喜马拉雅晚期构造应力场及其与油气分布的关系——以准噶尔盆地南缘为例

张凤奇 ，刘伟 ，鲁雪松 ，刘阳 ，周路 ，曹秦智

（1.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西 西安 710065；2.西安石油大学陕西省油气成藏地质学重点实验室，陕西 西安 710065；3.延长油田股份有限公司勘探开发技术研究中心，陕西 延安 716001；4.中国石油勘探开发研究院，北京 100083）

准噶尔盆地南缘是我国最早进行油气勘探的地区之一［1-4］，近期高探1井深层白垩系碎屑岩储层的勘探获得了重大突破，表明该地区深层具有较大的勘探潜力［5］。晚古生代以来，准噶尔盆地南缘经历了晚海西期、印支—燕山期和喜马拉雅期多次构造运动［6-7］。其中，喜马拉雅晚期构造运动对准噶尔盆地南缘形成的影响最大［8］，构造挤压最为强烈，而该时期又是准噶尔盆地南缘油气的主要成藏时期，两者关系密切。目前，对准噶尔盆地南缘构造应力场分布特征及其对油气分布的影响研究还较为薄弱。

本文对准噶尔盆地南缘喜马拉雅晚期的构造应力场进行了数值模拟恢复，总结了其构造应力场的分布特征及其与油气的分布关系，以期为后续油气勘探提供指导。

1 地质背景

准噶尔盆地南缘西到扎伊尔山，东到博格达山山前，北与车排子凸起和莫南凸起相邻，南与天山北缘相邻［9-11］，东西方向和南北方向上分别形成了东西分段和南北分带的构造特征（见图1）。东西方向以乌鲁木齐—米泉断裂和红车断裂为界，分为东段阜康断裂带、中段山前冲断带和西段四棵树凹陷；南北方向以三排背斜带为界，自南向北划分为第一排构造带（齐古断褶带）、第二排构造带（霍玛吐背斜带）和第三排构造带（呼图壁—安集海—西湖背斜带）［12-14］（见图 1）。本次的研究区域主要是准噶尔盆地南缘的西段四棵树凹陷和中段山前冲断带。研究区多发育向南倾斜的逆断层，且背斜轴部为断层发育的主要位置。

图1 准噶尔盆地南缘区域构造特征

2 构造应力场数值模拟

建立正确的地质模型和力学模型是构造应力场数值模拟的前提，而研究区的大地构造背景、主要构造格局和区域构造单元划分，以及前人的地震解释剖面等，是建立正确地质模型和力学模型的基础［15-16］。

2.1 地质模型的建立

平面和剖面上以准噶尔盆地南缘的西段四棵树凹陷和中段山前冲断带为主体进行模拟，不包含东段阜康断裂带。模型建立时兼顾几个相邻区域，这是为了方便模拟过程中载荷的施加和避免边界效应的发生。

平面上选取了下组合侏罗系齐古组进行模拟（见图2）。剖面模拟时共选取了3个剖面作为本次构造应力场数值模拟的地质模型，分别为过齐古背斜—吐谷鲁背斜—呼图壁背斜的AA′剖面、过霍尔果斯背斜—安集海背斜的BB′剖面、过高泉背斜—西湖背斜—卡因迪克背斜的CC′剖面。其中AA′和CC′剖面均为多条地震剖面拼接而成（见图 3［5，17-18］）。 尽管剖面的拼接会对模拟效果产生一些影响，但这种拼接并未改变剖面从南向北的延伸趋势；因此，该处理对模拟结果影响有限。剖面模拟基本上包含了研究区石炭系以来沉积的所有地层。为了方便模型的建立及网格化，平面地质模型建立时还考虑了延伸较长的主断层。

图2 准噶尔盆地南缘齐古组平面模拟地质模型

图3 准噶尔盆地南缘剖面模拟的地质模型

2.2 力学模型的建立

力学模型的建立在数值模拟中尤为重要，正确的地质模型是力学模型建立的基础。由于岩石力学参数和边界条件的选择是影响模拟结果正确性的主要因素，因此建立正确的地质模型之后，还需要从上述两方面来考虑如何建立力学模型，以保证模拟结果的准确性。

2.2.1 岩石力学参数的选取

研究区高温高压三轴岩石力学参数数据较少。库车坳陷与研究区分布于天山南北两侧，两者在中、新生代经历了相似的构造演化，中、新生代的沉积地层虽然存在微弱的差异，但整体上具有较好的相似性［19］，二者的岩石力学参数也应具有可对比性；因此，本次研究区平面和剖面模拟过程中选取的各地质体单元岩石力学参数主要来自于前人有关准噶尔盆地南缘和库车坳陷的文献［20-22］（见表 1［23］、表 2）。此外，还需要对同一构造单元的岩石作均质体处理，各构造单元间则需要作非均质体处理，断层作为断裂带进行处理。

表1 准噶尔盆地南缘各构造带侏罗系齐古组岩石力学参数

表2 准噶尔盆地南缘各地层岩石力学参数

2.2.2 边界条件的确定

边界条件的确定及载荷的施加是有限元模拟过程中的重要步骤。在此之前，应对各构造体单元分别赋予相应的岩石力学参数和单元类型［15］。有限元模拟之前还需要对整个研究区的构造应力作用进行研究，以此设定边界约束条件和构造作用力，建立正确的力学模型。新近系以来，特别是喜马拉雅晚期，准噶尔盆地南缘发生了自南向北的强烈的构造挤压作用［8，24］。喜马拉雅晚期最大主压应力方向由前期的垂直方向变为近似水平方向，该时期研究区整体上最大水平主应力方向为北东—南西向，博格达山北部边缘为北西—南东向［7，25］。

平面和剖面模型均可将东西向设定为X方向，南北向设定为Y方向。在对平面模型进行模拟时，根据研究区的最大水平主应力方向，将平面模型的中央坳陷北边界进行X方向约束，东北角与东南角则进行X和Y方向约束；在模型的南北边界施加一定的挤压应力，并不断改变所施加挤压应力的大小，直至模拟结果与研究区典型井声发射实验最大主压应力的实测值（见表3）非常相近或一致。最终的初始应力条件为模型北边界的中央坳陷处向南施加120 MPa的水平挤压应力，车排子凸起处向南施加90 MPa的水平挤压应力，模型南边界向北所施加的水平挤压应力从西向东逐渐减小，即从220 MPa到90 MPa。

在对剖面模型进行模拟时，将其底部设置为Y方向约束，右边界设置为X和Y方向约束，顶面为自由态，不作任何设置；由于剖面模型Y方向上各地层在施加应力的同时会受到重力的影响，因此在该方向施加应力时应考虑重力场派生的水平主应力，所施加的合应力大小应是重力场派生的水平应力与构造应力之和［15］。结合前人在库车坳陷剖面有限元模拟过程中所施加的合应力值［26］，不断改变构造应力的大小，直到典型井的声发射实测值（见表3）与同一深度的模拟值基本吻合为止（见表 3）［25，27］。最终，在剖面模型左边界所加载的合应力为σH=0.01h+55（其中：σH为加载的合应力，MPa；h 为埋藏深度，m），从 AA′剖面到 CC′剖面的合应力分别为 55～175，75～195，80～200 MPa。

表3 准噶尔盆地南缘典型井声发射测试结果

2.3 构造应力场模拟结果

基于上述模型，运用ANSYS18.1有限元模拟软件的求解功能，对研究区平面模拟最大主压应力（见图4）与剖面模拟最大主压应力（见图5）进行了求解。

图4 齐古组喜马拉雅晚期最大主压应力平面分布

图5 准噶尔盆地南缘典型剖面的最大主压应力分布

对最大主压应力模拟结果与声发射实测值的误差分析表明：平面上，齐古组Q1，Q009，DS1井的模拟结果分别为 120～130，100～110，200～210 MPa，Q1 井的模拟值与实测值吻合较好，而Q009井模拟值较实测值稍偏大，DS1井模拟值较实测值稍偏小（见表3）；尽管个别地区平面模拟结果与实测值稍有差异，但模拟结果的大小变化趋势与实测值基本吻合。剖面模拟结果显示，剖面AA′与Q009井附近处侏罗系顶部最大主压应力为70～90 MPa，剖面BB′与H001井附近安集海河组最大主压应力为100～120 MPa，与实测值较为吻合（见表3）。因此，本次平面和剖面模拟结果整体上较为可靠，可以用来表示研究区喜马拉雅晚期构造应力场的分布状况。

2.3.1 平面构造应力分布

从平面模拟结果（见图4）可以看出：侏罗系齐古组喜马拉雅晚期的最大主压应力在东段阜康断裂带普遍小于60 MPa；四棵树凹陷的最大主压应力基本在120～240 MPa，整体上比东段阜康断裂带的大；中段的东、中、西部地区的最大主压应力分别在60～150，90～180，180～240 MPa。

2.3.2 剖面构造应力分布

在前文的声发射测试结果以及平面和剖面的数值模拟结果的双重约束下，剖面的模拟结果较为准确。从研究区各剖面的模拟结果（见图5）可以看出：构造挤压变形后，第四系的最大主压应力在研究区中段东部主要分布于60～90 MPa，中段其他地区和四棵树凹陷则主要分布在90～120 MPa。新近系独山子组（N2d）、塔西河组（N1t）和沙湾组（N1s）最大主压应力主要在90～120 MPa，仅中段东部第一、二排构造带的背斜轴部附近为60～90 MPa。古近系安集海河组（E2-3a）最大主压应力主要分布在 90～120 MPa，仅中段东部的第一、二排构造带和第三排构造带背斜轴部附近为60～90 MPa。紫泥泉子组（E1-2z）在中段东部和中段其他地区背斜轴部的最大主压应力主要分布在90～120 MPa，中段的其他地区和四棵树凹陷则主要分布在120～150 MPa；该地层在中段的第一排构造带附近最大主压应力主要分布在60～90 MP。白垩系东沟组（K2d）和吐谷鲁群（K1tg）在中段东部最大主压应力主要分布在120～150 MPa，第一排构造带和第二排构造带背斜轴部最大主压应力较小，分别分布在60～90，90～120 MPa；该地层在中段其他地区和四棵树凹陷最大主压应力主要分布在150～180 MPa，第二、三排构造带背斜轴部最大主压应力主要分布在120～150 MPa，第一排构造带的最大主压应力主要集中在90～120 MPa。 侏罗系中上统喀拉扎组（J3k）、齐古组（J3q）、头屯河组（J2t）和西山窑组（J2x）在中段东部最大主压应力主要分布在120～150 MPa，在第一排构造带主要分布于 60～90 MPa；下侏罗统三工河组（J1s）和八道湾组（J1b）在中段东部最大主压应力主要分布于150～180 MPa，在第一排构造带主要分布于90～120 MPa；侏罗系在中段除东部的其他地区和四棵树凹陷最大主压应力主要集中于180～210 MPa，仅在第一排构造带分布于90～150 MPa。侏罗系之下的三叠系、二叠系和石炭系在研究区中段东部最大主压应力主要分布在150～180 MPa，该地区第一排构造带最大主压应力主要集中在90～150 MPa；中段其他地区和四棵树凹陷最大主压应力主要分布在180～210 MPa，这些地层在靠近山前的地区最大主压应力主要集中在120～180 MPa，而四棵树凹陷部分地区的石炭系最大主压应力可达210～240 MPa。

总的来说，同一层位CC′剖面和BB′剖面的最大主压应力比AA′剖面的大，CC′剖面与BB′剖面的最大主压应力基本一致，整体上从东向西逐渐呈递增趋势；而靠近天山的第一排构造带的最大主压应力较小，这主要是构造挤压作用致使天山发生抬升剥蚀导致应力释放造成的，但整体上从东向西也逐渐呈递增趋势（见图5）。同一地区埋深较大地层的最大主压应力相比埋深较浅地层普遍较大，基本上是随着埋深的增加而增加的，但不同地区同一深度的最大主压应力是不相同的，这与构造应力的方向、距离天山的远近以及喜山运动之前地层的构造特征等因素有关（见图5）。此外，各剖面背斜和断裂带处的最大主压应力均比其相邻地层的小（见图 5）。

3 构造应力与油气分布关系分析

从最大主压应力的平面和剖面模拟（见图4、图5）来看，同一层位的最大主压应力一般在凹陷处相对较大，在背斜或断背斜处一般相对较小，而断裂处的最大主压应力相对围岩普遍要小。前人研究认为，油气一般由高应力区向低应力区运移［22，28］。因而，烃源岩生成的油气在构造挤压作用下向断裂处汇聚，断裂一旦开启，汇聚的油气便会沿着断裂向上快速运移，充注到邻近的储层之中；而同一层中的油气也会由向斜部位往背斜或断背斜运移，并且在其内部形成聚集。油气的这种运移趋势，与其在浮力的作用下由低部位向斜区往高部位背斜区的运移趋势一致。——说明在前陆挤压区的油气除了受常规浮力驱动外，还受到构造挤压作用下的构造应力驱动，这在一定程度上加速了油气的运聚成藏。

对于研究区中上组合发现的油气储层来说，一般物性相对较好，油气在浮力的作用下便可运聚成藏；但对于研究区下组合深层来说，储层物性相对较差，在浮力的作用下较难运移，这时构造应力的驱油气作用对油气运聚的影响更为显著。研究区已发现油气主要位于中上组合，而下组合勘探程度较低［5，29-31］。 模拟结果显示，研究区第二、三排构造带下组合发育的背斜或断背斜圈闭，以及第一排构造带的隐伏断背斜圈闭为油气的有利运聚指向区。现有的勘探成果也证实了这一点：目前，高泉背斜的GT1井下组合已获得重大突破，西湖背斜XH1井、独山子背斜DS1井和呼图壁背斜DF1 井下组合均获得油气显示［5，29］（见图 1），而且呼图壁背斜呼探1井下组合近期又获重大突破［32］。可见，准噶尔盆地南缘喜马拉雅晚期的构造挤压应力在很大程度上控制着油气的分布。

4 结论

1）平面上，喜马拉雅晚期研究区东段阜康凹陷侏罗系齐古组最大主压应力基本上小于60 MPa；四棵树凹陷齐古组最大主压应力比东段大，且靠近天山山前地区的最大主压应力比远离山前地区的大，普遍在120～240 MPa；中段地区齐古组最大主压应力从东到西逐渐增大，中段东部、中部和西部地区最大主压应力分别在 60～150，90～180，180～240 MPa。

2）研究区同一地区埋深较大地层的最大主压应力比埋深较浅地层的大。中段东部地区埋藏较浅的古近系和以上地层最大主压应力主要分布在60～120 MPa，埋藏较深的侏罗系和二叠系最大主压应力主要分布在120～180 MPa；中段中部地区埋藏较浅的古近系和以上地层最大主压应力主要分布在90～120 MPa，埋藏较深的侏罗系和二叠系最大主压应力主要分布在120～210 MPa；中段西部四棵树凹陷地区埋藏较浅的古近系和以上地层最大主压应力主要分布在90～120 MPa，埋藏较深的侏罗系—石炭系最大主压应力主要分布在120～210 MPa。背斜和断裂带处的最大主压应力均比其相邻地层的小。

3）准噶尔盆地南缘喜马拉雅晚期的构造挤压应力在很大程度上控制着油气的分布。研究区油气除受常规浮力驱动外，还受到构造应力的驱动，并在一定程度上加速了油气的运聚成藏。第一排构造带的隐伏断背斜圈闭，第二、三排构造带下组合发育的背斜或断背斜圈闭均为油气的有利运聚指向区。