鄂尔多斯盆地杭锦旗地区关键构造期与二叠系致密气成藏响应

罗开平，杨 帆，陆永德，刘昭茜，唐 永

(1.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126；2.中国地质大学(武汉)，武汉 430074；3.长江大学，武汉 430100)

中国中西部大型叠合盆地在发展演化过程中均经历过多期次构造运动[1-6]。由于构造运动发生的背景、性质、强度、时间等不同，它们对于盆地的影响和改造程度不同，对其中成藏要素、成藏过程及油气藏的影响程度、结果也不尽相同。我们将这种对盆地(某一地区)构造格局起关键定型作用和对于其中油气成藏起到核心控制作用的关键构造(时刻)定义为 “关键构造期”。相对于控制烃源岩发育的“关键时刻”[7]和影响盆地格局的“关键构造变革期”[8-9]，“关键构造期”的确定强调构造与油气活动的完全吻合关系，着重于构造作用对油气成藏作用的核心控制以及后者对前者的呼应，是揭示二者之间成因联系和因果关系的一个最为关键的时间点。“关键构造期”既是该地区的构造定型的关键时刻，同时也应该是油气成藏或改造关键时间点，而且这种“关键构造期”在空间上是变化的，由其控制的成藏要素及组合、油气藏分布和油气富集，在不同区带或构造单元上是有差异的。因此在“关键构造期”概念基础上又衍生出“关键成藏期”和“关键改造期”，它们对于揭示油气形成演化过程及油气分布规律具有重要意义[10]。本文从鄂尔多斯盆地北部构造时序分析出发，结合杭锦旗地区成藏史，厘定了该地区的关键构造期，并分析了其对应的构造(形变)特征和油气成藏响应，力图揭示构造作用下的油气成藏及改造调整过程和油气分布富集规律，用以指导勘探部署。

1 地质背景

杭锦旗地区位于鄂尔多斯盆地北部(简称鄂北),横跨伊盟隆起和伊陕斜坡2个一级构造单元,面积约9 800 km2[11-12](图1)。该区整体呈现西南低、北东高的构造格局，构造相对简单，以NE走向的低幅度鼻状构造为主；区内自西往东主要发育三眼井、乌兰吉林庙、泊尔江海子3条断裂, 走向以EW、NE和NW为主，切穿基底至侏罗系，但未断达下白垩统，均呈上陡下缓的断面形态，平面上组合呈雁列状。该区在太古宙—元古宙混合变质岩基底上，经历了中—新元古代大陆裂谷、早古生代隆起剥蚀(基岩隆起)、晚古生代—中三叠世稳定克拉通拗陷、晚三叠世—白垩纪内陆盆地4个演化阶段[13-17]；早古生代长期处于隆起状态，晚石炭世开始接受沉积,发育石炭系太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组及三叠系、侏罗系、白垩系,缺失新生界[18-21]。上古生界以不同层位由南向北超覆于太古—元古宇基底之上，石炭系太原组与奥陶系为角度不整合接触，下二叠统山西组与石炭系太原组之间、中下侏罗统延安组与上三叠统延长组之间为平行整合接触[22]。太原组和山西组的泥岩、煤层是本区主要的烃源岩,山西组、石盒子组及石千峰组的砂岩和泥岩分别构成主要储集层和盖层，目前发现的油气主要产于山西组、太原组和下石盒子组和上石盒子组，以气为主[23-24]。

图1 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区位置及构造单元划分

2 关键构造期及构造(变形)特征

鄂北地区北面为阴山，中间夹持河套盆地，西邻贺兰山，东邻吕梁山。前人研究认为西侧和东侧构造体系对杭锦旗区块构造(变形)的影响较弱，区块内部主要断层的活动和后期的构造变形主要来自北侧阴山体系的影响。作者主要基于盆缘构造体系磷灰石裂变径迹年龄和鄂北地区及周缘岩体的热年代学分析及区内主要断裂的特征，结合区域构造背景，厘定了杭锦旗地区构造演化时序和关键构造期，并分析了关键构造期的变形特征。

2.1 杭锦旗地区构造演化及时序

2.1.1 盆缘和盆地北部构造活动及强度

从收集的鄂尔多斯盆地西部和东部构造体系的磷灰石裂变径迹年龄分布[25-27](图2)来看，西侧贺兰山构造体系的7个样品年龄主要分布在116～89 Ma之间，以早白垩世(116～107 Ma)为主，指示西缘的挤压变形主要发生在燕山中—晚期；东侧构造体系的6个样品年龄分布在154～122 Ma之间，指示东侧构造体系主要在燕山中期向西逐渐扩展隆升。

图2 鄂尔多斯盆地盆缘构造带磷灰石裂变径迹年龄及分布裂变径迹年龄数据据参考文献[25-27]。

同时，盆地内部的裂变径迹年龄(图3)也反映了东西隆升差异。从盆地内北部的裂变径迹年龄的时间—空间分布可以看出，东部地区有一定的优先性，而西部地区表现出一定的滞后性。结合下白垩统的剥蚀明显具有东强西弱的特征，反映出东部地区构造隆升幅度大于西部地区，并且东部地区构造隆升的持续时间也可能较西部地区更长，具有东强西弱、东早西晚的差异性特征。

图3 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区及周缘裂变径迹年龄及分布

地层接触关系也反映了盆缘构造体系对盆内的波及和影响。东缘的吕梁断隆，白垩系与下伏三叠系呈低角度不整合接触，中间缺失整个侏罗系；往西到鄂尔多斯盆地内部，白垩系与下伏中侏罗统呈平行不整合接触，仅缺失上侏罗统。而在盆地西缘贺兰山，白垩系高角度不整合于太古宇之上；向东到银川盆地，白垩系与中侏罗统变为低角度不整合接触；再向东到鄂尔多斯盆地西缘，白垩系则平行不整合于中侏罗统之上。地层接触关系的变化反映晚侏罗世—早白垩世早期东、西两侧构造体系活动主要导致盆缘带的构造变形，构造作用虽波及盆内，但主要以隆升为主，并未使之发生挤压褶皱变形。但东侧构造挤压使得杭锦旗地区前期西高东低的格局发生了变化，转变为东高西低，整体形成北东高、南西低的构造面貌。

2.1.2 杭锦旗地区晚侏罗世以来的构造活动

杭锦旗地区晚侏罗世以来经历了挤压—伸展—挤压三期构造活动。伊盟隆起及其周邻大青山、阴山、狼山及贺兰山等地区印支—燕山期岩浆活动比较普遍[28-30]，根据岩体的年代学数据，将鄂北地区周边岩体划分为印支期、燕山早—中期和燕山中期三组(图4)。印支期的花岗岩岩体年龄介于226.8～207.9 Ma，主要集中分布在阴山一带；燕山早—中期岩体年龄介于187～119 Ma，集中分布在河套盆地北部的狼山、大青山一带；燕山中期岩体年龄介于135～112 Ma，分布于河套盆地东端以北地区。岩体和断裂新生矿物年龄表明，印支期构造活动主要集中于河套盆地以北区域，到燕山早—中期构造才向南扩展到狼山—大青山一带，说明印支期的构造活动并未影响到鄂尔多斯盆地北部地区，燕山期以来构造活动才波及到这一地区。而在伊盟隆起北部黑石头沟地区出露的一套形成于早白垩世的碱性橄榄玄武岩(玄武岩Ar-Ar年龄为126 Ma±0.4 Ma)，反映伊盟隆起地区在燕山中期早白垩世曾经为伸展环境。

图4 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区岩体及其构造年代数据分布

鄂北地区杭锦旗区块周缘砂岩的裂变径迹模拟结果，揭示了杭锦旗地区晚侏罗世以来的构造活动。杭锦旗区块东侧的样品ZL-13和DL-12的磷灰石裂变径迹热史模拟指示晚侏罗世—早白垩世(150～120 Ma)的一次快速隆升事件，对应于盆地东缘构造体系在燕山早期对盆地的影响，主要以隆升作用为主，使杭锦旗地区西高东低转变为东高西低，整体形成北东高、南西低的构造面貌，但没有造成区块内的挤压形变。

杭锦旗区块东侧和西侧的3个砂岩样品(SF-10、SF-28和ED-111)的磷灰石裂变径迹热史模拟，反映早白垩世末期—晚白垩世(80～58 Ma)经历了一次快速隆升，代表了该地区在晚白垩世的强烈构造活动。同时，上述5个砂岩样品磷灰石裂变径迹热史模拟都指示了32～20 Ma的一次快速隆升事件，表明在喜马拉雅期渐新世—中新世盆地北部的整体隆升(剥蚀)。

2.1.3 燕山早期—喜马拉雅早期活化的压扭断层

杭锦旗地区盖层主要发育3条主干断裂(图1)。三眼井断裂走向近EW，平面延伸约82 km，为南倾的正断层。该断裂错断上古生界底至白垩系底之间的所有地层，断距从下往上变大且呈西大东小的趋势。乌兰吉林庙断裂走向近NEE，延伸长度约39 km，亦为南倾的正断层，亦错切上古生界底至白垩系底之间地层，但断距自上而下减小。泊尔江海子断裂为北倾逆冲断层，平面延伸长度约97 km，自西向东，走向由近EW变为NE，中段向南凸出呈弧形，断距从下往上逐渐变小，在上古生界中断距最大约330 m，局部地区反转为正断层[31]。过去认为该地区的构造发生、发展主要受EW向基底断裂控制，NE向基底断裂的影响相对较小，且这3条主干断裂是在基底断裂基础上长期活动的断裂，对于沉积具有控制作用。但根据高精度三维地震剖面，断裂两侧地层厚度基本相近，断距差异存在但不大，没有典型的同沉积断层或生长断层特征。虽然局部可见断面两侧同相轴差异，但可能是断层走滑所致。泊尔江海子断裂呈现逆断层特征，断层上盘构造高部位也没有地层减薄的特征，整体表现为沉积之后的协调变形。另外，从地震剖面上反映的地层接触关系看，伊盟隆起的南坡下古生界、上古生界和中生界由南向北逐渐超覆减薄，尖灭于乌兰格尔凸起之上，白垩系直接超覆于前寒武系之上。在部分过泊尔江海子断裂的南北向地震剖面上，虽然下古生界马家沟组在泊尔江海子断点附近尖灭，但这并不能说明断裂控制下古生界沉积展布，只是中奥陶世古隆起南部边界正好位于泊尔江海子断裂一线。大量剖面反映上古生界越过泊尔江海子断裂向北超覆(图5)，说明地层展布主要受控于古隆起。

图5 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区地震地质解释剖面

综合上述构造年代学信息和地层接触关系，认为盆地东西缘两侧构造活动对杭锦旗地区构造变形影响较弱，内部主要断层活动和构造变形主要受北侧构造体系的影响，3条主干断裂是在基底断裂基础上、在燕山早期—喜马拉雅早期活化形成的压扭断层。燕山早期东侧挤压隆升奠定了杭锦旗地区北东高、南西低的基本构造面貌。

2.1.4 构造演化及变形时序

综合区域背景、断层性质分析、构造年代学证据，可以基本厘清鄂北地区构造演化时序，其演化可以分为6个阶段：①早、中侏罗世，华北地块北缘区域性伸展，鄂尔多斯盆地大范围沉积中下侏罗统；②晚侏罗世，杭锦旗地区整体抬升，东侧构造活动向西发展，杭锦旗地区由西高东低转变为北东高、南西低的构造格局；③早白垩世，鄂尔多斯盆地北部地区整体伸展，沉积范围向北扩展；④晚白垩世—古新世，阴山体系对鄂尔多斯盆地北部影响逐渐增强，杭锦旗地区NE向基底断层活化，切穿沉积盖层，形成右行左阶雁行式压扭断层，并在北部形成近NE向低幅构造；⑤始新世，杭锦旗地区以NE向挤压应力为主，在燕山晚期NE向构造上叠加了NW向局部调节构造；⑥新近纪，鄂尔多斯盆地北部整体隆升。

2.2 关键构造期厘定及主要构造特征

在构造时序分析基础上，结合生烃史、源—储配置关系及油气成藏史等方面信息，杭锦旗地区山西组、太原组和盒一段油气运移及分布受北东高、南西低的构造格局控制，因此奠定这种构造格局的燕山早期运动(J3-K1)是杭锦旗地区山西组、太原组和盒一段的关键成藏期。此外，主干断裂活动与天然气运移聚集密切相关：平面上，断层造成了断裂南部和北部油气成藏时间的差异，断裂南部成藏早于断裂北部；纵向上，造成了断裂南部和北部油气聚集层位的差异，南部深层—浅层均有油气聚集，北部主要聚集于浅层。在泊尔江海子断裂南部，油气聚集主要受控于岩性圈闭，但在北部，油气聚集受控于构造、岩性圈闭。因此断裂活动和(NE向)构造圈闭的形成时间，即燕山晚期—喜马拉雅早期(K2-E1)是杭锦旗区块北部盒二段、盒三段和上石盒子组的关键成藏期。同时，这期构造又是南部地区盒二段、盒三段和上石盒子组的关键改造期。喜马拉雅晚期(E2之后)杭锦旗地区受SW—NE向的挤压，在泊尔江海子断裂以北形成NW向调节构造，使早期NE向构造(圈闭)被改变呈“串珠状”，这一时期是杭锦旗北部盒二段、盒三段和上石盒子组的关键改造期。

2.2.1 燕山早期(J3-K1)构造特征

燕山早期(J3-K1)杭锦旗地区构造格局表现为一北东高、南西低的斜坡。该时期北侧构造活动尚未波及盆内，区内的基底断裂也尚未强烈活动，未影响到上覆沉积盖层。构造圈闭是以受古地貌控制的披覆背斜为主(图6)。

图6 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区关键构造期(J3-K1)末北西向构造剖面测线位置见图1。

2.2.2 燕山晚期—喜马拉雅早期(K2-E1)构造特征

燕山晚期—喜马拉雅早期(K2-E1)，杭锦旗地区仍表现为北东高、南西低的斜坡(图7a)。北东向基底断层活化并切穿沉积盖层形成右行左阶雁行式压扭断层以及一些近北东向的次级小断层，并在3条主要断裂以北形成近北东向长轴状构造圈闭(图7b)，主干断层切层较多，断穿上石盒子组及上覆层系，部分次级断层切层较少，向上断达下石盒子组以下地层。在3条主干断层以南地区，挤压构造圈闭不发育，仍主要为古地貌控制的披覆背斜。

图7 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区关键构造期(K2-E1)末构造剖面测线位置见图1。

2.2.3 喜马拉雅晚期(E2之后)构造特征

喜马拉雅晚期(E2之后)，杭锦旗地区整体构造面貌较燕山晚期—喜马拉雅早期没有显著变化，SW—NE向挤压主要在泊尔江海子断裂以北地区形成NW向调节构造，叠加在NE向构造上，但明显受到NE向构造限制。NW向褶皱延伸最大长度为5 km，最小长度为2 km，各个褶皱间距离1～7 km不等，两期构造叠加形成“串珠状”背斜。同时在泊尔江海子断裂和乌兰吉林庙断裂以北地区局部形成一些次级北西向小断层，发育多个断控圈闭。主干断层以南地区也有北西向次级断层发育，但相对于北部较少，并且控圈作用不明显(图8)。

图8 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区喜马拉雅晚期(E2之后)北东向剖面测线位置见图1。

3 关键构造期成藏响应

3.1 成藏演化过程

综合前人关于杭锦旗地区成烃、成藏的认识[32-33]和构造时序分析，结合近期油气勘探成果，将杭锦旗区块上古生界天然气成藏演化划分为3个阶段。后文中“深层”指石炭系太原组、下二叠统山西组和下二叠统下石盒子组一段，“浅层”指下二叠统下石盒子组二段、三段和上二叠统上石盒子组；“北部”指三眼井断层、乌兰吉林庙断层和泊尔江海子断层以北地区，“南部”指3条主干断层以南地区。

3.1.1 早期深层岩性古气藏形成期(晚侏罗世—早白垩世)

该时期是鄂北地区东西方向高低反转、北东高南西低基本构造面貌形成时期，同时也是烃源岩大量生烃和储层致密化时期。杭锦旗区块主干断层南部和北部均以岩性圈闭为主，天然气以沿不整合面和近东西向砂体的侧向运移为主，由南往北向构造高部位运移，富集位置受控于油气运移路径及源—砂配置，主要在南部的太原组、南部和北部山西组、盒一段岩性圈闭中聚集成藏。

3.1.2 北部构造气藏形成期、南部岩性气藏调整改造期(晚白垩世—古新世)

该时期先存的走向近北东向基底断裂重新活动，切穿沉积盖层，形成断面陡峭的北东向雁行式断裂，同时北部地区北东向构造圈闭形成。由于北部是该期构造应力集中地区，致密储层裂缝发育，导致断裂带以北地区早期聚集于山西组、盒一段岩性圈闭中的天然气发生调整，在北东向构造圈闭和构造—岩性复合圈闭中聚集。南部烃源区的天然气沿不整合面和近东西向砂体在向北高势区侧向运移过程中，遇到高陡断层后顺断层面发生纵向运移，再沿浅层的盒二段、盒三段和上石盒子组中砂体形成“阶梯式”运移，致使断层南北两侧油气主要富集层位产生差异。南部油气主要集中在深层，北部从深层到浅层均有油气分布。

3.1.3 北部构造气藏调整期(始新世—今)

杭锦旗区块东北部由于北西向构造叠加，将先存北东向构造改造成串珠状，将先期统一的NE向长轴背斜构造分割成若干较小的穹窿状背斜，致使早期气藏发生调整。由于整体伸展隆升剥蚀作用，导致部分天然气逸散。

3.2 关键构造期成藏要素与成藏响应

依据上述成藏演化过程分析，结合构造关键期及其构造(变形)特征，探讨了关键构造期成藏响应。为了便于对比，将杭锦旗地区划分为9个区块(图9)，从关键成藏期、关键改造期，从烃源距离、圈闭类型、相关断层及断层封闭性、各层系烃类富集程度、改造方式、剥蚀程度、控气因素和成藏模式等方面，分析了不同构造位置成藏要素特征、成藏演化、主控因素、油气富集的相似性与差异性。

图9 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区区块划分

3.2.1 烃源

杭锦旗地区上古生界煤系烃源岩主要分布在3条近东西向主干断层以南地区，向北逐渐尖灭，仅拉不仍地区煤系烃源岩厚度能够达到10 m。烃源岩在中侏罗世进入生烃门限，在晚侏罗世—早白垩世(第一个关键成藏期)进入大量生烃。有效烃源主要为区块南部地区烃源岩和来自杭锦旗以南地区烃源岩的远源供烃。从源—储(圈)配置看，南部的新召、乌兰吉林庙南、独贵加汗、十里加汗、阿镇均为近源；北部拉不仍区块为近源，其余的乌兰吉林庙北、浩绕召和什股豪均为远源。

3.2.2 圈闭类型

J3-K1时期，整体的岩性圈闭经过K2-E1期构造变形改造为构造圈闭、构造—岩性圈闭及岩性圈闭，使得圈闭类型多样化。南部5个区块构造圈闭很少，主要为岩性圈闭和构造—岩性圈闭。北部的乌兰吉林庙北、浩绕召区块以岩性圈闭为主，但拉不仍和什股豪区块以构造圈闭为主。构造圈闭形成对应于关键构造期(K2-E1)，与右行压扭作用相关。

3.2.3 断层开启闭合与封堵性

先前北东向基底断裂在关键构造期(K2-E1)活化，形成右行左阶雁行式压扭断层。断层的开启和闭合沿走向上存在差异，平直段断面多是闭合的，而在弯曲段断面往往为开启。乌兰吉林庙断层封闭性可能略差，以开启为主；新召地区的三眼井断裂封闭性较好；泊尔江海子断裂相关的5个区块断层的封闭性比较复杂。纵向上断层封堵性取决于地层对接关系，砂泥对接处断面能对砂层形成有效封堵。

3.2.4 裂缝发育程度

燕山晚期构造裂缝主要发育于杭锦旗区块北缘，以区域裂缝为主，加上少量褶皱缝，裂缝发育程度东北缘高于西北缘；杭锦旗中南部大部分地区区域裂缝不发育。喜马拉雅晚期，构造裂缝主要发育在杭锦旗区块东北有限范围内，裂缝发育密集程度远远低于燕山晚期。

3.2.5 关键构造期及影响

构造演化(形变)及成藏期的时空差异反映在关键构造期(关键成藏期和关键改造期)在平面上和纵向上的差别。整体上南部深层和浅层的关键成藏期比较早，为燕山早期(J3-K1)，只有阿镇地区成藏较晚，关键成藏期为燕山晚期—喜马拉雅早期(K2-E1)。北部存在2个关键成藏期，乌兰吉林庙北的深层和浅层、浩绕召浅层和什股豪深层的关键成藏期为燕山早期(J3-K1)，拉不仍浅层和什股豪浅层的关键成藏期为燕山晚期—喜马拉雅早期(K2-E1)。

天然气聚集成藏之后的改造作用以及改造方式在9个区块之间差异较大。南部的新召、乌兰吉林庙南、独贵加汗3个区块的浅层天然气存在燕山晚期—喜马拉雅早期(K2-E1)一次关键改造期，改造方式主要表现为断层裂缝改造,但这一期改造基本不影响南部其他2个区域和上述3个区域的深层天然气。北部的什股豪区域深层和浅层天然气经历了不同的改造，燕山晚期—喜马拉雅早期(K2-E1)是深层一次关键改造期，挤压构造圈闭的形成使天然气再分配；而浅层还经历了喜马拉雅期的改造，改造方式表现为北东向构造圈闭被分割。因此，由于不同地区、不同层位成藏时间的先后差异，一期构造对于某一地区、某些层系是关键成藏期，但对另外一些地区或另外层系则可能是关键改造期。杭锦旗区块普遍经历了后期的抬升剥蚀，自南西向北东方向剥蚀厚度逐渐增大，可能造成天然气的局部逸散，但整体保存条件较好。

3.2.6 天然气富集程度

天然气富集程度在平面上和纵向上具有一定规律。平面上，南部5个区块天然气主要富集在深层，北部4个区块天然气在深层和浅层均有富集。阿镇、浩绕召天然气富集效果最差，拉不仍稍好，但也仅在盒一段富集。其余6个区块天然气富集程度均较好，呈多层富集或局部富集。纵向上，深层太原组、山一段、山二段天然气富集程度较好，盒一段天然气最为富集。浅层盒二段天然气富集程度较差，仅在什股豪区域富集。盒三段富集程度优于盒二段，在乌兰吉林庙南、乌兰吉林庙北、什股豪3个区域均富集。上石盒子组天然气聚集效果最差。

3.2.7 成藏主控因素

岩性圈闭是南部地区及北部的乌兰吉林庙北地区的成藏主控因素，仅局部为岩性圈闭—断裂控气；拉不仍地区为断裂—构造圈闭控气，什股豪地区为岩性—断裂—构造圈闭联合控气。

构造关键期对应时间节点上各成藏要素及组合关系，反映了关键期构造运动对成藏要素的改造作用，揭示了构造与油气之间的“控制与响应”关系(表1)。关键成藏期和关键改造期在空间和时间上的转化，导致了气藏的形成和调整，杭锦旗地区的油气分布与富集是J3-K1和K2-E12个关键构造期作用的结果。

表1 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区构造关键期作用与成藏响应对比

4 结论

(1)鄂北杭锦旗地区印支运动以来经历了J3-K1、K2-E1、E2-现今3次重要构造活动。

(2)J3-K1是杭锦旗地区“北东高、南西低”构造格局的定型期，对应于烃源岩生气高峰和储层致密化阶段，也是岩性圈闭形成期，它是控制早期岩性古气藏的关键构造期；K2-E1是区内主要断裂活化期和北部北东向构造圈闭主要形成期，也是裂缝主要发育期，断层+砂体形成的“阶梯式”输导体系控制了北部浅层天然气的运移、聚集和分布，是又一个关键构造期，同时它也是北部深层和南部浅层气藏的关键改造期；晚喜马拉雅期北西向构造变形导致北部构造圈闭的改造，是北部(什股豪地区)第二个关键改造期。

(3)关键成藏期和关键构造期在时间和空间上叠加或转化，通过对成藏要素的差异化改造，进而影响和控制了天然气的分布和富集(贫化)。