四川盆地高石梯—磨溪地区走滑断层识别

2022-06-11邱泽华钱妤婕

石油地球物理勘探 2022年3期

邱泽华周路*② 陈骁关旭吴勇② 钱妤婕

(①西南石油大学天然气地质四川省重点实验室，四川成都 610500； ②西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500； ③中国石油西南油气田公司勘探开发研究院，四川成都 610041)

0 引言

近年来，四川盆地高石梯—磨溪地区二叠系栖霞组不断发现天然气，油气勘探潜力巨大。以往认为高石梯—磨溪地区属于川中稳定地块，通常将发育的区域断层简单归类为正断层[1]。随着油气勘探的深入，揭示川中地区发育走滑断层。黎荣等[2]引入塔里木盆地“断溶体”概念，认为在川中中二叠统普遍发育断溶体；杨平等[3]、杨柳等[4-5]根据曲率属性分析，认为四川盆地发育的柱状凹陷异常体为走滑断层控制的构造拉分和热液溶蚀作用下的产物；丁博钊等[6]认为高石梯地区震旦系岩溶塌陷体受走滑断层及热液作用控制；蒋裕强等[7]认为深大基底断层对热液白云岩的形成具有积极意义。但是，目前多将走滑断层作为结论使用，而对于走滑断层本身的特征研究较少，仅有马德波等[8]从构造角度对走滑断层开展分析工作。

相较于正断层和逆断层，走滑断层断距小、层位错动不明显、构造特征复杂，仅根据地震剖面和时间切片识别走滑断层难度大。因此，需要应用地球物理方法，从地震、地质等多种角度才能更准确地识别走滑断层。李海英等[9]利用倾角导向技术增大断层的地震反射强度，以提高断层识别效果；刘群等[10]利用相干体和蚂蚁体技术识别了碳酸盐岩地层中的走滑断层；司文朋等[11]利用物理模拟的方法建立走滑断层的响应模式；李树珍等[12]运用曲率分析技术识别走滑断层。上述方法在不同研究区均获得了较好的效果，但倾角导向和相干等技术多用于伴有较强地层错动的走滑断层识别；曲率属性和蚂蚁体技术等可以同时识别多种尺度断层，但需要对断层性质加以区分；物理模拟方法则较为直观，但多基于受力条件简单的理想情况，存在模拟材料与实际岩层物理性质之间有差别且效率较低的缺点。因此，针对不同研究区的走滑断层的识别，需要优选最适合该区的地震属性或地球物理方法。

为了准确识别高石梯—磨溪地区走滑断层，本文在分析力学机制基础上，综合分析走滑断层的横向、纵向构造特征，建立研究区栖霞组走滑断层的构造样式；对比、分析多种地震属性，从而优选最适合本区走滑断层识别的地震属性；最终在构造样式的指导下，利用优选属性，完成走滑断层的准确识别。

1 技术方法

1.1 技术路线

高石梯—磨溪地区走滑断层识别的技术路线如图1所示。首先，在研究区构造地质背景分析基础上，确定走滑断层发育背景；其次，在力学机制的指导下，利用钻井、地震资料，结合剖面、平面构造特征，建立走滑断层构造样式(模型)；然后，优选并利用最适合该区域走滑断层识别的地震属性，依据构造样式，完成走滑断层的识别。

图1 走滑断层识别技术路线

1.2 地质背景分析

高石梯—磨溪地区位于四川盆地川中古隆起东部的平缓构造带，是上扬子地区残留的最稳定地块[13]。在加里东期兴凯地裂运动的强烈拉张作用下，震旦纪—寒武纪发育一系列张扭断层。二叠系栖霞组沉积时期，该区处于相对稳定的环境[14-16]，在海西期峨眉地裂运动北东—南西向拉张应力作用下，伴随走滑效应[17-18]。同时，重新激活了部分先存断层，使栖霞组内断层具有继承性，表现出与下伏地层类似的断层发育特征(图2)。

图2 高石梯—磨溪地区走滑断层发育特征

1.3 走滑断层构造样式

1.3.1 力学机制

明确形成走滑断层的力学机制对走滑断层构造样式建立具有指导作用。根据受力模式的不同，走滑断层的形成可以分为纯剪机制和单剪机制。其中，纯剪机制符合安德森破裂准则和库伦破裂准则，在平面上形成一组共轭的、左旋和右旋互补的走滑断层，两条断层的锐角夹角指向压缩方向(图3a)。单剪机制符合里德尔剪切模式，是一种旋转应变模式，主要形成五组断层(图3b)[19]：①R剪切(里德尔剪切)，与主走滑断层滑移方向相同且与其小角度相交的断层，一般称为羽状构造； ②R′剪切(共轭里德尔剪切)，与主走滑断层滑移方向相反且成大角度相交； ③P剪切，与R剪切相对于主走滑断层大致对称，滑移方向与主走滑断层一致； ④T断层(局部张性断层)，与主位移带呈45°相交，一般延伸较短，主要由垂直最小主应力方向拉张形成； ⑤Y剪切，与主走滑断层平行的断层。

图3 走滑作用纯剪机制和单剪机制模式图

研究区走滑断层的形成主要为里德尔剪切模式的单剪机制。以F2断层(图4)为例，可见的里德尔剪切断层主要有以下几种：①R剪切，主要在F2断层的尾端(Z1区)，分支断层与主断层呈小角度相交(夹角多为10°～20°)，并且呈羽状分布； ②P剪切，处于F2断层尾端(Z2区)，与R剪切大致对称分布，断层线呈一定弧度弯曲，分支断层呈马尾状分布； ③Y剪切，与主干断层走向平行，延伸距离较短，在走滑断层中部(Z3、Z4区)较为多见。

1.3.2 构造样式

走滑断层的构造样式主要有花状构造(包括压扭性的正花状构造和张扭性的负花状构造，以及多期走滑作用叠加形成的“花上花”构造)、雁列构造、线状直立构造、马尾构造、羽状构造、辫状构造等。

图4 F2走滑断层分布图底图为栖霞组底曲率属性；红框为走滑断层发育区，蓝框为走滑分支断层发育区

(1)花状构造。是走滑断层特有的构造样式，产状上缓下陡，下部可延伸至基底，顶部因应力释放而成“花状”[20]。因应力类型的不同，可分为压扭性的“正花状”构造和张扭性的“负花状”构造。研究区在张扭作用下，顶部地层呈下凹形态，多发育类似地堑状的“负花状”构造(图5a～图5c)。

另外，兴凯地裂运动导致震旦系—寒武系发育一期花状构造[21]，其后的峨眉地裂运动导致二叠系发育第二期花状构造，从而形成多期花状构造叠合的“花上花”构造(图5d)。

(2)“Y”字型、反“Y”字型构造。当主断层的拉张作用较强时，其分支断层也可向上错断较多层位，形成大型的地堑构造，表现为“Y”字型或反“Y”字型构造样式(图5e～图5g)。该类构造中，拉张作用强于走滑作用，以发育正断层为主，平面上可表现为走向相互平行的两条断层，如F3断层与其分支断层形成“Y”字型构造(图5e、图5f)； F18、F19断层之间形成反“Y”字型构造(图5g)。

图5 研究区走滑断层构造样式

(3)线状构造。一般发育在走滑作用较弱的位置，剖面上表现为层位错动小，以扰动为主，断层角度大(图5h)。

(4)辫状构造。走滑断层在强烈滑动、拉分作用下所形成，在平面上通常表现为一系列小断层相互错断，小断层交织之间可见拉分形成的菱形或近椭圆形区域(图6)；剖面上可见由于拉分作用形成的地层下凹或垒堑构造(图5b)。多个小断层相接可形成延伸较长的辫状构造，并具带状分布，形成较大规模的破碎带。

图6 F4辫状构造(红框内)分布特征底图为栖霞组底曲率属性

(5)马尾构造。主要形成于走滑断层末端，走滑作用减弱，应力发散，沿主断层延伸方向形成一系列发散状小断层。平面上小断层一般延伸距离较短，延伸方向与主断层呈一定夹角，多个小断层在平面上组合形成马尾状(图4中Z2区域)。马尾构造发育区易形成裂缝，为浅层地下水下渗和深层热液上涌提供有利条件。

(6)雁列构造。走滑断层应力向上释放，在顶部应力发散而成。在剖面上可见地层呈上凸(图7a栖霞组内部)或下凹(图7b栖霞组、茅口组内部)形态，还可发育多个雁列形成的花状构造。雁列构造中，断层在老地层(筇竹寺组)中大多呈线性延伸(图8a)，浅层(栖霞组)则变为一系列走向一致、斜向排列的小断层(图8b)。根据小断层的排列方向，研究区雁列构造主要为右阶排列。

图7 F7(a)与F13(b)断层剖面特征剖面位置见图8、图13

图8 F13断层平面特征(a)筇竹寺组底曲率属性切片； (b)栖霞组底曲率属性切片红框内为断层所在位置

1.3.3 海豚效应和丝带效应

海豚效应和丝带效应均是识别走滑断层的重要标志。

海豚效应是指在沿走滑断层走向上、下盘的相对位置发生变化，但断层倾向不变[22]，即可以在一条剖面上显示为正断层，而在另一条剖面上显示为逆断层。这是由于走滑断层线大多具弯折特征，走滑作用可在一点表现为挤压，而在另一点表现为拉张，使同一条走滑断层在不同位置发育正、逆两种不同性质的断层。以F3断层为例，以断层走向发生明显改变之处为分段点，可将F3断层分为四段(图9中H1～H4段)。由F3断层在不同位置的地震剖面可见，H1、H3、H4段在中二叠统中发育正断层，H2段发育逆断层(图9)，呈现海豚效应。

按照受力分析(图10)，当F3断层受到右行应力作用时，可在H2段将应力分解为沿断层走向和垂直于断层走向的两个分量，此时断层左、右两侧垂直于走向的分力显示为挤压作用，在此处易发育逆断层或正花状构造；在H3段的断层左、右两侧垂直于走向的分力显示为拉张作用，在此处易发育正断层或负花状构造，其余各段同理。

丝带效应是指走滑断层趋于直立，倾向不断发生变化，左右摆动，如同丝带一般[23]。这是由于走滑断层一般倾角大，不同位置倾向易发生变化。以F4断层 (图11)为例，倾向在OO′剖面为左倾，至PP′剖面为右倾，在QQ′剖面又变为左倾，RR′剖面为右倾，即沿F4走向，倾向发生多次改变。这是由于F4先存断层在海西期重新被激活时，应力在二叠系中释放，在断层向上延伸时易发生倾向的左右摆动。

图9 F3断层剖面(上)和平面(下)分段特征

图10 F3断层受力分析图

1.4 走滑断层识别属性的优选

仅通过地震剖面进行走滑断层的识别具有一定的主观性和局限性，还需要同时利用振幅、频率等地震属性从平面角度识别走滑断层，提高准确性。

在断层的平面识别方法中，一般有大尺度描述的相干算法、中尺度的曲率算法、小尺度的蚂蚁体算法等。对比、分析不同属性识别效果(图12，表1)，可以优选识别走滑断层的敏感属性。

1.4.1 倾角

在不拾取层位的情况下，提取地层反射界面倾角属性，可分析地震反射的不连续性。

由图12a可见，倾角属性较好地展示了栖霞组底界主要断层的平面展布规律。F1正断层和F2、F3、F4等主要走滑断层可清晰刻画，F7、F16等雁列构造也可识别，但F4辫状构造未能识别；研究区西侧F9附近正断层未能识别。倾角属性对正断层及走滑断层均能识别，断层形态较为清晰，但对于形态较为复杂的辫状构造等，识别效果较差。

图11 F4断层不同位置地震剖面特征剖面位置见图6

图12 不同属性切片

表1 不同地震属性断层识别效果

1.4.2 相干

相干属性主要是计算相邻地震道或相邻多地震道的波形相似性。对于反射波同相轴错动明显、断距较大的断层，识别效果较好。

由图12b可见，对于同相轴错断明显、断距较大的筇竹寺组断层，相干属性均能很好地反映平面延伸范围，如F1、F2、F3、F4、F18、F19等。但是，对于以同相轴扰动和倾角变化为主要特征的栖霞组断层，相干属性识别断层效果较差(图12c)。在主要断层F2、F3附近，断层线不明显，难以确认主断层的平面位置。

1.4.3 曲率

曲率属性是描述曲线上任意一点的弯曲程度，曲率越大越弯曲，存在断层可能性就越大[24]。对断距较小的栖霞组断层，曲率属性(本文所用为最大正曲率)识别断层效果均较好，断层线清晰可见，分支断层形态较为明确(图12d)。曲率属性可以刻画F4断层辫状构造(图6)，F7、F13、F16雁列构造(图8)，F2断层的羽状构造和马尾构造，而相干属性却难以做到。

1.4.4 相干能量梯度

相对于相干体，相干能量梯度更能突出一些细小的地质特征。从不同方位角提取对应的相干能量梯度可以突出不同走向的断层。

相干能量梯度标量属性则对不同走向的断层均有不错的显示效果，但部分小断层未能识别，如F11、F12等断层未能识别(图12e)。对F1、F2、F3断层交界处(图12e红框内)为片状阴影区域，断层也未能很好识别。

1.4.5 蚂蚁体

蚂蚁体属性是利用蚂蚁寻优算法来实现全局寻优的一种机器学习方法[25]，本文将识别走滑断层效果较好的曲率属性作为蚂蚁体属性的输入数据体，以此为基础计算蚂蚁体属性。由图12f可见，蚂蚁体属性可同时突出大、小断层，比曲率属性更清晰地识别断层线，可以指示主断层延伸、消失的位置。

1.4.6 属性优选

根据研究区识别的23条主要断层，分析不同属性的识别效果(表1)。由表可见，曲率属性及蚂蚁体属性是研究区断层，特别是走滑断层识别的优势属性。

2 应用效果

根据本文方法，识别研究区断层结果如图13所示。

参考油气勘探成果，结合区域构造地质特征，根据走滑断层的力学机制与特征一致性，可以判断在构造样式的指导下，利用曲率和蚂蚁体优势属性识别走滑断层的准确性。

在曲率属性切片中(图4)可见F2断层里德尔剪切的各类分支断层；根据曲率属性识别出的走滑断层F3、F4，也可见相应的海豚效应(图9)和丝带效应(图11)，证明曲率属性对走滑断层的平面识别是较为细致、准确的。同时，研究区内目前油气勘探成果揭示，深大断层附近含油气性好[26]。如具有规模产能的GS18井位于走滑断层F2附近、GS001-X45井位于F1断层附近，GS1、GS11等气测良好的井均位于F5走滑断层附近(图13)，从一个侧面证实了走滑断层识别的准确性。

另外，区域构造地质背景揭示研究区发育两期走滑构造。早期兴凯地裂运动导致深层(如寒武系筇竹寺组)发育走滑断层，垂向位移较大，同相轴错动较为明显，以正断层特征为主。而晚期峨眉地裂运动导致浅层(如二叠系栖霞组)发育走滑断层垂向位移小，同相轴扰动弯曲为主，多发育花状构造(图5b～图5d)。走滑断层(F2、F3、F4、F5、F7、F13、F16)多为继承性发育，但由于峨眉地裂运动相对较弱，栖霞组发育的断层F1、F15等未能全部激活，相对筇竹寺组断层局部有缺失(图13),这也与川中古隆起构造特征相吻合。