裂陷盆地断裂控烃作用及在复杂断块油气勘探中的应用

第1章 断层分段生长定量表征及其对“源-储”的控制作用 多年勘探实践证实，裂陷盆地主干边界断层具有典型分段生长特征（Peacock，1991；Kim and Sanderson，2005；Manzocchi et al.，2006；Fossen，2010；王有功等，2014；付晓飞等，2015），它是裂陷盆地重要的组成单元，是洼槽的重要边界，控制着烃源岩的分布范围（茹克，1990；Dawers and Underhill，2000）；同时，断层分段生长必然伴随着构造转换带的形成（王海学等，2013），并且构造转换带是砂体入盆的重要通道（王海学等，2013；王家豪等，2010；林海涛等，2010；刘恩涛等，2012）。近年来，国内外学者主要侧重于研究构造转换带的识别及其控砂规律，尚缺少构造转换带形成机制及演化过程定量表征方面的研究；同时，断层生长是一个动态过程，不同地质历史时期断层组合样式明显存在差异，即形成的洼槽结构明显不同（王有功等，2014；Gibbs，1984；Morley，1999）；因此，如何定量表征主干边界断层形成演化规律成为研究断层分段生长与“源-储”耦合关系的关键。 1.1 断层分段生长过程及定量表征 断层生长源于裂缝的递进变形（Scholz et al.，1993），断层*大位移（Dmax）和长度（L）在双对数坐标下呈线性关系（Schlische et al.，1996；Watterson，1986；Scholz and Cowie，1990；Marrett and Allmendinger，1991；Walsh and Watterson，1991），其关系式为Dmax=cLn。n的取值为1～2（Marrett and Allmendinger，1991；Walsh and Watterson，1988；Cowie and Scholz，1992）。大多数断层呈现出这种幂指数或者双对数坐标下的线性关系。断层演化表现为多次滑动事件的累积，由地震事件引起的断层断距增长一般不超过10m（Wells and Coppersmith，1994），断距与长度的比值为10-5～10-4，而地质上断层断距与长度的比值为10-2～10-1，表明断层要经历103次滑动*终形成（图1.1）（付晓飞等，2012）。从Dmax与L的关系看，断层生长过程共有四种模式（Kim and Sanderson，2005）（图1.2）：一是稳定的Dmax/L模式，伴随长度增加断距也在增大，但Dmax/L值保持不变；二是增加的Dmax/L模式，伴随长度增加断距快速增大；三是稳定的长度模式（Walsh et al.，2002），即断裂生长过程中，在早期阶段长度快速增长，然后长度保持不变，但断距快速增大；四是分段连接模式（Kim and Sanderson，2005；Peacock and Sanderson，1991；Cartwright et al.，1995），即大断裂均由小断裂连接而成（图1.1、图1.2）。 图1.1 地震断层和天然断层*大位移与长度的关系图版 图1.2 断层生长模式［据Kim和Sanderson（2005）］ 上图为位移-距离曲线图，下图为*大位移与长度关系图 1.1.1断层分段生长定量表征 裂陷盆地断层分段生长具有普遍性（Peacock，1991；Trudgill and Cartwright，1994；Cartwright et al.，1995；Yang et al.，2008；王海学等，2013），分段生长经历三个阶段：孤立成核阶段、“软连接”阶段和“硬连接”阶段（图1.3）。分段生长过程得到了野外露头、砂箱物理模拟和地震资料解释的证实（Fossen，2010）。断层分段生长过程伴随着不同类型的构造转换带形成。孤立成核阶段：相当于两条完整的孤立断层形成同向趋近型转换带。“软连接”阶段：由于两条断层开始相互作用，岩桥区应变集中，易于形成大量裂缝和交织的小断裂，伴随着同向叠覆型转换带的形成（王海学等，2013）。“硬连接”阶段：随着断距的累积，二者相互作用增强，导致横断层的形成，*终“硬连接”形成一条完整的大断裂，即形成传递断层型转换带。 图1.3 断层分段生长阶段及定量表征示意图 表征断层分段特征有两个方面：一是断裂的自身形态特征。孤立断层的断层面断距等值线示意图［图1.3（c）］整体呈椭圆形，中心断距*大，向四周断距逐渐减小，至端点处断距变为零（Barnett et al.，1987），断距-距离曲线［图1.3（b）］呈现半椭圆形态，由于一般位移与断距呈正相关关系，因此一般使用断距-距离曲线表征断层分段性。伴随两条孤立断层叠覆，二者开始相互作用，形成转换斜坡，由于能量消耗在转换斜坡上，断层断距增长缓慢，位移梯度明显增大，转换斜坡范围的断层总断距相对较小，断距-距离曲线［图1.3（b）］为“两高一低”形态，在断层面断距等值线示意图［图1.3（c）］上出现明显“鞍部”，在断层面埋深等值线示意图［图1.3（d）］上为“隆起区”。从“硬连接”到完整大断裂形成阶段曲线形态具有相似性。二是断层连接过程中地层弯曲变形的证据。由于沿着断层走向的位移变化，在断层上盘连接位置位移小，形成背斜构造，称为横向背斜（transverse fold）（Larsen，1988；Schlische，1995；Jackson et al.，2002），在平行断裂走向测线上表现明显（图1.4）。因此，利用“两图（断距-距离曲线图、断层面断距等值线图）一线（沿断裂走向的地震剖面线）”方法可以有效表征断层的分段生长特征。 图1.4 断层分段生长连接与横向背斜的关系 以海拉尔-塔木察格盆地塔南凹陷东洼槽为例（图1.5），洼槽自下而上发育下白垩统铜钵庙组、南屯组、大磨拐河组、伊敏组，上白垩统青元岗组；主要经历了残留盆地阶段（铜钵庙组）、初始裂陷阶段（南一段中、下部）、强烈裂陷阶段（南一段上部和南二段）、断-拗转化阶段（大磨拐河组—伊敏组）和拗陷阶段（青元岗组）五期构造演化（图1.6）；南一段上部和南二段沉积时期为强烈裂陷期，边界断裂TN1和TN2活动强烈。基于TN1和TN2断裂“两图一线”特征，可以明显看出其具有典型的分段生长特征（图1.7、图1.8），目前两条断层仍处于“软连接”阶段，形成典型转换斜坡构造。TN1和TN2分别由多个小断层连接而成，TN1由4段构成，分别为TN1-1、TN1-2、TN1-3和TN1-4，地震剖面线显示，在该时期对应分段连接位置发育横向背斜［图1.7（c）、图1.8（c）］，沿着洼槽长轴方向，存在地层向横向背斜超覆现象。TN2由5段构成，依次为TN2-1、TN2-2、TN2-3、TN2-4和T2-5。 图1.5 塔南凹陷构造单元划分图 图1.6 塔南凹陷地层柱状图