碳酸盐岩地层断裂结构特征及油气地质意义——以青州云门山地区下古生界断裂为例

王勇，熊伟，秦峰，程付启，刘瑞娟，杨永红

（1.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东 东营 257015；2.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东 青岛 266580）

0 引言

济阳坳陷下古生界潜山发育印支期、 燕山期和喜山期形成的多期断裂［1-4］，对潜山油气成藏控制明显，油气主要富集在印支期、 燕山期形成的6 条北西向大型反转断裂带和燕山期、 喜山期形成的多条北东向走滑断裂带，油藏类型以断层-不整合油藏和断块油藏为主，占比达80%以上。 断裂在油气成藏过程中起双重作用，一方面表现为断裂对潜山油气成藏起储集、输导作用，另一方面又在油气成藏过程中起着封堵作用［5-8］。济阳坳陷下古生界碳酸盐岩地层断裂结构复杂多样［9-12］，与碎屑岩地层发育的断裂结构存在明显差异， 碎屑岩地层断裂结构控藏作用的相关成果已不能有效指导济阳坳陷下古生界碳酸盐岩潜山的勘探。

在油气勘探过程中， 下古生界潜山断裂带的取心井少，且取心收获率低，制约了对碳酸盐岩地层断裂结构的系统认识， 致使前期井位部署过程中有一大批潜山探井失利。 据统计， 与断裂相关的失利井占比在50%以上。 为明确济阳坳陷下古生界碳酸盐岩地层断裂结构对油气成藏的控制作用， 本文选取了青州云门山地区碳酸盐岩露头断裂进行野外地质考察， 以期通过岩心、野外露头、分析化验等资料的综合研究，建立碳酸盐岩地层断裂结构地质模型， 揭示碳酸盐岩潜山断裂带控藏作用，以指导该区油气勘探部署。

1 基本地质概况

青州云门山地区位于济阳坳陷东南部， 与济阳坳陷同属于华北地台， 主要发育2 条北西向基底大型断层，具有左行走滑性质。本次考察露头邻近无棣—青州断裂带， 断裂带由诸城西部过沂沐深断裂带向西北延伸，经安丘、昌乐、临朐、青州进入济阳坳陷，说明青州云门山地区下古生界与济阳坳陷的构造、沉积演化基本一致。 野外考察成果对济阳坳陷下古生界断裂有指导意义。

青州云门山地区下古生界寒武系（Э）、奥陶系（O）碳酸盐岩地层从下至上依次发育馒头组（Э1m）、毛庄组（Э2m）、徐庄组（Э2x）、张夏组（Э2z）、崮山组（Э3g）、长山组（Э3c）、凤山组（Э3f）、冶里-亮甲山组（O1y+l）和马家沟组（分为下马家沟组O2xm、上马家沟组O2sm）。馒头组主要发育灰白色含海绿石石英砂岩夹砂质泥岩；毛庄组以灰黑、浅灰色厚层石灰岩、白云岩为主，中部夹余粮村页岩段，底部常含燧石条带及结核；徐庄组以棕红色页岩、泥灰岩及泥云岩为主，局部含较多白云母碎片，上部夹白云岩及鲕状灰岩，顶部发育洪河砂岩段；张夏组上部为灰色厚层、巨厚层藻凝块状灰岩段，中部为盘车沟黄绿色页岩段，下部为厚层鲕粒灰岩段；崮山组以黄绿色页岩为主， 夹薄层疙瘩状灰岩及竹叶状灰岩；长山组—凤山组为中厚层微晶灰岩、生物屑鲕状灰岩及中薄层竹叶状灰岩；冶里-亮甲山组上部为灰色中厚层含燧石条带及结核白云岩， 中部为紫灰色中薄层细晶白云岩、竹叶状白云岩，下部为中厚层微晶白云岩夹中薄层细晶白云岩；马家沟组为泥晶灰岩、云斑灰岩夹薄层白云岩，下部为黄绿、土黄色薄层泥质白云岩及泥灰岩，膏溶现象发育，底部发育底砾岩（见图1，Qpd 为第四系平原组）。

图1 野外剖面位置及地层综合柱状图Fig.1 Location of field profile and comprehensive stratigraphic column

本次主要研究云门山顶奥陶系上马家沟组下段、云门山后采石场奥陶系上马家沟组下段和王府街道采石场冶里-亮甲山组。 马家沟组和冶里-亮甲山组均为济阳坳陷下古生界潜山的主力含油层段， 选择该层组野外露头断裂进行研究具有重要的实践和理论意义，研究成果可直接指导济阳坳陷下古生界潜山油气的勘探部署。

2 断裂结构类型及特征

2.1 多期方解石胶结断裂结构

云门山顶奥陶系上马家沟组下段碳酸盐岩地层发育一条北北西向拉张-走滑断裂， 具有左行走滑性质，断层产状近于直立（见图2a），宽度在30～40 cm。 断裂带被多期方解石充填， 从断裂带边部向中心肉眼可识别出Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ期，具有多期对称充填特征，方解石晶粒粗大，粒径大小不一，一般在0.2～1.5 cm，不同期次的方解石晶粒大小、形状及排列方式有所不同（见图2b）。 局部地区断裂带中间部位尚未完全充填，裂缝明显，裂缝宽度在0.1～0.5 cm，与济阳坳陷下古生界碳酸盐岩潜山已钻遇的部分裂缝充填结构十分相似。 如富台潜山车古201 井3 489.95 m， 裂缝被2 期方解石充填，呈对称发育（见图2c）。

图2 多期方解石胶结断裂结构（马家沟组北庵庄段观测点）Fig.2 Multi-stage calcite cemented fault structures(observation point in Beianzhuang section of Majiagou Formation)

岩心观察过程中发现， 部分裂缝被多期方解石充填后，中间部位尚有沥青充填其中，表明方解石多期胶结断裂结构具有垂向输导和横向封堵双重作用。 在断裂开启期，Ⅰ期方解石胶结物首先沿着断裂面生长形成包壳，降低横向渗透性，随着多期胶结作用进行，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ期方解石相继生长，横向渗透性进一步降低。 若纵向通道未完全胶结，则纵向通道仍然保持连通，可以继续起输导作用，直至断裂完全胶结，主要起封堵作用，最终表现为明显的多期方解石胶结断裂结构特征（见图2d）。

2.2 泥质充填断裂结构

云门山后采石场奥陶系上马家沟组下段碳酸盐岩地层发育一条北北西向的拉张-走滑断裂（见图3a），具有左行走滑性质， 沿断裂走向可追溯出露完整的断裂带100 m 左右，可三维立体观察和测量，断裂具有向西北端撒开、向东南段收敛的特点。西北段断裂带宽度在30～50 cm，延伸到东南段演化为由多条厘米级宽度的裂缝组成的裂缝带，断裂倾角大，产状近于直立，断面擦痕近水平（见图3b）。 西北段断裂带含砾及土黄色砂质黏土充填物，充填物中砾石大小差异较大，最大砾石直径为11.0 cm，粒径主要集中在0.3～2.0 cm，砾石多呈棱角状，成分复杂，有灰质、黏土质和长英质（见图3c，3d）。

图3 泥质充填断裂结构（马家沟组北庵庄段观测点）Fig.3 Clay filling fault structures(observation point in Beianzhuang section of Majiagou Formation)

碳酸盐岩缺少Si，Al，Fe 元素，黏土岩则主要富集Si，Al，Ca，Mg，Fe 元素［13］，这意味着碳酸盐岩研磨破碎后很难形成黏土，特别是带有氧化色的土黄色黏土，因此这些土黄色砂质黏土充填物并非断层碎裂泥， 而是外来物质。 对附近几条断至地表的断裂剖面进行系统观察， 以及对济阳地区类似碳酸盐岩地层断裂结构的取心资料详细剖析［14］（见图3e）认为，该物质主要为地表露头土壤化过程的产物。 由于砂质黏土充填物成岩过程中通常与碳酸盐岩地层富钙的流体相互作用，成岩致密化程度往往较高， 最终形成泥质充填断裂结构（见图3f）。

2.3 “三元”断裂结构

王府街道采石场奥陶系冶里-亮甲山组碳酸盐岩地层发育一条北北西向断裂带， 断裂产状陡， 倾角在80°～85°，主断面上的擦痕垂直于断层走向，表现为拉张性质。

由于矿山开采，整个断裂带裸露于地表，在露头区延伸120 m 左右，宽度在40～70 cm，断裂结构完整且清晰可见，从断层核部向两侧依次发育角砾岩带、破碎带和裂缝带，从而组成完整的“三元”断裂结构（见图4a，4b）。 该断裂带西北段宽且结构复杂，在角砾岩带和破碎带之间发育多期马牙状方解石结晶层（见图4c），厚度在6～15 cm，方解石晶粒粗大，绝大部分达到厘米级以上，表明该断裂带开启时间长。角砾岩带致密化程度高，且含大量砾石，砾石大小不均，粒径大部分在0.2～30.0 cm，形态各异，多呈长条状、椭球状和不规则状，砾石多为灰质、硅质，部分灰质砾石中的方解石晶体清晰可见。其中，长条状粗晶方解石砾多为主断面方解石结晶层破碎掉落的产物， 椭球状粗晶方解石砾多为围绕断层核部的碎屑颗粒结晶产物。 2 种砾石大量出现，说明该断裂带在角砾岩带大规模形成之前尚处于开启状态，且存在较大的断裂带空腔，为围绕断层核部的碎屑颗粒和断层面生长提供条件。 随着后期构造运动进行，断裂带进一步充填、研磨和胶结成岩，角砾岩带结构逐渐致密化。断裂带东南段马牙状方解石砾不发育，仅发育含砾灰质角砾岩带（见图4d，4e），角砾岩带两侧裂缝大量发育，且距角砾岩带越远，裂缝发育程度明显降低，表现为明显的断裂破碎带和裂缝带特点。整体上看，该断裂带具有“三元”分段差异性发育的特点（见图4f，4g）。

3 断裂结构控藏作用

3.1 多期方解石胶结断裂结构控藏作用

多期方解石胶结断裂结构能够很好地解释长期活动的大型深部潜山两侧油气多层系分布、区块间差异性富集等特征。 以济阳坳陷下古生界富台潜山油气藏为例，油气主要沿二台阶断裂两侧八陡组、马家沟组、冶里-亮甲山组、凤山组和馒头组多层系分布，主要富集在马家沟组和冶里-亮甲山组（见图5。图中Ed，Es1，Es2，Es3，Es4，C，P，Ar 分别为东营组，沙河街组一、二、三、四段，石炭系，二叠系，太古宇，下同）。 油源对比结果表明，油气来自上覆的沙三段烃源岩，在生烃高压的驱动下，沿二台阶断裂倒灌运移至潜山成藏［15］。

图5 富台潜山油气成藏模式Fig.5 Hydrocarbon accumulation model in Futai buried hill

二台阶断裂为拉张-走滑断裂，受喜山期多幕次构造应力与多期生烃流体高压耦合控制， 发生剪-张破裂，开启幕式活化［16］，局部应力伸展区形成的断裂带空腔为方解石晶体生长提供了空间， 高矿化度地层水为方解石析出提供了物质条件（钻井测试潜山地层水矿化度高，介于23 686～27 015 mg/L，水型为NaHCO3型，属于开放型地层水）。 二台阶断裂及伴生断层的车古201、车古202 断裂发育多期方解石胶结结构，多期方解石原生含烃盐水包裹体（包裹体温度76.3～129.3 ℃）对应的盐水包裹体（包裹体温度76.3～155.0 ℃）恢复油气充注时期表明，裂缝充填与油气成藏同期，油气充注过程伴随着方解石胶结过程， 多期方解石胶结主要发生在东营期和明化镇期。

综合分析认为，车镇凹陷北部多幕次活动的二台阶断裂发育多期方解石胶结断裂结构， 对油气具有垂向输导和横向封堵双重作用， 控制油气沿二台阶断裂两侧断块圈闭选择性成藏。

3.2 泥质充填断裂结构控藏作用

济阳坳陷下古生界碳酸盐岩潜山地层经历加里东、海西、印支、燕山和喜山多期大型构造运动。由于地层形成时间早，地层脆性强，在断裂形成过程中容易形成断裂带空腔，特别是拉张-走滑性质的断裂更易形成一定规模的断裂带空腔［17］。 表层形成的风化产物在重力、 风力或水流等地质营力作用下， 填充于断裂带空腔， 形成泥质充填断裂结构。 该断裂结构对潜山油气成藏具有较好的封堵作用， 在断层两盘有效储层均发育的条件下也能封堵油气。

据统计， 济阳坳陷下古生界喜山期不活动的拉张断裂和拉张-走滑断裂在距离不整合面一定深度范围内，绝大多数对油气起封堵作用，研究认为与该类断裂带容易形成泥质充填断裂结构封堵油气有关。

该断裂结构在草桥潜山Cg103 井（井深683.5～685.5 m）取心过程中已被证实。 燕山期形成的分割残丘潜山断裂带岩心为棕黄色含砾灰质泥岩， 灰质泥岩与上覆馆陶组泥岩的稀土元素配分基本一致， 均表现为Ce 和Nd 元素相对异常。 断裂中充填的泥岩来自馆陶组泥岩， 泥岩致密带的存在对不同断块的残丘山油藏起封堵分割作用，使得深洼区生成的油气通过“断裂、骨架砂体和不整合面”输导体系运移至被泥质充填断裂结构分割的不同断层-不整合油藏中独立成藏，表现为不同潜山断层-不整合油藏的油水界面不统一［18］（见图6。 图中Ng，Ek，Mz 分别为馆陶组、孔店组、中生界，下同）。

图6 草桥潜山油气成藏模式Fig.6 Hydrocarbon accumulation model in Caoqiao buried hill

3.3 “三元”断裂结构控藏作用

碳酸盐岩地层发育完整的“三元”断裂结构，对油气具有封堵和输导双重作用， 致密化的角砾岩带对油气起封堵作用，破碎带和裂缝带起输导作用。在油气充注前尚未致密化的情况下， 断裂带不仅是油气的输导通道，也是酸性流体的输导通道。 另外，由于酸性流体注入，通常在断裂带发生溶蚀，改善储集性能，对油气具有一定的输导储集作用［19］。 下古生界义和庄潜山油气沿义东大断层上升盘近东西向南掉的2 条大型断层下盘呈梳状分布（见图7）。

图7 义和庄潜山油气成藏模式Fig.7 Hydrocarbon accumulation model in Yihezhuang buried hill

油源对比表明， 该潜山油气主要来自四扣洼陷的沙三下亚段烃源岩。受义东大断层控制，沙三下亚段烃源岩与下古生界地层呈侧向接触， 馆陶期—明化镇期生成的油气在生烃高压的驱动下，首先进入东西向“三元”断裂结构［20］，沿着断裂破碎带和裂缝带输导至潜山， 进而在浮力作用下运聚， 受角砾岩带封堵富集成藏。 如YG80 井1 762.15～1 762.45 m 角砾岩带未见油气显示，1 988.44～1 994.00 m 裂缝带富含油，表现为潜山油气主要沿油气来源方向的断层下盘呈梳状富集成藏（见图7）。

4 结论

1）青州云门山地区下古生界碳酸盐岩地层发育多期方解石胶结、泥质充填断裂结构以及由裂缝带、破碎带和角砾岩带组成的完整的“三元”断裂结构。不同力学性质的断裂结构存在明显不同，拉张-走滑性质断裂相对发育多期方解石胶结断裂结构和泥质充填断裂结构，拉张性质断裂主要发育“三元”断裂结构。

2）不同类型断裂结构对油气成藏具有明显的差异化控藏作用。 多期方解石胶结断裂结构对油气具有垂向输导和横向封堵双重作用， 控制油气沿断层两侧不同断块、不同层系选择性成藏；泥质充填断裂结构对潜山油气成藏具有明显的封堵作用，控制油气在断层-不整合油藏中富集成藏；“三元” 断裂结构具有破碎带和裂缝带输导、角砾岩带封堵的双重作用，控制油气主要沿油气来源方向的断层下盘呈梳状富集成藏。