神木北地区上古生界断裂构造分析及其影响

王俊杰 张菡 张小浩

摘  要：神木北地区位于鄂尔多斯盆地的东北部，富集油气资源，其在上古生界太原组、山西组和石盒子组上发育小型正断层、逆断层、个别切割能力较强的走滑断层及高角度裂缝，由构造作用产生的断层、裂缝及后期由烃源岩内部异常高压使泥岩破裂所形成的裂缝都影响油气运移和油气田分布。该文利用地震资料、钻井资料、测井资料和成像资料结合人工地震合成记录标定法、野外露头调查法等对地震资料处理、解释和结合野外露头调查法、岩心观察法，镜下薄片鉴定法和成像测井方法等识别裂缝构造、发育类型和发育基本规律，上述方法对神木北地区的油气资源勘探，具有重要的研究意义和具体的应用价值。

关键词：神木北；上古生界；断裂构造；构造应力场；油气聚集

中图分类号：P54        文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）05-0090-05

Abstract： The northern Shenmu region is located in the northeastern part of the Ordos Basin， known for its abundant oil and gas resources. In the Paleozoic Taiyuan Formation， Shanxi Formation， and Shihezi Formation， there are small-scale normal faults， reverse faults， strike-slip faults with strong cutting abilities， as well as high-angle fractures. Faults and fractures generated by tectonic activity， as well as fractures formed by the fracture of mudstone due to abnormally high pressure within source rocks， all have an impact on the migration of oil and gas and the distribution of oil and gas fields. This paper utilizes seismic data， drilling data， well logging data， and imaging data， combined with methods such as synthetic seismogram calibration using artificial seismic records and field outcrop investigation. It employs techniques such as core observation， thin-section identification， and imaging logging to identify fracture structures， their development types， and basic development laws. The above methods have significant research significance and practical application value for oil and gas exploration in the northern Shenmu region.

Keywords： shenmu North area; upper Paleozoic; fault structure; tectonic stress field; accumulation of oil and gas

近年，隨着鄂尔多斯盆地天然气勘探工作的不断深化，盆地北部神木地区的天然气勘探取得重要突破。在所勘探的众多油气田中，构造性油气田较为突出。裂缝和断层的存在既影响油气的运移，又在油气田开发过程中起到重要作用[1]。本文主要通过对野外露头剖面、二维地震剖面和一些测井资料和成像测井资料的综合研究，展开本区断裂构造发育特征的分析。

1  区域地质概况及地层特征

鄂尔多斯盆地位于中国大陆中西部，面积约250 000 km2，四周被多个造山带所包围，其边界受到了周缘深大断裂的控制。神木北地区位于伊陕斜坡的东北部，地质构造复杂，众多小断裂分布其中，褶皱较少[2]，二叠系下统太原组、山西组和中统石盒子组是神木北地区主要研究层位。太原组的底部为灰黑色灰岩夹煤层，上部为灰黑色页岩夹灰质结核；山西组底部为灰色、深灰色含砾块状砂岩夹薄层炭质泥岩，上部为铁磨沟砂岩、淡黄色的块状含砾粗砂岩、粉砂质泥岩和煤层等。石盒子组上、下部通过整合接触相连，桃花泥岩是其分界标志。上石盒子组的主要岩性为细粒砂岩和粉砂质泥岩，地层厚度130～170 m，下石盒子组的主体岩性为灰黑色-灰绿色粉砂岩泥岩，地层厚度约为115～165 m。

2  断层及其特征

2.1  断层发育状况

通过对研究区周边保德扒楼沟、柳林成家庄和府谷海则庙3条野外地质露头的勘察，可以发现上古生界野外露头发育断裂构造：海则庙低角度小型逆断层发育在本溪组顶部，断层面产状较缓，倾角在15°左右，整体呈NE-SW延伸，北西倾向，断距1～2 m；海则庙太原组底部巨厚桥头砂岩内部发育走滑断层[3]，断层面倾角大于80°，与桥头砂岩的层理呈大角度相交，东西向延伸；扒楼沟本溪组中上部发现逆断层，断层面产状较缓，其倾角在45°左右，整体呈NNE延伸，倾向北西，断距可达5～8 m；扒楼沟下石盒子组巨厚砂岩内部发现走滑断层，断层面近于直立，断层面与盒7砂岩近于垂直，南北向延伸；成家庄山西组内部剖面上可见2条低角度正断层，南北向延伸，西北倾向，其倾角在30～40°之间，这2条正断层均为小型的层内断层，断距在0.5～1 m左右，明显错断了山西组内薄层砂岩。

2.2  剖面的层位对比及构造解释

根据地震勘探原理，地质模型得到地震记录，利用人工地震合成记录标定方法进行层位标定，由于本次收集的地震剖面比较分散，各个剖面的地震道号不同，无法进行全区的层位闭合分析，所以只能利用各地震剖面所经过或附近的探井的VSP曲线来对各层系进行标定，进行地震剖面的解释工作。本次解释工作是在人机联作工作站上，利用Landmark解释系统对本工区二维地震资料进行精细追踪、对比和解释的[4]。共追踪对比了4个反射层位，在此基础上对收集到的地震剖面进行了解释。

研究区主要位于陕北斜坡的东北部边缘，由于受伊盟隆起和晋西扰褶带的影响，逆断层和小褶皱相对较发育，但其断层规模较小，断距不大，基本在几米到十几米左右。在地震剖面利用波组或波系错断、同相轴的增加或减少、界面两边地震相差异以及同相轴的扭曲或变形等特征来识别断层[5]。

3  裂缝及其发育特征

3.1  野外宏观观察

在选取野外露头良好、构造特征明显、岩层产状较稳定和露头面积较大的剖面进行野外测量。太原组观测点位于府谷海则庙，其岩性为细粒石英砂岩与炭质泥岩互层，砂岩层厚平均为90 cm，泥岩的厚度大约在35～55 cm之间，砂岩裂缝发育程度较低，主要发育了北北东向和北西向两组裂缝（表1、图1（a）、（d）），其中北北东向裂缝比北西向裂缝发育。根据裂缝特点及缝面痕迹可推断出，北北东向裂缝首先经历了流体的影响，在其形成后北西向裂缝开始形成，因此北北东向裂缝的形成时间早于北西向裂缝。

山西组观测点位于保德扒楼沟，可观察到厚度为2.5～3 m的细粒石英砂岩。该观测点与太原组的砂岩裂缝发育程度相似，发育程度都比较低（图1（b）、（e）），与太原组不同的是此砂岩层中只发育了一组北西西向的剪裂缝，这类裂缝的高度大于4.5 m，长度大于9 m；裂缝张开度的范围为1.5～2 mm，裂缝中完全填充了方解石和褐铁矿。除此之外，还含有极少的张裂缝，由于数量较小，不做分析。

石盒子组观测点在成家庄麻塔则西侧50 m，岩性为厚度可达7～8 m的黄绿色石英砂岩（图1（c））。在此观察点发现北北西向和北东向的裂缝（表2），裂缝较稀疏，含有高角度的剪切缝（图1（f））。在野外观察时发现北东向裂缝切割了北北西向裂缝，切割现象突出，由此可以推出，北北西向裂缝的形成时间要早于北东向裂缝。

3.2  镜下微观观察及成像测井识别

研究区岩心上剪裂缝特征主要为延伸距离比较长，破裂面较光滑，个别破裂面上还可见擦痕，表现出极强的切割能力，是天然气运移的一种十分重要的通道（图2（a））；张裂缝破裂面与岩层层里面呈大角度相交，有时会向斜切割，在岩心上形成缓L型（图2（b））；层理缝主要呈现为与层理平行或与层理小角度相交的较平直破裂面（图2（c）），在泥岩、砂岩和煤层中均有发育；改造缝是由剪裂缝和张裂缝共同组成（图2（d）），张裂缝呈锯齿状延伸，在应力作用下，将早期剪破裂面改造成张破裂面，使原来的剪裂缝变为张裂缝。在铸体薄片的镜下观察中，微裂缝和微裂隙大量存在，可分为2类：一类为成岩压溶缝（图2（e）、（f）），是由成岩压实压溶作用形成，多分布在凹凸接触的颗粒之间，被沥青物质充填，可作為油气运移的通道；另一类为构造成因缝（图2（g）、（h）），多为构造挤压成因，裂缝延伸距离远，切穿石英颗粒及胶结物。这类裂缝对气藏的保存不利。

利用收集的10口井成像测井资料，分别在太原组、山西组和石盒子组均识别出构造裂缝，总计220条裂缝，绝大部分剪切缝，无钻井诱导缝（图3）。根据成像测井统计数据可知太原组共识别出北西向、北东向裂缝89条，其中高角度裂缝达有82条；山西组识别出近东西向和北北西向及北东向裂缝82条，其中高角度裂缝有80条；石盒子组识别北西和北东向裂缝49条，高角度裂缝有47条。

3.3  裂缝期次划分

鄂尔多斯盆地东部自上古生界以来经历了多期次构造运动，受到的远程应力较为复杂，因此形成了多套裂缝系统。研究区野外观察露头的裂缝呈现出相互错开、相互切割、相互限制和追踪、利用、改造其他裂缝的交切现象（图4（a））。根据测量的数据分析，得到研究区主要发育南北向、北东向、北北西向、东西向、北西向和北北东向的6组裂缝。在这6组裂缝中南北向、北北西向、北西向和北北东向裂缝的发育程度相对较高，北东向和东西向裂缝的发育程度相对较弱。图4（b）—（d）中可以明确地反映出研究区裂缝的交切和相互关系：此关系可以反映出裂缝的形成时间，由早到晚为北北东向和北北西向、东西向和北西向、南北向和北东向[6]。

4  构造应力场特征

中新生代的鄂尔多斯盆地主要经历的构造运动分为印支活动期、燕山活动期和喜山活动期。三叠纪时期，华南板块与华北板块碰撞，发生了印支运动产生了近南北向的构造应力场，形成了北北东向和北北西向的构造裂缝。在早白垩世之后，由于喜山运动与燕山运动的构造应力方向不同，由于太平洋板块的俯冲和特提斯构造域的挤压使燕山期北西向和南东向构造应力场转变为北东向和南西向构造应力场，岩石圈块体受到了北西向和南东向拉伸（图4（b）—（d））。

5  裂缝的受控因素及成因机制

5.1  受控因素

岩性是影响裂缝发育最基本的因素，随着埋深的增加，泥岩受到高温高压的作用，其脆性增大，容易产生破裂，研究区粗-中砂岩中裂缝数量较少，粉砂质泥岩和泥岩中裂缝数量较多，即岩石的粒度越小，裂缝就越发育；当砂岩和泥岩岩层厚度在逐渐增大的过程中，裂缝数量越来越小，呈现出反比例关系：岩层厚度越大，裂缝发育程度越低[7]；在裂缝形成时期，岩石所受到的应力状态及应力大小也影响裂缝的发育程度，在其他条件相同的情况下，岩石中裂缝发育的程度越高，表明其受到的应力越强；在非均质性较强的砂泥岩交错层位中，泥岩中裂缝倾角小，砂岩中裂缝倾角大，裂缝方向发生变化，并且在露头处可见砂岩中的裂缝密度小于泥岩中裂缝的密度，岩石在垂向上的波速、杨氏模量及泊松比都存在各向异性。由此可见，垂直层理方向的岩石各向异性对裂缝的方位和发育程度均产生影响。

5.2  成因机制分析

鄂尔多斯盆地的基底由各期元古宙变质褶皱带与太古宇陆壳组合而成，最终在吕梁运动中形成。自早古生代以来，除盆地西缘和南缘构造活动强烈外，鄂尔多斯盆地内部沉积盖层构造变形微弱，基底断裂活动也不明显，表现出刚性块体运动的整体性。

对上古生界储集层渗流作用影响较大的主要有构造缝和风化缝，裂缝主要在：印支期、燕山中期和燕山晚期——喜马拉雅早期形成，其中燕山中期是重要的构造破裂期，发育东西向、北东向和北西向3组裂缝，反映构造缝在有效缝中占重要位置。中生界延长组不同层段都发现构造缝存在，其规模较大，斜交裂缝缝壁较为平直，数量多。自三叠纪始，鄂尔多斯盆地经历了华南与华北板块印支运动期间的碰撞对接，产生南北向挤压应力，同时古特提斯封闭产生北东向局部挤压应力。太平洋与欧亚板块在燕山运动时期产生左旋剪切在华北盆地体现为南北向剪切挤压应力，并派生了北西-南东向挤压应力。喜马拉雅运动使盆地受到北东向压应力。这些不同阶段的区域应力作用于盆地，使得其构造变形显著，内部构造活动分异小且整体性强。不同刚性强度块体在旋转与扭动过程中产生扭裂和滑移，基底断裂活动较强，但未导致大规模的断层落差或盖层明显变形。这种活动导致沉降加快，地层厚度增大，主水系规模增大及小断层发育，同时，有助于沉积盖层裂缝发育[8]。

研究区裂缝的延伸方向与前人对邻区下古生界奥陶系和中生界延长组预测的裂缝分布规律，以及在陕北地表实测的节理和裂隙展布规律非常相似，表明古生界和中生界裂缝是统一构造应力场作用下的产物，野外观察的裂缝与地下裂缝一致。这些裂缝带几乎分布在基底断裂带内，表明构造裂缝的分布与基底断裂后期活动有关。

6  构造作用对天然气成藏演化的影响

文献资料显示，神木北部含气致密砂岩储层从早期沉积埋藏到三叠纪中期，经历了快速埋藏和强机械压实阶段。储层压实程度随着埋藏深度的增加而加强，导致原生孔隙大量减少，物性降低，在此阶段，山西组和石盒子组在泥岩中形成欠压实作用，有利于形成天然气的早期聚集条件。自早侏罗世起，储层进入中成岩阶段，其酸性环境导致不稳定矿物溶蚀，孔隙度增加。后期生成次生孔隙，显著改善储层物性。在储层定型阶段，胶结作用使储层物性持续下降。至抬升-改造阶段，储层局部破裂的发生在一定程度上改善了储层物性[9]。在中晚侏罗统，烃源岩排烃强度增大，导致泥岩内异常压力。当压力接近静岩压力时，泥岩发生破裂，高压流体进入致密储层。在早白垩世后期，随着地层抬升和剥蚀，温度降低，高压流体沿构造裂缝散失，向上层储层运移。构造作用形成良好的气体运移通道以及储集空间，对天然气成藏演化产生了深远的影响[10]。

7  结论

1）研究区上古生界断裂构造较发育，包含逆断层、正断层、走滑断层，地震剖面上以逆断层为主；断层的发育不均衡，规模不大，多以层内小型断层为主，个别剖面发育切割能力较强的走滑断层。

2）研究区主要发育70～90°的高角度裂缝，裂缝间距主要集中在小于1 m的范围内；裂缝的张开度主要集中在 0.1～0.5 mm范围内；裂缝的填充率为67.7%。神木北地区先在印支期形成了北北东和北北西方向的构造裂缝；又在燕山期形成了近东西方向和北西方向的构造裂缝；最后，在喜山期形成了北东方向和近南北方向的构造裂缝。

3）研究区在中晚侏罗统，由于膨胀作用，泥岩内部形成异常压力导致泥岩发生破裂，地层孔隙内高压流体沿着裂缝向致密储层内充注聚集。早白垩世后期，地层抬升剥蚀，砂岩储层内高压流体沿着喜山期构造裂缝向石盒子组及其以上储层运移。

参考文献：

[1] 楊华，刘新社，闫小雄，等.鄂尔多斯盆地神木气田的发现与天然气成藏地质特征[J].天然气工业，2015，35（6）：1-13.

[2] 杨华，付金华，刘新社，等.鄂尔多斯盆地上古生界致密气成藏条件与勘探开发[J].石油勘探与开发，2012，39（3）：295-303.

[3] 张威，杨明慧，李春堂，等.鄂尔多斯盆地大牛地区块板内走滑断裂构造特征及演化[J].地球科学，2023，48（6）：2267-2280.

[4] 王一鸣.运用landmark合成地震记录简析[J].化工管理，2016（8）：49.

[5] 张利霞.基于深度学习的地震断层识别方法研究[D].大庆：东北石油大学，2023.

[6] 孙石明.鄂尔多斯盆地东部上古生界裂缝发育特征及构造应力场分析[D].西安：长安大学，2018.

[7] 赵文韬，侯贵廷，张居增，等.层厚与岩性控制裂缝发育的力学机理研究——以鄂尔多斯盆地延长组为例[J].北京大学学报（自然科学版），2015，51（6）：1047-1058.

[8] 田刚，杨明慧，宋立军，等.鄂尔多斯盆地基底结构特征及演化过程新认识[J].地球科学，2024，49（1）：123-139.

[9] 杨引弟.神木北部太原组天然气成藏条件及富集规律[D].西安：西安石油大学，2021.

[10] 李夏.鄂尔多斯盆地东缘临兴地区上古生界气藏特征及主控因素分析[D].青岛：山东科技大学，2018.