四川盆地高石梯-磨溪地区走滑断裂控制下的“层楼式”油气成藏模式:以震旦系-寒武系为例

Strike-Slip Faults Controlled “Floor Type” Hydrocarbon Accumulation Model in Gaoshiti-Moxi Area, Sichuan Basin: A Case Study of Sinian-Cambrian

摘要

走滑断裂对油气成藏具有重要的控制作用.为了探究四川盆地高石梯-磨溪地区走滑断裂在震旦系-寒武系油气成藏中的控藏作用，在走滑断裂的精细地震解释，以及储层溶蚀孔洞充填成岩矿物流体包裹体系统分析的基础上，通过划分走滑断裂活动期次，以及拟定油气充注成藏期次和时期，并探讨二者之间的耦合关系，从而建立油气成藏模式.结果表明，四川盆地高石梯-磨溪地区存在加里东早期、加里东晚期-海西早期、海西晚期及印支期4期走滑断裂，震旦系-寒武系总体存在两期油三期气充注成藏的特征.走滑断裂的活动与油气活动存在良好的时空耦合关系，从而形成了震旦系-寒武系走滑断裂控制下的“层楼式”油气成藏模式.该模式下，走滑断裂垂向连通主力烃源岩与多套优质储层，形成多层系含有油气的格局，且各层系油气成藏特征表现出高度相似性.对存在“层楼式”油气成藏模式的地区，应注重立体勘探.

关键词

走滑断裂 / 流体包裹体 / 成藏模式 / 震旦系 / 寒武系 / 四川盆地 / 石油地质

Key words

strike-slip fault / fluid inclusion / hydrocarbon accumulation model / Sinian / Cambrian / Sichuan basin / petroleum geology

0 引言

自Sylvester（1988）对走滑断裂的术语和分类、概念演化、识别标志、力学机制、派生或伴生构造、存在的问题等进行系统总结以来，国内外对走滑断裂的研究又得到快速发展，在走滑断裂形成演化、分段特征、动力学模型以及走滑断裂带变形特征等方面取得诸多成果（Molchanov， 2000； Timurziev， 2009； de Joussineau and Aydin， 2009； Curren and Bird， 2014； 贾承造等，2021）.同时，走滑断裂与油气资源的关系也得到重视（许志琴等，2004；葛肖虹等，2006；Gogonenkov and Timurziev， 2010），并且大量勘探实践证实了走滑断裂在油气生、运、聚过程中发挥的重要作用（徐长贵等，2017；Rotevatn and Peacock， 2018； Su et al.， 2021； Deng et al.， 2022）.

近年来，我国在塔里木盆地油气勘探过程中开展了大量走滑断裂及其与油气成藏关系方面的研究工作（韩剑发等，2019；邓尚等，2021；贾承造等，2021；汪如军等，2021；罗彩明等，2022；汪洋等，2022；徐中祥和马庆佑，2022；云露和邓尚，2022），总体上揭示了走滑断裂的控储及控藏作用.走滑断裂的精细刻画以及对走滑断裂控储控藏模式的归纳总结，在塔里木盆地深层油气勘探中发挥了重要指导作用.相比而言，在同为克拉通盆地的四川盆地，目前对走滑断裂的研究还很不足.由于该盆地走滑断裂规模小，加之地震资料品质差等因素影响，现有研究主要集中在走滑断裂的识别及特征刻画、形成机理、分布规律以及天然气勘探意义等方面（马德波等，2018；焦方正等，2021；苏楠等，2021；邱泽华等，2022）.在前人对川中高石梯-磨溪地区走滑断裂的研究工作中，马德波等（2018）认为走滑断裂主要为兴凯地裂运动和峨眉地裂运动拉张背景下先存构造薄弱带受到斜向拉张而产生的张扭性走滑断裂，且经历了早加里东期、晚海西期两期活动；焦方正等（2021）指出走滑断裂主要分布在震旦系-二叠系，形成于震旦纪，且存在加里东期-海西期多期继承性活动，具有沟通源储、改善储层、聚气高产的作用.然而，针对川中高石梯-磨溪地区走滑断裂控储控藏作用的相关研究极少（张旋等，2022；管树巍等，2022），尤其是针对走滑断裂的形成演化与油气充注成藏期次及时期间关系的相关研究和直接探讨更为缺乏.鉴于此，本文将在川中高石梯-磨溪地区深层走滑断裂刻画及活动期次拟定基础之上，结合走滑断裂与油气成藏间的耦合关系，探讨并建立走滑断裂控制下的震旦系灯影组-寒武系“层楼式”油气成藏模式.

1 区域地质概况

四川盆地位于我国西南（图1a），是一个在上扬子克拉通基础上发展起来的大型叠合盆地，经历了多期构造运动的改造（何登发等，2011）.盆地的原型盆地叠合特征明显（李洪奎等，2019），在多期构造-沉积旋回演化过程中形成了多套生、储、盖组合，具备大型油气田形成条件及勘探潜力，并已产生大量油气发现（邹才能等，2014；汪泽成等，2016；魏国齐等，2018）.川中高石梯-磨溪地区位于四川盆地中部川中平缓构造带中南部，处于近南北向展布的德阳-安岳克拉通内裂陷槽的中东部，面积达2.7×10⁴ km²（图1b）.该区震旦系-寒武系发育陡山沱组和筇竹寺组两套主要烃源岩，近年的勘探在震旦系灯影组和寒武系龙王庙组取得天然气突破，其储集岩主要岩性为藻颗粒云岩和砂屑白云岩（图1c）.近期的研究表明，沉积微相时空分布对有利储层具有明显控制作用（高达等，2021）；发育规模滩相白云岩储层的寒武系洗象池组也具有重要的油气勘探意义（石书缘等，2022），是潜在的勘探目的层.

川中高石梯-磨溪地区随四川盆地的整体演化也先后经历扬子旋回、加里东旋回、海西旋回、印支旋回、燕山旋回和喜马拉雅旋回.尤其是加里东旋回早期，具有多幕活动的桐湾运动对震旦纪-早寒武世的构造演化、储层发育、油气形成、油气运聚及调整改造具有重要影响（汪泽成等，2014；段金宝等，2019），且由其形成的高石梯-磨溪古隆起在形成于不同构造背景下的多期走滑断裂构造加持下，控制了安岳震旦系-寒武系特大型气田的形成与分布（魏国齐等，2015；马德波等，2018），从而在川中地区形成现今的多层系多期次天然气富集格局.

2 走滑断裂及其形成演化

2.1　走滑断裂特征

根据走滑断层不同的组合样式，在剖面上可识别出高陡直立型、花状、半花状及窄地堑型等多种构造样式（图2）.高陡直立型走滑断层在研究区最为发育，且大多数为张扭性断层，向下可断穿震旦系进入前震旦系，向上断至寒武系甚至断穿至二叠系龙潭组底部（图2a）.花状构造可见正花状（图2b）和负花状（图2c），表明研究区走滑断裂形成过程中既存在压扭构造背景又存在张扭构造背景.半花状构造在研究区较为发育，主要表现为一条主干断层和一条倾向相反的分支断层组成的半负花（图2c）或半正花（图2d）.窄地堑型主要为相距很近的2~3条高陡正断层组成（图2e），这种窄地堑常常是柱状下拉异常体形成的先决条件（杨平等，2017）.

平面上，川中高石梯-磨溪地区走滑断裂分布广泛，但展布杂乱，平面形态复杂多样，有线状、蚯蚓状、弧形、环形、钩状等，断裂组合有雁列式、T型、锯齿状、X型等（图3）.走滑断裂的走向多变，其中规模较大的走滑断裂除台缘断裂呈北西向外，其余多数大型走滑断裂主要呈北西西向、近东西向及北东向（图3a），而小型断裂走向则更加多样化，包括北东向、北北东向、北西向、北西西向等（图3b）.其中，北西向、近东西向走滑断裂多为右旋张扭性质，而北东向走滑断裂多为左旋压扭性质.由于川中地区走滑断裂的走滑位移量普遍非常小，因此不发育贯通式的大型走滑断裂带，而是表现为由一系列雁列式展布或首尾相接式展布的中小型断裂组成较大型的走滑断裂带.此外，川中震旦系-寒武系各层面走滑断裂的发育既具有继承性，也存在明显差异.从震旦系灯影组底界（图3a）和寒武系龙王庙组底界（图3b）的对比可以看出，震旦系灯影组底界面断裂发育数量明显少于寒武系龙王庙组底界面，但单条断裂的规模较大.

2.2　走滑断裂的形成演化

确定走滑断裂活动期次是探究其形成演化过程的关键.从地震资料精细解释可以看出，川中高石梯-磨溪地区走滑断裂主要断穿二叠系底和龙潭组底两个重要不整合面，且大量高陡直立型走滑断裂终止于这两个不整合面（图4）.结合该区发育的高陡直立型、花状构造、半花状构造和窄地堑型等构造样式差异（图2），以及川中高石梯-磨溪地区的构造演化背景等，可综合确定出4期走滑断裂，即：①加里东早期、②加里东晚期-海西早期、③海西晚期和④印支早期走滑断裂（图5）.

加里东早期，受兴凯地裂运动拉张作用的影响，川中高石梯-磨溪地区整体处于伸展性区域应力背景，在寒武纪中晚期发生断裂形成中小规模正断层，主要发育于台缘断裂带以及裂陷槽内部，在台缘形成多级断阶或陡坎（图4，图5中①）.该期断裂的成因机制可能与裂陷槽由早期的热拱张抬升剥蚀转变为后期的热沉降作用有关.

加里东晚期-海西早期，受区域性构造挤压事件显著增强的影响，川中高石梯-磨溪地区走滑断裂活动强烈，剪切性断裂广泛发育，平面呈线形或雁列式展布，剖面呈高角度或直立状（图4，图5中②）.该时期压扭、张扭及纯走滑断裂均发育，形成诸如正花状的压扭构造样式，窄地堑式张扭构造样式，以及高陡直立型的纯走滑断层.该期断裂活动可能与志留纪末期的广西运动有关，形成的走滑断裂多数走向为北西西向或近东西向，部分走滑断裂后期不再活动，即终止于研究区的二叠系底界面.

海西晚期，受东吴运动影响，四川盆地遭受强烈挤压，川中高石梯-磨溪地区在二叠系茅口组沉积末期发育大量走滑断裂，并对早期的伸展断层或走滑断层产生改造，多数断裂终止于龙潭组（P₂ l）底部反射界面（图4，图5中③）.在海西晚期构造运动之后，川中地区中深层走滑断裂面貌基本形成，仅少数断裂后期继承性活动.

印支早期，川中地区在北西-南东向挤压构造应力场作用下，少数早期形成的走滑断裂发生继承性活动，可断达三叠系（图4，图5中④），并基本形成现今川中地区的中深层走滑断裂系统.

3 油气成藏期次及时期

3.1　流体包裹体系统分析

针对川中震旦系灯影组-寒武系油气成藏问题，对142块岩心样品开展了流体包裹体岩相学观察、荧光观察及光谱测定与定量化、显微测温等系统分析工作.分析样品主要来自灯影组和龙王庙组，分别为66块和68块，其余为筇竹寺组和沧浪铺组各1块，高台组2块，洗象池组4块.样品分别采自22口钻井，这些钻井均位于走滑断裂带之上或者附近（图3）.

样品手标本及镜下薄片观察表明，震旦系灯影组-寒武系油气储层中溶蚀孔洞十分发育，呈部分充填或全充填（图6a~6e），且充填情况复杂，具有充填矿物多样、多期，充填序次多变等特征.充填矿物有白云石、沥青、方解石、萤石、石英等（图6f~6k'、6n和6n'），充填序次存在白云石→白云石→沥青（图6f和6f'）、白云石→沥青→白云石→沥青（图6g和6g'）等多种变化样式.溶蚀孔洞中充填的沥青至少有两期，早期沥青揭示了古油藏（早期油充注）的存在（郝彬等，2017），而晚期沥青绝大多数处于高-过成熟演化阶段，佐证了原油裂解成气的过程（李纯泉等，2022）.流体包裹体岩相学观察中主要检测到盐水包裹体、油包裹体、含沥青包裹体、沥青包裹体和纯气相包裹体5种.其中，与油气充注及调整改造密切相关的油包裹体（图6l~6m'）极其少见，主要捕获于基质重结晶白云石和溶蚀孔洞充填早期白云石中，而含沥青包裹体、沥青包裹体及纯气相包裹体在溶蚀孔洞充填白云石、石英和方解石等成岩矿物中均见大量发育（图6h'、6i'、6j'、6k'和6n''）.综合所有样品的流体包裹体岩相学特征观察结果，整体上表明川中高石梯-磨溪地区震旦系灯影组-寒武系储层存在早期的油充注成藏，以及早期油藏的破坏改造和晚期的天然气充注及调整成藏.

3.2　成藏期次及时期确定

利用流体包裹体系统分析所得数据，与单井精细埋藏史图相结合，通过均一温度投影交会法即可获得油气充注时间.该方法已在油气成藏期次和时期确定中得到广泛应用，具体操作可参考Li et al. （2022）.综合本次系统分析所获得的数据，可有效地划分出川中高石梯-磨溪地区震旦系灯影组-寒武系油气充注期次和时期（图7）.震旦系灯影组的油包裹体及沥青揭示存在两期油充注，分别发生在450 Ma左右和249.0~242.8 Ma，即晚奥陶世和早三叠世；而天然气充注成藏存在三期，分别发生在280.0~242.2 Ma、220~173 Ma和110~26 Ma，即中晚二叠世-早三叠世、晚三叠世-早侏罗世、晚白垩世-古近纪.寒武系龙王庙组的确定结果表明也存在两期油充注，分别发生在462 Ma和248.0~242.7 Ma，同样为晚奥陶世和早三叠世；而天然气充注主体存在三期，分别发生在236~165 Ma、157~109 Ma和78~20 Ma，即中晚三叠世-早中侏罗世、晚侏罗世-早白垩世、晚白垩世-古近纪.作为寒武系潜在增储上产勘探目标的洗象池组也存在三期天然气充注，分别发生在230~166 Ma、158~136 Ma和104~86 Ma，即中三叠世-早中侏罗世、晚侏罗世-早白垩世、中晚白垩世.由此可见，川中高石梯-磨溪地区震旦系灯影组-寒武系整体上具有两期油三期气的油气充注特征，寒武系内部各目的层位的油气成藏具有较好的一致性，而与震旦系灯影组的油气成藏具有较大相似性，也存在一定的差异.此外，从检测结果来看，早期油充注特征已不明显，重要的是第二期油充注和三期天然气充注，奠定了该区天然气发现的资源基础.

4 “层楼式”油气成藏模式

4.1　走滑断裂活动与油气充注耦合关系

走滑断裂带具有通源、优储作用，利于油气充注，从而形成富集高产区（马德波等，2018；焦方正等，2021；张旋等，2022）.从川中高石梯-磨溪地区震旦系灯影组二段、四段和寒武系龙王庙组的高产气井与寒武系底界走滑断裂分布的叠合图（图8）可以看出，走滑断裂对各层系高产井的分布具有明显控制作用.前人研究成果也表明钻井产量与距走滑断裂的距离存在负相关关系，即距离走滑断裂越近的钻井，其天然气产量越高（焦方正等，2021；管树巍等，2022；张旋等，2022）.本次流体包裹体系统分析检测结果也充分显示了走滑断裂在油气运聚中的重要作用，具体表现为位于走滑断裂带上或附近的钻井中能检测到的油气充注期次均较全，如高石18井、磨溪119井均完整记录了灯影组的两期油三期气充注，磨溪39井记录了龙王庙组的两期气充注和洗象池组的三期气充注.结合前述走滑断裂活动期次及油气充注期次和时期拟定结果可以看出，川中高石梯-磨溪地区走滑断裂在震旦系灯影组-寒武系的油气成藏过程中发挥了重要控制作用，二者之间存在良好的匹配耦合关系，尤其有前三期走断裂作为古油藏形成及破坏调整的侧向和垂向输导条件，后期走滑断裂的产生及走滑断裂的继承性活动，成就了川中高石梯-磨溪地区震旦系灯影组-寒武系多层系多期油气充注成藏的格局（图7）.

川中高石梯-磨溪地区在加里东早期伸展背景下，产生了早期的中小规模正断层，即第一期较强张扭活动的走滑断层，为筇竹寺组早期排油提供了输导条件，从而形成古油藏，即灯影组和寒武系龙王庙组均检测到的晚奥陶世第一期油充注.加里东晚期-海西早期，扬子板块由伸展体制转变为挤压体制，板内走滑断裂活动强烈，挤压抬升剥蚀，不仅造成烃源岩生烃终止，而且走滑断裂也造成第一期油藏破坏或调整，形成油沥青（第一期）.海西晚期川中地区走滑断裂活动较为强烈，晚二叠世-早三叠世灯影组和龙王庙组均发生了第二期油充注，而灯影组同时发生第一期天然气成藏，龙王庙组仅伴随少量天然气充注.印支早期，走滑断裂持续活动，但强度有所减弱，深部高温热液（>140 ℃±）沿着走滑断裂上升至灯影组及其以上断至层位（龙王庙组、茅口组等），不仅形成MVT铅锌矿和热液白云岩，而且导致先期油发生大量裂解，形成原油裂解气和大量焦沥青（第二期），并在中晚三叠世-早中侏罗世发生了灯影组第二期（寒武系第一期）天然气聚集成藏.燕山期深部走滑断裂基本没有活动，但持续的沉降和多期热液作用，造成原油完全裂解和沥青质生气，于晚侏罗世-早白垩世形成了寒武系第二期天然气聚集.晚白垩世以来，川中天然气遭受整体抬升而调整改造，形成灯影组和寒武系的第三期天然气调整成藏.

4.2　走滑断裂控制下的“层楼式”油气成藏模式

走滑断裂与油气成藏的关系研究在深层碳酸盐岩油气藏勘探中发挥了重要的指导作用.走滑断裂垂向上沟通了多套储集层与烃源岩，对油气高效输导.同时，走滑断裂带通常形成“断溶体”或“断缝体”优质储集体，这类“断溶体”或“断缝体”圈闭不受构造控制，突破了古隆起控藏的限制，是油气聚集的优势场所.正因如此，在走滑断裂发育的碳酸盐岩层系中，通常具有多套优质储层发育，表现为多层系含有油气，且各层系油气成藏特征表现高度相似性.我们把这种走滑断裂控制下的具有相似成藏过程的多层系成藏模式归纳为“层楼式”成藏模式.川中高石梯-磨溪地区震旦系灯影组-寒武系的油气成藏模式即为走滑断裂控制下的“层楼式”成藏模式（图9）.该模式下，多期走滑断裂沟通了主力烃源岩和多套优质储层，走滑断裂与油气成藏过程具有很好的耦合关系，形成多层系油气充注期次和时期高度的相似或相同，如目前已有突破的震旦系灯影组、寒武系龙王庙组，以及潜在增储上产的寒武系洗象池组.针对具有走滑断裂控制下的“层楼式”成藏模式的地区，应该重视立体勘探.

5 结论

（1）四川盆地高石梯-磨溪地区中深层发育大量小型走滑断裂，根据区域构造背景、断裂组合样式及断穿层位等可将走滑断裂划分为4期，即加里东早期、加里东晚期-海西早期、海西晚期和印支早期.

（2）油气充注历史的流体包裹体系统分析表明，四川盆地高石梯-磨溪地区震旦系灯影组-寒武系具有多期充注成藏特征，总体上表现为两期油和三期气充注成藏.寒武系内部各目标层位的油气成藏具有较好的一致性，而与震旦系灯影组的油气成藏具有较大相似性，也存在一定的差异.

（3）四川盆地高石梯-磨溪地区走滑断裂活动与震旦系灯影组-寒武系的油气充注成藏具有很好的耦合关系，走滑断裂对油气充注成藏起到了控制作用，形成了多层系具有相似成藏过程的“层楼式”油气成藏模式.

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基金资助

国家重大科技专项(2016ZX05004-001)