塔中北坡走滑断裂成因机理与油气成藏

宁 飞，金之钧，张仲培，云金表1, 2,，张继标

(1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100083； 2.中国石化 石油勘探开发研究院 构造与沉积储层实验室，北京 100083； 3.中国石化 石油勘探开发研究院， 北京 100083)

大型走滑断裂多是由于板块之间斜向汇聚或碰撞作用形成的，而在陆内构造变形中，走滑断裂常发育在盆地边缘及边界构造带[1-2]。叠合盆地多经历了多期演化过程和复杂的构造应力场[3-4]，在盆地内部，由于扭动应力场作用，走滑断裂也普遍发育。由于走滑断裂倾向通常较陡，深层普遍切割基底，为烃类长距离垂向运移提供了良好通道。此外，无论是张扭作用还是压扭作用形成的走滑断裂，在发育过程中均会对断裂两盘围岩造成破坏，从而在断裂周围发育一系列走滑断裂所诱导的裂缝[5]，在一定程度上又改善了储层的质量，对油气成藏具有积极的贡献。早在2003年，随着在塔中隆起TZ16-TZ31井区获得了高品质的三维地震资料，首次揭示了塔中地区存在一定规模的走滑断裂[6]，并且走滑断裂可以一直向北延伸到顺托果勒低隆起，走滑断裂还对塔中隆起起到了东西分段的作用。近年来，塔中北坡顺南4井和顺南5井在奥陶系走滑断裂周围获得了高产气流，展示了走滑断裂带良好的勘探前景。国内许多学者对塔中北坡NE向走滑断裂的几何学特征[6-10]、运动学过程[8,11]及对油气成藏的意义[7-12]都做过深入探讨，但并没有对NE向走滑断裂的成因机理做过有意义的解释，这在一定程度上制约了断裂控储和断裂控藏的认识。不同成因机制的走滑断裂对储层改造的贡献有较大差异，因此，揭示走滑断裂的成因机理对进一步寻找优质储层、提高勘探可靠性以及降低勘探成本具有一定的实际意义。

1 区域地质概况

塔中北坡指的是塔里木盆地塔中隆起北部边缘断裂塔中Ⅰ号断裂带以北的斜坡，包括顺托果勒低隆起南部以及古城墟隆起大部分(图1)。构造整体上为一个倾向NW的斜坡，南部以塔中隆起北部边界塔中Ⅰ号断裂带为界。中-下奥陶统顶部存在明显的角度不整合面，志留系自塔中北坡坳陷区向东南部构造高部位上超，界面之下可见上奥陶统的顶削特点。走滑断裂平面上在顺托果勒低隆起范围内呈NE走向，往东在顺南缓坡内则发育NE向和NEE向两组走滑断裂，再往东到了古城墟隆起，走滑断裂走向则多以NEE向为主。南部自塔中隆起构造高点塔中Ⅱ号断裂带开始，向北切穿塔中Ⅰ号断裂带，继续向北呈线性延伸。断裂规模不同，多数走滑断裂走向上构造样式存在较大差异。

图1 塔中北斜坡构造纲要Fig.1 Structure outline of northern slope of Tazhong area①阿满2井断裂;②顺西2井断裂；③顺托1井断裂；④顺南3井断裂；⑤顺南1井断裂；⑥顺南4井断裂；⑦顺南2井断裂；⑧古隆1井断裂

受加里东早期运动的影响，塔中地区处于碳酸盐岩台地沉积背景，加里东中期 Ⅰ 幕运动使盆地内部发生了强烈的构造变形[13-14]，此时塔中北坡处于加里东中期古隆起斜坡部位。奥陶系在塔中隆起区和塔中北坡存在差异，台地相区发育良里塔格组之上大套碎屑岩地层为桑坦木组，而在塔中北坡良里塔格组沉积期相变为泥岩(表1)，恰尔巴克组之上大套碎屑岩沉积地层为却尔却克组，岩性为巨厚灰色-深灰色泥岩、粉砂质泥岩、灰质泥岩夹灰色粉砂岩和褐色泥灰岩。一系列NE走向的走滑断裂将塔中北坡下古生界切割成条块状。

2 断裂几何学特征

平面上，塔中北坡自西向东发育8条NE走向的走滑断裂，一系列NE走向的走滑断裂呈近平行展布。断裂规模和级别存在较大差异，规模最大的走滑断裂延伸大于20 km，如顺托1井断裂带。单条走滑断裂在平面上也存在多种样式(图2)，沿层相干体切片上走滑断裂展现出了简单平移、雁列组合以及帚状断裂的次级断裂组合。简单平移样式在塔中北坡走滑断裂分布较广泛，断裂在平面上没有分叉，表现为单一的断裂，往深层多切割基底，此类断裂宽度较窄，对周围岩层变形影响较小。雁列组合样式是走滑断裂常见的平面识别标志，在塔中北坡主要走滑断裂上都有所体现。该类断裂是在走滑断裂两盘活动时，围岩受到了扭动应力场的作用，在主走滑断裂两侧呈透入性分布。雁列组合对走滑断裂两侧岩层影响较大，对储层具有很好的改造作用。同雁列组合类似，帚状断裂也会诱导裂缝发育，因此也会对储层改造具有积极意义。不同的是，帚状断裂多发育在走滑断裂末端，且仅在走滑断裂活动盘发育。

剖面上，走滑断裂呈现3种构造样式，根据其发育的应力环境及剖面样式，分为紧闭平移型、压扭上拱型和拉分下凹型3类(图3)。3种类型的走滑断裂都呈现应变相对较小的特点，表现为断层倾角较陡，断距小，且纵向上切割地层较厚的特点。但是单条走滑断层在走向上存在分段性，同一条走滑断裂在断裂连接处与叠加区，应变较大[2]。在拉分叠加区，表现为正断层或小型张破裂发育，在平移段则以断层两盘相对滑动为主；在挤压连接处，表现为局部压扭、逆冲或小型剪切破裂密集发育；而在断裂尾端，则经常发育有向外发散的呈帚状的断裂三角区，破裂相对发育。

表1 塔中地区奥陶系划分

注：表格中竖线代表地层缺失。

图2 塔中北斜坡沿上奥陶统顶面层相干体切片及走滑断裂平面样式(切片位置见图1)Fig.2 Coherence slice along the top of upper Ordovician showing planar style of strike-slip faults in northern slope of Tazhong area(see Fig.1 for the location)

图3 塔中北斜坡走滑断裂剖面构造样式Fig.3 Structural styles of strike-slip faults in northern slope of Tazhong areaa.紧闭平移样式；b.压扭上拱样式；c.拉分下凹样式Z.震旦系;1-2.中-下寒武统； 3.上寒武统；O1-2.中-下奥陶统；O3.上奥陶统

图4 塔中北斜坡顺南2井走滑断裂分段性平面和剖面图Fig.4 Planar and section maps of segmentation of well Shunnan 2 strike-slip faultin Tazhong areaa.分段性剖面图；b.分段性平面图Z.震旦系；1-2.中-下寒武统；3.上寒武统；O1-2.中-下奥陶统；O3.上奥陶统；D3-2.下泥盆统东河塘组；C.石炭系

3 断裂运动学过程

前人对塔中及邻区构造演化研究[7-8,11]，认为中奥陶世末塔里木盆地碳酸盐岩台地是一次非常重要的抬升时期，也是塔中地区开始隆起形成雏形的重要时期。NW走向的塔中Ⅰ号断裂带自中奥陶世末开始活动，直到晚奥陶世早期，塔中Ⅰ号断裂带均为主要的活动断裂。受塔中Ⅰ号断裂活动的影响，塔中北坡必然受到来自塔中隆起的推挤作用，从现今塔中Ⅰ号断裂带的走向变化及活动强度的差异分析，其有明显的分段性，且各段在断层活动时，强度不同，对北坡产生的推挤作用力也会有差异，从而可能会形成NE向的协调断层。NW向断裂控制了塔中隆起开始形成时的构造格局，从而使塔中隆起带碳酸盐岩台地由早期的缓坡-镶边缓坡型台地结构演化为礁滩型孤立台地。从图4顺南2井断裂带剖面样式可以看到，D3d-S/O3之间存在明显的不整合面。此外，由于在晚奥陶世塔里木盆地南缘北昆仑洋最终关闭，盆地南缘处于持续收缩的挤压构造环境，塔南-塔中地区在晚奥陶世末期发生强烈的冲断挤压，且地震剖面显示NE向走滑断裂最大活动断距发生在上奥陶统内(图3)。以上诸多证据可推断该走滑断裂主要活动时间范围为晚奥陶世持续到晚志留世，为加里东晚期—海西早期运动的结果。

表2 塔中北斜坡顺南2井断裂拉分距离和垂直断距统计Table 2 Pull-apart distance and fault throw of well Shunnan-2 strike-slip fault in Tazhong area

注：拉分宽度中，负值代表挤压；垂直断距中，负值代表逆断距的双程时间。

4 成因机理

构造物理模拟方法是研究断裂演化过程与成因机制强有力的手段，并有过诸多成功经验[1,15-16]。在对塔中北坡走滑断裂几何学分析的基础上，设计了一组物理模拟实验，再现走滑断裂形成的运动学过程，从而明确控制走滑断裂发育的主要因素，对揭示走滑断裂分段性及成因机理做出合理的解释。

4.1 模型设计

根据塔中北坡的构造演化背景以及边界基底条件，设计了图5所示实验装置，实验在中国石化勘探开发研究院构造与沉积储层实验室3D物理模拟综合实验仪上进行。实验仪器中，砂箱尺寸为长55 cm,宽30 cm,高40 cm，砂箱一侧固定，另一侧连接马达，以2.3×10-5m/s的速度匀速运动，最大挤压位移量为5.5 cm。实验材料选用粒径为0.2～0.3 mm的松散石英砂，其内摩擦角为29°～32°，内聚力接近零，砂层厚度设定为5 cm，不同颜色的石英砂只为区分不同地层界线，其物理性质相同。从航磁异常等值线图上可以看到[14]，塔里木盆地中央隆起区东部存在一定规模的NE走向的基底断裂。基于此，在模型底部平行放置3块聚苯泡沫，用来模拟基底断裂。移动挡板一侧放置楔形泡沫，可实现在移动板推挤过程中对3块基底泡沫逐步施力，从而达到基底左行走滑的运动状态。

4.2 实验现象

从实验中可以看到(图6)，在左行剪切力偶状态下，雁列组合、简单平移和帚状断裂3种样式在砂层表面均有体现。随着挤压位移量的增加，断裂两盘错动更加明显，剖面上可以看到发育有压扭上拱、紧闭平移和拉分下凹3种样式(图6)。边界断裂的分段性导致向北差异推挤是NE向走滑断层形成的控制因素，NE向走滑断层左行剪切，形成了雁行断裂。对运动5.5 cm后的左行剪切实验模型进行了加水切片，切片位置及剖面样式如图6。走滑断层在在B-B′剖面上表现为近直立的断层，在A-A′剖面上则有半花状构造样式发育，在基底剪切应力影响下，上覆层局部受到剪张作用形成局部构造低点(图6中C-C′剖面阴影部分)，上覆地层局部地区受到压扭作用，地层上拱形成局部构造，如剖面A-A′。

图5 物理模拟实验装置示意图Fig.5 Schematic map of apparatus of physical analogue model

图6 物理模拟实验结果解释Fig.6 Interpretation of physical analogue experimenta.平面实验结果；b—d.剖面切片实验结果

4.3 讨论

通过对塔中北坡断裂几何学样式解析，区域构造演化历史分析结合砂箱物理模拟实验结果，认识到塔中北坡发育一系列NE向左行走滑断裂并至少两期活动的控制因素可能与两种地质作用有密切关系。

首先，由于库地洋在中奥陶世俯冲消亡，中昆仑地体与塔里木板块碰撞，使克拉通内挠曲隆升形成塔中前缘隆起带[17]。塔中隆起大致在加里东中期(主要集中在中奥陶世末)初步发育和形成[18-20]，北部以塔中Ⅰ号断裂带为界，同时也是塔中北坡的南部边界。由于塔中Ⅰ号断裂带存在分段性，致使塔中隆起这一块体对塔中北坡地层形成强度差异的推挤作用。东段明显比中段要强，表现为断距较大，越往西北段，断裂活动强度有明显减小的趋势。因此，差异推挤作用会导致在Ⅰ号断裂带的附近形成垂直于Ⅰ号断裂带走向的NE向走滑断层，起到协调作用。

5 油气地质意义

走滑断裂在活动过程中对其两侧围岩产生影响，从物理模拟试验所揭示的走滑断裂成因机制来看，同一次构造运动导致的断裂发育沿走向可能表现为不同的构造样式，且对裂缝性储层改造程度不同。走滑拉分段和压扭上拱段对围岩的影响范围较大，这两种剖面样式所诱导的裂缝产状多以高角度为主，规模相对大。通过对塔中北坡取心井奥陶系鹰山组岩心观察，走滑断列所诱导的裂缝发育具有明显的规律，受局部构造应力场控制的构造缝在塔中北坡普遍发育，裂缝走向以NE或NEE向为主，与走滑断裂走向基本一致。

图7 塔中北坡油气成藏模式Fig.7 Schematic plot of hydrocarbon accumulation model in northern slope of Tazhong areaAnZ.前震旦系；Z.震旦系；1y.下寒武统玉尔吐斯组；1-2.中-下寒武统；3.上寒武统；O1p.下奥陶统蓬莱坝组；O1-2y.中-下奥陶统鹰山组；O2yj.中奥陶统一间房组；O3q.上奥陶统恰尔巴克组；D3d.下泥盆统东河塘组；C.石炭系

通过岩心资料统计分析，裂缝倾向普遍为高角度构造缝。裂缝和走滑断裂构成了塔中北坡立体的输导体系，得深部流体向上运移提供了便利。从岩心上可以看到，多数岩心被裂缝切穿，且常见多块岩心发育同一条裂缝，可明确识别裂缝长度大于1 m。裂缝的长度和宽度影响着裂缝的储集性和渗流能力，裂缝越长越宽便更容易储集油气，并将各储集空间串联起来，从而形成立体的裂缝渗流网络，构成良好的油气储集空间及运移通道(图7)。

塔中北坡从加里东早期的碳酸盐岩台地演变到加里东中晚期—海西早期的构造-沉积复合斜坡，是满加尔坳陷优质烃源岩向高部位运移的必经之路，优质的裂缝渗流网络为运移提供了便利。中、新生代塔中北坡又经历多期整体构造变动，后期改造弱。除此以外，上奥陶统却尔却克组泥岩在塔中北坡厚度大，是优质的盖层，且封闭能力形成早，因此塔中北坡具有优越的油气保存条件。垂直走滑断裂在晚期的活动可能为油气在古生界多个层系的成藏和调整聚集提供了条件(图7)。顺南地区在奥陶系鹰山组、一间房组、志留系和二叠系均发现油气层，反映了塔中北坡存在多层油气成藏的现象。

6 结论

1) 塔中北坡走滑断裂在平面上具有简单平移、雁列组合以及帚状断裂样式，剖面上根据走滑断裂形成的应力状态可分为拉分下凹、压扭上拱和紧闭平移3种构造样式，反映了走滑断裂丰富的几何学特征。

2) 物理模拟揭示了塔中北坡走滑断裂的成因机理，即由于塔中Ⅰ号断裂带的分段性导致的差异推挤以及基底断裂活动造成的基底剪切共同作用下，在单一左行力偶状态下形成的。

3) NE走滑断裂分段性对裂缝性储层改造具有差异性，所诱导的裂缝以高角度构造缝为主，一方面沟通了油气储集空间，另一方面，走滑断裂的活动还为塔中北坡多层系立体成藏提供了便利。

[1] Mcclay K R,Dooley T.Analogue models of pull-apart basins.[J].Geology,1995,23(8):711-714.

[2] Rocchi S,Storti F,Vincenzo G D,et al.Intraplate strike-slip tectonics as an alternative to mantle plume activity for the Cenozoic rift magmatism in the Ross Sea region,Antarctica [J].Geological Society London Special Publications,2003,210(1):145-158.

[3] 金之钧.中国典型叠合盆地及其油气成藏研究新进展(之一)—叠合盆地划分与研究方法[J].石油与天然气地质,2005,26(5):553-562.

Jin ZhiJun.New advancement in research of China’s typical superimposed basins and reservoiring(Part I):Classification and research methods of superimposed basins [J].Oil & Gas Geology,2005,26(5):553-562.

[4] 汤良杰,黄太柱,金文正,等.叠合盆地差异构造变形与油气聚集[J].地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学),2009,16(4):013-022.

Tang Liangjie,Huang Taizhu,Jin Wenzheng,et al.Differential deformation and hydrocarbon accumulation in the superimposed basins [J].Eartth Science Frontiers,2009,16(4):13-22.

[5] Peacock D.C.P.Displacements and segment linkage in strike-slip fault zones [J].Journal of Structural Geology,1991,13(9):1025-1035.

[6] 李明杰,胡少华,王庆果,等.塔中地区走滑断裂体系的发现及其地质意义[J].石油地球物理勘探,2006,41(1):116-121.

Li Mingjie,Hu Shaohua,Wang Qingguo,et al.Discovery of strike-slip fault system in Tazhong area and geologic meaning[J].Oil Geophysical Prospecting,2006,41(1):116-121.

[7] 张承泽,于红枫,张海祖,等.塔中地区走滑断裂特征、成因及地质意义[J].西南石油大学学报(自然科学版),2008,30(5):22-26,14.

Zhang Chengze,Yu Hongfeng,Zhang Haizu,et al.Characteristic,genesis and geologic meaning of strike-slip fault system in Tazhong area [J].Journal of Southwest Petroleum University :Science & Technology Edition,2008,30(5):22-26,14.

[8] 杨圣彬,刘军,李慧莉,等.塔中北围斜区北东向走滑断裂特征及其控油作用[J].石油与天然气地质,2013,34(6):797-802.

Yang Shengbin,Liu Jun,Li Huili,et al.Characteristics of the NE-trending strike-slip fault system and its control on oil accumulation in north peri-cline area of the Tazhong paleouplift [J].Oil & Gas Geo-logy,2013,34(6):797-802.

[9] 黄太柱.塔里木盆地塔中北坡构造解析与油气勘探方向[J].石油实验地质,2014,36(3):257-267.

Huang Taizhu.Structural interpretation and petroleum exploration targets in northern slope of middle Tarim Basin [J].Petroleum Geology & Experiment,2014,36(3):257-267.

[10] 甄素静,汤良杰,李宗杰,等.塔中北坡顺南地区走滑断裂样式、变形机理即石油地质意义[J].天然气地球科学,2015,26(12):2315-2323.

Zhen Sujing,Tang Liangjie,Li Zongjie,et al.The characteristic,formation and petroleum significance of the strike-slip fault system in Shunnan area,northern slope of Tazhogn uplift [J].Nature Gas Geoscience,2015,26(12):2315-2323.

[11] 邬光辉,杨海军,屈泰来,等.塔里木盆地塔中隆起断裂系统特征及其对海相碳酸盐岩油气的控制作用[J].岩石学报,2012,28(3):793-805.

Wu Guanghui,Yang Haijun,Qu Tailai,et al.The fault system characteristics and its controlling roles on marine carbonate hydrocarbon in the Central Uplift,Tarim Basin [J].Acta Petrologica Sinaca,2012,28(3):793-805.

[12] 兰晓东,吕修祥,朱炎铭,等.走滑断裂与盖层复合成藏模式—以塔中东部中古51井区鹰山组为例[J].石油与天然气地质,2014,35(1):107-115.

Lan Xiaodong,Lv Xiuxiang,Zhu Yanming,et al.Hydrocarbon accumulation pattern jointly controlled by strike-slip faults and cap rocks:A case from Yingshan Formation in well ZG-51 block of eastern Tazhong area,Tarim Basin [J].Oil & Gas Geology,2014,35(1):107-115.

[13] 李传新,贾承造,李本亮,等.塔里木盆地塔中低凸起北斜坡古生代断裂展布与构造演化[J].地质学报,2009,83(8):1065-1073.

Li Chuanxin,Jia Chengzao,Li Benliang,et al.Distribution and tectonic evolution of the paleozoic fault system,the North Slope of Tazhong Uplift,Tarim Basin[J].Acta Geologica Sinica,2009,83(8):1065-1073.

[14] 李曰俊,吴根耀,孟庆龙,等.塔里木盆地中央地区的断裂系统：几何学、运动学和动力学背景[J].地质科学,2008,43(1)：82-118.

Li Yuejun,Wu Genyao,Meng Qinglong,et al.Fault systems in central area of the Tarim Basin:geometry,kinematics and dynamic settings [J].Chinese Journal of Geology(Scientia Geologica Sinica),2008,43(1)：82-118.

[15] McClay K R,White M.Analogue modelling of orthogonal and oblique rifting [J].Marine and Petroleum Geology,1995,12(2):137-151.

[16] Klinkmuller M,Schreurs G,Rosenau M,et al.Properties of granular analogue model materials:A community wide survey [J].Tectonophysics,2016,684:23-38.

[17] 李本亮,管树巍,李传新,等.塔里木盆地塔中低凸起古构造演化与变形特征[J].地质论评,2009,55(44):521-530．

Li Benliang,GuanShuwei,Li Chuanxin,et al.Paleo-tectonic evolution and deformation features of the lower uplift in the central Tarim Basin[J].Geological Review,2009,55(44):521-530.

[18] 张振生,李明杰,刘社平.塔中低凸起的形成和演化[J].石油勘探与开发,2002,29(1):28-31.

Zhang Zhensheng,Li Mingjie,Liu Sheping.Generation and evolution of Tazhong low uplift [J].Petroleum Exploration and Development,2002,29(1):28-31.

[19] 余一欣,黄太柱,汤良杰,等.塔里木盆地塔中低凸起内部构造变形特征[J].现代地质，2010,24(6):1029-1034.

Yu Yixin,Huang Taizhu,Tang Liangjie,et al.Internal structural deformation of the Tazhong lower uplift,Tarim Basin[J].Geoscience,24(6):1029-1034.

[20] 管树巍,杨海军,韩剑发,等.塔中低凸起的构造属性和解释方法[J].石油与天然气地质,2011,32(54):77-786.

Guan Shuwei,Yang Haijun,Han Jianfa,et al.Structural properties and interpretation methods of the Tazhong Low Salient[J].Oil & Gas Geology,2011,32(54),777-786.