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作者简介:

马庆佑,男,1981年生。副研究员,从事石油构造地质研究。E-mail:37337428@qq.com。

通讯作者:

曾联波,男,1967年生。博士,教授,主要从事裂缝性储层与非常规油气储层形成、分布及预测技术方面的研究。E-mail:lbzeng@cup.edu.cn。

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    摘要

    塔河油田奥陶系“断溶体”油藏是塔里木盆地油气勘探开发的重要对象。本文对塔河油田10区西、于奇西、于奇8井三块三维地震资料开展了精细的走滑断裂构造解析,并在此基础上对塔河油田走滑断裂体系的形成演化过程与成因机制有新认识。研究结果表明:① 除了在塔河油田南部10区西、托普台等区块发育典型的“X”型共轭走滑断裂体系外,首次发现塔河油田北部于奇地区发育非对称式共轭走滑断裂体系,据此划分出塔河油田南、北两大走滑断裂体系,但两者在形成时间、最大主应力方向、动力学来源等方面均存在明显差异;② 两大走滑断裂体系的形成及演化过程大致分为3个阶段:加里东期中期I幕形成南部NNE、NNW两组走向的“X”型共轭走滑断裂体系,最大主压应力方向为N3°E,主要受到西昆仑洋俯冲消减作用产生的由S向N的挤压应力;加里东期晚期—海西期早期形成北部以近NE走向为主、少量SN走向组成的非对称式共轭走滑断裂体系,最大主压应力方向为N23°E,主要受到南天山洋俯冲消减作用产生的由N向S的挤压应力,海西期晚期继承性活动,主应力方向保持不变;印支期—燕山期两大走滑断裂体系继承性活动,最大主压应力方向为N37°E,主要受到南部古特提斯洋闭合作用产生的由S向N的挤压应力;③ 运用广义剪切活动准则的理论和方法,半定量分析了10区西F1(NNE走向)、F2(NNW走向)两组“X”型共轭走滑断裂在不同时期的性质和活动性:加里东期中期I幕,F1(NNE走向)、F2(NNW走向)两组断裂初始形成,均为剪切作用下的库仑破裂(活动性系数fa=1.0);加里东期晚期—海西期,F2(NNW走向)断裂压扭活动(活动性系数fa=1.1),F1(NNE走向)断裂整体不活动(活动性系数fa=0);印支期—燕山期,F1(NNE走向)断裂发生张扭活动(活动性系数fa=2.1),F2(NNW走向)断裂整体活动较弱(活动性系数fa=0.6)。因此,明确了塔河油田走滑断裂体系的分布、形成演化及不同时期的活动强弱,可以为更好地指导塔河油田下步断溶体油藏的勘探开发部署奠定基础。

    Abstract

    The Ordovician fault-karst reservoirs in Tahe oilfield is an important object of oil and gas exploration and development in Tarim Basin.The paper analyzes the strike-slip faults in the western area of Block 10, Yuqi and the area of Yuqi 8 well in Tahe oilfield from the 3D seismic data. On this basis, a new understanding of the formation, evolution and genesis mechanism of the strike-slip fault system in Tahe oilfield is obtained. The results show that: ① In addition to the typical “X” type symmetric conjugate strike-slip fault system developed in the area of Block 10 and the Tuoputai in the south of the Tahe oilfield, the asymmetric conjugate strike-slip fault system has been discovered in the Yuqi area in north of Tahe oilfield for the first time. According to this, the south and north strike-slip fault systems in Tahe oilfield are divided. However, there are obvious differences in the formation time, maximum principal stress direction and dynamic source of the two fault systems. ② The formation and evolution of the two strike-slip fault systems can be divided into three stages: the two groups of symmetrical “X” conjugate strike-slip fault systems of NNE and NNW formed in the south of the middle Caledonian (Stage I), which were mainly affected by the subduction of the West Kunlun Ocean, and the maximum principal compressive stress direction was N3°E; Late caledonian to early hercynian produced mainly by the south tianshan ocean subduction subduction of the extrusion from N to S form of maximum principal compressive stress direction for N23 ° north nearly NE was given priority to, a small amount of SN to non symmetric conjugate strike-slip fracture system and late hercynian inherited but principal stress direction remains the same; The indosinian and Yanshanian strike-slip fault systems were mainly affected by the closure of the Southern Tethyan Ocean, resulting in the continuous activities of the two strike-slip fault systems, and the maximum principal compressive stress direction was N37°E. ③ The properties and activities of two groups of the “X” type symmetric conjugate strike-slip faults in different periods in west F1 (NNE) and F2 (NNW) in the western area of the Block 10 were analyzed semi-quantitatively by using the theory and method of generalized shear activity criterion. In the middle Stage of Caledonian (Stage I), F1(NNE) and F2 (NNW) groups were formed initially by coulomb fracture (activity coefficient fa=1.0) under shear action. During the late Caledonian to Hercetic period, F2 (NNW) fault produced compression-torsion activity (activity coefficient fa=1.1), which resulted in overall inactivity of F1 (NNE) fault (activity coefficient fa=0). During the Indosinian-Yanshanian period, the F1 (NNE) fault was tension-torsion active (activity coefficient fa=2.1), resulting in the overall inactivity of F2 (NNW) fault (activity coefficient fa=0.6). Therefore, the distribution, formation and evolution of the strike-slip fault system as well as the activity intensity in different periods are clarified in this paper, which can lay a better foundation for the exploration and development of the fault-solution reservoir in the Tahe oilfield.

  • 塔里木盆地是我国内陆最大的含油气盆地,长期的勘探开发实践证实油气资源潜力巨大(汤良杰,1994; 贾承造,1999)。近些年在塔里木盆地塔河、顺北、跃满、富满等地区,围绕走滑断裂带的断溶体或断控型油气藏取得了一系列的重大油气突破,已成为目前塔里木盆地油气增储上产的主要阵地(漆立新,2016; 焦方正,2017; 江同文,2021)。众多学者认识到塔河油田发育大量的走滑断裂(邬光辉等,2012; 吕海涛等,2017; 马庆佑等,2020),且走滑断裂带与多期岩溶发育耦合或叠置形成的断溶体是油气最富集的场所(韩长城等,2016; 鲁新便等,2018)。不同学者对塔河油田走滑断裂的构造特征、活动历史以及形成机制等方面开展过大量的研究工作并获得了一系列的认识,但对塔河油田走滑断裂的体系划分、形成演化及成因机制方面仍然观点不一(安海亭等,2009; 孟祥霞等,2015; 吕海涛等,2017; 刘长磊等,2018)。如安海亭等(2009)认为塔河地区NE向走滑断裂主要是喜山期受库车前陆盆地挤压而形成; 孟祥霞等(2015)认为塔北隆起在晚加里东期受NNW方向挤压而发育一系列NNW向的走滑断裂,在喜马拉雅期受南天山造山的差异挤压作用而形成NNE向的走滑断裂; 吕海涛等(2017)认为塔河地区加里东期中期Ⅲ幕受北天山洋盆消减的远程挤压应力形成“X”型共轭走滑断裂,加里东期晚期—海西期早期受南天山洋盆东段闭合造山挤压而形成“T”型走滑断裂。

  • 笔者选取塔河油田走滑断裂发育具有代表性的10区西、于奇西、于奇8井三个三维区块为重点研究对象,利用研究区高精度的三维地震资料,按照构造解析的4项原则(漆家福等,2006),对塔河油田这三个区块的走滑断裂进行系统构造解析,包括确定断裂活动期次、不同期次构造的应力体制,在此基础上重新划分了塔河油田的走滑断裂体系,恢复了其形成演化过程,最后应用摩尔空间方法,半定量分析了10区西主干走滑断裂带不同时期的断层性质及其活动性,这些成果为下步塔河油田断溶体油气藏的勘探开发研究提供了可靠的地质基础。

  • 1 区域地质概况

  • 塔里木盆地是在克拉通基础上发育的叠合盆地,处于天山、西昆仑和阿尔金三大造山带之间,盆地内部复杂的构造变形受这三大造山带的控制和影响。塔河油田构造位置位于塔北地区沙雅隆起的阿克库勒凸起二级构造单元(图1a)(马庆佑等,2015),经历了加里东期、海西期、印支期、燕山期以及喜马拉雅期5期构造运动(图1b),自下而上发育9个区域性不整合界面,分别为南华系底(Td地震反射层)、震旦系顶(T90)、中—下奥陶统顶(T74)、奥陶系顶(T70)、中—下泥盆统顶(T60)、二叠系顶(T50)、三叠系顶(T46)、侏罗系顶(T40)和白垩系顶(T30),塔河油田奥陶系走滑断裂的形成演化与上述构造运动相关。

  • 2 走滑断裂体系构造特征

  • 塔河油田经过多年的油气勘探开发,三维地震资料已覆盖全区。利用三维地震资料(包括相干体及其他地震属性资料),经过多轮的构造精细解释,发现塔河油田发育大量的走滑断裂,区域内延伸长度超过1 km的走滑断裂基本上得到比较准确的识别(图2)。这种系统发育、密集成网的走滑断裂体系不仅构成了十分独特的地质现象,还储存了数十亿吨级的油气,成为近些年盆地构造研究的热点(翟晓先,2011)。

  • 图1 塔河油田构造位置(a)与关键期构造运动(b)

  • Fig.1 Structural location (a) and major tectonic event (b) of Tahe oilfield

  • 从塔河油田中—下奥陶统顶面(T74地震反射波组)的断裂分布可以看出(图2),大致以阿克库勒断裂走向及延伸方向为界(图2中NWW-EW向延伸的点划线),塔河油田南、北两侧断裂的平面分布和组合特征存在明显的差异:南侧走滑断裂主要发育两组,走向分别为NNW向(平均走向为N17°W)和NNE向(平均走向为N23°E),两组断裂的发育程度大体一致,构成基本对称的共轭(“X”型)走滑断裂体系(图3a~c),这在塔河油田托普台北高精度三维地震资料上更清晰(吕海涛等,2017); 北侧走滑断裂虽然也主要发育两组,走向分别为NE向(平均走向为N43°E)和近SN向(平均走向为N3°E),但两组断裂的发育程度存在显著差异,如于奇西区块于奇西1井附近(图2),NE向断裂发育程度远高于SN向,除少量构成共轭外,大部分NE向断裂单组发育,近平行排列,构成非对称的共轭走滑断裂体系(索书田等,2000)。上述南、北两个走滑断裂体系在方位和组合方面均存在很大差异,表明它们的形成时间和成因机制存在差异,应属于两个断裂体系,笔者依据平面断裂分布与组合特征的差异性大致划分出平面界线(图2中NWW-EW向延伸的点划线),推测可能受到区域挤压应力方向、形成时间、古隆起先存构造等因素控制(详见第3.1节)。下面以平面-剖面结合来分别阐述两大走滑断裂体系的构造特征。

  • 图2 塔河油田中—下奥陶统顶面(T74地震反射波组)断裂分布图

  • Fig.2 Sketch map showing the distribution of faults in the top of Middle-Lower Ordovician (T74 interface) in Tahe oilfield

  • 2.1 南部走滑断裂体系特征

  • 塔河油田10区西区块(位置见图2)所发育的走滑断裂在南部走滑断裂体系中具有很好的代表性,本文以10区西为代表,利用该区块高精度三维地震资料(包括相干体),同时结合其他资料来阐述南部走滑断裂体系的构造特征。通过对10区西寒武系—中下奥陶统(T90~T74地震反射层)平面断裂分布的对比分析发现(图3a~c),T74及以下不同反射层发育的断裂具有很高相似性,均发育NNE与NNW两组走向的走滑断裂,且相互切割呈菱形状,为典型的“X”型对称式共轭走滑断裂体系,这是由于近直立的同一条走滑断裂同时切穿不同反射层的结果(图4)。

  • 10区西上奥陶统—中下泥盆统(T70~T60地震反射层),由于地层后期被剥蚀而局限分布,断裂的分布也发生了变化(图3d、图4),表现为:① 断裂的数量明显减少,只有少量的主干断裂穿过T60界面; ② 断裂的活动强度减弱,表现为相干体上变弱、断裂带宽度变窄。

  • 10 区西上泥盆统—二叠系(T57~T50地震反射层),断裂发育发生了根本的变化(图3e),表现为:① 断裂的数量更少,几乎没有主干断裂穿过T50界面; ② 少量发育的断裂呈雁列分布,发育部位在主干走滑断裂的上方。

  • 10 区西三叠系—白垩系(T46~T30地震反射层),断裂继续表现为雁列特征,但发育程度和走向发生了较大变化(图3f),表现为:① 雁列式正断裂的数量大幅度增加,并且主要沿NNE走向排列; ② 雁列式正断裂的平均走向从T50反射层的N3°E转化为N62°E; ③ 雁列式正断裂均在T74界面的主干走滑断裂上方发育; ④ NNW向排列的雁列式正断裂数量很少。

  • 图3 塔河油田10区西区块主要层系的相干体与断裂叠合平面图

  • Fig.3 Congruent maps showing faults in main strata series in west area of Block 10 of Tahe oilfield

  • 图4 塔河油田10区西区块典型地震解释剖面(剖面位置见图3)

  • Fig.4 Typical seismic interpretation profile in west area of Block 10 of Tahe oilfield (section location is shown in Fig.3)

  • 2.2 北部走滑断裂体系特征

  • 于奇西区块(位置见图2)所发育的走滑断裂在北部走滑断裂体系中具有很好的代表性,但于奇西区块上奥陶统—中下泥盆统(T70~T60地震反射层)地层整体缺失,石炭系直接覆盖在中—下奥陶统鹰山组之上,对研究加里东期晚期—海西期早期的断裂活动特征带来了困难。而于奇8井区块(位置见图2)残留上奥陶统—中下泥盆统(T70~T60地震反射层)地层,因此笔者以于奇西区块资料为主、辅以于奇8井区资料来系统阐述北部走滑断裂体系的构造特征。

  • 于奇西区块主要发育近NE和SN两组走向的走滑断裂(图5、图7a),其中近NE走向的断裂延伸长、展布范围大、断裂带宽度大、连续性好,是该区的主干走滑断裂; 近SN走向的断裂延伸短、断裂带宽度小、连续性差,是该区的次级走滑断裂。通过对于奇西区块寒武系中—下奥陶统(T90~T74地震反射层)平面断裂分布的对比分析发现(图5a~d),T74及以下不同反射层发育的断裂具有很高相似性,均发育以近NE与SN两组走向的走滑断裂,两者相交或局部切割,为非对称式共轭走滑断裂体系,这也是近直立的同一条走滑断裂同时切穿不同反射层的结果。震旦系顶界(T90地震反射层)受基底影响,还发育少量弧形及NWW向断裂(图5a)。中下奥陶统顶面(T74地震反射层)由于受到长期的岩溶与准夷平化作用的改造,断裂带的平面形迹比较模糊(图5d),但从地震剖面来看断裂均断穿了该界面(图7a)。

  • 于奇西区块上奥陶统—中下泥盆统(T70~T60地震反射层)整体遭受后期剥蚀殆尽(图7a),断裂的分布特征无法观察。下石炭统巴楚组顶面(T56地震反射层)的断裂分布与深层(T90~T74地震反射层)具有相似性,但断裂数量减少、活动强度减弱,表现为相干体影像变弱、断裂带宽度变窄(图5e)。二叠系顶面(T50地震反射层)断裂形迹基本消失(图7a),这表明近直立的同一条走滑断裂主要切穿了T56之下多套地层。于奇西区块三叠系—白垩系(T46~T30地震反射层)发育多排雁列式正断层组(图5f),且主要沿T74界面近NE、SN两组主干走滑断裂的上方发育。

  • 图5 塔河油田于奇西区块主要层系的相干体与断裂叠合平面图

  • Fig.5 Congruent maps showing faults in main strata series in west block of Yuqi of Tahe oilfield

  • 于奇8井区块除发育近NE和SN走向的走滑断裂外(图6,图7b),由于受NWW向巴里英逆冲断裂带的影响,还发育近EW向和NEE向断裂,断裂特征主要表现为:① 主干断裂穿过T74反射界面,并终止于T60反射界面(图6,图7b),表现为寒武系—中下泥盆统(T90~T60地震反射层),断裂发育具有统一性(图6a~c),这是由于近直立的同一走滑断裂同时切穿T90~T60地震反射层的结果; ② 上泥盆统—二叠系(T57~T50地震反射层)的断裂发育也表现为雁列式展布特征(图6d,图7c),雁列式正断裂的平均走向(N3°E)与南部断裂系统保持一致,但雁列式正断裂主要沿NE向主干走滑断裂上方发育; ③ 三叠系—白垩系(T46~T30 地震反射层),几乎没有与主干走滑断裂相关的雁列断裂发育。

  • 图6 塔河油田于奇8区块主要层系的相干体与断裂叠合平面图(a~d)

  • Fig.6 Congruent maps (a~d) showing faults in main strata series in the area of the Yuqi8 well of Tahe oilfield

  • 图7 塔河油田于奇西与于奇8井区块典型地震解释剖面(a~c)(剖面位置见图5、图6)

  • Fig.7 Typical seismic interpretation profiles (a~c) in west block of Yuqi and the area of the Yuqi8 well of Tahe oilfield (section location is shown in Fig.5 and Fig.6)

  • 3 走滑断裂体系形成演化及应力体制的构造解析

  • 自新元古代以来,塔河油田在多期构造运动的作用下(图1),形成了在平面上走向不同、规模不一,在剖面上主干断裂性质不同、不同时期断裂叠加的复杂断裂系统。综合上述对塔河油田南、北走滑断裂系体系几何特征的构造解析,并结合区域构造活动背景,将塔河油田走滑断裂体系的形成演化划分为三大阶段:加里东期中期I幕近南北向(N3°E)挤压,加里东期晚期—海西期受NNE向(N23°E)挤压,印支期—燕山期受NE向(N37°E)弱挤压作用。

  • 3.1 构造演化阶段的划分及应力体制

  • 加里东期中期Ⅰ幕(T74不整合界面所反映的构造运动)(图1),在近SN向(N3°E)的挤压作用下,塔河油田南部“X”型共轭走滑断裂体系初始形成(图2、图3a~c),其中近直立的走滑断裂切割寒武系—中奥陶统(T90~T74地震反射层);

  • 加里东期晚期—海西期早期(T60不整合界面所反映的构造运动)是本区最强烈的构造活动(图1),在受到NNE向(N23°E)的挤压作用下,塔河油田北部走滑断裂体系初始形成(包括巴里英等逆冲断裂的活动)(图2,图5a~d,图6a~c); 南部走滑断裂体系的断裂作为先存构造不同程度地重新活动(图3d),但不同走向断裂的活动强度存在很大的区别(NEE向的断裂几乎没有活动);

  • 海西期晚期(T50不整合界面所反映的构造运动)(图1),本区继续受到NNE向(N23°E)的挤压作用(主应力方向与加里东期晚期—海西期早期保持一致),但变形强度有所减弱(图3e)。前期所形成的走滑断裂均作为先存构造发生不同程度地重新活动,活动的相对强度与加里东期晚期—海西期早期保持一致。考虑到加里东期晚期—海西期早期和海西期晚期构造作用方向的一致性,把这两个构造期合并在一起,合称为一个大的构造期(加里东期晚期—海西期)。

  • 上述南、北两个走滑断裂体系的平面界线(图2中NWW-EW向延伸的点划线),笔者主要是依据平面断裂分布与组合特征的差异性来大致划分的。笔者通过综合研究认为:塔河南部走滑断裂体系是中奥陶世末期(加里东期中期Ⅰ幕运动),受到盆地南缘西昆仑洋闭合的远程挤压作用力形成的(贾承造,1999; 吕海涛等,2017),此时沙雅古隆起已经形成(安海亭等,2009; 孟祥霞等,2015),古隆起高部位在轮台断裂上盘的雅克拉及下盘的于奇西等地区,随着南部挤压应力向北部传递距离的延长,同时北部存在沙雅古隆起先存构造的阻挡,南部挤压应力逐渐释放,至目前笔者推测的分界线附近消亡; 塔河北部走滑断裂体系是晚志留世—早中泥盆世末期(加里东期晚期—海西期早期运动),受到盆地北缘南天山洋闭合的远程挤压作用力形成的(贾承造,1999; 吕海涛等,2017),此时沙雅古隆起的高部位在轮台断裂与阿克库勒断裂之间(大致相当于图2上奥陶统的尖灭线以北部位),随着北部挤压应力向南部传递距离的延长,应力逐渐释放,至目前笔者推测的分界线附近消亡。因此上述南、北两个走滑断裂体系的平面界线之间没有基底深大断裂或者构造单元分隔,笔者推测是受到区域挤压应力方向、形成时间、古隆起先存构造等综合因素控制形成的。

  • 印支期—燕山期(T46、T40、T30不整合界面所反映的构造运动)(图1),本区继续遭受挤压作用,但挤压方向继续向E偏转(N37°E),由于南部古特提斯洋的闭合,导致前期形成的走滑断裂均作为先存构造不同程度地重新活动,其中南部走滑断裂体系中NNE向的走滑断裂剧烈活动,在三叠系—白垩系(T46~T30地震反射层)中形成呈雁列式展布的正断裂(图3f)、少量NNW向断裂重新活动形成呈雁列式展布的正断裂,而北部断裂系统中活动比较弱(于奇西区块有活动,于奇东区块几乎没有活动)(图5f、图6d)。喜山期(从T30反射层向上,对应新生界地层),构造总体处于稳定阶段,研究区没有发现明显的构造变形迹象。

  • 3.2 关键构造变形期应力体制的解析过程

  • 3.2.1 南部走滑断裂体系的初始形成时期

  • 塔河油田南部“X”型共轭走滑断裂体系的准确形成时期,受T74不整合界面之上大套地层剥蚀殆尽影响,是目前还有争议的难题,本文确定其形成于加里东期中期Ⅰ幕(T74不整合界面所反映的构造运动),解析过程如下:

  • 共轭走滑断裂是符合库伦剪切作用条件(均匀介质)而同时产生的(同期)、相互交叉、错动方向相反、级别相当的两组剪切破裂,是纯剪切变形的产物(Anderson,1951; 万天丰,1984; 索书田等,2000)。共轭走滑断裂的形成必须符合以下两个条件:① 相对均一的岩石; ② 相对均匀的应力场(走滑应力状态)。因此,塔河油田“X”型共轭走滑断裂形成前的岩层必须是近于均匀的介质(之前还未发生构造变形),而塔河油田T74反射层之下是一套通常发生脆性变形的碳酸盐岩地层,T74反射层之上主要是一套通常发生塑性变形的碎屑岩地层,如果晚于T74界面则不满足均质介质的条件,因此推测南部走滑断裂体系应该是在中奥陶世末的加里东期中期Ⅰ幕运动中初始形成的; 另外T74界面发育受共轭走滑断裂控制的古河道(鲁新便等,2018),而T74以下(如T76界面)则没有这种现象,表明在中奥陶世末该区地层抬升暴露溶蚀,南部共轭走滑断裂初始活动,所以形成T74界面沿断裂控制的古河道。

  • 主干走滑断裂后期活动切割上部地层(部分切割至T60界面),而不发育雁列构造是地层间耦合程度较高的结果。虽然部分主干走滑断裂已切割至T60界面,但两组不同方向(NNW和NNE)断裂的活动强度(相干体上显示的断裂明显程度和断裂带宽度)发生了转化。T74界面以下NNE活动强度相对较大,向上转化为NNW向断裂活动强度较大。

  • 3.2.2 北部走滑断裂体系的初始形成时期

  • 本文确定北部走滑断裂体系形成于加里东期晚期—海西期早期(T60不整合界面所反映的构造运动),初始形成期晚于南部走滑断裂体系,属于两个断裂体系,解析过程如下:

  • 北部走滑断裂体系均系统地切穿T60界面(图7b),这种穿层特征明显不同于南部走滑体系,而且T60界面所反应的构造运动在本区最为强烈,可以确定北部走滑体系初始形成于加里东期晚期—海西期早期。同时在加里东期晚期—海西期,北部断裂体系指示的主应力方向(N23°E)和南部断裂体系重新活动所指示的主应力方向(N23°E)完全匹配。北部走滑断裂体系局部也存在共轭特征(图2),只是不同方向的两组断裂发育程度存在差异,也是纯剪切构造变形的产物,形成于均匀介质,表明之前没有先存断裂发育。

  • 有学者认为北部断裂体系受轮台断裂带后期活动影响,改变了其早期的断裂走向,如果将北部断裂体系逆时针旋转20°左右,其断裂组合形式与南部断裂体系就完全一致。笔者认为首先作为北部断裂体系边界的轮台断裂,经分析在加里东期中期Ⅰ幕活动比较弱,其强烈活动主要是海西期晚期; 其次如果轮台断裂在海西期强烈挤压,则会导致其南部块体旋转,那么在轮台断裂南部需要发育冲起构造带来平衡该挤压缩短量,笔者通过计算轮台断裂南部最大的冲起构造带(阿克库木与阿克库勒断裂夹持部位)的缩短量,反算出轮台断裂带的旋转角度只有2.5°(计算过程略)。因此笔者认为北部断裂体系的形成,无法用主应力方向的局部偏转来解释,应属于两个断裂体系,北部走滑断裂体系初始形成期晚于南部走滑断裂体系,是受到两期不同的挤压力作用形成的。

  • 3.2.3 不同阶段构造应力体制(主应力方向)的确定

  • 共轭剪裂面锐夹角的角平分线可以准确反映最大主压应力方向(Anderson,1951; 万天丰,1984),因此加里东期中期Ⅰ幕和加里东期晚期—海西期早期的主压应力方向,可以分别利用南部和北部共轭走滑断裂的角平分线平均方向(分别为N3°E和N23°E)进行确定。利用平均共轭剪裂角2θ(本区NNE与NNW两组共轭断裂的共轭剪裂角平均为40°),可以分别确定岩石的内摩擦角φ(φ=90°-2θ=50°)和内摩擦系数(tan50°≈1.19)。

  • 张性雁列式断裂一般被认为是R剪切,按照R剪切破裂与主应力方向的关系,可以利用雁列式断裂的平均走向和内摩擦角的关系来确定主应力方向。这样分别确定加里东期晚期—海西期和印支期—燕山期的主压应力的方向分别为N23°E和N37°E。

  • 塔河油田南部走滑断裂体系在中奥陶世末期初始形成时向北逐渐终止,主要表现出主干断裂末端多以马尾状特征结束,同时该时期塔里木盆地南部的和田、塔中等古隆起的活动强度明显高于北部的沙雅古隆起,因此表明加里东期中期Ⅰ幕构造作用的力源主要来自南部,推测受盆地南缘西昆仑洋闭合的远程挤压作用; 加里东期晚期—海西期,塔河油田南部走滑断裂的活动强度明显低于北部,同时塔里木盆地北部的沙雅古隆起(如雅克拉断凸)在海西期强烈隆升,其活动强度明显高于南部的和田、塔中等古隆起,因此表明该时期的挤压作用主要来自北部,推测受盆地北缘南天山洋闭合的远程挤压作用; 印支期—燕山期,南部走滑断裂的活动强度明显高于北部,表明其构造作用的力源来自南部,推测受盆地南缘古特提斯洋闭合的远程挤压作用。力源的确定对于预测不同构造期构造变形强度的变化规律具有重要意义。

  • 3.3 塔北共轭走滑断裂体系识别和划分

  • 断裂体系一般指在某一地质时期内构造作用下形成的主干断裂,以及这些主干断裂所控制或影响着后期生成并与其具有成因联系的次级断裂组合(王婧韫等,2004)。10区西、于奇西、于奇8井这三个区块发育的走滑断裂作为塔河油田走滑断裂的典型代表(图2),通过对上述三个区块走滑断裂的综合分析,其中不同地区主干断裂在走向、对地层切割关系、形成时间及其成因机制等方面存在明显的差异,因此将其划分为南、北两个大型共轭走滑断裂体系(图2)。

  • 塔河油田南部以10区西为代表发育典型的“X”型共轭走滑断裂体系,南部主干共轭走滑断裂形成于上奥陶统沉积之前(加里东期中期Ⅰ幕),最大主应力方向为近SN向(N3°E)。

  • 塔河油田北部走滑断裂体系的发育较为复杂,但通过对于奇西、于奇8井区块发育的NE走向和近SN走向这两组走滑断裂综合分析,表明该地区主干走滑断裂都形成于加里东期晚期—海西早期,断裂近直立且走滑位移量都很小,在于奇西地区的T80~T78两层相干体界面可以识别出明显呈“X”型相交的NE和近SN两组走向断裂(图2)。根据目前对“X”型共轭断裂的定义、形成条件、判别依据以及分布规律等方面的认识(Anderson,1951; 万天丰,1984),以及关于走滑断裂的形成机制主要以纯剪切模式和简单剪切这两种模式进行解释(Sylvester,1988)。显然运用简单剪切模式并不适用于对北部的这两组走滑断裂进行解释,所以可以推测在北部发育的NE和近SN两组走向的走滑断裂组合是在纯剪切作用下形成的非对称式的共轭走滑断裂(索书田等,2000),其最大主应力为NNE(N23°E)方向。

  • 4 不同演化阶段断裂性质及活动性预测

  • “断溶体”油藏是塔河油田的极为特殊且十分重要的一种油气藏类型,是目前塔里木盆地北部地区油气勘探和开发的重要场所。研究表明断裂带构造特征是“断溶体”油藏优劣的一个非常重要的影响因素(鲁新便等,2018),因此准确预测走滑断裂带在不同时期的性质以及活动性,对塔河油田以及整个塔里木盆地北部地区“断溶体”油藏的勘探开发均具有非常重要的指导意义。基于上文对塔河油田走滑断裂活动期次的划分、不同活动期的应力状态、主压应力方向以及断裂性质等认识,运用广义剪切活动准则(Tong et al.,2011a,2014; 童亨茂等,2014b2015)的理论和方法,对走滑断裂带在不同时期的性质和活动性(活动性系数fa≥1,发生活动; fa<1,不活动)进行判定。下文挑选10区西两条F1(NNE走向)、F2(NNW走向)的“X”型共轭走滑断裂为例来说明。

  • 10 区西F1、F2共轭走滑断裂在加里东期中期I幕初始形成,纯剪切模式,为库仑破裂(活动性系数fa=1)(表1),此时形成破裂面,尚未发生明显断裂活动; 加里东期晚期—海西期,10区西区块先前形成的共轭走滑断裂作为先存构造,据广义剪切活动准则计算得到F1(NNE走向)断裂的活动性系数fa=0,不活动,而F2(NNW走向)断裂活动性系数fa=1.1活动。在T50界面上能看到沿F2(NNW走向)断裂上方发育明显的雁列式断裂(图3e),根据摩尔空间上的投影点分析,该时期主干断裂性质以压扭为主(图8); 印支期—燕山期,最大主压应力方向顺时针偏转,该时期两条先存断层F1、F2的性质以及活动性系数发生变化,计算结果表明F1(NNE走向)先存断裂的活动性系数fa=2.1,活动能力强,在T34界面上能看到大量的NNE向排列的雁列式正断裂发育(图3f),表明先存主干走滑断裂该时期以张扭为主。以上分析表明,10区西F1(NNE走向)断裂经历三个演化时期(表1):加里东期中期I幕初始形成的左旋走滑(纯剪切),加里东期晚期—海西期停止活动,印支期—燕山期发生张扭作用下的右旋走滑(该时期发生运动方向反转,从左旋到右旋); 10区西F2(NNW走向)断裂经历三个演化时期:加里东期中期I幕初始形成的左旋走滑(纯剪切),加里东期晚期—海西期发生压扭作用为主的右旋走滑,印支期—燕山期没有整条断裂发生活动。

  • 表1 塔河油田10区西典型走滑断裂不同时期的性质与活动性系数综合分析表

  • Table1 Properties and activity coefficients of typical strike-slip faults in different periods in the west of Block 10 of Tahe oilfield

  • 图8 塔河油田10区西典型走滑断裂不同时期“摩尔空间”图解

  • Fig.8 Diagram of “molar space” of typical strike-slip faults in different periods in west area of Block 10 of Tahe oilfield

  • 5 结论

  • (1)基于对塔河油田10区西、于奇西、于奇8井三块典型三维区块的系统构造解析,确定塔河油田走滑断裂主要有3个活动期:加里东期中期I幕,加里东期晚期—海西期,印支期—燕山期。

  • (2)塔河油田可划分为南、北两大走滑断裂体系:南部发育典型的NNE、NNW两组走向的“X”型共轭走滑断裂体系,加里东期中期I幕在近SN向(N3°E)的挤压作用下形成; 北部发育以NNE走向为主、少量近SN走向组合的非对称式共轭走滑断裂体系,加里东期晚期—海西早期在NNE向(N23°E)的挤压作用下形成。

  • (3)半定量厘定出塔河油田10区西两条F1(NNE走向)、F2(NNW走向)走滑断裂在不同时期的性质与活动性系数:加里东期中期I幕,F1(NNE走向)、F2(NNW走向)两组断裂初始形成(活动性系数fa=1.0),均为剪切作用下的库仑破裂; 加里东期晚期—海西期,F2(NNW走向)断裂压扭活动(活动性系数fa=1.1),F1(NNE走向)断裂未活动(活动性系数fa=0); 印支期—燕山期,F1(NNE走向)断裂发生张扭活动(活动性系数fa=2.1),F2(NNW走向)断裂整体不活动(活动性系数fa=0.6)。

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