張波李生福,2張進(jìn)江鄭亞東張仲培

1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院 2.中國(guó)石油青海油田公司采油二廠 3.中國(guó)石化勘探開發(fā)研究院

膝褶、膝褶帶、共軛膝褶帶
——一種可能的新型油氣構(gòu)造樣式

張波1李生福1,2張進(jìn)江1鄭亞東1張仲培3

1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院 2.中國(guó)石油青海油田公司采油二廠 3.中國(guó)石化勘探開發(fā)研究院

張波等.膝褶、膝褶帶、共軛膝褶帶——一種可能的新型油氣構(gòu)造樣式.天然氣工業(yè),2010,30(2):32-39.

受控于最大有效力矩準(zhǔn)則的共軛膝褶帶,是各向異性巖石中較為常見的構(gòu)造變形樣式,依據(jù)大量國(guó)、內(nèi)外學(xué)者的研究資料及勘探實(shí)踐成果,結(jié)合膝褶帶幾何學(xué)、形成機(jī)制以及地球物理資料解釋成果等綜合分析認(rèn)為,大型膝褶帶和共軛膝褶帶可能被誤解釋為“兩斷夾一隆”的構(gòu)造形態(tài),原先一些構(gòu)造樣式被解釋為高角度逆沖斷層的地方更可能是膝褶的樞紐帶。研究結(jié)果認(rèn)為,膝褶帶具備形成油氣構(gòu)造圈閉的物質(zhì)條件,可形成有利油氣聚集區(qū);膝褶帶和共扼膝褶帶作為非主造山期構(gòu)造在油氣勘探和構(gòu)造解釋上應(yīng)引起石油地質(zhì)學(xué)家和地球物理學(xué)家的重視;結(jié)合野外地質(zhì)構(gòu)造觀測(cè),利用地球物理資料準(zhǔn)確識(shí)別和區(qū)分膝褶帶構(gòu)造與斷裂構(gòu)造是尋找油氣構(gòu)造圈閉的新思路和新方法。

膝褶 膝褶帶 共扼膝褶帶 褶皺 最大有效力矩 含油氣構(gòu)造 構(gòu)造圈閉 油氣聚集區(qū)

各種規(guī)模的膝褶帶是自然界極為普遍的現(xiàn)象,是層狀介質(zhì)或纖維狀介質(zhì)在外力擠壓過程中潛在的破裂模式[1],是調(diào)節(jié)巖石變形的重要構(gòu)造樣式[2]。

自1897年Clough提出膝褶構(gòu)造樣式概念以來,膝褶和膝褶帶的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、形成機(jī)理的研究,備受物理材料學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家關(guān)注。在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域,地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)由早期對(duì)礦物晶體內(nèi)顯微膝褶帶的觀測(cè)發(fā)展到對(duì)地震資料中膝褶帶的精細(xì)識(shí)別[3-4],從對(duì)膝褶帶幾何學(xué)定性描述和試驗(yàn)?zāi)M[5-6]到對(duì)其形成機(jī)制的理論探討[2,5];使得膝褶帶理論研究?jī)?nèi)涵更加豐富,現(xiàn)實(shí)意義更為明朗[2,7]。

膝褶帶是層狀地質(zhì)體中較為常見的構(gòu)造現(xiàn)象,尤其是各向異性的片巖和部分沉積巖(圖1)。目前,對(duì)沉積巖中膝褶帶研究主要集中于理論層面,例如幾何學(xué)特征和力學(xué)性質(zhì)的探討[8-9]。

有關(guān)膝褶帶的形成機(jī)制,一直是理論界探討和爭(zhēng)論的焦點(diǎn)[2,10-12]。我國(guó)學(xué)者鄭亞東等[2,7]在對(duì)共軛膝褶帶的夾角進(jìn)行定量分析之后,獲得110°的夾角,并提出巖石變形的最大有效力矩準(zhǔn)則,解決了Mohr-Coulomb準(zhǔn)則對(duì)自然界廣泛存在的大變形不能給予合理解釋的難題,該準(zhǔn)則控制膝褶帶的取向,因而可解釋拆離褶皺的形成[2,11]?；谝巴庥^測(cè)和地球物理資料分析,鄭亞東等提出柴達(dá)木盆地油泉子構(gòu)造為共軛膝折帶構(gòu)造樣式,而非斷裂構(gòu)造;并認(rèn)為其可能形成膝褶帶相關(guān)的裂縫型油氣藏[11-12],最大有效力矩準(zhǔn)則在柴達(dá)木盆地油氣地質(zhì)勘察實(shí)踐中得到了進(jìn)一步證實(shí)和應(yīng)用;新近研究報(bào)道了塔里木盆地巴楚隆起區(qū)的二維地震剖面上也識(shí)別出大量膝褶帶構(gòu)造[4]。近期Camerlo and Benson[3]對(duì)墨西哥灣深水盆地西北部Perdido褶皺帶內(nèi)的地震資料重新處理和解釋發(fā)現(xiàn):控制該褶皺帶的主構(gòu)造樣式不是“背沖斷裂”組合或斷層相關(guān)褶皺,而是“膝褶型褶皺和共軛膝褶帶”,并指出了地震資料解釋中造成膝褶帶誤解為斷層的技術(shù)原因和理論認(rèn)識(shí)因素,如高角度背沖斷裂解釋方案存在的理論缺陷。國(guó)內(nèi)丁道桂等[13]在對(duì)川東褶皺帶高陡背斜研究之后也認(rèn)為區(qū)域性大尺度膝褶構(gòu)造控制川東地區(qū)天然氣藏的形成與分布。

圖1 自然界中、大尺度的膝褶構(gòu)造圖(a)二維地震剖面上識(shí)別出的膝褶,塔里木盆地巴楚隆起帶內(nèi);(b)片巖內(nèi)發(fā)育的膝褶構(gòu)造,內(nèi)蒙古大青山構(gòu)造帶

上述理論和實(shí)踐成果為進(jìn)一步探索膝褶帶構(gòu)造在油氣勘探開發(fā)實(shí)踐中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。然而,這一重要的構(gòu)造樣式往往在油氣勘探實(shí)踐中被忽視和遺忘,究其原因,可能歸因于人們對(duì)該構(gòu)造樣式的認(rèn)知程度、地震資料處理技術(shù)和手段以及其在地震剖面中識(shí)別難度。所以筆者立足于從膝褶的野外觀測(cè)、幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及其形成機(jī)制、地球物理勘探研究新成果諸方面討論含油氣盆地區(qū)膝褶構(gòu)造變形的識(shí)別依據(jù)及油氣成藏的可能性;試圖從構(gòu)造地質(zhì)理論層面為石油地質(zhì)學(xué)家和地球物理學(xué)家提供揭示“兩斷夾一隆”或“背沖斷裂”樣式的新方案——“共軛膝褶帶”構(gòu)造樣式。

1 膝褶、膝褶帶幾何學(xué)特征

脆性斷裂或破裂屬于巖石的不連續(xù)變形,而廣義上膝褶為一種特殊的褶皺類型[12],屬巖石連續(xù)變形范疇,是變形擠壓方向與巖石層面(或面理)近平行時(shí)發(fā)育的變形樣式[14];而在本文中,膝褶(kink)、膝形褶皺(kink fold)和膝褶帶(kind-band)這些術(shù)語(yǔ)是最廣的含義,膝褶發(fā)育尖銳的或平緩彎曲的樞紐;膝形褶皺是指某一種膝褶化作用機(jī)理形成的單斜幾何形態(tài)褶皺, Suppe曾使用“角度或彎曲褶皺(angular or curved folds)”來稱這類構(gòu)造[15];膝褶帶為一個(gè)狹窄條帶,由一組近平行的界面圍限,帶內(nèi)先期發(fā)育的面理或?qū)永戆l(fā)生偏轉(zhuǎn)進(jìn)入新的方向,帶內(nèi)具有一致的層厚(圖2-A);屬連續(xù)變形范疇[2,16];其幾何學(xué)特征是由平直兩翼構(gòu)成的不對(duì)稱膝狀褶皺,平緩翼長(zhǎng)、陡傾翼短,具有尖棱狹窄的轉(zhuǎn)折端(圖2-a,b);膝褶帶的層間滑動(dòng)局限在膝褶帶的陡翼內(nèi)(圖2-c);故而,單個(gè)膝褶帶具有尖棱狹窄的轉(zhuǎn)折端(圖2-c),而共軛膝褶帶間的背斜具有平直的箱形轉(zhuǎn)折端(圖1-b、2-b)。與彎滑褶皺的差異在于,彎滑褶皺的兩翼發(fā)育層間滑動(dòng),通常形成圓滑的轉(zhuǎn)折端(圖2-d)。

剖面上,膝褶帶沿長(zhǎng)度方向逐漸呈錐形消亡于一點(diǎn)(圖2-a),或者通過變窄進(jìn)入某個(gè)狹窄的剪切帶;膝褶帶幾何樣式必然引起面理或?qū)永淼南鄬?duì)位移;膝褶帶通常以共軛對(duì)樣式產(chǎn)出,引起共軛膝褶帶和共軛褶皺(圖1、圖2-b);膝褶帶相互穿插決定了膝褶褶皺樞紐或膝褶軸的方向(圖2-b)。

圖2 理想膝褶帶幾何特征示意圖(a)面理或?qū)永泶┩竷蓚€(gè)相互平行的膝褶面發(fā)生角度的改變,并導(dǎo)致膝褶帶兩側(cè)面理發(fā)生了相對(duì)錯(cuò)位,膝褶帶呈錐形滅亡在一點(diǎn)[17];(b)共軛膝褶帶交叉;(c)膝褶型轉(zhuǎn)折端形成的褶皺;(d)彎滑型轉(zhuǎn)折端形成的褶皺

許多野外觀測(cè)報(bào)道膝褶帶常呈單斜[2,15,17]或呈共軛對(duì)產(chǎn)出[2,6,15,18],且兩者間的夾角一般為110°,膝褶帶邊界與長(zhǎng)翼間的夾角大約為55°(圖2-b),然而,并非所有的膝褶帶體系都可以利用二維幾何和運(yùn)動(dòng)學(xué)給予準(zhǔn)確的描述,Kirschner and Teixell 認(rèn)為強(qiáng)烈彎曲的膝褶帶幾何為非平面應(yīng)變的產(chǎn)物,這種非平面應(yīng)變?cè)从诰植繎?yīng)力的調(diào)解,并給出了膝褶帶三維空間幾何模型。該模型將膝褶帶幾何和運(yùn)動(dòng)學(xué)與體應(yīng)變間建立了關(guān)聯(lián)(圖3),類似于脆性斷裂作用[20-22]、脆韌性斷裂作用[23]和韌性剪切作用[24]。

圖3 不同流變態(tài)中膝褶帶體應(yīng)變形式圖(a)在主應(yīng)力與主增量應(yīng)變軸對(duì)稱情況下,在共軸平面應(yīng)變變形過程中,共軛擠壓膝褶帶的發(fā)育;(b)共軸非平面應(yīng)變變形中共軛膝褶帶發(fā)育

膝褶帶和共軛膝褶帶幾何學(xué)特征表明:膝褶帶樞紐處容易形成構(gòu)造高點(diǎn),共軛膝褶帶之間的“V”形褶皺也具備構(gòu)造高位特征(圖2、3),這是形成與背斜高位有關(guān)油氣藏的重要條件;三維空間膝褶帶或共軛膝褶帶縱向和橫向貫穿多套地層單元,且共軛膝褶帶也存在互相交叉,使流體在地層間、地層與膝褶帶之間發(fā)生運(yùn)移和聚集成為可能,保證了完整的壓力體系;膝褶帶存在一定的寬度暗示其具備富集流體的空間條件。膝褶帶內(nèi)地層傾角發(fā)生旋轉(zhuǎn),統(tǒng)一呈現(xiàn)高角度(圖2、3),而膝褶帶外地層未發(fā)生旋轉(zhuǎn),普遍低角度。因此,在地震剖面上膝折帶內(nèi)普遍以低反射帶出現(xiàn),而帶外呈高反射,同時(shí)這個(gè)低反射帶具有一定的寬度,從一般視覺角度觀察,膝褶帶兩側(cè)的地層似乎發(fā)生了一定的位移,在地震剖面上往往會(huì)被誤解為脆性斷裂。

2 膝褶帶形成機(jī)理及其潛在的油氣構(gòu)造意義

膝褶帶生長(zhǎng)機(jī)理備受學(xué)者關(guān)注[25]。Rondeel[26]很早就提出膝褶帶的擴(kuò)張?jiān)龊袷峭ㄟ^膝褶帶樞紐面旋轉(zhuǎn)方式來遷移的,這樣的方式將引起膝褶帶內(nèi)部巖層產(chǎn)狀與外部巖層產(chǎn)狀間夾角φ隨膝褶帶擴(kuò)展而逐漸增大(圖4-a)。Honea and Johnson[27]進(jìn)行彈性多層膝褶作用的數(shù)值模擬,試驗(yàn)結(jié)果表明:膝褶帶的寬度與彎曲剛度、剪切強(qiáng)度、巖層局部初始傾斜等因素有關(guān),但Honea and Johnson[27]的理論僅僅適用于滑動(dòng)面平行擠壓軸的情況。隨后,Weiss[28]提出膝褶帶寬度擴(kuò)張生長(zhǎng)的兩個(gè)模式(圖4-a,圖4-b),但他強(qiáng)調(diào)當(dāng)φ角值小于60°時(shí),“生長(zhǎng)模式1”比“生長(zhǎng)模式2”更為重要,當(dāng)連續(xù)生長(zhǎng)的膝褶帶內(nèi)部的巖層旋轉(zhuǎn)角度φ大約為60°時(shí),生長(zhǎng)模式2占主要地位[8]。其他的試驗(yàn)結(jié)果也暗示,在褶皺作用的早期,膝褶帶增寬方式類似于“生長(zhǎng)模式1”[19]。

目前,較被認(rèn)可的兩個(gè)認(rèn)識(shí)是:一種觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào),膝褶翼繞固定的樞紐旋轉(zhuǎn)(圖5-c,圖5中灰色條帶代表機(jī)械性質(zhì)各向同性的能干層,其內(nèi)部沒有剪切;紅色條帶是非能干層,可以發(fā)生內(nèi)部剪切);而另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為樞紐的側(cè)向遷移引起的擴(kuò)展形成膝褶帶[8](圖5-a)。在實(shí)際地質(zhì)研究中,一些學(xué)者假設(shè)為前者[10,18,29],而新近的野外觀測(cè)和多層介質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果暗示活動(dòng)樞紐膝褶化作用的解釋似乎更為合理[8]。

圖4 膝褶帶增寬模式圖(a)膝褶帶寬度增加模式:隨著膝褶帶的擴(kuò)張,φ角增大;(b)膝褶帶寬度增加模式:當(dāng)膝褶帶擴(kuò)張時(shí),φ角始終保持衡定

圖5 理想狀態(tài)下的膝褶和“V”形褶皺的4種生長(zhǎng)機(jī)理圖。(a)活動(dòng)樞紐膝褶生長(zhǎng)和膝褶帶形成過程;(b)活動(dòng)樞紐“V”形褶皺作用通過活動(dòng)樞紐膝褶帶的交叉和擴(kuò)展產(chǎn)生;(c)固定樞紐膝褶化:固定的膝褶帶邊界之間區(qū)域的地層旋轉(zhuǎn);(d)固定樞紐“V”形褶皺作用:巖層相對(duì)于固定的樞紐發(fā)生旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生層彎曲和緊閉褶皺

樞紐遷移模式(hinge-migration model)認(rèn)為:膝褶帶初始態(tài)為透鏡狀,沿縱向遷移,隨應(yīng)變遞增,膝褶帶側(cè)面通過側(cè)向遷移而促使膝褶帶加寬(圖5-a)。在生長(zhǎng)全過程,膝褶帶平分內(nèi)、外巖層(或面理)(即α= β),體積和面理(或巖層)空間守恒;這個(gè)模型暗示膝褶面改變了其內(nèi)部物質(zhì)的位置。在固定樞紐模式中,在無限小應(yīng)變中,膝褶面的物質(zhì)位置和α是確定的,隨著應(yīng)變的逐漸加強(qiáng),兩膝褶面之間的巖層面理發(fā)生旋轉(zhuǎn),這樣β和γ就存在一個(gè)相反的關(guān)系;在旋轉(zhuǎn)的過程中,體積和面理空間發(fā)生改變(圖5-c)。這兩個(gè)模型在自然界都有各自的實(shí)例,但也存在一些膝褶帶不符合這兩個(gè)模型,例如澳大利亞東南部Myster海灣膝褶帶[6]。

Verbeek[30]提出判別膝褶帶生長(zhǎng)類型的最通用方案,即使用膝褶內(nèi)外角大小關(guān)系進(jìn)行識(shí)別;在理想活動(dòng)樞紐膝褶生長(zhǎng)模型中,內(nèi)外膝褶角大小相等(圖6-a);另一種情況,如果膝褶帶內(nèi)總體積增大(圖6-b),在固定樞紐褶皺生長(zhǎng)模型中,內(nèi)外角度關(guān)系表現(xiàn)為:β>α (圖6-b)。

為了驗(yàn)證Verbeek提出的這種關(guān)系,Stewart and Alvarez[8]對(duì)意大利Umbriamarche Apennines褶皺區(qū)內(nèi)膝褶帶進(jìn)行了大量細(xì)致的測(cè)量和統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)在活動(dòng)樞紐機(jī)制控制下的膝褶化過程中,和角很少有相等的情況,進(jìn)一步的分析顯示:β和α角度關(guān)系主要受控于膝褶帶內(nèi)或膝褶帶外巖體順層面的微弱滑動(dòng),當(dāng)層間滑動(dòng)發(fā)生在膝褶帶內(nèi)部時(shí),產(chǎn)生β<α的關(guān)系(圖6-c);當(dāng)層滑發(fā)生在膝褶帶外側(cè)時(shí),就會(huì)有β>α(圖6-b);他們強(qiáng)調(diào)微量的層滑都可能對(duì)β和α角的差異產(chǎn)生很大的影響,且微弱的變形對(duì)β和α角產(chǎn)生明顯改變,而與膝褶作用無關(guān)[8]。

圖6 膝褶帶內(nèi)外巖層順層滑動(dòng)對(duì)膝褶帶內(nèi)、外角關(guān)系的影響效果圖

從膝褶帶不同的生長(zhǎng)模式我們不難總結(jié)(圖5、6):膝褶化過程中,膝褶內(nèi)和膝褶外巖層的彎曲與層間滑動(dòng)是主要的變形方式,這種變形方式將在膝褶帶內(nèi)或膝褶帶外形成豐富的張性破裂(微裂縫)(圖5-c,圖6-b、c);在低孔隙度、低滲透率巖層中,陡傾膝褶帶或共軛膝褶帶的發(fā)育將大大增強(qiáng)總儲(chǔ)集滲透能力。膝褶帶的形成從幾何上要求前后體積守恒:β>90°時(shí),巖層長(zhǎng)度縮短,厚度增大;β<90°時(shí),巖層長(zhǎng)度拉長(zhǎng),厚度減薄。然而,許多天然和實(shí)驗(yàn)形成的膝褶帶,帶內(nèi)常出現(xiàn)礦脈充填的各種張裂空間[11-12],包括層間剝離脈、雁行張性脈、鞍狀脈和三角形礦脈[31],表明帶內(nèi)巖層缺乏足夠的可塑性,巖層長(zhǎng)度和厚度不能滿足變形所要求的變化。如果巖層長(zhǎng)度保持不變,帶內(nèi)的體積變化(擴(kuò)容)與α和β之間關(guān)系為:Δ=sinβ/sinα-1[31-32]。因此,膝褶帶形成早期為:β>α,膝褶帶表現(xiàn)為擴(kuò)容作用(圖6-b),帶內(nèi)面理或?qū)永黹g厚度(t1)大于帶外面理或?qū)永黹g厚度(t0),膝褶帶內(nèi)巖層趨于增厚;β=90°時(shí),膝褶帶厚度達(dá)到最大;如果巖層的厚度不變,帶內(nèi)體積便增大,變形后帶內(nèi)空間體積的增大所導(dǎo)致的真空或低壓趨于將周邊的高壓流體(熱液或油氣流體)吸入,形成膝褶帶內(nèi)順層剝離而充填礦脈或巖脈[18,31-32]。當(dāng)內(nèi)夾角β增至90°以后(β<α)帶內(nèi)流體壓力增大,巖層長(zhǎng)度趨于加長(zhǎng)、厚度趨于減薄,形成與層理近垂直的張裂隙(圖6-c);流體趨于流入這些低壓空間和擠入膝褶帶旁側(cè)形成鞍狀礦脈或油氣聚集。因此膝褶帶有利于流體的運(yùn)移和聚集。

Stubley[6]的理論研究結(jié)果也支持膝褶帶內(nèi)張裂隙的出現(xiàn),他認(rèn)為最大主壓應(yīng)力σ1與膝褶帶外部巖層間的夾角大小可能對(duì)已有膝褶帶的改造起主要控制作用,指出σ1位于已有膝褶帶面與其外部巖層交角的銳角方向,并且剪切應(yīng)力沿膝褶帶總旋轉(zhuǎn)的反方向(圖7-a);試驗(yàn)研究也表明新的、或已存在膝褶帶的側(cè)向擴(kuò)展支持這種應(yīng)力場(chǎng)條件[33]。另一種情況是,σ1的方向位于已有膝褶帶與外部巖層交角的鈍角方向(圖7-b),膝褶帶外部地層發(fā)生層間滑動(dòng),并進(jìn)入膝褶帶內(nèi)部可能是膝褶帶加寬的一個(gè)重要因素,同時(shí)也誘使階梯狀膝褶帶面或膝褶帶面的錯(cuò)位、張性破裂的出現(xiàn)(圖7-b2,圖7-b4)。理論和野外觀測(cè)一致表明,張裂隙是膝褶帶內(nèi)變形或膝褶生長(zhǎng)過程中的伴生產(chǎn)物[11]。

鄭亞東等曾利用斷層閥模式對(duì)柴達(dá)木盆地油泉子構(gòu)造的膝褶帶進(jìn)行油氣評(píng)價(jià)指出[11]:斷層閥模式合理地說明斷層活動(dòng)、流體壓力和礦物沉淀之間的密切關(guān)系及其周期性的活動(dòng)規(guī)律;膝褶帶雖與斷層帶不同,但其成長(zhǎng)過程引起的擴(kuò)容和伴生的張裂隙,同樣會(huì)導(dǎo)致膝褶帶內(nèi)流體壓力的驟然下降,并吸入帶外流體;這種擴(kuò)容和泵吸作用可能有利于油氣運(yùn)移和聚集成藏,同時(shí),由于膝褶帶邊界保持巖層的連續(xù)性和連通性,無大型貫穿性斷層,因而,比斷層帶更有利于流體的運(yùn)移與聚集;地面出露的膝褶帶中見有殘余油跡,表明沿膝褶帶確實(shí)發(fā)生過油氣運(yùn)移和聚集的過程,他們的研究推測(cè),油泉子構(gòu)造高點(diǎn)不僅有利于形成與背斜高點(diǎn)有關(guān)的一般性油氣藏,而且有利于形成膝褶帶裂隙油氣藏[11]。值得提及的是膝褶構(gòu)造并不排除流體的垂向運(yùn)移,尤其是在構(gòu)造變形疊加活躍的區(qū)域,應(yīng)力場(chǎng)體系的改變,可能造成膝褶的重新改造,如帶內(nèi)脆性破裂或斷裂的發(fā)育(圖7-b)。

圖7 最大主壓應(yīng)力方向的不同對(duì)先存膝褶帶改造的影響圖(a)最大主壓應(yīng)力方向位于膝褶帶面與外部面理銳夾角方向時(shí);(b)最大主壓應(yīng)力方向位于膝褶帶面與外部面理鈍夾角方向

3 基于地震信息的膝褶帶識(shí)別

John Suppe等[34]在論述斷層相關(guān)褶皺理論時(shí)曾預(yù)言膝褶帶遷移是褶皺生長(zhǎng)方式之一,控制生長(zhǎng)地層的發(fā)育;這一預(yù)測(cè)在隨后的理論論證和地震資料解釋中得到進(jìn)一步證實(shí)[34-35],他們給出了穩(wěn)定傾角膝褶帶軸面遷移的5種運(yùn)動(dòng)學(xué)模式和生長(zhǎng)地層樣式(圖8)。

圖8 穩(wěn)定傾角膝褶帶遷移的運(yùn)動(dòng)學(xué)模式及變形過程中生長(zhǎng)地層圖(a,b,c,d,e,f)為膝褶帶遷移的5種運(yùn)動(dòng)學(xué)模式,膝褶帶軸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)(生長(zhǎng)地層前的變形);(a′,b′,c′,d′,e′,f′)為5種膝褶帶遷移變形過程中的生長(zhǎng)地層

在圖8中,膝褶帶不同遷移模式對(duì)其右翼褶皺中的生長(zhǎng)地層的控制,生長(zhǎng)地層很好地記錄了膝褶軸面遷移變形過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。值得注意的是膝褶帶寬度在生長(zhǎng)地層前的巖層中是保持穩(wěn)定(圖8),隨著生長(zhǎng)地層的發(fā)育,膝褶帶向上逐漸變窄,在現(xiàn)今的沉積表面消減為零寬度,上述5種模式在自然界都可以觀測(cè)到,可作為識(shí)別膝褶帶的一個(gè)重要標(biāo)志;新近筆者對(duì)塔里木盆地巴楚隆起區(qū)內(nèi)二維地震剖面的解釋中識(shí)別出的膝褶帶構(gòu)造樣式及其生長(zhǎng)三角,且生長(zhǎng)三角類似于圖8-c的理想模型。如圖9所示,塔里木盆地巴楚隆起區(qū)橫穿隆起西南西坡某地震剖面中的膝褶帶和共軛膝折帶,地震剖面所反應(yīng)的生長(zhǎng)地層,向上變狹窄的膝褶帶;膝褶帶內(nèi)呈現(xiàn)低反射特征,剖面中顯示的生長(zhǎng)地層向上趨于狹窄(左側(cè)膝褶帶),而深部寬度穩(wěn)定。

隨著地震資料處理技術(shù)的不斷提高,新近有學(xué)者嘗試應(yīng)用膝褶構(gòu)造樣式解釋基底滑脫層發(fā)育的擠壓構(gòu)造區(qū)內(nèi)的構(gòu)造變形。

如Camerlo and Benson[3]對(duì)北美最大的背斜油氣藏——墨西哥灣深水區(qū)Perdido褶皺帶地震資料重新解釋,認(rèn)為該帶主要構(gòu)造樣式為膝褶帶型拆離褶皺(圖10)(kink-style detachment fold),這與前人提出的斷層轉(zhuǎn)彎褶皺和疊瓦逆沖褶皺[33]以及“兩斷夾一隆”構(gòu)造樣式的解釋方案均然不同[36]。

圖9 塔里木盆地巴楚隆起區(qū)膝褶帶和共軛膝折帶圖

圖10 典型膝褶帶型拆離褶皺幾何模型(a)及膝褶構(gòu)造樣式的地震信息響應(yīng)(b)圖[3]

圖10-a:膝褶型拆離褶皺包括2個(gè)共軛膝褶帶及其中間所夾持的背斜;共軛膝褶帶向深部匯合;背斜頂呈三角形,且地層面平整,這個(gè)平整的地層寬度向下逐漸變小成一點(diǎn),與軸面匯合點(diǎn)(P1)重合;在匯合點(diǎn)之下出現(xiàn)頂尖褶皺。圖10-b:亞水平的地層為高反射區(qū),在地震剖面上呈三角形;膝折帶以低反射為特征。

Camerlo and Benson[3]初步總結(jié)指出如何利用地震信息識(shí)別和區(qū)分膝褶構(gòu)造和斷裂構(gòu)造,結(jié)合筆者新近對(duì)塔里木盆地巴楚隆起區(qū)內(nèi)的二維地震資料分析和野外構(gòu)造觀測(cè),認(rèn)為膝折帶一般呈低反射帶,且條帶狀、低信噪比、低反射條帶存在一定寬度,條帶與其外部巖層呈高角度關(guān)系,帶內(nèi)反射面角度陡立,這些低反射帶常共軛出現(xiàn)(圖9、11);發(fā)育膝折帶構(gòu)造的下部一般存在一個(gè)區(qū)域性滑脫層,如膏巖層。

根據(jù)最大有效力矩準(zhǔn)則[2],對(duì)稱共軛膝褶帶間的理論共軛夾角為110°±20°,針對(duì)Camerlo and Benson解釋的共軛膝褶帶,筆者估測(cè)其鈍交角平均值為115° (圖11-b),而塔里木盆地巴楚隆起區(qū)內(nèi)共軛膝折帶的鈍夾角統(tǒng)計(jì)平均值為124°(具體數(shù)據(jù)和過程分析另撰文),與理論值相差無幾,遵循最大有效力矩準(zhǔn)則;與理論值的誤差可能源于地震剖面橫縱比例以及測(cè)量過程中人為因素所致。

圖11 橫穿Perdido褶皺帶的地震剖面[3]圖(a)未做解釋的三維疊后時(shí)間偏移圖;(b)褶皺中包含的高角度低反射帶;(c)三角形高反射區(qū);USR為上地震反射面;DSR為深地震反射面;tD為韌性滑脫層頂;垂向放大約1.5∶1;TW T為雙傳播時(shí)間

4 討論與總結(jié)

在許多油氣構(gòu)造解釋和分析中,一個(gè)常見的油氣構(gòu)造樣式是逆沖相關(guān)的背斜圈閉,具體結(jié)構(gòu)是“背沖斷層”或“Y”形逆沖斷層及其夾持的背斜形成“斷隆構(gòu)造”,即所謂的“兩斷夾一隆”構(gòu)造樣式;其中“兩斷”一般解釋為高角度逆沖斷層,這一解釋缺乏理論支持,即根據(jù)地震資料解釋的“陡傾逆沖斷層”與斷裂理論和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不相容[2-3],構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中廣泛采用摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則解釋脆性斷裂的形成,即脆性斷裂面或破裂面與主壓應(yīng)力(δ1)間的理論夾角為30°,共軛斷裂面或破裂面間的夾角為60°;而自然界和實(shí)驗(yàn)?zāi)M一致顯示連續(xù)變形(韌性變形)不遵循摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則,大量的野外地質(zhì)構(gòu)造觀測(cè)表明共軛韌性變形帶面對(duì)縮短(或擠壓)方向的夾角總是鈍角,Zheng等統(tǒng)計(jì)自然界和試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)[2],表明共軛韌性變形帶間縮短方向的夾角為95°～130°,最大有效力矩準(zhǔn)則的理論預(yù)測(cè)角為109.4°[2]。由此推斷以往被解釋為“兩斷夾一隆”的構(gòu)造式樣實(shí)為連續(xù)變形,而非脆性構(gòu)造,且 Zheng等利用最大有效力矩準(zhǔn)則對(duì)共軛膝褶帶的理論預(yù)測(cè)可以合理解釋這一構(gòu)造現(xiàn)象[2,11]。

新理論的實(shí)踐以及新近地球物理資料解釋已表明:最大有效力矩準(zhǔn)則不但可以準(zhǔn)確解釋這類構(gòu)造現(xiàn)象,更重要的啟示是“兩斷夾一隆”的解釋方案值得商榷,實(shí)際的構(gòu)造樣式更可能是大型共軛膝褶帶,原先解釋為高角度逆沖斷層的地方可能是膝褶帶的樞紐帶。

膝褶帶的幾何學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、形成機(jī)制等因素都決定其具備形成油氣構(gòu)造圈閉的有利條件,可以形成有利的油氣富集區(qū):①膝褶帶樞紐處容易形成構(gòu)造高點(diǎn),膝褶帶內(nèi)發(fā)生陡傾變形且垂向增厚的巖層,即其本身發(fā)育一定寬度,無論是膝褶帶自身還是共軛膝褶帶之間的膝褶型褶皺的平直地層引起的大型楔體效應(yīng)都具備形成有效構(gòu)造圈閉的可能。②膝褶帶自深部向淺部“縱向貫透”多套地層,膝褶帶邊界處橫向保持與兩側(cè)巖層連續(xù)性和連通性,無大型貫穿性斷層,因而比斷層帶更有利于流體的縱向和橫向運(yùn)移與聚集。③膝褶型褶皺兩側(cè)為陡傾的膝褶帶,而非斷層,這就為構(gòu)造內(nèi)部提供了油氣運(yùn)移和儲(chǔ)集的驅(qū)動(dòng)機(jī)制;如果褶皺的長(zhǎng)度受控于大型所謂“背沖斷層”,發(fā)生統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng)被分隔的可能性就會(huì)增大,最終由于開采儲(chǔ)層壓力的消耗而影響采收率;相反,膝褶型褶皺陡傾側(cè)翼可能提供強(qiáng)大的統(tǒng)一壓力體系支持,進(jìn)而大大增加儲(chǔ)層產(chǎn)能和開采。④膝褶形成過程(或再次膝褶化)和膝褶帶幾何形態(tài)都決定了這種構(gòu)造樣式具備良好封閉能力,膝褶作用不可能破壞圈閉,因?yàn)樵谙ヱ藁^程中彎滑是主要的變形方式,軟弱單元被認(rèn)為發(fā)生了剪切變形而非延伸產(chǎn)生開啟破裂(這種開啟破裂對(duì)圈閉的封閉能力有傷害)。⑤膝褶帶內(nèi)由于巖層扭折而發(fā)育各種擴(kuò)容空間,表明膝褶帶為裂隙和張性空隙的密集帶;擴(kuò)容作用的存在,其斷層閥的泵吸作用不斷抽吸帶外兩側(cè)儲(chǔ)層和烴源巖中的油氣,有利于油氣運(yùn)移和聚集成藏。

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DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.007

Zhang Bo,lecturer,born in1978,is mainly engaged in teaching and research of tectonic geology and tectonophysics.

Add:Haidian District,Beijing100871,P.R.China

Tel:+86-10-62758325 E-mail:geozhangbo@pku.edu.cn

Kink,kink-band and conjugate kink-band:A probably potential new type of structural trap

Zhang Bo1,Li Shengfu1,2,Zhang Jinjiang1,Zheng Yadong1,Zhang Zhongpei3

(1.School ofEarth and S pace Science,Peking University,Beijing100871,China;2.PetroChina Qinghai Oilf ield Company,Germu,Qinghai816400,China;3.Sinopec Ex ploration and Production Research Institute,Beijing100083,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE2,pp.32-39,2/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

The conjugate kink-band under the control of the Maximum Effective Moment Criterion(MEMC)is a common type of structural deformation in anisotropic rocks.Based on the previous study results and exploration practices,we comprehensively analyzed kink-band geometry,formation mechanism and interpretation of geophysical data.It is believed that large kink-band and conjugate kink-band may be misinterpreted to be some kind of structural attitude with an uplift occurring between two faults.Some structural styles that were previously misinterpreted to be high-angle reverse faults are more possibly of hinge zones of kinks.The kinkbands have the conditions of forming structural traps,thus may be favorable hydrocarbon accumulation zones.As structures formed in non-major orogenic period,kink-bands and conjugate kink-bands should draw the attention of petroleum geologists and geophysicists during exploration and structure interpretation.Accurate identification and discrimination of kink-bands from faulted structures by using geophysical data and in combination with field observation of geological structures is a new idea and methodology for searching for structural traps.

kink,kink-band,conjugate kink-band,fold,maximum effective moment,oil/gas-bearing structure,structural trap,hydrocarbon accumulation zone

book=32,ebook=17

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.007

2009-10-20 編輯 羅冬梅)

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):40802050),中國(guó)博士后科學(xué)基金(編號(hào):20070420065)。

張波,1978年生,講師;主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和構(gòu)造物理學(xué)教學(xué)和研究工作。地址:(100871)北京市海淀區(qū)北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院。電話:(010)62758325。E-mail:geozhangbo@pku.edu.cn