臨南地區扭張構造形成機制及其控藏作用

王東曄

（中國石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東東營 257015）

形成于區域伸展背景的陸相斷陷盆地是中國東部最具代表性的含油氣盆地，盆地伸展拉張過程中往往伴隨著不同程度的走滑運動，“張”與“扭”的相對強弱決定了斷陷盆地的油氣分布，走滑作用和扭張構造的研究成為近年來中國東部斷陷盆地研究的重要領域［1-3］。臨南地區位于渤海灣盆地濟陽坳陷惠民凹陷的西南部，勘探面積約為1 800 km2，已發現臨盤、商河、玉皇廟、臨南、曲堤和江家店等6個油田，是勝利油區重要的增儲陣地。臨南地區是中國東部一個典型的扭張型斷陷盆地，發育臨商、夏口兩大帚狀斷裂體系，整個地區具有構造扭張、分割性強、多物源體系的特點，平面上臨商和夏口2個扭張構造呈共軛菱形分布，中間夾持研究區主要的生油洼陷——臨南洼陷［4-8］。從目前的勘探發現來看，臨南地區已探明的石油地質儲量多富集在扭張構造帶上，油氣分布明顯受扭張構造系統控制。以往對臨南地區的研究主要集中在斷層的發育特征及其對油氣成藏的控制作用方面，往往將拉張和走滑割裂開來考慮，針對拉張斷層發育特征及控藏作用闡述較多，對走滑構造發育偏重宏觀認識總結，而對扭張構造形成機制、扭張活動的定量研究、扭張控砂及控藏作用等方面涉及相對較少，缺乏系統認識，成為制約臨南地區下一步油氣勘探的關鍵問題。筆者通過對臨南地區扭張構造進行系統研究，揭示了扭張構造形成機制，建立了扭張構造定量表征方法，明確了扭張構造對儲層發育和油氣成藏的控制作用，以期為該區下步勘探方向優選提供支撐。

1 扭張構造形成機制

1.1 扭張構造特征

臨南地區具有復雜的地質結構和獨特的構造樣式，且前古近紀斷陷期與古近紀的地質結構和構造特征迥異［9-10］。研究區剖面上多為大型半地塹盆地背景上疊合多個復雜的壘塹結構，平面上不同地質體存在不同變形方式，表現為張性或扭性，構造樣式多發育以帚狀為特色的扭張斷裂系統，沿拉張方向延伸的構造調節斷層大量發育。依據應力場“扭、張”性質不同，可以劃分為扭張構造發育區、弱扭張構造發育區和拉張構造發育區（圖1）。

扭張構造發育區 主要受2 條主控斷層夾持，但斷層差異性活動造成主控斷層下降盤塊體差異性活動，或在同一主控斷層的走向轉折處產生扭動構造脊和扭動溝槽。扭張構造發育區構造樣式表現為中間多發育花狀構造，兩側為斷階帶，且斷層傾向方向相反，走向上中間發育近南北走滑調節斷層，兩側為近東西向雁列分布的拉張斷層。

弱扭張構造發育區 主要表現在臨商和夏口兩大主干斷裂的各自撒開端，臨商斷層向東撒開，夏口斷層向西撒開，這些區域是“扭”動力的釋放處，撒開端方向由“扭”向“張”過渡。構造樣式為多級主控斷裂共存，主控斷裂為平行式東西走向，呈階梯式，次級斷裂為平行式南北走向，二者呈棋盤狀疊合。

拉張構造發育區 主要表現在走向近東西或北東東向的主控斷層下降盤一側，與區域拉張應力場相垂直，斷層以拉張為主，在斷層下降盤一側產生調節斷層。該構造發育區的構造樣式以Y字型或多級Y 字型剖面組合樣式為主，次級斷層走向與主斷層近平行或小角度相交，次級斷層之間呈近東西向平行展布。

圖1 臨南地區不同構造發育區平面分布及剖面構造樣式Fig.1 Plane distribution and sections of different tectonic structures in Linnan area

1.2 扭張構造成因

斷陷盆地形成之前，多存在一系列基底斷層，這些基底斷層是地殼內的薄弱帶，在古近紀斷陷盆地發育期的南北向拉張區域伸展背景下，優勢走向的基底斷層首先復活，從而影響盆地內的斷裂系統及相應的沉降與沉積格局［11-12］。通過區域動力學背景、基底結構、扭張構造樣式、物理及數值模擬等研究認為，臨南地區形成于伸展性動力學背景下的斜向拉伸運動，由于復活的基底斷層走向斜交于區域拉伸方向，從而使斷裂表現出走滑與正斷2 種性質的運動特征（圖2）。前古近紀發育北北東、北東東與北西向3 組基底斷層，其中北北東向左行平移斷層形成于晚侏羅世，北東東向基底斷層是北北東向左行平移斷層旁側派生的逆沖斷層，北西向基底斷層形成于中三疊世印支期。通過周邊盆地實測正斷層擦痕和反演的應力場結果表明，古近紀為近南北向的區域伸展應力狀態，這些基底斷層與區域應力方向斜交，在古近紀復活過程中處于斜向拉張狀態而呈扭張性活動，同時北東東向斷層呈現出連續斷開或雁列正斷等顯著特征，是基底斷層復活的典型模式，處于這些復活基底斷層之間的近南北向斷層多屬于調節斷層或變換斷層。

2 扭張構造定量表征

區域拉張方向的準確確定和基底斷裂的精細解析是扭張構造定量表征尤其是走滑運動評價是否準確的前提。運用新生張性正斷層伸展方向、調節斷層走向、露頭區正斷層擦痕應力場反演、實測地應力等方法，可以確定區域拉張方向；運用三維地震資料構造解析、伴生和派生斷層分布特征分析，進而可以確定基底斷層分布。

扭張構造的運動學特征主要表現為三維運動，即水平伸展、垂向塊斷運動和側向走滑運動，三者在扭張構造活動中是相伴而生的，前人很少將三者作為有機整體來開展定量研究。筆者基于扭張作用的三維運動，建立了相應的定量表征方法：一是運用構造平衡剖面技術定量表征伸展量和伸展率；二是利用斷層生長指數、古落差、斷層活動速率等參數表征垂向塊斷運動的強弱；三是通過斷面視傾角（α）、斷層走向與拉張方向夾角（θ）和古落差（h）等參數求取走向滑距，定量表征走滑運動強弱（走滑量為古落差與斷面視傾角的余切、斷層走向與拉張方向夾角的正弦三者的乘積）。

通過定量計算水平伸展率、斷層古落差、走滑量等參數，明確了臨南地區不同時期扭張構造的發育演化特征。臨南地區伸展率時空上均具有明顯波狀變化的特征，其變化與扭張強弱和構造轉換有關；垂向運動表現為不同地質單元顯著的差異升降運動，控制多凸多洼的構造格局、古地貌背景、多物源沉積體系和儲層差異性發育；走滑伴隨著整個斷陷盆地發育期，走滑運動呈波狀變化，強走滑作用對應臨南洼陷主裂陷期；臨南地區走滑運動強烈，但仍以拉張作用占主導。通過計算走滑量/斷層古落差，可以表征不同時期扭張活動的相對強弱，研究區扭張活動強度最大接近1，平均約為0.4（圖3）。

3 扭張構造對儲層發育的控制作用

圖2 臨南地區典型帚狀斷裂體系構造物理模擬和數值模擬Fig.2 Physical and numerical simulation of typical broom-shaped fault system in Linnan area

圖3 臨南地區典型斷裂走滑量/斷層古落差變化Fig.3 Strike slip/paleo-drop variation of typical faults in Linnan area

扭張斷裂活動對儲層發育具有明顯的控制作用，扭張作用形成的強分割、差異沉降的古地貌背景決定了多物源體系的沉積成巖差異性。扭張作用下斷裂幕式活動的時空差異性控制了地質結構演化與多旋回、多物源沉積體系分布，同沉積斷裂的扭張性質影響物源入湖方式，扭性較強的同沉積斷裂控制斜列式沉積體系入湖，張性同沉積斷裂控制直列式的沉積充填。扭張盆地層序充填與斷裂幕式活動密切相關，邊界斷裂不同周期的幕式活動控制不同級別的層序發育，每一個幕式活動周期內，斷層的生長速率變化控制基準面旋回的周期性，從而影響砂體的發育和分布。受邊界斷層、扭張應力場的影響，臨商、夏口帚狀斷裂體系存在很大的不同。根據斷層性質和古沉積坡度，可劃分為3 類斜坡控砂模式，相應的沉積相類型由弱進積三角洲向強進積三角洲過渡（圖4）。

穩定沉降緩坡模式 主要發育在帚狀扭張構造撒開端，以雙豐三角洲體系為代表。斷層活動相對較弱，地形坡度較小，淺水區域較廣，控砂機制表現為基準面頻繁震蕩控制砂體分布。三角洲進積作用較弱，平原相發育，巖性組合以薄砂、薄泥頻繁互層為主，可形成大量“斷層切香腸”式的河道砂巖性-構造圈閉和“斷層+砂體側向尖滅”的河口壩構造-巖性圈閉。

同沉積斷坡模式 主要發育在帚狀扭張構造收斂端，以江家店—瓦屋體系為代表。有一條或多條持續活動的大型同沉積斷層控制沉積坡折和湖岸線，控砂機制表現為同生坡折控制砂體分布，三角洲進積作用較強，斷坡控制三角洲前緣砂體發育，巖性總體呈厚砂、薄泥的交互組合，隱蔽圈閉以“斷層+砂體側向尖滅”的河口壩構造-巖性圈閉為主。

持續遷移下陷緩坡模式 主要發育在同沉積斷裂帶控制的側向持續下陷區，以盤河—基山體系為代表。湖水相對較深，斷裂帶差異活動導致的可容空間持續側向遷移控制了砂體展布，三角洲多期進積過程中伴隨較強的側積遷移作用，巖性總體呈厚砂、厚泥、多旋回交互組合，可形成多個砂體側向尖滅帶，以發育大型斷層-巖性圈閉為典型特征。

4 扭張構造對油氣成藏的控制作用

4.1 斷裂帶結構模式

隨著斷裂規模、走滑強度、埋藏深度的增大，斷裂帶結構越來越復雜［13-14］。按照走滑活動強弱，斷裂帶結構可劃分為4類：①三元型結構模式，以發育上、下盤誘導裂縫帶、滑動破碎帶（斷層泥）為特征；②二元型結構模式，以發育上、下盤誘導裂縫帶為特征，滑動破碎帶不發育；③一元型結構模式，主要發育單一盤誘導裂縫帶，滑動破碎帶與另一盤誘導裂縫帶不發育；④無結構型，僅可識別出斷點，誘導裂縫帶和滑動破碎帶均不發育（圖5）。

斷裂帶結構差異性主要受扭張斷裂活動強度影響，臨南地區三元型結構的斷裂主要為走滑活動較強的一、二級斷裂，主要發育在扭張強度大、走滑量大于40 m 的區域，二元型和一元型結構的斷層主要為走滑活動強度中等的三、四級斷層，四級以下的“毛毛”斷層多為無結構型斷層（圖6）。此外，大斷層深層結構大多數發育比較完整，淺層結構則相對簡單。

4.2 油氣藏分布序列

圖4 不同扭張構造斜坡控砂模式Fig.4 Slope sand control modes of different transtensional structures

圖5 不同斷裂帶結構模式Fig.5 Internal structural patterns of different fault zones

臨南地區油氣平面上呈環帶狀分布，從洼陷中心向外，依次可分出內環帶（洼陷帶江家店巖性油藏分布區）、中環帶（臨商扭張斷裂帶及夏口扭張斷裂帶構造油藏環帶、構造-巖性油藏環帶）和外環帶（曲堤斷階巖性-構造油藏、地層油藏環帶）。臨南地區已發現的油氣儲量以構造油藏占絕大部分，其次是構造-巖性油藏［15-18］。構造油藏中又以斷塊類油 藏為主，含油斷塊寬度平均為436 m，最大為1 031 m，各砂組油水間互，均具有獨立的油水界面。自洼陷帶向北部、南部扭張斷裂帶，油藏類型、儲層特征呈現有規律的變化，油藏空間分布呈現一定的序列［19-21］。洼陷帶以席狀砂、濁積巖等構成的巖性油氣藏為主，扭張斷裂帶為三角洲前緣分流河道、河口壩等構成的構造油氣藏和構造-巖性油氣藏，向南過渡到曲堤地壘，發育地層不整合油氣藏。

圖6 斷裂帶結構類型與走滑量、埋深的關系Fig.6 Relationships of internal structures of fault zones with strike slip and buried depth

4.3 油氣差異富集模式

油氣富集成藏主要受斷層輸導與封閉的耦合作用所控制［22-26］。臨南地區扭張斷裂性質、形態、結構、活動強度、期次與油氣成藏富集密切相關，斷裂帶結構差異性影響了斷層輸導性能，具有三元型、二元型結構的斷裂帶，斷層泥及誘導裂縫帶發育，側向封閉性好，垂向輸導能力強；具有一元型或無結構型的斷裂帶，斷層泥及誘導裂縫帶不發育，垂向封閉性好，側向輸導能力強。根據夏503 井巖心觀察，沙三段下亞段3 372.00～3 402.83 m，進尺為30.83 m，心長為30.71 m，收獲率為99.6%，斷面深度約為3 401.6 m，斷面結構特征十分明顯，斷層泥厚度約為0.6 m。從巖心的掃描電鏡分析發現，斷層泥的方解石、白云石、重晶石等呈網狀分布，正是由于這個原因堵塞了孔隙，并造成喉道顯著變小，喉道半徑、滲透率約降低1個數量級，巖石排驅壓力顯著增大，此外從測井響應特征上看，相比較正常砂巖，斷層泥自然電位幅度變小，聲波時差變小，反映物性變差。由于斷層泥與正常儲層間存在較大排驅壓力差異，從而能封堵一定高度的油藏。通過理論計算表明，斷層泥可封堵約40 m 左右的油柱高度，這同臨南地區廣泛發育的“窄油條、短毛牙刷式”的油氣藏相符合，同時也可解釋一些砂地比高達70%地區斷層封堵成藏的現象。

扭張斷裂活動強度越大，活動時間持續越長，斷裂活動結束時間越晚，油氣運移通道越通暢，與之相關圈閉的含油層系越多。受不同扭張構造發育帶的影響，在不同構造部位油氣聚集成藏有明顯的差異性。通過深入研究臨南地區不同構造單元油氣分布特征及成藏要素配置關系，認為扭張構造與烴源巖發育差異造成不同地區生烴和資源潛力“貧富不均”［27-29］。在扭張構造發育區，主要位于臨南地區中央高砂地比的扭張斷裂帶，主干扭張斷層直接溝通油源，活動持續時間長，分支斷層構成垂向輸導網絡，斷裂帶結構以三元型、二元型為主，油氣垂向運移通暢，側向可形成斷層泥封堵，油氣沿多級斷裂垂向運移，油氣運移動力與封閉層毛管壓力之間達到動態平衡而形成油氣聚集，主要形成多層系富集的層狀斷塊油藏，含油層系多、油氣豐度高，從深層到淺層呈“多層樓”含油（圖7）。在弱扭張構造發育帶，主要位于臨南地區的斜坡部位，斷裂帶多為二元型和一元型結構，垂向輸導能力相對較差，油氣沿階梯狀斷層和骨架砂體側向運移為主，在運移路徑上的地層、構造等類型圈閉聚集成藏。臨南地區洼陷帶扭張構造基本不發育，三角洲砂體包裹于深湖相成熟烴源巖之中，洼陷帶沙三段壓力系數為1.1～1.5，異常壓力的存在成為成藏期主要油氣運聚動力，油氣富集受烴源巖超壓和有效儲層的控制，主要形成自生自儲型巖性油藏，高壓區可形成大面積疊合連片的巖性油藏。

圖7 扭張斷裂帶結構及動態平衡成藏模式Fig.7 Structure of transtensional fault zone and dynamic equilibrium mode of accumulation

5 結論

臨南地區發育以“帚狀”為特色的扭張斷裂系統，依據應力場“扭、張”性質不同，可以劃分為扭張構造發育區、弱扭張構造發育區和拉張構造發育區。基于研究區基底結構、扭張構造樣式、物理及數值模擬等，認為臨南地區由于復活的基底斷層走向斜交于區域拉伸方向，從而形成扭張構造體系。通過計算走滑量/斷層古落差，明確了孔店組—平原組不同沉積時期扭張構造活動強弱，最大接近1，平均為0.4。

根據斷層性質和古沉積坡度，劃分為3 種斜坡控砂模式，控制形成不同的圈閉類型，穩定沉降緩坡主要發育河道砂巖性-構造圈閉和河口壩構造-巖性圈閉，同沉積斷坡主要發育河口壩構造-巖性圈閉，持續遷移下陷緩坡主要發育大型斷層-巖性圈閉。

自洼陷帶向北部、南部扭張斷裂帶，油藏呈現有序分布規律，基于斷裂帶結構模式，建立了扭張斷裂帶動態平衡成藏、斜坡帶側向運聚成藏、洼陷帶自生自儲成藏等不同構造單元油氣差異成藏模式。