四川盆地高石梯—磨溪地区走滑断层构造特征与天然气成藏意义
马德波1,2, 汪泽成2, 段书府2, 高建荣2, 江青春2, 姜华2, 曾富英2, 鲁卫华2
1. 中国地质大学(北京),北京 100083
2. 中国石油勘探开发研究院,北京 100083

联系作者简介:汪泽成(1966-),男,安徽太湖人,博士,中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师,从事石油天然气地质综合研究工作。地址:北京市海淀区学院路20号,中国石油勘探开发研究院,邮政编码:100083。E-mail:wangzecheng@petrochina.com.cn

第一作者简介:马德波(1983-),男,山东泰安人,中国地质大学(北京)在读博士研究生,中国石油勘探开发研究院石油地质研究所工程师,从事地震地质综合解释、区域构造解析工作。地址:北京市海淀区学院路20号,中国石油勘探开发研究院石油地质研究所,邮政编码:100083。E-mail:madbo@petrochina.com.cn

摘要

基于四川盆地中部高石梯—磨溪地区连片三维地震资料和钻井资料,利用断层构造解析方法,分析研究区走滑断层的构造特征与形成演化及其对天然气成藏的意义。结果表明:①研究区古生界发育张扭性走滑断层,剖面上发育高陡直立、花状构造、“Y”字形与反“Y”字形3种构造样式。平面上寒武系发育近东西向、北西向、北东向3组断层,呈线状延伸,整条断层由多条呈斜列状展布的次级断层组成;二叠系以近东西、北西向断层为主,分布在研究区中东部,且具有北多南少的特点。②近东西向、北西向断层为右行走滑断层,北东向断层为左行走滑断层。近东西向断层的走滑作用强,最大水平位移量约550 m,北东向断层的走滑作用弱。寒武系断层的活动强度强于二叠系断层。③走滑断层经历早加里东期、晚海西期2期活动,为2期地裂背景下先存构造薄弱带受到斜向拉张所致,主干断层具有一定的继承性。④走滑断层及周围裂缝提升了寒武系龙王庙组储集层的孔隙度和渗透率,控制着二叠系栖霞组—茅口组岩溶储集层的分布,形成了该区多层系含气的局面。图11参39

关键词: 四川盆地; 高石梯—磨溪地区;; 寒武系; 二叠系; 走滑断层; 构造特征; 天然气成藏
中图分类号:TE122.2 文献标志码:A 文章编号:1000-0747(2018)05-0795-11
Strike-slip faults and their significance for hydrocarbon accumulation in Gaoshiti-Moxi area, Sichuan Basin, SW China
MA Debo1,2, WANG Zecheng2, DUAN Shufu2, GAO Jianrong2, JIANG Qingchun2, JIANG Hua2, ZENG Fuying2, LU Weihua2
1. China University of Geosciences, Beijing 100083, China
2. Research Institute of Petroleum Exploration & Development, PetroChina, Beijing 100083, China;
Abstract

Based on the three dimensional seismic data and drilling data in Gaoshiti-Moxi area, the structural characteristics and evolution process of strike-slip faults in the study area and their significance for gas accumulation were examined using the method of fault structure analysis. The results show that: (1) Transtensional strike-slip faults are developed in the Paleozoic in study area. On the profile, there are three types of structural styles: steep and erect, flower structures, "Y" and reversed "Y" type faults. On the plane, strike-slip faults developed in the Cambrian extending linearly and along the nearly EW, NW and NE direction. The faults are composed of multiple secondary faults in en-echelon arrangement; faults in the Permian are mainly along nearly EW and NW direction, and the Permian faults are distributed in the middle east part of the study area and they are more in the north than in the south. (2) The nearly EW and NW trending faults are dextral strike-slip faults, and the NE trending faults are sinistral strike-slip faults. The strike-slip strength of the nearly EW trending faults are the strongest and the maximum horizontal displacement is 550 m, while the strike-slip strength of the NE trending faults is the weakest. The Cambrian faults had stronger activities than the Permian faults. (3) The transtensional strike-slip faults were active in two periods, the early Caledonian period and the late Hercynian period, and were the products of sideway extension of pre-existent weak zones in Xingkai and Emei taphrogenesis, with certain inheritance in the main parts. (4) The strike-slip faults and surrounding fractures enhance the porosity and permeability of the reservoir in Cambrian Longwangmiao Formation and control the distribution of karst reservoirs in the Permian Qixia-Maokou Formation, bringing about the situation of multiple gases bearing series in this area.

Keyword: Sichuan Basin; Gaoshiti-Moxi area; Cambrian; Permian; strike-slip fault; structural characteristics; gas accumulation
0 引言

近年来, 中国克拉通盆地腹部发现了大量延伸远、规模大的走滑断层[1], 比如塔里木盆地塔中— 塔北奥陶系走滑断层[2, 3, 4]、鄂尔多斯盆地三叠系延长组走滑断层[5], 这些走滑断层具有明显的控储控藏作用。随着四川盆地深层油气勘探的不断深入, 发现盆地内部稳定区尤其是四川盆地中部(简称“ 川中” )高石梯— 磨溪(简称“ 高磨” )地区也发育大量高角度断层, 表现出走滑断层的特征。

前人对此开展了一定的研究工作, 李文科、丁博钊等认为川中地区发育古岩溶塌陷体, 且塌陷体的分布主要受持续活动走滑断层控制[6, 7]。杨平等[8]认为川中地区地震剖面上震旦系— 二叠系的柱状下拉异常为走滑拉分地堑基础上形成的热液通道。殷积峰等[9]刻画了川中地区深大走滑断层的分布。Li等[10]分析了川中高磨地区震旦系— 二叠系断层的特征、演化及对碳酸盐岩储集层形成的控制作用。前人的研究肯定了高石梯— 磨溪地区发育走滑断层, 但该区走滑断层的几何学、运动学特征、形成演化过程及对油气成藏的意义有待深入研究。开展川中高磨地区深层走滑断层构造解析不仅对于该区震旦系— 寒武系安岳大气田的开发和二叠系栖霞组— 茅口组天然气的勘探生产具有重要的指导意义, 还对完善克拉通盆地稳定区走滑断层发育特征及其控藏作用具有重要的科学意义。

本文基于川中高磨地区最新连片处理的高精度三维地震资料、钻井资料, 利用走滑断层构造解析的思路, 通过高精度相干提取、断层精细解释, 系统分析研究区走滑断层的几何学、运动学特征, 恢复其形成演化过程, 并揭示走滑断层对天然气成藏的意义。

1 地质背景

川中地区位于四川盆地中部盐亭— 南充— 合川一带, 构造上属于川中平缓构造带, 为上扬子地区残留的最稳定地块[11](见图1)。高石梯— 磨溪地区位于川中南部, 区内三维地震资料为近年连片处理的叠前时间偏移资料, 覆盖面积达6 600 km2, 面元长宽各20 m, 深层地震主频为28 Hz, 能够满足断层精细刻画的需要。

图1 研究区位置及地层综合柱状图(研究区外克拉通内裂陷分布范围据文献[13]修改)

高石梯— 磨溪地区深层主要发育震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、石炭系、二叠系, 全区普遍缺失泥盆系, 奥陶系— 石炭系只在研究区边缘有所残留, 主体部位二叠系直接覆盖在寒武系之上。寒武系为一套相对稳定的海相碳酸盐岩夹碎屑岩沉积, 底部为筇竹寺组黑色页岩, 中上部发育沧浪铺组、高台组2套红色碎屑岩与龙王庙组、洗象池组2套厚层白云岩。二叠系上统包括龙潭组、长兴组, 下统包括梁山组、栖霞组、茅口组(见图1)[11]

研究区经历多期构造运动, 震旦纪— 寒武纪受兴凯地裂运动的控制, 形成德阳— 安岳克拉通内裂陷[12, 13]。晚加里东期, 强烈挤压作用下形成乐山— 龙女寺古隆起, 为目前川中深层主要构造形态奠定了基础。海西、印支、燕山期古隆起整体继承发育, 轴线稍有迁移, 最终在喜马拉雅运动后定型[14]

2 走滑断层构造特征
2.1 几何学特征

2.1.1剖面特征

根据断层剖面组合样式的差异, 识别出研究区主要发育3种构造样式:高陡直立断层、花状构造、“ Y” 字形与反“ Y” 字形断层(见图2)。

图2 研究区走滑断层典型剖面构造样式(剖面位置见图3b)
Z2dn1— 灯影组一段; Z2dn3— 灯影组三段; — C— 寒武系; — C1L— 寒武系龙王庙组; P— 二叠系; P2l— 上二叠统龙潭组

①高陡直立断层是研究区内走滑断层最普遍的特征。断层大多为张扭性断层[10], 剖面上近于直立, 断面倾角大于80° , 往上断至寒武系或二叠系内部, 向下断穿震旦系直至前震旦系, 断面形态具有越往深层越陡的特点(见图2a)。

②花状构造是走滑断层主干断层和分支断层的剖面组合形态, 是鉴别走滑断层的重要标志之一[15, 16]。高磨地区走滑断层主要发育负花状构造(见图2b)和半花状构造(见图2c), 分布在震旦系— 二叠系中, 由一系列凹面向上的正断层组成由深部往浅层撒开的“ 花状” 或“ 半花状” 结构。由于多期构造变形叠加, 局部地区发育多层花状构造, 剖面上形成“ 花上花” 的结构。负花状构造的广泛发育反映了研究区走滑断层发育于张扭性构造环境中。

③“ Y” 字形与反“ Y” 字形是研究区内较为发育的两种断层样式, 剖面上表现为2条倾向相反的正断层(主干断层、分支断层)组成的小型地堑。根据分支断层与主干断层相对位置的差异, 划分为“ Y” 字形(见图2d)和反“ Y” 字形断层(见图2e)。

2.1.2 平面特征

本文选取高磨地区地震资料的寒武系底(见图3)、二叠系龙潭组底(见图4)高精度相干切片及对应的断层分布图来说明研究区走滑断层的平面分布特征。图3中近南北向断层F0为德阳— 安岳克拉通内裂陷的边界断层, 根据前人对德阳— 安岳克拉通内裂陷形成演化的研究, F0断层形成于晚震旦世灯影组沉积期, 消亡于早寒武世筇竹寺组沉积晚期[12, 13]。研究区内走滑断层向上大多断穿寒武系, 同时对F0断层有明显的切割; 因此, 该区走滑断层的形成晚于F0断层的形成。本文将F0断层作为区域分界的标志和分析走滑断层位移的参照物, 不对其做详细分析。

图3 高石梯— 磨溪地区寒武系底高精度相干切片及断层平面分布图

图4 高石梯— 磨溪地区二叠系龙潭组底高精度相干切片及断层平面分布图

寒武系主要发育近东西向、北东向、北西向3组走滑断层(见图3), 断层呈线性展布。近东西向断层(如F3、F4、F6)主要分布在北部磨溪— 龙女寺地区, 延伸长度可达110 km, 整条断层由多段次级断层组成, 不同段次级断层之间多有叠覆现象, 由西往东断层呈发散的特点。北东向断层(如F8、F9、F10)主要分布在研究区西南部, 连续性较差, 断层向下断穿震旦系, 往上一般只断至寒武系龙王庙组底。北西向断层(如F5、F15、F17)在研究区分布较广, 单条断层长度短, 多条雁列式分布的断层组成一条大的断层带(见图3)。研究区中部发育的F1、F2断层为高石梯— 磨溪构造的边界断层, F1断层为磨溪构造的南边界, F2断层为高石梯构造的北边界。F1、F2断层由震旦系一直断至二叠系— 三叠系内部, 为多期活动断层。剖面上可以看到F1、F2断层随地层整体褶皱隆升表现为逆断层, 为高石梯— 磨溪构造挤压隆升过程中的构造反转所致(见图5)。

图5 研究区南北向FF° 地震解释剖面(剖面位置见图3b)

二叠系断层发育较少, 主要沿下覆寒武系主干断层分布, 反映出主干断层发育具有一定的继承性。平面上二叠系断层主要分布在研究区中东部, 且具有北多南少的特点。北部以近东西向、北西向断层为主, 断续分布, 整体延伸较远; 南部以北西向断层为主, 延伸较短(见图4)。北部磨溪— 龙女寺地区断层发育密度明显高于南部高石梯地区。研究区东南部发育2条由雁列式正断层组成的北西向断层带, 整体沿深层寒武系断层分布, 体现了该区张扭应力场的存在。

几何学特征分析表明, 研究区古生界发育张扭性走滑断层, 剖面上表现为高陡直立、负花状或半花状构造、“ Y” 字形与反“ Y” 字形。平面上发育近东西向、北西向、北东向3组断层, 呈线性延伸, 断层内部由多条雁列状或斜列状分布的次级断层组成。

2.2 运动学特征

2.2.1 运动方向的确定

研究区断层走向滑距小, 运动方向的判定比较难。本文主要根据走滑断层对F0断层和褶皱构造的错断以及主干断层内部次级断层雁列状排列的方式进行运动方向的确定[17, 18]

前面已经论述F0断层的形成早于研究区内走滑断层的形成, 因此可以根据F0断层被走滑断层错断的方向判断走滑断层的运动方向。近东西向F3、F4断层2 360 ms等时切片显示(见图6a), F0断层被F3、F4断层右行错断, 因此F3、F4断层为右行走滑断层。精细相干图显示北西向、近东西向断层内部次级断层呈左阶式斜列展布(见图7a), 进一步证实北西向、近东西向断层为右行走滑断层。F1断层2 290 ms等时切片显示, F0断层被F1右行错断, 表明F1断层为右行走滑断层(见图6b)。F1断层内部次级断层呈左阶式雁列状分布(见图7b), 也证实F1断层为右行走滑断层。由北东向F7断层2 498 ms、F9断层2 412 ms等时切片(见图6c— 图6d)可以看出北东向断层为左行走滑断层, 其内部雁列式分布的次级断层呈右阶式雁列状展布(见图7c), 也指示北东向断层为左行走滑断层。

图6 研究区三维地震数据体振幅等时切片(切片位置见图3a)
A区F3、F4断层2 360 ms振幅切片; B区F1断层2 290 ms振幅切片; C区F7断层2 498 ms振幅切片; D区F9断层2 412 ms振幅切片

图7 近东西向、北东向断层精细相干图(切片位置见图3a)

通过上述分析, 可以判断出高石梯— 磨溪地区近东西向、北西向走滑断层为右行张扭性走滑断层, 北东向断层为左行张扭性走滑断层(见图3)。

2.2.2 位移量分析

断层位移量分析可以定量反映断层的活动强弱。本文通过统计断层的水平位移、垂向断距对研究区古生界走滑断层的位移量进行分析, 其中水平位移用来分析走滑作用的强弱, 垂向断距用来反映断层的活动强度。

断层两盘地质参照物对比法是进行走滑断层水平位移测量最有效的方法[19]。本文选取断层F0和南部的褶皱构造作为参照物, 测量二者被走滑断层错断的距离来计算张扭性走滑断层的水平位移量。国内外学者认为走滑断层的水平位移与断层长度呈正相关关系[20, 21], 因此选取研究区内规模较大且与参照物有切割关系的5条断层来计算其水平位移, 代表研究区内走滑断层水平位移的上限。经测量, F0断层分别被F1、F3、F4断层右行错断了490, 335, 550 m, 因此F1、F3、F4断层水平位移量分别为490, 335, 550 m(见图6a— 图6b)。图6c、图6d显示北东向断层F7、F9的水平位移量分别为110, 290 m。对比5条断层的水平位移, 近东西向断层F4规模最大, 水平位移也最大, 为550 m, 北东向断层F7规模最小, 水平位移量也小, 最小为110 m。

垂向断距是断层活动强弱定量分析的一个重要指标[22]。地震剖面上可以看出寒武系的断距大, 同相轴错断明显; 二叠系断距小, 没有明显的错断, 有时仅表现为同相轴的扭动, 如F<