王 琦 張萬(wàn)福 孫永河 王有功⑤ 付曉飛 孫立志

(①東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶 163318； ②“油氣藏及地下儲(chǔ)庫(kù)完整性評(píng)價(jià)”黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318； ③東方地球物理公司研究院地質(zhì)研究中心，河北涿州 072751； ④重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331； ⑤東北石油大學(xué)三亞海洋油氣研究院，海南三亞 572025)

0 引言

斷層作為輸導(dǎo)通道，控制著油氣的運(yùn)移和聚集[1-2]。松遼盆地南部的長(zhǎng)嶺斷陷是一個(gè)復(fù)式斷陷[3-5]，多期次的構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致斷層活動(dòng)特征十分復(fù)雜[6-7]。近年來(lái)的勘探表明，長(zhǎng)嶺斷陷深層(下白堊統(tǒng)泉頭組泉二段以下)具有豐富的天然氣資源[4,8]，氣藏類型多樣，如烴類氣藏、CO2氣藏以及CO2與烴類混合氣藏等，并且縱向上多層位含氣[4]。長(zhǎng)嶺斷陷氣藏分布特點(diǎn)與斷層活動(dòng)息息相關(guān)，主干斷層多期次活動(dòng)，控制著優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育、火山巖和碎屑巖儲(chǔ)層的分布及有利圈閉的形成[9-10]； 活動(dòng)性斷層為天然氣運(yùn)聚提供通道[11-12]。

目前氣藏差異分布的成因尚不明確，不同類型斷層與氣藏的關(guān)系仍然不是很清楚。為此，基于盆地構(gòu)造演化背景，利用伸展正斷層生長(zhǎng)指數(shù)(EI)、垂直斷距—埋深(T-Z)曲線、反轉(zhuǎn)斷層反轉(zhuǎn)率(RI)和滑移距離曲線分析斷裂活動(dòng)時(shí)期和活動(dòng)強(qiáng)度，劃分?jǐn)鄬宇愋?，分類探討不同類型斷層與氣藏之間的關(guān)系，以期對(duì)松遼盆地南部深層天然氣勘探提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

長(zhǎng)嶺斷陷是松遼盆地南部規(guī)模最大的復(fù)式斷陷，呈NNE向展布(圖1a)，主要發(fā)育紅崗、大安、乾安、孤店、乾北、黑帝廟、前神字井、哈爾金、孤西和伏龍泉等大型斷層。其中，乾安斷層、前神字井?dāng)鄬訛橹鞲蓴鄬樱刂浦魍莸陌l(fā)育； 孤店斷層、黑帝廟斷層等為區(qū)域內(nèi)次級(jí)斷層，控制著主洼周邊次級(jí)斷陷的發(fā)育。

在前白堊系基底之上，長(zhǎng)嶺斷陷發(fā)育的地層自下而上依次為：下白堊統(tǒng)火石嶺組、沙河子組、營(yíng)城組、登婁庫(kù)組、泉頭組； 上白堊統(tǒng)青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺(tái)組、明水組； 古近系的依安組； 新近系大安組、泰康組(圖1b)。

圖1 長(zhǎng)嶺斷陷構(gòu)造綱要圖(a)和地層發(fā)育簡(jiǎn)表(b)

受蒙古—鄂霍茨克洋構(gòu)造域和古太平洋構(gòu)造域共同影響，松遼盆地經(jīng)歷了斷陷期、拗陷期和反轉(zhuǎn)期三個(gè)構(gòu)造演化階段[13]。早白堊世早期，在蒙古—鄂霍茨克洋東段閉合引發(fā)的造山后伸展作用影響下，松遼盆地南部斷陷開(kāi)始發(fā)育，此時(shí)主要發(fā)育火石嶺組火山巖和沙河子組湖泊相碎屑巖及含煤層系[14]。營(yíng)城組沉積時(shí)期，受古太平洋板塊俯沖后撤作用的影響，松遼盆地發(fā)生大規(guī)?；鹕交顒?dòng)和熱隆裂陷，發(fā)育了營(yíng)城組火山巖—沉積巖組合，厚度最大可達(dá)2000m，發(fā)育火山巖儲(chǔ)集層[14]。早白堊世晚期—晚白堊世，隨著蒙古—鄂霍茨克洋影響的減弱及地幔的冷卻，松遼盆地進(jìn)入了拗陷期穩(wěn)定沉積階段[13]，先后沉積了登婁庫(kù)組、泉頭組、青山口組、姚家組及嫩江組。晚白堊世以來(lái)，受太平洋板塊向歐亞板塊俯沖作用以及印藏板塊碰撞產(chǎn)生的遠(yuǎn)程效應(yīng)的影響，在嫩江組沉積末期、晚白堊世明水組沉積末期、古近紀(jì)依安組沉積末期，松遼盆地均發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造反轉(zhuǎn)活動(dòng)，其中以明水組沉積末期最為強(qiáng)烈。同時(shí)，部分?jǐn)嘞萜诩稗窒萜诨顒?dòng)斷層在構(gòu)造反轉(zhuǎn)期持續(xù)活動(dòng)[14]，最終形成現(xiàn)今的構(gòu)造格局。

2 斷層活動(dòng)性分析

2.1 正斷層活動(dòng)性分析

本文利用EI變化和斷層T-Z曲線[15-18]分析正斷層活動(dòng)時(shí)期及活動(dòng)強(qiáng)度。

生長(zhǎng)指數(shù)是指同一地質(zhì)歷史時(shí)期斷層上盤與下盤地層厚度的比值。EI>1表明斷層發(fā)生了同沉積活動(dòng)，EI值越大，表明同沉積作用越明顯且同沉積斷層活動(dòng)越強(qiáng)； EI≤1則表明斷層不發(fā)生同沉積活動(dòng)。

T-Z曲線可以反映斷層活動(dòng)規(guī)律。該曲線中垂直斷距最大值點(diǎn)代表斷層成核點(diǎn)，曲線形態(tài)反映了斷層在不同時(shí)期的活動(dòng)性[15](圖2)。當(dāng)曲線向上(由深到淺)線性遞減時(shí)，表明垂直斷距向上減小，且曲線斜率越小斷層垂直斷距減小越快、活動(dòng)越強(qiáng)烈； 當(dāng)曲線直立時(shí)，斜率最大，表明垂直斷距向上不變，代表斷層處于靜止期(圖2)。

圖2 T-Z曲線(左)和對(duì)應(yīng)地層剖面模式(右)

由圖3可見(jiàn)，F(xiàn)1～F4、F6-1、F9斷層斷距在火石嶺組最大并向淺層減小，表明斷層大多在火石嶺組沉積期成核； F1～F4斷層、F9斷層在火石嶺組—營(yíng)城組沉積時(shí)期EI>1，斷距向淺層急劇減小，T-Z曲線斜率較小，表明斷層強(qiáng)烈活動(dòng)時(shí)期為火石嶺組—營(yíng)城組沉積時(shí)期； F6-1斷層在火石嶺組形成且斷距向淺層遞減，火石嶺組—泉頭組之間斷距微減，在青山口組斷距驟減，且EI>1，表明斷層活動(dòng)時(shí)期為青山口組—姚家組沉積時(shí)期。

圖3 長(zhǎng)嶺斷陷不同測(cè)線典型正斷層地震地質(zhì)解釋剖面(左)和不同斷層EI、T-Z曲線(右)

綜上所述，正斷層活動(dòng)存在2期，即盆地?cái)嘞萜诘幕鹗瘞X組—沙河子組及營(yíng)城組沉積時(shí)期、拗陷期的青山口組—姚家組沉積時(shí)期。

2.2 反轉(zhuǎn)斷層活動(dòng)性分析

晚白堊世以來(lái)，松遼盆地經(jīng)歷了3期不同程度的構(gòu)造反轉(zhuǎn)變形，計(jì)算RI及滑移距離曲線可以定量確定反轉(zhuǎn)程度的大小，分析反轉(zhuǎn)斷層的活動(dòng)性差異[19-21]。

反轉(zhuǎn)率是縮短位移與伸展位移的比值(圖4a)

(1)

式中：h為同沉積地層沿?cái)嗝娴拈L(zhǎng)度；c為位移零點(diǎn)以上反轉(zhuǎn)同沉積地層沿?cái)嗝娴拈L(zhǎng)度；e為位移零點(diǎn)以下地層沿?cái)嗝骈L(zhǎng)度。RI越大，表示反轉(zhuǎn)程度越高。當(dāng)零點(diǎn)位于同沉積地層頂部時(shí)，RI=0(即e=h)，說(shuō)明沒(méi)有發(fā)生反轉(zhuǎn)； 如果零點(diǎn)位于同沉積地層底部時(shí)，RI=1(即c=h或e=0)，說(shuō)明同沉積地層完全反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)程度最大(圖4a)。

滑移—距離曲線[20-22]是以同沉積地層的底界面作為基準(zhǔn)面(基準(zhǔn)底)，以各地層與基準(zhǔn)底之間的距離為縱坐標(biāo)，以各層的斷距為橫坐標(biāo)而得到的曲線(圖4b)。右側(cè)虛線是反轉(zhuǎn)擠壓前的曲線，其斜率的變化代表了正斷層斷距變化； 反轉(zhuǎn)擠壓后曲線形狀不變，但沿橫坐標(biāo)向左平移若干距離，距離大小與反轉(zhuǎn)程度有關(guān)，式(1)中的參數(shù)可以直觀地在圖4b中獲得。

圖4 反轉(zhuǎn)率計(jì)算示意圖

由孤店斷層(F5)和伏龍泉斷層中段(F12m)地震剖面(圖5)可見(jiàn)，二者均具有“下正上逆”的特點(diǎn)，但斷穿層位及兩盤地層褶皺變形不同。根據(jù)式(1)計(jì)算可知，F(xiàn)5斷層反轉(zhuǎn)率為0.46(圖5a)，F(xiàn)12m斷層反轉(zhuǎn)率為0.26(圖5b)，說(shuō)明二者反轉(zhuǎn)強(qiáng)度存在差異。

圖5 不同斷層的正反轉(zhuǎn)構(gòu)造地震剖面(左)及其位移—距離曲線(右)

3 斷層類型劃分

根據(jù)斷層的活動(dòng)特征，長(zhǎng)嶺斷陷斷層可劃分為4類，即斷陷期活動(dòng)、斷陷期—拗陷期活動(dòng)和長(zhǎng)期活動(dòng)(指斷陷期—拗陷期—反轉(zhuǎn)期持續(xù)活動(dòng)，下同)弱反轉(zhuǎn)、強(qiáng)反轉(zhuǎn)斷層(圖6)。

3.1 斷陷期斷層

斷陷期斷層是指火石嶺組—營(yíng)城組沉積時(shí)期活動(dòng)的斷層，包括基底斷層及斷陷期形成的斷層。平面走向以NNE向和NNW向?yàn)橹鳎拭嫔蠑啻㏕4以下地震反射層，斷層面多為板式或鏟式，控制斷陷期地層的發(fā)育(圖3)。比較典型的為乾安斷層、黑帝廟斷層等(圖6)。

圖6 松遼盆地南部長(zhǎng)嶺斷陷斷層與氣藏分布

3.2 斷陷期—拗陷期活動(dòng)斷層

斷陷期—拗陷期持續(xù)活動(dòng)斷層，平面走向?yàn)镹E、NNW和近NS向； 在剖面上可見(jiàn)，發(fā)育在T4、T5地震反射層與T1地震反射層之間，斷層面多為板式(圖3)。拗陷期斷距明顯小于斷陷期斷距，反映斷層具有同生性，如紅崗斷層南段、前神字井?dāng)鄬幽隙?、哈爾金斷層、孤西斷層南段及伏龍泉斷層北段?圖6)。

3.3 長(zhǎng)期活動(dòng)斷層

斷陷期、拗陷期及構(gòu)造反轉(zhuǎn)期均發(fā)生活動(dòng)的斷層，依據(jù)反轉(zhuǎn)程度的差異，可以進(jìn)一步劃分為長(zhǎng)期活動(dòng)弱反轉(zhuǎn)斷層和長(zhǎng)期活動(dòng)強(qiáng)反轉(zhuǎn)斷層。

3.3.1 長(zhǎng)期活動(dòng)弱反轉(zhuǎn)斷層

反轉(zhuǎn)期發(fā)生微弱反轉(zhuǎn)、變形，平面走向以NNE向、NE向?yàn)橹?，主要分布在紅崗氣藏、前神字井氣藏和孤店氣藏等區(qū)域(圖6)； 在剖面上可見(jiàn)，斷層面多為鏟型，斷層自基底斷至T2或T1反射層以下(如圖3b 的F2s斷層和F11n斷層等)。由于斷層向上滑動(dòng)受阻，斷層頂端形成隱伏型反轉(zhuǎn)構(gòu)造(如斷層擴(kuò)展褶皺等)。研究區(qū)該類型斷層有紅崗斷層北段、大安斷層南段、前神字井?dāng)鄬颖倍?、孤西斷層北段和伏龍泉斷層中?圖6)，反轉(zhuǎn)率最大為0.26(伏龍泉斷層中段)，最小為0.17(前神字井?dāng)鄬颖倍?，平均反轉(zhuǎn)率為0.22。

3.3.2 長(zhǎng)期活動(dòng)強(qiáng)反轉(zhuǎn)斷層

反轉(zhuǎn)期發(fā)生強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)、變形，主要分布在紅崗氣藏和孤店氣藏等區(qū)域，走向以NNE向和近NS向?yàn)橹?，在剖面上可?jiàn)，斷層自T5地震反射層向上斷穿T06及以上地震反射層，甚至斷層的端點(diǎn)擴(kuò)展至地表，反轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的褶皺多發(fā)育在斷層上盤(如圖3a的F2n和圖3b的F5斷層等)。研究區(qū)此類型斷層主要有孤店斷層、大安斷層北段和伏龍泉斷層南段(圖6)，其中大安斷層北段反轉(zhuǎn)率最大(0.60)，反轉(zhuǎn)率最小的伏龍泉斷層南段也達(dá)到0.4，此類斷層平均反轉(zhuǎn)率為0.49。

4 油氣地質(zhì)意義

4.1 深層天然氣分布特征

長(zhǎng)嶺斷陷天然氣藏類型多樣，分布范圍也不同。目前已發(fā)現(xiàn)來(lái)源于沙河子組煤系地層的烴類氣藏與幔源成因的CO2氣藏[3,6-7,23]。泉頭組—嫩江組沉積時(shí)期(125～75Ma)充注的烴類氣藏[4,23-26]主要分布在油氣輸導(dǎo)斷層附近的優(yōu)勢(shì)聚集部位，古近紀(jì)(28Ma以來(lái))充注的CO2氣藏[23-26]主要分布在火山巖儲(chǔ)層和深大斷層附近(圖6)。縱向上，深層天然氣分布在青山口組區(qū)域蓋層(T2地震反射層)之下，受登婁庫(kù)組底部和泉頭組底部?jī)商咨w層的分隔作用，可進(jìn)一步劃分為下部、中部和上部三套成藏組合(表1)。其中CO2氣體主要賦存于中、下部成藏組合中， 烴類氣體在三套成藏組合均有分布。

4.2 不同類型斷層的控藏作用

4.2.1 斷陷期斷層控制深層源巖及火山巖儲(chǔ)層分布

斷陷期主干斷層控制著著沙河子組烴源巖的分布范圍，并且大多與基底深大斷層相關(guān)。在營(yíng)城組沉積時(shí)期火山巖噴發(fā)時(shí)，它控制火山巖分布，為幔源CO2氣體在下部成藏組合中提供儲(chǔ)集空間[26]。典型模式如長(zhǎng)深6等高含CO2氣藏(圖7a)。

表1 長(zhǎng)嶺斷陷主要?dú)獠乜v向分布的鉆井統(tǒng)計(jì)

4.2.2 斷陷期—拗陷期斷層控制深部天然氣聚集

斷陷期—拗陷期斷層控制著深層烴源巖及火山巖儲(chǔ)層分布。如果在源內(nèi)分布，則可作為油氣輸導(dǎo)斷層，為中、下部登婁庫(kù)組碎屑巖和營(yíng)城組火山巖烴類氣藏提供運(yùn)移通道。古近紀(jì)以來(lái)，幔源CO2沿該類斷層運(yùn)移至營(yíng)城組火山巖儲(chǔ)層，與烴類氣體形成混合氣藏(圖7b)，碎屑巖儲(chǔ)層中仍以烴類氣體聚集為主。如位于哈爾金斷層下盤的長(zhǎng)深1氣藏(圖6)，哈爾金斷層為斷陷期—拗陷期活動(dòng)斷層(圖7b)，上盤控制了沙河子組烴源巖的分布。泉頭組—嫩江組沉積時(shí)期，烴類氣體先充注在下部營(yíng)城組火山巖儲(chǔ)層和中部登婁庫(kù)組碎屑巖儲(chǔ)層中，形成烴類氣藏； 古近紀(jì)以來(lái)，幔源CO2沿?cái)鄬舆\(yùn)移至營(yíng)城組火山巖儲(chǔ)層中，與早期烴類氣藏混合，形成烴類氣與CO2氣混合氣藏，其中CO2含量為27%(表1)。而同一構(gòu)造帶的長(zhǎng)深2和長(zhǎng)深4氣藏，位于烴源巖外的火山巖分布區(qū)，烴源巖供烴效果差，形成高含CO2的氣藏，其中長(zhǎng)嶺2號(hào)氣藏CO2含量高達(dá)98%。

4.2.3 長(zhǎng)期活動(dòng)弱反轉(zhuǎn)斷層控制天然氣多層系分布

長(zhǎng)期活動(dòng)弱反轉(zhuǎn)斷層在斷陷期控制洼槽及有效烴源巖分布，在拗陷期控制天然氣輸導(dǎo)路徑，在反轉(zhuǎn)期控制淺層圈閉的形成及拗陷期氣藏的調(diào)整。

泉頭組—嫩江組沉積時(shí)期，深層沙河子組有效烴源巖生成的烴類氣沿著斷層向上運(yùn)聚，形成中、下部烴類氣藏。反轉(zhuǎn)期斷層微弱反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致淺層(泉頭組及以上)發(fā)育反轉(zhuǎn)背斜等構(gòu)造，烴類氣體伴隨反轉(zhuǎn)期斷層活動(dòng)調(diào)整、運(yùn)移至上部(泉頭組)有利圈閉中，形成上部烴類聚集，進(jìn)而使得天然氣呈縱向多層系分布特征。與此同時(shí)，部分幔源CO2氣沿著大斷層運(yùn)移至淺層(泉頭組)儲(chǔ)層中，形成了中、上部CO2氣藏。如紅崗氣藏位于紅崗斷層北段，該斷層自基底向上斷至泉頭組，斷層頂部發(fā)育反轉(zhuǎn)背斜(圖7c)，為氣體聚集提供有利圈閉； 古近紀(jì)以來(lái)，幔源CO2氣沿?cái)鄬酉蛏铣渥⑷^組四段儲(chǔ)層中，形成上部的CO2氣有效聚集。由于遠(yuǎn)離烴源巖，該氣藏?zé)N類氣體較少。研究區(qū)類似氣藏還有乾安氣藏(乾深1氣藏)、紅7氣藏等。

圖7 不同類型斷層控藏模式

4.2.4 長(zhǎng)期活動(dòng)強(qiáng)反轉(zhuǎn)斷層不利于成藏

長(zhǎng)期活動(dòng)強(qiáng)反轉(zhuǎn)斷層在反轉(zhuǎn)期變形強(qiáng)烈，對(duì)早期形成的烴類氣藏破壞明顯，使天然氣難以形成規(guī)模聚集，故這類斷層不利于天然氣富集(圖7d)。如孤店斷層長(zhǎng)期活動(dòng)且晚期反轉(zhuǎn)變形強(qiáng)烈，斷層穿透淺層所有地層(圖5a)，目前勘探證實(shí)各層位均未見(jiàn)規(guī)模產(chǎn)能； 伏龍泉斷層在平面上具有三段式發(fā)育特征(圖6)，自北至南反轉(zhuǎn)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，尤其是最南段，反轉(zhuǎn)期反轉(zhuǎn)變形程度最高，不利于氣藏形成[21]。

4.3 有利氣藏區(qū)預(yù)測(cè)

參考已發(fā)現(xiàn)氣藏分布特征，根據(jù)不同類型斷層對(duì)氣藏的控制作用，可對(duì)長(zhǎng)嶺斷陷深層天然氣富集區(qū)帶進(jìn)行預(yù)測(cè)(圖6)。

中部哈爾金、前神字井、乾安斷層一帶，以斷陷期、斷陷期—拗陷期斷層為主，烴源巖和火山巖發(fā)育，并已發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)深1混合氣藏(圖7b)，預(yù)測(cè)該帶為混合氣藏有利富集區(qū)。

西部紅崗、乾安、黑帝廟斷層一帶主要發(fā)育斷陷期、斷陷期—拗陷期斷層和長(zhǎng)期活動(dòng)弱反轉(zhuǎn)斷層，火山巖分布廣，烴源巖較少，已發(fā)現(xiàn)紅崗CO2氣藏和長(zhǎng)深6 CO2氣藏(圖7a)，預(yù)測(cè)該帶為CO2氣有利富集區(qū)。

東部乾北、孤西、雙坨子、伏龍泉斷層一帶主要發(fā)育斷陷期—拗陷期、長(zhǎng)期活動(dòng)弱反轉(zhuǎn)和長(zhǎng)期活動(dòng)強(qiáng)反轉(zhuǎn)斷層，烴源巖較發(fā)育，近源火山巖體及構(gòu)造圈閉烴類氣富集，已發(fā)現(xiàn)伏8、雙坨子等烴類氣藏(圖7c)，預(yù)測(cè)為烴類氣富集區(qū)； 但該帶中部的孤店氣藏?zé)N源巖不發(fā)育，長(zhǎng)深7井已在營(yíng)城組發(fā)現(xiàn)高含CO2氣藏，預(yù)測(cè)為CO2氣有利富集區(qū)。

5 結(jié)論

斷陷盆地?cái)鄬宇愋蛷?fù)雜，活動(dòng)特點(diǎn)不一，據(jù)此可將長(zhǎng)嶺斷陷斷層劃分為斷陷期、斷陷期—拗陷期、長(zhǎng)期活動(dòng)弱反轉(zhuǎn)及長(zhǎng)期活動(dòng)強(qiáng)反轉(zhuǎn)四種類型。

不同類型斷層對(duì)天然氣成藏具有不同的控制作用，可以據(jù)此預(yù)測(cè)氣藏類型及分布區(qū)域。如長(zhǎng)嶺斷陷中部哈爾金、前神字井、乾安斷層一帶預(yù)測(cè)為烴類氣與CO2氣混合氣藏有利富集區(qū)； 中部帶以西預(yù)測(cè)為CO2氣有利富集區(qū)； 中部帶以東除孤店氣藏為CO2氣有利富集區(qū)外，其他近源部位預(yù)測(cè)為烴類氣有利富集區(qū)。

本文研究方法及成果對(duì)于松遼盆地南部深層天然氣勘探具有指導(dǎo)作用。