隐性走滑断层的识别方法及其走滑量的计算——以渤海湾盆地济阳坳陷为例

穆 星,赵海华

(中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司勘探开发研究院,山东东营257015)

我国东部中生代和新生代断陷盆地大多受郯庐断裂的控制,郯庐断裂带具有中生代左行走滑,新生代右行走滑的特点,在该断裂带的控制下形成了渤海湾、松辽盆地等走滑拉伸盆地。在北北东(NNE)向剪切应力作用下,盆地内部发育大量主断裂为NNE向的大型走滑断裂。以渤海湾盆地济阳坳陷为例,新生代大型走滑断裂在剖面上多为负花状构造,平面上呈北北东-北东(NNE-NE)向雁行式、帚状、“S”型展布[1-2],走滑量为5～15km[3],典型的断裂包括义东断层、高青断层、五号桩断层、埕东断层等[4]。

以往的研究重点关注大型走滑断层对盆地形成以及油气成藏的控制作用。近期的勘探成果证实,大型走滑断层之间广泛发育一系列NNE向右行和与其共轭派生的NNW向左行的小型或隐型走滑断层,这些走滑断层对含油气圈闭的形成和油气的聚集具有重要意义。

对于郯庐断裂、阿尔金断裂等大型走滑断裂的识别,通常以地震资料为主要研究资料,多结合露头、重磁电资料进行联合识别,对其识别标志和识别方法的研究较多[3-9]。对隐性断层的研究较少,周维维等[10]在研究渤海湾盆地隐性断裂带成因类型特征时提出了隐性走滑的定义,认为其通常与显性走滑伴生,具有走滑断层的特征,但是由于其活动较弱,位移不明显,虽地震资料有异常显示,但通常不易识别。随后,周维维等[11]在研究歧口凹陷隐性断裂带特征时,总结了隐性走滑断层地震和成藏方面的典型“四性”特征,并将该特征作为隐性断层的基本识别标志。

常规断层识别技术着眼于地震属性刻画,多采用高精度相干体技术、蚂蚁追踪技术、自适应波形多道匹配追踪断层识别技术[12-15]。目前隐性断层地震识别技术的相关研究相对较少。牛成民等[16]在研究渤海海域隐性走滑断层时,依据隐性走滑断层的发育背景及形成机制,利用最大似然属性技术、剖面寻差技术、断层增强技术以及“三性”识别法,提升了渤海海域隐性走滑断层的识别与解释效率。张中巧等[17]提出了基于高波数曲率属性的隐性走滑断层识别方法,该方法实际应用结果表明,高波数曲率属性能够对辽东湾坳陷旅大构造区所发育的隐性走滑断层进行较好的识别。张友等[18]综合利用多种地震地质资料研究隐伏走滑断层,取得了较好的研究成果。上述隐性走滑断层的识别方法,在某些地质条件下适用性较好,但均未对走滑量的计算进行研究。

对于大型走滑断层,前人总结了较多的走滑量计算方法,包括两盘地质参考点对比法[19]、古地磁学研究方法[20]、地壳变形速度估算法[21]以及基于构造物理模拟实验的方法[22]等。上述方法均有其局限性和适用范围,但对于较小或者隐性断层走滑量计算,这些方法虽然具有一定的参考意义,但并不完全适用。本文总结了隐性断层的地震地质综合识别要点,依据不同地质情况,提出了不同的走滑量定量计算方法,适用性较强。

1 隐性走滑断层的定义与勘探意义

关于走滑断层的识别标志,许多文献均有阐述,如断面陡立、花状构造、平面形迹丰富、空间常见海豚效应、断层两侧地层厚度突变现象显著等[5]。随着地震勘探的不断深入,我们发现存在大量标志不明显的小型走滑断层。与大型走滑断层数公里的走滑量不同,这些断层的走滑量一般为200～800m。

本文沿用周维维等[10]提出的隐性走滑断层的概念,认为其通常与显性走滑断层相伴生,具有走滑断层的特征。在地震资料上仅凭肉眼或常规方法难以识别小型走滑断层,它们多具有断距不明显,以水平运移为主,近于直立,倾向变化不定的特点。传统的走滑识别标志,如“S”型、帚状特征、海豚效应等不明显或不存在。本文未采用“隐伏性走滑断层”一词,主要考虑已有学者定义了“隐伏性走滑断层”的概念并得到了广泛认可,“隐伏”一词用来特指那些发育介于在“雁列”与“成熟型”之间阶段的断层[1],与隐性断层存在较大差异。

近期的勘探实践证明,济阳坳陷广泛发育的隐性走滑断层仅依据地震资料难以识别且易被忽略。以近期部署成功的临南洼陷X492井为例进行说明。该区主要发育近东西(EW)向断层,难以形成圈闭,通过精细解释发现了一条近南北(SN)向展布的隐性走滑断层F1(图1a中的红色虚线),该断层与一系列东西向断层组合形成圈闭群。由横切F1断层的地震与蚂蚁体属性叠合剖面可以看出,目的层(图1b中的绿色虚线)中走滑断层F1(图1b中的红色虚线)的断距极小,近于直立,仅凭肉眼和相干等分析技术难以识别,容易被遗漏,即使被发现,但因断距小,封堵性差,通常也被认为难以形成有效圈闭。通过引入隐性走滑断层的概念,我们证实了该断层的存在,并认为其普遍具有较好的封闭性,可以形成有效圈闭。据此部署了X492井。该井在沙三上地层试油,日产油15.42t。随后,L90井和QQ21井的钻探成功,也都反映了济阳坳陷隐性走滑断层广泛发育,具有封闭性强,易于油气成藏的特点。如何识别出这类断层,并证实断层的存在,对于断陷盆地隐蔽油藏的精细勘探具有重要意义。

图1 X492井区沙三上构造显示(a)及横切F1断层的地震与蚂蚁体属性叠合剖面(b)

2 方法技术

隐性走滑断层在地震资料上识别标志不明显,解释不确定性强。利用相干属性图或其它属性图,很难将某个凹陷的隐性断层全部识别出来。通过勘探实践,我们将这类断层的识别方法进行了如下总结。

首先根据走滑断层的分布特征和构造样式,判断可能出现隐性走滑断层的区域。通常走滑断层在平面分布上具有近等间距性,如有缺失,则有可能存在隐性走滑断层。如果有几组近东西向平行的断层在某个区域均停止错动,或这几组平行的断层有收敛的趋势,那么在这些断层的一侧可能存在隐性走滑断层,此种情况下断层可形成近帚状体系的构造样式,成因可以理解为一侧正断层发育,造成地层的伸展量大,而另一侧断层不发育,伸展量小,造成地层走滑错动。观察构造样式是否发生突变,如果研究区的西部和东部呈现断层倾向完全相反的现象,那么在这些地区通常会发生构造转换,也会形成隐性走滑断层。隐性走滑断层还会造成其两侧的一组断层或构造出现有规律的错断。通过对平面上构造样式的分析,可以初步确定隐性走滑断层可能存在的区域。

其次在地震剖面上观察断层形态是否直立,是否与区域走滑方向一致,断层两侧地层产状是否不协调,两侧地层是否存在结构差异,构造样式是否发生变化等,如果存在这些现象,则考虑将其解释为隐性走滑断层。断层解释完成后,再综合利用属性、相干体、蚂蚁体等多种信息进行多层系多属性综合解释,通常情况下,如果上、下层均存在常规断层,那么中间层存在隐性断层的可能性大。

最后进一步计算断层走滑量。科学合理地计算走滑量,是确定隐性走滑断层存在最有效的办法。我们通过研究和实践,提出了一套隐性断层走滑量定量计算的方法。依据方法的侧重点不同可分为平面分析法、应力演化法和剖面对比法。平面分析法包括平面地震属性切片法、对早期构造的切割位错法等。应力演化法利用断层两侧伸展量差异计算断层走滑量。剖面对比法包括垂直断层两侧地震剖面滑动扫描拼接法、紧邻断层两侧平行地震剖面反射特征对比法等。其中,平面分析法和剖面对比法均依据走滑运动造成的现象进行反推计算,而应力演化法则是从走滑运动的本质上进行分析计算。对于同一个研究区而言,并非所有的计算方法都适用,我们可以根据构造的复杂程度和特征,选择2～3种适用的计算方法进行计算,并将计算结果相互验证,以确保走滑量的可靠准确。以下通过实例对这些方法进行详细阐述。

3 应用实例

3.1 车镇凹陷车57地区

车镇凹陷位于济阳坳陷西北部,是典型的“北断南超、北陡南缓”的箕状断陷盆地,具有窄陡型盆地的特点,勘探面积约为2400km2。车57地区沙四上亚段至东营组地层的沉积时期为断陷盆地的主要形成阶段,形成了右旋走滑-伸展的构造体系[23]。

已有学者通过野外观察证实走滑断层具有近等间距性。武红岭[24]认为“当断层沿前缘某一方向的扩展终止时,与断层平行的同等规模的断裂将有可能出现在离开其有限距离的旁侧地区。若将断层走向上剪应力增量最大的点,到断层的垂直距离作为平行断层间最可能的间距,而在此间距之外的远场,由于主断裂的影响未完全波及,基本上保持了原有构造应力场,因而有产生与主断层相平行的同规模断裂的应力条件。”

隐性走滑断层近等间距发育过程如图2所示。当地层在NNE向区域应力场作用下,走滑断层一侧产生地层形变,并集聚弹性能量,随着区域作用力的持续,地层发生破裂,应力释放,形成走滑断层①;当应力在空间沿NEE方向传播时,地层的形变和所受的应力强度成正比,部分应力释放后,剩余的应力在NEE方向持续积聚能量,随着应力的传播,地层的形变也越来越强,不断产生新的破裂,形成新的走滑断层②;随着应力作用稳定持续地增强,沿NEE方向形成新的走滑断层③和④;当应力场逐渐增强,且地层力学特性变化不明显时,就会依次经历形变-破碎-走滑的变化,断层形成机制类似于常以近等间距分布的雁列式断层。

图2 隐性走滑断层近等间距发育过程

从车镇凹陷车57地区沙三下组地层构造纲要图(图3)可以看出,自东向西存在4条较明显的走滑断层,分别是F1,F2,F3,F4断层(图3),F1断层与F2断层的间距和F2断层与F3断层的间距具有近等间距的特点,F3断层与F4断层的间距则是F2断层与F3断层间距的两倍。利用隐性走滑断层的近等间距性,我们推测在F3断层和F4断层之间可能存在一条隐性走滑断层,图中红色虚线为推测的隐性走滑断层位置。在隐性走滑断层西侧,发育一系列NWW向南倾断层,断距较大,而隐性走滑断层东侧断层不发育,仅发育两条断距较小的东西(EW)向断层,断层以北倾为主,说明西侧地层伸展作用较强烈,断层两侧伸展活动的差异使得西侧地层向南移动量大,导致地层错动,易产生走滑断层。

对于此处是否存在隐性走滑断层,需要从地震剖面上进行分析,图4a和图4b分别为983测线和998测线的地震剖面(测线位置见图3),黄线为T6解释层位,红线为可能的隐性走滑断层位置。可以看出,T6反射层基本是连续的,但相位和地层产状发生了改变。相干计算时为避免倾斜地层的干扰,需要在一定的时窗内进行搜索,易造成断距小的断层被遗漏[25],因此在相干分析图上无法判断隐性走滑断层是否存在。此处需要准确计算走滑量。

本文采用垂直断层两侧地震剖面滑动扫描拼接法(一种剖面对比法)进行走滑量的计算。该方法首先任意抽取1条垂直走滑断层的地震测线作为初始剖面,沿走滑断层将初始剖面左半部分截图,然后将其在平面上沿断层滑动并与其它测线的地震剖面的右半部分拼接,最后根据拼接后的地层匹配程度找出与初始剖面最匹配的测线,两条测线的距离即为走滑量。图4a为任意抽取的1条垂直于断层的东西向地震剖面(983测线),将983测线地震剖面(图4a)的左半部分A沿断层逐步向北滑动,与998测线地震剖面(图4b)的右半部分B进行拼接,观察两条测线的地震剖面在地层上的匹配程度。由图4c可以看出,983测线地震剖面的左半部分A与998测线地震剖面的右半部分B拼接匹配程度好(图4c中红色虚线为拼接处),断层两侧的各层系地层(图4c中黄、绿、红、蓝线)连续性较好,产状、相位能够自然过渡。由此估算出走滑量为15道,因每道宽度为25m,进而计算出走滑量为375m。该断层在纵向上(时间轴)基本无滑动,说明其为纯剪切断层。

图3 车镇凹陷车57地区沙三下组地层构造纲要图

图4 垂直断层两侧地震剖面滑动扫描拼接方法示意

本文还采用了紧邻断层两侧平行地震剖面反射特征对比法进行走滑距离的计算。沿走滑断层紧邻的两侧各抽取一条近乎平行断层的地震剖面,分别称为西剖面和东剖面(图5,剖面位置见图3),将2条地震剖面平行放置并对齐,先找出地层特征点或典型地质体,如图5中蓝色圆圈处为地层不连续点A。西剖面不连续点A较东剖面不连续点A向北移动的距离约为375m,由此可以判断该走滑断层的走滑量约为375m。

采用以上两种方法均可确定该地区存在一个走滑量约为375m的隐性走滑断层,并且具有纯走滑的特点。虽然从地震资料上看不出断距,但断层的规模和级序较大,在油气勘探中不可忽略。

图5 紧邻断层两侧平行地震剖面反射特征对比法示意

3.2 DX722井区

济阳坳陷除发育NNE向右旋走滑断层外,还伴生NNW向左旋走滑断层,与NNE向断层为共生关系。该区发育的大型左旋走滑断裂带包括永北断裂带和王66断裂带等[26]。

在车镇凹陷大王庄次洼,对沙三下地层进行构造解释,依据近等间距的原则,推测在DX722井区西侧可能存在NNW向走滑断层。从构造图(图6a)可以看出,隐性走滑断层F1两侧构造圈闭高点不一致,存在一定的位错,因此采用平面地震属性切片方法进行分析。图6b为该井区2500ms瞬时相位切片,可以看出断层两侧均存在不规则封闭的半圆形,代表背斜圈闭,如果不存在走滑断层,2个背斜圈闭可以呈现较好的对称状,图中西部圈闭与东部圈闭错开了16道的距离,其走滑距离约为400m。

图6 DX722井区沙三下组地层构造图(a)及其2500ms瞬时相位切片(b)

DX722井区采用滑动扫描拼接法得到的1924测线、1940测线地震剖面以及拼接结果的AVT显示如图7所示。为更清晰地解释断层,VERNENGO等[27-28]开发了目前最新的振幅体属性技术(amplitude volume technique,AVT)。该方法首先在一个固定的时间窗口内对振幅属性进行均方根计算,然后对均方根序列进行希尔伯特变换,最后进行相位90°旋转,以提高原信号高频部分能量,并呈现立体的显示效果。图7a为任意抽取的1条垂直于断层的地震剖面(测线位置见图6b),采用AVT对其进行显示(图7a),我们沿断层不规则地截取图7a左半部分,通过滑动扫描将其与多条测线地震剖面的右半部分拼接对应,发现1924测线地震剖面与1940测线地震剖面匹配程度较好。在图7a中,断层两侧存在地层产状的突然变化,以正断层为主。从图7b可以看出断层两侧地层的频率等波组特征存在变化,以逆断层为主。而拼接后的地震剖面(图7c)上断层两侧地层匹配得很好,可连续对接。估算的走滑量约为400m。通过拼接可以看出该断层垂向断距很小,上下滑动小于10ms(20m),属于纯剪切断层。

图7 DX722井区采用滑动扫描拼接法得到的1924测线(a)、1940测线(b)地震剖面以及拼接结果(c)的AVT显示

图8为纯剪切走滑断层剖面的视倾角变化示意,可以很好地解释断层视断距的大小变化。图8中最上面一张图为走滑前原始构造,表现为南部存在一个东西向延展的构造圈闭。随着左侧走滑,两侧构造发生错动,此时,从不同位置抽取东西向剖面,A-A′位置抽取的剖面表现为东倾逆断层,而从B-B′位置抽取的剖面则表现为东倾正断层(图8)。通过分析走滑断层运动可进一步明确隐性走滑断层的特点。

图8 纯剪切走滑断层剖面的视倾角变化示意

3.3 临南洼陷兴隆寺地区

临南洼陷位于济阳坳陷西南部,为典型的张扭性断陷盆地[29]。在临南洼陷的兴隆寺地区存在一个构造变化带,图9为该地区T6构造纲要图。工区的东部和西部构造样式存在明显差异,表现为断层倾向相反。该区的西部发育一系列EW向北倾断层,地层北厚南薄(图10a);而在东部,也发育一系列EW向南倾断层,地层南厚北薄(图10b)。工区东西部之间的构造转换处不清楚,在东、西向剖面上,难以看到明显的断层,长期以来未能对该构造转换带的成因进行解释,影响了勘探的深入。

图9 临南洼陷兴隆寺地区T6构造纲要图

本文采用隐性走滑断层的解释方案解决上述问题。从图10可以看出,虽然断层不明显,但在构造转换处,断层两侧地层的反射结构存在一定的差异,隐约可解释出一条NNW向走滑断层(图9中的红色虚线)。只有计算得到准确的走滑量,才能证实该断层的存在。该地区断层发育,前述的一些方法效果不佳,因此采用由伸展量计算走滑量的方法。

从图10a可以看出,北部存在“花心A”,断层从“花心A”向南依次北倾。假定花心位置不动,通过构造史恢复地质剖面并计算从“花心A”到盆地南坡最南部的断层,伸展量为0～720m(图11a)。从图10b 可以看出,南部也存在“花心B”。通过构造史恢复地质剖面并计算从“花心B”到最北边一条断层,伸展量为0～500m(图11b)。断层两侧地层向相反方向伸展,必然导致地层相对位移,产生走滑断层。

图10 临南洼陷兴隆寺地区隐性断层西(a)和东(b)地震剖面(位置见图9)

图11 临南洼陷西(a)和东(b)构造恢复剖面和伸展量计算结果

从东西两侧地层向南北方向位移的平面示意和位移量计算结果可以看出(图12),东西两侧地层相向伸展,必然产生走滑,进而形成隐性走滑断层。将东西两侧地层伸展量进行叠加,可以求得隐性走滑断层的位移量为500～720m,断层不同部位的位移量有所差异,中部约为600m。走滑量的计算有助于我们从根本上确定隐性走滑断层的存在。

由新的解释方案可知,该隐性走滑断层和一系列东西向断层,形成了多个东西向延展的断块圈闭。虽然垂向上断距很小,但走滑断层可以使断层两侧地层产生较大变化,具备良好的油气封闭条件。勘探结果表明,断层东侧发现一系列重要的油气圈闭,而在断层西侧,隐性走滑断层对油气的遮挡作用导致成藏条件较差,油气发现少,进一步证明隐性走滑断层对油气聚集具有较大控制作用,在今后的油气勘探中,需要重视隐性走滑断层的识别与描述。

图12 东西两侧地层向南北方向位移的平面示意和位移量计算结果

4 结论

将渤海湾盆地济阳坳陷不同地质条件下隐性走滑断层的识别和走滑量的计算结果,与勘探实践相结合,得出如下3点结论。

1) 隐性走滑断层识别步骤:根据走滑断层平面的近等间距分布特征和构造样式突然变化等特点,先推断可能出现隐性走滑断层的区域;然后在地震剖面上观察断层是否直立,是否与区域走滑方向一致,断层两侧地层产状是否不协调,构造样式是否发生变化等,对可能的隐性断层开展解释;再结合地震属性、相干体、蚂蚁体等各种信息进行辅助甄别;最后利用高精度地震资料,选择合适的方法,科学合理地计算出走滑量,进一步确定隐性走滑断层的存在。

2) 总结了以地震资料为基础的隐性断层走滑量计算方法,包括断层两侧地震剖面滑动扫描拼接、平面地震属性切片、两侧平行地震剖面反射特征对比、伸展量估算等方法。因不同的方法适用于不同的地质条件,故本文灵活地选用了3种方法进行计算,均取得了准确的计算结果。

3) 上述方法在济阳坳陷车镇凹陷、临南洼陷等不同地质条件下的应用,有效拓展了方法的应用范围,取得了良好勘探成果,对上述方法在济阳坳陷其它区块或其它盆地的推广应用具有借鉴意义。