定量评价同生逆断层及其伴生褶皱活动性——以准噶尔盆地西北缘湖湾区为例

夏钦禹 ，吴胜和，冯文杰

（1.中国石油 勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石油大学 地球科学学院，北京 102249；3.长江大学 地球科学学院，武汉 430100）

同生断层，即同沉积断层，一直以来受到构造学家及沉积学家的广泛关注。与拉张性的同生正断层不同，同生逆断层通常发育于挤压盆地边缘，逆断层自身俯冲及伴生的褶皱构造形变影响可容空间的大小，因而对盆地边缘沉积具有较强的控制作用[1-7]。目前，国内外学者普遍认为同生断层的活动强度影响沉积物的沉积速率及分布[8-10]。针对同生正断层，国内外众多学者采用不同的方法开展了断层活动性研究[11-28]，但对于上升盘遭受剥蚀的同生逆断层，特别是其伴生褶皱构造的活动性研究前人涉及较少。因此，本文以准噶尔盆地西北缘湖湾区三叠系克拉玛依组同生逆断层及其伴生褶皱构造为例，利用地震及密井网资料，采用不同的方法评价了同生逆断层及其伴生褶皱的活动强度，分析了二者活动强度的相关性，为同生逆断层及其伴生褶皱活动性的评价提供了思路。

1 地质概况

准噶尔盆地西北缘为典型的挤压型盆地边缘，湖湾区位于盆地西北缘克百断裂带西段，呈条带状分布于加依尔山东部（图1）。研究区断层十分发育，根据断层的断距大小以及断层对沉积体的控制作用等，可将准噶尔盆地西北缘湖湾区断层划分为4个级别（表1）。

图1 准噶尔盆地西北缘研究区位置与断层分布情况

目的层三叠系克拉玛依组可细分为克上亚组和克下亚组2个油组。克下亚组自下而上分为2个砂组：S7砂组（包括小层小层、小层和小层）和S6砂组。克上亚组自下而上分为5个砂组：S5砂组、S4砂组、S3砂组、S2砂组和S1砂组。

2 同生逆断层活动性分析

同生断层是在沉积物沉积的同时发育的断层，并导致上升盘可容空间远小于下降盘，继而影响沉积体系及砂体展布。目前，研究同生断层活动性的方法较多，主要包括生长指数、断层落差、古滑距、断层落差—深度图、断层活动速率、断层位移—长度关系分析等方法。每种方法均存在优点和缺点，其适用性需要结合研究区实际情况具体分析。

由于本次研究以砂组（小层）为单位分析各时期断层的活动强度，而各砂组（小层）沉积的时间跨度数据难以获得且精度较低，因此难以使用断层活动速率法分析断层活动强度；断层落差—深度图定量化不够；生长指数计算结果虽然受上升盘地层剥蚀作用的影响，但本次研究首先确定了上升盘地层剥蚀厚度，根据恢复的原始地层厚度计算断层生长指数，克服了这一缺陷；而断层落差与滑距差异不大。

因此，本文对研究区内4条主要同生逆断层的地层厚度和断层落差进行统计，综合运用生长指数法和断层落差法来分析研究区内主要同生逆断层的活动时期和活动强度，验证生长指数法分析结果的准确性。

表1 准噶尔盆地西北缘湖湾区主要断裂要素统计

2.1 生长指数分析

Thorsen在1963年首次提出断层生长指数的概念，此后生长指数在国内外的生长断层研究中广泛应用并取得了成功，直至今日仍在运用该方法分析生长断层的活动性。不同学者对生长指数具体含义的理解不同。本文定义的生长指数为下降盘地层厚度与上升盘地层厚度的比值。

针对生长指数法计算断层活动性的研究现状和局限性，考虑到研究区同生逆断层上盘克上亚组存在地层剥蚀，现今厚度不能反映原始断层活动性。本文通过地层剥蚀厚度恢复得到原始地层厚度后，选取研究区内近垂直断层走向的15条连井剖面，统计130口井上4条主要同生逆断层上、下盘地层厚度，并利用生长指数计算同生断层活动性。

（1）克拉玛依断层 克拉玛依断层为控制盆地沉积的一级同生逆断层。在克拉玛依组不同砂组沉积时期，其生长指数远大于其他3条三级和四级同生逆断层。最大生长指数为2.40，对应于S4砂组沉积时期；最小生长指数为1.40，对应于S6砂组沉积时期。克拉玛依断层在克上亚组各砂组沉积时期的生长指数均大于克下亚组各砂组，表明克上亚组沉积时期活动强度整体上大于克下亚组。

（2）北黑油山断层 北黑油山断层为克拉玛依断层上盘的一条三级同生逆断层。断层生长指数远小于克拉玛依断层。在克拉玛依组不同砂组沉积时期，其生长指数相差不大，最大生长指数仅为1.30，最小生长指数约为1.15，反映北黑油山断层在克拉玛依组沉积时期整体活动性较弱且较稳定，克下亚组沉积时期其生长指数较克上亚组略大。

（3）南黑油山断层 南黑油山断层同样为克拉玛依断层上盘一条三级同生逆断层，其最大生长指数为1.30，最小生长指数接近1.00，整体活动强度较弱，且克上亚组和克下亚组沉积时期差异较小。

（4）3034断层 相较于北黑油山断层和南黑油山断层，3034断层位于克拉玛依断层以及北黑油山断层上盘，距克拉玛依断层较远，为一条四级断层，整体上对沉积的控制作用不大。由于克下亚组沉积时期3034断层附近为构造高部位，未能接受沉积。从其他砂组生长指数统计结果可以看出，3034断层最大生长指数接近1.10，大部分时期生长指数接近1.00，断层活动强度很弱。

纵观各断层各砂组生长指数可以看出，生长指数反映的断层活动强度与断层级次具有较好一致性。各砂组沉积时期，一级同生逆断层克拉玛依断层的活动强度远大于三级和四级同生逆断层（图2）。一级同生逆断层平均生长指数大于2.00，三级同生逆断层平均生长指数为1.20，四级同生逆断层生长指数为1.00～1.10.

图2 准噶尔盆地西北缘湖湾区主要同生逆断层在克拉玛依组各砂组沉积时期生长指数直方分布

2.2 断层落差分析

由于利用生长指数计算断层活动强度存在一定局限性，本文还采用断层落差法来辅助计算断层各时期的活动强度。所谓生长断层的落差指的是在垂直于断层走向的剖面上，断层两盘对应层位间的铅直距离，并可用同一地质历史时期下降盘厚度与上升盘厚度之差来表示。

在上盘地层存在剥蚀而无法确定原始沉积厚度的情况下，下降盘地层厚度就是该时期的落差。克拉玛依断层落差最大，最大可达24.0 m；3034断层落差最小，最大仅为1.3 m（图3）。总体来看，生长指数计算结果与断层落差统计结果一致，二者相关性较好，因此，综合生长指数法和断层落差法得到的同生逆断层活动强度可靠程度较高（图4）。

图3 准噶尔盆地西北缘湖湾区主要同生逆断层克拉玛依组断层落差直方分布

图4 准噶尔盆地西北缘湖湾区同生逆断层落差与生长指数交会图

3 伴生褶皱活动性分析

同生逆断层的伴生褶皱位于断层上盘，是由于在地层沉积过程中受到侧向挤压作用而形成的具有弯曲形态的背斜状隆起构造。伴生褶皱活动的结果是导致褶皱顶部和翼部构造抬升幅度的明显差异。依据沉积补偿原理，构造低部位沉积厚度大于构造高部位沉积厚度。因此，伴生褶皱活动作用的间接体现就是顶部与翼部原始沉积地层厚度的厚薄差异，这也是识别伴生褶皱的主要依据。

本文选择以砂组（小层）为单位恢复各时期伴生褶皱的活动强度，既保证了伴生褶皱活动强度恢复的精度，也合理地划分了伴生褶皱的活动时期。研究区克下亚组为连续沉积，地层厚度完整，能够反映各时期伴生褶皱活动强度。而克上亚组沉积时期，湖湾区东北部存在不同程度的剥蚀作用，有的砂组完全被剥蚀，有的则部分剥蚀残留一定厚度，因此现今地层厚度不能反映真实的伴生褶皱活动强度，必须对地层剥蚀量进行恢复。基于此，本文选取湖湾区东北部典型伴生褶皱为目标区，通过恢复克上亚组地层剥蚀厚度得到克上亚组原始沉积地层厚度，根据伴生褶皱翼部与顶部地层厚度差值确定伴生褶皱抬升幅度，并通过伴生褶皱顶部地层厚度与翼部地层厚度的比值确定伴生褶皱相对活动强度。

3.1 地层剥蚀量恢复

剥蚀厚度恢复是盆地定量分析的基本问题之一，很多地质工作者进行了深入的研究。目前，地层剥蚀厚度的恢复方法较多，常用的方法包括：参考层厚度变化率法、泥岩声波时差法、地震剖面直接追踪法、流体包裹体法等。但是现有方法都有一定的使用条件和局限性，各具优缺点[29-31]。

研究区被剥蚀地层上覆地层厚度远大于剥蚀厚度，原始沉积规律被改造，因此无法使用声波时差法、镜质体反射率法等。同时，由于各砂组厚度较小，地震剖面追踪难度较大，无法使用地震剖面直接追踪法[32-36]。考虑到研究区井数较多，井资料十分丰富，本次研究采用参考层厚度变化率法和邻层厚度比值法两种方法相结合来恢复地层剥蚀厚度[37]（图5）。

图5 参考层厚度变化率法与邻层厚度比值法示意图

参考层厚度变化率法计算剥蚀厚度公式：

式中 hA——A点地层厚度，m；

hA0，hB0，hC0——分别为A点、B点和C点参考层厚度，m；

hB——B点剥蚀层原始厚度，m；

——B点剥蚀层现今残留厚度，m；

hBE——B点剥蚀厚度，m；

LAB——A点与B点间距离，m；

LAC——A点与C点间距离，m；

RAB——A点与B点间地层厚度变化率；

RAC——A点与C点间地层厚度变化率。

邻层厚度比值法计算剥蚀厚度公式：

本次研究通过研究区内50条连井地层对比剖面，对准噶尔盆地西北缘湖湾区近200口井的克上亚组进行了剥蚀量的恢复，研究表明，由于S2砂组沉积之后的抬升作用，导致湖湾区东北部克上亚组自下而上地层剥蚀厚度逐渐增大，剥蚀范围也逐渐增大。伴生褶皱的局部上隆作用以及逆冲断层上盘整体抬升是控制剥蚀厚度的主要因素。

3.2 伴生褶皱活动强度

（1）活动强度评价参数 对克上亚组地层剥蚀厚度恢复之后，结合现今残余地层厚度就可以得到原始沉积的地层厚度。根据沉积补偿原理，当沉积前存在古地形差异或发育同生构造时，各部位沉积的地层厚度差异能够反映沉积前的古地貌差异或同生构造抬升幅度。

基于以上原理，本文以原始地层厚度为依据，首先圈定不同时期伴生褶皱的平面发育范围，然后统计不同时期伴生褶皱的长度、宽度、长宽比、面积等基本参数。为了定量评价伴生褶皱的活动强度大小，本文定义了伴生褶皱抬升幅度（F）与活动强度（Q）2个参数。伴生褶皱抬升幅度指的是伴生褶皱翼部地层厚度与伴生褶皱发育范围内地层厚度的差。活动强度指的是抬升幅度与翼部地层厚度的比值。

式中 F——伴生褶皱的抬升幅度；

hF——伴生褶皱发育范围内地层厚度，m；

hW——伴生褶皱翼部地层厚度，m；

Q——伴生褶皱的活动强度。

（2）活动强度表征结果 克上亚组沉积时期，准噶尔盆地西北缘湖湾区东北部伴生褶皱发育范围较大，主要发育于克拉玛依断层上盘并延伸至北黑油山断层上盘。伴生褶皱平面呈长轴状或近等轴状，长轴方向平行于断层走向。伴生褶皱顶部活动强度最大，向两翼活动强度逐渐变小（图6）。从S5砂组到S2砂组，伴生褶皱活动范围减小，并逐渐向山前后退，抬升幅度增大，最大活动强度增大（表2）。

图6 准噶尔盆地西北缘湖湾区东北部克上亚组各砂组伴生褶皱活动强度平面分布（研究区位置见图1b）

在克下亚组沉积初期，准噶尔盆地西北缘湖湾区砂组地层以填平补齐为主，伴生褶皱作用不明显。克下亚组伴生褶皱作用以平行于断层的长条状为主，延伸方向大体平行于断层走向。该时期伴生褶皱活动性较弱，伴生褶皱面积在9～12 km2，发育范围远小于克上亚组沉积时期。抬升幅度小于4.2 m，最大活动强度仅为0.33（表3）。从下至上，整体上伴生褶皱活动范围减小，活动强度减弱（图7）。

表2 准噶尔盆地西北缘湖湾区东北部克上亚组各砂组伴生褶皱参数

表3 准噶尔盆地西北缘湖湾区东北部克下亚组S7砂组各小层伴生褶皱参数

4 伴生褶皱活动性与同生逆断层活动性关系

伴生褶皱位于同生逆断层上盘，是同生逆断层在活动过程中伴生的次级同生构造。因此，伴生褶皱的形成与同生逆断层的活动关系密切，即通过伴生褶皱参数可以预测同生逆断层活动强度，反之亦然。

图7 准噶尔盆地西北缘湖湾区东北部克下亚组S7砂组各小层伴生褶皱活动强度平面分布（研究区位置见图1b）

本次研究通过统计准噶尔盆地西北缘湖湾区典型伴生褶皱各项参数，包括长度、宽度、面积、抬升幅度以及最大活动强度，并分析其各项参数与主控伴生褶皱形成发育的克拉玛依同生逆断层活动参数生长指数和落差之间的相关性（图8）。

研究表明，伴生褶皱长度、宽度、抬升幅度和最大活动强度与断层活动参数呈线性相关；伴生褶皱面积与断层活动参数呈指数相关；伴生褶皱抬升幅度与断层活动参数相关性最好，其与断层落差的复相关系数为0.911 1；最大活动强度与断层活动参数相关性较小，其与生长指数的复相关系数为0.728 8.

图8 准噶尔盆地西北缘湖湾区伴生褶皱各项参数与同生逆断层活动参数相关性

5 结论

（1）断层级次越高，断层活动性越强。准噶尔盆地西北缘湖湾区在克拉玛依组沉积时期，一级同生逆断层克拉玛依断层生长指数和断层落差均远大于其他3条同生逆断层（北黑油山断层、南黑油山断层和3034断层）。一级同生逆断层平均生长指数大于2.00，三级同生逆断层平均生长指数为1.20，四级同生逆断层生长指数为1.00～1.10.

（2）准噶尔盆地西北缘湖湾区在克下亚组沉积时期总体断层活动强度较弱，伴生褶皱范围较小，伴生褶皱抬升幅度小于5 m；克上亚组沉积时期总体伴生褶皱活动强度较大，伴生褶皱范围较大，伴生褶皱抬升幅度为15 m左右。克拉玛依组沉积时期伴生褶皱呈现活动强度由强减弱再增强的演化规律。

（3）伴生褶皱的长度、宽度、抬升幅度和最大活动强度与断层活动参数呈线性相关；伴生褶皱面积与断层活动参数呈指数相关；伴生褶皱抬升幅度与断层活动参数相关性最好，其与断层落差的复相关系数为0.911 1；最大活动强度与断层活动参数相关性较小，其与生长指数的复相关系数为0.728 8.

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