布的影响

对断裂带内岩心方解石脉中包裹体分析结果显示，克夏断裂带大致经历了3期流体活动。烃类包裹体有3期，对应的均一温度分别为40～70℃，70～100℃和100～130℃。盐水包裹体有2期，对应的均一温度分别为40～70℃和70～110℃。根据张义杰［22］的埋藏—热演化史研究成果，可以确定第Ⅰ期流体活动的时间为晚二叠世—早三叠世（距今230～240 Ma），第Ⅱ期流体活动的时间为晚三叠世—早侏罗世（距今200～220 Ma），第Ⅲ期流体活动的时间为晚侏罗世—早白垩世（距今125～150 Ma）（参见图1）。对方解石内包裹体的分析表明，克夏断裂带内的方解石形成于第Ⅰ期和第Ⅱ期流体活动时期，与第Ⅲ期流体活动关系较小。

结合断裂活动史的分析结果认为：①夏红北断裂在二叠纪晚期最早开始活动，与乌夏地区烃源岩排烃期相适应，因此在活动期对油气起到了良好的输导作用，现今仍可见沥青残留。由于烃类活动，溶蚀作用较强，早期胶结物基本未保留，之后断层活动减弱，后期胶结作用使断层逐渐封闭，导致现今夏红北断裂内成岩作用阶段趋于晚期，并且断层上盘和下盘都有油气藏分布。②百口泉断裂与百乌断裂活动期相近，活动高峰期为三叠纪，地下水活动较强而烃类运移较弱，导致溶蚀作用相对较弱，早期方解石胶结物得以部分或大部分保留，表现为现今断裂内胶结物为方解石和铁方解石，这使得该断层比夏红北断层封闭早，断层活动期对油气输导作用较弱，现今油气主要分布于被断层遮挡的下盘三叠系地层中，而上盘油气藏分布较少。③南白碱滩断裂与克拉玛依断裂相似，活动高峰期较晚，为晚三叠世—侏罗纪，断裂内以地下水活动为主，基本未发生溶蚀作用，胶结作用强烈，使断层早期封闭。④南白碱滩断裂内胶结物为地层水活动的产物——方解石，克拉玛依断裂内早期火山岩蚀变产物——绿泥石和浊沸石胶结物得以保留，所以这2条断裂对油气起封堵作用，现今油气主要分布于被断层遮挡的下盘三叠系和侏罗系早期地层中，而上盘基本无油气藏分布。

6　结论

（1）克夏断裂带的5条一级断裂成岩胶结物类型不同，由南向北依次为克拉玛依断裂的绿泥石和浊沸石、南白碱滩断裂的方解石（早期碳酸盐）、百口泉断裂的方解石（早期碳酸盐）和黏土矿物、百乌断裂的方解石（早期碳酸盐）和铁方解石（晚期碳酸盐）以及夏红北断裂的铁白云石（晚期碳酸盐）和菱铁矿。

（2）克夏断裂带内成岩现象的先后成岩序列为绿泥石和沸石→方解石胶结→溶蚀作用→高岭石→伊利石→铁碳酸盐胶结，且经历了胶结—溶蚀—再胶结的过程。5条一级断裂由南向北成岩作用阶段具有由早期趋向晚期的特点，这一特点是受断裂活动期由南向北逐渐提前，而导致断裂带内流体活动期次不同的影响而形成。

（3）克夏断裂带大致经历了3期流体活动，每个一级断裂的流体活动类型和期次存在差异，从而导致断裂胶结封闭作用各不相同，进而影响油气藏的分布。夏红北断裂先输导后封闭，断层上盘和下盘都有油气藏分布；百口泉断裂与百乌断裂输导作用较弱，油气藏主要分布于被断层遮挡的下盘三叠系地层中，而上盘油气藏分布较少；南白碱滩断裂与克拉玛依断裂以封闭作用为主，油气藏主要分布于被断层遮挡的下盘三叠系和侏罗系早期地层中，而上盘基本无油气藏分布。

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图版Ⅰ

图版Ⅱ

（本文编辑：郭言青）

Cemented sealing in Kexia fault zone in northwestern margin of Junggar Basin

Cui Dian
（Geology Scientific Research Institute，Sinopec Shengli Oilfield Company，Dongying 257000，Shandong，China）

Kexia fault zone is a sublevel structural unit in northwestern margin of Junggar Basin.In the region from south to north，there are 5 major primary faults including Karamay fault，Nanbaijiantan fault，Baikouquan fault，Baiwu fault and Xiahongbei fault and many associated subsidiary faults.Based on the selected wells drilled cross fracture，combined with petrographic thin section and SEM analysis on the core sampling，it is found that the cement in the 5 primary faults are obviously different.From south to north，there are chlorite and laumontite，calcite，calcite and clay minerals，calcite and ferrocalcite，ankerite and siderite respectively in the 5 primary faults.It shows that from south to north diagenesis stage in Kexia fault zone tend to be late，which shows that Kexia fault zone experienced a process of cementation-denudationcementation.Combined with the analysis of fault activity and homogenization temperature test of fluid inclusions，it is considered that this is the result of differences of geofluid activity influenced by gradual advance of the fault activities. Cemented sealing of different faults and differences of geofluid activity can further affect the oil and gas distribution.

fault sealing；cementation；Kexia fault zone；Junggar Basin

P542.31

A

1673-8926（2015）06-0048-07

2015-07-11；

2015-09-17

国家油气重大专项“准噶尔前陆盆地油气富集规律与勘探目标优选”（编号：2011ZX05003-005）资助

崔殿（1982-），男，博士，工程师，主要从事石油地质方面的研究工作。地址：（257000）山东省东营市聊城路2号中国石化胜利油田分公司。E-mail：cuidian.slyt@sinopec.com。