前人对塔里木、四川、鄂尔多斯等多个盆地的研究表明断裂具有控储、控藏、控运、控圈等多重作用^[1-7]，因此，有必要对断裂时空演化规律及油气富集成藏控制作用进行研究。由于缺乏高精度地震资料，前人对于鄂尔多斯盆内断裂的研究较弱，对于古生界断裂的研究更是少有。徐兴雨等^[8-9]通过对基底断裂与盖层断裂的走向对比研究，提出鄂尔多斯盆地盖层断裂广泛发育，且盖层断裂大多继承于基底断裂；魏国齐等^[10]通过研究鄂尔多斯盆地寒武系断裂，提出鄂尔多斯盆地寒武系断裂不仅控制了寒武系滩相的发育，也控制了优质储集层的分布；冯保周等^[11]通过对伊陕斜坡北部断裂的研究，提出鄂尔多斯盆地断裂活动可改善储层物性、提供运移通道，控制上古生界低幅度构造圈闭，而后期改造形成的通天断裂对原生气藏具有调整分配或破坏作用；姚宗惠等^[12]通过对鄂尔多斯盆地北部断裂的研究，提出盆地北部沿奥陶系风化壳、太原组和山西组煤层的逆冲断裂形成于鄂尔多斯盆地燕山构造运动的强烈挤压作用。虽然前人已经提出断裂具有继承性，断裂控储、控运、控圈闭，但缺少对下古生界断裂分层特征、断裂性质、断裂活动演化期和断裂形成机制的研究。本文基于高精度三维地震资料(主频达38 Hz以上，频宽达4~75 Hz)，对鄂尔多斯盆地东部古生界断裂形成演化规律进行系统梳理，以期为盆地断裂体系的研究及其油气勘探提供借鉴。

1.   区域地质概况

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通西南缘，面积约为25×10⁴ km²。大多数学者认为该盆地为稳定克拉通盆地，盆内盖层不具有发育断裂的可能。然而，随着油气勘探的深入，二、三维地震资料的部署，越来越多的证据表明盆内不仅发育断裂，且断裂具有复杂的分层结构^[8-10]。前人研究表明^[9-13]：加里东末期，受秦岭洋壳和兴蒙洋壳的相向俯冲、挤压，盆地区域主应力方向近南北向；印支期，受中特提斯构造动力体系中羌塘地块与欧亚大陆碰撞产生的远程效应作用，盆地区域主应力方向呈北西—南东向和近南北向；燕山期，盆地呈板块多向会聚挤压的构造格局，受古太平洋大陆板块与欧亚大陆板块碰撞远程构造效应影响，盆地区域主应力方向为北西—南东向；喜马拉雅期，盆地受印度板块与亚欧板块远程构造效应以及太平洋向西俯冲消亡作用的影响，盆地区域主应力方向呈北北东—南南西向。

鄂尔多斯盆地下古生界天然气属于自生自储油型气，气源来自下古生界烃源岩^[14-16]，通过断裂沟通气源使天然气富集成藏。前人为了勘探需要将奥陶系划分为上、中、下3个成藏组合，上组合为马家沟组马五₁—马五₄亚段，主要为风化壳气藏；中组合为马五₆—马五₁₀亚段，是近年勘探取得突破的组合；下组合为马一段—马四段，也是当前重点勘探目的层系^[17]。本文研究区(高家堡三维)位于鄂尔多斯盆地东部，紧邻晋西挠褶带(图 1a)。高家堡三维所处的盆地东部广泛发育寒武系—奥陶系碳酸盐岩、膏盐岩互层。沉积期受中央古隆起以及乌审旗古隆起控制，马一段沉积期，盆地开始海侵，盆地中东部普遍发育白云岩和膏盐岩^[1]；马二段沉积期，海侵规模进一步扩大，盆地中东部以白云岩和灰岩为主；马三段沉积期，海平面多期次震荡，盆地中东部主要发育白云岩、膏盐岩，此段膏盐岩沉积较厚(图 1b)；马四段沉积期，海侵规模达到最大，盆地中东部广泛发育白云岩，灰岩，此段碳酸盐岩厚度大，储层物性良好，为下古生界主要目的层系之一^[1]；马五段沉积期，海平面多期震荡，盆地中东部白云岩、膏盐岩旋回性沉积，此段马五₆亚段膏盐岩沉积较厚^[18-19](图 1b)。马三、马五段较厚的膏盐岩沉积为后期下古生界断裂的分层结构奠定了基础，膏盐岩作为塑性层在断裂形成过程中作为缓冲层，多数断裂活动到膏盐岩层发生卸力、消亡，形成了下古生界断裂独特的分层结构。

图  1  鄂尔多斯盆地东部高家堡地区研究区位置(a)和盆地中东部下奥陶统地层柱状图(b)

Figure  1.  Regional location of study area (a) in Gaojiapu area in eastern Ordos Basin and histogram of Lower Ordovician of central and eastern Ordos Basin (b)

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2.   下古生界断裂几何学特征

本次研究以高品质三维地震资料为基础，通过对高家堡三维区多层系顺层相干(图 2)，高分辨率地震剖面(图 3)的构造解析，提出三维区下古生界断裂具有很强的分层结构，这种分层结构是在不同期区域构造应力以及塑性层(膏盐岩层)的共同作用下形成的。本次研究主要以高家堡地区为例，以点带面分析整个盆地东部断裂构造样式以及形成演化机制。

图  2  鄂尔多斯盆地东部高家堡地区多层系顺层相干及断裂平面展布

Figure  2.  Coherence and fault plane layout of multilayer system in Gaojiapu area, eastern Ordos Basin

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图  3  鄂尔多斯盆地东部高家堡地区典型地震剖面

剖面位置见图 2。

Figure  3.  Typical seismic profile of Gaojiapu area, eastern Ordos Basin

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2.1   断裂分层变形特征

从石炭系本溪组底顺层相干图(图 2c)可见其断裂与马一段底界、马四段底界(图 2a，b)断裂非同一体系，表现出明显分层差异，本溪组底断裂走向较杂乱，规模较小，以北西向为主(图 2c，c’)，而马一段底界、马四段底界断裂以北东向为主，北西向发育较少。马一段底界、马四段底界断裂也见分层差异(图 2a，a’，b，b’)，但表现为同一体系断裂的分层特征(北东向断裂为主)。马四段底界发育4条大断裂(①—④号断裂)和大量小断裂，断裂整体由南至北呈窄—宽—窄的弧型分布，南段左侧北西向断裂为主，右侧近南北向断裂为主，北段北东向断裂为主(图 2b，b’)；马一段底界除发育马四段底界下切的4条大断裂(其中①号断裂断续发育)及大量小断裂外，还发育一条北西向断裂，这条断裂在马四段底界不发育(图 2a，a’)。马一段底界与马四段底界断裂差异性主要源于马三段这套厚层盐岩对断裂的分隔性，同时马四段底界与本溪组底界的断裂差异性主要源于马五段这套厚层盐岩的分隔性(图 1b)。

对过米探1井与米探2井的剖面(图 2，图 3)分析发现，断裂主要的分层界面为马三段和马五₆亚段这两套以膏盐岩为主的地层。马五₆亚段地层之上的断裂大多向下消亡于马五₆亚段盐层中(图 3)。马五段除马五₆亚段这套比较厚的膏盐岩层外，其他地层也发育较多膏盐岩层(图 1b)。这些膏盐岩层对断裂活动同样具有分隔作用，因此，从地震剖面中还能见到一些向上未断至马五₆亚段、向下直插基底的断裂。整体上表现出马五段强大的分层能力，大量断裂向上消亡于马五段盐层向下或直插基底，或消亡于马三段盐岩层(图 3)。而马三段作为一套较厚的盐岩层，也使得断裂分层，大量断裂向上消亡于马三段盐岩层，向下直插基底(图 3)，当然也有活动性极强的断裂能刺穿两套厚盐岩层，即向上活动到本溪组底，向下直插基底。

2.2   断裂构造样式及分层模式

研究区内发育多种断裂构造样式，主要发育高陡断裂(走滑断裂样式)与逆冲断裂(收缩构造样式)，且大多高陡断裂上盘相对向上运动(压挤性质的走滑断裂)(图 3)。收缩构造样式主要有：平板式逆冲与铲式逆冲；走滑构造样式主要有：高陡直立、y字形和花状构造(图 3，图 4)。

图  4  鄂尔多斯盆地东部高家堡地区下古生界断裂构造样式

Figure  4.  Fault structure pattern of Lower Paleozoic in Gaojiapu area, eastern Ordos Basin

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研究区下古生界发育以2套(马三段、马五段)盐岩为分隔的三层断裂结构(图 2，图 3，图 5)，其中本溪组断裂规模较小，没有优势走向，本溪组下伏断裂则以北东向为主，但同样表现出分层差异。断裂有规律地消亡于盐岩中，揭示了塑性层对断裂的分层作用(图 5)。

图  5  鄂尔多斯盆地东部高家堡地区下古生界断裂分层模式

Figure  5.  Stratification model of Lower Paleozoic faults in Gaojiapu area, eastern Ordos Basin

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3.   断裂运动学特征

断裂的运动学分析是基于断裂几何学研究的结果，本次研究重点针对断裂垂向断距差异以及滑移方向差异进行研究^[20-21]。目前，利用三维地震资料对断裂带垂向断距进行评价的方法主要有多层位落差叠合分析，倾斜地层同相轴错断法对断裂进行断距统计。利用三维地震资料进行断裂走滑方向判断的方法主要通过地震体时间切片判断以及断裂叠接方式引起的局部地层起伏变化反推断裂走滑方向^[3]。

3.1   断裂相关凸起带活动性特征

所谓断裂相关凸起带即凸起带与断裂呈高度统一性，往往规模较大断裂下伏都发育凸起带，马四段底界规模较大的4条断裂(图 2，图 3，图 6a)，除①号断裂带下伏未见明显凸起带外，其余3条下伏均发育凸起带(图 6a，b)，如②号断裂下伏发育②号凸起带。这些凸起带消亡于马三段盐岩层中，通过测量凸起带地貌凸起幅度，明确凸起带活动性(图 6剖面CC’)。

图  6  鄂尔多斯盆地东部高家堡地区下伏凸起带活动性

Figure  6.  Activity of underlying uplift zone in Gaojiapu area, eastern Ordos Basin

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由于凸起带至马三段以下地层同步变形，凸起至马三段盐岩层消亡，所以本次测量选取了马一段底之上的强反射界面进行测量，以此反应凸起带活动性，测量方法为通过地震剖面读取凸起幅度(h)(图 6剖面CC’)。通过数据读取成图，发现②号凸起带凸起幅度不超过20 ms，③号凸起带凸起幅度不超过30 ms，④号凸起带凸起幅度不超过40 ms。凸起带整体凸起幅度大小关系为：②号凸起带<③号凸起带<④号凸起带(图 6c)。

3.2   主要断裂活动性特征

本次研究对主要目的层马四段底断裂断距也进行了测量，测量方式为在地震剖面读取地层错断大小(d)(图 6剖面CC’)。通过读取数据并成图发现，①号断裂断距在-8~4 ms之间，②号断裂断距在-16~7 ms之间，③号断裂断距在-15~8 ms之间，④号断裂断距在-18~32 ms之间(图 7)。断裂沿走向出现正负断距交替出现的特征，为明显的走滑断裂特征(走滑断裂具有海豚效应)。

图  7  鄂尔多斯盆地东部高家堡地区奥陶系马家沟组四段底断裂活动性

Figure  7.  Activity of bottom faults of fourth member of Ordovician Majiagou Formation in Gaojiapu area, eastern Ordos Basin

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断裂带整体断距大小顺序为：①号断裂<②号断裂<③号断裂<④号断裂，与下伏凸起带活动强度(②号凸起带<③号凸起带<④号凸起带)高度统一，即断裂规模越大下伏凸起带凸起幅度也越高。下伏凸起带与断裂的高度一致性可能预示着断裂与凸起带在同期、同一应力作用下形成。

4.   断裂形成机制与油气富集成藏规律

研究区地层具有明显隆升变形特征(图 3)，由于晋西挠褶带内大型逆冲断裂(离石大断裂)主要活动期为燕山期，同时研究区地层从深层至地表表现出同样的构造形态(图 8剖面DD’)，且燕山期盆地东抬西降，东部构造运动强烈，因此研究区地层从深层至地表表现出的隆升形态为燕山期盆地东部挤压应力向盆内传递的产物。本次结合区域应力，对高家堡地区下古生界断裂形成机制进行了研究，以已钻井为依托分析了断裂对油气富集成藏的控制作用。

图  8  鄂尔多斯盆地东部高家堡地区断裂与构造分层结构

Figure  8.  Fault and stratified structure of Gaojiapu area, eastern Ordos Basin

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4.1   地层构造隆升时期确认

由于燕山构造运动盆地东抬西降，盆地东部燕山期地层被剥蚀，中部有保留。从地震剖面分析，研究区地层同步隆升(侏罗系底-100 ms、三叠系底、本溪组底、马五₁₀亚段底)，一直隆升至地表(图 8剖面DD’)，不同层系相干图显示地层构造形态持续至地表(图 8a’-d’)，这进一步证实燕山构造运动对研究区构造、断裂影响较大，且位于盆地东部晋西挠褶带内的大型逆冲断裂(离石大断裂)也在燕山期剧烈活动^[22-23]，向盆内逆冲。虽然研究区地层隆升时期为燕山期，但研究区内断裂并非燕山期一期形成，主要证据为研究区内断裂是分层的，并非至地表直插基底(图 8剖面DD’)。从不同层系相干以及地震剖面分析，研究区内断裂表现出明显的分层差异，奥陶系内断裂活动数量以及断裂活动强度明显强于其他地层内断裂(图 8a-d)，且不同层系断裂差异较大。如果以地层沉积时期对应构造运动期，那么侏罗系底界断裂就应该是燕山期构造运动的产物，但因侏罗系被剥蚀，侏罗系底-100 ms界面保留的大量断裂应是以燕山期为主，其走向以北东向为主(图 8a)；三叠系底界断裂就应该是印支期构造运动的产物，走向以北西向为主(图 8b)；本溪组底界断裂应是海西期构造运动的产物，走向以北西向为主(图 8 c)；奥陶系内断裂应是加里东构造运动的产物，走向以北东向为主(图 8d)。研究区断裂虽表现出明显的分层，但断裂活动一定是持续的，绝非一期形成。晚期构造运动对于早期已经形成断裂一定有影响，只是影响强弱的差别，但研究区地层构造隆升于燕山期，因此，大胆推断燕山构造运动是对加里东构造运动已经形成断裂影响最大的一期后期改造运动，当然海西、印支以及喜马拉雅运动对于加里东期已形成断裂也有一定影响，但是影响较小。同时侏罗系底-100 ms界面断裂走向与奥陶系内断裂走向均为北东向(其他层系以北西向为主)，进一步证明了燕山期运动可能对加里东期已形成断裂具有重要影响。总体而言，研究区断裂具有多期活动特征。

4.2   下古生界断裂形成机制研究

研究区内断裂具有走滑性质，因此可以按照走滑断裂活动演化模型进行研究。奥陶系不同层系相干均发现断裂分段连接的特征(图 2，图 8)，这种连接方式符合走滑断裂带的活动规律。阶段1：破裂(发育不同方向小断裂)；阶段2：连接(小断裂连接)；阶段3：贯穿(形成一条完整走滑断裂破碎带)^[24-26]。本文结合区域应力断裂连接理论推断研究区断裂形成演化模式。目前走滑断裂破裂剪切应力机制主要有2种：纯剪模型(库伦—安德森模型)和单剪模型(里德尔剪切模型)。加里东运动期，鄂尔多斯盆地受南北向区域应力挤压，此时盆内断裂破裂机制接近于纯剪模型(图 9a)，北东向断裂与北西向断裂均发育，理论上北东向断裂应该左行，北西向断裂应该右行(图 9a，c)；燕山运动期，区域应力为北西南东向，此时期盆内断裂破裂机制接近于单剪模型(图 9b)，加里东期已经形成的大量断裂成为后期构造运动的薄弱带，燕山期区域应力挤压使得地层沿薄弱带隆升。在地层隆升的同时，下伏凸起带也沿断裂凸起，但凸起带向上凸起中遇到马三段膏盐岩层，发生卸力、消减，即下伏小型凸起带也是燕山期构造运动的产物，下伏凸起带推测有两种凸起模式：模式1如图 9f的①号断裂，加里东期形成早期断裂，早期断裂易于被改造，在燕山期区域应力挤压之下，沿断面发生凸起，凸起到盐岩层中发生卸力、消亡；模式2如图 9f的②号断裂，在燕山期区域应力之下，伴随区域地层隆升，研究区内形成低角度逆冲断裂，逆冲断裂逆冲至马三段盐岩层消亡，同时断裂在逆冲过程中带起凸起带。燕山期区域应力挤压还使得加里东期已经形成的断裂活化、增强、连接，区域应力作用于奥陶系内加里东期形成断裂上类似于斜向挤压，即东西向挤压，南北向走滑(图 9e)，使得研究区既发育逆冲断裂又发育具有压挤性质的走滑断裂，同时加里东形成的北东、北西向断裂连接，断裂弧型定型(图 9d)。因为侏罗系底-100 ms界面断裂以北东向为主，推测燕山期形成断裂主要以北东向为主，使得改造的奥陶系内断裂(加里东期形成)也以北东向为主，在燕山期改造的过程中大量北西向断裂未活动。这种形成机制既能解释为何研究区既发育逆冲断裂又发育具有压挤性质的走滑断裂，还能解释为何奥陶系内断裂平面呈弧型，也能解释下伏小型凸起带的形成。

图  9  鄂尔多斯盆地东部高家堡地区加里东期断裂形成演化及后期改造立体模式

Figure  9.  Stereoscopic model of Caledonian fault formation and evolution and late reconstruction in Gaojiapu area, eastern Ordos Basin

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胥旺等^[27]对鄂尔多斯盆地北部大牛气田奥陶系马家沟组裂缝充填物进行了碳氧同位素地球化学测年，通过大牛气田构造裂缝充填方解石的碳氧同位素组成分布区域，结合古地温以及埋藏史，划分不同构造裂缝形成期，有效识别了断裂的发育期次，提出了加里东期与燕山期为鄂尔多斯盆地下古生界裂缝主要活动期，与本文的观点一致。

4.3   断裂对油气富集成藏的控制作用

近年来随着勘探的深入，鄂尔多斯盆地奥陶系马五₁亚段—马五₄亚段、马五₆亚段—马五₁₀亚段、马四段均有多口井获得工业气流，揭示了奥陶系多层系叠合成藏特征^{[1, 14]}。奥陶系具有良好的生储盖条件：马家沟组马一段、马三段、马五段发育优质海相烃源岩，具有良好生烃条件^[28]；马四段发育丘滩体储层，马五段发育风化壳型储层，储层条件优越；奥陶系马家沟组发育多套膏盐岩可作为良好的盖层。米探1井与米探2井均位于高家堡地区断裂带之上，两者具有极其相似的石油地质条件，但两口井产量却具有很大差别，米探1井在马四段获得高产，米探2井在目的层马四段则未见油气显示，但在马五₅亚段却具有良好的天然气显示(图 10)。通过对米探1井与米探2井的分析，认为鄂尔多斯盆地下古生界断裂对于油气成藏至少具有三重作用：(1)改善储层：断裂通过破碎地层，能形成断控缝洞，且断裂形成后，地下热液或雨水可通过断面溶蚀，形成断溶体储层，米探1井在马四段发育裂缝以及溶蚀孔就证实了断裂改善储层的作用^{[1, 2]}；(2)沟通油源：下古生界海相烃源岩主要发育于马一段、马三段、马五段，断裂可作为高效运移通道，沟通多套源岩，使油气聚集成藏；(3)控制圈闭：断裂活动虽能沟通油源、改善储层，但活动过强也能破坏圈闭，使油气发生逸散。

图  10  鄂尔多斯盆地东部高家堡地区米探1井与米探2井油藏剖面

Figure  10.  Reservoir profiles of wells Mitan 1 and Mitan 2 in Gaojiapu area, eastern Ordos Basin

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燕山构造运动期下古生界烃源岩进入最大排烃期^[29-31]，同时研究区在这一时期隆升，断裂活化、开启。构造隆升期与油气充注期耦合表明研究区内虽然油气充注强，但由于断裂开启，目的层内油气保存性也受到较大的挑战。以米探1井与米探2井为例，米探2井所处的南段断裂活动明显强于米探1井所处的北段(图 7)，米探2井的马四段盖层(马五₁₀亚段—马五₆亚段)也破碎严重(图 3)，因此，米探2井马四段失利的原因不排除断裂活动性太强，油气向上运移的可能；而米探1井因为断裂活动相对较弱，对于盖层影响较小，所以油气得以保存，获得高产(图 10)。因此，在后续下古生界碳酸盐岩勘探中不仅要考虑断裂对于油气的充注的作用，还要考虑到断裂对于油气保存性的影响。

5.   结论

(1) 高家堡地区断裂活动性较强，下古生界断裂具有明显的分层特征，盆内沉积的奥陶系马家沟组马三、马五段2套厚层盐岩是造成下古生界断裂分层的主要原因之一。

(2) 高家堡地区下古生界主要发育具有左行走滑兼具压挤性质的走滑断裂以及逆冲断裂，研究区发育高陡直立、y字形、花状构造、平板式逆冲与铲式逆冲等构造样式。

(3) 燕山构造运动是对加里东构造运动已经形成断裂影响最大的一期后期改造运动，加里东期发育北西、东向走滑断裂，燕山期主要发育北东向断裂，同时燕山期强化并沟通了加里东期形成的北东向断裂，奠定了研究区奥陶系内断裂弧型基础。燕山期区域应力挤压使得研究区地层沿加里东期断裂形成的薄弱带隆升定型，同时在区域应力作用下研究区下伏凸起带沿断裂凸起。

(4) 研究区构造隆升期与油气充注期耦合，油气强充注，但由于断裂开启，目的层内油气保存性也受到较大挑战；断裂具有改善储层、沟通源岩、控制圈闭等多重作用。