盆地深部穹隆构造发育特征、成因机制及石油地质意义——以塔里木盆地顺北地区为例

高天，邓尚，李海英，刘雨晴，黄诚，艾合买提江·阿不都热和曼

1) 中国地质大学(北京)能源学院，北京，100083；2) 中国石化石油勘探开发研究院，北京，100083；3) 中国石化西北油田分公司，乌鲁木齐，830011

内容提要: 塔里木盆地顺北地区奥陶系碳酸盐岩中广泛发育穹隆构造。为研究盆地深部穹隆构造的发育特征、成因机制及石油地质意义，基于顺北地区高精度三维地震资料，对穹隆构造开展几何学定量解析，确定其空间分布规律及内部结构样式；结合区域构造背景及盆内构造发育特征，明确其成因机制；在此基础上，结合生产动态数据探讨穹隆构造的控储—控藏作用。研究揭示：① 穹隆构造平面形态为椭圆形至近圆形，长轴主频方向为NE40°，展布趋势主频方向为NW20°，与邻近主干走滑断裂的距离呈正态分布；② 穹隆构造发育边部逆断裂和内部环形断裂，空间表现为锥体结构，其平面投影面积与隆起幅度正相关，隆起幅度自T74界面向下逐渐变小；③ 穹隆构造与走滑断裂处于同一区域应力背景下，但其与主干走滑断裂不具有成因关系，而是受控于岩浆热流体沿次级走滑断裂的垂向侵入，引起上覆地层隆起变形；④ 碳酸盐岩地层内，穹隆构造的边界逆断裂及顶部张裂缝均可作为良好的储集空间，其中“串珠体”(储集体地震响应)分布与边界逆断裂发育部位相稳合，推测为优质储集体发育部位。本研究可以深化盆地深部穹隆构造的成因认识；同时对顺北地区甚至塔里木盆地新油气目标类型的勘探评价提供指导意义。

穹隆构造(Dome structure)是一种平面形态呈近圆形至椭圆形的特殊背斜(褶皱)构造，其长宽比通常小于3∶1，又称等轴背斜(褶皱)，规模从数千米至数百千米(曾佐勋等，2008；宋鸿林等，2013)。前人通过野外地质调查(Baer and Reches，1989；贾保江等，2006；Denèle et al., 2017；Henaish，2018；张程等，2019；Akal，2019；Fernández et al., 2019)、地球物理数据分析(Clausen et al., 1999；Stewart，2015；Geng Minghui et al., 2020)、物理模拟实验(Zulauf et al., 2016，2019)等方法针对北羌塘盆地穹隆构造、龙山穹隆构造、Samson dome、Ildr lava dome等不同区域、不同地质背景下的穹隆构造进行了系统研究，认为穹隆构造可具有复合褶皱作用、断裂相关作用、岩浆侵入作用、膏盐底辟作用等多种成因机制。现有勘探实践证实了穹隆构造具有良好的油气资源勘探前景(李伟等，2014；代登亮等，2015；许志琴等，2016)，可作为油气勘探的目标。穹隆构造研究主要以野外露头地质观测为主，盆地深部穹隆构造变形强度小、埋深大、地球物理资料精度差不易被识别，对其研究甚少。近年来，塔里木盆地深层走滑断裂领域油气勘探取得重大突破(韩剑发等，2019；漆立新，2020)，随着油气勘探逐步开展，证实位于主干走滑断裂之间、发育于中—下奥陶统碳酸盐岩地层的穹隆构造为新的油气勘探目标类型。但目前，针对该类穹隆构造发育特征及其成因机制尚无系统性研究，制约了穹隆构造控储—控藏作用研究与高效勘探开发。

本文以顺北地区穹隆构造为研究对象，利用高精度三维地震资料开展地震—地质几何学定量解析；结合研究区走滑断裂演化背景，明确顺北地区穹隆构造成因机制与发育模式；通过实际生产动态数据分析，探讨穹隆构造控储—控藏作用。本研究可以深化盆地深部穹隆构造的成因认识；同时对顺北地区甚至塔里木盆地新油气目标类型的勘探评价提供指导意义。

图1 塔里木盆地顺北及邻区下古生界断裂分布图(a)和塔里木盆地构造单元图(b) (据Deng Shang et al., 2019修改)Fig. 1 Distribution of major faults in the Lower Paleozoic in the Shunbei area and adjacent region (a) and diagram of the structural units, Tarim Basin (b) (modified from Deng Shang et al., 2019)

1 地质背景

1.1 区域地质概况

塔里木盆地顺北地区位于顺托果勒低隆，为塔里木盆地腹部相对稳定的二级构造单元，东西分别与满加尔坳陷、阿瓦提坳陷相邻，南北夹持于塔北隆起、塔中隆起之间，呈马鞍状形态(图1)(马庆佑等，2012)。研究区经历了多个构造演化阶段(图2)：新元古代晚期，塔里木地块逐渐裂解于Rodinia超大陆；震旦纪—中奥陶世，塔里木盆地整体处于伸展构造环境下的稳定沉积阶段；中奥陶世末，盆地处于伸展被动大陆边缘环境向弱挤压环境转变阶段，塔中隆起与塔北隆起开始定型，顺托果勒低隆也随之形成；晚奥陶世—泥盆纪盆地周缘大洋不断闭合，盆地整体处于挤压环境，顺托果勒低隆随两大隆起开始抬升；石炭纪—二叠纪，盆地受到周缘挤压活动影响继承性发育，顺托果勒低隆持续抬升；三叠纪开始，盆地整体受到陆内变形运动的叠加改造并持续埋深形成现今构造格局(贾承造和魏国齐，2002；何登发等，2008；安海亭等，2009；Li Chuanxin et al., 2013；李江海等，2015；Qiu Huabiao et al., 2019；邓尚等，2019；田方磊等，2020)。

图2 塔里木盆地顺北及邻区古生代地层格架及构造背景(据邓尚等，2021修改)Fig. 2 The Paleozoic stratigraphic frame and the tectonic settings of the Shunbei area and adjacent region, Tarim Basin (modified from Deng Shang et al., 2021&)

1.2 走滑断裂特征

前人研究认为，塔里木盆地演化过程中受南、北不同应力场叠加作用，控制盆内发育广泛分布的走滑断裂体系(李传新等，2009，2010；邬光辉等，2011，2021；Deng Shang et al., 2019，2021；张仲培等，2020；邓尚等，2021)。顺北及邻区走滑断裂体系以顺北5号断裂带为界，其东侧主要发育NNE(NE)方向的近平行断裂体系，而西侧主要发育NNW向近平行断裂体系(图1a)。顺北地区走滑断裂具有纵向分层、平面分段的特点：纵向分层是指T74界面上下地层存在变形差异，下部为高陡走滑段发育层，上部为雁列段发育层；平面分段是指，在T74界面相干切片中可识别出多个断面，断面的叠接部位可形成叠接拉分段、叠接隆起段，过叠接段剖面样式表现为花状构造(邓尚等，2018；刘雨晴和邓尚，2021)。前人(Han Xiaoying et al., 2017，2020；邓尚等，2018)运用古应力环境差异、地层不整合接触关系、断裂生长指数等方法，针对顺北地区走滑断裂活动期次进行分析，研究认为顺北地区走滑断裂主要经历了加里东中期Ⅲ幕、加里东晚期、海西中—晚期三期主要构造活动。

1.3 岩浆活动背景

塔里木盆地自古生代以来，先后经历了加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动及喜山运动。受多期构造运动影响，盆地内部主要发育4期岩浆活动：①受盆地裂谷作用影响，震旦纪—寒武纪经历第一期岩浆活动；②晚奥陶世—志留纪北缘发生拼贴作用，盆地经历第二期岩浆活动；③早二叠世时期，塔里木盆地进入南、北双俯冲阶段，盆内产生最大规模岩浆活动，塔里木二叠纪大火成岩省在该时期形成；④白垩纪时期塔里木盆地进入陆内演化阶段，仅在盆地边缘发生晚期小规模岩浆活动(温声明等，2005；杨树锋等，2014)。

2 穹隆构造发育特征

塔里木盆地顺北地区三维地震资料揭示，穹隆构造离散分布于中—下奥陶统碳酸盐岩地层中。本研究选取顺北地区A区、B区两块三维地震数据为研究对象(图1)，针对研究区内发育的穹隆构造进行地震—地质定量精细解析，并对A区穹隆构造几何学参数进行统计分析(表1)，明确了穹隆构造的空间分布与内部结构特征。

表1 塔里木盆地顺北地区A研究区穹隆构造几何学参数表Table 1 The geometrical parameters of the dome structures in the study area A, Shunbei area, Tarim basin

编号面积(km2)穹隆构造间距(km)邻近主干断裂长轴(km)短轴(km)长短轴比长轴方向( °)T74界面隆起幅度(m)变形层位S8QL231.199.07No. 51.470.841.75 2424T70～T87S8QL240.499.14No. 50.920.661.39 7436T70～T80平均值1.258.64 1.200.991.4540.29最小值0.190.24 .560.361.016 最大值4.1121.912.901.702.6290

2.1 穹隆构造空间分布特征

基于三维地震数据提取的相干属性图进行穹隆构造识别，A研究区T74界面中共识别出54个穹隆构造，其离散分布于顺北1断裂、顺北5断裂、顺北7断裂周围(图3a)。穹隆构造平面投影形态均表现为椭圆形至近圆形，统计结果表明长轴直径和短轴直径分别在0.56～2.90 km和0.36～1.70 km之间，长、短轴平均直径分别为1.20 km和0.99 km；长、短轴直径比在1.01～2.62之间，平均值为1.45；投影面积处于0.19～4.11 km2，平均面积为1.25 km2(表1)。穹隆构造的空间分布具有明显的优势发育方向，对其长轴方向、展布趋势(任意两个穹隆构造连线的方向)进行统计分析，结果显示(图3a，图3b)：长轴方向在NE40°具有最大分布频率，展布趋势的优势发育方向为NW20°。对54个穹隆构造与邻近主干走滑断裂的空间位置进行分析，二者平均距离为8.64 km(分布于0.24～21.91 km之间)，距离数据的统计结果呈正态分布特征，间距的最大分布频率对应值为9 km，约为走滑断裂间距的1/3～1/2(图3c)。穹隆构造的空间分布近等间距，其与邻近穹隆构造的距离同样具有正态分布特征，5～10 km间具有最大分布密度(图3d)。

2.2 穹隆构造内部结构

对穹隆构造的研究，通常以外部形态和成因机制为主，而对其内部结构鲜有精细刻画(Portal et al., 2016，2019；Glikson，2018；李智等，2019)。本研究以顺北地区A研究区SBQL3、SBQL4穹隆构造(图3a，图4a)为研究对象，通过对穹隆构造开展地震—地质精细解析，对其内部结构进行精细解剖。

SBQL3穹隆构造、SBQL4穹隆构造位于A研究区的东侧邻近顺北1断裂带(图3a)，过SBQL4穹隆构造的地震剖面中均可在其边部位置识别向下收敛的逆冲断裂，内部发育多组环形断裂，剖面中表现为包含多个断面的锥形结构样式(图4b)，SBQL3穹隆构造AFE属性剖面图揭示其表现为明显的锥体空间结构(图4c，图4d)。统计数据表明(表1)，A研究区穹隆构造变形向上部影响至T70界面(上奥陶统桑塔木组泥岩顶面)，向下影响不到T81界面(中寒武统阿瓦塔格组膏盐顶面)，主要发育于中—下奥陶统。

地震剖面清晰地揭示了其纵向结构(图4d)，对过SBQL3穹隆构造AFE属性剖面图不同层位进行分析，结果显示穹隆构造隆起幅度由浅部向深部逐渐变小，T74层位具有最大的隆起幅度，至T81层位已无明显弯曲特征。T74界面隆起幅度处于6～90 m之间，平均隆起幅度为26.86 m，投影面积处于0.19～4.11 km2之间，平均面积为1.25 km2。对A研究区内54个穹隆构造的隆起幅度与投影面积大小进行统计分析，拟合结果表明穹隆构造在T74界面的投影面积与隆起幅度具有正向关系(图5a)，随着隆起幅度的增加，穹隆构造投影面积逐渐增大(图3a，图5b)。

3 穹隆构造成因机制

穹隆构造的形成受区域应力背景、岩浆活动、底辟作用，断裂带形成演化等多种因素影响。Paterson等(1999)利用地质统计方法，针对岩体与断裂带空间距离进行分析，利用分布频率来确定断裂带对岩体形成、分布是否存在控制作用。顺北地区构造相对稳定，同时大量发育的走滑断裂可为岩浆侵入提供重要通道。因此，判断走滑断裂对穹隆构造形成的控制作用可以明确其成因机制。

图3 塔里木盆地顺北地区A研究区穹隆构造分布图(a)、穹隆构造长轴方向与展布趋势统计图(b)、穹隆构造与断裂带间距统计图(c)和穹隆构造间距分布图(d)Fig. 3 Distribution map of dome structures (a), statistics diagram of the long axis direction and distribution trend of dome structures (b), statistics diagram of the distance between dome structures and fault zones (c) and distribution diagram of dome structures interval (d) in the study area A, Shunbei area, Tarim Basin

图4 SBQL3、SBQL4穹隆构造位置图(a；位置见图3a)；过SBQL4穹隆构造地震剖面图(b)；穹隆构造锥体空间结构图(c)和过SBQL3穹隆构造AFE属性剖面图(d)Fig. 4 SBQL3, SBQL4 dome structure location map (a; position see fig. 3a), SBQL4 dome structure seismic section (b), dome structures cone spatial structure diagram (c) and SBQL3 dome structure AFE attribute profile (d)

本研究针对A研究区采用空间距离的地质统计方法，分析主干走滑断裂(顺北1断裂、顺北5断裂、顺北7断裂)对穹隆构造形成的控制作用，统计结果表明穹隆构造与临近主干走滑断裂距离呈正态分布，拟合结果表明距主干走滑断裂7～11 km的区间内分布较为集中，与模型1分布趋势相吻合(图3c，图6)，表明主干走滑断裂的发育对穹隆构造的形成无明显控制作用。

顺北地区除主干走滑断裂带外，同时伴生发育了大量次级走滑断裂，由于该地区主干走滑断裂具有滑移距小的特点(邓尚等，2021)，主干走滑断裂高陡走滑段普遍发育至T74界面(碳酸盐岩地层顶)，而多数次级走滑断裂发育程度低于主干走滑断裂，其发育基本终止于碳酸盐地层内部。A研究区可识别出NE向、NW向两组次级走滑断裂(图3a)，穹隆构造的长轴优势方向(NE 40°)、展布趋势主频方向(NW 20°)分别与NE向、NW向次级走滑断裂近平行。对B研究区T74、T82、T90层位进行断裂精细解析，识别出NE向主干走滑断裂及NEE向次级走滑断裂(图7a)，通过垂向叠合发现穹隆构造与深部(T82、T90界面)次级走滑断裂具有纵向对应关系，穹隆构造多沿次级断裂带或次级断裂相交位置分布，分布特征与模型2分布规律相对应(图6)。通过统计分析发现，平面上穹隆构造的长轴优势方向、展布趋势主频方向分别与NE向、NW向两组次级走滑断裂平行，且穹隆构造多沿次级走滑断裂分布，纵向上穹隆构造与深部次级断裂垂向叠置，表明次级走滑断裂的发育特征控制着穹隆构造形态与空间分布规律，揭示深部次级断裂对穹隆构造的形成具有明显的控制作用。

图5 T74界面穹隆构造的投影面积与隆起幅度拟合图(a)与过穹隆构造地震剖面(b; 平面位置见于3a)Fig. 5 Fitting diagram of the projected area and uplift amplitude of dome structures at T74 interface (a) and seismic section of cross-dome structures (b; position see fig. 3a)

图6 穹隆构造与断裂分布模式图(据Paterson et al., 1999修改)Fig. 6 Diagram of dome structures and faults distribution pattern (modified from Paterson et al., 1999)

图7 塔里木盆地顺北地区B研究区穹隆构造与深部断裂叠合图(a)和穹隆构造内幕结构及侵入岩特征(b)Fig. 7 Overlay diagram of dome structures and deep faults in the study area B，Shunbei area, Tarim basin (a) and the inner structure of the dome structures and the characteristics of intrusive rocks (b)

走滑断裂带附近岩浆—热流体活动时，岩浆可沿断裂上侵在地表形成喷出岩，部分侧向运移至围岩形成侵入脉体(Cao Shuyun et al., 2011；Cao and Neubauer，2016；吴婵等，2016)。顺北地区广泛分布的走滑断裂可为深部岩浆活动提供上升的优势通道，岩浆可沿走滑断裂纵向发育至喷出地表或横向侵入层间薄弱面形成碟形岩床(马中远等，2013)。目前，针对顺北地区穹隆构造已部署多口钻井，以S8BQL8穹隆构造为目标的W4井在其内部钻遇侵入岩浆岩(图7b)，W4井在8446 m和8448 m的岩心薄片经鉴定识别为间粒结构玄武岩和斑状结构英安岩，取样点位于穹隆构造底部，表明其经历过岩浆活动，揭示穹隆构造与岩浆活动存在成因联系。

主干走滑断裂普遍发育至碳酸盐岩顶部及以上层位，岩浆沿其侵位至碳酸盐岩顶部，继续上侵至碳酸盐岩以上地层形成碟形岩床，故沿主干走滑断裂侵入的岩浆与穹隆构造不存在成因关联。而次级走滑断裂发育于碳酸盐岩内部，岩浆上侵终止于其顶部(碳酸盐岩内部)，在其顶部薄弱处继续点状入侵，产生垂向挤压作用引起上覆地层隆起变形，在碳酸盐岩地层内形成锥形穹隆构造。受上覆桑塔木组泥岩层控制，隆起变形的影响层位均在T70界面(桑塔木组泥岩顶面)以下。

地震剖面揭示穹隆构造隆起变形可发育至T70界面(奥陶系顶面)，说明控制其变形的岩浆活动发生于奥陶纪沉积之后；而岩浆侵位时间通常晚于断裂带的形成(Paterson and Schmidt，1999)，顺北地区走滑断裂开始活动时间在加里东中期Ⅲ幕(晚奥陶世末)(邓尚等，2018)，故穹隆构造形成时间应晚于奥陶世。在海西中—晚期，顺北地区走滑断裂处于斜拉(张扭)环境下，是岩浆发育的理想应力场环境(刘雨晴和邓尚，2021)。前人对顺北地区岩浆岩进行研究，在上奥陶世—泥盆纪地层、二叠纪地层中均识别出岩浆侵入标志(王磊等，2018；肖重阳等，2020)，塔里木盆地在早二叠世经历了最大规模岩浆活动。因此，推测穹隆构造的形成时间晚于奥陶世，可能受控于二叠纪大规模岩浆活动。

综上分析，初步认为穹隆构造与走滑断裂处于同一区域应力背景下，其形成应受控于岩浆热流体沿先存次级走滑断裂(薄弱面)的垂向活动，导致上覆地层受到垂向挤压而形成锥形穹隆构造(图8)。

图8 穹隆构造发育模式图Fig. 8 The development pattern diagram of dome structures

4 穹隆构造石油地质意义

顺北地区下寒武统玉尔吐斯组为主要烃源岩(漆立新，2020)，穹隆构造发育于中—下奥陶统碳酸盐岩地层，其形成过程中产生的边界断裂和顶部张裂隙破碎形成储集空间，上奥陶统巨厚层泥岩封闭性良好，油气可通过次级断裂垂向输导至穹隆构造内部富集成藏。针对穹隆构造部署的W1井、W2井、W3井勘探均获得工业油气流(表2)，勘探实践证实穹隆构造具有底部供烃、垂向输导、破碎成储、泥岩封盖的成藏条件，具有良好的油气勘探前景。

表2 塔里木盆地顺北地区穹隆构造钻井产能表Table 2 Drilling productivity of dome structures in Shunbei area, Tarim Basin

顺北地区穹隆构造的形成受控于深部岩浆热液沿次级走滑断裂垂向活动，岩浆侵入至次级走滑断裂顶部(即穹隆构造底部)后沿断裂带薄弱处点状发育，对上覆地层产生垂向挤压作用形成锥形穹隆构造并伴生穹隆边界逆断裂和顶部张裂缝，可使碳酸盐岩地层产生隆起变形并破碎形成储集空间，同时岩浆热液也可对储层产生一定的改造作用(杨宁等，2005)。边部逆断裂在地震剖面中可清晰识别，而对于顶部张裂缝的发育特征及形成机制，受限于地震资料的精度而尚未明确，有待进一步研究(Withjack，1982；Sims et al., 2013)。

振幅变化率属性图可用于预测碳酸盐岩储层发育位置和规模(刘群等，2013)，缝洞型碳酸盐岩储层在地震资料中表现为“串珠”状反射特征(简称串珠体；王璐瑶等，2017；马乃拜等，2019)。提取A研究区东侧穹隆构造主要发育层位(T74界面)的振幅变化率属性图，并叠加穹隆构造平面展布位置(图9a)，发现串珠体与穹隆构造的发育位置吻合度高良好，且串珠体主要分布在其边部逆断裂发育部位(图9中红黄色斑状位置)。同时，A研究区东侧T74界面穹隆构造负曲率与串珠体分布叠置图揭示，串珠体多分布在穹隆构造边缘负曲率较大部位，而非中心正曲率较大部位(图9b)，即串珠体多出现在边界逆断裂附近，由此推测边界逆断裂为优质储集体发育位置。

图9 穹隆构造与均方根振幅变化率属性叠置图(a)与穹隆构造与负曲率属性叠置图(b)Fig. 9 Overlay diagram of dome structures and root mean square amplitude change rate attribute (a) and overlay diagram of dome structures and negative curvature attribute(b)

图10 穹隆构造油气成藏模式图Fig. 10 Diagram of the petroleum accumulation model of dome structures

穹隆构造具有完整的生储盖组合，即玉尔吐斯组烃源岩，穹隆构造断控储集空间，桑塔木组泥岩盖层，与走滑断裂带类似，深部次级走滑断裂可沟通源—储，油气沿断裂运移至穹隆构造内部储集空间形成油气藏(图10)。此外岩浆活动还可加速烃源岩生排烃、改善油气运移通道、促进油气富集成藏(张旗等，2016)。因此，顺北地区深部穹隆构造具有良好的成藏条件与油气勘探潜力，可以作为顺北地区走滑断裂之外的勘探目标新类型。

5 总结

(1) 穹隆构造平面形态为椭圆形至近圆形(长短轴比为1.01～2.62)，长轴主频方向约为NE40°，展布趋势主频方向为NW20°。穹隆构造近等间距分布且与邻近走滑断裂的距离呈正态分布，距走滑断裂7～11 km处分布密度最大。

(2) 穹隆构造发育于奥陶系中，其地震剖面显示发育边部锥形逆断裂和内部环形断裂，空间表现为锥体结构，平面投影面积与隆起幅度正相关，T74界面(主变形层位)向下隆起变形逐渐减弱。

(3) 穹隆构造在主干走滑断裂附近分布密度无增大趋势，其时空分布与深部NE向、NW向次级走滑断裂近平行且垂向叠合，且在其内部钻遇岩浆岩。综上认为穹隆构造与走滑断裂活动处于同一区域应力背景下，其形成与主干走滑断裂不具有成因关系，而受控于岩浆热流体沿次级走滑断裂的垂向侵入，引起上覆地层受到垂向挤压而上拱形成锥形穹隆构造。

(4) 岩浆侵入使上覆地层受垂向的挤压作用，穹隆构造产生的边界逆断裂和顶部张裂缝均可引起碳酸盐岩地层破碎形成良好的储集空间。“串珠体”(储集体地震响应)分布与边界逆断裂位置(边缘负曲率较大部位)相稳合，推测认为边部位置可作为优质储集体发育位置。

致谢：本文在构思与撰写过程当中，中国石化西北油田分公司漆立新教授和云露教授给予了重要的理论指导；中国石化西北油田分公司刘军高级工程师、韩俊高级工程师、龚伟高级工程师等专家对本文涉及的生产数据及资料处理等方面给予了大量支持；审稿专家对本文提出了宝贵的修改建议，在此一并致谢！