准南前陆地区冲断构造的地震剖面特征

准南前陆地区冲断构造的地震剖面特征

根据对山地南缘代构造、中新生代沉积系统和石油地质特征的综合比较研究，新疆南部的生、储、盖组合和壳密度的石油地质特征基本相似，如卡桑特南部的库车地区（陆华福等，2000；苏军和刘德光，2001；康玉柱，2003；贾承坚等，2005；郭耀杰等，2007）。然而，近年来的石油和天然气勘探实践存在较大差异。天山南缘的库车地区相继发现克拉2等一批大型气藏,天然气探明储量超过万亿方(贾承造等,2005);而在准噶尔盆地南缘地区,虽发现了齐古、霍尔果斯、独山子和呼图壁等油气田,但至今仍未获得克拉2气田这样大型超大型的油气藏。影响上述勘探结果的主要因素是什么?准噶尔南缘是否具有形成大型油气藏的条件?或者准南大型油气藏的勘探方向如何?针对上述关键问题,本文结合“大型油气田及煤层气开发”国家重大专项专题研究成果,从准南构造解剖入手,探讨构造控藏作用的基本特征,并对准南大型油气藏勘探方向提出粗浅认识。1层序地层特征新生代以来,由印-藏碰撞的远程效应产生的持续挤压改造了天山地区的构造格局,在天山两侧发育了一系列近东西走向的冲断褶皱带(Tapponnier&Molnar1979;Monlar&Tapponnier1975;Avouacetal.,1993;Yinetal.,1998),形成再生前陆盆地(Luetal.,1994;卢华复等,2000)。天山北缘前陆冲断褶皱带由南向北依次发育喀拉扎—齐古—托斯台山前冲断带、霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁冲断褶皱带和独山子—安集海冲断褶皱带等(图1)。它们是一系列向北逆冲的断层以及断层转折褶皱、断层传播褶皱、双重逆冲构造等断层相关褶皱(Burchfieletal.,1999;邓起东等,2000)。最南侧第一排山前冲断褶皱带主要由齐古背斜、喀拉扎背斜、托斯台背斜等多个构造组成。第二排构造霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁冲断褶皱带长约130km,自西向东为霍尔果斯、玛纳斯和吐谷鲁3个背斜带,褶皱核部出露最老地层为始新-渐新统安集海河组和沙湾组,两翼为上新统和中、下更新统(图2)。第三排褶皱带由西向东由独山子、哈拉安德和安集海背斜带组成,长约80km。其中独山子背斜形成最早,变形也最强烈,核部地层为上新统独山子组黄褐色砂泥岩,两翼为中、下更新统。吐谷鲁背斜东北部的呼图壁背斜和独山子背斜西北侧的西湖隆起,是正在形成之中的活动背斜,也有人称其为第四排构造带。准噶尔盆地南缘盆地沉积充填始于古生代晚期,二叠系-第四系陆相沉积层序发育较为完整(图1,表1)。其中二叠系自下而上由阿尔巴萨依组、泉子街组、梧桐沟组等组成,岩性主要为凝灰质砂砾岩、角砾岩、安山玢岩-玄武安山岩等,三叠系由上苍房沟群和小泉沟群等组成,岩性以棕褐色、灰色泥岩、泥质粉砂岩、岩屑砂岩、砂质泥岩等较为常见,下部的上苍房沟群发育特征的辫状河-辫状河三角洲相的砂砾岩沉积。侏罗系的分布十分广泛,最大沉积厚度可达4000m。准噶尔盆地南缘侏罗系自下而上由下侏罗统的八道湾组、三工河组,中侏罗统的西山窑组、头屯河组以及上侏罗统的齐古组、喀拉扎组组成。其中八道湾组下部灰色砂岩夹泥岩,上部砂质泥岩与砂岩互层,夹薄煤层或煤线,总体以辫状河—滨浅湖相沉积为主,并经历了湖水逐渐变深的过程;三工河组沉积时期准噶尔盆地历经两次大规模湖侵,其南缘以辫状河-三角洲相沉积为主,岩性主要为灰绿色泥岩、砂岩,夹薄层煤线;西山窑组沉积厚度为侏罗系地层中最大,局部超过1000m,多灰绿色砂岩、泥岩,富含煤层和煤线,且厚煤层普遍集中于中下部,湖沼相沉积特征明显;头屯河组主要为杂色泥岩、砂质泥岩和砂岩,以辫状河沉积为主,自下而上红色条带增多,反映气候开始逐渐变得干旱;上侏罗统的齐古组以红棕色、紫色泥岩与砂岩互层为主,且上部多泥岩,厚度在玛纳斯河地区达到最大;喀拉扎组以特征的棕褐色、褐红色砾岩为主,在野外常构成陡峭的山峰被称为“喀拉扎红色岩墙”。准噶尔盆地南缘白垩系由吐古鲁群、东沟群等组成,灰绿色泥岩夹砂岩、底部砾岩等较为发育,且早白垩世-晚白垩世经历了沉积水体变浅、沉积范围缩小的过程。古近系地层自下而上由紫泥泉子组、安集海河组和沙湾组构成,其中紫泥泉子组主要发育紫红色泥岩、砂岩;安集海河组多为杂色泥岩、砂质泥岩夹砂岩,以湖相沉积为主,是古近系中沉积范围最大,沉积水体最深时期;而沙湾组以褐红色泥质粉砂岩、泥岩、砂砾岩夹层为主。新近系由塔西河组(N1t)和独山子组(N2d)的巨厚沉积组成,前者多为褐红色砂质砾岩和泥质砂岩,后者下部以褐黄色砂质泥岩、上部砾岩与砂岩互层较为常见。第四系西域组以特征的西域砾岩发育为特征,夹灰色中粒岩屑砂岩、砂质泥岩透镜体等。上述沉积体系特征,构成了盆地石油地质的物质基础。2准南褶皱冲断构造带的结构分析2.1南玛纳斯背斜深层构造三角图3所示剖面,南北向切过了南玛纳斯背斜与南安集海背斜过渡位置(近于南玛纳斯背斜西端)、霍尔果斯背斜和安集海背斜。以此为代表,分析准南冲断构造的几何学基本特征。南玛纳斯背斜西端的构造形态主要受两条南倾逆冲断层所控制,这两条断层均源自山前造山带基底。在准南不同地段,盆山边缘断层表现有所不同,多数为基底卷入型的高角度逆冲断层。浅层断层向上逆冲进入古近系安集海河组泥岩滑脱层,断层的滑移量一部分持续向北传递,形成霍尔果斯地表单斜形态,另一部分被一条反向逆冲断层所消耗。这条反向逆冲断层向上逆冲推覆至地表,但断层主要沿安集海河组泥岩滑脱层滑脱,并未造成上下盘地层出现明显的形态差异。这条反向逆冲断层与浅层断层一起构造了一个构造三角楔。因此,南玛纳斯背斜的西端构造形态主要表现为浅层的构造三角楔叠加在深层逆冲推覆构造上的叠瓦构造(图3)。深层断层自基底向上逆冲进入侏罗系煤层滑脱,断层在霍尔果斯背斜下伏分岔,断层的一部分滑移量向北逆冲推覆至安集海背斜并被安集海背斜全部吸收,另一部分在霍尔果斯背斜下伏形成一复合型的构造三角楔形态,形成了霍尔果斯背斜深层的复合三角楔构造,且断层向上转入安集海河泥岩滑脱层,与霍尔果斯背斜下伏的浅层断层交汇,并一起向北逆冲推覆至地表(图3)。显然,霍尔果斯背斜是一个叠加构造。背斜浅层为一个单斜形态,并可见到沿安集海河组的地表断层(图2),深层为复合的构造三角楔。这与野外观察也是一致的。从上述典型剖面分析可以看出,准南冲断褶皱带一个重要特征,是发育深浅双层滑脱构造,浅部主要滑脱层是安集海河组(E2-3a)泥岩层系,而深部滑脱层是中侏罗统西山窑组(J2x)煤层。2.2生长地层和构造发育的地层天山新生代的构造活动和隆升一般认为始于新近纪(Hendrixetal.,1994)。但关于准南山前几排褶皱冲断带的形成时间,还有不同的认识。前人从地层接触关系、沉积岩性岩相变化、冲断带发育特征、低温热年代学和磁性地层学等方面分别开展了多项研究,取得许多新的成果。邓起东等(2000)基于白垩系与侏罗系间的不整合关系,认为山前第一排构造形成始于侏罗纪末期,喜马拉雅期定型并自晚更新世以来不再活动;同时他们认为(邓起东等,2000),第二排霍尔果斯背斜构造活动开始应为上新世末期,其构造全盛时期在西域组砾岩沉积之后,该褶皱冲断带是至今仍然活跃的构造带,而独山子—安集海褶皱冲断带最初是在早更新世末、中更新世初形成的。近年来沿准南不同剖面的新生界开展了多项磁性地层学研究,为限定构造时限提供了可靠的年代学约束。虽然对同一条剖面还有不同的解释结果(Dae¨ronetal.,2007;Charreauetal.,2008;2009;SunandZhang,2009;Luetal.,2010;Lietal.,2011),但对新近系特别是独山子组和西域组的时限判定基本是相同的,如不同学者对塔西河剖面的研究结果均显示剖面中砂砾岩互层的岩段沉积开始于约6~7Ma,而西域砾岩在不同地段沉积的穿时性也得到共识(SunandZhang,2009;Luetal.,2010;Lietal.,2011)。生长地层记录了冲断褶皱构造带的发育过程,是(确a定)构造形成时间的最可靠依据(Suppeetal.,1992)。近年来,在天山两侧前陆冲断带,生长地层已被多位学者应用于确定构造变形时间和变形速率(汪新等,2002;2010;郭召杰等,2006)。郭召杰等(2006)和Li等(2010)确定了天山北缘三排冲断褶皱带生长地层的发育状况,提出了三排褶皱带形成的相对时间序列(图4)。在山前第一排喀拉扎背斜处侏罗系—新生界均被卷入褶皱构造中,其南侧一个明显的角度不整合关系显示,新近系独山子组砂砾岩互层层系不整合于遭受褶皱变形的侏罗系(J)—新近系塔西河组(N1t)之上,而在喀拉扎背斜北翼,独山子组及其上覆层系与下伏的塔西河组—侏罗系表现为整合接触关系,且地层倾角是逐渐变缓的,表明独山子组含砾层系沉积与喀拉扎背斜的形成是同期的,是受同构造作用控制的生长地层。磁性地层学结果给出的独山子组砂砾岩互层岩段沉(积b开)始于6~7Ma(SunandZhang,2009;Luetal.2010;Lietal.,2011),由此判定这也是山前第一排冲断褶皱带的形成时限。按照同样的方法和原理,在第二排冲断褶皱带霍尔果斯构造的南翼和吐谷鲁构造的北翼,发现和确定了西域组上部的层段为典型生长地层,基于磁性地层学结果(SunandZhang,2009;Lueal.,2010;Lietal.,2011),确定了第二排构造形成应该在2Ma。第三排构造独山子—安集海褶皱带仅凭褶皱两翼被褶皱的岩层产状变化难以确认生长地层。安集海背斜北翼不整合于被褶皱剥蚀的独山子组之上的中更新统乌苏群(Q2w),呈现向褶皱核部减薄尖灭的典型生长地层特征,由于没有可靠的年代学资料约束,我们曾在该层的砂岩夹层中获得光释光年龄为(145.8±13.47)ka,推测第三排构造形成于中更新世(1Ma之后)。上述事实表明,准南构造变形是自天山向盆地传播和渐次变新的。Charreau等(2008;2009)曾提出霍尔果斯冲断褶皱带的生长构造开始于10Ma左右,Daёron等(2007)也提出过安集海背斜生长地层开始于7.4Ma,其观点与我们野外观察有所不同。他们主要基于地层产状特别是倾角的变化外延推测的,我们认为冲断褶皱带岩层倾角的变化不一定是生长地层的标志。另外他们的结果多是限定天山快速隆升的时限,而我们野外的观察结果表明,山前不同构造带形成时间是不同且渐次变新的,第二排和第三排构造形成时间显然要比第一排晚,我们的上述结果是合理的。生长地层确定了三排构造形成的相对时间,磁性地层年代学结果提供了准确的时间刻度,结合构造剖面平衡恢复可定量分析天山北缘三排褶皱带的构造变形特征。Li等(2010)对沿塔西河的剖面运用面积平衡法进行平衡恢复,以独山子组(N2d)底为标志层该剖面最小构造缩短量为8.75km,缩短率为20%。其中山前齐古背斜最小构造缩短量为2.9km,缩短率为15.1%,取其持续活动时间为7Ma,得到其缩短速率为0.36mm/a。第二排吐谷鲁背斜最小构造缩短量为5.9km,缩短率为23.7%,取其持续变形时间为2Ma,计算得到缩短速率为2.9mm/a。同样对过独山子背斜地震剖面进行平衡恢复,得到的最小构造缩短量为4.3km,缩短率15.7%,如取其变形时间1Ma计算,得到缩短速率为4.3mm/a。综合对比三排冲断褶皱带,由南向北构造缩短速率逐渐增大,表明新生代晚期以来天山构造活动有加强趋势。3准南石油地质基础与构造勘探的联合管理3.1烃源岩及盖层条件从表1所示准南地区的盆地沉积充填体系可以看出,与天山南缘的库车地区相比,准南地区的烃源岩发育条件相对更有优越性,共有多套层系的烃源岩发育(表2),自下而上分别是上二叠统芦草沟组和红雁池组、上三叠统黄山街组、下侏罗统八道湾组和三工河组、中侏罗统西山窑组、下白垩统吐谷鲁群和古近系安集海河组,其中仅古近系烃源岩为低成熟阶段,其他都是成熟或过成熟阶段(况军和刘得光,2001;康玉柱等,2003;李延军等,2004;陈世加等,2004;阿布力米提等,2004;郭召杰等,2007;孔祥星,2007;魏东涛等,2008)。上述烃源岩大致划分为两大类:以煤系地层为主的烃源岩,包括二叠系、三叠系和侏罗系,其中以侏罗系中下统西山窑组和八道湾组最为重要,分布范围最广,煤系地层最厚;以湖相暗色泥岩为主的烃源岩,主要是下白垩统吐谷鲁群和古近系的安集海河组。已有的研究表明,天山南北缘前陆坳陷中储集层系的岩石类型和物性特征也基本是相同的(朱如凯等,1999;况军和刘得光,2001;郭召杰等,2007;高志勇等,2010),而盖层条件确有巨大差异。在库车地区古-始新统库姆格列木组(E1-2)盐岩和中新统吉迪克组(N1j)盐岩构成优质的盖层(汪新等,2010)。而准南地区不发育同期的盐岩层,但发育多层区域性泥岩,自上而下主要有塔西河组、安集海河组和吐谷鲁群三套区域性盖层。上述盖层条件的差异,是否是影响天山南北缘油气藏形成与分布不同的主要因素,还值得进一步研究,也不是本文讨论的重点。以上述三套区域盖层为依据,可将准南划分3套可靠的含油气系统或者成藏组合(表1),包括下组合的中、下侏罗统(八道湾组J1b+西山窑组J2x)—上侏罗统(J3)含油气系统,中组合的吐谷鲁群(K1tg)—紫泥泉子组(E1z)含油气系统,和上组合的安集海河组(E2-3a)—沙湾组(E3s)含油气系统。3.2好石山南北缘准南前陆冲断构造圈闭带天山南北缘前陆冲断带的发育机制相同,都是由于喜山期天山隆升并向两侧扩展而形成的。构造几何学特征也基本相似,均是前陆冲断构造形成的断层相关褶皱。天山南北缘冲断褶皱构造的主要差别,是形成时间有所不同。天山南缘前陆冲断带的启动时间较早大致开始于25Ma(汪新等,2002;卢华复等,2000),而准南第一排构造形成时间大致在6~7Ma,由于山前第一排构造主要为基底卷入的冲断构造带,且多已冲断或者剥露出地表,除个别地段外不利于油气聚集,因此在天山南北缘山前第一排构造带均不是勘探的重点。山前第二、三排构造带是有利的圈闭构造带,但天山南北缘的形成时间明显有别,如南缘克拉苏构造带~16.9Ma(汪新等,2002;卢华复等,2000),圈闭形成早,油气有充足的运移充注时间,故形成以克拉2为代表的高丰度大型天然气藏;而北缘第二、三排构造带形成时间可能晚于2Ma,虽然也是有利的圈闭构造,但油气运移和充注时间较晚,圈闭中油气充满度较低,如最早发现开发的独山子油藏和新发现的霍尔果斯油气藏(李学义等,2005;吴晓智等,2006)(图5)。准南前陆冲断构造的另一特征是发育双层滑脱构造(图3),特别在第二排构造带(霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁)表现最为突出。如霍尔果斯背斜(图2,3),其核部出露最老地层为古近系安集海河组(灰绿色)和沙湾组(紫红色),地表沿安集海河组底部发育一南倾断层(图2)。对第二排逆冲至地表的推覆断层及其相关褶皱的认识较为一致,而深部构造解释则有所不同,但一般被解释为受深部西山窑组(J2x)滑脱面影响的断层相关褶皱的叠加组合。受双层滑脱构造的影响,准南不同含油气系统特别是下组合与上层构造圈闭间缺乏有效运移通道,使得准南构造圈闭也表现为分层控制的特点。如在霍尔果斯油气田,圈闭中的油藏被认为源自于白垩系烃源岩,而独山子油田油气可能主要来源于安集海河组烃源岩(李延军等,2004;阿布力米提等,2004;孔祥星,2007;魏东涛等,2008)。上述事实证实,目前以浅层构造为目标的圈闭中,油气主要不是源自于侏罗系的天然气聚集。4准南大型和大型油气藏的地质背景据现有勘探资料表明,在准噶尔盆地南缘第一排冲断褶皱带共钻了数十口井,发现了齐古油田等,但多数地段仅见油气显示。第二排构造带中霍尔果斯背斜和吐谷鲁背斜在第三系中均获得工业油流(李学义等,2005;吴晓智等,2006)。第三排构造带的独山子油田是最早发现的,主要目标层是沙湾组。呼图壁构造发现了商业规模气藏(陈世加等;2004),但并没有钻穿上白垩统探至下部成藏组合(侏罗系成藏组合)。上述勘探实践,当前虽在准南发现多处油气藏,但还没有类似克拉2气田一样的超大型油气田的突破,以致使人深思:准南是否具有形成超大型油气藏的地质条件?准南超大型油气藏的勘探方向在哪里?从上文准南地区盆地沉积充填系统、新生代构造变形、石油地质条件和含油气系统分析等综合研究,准南形成大型和超大型油气藏的物质基础(生、储、盖、圈等)与天山南缘的库车地区相似(表1,表2),特别是以侏罗系为源岩的煤系地层具有形成大型天然气藏的源岩条件(康玉柱,2003;贾承造