塔里木盆地古城低凸起古—中生界构造演化特征与油气成藏关系

李 昂，鞠林波，张丽艳

1.中国地质调查局沈阳地质调查中心，沈阳 110034 2.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163514

0 引言

塔东古城低凸起地处满加尔生烃凹陷南缘，构造上处于塔中1号断裂带与车尔臣断裂交接的三角部位，具有良好的古构造发育背景与优质的储盖组合发育条件。2012年古城6井获得日产26.65×104m3高产工业气流之后，古城8井、古城9井又相继获得高产气流，揭示了古城地区奥陶系鹰山组白云岩储集层蕴含丰富的油气资源，具有广阔的勘探前景，也逐渐成为学者研究的重点。塔里木盆地多年勘探实践表明，断裂对储层的形成和成藏有着重要的控制作用。厉玉乐等[1]在2014年研究了古城地区的构造及演化特征，认为断裂对储层有建设性改造且沟通了下部烃源岩，油气勘探应避开南部碳酸盐岩强烈变形区。吴斌等[2]在2015年通过对本地区的断裂特征及成因机制研究后认为：断裂作为重要的油气通道，不仅控制油气垂向运移，也是热液流体的通道，利于白云岩化改善储层物性。前人虽然对本地区的断裂体系及特征做过相关研究，但多集中在古生代的寒武系—奥陶系，对中生代时期古生代断裂的再度活化还没有学者做深入研究，对油气成藏作用的影响尚未做系统分析。因此，本文以区内1 700 km2高精度三维地震资料为基础，以构造解析思想为指导，从分析断裂构造样式入手，深入剖析断裂的构造分期差异活动和发育分布特征，以期揭示不同时期断裂构造形成演化和发育分布的控制机理，对进一步提高塔东古城地区的勘探潜力及丰富断裂控烃理论提供理论指导。

1 地质概况

塔里木盆地古城低凸起处于塔东隆起、塔中隆起和满加尔凹陷构造转换的部位(图1)，是在寒武系—中奥陶统碳酸盐台地坡折带的基础上发育起来的呈向NW倾伏的鼻状低凸起，整体表现为NW倾向的大型宽缓鼻状构造。自下而上，研究区内发育古生界的寒武系、奥陶系、石炭系，中生界三叠系、白垩系，新生界古近系。由于在石炭系沉积之前，受塔中断裂带和阿尔金断裂剪切走滑双重作用影响，导致整个地区整体抬升遭受剥蚀，造成区内泥盆系、志留系整体缺失，石炭系高角度不整合覆盖于奥陶系之上，白垩系角度不整合覆盖于三叠系之上。勘探主要目的层是中下奥陶统的鹰山组,该地层分上下两段：上段岩性以泥晶-亮晶颗粒灰岩、藻黏结岩、颗粒泥晶灰岩为主，地层厚度一般为200～300 m，灰岩最大孔隙度2.00%，平均孔隙度0.77%，平均渗透率0.06 mD*mD(毫达西)为非法定计量单位，1 mD=0.987×10-3 μm2。，储层物性极差，是除了却尔却克组“黑背子”之外的又一套区域盖层；下段岩性以颗粒泥晶灰岩、白云质灰岩为主，并出现较多的白云岩，白云岩最大孔隙度4.65%，平均孔隙度1.21%，平均渗透率0.49 mD，白云岩储层是鹰山组气藏的主要储集体。

图1 古城低凸起构造位置图Fig.1 Regional structure location of Gucheng low uplift

2 隐蔽走滑断裂识别

本区断裂表现为较典型的走滑特征，断面产状一般上缓下陡，下部近乎垂直，垂向断距小，断面和地层倾向变化快，加上大沙漠区地震数据信噪比较低，造成走滑断裂特征不明显，常规方法不能有效识别，这给开展精细断裂解释和构造认识带来难题。目前提高复杂断裂识别精度的地球物理辅助解释方法主要有相干体、倾角体、曲率体等[3-5]。本文采用多窗口倾角扫描的方法，明显提高了走滑断裂的识别精度，为深化断裂特征识别和构造演化分析奠定了坚实基础。

通过与常规相干、倾角属性进行对比发现，当断层表现为明显的同相轴错断时，断层两侧地层没有挠曲形变，在相干体上可以清楚识别。比如NE向断层，当断面表现为小型挠曲和微幅度时，采用相干体和常规倾角属性可以基本确定一条主干走滑断层的走向，但是主干断层的具体位置不清楚；采用多窗口倾角扫描后，走滑断层带的整体轮廓，包括主干走滑断层、部分分支断裂都可以表现出来，整体改善了走滑断裂带的规则性，突出了主干断层和羽状断层的规则性，最重要的是发现了一组近NW向的共轭走滑断裂。在构造模式的指导下，基于多窗口倾角扫描数据体，充分结合其他不连续性检测方法相干属性、曲率等进行了断裂精细解释，为进一步深化本区断裂识别提供了有效依据(图2)。

3 断裂几何学特征及演化序列

3.1 断裂几何学特征

通过对古城三维区1 700 km2地震剖面的精细解释，根据盆地构造演化过程中表现出的不同动力学背景，将本地区划分为4大类、7小类的不同断层构造样式(图3)。

第一类是发育在下寒武统堑垒相间的张性正断层。这类断层向上一般终止于中上寒武统，向下断穿寒武系底部(图3)，总体以NE向和NW走向为主，最大水平断距一般为5～56 m，平均为21 m，最大垂向断距为8～70 m，平均为22 m，延伸长度有限，一般小于2 km，碳酸盐岩顶界面断裂平均密度达到0.22条/km2(图4)。各构造时期的断裂分布如图5。平面上整体呈现出“短、小、碎”的展布特征，主要集中在研究区西北部、西部和东南部。北部断裂多、密度大，以NE向走向为主，延伸长度较大；西部断裂密度中等，延伸长度小，NE向和NW向都有分布；东南部断裂密度小，延伸长度更小，NE向和NW向都有分布(图5a)。

a.灰岩顶面相干体属性；b.灰岩顶面常规倾角属性；c.多窗口倾角扫描属性。图2 多窗口倾角扫描与其他方法效果对比图Fig.2 Contrast map between multi-window dip scanning and other methods

图3 研究区内过南北剖面(D--D′)及断裂解释Fig.3 D-D′ seismic section and fault interpretation

第二类是贯穿寒武系—中下奥陶统的张扭性走滑断层。这类断层一般向下断穿寒武系底部、向上终止于上奥陶统的却尔却克组的底部，在剖面上主要发育张扭性负花状、正“Y”字形构造、反“Y”字形构造等几种构造样式(图3)；平面上基本都以NE向展布为主，最大水平断距一般为16～170 m，平均为58 m，最大垂向断距为25～227 m，平均为59 m，延伸较长，长度一般为3～7 km，碳酸盐岩顶界面断裂平均密度0.06条/km2(图4)。此类断层全区都有分布，呈现出张裂强度大、分布稀疏的特点，奠定了本区堑垒相间的构造格局(图5b)。

图4 不同构造时期断裂几何学特征 Fig.4 Fault geometry characteristics of different tectonic periods

a．早加里东期；b．中加里东期；c．晚加里东—早海西期；d．印支—燕山期。图5 古城三维区各构造时期断裂分布图Fig.5 Fault distribution of different tectonic periods in Gucheng area

第三类断层有两种。第一种是在第二类断裂基础上继承性发育的断层，向上一般终止于石炭系的底部，在上奥陶统却尔却克组内部表现形式为典型的压扭性正花状构造(图3)。此类断层全区分布局限，仅在工区的西南部和西部有发育，主要以NE向为主(图5c)；该类断裂走滑特征明显，在垂直于走滑断层走向的不同位置的地震剖面上，时而东倾，时而西倾，在同一条剖面上，走滑断层的下段和上端倾向发生改变，表现出明显的“丝带效应”。由于在走滑断层不同弯曲位置倾向走滑应力分量的差异，有的表现为挤压，呈现凸起逆断层形态，有的表现为拉张，呈现为正断层形态；同时，沿NWW向走滑断层的东西两翼，交替分布着垒堑相间的构造，表现出明显的“海豚效应”(图6)。第二种断层断面较陡近乎直立，一般向上终止于石炭系的底部，向下断穿寒武系底部，断距一般为2～30 m，延伸长度一般为4～8 km，主要集中在研究区的北部, 并在古城10井和古城7井附近出现了NE向和NW向共轭走滑的特征，在其下半支可以明显看出断裂的分段性及右行左阶特征，是较为典型的共轭走滑断层。在其西南部出现了一条明显的压扭性正花状构造带，NE向发育，挤压特征明显。

第四类断层一般向上终止于白垩系底面，向下断穿三叠系、石炭系底部。平面上主要发育在研究区的西北部、西南部和东南部(图5d)，以张扭性走滑正断层为主。剖面上由主干断裂向两侧发散，多个分支断层向深部收敛合并(图3)，断层特征不明显，最大水平断距一般为3～45 m，平均为21 m，最大垂向断距为6～49 m，平均为29 m，延伸长度一般为3～7 km，断裂平均密度0.17条/km2(图4)，以等长度的“羽状”排列为主。

平面位置见图5c。图6 海豚效应和丝带效应典型剖面Fig.6 Typical section of Dolphin effect and Ribbon effect

3.2 断裂变形序列

在对本地区断裂变形序列研究中，本文主要采用了构造变形时期、断裂垂直活动速率、典型剖面水平伸展率和断层生长指数的方法来综合判断断层的活动期次。

构造变形时期：在本次的研究目标区，除了寒武系发育的由于沉积差异作用形成的丘滩体之外，主要在上奥陶统的却尔却克组和石炭系底部接触面存在有高角度的不整合。由南往北，却尔却克组呈平行楔状终止于石炭系的底部，削截特征明显，缺失志留系、泥盆系，说明在石炭系沉积之前，古城地区遭受了较为强烈的一期抬升剥蚀，志留系、泥盆系被基本剥蚀干净，仅剩部分上奥陶统却尔却克组，而石炭系以上地层均呈平行整合接触。由此可以判断，在却尔却克组内部发现的正花状构造应该是在石炭系沉积之前形成的(图3)。

通过计算断裂垂直活动速率和断层生长指数，结合强活动时期的变形性质恢复了断裂的变形演化序列，分别选取了不同位置的典型剖面进行了分析。从断裂垂直活动速率、断层生长指数(图7、图8)综合分布来看：研究区断裂的多期活动特征比较明显，下寒武统断层生长指数略大于1.00，断层活动速率为1.43 m·Ma-1,断层活动强度较弱；中寒武统和上寒武统生长指数为1.00，断层活动速率为0 m·Ma-1,断层不活动；中下奥陶统断层生长指数陡然增大，达到1.21，断层活动剧烈，速率达到18.40 m·Ma-1，这期断裂活动奠定了本区堑垒相间的构造格局；在石炭系沉积之前，上奥陶统沉积时期，断裂继续活动，强度有所减弱，断层生长指数大于1.00，垂向活动速率较大，这期断裂是早期断裂持续活动的结果，本期断裂造成志留系、泥盆系的高角度翘倾并遭受大面积风化剥蚀；石炭系至三叠系断裂断距中等，延伸长度短，断层生长指数大于1.00，垂向活动速率减小，活动强度进一步减弱，产生了一系列羽状断裂带。

图7 断层垂直活动速Fig.7 Fault vertical activity rate

图8 断层生长指数Fig.8 Fault growth index

3.3 构造演化与形成机制

塔里木盆地是由不同时期不同类型单式盆地叠置形成的复合盆地,而塔东地区也经历了多期构造演化，具有明显的阶段性，与区域的地球动力学背景息息相关，综合认为古城低凸起构造演化主要经历4个主要时期，包括早—中寒武世、中—晚奥陶世、志留纪—泥盆纪、石炭纪—白垩纪。

早—中寒武世：该时期受周缘古天山洋、古昆仑洋和阿尔金洋拉张裂解的影响，塔里木盆地周边形成被动大陆边缘，整个塔里木板块及其周缘处于拉伸构造环境。古城地区在克拉通弱伸展背景下，形成了一系列以正断层为主的断裂体系，断层整体走向以NE向为主，但在局部也出现了“团块状”的小断裂密集发育带。在这些带之下的基底出现了疑似火山侵入的痕迹，资料[6]揭示在塔北隆起、塔中隆起、塔东隆起都有寒武系覆盖的新元古代—古元古代火成岩或变质岩，所以推测在寒武系沉积时期应该有过一次中等规模的火山侵入,寒武系断层可能是早期克拉通弱伸展背景和晚期火山侵入的联合作用下形成的。

中—晚奥陶世：古昆仑洋闭合，阿尔金洋俯冲消减。塔里木盆地东南部出现大面积抬升，断裂活动强烈，塔里木古板块开始从早期的伸展构造环境向挤压聚敛构造环境转换，古城地区这一时期处于构造较低部位，鼻状构造形态逐渐形成。此时的塔中Ⅰ号断裂反转为逆冲断裂，在西昆仑强烈压扭作用下，古城地区持续发育大量NE向断裂，呈SE—NW向展布，控制了后期的垒堑构造格局[7]。

志留纪—泥盆纪：此时期断裂表现出明显的分区特征，研究区南部由于接近阿尔金一车尔臣断裂带，受左行压扭持续影响，发育负花状构造，具有典型的走滑特征。该类断层在平面上与中奥陶统发育的断层是同一断层，是早期断裂持续活动的结果，具有继承性；而在北部地区则发育一系列NE向断面较陡近乎直立的走滑断裂，该断裂有共轭性质。在这个时期，受塔中断裂带和阿尔金断裂剪切走滑双重作用影响，古城塔东地区发生南北双向强烈对冲挤压，导致整个古城、塔东地区整体发生翘倾作用，古城地区遭受最大的一期抬升剥蚀，石炭系与前石炭系呈高角度不整合接触，志留纪—泥盆纪地层被剥蚀干净。古城低凸起构造在此时期也基本定型。

石炭纪—白垩纪：从早海西到印支—晚燕山期运动，区内构造变形作用较弱，接受连续稳定沉积，以平行整合接触关系为主。白垩纪早期进入造山后应力松弛阶段，发生区域性的构造伸展作用。石炭纪—白垩纪内发育了几组较大的右行左阶走滑断裂带，这类断裂在平面上呈羽状分布，纵向上发育于早期主干断层的末端，由主干断裂向两侧发散，多个分支断层向深部收敛，是具有明显张扭性质的正断层。通过与早期各期断裂叠合发现，其延展方向与晚加里东—早海西期的断裂走向基本一致，反映了晚加里东—早海西期断裂在此时期又发生了一次区域性走滑，并产生了羽状断裂带，这种现象与塔北哈拉哈塘白垩系的羽状断裂是一致的[8]。

4 构造控藏作用探讨

齐井顺等[9]认为，本地区经历两期油气成藏，晚加里东期以原油充注为主，喜山期天然气聚集成藏。

通过沥青包裹体、沥青-气烃包裹体、含沥青气烃包裹体、气烃包裹体分析，认为天然气主要来源于原油裂解。测井和岩心资料证实，在寒武系到奥陶系各主要含气层均发现有沥青存在。大面积的沥青分布说明早期古油藏在提供气源的同时，部分已经遭受破坏并散失，油气的充注时间和充注部位以及运聚过程与断裂活动及演化过程密切相关，因此有必要研究各构造演化时期断裂对油藏的控制作用，为落实油气富集区及下一步勘探方向奠定基础。本区的构造演化经历4个主要时期，早—中寒武世、中—晚奥陶世、志留纪—泥盆纪、石炭纪—白垩纪，各个时期所形成的断裂系统对成藏控制明显不同。

早—中寒武世发育大量正断层，这类断层断距小、纵横向延伸有限，而且是早于古油藏之前形成，因此对油藏运移和保存不起作用；中—晚奥陶世断层断穿寒武系，直接沟通下寒武统烃源岩和奥陶系鹰山组白云岩储层，所形成时间与古油藏属于同一时期，是沟通运移古油藏的重要通道；志留纪—泥盆纪断层形成于古油藏之后，所形成的断裂主要是NW向和NE向的一组共轭走滑断裂，这组断裂在区域挤压走滑的过程中对古油藏可能起着破坏作用；石炭纪—白垩纪断层是几组比较典型的“羽状断裂带”，是具备走滑特征的重要标志，特别值得指出的是，中—晚奥陶世在工区南部靠近阿尔金断裂带所形成的断层、北部断层以及志留纪—泥盆纪的共轭走滑断层在此时期进行了又一次走滑，其主要证据是这些断层在平面上与“羽状断裂带”的位置几乎完全一致，而且与塔北哈拉哈塘地区白垩系发育的羽状断裂的特征也是一致的，充分表明此次断裂活动是整个塔里木盆地区域性走滑的结果。为了说明此次构造活动对成藏控制作用，进行了目前已有钻井与断裂的水平距离统计，结果发现，古城6(日产气26×104m3)、古城8(日产气47×104m3)、古城9(日产气107×104m3)、古城12(差气层，低产)、古城7(差气层，低产)这几口钻探效果较好的井距离这期断裂都在3.0 km以上，而古城10、古城13、古城14、古城16钻探效果较差的井距离断裂都小于3.0 km(表1、图5d)，尤其是古城13和古城16井除在鹰山组有零星含气之外多发育水层，显示晚期排烃时充气能力不足且受断裂影响已大多散失,说明在石炭纪—白垩纪这期区域性的走滑断层对古油藏的破坏程度较大。

表1钻井与石炭纪—白垩纪断层距离统计表

Table1DistancesbetweendifferentwellsandfaultsofCarboniferousandCretaceous

井名储层含油气性/(104m3)距离/km古城6优质267．5古城7差差气层10．5古城8优质4712．0古城9优质1074．2古城12差差气层5．9古城10差差气层1．7古城13优质差气层、水层2．1古城14优质差气层、水层1．8古城16差干层0．9

古油藏形成之后的构造演化如图9。从中奥陶统顶面的构造演化来看：在成藏时期(志留系沉积之前)，构造高点处于研究区北部，北部最先形成古油藏(图9a)；在石炭系沉积前，构造高点转移至研究区西部，受前期NE向断层阻隔，古油藏后期由北部向西南调整(图9b)，受中西部滩间海相致密碳酸盐岩阻挡，东部颗粒滩相油气较难向西运移，东部颗粒滩相古油藏得以保留，该时期古油藏主要集中在东部颗粒滩相西部(图10)；在三叠系沉积前，构造高点向南转移，高点位于垒堑的中部，受早期NE向断裂封堵，古油藏在研究区内向古城16、6、9、12井一线区域高点聚拢(图9c)；在白垩系沉积前的定型期，构造高点转移至研究区东部，受早期NE向断裂封堵，古油藏由古城6、9、12井附近向东侧聚集(图9d)。由于东部台地边缘相致密灰岩阻挡油气东移，油气被阻隔在东部颗粒滩相带内(图10)；该区带内古油藏始终处于封闭状态，因此东部颗粒滩相带内有利储层始终具有比较可靠的聚气条件，加上中—晚奥陶世断裂的沟通作用和石炭纪—白垩纪的破坏作用。综合认为，目前的有利勘探区域应在中部垒、堑相间的构造高部位上，主要集中在古城9井以上地垒与两侧地堑的部分区域。

a．志留系沉积前灰岩顶面古构造图； b．石炭系沉积前灰岩顶面古构造图； c．三叠系沉积前灰岩顶面古构造图； d．白垩系沉积前灰岩顶面古构造图。时间厚度是地层的顶底界面的时间之差。图9 古油藏形成之后构造演化图Fig.9 Tectonic evolution after the formation of ancient reservoir

图10 古城三维区鹰三段沉积相图Fig.10 Sedimentary facies map of Ying 3 in Gucheng area

5 结论

1)多窗口倾角扫描技术对碳酸盐岩区隐蔽走滑断裂具有较强的识别能力，为本区断裂组合和构造识别起到关键作用。

2)古城地区主要发育7类不同的构造样式，包括张性正断层、张扭性负花状构造、正“Y”字形构造、反“Y”字形构造、压扭性正花状构造、近直立的共轭走滑断层及张扭性走滑正断层；平面上主要发育NW向、NE向和NNE向共3个方向的断裂。

3)古城低凸起构造演化主要经历4个主要时期，早—中寒武世、中—晚奥陶世、志留纪—泥盆纪、石炭纪—白垩纪。

4)有利勘探区域位于中部垒、堑相间的构造高部位上，应远离印支—燕山期断裂带3.0 km以上，主要集中在古城9井附近的地垒与两侧地堑的部分区域。

致谢:大庆油田勘探开发研究院与勘探事业部相关人员提供了大力支持,在此表示感谢。

[1] 厉玉乐,王显东,孙效东,等. 古城低凸起构造演化及有利勘探方向[J]. 大庆石油地质与开发,2014,33(5):97-102.

Li Yule, Wang Xiandong, Sun Xiaodong, et al. Structural Evolution and Favorable Exploration Direction for Gucheng Low Uplift [J]. Petroleum Geology and Oilfield Development in Daqing, 2014, 33(5):97-102.

[2] 吴斌,何登发,孙方源. 塔里木盆地古城低凸起下古生界的断裂特征及成因机制[J]. 天然气地球科学,2015, 26(5):871-879.

Wu Bin, He Dengfa, Sun Fangyuan. Fault Characteristic and Genetic Mechanism of the Lower Paleozoic in Gucheng Low Uplift [J]. Natural Gas Geoscience, 2015, 26(5):871-879.

[3] 苑书金. 地震相干体技术的研究综述[J]. 勘探地球物理进展,2007, 30(1):8-15.

Yuan Shujin. A Review of Seismic Coherence Techniques[J]. Progress in Exploration Geophysics, 2007, 30(1):8-15.

[4] 王世星. 高精度地震曲率体计算技术与应用[J].石油地球物理勘探,2012, 47(6):965-971.

Wang Shixing. High-Precision Calculation of Seismic Volumetric Curvature Attributes and Its Applications [J].Oil Geophysical Prospecting,2012, 47(6):965-971.

[5] 印兴耀,高京华,宗兆云. 基于离心窗倾角扫描的曲率属性提取[J]. 地球物理学报,2014, 57(10):3412-3421.

Yin Xingyao, Gao Jinghua, Zong Zhaoyun. Curvature Attribute Based on Dip Scan with Eccentric Window [J]. Chinese Journal of Geophisics,2014, 57(10):3412-3421.

[6] 陈斐然,张颖,徐祖新,等．全球前寒武—寒武系含油气盆地石油地质特征及成藏主控因素[J]．吉林大学学报(地球科学版), 2017,47(4):974-989.

Chen Feiran, Zhang Ying, Xu Zuxin, et al. Petroleum Geological Characteristics and Main Control Factors of Oil and Gas [J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2017, 47(4):974-989.

[7] 汤良杰,邱海峻,云露,等．塔里木盆地多期改造-晚期定型复合构造与油气战略选区[J]．吉林大学学报(地球科学版), 2014,44(1):1-14.

Tang Liangjie, Qiu Haijun, Yun Lu, et al. Poly-Phase Reform-Later-Stage Finalization Composite Tectonics and Strategic Area Selection of Oil and Gas Resources in Tarim Basin [J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2014,44(1):1-14.

[9] 孙东,杨丽莎,王宏斌,等. 塔里木盆地哈拉哈塘地区走滑断裂体系对奥陶系海相碳酸盐岩储层的控制作用[J]. 天然气地球科学,2015, 26(增刊1):80-87.

Sun Dong, Yang Lisha, Wang Hongbin, et al. Strike-Slip Fault System in Halahatang Area of Tarim Basin and Its Control on Reservoirs of Ordovician Marine Carbonate Rock[J]. Natural Gas Geoscience, 2015, 26(Sup.1):80-87.

[9] 齐井顺,郑兴平,黄世伟,等. 塔里木盆地古城低凸起鹰山组白云岩储集层特征及有利区预测[J]. 新疆石油地质, 2016, 37(1): 7-12.

Qi Jingshun, Zheng Xingping, Huang Shiwei, et al. Characteristics of Yingshan Dolomite Reservoir in Gucheng Low Swell of Tarim Basin with Favorable Area Prediction [J]. XinJiang Petroleum Geology, 2016, 37(1): 7-12.