川東北須家河組致密砂巖斷縫系統I：斷層破碎帶的平面分布特征

廖宗湖，陳偉倫，李薇，劉輝，鄒華耀，郝芳

1 中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249

2 中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，青島 266580

*通信作者, zonghuliao@163.com

0 引言

致密砂巖儲層中斷縫系統主要由主干斷層及其所控制的破碎帶組成，其不僅提供了滲流通道，同時也可能提供了儲集空間，因此其空間分布特征往往控制著致密砂巖油氣的分布和富集[1-2]。

斷層破碎帶由斷層核及斷層核周圍的破碎帶組成[3-5]。其中，斷層核由滑動面、斷層泥、碎裂巖、角礫巖等高應變產物組成，一般為較窄的局部滑動帶；破碎帶一般為誘導裂縫發育的巖石，變形強度介于斷層核和圍巖之間。通常，斷層破碎帶的寬度由破碎結構中裂縫頻率的分布定義，裂縫發育的程度一般是隨離斷層核距離的增大而減小(一般呈指數減小)，直到和圍巖的變形特征相一致[3-6]。那么，斷層破碎帶的外邊緣(破碎帶和圍巖的邊界)可以視為裂縫發育程度下降到一定的值(圍巖背景值)的位置。這種方法為定量地識別斷層破碎帶的區域提供了有用的思路，在很多涉及斷層破碎帶的寬度研究當中得到了成功的應用[7-11]。

但是這種基于裂縫密度來量化斷層破碎帶寬度研究方法主要集中于地表露頭的分析，存在幾個明顯的問題：①精確識別破碎帶與圍巖之間的邊界較困難，因為所有的物理性質都是逐漸而不是突然變化的，所以在不同情況下定義破碎帶邊界的標準不同，這種標準受主觀性影響較大[12]。②在統計裂縫密度的時候，大尺度的裂縫直接在野外露頭觀察、而微裂縫通過在顯微鏡下觀察薄片計數。不同研究人員、不同地區對有效裂縫的定義不同，且在統計的過程中難以始終保持一致的標準[12]。③斷裂帶是一個十分復雜的三維破碎帶結構，其寬度在縱向上和橫向上都會發生變化，但是這種基于裂縫密度的量化方式，往往是選擇一條垂直于斷層走向的基線，然后測量其裂縫密度的統計情況。這種量化結果顯然無法表達地下斷裂帶的三維結構形態，滲流特征更難以確定[13]。

本文以四川盆地東北部通南巴馬路背地區為例，提取相關的地震幾何屬性對須家河組二段致密砂巖斷層破碎帶的平面分布進行識別和分析。地震數據本身限于分辨率無法直接識別裂縫，但地震響應反應了斷層破碎帶的總體特征。這個新的分析流程使斷層破碎帶幾何形態的識別和刻畫成為可能，為建立四川盆地致密砂巖地下斷縫系統和相應的油氣富集成藏模式提供了基礎。

1 研究方法

1.1 研究區域

通南巴地區在地理上處于中國四川盆地的北部，其在行政上位于四川省巴中市北部片區。通南巴地區發育一幾乎貫穿全區的呈北東東向走向的大型背斜，稱為通南巴背斜[14-16](圖1)。研究區馬路背地區位于通南巴地區東北部，工區面積約為225 km2(圖1)。通南巴背斜北側緊鄰米倉山逆沖推覆帶，南接四川盆地中部平緩丘陵，西側遠端為龍門山造山帶，東北側緊鄰大巴山弧形前陸沖斷帶。該構造主要受來自米倉山和大巴山多期次(燕山期和喜山期)不同方向(NW和NE向)的構造應力作用影響，其褶皺、斷層、裂縫十分發育[13-16]。通南巴的斷裂系統在剖面上受嘉陵江組膏鹽巖為界，有較明顯的上下分層特征[15-17]。在平面分布上，研究區主要分布NW-SE向平行展列的逆斷層。

通南巴地區在中三疊統雷口坡組末期逐漸發生海退并開始了陸相沉積史，其中上三疊統須家河組二段為本論文的研究層位，以致密砂巖為主，深度在3～4 km之間。須一段在研究區基本不發育，須二段和須四段主要為致密砂巖，須三段和須五段主要為頁巖、泥巖和薄煤層[17]。

1.2 地震屬性模型

在地震解釋中，曲率屬性作為一種用來表征曲面在空間里的彎曲程度的二階導數屬性，可以更有效的識別地震數據上的褶皺、斷層以及裂縫等構造，并對地層產狀的變化十分敏感[18]。當巖層受到應力作用發生彎曲，其彎曲程度越高，則曲率值越高。通常情況下，背斜的曲率值為正、向斜的曲率值為負、單斜和平層均為零曲率(圖2)。而這些曲率高的地區，由于受到較強的應力作用，也極易形成斷層和裂縫。因此曲率屬性可以用來間接揭示這些低于地震分辨率的裂縫。

曲率K值一般用沿x方向的導數形式求解(推導見[18])：

圖1 研究區域(a)地質構造圖和(b)基本地層Fig. 1 (a) Structure map of the study area and (b)stratigraphic column

圖2 褶皺的曲率特征Fig. 2 Curvature characteristics of folds

地震的方差屬性是相干屬性的一種，通過計算地震道波形之間方差來形容道與道之間的差異程度D，以此檢測地下斷層的發育情況[13]。在斷層發育區，構造變形越強烈的地方，相鄰道之間的波形差異越大，方差越高，反之亦然。方差值D的計算方程如下：

本文使用方差屬性確定斷裂錯動的位置和大概破碎區間，通過曲率屬性識別因斷裂形成的強制地層褶曲帶。這些褶皺多數是緊密圍繞斷層，和方差屬性識別的破碎區間一般有一定的重合度，也是斷裂破碎帶重要的識別特征之一。多個典型屬性的相互融合驗證，可以更加準確地刻畫斷層破碎帶。

2 結果與分析

2.1 斷層破碎帶的分布

在對馬路背地區須家河組二段疊后地震資料進行精準的層位追蹤和解釋后，我們分別計算了該工區地震數據的極大、極小曲率屬性和方差屬性，并通過軟件沿追蹤的層位（見圖3黃線）提取相關的屬性疊加于須家河組二段頂面高程圖上，進而分析斷裂帶在須二頂的發育分布特征。

圖3a展示了馬路背地區在須家河組二段北東—南西向的背斜構造，背斜長軸約為18 km，短軸約為12.2 km。圖3b顯示，在過NE向褶皺軸剖面上發育一系列的(北北西向)次級褶皺和斷層。須二地層可見3個次級背斜構造高點和4條具有一定寬度的斷層破碎帶(圖3c)。從該構造圖的整體背斜軸向和疊加在背斜主體上的系列次級褶皺和斷層發育特征可以看出，研究區至少經歷兩次不同方向的構造活動。具體解釋為，研究區在早期(燕山期)主要受到北西—南東向的擠壓形成北東向展布的通南巴背斜主體，晚期(燕山晚期)受到北東向的擠壓形成系列疊加在大背斜主體上的系列北北西向次生褶皺和斷層。

為了更好地分析目標層褶皺和斷層的分布情況，我們提取須家河組二段極大曲率屬性(圖4)和極小曲率屬性(圖5)，并將兩種曲率屬性分別疊加于該地層高程圖上。圖4紅黃色部分表示背斜高部區域，藍綠色部分表示低構造區域。高構造區域的紅黃色總體沿通南巴背斜軸跡NE方向，兩側由紅黃顏色逐步過渡到藍綠顏色，是通南巴背斜構造主體的兩翼。

圖3 穿過褶皺區(a)地震水平切圖、(b)剖面圖及(c)振幅剖面疊加方差屬性圖Fig. 3 The seismic time slice through the main fold (a), pro file along AA’(b), and amplitude pro file co-rendered with seismic variance (c)

在圖4中，紅色部分曲率值為極大值(正曲率，代表背斜或隆起構造)，相應圖5中藍色部分曲率值為極小值(負值，代表向斜或凹陷構造)。由極大極小曲率屬性疊加圖可以明顯識別出伴隨斷層產生的呈明顯條帶狀的褶皺帶，包括逆斷層上盤的背斜，即紅色區域(正曲率構造)，和下盤的向斜，即藍色區域(負曲率構造)。中部馬101、馬103井所處的位置是通南巴背斜高點和次級褶皺曲率極大值重疊的區域。這個區域既有早期(燕山期)通南巴大背斜頂部大量的裂縫(裂縫I)，也有晚期(燕山晚期)次生褶皺頂部的裂縫(裂縫II)。由于兩期受力方向相反，我們認為裂縫I和裂縫II可以形成聯通性良好的正交裂縫網絡。

圖6顯示了沿須家河組二段的方差屬性，這個屬性對斷層破碎帶的識別與分析有重要意義且應用最廣。方差屬性是通過一定的算法檢測并放大相鄰地震道的波形差異來提取斷層等特殊構造的發育信息，經過加權歸一化處理后的方差值的范圍為在0到1之間，方差值越大，地層越不連續，代表斷層破碎帶地質構造越發育。圖中紅色及黑色區域方差值較高，指示斷層破碎帶發育區。通過方差屬性疊合須家河組二段高程圖并結合剖面分析(圖3c)，工區內共發育3條NNW走向貫穿通南巴大背斜的長斷層破碎帶，除此之外在通南巴北翼還發育3條延伸不長但寬度大的斷層破碎帶。在背斜主體的南翼東部也表現出極強的不連續性，結合曲率屬性，該區域地層未發生明顯的錯動，屬于通南巴大背斜褶皺形成的裂縫發育區。

圖4 須家河組二段頂面高程疊加極大曲率屬性圖Fig. 4 Curvature attribute map of maximum curvature attribute co-rendered with elevation of the top of T3x2

圖5 須家河組二段頂面高程疊加極小曲率屬性圖Fig. 5 Curvature attribute map of minimal curvature attribute co-rendered with elevation of the top of T3x2

至此，我們將目的層識別出來的斷層破碎帶分為兩類，一類是在走向上幾乎貫穿全區的一級斷層(F1、F3、F6)，一類是在工區范圍內走向上延伸較短的二級斷層(F2、F4、F5)。需要注意的是，這里對一級斷層和二級斷層的分類只是依據屬性圖上斷層在目的層的走向延伸長度，但是斷層破碎帶發育的規模(比如寬度)還和斷層破碎強度、地層巖性、在縱向上發育的深度、斷層兩盤地層組合等各種情況息息相關，所以這里的分類不代表一級斷層破碎帶的發育規模就一定大于二級斷層破碎帶。

圖6 須家河組二段頂面高程疊加方差屬性圖Fig. 6 Attribute map of variance in the top of T3x2 co-rendered with elevation of the top of T3x2

2.2 斷層破碎帶識別結果綜合分析

通過馬路背地區須二段地層屬性分析(圖4～6)，可以明顯看出目的層為北東—南西向通南巴大背斜構造背景下，發育一系列的北北西向的次生褶皺和斷層破碎帶為主。基于曲率和方差屬性圖(圖4～6)，我們得到了這些斷層破碎帶在三維空間的展布特征(圖7；該圖未解釋每條斷層具體的切穿層位)和相關參數(表1)。斷層走向基本都為為北北東向，但傾向各異：F1為北西西向，F2為南西西向，F3為南西，F4為南西，F5為南西西，F6為南西西向。圖7顯示了F1～F6斷層破碎帶及其相互之間在空間上展布的關系。

通過對振幅剖面的層位標定及上述平面分布特征，對工區內所定位的三個一級斷層進行初步分析認為：①斷層破碎帶向上通至地表，向下于至少到嘉陵江組四五段，可至于志留系地層；②斷層性質全部為高角度逆斷層；③F3和F6斷層兩盤的錯斷距離明顯大于F1，且前兩者破碎帶寬度在剖面上明顯寬于后者。

根據須二段構造等高圖和過井剖面解釋(圖3)，Ma101和Ma103均處于斷塊的高部位(背斜高點)，且周圍都有大斷層破碎帶(F2、F3)。Ma101和Ma103東側F2斷層破碎帶非常發育，且為通源斷裂可斷穿至志留系地層，對其溝通下部海相氣源貢獻極大，斷縫成藏優勢明顯；而其他區域雖也有處于斷塊兩背斜之間的區域，但處于構造低部位，并且離大斷層較遠，斷縫成藏優勢次之。

圖7 研究區須家河組二段頂層斷層(a)平面分布示意圖；(b)AB剖面構造示意圖Fig. 7 (a) The fault distribution plan schematic diagram in the top of T3x2 in study area; (b) The structure schematic diagram of AB section

3 結論與建議

地下斷層破碎帶平面分布的識別對分析致密砂巖斷縫系統的分布情況和結構特征有著重要的意義[19]。本文通過三維地震多屬性分析識別了馬路背地區須家河組二段致密砂巖的構造情況和斷層破碎帶分布，得出如下認識：

表1 馬路背地區須家河組頂層主要斷層基本特征Table 1 Basic characteristics of major faults in the top of T3x2 in Malubei area

(1)通南巴背斜在不同時期受到來自不同方向不同強度應力的綜合作用，形成現今的北東向的背斜主體，并疊加有一系列北西向的次生褶皺和斷層破碎帶。其構造特征整體表現為：東西分段、上下分層。即斷裂—褶皺組合形態多樣復雜。

(2)極大、極小曲率、方差等屬性的融合使用，可以促進對馬路背地區須二地層的斷層破碎帶的分析。

(3)綜合多屬性分析認為，工區范圍內目標層主要發育三條在走向上貫穿通南巴背斜的一級斷層破碎帶(F1、F3、F6)，和三條走向上延伸較短的二級斷層破碎帶(F2、F4、F5)，斷層走向均為北北西向，一級斷層破碎帶在工區范圍內的延伸長度均在10 km以上，二級斷層破碎帶的延伸長度在3～6 km不等，各自破碎帶寬度不同，是該地區的斷縫系統重要組成部分。

(4) Ma101和Ma201均處于多重構造的高部位(背斜高點)，且周圍都有大型的斷層破碎帶(F2、F3)。我們認為F2斷層破碎帶非常發育，又斷穿至志留系頂，在特定時期里起著海相天然氣的通源作用；而其他區域雖也有處于斷塊兩背斜之間的區域，但處于構造低部位，并且離大斷層較遠，斷縫成藏優勢較不明顯。