袁敬一，鄔光輝，萬效國 ，鄧衛(wèi)，劉瑞東

1)中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒，841000；2)西南石油大學地球科學與技術學院，成都，610500； 3)西南石油大學羌塘研究院，成都，610500

內容提要: 斷層破碎帶的寬度—位移關系對斷層發(fā)育機制研究與致密儲層的勘探開發(fā)具有重要意義。露頭研究一般認為斷層破碎帶的寬度與位移呈冪律關系，但往往難以獲得地下走滑斷層破碎帶的寬度與位移數據。在走滑斷裂精細解析基礎上，結合斷層破碎帶的井—震響應分析，通過塔里木盆地塔中、塔北地區(qū)10條走滑斷裂帶三維地震資料測量斷層破碎帶的寬度與高差，研究斷層破碎帶寬度與高差的分布及其相關關系，探討碳酸鹽巖斷層破碎帶的分布規(guī)律。結果表明：① 塔里木盆地寒武—奧陶系碳酸鹽巖斷層破碎帶發(fā)育，破碎帶寬度超過 1000 m，一般在100～700 m，不同地區(qū)與不同巖性碳酸鹽巖斷層破碎帶具有相似的寬度分布范圍；② 碳酸鹽巖斷層破碎帶的寬度與高差具有較好的正相關性，斷層破碎帶寬度/高差比值高達70，一般在3～16，回歸分析同一條斷層的破碎帶寬度是高差的4～12倍；③ 大多碳酸鹽巖斷層破碎帶的寬度與位移以冪律關系繼承性發(fā)育，但其中部分快速生長，而另一部分減速生長，并造成數據的分散性。結果揭示：① 斷層破碎帶的寬度與高差相關性分析的方法可以用來預測碳酸鹽巖斷層破碎帶的分布；② 即便在相同的構造背景與巖性條件下，同一條斷層破碎帶的寬度與位移也可能不是簡單的線性或冪律關系，而是呈現多趨勢或多階段的分布規(guī)律。

斷層不僅是自然科學研究與工程應用的熱點與難點，而且與油氣運聚成藏關系密切(Caine et al., 1996；Aydin, 2000; Di et al., 2005; Pei Yangwen et al., 2015; He Xiangli et al., 2019)。在狹窄的應變與位移集中的斷層核外圍，往往發(fā)育寬闊的受斷裂作用影響的斷層破碎帶(Kim et al., 2004；Torabi et al., 2011；萬效國等，2016)，可以統(tǒng)稱為斷層破碎帶，其寬度可達數千米。研究表明，斷層破碎帶具有復雜內部構造變形、流體—巖石作用、滲流作用(Faulkner et al., 2010；鄔光輝等，2012；Bense et al., 2013; Li Yonggang et al., 2014; 劉鵬等, 2019)。近年來一個重要的進展是建立斷層破碎帶寬度與位移的相關關系(Torabi et al., 2011；Ma Debo et al., 2019)，并由此揭示斷層破碎帶的發(fā)育機制。盡管地質條件差異很大，全球斷層破碎帶的寬度與位移大多具有正相關關系，呈現線性關系(Shipton et al., 2003；Childs et al., 2009)、對數關系(Fossen et al., 2000)或指數關系(Torabi et al., 2011；Faulkner et al., 2011；Savage et al., 2011)。但多有不同程度的分散性(Torabi et al., 2011；Ma Debo et al., 2019)，通常歸結于斷層的構造背景、變形機制、巖性、埋深與成巖作用等多種復雜因素(Choi et al., 2016；Torabi et al., 2011)。目前斷層破碎帶寬度與位移關系研究主要集中在露頭剖面，盆地內部由于缺少資料研究很少。

近年來隨著四川、塔里木與鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖油氣勘探開發(fā)的快速發(fā)展(馬永生等，2011；趙文智等，2014；何治亮等，2016)，深層古老碳酸鹽巖已成為中國重要的油氣接替領域。近年來，在塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖發(fā)現一系列走滑斷層，其破碎帶寬度達5 km(萬效國等，2016；Wu Guanghui et al., 2019；Ma Debo et al., 2019；)，并控制了優(yōu)質儲層的分布與油氣的富集(萬效國等，2016；能源等，2017；Lu Xinbian et al., 2017；沈衛(wèi)兵等，2018；Wu Guanghui et al., 2019；Han Xiaoying et al., 2020)，形成走滑斷裂斷控特大型油氣田。塔中地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖斷層破碎帶的地震測量分析表明，斷層破碎帶寬度—位移具有冪率關系，但呈現出3個階段與快、中、慢3種發(fā)育方式(Ma Debo et al., 2019；鄔光輝等，2020)，不同于其他地區(qū)斷層破碎帶的生長方式。但斷層破碎帶寬度—位移的關系復雜，其分布特征不明確，是否受控于不同地區(qū)的構造背景與層位有待進一步研究。

本文通過塔里木盆地地震剖面解析，統(tǒng)計分析碳酸鹽巖斷層破碎帶寬度與位移之間的關系，探討破碎帶寬度的分布規(guī)律。

1 地質背景

塔里木盆地是在太古代—早新元古代結晶基底基礎上形成的克拉通盆地，寒武—奧陶系海相碳酸鹽巖分布面積達24×104km2，厚度逾2000 m，具有多套儲蓋組合與含油氣層段，油氣資源豐富(Li Qiming et al., 2010; 杜金虎，2010)，是盆地克拉通區(qū)油氣勘探開發(fā)的主體。已發(fā)現的碳酸鹽巖油氣田(藏)主要分布于塔北隆起南斜坡與塔中隆起北斜坡地區(qū)，其中輪南—塔河油田、塔中北斜坡凝析氣田分別是我國最大的海相碳酸鹽巖油田與凝析氣田，而且在超深層寒武系—下奧陶統(tǒng)深層與坳陷區(qū)的油氣勘探不斷有新突破，并主要圍繞一系列大型走滑斷裂帶展開。

通過對三維地震資料連片工業(yè)構造解釋與成圖，塔北—滿西—塔中地區(qū)走滑斷層發(fā)育(Wu Guanghui et al., 2018；韓劍發(fā)等，2019；Deng Shang et al., 2019；楊海軍等，2020；Han Xiaoying et al., 2020)，識別70多條大型走滑斷裂帶，分布面積達9×104km2，構成環(huán)滿西走滑斷裂系統(tǒng)(圖1、圖2)。研究表明(楊海軍等，2020)，環(huán)滿西走滑斷裂系統(tǒng)形成塔北、阿滿與塔中3個分區(qū)，根據規(guī)模可以劃分4級斷層，呈現出分區(qū)、分級、分類與分段的差異性；走滑斷層主要以壓扭為主，分布于寒武系—奧陶系碳酸鹽巖中，志留系—泥盆系、石炭系—二疊系、中生界—古近系有張扭繼承性活動(韓劍發(fā)等，2019；Deng Shang et al., 2019；楊海軍等，2020)，演化具有繼承性與改造性，連接生長造成了小位移、超長的陸內走滑斷裂帶(Wu Guanghui et al., 2018; 鄔光輝等，2020; Zhang Yintao et al., 2020)。

圖1 塔里木盆地中部走滑斷裂系統(tǒng)綱要圖(據楊海軍等，2020修改)Fig. 1 Map of the fault system in the Lower Paleozoic in the Central Tarim Basin (modified after Yang Haijun et al. 2020&)

由此可見，塔里木盆地下古生界復雜碳酸鹽巖油氣富集及產出與斷裂帶關系密切，斷層破碎帶的分布對碳酸鹽巖儲層、成藏研究及其油氣高效勘探開發(fā)具有重要意義。

2 碳酸鹽巖斷層破碎帶寬度與高差相關性

大型的斷裂帶大多具有較寬的變形帶，一般劃分為斷層核與破碎帶(Kim et al., 2004; Peacock et al., 2017)。由于地下往往很難區(qū)分斷層核與破碎帶，可以統(tǒng)稱為斷層破碎帶，并可以通過地震資料進行判識(萬效國等，2016；Ma Debo et al., 2019)。由于斷層破碎帶構造變形強烈，地震剖面上(圖3)表現為雜亂、不連續(xù)波組，波形變化大，同相軸突變，發(fā)生扭曲、分叉；出現弱振幅或局部異常強振幅，高頻異常，波形錯斷、分叉或無反射。由于斷層破碎帶與圍巖多呈漸變過渡，在地震剖面上斷層破碎帶外邊界區(qū)域可能呈現同相軸連續(xù)、振幅減弱、頻率降低，其邊界往往難以準確判識，需要精細的裂縫與儲層預測方法判識。本文以地震屬性平面圖進行約束，并利用鉆井驗證，通過地震剖面判識斷層破碎帶的邊界并測量其寬度(萬效國等，2016；Ma Debo et al., 2019)

圖3 地震剖面(a，①～③)與奧陶系碳酸鹽巖頂面地震振幅變化率平面圖(b)示斷層破碎帶Fig. 2 Seismic sections (①～③)and seismic amplitude at the top Ordovician carbonates(b)showing the fault damage zones圖(a) 中沿斷層的雜亂反射、不連續(xù)反射是斷層破碎帶； 圖(b) 中紅色與綠色部位是斷層破碎帶The fault damage zones are showing with chaotic reflections and discontinuous reflections in Figure 2a and red and green blocks in Figure 2b

隨著海相碳酸鹽巖地層油氣勘探開發(fā)的深入，塔里木盆地塔中北斜坡與塔北南斜坡進行了大面積的高精度地震勘探，能開展斷層及破碎帶的精細刻畫與地震儲層預測(杜金虎，2010)，并為大量的鉆探證實。在斷裂構造解釋與工業(yè)成圖的基礎上，本文選取地震資料較好的塔中北斜坡5條大型走滑斷層的奧陶系碳酸鹽巖地層頂與中寒武統(tǒng)鹽膏層頂、哈拉哈塘地區(qū)5條大型走滑斷裂帶的奧陶系碳酸鹽巖地層頂及其1條斷層中寒武統(tǒng)鹽膏層頂，沿斷裂帶走向拾取斷層破碎帶的寬度(wd)(包括斷層核)和斷層兩盤的高差(ΔH)，具體方法詳見文獻(Ma Debo et al., 2019；Wu Guanghui et al., 2019；鄔光輝等，2020)。

2.1 斷層破碎帶的寬度與高差分布

通過10條走滑斷層的數據統(tǒng)計分析(圖4)，塔里木盆地碳酸鹽巖走滑斷層帶具有較寬的破碎帶，寬度超過2000 m，但一般在1100 m內，主要分布在100～700 m。其中，哈拉哈塘地區(qū)下古生界碳酸鹽巖的破碎帶寬度峰值較低，約為200 m；塔中中寒武統(tǒng)鹽膏層頂的破碎帶寬度峰值在300～400 m，而塔中奧陶系碳酸鹽巖頂破碎帶的寬度峰值分布在800 m較寬范圍內。由于斷層尾端與小斷層缺少統(tǒng)計，一些100 m范圍內的斷層破碎帶沒有列入統(tǒng)計范圍。斷層破碎帶寬度超過1100 m的數據很少，雖有零星的高值寬度出現，但分析發(fā)現大多數異常高值受次級斷裂的影響。

圖4 碳酸鹽巖斷層破碎帶寬度分布Fig. 4 Width of damage zones at the top of the Ordovician carbonates along the strike of the strike-slip faults

塔中、哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖高產油氣井多分布在距斷層核2000 m范圍內(萬效國等，2016；韓劍發(fā)等，2019；江同文等，2020)，與斷層破碎帶的分布一致。沿斷層走向上，破碎帶寬度具有較大的變化，呈現出明顯的分段特征，出現構造樣式的變化。斷層高差也隨破碎帶寬度的變化而變化，但變化幅度較小?？傮w而言，在塔中和塔北地區(qū)、不同層位和巖性的奧陶系灰?guī)r和寒武系白云巖，斷層破碎帶寬度的分布具有較好的相似性。

統(tǒng)計分析表明，寒武系—奧陶系碳酸鹽巖走滑斷層的高差分布在500 m的較大范圍內。盡管數據較分散，但碳酸鹽巖斷層破碎帶的寬度與高差也呈現明顯的正相關關系(圖5)。碳酸鹽巖斷層破碎帶的寬度與高差之比分布在2個數量級范圍內，一般分布在2～30倍。全球其他地區(qū)斷層破碎帶的寬度與位移統(tǒng)計關系多呈3個數量級的發(fā)散分布(Kim et al., 2004；Torabi et al., 2011；Savage et al., 2011；Choi et al., 2016)，相較而言，塔里木盆地碳酸鹽巖的寬度與高差具有較好的正相關關系，發(fā)散性較小。通過典型斷層回歸分析(圖6)，一些碳酸鹽巖破碎帶的寬度與高差呈正相關關系，并具有較高的相關系數。

圖5 塔里木盆地走滑斷層破碎帶寬度與高差關系散點圖(不同顏色和形狀點代表不同的斷層)Fig. 5 Plots of width of damage zone versus the throw along the strike-slip faults (Different color and shape points represent different fault zones)

圖 6 塔里木盆地典型走滑斷層破碎帶的寬度—高差相關性(不同顏色和形狀點代表不同的斷層)Fig. 6 Correlation between the width of damage zone and throw from the Paleozoic carbonates of typical strike-slip faults (Different color and shape points represent different fault zones)

圖 7 碳酸鹽巖斷層破碎帶寬度/高差比值分布Fig. 7 Plots of fault damage zone width / throw of the Paleozoic carbonates along the strike-slip faults

通過斷層破碎帶寬度/高差分析(圖7)，破碎帶寬度/高差比值具有較大的分布范圍，高值可達70，但一般分布在3～16范圍內，峰值位于4～8。盡管有較大的頻譜寬分布，但不同地區(qū)、不同層位的碳酸鹽巖走滑斷層的寬度/高差分布比較一致?；貧w分析表明，塔里木盆地碳酸鹽巖走滑斷層的破碎帶寬度與高差的回歸一般在4～12倍?？梢娞妓猁}巖斷層破碎帶的寬度與斷層高差關系密切，大多具有良好的正相關性，寬度/高差的比值多處于一個數量級范圍內。

因此可見，塔里木盆地走滑斷層碳酸鹽巖破碎帶的寬度與高差具有較好的正相關關系，斷層的高差可以替代位移與破碎帶的寬度進行相關性分析，并可以用來預測碳酸鹽巖破碎帶的寬度。在資料較差的區(qū)域或是勘探階段，結合地震屬性，通過斷層的高差進行破碎帶寬度的預測，有利于井位的部署，是易操作的經濟實用方法。

2.2 斷層破碎帶的寬度與高差的多種對應關系

雖然塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖走滑斷層破碎帶的寬度與高差具有較好的正相關關系，而且不同地區(qū)、不同層位巖性地層的破碎帶寬度分布相近，但仍然呈現出明顯的分散性，且同一條斷層的同一層位也具有分散性與較低的相關系數(圖5、圖6)。

選取塔中地區(qū)西部四條走滑帶奧陶系碳酸鹽巖頂面的數據進行分析，可見即便同一斷層的不同部位破碎帶寬度與高差也有較大的分散性，也出現多種的對應關系(圖8)。在斷層破碎帶寬度與斷層高差相關圖上，既有呈單一線性關系的增長(圖8a)，其中在不同的破碎帶寬度范圍均有較大的分散性。也有呈現發(fā)散狀的快、慢趨勢并存的關系(圖8b)，表明有的部位破碎帶生長快，有的部位生長較慢。另外，有的斷層有部分數據呈現與主體數據近平行分布的趨勢(圖8c)，同時可見趨勢線偏離構造高差的零點，在沒有較大高差時已有較大的破碎帶寬度發(fā)育。這可能揭示存在分支斷層，或其他因素影響破碎帶的發(fā)育，地震剖面分析可能還存在分支斷層的影響。還有一種斷層的破碎帶寬度隨高差生長發(fā)生突然減速，出現明顯的拐點(圖8d)，呈現冪律分布特征，其拐點處高差約70 m，表現為兩段式生長。但其他斷層未出現這樣的變化，該突變可能代表斷層破碎帶寬度發(fā)育機制的轉變。整體數據分布表明(圖5)，由于不同區(qū)間不同斷層的數據相互補充，破碎帶寬度與高差總體呈現明顯的冪律關系，而不是單個斷層局部數據的線性關系(圖6)。由此可見整體數據的宏觀分布規(guī)律比較一致，但單一斷層不同部位存在較大的變化。

圖8 塔中地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖走滑斷層破碎帶寬度與高差、寬度/高差分布Fig. 8 Plots of damage zone width—throw and width—width/throw of the Ordovician carbonate in central Tarim Basin area

在斷層破碎帶寬度(wd)與斷層破碎帶寬度/高差(wd/ΔH)關系圖上(圖7)，也呈現多種對應關系。隨著wd的增長，wd/ΔH通常也呈增長趨勢，其比值主要分布在3～15范圍內，但也不是單一的增長趨勢。有的數據呈現平行增長的趨勢(圖8a′)，其中部分數據初始就出現較大的wd/ΔH值，可能揭示破碎帶生長機制的差異。另外，多條斷層出現wd/ΔH的二個分區(qū)(圖8b′—d′)。其中較低值區(qū)(wd/ΔH<15)呈現發(fā)散生長的快、慢兩種趨勢類型，使得數據具有較大的發(fā)散性。而高比值(wd/ΔH>15)區(qū)雖然數據較少，但也呈現正相關關系，而且破碎帶發(fā)育初始就具有很高的破碎帶寬度/高差比值(wd/ΔH)。 低值區(qū)與高值區(qū)呈現兩種不同的生長模式，這兩區(qū)破碎帶的生長機制可能存在較大的差異。

整體而言，斷層破碎帶寬度(wd)和斷層破碎帶寬度/高差(wd/ΔH)均呈現明顯的分散性(圖8)。同一地區(qū)(如哈拉哈塘地區(qū))，或同一斷層也可能呈現多種對應關系，但均具有較低的相關系數，表明其間關系復雜，不能以簡單的關系式概括。雖然數據分散，但wd/ΔH值主要分布15內，并也隨著破碎帶寬度呈增長趨勢，表明破碎帶寬度隨著高差增大而增長的速率有上升趨勢。同時，數據整體呈現冪律關系，與wd—ΔH的變化規(guī)律相似(圖5)，wd/ΔH的增長速率隨破碎帶寬度的增加有降低趨勢。數據的分散性也表明，在破碎帶寬度較低時，破碎帶寬度(wd)與破碎帶寬度/高差比值(wd/ΔH)的變化更大，可能揭示斷層破碎帶生長早期的不穩(wěn)定性。

不同于wd—wd/ΔH分布關系，斷層高差(ΔH)與斷層破碎帶寬度/高差(wd/ΔH)呈現明顯的冪律負相關關系(圖7)。隨著斷層高差的增長，破碎帶寬度/高差(wd/ΔH)快速降低，wd/ΔH值從70降低到5以內。當斷層高差增長至100 m以后，wd/ΔH基本穩(wěn)定在2～16范圍內，并逐漸集中于3～6。這可能揭示斷層破碎帶寬度隨高差的增長，破碎帶寬度生長速率呈快速降低并趨于穩(wěn)定的過程。同時也表明，在斷層高差較小時(<100 m)，斷層破碎帶的寬度的生長速率變化大，具有破碎帶生長機制的差異。

3 討論

斷層破碎帶寬度與位移的相關性定量研究，對斷層生長發(fā)育模式、破裂機制與演化過程具有重要的作用(Caine et al., 1996；Kim et al., 2004；Childs et al., 2009；Torabi et al., 2011；Faulkner et al., 2011；Savage et al., 2011；Choi et al., 2016)，前人對斷層破碎帶寬度隨位移變化的整體宏觀規(guī)律做過深入研究，本文著重探討斷層破碎帶寬度演化的差異呈現的多樣性。

雖然大多斷層破碎帶寬度與位移整體呈冪律關系(Fossen et al., 2000；Torabi et al., 2011；Choi et al., 2016)，但是其中既有線性關系的分布(Fossen et al., 2000)，也有的呈對數關系(Shipton et al., 2003；Childs et al., 2009)，尤其是寬度具有較大變化的破碎帶。本文資料表明，在復雜的碳酸鹽巖斷裂帶，即便在同一斷層破碎帶也會有較大的差異(圖8)，不能用一種關系模式概括破碎帶寬度隨位移的生長。

塔里木盆地碳酸鹽巖大型走滑斷層破碎帶的寬度與位移也整體呈冪律特征(圖5)，但斷層破碎帶的寬度與位移可能同時出現線性關系、對數關系與冪律關系(圖6、圖8)。即便排除異常值，在同一地區(qū)相同巖性的斷裂破碎帶也會有多種對應關系(圖8)。wd—wd/ΔH的分布關系也揭示在同一斷裂帶，也有破碎帶寬度生長速率的差異。在斷層高差較小時，破碎帶寬度隨高差的生長速率具有很大的變化范圍，不僅揭示破碎帶寬度發(fā)育機制的差異，也表明生長模式有較大的變化。由此可見，盡管有些斷裂帶并沒有出現明顯的某種相關關系，個別數據的精度不高，但數據的分散性與多種趨勢并存的統(tǒng)計規(guī)律明顯，揭示斷層破碎帶寬度生長的多樣性與差異性。

綜合分析，大型的復雜碳酸鹽巖斷層破碎帶的寬度隨位移的增長而加大，但存在多種不同發(fā)育模式(圖8)。在斷層破碎帶發(fā)育的早期，破碎帶的寬度隨位移增長，但此時已呈現數據的分散性。斷層破碎帶寬度隨位移生長的速率發(fā)生在較大的變化范圍(圖6)，破碎帶寬度生長極不穩(wěn)定。

隨著破碎帶的生長，破碎帶寬度隨位移可能出現多種發(fā)育趨勢。塔里木盆地大多數破碎帶寬度隨位移的增長而穩(wěn)定增長，并呈冪律趨勢變化，符合大多破碎帶寬度的發(fā)育模式(Torabi et al., 2011；Choi et al., 2016； Ma Debo et al., 2019)。但有部分破碎帶寬度生長的速率沒有減緩，反而出現快速的增長。這部分數據分散性更大，回歸分析的相關性更差，顯示破碎帶寬度生長的不穩(wěn)定性。同時，有部分破碎帶的寬度隨位移的增長而緩慢生長，甚至沒有增長，處于停滯狀態(tài)。由于不同的變化數據來源于不同的斷層，而不是同一斷層，因此，同一斷層破碎帶的寬度隨位移也可能形成快速、正常與緩慢的三種增長方式(Ma Debo et al., 2019)。

4 結論

通過塔里木盆地實例解剖，碳酸鹽巖斷層破碎帶寬度隨位移的發(fā)育存在多樣性。

(1)塔里木盆地不同地區(qū)、不同層位與巖性的碳酸鹽巖斷層破碎帶寬度與構造高差具有正相關關系，揭示走滑斷層可以用構造高差替代位移進行破碎帶寬度的預測與機理分析。

(2)塔里木盆地寒武系—奧陶系碳酸鹽巖斷層破碎帶發(fā)育，地震識別破碎帶寬度可逾 3000 m，一般在100～700 m，不同地區(qū)與層位具有相似的分布。斷層破碎帶的寬度/高差可達70，一般在3～16倍，回歸分析同一條斷層的破碎帶寬度是高差的4～12倍；斷層破碎帶的寬度/高差與寬度分散性大，并與高差呈負相關關系。

(3)塔里木盆地碳酸鹽巖斷層破碎帶隨高差的擴大而增長，但不是單一的線性、對數或冪律關系，可能同時出現發(fā)散、平行等多種方式以及二段模式發(fā)育。大多數斷層破碎帶的寬度與位移以冪律關系繼承性生長，但其中部分減速生長，也有部分出現快速生長。