1、在峽谷和北海(bi hi)維京地塹的斷層帶和階梯狀地塹的烴類的運移和聚集(jj)的意義Haakon Fossen, Richard A. Schultz, Egil Rundhovde,Atle Rotevatn, and Simon J. BuckleyAAPG Bulletin, v. 94, no. 5 (May 2010), pp. 597613摘要(zhiyo)分隔地塹系統發育在延伸構造盆地的石油和天然氣勘探上有著重要的意義。在猶他州和北海維京地塹峽谷區的地塹之間我們對比和模擬了一個典型的階梯狀構造，盡管它們的構造背景不同，但發現它們以驚人的相似性適用于其他地塹系統。在這些情況下，這

2、些階梯狀構造代表地塹系統內部的相對較高部分，這可能是在地塹深處部位第一批充填碳氫化合物的構造。再者，轉換斜坡和較小的斷層輔助了烴類在階梯狀構造輕易的運移和允許階梯狀構造作為油氣從深地塹油灶運移到盆地較高部位圈閉的良好的通道。在勘探中，階梯狀地塹和其相關構造應被特別的關注，因為它們可能展現了油氣沿著地塹兩翼向大的圈閉較充足的聚集。這些觀測結果顯示，并且增加了對這些位于維京地塹的階梯狀構造的the Kvitebjrn,Valemon,和Huldra油田，和維京地塹和其他地塹系統的地塹階梯狀構造的關注度。介紹從許多別的大陸裂谷系統，例如東非裂谷（Rosendahl等，1986;Morley等,199

3、0;Nelson等,1992），奧斯陸裂谷（Sundvoll and Larsen,1994），Rheine裂谷(Ziegler,1992),the蘇伊士裂谷(Bosworth,1995)和里約格蘭德裂谷(Mack and Seager,1995)，以及洋中裂谷系統（例如Sempr等,1993)看出在地塹軸線大規模橫向偏移和介入（圖1）。在很好的探索侏羅北晚期海洋被動裂谷系統上，維京地塹詳述了在維度60-62之間的中央裂谷地塹（圖2）。維京地塹在連貫的右階中被分割（圖3、4）。最近發現位于維京地塹的側翼的一些大的南海近海油田（例如斯達夫瓊德、克斯、斯諾里、奧斯貝爾油田）和一些小的滿烴構造是在相

4、同的地區。雖然巨大的石油天然氣田是位于較高的裂谷邊緣，但一些小的油田和成藏組合在地塹覆蓋部分被發現。在地塹轉換帶或者階梯狀部位和碳氫化合物聚集區的有趣的巧合不僅僅的巧合：我們指出這些聚集區和這些階梯狀地塹的特別的構造特征是相關的。雖然階梯狀地塹構造和裂谷聚集區有不同的構造特征，但從討論它們先前的研究工作（例如Rosendahl,1987;Morley等,1990）我們將注意到維京地塹的階梯狀地塹和在猶他州峽谷地區和地塹系統幾何上相似的地方有結構的相似之處。在比較異常的好的暴露峽谷的例子和大尺度維京地塹上，沿著和地塹相關的地形和邊緣斷層的擴展測量的基礎上，我們討論了石油勘探地塹分割的重要性。圖1

5、 以地塹軸線相關聯的轉換(zhunhun)斜坡和位移的階梯狀地塹的概念轉換構造(guzo)和地塹分割由小構造(guzo)發育來的斷層在地震活動和抗震蠕動中迅速聚集油氣（如科維，等，2007）。在斷層組演變中，個別斷層相互影響和重疊，形成轉換構造（如拉森，1988；蔡爾茨，等，1995）。一個轉換構造也被稱為是階梯狀構造，它是在2個斷層之間轉換位移的位置。轉換位移在地層學中用于指示正常重疊斷層的延展性褶皺（例如Willemse,1997）。這些地方被認為是轉換斜坡（例如Peacock and Sanderson,1994）。轉換斜坡可以積累張力直到斜坡中的巖石在剪切力作用下破碎（Crider和P

6、ollard,1998）。在這點上，兩個斷裂段成為物理上的相連形成一個或者更多個貫穿斷層(Soliva和Benedicto,2004)。這種構造結果被稱為一個被破壞的轉換斜坡(Childs等,1995)。圖2 北海(bi hi)裂谷系統和維京地塹相關的挪威、蘇格蘭和中央(zhngyng)地塹的三重交界處以及默里灣盆地(pnd)。地圖顯示的是白堊紀晚期，冷色是深的地方。模型是Evans等2003年建立的。被許可轉載的地質學會重印（倫敦）轉換斜坡的形成和破壞不斷貫穿于斷層組的發展史中。此外，它們的形式范圍很廣，從可顯著取樣到地圖結構上的厘米規模的構造到100km的構造均可（Peacock等，200

7、0;Soliva和Benedicto，2004）。轉換構造的形式轉換斜坡可以消極的影響斷層的封閉容量，并且在運移過程中，特別是水和碳氫化合物的產生中，起到積極的溝通斷層的作用（Bense和Balen,2004;Rotevatn，等,2007,2009a,b）。地塹也通過斷層交互作用和連接作用演化，除非它們包括兩套相反的傾向(qngxing)斷層的軸線。因此，轉換在一個簡單地塹的軸部以兩個(lin )相對傾向的轉換斜坡(xip)形式存在（圖一）。最好顯示的一個例子之一是側部臺階狀或者是階梯狀地塹和相關聯的轉換斜坡在美國猶他州峽谷地國家公園地塹帶被發現，是可以按最合適比例放大到大的規模的北海北部的

8、維京地塹的例子。在這篇文章中，我們指的階梯狀地塹是垂直于受力方向的地塹轉換。維京地塹分段維京地塹形成于地塹中央，北海裂谷構造最低的部位，從中央地塹三相連接構造和南部默里灣盆地到北部松恩地塹大約延伸500km（311mi）（圖2）。在北海裂谷系統經歷了兩次主要斷裂階段：一個從二疊紀晚期到白堊紀早期，一個是侏羅紀中晚期到早白堊紀（例如Roberts等，1993;Frseth,1996）。維京地塹本身的后一個階段的結果：軸向最大的伸展方向位于前二疊紀-三疊紀時期更遠的東部（Frseth等,1995）。幾何學上講，從地圖上看維京地塹是不規則的，沿受力向側面成階梯狀。在北部，尤其是右階地塹段很好的發育。

9、在這個區油氣田個體段大約有30km（18.6mi）寬50-100km（31-62mi）長，北部段被稱作松恩地塹（圖3）。然而，地塹精確度寬度是不能很好的約束的，因為斷層和斷層的復雜的交換作用是沿著地塹邊緣的。在橫截面上，維京地塹的延伸幾乎是對稱（圖4b）到東部不對稱的斷層逆牽引構造（圖4a）。地塹邊界斷層顯示的是晚侏羅紀向上偏移大約3km（2mi），并且在地圖上可以看到明顯的曲線。在晚侏羅紀維京地塹延伸估計要達40-50%(Roberts等,1993,Odinsen等,2000)。圖3 詳細(xingx)的圖2，顯示維京地塹北部和本文討論的段。GFS =Gullfaks Sr 領油氣田圖4 穿

10、過(chun u)維京地塹的剖面圖，模型來著Odinsen等(2000)。參見(cnjin)圖3對應的位置圖5 北部(bi b)右旋階梯狀維京地塹系統（左），闡明在白堊紀水平(shupng)的基礎上，顯示連接達維斯林階梯狀構造（峽谷地，右邊：見圖6的位置）。標明階梯狀地塹高的位置和轉換(zhunhun)斜坡。GF=克斯油氣田（3.6億Sm3）127億Sft3可產出油，240億Sm38470億Sft3可產出氣）；GFS=GullfaksSr油氣田(4800萬Sm317億Sft3油，460億Sm31.6萬億Sft3氣)；HU=Huldra油氣田（500萬Sm31.76億Sft3油，160億Sm35

11、650億Sft3氣）；KB=Kvitebjrn油氣田（0.27億Sm39.53億Sft3油，740億Sm32.6萬億Sft3氣）；VS=Visund油氣田（2900萬Sm310.2億Sft3油，470億Sm31.6萬億Sft3氣）；VA=Valemon（最少5億Sm318億Sft3油等價物）。m.b.s.l.是低于海平面的米數。維京階梯狀地塹我們要特別注意這兩個在維京地塹北部的階梯狀地塹。這個帶叫Huldra-Kvitebjrn和Viking-Sogn階梯狀地塹，地塹軸部這個地區的橫向偏移在數量上與地塹段的寬度是一致的。(-35- km22 mi)(圖3,4)。雖然在圖3所示圖上顯示出了一種針

12、對這個地區的復雜模式斷層的簡單的圖片顯示，但它指出了一些重要的受力特征。一個是在每一個分割段內系統化的多重復合的地塹的地塹帶的深度是從陷入中央部分的段到階梯狀構造的性當淺的地方（圖5）。另一個是在Huldra-Kvitebjrn階梯構造最高部位的油氣田（Huldra and Kvitebjrn 油氣田）和一些恰好處于它們附近的主要的油氣田（Gullfaks地區和Oseberg Veslefrikk地區）。此外，一些轉換構造是處于地塹的階梯狀構造，在臨近的階梯狀構造中連接地塹部位和油氣田的高部。我們發現它們具有典型的多階梯狀地塹帶的特征，并且我們將用完好暴露的峽谷地的例子來詳細的探討它們。峽谷(

13、xig)地地塹地塹位于猶他州大峽谷國家公園針區。位于科羅拉多河東部長長的，12km（7mi）寬25km（15mi）長，的地區，在這里(zhl)，一些地塹已經形成，且仍在發展，（McGill and Stromquist 1979;Moore and Schultz,1999;Trudgill,2002;Furuya，等,2007)。這個(zh ge)處于一個大規模的呈拱形的地方的地塹系統，發育在一個大約460m(1509ft)的厚序列的石炭二疊系的砂巖，從屬灰巖屬于卡特勒、瑞克和何蒙莎形式。這些砂巖是依靠賓夕法尼亞鹽巖沉積（相反的系列），露頭沿著科羅拉多河峽谷特殊的剖面為基礎。相對于科羅拉多河

14、峽谷，地塹地區的沉積巖恰好略微下跌（約4），并且在砂巖和石灰巖中的地塹系統，相對于科羅拉多河下切谷，重力轉換反應慢（McGill和Stromquist,1979;Schultz-Ela和Walsh,2002)。因此，這些地塹地層形成于科羅拉多河之后，在石炭二疊系砂巖遭到侵蝕直到下面的鹽殼，這一過程開始于科羅拉多高原新生代晚期隆起。物理上講，地塹形成于廣泛發育的科羅拉多高原的斷層早期的節理組，這些節理被認為是經過沉積巖歷史上的抬升和冷卻，突然的下降從而這個地區積累的剪切位移達幾百米（達600-700ft）。在正常的斷裂中，地塹降落到下層的鹽巖中，并且，這些垂直位移和下層鹽巖溶蝕及橫向流動相關聯。

15、在地圖上看出，受地塹邊界正斷層影響，一些暴露顯著的階梯狀地塹和聯合轉換構造在地塹區被發現（Trudgill和Cartwright,1994;Moore 和Schultz,1999)。峽谷斷層在物性上和北海和大部分其他油藏發現的是有所不同的。因為它們靠近表層的地層通過明顯巖化的砂巖的先前存在的節理發生斷裂作用。這導致斷層和節理不但可以傳熱也可以引導流體垂向流動。在儲集層例如北海的那些，隆起不足或者不存在，發生在非破碎沉積物和沉積巖中的斷層往往代表滲透率較低的薄層，它們更可能影響流體的流動。在本文中，我們注重維京地塹和峽谷地地塹的幾何取代物的物性，特別是位于峽谷地的多維斯狹窄段地塹的暴露良好的階梯

16、帶的地方，并指出了它們次要的幾何相似性和構造特征上的斷層性質的不同。多維斯狹窄地帶多維斯狹窄地帶代表眾多南北延伸不對稱的峽谷地地塹，并且有主要的斷層位于地塹的西邊。在相同的斷裂帶上，東邊是一個被早期南北延伸節理和后期的斷裂作用的開啟的區域帶所影響的平緩的滾動構造。從幾何上講，和維京地塹的相似處是異常驚人的（圖5），盡管峽谷地斷層是陡峭的且受先前的節理控制（圖6、7）。此外，位于斷層內部阻礙之間的層理是很少翻轉的，相比北海的例子延伸也相當少。圖6 多維斯狹窄地帶(ddi)階梯狀地塹的空中照片。標出了兩個反相的下傾斜坡和階梯(jit)中央的高部地區(dq)圖7 橫穿多維斯狹長(xichng)地塹體

17、系的剖面圖沒有(mi yu)垂向比例尺放大參見圖6的這個(zh ge)位置在圖6空中照片和相應的地圖解釋顯示出地塹地區的幾個特征屬性。第一，穿過階梯狀構造的在地塹軸部位移大概是地塹的寬帶，即大約200 m（656 ft）。這些維京地塹的位移的描述（如上圖所示）。第二，在多維斯狹窄地段的兩個相反的下傾斜坡仍然是主要的未破壞區，但是被節理和小的斷層切口。這些斜坡位于地塹邊界斷層的重復地帶：作為沿斷層進入斜坡地區的位移減小，另一方面把它提升作為穿過斜坡的轉換位移。多維斯狹窄斜坡是簡單的幾何體，在早先局部節理模式的趨勢下被次要斷層和節理所控制，但是和維京地塹的整體幾何形態是非常相似的。實際上位移沿著邊

18、界斷層向階梯狀構造減小引出第三種性能特點，發生在兩個地塹段之間的構造隆起區。在峽谷地的例子中，被證明在兩個斜坡間是一個高翼或者是地壘。這個引人注目的特點給出的直接印象是異常，特別是在多維斯狹窄地帶的例子中。在多維斯狹窄地帶這個狹窄并戲劇性窄的地壘的是部分性功能節理再生在這部分的地塹體系。定性的說，在其他例子或者沉積中，在階梯狀地塹中的一個或多個新高也是被期待發生的。在維京地塹的例子中，的確發現了這樣的高點，并且發現氣和凝縮物的聚集。例如在Kvitebjrn油田，在Huldra油田和Valemon聚集區（圖5）。維京地塹中的斷層(duncng)相互作用模式在多維斯狹窄地帶階梯狀地塹的狹窄地壘（翼

19、）表現出一個很有意思的特征，在這個地區，一部分受先前的節理系統控制，一部分是由兩個侵入的地塹邊界斷層(duncng)段的生長史造成的（見Serra和Nelson,1988）。類似的構造高點在相連的維京地塹系統也可以觀察到。在定性的預測不連接并且韌性的巖層上，這種結構(jigu)有什么共性的表現嗎？從地圖上看，一個特別有趣的方面是這些正面構造和這些地塹軸部位移是相關的。如果地塹的位移大于地塹本身的寬帶，那么一個狹窄的地壘將在兩個地塹段之間保存下來（圖8a）。如果地塹軸部的位移小于地塹本身的寬度（圖8b），那么，重疊的區域將會被表現為一個低位（狹窄地塹），雖然仍是地塹系統的最高的部位。在峽谷地的例

20、子中代表了一種情況，即位移小于地塹的寬度但狹窄的地壘仍然存在，因為彎曲斷層翻轉（圖8c）。我們建議兩個相互靠近的斷層翻轉的周圍應力場的相互作用，導致一般連續的斷層段彎曲。類似幾何學所指出的維京松恩階梯狀地塹（圖3），在相反傾向的斷層間創造了一個有趣的高構造。探索這些問題，我們采用庫侖方法進行了數值模擬（Toda等,2008），這是一個三維的前期力學模型，計算了應力和彈性半空間的位移，這取決于沿著斷層被限制的位移（見Toda等，1998；此外Schultz和Lin，2001；Wilkins和Schultz，2003，詳細的方法和運用到正斷層和地塹體系）。在斷層增長上使用力學模型，像這樣做，對斷層

21、模式的發展和相關地形和除此之外模擬可用的模型提供了深刻的理解（如Hus等，2005；Bose和Mitra，2009）。從我們研究斷層的幾何學從圖8a和b上可以看出。每一個地塹被一個確定的內部傾斜正斷層分析，長4km（2.5）并以60角向下傾斜1km（0.6mi）深。沿著每一個斷層應用一個100m（328ft）的恒定位移，與其他正斷層的數值相一致（如Schultz，等，2008）。這些母巖被用煬模型表現為80GPa（145038psi），泊松比為0.25，摩擦系數為0.6，與那些沉積巖有一致的值。采用每隔100m（328ft）有規律的計算，可以得到網格測量觀察值為2*2km（1.23*1.24m

22、i）處于階梯狀地塹的地面中心。雖然下面詳細呈現出這些斷層規模、位移、傾角的比值和母巖性能影響的結果，但分析的結論是通過變更這些值沒有造成實質上的改變。結果是，我們的結論支持其他地塹系統有相似的斷層幾何和階梯地形。（a） （b） （c）（a）地塹位移(wiy)大于地塹寬度（b）地塹位移(wiy)小于地塹寬度（w）（c）地塹位移小于地塹寬度。彎曲(wnq)斷層翻轉圖8 階梯狀地塹的三種幾何形式。描點和陰影區是低勢區。以本文進行討論當地塹位移大于地塹的寬度地塹可以生長進入圖8a中各種情況的任意一個重疊的幾何形式，當地塹位移小于地塹寬度時，情況顯示在圖8b中。在過去的情況中（圖8b），在中心重疊區斷裂

23、的結果在下降，并預測盆地在這個區域的模型（見圖9）。然而，第一種情況的斷層（圖8a）導致中間地壘的隆起增強（圖10）。這種結果指出地塹傳播到重疊幾何結構導致沉積或者抬升的增加，在地塹之間轉換取決于最初的間距，雖然這些階梯狀構造在某種程度上簡單假定恒定的斷距可以增加這些效果。這些情況在圖9和圖10中假定這兩個內部斷層概括了圖8b中的狹窄地塹除了沿著變換趨勢增加外還沿著碰撞而增加。這種可能的發生，例如，依據峽谷地的例子，先前的構造或者節理控制斷層增長方向。一種模型指出這種形式被一個從下面露出的地塹的壓力狀態解釋（圖11a）。在逆時針方向，通過斷層內部模型支持的傳播預測較小的水平應力定向，產生的地塹

24、或者地壘相對總延伸地塹是旋轉的（圖11b）。通過模型和圖8c看出在峽谷地的例子中，這個引人注目的地壘不存在顯著的旋轉，因為斷層是沿著先前節理增加的并且突然沿著它們成階梯狀，取代預測的平緩的旋轉。在峽谷地多維斯地塹中心翼和地壘可以理解成斷層在寬的間隔和一個沿著受力的各向異性增加的結果（如節理組），反之，旋轉地壘和沿著北海維京地塹分段處的地塹是由缺少重要各向異性的地層斷層積累引起的，如圖11b所示。討論(toln)當談到勘探(kntn)的時候，峽谷地的例子和維京地塹所共同具備的一些特性(txng)是非常重要的。大體上，存在三個主要方面的鏈狀地塹系統。一個方面，地塹的深部分也許位于生油窗，盡管它的兩

25、翼不是這樣的。因而地塹系統在很多石油和天然氣產區是作為生油灶，這包括北海在內。在連續沉降過程中，一個地塹系統的深部最終會逃出生油窗，在這樣情況下，淺層的階梯狀構造也許仍舊保留在生油窗內。因而，地塹段在生油窗范圍內造就有了一個較長的地塹生油巖層殘留時間。考慮到烴類運移和和捕獲，第二個方面與階梯狀地塹內的轉換構造的作用有關。在諸如北海這樣構造，很多大型斷層是封閉的，因為有滲透性單元和非滲透性單元是并列的，極少情況下，因為頁巖影響，轉換構造為烴類從深地塹區運移到側翼的構造隆起區提供重要的運移途徑。斷層密閉能力取決于幾個因素，其中移位與巖石屬性和地層學被認為是最重要的（如Yielding，等，1997

26、）。 圖9 預測(yc)地形變化和在地塹消減小于地塹寬度(kund)的地方的重疊地塹段的關系。（a）三維透視圖顯示(xinsh)預測區域的提升和沉降。（b）等值線圖預測地塹區域地表的垂直位移。值得注意的是在轉換斜坡兩個內部斷層之間的高度(god)沉降，是通過恒定不變的斷層距來假定用這種模型的假象。 圖10 預測(yc)地形變化(binhu)和在地塹消減大于地塹寬度的地方的重疊地塹段的關系；a和b同圖9。值得注意的是轉換斜坡下降盤的增加的抬升。 圖11 （a）地形預測和（b）庫侖壓力(yl)變化與地塹靠內部斷層(duncng)的已出露的集合體生長的關系。在圖b中通過暖色顯示了區域(qy)斷層增長

27、，指示刻度線顯示位置方向的媒介（水平線方向）的主應力2。虛線表示斷層在缺乏構造的各向異性的增加的方向。在某些臨界點，尤其是靠近斷層(duncng)段的地方，小小的移位會造成斷層從封閉型變成不封閉型。因為(yn wi)靠近(kojn)階梯狀地塹的斷層喪失移位和轉換構造，階梯狀構造有可能是位于與其他封閉斷層的交匯處，甚至是轉換斜坡內地震發生區域（Rotevatn，等，2009）。像維京地塹這樣的大規模階梯地塹范圍內，這意味著階梯狀地塹是一個區域，在這區域內產生于地塹系統深部分的烴類能運移出周圍遮擋斷層帶，而且運移到沿著地塹系統側翼構造隆起區。在維京地塹的北部，烴類運移似乎發生在旁邊的四周或者穿過斷

28、層帶的低位移部分（Johannesen，等，2002），而這一運移路徑是地塹階梯狀構造產生的。沿著斷層帶流體的垂直運移也出現在盆地，甚至在密閉斷層旁邊也許間歇地或者連續地促使流體向垂直方向移動。因為大部分斷層帶和階梯狀地塹相應斷層是不規則的，我們應該期望加強這些斷層內的烴類垂直運移。這一猜想得到Rowland和Sibson在新西蘭針對分段裂縫系統研究的佐證（2004）。作者發現在階梯狀和鏈狀地塹中會有集中的地熱帶，這些區域的復雜構造會增加垂向的孔隙度。注意到我們所發現的階梯狀地塹內構造都很復雜，這一的構造復雜度也許會在產生很多問題，盡管這取決于當地很多因素。結合深位置以及很差的地震成像這些復雜

29、的情況給我們帶來了挑戰，同時也需要我們得出更加精確的構造圖形。第三個方面是峽谷地地區和維京地塹系統都具備的，是階梯狀地塹內的局部構造隆起的位置。這些構造位于烴類從地塹深處運移線路上，如果地塹系統足夠大的話，也許聚集大量的烴類，盡管它們容積傾向于比淺層鏈狀結構更小。以維京地塹為例，這Kvitebjrn區域是迄今為止勘探發現的階梯狀地塹內最大的聚集，包含27,000,000Sm3可開采的石油和74,000,000 Sm3可開采的天然氣。總體上說，觀測和力學分析表明，在裂縫系統的地區繪圖時，階梯狀地塹應該特別對待。在這些區域發現烴類聚集的可能性，包括其他的在內，取決于階梯的深度。如果它們被深埋，它們也許僅僅表現出天然氣積聚，高溫高壓引起的壓縮和粘結也許減少這些區域的滲透性。描繪像Huldra-KvitebJon階梯這樣的深構造也受限于少量的地震數據質量。然而，這一階梯狀地塹的烴類區具有極大地商業價值，同樣也是維京地塹生產區內唯一位置。在尚未成熟的裂縫系統中，然而，階梯狀也許在這一區域內占有極大地比重。總體上說，階梯狀地塹作為局部高壓地帶和潛在的烴類