在峡谷和北海维京地堑的断层带和阶梯状地堑的烃类的运移和聚集的意义

1、在峡谷和北海维京地堑的断层带和阶梯状地堑的烃类的运移和聚集的意义Haakon Fossen, Richard A. Schultz, Egil Rundhovde,Atle Rotevatn, and Simon J. BuckleyAAPG Bulletin, v. 94, no. 5 (May 2010), pp. 597613摘要分隔地堑系统发育在延伸构造盆地的石油和天然气勘探上有着重要的意义。在犹他州和北海维京地堑峡谷区的地堑之间我们对比和模拟了一个典型的阶梯状构造，尽管它们的构造背景不同，但发现它们以惊人的相似性适用于其他地堑系统。在这些情况下，这些阶梯状构造代表地堑系统内部的相对较

2、高部分，这可能是在地堑深处部位第一批充填碳氢化合物的构造。再者，转换斜坡和较小的断层辅助了烃类在阶梯状构造轻易的运移和允许阶梯状构造作为油气从深地堑油灶运移到盆地较高部位圈闭的良好的通道。在勘探中，阶梯状地堑和其相关构造应被特别的关注，因为它们可能展现了油气沿着地堑两翼向大的圈闭较充足的聚集。这些观测结果显示，并且增加了对这些位于维京地堑的阶梯状构造的the Kvitebjørn,Valemon,和Huldra油田，和维京地堑和其他地堑系统的地堑阶梯状构造的关注度。介绍从许多别的大陆裂谷系统，例如东非裂谷（Rosendahl等，1986;Morley等,1990;Nelson等,19

3、92），奥斯陆裂谷（Sundvoll and Larsen,1994），Rheine裂谷(Ziegler,1992),the苏伊士裂谷(Bosworth,1995)和里约格兰德裂谷(Mack and Seager,1995)，以及洋中裂谷系统（例如Sempéré等,1993)看出在地堑轴线大规模横向偏移和介入（图1）。在很好的探索侏罗北晚期海洋被动裂谷系统上，维京地堑详述了在维度60°-62°之间的中央裂谷地堑（图2）。维京地堑在连贯的右阶中被分割（图3、4）。最近发现位于维京地堑的侧翼的一些大的南海近海油田（例如斯达夫琼德、克斯、斯诺里、奥斯贝尔油田）

4、和一些小的满烃构造是在相同的地区。虽然巨大的石油天然气田是位于较高的裂谷边缘，但一些小的油田和成藏组合在地堑覆盖部分被发现。在地堑转换带或者阶梯状部位和碳氢化合物聚集区的有趣的巧合不仅仅的巧合：我们指出这些聚集区和这些阶梯状地堑的特别的构造特征是相关的。虽然阶梯状地堑构造和裂谷聚集区有不同的构造特征，但从讨论它们先前的研究工作（例如Rosendahl,1987;Morley等,1990）我们将注意到维京地堑的阶梯状地堑和在犹他州峡谷地区和地堑系统几何上相似的地方有结构的相似之处。在比较异常的好的暴露峡谷的例子和大尺度维京地堑上，沿着和地堑相关的地形和边缘断层的扩展测量的基础上，我们讨论了石油勘

5、探地堑分割的重要性。图1 以地堑轴线相关联的转换斜坡和位移的阶梯状地堑的概念转换构造和地堑分割由小构造发育来的断层在地震活动和抗震蠕动中迅速聚集油气（如科维，等，2007）。在断层组演变中，个别断层相互影响和重叠，形成转换构造（如拉森，1988；蔡尔茨，等，1995）。一个转换构造也被称为是阶梯状构造，它是在2个断层之间转换位移的位置。转换位移在地层学中用于指示正常重叠断层的延展性褶皱（例如Willemse,1997）。这些地方被认为是转换斜坡（例如Peacock and Sanderson,1994）。转换斜坡可以积累张力直到斜坡中的岩石在剪切力作用下破碎（Crider和Pollard,19

6、98）。在这点上，两个断裂段成为物理上的相连形成一个或者更多个贯穿断层(Soliva和Benedicto,2004)。这种构造结果被称为一个被破坏的转换斜坡(Childs等,1995)。图2 北海裂谷系统和维京地堑相关的挪威、苏格兰和中央地堑的三重交界处以及默里湾盆地。地图显示的是白垩纪晚期，冷色是深的地方。模型是Evans等2003年建立的。被许可转载的地质学会重印（伦敦）转换斜坡的形成和破坏不断贯穿于断层组的发展史中。此外，它们的形式范围很广，从可显著取样到地图结构上的厘米规模的构造到100km的构造均可（Peacock等，2000;Soliva和Benedicto，2004）。转换构造的

7、形式转换斜坡可以消极的影响断层的封闭容量，并且在运移过程中，特别是水和碳氢化合物的产生中，起到积极的沟通断层的作用（Bense和Balen,2004;Rotevatn，等,2007,2009a,b）。地堑也通过断层交互作用和连接作用演化，除非它们包括两套相反的倾向断层的轴线。因此，转换在一个简单地堑的轴部以两个相对倾向的转换斜坡形式存在（图一）。最好显示的一个例子之一是侧部台阶状或者是阶梯状地堑和相关联的转换斜坡在美国犹他州峡谷地国家公园地堑带被发现，是可以按最合适比例放大到大的规模的北海北部的维京地堑的例子。在这篇文章中，我们指的阶梯状地堑是垂直于受力方向的地堑转换。维京地堑分段维京地堑形成

8、于地堑中央，北海裂谷构造最低的部位，从中央地堑三相连接构造和南部默里湾盆地到北部松恩地堑大约延伸500km（311mi）（图2）。在北海裂谷系统经历了两次主要断裂阶段：一个从二叠纪晚期到白垩纪早期，一个是侏罗纪中晚期到早白垩纪（例如Roberts等，1993;Færseth,1996）。维京地堑本身的后一个阶段的结果：轴向最大的伸展方向位于前二叠纪-三叠纪时期更远的东部（Færseth等,1995）。几何学上讲，从地图上看维京地堑是不规则的，沿受力向侧面成阶梯状。在北部，尤其是右阶地堑段很好的发育。在这个区油气田个体段大约有30km（18.6mi）宽50-100km（31-

9、62mi）长，北部段被称作松恩地堑（图3）。然而，地堑精确度宽度是不能很好的约束的，因为断层和断层的复杂的交换作用是沿着地堑边缘的。在横截面上，维京地堑的延伸几乎是对称（图4b）到东部不对称的断层逆牵引构造（图4a）。地堑边界断层显示的是晚侏罗纪向上偏移大约3km（2mi），并且在地图上可以看到明显的曲线。在晚侏罗纪维京地堑延伸估计要达40-50%(Roberts等,1993,Odinsen等,2000)。图3 详细的图2，显示维京地堑北部和本文讨论的段。GFS =Gullfaks Sør 领油气田图4 穿过维京地堑的剖面图，模型来着Odinsen等(2000)。参见图3对应的位置图

10、5 北部右旋阶梯状维京地堑系统（左），阐明在白垩纪水平的基础上，显示连接达维斯林阶梯状构造（峡谷地，右边：见图6的位置）。标明阶梯状地堑高的位置和转换斜坡。GF=克斯油气田（3.6亿Sm3）127亿Sft3可产出油，240亿Sm38470亿Sft3可产出气）；GFS=GullfaksSør油气田(4800万Sm317亿Sft3油，460亿Sm31.6万亿Sft3气)；HU=Huldra油气田（500万Sm31.76亿Sft3油，160亿Sm35650亿Sft3气）；KB=Kvitebjørn油气田（0.27亿Sm39.53亿Sft3油，740亿Sm32.6万亿Sft3气）；

11、VS=Visund油气田（2900万Sm310.2亿Sft3油，470亿Sm31.6万亿Sft3气）；VA=Valemon（最少5亿Sm318亿Sft3油等价物）。m.b.s.l.是低于海平面的米数。维京阶梯状地堑我们要特别注意这两个在维京地堑北部的阶梯状地堑。这个带叫Huldra-Kvitebjørn和Viking-Sogn阶梯状地堑，地堑轴部这个地区的横向偏移在数量上与地堑段的宽度是一致的。(-35- km22 mi)(图3,4)。虽然在图3所示图上显示出了一种针对这个地区的复杂模式断层的简单的图片显示，但它指出了一些重要的受力特征。一个是在每一个分割段内系统化的多重复合的地堑的

12、地堑带的深度是从陷入中央部分的段到阶梯状构造的性当浅的地方（图5）。另一个是在Huldra-Kvitebjørn阶梯构造最高部位的油气田（Huldra and Kvitebjørn 油气田）和一些恰好处于它们附近的主要的油气田（Gullfaks地区和Oseberg Veslefrikk地区）。此外，一些转换构造是处于地堑的阶梯状构造，在临近的阶梯状构造中连接地堑部位和油气田的高部。我们发现它们具有典型的多阶梯状地堑带的特征，并且我们将用完好暴露的峡谷地的例子来详细的探讨它们。峡谷地地堑地堑位于犹他州大峡谷国家公园针区。位于科罗拉多河东部长长的，12km（7mi）宽25km（

13、15mi）长，的地区，在这里，一些地堑已经形成，且仍在发展，（McGill and Stromquist 1979;Moore and Schultz,1999;Trudgill,2002;Furuya，等,2007)。这个处于一个大规模的呈拱形的地方的地堑系统，发育在一个大约460m(1509ft)的厚序列的石炭二叠系的砂岩，从属灰岩属于卡特勒、瑞克和何蒙莎形式。这些砂岩是依靠宾夕法尼亚盐岩沉积（相反的系列），露头沿着科罗拉多河峡谷特殊的剖面为基础。相对于科罗拉多河峡谷，地堑地区的沉积岩恰好略微下跌（约4°），并且在砂岩和石灰岩中的地堑系统，相对于科罗拉多河下切谷，重力转换反应慢（

14、McGill和Stromquist,1979;Schultz-Ela和Walsh,2002)。因此，这些地堑地层形成于科罗拉多河之后，在石炭二叠系砂岩遭到侵蚀直到下面的盐壳，这一过程开始于科罗拉多高原新生代晚期隆起。物理上讲，地堑形成于广泛发育的科罗拉多高原的断层早期的节理组，这些节理被认为是经过沉积岩历史上的抬升和冷却，突然的下降从而这个地区积累的剪切位移达几百米（达600-700ft）。在正常的断裂中，地堑降落到下层的盐岩中，并且，这些垂直位移和下层盐岩溶蚀及横向流动相关联。在地图上看出，受地堑边界正断层影响，一些暴露显著的阶梯状地堑和联合转换构造在地堑区被发现（Trudgill和Cart

15、wright,1994;Moore 和Schultz,1999)。峡谷断层在物性上和北海和大部分其他油藏发现的是有所不同的。因为它们靠近表层的地层通过明显岩化的砂岩的先前存在的节理发生断裂作用。这导致断层和节理不但可以传热也可以引导流体垂向流动。在储集层例如北海的那些，隆起不足或者不存在，发生在非破碎沉积物和沉积岩中的断层往往代表渗透率较低的薄层，它们更可能影响流体的流动。在本文中，我们注重维京地堑和峡谷地地堑的几何取代物的物性，特别是位于峡谷地的多维斯狭窄段地堑的暴露良好的阶梯带的地方，并指出了它们次要的几何相似性和构造特征上的断层性质的不同。多维斯狭窄地带多维斯狭窄地带代表众多南北延伸不对

16、称的峡谷地地堑，并且有主要的断层位于地堑的西边。在相同的断裂带上，东边是一个被早期南北延伸节理和后期的断裂作用的开启的区域带所影响的平缓的滚动构造。从几何上讲，和维京地堑的相似处是异常惊人的（图5），尽管峡谷地断层是陡峭的且受先前的节理控制（图6、7）。此外，位于断层内部阻碍之间的层理是很少翻转的，相比北海的例子延伸也相当少。图6 多维斯狭窄地带阶梯状地堑的空中照片。标出了两个反相的下倾斜坡和阶梯中央的高部地区图7 横穿多维斯狭长地堑体系的剖面图没有垂向比例尺放大参见图6的这个位置在图6空中照片和相应的地图解释显示出地堑地区的几个特征属性。第一，穿过阶梯状构造的在地堑轴部位移大概是地堑的宽带，

17、即大约200 m（656 ft）。这些维京地堑的位移的描述（如上图所示）。第二，在多维斯狭窄地段的两个相反的下倾斜坡仍然是主要的未破坏区，但是被节理和小的断层切口。这些斜坡位于地堑边界断层的重复地带：作为沿断层进入斜坡地区的位移减小，另一方面把它提升作为穿过斜坡的转换位移。多维斯狭窄斜坡是简单的几何体，在早先局部节理模式的趋势下被次要断层和节理所控制，但是和维京地堑的整体几何形态是非常相似的。实际上位移沿着边界断层向阶梯状构造减小引出第三种性能特点，发生在两个地堑段之间的构造隆起区。在峡谷地的例子中，被证明在两个斜坡间是一个高翼或者是地垒。这个引人注目的特点给出的直接印象是异常，特别是在多维斯

18、狭窄地带的例子中。在多维斯狭窄地带这个狭窄并戏剧性窄的地垒的是部分性功能节理再生在这部分的地堑体系。定性的说，在其他例子或者沉积中，在阶梯状地堑中的一个或多个新高也是被期待发生的。在维京地堑的例子中，的确发现了这样的高点，并且发现气和凝缩物的聚集。例如在Kvitebjørn油田，在Huldra油田和Valemon聚集区（图5）。维京地堑中的断层相互作用模式在多维斯狭窄地带阶梯状地堑的狭窄地垒（翼）表现出一个很有意思的特征，在这个地区，一部分受先前的节理系统控制，一部分是由两个侵入的地堑边界断层段的生长史造成的（见Serra和Nelson,1988）。类似的构造高点在相连的维京地堑系统

19、也可以观察到。在定性的预测不连接并且韧性的岩层上，这种结构有什么共性的表现吗？从地图上看，一个特别有趣的方面是这些正面构造和这些地堑轴部位移是相关的。如果地堑的位移大于地堑本身的宽带，那么一个狭窄的地垒将在两个地堑段之间保存下来（图8a）。如果地堑轴部的位移小于地堑本身的宽度（图8b），那么，重叠的区域将会被表现为一个低位（狭窄地堑），虽然仍是地堑系统的最高的部位。在峡谷地的例子中代表了一种情况，即位移小于地堑的宽度但狭窄的地垒仍然存在，因为弯曲断层翻转（图8c）。我们建议两个相互靠近的断层翻转的周围应力场的相互作用，导致一般连续的断层段弯曲。类似几何学所指出的维京松恩阶梯状地堑（图3），在相

20、反倾向的断层间创造了一个有趣的高构造。探索这些问题，我们采用库仑方法进行了数值模拟（Toda等,2008），这是一个三维的前期力学模型，计算了应力和弹性半空间的位移，这取决于沿着断层被限制的位移（见Toda等，1998；此外Schultz和Lin，2001；Wilkins和Schultz，2003，详细的方法和运用到正断层和地堑体系）。在断层增长上使用力学模型，像这样做，对断层模式的发展和相关地形和除此之外模拟可用的模型提供了深刻的理解（如Hus等，2005；Bose和Mitra，2009）。从我们研究断层的几何学从图8a和b上可以看出。每一个地堑被一个确定的内部倾斜正断层分析，长4km（2.

21、5）并以60°角向下倾斜1km（0.6mi）深。沿着每一个断层应用一个100m（328ft）的恒定位移，与其他正断层的数值相一致（如Schultz，等，2008）。这些母岩被用炀模型表现为80GPa（145038psi），泊松比为0.25，摩擦系数为0.6，与那些沉积岩有一致的值。采用每隔100m（328ft）有规律的计算，可以得到网格测量观察值为2*2km（1.23*1.24mi）处于阶梯状地堑的地面中心。虽然下面详细呈现出这些断层规模、位移、倾角的比值和母岩性能影响的结果，但分析的结论是通过变更这些值没有造成实质上的改变。结果是，我们的结论支持其他地堑系统有相似的断层几何和阶梯地

22、形。（a） （b） （c）（a）地堑位移大于地堑宽度（b）地堑位移小于地堑宽度（w）（c）地堑位移小于地堑宽度。弯曲断层翻转图8 阶梯状地堑的三种几何形式。描点和阴影区是低势区。以本文进行讨论当地堑位移大于地堑的宽度地堑可以生长进入图8a中各种情况的任意一个重叠的几何形式，当地堑位移小于地堑宽度时，情况显示在图8b中。在过去的情况中（图8b），在中心重叠区断裂的结果在下降，并预测盆地在这个区域的模型（见图9）。然而，第一种情况的断层（图8a）导致中间地垒的隆起增强（图10）。这种结果指出地堑传播到重叠几何结构导致沉积或者抬升的增加，在地堑之间转换取决于最初的间距，虽然这些阶梯状构造在某种程度上

23、简单假定恒定的断距可以增加这些效果。这些情况在图9和图10中假定这两个内部断层概括了图8b中的狭窄地堑除了沿着变换趋势增加外还沿着碰撞而增加。这种可能的发生，例如，依据峡谷地的例子，先前的构造或者节理控制断层增长方向。一种模型指出这种形式被一个从下面露出的地堑的压力状态解释（图11a）。在逆时针方向，通过断层内部模型支持的传播预测较小的水平应力定向，产生的地堑或者地垒相对总延伸地堑是旋转的（图11b）。通过模型和图8c看出在峡谷地的例子中，这个引人注目的地垒不存在显著的旋转，因为断层是沿着先前节理增加的并且突然沿着它们成阶梯状，取代预测的平缓的旋转。在峡谷地多维斯地堑中心翼和地垒可以理解成断层

24、在宽的间隔和一个沿着受力的各向异性增加的结果（如节理组），反之，旋转地垒和沿着北海维京地堑分段处的地堑是由缺少重要各向异性的地层断层积累引起的，如图11b所示。讨论当谈到勘探的时候，峡谷地的例子和维京地堑所共同具备的一些特性是非常重要的。大体上，存在三个主要方面的链状地堑系统。一个方面，地堑的深部分也许位于生油窗，尽管它的两翼不是这样的。因而地堑系统在很多石油和天然气产区是作为生油灶，这包括北海在内。在连续沉降过程中，一个地堑系统的深部最终会逃出生油窗，在这样情况下，浅层的阶梯状构造也许仍旧保留在生油窗内。因而，地堑段在生油窗范围内造就有了一个较长的地堑生油岩层残留时间。考虑到烃类运移和和捕获

25、，第二个方面与阶梯状地堑内的转换构造的作用有关。在诸如北海这样构造，很多大型断层是封闭的，因为有渗透性单元和非渗透性单元是并列的，极少情况下，因为页岩影响，转换构造为烃类从深地堑区运移到侧翼的构造隆起区提供重要的运移途径。断层密闭能力取决于几个因素，其中移位与岩石属性和地层学被认为是最重要的（如Yielding，等，1997）。 图9 预测地形变化和在地堑消减小于地堑宽度的地方的重叠地堑段的关系。（a）三维透视图显示预测区域的提升和沉降。（b）等值线图预测地堑区域地表的垂直位移。值得注意的是在转换斜坡两个内部断层之间的高度沉降，是通过恒定不变的断层距来假定用这种模型的假象。 图10 预测地形变

26、化和在地堑消减大于地堑宽度的地方的重叠地堑段的关系；a和b同图9。值得注意的是转换斜坡下降盘的增加的抬升。 图11 （a）地形预测和（b）库仑压力变化与地堑靠内部断层的已出露的集合体生长的关系。在图b中通过暖色显示了区域断层增长，指示刻度线显示位置方向的媒介（水平线方向）的主应力2。虚线表示断层在缺乏构造的各向异性的增加的方向。在某些临界点，尤其是靠近断层段的地方，小小的移位会造成断层从封闭型变成不封闭型。因为靠近阶梯状地堑的断层丧失移位和转换构造，阶梯状构造有可能是位于与其他封闭断层的交汇处，甚至是转换斜坡内地震发生区域（Rotevatn，等，2009）。像维京地堑这样的大规模阶梯地堑范围内

27、，这意味着阶梯状地堑是一个区域，在这区域内产生于地堑系统深部分的烃类能运移出周围遮挡断层带，而且运移到沿着地堑系统侧翼构造隆起区。在维京地堑的北部，烃类运移似乎发生在旁边的四周或者穿过断层带的低位移部分（Johannesen，等，2002），而这一运移路径是地堑阶梯状构造产生的。沿着断层带流体的垂直运移也出现在盆地，甚至在密闭断层旁边也许间歇地或者连续地促使流体向垂直方向移动。因为大部分断层带和阶梯状地堑相应断层是不规则的，我们应该期望加强这些断层内的烃类垂直运移。这一猜想得到Rowland和Sibson在新西兰针对分段裂缝系统研究的佐证（2004）。作者发现在阶梯状和链状地堑中会有集中的地热

28、带，这些区域的复杂构造会增加垂向的孔隙度。注意到我们所发现的阶梯状地堑内构造都很复杂，这一的构造复杂度也许会在产生很多问题，尽管这取决于当地很多因素。结合深位置以及很差的地震成像这些复杂的情况给我们带来了挑战，同时也需要我们得出更加精确的构造图形。第三个方面是峡谷地地区和维京地堑系统都具备的，是阶梯状地堑内的局部构造隆起的位置。这些构造位于烃类从地堑深处运移线路上，如果地堑系统足够大的话，也许聚集大量的烃类，尽管它们容积倾向于比浅层链状结构更小。以维京地堑为例，这Kvitebjørn区域是迄今为止勘探发现的阶梯状地堑内最大的聚集，包含27,000,000Sm3可开采的石油和74,000,000 Sm3可开采的天然气。总体上说，观测和力学分析表明，在裂缝系统的地区绘图时，阶梯状地堑应该特别对待。在这些区域发现烃类聚集的可能性，包括其他的在内，取决于阶梯的深度。如果它们被深埋，它们也许仅仅表现出天然气积聚，高温高压引起的压缩和粘结也许减少