乌尔逊凹陷反向断层及与油气的关系

应丹琳 潘 懋 李忠权 陈均亮

（1.北京大学 地球与空间科学学院，北京100871；2.中国石油 西南油气田分公司 勘探开发研究院，成都610051；3.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059）

反向断层（antithetic faults）为断层面倾向与岩层倾向相反的阶梯状正断层，又称抬斜断块。大多数油气富集于反向正断层的上升盘断块中，形成多层系油藏的叠合。卡贝雪夫（1971）对世界上14个含油气区的150个区域性单斜层上的构造遮挡油气田作了统计和研究，发现其中处于反向正断层上升盘的有105个，占70%；处于同向正断层下降盘的有37个，占25%。断层面倾向与岩层倾向相反的反向断层是伸展盆地中广泛发育的一类断层，斜坡地带上的反向断层更有利于油气聚集。由于反向断层与油气成藏有着较为密切的关系，近些年来在伸展盆地的油气勘探中越来越受到重视。张之一等[1]（1994）、王鹏等[2]（2004）从运动学成因上将反向断层的形成分为5种；谯汉生等[3]（1999）、张忠涛等[4]（2010）认为反向断层往往能形成良好的上封侧堵型断块圈闭；邹丙方等[5]（1999）、李家康[6]（2001）、王鹏等[2]（2004）、沈华等[7]（2005）认为反向断层控制了油气运移和聚集。

乌尔逊凹陷为海拉尔盆地15个凹陷之一。海拉尔盆地经历了多期强烈断裂变形，形成了一系列与地层倾向相反的反向断层。

1 区域地质背景

海拉尔盆地位于内蒙古自治区呼伦贝尔盟境内，面积为44 210km2。古生界位于华北微大陆与西伯利亚次大陆之间的兴－蒙洋位置上。由于兴－蒙洋不断地后退式消减，原兴－蒙洋内的中间地块和西伯利亚的拼贴而不断地向南增生和扩大[8]。早二叠世末，华北板块和西伯利亚板块碰撞过程中，在欧亚板块中形成了规模宏大的近东西向弧形构造带，海拉尔盆地就位于上述弧形构造带的东翼中段[9，10]。因此，海拉尔盆地为叠置在海西褶皱基底上的中—新生代断陷盆地[11]。海拉尔盆地具有隆拗相间的构造特征，自西向东依次为扎赉诺尔拗陷、嵯岗隆起、贝尔湖拗陷、巴彦山隆起和呼和湖拗陷。乌尔逊凹陷的基底主要为布达特群及海西—印支期花岗岩，凹陷内充填侏罗系、白垩系以及第三系、第四系。白垩系为凹陷内主体沉积，从下至上为：铜钵庙组（K1t）、南屯组（K1n）、大磨拐河组（K1d）、伊敏组（K1y）以及青元岗组（K2qy）。凹陷的发育具有建造与改造交互作用的特点，建造过程中经历了初始张裂阶段、断陷阶段、拗陷阶段和萎缩阶段[12]，同时也经历了南屯组末期张扭变形期、伊敏组末期张扭变形期和青元岗末期反转变形期。乌尔逊凹陷受近南北向的乌西断裂控制，为一典型的西断东超箕状断陷。在铜钵庙组和南屯组沉积时期断层活动量最大，大磨拐河组和伊敏组沉积过程中断裂活动性表现出逐渐减弱的趋势（图1）。

2 乌尔逊凹陷断裂变形特征

海拉尔盆地主要经历了5个形成期（初始张裂期、断陷期、断拗期、拗陷期和萎缩期）和3个改造期（南屯组沉积末张扭变形期、伊敏组沉积末张扭变形期和青元岗组沉积末反转变形期）[12]。海拉尔盆地在5个形成期断裂活动规模大，但数量很少；而3个改造期的断裂活动规模和数量都相对较大。初始张裂期、拗陷期和萎缩期几乎不发育同沉积断层，断陷期乌尔逊凹陷主要发育北东向的乌西控陷断层、北东东向的苏仁诺尔和北西西向的巴彦塔拉转换断层[13]。铜钵庙组沉积时期，火山活动虽然趋于停止，但断裂仍在强烈活动，该期乌尔逊凹陷拉张率为27.36%，侧向拉张量为5.5km；同时发育了乌西基底深大断裂，乌西断裂断面宽缓，水平断距达14km，最大沉积厚度超过2.5km。经过早期强烈拉张之后，南屯组沉积时拉张强度明显减弱，最大沉积厚度在2km内。南屯组沉积时期，断陷结构也与铜钵庙组沉积时期相似，为断陷发育的扩张期。断拗期主要发育近南北向的控凹断层。海拉尔盆地断裂变形主要发生在3个改造期，南屯组沉积末期张扭变形过程中，以北东向和北西向断裂为主；伊敏组沉积末期以近南北向、北北东向、北北西向断裂为主；青元岗组沉积末期在北西－南东向挤压应力作用下，北东、北东东向断层发生反转[13，14]。在地震剖面上南屯组顶面反射T22和伊敏组顶面反射T4为大量断层的终止面，T22和T4上下为2套明显不同的断裂系统（图2）。

图1 海拉尔盆地乌尔逊凹陷综合地质图Fig.1 The comprehensive geologic map in the Wuerxun depression of the Hailaer basin

图2 乌尔逊凹陷乌北地区地震剖面解释图（line 550）Fig.2 The interpretation of the seismic profile in the north region of the Wuerxun depression

图3 乌尔逊凹陷典型剖面伸展率直方图Fig.3 The extensibility histograms of the typical profiles in the Wuerxun depression

从各区域地质剖面的伸展率（图3）分布可以得知，整个乌尔逊凹陷在铜钵庙组、南屯组沉积末期、伊敏组沉积末期以及青元岗组时期均具有较大的变形强度，为断裂的主要活动时期。在不同的沉积时期，不同地区的伸展变形强度有一定差异。在铜钵庙组沉积过程中，乌南和巴彦塔拉地区的伸展强度较大，乌北地区的相对要小，反映盆地初始裂陷阶段主要发生在乌南和巴彦塔拉地区。在南屯组沉积末期，乌北、乌南、巴彦塔拉典型剖面的伸展率和伸展速率均较大，反映乌尔逊凹陷该时期全区发生大规模的断裂变形。大磨拐河组－伊敏组第一段（简称“伊一段”）沉积时期，全区伸展变形强度均较小，反映盆地经过了大磨拐河组时期的断拗转化后进入拗陷的演化阶段。伊敏组沉积末期，全区再一次发生大规模的断裂活动，在断裂张扭变形的作用下使活动的断层发生较大的水平位移，因而具有较大的伸展率。青元岗组时期，反转区域应力场作用使断裂主要发生挤压构造变形；另外，在地层发生褶皱反转过程中，也增加了边界断层的正向滑动位移，部分断层具有伸展位移量。

3 反向断层的分类及分布特征

反向断层为断层面倾向与岩层倾向相反的阶梯状正断层，又称抬斜断块。断层面倾向与岩层倾向相反的反向断层是伸展盆地中广泛发育的一类断层，与油气成藏有着较为密切的关系。夹持在反向正断层之间的断块称抬斜断块（或掀斜断块、翘倾断块）。反向正断层的上升盘由于断层面和上升盘岩层的倾向相反，因而上升盘地层在断面附近形成具有良好圈闭条件的高部位。由于这种圈闭在剖面上形似“屋脊”，因此常称为“屋脊断块”。

海拉尔盆地乌尔逊凹陷经历了早期（铜钵庙组沉积时期）的断裂活动、中期（南屯组沉积末期）强烈的断裂变形和晚期（伊敏组沉积末期）强烈的断裂变形，形成一系列与地层倾向相反的反向断层。根据不同时期断裂活动及叠加特征，将乌尔逊凹陷反向断层分为6种：早期（K1t）、早中晚期（K1t＋ K1n＋ K1y）、早中期（K1t＋ K1n）、中期（K1n）、中晚期（K1n＋ K1y）、晚期（K1y）反向断层（图4）。

早期（K1t）反向断层在铜钵庙组沉积时期发育。从剖面上可以看到，该类断层一般断穿基底，终止于T3地震反射层。在乌尔逊凹陷该类反向断层数量和规模较小，在平面上，早期反向断层主要分布在乌南地区。

早中晚期（K1t＋K1n＋ K1y）反向断层在铜钵庙组沉积时期发育，南屯组沉积末期和伊敏组沉积末期再次活动。从剖面上可以看到，南屯组下伏地层断距明显大于上部地层断距，即铜钵庙组第一段的断距大于铜钵庙组第二段，铜钵庙组第二段断距又大于南屯组断距，这说明该反向断层在早期活动；铜钵庙组第二段的断距大于南屯组的断距，说明该断层在中期再次活动。伊敏组第二、第三段（简称“伊二三段”）断距明显大于伊一段断距，伊一段断距又大于大磨拐河组的断距，浅层断距向下变小的特征说明该反向断层在伊敏组沉积末期再次活动，所以该类断层为早中晚期反向断裂系统。在平面上，早中晚期反向断层主要分布在东北部及东南部，在乌北的苏29、海参4及乌南的乌40井附近。

早中期（K1t＋K1n）反向断层为铜钵庙组沉积时期形成，南屯组沉积末期再次活动。从剖面上可以看到，铜钵庙组断距明显大于南屯组，即铜钵庙组沉积时断层活动，所以该类断层属于早中期反向断裂系统。在平面上早中期断裂主要分布在乌北的北部及乌南的东南部。

图4 乌尔逊凹陷反向断层地震剖面解释图（乌南line475）Fig.4 The interpretation of the seismic profile on the antithetic faults in the Wuerxun depression

中期（K1n）反向断层为南屯组沉积末期形成。从剖面上可以看到，下伏地层的断距与南屯组的断距基本相同或者南屯组的断距明显大于下伏地层的断距，这一类断层属于中期反向断层。由于南屯组沉积末期断裂变形强烈，该类断层最为发育，数量最多。在平面上分布范围比较广，乌北地区广泛发育，在乌南地区主要在东南部的乌53井与乌59井之间呈条带状分布。

中晚期（K1t＋K1y）反向断层为南屯组沉积末期形成，伊敏组沉积末期再次活动。从剖面上可以看到，南屯组的断距大于下伏地层的断距，并且大磨拐河组沉积时期断层活动微弱，说明断层形成于南屯组沉积末期；伊二三段的断距大于伊一段，也明显大于大磨拐河组的断距，说明此断层在伊敏组沉积末期再次活动：所以该类断层属于中晚期反向断裂系统。在平面上，中晚期反向断层主要在乌南的东南部比较发育，乌北基本不发育。

晚期（K1y）反向断层为伊敏组沉积末期形成。从剖面上可以看到，下伏地层的断距明显变小或者与伊二三段的断距基本相同，所以此类断层只在晚期才活动，属于晚期反向断裂系统。在平面上晚期反向断层在乌北地区很少发育，在乌南地区主要分布在东南部（图5－A，B）。大磨拐河组只发育晚期型和早中晚期型反向断层，晚期型为主（图5－C）。

4 乌尔逊凹陷反向断层对油气的控制作用

图5 乌尔逊凹陷反向断层与油气关系图Fig.5 The charts of the relationships between antithetic fault and hydrocarbon of the Wuerxun depression

通过乌尔逊凹陷的沉积埋藏史和热史分析，可以确定出乌尔逊凹陷的油气充注成藏的时间分别为125～110Ma B.P.和90～100Ma B.P.，即伊敏组沉积早期和伊敏组沉积晚期，并以伊敏组沉积晚期的充注为主[15]。海拉尔盆地乌尔逊凹陷反向断层形成于铜钵庙组沉积时期、南屯组沉积末期和伊敏组沉积末期，因此，早期（铜钵庙组沉积时期和南屯组沉积末期）及同期（伊敏组沉积末期）形成的反向断块更有利于油气运聚。由于反向正断层面和上升盘岩层的倾向相反，因而上升盘地层在断面附近形成具有良好圈闭条件的高部位。正断层的封闭性主要受断层两侧的岩性组合关系制约，两侧都为非渗透性岩层时断层起封闭作用，否则地层流体压力很容易超过断层破碎带压力而形成泄流带，地层流体也可能越过断层破碎带继续沿储集层向上倾方向运移。大套的上细下粗的储盖组合特点决定了在断层倾向与断块地层倾向相反时（即反向断层），由于上升盘南屯组粗碎屑与下降盘的大磨拐河组泥岩对置，同时，下降盘的大磨拐河组泥岩在断层活动时也易于形成高封堵性的断层泥，直接与南屯组储集层接合，因此，反向断层上升盘储集层能够形成良好的上封侧堵型断块圈闭；而断层与地层倾向相同时，上升盘不易聚集油气，往往为油气沿斜坡运移的通道，下降盘南屯组粗碎屑与上升盘的铜钵庙组粗碎屑对置，同时断层两岩盘相互错动时为粗碎屑间的滑动，也不易形成高封堵性的断层泥，则不能形成侧堵型断块圈闭。反向正断层发育在斜坡地带，与生油洼陷相邻，当深凹陷的油气由凹陷中央向斜坡运移时，反向正断层则首先获得油气；其次当反向断层开启时，可作为油气运移通道；若断层是封闭的，可以对油气起到聚集的效果。反向正断层对油气聚集的影响主要有3个方面：控制油气聚集程度、控制油气聚集层位、控制油气聚集部位。乌南地区乌112－102井所在的反向断层上升盘铜钵庙组油藏发育就说明了这一特点（图6）。

海拉尔盆地现今的油气勘探表明，乌尔逊凹陷的油气分布受反向断层的控制。铜钵庙组油层组的乌33井区位于反向断层的上升盘，油田东侧边界为早中晚期型反向断层，乌27井区西北侧和西侧边界均为反向断层，乌27井区东侧边界为顺倾断层，从地震剖面上可以看出乌27井区直接受控于东西两侧对倾断层所形成的滑脱构造。在乌北铜钵庙组油层组发现了苏1井区油田和苏6井区气田，苏1井区的南侧和东侧均以反向断层为边界，其中苏1井区的南侧反向断层为早中晚期型，苏6井区气田东侧以北北东向的反向断层为边界。苏1井区油田和苏6井区气田均位于反向断层的上升盘。苏1井区南侧北东东向的苏仁诺尔反向断层与乌尔逊凹陷北北东向和北东向的反向断层在剖面上表现形式不同，苏仁诺尔断层只是相对下盘而言为反向断层，即上升盘的地层倾向与苏仁诺尔断层面倾向相反，而下降盘地层倾向与断面倾向相同。北东向和北北东向大部分断层无论是上盘地层倾向，还是下盘地层倾向，均与断层面倾向相反（图5－A）。

南屯组油气田同样受反向断层的控制，如乌北苏1井区油田和苏11井区油田以及苏302井区气田均位于反向断层的上升盘，其中苏1井区的南侧反向断层为早中晚期型。乌南乌134－85井区和乌51井区油田均位于早中晚期型反向断层的上升盘（图5－B）。大磨拐河组油气受反向断层的控制作用较明显，如乌北有7口获得工业油流探井，苏1、苏29－45、苏17、苏6、乌8和苏3井位于反向断层的上升盘，只有1口探井与反向断层无关，乌5井获得工业油流探井，乌16、乌32和乌39－1井位于反向断层的上升盘，1口探井位于反向断层的下降盘（图5－C）。

图6 乌112－88—乌112－96—乌112－102—乌120－108井铜钵庙组油藏剖面图Fig.6 Reservoir section map of Tongbomiao Formation

5 结论

a.乌尔逊凹陷反向断层按断裂活动期次可分为：早晚期、早中晚期、早中期、晚期、中晚期、中期6种类型。

b.乌尔逊凹陷的反向断层控制了油气运移与聚集，反向断层的上升盘所形成的圈闭最有利于捕获油气，可作为重点勘探目标。

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