牛成民 薛永安 黃江波 郭 濤 王孝轅 李正宇
(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)
郯廬走滑斷裂帶貫穿整個渤海海域,是渤海油田最為重要的油氣富集帶[1-8]。多年的油氣勘探表明,走滑斷裂帶附近發(fā)育各種類型的油氣藏,約占渤海已發(fā)現油田的70%。渤海海域走滑斷裂的研究始于20世紀90年代,在形成機理、識別標志及對油氣成藏控制作用方面取得了重要成果,獲得了規(guī)模性商業(yè)發(fā)現,但這些成果都是基于地震資料能夠清晰識別、具有典型走滑特征的斷裂之上,稱之為“顯性”走滑斷裂。在渤海海域多年的勘探實踐中,也發(fā)現了這樣一類斷層,它與顯性走滑相伴生,不易識別,但對圈閉的形成、油氣的運聚具有明顯的控制作用,因此與顯性走滑相對應,可稱之為“隱性”走滑斷層。隱性走滑斷層的發(fā)現和研究是建立在渤海海域郯廬斷裂帶長期勘探實踐的基礎之上,不同于常規(guī)走滑斷層,它是區(qū)域與局部應力場、基底斷裂活動及潛山塊體扭動影響下在沉積盆地蓋層中產生的具有不同成因及規(guī)模的斷裂趨勢帶,大部分屬于深走滑斷裂的伴生構造,具有較強的隱蔽性[9-12]。
渤海海域隱性走滑實例眾多,在局部區(qū)域也做過相關研究,但海域范圍內關于隱性走滑整體性研究較少,對隱性走滑成因機理、識別技術及控藏作用缺乏系統的闡述。筆者依托渤海海域新連片處理三維地震資料,運用走滑斷層相關構造理論,對海域走滑斷裂帶及其派生斷層的幾何學、運動學特征進行研究,分析渤海海域隱性走滑斷層的形成機理和控制因素,并對現有的隱性走滑構造樣式進行分類,以期進一步明確隱性走滑的地質意義及控藏作用。
郯廬斷裂帶作為中國東部最重要的深大斷裂,自其形成以來歷經多期次構造運動[13-14]。早白堊世,郯廬斷裂帶發(fā)育于伊澤納崎板塊向東亞大陸斜向高速俯沖背景下,發(fā)生大規(guī)模左行走滑運動,在渤海海域古潛山依然保留該時期走滑運動證據,即走滑斷層在潛山內幕位移量大,向淺部活動性逐漸減弱,在沉積蓋層形成“隱性”走滑破裂。晚白堊世至漸新世,西太平洋板塊向東亞大陸斜向俯沖轉變?yōu)檎蚋_,中國東部巖石圈形成弧后擴張體系,使得郯廬斷裂帶左行走滑運動向東西向伸展運動轉變,以遼東灣地區(qū)最為典型,先存走滑斷層在近東西向伸展應力作用下轉變?yōu)榭匕歼吔鐢鄬?,同時也掩蓋了走滑斷層的典型幾何學和運動學特征,“隱性”特征凸顯,識別難度增加。古近紀中晚期,西太平洋的弧后擴張和印度板塊向北碰撞中的構造擠出作用產生的區(qū)域動力使得郯廬斷裂帶發(fā)生擠壓兼右行走滑活動,該時期走滑位移量相對較小,主要表現為沿剪切方向的扭動作用,黃河口凹陷隱性走滑斷層表現為雁列化的小規(guī)模正斷層組合,控制了晚期河流水系和砂體的分布。
郯廬斷裂帶貫穿渤海灣盆地,自中生代形成以來控制著渤海灣盆地的構造變形。郯廬斷裂帶的剪切活動為隱性走滑斷層的產生提供了先決條件。郯廬斷裂帶在渤海海域可分為3段[15],每段特征不盡相同,構造特征差異性決定了隱性走滑斷層的密度、活動強度和識別難度。在遼東灣段,郯廬斷裂帶走向主要為北北東向,以深大斷裂為主,走滑斷層均為新生代早期活躍,晚期活動減弱或停止,走滑派生斷層和隱性走滑斷層在淺部地層難以發(fā)育;在渤東段,郯廬斷裂帶走向發(fā)生偏折,且持續(xù)活動特征顯著,受古近紀以來的強走滑剪切作用影響,新近紀次級斷層均呈雁列化定向排列,這是隱性走滑斷層發(fā)育的重要特征;在渤南段,郯廬斷裂帶具有晚斷晚衰特征,分為東、中、西三支,東強西弱,西支以扭動作用為主,隱性走滑斷層呈單支發(fā)育,與主走滑斷層形成“繼承”和“接力”的關系(圖1)。
巖石圈底部的熱作用和板塊邊界作用傳遞到板塊內部的區(qū)域擠壓作用是兩個相對獨立而又相關的動力系統,導致渤海地區(qū)發(fā)育新生代伸展構造和走滑構造兩個相對獨立而又相關的構造系統[16-17]。始新世,地幔底辟構造動力強烈,渤海海域裂陷伸展作用占主導地位,發(fā)育大型東西走向伸展斷裂。漸新世后,地幔底辟作用相對減弱,渤海海域走滑作用規(guī)模逐漸擴大,通過利用和改造先存伸展斷層面,形成了伸展和走滑構造系統相互疊加的構造樣式。構造分析表明,大型伸展斷層由于中間位移量大與末端位移量小而出現局部走滑作用,這一特征在弧形伸展斷層或在伸展斷層之間出現轉換斷層時更為明顯。在局部小走滑和郯廬走滑斷裂帶控制下,伸展斷層在與走滑斷層相交位置出現端點被走滑作用“拖拽”現象,表現為伸展斷層末端走向與走滑斷層走向趨同,甚至與走滑斷層軟連接。分析認為,伸展應力向走滑剪切應力過渡轉換,導致主走滑斷層剪切作用范圍向兩側擴大,為隱性走滑斷層發(fā)育提供了必要條件。
圖1 渤海海域構造綱要圖
隱性走滑斷層是主走滑斷裂派生的調節(jié)走滑斷層,盡管活動強度弱,但仍具有典型走滑斷裂特征,如發(fā)育位置、產狀特征、控制派生伸展斷裂、斷裂兩側地震反射特征差異明顯等。根據現今發(fā)現并證實的隱性走滑斷層發(fā)育位置及成因,可將渤海海域隱性走滑斷層劃分為3大類5小類(圖2)。
主要發(fā)育在盆地或斷陷邊界,與主走滑或邊界斷層緊密相連,形成空間位移量的相互調節(jié),根據發(fā)育部位可進一步細分為側翼型、末端型和橋連型。
1) 側翼型:發(fā)育位置靠近斷陷邊界斷層,傾向與邊界斷層相一致,主要形成于晚期走滑作用對先存伸展斷層的改造作用,地震剖面上同向軸間斷不明顯,但可見次級斷裂呈“似花狀”和“Y字形”對稱分布;平面上次級斷裂呈羽狀沿隱性走滑斷層走向排列,并多見羽狀斷層傾向相對或相背,這與其在剖面上的對稱分布相一致。該類型也是走滑斷層發(fā)育早期的構造樣式。
圖2 隱性走滑斷層分類
2) 末端型:發(fā)育在主走滑斷層末端,是強剪切應力與伸展應力相互過渡交織位置,常和馬尾狀或疊瓦狀調節(jié)斷層相伴生,其活動時間持續(xù)較長,斷距大,派生斷層多,一般為成組出現,調節(jié)走滑斷層末端位移量,可同時具有伸展性質。平面上可見分支斷層雁行排列,并逐級搭向主走滑斷層過渡;剖面上可見“Y字形”或“似花狀”斷層,花心部位即為隱性走滑斷層位置。
3) 橋連型:發(fā)育于主走滑斷層之間的疊覆區(qū),表現為弱剪切向強伸展應力過渡,平面上呈一組或多組雁列斷層與主走滑呈小角度相交。在共軛剪切作用下,隱性走滑斷層剪切方向與主走滑斷層相反,同時受主走滑斷層顛覆區(qū)性質影響可表現出伸展或擠壓兩種性質。渤海海域南部地區(qū)走滑疊覆區(qū)主要為右行右接型,該類型隱性走滑斷層具有伸展性質。
發(fā)育在盆地或斷陷內部,屬于主走滑斷層早期活動,晚期走滑作用停止或減弱,僅表現為扭動和弱剪切,在沉積蓋層形成一系列雁列式走滑-伸展斷層,剖面上見“似花狀”構造。該類型隱性走滑斷層控制了早期盆地基底形態(tài),常見于基底坡折帶、局部小隆起和小洼陷等,晚期走滑作用相對減弱,其剪切扭動作用形成派生斷層,調節(jié)走滑剪切位移量,但斷距較小,斷達深度淺。
多組產狀直立的走滑斷層呈“柵欄”發(fā)育于潛山內幕,少數斷層可斷達沉積蓋層。該類型隱性走滑斷層多存在于凸起區(qū),剖面上見特征同向軸斷續(xù)分布,上下同向軸間斷點近垂直規(guī)律排列,少見派生斷層;平面上見多條隱性走滑斷層近平行發(fā)育,梳狀排列。潛山直立型走滑斷層與盆內轉換型具有相似的成因,但由于凸起區(qū)長期遭受風化剝蝕,節(jié)理和裂縫廣泛發(fā)育,在走滑剪切應力場作用下,斷層沿節(jié)理縫等薄弱區(qū)擴展而形成現今構造樣式。
隱性走滑斷層在地震剖面上常形成為扭動構造樣式,表現為斷層兩側構造產狀突變、深部花狀構造控制的局部褶皺以及基底的多級撓曲斜坡等,此外地震反射特征的橫向突變也是隱性走滑斷層重要的識別標志[18-19]。在地球物理技術方面,大量勘探實踐表明利用常規(guī)地震剖面和技術手段解釋隱性走滑斷層較為困難,渤海油田通過對隱性走滑斷層成因機制和發(fā)育特征的長期深入研究,發(fā)現最大似然屬性以及剖面尋差技術、走滑斷層增強技術的應用可以大大增強隱性走滑的識別度,并形成了隱性走滑斷層識別的有效技術組合。在地球物理技術難以識別的情況下,根據渤海海域各個區(qū)帶研究成果,利用隱性走滑“三性”識別法亦可對隱性走滑斷層位置進行判斷。
3.1.1最大似然屬性技術
最大似然屬性(Likelihood)的計算基于地震相似性屬性,故在計算最大似然屬性之前應首先計算相似性屬性。常規(guī)相似性屬性是相鄰道之間地震反射特征(波形、振幅、相位等)的對比關系,為壓制噪音突出斷裂的成像。Hale[20]于2013年提出了以突出斷裂識別為導向的相似性屬性S(數值范圍0~1),具體公式為
(1)
式(1)中:g表示三維地震數據體;下標s表示對括號內的地震數據體任意點的構造導向平均值;下標f表示沿著斷裂走向、傾向方向進行一次濾波,用以增強相似性屬性計算穩(wěn)定性。在地震反射中,與斷裂有關的不連續(xù)的強反射可有效識別斷裂?;诖?,Gersztenkorn & Marfurt 提出在顯示斷裂等構造特征時使用較大的垂向平滑時窗,在顯示河道等地層特征時使用較小的時窗。為凸顯這些垂向的相似性平滑屬性,定義了最大似然屬性,即
L=1-Sn
(2)
式(2)中,指數n根據不同工區(qū)而定。這樣,增加了斷裂的最大似然屬性高低值對比度,從而增強了地震反射中無明顯斷距的斷裂識別度。
在蓬萊20-2油田的評價中,利用該方法成功識別出低部位隱性走滑斷層,并與常規(guī)相干屬性識別結果進行對比,可見最大似然屬性對該油田區(qū)隱性走滑斷層的分辨精度更高,斷層連續(xù)性更強,更符合斷層的實際地質特征(圖3)。
圖3 最大似然屬性在識別蓬萊20-2油田隱性走滑斷層中的應用
3.1.2剖面尋差技術
受走滑扭動平移作用的影響,剖面上隱性走滑斷層兩盤存在地層產狀突變及反射特征差異。在蓬萊20-2油田的評價中,通過對地震剖面進行特殊處理來放大斷層兩盤的這種差異,以此達到識別“隱性走滑”斷層的目的。反射強度屬性是顯示地震信號的總能量,具有比輸入的地震數據更高(或更低)的振幅范圍,對反射特征差異的描述要比常規(guī)地震資料更加明顯(圖4a、b)。從反射強度剖面可以看到,隱性走滑斷層兩側色差明顯,反射強度值具有明顯的差異,清晰指示隱性走滑斷層發(fā)育的位置(圖4b)。
地震分頻技術是一種基于頻譜分析的地震處理方法,將地震數據分解為不同的頻率成分。根據研究對象選擇相應的敏感頻率成分進行分析,可以選擇性放大局部反射特征的差異。基于該原理,從單頻剖面可以看到,隱性走滑斷層兩側地震同向軸具被明顯地錯斷,斷層面成像清晰,兩側地層呈屋脊狀上翹,清晰指示隱性走滑斷層的存在,反映隱性走滑斷層斷面的位置(圖4c)。
圖4 剖面尋差技術在識別蓬萊20-2油田隱性走滑斷層中的應用
由此可見,通過對地震數據體進行特殊處理,采用反射強度屬性及單頻體屬性來放大地震剖面上斷層兩側的反射特征的差異性,可以為隱性走滑斷層的識別提供依據。
3.1.3斷層增強技術
經過有針對性的技術攻關,發(fā)現在平面上基于斷層保邊算子的分頻傾角濾波組合技術制作的高精度相干體切片對隱形走滑斷層的識別效果較好,曲率類、相位屬性等幾何類屬性對于隱形走滑也有較好的識別效果。通過這些敏感屬性的組合,對隱形走滑斷層斷面進行增強,以此來識別隱性走滑。首先對研究區(qū)地震資料進行頻譜分析,利用帶通濾波去除高低頻噪音的干擾。利用Landmark軟件中的保留斷層濾波模塊,在不破壞斷面的情況下,去除斷面附近的部分噪音干擾,使得斷面更加清楚,易于識別和解釋。對于油田區(qū)不同尺度斷裂的識別,可使用Structure Cube模塊對不同頻率的單頻體進行傾角校正并制作相干,優(yōu)選高敏頻率進行重構融合,形成高精度傾角校正相干體。該技術在萊西構造帶構造解釋中取得了良好效果,郯廬走滑斷裂中支隱性走滑段可清晰顯示(圖5),為該區(qū)帶的構造研究和勘探突破奠定了基礎。
3.2.1地層厚度及產狀突變性
盡管隱性走滑斷層活動弱,但從區(qū)域地質特征分析著手,考慮特殊地應力的影響,在走滑斷裂帶附近,即使地震資料同相軸較連續(xù),根據地層產狀的突變性仍可以識別解釋隱性走滑斷層。例如,渤中26-3油田2井和9井區(qū)附近平面構造等值線產狀發(fā)生突變,2井區(qū)構造等值線密集、地層產狀較陡;而東側的9井區(qū)構造等值線平緩、地層產狀較緩,這是識別隱性走滑斷層可能發(fā)育的一個證據(圖6)。當然,斷裂兩側地層厚度差異是“顯性”走滑斷裂典型識別方法,該方法也可用其識別隱性走滑斷層。例如,墾利6-4區(qū)的主走滑末端,地震同相軸雖然較為連續(xù),但斷層兩側地層厚度變化較為明顯,也是隱性走滑斷層發(fā)育的有利證據。
3.2.2斷裂掉向分帶性
主走滑斷裂與隱性走滑斷裂共同作用的控制區(qū)域斷裂發(fā)育,主走滑控制的派生斷裂平面延伸長度受隱性走滑斷裂約束,多數派生斷裂發(fā)育至隱性走滑斷裂即終止,且兩條走滑之間地層受地應力作用類似,容易形成掉向一致的派生斷裂,因此在區(qū)域上分析斷裂發(fā)育規(guī)律可判斷是否存在隱性走滑斷裂。例如,青東凹陷墾利20構造帶控制邊界的北北東向斷裂為走滑斷裂,其近東西向的伸展斷裂掉向具有明顯分帶性,即東區(qū)調節(jié)斷裂北掉,西區(qū)調節(jié)斷裂南掉;渤中26-3油田2井和9井區(qū)之間也存在類似現象(圖6),指示兩組掉向相反的斷裂之間存在隱性走滑斷裂,才能形成區(qū)域應力場的平衡。
圖5 斷層增強技術在識別萊西構造帶隱性走滑斷層中的應用 Fig .5 Application of fault enhancement technique to recognition of potential strike-slip fault in Laixi structure belt
圖6 渤中26-3油田隱性走滑斷層識別標志
3.2.3油水關系復雜性
多條走滑斷裂平行發(fā)育可形成走滑轉換帶,受走滑斷裂主次的影響會形成雙階模式,當形成右行左階模式時,兩條走滑斷裂之間的斷裂呈壓扭性質,不利于油氣運移和成藏。如果同一構造內,在構造高度、儲層特征相似的條件下,油水關系差異明顯,可考慮差異區(qū)之間可能存在隱性走滑斷裂。例如,渤中26-3油田同一構造上的同一期砂體構造高度相當,但先后鉆探的2井和9井的含油氣情況及油水關系差異明顯,分析認為正是隱性走滑斷裂的存在才導致2井與9井區(qū)被隱性走滑阻隔所致。
郯廬斷裂的活動與盆地的沉積沉降旋回具有一致性,其伸展和走滑活動形成了大量的圈閉,渤海海域隱性走滑斷層屬于郯廬斷裂的有機組成部分,因此對油氣成藏具有重要的控制作用[21-22]。近年來,隨著對隱性走滑斷裂帶勘探實踐力度的逐漸加大,渤海海域隱性走滑斷裂控藏作用研究取得了重要進展。
渤海海域勘探實踐已證實,圍繞著走滑斷層發(fā)育大量構造圈閉,說明走滑斷層及其伴生構造帶和圈閉形成具有密切關系。目前渤海海域發(fā)現的圈閉主要為構造圈閉,主要歷經古近紀拉張伸展斷陷活動和晚期走滑活動的雙重作用,構造活動異常復雜,產生多個方向的多條主斷裂和大量的次生斷裂,這些斷裂互相交錯、切割,產生了大量的構造圈閉,由于伸展和走滑共同作用以及不同構造縱向上的疊加,大多數圈閉都具有伸展和走滑復合圈閉的特征。隨著勘探程度的增加,常規(guī)的構造圈閉基本鉆探殆盡,不斷創(chuàng)新思路尋找新型圈閉是可持續(xù)發(fā)展的必由之路。但隱性走滑斷層在剖面上的特征不明顯,對這類斷層的解釋在很大程度上是要顛覆以往的地震解釋模式,必須結合區(qū)域地應力及特殊技術手段,以建立隱性走滑控制下的隱性圈閉解釋模式。例如,蓬萊20-2構造原來解釋方案圈閉不發(fā)育,創(chuàng)新隱性走滑解釋模式后,在構造區(qū)解釋一條北東向隱性走滑斷層,雖斷距不大,但可形成隱性構造圈閉,后經鉆探證實圈閉有效并可成藏(圖7);渤中34-9構造由于受火成巖覆蓋影響,使得地震資料品質差,多年來難以落實,通過隱性走滑斷裂構造解釋的成功應用,落實圈閉,勘探評價獲得大中型優(yōu)質油氣發(fā)現。另外,通過隱性走滑斷層與伸展斷裂的聯合控圈作用分析,在渤海海域新發(fā)現錦州25-1西、墾利3-3、渤中2-1、秦皇島28-2和蓬萊15-2等多個有利構造目標。
圖7 隱性走滑斷層控制構造圈閉發(fā)育
從形成機制上看,隱性走滑斷層水平位移相對主走滑要小,壓扭應力弱,斷層兩盤地層很難產生變形,但根據走滑壓扭應力及其成因機理,幾百米的水平位移足以對構造特征及油氣成藏起到至關重要的控制作用,因此隱性走滑斷層具備控制圈閉的條件。根據隱性走滑斷層應力作用方式、斷裂組合樣式,渤海海域可識別出S型轉換和疊覆型轉換兩類隱性走滑模式。當隱性走滑斷層連續(xù)性較好時,在其彎曲部位容易形成S型轉換帶;當走滑斷層不連續(xù)展布,而是呈多條分支斷裂首尾互相疊覆展布時,在其重置部位容易形成疊覆型轉換帶。疊覆轉換帶和S型轉換帶彎曲部分的應力狀態(tài)會相應形成不同的應力場條件,使得圈閉不同部位呈現拉張、壓扭作用,圈閉規(guī)模各異。
在渤海海域,隱性走滑斷裂帶主要表現為東西兩支近南北向的郯廬斷裂與東西向的伸展斷裂呈正交切割,在走滑與伸展雙重作用下,平面上形成“H”型或“田”型組合,這種伸展與走滑疊覆作用下的特定構造樣式,導致在砂體富集模式方面有其自身的特點。新近系沉積時期,雖然整體地層分布均一,古地貌變化較小,但從墾利9-1油田明化鎮(zhèn)組砂體實鉆分布來看,其展布方向與隱性走滑斷層走向相一致,均呈南北向發(fā)育,說明隱性走滑斷層在沉積晚期也控制著微古地貌的分布,進而控制著新近系河流相的發(fā)育和分布(圖8)。另外,渤中34-9油田區(qū)由于受南北向隱性走滑斷層的影響,斷裂帶地層易受淋濾剝蝕,產生明顯的低勢區(qū),如斷槽型溝谷均為有利的砂體輸送通道,特別是在斷槽兩側斷裂活動差異影響下,可以形成沿一側斷槽分布的狹長型溝谷,盆內凸起或低凸起經風化剝蝕后形成的碎屑物質沿狹長型斷裂溝谷進行長距離輸導,在古近系沉積時期形成隱性走滑控制下的局部疊覆型砂體富集模式。
圖8 隱性走滑斷層控制新近系曲流河沉積體系
郯廬斷裂至今仍處于新構造活動期,這促成了油氣晚期成藏[16]。渤海海域上新世以來的新構造活動也是郯廬斷裂重新加強活動的過程,它形成并改造了大量圈閉,溝通了烴源,形成了油氣輸導系統,促成了油氣的晚期成藏。隱性走滑斷層一般發(fā)育于走滑斷裂帶,從規(guī)模和應力性質來講也屬于走滑斷裂的派生斷層,因此隱性走滑斷層的存在必然伴隨走滑斷裂,隱性走滑發(fā)育區(qū)必然存在雙階模式,即右行左階為擠壓應力場,右行右階為拉張應力場。
如果在相鄰或者同一構造區(qū)域所有控藏條件都相當,但鉆井揭示油水關系存在明顯差異,考慮到走滑斷層具有很強的側向封堵性,推斷差異區(qū)之間可能存在不易識別的隱性走滑斷層。例如,墾利9-1油田在同一構造上相同構造高度鉆探的4口井儲層發(fā)育程度相當,但含油氣情況和油水關系差異明顯(圖9),究其原因,正是因為隱性走滑斷層的存在導致4井區(qū)與其它井區(qū)局部應力場性質相反,形成雙階模式共存,其中“走滑擠壓區(qū)”油氣運移不暢,烴類難以大規(guī)模聚集,如該油田4井區(qū)2口井油層只有1~4 m;而“走滑伸展區(qū)”油氣運移暢通,烴類規(guī)模性成藏,如該油田的1井區(qū)油層近70 m。
1) 渤海海域隱性走滑斷層發(fā)育于大規(guī)模剪切應力背景,伸展斷層末端牽引及郯廬斷裂帶多期次走滑運動疊加是該地區(qū)隱性走滑斷層發(fā)育的主要成因。
2) 根據斷層發(fā)育位置及控制的構造單元,可將渤海海域隱性走滑斷層劃分為盆緣調節(jié)性、盆內轉換型和潛山直立型,其中盆緣調節(jié)型可進一步細分為側翼型、末端型和橋連型。
3) 最大似然屬性技術、剖面尋差技術、斷層增強技術等地球物理技術及“三性”識別法的應用,可以大大提升渤海海域隱性走滑斷層的識別與解釋效率。
4) 控藏研究與勘探實踐表明,渤海海域隱性走滑斷層控制了該地區(qū)隱性圈閉、油氣運移、斷層封堵等油氣成藏的各個要素,大大擴展了勘探空間,指導了近2億噸優(yōu)質探明儲量的發(fā)現,而且豐富并完善了渤海灣盆地斷裂控藏的理論和實踐。