渤海海域隐性走滑断层形成机理、识别方法与控藏作用*

2019-11-27牛成民薛永安黄江波王孝辕李正宇

中国海上油气 2019年6期

牛成民薛永安黄江波郭涛王孝辕李正宇

(中海石油(中国)有限公司天津分公司天津 300459)

郯庐走滑断裂带贯穿整个渤海海域，是渤海油田最为重要的油气富集带[1-8]。多年的油气勘探表明，走滑断裂带附近发育各种类型的油气藏，约占渤海已发现油田的70%。渤海海域走滑断裂的研究始于20世纪90年代，在形成机理、识别标志及对油气成藏控制作用方面取得了重要成果，获得了规模性商业发现，但这些成果都是基于地震资料能够清晰识别、具有典型走滑特征的断裂之上，称之为“显性”走滑断裂。在渤海海域多年的勘探实践中，也发现了这样一类断层，它与显性走滑相伴生，不易识别，但对圈闭的形成、油气的运聚具有明显的控制作用，因此与显性走滑相对应，可称之为“隐性”走滑断层。隐性走滑断层的发现和研究是建立在渤海海域郯庐断裂带长期勘探实践的基础之上，不同于常规走滑断层，它是区域与局部应力场、基底断裂活动及潜山块体扭动影响下在沉积盆地盖层中产生的具有不同成因及规模的断裂趋势带，大部分属于深走滑断裂的伴生构造，具有较强的隐蔽性[9-12]。

渤海海域隐性走滑实例众多，在局部区域也做过相关研究，但海域范围内关于隐性走滑整体性研究较少，对隐性走滑成因机理、识别技术及控藏作用缺乏系统的阐述。笔者依托渤海海域新连片处理三维地震资料，运用走滑断层相关构造理论，对海域走滑断裂带及其派生断层的几何学、运动学特征进行研究，分析渤海海域隐性走滑断层的形成机理和控制因素，并对现有的隐性走滑构造样式进行分类，以期进一步明确隐性走滑的地质意义及控藏作用。

1 形成机理

1.1 多期次的构造运动

郯庐断裂带作为中国东部最重要的深大断裂，自其形成以来历经多期次构造运动[13-14]。早白垩世，郯庐断裂带发育于伊泽纳崎板块向东亚大陆斜向高速俯冲背景下，发生大规模左行走滑运动，在渤海海域古潜山依然保留该时期走滑运动证据，即走滑断层在潜山内幕位移量大，向浅部活动性逐渐减弱，在沉积盖层形成“隐性”走滑破裂。晚白垩世至渐新世，西太平洋板块向东亚大陆斜向俯冲转变为正向俯冲，中国东部岩石圈形成弧后扩张体系，使得郯庐断裂带左行走滑运动向东西向伸展运动转变，以辽东湾地区最为典型，先存走滑断层在近东西向伸展应力作用下转变为控凹边界断层，同时也掩盖了走滑断层的典型几何学和运动学特征，“隐性”特征凸显，识别难度增加。古近纪中晚期，西太平洋的弧后扩张和印度板块向北碰撞中的构造挤出作用产生的区域动力使得郯庐断裂带发生挤压兼右行走滑活动，该时期走滑位移量相对较小，主要表现为沿剪切方向的扭动作用，黄河口凹陷隐性走滑断层表现为雁列化的小规模正断层组合，控制了晚期河流水系和砂体的分布。

1.2 剪切应力背景

郯庐断裂带贯穿渤海湾盆地，自中生代形成以来控制着渤海湾盆地的构造变形。郯庐断裂带的剪切活动为隐性走滑断层的产生提供了先决条件。郯庐断裂带在渤海海域可分为3段[15]，每段特征不尽相同，构造特征差异性决定了隐性走滑断层的密度、活动强度和识别难度。在辽东湾段，郯庐断裂带走向主要为北北东向，以深大断裂为主，走滑断层均为新生代早期活跃，晚期活动减弱或停止，走滑派生断层和隐性走滑断层在浅部地层难以发育；在渤东段，郯庐断裂带走向发生偏折，且持续活动特征显著，受古近纪以来的强走滑剪切作用影响，新近纪次级断层均呈雁列化定向排列，这是隐性走滑断层发育的重要特征；在渤南段，郯庐断裂带具有晚断晚衰特征，分为东、中、西三支，东强西弱，西支以扭动作用为主，隐性走滑断层呈单支发育，与主走滑断层形成“继承”和“接力”的关系(图1)。

1.3 正断层末端走滑牵引

岩石圈底部的热作用和板块边界作用传递到板块内部的区域挤压作用是两个相对独立而又相关的动力系统，导致渤海地区发育新生代伸展构造和走滑构造两个相对独立而又相关的构造系统[16-17]。始新世，地幔底辟构造动力强烈，渤海海域裂陷伸展作用占主导地位，发育大型东西走向伸展断裂。渐新世后，地幔底辟作用相对减弱，渤海海域走滑作用规模逐渐扩大，通过利用和改造先存伸展断层面，形成了伸展和走滑构造系统相互叠加的构造样式。构造分析表明，大型伸展断层由于中间位移量大与末端位移量小而出现局部走滑作用，这一特征在弧形伸展断层或在伸展断层之间出现转换断层时更为明显。在局部小走滑和郯庐走滑断裂带控制下，伸展断层在与走滑断层相交位置出现端点被走滑作用“拖拽”现象，表现为伸展断层末端走向与走滑断层走向趋同，甚至与走滑断层软连接。分析认为，伸展应力向走滑剪切应力过渡转换，导致主走滑断层剪切作用范围向两侧扩大，为隐性走滑断层发育提供了必要条件。

图1 渤海海域构造纲要图

2 类型划分

隐性走滑断层是主走滑断裂派生的调节走滑断层，尽管活动强度弱，但仍具有典型走滑断裂特征，如发育位置、产状特征、控制派生伸展断裂、断裂两侧地震反射特征差异明显等。根据现今发现并证实的隐性走滑断层发育位置及成因，可将渤海海域隐性走滑断层划分为3大类5小类(图2)。

2.1 盆缘调节型

主要发育在盆地或断陷边界，与主走滑或边界断层紧密相连，形成空间位移量的相互调节，根据发育部位可进一步细分为侧翼型、末端型和桥连型。

1) 侧翼型：发育位置靠近断陷边界断层，倾向与边界断层相一致，主要形成于晚期走滑作用对先存伸展断层的改造作用，地震剖面上同向轴间断不明显，但可见次级断裂呈“似花状”和“Y字形”对称分布；平面上次级断裂呈羽状沿隐性走滑断层走向排列，并多见羽状断层倾向相对或相背，这与其在剖面上的对称分布相一致。该类型也是走滑断层发育早期的构造样式。

图2 隐性走滑断层分类

2) 末端型：发育在主走滑断层末端，是强剪切应力与伸展应力相互过渡交织位置，常和马尾状或叠瓦状调节断层相伴生，其活动时间持续较长，断距大，派生断层多，一般为成组出现，调节走滑断层末端位移量，可同时具有伸展性质。平面上可见分支断层雁行排列，并逐级搭向主走滑断层过渡；剖面上可见“Y字形”或“似花状”断层，花心部位即为隐性走滑断层位置。

3) 桥连型：发育于主走滑断层之间的叠覆区，表现为弱剪切向强伸展应力过渡，平面上呈一组或多组雁列断层与主走滑呈小角度相交。在共轭剪切作用下，隐性走滑断层剪切方向与主走滑断层相反，同时受主走滑断层颠覆区性质影响可表现出伸展或挤压两种性质。渤海海域南部地区走滑叠覆区主要为右行右接型，该类型隐性走滑断层具有伸展性质。

2.2 盆内转换型

发育在盆地或断陷内部，属于主走滑断层早期活动，晚期走滑作用停止或减弱，仅表现为扭动和弱剪切，在沉积盖层形成一系列雁列式走滑-伸展断层，剖面上见“似花状”构造。该类型隐性走滑断层控制了早期盆地基底形态，常见于基底坡折带、局部小隆起和小洼陷等，晚期走滑作用相对减弱，其剪切扭动作用形成派生断层，调节走滑剪切位移量，但断距较小，断达深度浅。

2.3 潜山直立型

多组产状直立的走滑断层呈“栅栏”发育于潜山内幕，少数断层可断达沉积盖层。该类型隐性走滑断层多存在于凸起区，剖面上见特征同向轴断续分布，上下同向轴间断点近垂直规律排列，少见派生断层；平面上见多条隐性走滑断层近平行发育，梳状排列。潜山直立型走滑断层与盆内转换型具有相似的成因，但由于凸起区长期遭受风化剥蚀，节理和裂缝广泛发育，在走滑剪切应力场作用下，断层沿节理缝等薄弱区扩展而形成现今构造样式。

3 识别技术与方法

隐性走滑断层在地震剖面上常形成为扭动构造样式，表现为断层两侧构造产状突变、深部花状构造控制的局部褶皱以及基底的多级挠曲斜坡等，此外地震反射特征的横向突变也是隐性走滑断层重要的识别标志[18-19]。在地球物理技术方面，大量勘探实践表明利用常规地震剖面和技术手段解释隐性走滑断层较为困难，渤海油田通过对隐性走滑断层成因机制和发育特征的长期深入研究，发现最大似然属性以及剖面寻差技术、走滑断层增强技术的应用可以大大增强隐性走滑的识别度，并形成了隐性走滑断层识别的有效技术组合。在地球物理技术难以识别的情况下，根据渤海海域各个区带研究成果，利用隐性走滑“三性”识别法亦可对隐性走滑断层位置进行判断。

3.1 地球物理技术

3.1.1最大似然属性技术

最大似然属性(Likelihood)的计算基于地震相似性属性，故在计算最大似然属性之前应首先计算相似性属性。常规相似性属性是相邻道之间地震反射特征(波形、振幅、相位等)的对比关系，为压制噪音突出断裂的成像。Hale[20]于2013年提出了以突出断裂识别为导向的相似性属性S(数值范围0～1)，具体公式为

(1)

式(1)中：g表示三维地震数据体；下标s表示对括号内的地震数据体任意点的构造导向平均值；下标f表示沿着断裂走向、倾向方向进行一次滤波，用以增强相似性属性计算稳定性。在地震反射中，与断裂有关的不连续的强反射可有效识别断裂。基于此，Gersztenkorn & Marfurt 提出在显示断裂等构造特征时使用较大的垂向平滑时窗，在显示河道等地层特征时使用较小的时窗。为凸显这些垂向的相似性平滑属性，定义了最大似然属性，即

L=1-Sn

(2)

式(2)中，指数n根据不同工区而定。这样，增加了断裂的最大似然属性高低值对比度，从而增强了地震反射中无明显断距的断裂识别度。

在蓬莱20-2油田的评价中，利用该方法成功识别出低部位隐性走滑断层，并与常规相干属性识别结果进行对比，可见最大似然属性对该油田区隐性走滑断层的分辨精度更高，断层连续性更强，更符合断层的实际地质特征(图3)。

图3 最大似然属性在识别蓬莱20-2油田隐性走滑断层中的应用

3.1.2剖面寻差技术

受走滑扭动平移作用的影响，剖面上隐性走滑断层两盘存在地层产状突变及反射特征差异。在蓬莱20-2油田的评价中，通过对地震剖面进行特殊处理来放大断层两盘的这种差异，以此达到识别“隐性走滑”断层的目的。反射强度属性是显示地震信号的总能量，具有比输入的地震数据更高(或更低)的振幅范围，对反射特征差异的描述要比常规地震资料更加明显(图4a、b)。从反射强度剖面可以看到，隐性走滑断层两侧色差明显，反射强度值具有明显的差异，清晰指示隐性走滑断层发育的位置(图4b)。

地震分频技术是一种基于频谱分析的地震处理方法，将地震数据分解为不同的频率成分。根据研究对象选择相应的敏感频率成分进行分析，可以选择性放大局部反射特征的差异。基于该原理，从单频剖面可以看到，隐性走滑断层两侧地震同向轴具被明显地错断，断层面成像清晰，两侧地层呈屋脊状上翘，清晰指示隐性走滑断层的存在，反映隐性走滑断层断面的位置(图4c)。

图4 剖面寻差技术在识别蓬莱20-2油田隐性走滑断层中的应用

由此可见，通过对地震数据体进行特殊处理，采用反射强度属性及单频体属性来放大地震剖面上断层两侧的反射特征的差异性，可以为隐性走滑断层的识别提供依据。

3.1.3断层增强技术

经过有针对性的技术攻关，发现在平面上基于断层保边算子的分频倾角滤波组合技术制作的高精度相干体切片对隐形走滑断层的识别效果较好，曲率类、相位属性等几何类属性对于隐形走滑也有较好的识别效果。通过这些敏感属性的组合，对隐形走滑断层断面进行增强，以此来识别隐性走滑。首先对研究区地震资料进行频谱分析，利用带通滤波去除高低频噪音的干扰。利用Landmark软件中的保留断层滤波模块，在不破坏断面的情况下，去除断面附近的部分噪音干扰，使得断面更加清楚，易于识别和解释。对于油田区不同尺度断裂的识别，可使用Structure Cube模块对不同频率的单频体进行倾角校正并制作相干，优选高敏频率进行重构融合，形成高精度倾角校正相干体。该技术在莱西构造带构造解释中取得了良好效果，郯庐走滑断裂中支隐性走滑段可清晰显示(图5)，为该区带的构造研究和勘探突破奠定了基础。

3.2 “三性”识别法

3.2.1地层厚度及产状突变性

尽管隐性走滑断层活动弱，但从区域地质特征分析着手，考虑特殊地应力的影响，在走滑断裂带附近，即使地震资料同相轴较连续，根据地层产状的突变性仍可以识别解释隐性走滑断层。例如，渤中26-3油田2井和9井区附近平面构造等值线产状发生突变，2井区构造等值线密集、地层产状较陡；而东侧的9井区构造等值线平缓、地层产状较缓，这是识别隐性走滑断层可能发育的一个证据(图6)。当然，断裂两侧地层厚度差异是“显性”走滑断裂典型识别方法，该方法也可用其识别隐性走滑断层。例如，垦利6-4区的主走滑末端，地震同相轴虽然较为连续，但断层两侧地层厚度变化较为明显，也是隐性走滑断层发育的有利证据。

3.2.2断裂掉向分带性

主走滑断裂与隐性走滑断裂共同作用的控制区域断裂发育，主走滑控制的派生断裂平面延伸长度受隐性走滑断裂约束，多数派生断裂发育至隐性走滑断裂即终止，且两条走滑之间地层受地应力作用类似，容易形成掉向一致的派生断裂，因此在区域上分析断裂发育规律可判断是否存在隐性走滑断裂。例如，青东凹陷垦利20构造带控制边界的北北东向断裂为走滑断裂，其近东西向的伸展断裂掉向具有明显分带性，即东区调节断裂北掉，西区调节断裂南掉；渤中26-3油田2井和9井区之间也存在类似现象(图6)，指示两组掉向相反的断裂之间存在隐性走滑断裂，才能形成区域应力场的平衡。

图5 断层增强技术在识别莱西构造带隐性走滑断层中的应用 Fig .5 Application of fault enhancement technique to recognition of potential strike-slip fault in Laixi structure belt

图6 渤中26-3油田隐性走滑断层识别标志

3.2.3油水关系复杂性

多条走滑断裂平行发育可形成走滑转换带，受走滑断裂主次的影响会形成双阶模式，当形成右行左阶模式时，两条走滑断裂之间的断裂呈压扭性质，不利于油气运移和成藏。如果同一构造内，在构造高度、储层特征相似的条件下，油水关系差异明显，可考虑差异区之间可能存在隐性走滑断裂。例如，渤中26-3油田同一构造上的同一期砂体构造高度相当，但先后钻探的2井和9井的含油气情况及油水关系差异明显，分析认为正是隐性走滑断裂的存在才导致2井与9井区被隐性走滑阻隔所致。

4 控藏作用与勘探实践

郯庐断裂的活动与盆地的沉积沉降旋回具有一致性，其伸展和走滑活动形成了大量的圈闭，渤海海域隐性走滑断层属于郯庐断裂的有机组成部分，因此对油气成藏具有重要的控制作用[21-22]。近年来，随着对隐性走滑断裂带勘探实践力度的逐渐加大，渤海海域隐性走滑断裂控藏作用研究取得了重要进展。

4.1 对隐性圈闭的控制作用

渤海海域勘探实践已证实，围绕着走滑断层发育大量构造圈闭，说明走滑断层及其伴生构造带和圈闭形成具有密切关系。目前渤海海域发现的圈闭主要为构造圈闭，主要历经古近纪拉张伸展断陷活动和晚期走滑活动的双重作用，构造活动异常复杂，产生多个方向的多条主断裂和大量的次生断裂，这些断裂互相交错、切割，产生了大量的构造圈闭，由于伸展和走滑共同作用以及不同构造纵向上的叠加，大多数圈闭都具有伸展和走滑复合圈闭的特征。随着勘探程度的增加，常规的构造圈闭基本钻探殆尽，不断创新思路寻找新型圈闭是可持续发展的必由之路。但隐性走滑断层在剖面上的特征不明显，对这类断层的解释在很大程度上是要颠覆以往的地震解释模式，必须结合区域地应力及特殊技术手段，以建立隐性走滑控制下的隐性圈闭解释模式。例如，蓬莱20-2构造原来解释方案圈闭不发育，创新隐性走滑解释模式后，在构造区解释一条北东向隐性走滑断层，虽断距不大，但可形成隐性构造圈闭，后经钻探证实圈闭有效并可成藏(图7)；渤中34-9构造由于受火成岩覆盖影响，使得地震资料品质差，多年来难以落实，通过隐性走滑断裂构造解释的成功应用，落实圈闭，勘探评价获得大中型优质油气发现。另外，通过隐性走滑断层与伸展断裂的联合控圈作用分析，在渤海海域新发现锦州25-1西、垦利3-3、渤中2-1、秦皇岛28-2和蓬莱15-2等多个有利构造目标。

图7 隐性走滑断层控制构造圈闭发育

从形成机制上看，隐性走滑断层水平位移相对主走滑要小，压扭应力弱，断层两盘地层很难产生变形，但根据走滑压扭应力及其成因机理，几百米的水平位移足以对构造特征及油气成藏起到至关重要的控制作用，因此隐性走滑断层具备控制圈闭的条件。根据隐性走滑断层应力作用方式、断裂组合样式，渤海海域可识别出S型转换和叠覆型转换两类隐性走滑模式。当隐性走滑断层连续性较好时，在其弯曲部位容易形成S型转换带；当走滑断层不连续展布，而是呈多条分支断裂首尾互相叠覆展布时，在其重置部位容易形成叠覆型转换带。叠覆转换带和S型转换带弯曲部分的应力状态会相应形成不同的应力场条件，使得圈闭不同部位呈现拉张、压扭作用，圈闭规模各异。

4.2 对沉积储层的控制作用

在渤海海域，隐性走滑断裂带主要表现为东西两支近南北向的郯庐断裂与东西向的伸展断裂呈正交切割，在走滑与伸展双重作用下，平面上形成“H”型或“田”型组合，这种伸展与走滑叠覆作用下的特定构造样式，导致在砂体富集模式方面有其自身的特点。新近系沉积时期，虽然整体地层分布均一，古地貌变化较小，但从垦利9-1油田明化镇组砂体实钻分布来看，其展布方向与隐性走滑断层走向相一致，均呈南北向发育，说明隐性走滑断层在沉积晚期也控制着微古地貌的分布，进而控制着新近系河流相的发育和分布(图8)。另外，渤中34-9油田区由于受南北向隐性走滑断层的影响，断裂带地层易受淋滤剥蚀，产生明显的低势区，如断槽型沟谷均为有利的砂体输送通道，特别是在断槽两侧断裂活动差异影响下，可以形成沿一侧断槽分布的狭长型沟谷，盆内凸起或低凸起经风化剥蚀后形成的碎屑物质沿狭长型断裂沟谷进行长距离输导，在古近系沉积时期形成隐性走滑控制下的局部叠覆型砂体富集模式。

图8 隐性走滑断层控制新近系曲流河沉积体系

4.3 对油气运移成藏的控制作用

郯庐断裂至今仍处于新构造活动期，这促成了油气晚期成藏[16]。渤海海域上新世以来的新构造活动也是郯庐断裂重新加强活动的过程，它形成并改造了大量圈闭，沟通了烃源，形成了油气输导系统，促成了油气的晚期成藏。隐性走滑断层一般发育于走滑断裂带，从规模和应力性质来讲也属于走滑断裂的派生断层，因此隐性走滑断层的存在必然伴随走滑断裂，隐性走滑发育区必然存在双阶模式，即右行左阶为挤压应力场，右行右阶为拉张应力场。

如果在相邻或者同一构造区域所有控藏条件都相当，但钻井揭示油水关系存在明显差异，考虑到走滑断层具有很强的侧向封堵性，推断差异区之间可能存在不易识别的隐性走滑断层。例如，垦利9-1油田在同一构造上相同构造高度钻探的4口井储层发育程度相当，但含油气情况和油水关系差异明显(图9)，究其原因，正是因为隐性走滑断层的存在导致4井区与其它井区局部应力场性质相反，形成双阶模式共存,其中“走滑挤压区”油气运移不畅，烃类难以大规模聚集，如该油田4井区2口井油层只有1～4 m；而“走滑伸展区”油气运移畅通，烃类规模性成藏，如该油田的1井区油层近70 m。