多圈层作用与超深层走滑断控油气藏的形成及分布

The control of multi-spheric interactions on the formation and distribution of ultra-deep strike-slip fault-controlled oil and gas reservoirs

摘要

塔里木盆地超深层资源潜力巨大,走滑断控缝洞型油气藏是近年来超深层油气勘探的主要类型之一。本文从地球系统演化与多圈层作用的宏观视角出发,系统探讨了超深层走滑断控油气藏形成与分布的控制机制。结果表明:塔里木盆地腹部多体系走滑断裂的形成受控于岩石圈多块体相互作用,是塔里木块体与西昆仑和阿尔金块体相继拼贴和碰撞过程中,受盆内大型逆冲断裂向北推挤时形成的调节构造体系,后期受盆缘差异演化的控制,位于盆内不同部位的走滑断裂体系差异活动。多期活动的走滑断裂体系跨圈层沟通大气淡水、盆内热液和壳源热液等不同流体,导致在古隆起斜坡区和低隆区分别形成了特征迥异的断溶体型、热液改造型等断控多类型储集体。自古隆起高部位至斜坡区与坳陷区,多序级走滑断裂与台缘礁滩、台内滩等高能相带在空间上有利叠合,共同控制了“断-相双控型”储层在盆内有序分布。塔里木盆地阿瓦提坳陷、顺北及顺南地区岩石圈结构的差异,不仅控制了三者各异的大地热流背景与非均质地温场,也导致了烃源岩生烃特征的分异。这些因素进一步叠加走滑断裂在主活动期与活动时限上的分区差异,最终形成了顺托果勒地区走滑断控油气藏“西油东气”的分布格局。

Abstract

The ultra-deep resources of the Tarim Basin have enormous potential, and strike-slip fault-controlled fracture-cavity reservoirs have become one of the main types of ultra-deep exploration targets in recent years. From a macroscopic perspective of Earth system evolution and multi-spheric interactions, this study systematically investigates the controlling mechanisms governing the formation and distribution of ultra-deep strike-slip fault-controlled reservoirs. The results show that the formation of multi-system strike-slip faults in the interior of the Tarim Basin is controlled by interactions among multiple lithospheric blocks. These faults developed as an accommodation structural system during the sequential amalgamation and collision of the Tarim block with the West Kunlun and Altyn blocks through the northward pushing associated with large intracontinental thrust faults within the basin. Subsequently, under the control of differential evolution along the basin margins, strike-slip fault systems located in different structural positions exhibited differential activities. Multi-episode strike-slip faults connect across multiple-spheres, linking diverse fluids such as meteoric freshwater, intra-basin hydrothermal fluids, and crust-derived hydrothermal fluids. This led to the formation of distinct fault-controlled reservoir types—including “fault-dissolution body” type and hydrothermally modified types—distributed in the slopes of paleo-uplifts and in low-uplift areas, respectively. From the crestal parts of paleo-uplifts to the slope and depression zones, strike-slip faults of multiple hierarchical orders are favorably superimposed in space with high-energy facies belts such as platform-margin reef-shoals and intra-platform shoals, jointly controlling the orderly distribution of “fault-facies dual-controlled” reservoirs within the basin. Different lithospheric structures among the Awati Depression, Shunbei, and Shunnan areas of the Tarim Basin not only govern their distinct terrestrial heat-flow backgrounds and heterogeneous geothermal fields, but also lead to divergence in the hydrocarbon-generation characteristics of source rocks. Superimposed with zonal differences in the main activity periods and durations of strike-slip faults, these factors ultimately produced a “oil in the west, gas in the east” distribution pattern for strike-slip fault-controlled reservoirs in the Shuntuoguole area.

Graphical abstract

关键词

多圈层作用 / 超深层 / 走滑断裂 / 断控油气藏 / 塔里木盆地

Key words

multi-spherical interactions / ultra-deep / strike-slip faults / fault-controlled hydrocarbon reservoir / the Tarim Basin

0 引言

塔里木盆地超深层资源量极为丰富,其石油和天然气资源量分别达34.5×10⁸ t和 5.98×10¹² m³,分别占盆地石油和天然气总资源量的46%和51%^[1]。“十三五”(2016—2020)期间,中国石化和中国石油在塔里木盆地腹部顺托果勒地区超深层相继发现了顺北油气田和富满油田,揭示了一种新的油气藏类型——走滑断控缝洞型油气藏,揭示盆地腹部走滑断裂带具有“控储、控圈、控运、控藏、控富”特征^[2-5]。超深层走滑断控油气藏的发现实现了勘探思路由“围绕古隆起”寻找岩溶缝洞型油气藏到“拓展低部位”探索断控缝洞型油气藏的极大转变,不仅实现了“古隆起—古斜坡—低部位”的战略拓展,也为推进塔里木盆地超深层海相碳酸盐岩油气勘探开发提供了实践经验^[6-7]。

近年来,地球系统演化和多圈层相互作用对盆地超深层油气的形成与富集的控制作用已成为油气勘探拓展新领域的热点问题^[8-10]。多圈层结构形成了地球的“骨架”,而油气等地质流体组成了地球的“血液”,开展油气地质理论研究须从多圈层耦合的油气形成与富集机理入手^[11]。前期对走滑断控油气藏的研究多从走滑断裂体系成因和断裂控储、控藏机制出发^[4-6,12],尚未从地球系统演化的宏观视角探讨超深层走滑断控油气藏的形成与分布机制。本文从岩石圈多块体作用、基底断裂跨圈层沟通流体等多圈层作用出发,探讨走滑断控油气藏形成与分布的圈层作用动力机制和关键地质要素,旨在进一步深化超深层油气成藏机制理论认识,同时为其它地区和盆地超深层走滑断控油气藏勘探开发提供启示和借鉴。

1 塔里木盆地超深层走滑断控油气藏特征与勘探发现历程

塔里木盆地超深层走滑断控油气藏具有走滑断裂“控储、控圈、控运、控藏、控富”五位一体特征^[4],即走滑断裂带沟通深部主要烃源岩层系、改造致密碳酸盐岩破碎形成储层、并作为主要运移通道将深层油气运聚至储集体中富集成藏(图1)^[5],以顺北油气田和富满油田为典型代表。顺北油气田的发现经历了三个阶段:第一阶段为2012—2015年,在目的层埋深较浅的顺南地区先后部署顺南1、顺南4、顺南5等井,取得天然气重要发现,其中顺南4井获得高产工业气流,证实了顺南地区油气富集与走滑断裂相关;第二阶段为2015—2019年,因顺南地区目的层处于高温高压状态(温度普遍大于 170 ℃、部分井压力超120 MPa),钻完井和测试工程难度大,勘探向顺北中西部转移,在顺北1号断裂带、顺北 5号断裂带和顺北 7 号断裂带均获得工业油气流,证实了顺北走滑断裂带整体含油,正式宣告了顺北油气田的发现;第三阶段为2019年以来,走滑断控油气藏勘探向顺北中部北东向断裂带甩开部署并相继取得重要突破,实现了顺北4号和顺北8号断裂带的整体控制,落实了两个2亿吨级增储阵地,展示了顺北中部走滑断裂体系油气富集与良好的勘探潜力^[5,7,13]。受顺北地区超深层碳酸盐岩断溶体油气藏勘探成功的启示,2018年以来,富满油田部署的风险探井满深1井获重大突破,并逐步落实34条断裂带,累计长度达1 300 km。截至2022年底,富满油田探明地质储量4.8×10⁸ t,形成了10亿吨级储量规模大油气区^[14]。

顺北油气田和富满油田的发现和扩大,实现了塔里木勘探从古隆起(古斜坡) 向低部位“禁区”的空间拓展和重要转变。随着勘探工作的不断深入,当前主干断裂带基本探明,勘探对象向主干间更低序级、更多类型拓展。在顺北油气田,顺深1井等多口低序级断裂带上钻井获得重要油气突破,证实低序级断控领域可成为主干断裂之外新的储量接替阵地^[7,13,15]。在富满油田,富东1井的成功钻探证实了台缘高能滩叠合次级网状断裂改造具备成储成藏能力,突破了早期认为的8 000 m以下超深层碳酸盐岩高能滩的勘探禁区,实现了断控油气藏向断相多类型拓展^[16]。

2 多块体作用形成多体系走滑断裂

2.1 西昆仑-阿尔金与塔里木地块拼贴形成多体系走滑断裂

塔里木盆地腹部走滑断裂体系整体具有“大面积展布,多体系并存”的特点,发育有至少三个体系(图1)^[5],包括:(1)阿瓦提坳陷东部NNW向走滑断裂体系;(2)塔中隆起及北坡NNE向走滑断裂体系;(3)塔北隆起NNE-NNW向“X”型走滑断裂体系等^[12,17]。前人基于盆缘构造演化、盆内走滑体系边界逆冲断裂解析,并开展了地质建模与离散元数值模拟,揭示了多体系走滑断裂的形成受控于盆内大型逆冲断裂带向北推挤,是塔里木块体与西昆仑-阿尔金块体依次拼贴过程中盆缘聚敛挤压背景下的盆内构造响应^[18-19]。

自新元古代晚期从罗迪尼亚超大陆裂解以来,塔里木块体在寒武纪—早奥陶世处于被动大陆边缘弱伸展构造环境。其北侧为古亚洲洋,南侧为原特提斯洋的一部分,其中,西南侧为库地洋,东南侧为阿尔金洋。塔里木块体之上发育统一的碳酸盐岩台地,东部为满加尔坳陷,形成“东盆西台”的构造格局(图2a)。

中奥陶世末至晚奥陶世,原特提斯洋内西昆仑地体与塔里木块体西南缘发生碰撞^[19-20]。受这一构造事件控制,在统一台地基础上形成了和田古隆起和塔中古隆起两大古隆起(图2b)。在塔西南地区,和田古隆起发生整体隆升,吐木休克断裂控制了其北部边界。在和田古隆起东部的塔中地区,受塔中南缘带、塔中Ⅰ号断裂等NWW向边界断裂控制,形成了NWW向的塔中古隆起;同时,塔里木盆地北部地区也形成了塔北古隆起,与和田古隆起、塔中古隆起共同构成塔里木盆地“三隆三坳”的古构造格局(图2b)。

受吐木休克断裂和塔中南缘带、弧形冲断带等逆冲断裂带向北推挤控制,分两个阶段形成了NNW向和NNE向走滑断裂体系(图2)。第一阶段,在西昆仑持续造山作用下,吐木休克断裂向NNE方向推挤,将区域挤压应变进一步传递到盆地腹部(图2b),形成了阿瓦提坳陷东部NNW向走滑断裂体系(包括顺北5号断裂带雏形,顺北7号断裂带、顺北11号断裂带等),该体系主要以右行方式初始活动,调节和田古隆起与塔北隆起两大古隆之间的区域挤压应变。第二阶段,原特提斯洋内阿尔金地体与塔里木块体东南缘发生碰撞^[19,21-22]。在与阿尔金造山作用相关的区域应力驱动下,塔里木盆地东南缘产生向北的构造挤压,在和田古隆起和塔中隆起南缘的塘古孜巴斯坳陷形成弧形冲断带。塔中南缘带与弧形冲断带向北推挤,在顺北5号断裂带东侧形成NNE向走滑断裂体系(包括顺北4号断裂、顺北8号断裂等),该体系以左行方式初始活动,调节塔中隆起与塔北隆起两大古隆之间的区域挤压应变(图2c)。北向推挤可进一步传递至塔北隆起,受北侧边界断裂作为固定边界控制,在塔北隆起形成似共轭走滑断裂体系,包括NNE向走滑断裂体系(包括艾丁14断裂和托普39断裂等)和NNW向走滑断裂体系(包括沙99断裂等),分别以左行和右行方式开始活动,最终形成了盆缘非共轴挤压背景下多体系走滑断裂系统(图2c)。

上述分析表明,多体系走滑断裂是在塔里木块体与西昆仑和阿尔金块体碰撞过程中,受控于盆内逆冲断裂带向北推挤时形成的调节构造,具有“盆缘非共轴挤压、盆内剪切破裂调节”的成因机制^[18]。NNE向和NNW向体系分别指示了块体顺时针和逆时针旋转,而NNE-NNW向“X”型体系指示了纯剪切应变,整体具有纵向挤压和横向伸展的变形机制(图2)。

多体系走滑断裂在盆地腹部规模发育揭示了区域挤压变形由逆冲断裂向盆地腹部递进传播。与塔里木盆地腹部走滑断裂体系类似,在世界其他地区,也发现了与挤压构造环境下逆冲断裂密切相关的多体系走滑断裂,例如以色列北部^[23]、斯瓦尔巴特群岛东部和安纳托利亚东部^[24],伊朗中部和东部^[25],北天山的伊犁盆地^[26]。在这些地区,盆缘挤压传递至盆内,一方面通过逆冲断裂带造成的地壳增厚吸收挤压应变,另一方面通过多体系走滑断裂的形成和块体旋转进一步调节挤压应变的远程传递。

2.2 盆缘差异演化控制走滑断裂体系多期差异活动

三维地震资料精细解析与方解石U-Pb年代学分析表明,塔里木盆地腹部主干走滑断裂自晚奥陶世形成后又经历了多幕次继承性活动,且处于盆地内部不同构造单元的断裂活动时限存在差异^[4,27-31]。例如,位于顺托低隆的顺北4号、顺北8号等NE向走滑断裂经历了晚奥陶世、早志留世、中泥盆世和石炭纪四期活动,而位于塔中隆起的顺北5号断裂南段则经历了晚奥陶世、石炭世、白垩世和古新世四期活动(图3)。部分断裂在多期活动过程中可出现滑移方向的反转,例如,位于塔北隆起的托普39号断裂带在晚奥陶世左行活动,在古新世反转为右行走滑;而位于顺托低隆的顺北5号带北段在晚奥陶世右行活动,在中泥盆世反转为左行走滑(图3)^[4,28-31]。上述不同地区断裂体系多期差异活动与盆缘差异演化密切相关,本文以中泥盆世和古新世塔里木盆地南缘洋-陆和陆-陆演化为例,阐明盆缘差异演化对盆内走滑断裂体系差异活动的控制作用(图4)。

中泥盆世,在冈瓦纳和劳伦两大超大陆开始聚合的背景下,多个陆块边缘发育大规模俯冲带,全球洋盆处于原特提斯洋消亡、古特提斯洋生成的新旧洋盆转换期^[32]。塔里木盆地东南边界在原特提斯洋汇聚作用下受到NNW向区域挤压应力^[33]。在该区域应力作用下,推测盆地腹部顺北地区的最大主应力也为NNW向,造成顺北中东部NNE走向断裂体系发生左行走滑再活动,如顺北4号带、顺北8号带、顺北12号带、顺北14号带。相比之下,顺北西部NNW走向断裂体系因与NNW向的最大挤压应力方向近乎平行而未活化,如顺北7号带、顺北9号带和顺北11号带(图4a)。

受古新世印-欧板块碰撞产生的NE向区域应力影响^[34-35],盆地内部的最大挤压应力方向也为NE向。在此应力作用下,塔北隆起内NNE向走滑断裂(如TP39断裂、AD14断裂和TS314断裂)以及塔中隆起顺北5号断裂带南段发生右行走滑再活动,相比之下,塔北隆起内NNW走向断裂体系因走向与最大主应力方向夹角呈大角度^[28],不利于再活动而未活化(图4b)。

除塔里木盆地南缘外,盆地北缘的多期差异演化对盆内走滑断裂体系多期差异活动也同样具有控制作用^[36]。上述分析表明,走滑断裂多期活动是对盆缘构造变革的盆内变形响应,其具体活动方式受区域最大主应力方向与断裂走向之间的夹角控制。当处于更复杂的地质背景下,盆地内部最大主应力可能非均匀分布,例如,塔里木盆地的南缘和北缘可同时处于挤压状态,盆地内部变形也可同时受地幔柱影响^[33,37]。在这种情况下,走滑断裂体系的继承性活化或滑移反转可用于分析盆地内部古应力场的分布。

3 走滑断裂跨圈层沟通流体控制多类型断控储集体发育

3.1 走滑断裂多期活动改造致密碳酸盐岩形成断控缝洞型储集体

断裂带具有复杂的内部结构,通常由两种具有不同变形特征和孔渗特征的结构单元组成,即容纳主要位移量的断层核,和断层核两侧分布的破碎带,统称为核带结构^[38-41]。受岩石基岩孔隙度影响,核带结构对储层物性具有反向改造作用,即在高孔隙岩层中,断层核部主要发育碎裂岩或断层泥,对储层物性具有负向改造作用;而在低孔隙度(致密)脆性岩层中,断层核部可发育断层角砾岩,孔渗性普遍高于围岩^[42-44]。与上述规律相似,前人基于成像测井资料在位于顺北7号断裂带的SB7CX井中同样识别出了核带结构,断层核部张性角砾岩的孔隙度与渗透率值均显著高于围岩,控制了断控缝洞型储集体的发育^[5,45]。核带结构控制的断控缝洞型储集体在刚性地层内部发育不受深度限制,沿断裂带走向延伸距离可达数百公里,沿断裂带垂向可发育至万米深层,形成了规模可观的走滑断控“板状”储集体^[12,46]。

通过对超深层钻测井与取心资料的系统标定,进一步提出了核带结构呈“栅簇状”发育,并且在不同分段内部断层核部角砾带和裂缝带发育数量和分布特征存在差异^[18,47]。例如,在研究区钻穿顺北4号走滑断裂带压隆段的SB47X井中,电阻率测量、声波补偿测量及井壁成像数据揭示了断控缝洞型储集体呈“栅簇”状发育,具体表现为一个主断面由多组“核-带”储集体组成(图5a)。以②号主断面为例,其内部至少发育6套具有低电阻率、低声波的物性单元,测井曲线形态呈锯齿状、箱型特征(图5a)。结合成像测井与孔隙度测井数据,可将以箱型和锯齿状测井曲线区间分别厘定为断层核部角砾岩与裂缝带^[45,47],由此厘定②号主断面内部发育6组断层角砾岩或裂缝带构成,对应“栅簇状”多组系核带结构。与②号主断面类似,③号主断面也具有类似的“栅簇状”特征,但其核带结构之间间距较小(图5a)。

前人针对碳酸盐岩地层中断层岩的演化阶段及其岩石学特征进行了深入研究^[48-50]。作为脆性断层带的常见产物,断层角砾岩的分类因标准不同而存在多种方案,例如根据力学过程^[51]、分形几何特征^[52]和粒度分布^[53-54]等。其中,前人基于角砾碎屑的尺寸和碎裂磨圆程度建立的断层角砾岩的细分方案具有代表性,可划分为裂隙角砾岩、破碎角砾岩、杂乱角砾岩以及碎裂岩等^[49]。按此划分方案,前期在研究区顺北1号断裂带取芯已观测到裂隙角砾-破碎角砾和杂乱角砾发育的演化序列^[45]。然而,随着断控油气藏勘探从顺北1号断裂带向滑移距更大的东南部顺北8号和顺北12号断裂带拓展^[28,55],井下岩芯获取了具更高演化阶段的断层岩样本(图5b)。在顺北8号断裂带的8 621.05~8 625.55 m深井段,从已胶结致密的断层带中获取了连续岩芯样本,为观测断层岩内部结构演化提供了良好的样品条件(图5b)。依据前述方案^[49],在该段岩心样品中可识别出以下类型:以方解石脉体为角砾边界的裂隙角砾岩、角砾具“漂浮”旋转特征的破碎角砾岩、角砾呈现旋转状且具次圆状化磨圆特征的杂乱角砾岩。除角砾岩相外,还发育有毫米级围岩颗粒组成的碎裂岩,明显呈致密特征(图5b)。在取样层段中,碎裂岩占比达总采样长度的约20%,表明顺北8号断裂带成熟度显著高于前期研究的顺北1号和顺北7号断裂带^[45]。

综上,在致密碳酸盐岩地层中,走滑断裂内部的断裂岩相和储集渗流单元存在阶段性变化。表现为随着断裂活动性增强,走滑断裂带核部由于发育洞穴、角砾空腔的渗透率明显增加。随着断裂活动性进一步增强,断裂核部岩相逐渐演化为致密化的碎裂岩相,致使核部渗透率降低,主要的渗流单元存在于断层核两侧的裂缝带中(图5c)。

因塔里木盆地碳酸盐岩露头普遍经受强烈风化改造,露头地表多被粗沙、砾石覆盖,前期对于碳酸盐岩露头走滑断层平面发育特征鲜有精细解剖,制约了对走滑断层平面分段及其相关破碎-裂缝体系的直观认识。本研究基于对塔里木盆地巴楚-柯坪地区深入踏勘^[56],于图木舒克市永安坝水库达板塔格剖面发现了适合平面解剖的碳酸盐岩小尺度走滑断层露头,并首次通过无人机对研究区进行了航拍和拼图(图6)。

在航拍覆盖区内,该断层可测量长度约30 m,其总体行迹略带弧形特征,走向约北东60°。沿断层走向发育有11个分段,分段间以右阶展布为主。在11号分段东南侧和5号分段北侧可识别出马尾构造发育,指示该断层为右行走滑断层。在分段叠接部位,如有基岩残留,可识别出系列裂缝发育(例如1号和2号断面之间的叠接部位),揭示分段叠接部位是强变形区。除主断层之外,在研究区还发育有系列次级剪切裂缝,走向与主断层一致。部分次级剪切裂缝之间发育有呈高角度相交的裂缝(例如在7号分段南侧三条次级剪切裂缝之间)。

从航拍覆盖区西部到东部,主断层与次级剪切裂缝走向具有高度一致性,表明主断层发育于次级剪切裂缝,是在后者初始形成的基础上,进一步滑移变形,由多条次级剪切裂缝首尾叠接,形成了贯通航拍覆盖区的主断层(图6)。对比该露头尺度走滑断层,顺托果勒地区走滑断裂的形成也必然经历了从米级尺度到千米级尺度的演化,其内部断控储集体也因此具有多组系断面控制的特征(图5a)。

3.2 走滑断裂跨圈层沟通壳幔流体控制多类型储层发育

前期针对塔里木盆地超深层走滑断裂与深部流体相互作用研究揭示了断裂带内部成岩流体存在多样性,包括浅源大气淡水和深源热液流体来源等^[57-58]。本次研究通过对不同区域(阿瓦提东北缘、顺北地区、顺南地区等)走滑断裂体系内部流体性质及储层类型进行对比分析,揭示了走滑断裂在多期活动形成缝洞型储层的基础上,可跨圈层沟通输导大气淡水、盆内热液、壳源热液等不同类型流体,进一步形成断控多类型储集体,且在平面上具有分区差异展布的特征(图7—图9)。

在古隆起高部位,走滑断裂可沟通水圈,叠加表生岩溶作用,形成断溶体型储层。断溶体储集体通常定义为分布于断裂发育区,没有强烈的地层剥蚀和缺失,受断裂控制岩溶作用改造,形成发育深度跨度大(可达1 000 m)、缝洞储集空间为主,且沿断裂呈栅状展布的断控储集体^[59]。具体地,受奥陶纪末塔北隆起强烈隆升影响^[60-64],奥陶系碳酸盐岩顶面发育岩溶风化壳,作为古隆起围斜部位,阿瓦提东北缘地区具岩溶淡水流体活动特征(图7),成岩产物地化证据表现为氧同位素值极负偏和富锶(⁸⁷Sr)特征(图8a, b),且成岩产物方解石具较低的稀土δEu-δCe值交汇分布(图8c),低温度的包裹体均一温度(<80℃;图8d)指示低温氧化的流体来源。在岩石学及储层分布特征上,走滑断控缝洞叠加表生岩溶作用形成断溶体型储层,并可见淡水改造的去白云石化现象(图9a)。综上,古隆起高部位的走滑断裂体系可以沟通浅源淡水形成断溶体型储层。此外,前人在塔里木盆地北部深大断裂带(走滑断裂或压扭型冲断带)附近发现了震旦系其格布拉克组、奥陶系地层内部油气藏伴生富集幔源氦气聚集,具低³He/⁴He比值(8.0×10^-8)特征,指示走滑断裂体系也可作为良好的输导体系沟通深部幔源氦气^[65-67]。

在斜坡区和坳陷地貌区,间歇性岩溶和表生岩溶作用弱,走滑断裂可沟通深部热液,使断控储集体经历埋藏-热液溶蚀叠加作用改造,形成热液改造型储集体。例如,在中部坳陷区的顺北地区,断裂内部主要为壳源热液流体活动(图7),揭示走滑断裂沟通深部盆地火成岩基底相关的热液流体^[68],成岩产物地化证据表现为碳-氧同位素负偏,富⁸⁷Sr的特征(图8a, b),并且在稀土元素分布上具正偏的δEu-δCe值分布(图8c),以及偏高的包裹体均一温度(110~200 ℃,图8d),指示了断裂体系内部高温还原的壳源热液流体来源。地质实例揭示中部坳陷区域以断控型储层发育为主,壳源热液改造效果相对弱,成岩产物以半充填于裂隙中,呈“桥状”充填,形成有效断控储集空间(图9b)。在南部斜坡区的顺南地区,走滑断裂带主要沟通盆内热液(图7、8),流体主要来源于深部的古老、高温的沉积岩层系^[69],具相对低的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值(图8b)以及稀土Eu正异常的特征(图8c),以及高温的流体活动背景(图8d),伴有少量的壳源岩浆硅质流体活动^[70],因为区带具有较高地温梯度背景^[71],成岩产物方解石的均一温度高,可达160~240 ℃(图8d)。在岩石学特征上,断裂破碎围岩经历热液溶蚀改造形成断控热液改造型储集体(图9),热液成因方解石具负偏的氧同位素值、锶同位素值变高的地化特征(图8a, b)。值得注意的是,顺南地区构造活背景强,形成有“压脊”型走滑断裂样式^[18,55],促使断裂内部断层岩核部演化为致密的碎裂岩相(图5b, c),从而抑制断裂垂向的输导性和深部壳源热液的活动性,使得顺南地区断裂内部以盆地热液活动为主。对比而言,断溶体型储层与断控热液改造型储层在储集体分布规律和规模上存在差异,具体地,断溶体型储层受浅部淡水等非饱和流体下渗改造影响,缝洞储层在顶部相对发育,在深部储层规模降低,整体规模相对大;断控热液改造型储集体受深部热流体上涌改造,流体温度升降及酸碱度变化等因素控制储集体在深部改造强烈,而在浅部改造弱,形成“下溶上填”储层发育模式^[72-73],整体储层规模相对小。

综上所述,走滑断裂体系可跨多圈层沟通不同类型流体,不仅可沟通水圈和大气圈,作为大气淡水的下行通道;还可沟通岩石圈和地幔圈层,作为多源热液流体的上行通道。断控缝洞型储层与多类型流体相互作用可形成多类型储集体,在不同构造部位形成差异展布格局:在塔北隆起斜坡区的阿瓦提东北缘形成断溶型储集体、顺托果勒低隆腹部的顺北地区形成壳源热液改造断控型储集体,在东部顺南地区形成盆内断控热液改造型储集体(图7和图9)。

3.3 多序级走滑断裂叠加高能礁滩控制断-相双控型储层有序分布

盆内冲断体系不仅控制了盆地腹部走滑断裂体系的形成(图2),也控制了基底断隆带的发育,形成了古地貌隆-坳构造-沉积分异结构^[74]。古地貌高差与海平面变化可控制陡坡背景下台地边缘相带展布和缓坡背景下的台内滩发育^[75], 多序级走滑断裂体系在空间上叠加台缘礁滩和台内滩等多类型高能相带,控制了断-相双控型储层沿古隆起-古斜坡有序分布(图10)。

中奥陶世末,塔中、塔北等古隆起开始发育,同期海平面进入全球海平面变化最高时期,沿古城和满西地区呈南北向发育的蓬莱坝组、鹰山组台缘带被逐步淹没,由镶边台地演化为缓坡台地,塔中继承性古隆起周缘高能丘滩向高部位退积,使得隆起围斜部位具备发育高能丘滩带的条件^[76],在该地区已有多口钻井揭示高能丘滩的发育,并控制了优质储层分布。例如,位于塔中隆起西侧的顺7井钻揭Ⅱ类储层厚度累计27 m、Ⅲ类储层30.5 m,主要分布在鹰山组上段的颗粒滩、潮缘丘滩相内,实测基质孔隙度1.7%~8.3%、平均4.8%,岩石类型以砂屑灰岩、鲕粒灰岩、藻团块灰岩为主,储集空间以组构选择性粒内、粒间溶孔为主,整体具有典型相控储层特征(图11a-f)。

至晚奥陶世,台缘退积至中央古隆起区,在塔中Ⅰ号断裂高陡断隆边缘发育典型陡坡镶边台缘带,即良里塔格组台缘带,表现为多旋回礁滩体沉积组合。台缘礁滩体以高能的生屑灰岩、砂屑灰岩、砂砾屑灰岩、礁灰岩为主,储集层基质孔隙发育,储集层段孔隙度一般在2%~5%。同时,台缘礁滩体有利于准同生期大气淡水淋溶以及后期各种建设性成岩作用叠加改造,可形成多期溶蚀孔洞与大型缝洞体,储集层孔隙度达10%以上^[77-79]。

近年来,富东1等钻井相继揭示高能相带经走滑断裂改造后可有效提高储层孔渗性能,控制“裂缝+孔隙”型规模储层发育,是下一步断控领域勘探拓展的重要方向^[16]。从塔中隆起到盆地腹部,位于隆起边缘和隆起下斜坡的不同有利相带分布叠加多序级、多类型断裂体系决定了断控类型目标的多样性,在塔中古隆起区优先探索“断裂与台缘礁滩”叠合的目标,在环隆起斜坡带优先探索“断裂与潮缘丘滩”叠合的目标,在顺北低隆区优先探索“断裂与台内滩”叠合的目标(图12)。

4 多圈层作用与走滑断控油气藏的形成与分布

4.1 圈层结构控制古今地温场的分布

塔里木盆地是在前寒武纪陆壳基底之上发育的典型克拉通盆地,其地温场具有克拉通盆地“整体低温、内部不均”的典型特征。塔里木盆地岩石圈整体表现为高刚性,自中生代以来进入稳定的热演化阶段,新生代叠加了盆地边缘挠曲热演化过程,导致自始新世以来岩石圈增厚,加之深部构造稳定,共同造就了盆地现今低地温的背景^[80-81]。然而,其热结构在纵向与横向上均存在显著分异。从垂向热结构看,壳幔组成与岩石圈厚度的差异是控制塔里木盆地各次级构造单元古今热流与深部温度的关键。前人基于稳态热传导方程的一维地壳热结构模型揭示,盆地内阿瓦提东北缘岩石圈平均厚度达177 km,而顺南地区平均仅为149 km,两者存在近30 km的厚度差异(图13)^[7]。这一结果与面波层析成像所获得的140~180 km岩石圈厚度范围高度吻合^[82-84]。岩石圈结构的巨大差异直接导致了截然不同的热状态:顺南地区平均地表热流值约为49 mW/m²,较阿瓦提东北缘高出约11 mW/m²(图14a)^[87]。

在横向上,基底构造形态与沉积盖层热物性的耦合作用主导了地温场的分布格局。顺托果勒低隆起具有东南高、西北低构造背景,控制了阿瓦提东北缘、顺北与顺南地区呈现出热分异特征。阿瓦提东北缘沉积了巨厚的中—新生代低热导率地层,而顺南地区则热导率相对较高。这种热物性差异引发了强烈的热折射效应^[85-86],驱使热流优先向构造高部位(如顺南隆起)聚集,从而在隆起区形成高温异常,而在构造低部位(如阿瓦提东北缘)则形成相对低温区(图13,图14b)^[7,87]。

综上所述,塔里木盆地的地温场特征是一个受多级因素控制的复杂系统:一级控制来自于其所在的克拉通大地构造背景及深部动力学过程,奠定了整体的低地温基调;二级控制体现在岩石圈尺度上厚度与结构的不均一性,如阿瓦提东北缘、顺北与顺南地区的差异,决定了区域热流的基本格局;三级控制则发生于盆地尺度,由基底形态与岩性热物性差异共同控制。

4.2 圈层结构与断裂活动共同控制油气相态空间有序分布

走滑断控油气藏发育的不同分区具有不同的大地热流背景,并且不同走滑断裂体系活动期次也存在差异(图3, 图14)^[87]。从阿瓦提东缘到顺南地区,自西向东大地热流值具有逐渐增加的趋势,造成不同地区在地质历史演化过程中存在差异(图14)^[87]。与此同时,前人研究揭示了在上述不同地区原地烃源岩条件也存在差异,顺北地区烃源岩品质整体优于阿瓦提坳陷和顺南地区^[4-5,88]。基于地温条件差异^[87],顺北东区地质历史时期中地温梯度最高,该区烃源岩较早进入生气阶段;顺北西区地质历史时期中地温梯度相对较低,该区烃源岩演化相对滞后,最晚进入生气阶段(图15)。

地震地质综合解析和方解石胶结物U-Pb定年数据揭示研究区不同走滑断裂体系活动期次存在差异(图3)。例如,位于阿瓦提东北缘的顺北7号断裂带活动持续时间较短,主要在加里东中晚期活动。单个油包裹体统计表明顺北7号断裂带原油主要在加里东晚期充注^[89],与断裂主活动时期一致。然而,顺北地区走滑断控油气藏主要在加里东晚期以及海西期充注成藏,也与走滑断裂活动期一致^[90-91]。顺南地区寒武系烃源岩在加里东中晚期进入生烃高峰^[92],烃源岩开始规模生排烃,并且在该时期顺南地区走滑断裂活动,推测在该时期发生油气成藏,现今勘探证实顺南地区鹰山一间房组发育小规模气藏^[91]。前人研究认为顺南地区天然气主要为喜山期成藏^[93],而本研究认为,顺南地区走滑断裂在喜山期并未活动,推测在“压脊型”构造样式控制下,断控储集体主要沿断裂带在深部发育^[18],因而断裂早期活动发生的规模烃类并未运聚至现今目的层,而是聚集在中奥陶统以下地层。随着后期地层埋深增加,地层温度的增加,早期聚集的烃类裂解成气,在喜山期伴随着盆地南部强烈的构造应力作用^[94],深层天然气发生向上运移聚集在一间房组-鹰山组碳酸盐岩储层中聚集成藏,因此当前钻井在顺北东部中下奥陶统地层中并没有发现规模储层沥青^[91]。

综上所述,阿瓦提坳陷东北缘、顺北地区、顺南地区地温场差异控制了烃源岩热演化的差异,而不同地区走滑断裂活动时限的差异控制了油气成藏期次的差异。多重因素叠加造成了不同地区走滑断控油气藏相态有序分布,即阿瓦提坳陷东北缘主要发育轻质油藏、顺北地区主要发育挥发油藏以及凝析油气藏,顺南地区主要发育干气藏(图13)。

5 结论

本文从地球系统演化与多圈层作用新视角探讨了塔里木盆地超深层走滑断控油气藏形成与分布的圈层作用动力机制和关键地质要素,取得了3项认识。

(1)塔里木盆地腹部多体系走滑断裂的形成受控于岩石圈多块体相互作用,是塔里木块体与西昆仑和阿尔金块体相继拼贴和碰撞过程中,受盆内大型逆冲断裂向北推挤时形成的调节构造体系。主干走滑断裂自晚奥陶世形成后普遍经历了多幕次继承性活动,受盆缘差异演化的控制,位于盆地内部不同构造单元的走滑断裂活动时限存在差异。

(2)走滑断裂体系作为跨圈层流体沟通的主要通道,既可成为大气淡水下渗的通道,也可作为深部热液上涌的途径。在致密碳酸盐岩地层中,走滑断裂多期活动形成了初始的断控缝洞型储层,而后又经不同类型流体的叠加改造,最终形成了断溶体型、热液改造型等多类型断控储集体。自古隆起高部位至斜坡区与坳陷区,多序级走滑断裂与台缘礁滩、台内滩等高能相带在空间上叠合,共同控制了“断-相双控型”储层的有序分布。

(3)塔里木盆地阿瓦提坳陷、顺北及顺南地区岩石圈结构的差异,不仅控制了三者各异的大地热流背景与非均质地温场,也导致了烃源岩生烃特征的分异。这些因素进一步叠加走滑断裂活动时限的分区差异,最终塑造了轻质油藏、挥发油藏、凝析油气藏以及干气藏“西油东气”的有序分布格局。

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基金资助

国家自然科学基金企业创新发展联合基金项目(U21B2063)

国家自然科学基金企业创新发展联合基金项目(U24B6001)