准噶尔盆地西北缘石炭系火山岩断层封堵史与油气成藏

高长海，张嘉豪，江汝锋

(1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580； 2.海洋国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东 青岛 266580；3.中海油湛江分公司 研究院，广东 湛江 524057)

引 言

准噶尔盆地西北缘位于扎伊尔山—哈拉阿拉特山东南山前过渡带，勘探面积约1.2×104km2。受晚海西、印支、燕山等构造运动的影响，造成区内断裂十分发育，并控制了油气的运聚成藏。该区先后在石炭系发现了克拉玛依、百口泉、车排子等40多个火山岩油田/藏。前人在构造特征[1-3]、储层特征[4-6]、成藏特征[7-9]等方面作了大量研究工作，但较少探讨地史时期(尤其是成藏期)的断层封堵性，对油气成藏过程、油气分布规律等缺乏深入认识，这制约了火山岩油气藏的精细勘探。本文在前人研究成果基础上，以准噶尔盆地克拉玛依油田石炭系火山岩为例，通过对三维地震资料的综合解释，运用平衡剖面技术、最大古落差法等，分析了断层活动史，恢复了断层封堵史，探讨了断层与油气运聚成藏关系，以期为油气成藏规律、有利区带预测等提供理论依据。

1 地质概况

准噶尔盆地西北缘构造上处于西伯利亚板块、东欧板块和塔里木板块的交汇部位，为一整体呈北东向展布的大型逆冲构造带[10]。研究区在晚石炭世火山喷发和间歇期沉积的共同作用下，形成了一套巨厚的火山岩-沉积岩交互式地层[11]，岩性主要包括火山熔岩类的玄武岩、安山岩、霏细岩和火山碎屑岩类的火山角砾岩、凝灰岩、凝灰质砂砾岩、辉绿岩和砂砾岩。

准噶尔盆地西北缘主要经历了中晚二叠世晚海西运动、三叠纪末印支运动、中晚侏罗世早燕山运动以及白垩纪末晚燕山运动[12]，造成石炭系火山岩断块体向东南不断推覆形成南东低北西高的断阶状格局。受不同期次构造活动影响，区内断层十分发育，各级断层呈不规则网状分布，按断层规模可分为三级断层(图1)。其中，一级断层规模大，属逆冲断层，延伸长度20～50 km，如克拉玛依断层、南白碱滩断层；二级断裂规模较大，属逆冲或压扭断层，延伸长度15～25 km，断距达数公里，如大侏罗沟断层、克拉玛依西断层等；三级断裂规模较小，属逆冲断层，延伸长短不一，断距一般数十米或数百米，如北黑油山断层、南黑油山断层和白碱滩断层等。这些断层控制了石炭系火山岩油藏的形成与分布，主要分布于克百断裂带上盘，油藏分布的差异性以及不同断块之间油水界面的差异性均与断层的活动性和封堵性紧密相关。

图1 研究区石炭系断裂及油藏分布Fig.1 Carboniferous fault and hydrocarbon distribution in the study area

2 断层活动史

选取克拉玛依、南白碱滩、白碱滩、北黑油山、南黑油山以及西白百等主要断层，在对三维地震资料精细解释的基础上，利用最大古落差法对这些断层活动性进行评价(图2)。结果表明，克拉玛依断层活动期为二叠纪—晚侏罗世，存在中晚三叠世和中晚侏罗世2期强烈活动；南白碱滩断层活动期为二叠纪—晚侏罗世，存在中三叠世、早侏罗世和中晚侏罗世3期强烈活动；白碱滩断层活动期为中三叠世—中侏罗世，存在晚三叠世和中侏罗世2期较强烈活动；南黑油山断层活动期为早侏罗世—晚侏罗世，存在早侏罗世和中侏罗世2期较弱活动；北黑油山断层活动期为早侏罗世—晚侏罗世1期较弱活动；西白百断层活动期为中晚侏罗世1期较弱活动。根据断层活动强度，研究区断层活动史可划分为早中三叠世活动间歇期、中晚三叠世强烈活动期、早中侏罗世活动间歇期和白垩纪以后静止期。总体上，高级次断层活动表现为“强度大、时间早、期次多”的特征，如克拉玛依断层、南白碱滩断层和白碱滩断层；而低级次断层活动表现为“强度小、时间晚、期次少”的特征，如北黑油山断层、南黑油山断层和西白百断层。

图2 研究区主要断层活动史Fig.2 Activity history of main faults in the study area

在石炭系断层中发现了大量的盐水包裹体和烃类包裹体。这些包裹体主要赋存于方解石脉中，是油气曾经沿断层运移的直接证据。盐水包裹体均一温度主要存在3个区间，即60～70 ℃、80～90 ℃和100～110 ℃，结合埋藏史，确定流体活动时间(油气充注时间)依次为中三叠世、三叠纪末—早侏罗世和中晚侏罗世，这3期流体活动正是断层的主要活动期(图2)；根据有机质演化程度，烃类包裹体也可分为3期，透射光下呈现褐黄色、黄褐色和淡黄色，相应的荧光下呈现棕褐色、亮黄色和黄绿色(图3)，这与盐水包裹体均一温度以及断层活动史的分析结果相吻合。

3 断层封堵史

断层活动史反映了断层活动的时期和强度，断面古压应力反映了地质时期断面的紧闭程度，两者结合可恢复断层封堵史[13]。断层强烈活动时处于开启状态，以最大古落差评价断层封堵性；断层活动间歇期或静止期可能处于封堵状态，以断面古压应力评价断层封堵性。借鉴前人构造应力场演化史研究成果[14-15]，结合构造演化史恢复，获得各地质时期古埋深、古倾角、水平主压应力大小和方向等参数，即可计算出断层断面古压应力值。

图3 研究区石炭系断层中流体包裹体镜下特征Fig.3 Microscopic characteristics of fluid inclusions in the carboniferous faults of the study area

根据断面古压应力和最大古落差特征，结合断层封堵类型[16]，将研究区断层封堵特征划分为深成型和浅成型。深成型断层多为高级次断层，如克拉玛依断层、南白碱滩断层、白碱滩断层等，这些断层在中晚三叠世(强烈活动期)的最大古落差分别为201 m、236 m、97 m，而在侏罗纪的最大古落差分别为152 m、179 m、116 m，表明中晚三叠世的断层古输导性能好于侏罗纪。早中三叠世(活动间歇期Ⅰ)的断面古压应力值为39～62 MPa，早中侏罗世(活动间歇期Ⅱ)的断面古压应力值为80～95 MPa，静止期(白垩纪以后)的断面古压应力值为26～76 MPa，表明早中侏罗世的断层古封堵性能较好(图4)。浅成型断层多为低级次断层，如北黑油山断层、南黑油山断层、西白百断层等，其中北黑油山断层和南黑油山断层在侏罗纪的最大古落差分别为146 m、68 m，表明侏罗纪的断层古输导性能较差。早中三叠世的断面古压应力值为57～63 MPa，早中侏罗世的断面古压应力值为72～87 MPa，静止期的断面古压应力值为7～60 MPa，表明早中侏罗世的断层古封堵性能较好(图4)。总体来看，深成型断层强烈活动期的古输导性能以及活动间歇期II和静止期的古封堵性能好于浅成型，而浅成型断层在活动间歇期Ⅰ的古封堵性能较好(表1)。

4 断层控藏作用

断层封堵史与油气充注期的配置控制了地质时期的油气运聚成藏及其差异性[17-19]。准噶尔盆地西北缘石炭系火山岩发育区深成型断层和浅成型断层的封堵史与该区主要油气充注期(中三叠世、三叠纪末—早侏罗世、中晚侏罗世)[20-21]具有不同的配置关系，从而具有不同的成藏特征。

4.1 深成型断层对油气多期成藏的控制

中三叠世油气充注期，克拉玛依、南白碱滩等断层活动加强，断层输导性能较好，此时玛湖凹陷风城组烃源岩生成的原油通过断层垂向运移至石炭系，但因三叠纪晚期仍有部分断层活动，导致该期油气大量散失。三叠纪末—早侏罗世油气充注期，克拉玛依、南白碱滩、白碱滩等断层活动强烈，断层输导性能好，尤其是南白碱滩断层与油气充注期配置最好，玛湖凹陷风城组烃源岩生成的原油进入石炭系，由于早中侏罗世这些断层具较好的封堵性能，大量油气得以聚集成藏。中晚侏罗世油气充注期，深成型断层再次强烈活动，断层输导性能较好，尤其是克拉玛依断层和南白碱滩断层与油气充注期配置好，成为玛湖凹陷风城组烃源岩生成的天然气垂向运移的通道，白垩纪时断层停止活动，断层封堵性能好，油气得以聚集成藏(图4(a)—图4(c))。

图4 研究区断层封堵史与油气成藏期配置Fig.4 Configuration of fault sealing history and hydrocarbon accumulation stages in the study area

活动时期深成型浅成型活动间歇期Ⅰ(早中三叠世)39 MPa

注：P古为断面古压应力，MPa；ΔH最大为最大古落差，m。

4.2 浅成型断层对油气晚期成藏的控制

中三叠世油气充注期，浅成型断层活动弱，封堵性能较好，难以作为油气运移的通道；三叠纪末—早侏罗世油气充注期，大多数断层输导性能较差，仅有少量断层(如南黑油山断层)具较好的输导性能，且与油气充注期配置较好(图4(d))，利于油气垂向运移，后期由于早中侏罗世断层封堵性较好，油气得以聚集成藏，但油气藏规模较小；中晚侏罗世油气充注期，浅成型断层活动强烈，输导性能较好，可作为油气运移通道，尽管白垩纪断层停止活动，但封堵性能较差，部分油气发生散失，导致油藏规模亦较小。

白垩纪—今，无论是深成型断层，还是浅成型断层，断层活动基本停止。因此，白垩纪—现今断层主要对油气起封堵作用，其封堵能力主要取决于现今封堵性。封堵性控制油气藏的规模、类型及分布特征。断层现今封堵性研究结果表明[16]：深成型断层现今封堵性较好，断层两盘不具统一油水界面，形成断块型油藏，且油藏规模大；浅成型断层现今封闭性较差，油藏具统一油水界面，形成断凸型油藏，且油藏规模较小。由此可见，随着断层级别的增大，断层现今封堵性能越好，控制的油藏规模也越大(图5)。

图5 研究区断层控藏模式Fig.5 Fault-controlled hydrocarbon accumulation mode in the study area

5 结 论

(1)断层活动主要经历早中三叠世活动间歇期、中晚三叠世强烈活动期、早中侏罗世活动间歇期和白垩纪以后静止期，高级次断层活动具“强度大、时间早、期次多”的特征，而低级次断层活动表现为“强度小、时间晚、期次少”的特征。

(2)深成型断层多为高级次断层，其在中晚三叠世强烈活动期的输导性能以及早中侏罗世活动间歇期、白垩纪以后静止期的封堵性能好；浅成型断层多为低级次断层，其在早中三叠世活动间歇期的封堵性能较好。

(3)深成型断层控制油气多期成藏，以形成断块型油藏为主，且油藏规模大；浅成型断层控制油气晚期成藏，以形成断凸型油藏为主，且油藏规模较小。