库车坳陷北部构造带断裂活动及油气成藏意义

赵光杰李贤庆刘满仓董才源李谨刘洋肖中尧

1. 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083；2. 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083；3. 中国石油勘探开发研究院,河北廊坊 065007；4. 中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院,新疆库尔勒 841000

库车坳陷是我国“西气东输工程”的重要天然气基地。历经50 多年勘探,在库车坳陷东部的迪北斜坡带上发现了迪北气藏[1]、吐孜洛克气藏[2],在吐格尔明隆起带上发现了吐东2 油气藏[3],展示了良好的勘探潜力。但总体来看,库车北部构造带油气勘探程度低,探井相对较少,研究程度较低。

断裂的发育过程对油气的运移、聚集以及油气藏的破坏均起着至关重要的作用[4-11]。库车坳陷北部构造带受复杂的构造活动影响,形成了多条北倾逆冲断层和褶皱[12]。贾茹等[13]、付广等[14-15]认为库车坳陷的断裂不仅是油气散失的通道,也是油气运移和聚集的输导通道,它们控制着油气的聚散和分布。付广等[15]、孙雄伟等[16]和冯建伟等[17]认为逆断层及相关褶皱促进了裂缝的发育。徐振平等[18]、何登发等[19]和魏红兴等[20]对库车坳陷的构造变形特征及规律进行了研究。许多学者认为,断裂活动时间为喜马拉雅早期(65.0 ～23.3 Ma)、中期(23.3 ～5.2 Ma)、晚期(5.2 ～1.64 Ma)以及第四纪[20-22]。然而,目前对于库车坳陷北部构造带断裂活动期次及其对油气运移和聚集的影响研究还较少。

由于断裂活动时间长且多期次的叠加,导致断裂构造复杂,将会影响油气运聚及成藏分析。笔者采用生长指数剖面法、典型剖面伸展(压缩)率和构造平衡剖面法3 种方法,深入分析库车坳陷北部构造带断裂发育特征和断裂活动期次,进而剖析断裂对油气的运移、聚集和破坏作用,以期对油气成藏过程的分析提供借鉴。

1 地质概况

库车坳陷在塔里木盆地北部,受新生代构造挤压应力而形成,其类型属于再生前陆盆地,北部紧邻天山造山带南界。库车北部构造带位于库车坳陷北部,其构造单元主要包括巴什构造带、北部斜坡带、迪北斜坡带以及吐格尔明构造带(图1)。

图1 库车坳陷北部构造带位置Fig.1 Location map of tectonic belt in northern Kuqa Depression

库车坳陷北部构造带地层有三叠系、侏罗系、白垩系、古近系和第四系碎屑沉积。上三叠统黄山街(T3h)组的湖相泥岩和中、下侏罗统的煤层、碳质泥岩和湖相泥岩构成了主要的烃源岩[23-24]。有利储层包括侏罗系阿合组(J1a)、阳霞组(J1y)、白垩系巴什基奇克组(K1bs)、古近系苏维依组(E3s)和库姆格列木组(E1-2km)、新近系吉迪克组(N1j)、康村组(N1k)、库车组(N2k)底部砾岩。中生代侏罗系和白垩系盖层以泥岩为主,在整个盆地中广泛分布。新生代盖层主要为E1-2km和N1j,以石膏层和盐层为主(图2)。

图2 库车坳陷北部构造带地层综合柱状图（据文献[12]修改）Fig.2 Comprehensive column chart of strata in northern Kuqa Depression

2 断裂发育特征

2.1 断裂系统划分

库车坳陷北部构造带充填的沉积层序中有一个重要构造层序界面,是白垩系底界面(TK)。TK 反射界面是强烈构造挤压活动后形成的局部不整合面,其特点是范围大、识别特征明显。基于这个一级构造层序界面,在剖面上将沉积层序划分为2 个构造层,即由侏罗系组成的盆地构造层和由白垩系、古近系、新近系和第四系组成的盆地构造层。根据断裂对地层切割的特征,以TK 反射层为界可以将断裂划分为早期和晚期两套系统(图1、图3)。

图3 库车坳陷北部构造带断裂系统及类型划分（剖面位置在图1 中AB 剖面）Fig.3 Fault system and classification of tectonic belts in northern Kuqa Depression

2.2 断裂发育类型及特征

依据断裂的运动学特征及其与地层的关系,可将库车坳陷北部构造带发育的断裂划分为早期逆冲断层、晚期逆冲断层和长期活动断层3 种类型。与构造应力相关的断裂变形期次、演化过程及序列会导致不同类型断裂的形成[25]。

中生代以来,库车坳陷被天山造山带的强烈构造活动挤压。这种挤压应力来源于欧亚大陆和印度板块间的碰撞,导致库车坳陷北部山前构造带逆冲作用强烈,从而形成大规模的中生界和新生界逆冲带[26]。

2.2.1 早期逆冲断层

早期逆冲断层是库车坳陷北部构造带形成过程中发育在TJ1a-TK 反射界面之间的断层。主干断裂走向主要有NEE 向、NWW 向、近EW 向。NEE 向断裂在巴什构造带、迪北构造带、吐格尔明构造带均有分布,NWW 向断裂主要分布在吐格尔明构造带,近EW 向断裂主要分布在巴什构造带和迪北构造带。

2.2.2 晚期逆冲断层

晚期逆冲断层是库车坳陷北部构造带形成过程中发育在TK 反射界面之上的断层。主干断裂走向主要有NEE 向、NWW 向,且主要分布在迪北构造带和吐格尔明构造带。

2.2.3 长期活动断层

长期活动断层是指由基底向上断至吉迪克组(N1j)及以上地层的断层。断层走向以NEE 向和近EW 向为主,主要发育于迪北构造带和吐格尔明构造带,是库车坳陷北部构造带油气成藏的主控断层类型之一。

3 断裂活动时期的确定

断裂活动时期可以通过多种研究方法获得,如剖面的伸展率/压缩率变化[27]、生长指数[28]、构造平衡剖面法[29-31]等。每种方法都能反映断裂活动时期,但都有其局限性和片面性。因此,本文采用3 种方法联合反映库车坳陷北部构造带的断裂活动时期,增加结果的可靠性。

3.1 典型生长指数剖面法

断裂生长指数的大小可以反映断裂的形成时期及其活动强度[26,32]。断裂的生长指数剖面表明:依奇克里克构造带断裂活动具有明显的差异,但总的规律是E1-2km、N1j、N1k、N2k期断裂生长指数较大,对应依奇克里克构造带的强烈构造运动阶段,如图4(a)所示；吐格尔明构造带与依奇克里克构造带类似,断裂活动具有明显的差异,总的规律是E1-2km、N1j、N1k期断裂生长指数较大,对应吐格尔明构造带的强烈构造运动阶段,如图4(b)所示；巴什构造带断裂活动也具有明显的差异,总的规律是E1-2km、N1j、N1k、N2k期断裂生长指数较大,对应巴什构造带的强烈构造运动阶段,如图4(c)所示。

图4 库车坳陷北部不同构造带断裂生长指数剖面Fig.4 Fracture growth index profiles of different tectonic belts in northern Kuqa Depression

3.2 典型剖面伸展（压缩）率法

典型剖面伸展(压缩)率法是研究断裂活动强度的重要方法之一。它的原理是,选取可以覆盖全区的典型剖面,假定地质体遭受到外界应力的作用,平面应变或剖面面积守恒,计算剖面伸展(压缩)率[33-34]:

在库车坳陷北部构造带选取了3 个剖面,并对这3 个剖面的伸展(压缩)率进行了计算和分析(图5)。图5 表明,E、N1j、N1k、N2k、Q 伸展率约为2% ～2.5% ,而压缩率为1.5% ～12% 。由此可知,库车坳陷北部构造带的断裂主要活动时期为E、N1j、N1k、N2k、Q 沉积时期。

图5 库车北部构造带典型地质剖面各时期伸展（压缩）率Fig.5 Extension （compression） rate of typical geological profile in northern Kuqa tectonic belt in each period

3.3 构造平衡剖面法

构造应力对地层的影响在水平方向上表现为地层的伸缩。平衡剖面法可以用来定量恢复不同地质时期剖面的几何形态[35-36]。库车北部构造带代表性的构造演化史剖面(图6,据滕学清等[37]修改)表明,三叠纪(T)至古近纪(E)期间,断裂较少,且地层压缩变形幅度较小,断裂在该时期活动强度较小；而从吉迪克组沉积期(N1j)至康村组沉积期(N1k),断裂开始增加,加之地层压缩变形幅度较大,所以断裂在该时期活动强度较大；库车组时期(N2k)至第四纪沉积期(Q),由于喜马拉雅运动中后期构造运动强烈,造成断裂数量大量增加,是坳陷断裂活动的重要时期。因此,由吐格尔明东部构造演化剖面可知,库车坳陷北部构造带断裂活动时期主要为N1j、N1k、N2k、Q 沉积期。

图6 吐格尔明东部构造演化剖面（图1 中CD 剖面）Fig.6 Tectonic evolution profile of eastern Tugeerming

3.4 断裂主要活动时期综合判定

综合以上3 种方法研究的断裂活动时期结果表明,不同的研究方法判定的断裂活动时期会有一定的差异,但是主要的断裂活动时期是大致相同的(图7)。由此得出,库车北部构造带断裂活动时期有5 期,分别为E、N1j、N1k、N2k、Q 沉积期,而关键期为N1j、N1k、N2k,原因是其活动时期与生排烃时期匹配度较好。

图7 库车北部构造带断裂活动时期综合判定Fig.7 Comprehensive judgment of fault activity period of northern Kuqa structural belt

4 断裂形成及演化与油气成藏的关系

盆地中油气的运移和聚集受多种石油地质因素控制。在前陆盆地中,断裂的发育与演化对油气的运移和聚集起关键作用[31,38-39]。学者的实践和研究结果表明:盆地中构造的形成及演化不仅控制了沉积过程,而且也是油气成藏的关键影响因素,断裂沟通了烃源岩与储层,是油气生成、运移以及聚集的重要通道[31,40-42]。此外,构造发育过程中,对油气的聚集场所(圈闭)的形成也有重要的促进作用,如构造可以促使背斜圈闭的形成[39]。

4.1 断裂对烃源岩的影响

库车北部构造带克孜勒努尔组(J2kz)沉积受断裂的影响较大,断层的上盘厚度与下盘厚度具有较大差异,受白垩纪(K)强烈逆冲构造运动的影响,导致J2kz烃源岩沉积厚度较大。

4.2 断裂与多类型圈闭的形成

库车坳陷北部构造带经历了燕山运动和喜马拉雅运动叠加的构造演化历程,在强烈逆冲构造作用下形成很多褶皱圈闭、地层不整合圈闭、岩性尖灭圈闭(图8),其中褶皱圈闭数量最多[43]。

图8 库车北部构造带圈闭类型Fig.8 Trap type diagram of the northern Kuqa Structural Belt

断裂不但影响圈闭的形成,而且其运动过程对圈闭的平面和纵向的分布也有明显的控制作用,断裂逆冲构造运动形成的构造背斜的轴向与断裂的走向基本一致。另外,断裂晚期(喜马拉雅运动晚期)使圈闭最终定型[44]。由于逆冲作用导致的局部扭压应力致使圈闭的构造幅度得到强化,因此圈闭的有效性得到提高。

4.3 断裂活动与生排烃时期的匹配关系

研究表明,断裂未活动时渗透率较低,可以起封闭作用,而在活动期,断裂的渗透率及流体势增高,起开启作用[45]。库车坳陷北部构造带中生界烃源岩(三叠系中上统和侏罗系中下统)主生排烃期在新近纪(N1j)至今(图9)。

图9 表明,烃源岩的生烃高峰略早于断裂活动的时间,但是,断裂活动的时期与烃源岩的排烃高峰期大致吻合,反映了研究区烃源岩的主生排烃期与断裂活动期的匹配关系较好[43]。

图9 库车坳陷北部构造带断裂活动时期与三叠系-侏罗系大量生烃时期匹配关系（据付广等[46]修改）Fig.9 Matching relationship between fault active periods and large amount of hydrocarbon generation periods of Triassic-Jurassic in the northern structural belt of Kuqa Depression

4.4 断裂活动与油气运移通道

断裂活动期与油气运移时期匹配时,油气才能在断裂通道中有效地运移和聚集。相关学者研究表明,库车坳陷北部构造带发生过2 次油气运移,即早期的油运移(N1j)和晚期的气运移(N2k)[41-42]。吉迪克组(N1j)沉积时期和库车组(N2k)沉积时期的断裂活动与烃源岩的生排烃时期的匹配关系良好。在N1j时期,三叠系烃源岩大量生油,同时断裂处于活动时期,所以生成的油沿着断裂在阿合组储层充注；在N1k时期,三叠系和侏罗系烃源岩大量生气并沿活动断裂在阿合组储层充注,如依南2 油气藏,推测此时依南4 和依深4 井也有油气；然而,在N2k时期,断裂活动不只会促进油气的运移和聚集,也会因断层断至地表导致油气的散失。如依南4 和依深4井,含油气系统与依南2 井类似,但是却只有少量的油气保存下来,最可能的原因是断裂活动破坏了该井的盖层并且油气沿着“通天断层”直接运移至地表(图10)。地表附近发现大量油苗可以证明油气运移至地表。另外,由于断裂原因导致盖层上升而被剥蚀,也是油气未能大量保存的原因之一[41-42]。

图10 库车坳陷北部构造带断裂输导油气模式（图1 中AB 剖面）Fig.10 Oil-gas transport model of faults in the northern structural belt of Kuqa Depression

5 结 论

本文采用剖面伸展(压缩)率法、生长指数法、构造平衡剖面法对断裂的活动时期进行确定,并分析了其对油气成藏的影响,主要结论如下:

(1) 库车坳陷北部构造带断裂发育早期逆冲断层、晚期逆冲断层、长期活动断层3 种类型。断裂走向主要有NEE 向、NWW 向、近EW 向。

(2) 综合生长指数法、伸展(压缩)率法、构造平衡剖面法反映的断裂活动时期是大致相同的,分别为E、N1j、N1k、N2k、Q 沉积期,其中关键期为N1j、N1k、N2k。

(3) 断裂活动会对烃源岩的沉积厚度产生影响,导致J2kz组烃源岩沉积厚度变大,并有利于油气成藏条件(圈闭)的形成,如褶皱圈闭、地层圈闭、岩性圈闭,其中褶皱圈闭数量最多；断裂活动期(N1j、N1k、N2k)与烃源岩的主生排烃期(E、N1j、N1k、N2k)匹配关系良好；断裂活动不只有利于油气的生成和聚集,如依南2 油气藏,也会使成藏保存条件被破坏,从而导致油气逸散至地面,如断裂对依南4 井和依深4 井的破坏。