1、构造和地层对伊朗扎格罗斯山脉与褶皱有关破裂作用的控制：对储层发育的意义3O 石油地质科技动态构造和地层对伊朗扎格罗斯山脉与褶皱有关破裂作用的控制:对储层发育的意义BenJ.STEPHENSON 等着摘要为了了解伊朗扎格罗斯山脉裂缝发育的主控因素,可以将高度在 150m 以上裂缝带(fracturecorridor)和平行于层理滑动面的最新观测结果与阿斯马里组的沉积学描述结合在一起.在库赫帕恩(KuhePahn) 背斜,与褶皱相关的裂缝带是平行于轴向(北西一南东向)发育的,同时出现在背斜顶部.它们形成于中性面的褶皱作用,但在地层倾角达到的临界值(约 15.)时,由挠性滑动褶皱作用引发的平行于层理
2、滑动将成为主要的破裂机理.曲率计算证实了这一关系的存在.在力学地层单元 B,背斜顶部的裂缝有很大的垂向分布范围(大于150m),是由阿斯马里组块状泥粒灰岩的均质岩性所致 .根据卫星图像解释的走向正北和走向正东的裂缝带在空间分布上与上覆层系的滑脱褶皱作用无关,但却反映了与断层运动有关的深部基底构造复活作用的分散效应(distributedeffect).这些走向的裂缝限定了附近的加奇萨兰大油田的高产区.相邻的库赫米希背斜是一个受到侵蚀的箱形褶皱,翼部倾角较大(60.),通过观测发现它的变型样式呈明显不同,因而我们认为这两个背斜代表了箱形褶皱演化的不同阶段.阿斯马里(Asmari)组是渐新统一下中
3、新统台地碳酸盐岩地层,是伊朗最高产的储油层.另外,它还被认为是全球典型的裂缝性碳酸盐岩之一,其石油产量明显受裂缝存在与否的影响(例如 McOuilan1985).图 1是油田分布和研究区位置示意图.伊朗扎格罗斯山脉气候干燥,植被缺乏,非常适合利用露头研究裂缝.另外对于山地油气区而言,受技术条件的限制,很难采集高质量的地震资料,同时在储层级别的构造成像方面也存在分辨率局限,因此在这种地区露头类比的价值更大.公开发表的文献中,关于扎格罗斯地区储层级别裂缝的专门研究比较少.Mc-Ouillan(1973)对扎格罗斯地区许多褶皱的小裂缝进行了测量,包括库赫帕恩(kuhePahn)和库赫阿斯马里(Kuh
4、-eAsmari) 褶皱.他得出结论,在单一层位小级别裂缝的密度保持不变.采用航摄相片对库赫阿斯马里进行详细研究后发现,褶皱中小级别裂缝的密度不随空间位置的变化而改变,但褶皱倾没端和枢纽带的裂缝密度最大.1970年代,OSCO 联合石油公司成立了一个裂缝研究小组,Gholopur(1994)提供了这个小组绘制的部分裂缝分布图,但大部分资料均未公开.这些分布图表明了平行轴向和垂直轴向的 I 型裂缝的重要性,强调了箱式褶皱轴部(枢纽带 )补给裂缝(feederfracture)的位置模型.Inger 等人(2002)对法尔斯(Fars)北部的库赫梅马德(Kuh-eMeymand)和库赫塞非达(Ku
5、h-eSefidar)进行了观测,也发现构造和地层对伊朗扎格罗斯山脉与褶皱有关破裂作用的控制:对储层发育的意义31图 1 扎格罗斯山脉胡齐斯坦省地质图,图中叠合了主要油田(红色)的地下位置投影图(资料源于 NIOC 地图,1978).图中绿色代表侏罗系+ 白垩系地层,桔色为阿斯马里组(渐新统一下中新统),紫色为加奇萨兰组( 中新统),黄色为 AgaJari 和 Bakhtiari 组(上中新统至第四系).蓝色方框内显示了图 3 和图 4 的陆地卫星图像的位置.插图为波斯湾地区的区域位置和应力资料.线条的方位角表示最大水平应力的方向(据 CASMO 的全球应力图,WWW-WI.phitcuni-
6、karlsruhe.de/pub/casino/casino_frame.htm1)o背斜脊部以平行轴向的 I 型裂缝为主,而且存在与该地区右旋剪切作用有关的剪切裂缝.此外,他们还区分了与褶皱作用之前和之后的断裂作用相关的裂缝.在前人开展的与褶皱有关的破裂作用模型和机理研究中,平行和垂直于褶皱轴向的 I型裂缝通常是主要的研究内容(见 Cosgrove和 Ameen2000;Bazalgette2004).本文介绍了库赫帕恩和库赫阿斯马里褶皱中裂缝空间分布的卫星图像观测结果以及库赫帕恩和库赫米希(Kuhe-eMish) 的区段规模裂缝(sector scalefracture)的露头观测结果.这
7、些区段规模的裂缝可以类比附近的加奇萨兰和比比哈凯米大型油田的产油裂缝.此外,切割地层走向并穿过库赫帕恩褶皱的坦格巴什特(Tang-eBasht)峡谷为裂缝的测绘提供了深度控制,它有一条通过挤压褶皱顶部的独特横剖面.一扎格罗斯褶皱的构造和类型扎格罗斯造山带由阿拉伯板块东北边缘的巨厚被动陆缘层序在阿尔卑斯期(晚第三世一第四纪)的褶皱作用而形成(例如 Col-man-Sadd1978).挤压变形作用由北东向南西方向逐渐推进,变形强度朝西南美索不达米亚一阿拉伯前陆盆地方向相应地减弱.据模型得出的平衡剖面预测,缩短量约为5085km(Blanc 等;McQuarrie2004). 图32 石油地质科技动
8、态1 的插图显示了根据地震震源机理和井中测量资料得出的现代最大水平应力(仃 H 瑚)的方向,即在库赫米希/库赫帕恩地区,现代最大水平应力为北东一南西向(CASMO2004).被称为下莫比尔(Mobile) 群的始寒武系霍尔木兹(Hormuz) 组蒸发岩是一个滑脱层,它使基底的变形与古生界和中生界的厚沉积层序(又称为 Competent 群) 发生了滑脱.Competent 群的顶部是渐新统一下中新统阿斯马里组,其上覆盖着中新统加奇萨兰组(又称上莫比尔群)(Colman-Sadd1978).扎格罗斯造山带常被用作双倾伏同心至圆柱状挤压褶皱的典型实例.在通常所说的简单褶皱带中,滑脱褶皱具有中继(r
9、elaying)至雁行式空间分布( 例如 Price 和Cosgrove1990).近期的研究还提出了其他褶皱机理,包括断层扩展褶皱和断弯褶皱(Mitra1990;Suppe1983;McQuerrie2004).强制褶皱作用( 即活动基底断层之上的褶皱作用)可用于解释平面图上某些与扎格罗斯褶皱有关的几何特征(Sattarzadeh等 2000).我们对扎格罗斯地区露头的观测表明,这里的许多褶皱既非圆柱状,亦非同心状.研究区的背斜实际上近似箱形褶皱,其特点是在比较平坦到轻微隆起的褶皱顶部两侧,背斜翼均呈面状(图 2).这些面状背斜翼受控于相对固定的膝折枢纽区之间的共轭膝折带.下文将介绍与扎格罗
10、斯地区箱形褶皱几何形态有关的构造域的识别标准.图 2 过库赫帕恩和库赫米希背斜的横剖面,图中展示了褶皱类型.剖面线的位置参见图 1.二从陆地卫星图像获得的区域基底断层走向扎格罗斯碰撞带基底构造的走向是由原有各向异性构造的复活而形成的.阿拉伯板块和伊朗板块目前的聚敛作用与扎格罗斯主逆断层一线的右旋运动有关.在扎格罗斯及其阿拉伯前陆区通常可识别出四种明显的构造走向,具有不同的成因模式,它们是:阿拉伯(南一北向拉伸),奥利蒂克(Aulitic)( 北东一南西向左旋),厄立特里亚古海( 北西一南东向右旋)以及特提斯(东一西向拉伸)(Edgell1996).多位学者的论文都曾述及基底构造走向对扎格罗斯地
11、区地质演化的影响(例:Jackson1980;Jackson 和 Fitch1981;Hessami 等 2001).McQuilan(1991)描述了基底构造对沉积相演化和盐栓就位构造和地层对伊朗扎格罗斯山脉与褶皱有关破裂作用的控制:对储层发育的意义33的影响.除此之外,他(1985)还识别了前扎格罗斯基底线性构造对比比哈凯米和加奇萨兰油田产量的控制作用.为了确定这些基底构造走向对裂缝发育的可能作用,我们评价了简单褶皱带中两个褶皱的陆地卫星图像(Landsat 一 7TM),它们就是图 1 所示的库赫阿斯马里和库赫帕恩背斜.陆地卫星图像资料的分辨率为1560m,因此 ,只有长度大于约 100
12、m 的线性构造才能被检测出来,解释的线性构造的最小长度就说明了这一点.阿斯马里组为淡灰色灰岩,无植被覆盖,是扎格罗斯地区主要的储层.它构成了研究区鲸背状背斜的主背壳或上表面.上覆的加奇萨兰组蒸发岩构成了区内阿斯马里组储层的良好封盖层,在植被稀少的崎岖地带通常保存完好,这些崎岖地带也就是背斜地表褶隆区周围的向斜区.大多数线性构造的地文特征是水道,它们或多或少受控于构造方向.因此,为了验证这些构造的成因,有必要通过收集实际资料和较近距离的观察来对卫星图像解释结果展开地面实况调查.在库赫阿斯马里背斜,线性构造的方位主要有两种,即平行于褶皱轴向和垂直于褶皱轴向(图 3).野外测绘证实,这两种方位的线性
13、构造均是 I型成因裂缝.平行于褶皱轴向的裂缝组在背斜顶部的中心发育程度最佳,它们限定了长度为 100m 至 5000m 的不连续构造.与褶皱轴向垂直的裂缝组主要发育在褶皱两翼,不连续构造的长度为 100 至 3000m.据解释,这两组裂缝均与阿尔卑斯期褶皱作用有关,它们与相关褶皱的形态关系类似于 Stearns(1964)描述的蒙大拿地区蒂顿(Teton)背斜的 I 型裂缝和 Bazalgette(2004)提出的概念形态 .由于没有峡谷横切库赫阿斯马里背斜,因而难于确定这两组裂缝的深度.图 3 库赫阿斯马里背斜的陆地卫星图像(左)和所解释的线性构造(右)(位置见图1 北西角的方框).桔色线表
14、示阿斯马里和加奇萨兰组地层的界面并界定了背斜的轮廓.红色线表示线性构造走向,它们是构造而非河道.绿线表示有可能是构造或河道的线性构造.将这里的陆地卫星图像线性构造解释和 McQuillan(1974)对库赫阿斯马里背斜的航测照片解释加以对比就可以发现,后者可分辨更多的裂缝.但 McQuillan34 石油地质科技动态(1974)提供的此背斜不同构造域的小级别裂缝走向的立体投影均表明存在两种线性构造走向,与陆地卫星资料所反映的线性构造完全一致,而且几乎没有空间变化.与 McQuillan(1974)一样,我们也认为这两种走向是扎格罗斯地区与褶皱相关的 I 型裂缝的主要走向.原生和次生的裂缝组构分
15、别平行于轴向或与轴向正交,它们优先发育于褶皱顶部宽阔的隆起区.库赫帕恩和库赫迪尔(KuDeDi1)背斜的卫星图像线性构造解释(图 4)也显示了同样的平行于轴向和与轴向垂直的线性构造,它们的长度范围和库赫阿斯马里背斜的解释结果具有可比性(图 3).但两者的主要不同在于前两个背斜上存在两个主要区域走向,即 C.北一南向和 C.东一西向.为了推断这些走向(图 4 的紫色线性构造)的分布范围和横向连续性,对这两个背斜周围的较大区域开展了解释,其中包括库赫米希和库赫卡米(KuDeKhami)背斜.解释的线性构造通常长 51Okra,且似乎与褶皱带的构造方向无关,它们呈连续分布并切割了几个相邻的褶皱轴.在
16、解释区东南部横切库赫米希背斜的某些南北走向的线性构造比较短,并具不连续特征,已得到了不同位置露头观测结果的验证.根据这些组构的空间分布和相当好的横向连续性,我们推测它们与构造基底或其紧上方地层中原有的深部各向异性构造的复活有关.这种复活作用的应变空间(strainac commodation)在厚层上覆层序的非均质力学地层中是向上分布的.由此形成了区域规模的裂缝走向网络,在整个地区有比较广泛的分布.这种解释与分布式走滑模拟模型的结果一致.分布式走滑通常会在上覆地层的上部形成中继式(relaying) 且相互干扰的同向和反向走向的扩散组构(Mandl1988;Richard1991;Richar
17、d 等,1995)图 4 库赫帕恩背斜及邻近褶皱的陆地卫星图像(左)和解释的线性构造(右)(位置见图 1 中心部位的方框).卫星图像中的青绿色为积雪.桔色线表示背斜的轮廓,暗红色线表示线性构造走向(是构造而非河道), 绿色线代表线性构造(可以是构造也可以是河道)(为清楚起见,仅突出显示了库赫帕恩和库赫迪尔背斜).蓝色方框所示为图 5 的位置.构造和地层对伊朗扎格罗斯山脉与褶皱有关破裂作用的控制:对储层发育的意义35总之,扎格罗斯简单皱褶带库赫帕恩和库赫阿斯马里背斜之间的线性构造方位对比结果表明,除了与褶皱轴平行和垂直的裂缝组构外,向北和向东的区域走向对局部裂缝的发育有重要影响.三库赫帕恩背斜上的线性裂缝解释1 高分辨率卫星图像为了进一步调查库赫帕恩背斜上局部裂缝的发育情况,采集了这个褶皱的高分辨率 Quickbird 卫星图像,采用了对 11 位 0.7IT1 分辨率加强的 4 频段探测盘 ,拍摄范围为12.7512.5kin.根据方位细分了解释的475000480000线性构造并标注了颜色.图 5 所示为在不同区域观察到的和优先发育的四组线性构造:?西北部褶皱倾没端东一西走向(fi 色)?褶皱翼部北东一南西走向(蓝色)?中部背斜顶部区北东一南西走向(桔黄)?东南部褶皱倾没端北北东一南南西走向(绿)这些走向的变化和分布有一部分是褶
