赵乐强，贾凡建，曹 剑，刘 慧，边雪梅，高剑雄

(1. 中国石化 胜利油田分公司，山东 东营 257000； 2. 南京大学 地球科学与工程学院， 南京 210023)



准噶尔盆地西北地区断层内流体活动过程及对断层启闭性的影响

赵乐强1，贾凡建1，曹 剑2，刘 慧1，边雪梅1，高剑雄1

(1. 中国石化 胜利油田分公司，山东 东营 257000； 2. 南京大学 地球科学与工程学院， 南京 210023)

利用野外、钻井、测井和地球化学分析等资料，对准噶尔盆地西北地区断层内流体活动过程及对断层启闭性的影响进行了研究。准西北地区断层发生过4期流体活动：断层形成初期，滑动破碎带受力最为集中，破碎较为严重，一期幔源流体首先进入滑动破碎带，并不断析出矿物充填其中，物性变差；二期幔源流体在滑动破碎带物性较好的部位穿插运移，胶结形成的矿物与一期形成的矿物脉体将滑动破碎带封堵；三期盆源流体主要在物性较好的主动盘裂缝带内运移，少部分进入被动盘诱导裂缝带；四期大气降水在断层物性较好的主动盘诱导裂缝带和被动盘诱导裂缝带内活动，初期主要以溶蚀作用为主，后期胶结作用较为强烈。由于第三期盆源流体活动期间，往往也是盆内大规模油气排烃时期，流体中往往含有大量油气，因此油气的运移主要在主动盘诱导裂缝带内进行，其次为被动盘诱导裂缝带，滑动破碎带实际上起封闭作用，不输导油气。

流体活动；断层启闭性；断层结构；准西北；准噶尔盆地

断层内流体活动与断层启闭机制一直以来是国内外关注的热点与难点，许多学者对此开展了大量研究工作，并取得了一些重要进展。已经认识到断层是流体运移的重要通道[1]，流体活动主要在断层结构带内进行[2]，且多呈幕式性[3]等。尽管进展很多，但仍有一些关键问题认识还不太清楚，如流体来源构成[4]、流体在断层内运移的过程及活动规律[5-6]、流体活动对断层本身启闭性的影响[7]等。这些问题在较大程度上制约着对断层启闭机制的认识，进而影响到断层输导与遮挡性评价。准噶尔盆地西北地区(简称准西北地区)断层大量发育，地质历史时期这些断层内流体非常活跃[8-9]，在油气运移聚集中起到了极为重要的作用[10]，但前人对该地区断层内流体活动及其对断层启闭性的影响研究较少。本文针对准西北地区断层结构带地质特点，深入分析流体在断层各结构带内的活动过程，总结活动模式，明确流体活动与断层结构带物性的关系，揭示流体活动对断层启闭性的影响，以期为不断深化断层启闭机制的认识提供重要依据。

1 区域地质概况

准西北地区发育高陡右行走滑性质的断裂和正花状构造带，该构造带发育于二叠纪末—三叠纪，与达尔布特断裂同步，新生代发生左行走滑，但没有改变准西北地区的变形[11]，围绕主断层派生了众多与其平行或斜交的不同级别的断层，并彼此交叉叠加。根据各地区的构造变形时期、变形样式、变形机制及地层展布特征，可将准西北地区断层由西南向东北，分割为南北向的红车断层带、北东向的克百断层带与北东东—东西向的乌夏断层带3段[12-14]。区内断层主要包括：达尔布特断层、艾卡断层带、红车断层带、红3井东断层、克拉玛依断层、南白碱滩断层、百乌断层、夏红北断层、夏红南断层、乌兰林格断层(图1)。

2 断层内流体活动过程及模式

断层结构体内脉体的研究可以反映其内部流体的成岩演化，笔者利用地球化学分析，对准西北地区断层带内流体活动过程进行了研究。

2.1 流体来源及性质

研究区内87Sr/86Sr比值小于现代海水中的该值(87Sr/86Sr平均值0.709 073)，有的样品甚至小于显生宙以来海洋中87Sr/86Sr演化的最低值(0.707)，说明断层内锶同位素组成上存在幔源锶的影响，而大部分样品87Sr/86Sr比值又高于幔源锶边界，说明碳酸盐矿物中锶同位素同时受到了幔源锶和壳源锶的双重影响。从87Sr/86Sr比值与深度分布图(图2)上可以看出，87Sr/86Sr比值主要集中在3个区域，分别代表了3种不同成因类型的碳酸盐矿物。其中，87Sr/86Sr比值小于0.703 5的应该是幔源流体形成的方解石脉体；埋藏深度较浅、87Sr/86Sr比值范围为0.704 902～0.705 836的样品主要受大气降水的影响，溶蚀之后再次胶结形成方解石脉体；深层87Sr/86Sr比值范围为0.707 064～0.707 415的样品是盆源流体形成的方解石脉体。

图1 准西北地区断层平面分布Fig.1 Distribution of faults in the northwestern Junggar Basin

碳、氧同位素测试结果(图3)反映研究区内断层流体具有3种来源。δ13CPDB值范围为-2.97‰～0.73‰，位于正常地幔来源δ13C值[15]附近，相对应的氧同位素值为-14.46‰～-12.13‰，高负值特征反映形成方解石的流体介质温度较高，说明脉体来源于地幔流体。δ13CPDB值范围为-10.05‰～-6.62‰，位于大气CO2的δ13C值[16]附近，氧同位素值范围为-13.72‰～-9.95‰，虽然与火山热液成因的方解石相比，其氧同位素值偏负程度有所下降，这可能是氧同位素的分馏效应使得浅埋藏低温环境下更为富集18O，反映流体来源于大气降水。因此，早期火山热液成因方解石在经历大气水改造后，其碳同位素值趋于偏轻，而氧同位素趋于偏重。δ13C值范围为-4.09‰～-5.52‰的样品，是后期盆源流体对早期火山热液成因的方解石进行叠加改造。由于后期流体充注时间较晚[17]，使得方解石的碳同位素交换程度并不高，因而混入方解石的有机碳并不足以对样品的碳同位素造成较大负向偏移。此外，相对应的氧同位素测试值极为接近，总体较火山热液成因的方解石样品的氧同位素稍重，这也可能是后期油源地层流体具有比火山热液较低的介质温度所引起的氧同位素分馏效应造成的。

图2 准西北地区断层内方解石脉锶同位素比值与深度关系Fig.2 Relationship between Sr isotopic ratio of calcite veins in faults and depth in the northwestern Junggar Basin

图3 准西北地区断层内方解石δ13CPDB和δ18OPDB关系Fig.3 Relationship between δ13CPDB and δ18OPDBof calcites in faults in the northwestern Junggar Basin

2.2 流体活动期次

2.2.1 包裹体均一化温度

达尔布特断层带中的流体包裹体很少、且较小，主要为盐水包裹体，未见含油气的包裹体。包裹体均一温度变化范围很大，反映了流体复杂的活动特点。总体来看，脉体包裹体记录了4期流体活动：其中，第一期流体的活动规模较大，均一化温度为210～230 ℃；第二期流体的活动规模较小，均一化温度为160～180 ℃。两期流体包裹体的温度明显偏高，偏离了准噶尔盆地正常的地温演化曲线[18]，表明这类较高温度流体可能与深层流体活动有关，综合判断为幔源硅酸质流体和碳酸质流体；第三期均一化温度为90～110 ℃，反映盆源碳酸质流体；第四期均一化温度小于70 ℃，为大气降水(图4a)。

乌夏断层带哈山地区的井下石炭系构造裂缝中的方解石脉流体包裹体均一化温度的测试结果表明，脉体包裹体同样记录了4期流体活动(图4b)：第一期为幔源流体，具有异常高的均一化温度，为160～170 ℃；第二、三期为盆源流体，均一化温度分别为80～90 ℃和100～120 ℃；第四期为大气降水，具有异常低的均一化温度，小于55 ℃。

克百断层带被动盘流体包裹体均一化温度测试结果(图4c)表明：其均一化温度分布范围广，但有2个明显的众数区，即70～100 ℃和110～140 ℃，且对高异常温度的深部流体和低异常温度的大气降水的记录都不完整，其主要温度区间与地区的含油气流体充注温度一致，可能为含油气流体，但包裹体的量很少。被动盘样品的盐度分布范围窄，表现为低盐度区。盐度分布单一、缺少多源流体混合的特点，说明其流体活动性较弱。

图4 准西北地区断层包裹体均一化温度直方图Fig.4 Histograms of homogenization temperature of inclusions in faults in the northwestern Junggar Basin

红车断层带上流体包裹体测温结果揭示了红车断层是流体频繁活动的重要场所和通道。断层上有4次大规模的流体活动(图4d)，对应的均一化温度为：70～90，100～130，150～170，200～220 ℃。前两期的流体包裹体为盐水包裹体和烃类包裹体共生，显示为含油气流体沿断层活动的记录；后两期流体包裹体均一化温度较高，为深部热液流体沿断层活动的记录。

2.2.2 微量元素分析

镜下观察达尔布特断层带裂缝中样品脉体特征发现(图5a)，早期幔源石英脉体裂缝中充填有后期幔源石英脉体和盆源方解石脉，而盆源方解石脉又经过大气降水淋滤出现了溶蚀，上述脉体结构特征显示了4期流体活动：第一、二期为幔源硅酸质流体，形成形态不同的石英脉，第二期石英脉充填在第一期石英脉的构造裂缝中；第三期为盆源碳酸质流体，形成方解石脉体，同样是充填在第一期石英脉的构造裂缝中；第四期为大气降水，其对先形成的易于蚀变的方解石进行蚀变。

乌夏断层主动盘诱导裂缝带扫描电镜显示(图5b)，幔源石英和方解石脉体、盆源方解石脉体与裂缝中大气降水淋滤侵蚀区相互穿插交错，显示乌夏断层带经历了4期流体活动：第一期为幔源的硅酸质流体，形成石英脉；第二期为幔源碳酸质流体，形成方解石脉；第三期为盆源碳酸质流体，形成方解石脉；第四期为大气降水，仅局限于浅层岩石裂缝中。

图5 准西北地区断层脉体电子探针图像 a.达尔布特主断层带；b.乌夏断层带；c.克百断层带；d.红车断层带Fig.5 Electron microprobe images of fault veins in the northwestern Junggar Basin

在红车断层带排666井1 116.9 m处裂缝中脉体121ar-1点处形成由内向外生长的石英环带结构(似树之年轮)(图5c)，具有多幕特征，至少应有10余个，流体性质较为均一，显示为同期流体，而121ar-1点处石英与121ar-2点处有差异，说明是后期幔源硅酸质流体活动的结果。121ar-3点处形成的幔源方解石脉体与121ar-4点处盆源碳酸质流体均形成方解石脉相互叠置，反映了第三期流体与第四期流体活动的先后关系。

对克百断层带被动盘426井岩石样品的脉体进行扫描电镜分析发现，其记录了3期流体活动(图5d)：早期火山物质溶蚀溶解后与地层水结合，形成长石类矿物；后期长石类矿物被溶解后，形成方解石沉淀。

以上证据显示，准西北地区断层内至少发生过4期流体活动：第一期为幔源硅酸质流体，第二期为幔源硅酸质或碳酸质流体，第三期为盆源碳酸质流体，第四期为大气降水淋滤侵蚀。

2.3 流体活动顺序

根据对流体来源、活动期次、活动场所及运移路径的分析，建立了准西北地区断层内流体的活动模式(图6)。

准西北地区深大断层形成初期向下沟通深部流体，由于滑动破碎带物性及连通性最好，第一期幔源硅酸质流体首先进入滑动破碎带并向上运移，部分流体进入物性较好、靠近滑动破碎带上部的主动盘诱导裂缝带中；在幔源硅酸质流体运移过程中不断沉淀，形成石英充填于裂缝中，物性由下向上逐渐变差。第二期幔源硅酸质和碳酸质流体在滑动破碎带物性较好的部位穿插运移，石英和方解石与第一期形成的石英脉相互穿插，将滑动破碎带封堵。当第三期盆源碳酸盐流体活动时，受第一、二期幔源硅酸质和碳酸质流体的影响，盆源碳酸质流体主要在物性较好的主动盘诱导裂缝带内运移，少部分也会进入被动盘诱导裂缝带内运移。随着盆源碳酸盐流体活动的进行，大量碳酸盐不断沉淀形成方解石充填于裂缝中，主动盘诱导裂缝带和被动盘诱导裂缝带的物性由靠近滑动破碎带的内部逐渐向外部变差。而后期的盆源碳酸质流体则选择进入裂缝带外侧物性仍较好的部位运移，直至完全封闭为止。由于盆源碳酸质流体活动期间，往往也是盆内大规模油气排烃时期，流体中往往含有大量油气，因此油气的运移主要在主动盘诱导裂缝带内进行，其次为被动盘诱导裂缝带，滑动破碎带实际上起封闭作用，不输导油气。

图6 准西北地区断层内流体活动模式Fig.6 Fluid activity model of faults in the northwestern Junggar Basin

当断层断至地表浅部位时，大气降水在断层物性较好的主动盘诱导裂缝带和被动盘诱导裂缝带内活动。大气降水矿物含量较低，初期主要以溶蚀作用为主，随着流体中矿物含量的增加，部分矿物因饱和而析出，造成后期胶结作用较为强烈，此时，断层结构带物性变差，趋向封闭。

3 结论

(1)准西北地区断层内至少发生了4期流体活动：第一、二期为幔源硅酸质和碳酸质流体，其中第一期流体的活动规模较大，第二期流体的活动规模较小，滑动破碎带是其主要活动场所，胶结形成的石英和方解石脉体将裂缝完全封堵，物性由下向上逐渐变差，后期滑动破碎带主要起封堵作用；第三期为盆源碳酸质流体，活动场所主要集中在主动盘诱导裂缝带，少部分在被动盘诱导裂缝带，后期受成岩作用影响，连通性由内向外逐渐变差；第四期为大气降水，初期以溶蚀作用为主，改善了断层各结构带的物性，后期以胶结作用为主，断层逐渐封闭。因此，在大气降水发生影响的一定深度范围内，断层表现为上部开启，下部封闭的特征。

(2)从流体活动对断层启闭性的影响来看，要评价一个断层是否有利于油气的输导或遮挡，关键是分析断层发育期、断层内流体活动成岩期和含油气流体充注期的匹配关系。一般来说，流体活动期与断层活动期基本同步或稍晚，流体成岩则是要在断层平静后达到一定物化平衡的环境下进行的，而油气充注期晚于成岩期。由于多期流体活动会导致多期成岩期的发生，只有当晚于完全成岩期时，断层才有利于输导，否则，断层则起遮挡作用。

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(编辑 韩 彧)

Fluid activity in faults in the northwestern Junggar Basin and its influence on fault opening and sealing

Zhao Leqiang1, Jia Fanjian1, Cao Jian2, Liu Hui1, Bian Xuemei1, Gao Jianxiong1

(1.SINOPECShengliOilfieldCompany,Dongying,Shandong257000,China; 2.SchoolofEarthandEngineering,NanjingUniversity,Nanjing,Jiangsu210023,China)

The fluid flow process and its effect on fault opening and sealing in the northwestern Junggar Basin were studied based on field outcrop, drilling, logging and geochemical analyses. Four stages of fluid activities have occurred. During the early period of fault formation, the sliding fracture zone got the most concentrated force and was extensively crushed. The first phase of mantle-derived fluid entered the sliding fracture zone and continuously precipitated minerals, which made physical properties become worse. The second phase of mantle-derived fluid migrated in the parts where physical properties were relatively better in the sliding fractured zone. The cemented minerals and the mineral veins formed in the first phase closed the sliding fracture zone. The third phase of fluid from the basin mainly migrated in the fracture zone of the active wall where physical properties were relatively better, and a small part entered the induced fracture zone of the passive wall. In the fourth phase, atmospheric precipitation entered the induced fracture zones of the active wall and the passive wall where physical properties were relatively better. In the initial stage, dissolution was essential, while in the late stage cementation was stronger. When the fluid from the basin was active in the third phase, large-scale hydrocarbon was expelled from the basin. As a result, the fluid often contained large amounts of oil and gas. Hydrocarbon mainly migrated in the induced fracture zone of the active wall, and secondly in the induced fracture zone of the passive wall. The sliding fracture zone played the role of closure not transport.

fluid activity; fault opening and sealing; fault structure; northwestern Junggar Basin; Junggar Basin

1001-6112(2017)04-0461-06

10.11781/sysydz201704461

2017-01-05；

2017-05-15。

赵乐强(1972—)，男，高级工程师，从事石油地质研究。E-mail：zhaoleqiang196.slyt@sinopec.com。

国家科技重大专项“准噶尔盆地碎屑岩层系油气富集规律与勘探评价”(2016ZX05002-002)和中国石化科技攻关项目“准噶尔盆地压扭性断裂体系控藏作用研究”(P14066)联合资助。

TE121.1

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