魏國齊，朱秋影，楊威，張春林，莫午零

（中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

鄂爾多斯盆地位于華北克拉通西部，北起陰山、南達秦嶺、東至呂梁山、西抵賀蘭山，是一個大型多旋回疊合盆地[1]，經(jīng)歷了阜平、五臺等多期次構(gòu)造變動[2]，油氣資源豐富，是中國中西部重要的能源基地?？碧綄嵺`表明，鄂爾多斯盆地的天然氣不僅富集在上古生界碎屑巖中[3]，同時也存在于下古生界海相碳酸鹽巖中[4]。鄂爾多斯盆地下古生界海相碳酸鹽巖分布廣泛、沉積厚度大、天然氣資源豐富，通過多年大規(guī)?？碧?，在奧陶系取得了重要的勘探成果[5]，發(fā)現(xiàn)了奧陶系“頂部”和奧陶系“內(nèi)幕”兩大成藏系統(tǒng)[6]，截至2018年底，已在奧陶系累計提交天然氣探明儲量超過6 547×108m3。隨著陸上深層油氣勘探開發(fā)理論及技術的不斷進步[7-9]，以及鄂爾多斯盆地勘探的持續(xù)推進，天然氣勘探逐漸向深層拓展，目前已有多口井在寒武系見到良好油氣顯示，揭示鄂爾多斯盆地寒武系海相碳酸鹽巖的勘探潛力。

由于受地震、鉆井等基礎資料的限制，對于寒武系天然氣地質(zhì)條件的認識相對比較薄弱，尤其是對寒武系斷裂特征的研究更加薄弱。目前，對寒武系的斷裂研究主要集中于盆地的邊緣，許多學者認為鄂爾多斯地塊西南部早古生代為毗鄰秦祁賀三叉裂谷體系的大陸邊緣[10]。早古生代，受秦祁賀三叉裂谷再次活動的影響，盆地西部發(fā)育裂谷環(huán)境。在研究盆地構(gòu)造演化、巖相古地理等問題時，對寒武系的古構(gòu)造有所涉及，認為受Rodinia超大陸裂解和原特提斯洋擴張的影響，寒武紀盆地內(nèi)部發(fā)生緩慢沉降，盆地邊緣則發(fā)生相對較快的沉降[11]，盆地基底結(jié)構(gòu)影響了寒武紀的構(gòu)造格局[12]。部分學者認為盆地寒武紀具有“一隆三凹”的格局（即西緣凹陷、南緣凹陷、東部凹陷呈“U”字形包圍著中部隆起）[13]，也有部分學者認為寒武紀具有“兩隆、兩凹夾一鞍部”（即南北兩隆、東西兩凹和中部一鞍部）的構(gòu)造格局[14]。這些研究均只對鄂爾多斯盆地寒武紀的古構(gòu)造特征進行了分析，并沒有對寒武系的斷裂特征進行系統(tǒng)研究。近年來的勘探實踐證明斷裂在油氣的形成、運聚和成藏中起到了重要作用[15-17]。地震資料的覆蓋率及品質(zhì)的提高，為開展鄂爾多斯盆地寒武系斷裂特征研究奠定了基礎。

本文基于鄂爾多斯盆地內(nèi)部326條總長30 000 km二維地震測線、61口鉆遇寒武系井的測井和鉆井資料，結(jié)合盆地周緣10條露頭剖面資料以及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景，通過全盆地范圍內(nèi)地震地質(zhì)綜合解釋，開展鄂爾多斯盆地寒武系斷裂特征研究，分析斷裂對寒武系古地理格局的影響以及對寒武系沉積儲集層的控制作用，預測寒武系的有利勘探區(qū)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地構(gòu)造上屬于華北板塊的一部分，作為一個多旋回大型疊合盆地[18]，經(jīng)歷了阜平、五臺等10余次構(gòu)造運動，前人將盆地劃分為晉西撓褶帶、渭北隆起、西緣沖斷帶、伊陜斜坡、天環(huán)坳陷和伊盟隆起6個構(gòu)造單元（見圖1a）。寒武系是基底之上的第二套沉積層系，至寒武系沉積時，盆地主要經(jīng)歷了 3個演化階段（見圖2）。

①結(jié)晶基底形成階段。學者們從不同的角度研究認為，鄂爾多斯盆地結(jié)晶基底主要形成于太古代至早元古代，經(jīng)歷了遷西、阜平、五臺、呂梁等運動后最終形成[19-21]。一些學者通過地下熱流值[22-23]、航磁異常[24]、重力異常[25]、地震剖面[26]及鋯石測年[27]等資料對基底特征進行了研究，結(jié)果表明鄂爾多斯地塊并非是一個完整的地塊，具有明顯的不均一性，盆地基底是由多個不同巖性、不同時代、不同變質(zhì)程度的塊體拼接、固化而形成的。

②中新元古代大陸裂解階段。中新元古界是結(jié)晶基底之上的第一套沉積蓋層，學者們對鄂爾多斯盆地中新元古代的構(gòu)造進行了研究[28-29]，認為中新元古代，受 Rodinia超大陸裂解的影響[30]，裂陷作用十分活躍[31]，在強烈伸展拉張應力背景下發(fā)育一系列陸內(nèi)裂陷，這些陸內(nèi)裂陷處構(gòu)造相對薄弱，在構(gòu)造應力的作用下，更易于發(fā)育斷裂。因此，從某種程度上講，中新元古代的裂陷作用是寒武紀斷裂發(fā)育的一個先導條件。

③寒武紀伸展拉張階段。早寒武世至中寒武世，鄂爾多斯地塊受北緣興蒙海槽及南緣秦嶺海槽擴張的影響，處于被動大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境，表現(xiàn)為伸展拉張的應力背景。晚寒武世，盆地的構(gòu)造應力場由拉伸向擠壓過渡，盆地處于弱拉張應力背景[31]，總體而言，寒武紀處于拉張的應力背景。

寒武系沉積后，鄂爾多斯盆地依次經(jīng)歷了加里東、海西、印支、燕山、喜馬拉雅等運動[32]。加里東運動使鄂爾多斯盆地整體隆升；海西和印支運動使盆地處于伸展和壓縮應力相互交替的階段，盆地演化為內(nèi)陸坳陷盆地；燕山運動使盆地周緣發(fā)生碰撞造山形成前陸盆地，盆地轉(zhuǎn)化為前陸撓曲沉降階段；喜馬拉雅運動使盆地周緣發(fā)生斷陷、盆地內(nèi)部隆升，最終形成現(xiàn)今的構(gòu)造。總體而言，寒武紀之后的構(gòu)造運動除盆地周緣外，盆地內(nèi)部總體以垂直的升降運動為主，寒武紀之后的構(gòu)造運動對盆地內(nèi)部寒武紀斷裂的后期改造作用很弱。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元劃分（a）及構(gòu)造演化綜合柱狀圖（b）（據(jù)文獻[2]修改）

鄂爾多斯盆地早古生代早期在多幕快速海進和緩慢海退的過程中沉積了一套相對穩(wěn)定、可追蹤對比的寒武系海相碳酸鹽巖夾碎屑巖地層。其中下寒武統(tǒng)在鄂爾多斯盆地發(fā)育辛集組、朱砂洞組、饅頭組；中寒武統(tǒng)在盆地內(nèi)發(fā)育毛莊組、徐莊組、張夏組；上寒武統(tǒng)在盆地內(nèi)發(fā)育三山子組。下寒武統(tǒng)分布面積相對較小，僅分布在盆地西緣和南緣，巖性主要為砂巖、泥巖、含磷砂礫巖和石灰?guī)r等。中寒武統(tǒng)分布范圍較大，巖性主要為白云巖、石灰?guī)r、泥巖、生屑灰?guī)r及鮞粒灰?guī)r等。受到后期剝蝕的影響，上寒武統(tǒng)三山子組在盆地西緣相對較厚（可達380 m），在盆地內(nèi)部相對較?。ㄒ话銥?00 m），巖性主要為灰色、淺灰色竹葉白云巖、泥質(zhì)白云巖、細晶白云巖等。

圖2 鄂爾多斯盆地寒武系斷層識別（剖面位置見圖3，圖中紅線代表斷層）

2 斷裂特征

2.1 斷裂識別

利用盆地內(nèi)鉆遇寒武系的61口井的測井、鉆井等資料對寒武系地震地質(zhì)層位進行精細標定。石炭系底界為一個強阻抗差界面，具有單個強波峰的地震反射特征，連續(xù)性好，全區(qū)可追蹤對比（見圖2），以該界面作為全區(qū)標志性反射界面。寒武系上覆地層巖性差異導致寒武系頂界面的地震反射呈現(xiàn)兩種不同的特征，一種為中強波谷、中高連續(xù)地震反射特征（見圖2a），鄂爾多斯盆地西北部主要呈現(xiàn)這種反射特征；另一種為中弱波谷、中低連續(xù)的地震反射特征（見圖2b），鄂爾多斯盆地東南部主要呈現(xiàn)這種反射特征。寒武系底界也呈現(xiàn)兩種不同的反射特征，當下伏地層為震旦系時，寒武系底部的砂質(zhì)泥巖與震旦系的礫巖形成一個強的正阻抗差界面，寒武系底界具有單個中強波峰、中高連續(xù)的地震反射特征（見圖2a），鄂爾多斯盆地西部主要呈現(xiàn)這種反射特征；當下伏地層為薊縣系或長城系時，寒武系底與下伏地層形成負阻抗差界面，寒武系底界呈現(xiàn)中強波谷、中連續(xù)的地震反射特征（見圖2b），鄂爾多斯盆地東部主要呈現(xiàn)這種反射特征。在寒武系層位標定的基礎上，以鄂爾多斯盆地的構(gòu)造演化為指導，建立寒武系斷裂的 4種識別標志：①地震反射同相軸錯斷（見圖2a）；②在地震剖面上可以見到明顯的斷面波（見圖2b）；③地震反射相位突變（見圖2c）；④地層坡度及厚度發(fā)生突變（見圖2d）。以此為指導，在全盆地范圍內(nèi)開展寒武系的構(gòu)造解釋，研究寒武系的斷層特征，在寒武系識別出不同類型、不同產(chǎn)狀、不同規(guī)模的斷層共93條。

2.2 斷裂展布

受不同構(gòu)造演化階段應力場變化的影響，寒武系發(fā)育類型不同、產(chǎn)狀不同、規(guī)模不同的斷裂。鄂爾多斯盆地寒武系主要發(fā)育北東向、近東西向、北西向 3組斷裂（見圖3）。

2.2.1 北東向斷裂

北東向斷裂主要發(fā)育于寒武紀，是寒武系的主干斷層。平面上，部分斷層規(guī)模較大，平面延伸距離可達數(shù)百公里。剖面上，斷裂產(chǎn)狀相對較陡，斷層傾角一般大于45°，以正斷層為主，斷距為幾十米至上百米，呈現(xiàn)壘塹相間或階梯狀構(gòu)造樣式，斷層一般向上終止于寒武系或奧陶系內(nèi)部，未切割晚古生界，一部分斷裂向下可斷至前寒武系，與中新元古界伸展斷裂具有一定的繼承性，斷裂兩側(cè)地層沉積厚度或地震相特征具有一定的差異，對寒武系沉積具有重要的控制作用。在寒武系識別出50條北東向斷層，主要分布在盆地中南部（見圖3）。

圖3 鄂爾多斯盆地寒武系斷裂分布特征

近似垂直于斷裂走向的地震剖面清晰地展示出北東向斷裂的典型特征（見圖4）。其中，①、②、③號斷裂呈階梯狀，向下斷開前寒武系，向上消失于寒武系或奧陶系內(nèi)部，自西向東斷距逐漸增大，寒武系厚度逐漸加厚（見圖4a）；⑨、⑩號斷裂為寒武紀形成的正斷層，斷層傾角較陡，向上消失于寒武系內(nèi)部，向下斷開前寒武系，剖面上可見地塹構(gòu)造，斷層下降盤寒武系厚度明顯增加（見圖4b）。

2.2.2 近東西向斷裂

近東西向斷裂也是寒武系的主干斷層，平面上主要分布在盆地的北部，斷層延伸距離為50～125 km。剖面上以正斷層為主，傾角相對較陡，斷距一般小于100 m，斷層向上終止于奧陶系、未斷穿石炭系，斷裂向下終止于前寒武系，斷層下降盤寒武系的厚度增加。近東西向斷裂主要受盆地北部近東西向的基底斷裂所影響，是基底斷裂在寒武紀再次活化而形成的，對盆地北部的沉積具有一定控制作用。盆地北部一條二維地震剖面顯示（見圖5），前寒武紀斷裂發(fā)育，呈近東西向展布的寒武系斷裂是前寒武紀斷裂再次活化而形成的，斷層傾角較陡，斷距規(guī)模不大，但斷層兩側(cè)地層厚度存在明顯差異。本文在寒武系識別出10條近東西向斷裂。

2.2.3 北西向斷裂

北西向斷裂主要形成于寒武紀，是在早古生代拉張應力背景下由伸展矢量形成的調(diào)節(jié)斷層，斷層一般延伸范圍不大，平面上呈北西向展布，斷距較小，該類斷層基本不控制沉積。

近盆地西部一條將奧陶系頂界拉平的地震剖面顯示（見圖6），?及?號斷裂為北東向斷裂，斷開寒武系，斷距相對較大；NF1斷層為正斷層，屬于北西向斷裂，是在拉張應力背景下，由伸展斷裂矢量形成的調(diào)節(jié)斷層，斷距較小，不影響寒武系沉積。

3 斷裂定級

寒武系北東向、近東西向及北西向展布的 3組斷裂在斷層剖面斷距、平面延伸距離等方面差別很大，既有延伸數(shù)百公里以上的大型斷層，又有僅延伸幾公里的小斷層，為了更好地分析斷層的特征，根據(jù)斷裂分級規(guī)則[33]，按照斷裂在構(gòu)造單元中的作用并參考斷裂規(guī)模，將寒武系的斷裂定為二級、三級和四級共 3個級別。

3.1 二級斷裂

二級斷裂控制了鄂爾多斯盆地寒武系的二級構(gòu)造單元，即寒武紀凹陷的邊界，斷裂規(guī)模較大，平面延伸距離通常大于95 km，剖面上斷距大于85 m。二級斷裂以北東向斷裂為主（見圖3），在寒武系發(fā)育 22條二級斷裂。剖面上，二級斷裂為拉張應力背景下形成的正斷層，斷層傾角大于45°，向上斷至寒武系或奧陶系內(nèi)部，為同沉積斷裂，明顯控制斷層兩盤沉積厚度的變化（見圖7）。二級斷裂兩側(cè)的地震反射特征存在明顯差異，斷層下降盤寒武系主要以中強振幅、中高連續(xù)反射特征為主，而斷層上升盤主要以中弱振幅、中低連續(xù)反射特征為主。二級斷裂向下切入前寒武紀地層，與前寒武紀斷裂具有一定的繼承性。

3.2 三級斷裂

圖4 鄂爾多斯盆地北東向斷裂剖面特征（剖面位置見圖3，圖中紅線代表斷裂、數(shù)字代表斷裂編號）

圖5 鄂爾多斯盆地近東西向斷裂剖面特征（剖面位置見圖3）

三級斷裂是指發(fā)育在二級構(gòu)造單元內(nèi)的斷裂，主要控制局部構(gòu)造的高、低起伏，斷裂規(guī)模較二級斷裂小，平面延伸距離為20～95 km，剖面上斷距為25～85 m。三級斷裂在平面上以北東向斷裂為主，主要沿二級斷裂兩側(cè)與之近平行展布（見圖3），寒武系發(fā)育三級斷裂38條。剖面上，三級斷裂為拉張應力背景下形成的同沉積斷裂，屬于二級斷裂的派生或伴生斷裂，斷裂規(guī)模較二級斷裂小，主要切穿寒武系—奧陶系（見圖8）。三級斷裂對地層厚度的影響沒有二級斷裂明顯。三級斷裂控制寒武系局部構(gòu)造的分布，對斷層兩盤的地震振幅、頻率等反射特征具有一定影響，而地震反射振幅、頻率等特征是地層沉積特征的直接反映，說明三級斷裂影響寒武系沉積。

圖6 鄂爾多斯盆地寒武系北西向斷裂剖面特征（剖面位置見圖3，石炭系底層拉平）

圖7 鄂爾多斯盆地寒武系二級斷裂剖面特征（剖面位置見圖3，圖中紅線代表二級斷裂）

圖8 鄂爾多斯盆地寒武系三級斷裂剖面特征（剖面位置見圖3）

3.3 四級斷裂

四級斷裂是局部構(gòu)造單元內(nèi)發(fā)育的斷裂，以北西向為主（見圖3），斷裂規(guī)模很小，平面延伸距離通常小于20 km，剖面上斷距小于25 m。地震剖面上可見微小的同相軸錯斷（見圖6中的NF1斷層），主要是在早古生代拉張應力背景下由伸展矢量形成的調(diào)節(jié)斷層，斷層兩側(cè)無明顯的地層厚度及地震反射差異。四級斷裂不控制寒武系沉積。

4 斷裂對寒武紀沉積儲集層形成與發(fā)育的控制

4.1 對古構(gòu)造格局的控制

寒武系二級和三級斷裂為同沉積斷裂，受其控制，形成了寒武系凹凸相間、高低分異的古構(gòu)造格局。

4.1.1 二級斷裂控制了凹凸相間的宏觀古構(gòu)造格局

盆地西緣一條垂直于斷裂走向分布的北西向地震剖面顯示（見圖9），受二級斷裂控制，呈現(xiàn)壘塹相間的構(gòu)造樣式，?號和?號斷裂之間為地壘，?號和?號斷裂之間為地塹，地壘處寒武系厚度相對較薄，地塹處寒武系厚度明顯增加，平面上則呈現(xiàn)凹凸相間的構(gòu)造格局。

4.1.2 三級斷裂控制了微觀古地貌的分異

三級斷裂控制了在凸起、凹陷宏觀構(gòu)造單元內(nèi)局部構(gòu)造的高低起伏，形成了寒武紀高、低分異的微觀古地貌特征，控制了微古地貌的分異。位于凸起上的一條地震剖面顯示（見圖10），?、?、?號為三級同沉積斷裂，剖面上A—B段和C—D段為局部地貌高部位，B—C段和D—E段為局部地貌低部位，體現(xiàn)出三級斷裂控制了凸起或凹陷背景上局部地貌的高低起伏，形成了高、低分異的微古地貌特征。

圖9 鄂爾多斯盆地寒武系二級斷裂控制盆地凹凸格局（剖面位置見圖3）

圖10 鄂爾多斯盆地寒武系三級斷裂對微古地貌的控制（剖面位置見圖3）

4.2 對灘相沉積的控制

受二級和三級斷裂共同控制，鄂爾多斯盆地寒武系徐莊組沉積前呈現(xiàn)凹凸相間、高低分異的微古地貌特征。這種微古地貌控制了寒武系的沉積，使寒武系存在明顯的沉積相分異。南北向沉積相對比剖面顯示（見圖11），凸起上的微古地貌高部位，水體相對較淺，水動力相對較強，發(fā)育臺緣灘、臺內(nèi)灘等相對高能的沉積相帶，巖性主要以鮞?；?guī)r、鮞粒白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r為主，如布1井、天深1井、慶深2井、鎮(zhèn)探2井均處于凸起上的微古地貌高部位，寒武系發(fā)育鮞粒灘相沉積，且相鄰凹陷的規(guī)模越大，其邊緣發(fā)育的灘體規(guī)模也越大；凹陷部位因水動力相對較弱，發(fā)育相對低能的沉積相帶，如摩爾溝露頭、同心青龍山露頭發(fā)育盆地相，寒武系加厚，巖性主要以灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖、頁巖為主。

由此可見，受斷裂控制，形成了寒武紀凹凸相間、高低分異的古地理格局，這種古地理格局進一步控制了寒武系灘體的發(fā)育，灘體主要發(fā)育在凹陷邊緣的微古地貌高部位，主要呈北東向展布，與寒武系二級和三級斷裂的展布方向基本一致（見圖12），凹陷的規(guī)模越大，其邊緣發(fā)育的灘體規(guī)模也越大。

圖11 鄂爾多斯盆地寒武系沉積相對比剖面圖（Δt—聲波時差；GR—自然伽馬；RLLD—深側(cè)向電阻率；RLLS—淺側(cè)向電阻率）

4.3 對優(yōu)質(zhì)儲集層發(fā)育的控制

二級和三級斷裂共同控制了寒武紀凹凸相間、高低分異的古地理格局，這種古地理格局進一步控制了寒武系優(yōu)質(zhì)儲集層的發(fā)育，主要表現(xiàn)在：①控制了寒武系儲集層原生孔隙的發(fā)育，受二、三級斷裂共同控制，位于寒武紀凹陷邊緣的微古地貌高部位儲集層的原生孔隙發(fā)育（見圖13中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），這些部位水體相對較淺，水動力相對較強，鮞粒灘相發(fā)育，儲集層的原生孔隙好，如旬探 1井在張夏組發(fā)育臺緣鮞粒灘相，主要為鮞粒白云巖（見圖14a）；②控制了寒武系儲集層次生孔隙的發(fā)育，凹陷邊緣的微古地貌高部位有利于次生孔隙的發(fā)育（見圖13中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），這些部位處于凸起背景上的局部高點，受海平面周期變化的影響，易于暴露地表，易接受大氣淡水的淋濾，不僅有利于準同生期溶蝕作用形成溶蝕孔隙，同時也有利于準同生白云化作用和淺埋藏期云化作用生成次生孔隙，如靈 1井張夏組為亮晶膠結(jié)鮞粒白云巖，白云化程度較高，粒間及粒內(nèi)溶孔發(fā)育（見圖14b），寧探1井張夏組發(fā)育粒間溶孔和晶間溶孔（見圖14c）。由此可見，凹陷邊緣的微古地貌高部位，不僅灘體發(fā)育，而且易于形成高孔優(yōu)質(zhì)儲集層，為寒武系有利儲集層的發(fā)育區(qū)。

從油氣成藏及勘探成效等方面綜合分析認為，緊鄰凹陷邊緣的微古地貌高部位鮞粒灘相發(fā)育，灘體規(guī)模相對較大，儲集層原生孔隙及次生孔隙均發(fā)育，是有利儲集層發(fā)育區(qū)，而且凹陷內(nèi)烴源巖相對發(fā)育，源儲配置較好，是寒武系的有利勘探區(qū)。

圖12 鄂爾多斯盆地寒武紀張夏期巖相古地理圖

圖13 鄂爾多斯盆地寒武系有利儲集層發(fā)育模式圖（剖面位置見圖12）

圖14 鄂爾多斯盆地寒武系凹陷邊緣微古地貌高部位儲集層特征

5 結(jié)論

鄂爾多斯盆地寒武系主要發(fā)育北東向、近東西向和北西向 3組斷裂，北東向和近東西向斷裂為寒武系的主干斷裂。根據(jù)斷裂在構(gòu)造單元中的作用并參考斷裂規(guī)模將寒武系的斷裂劃分為二級、三級和四級共 3個級別。

二級和三級斷裂控制了寒武紀的古構(gòu)造格局，二級斷裂控制了寒武紀凹凸相間的宏觀古構(gòu)造格局，三級斷裂控制了寒武紀高低分異的微觀古地貌特征，受二級、三級斷裂共同控制，寒武紀具有凹凸相間的宏觀構(gòu)造和高低分異的微觀古地貌相結(jié)合的古構(gòu)造特征。

寒武紀的古構(gòu)造格局不僅控制了有利灘相的發(fā)育，同時也控制了寒武系優(yōu)質(zhì)儲集層的分布。緊鄰寒武紀凹陷邊緣的微古地貌高部位是有利灘相和有利儲集層的疊合發(fā)育區(qū)，為寒武系有利勘探區(qū)。