中国西北部塔里木盆地中部板内走滑断层的几何形态、运动学特征及差异变形序列：对古喀斯特储层分布的启示

该研究通过多属性断层增强技术、定量运动学分析及 Formation Microscanner成像 logs，揭示了塔里木盆地中央隆起区左旋走滑断层带（PDZ）的三阶段演化特征：基底离散共轭断层→右阶排列多段断层系统→雁列状次级断层组。应力异质性控制了断裂分叉与次生裂缝网络发育，构造应力场与基底断层的相互作用主导了断层的分段扩展与连接机制，最终形成显著改造的碳酸盐岩古喀斯特储层与油气运聚通道。

刘浩成|林成彦|董春梅|栾国强|马平山|任丽华|沈忠光|关宝柱

中国石油大学（华东）地球科学学院，青岛 266580，中国

摘要

塔里木盆地走滑断层损伤区内的应力非均匀性、渐进变形和渗透率演化对古喀斯特储层的空间分布及碳氢化合物的圈闭具有关键影响。本研究结合多属性断层增强技术进行了详细的结构分析，以表征塔中隆起区内左旋（右旋）断层系统的几何形态。通过关键地震剖面的运动学指标定量分析得出了差异变形的程度。利用井下 Formation Microscanner Image (FMI) 图像数据建立了力学框架，以确定原位应力状态。该框架使我们能够评估局部应力扰动并揭示次生结构形成的机制。

分析结果表明，主要位移带（PDZs）经历了三个不同的演化阶段：1）基底中离散的、活动性较低的共轭走滑断层；2）连通性良好的、右旋的多段式左旋断层系统；3）倾斜的、走向NW的阶梯状断层阵列。具体而言，PDZ的几何形态和演化过程受到已有基底共轭断层与区域应力场相互作用的影响。断层段间的应力集中强度主要控制了次生裂隙网络的形成和空间分布。走向EW的逆冲断层与PDZ的交汇处以及重叠区域内的连接机制显著放大了局部差异变形。这些变形过程与现有的断层系统及其相关损伤区相互作用，最终导致古喀斯特碳酸盐储层中的渗透率结构和碳氢化合物迁移路径发生深刻变化。

引言

走滑断层系统通过水平位移来响应大规模区域应力场的作用，其复杂的变形结构记录了多阶段的侧向滑动历史（Marrett和Allmendinger，1990年）。综合野外调查和模拟研究表明，走滑断层系统附近的损伤区内存在变形模式的空间变化和复杂的内部结构（Kim和Sanderson，2006年；Cunningham和Mann，2007年；Scholz等人，2010年；Dooley和Schreurs，2012年；Forero-Ortega等人，2020年）。这些断层系统通常形成由线性段组成的特征性结构，这些线性段具有几何不规则性（如弯曲和段间突变），每个段内包含复杂的交错断层。由此产生的结构表现为不同的空间域：狭窄的、变形剧烈的断层核心区表现出高应变局部化，与较宽的损伤区相邻，后者以渐进的应变梯度为特征，这是局部剪切作用的结果（Vauchez等人，1995年；Ludman，1998年；Holdsworth和Pinheiro，2000年）。多阶段的演化历史和不同的变形机制导致了应力非均匀性和渗透率结构，从而控制了地下流体流动和产油储层的分布（Scholz等人，2010年；Choi等人，2016年）。因此，解析走滑断层的变形序列对于理解油气、二氧化碳封存和碳氢化合物迁移至关重要，尤其是对于优化储层产能。

塔中隆起是一个长期存在的古隆起构造，其中发育了大量的板内走滑断层系统，这些断层系统受到克拉通盆地边缘多阶段构造运动动态演化的影响。近年来，在塔中隆起的商业油气勘探中取得了重大突破，在深埋的奥陶纪碳酸盐岩层中发现了超过10^8吨的油气资源（Li等人，2013年；Lan等人，2015年；Qiu等人，2019年；Laubach等人，2023年）。此外，综合研究证实了强烈的走滑作用与塔中隆起区喀斯特储层发育之间的时空耦合关系（Li等人，2013年；Deng等人，2019年；Wang等人，2022年；Sun等人，2023年；Yao等人，2023年）。然而，塔中走滑断层系统沿走向方向的井产率存在显著差异，这主要由断层分段和断层带内的结构复杂性控制。解决这一运营挑战对于提高油气开发效率至关重要。这需要精确量化描述与走滑作用相关的运动学参数、形成机制和变形结构，以及时空演化模式。

以往的研究系统地分析了四川盆地、鄂尔多斯盆地和塔里木盆地塔北地区的走滑断层的几何形态和运动学特征。这些研究关注了区域应力背景对断层几何演化的影响（Xiao等人，2017年；Chen等人，2022年；Shen等人，2022年；Meng等人，2023年；Sun等人，2023年），与走滑断层损伤区相关的生长和连接行为（Aydin和Berryman，2010年；Fossen和Rotevatn，2016年；Huang等人，2018年），以及损伤区与储层性质之间的关系（Kim等人，2004年；Mayolle等人，2019年；Chu等人，2024年）。此外，还有研究探讨了寒武纪至志留纪岩石中走滑断层的多阶段演化过程及其对石油迁移和聚集的潜在影响（Laubach等人，2018年；Li等人，2021年；Chen等人，2022年）。最近的进展建立了走滑断层系统及其相关变形结构的演化模型（Han等人，2017年；Sun等人，2023年）。然而，局部应力扰动对走滑变形区及其相关次级断层网络的影响仍不明确。特别是，不同走滑变形结构之间连通性变化背后的机制缺乏可靠的解释。系统地研究不同段间的差异变形序列有助于深入了解断层传播机制和应变适应模式（Deng等人，1986年；Pachell和Evans，2002年），应力状态的非均匀性以及断层的重新激活动态（Rispoli，1981年；Aydin和Schultz，1990年；Holdsworth等人，2001年）。

本研究系统地描述了塔里木盆地中部奥陶纪碳酸盐岩序列中的走滑断层系统，重点关注其几何形态、运动学演化及局部变形特征。我们基于详细的地震解释提出了一个分类框架，并定量比较了主要构造阶段的活跃强度和沿断层走向的渐进变形模式。通过井下应力模型确定了不同裂隙带之间的差异机制。这些定量数据的整合揭示了走滑断层的生长和连接过程，并阐明了其运动学来源。最后，我们提出了一个包含多阶段区域应力传递和局部应力差异的时空演化模型，为断层相关储层的分布提供了新的见解。

地质背景

塔里木盆地是中国西北部最大的克拉通内含油盆地，面积约为582,400平方公里（图1A）。它北邻天山山脉，南接西昆仑山脉，东南部与阿尔金山脉相邻。通过对二维（2D）地震数据的解释，该盆地被划分为七个主要的次级构造单元：三个隆起区和四个凹陷区，即库卡凹陷区、塔北凹陷区等

数据库

3D地震数据由中国石油天然气集团公司（CNPC）的塔里木油田公司提供。该数据集的主频率为25 Hz，垂直分辨率为约20米。为减少高振幅、高频地震噪声对结构不连续性解释的影响，采用了三阶段处理流程：（a）噪声抑制：中值滤波、基于结构的倾角滤波和频率分解

几何特征

在塔中隆起的中部识别出了九个大致平行的主走滑断层系统（图1C）。这些断层系统具有统一的NE-SW走向（平均走向为031° ± 5°）和接近垂直的倾角（86° ± 3°）。通过使用地层穿透点和结构标志进行地震深度切片解释，确定了这些断层的左旋运动学特征

变形序列的生长和连接过程

结合物理模拟、数值模拟和野外调查的综合研究表明，存在两种主要的断层生长机制：以断层尖端传播为主的生长（Dawers和Anders，1995年）和断层段间连接介导的生长（Cartwright等人，1995年）。前者强调孤立断层通过逐渐推进的尖端运动发展，相邻段之间的运动学相互作用较小，表现为系统的位移

结论

塔中隆起的走滑断层系统具有复杂的结构，包括主要位移带（PDZ）、倾斜的支断层、阶梯状褶皱和次生正断层。在较浅的深度，这些断层在北部的上奥陶统至中奥陶统地层中以阶梯状正断层阵列的形式传播；而在南部，则形成了一个由阶梯状边界裂谷分隔的连续系统

未引用参考文献

Delvaux和Sperner，2003年；Jin，2011年；Lin等人，2011年；Li等人，2024年；Lyu等人，2024年；Zhang等人，2022年。

CRediT作者贡献声明

刘浩成：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、概念化。林成彦：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、项目管理。董春梅：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、资金获取。栾国强：监督、调查、正式分析。马平山：可视化、验证、软件。任丽华：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目得到了国家自然科学基金（编号42372156、42202145、42202147）、山东省自然科学基金（编号ZR2022QD049、2022CXPT048）以及中国石油天然气集团公司（编号ZD 2019-183-006）的重大科技项目的资助。