准噶尔盆地乌夏地区压扭断裂带发育特征及其组合样式分析

王建伟，廖 伟，曾治平，赵乐强，曹建军，郭瑞超，周 健，马 骥

（1.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257015；2.中国石油新疆油田分公司呼图壁储气库作业区，新疆克拉玛依 834000）

准噶尔盆地隶属于中亚造山带中部，被夹持于西伯利亚、哈萨克斯坦和塔里木板块之间，板块间斜向汇聚、碰撞导致压扭断层十分发育［1］。杨庚等认为在盆缘区断层发育规模和变形强度大，发育高角度逆冲推覆断层（Thrust fault）和横向断层（Tear fault）［2］。逆冲推覆断层和横向断层的走滑分量都比较大，地层与岩性发生突变，二维地震剖面很难平衡恢复［3］。非共轴压扭断层要比共轴挤压逆冲推覆断层复杂很多，随着勘探程度的提高，以往被简化成高角度逆冲推覆断层与横向走滑断层的组合解释模型需要不断修正，从而进一步提高压扭断裂带解释精度。

“花”状构造作为走滑断层较为典型的几何学样式，目前已在压扭盆地中被大量解释出来。由于压扭构造变形强度不同，对应的岩层破裂程度、压扭断层发育组系亦不同，理论上除了“花”状构造以外还存在其他基本组合样式。肖阳等通过物理模拟实验揭示走滑断层由基底向盖层的传播过程，划分出萌芽、里德尔（R）剪切、同向（P）剪切和贯穿（Y）剪切相继发育阶段，推动了压扭断层发育规律的认识程度［4］；但遗憾的是模拟实验完全采用均质石英砂材料，不同岩层能干性差异对压扭断层几何学特征的控制作用尚未展现出来，也缺失了里德尔反向（R’）剪切断层。碎屑岩层系的砂、泥岩层的能干性差异很大，对压扭断层发育过程具有重要的控制作用，这在地震传播过程中已经得到了充分证实［5-7］。另外，不同构造单元、不同层系所对应的构造变形强度不完全相同，以及不同时期构造运动的叠合演化，导致压扭断层几何学特征和组合样式差异很大。因此，在实际的构造解释过程中不应全部都是“花”状组合样式的断层，还应发育其他一些基本组合样式。

通过对准西北缘乌夏地区压扭断层的野外勘查结合高密度三维地震数据体处理，解析了多个层系压扭断层发育特征，明确处于不同构造变形强度下压扭断层组合样式的变化，以期为压扭盆地断裂带的精细解释提供一定的理论参考。同时，结合当前压扭断层油气输导能力评价进展和勘探实践成果，评价了不同组合样式压扭断裂的油气输导能力，评价思路和结论对同类含油气构造单元具有很好的借鉴意义。

1 区域地质背景

准西北缘处于扎伊尔-阿拉哈拉特造山带与准噶尔地块之间，整体呈NE—SW 向弧形展布，自EN向WS 依次划分为乌-夏、克-百和红-车冲断带［8］。自晚古生代以来哈萨克斯坦板块持续向准噶尔板块斜向挤压碰撞，准西北缘构造定形于印支幕，后期又经历了燕山Ⅱ幕一定程度的改造，具有早强晚弱的构造变形特征。研究区压扭断层呈多组系发育，几何学特征比较复杂，本次研究选取乌-夏冲断带进行精细解剖（图1）。

图1 准西北缘乌-夏冲断带三叠系顶部断裂体系发育特征Fig.1 Development characteristics of top fault system of the Triassic in Wuxia thrust fault in northwestern margin of Junggar Basin

研究区历经多期盆地充填建造，由老至新充填序列为：石炭系（C）、下二叠统佳木河组（P1j）及风城组（P1f）、中二叠统下乌尔禾组（P2w）、上二叠统上乌尔禾组（P3w）、下三叠统百口泉组（T1b）、中三叠统克拉玛依组（T2k）、上三叠统百碱滩组（T3b）、下侏罗统八道湾组（J1b）及三工河组（J1s）、中侏罗统西山窑组（J2x）及头屯河组（J2t）和白垩系（K）。自二叠纪以来研究区沉积基准面大幅度、多旋回波动，控制形成的不同沉积层系的岩相具有很大差异，厚泥岩层与粗碎屑岩层交互叠置［9］。厚泥岩层和粗碎屑岩层的抗压扭强度差异较大，对压扭断层垂向传播具有重要影响［10］，因此开展断裂体系几何学及运动学研究必须考虑岩层本构的重要影响作用。

准西北缘具有良好的石油地质条件。其下二叠统风城组为一套良好的烃源岩层，中二叠统下乌尔禾组中上部、上三叠统百碱滩组及白垩系为良好的区域盖层，而多期低位域发育的砂砾岩则成为良好的储集体。目前已发现阿拉德、夏子街、风城、艾湖及玛北等多个油气田，其油气分布与压扭断层发育特征密切相关。

2 压扭断裂带发育特征

准西北缘压扭断裂体系主要是由下二叠统泥塑性岩层大规模顺层剪切滑脱造成的［11］，压扭应力-应变场由山前带至玛湖凹陷、自二叠系底部向上部层系大范围传播。在山前带地层发生了强烈的压扭缩合，剖面上更多见到挤压性主干冲断层及相关构造；向玛湖凹陷内部随着挤压程度减弱，逐渐表现出简单剪切特征。夏71 井区高密度三维地震剖面揭示，由二叠系向浅部层系断层发育强度和密度逐渐降低，继承性发育的相关褶皱幅度降低，压扭变形强度自深层至浅层逐渐减弱，至白垩系未发现明显的构造变形特征（图2）。

在剖面上，多条主干断层均表现出明显的挤压冲断性质，并伴随大量的“花”状构造，或断层相关褶皱脊线大幅度“S”形摆动等现象，表明其构造变形机制较为复杂。在平面上，弧形断裂自EN 向WS撒开，通过等时切片查明NNE 向断裂具有明显的左行走滑特征，而NNW 向断裂具有明显的右行走滑特征。在理论上，山前带强压扭环境下伴随岩层大幅度的压扭缩合，简单剪切模式中的R，P 及Y 剪切断层在剖面上都会呈现明显的挤压冲断性质，但难以在剖面上观测到侧向走滑分量。综合平面和剖面发育特征分析结果，准西北缘主要发育压扭断层及其相关构造，由于处于强压扭构造变形条件下，走滑断层在剖面上普遍具有挤压冲断特征。

图2 准西北缘过哈山-夏子街鼻状构造NW向地震剖面Fig.2 NW seismic profile of Hashan-Xiazijie nose-like structure in northwestern margin of Junggar Basin

尽管准西北缘经历了海西末期、印支期、燕山期和喜马拉雅期等多期构造叠合演化，但根据相关褶皱和区域大型角度不整合分布情况来看，中、上二叠统以上层系的构造形态主要定型于印支期，后期又经历了燕山Ⅱ幕一定程度的叠合改造。RYBICKI 等通过非均质本构模型理论计算表明，非均质性决定了走滑断层垂向走滑运动和发育特征，具有垂向“紊乱”传播规律［12-13］。在同等应力场下，非刚性介质有效剪切应力总为负值或很小，多以低角度剪切或沿层蠕动为主；而刚性介质有效剪切应力相对较高，高角度断层普遍发育。对于准西北缘而言，碎屑岩剖面发育大套砂、泥岩互层，岩层间能干性差异很大，压扭断层垂向“紊乱”传播现象更加显著，主干冲断层存在多处分段冲断、“S”形摆动和“花”状构造样式。在主干冲断层周围还发育了大量次级高陡剪切断层，垂向断距较小，复杂程度很高，以往的构造解释方案中通常未给予解释（图2）。为了进一步解析压扭断层复杂发育特征和形成机制，在夏71 井区利用高密度三维地震相干处理、沿层切片和等时切片等多种技术，由深层至浅层进一步精细解析压扭断裂带发育的几何学特征及其组合样式。

3 压扭断层组合样式

由于压扭应力自深部下二叠统大型滑脱层向上部侏罗系传播，随着应力场的大幅衰减、变形强度减弱以及构造叠合演化的影响，不同层系压扭断层发育特征及组合样式差异较大。

3.1 二叠系强构造变形条件下大量发育“辫”状组合样式断层

二叠系处于压扭断裂带的根部，发育大规模低角度滑脱断层及高角度压扭断层。在高密度三维地震剖面上可以看到，受大套泥塑性岩层控制，主干冲断层具有明显的分段冲断和“S”形摆动特征，且围绕主干冲断层普遍发育多条次级断层。主干冲断层和多组系次级断层垂向上交织切割，地震反射轴多处被错断，地震反射特征比较杂乱（图2）。下乌尔禾组沿层相干切片显示压扭断裂带发育规模很大，挤压性主干冲断层在平面上并不是一条长距离延伸的大断层，而是由多段联合构成，具有很强的分段发育特征，总体呈NEE 向展布（图3a）。大量次级剪切断层围绕主干冲断层发育，呈不同角度切割，断裂带发生了强烈剪切破碎，构造解析难度大。

以简单剪切模式为理论指导，利用三维地震等时切片可辨别出左行P剪切断层、左行R 剪切断层、右行R’剪切断层以及一组C 挤压性断层（图3b）。理论上强压扭变形强度下主滑移带已大规模横向贯穿，Y剪切断层发育特征应较为清晰，但利用高密度三维地震资料尚未能辨识出来，初步分析认为这与碎屑岩层系的剪切应力无法集中释放有关。主干冲断层为左行走滑P 剪切断层，呈NEE 向分段展布，与多组系同向次级走滑断层小角度相交，与NNW 向右行走滑R’剪切断层呈大角度相交，共同构成一个宽达6 km 的大型左行压扭断裂带。通过强压扭条件下的近似变形椭圆可以看出，与主剪切带小角度相交的R 和P 剪切断层近似垂直于主压应力方向，在剖面上均会表现出明显的挤压冲断特征；而与主剪切带大角度相交的R’剪切断层近似平行于主压应力方向，表现出弱伸展性质。因此，在剖面上普遍见到的推覆冲断构造并不一定都是由共轴挤压应力场造成的，非共轴强压扭条件下也发育大量逆冲断层，需结合平面组合样式开展进一步判识。

图3 准西北缘夏71井区二叠系压扭断裂带几何学样式及运动学解析Fig.3 Geometric pattern and kinematics analysis of Permian compression-torsion fault zone in Well Xia71 area in northwestern margin of Junggar Basin

王义天等研究发现在强构造变形阶段压扭断层在剖面上会出现“辫”状发育特征，在平面上多组系断层联合剪切形成“网结”状组合样式［14-17］。以碎屑岩层系充填为主的准噶尔盆地，强压扭构造活动层系的断层发育密度很高，除了主干冲断层外还发育诸多次级高角度剪切断层，“辫”状组合样式较为普遍。尽管油气勘探实践中在剖面上“辫”状压扭断裂带很难被完整解释出来，对应平面“网结”状组合样式也很难被描述清楚，但其重要的石油地质学意义在于可以突破厚区域盖层垂向输导油气。准噶尔盆地二叠系和三叠系都不乏近千米的良好区域盖层，目前很少见到单条断层能将区域盖层垂向断开的实例。在“辫”状断裂带上部层系普遍发现大规模油气聚集和成藏［18］，表明“辫”状断裂带可以突破厚区域盖层向上部层系大规模输导油气。

3.2 三叠系中等构造变形条件下普遍发育“花”状组合样式断层

夏子街鼻状构造带在三叠系发育多条断层，但这些断层的发育级别存在差异，为由主干冲断层和多条次级断层共同构成的一个典型的负“花”状断层组合样式。“花”状构造自中二叠统下乌尔禾组较厚泥塑岩层开始向上部层系发育，至上三叠统百碱滩组厚泥岩层及其顶部区域性不整合面附近趋于终止。研究区多条近NNW 向地震剖面解释发现，三叠系发育的大量“花”状构造与厚泥岩层密切相关。主干冲断层在厚泥岩层位置发生低角度剪切形成断阶，高角度断层垂向分段发育或“S”形摆动。随着压扭强度增加，在低角度剪切位置诱发了多组调节性次级剪切断层，断阶被贯穿，主干冲断层和多组次级断层构成了典型的负“花”状构造。

沿层相干切片揭示，夏71 井区百口泉组大型“花”状构造是由4 组不同走向断层构成。2 组NNE向断层小角度相交，具有左行走滑特点，1 组NNW向断层具有明显右行走滑特征，以及1 组近EW 向挤压性断层（图4a）。多组系断层和主干冲断层组合在一起形成一个较为复杂的“羽列”状组合样式，对于整条断裂带展现出一个大型挤压性叠瓦扇构造（Stacking tile fans）。主干冲断层为左行P 剪切断层，伴有大量R剪切断层，在阶区位置可识别出反向调节R’剪切断层，另外还可识别出1 组C 挤压性断层（图4b）。

WOODCOCK 等在大量走滑断层剖析的基础上认为，叠瓦扇和双重构造是压扭断层垂向贯穿断阶而形成的，多发育在脆性和塑性（韧性）过渡区域的岩层中［19］。三叠系大套泥岩层和砂砾岩层交互叠置，为研究区能干性差异最大的层系，导致压扭断层纵向传播形成的断阶及其被贯穿后所形成的“花”状断层普遍发育。高角度主干冲断层（P 剪切断层）在厚泥岩层内部发生低角度剪切，形成大量断阶和“S”形摆动，“花”状断层成为“紊乱”传播过程中贯穿断阶的重要调节方式［20］。

3.3 侏罗系弱构造变形条件下主要发育“阶”状组合样式断层

图4 准西北缘夏9井区三叠系压扭断层“花”状几何学特征及其运动学解析Fig.4 Geometric pattern and kinematics analysis of“flower”shape of Triassic compression-torsion fault in Well Xia-9 area in northwestern margin of Junggar Basin

尽管侏罗系断层形成于燕山Ⅱ幕，但多层系相关褶皱垂向发育特征具有明显的继承性，说明印支幕和燕山Ⅱ幕构造层不是简单的叠置，而是在印支幕先存构造基础上自深层向浅层持续发育的。三维地震资料解释发现，研究区侏罗系压扭断层的垂向断距很小，采用多种地震处理及解释方法均难以对压扭断层发育的组合样式进行辨识，反映侏罗系处于弱压扭变形阶段。在乌夏地区西北部的乌尔禾沥青村有大量侏罗系压扭断层出露地表，其断面产状高陡直立，很多断面内部被黑色降解沥青充填（图5a）。断裂带由2 组走滑断层构成，呈NEE 向“雁列”状贯穿侏罗系露头区；2 组不同走向断层之间的夹角为43°～52°，发育程度及延伸距离差异很大。其中NEE 向断层呈优势分布，具有明显左行走滑特征，发育程度相对较高，单条断层延伸距离可长达数百米；NNE 向小断层具有右行走滑特征，仅在局部地区发育，且多位于NEE 向断层的首末端位置，延伸距离相对较短，最长不超过数十米。从野外勘查结果来看，准西北缘侏罗系压扭断层应属于左行压扭体系，NEE 向“雁列”状展布的断层为左行R 剪切断层，NNE 向展布的小断层应为反向调节R’剪切断层。

乌尔禾沥青村沥青厂旁侧露头剖面揭示，其压扭断层具有很强的分段特征，受层间岩性变化的控制，高陡断层在垂向上呈“阶”状分布（图5b）。断层形成于侏罗纪末燕山Ⅱ幕，纵向分段发育特征不是构造分期所致［21］，而是岩层能干性差异造成的。露头剖面主要由泥质粉砂岩层构成，相间分布多个粉砂质泥岩层条带。高角度断层主要发育在泥质粉砂岩层，在粉砂质泥岩层发生了明显错动，整条断层垂向上呈“阶”状展布。泥塑性岩层抗剪强度和抗压强度明显低于其他岩性地层单元［7，22］，影响压扭断层的纵向传播规律。野外露头剖面勘查进一步证实，泥塑性岩层易于发生低角度剪切或沿层蠕动，形成了大量断阶，致使高角度断层垂向“紊乱”传播和分段发育。研究区侏罗系压扭断裂带正处于里德尔剪切早期阶段，多条左行剪切断层在空间上尚未发生大规模贯穿，平面上几何形态呈“雁列”状展布。

图5 准西北缘乌尔禾沥青村侏罗系压扭断层几何学特征及其运动学解析Fig.5 Geometrical pattern and kinematics analysis of Jurassic compression-torsion fault in Bitumen Village of Orku in northwestern margin of Junggar Basin

3.4 压扭断层组合样式垂向演变序列

尽管研究区主要发育薄皮构造，但滑脱层却位于二叠系底部，压扭构造应力场自深层向浅层传播，深部构造变形强度大，浅层构造变形强度较弱，从而不同层系断层发育特征及组合样式有规律可循。目前，依据高密度三维地震资料和野外勘查，在垂向上可识别出“辫”、“花”和“阶”状3 种基本组合样式，在平面上依次对应“网结”、“羽列”和“雁列”状组合样式。在弱压扭变形条件下形成的“阶”状断层，随压扭形变增强，大量断阶被“花”状及“辫”状组合断层所贯穿，对应断层发育组系明显增加。压扭断层纵向传播不是单条断层自深层向浅层的持续生长，更多情况下是多组系断层相互调节下的一条复杂断裂带的形成与发育过程，自深层至浅层总体呈现“辫”、“花”和“阶”状组合样式序列性演变（图6）。

准噶尔盆地是一个大型压扭叠合盆地，长期以来依据不同构造活动期次开展了不同构造层的压扭断层解释，笔者认为这不足以全面表征压扭断层的复杂发育程度。盆地以多旋回碎屑岩充填为主，大套泥岩和砂砾岩互层，不同层系精细解析结果证实岩层能干性差异对断层发育特征具有重要影响。压扭断层在纵向传播过程中易受泥塑性非能干层影响，发生脱耦并形成了大量断阶，压扭强度又进一步控制不同层系断层的几何学特征及其组合样式的变化。由于二叠系和三叠系泥岩层厚度较大，抗剪切强度低，压扭应力-应变场在断阶处需反复调节才能进一步向浅层传播。随着压扭应力在深部层系发生大规模释放，形成大量剪切断层，断层密度明显高于中、浅部层系。相比于碳酸盐岩等能干性差异较小的岩层剖面，碎屑岩层系低角度剪切断层更加发育，围绕厚泥岩层大量发育断阶，深层压扭应力很难归于一条高陡大断层向浅层集中释放，从而普遍发育宽阔的大型压扭断裂带，这与经典走滑断层发育模式存在较大差异。

4 石油地质学意义

图6 准西北缘碎屑岩层系压扭断裂带发育模式Fig.6 Development pattern of compression-torsion fault zone of clastic rocks in northwestern margin of Junggar Basin

近些年诸多学者针对断层结构开展了大量研究工作，明确了断层普遍具有分带结构特征，由断层两侧向中央部位可分为裂缝发育带和破碎带［23］。评价思路是以单条断层的分带结构为基础，根据断裂带泥岩涂抹情况或两盘岩性对接关系等影响断层启闭性的关键因素，开展断层垂向输导能力评价［24-27］。通过对准噶尔盆地碎屑岩层系压扭断层的解析可知，除盆缘造山带以外的多个构造单元均发育大型压扭断裂带，但缺少长距离延伸、垂向贯穿多个层系的单条大断层。油气主要沿着压扭断裂带垂向运移，即多组系断层形成的“集合体”控制了油气的垂向输导。多组系断层的剪切属性不同，发育规模各有差异，在实际评价工作中很难表征到底哪条断层垂向输导油气，哪条断层阻止油气运移。因此，针对碎屑岩充填为主的大型压扭盆地，以往评价单条断层是否为油源断层则失去了较为明确的石油地质学意义。

通过对准西北缘夏子街、乌尔禾、风城、玛北和艾湖等6 个油气田的解剖来看，压扭断层组合样式与油气垂向运移能力密切相关。准西北缘乌夏地区深部层系普遍发育“辫”状和“花”状组合断层，断层密度高，垂向输导油气能力强，控制了油气突破上覆厚达千米的区域盖层，进而向三叠系和侏罗系规模运移和聚集。在侏罗系内部主要发育“阶”状断层，厚度为数十米的盖层能够有效遮挡油气继续向浅层散失，因此在侏罗系也发现了规模油气藏（图7）。“辫”状和“花”状组合断裂带垂向长距离输导油气，在多套储盖组合发生侧向分流和规模成藏，乌夏地区已发现油气藏总体呈现“多层楼”分布特征。

相比而言，在玛湖凹陷深层主要发育“阶”状组合样式断层，局部地区发育“花”状组合样式断层，断层密度较低，垂向分段发育特征明显。目前已发现的大量油气资源主要邻近烃源岩层系规模聚集，说明“阶”状组合断层很难突破较厚区域盖层向上部层系大规模输导油气。因此，圈-源高度分离层系的油气成藏离不开深部层系“辫”状及“花”状断裂带输导，对于准噶尔盆地中、浅层系油气勘探首先需明确深层断层发育特征及其组合样式。

尽管准噶尔盆地各构造单元均发育压扭断层，但其组合样式差别很大。统计结果表明，已发现油气藏空间分布状况和压扭断层组合样式密切相关［28-29］。受中、深层地震资料品质的制约，目前尚无法对压扭断层开展较为完整的解释，更无法对断层产状、发育密度等关键参数进行精细统计分析，利用压扭断层组合样式进行形象表征在当前勘探阶段具有较明确的石油地质意义。

5 结论

无论弱压扭还是强压扭变形阶段，准西北缘乌夏地区缺乏横向延伸距离较长、垂向贯穿多个层系的单条大断层，主要发育多组系断层共同构成的压扭断裂带。在研究区压扭断层自深层向浅层传播过程中，压扭断层组合样式发生明显变化。泥塑性岩层剪切强度低，易发生低角度剪切和沿层蠕动形成断阶，应力-应变场纵向传播出现脱耦，导致高角度断层具有很强的垂向分段发育特征。由深层至浅层随着压扭变形强度的减弱，断层发育组系逐渐减少，压扭断层基本组合样式呈现出“辫”、“花”和“阶”状序列性演变特征。

图7 准西北缘地区过哈山-乌夏-玛湖凹陷压扭断层组合样式与油藏分布剖面Fig.7 Geometric pattern and reservoir distribution profile of compression-torsion fault in Hashan-Wuxia-Mahu Sag in northwestern margin of Junggar Basin

在碎屑岩充填为主的压扭盆地，断层发育复杂程度更高，发育由多组系剪切断层共同构成的复杂断裂带，评价单条断层油气输导能力已失去较明确的石油地质学意义，也很难界定油源断层及非油源断层。在高勘探程度地区，利用统计学方法评价不同组合样式压扭断裂带的油气输导能力很值得探索，理论上更可以真实地揭示油气垂向运移和聚集的基本规律。

准噶尔盆地历经多期构造叠合演化，长期以来对不同构造层开展了断层分期配套解释，并在油气勘探实践中取得了很好的应用效果。但是对于碎屑岩充填为主的压扭盆地，压扭断层发育复杂程度一方面是构造叠合造成的，另一方面是大套砂泥岩互层本构特征造成的。随着勘探程度和压扭断层研究程度的提高，今后需加强厚泥岩层对压扭断层垂向传播规律和发育特征的机理研究。