前陆冲断带构造逆冲推覆作用与岩石响应特征*——以库车坳陷东部中-下侏罗统为例

张荣虎 魏国齐 王珂 魏红兴 杨钊 余朝丰 智凤琴

1.中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院，北京 100086 2.中国石油天然气股份有限公司杭州地质研究院，杭州 310023 3.中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司，库尔勒 841000

对构造逆冲推覆与成岩作用相互关系的研究，前人主要在高温变质领域开展了较多的工作。例如，将构造作用引起岩石、矿物的物质调整而产生的岩相和建造过程称为构造动力成岩成矿作用，强调在高温条件下岩石变形或者岩浆结晶时的地球化学作用，并将矿物中元素的调整与应力有机地结合起来，对指导金属矿藏的形成和勘探具有重要意义(杨开庆, 1986；邱小平等, 1993)。国外学者认为构造成岩作用主要研究变形作用和变形构造与沉积物化学变化之间的相互关系，并用于研究和评价储层天然裂缝的孔隙度演化过程(Eichhubletal., 2009；Laubachetal., 2010)。天然裂缝是构造成岩作用的典型产物，其孔隙演化及有效性主要取决于构造作用形成裂缝以后发生的成岩胶结及溶蚀作用(Fossenetal., 2007；Englishetal., 2017)。构造和成岩作用之间相互作用的认识在包括预测注入深部地层的流体行为和非常规深部储层中开发油气资源等在内的大范围的应用中越来越重要(Ferraroetal.,2019；Weisenbergeretal., 2019)。化学和力学过程的相互作用在含有热反应流体和遭受溶解作用、胶结物沉淀和其他化学反应的沉积岩中并不罕见，在变质作用的高温条件下，这些相互作用十分重要(Fossen, 2010；ábalos and Elorza, 2012)。

塔里木盆地是中国面积最大的含油气盆地，也是油气分布与地质成因最复杂的盆地(Zhuetal., 2012a, b，2015，2018，2020)。库车坳陷北部构造带位于塔里木盆地北部南天山山前带(图1)，西从克拉苏河开始，东至阳霞凹陷北缘野云2井，北始于南天山前，南至克拉苏构造带，勘探面积为5900km2；东西长280km，南北宽约30km，自东向西可划分为东段(吐格尔明构造带)、中段(迪北构造带)、西段(巴什构造带)(贾承造等, 2002；汪新等, 2010；王招明, 2014)；库车东部包括迪北构造带、吐格尔明构造带、迪那构造带和阳霞凹陷及周缘地区。全国第四次资源评价表明北部构造带(含巴什构造带)天然气资源量为1.73万亿m3，石油资源量为1.74亿t。持续的勘探发现使得侏罗系成为“西气东输”的储备层系、库车天然气勘探的战略接替领域。前人对这一领域研究认为：北部构造带构造样式具有东西分段特征，总体构造单一，以斜坡背景下的断背斜、断鼻及断块圈闭为主(魏红兴等，2016；张荣虎等，2019)；中-下侏罗统阿合组发育宽缓湖盆辫状河三角洲平原-前缘巨厚河道砂体(何宏等，2002；张惠良等，2002；黄克难等，2003；顾家裕等，2004)；山前带中浅层、深层-超深层砂岩岩石非均质性强，既受沉积微相岩相控制(张荣虎等，2008；高志勇等，2013)，也受构造挤压控制，特别是构造挤压应力控制岩石物理性质特征明显(寿建峰等，2003，2004；李军等，2004，2011；李忠等，2009；韩登林等，2015；杨宪彰等，2016)，而且在常规岩石及致密砂岩岩石均存在(陈子炓等，2001；杨帆等，2002；寿建峰等, 2007；张妮妮等，2015)；岩石构造挤压主要受控于岩矿特征、构造样式和最大有效古应力(孙宝珊等，1996；鲍洪志等，2009；季宗镇等，2010；张荣虎等，2011；张惠良等，2012)。为了明确在库车坳陷东部中-下侏罗统构造演化、逆冲推覆挤压古应力与岩石非均质性的关系，明确规模有效岩石成因及其空间展布，本文开展了基于露头、钻井、测井和微观实验的的综合研究，为优选有利储集性岩石方向提供重要依据。

图1 库车坳陷东部中-下侏罗统地质特征综合图

1 地质概况

库车坳陷位于塔里木盆地北部，是在晚二叠世之前的古生代褶皱基底上历经晚二叠世-三叠纪前陆盆地、侏罗纪-古近纪伸展坳陷盆地和新近纪-第四纪再生前陆盆地演化而形成的。库车坳陷中东部经历多期构造运动，尤其是喜马拉雅运动晚期以来的构造运动导致构造变形强烈，逆冲断裂发育。中-下侏罗统包括阿合组(J1a)、阳霞组(J1y)和克孜勒努尔组(J2kz)，其中阿合组自上而下为第一段(砂砾岩夹泥岩段)、第二段(上砂砾岩段)、第三段(下砂砾岩段)；阳霞组自上而下为第一段(炭质泥岩段)、第二段(上泥岩煤层段)、第三段(砂砾岩段)和第四段(下泥岩煤层段)；克孜勒努尔组自上而下为第一段(上泥岩段)、第二段(砂泥岩互层段)、第三段(下泥岩段)和第四段(煤层砂泥岩段)。阿合组主要为辫状河三角洲上平原沉积，阳霞组主要为辫状河三角洲下平原-前缘沉积，克孜勒努尔组主要为辫状河三角洲前缘沉积。烃源岩主要为三叠系塔里奇克组、侏罗系克孜勒努尔组-阳霞组煤系烃源岩，具有分布广、厚度大、有机质丰度高，现今成熟度普遍较高(Ro>1.0%，处于成熟-高成熟阶段)，以生气为主的特征，为多种类型油气藏发育提供了充足物质基础。储层累计厚度巨大，其中阿合组厚度250～430m，储层厚150～200m，巨厚砂岩叠置连片分布，埋深为1200～8500m，岩石非均质性强；阳霞组厚度380～450m，巨厚-中薄层砂岩有效储集厚度100～150m，克孜勒努尔组厚度500～550m，中-薄层砂岩有效储集厚度80～100m(张荣虎等，2019)。新近系吉迪克组巨厚膏泥岩和膏盐岩可作为良好区域盖层，中-上侏罗统厚层泥岩可作为直接盖层，天然气保存条件好(图1)。

2 构造演化及逆冲挤压古应力特征

2.1 中-下侏罗统构造演化特征

库车坳陷东部吐格尔明背斜新生代构造活动主要经历三期构造演化：第一期构造活动是古新世，吐格尔明背斜核部发育古隆起，下白垩统和中侏罗统克孜勒努组(J2kz)遭受剥蚀，构造高部位缺失，古新世库姆格列木群(E1-2km)在背斜南北两翼超覆沉积，背斜北翼苏维依组(E2-3s)直接超覆于下白垩统之上，吐格尔明背斜中部靠近当时古隆起的构造高点，较晚接受沉积。第二期构造活动是渐新世末，吐格尔明背斜局部断裂重新活动；中新统吉迪克组(N1j)与下伏古近系的局部角度不整合接触；中新统吉迪克组(N1j)与康村组(N1k)的沉积连续，厚度均匀。第三期为上新世库车组(N2k)沉积晚期，南天山隆起，对盆地强烈逆冲推覆挤压产生斜向剪切作用，古老基底断裂发生活化，派生出数条次级断裂，与主断裂共同控制了吐格尔明背斜现今的形态特征，构造高点相对北移。古隆起构造演化总体呈早期北西-南东向，中期持续隆升，晚期最终定型(图2)。迪北地区经历两期构造变形，分别为古新世、上新世，表现为区域性的古近系与下伏下白垩统之间不整合接触。中新世吉迪克组(N1j)发育膏盐岩塑性流动形成的低幅盐构造，造成迪那背斜带顶部的吉迪克组厚度变化大，同时由于膏盐地层的存在，导致上下构造滑脱，形成两套不同的褶皱和冲断构造；迪北背斜与其南侧的单斜带从成因上是一个大型基底冲断褶皱，迪那背斜属于该冲断带南侧的伴生小型滑脱褶皱，膏盐的赋存导致深-浅层变形的差异，将该区的构造样式复杂化(图3)。

图2 库车坳陷东部吐格尔明地区过MN1井南北向构造演化剖面

图3 库车坳陷东部迪北地区过依南2井南北向构造演化剖面

2.2 逆冲挤压推覆古应力特征

库车坳陷南天山隆起造山期，强烈的逆冲推覆活动产生巨大的侧向构造挤压，其最大古应力值通常由声发射法Kaiser效应获取，其与岩石性质和裂缝密度等相关性良好(孙宝珊等, 1996；郑荣才, 1998；鲍洪志等, 2009；季宗镇等, 2010；张荣虎等, 2011)。本次研究通过南天山露头定向大样品(岩样30cm×30cm×30cm)和钻井大样品(岩心10cm×10cm)共12块声发射法古应力分析，结合测井定量最大有效古应力计算表明(表1)，库车河地区侏罗系阿合组所受最大有效古应力为60～120MPa，最大可达142MPa；迪北地区侏罗系阿合组所受最大有效古应力为60～90MPa；吐格尔明地区侏罗系阿合组所受最大有效古应力为60～90MPa。最大有效古应力值总体呈东西带状展布，自北向南减弱降低趋势明显，其中吐格尔明地区受基底卷入古隆起遮挡，背斜北翼侏罗系最大有效古应力值明显比南翼高，二者相差约30～70MPa(图4)。

表1 侏罗系岩石构造挤压古应力与岩石微观特征鉴定表

图4 库车坳陷东部侏罗系最大有效古应力等值线分布图

3 岩石构造动力作用响应特征

通过对岩石的埋藏演化的渐进式微观结构表征和物理性质实测，砂岩岩石在埋藏成岩中晚期，受构造动力挤压作用，主要有4个方面的响应特征：孔隙减小/喉道消失，直至岩石致密化；岩石破裂/裂缝产生，形成应力变形带和裂缝带；地层流体压力快速提高，形成异常高压；加速水-岩相互作用，缝网溶蚀带和胶结充填带。

3.1 构造挤压减孔急剧降低基质孔隙度

构造挤压造成山前带侏罗系岩石基质孔隙快速降低，残余粒间孔大量消失，通过构造古应力、压实减孔模拟、岩石物性测试、微观结构鉴定渐进式实验分析表明，侏罗系阿合组的构造减孔量为8.8%/100MPa(表1、图5)。自北向南随着多级次逆冲断裂的滑脱释压、古隆起基底岩层的遮挡削弱等因素，构造挤压应力逐渐减弱，岩石基质孔隙逐渐得到保存(图6)。以迪北地区DQ06-268剖面为例，主体部分为挤压推覆背景下形成的南倾斜坡带，发育由逆冲断层和反冲断层控制的一系列断鼻和断背斜；构造挤压的最大古应力由北向南从112MPa减小到30MPa左右，而岩石孔隙度与最大古构造应力分布相反，由北向南有逐渐增加趋势，物性趋于升高。同时由于砂泥岩薄互层中泥岩和煤层的顺层和斜向塑性滑脱泄压作用，构造挤压在煤系地层中的中-薄层砂体遭受构造挤压减孔作用明显减弱，岩石基质孔隙度相对较高，如吐格尔明背斜周缘北翼构造挤压最大有效古应力明显高于南翼，纵向上克孜勒努尔组、阳霞组中薄层砂岩由于泥岩和煤层的广泛顺层滑脱释力作用，经受的最大有效构造挤压古应力弱于阿合组巨厚砂岩，同等岩矿类型(如粗粒长石岩屑砂岩、含砾粗粒长石岩屑砂岩、中粒岩屑砂岩)条件，其岩石储集性能(如孔隙度)也相对好于阿合组(图7、图8)。

图5 库车坳陷东部侏罗系岩石构造挤压减孔量与最大有效古应力关系

图6 库车坳陷不同构造样式下侏罗系阿合组构造挤压与岩石性质模拟图

图7 库车坳陷吐格尔明地区侏罗系不同层段构造挤压最大有效古应力变化图

图8 库车坳陷吐格尔明地区吐西1、明南1井侏罗系不同层段最大有效古应力变化曲线

3.2 构造挤压破裂造缝大大增加渗透率

逆冲推覆构造挤压致使中-下侏罗统岩石形成大量颗粒贯穿缝、线性排列缝、颗粒破碎缝，库车河地区裂缝线密度一般在6～8条/米，面密度一般在4～11m/m2；吐格尔明地区阳霞煤矿阿合组构造裂缝线密度约3.3条/米，面密度约0.7m/m2；迪北地区阿合组构造裂缝线密度一般低于0.7条/米，平均约0.2条/米，面密度低于9.0m/m2，平均约2.9 m/m2(图9)。根据迪北地区890块岩石物性分析、微观结构鉴定资料表明：岩石裂缝连通呈网状，可提高岩石渗透率10～100倍，提高岩石基质孔隙度、渗透率使其分别达5%～8%、0.1～1mD，使含裂缝岩石孔隙度达7%～8%、渗透率达1～100mD(最高可达2667.28mD)(图9、图10)。

图9 库车坳陷东部迪北地区侏罗系阿合组岩石物性对比图

图10 库车坳陷东部侏罗系阿合组含裂缝岩石微观特征图

3.3 构造挤压快速提高地层流体压力值

晚喜山期南天山隆升而产生的侧向构造挤压持续时间短(5Ma以来)、构造变形强烈，致使岩石形变特征明显、快速致密化，地层流体承受构造应力，难以快速流动而趋于保持平衡，在构造背斜、断背斜和斜坡背景上形成压力封存箱，造成异常地层流体超压。实测数据表明迪北地区侏罗系阿合组岩石地层压力为68.59～83.47MPa，压力系数为1.73～1.78；吐格尔明地区背斜低部位阿合组岩石地层压力为1.0～32MPa，压力系数为1.1～1.6，背斜高部位因地层暴露地表油气藏泄压而压力系数降低，一般为0.4～1.0(图11)。

图11 库车坳陷东部侏罗系阿合组地层压力系数图

3.4 构造挤压加速水-岩相互作用强度

岩石在构造挤压作用下变得致密化、裂缝化、地层流体异常高压，在此背景下富含碳酸盐的地层流体，煤系地层演化过程中的酸性流体和有机质沿裂缝网络形成高效地层水-岩石作用体系。根据迪北地区800余块岩石薄片鉴定和微观结构扫描资料表明：主要表现在高温高压条件碳酸盐类溶解度提高，趋于欠饱和，基质孔隙中沉淀胶结作用减弱，酸性地层水溶蚀作用增强，缝网系统连通性更好，沿裂缝网络系统的溶蚀作用和伴生胶结作用更加活跃，显微镜下见大量溶蚀缝、溶扩缝和缝孔溶蚀带，局部见裂缝中充填碳酸盐胶结物或交代产物(图12)。

图12 库车坳陷东部侏罗系阿合组含裂缝岩石微观特征图

4 逆冲推覆带规模有效储集性岩石空间分布

4.1 巨厚砂体致密储集性岩石

侏罗系阿合组沉积巨厚砂体，主要为辫状河三角洲上平原辫状河道沉积，复合砂体镶嵌叠置连片累计厚度一般为280～350m(杨宪彰等, 2016)。由上所述，根据对吐格尔明地区侏罗系阿合组岩石大量微观特征及储集性能分析表明，岩石主要受控于构造逆冲推覆挤压、古隆起抬升暴露时期发生的表生溶蚀作用和顺断裂的大气水溶蚀作用，自北向南发育裂缝-溶蚀孔隙型、溶蚀孔隙型、残余原生孔隙型三种类型储集性岩石(图13)。背斜北翼以Ⅳ类储集性岩石为主，孔隙度主要为4%～6%，背斜鼻状构造带以Ⅰ-Ⅱ类储集性岩石为主，孔隙度主要为9%～20%，背斜南翼至阳霞凹陷区以Ⅲ类储集性岩石为主，孔隙度主要为6%～9%(图14)。逆冲推覆构造挤压致使阿合组岩石演化晚期快速致密化，非均质性急剧增强，东西向上主要受不同强度应力挤压带控制，如在库车河-克孜勒努尔沟20km内，阿合组岩石储集性能对比模型图中表明由弱逆冲推覆构造挤压区(库东Ⅳ剖面、库东Ⅲ剖面)的平均孔隙度9%～14%，降至强逆冲推覆构造挤压区(库东Ⅱ剖面、库东Ⅰ剖面)的6%～9%(图15)。

图13 库车坳陷东部吐格尔明地区阿合组岩石成因模式图

图14 库车坳陷东部吐格尔明地区阿合组储集性岩石评价预测图

图15 库车坳陷东部库车河-克孜勒努尔沟侏罗系阿合组岩石储集性对比图

4.2 阳霞组-克孜勒努尔组中-薄层砂体相对优质储集性岩石

侏罗系阳霞组阳二段、四段沉积中薄层砂体，垂向不连续加积，横向呈透镜状延伸较远，累计厚度一般为100～120m，复合砂体横向延伸一般超过1.5km；阳三段巨厚复合砂体分布稳定，累计厚度100～130m，横向延伸超过4km(张荣虎等, 2019)。由上所述，受煤系地层中煤层、泥岩层频繁互层的顺层滑脱释力作用，逆冲推覆构造挤压作用对中-薄层砂体影响较小，岩石储集性能主要受控于岩性和多期溶蚀作用(表生大气水和埋藏酸性水)吐格尔明背斜北翼阳霞组三段(主要目的层)以Ⅲ类储集性岩石为主，孔隙度主要为6%～9%，背斜鼻状构造带以Ⅱ类岩石为主，孔隙度主要为9%～20%，背斜南翼至阳霞凹陷区以Ⅲ类储集性岩石为主，孔隙度主要为6%～9%(图16)。克孜勒努尔组砂泥岩互层段沉积8个旋回，8套复合薄层砂体，主要为辫状河三角洲前缘沉积，砂体垂向上不连续发育，最厚为30～35m，一般为5～20m，横向上呈透镜状分布且延伸较近，一般小于1.8km，主要为500～1000m(杨宪彰等，2016)；背斜主体部位克孜勒努尔组二段(主要目的层)以Ⅰ～Ⅱ类储集性岩石为主，孔隙度主要为9%～20%，背斜北翼、南翼至阳霞凹陷区以Ⅲ类储集性岩石为主，孔隙度主要为6%～9%，自东向西岩石储集性质变差趋势明显。

图16 库车坳陷东部下侏罗统阳霞组二段储集性岩石分布图

5 结论

(1)库车坳陷东部侏罗系在喜山晚期南天山隆起强烈地逆冲推覆活动产生巨大的侧向构造挤压，库车河地区侏罗系阿合组所受最大有效古应力为60～120MPa，最大可达142MPa；迪北地区侏罗系阿合组所受最大有效古应力为90～120MPa；吐格尔明地区侏罗系阿合组所受最大有效古应力为60～90MPa。

(2)岩石构造挤压效应有4种典型特征：急剧降低基质孔隙度，构造减孔量为8.8%/100MPa；破裂造缝大大增加渗透率，网状裂缝大大提高了岩石的渗透率10～100倍；快速提高地层流体压力值，形成异常高压；加速水-岩相互作用强度，沿缝网系统溶蚀作用增强，局部有利于胶结物发育和富集。

(3)构造挤压致使砂岩岩石微观结构、宏观非均质性增强，吐格尔明地区中-下侏罗统发育2类规模有利储集性岩石，阿合组储集性岩石累计厚度超过200m，一般孔隙度6%～10%，吐格尔明背斜南翼储集性岩石孔隙度可达15%～20%；克孜勒努尔组-阳霞组发育中-厚层相对优质储集性岩石，累计厚度大于150m，孔隙度一般9%～15%。