长岭断陷断层活动特征及控藏作用

王 琦 张万福 孙永河 王有功⑤ 付晓飞 孙立志

(①东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163318； ②“油气藏及地下储库完整性评价”黑龙江省重点实验室，黑龙江大庆 163318； ③东方地球物理公司研究院地质研究中心，河北涿州 072751； ④重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331； ⑤东北石油大学三亚海洋油气研究院，海南三亚 572025)

0 引言

断层作为输导通道，控制着油气的运移和聚集[1-2]。松辽盆地南部的长岭断陷是一个复式断陷[3-5]，多期次的构造活动导致断层活动特征十分复杂[6-7]。近年来的勘探表明，长岭断陷深层(下白垩统泉头组泉二段以下)具有丰富的天然气资源[4,8]，气藏类型多样，如烃类气藏、CO2气藏以及CO2与烃类混合气藏等，并且纵向上多层位含气[4]。长岭断陷气藏分布特点与断层活动息息相关，主干断层多期次活动，控制着优质烃源岩的发育、火山岩和碎屑岩储层的分布及有利圈闭的形成[9-10]； 活动性断层为天然气运聚提供通道[11-12]。

目前气藏差异分布的成因尚不明确，不同类型断层与气藏的关系仍然不是很清楚。为此，基于盆地构造演化背景，利用伸展正断层生长指数(EI)、垂直断距—埋深(T-Z)曲线、反转断层反转率(RI)和滑移距离曲线分析断裂活动时期和活动强度，划分断层类型，分类探讨不同类型断层与气藏之间的关系，以期对松辽盆地南部深层天然气勘探提供指导。

1 区域地质背景

长岭断陷是松辽盆地南部规模最大的复式断陷，呈NNE向展布(图1a)，主要发育红岗、大安、乾安、孤店、乾北、黑帝庙、前神字井、哈尔金、孤西和伏龙泉等大型断层。其中，乾安断层、前神字井断层为主干断层，控制主洼的发育； 孤店断层、黑帝庙断层等为区域内次级断层，控制着主洼周边次级断陷的发育。

在前白垩系基底之上，长岭断陷发育的地层自下而上依次为：下白垩统火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组、泉头组； 上白垩统青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组； 古近系的依安组； 新近系大安组、泰康组(图1b)。

图1 长岭断陷构造纲要图(a)和地层发育简表(b)

受蒙古—鄂霍茨克洋构造域和古太平洋构造域共同影响，松辽盆地经历了断陷期、拗陷期和反转期三个构造演化阶段[13]。早白垩世早期，在蒙古—鄂霍茨克洋东段闭合引发的造山后伸展作用影响下，松辽盆地南部断陷开始发育，此时主要发育火石岭组火山岩和沙河子组湖泊相碎屑岩及含煤层系[14]。营城组沉积时期，受古太平洋板块俯冲后撤作用的影响，松辽盆地发生大规模火山活动和热隆裂陷，发育了营城组火山岩—沉积岩组合，厚度最大可达2000m，发育火山岩储集层[14]。早白垩世晚期—晚白垩世，随着蒙古—鄂霍茨克洋影响的减弱及地幔的冷却，松辽盆地进入了拗陷期稳定沉积阶段[13]，先后沉积了登娄库组、泉头组、青山口组、姚家组及嫩江组。晚白垩世以来，受太平洋板块向欧亚板块俯冲作用以及印藏板块碰撞产生的远程效应的影响，在嫩江组沉积末期、晚白垩世明水组沉积末期、古近纪依安组沉积末期，松辽盆地均发生强烈的构造反转活动，其中以明水组沉积末期最为强烈。同时，部分断陷期及拗陷期活动断层在构造反转期持续活动[14]，最终形成现今的构造格局。

2 断层活动性分析

2.1 正断层活动性分析

本文利用EI变化和断层T-Z曲线[15-18]分析正断层活动时期及活动强度。

生长指数是指同一地质历史时期断层上盘与下盘地层厚度的比值。EI>1表明断层发生了同沉积活动，EI值越大，表明同沉积作用越明显且同沉积断层活动越强； EI≤1则表明断层不发生同沉积活动。

T-Z曲线可以反映断层活动规律。该曲线中垂直断距最大值点代表断层成核点，曲线形态反映了断层在不同时期的活动性[15](图2)。当曲线向上(由深到浅)线性递减时，表明垂直断距向上减小，且曲线斜率越小断层垂直断距减小越快、活动越强烈； 当曲线直立时，斜率最大，表明垂直断距向上不变，代表断层处于静止期(图2)。

图2 T-Z曲线(左)和对应地层剖面模式(右)

由图3可见，F1～F4、F6-1、F9断层断距在火石岭组最大并向浅层减小，表明断层大多在火石岭组沉积期成核； F1～F4断层、F9断层在火石岭组—营城组沉积时期EI>1，断距向浅层急剧减小，T-Z曲线斜率较小，表明断层强烈活动时期为火石岭组—营城组沉积时期； F6-1断层在火石岭组形成且断距向浅层递减，火石岭组—泉头组之间断距微减，在青山口组断距骤减，且EI>1，表明断层活动时期为青山口组—姚家组沉积时期。

图3 长岭断陷不同测线典型正断层地震地质解释剖面(左)和不同断层EI、T-Z曲线(右)

综上所述，正断层活动存在2期，即盆地断陷期的火石岭组—沙河子组及营城组沉积时期、拗陷期的青山口组—姚家组沉积时期。

2.2 反转断层活动性分析

晚白垩世以来，松辽盆地经历了3期不同程度的构造反转变形，计算RI及滑移距离曲线可以定量确定反转程度的大小，分析反转断层的活动性差异[19-21]。

反转率是缩短位移与伸展位移的比值(图4a)

(1)

式中：h为同沉积地层沿断面的长度；c为位移零点以上反转同沉积地层沿断面的长度；e为位移零点以下地层沿断面长度。RI越大，表示反转程度越高。当零点位于同沉积地层顶部时，RI=0(即e=h)，说明没有发生反转； 如果零点位于同沉积地层底部时，RI=1(即c=h或e=0)，说明同沉积地层完全反转，反转程度最大(图4a)。

滑移—距离曲线[20-22]是以同沉积地层的底界面作为基准面(基准底)，以各地层与基准底之间的距离为纵坐标，以各层的断距为横坐标而得到的曲线(图4b)。右侧虚线是反转挤压前的曲线，其斜率的变化代表了正断层断距变化； 反转挤压后曲线形状不变，但沿横坐标向左平移若干距离，距离大小与反转程度有关，式(1)中的参数可以直观地在图4b中获得。

图4 反转率计算示意图

由孤店断层(F5)和伏龙泉断层中段(F12m)地震剖面(图5)可见，二者均具有“下正上逆”的特点，但断穿层位及两盘地层褶皱变形不同。根据式(1)计算可知，F5断层反转率为0.46(图5a)，F12m断层反转率为0.26(图5b)，说明二者反转强度存在差异。

图5 不同断层的正反转构造地震剖面(左)及其位移—距离曲线(右)

3 断层类型划分

根据断层的活动特征，长岭断陷断层可划分为4类，即断陷期活动、断陷期—拗陷期活动和长期活动(指断陷期—拗陷期—反转期持续活动，下同)弱反转、强反转断层(图6)。

3.1 断陷期断层

断陷期断层是指火石岭组—营城组沉积时期活动的断层，包括基底断层及断陷期形成的断层。平面走向以NNE向和NNW向为主，剖面上断穿T4以下地震反射层，断层面多为板式或铲式，控制断陷期地层的发育(图3)。比较典型的为乾安断层、黑帝庙断层等(图6)。

图6 松辽盆地南部长岭断陷断层与气藏分布

3.2 断陷期—拗陷期活动断层

断陷期—拗陷期持续活动断层，平面走向为NE、NNW和近NS向； 在剖面上可见，发育在T4、T5地震反射层与T1地震反射层之间，断层面多为板式(图3)。拗陷期断距明显小于断陷期断距，反映断层具有同生性，如红岗断层南段、前神字井断层南段、哈尔金断层、孤西断层南段及伏龙泉断层北段等(图6)。

3.3 长期活动断层

断陷期、拗陷期及构造反转期均发生活动的断层，依据反转程度的差异，可以进一步划分为长期活动弱反转断层和长期活动强反转断层。

3.3.1 长期活动弱反转断层

反转期发生微弱反转、变形，平面走向以NNE向、NE向为主，主要分布在红岗气藏、前神字井气藏和孤店气藏等区域(图6)； 在剖面上可见，断层面多为铲型，断层自基底断至T2或T1反射层以下(如图3b 的F2s断层和F11n断层等)。由于断层向上滑动受阻，断层顶端形成隐伏型反转构造(如断层扩展褶皱等)。研究区该类型断层有红岗断层北段、大安断层南段、前神字井断层北段、孤西断层北段和伏龙泉断层中段(图6)，反转率最大为0.26(伏龙泉断层中段)，最小为0.17(前神字井断层北段)，平均反转率为0.22。

3.3.2 长期活动强反转断层

反转期发生强烈反转、变形，主要分布在红岗气藏和孤店气藏等区域，走向以NNE向和近NS向为主，在剖面上可见，断层自T5地震反射层向上断穿T06及以上地震反射层，甚至断层的端点扩展至地表，反转变形产生的褶皱多发育在断层上盘(如图3a的F2n和图3b的F5断层等)。研究区此类型断层主要有孤店断层、大安断层北段和伏龙泉断层南段(图6)，其中大安断层北段反转率最大(0.60)，反转率最小的伏龙泉断层南段也达到0.4，此类断层平均反转率为0.49。

4 油气地质意义

4.1 深层天然气分布特征

长岭断陷天然气藏类型多样，分布范围也不同。目前已发现来源于沙河子组煤系地层的烃类气藏与幔源成因的CO2气藏[3,6-7,23]。泉头组—嫩江组沉积时期(125～75Ma)充注的烃类气藏[4,23-26]主要分布在油气输导断层附近的优势聚集部位，古近纪(28Ma以来)充注的CO2气藏[23-26]主要分布在火山岩储层和深大断层附近(图6)。纵向上，深层天然气分布在青山口组区域盖层(T2地震反射层)之下，受登娄库组底部和泉头组底部两套盖层的分隔作用，可进一步划分为下部、中部和上部三套成藏组合(表1)。其中CO2气体主要赋存于中、下部成藏组合中， 烃类气体在三套成藏组合均有分布。

4.2 不同类型断层的控藏作用

4.2.1 断陷期断层控制深层源岩及火山岩储层分布

断陷期主干断层控制着着沙河子组烃源岩的分布范围，并且大多与基底深大断层相关。在营城组沉积时期火山岩喷发时，它控制火山岩分布，为幔源CO2气体在下部成藏组合中提供储集空间[26]。典型模式如长深6等高含CO2气藏(图7a)。

表1 长岭断陷主要气藏纵向分布的钻井统计

4.2.2 断陷期—拗陷期断层控制深部天然气聚集

断陷期—拗陷期断层控制着深层烃源岩及火山岩储层分布。如果在源内分布，则可作为油气输导断层，为中、下部登娄库组碎屑岩和营城组火山岩烃类气藏提供运移通道。古近纪以来，幔源CO2沿该类断层运移至营城组火山岩储层，与烃类气体形成混合气藏(图7b)，碎屑岩储层中仍以烃类气体聚集为主。如位于哈尔金断层下盘的长深1气藏(图6)，哈尔金断层为断陷期—拗陷期活动断层(图7b)，上盘控制了沙河子组烃源岩的分布。泉头组—嫩江组沉积时期，烃类气体先充注在下部营城组火山岩储层和中部登娄库组碎屑岩储层中，形成烃类气藏； 古近纪以来，幔源CO2沿断层运移至营城组火山岩储层中，与早期烃类气藏混合，形成烃类气与CO2气混合气藏，其中CO2含量为27%(表1)。而同一构造带的长深2和长深4气藏，位于烃源岩外的火山岩分布区，烃源岩供烃效果差，形成高含CO2的气藏，其中长岭2号气藏CO2含量高达98%。

4.2.3 长期活动弱反转断层控制天然气多层系分布

长期活动弱反转断层在断陷期控制洼槽及有效烃源岩分布，在拗陷期控制天然气输导路径，在反转期控制浅层圈闭的形成及拗陷期气藏的调整。

泉头组—嫩江组沉积时期，深层沙河子组有效烃源岩生成的烃类气沿着断层向上运聚，形成中、下部烃类气藏。反转期断层微弱反转，导致浅层(泉头组及以上)发育反转背斜等构造，烃类气体伴随反转期断层活动调整、运移至上部(泉头组)有利圈闭中，形成上部烃类聚集，进而使得天然气呈纵向多层系分布特征。与此同时，部分幔源CO2气沿着大断层运移至浅层(泉头组)储层中，形成了中、上部CO2气藏。如红岗气藏位于红岗断层北段，该断层自基底向上断至泉头组，断层顶部发育反转背斜(图7c)，为气体聚集提供有利圈闭； 古近纪以来，幔源CO2气沿断层向上充注泉头组四段储层中，形成上部的CO2气有效聚集。由于远离烃源岩，该气藏烃类气体较少。研究区类似气藏还有乾安气藏(乾深1气藏)、红7气藏等。

图7 不同类型断层控藏模式

4.2.4 长期活动强反转断层不利于成藏

长期活动强反转断层在反转期变形强烈，对早期形成的烃类气藏破坏明显，使天然气难以形成规模聚集，故这类断层不利于天然气富集(图7d)。如孤店断层长期活动且晚期反转变形强烈，断层穿透浅层所有地层(图5a)，目前勘探证实各层位均未见规模产能； 伏龙泉断层在平面上具有三段式发育特征(图6)，自北至南反转强度逐渐增强，尤其是最南段，反转期反转变形程度最高，不利于气藏形成[21]。

4.3 有利气藏区预测

参考已发现气藏分布特征，根据不同类型断层对气藏的控制作用，可对长岭断陷深层天然气富集区带进行预测(图6)。

中部哈尔金、前神字井、乾安断层一带，以断陷期、断陷期—拗陷期断层为主，烃源岩和火山岩发育，并已发现长深1混合气藏(图7b)，预测该带为混合气藏有利富集区。

西部红岗、乾安、黑帝庙断层一带主要发育断陷期、断陷期—拗陷期断层和长期活动弱反转断层，火山岩分布广，烃源岩较少，已发现红岗CO2气藏和长深6 CO2气藏(图7a)，预测该带为CO2气有利富集区。

东部乾北、孤西、双坨子、伏龙泉断层一带主要发育断陷期—拗陷期、长期活动弱反转和长期活动强反转断层，烃源岩较发育，近源火山岩体及构造圈闭烃类气富集，已发现伏8、双坨子等烃类气藏(图7c)，预测为烃类气富集区； 但该带中部的孤店气藏烃源岩不发育，长深7井已在营城组发现高含CO2气藏，预测为CO2气有利富集区。

5 结论

断陷盆地断层类型复杂，活动特点不一，据此可将长岭断陷断层划分为断陷期、断陷期—拗陷期、长期活动弱反转及长期活动强反转四种类型。

不同类型断层对天然气成藏具有不同的控制作用，可以据此预测气藏类型及分布区域。如长岭断陷中部哈尔金、前神字井、乾安断层一带预测为烃类气与CO2气混合气藏有利富集区； 中部带以西预测为CO2气有利富集区； 中部带以东除孤店气藏为CO2气有利富集区外，其他近源部位预测为烃类气有利富集区。

本文研究方法及成果对于松辽盆地南部深层天然气勘探具有指导作用。