引言

万金塔地区位于德惠断陷西缘断垒带，是松辽盆地南部最早发现的高含CO₂气田^[1]，长期以来一直是CO$_2$气藏勘探开发的主战场之一。关于该区CO$_2$来源及成藏规律的认识，多数学者认为主要为幔源成因^[2-9]。杨光等提出深层无机CO$_2$气为地幔物质沿超岩石圈断裂直接脱气形成，并阐述了热底辟体脱气、岩浆房脱气和地幔热底垫体脱气3种脱气方式，认为气源断裂与幔源火成岩活动为CO$_2$气体运聚并富集的主控因素^[2]。徐永昌等通过对万金塔地区气体组分及同位素研究表明，尤其幔源氦的分额达到65.4%$\sim$57.2%，为以幔源贡献为主的壳—幔复合型，认为CO$_2$气藏的成因与毗邻的郯庐断裂及古火山作用有关^[5]。戴金星等认为万金塔构造为古生界变质基底及火山岩体上发育起来的披覆构造，并根据δ$^{13}$C$_{\text{CO}_2}$值(-4.04)、$R=^3$He/⁴He (4.91)、δ$^{13}$C$_{\text{CH}_4}$值(-45.37)，推断万金塔CO$_2$气藏为无机成因，来源于深部，而烃类气则来源于浅部^[6]。

上述大量研究集中于对无机CO$_2$的成藏认识，而对深层沙河子组、营城组构造特征及原生有机烃类气藏的研究则相对匮乏。目前，已在农安、小合隆、布海等地区深层钻探发现有机烃类天然气藏，因此有必要进一步深化对万金塔地区构造特征及有机烃类气藏的研究。笔者综合区域地质、钻井及三维地震资料，采用油区构造解析方法，对该区深层构造特征精细解剖，选取贯穿研究区的两条地质剖面，利用平衡剖面构造恢复技术进行复原，通过建立数学评价模型对深大断裂活动程度定量评价，分析本区构造变形特征及成因机理，为深层有机烃类气藏勘探开发提供一定的指导和帮助。

1 研究区概况

德惠断陷是松辽盆地东南隆起区众多断陷之一^[1]，断陷面积4 053 km^2[10]，可划分为7个二级构造单元(图 1)，剖面上为不对称的双断结构，是在晚古生代浅变质岩基底上发育起来的断拗叠置型盆地，自下而上，断陷层由火石岭组、沙河子组和营城组构成，上部拗陷层由登娄库组、泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组构成^[11]。德惠断陷蕴藏丰富的天然气资源，主要为幔源无机CO$_2$气和有机烃类气两大类，其中有机烃类气以煤成气为主，深层烃源岩主要为营城组和沙河子组的暗色泥岩^[12]，其镜质体反射率在小合隆、农安、万金塔地区分别为1.44%$\sim$1.75%、0.51%$\sim$1.45%、0.83%$\sim$1.12%^[1]。万金塔地区位于德惠断陷西北部万金塔地堑内，东临郭家洼槽(图 1)，自1964年以来，先后在该区钻探15口井，均为浅层井，普遍显示含有CO$_2$，含气层位主要位于营城组和泉头组^[2]，其中万4、万2、万5等井获得工业性CO$_2$气流，与此同时，在万4、万5、万11井泉头组中也发现了有机烃类显示，揭示了该区有机烃类气藏勘探的潜在领域。

2 构造特征 2.1 构造样式

构造样式强调同期构造运动、同一应力环境下形成的构造变形组合，刘和甫以地球动力学背景为基础，划分出伸展构造样式、压缩构造样式和走滑构造样式3大类^[13]。与松辽盆地德惠断陷主体一致，万金塔地区也历经断陷期拉张、拗陷期岩石圈热沉降及反转期挤压构造背景，基于张、压、剪3种地球动力学机制的构造样式均有发育。

(1) 伸展构造样式

本区基底伸展构造样式主要表现为半地堑及地堑(图 1中A—A$'$剖面)，平面图上，F$_1$、F$_2$、F$_3$深大断裂及东西两侧控盆断裂均为裂陷初期开始发育的基底同生断裂，其间形成地堑及半地堑，沉积充填并控制了沙河子组烃源岩的发育。盖层伸展构造样式主要为板状正断层形成的掀斜断块(图 2)，由一系列倾向NW的近似板状断层及其间的断块体组成，各次级断层断面近于平行，倾角近一致，夹于断面间的断块体依次呈多米诺骨牌状倒下，其中次级断层实质为两期成因，一期断层为控制沙河子组沉积的基底同生断裂(蓝色)，下盘地层厚度明显大于上盘；二期断层为营城组新生次级断裂(红色)，断层两侧地层厚度近一致。

(2) 压缩构造样式

本区压缩构造样式主要有断展背斜及背斜顶部地堑式引张断裂系(图 3)，两种构造样式具不同世代成因，断展背斜为同裂陷期地层遭受营城末期NW向挤压作用形成，沿F$_3$断裂向上逆冲并逐步消失于T$_4$不整合面处，同时，在营城组顶部发育平行带状分布的低幅度小褶皱，总体呈现复背斜形态。背斜顶部地堑式引张断裂系则为反转构造阶段万金塔背斜带再次遭受挤压，使得顶部地层弯曲破裂形成。

(3) 走滑构造样式

本区走滑构造样式主要为基底走滑断层及向上分支形成的正花状及负花状构造，断陷初期发育的基底同生断层(图 4中F$_1$、F$_2$、F$_3$)主体呈NE向展布，在登娄库末期区域性走滑构造背景下发生左旋走滑，因地质条件非均匀性变化，断裂性质发生分段变化。F$_1$断裂向西南方向裂解为两个分支，表现为正花走滑与负花走滑规律性交替出现(图 4中G—G$'$)，两个分支断裂之间出现低幅度背斜，随断裂性质交替演变，背斜在两分支断裂间相应发生迁移依附；在E—E$'$剖面附近，走滑断裂表现为正花走滑，与万金塔背斜带挤压作用密切相关，基底主干断裂近直立向上切穿浅部地层，顶部呈背形断片分布；至D—D$'$剖面附近，断裂性质主要表现为基底同生断裂，走滑作用减弱。F$_2$断裂主要表现为基底同生断裂，向北延伸，至D—D$'$剖面附近出现F$_3$断裂，表现为两个小的分支正花走滑，并且自西南向东北方向两个分支走滑活动强弱也出现规律性的交替演变，再向东北方向断裂末端延伸，则表现为负花走滑。综上可以看出，在走滑断裂带中部挤压背斜带附近，受压扭作用主要发育正花走滑，在断裂末端主要表现为张扭背景下的负花走滑。

2.2 断裂系统特征

万金塔地区断裂系统平面展布以NE、NW向为主(图 5)，沙河子期对应裂陷初始阶段，主要发育NE基底断裂，同时发育NW向断裂，规模相对较小；营城期，裂陷规模进一步扩大，在继承沙河子基底断裂的基础上，新生NE、NW向次级断裂，断陷湖盆规模在此时达到最大。从两期断裂叠加图上看，沙河子初期的基底断裂形成控盆、控洼基础，决定了后期盆地的沉积充填和更迭演化，在相干切片上可以看到，F$_1$、F$_2$、F$_3$断裂切割深度大，自深部断陷层切至上部拗陷层，平面分布以NE、NW向带状为主(图 6)。

2.3 断裂活动期次及应力场分析

结合区域应力场演化研究成果^[14]，本区断陷期至断拗转换阶段断裂活动期次及应力场变化可分为3个阶段。

第一阶段：沙河子早期基底断裂，表现为NNE—NE向断层控洼，断层分段控制沉积(图 5)。晚侏罗世由西伯利亚板块对东北地区SN向阻挡推挤作用及古太平洋板块斜向俯冲，引起东北地区发生大规模NE向左旋走滑^[14]，形成东北地区NNE及NNW向共轭剪裂体系。早白垩纪，即沙河子期，区域上古太平洋板块向欧亚大陆持续俯冲，造成弧后伸展构造背景，在万金塔地区主要表现为受NWW—SEE向拉张应力场控制，此时早期的NNE及NNW向基底走滑断裂张剪裂开，形成两组方向并存断裂，并以垂直区域最大伸展应力方向的NNE—NE向基底断裂为主，控制裂陷早期湖相沉积展布，在狭长地堑中间地带，由于应力调节产生部分NWW向基底断裂。

第二阶段：营城早期断裂表现为新生NE向次级断层(图 5)。营城期，区域上伸展构造作用规模达到最大，万金塔地区表现为持续受NWW—SEE向拉张应力场控制，新生NE向次级断层，与德惠断陷沙河子组基底断裂带走向一致，同时，营城早期裂隙式喷发大规模火山岩。

第三阶段：登娄库末期左旋走滑，表现为分段发育的正花走滑及负花走滑断裂。营城末期，区域上发生挤压构造运动，万金塔背斜正是受该期NW向挤压作用形成；不可否认的是，登娄库末期发生了区域性大规模左旋走滑，究竟万金塔背斜带是营城末期挤压形成还是登娄库末期走滑压扭形成，可从两方面分析：一方面，从营城组顶面构造图上看，万金塔背斜带长轴呈NE向展布(图 7)，如果认为是登娄库末期左旋压扭成因，那么形成的背斜长轴应为NW向，这正好与现今背斜形态矛盾，因此背斜带的成因应该与营城末期NW向挤压作用相关；另一方面，在背斜带东翼登娄库组逐渐减薄上超于背斜翼部营城组之上，反映了背斜带在登娄库期前已经隆起。综上，万金塔背斜带应是营城末期NW向挤压作用形成，登娄库末期区域性左旋走滑进一步改造破坏。基底同生断裂(F$_1$、F$_2$)自北向南因构造应力差异，断裂性质分段变化，在断裂端部应力发散表现为负花走滑，在挤压背斜带中部应力集中表现为正花走滑。

2.4 平衡剖面构造恢复

在万金塔地区二维及三维地震资料精细解释基础上，选取两条典型剖面(B—B$'$、C—C$'$)进行平衡剖面构造恢复，依次通过时深转换、去压实、断层恢复、褶皱恢复步骤获得最终构造演化剖面(图 8，图 9)。

万金塔地区构造演化历程与德惠断陷主体一致，可分为断陷期(火石岭组、沙河子组、营城组)、断拗转换(登娄库组) —拗陷期(泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组)、反转期(四方台组、明水组)3个阶段，根据本区特点，主要讨论断陷、断拗转换—拗陷两个一级构造层演化。

以C—C$'$构造演化剖面(图 9)为例进行构造发育史分析，沙河子期，本区发育NE—NNE向控洼基底断裂，控制了沙河子组烃源岩沉积，沿NE向地堑呈带状分布，在地震剖面上可见密集连续强反射响应，此时F$_3$断裂为控洼基底正断层，倾向向东。营城期，断陷规模扩大，伸展影响范围达到最广，新生大量NE向次级断层，营城早期和晚期裂隙式喷发大规模火山岩，伴随营城末期区域性挤压构造运动，万金塔背斜带开始隆升形成雏形，此时F$_3$断裂演变为逆冲断裂，断面倾向开始转为向西。登娄库期，在背斜带两翼发育减薄上超沉积，登娄库末期发生大规模区域性左旋走滑构造运动，背斜带西翼构造隆升强烈，登娄库组及营城组顶部遭受剥蚀，地震剖面上可见明显的削蚀不整合，背斜带东翼构造相对稳定，登娄库组保存较为完整。泉头期、青山口期，主要表现为背斜带之上的顶薄翼厚同生披覆沉积。之后，构造反转期挤压作用对万金塔背斜带进行构造叠加，纵弯挤压使得背斜带顶部形成大量引张裂隙(图 9)。

在B—B$'$剖面(图 8)上可以看到，F$_3$断裂向南纵向上延伸长度减小，向上断止T$_3$，逆冲作用程度明显减弱，反映了断裂性质呈分段变化特点。

2.5 构造叠加

从构造演化历程来看，万金塔背斜带由两期褶皱作用形成，表现为不同期褶皱构造叠加，其力源方向存在一定角度偏转，但偏转角较小，并未真正影响背斜构造形态的继承性发展。两期褶皱作用：一期褶皱表现为营城末期挤压构造变形，背斜带隆升形成雏形，翼部沙河子基底断裂变为逆冲断裂(图 10)；二期褶皱表现为反转期挤压对背斜带的再次改造调整，背斜带顶部受拉张应力出现大量张裂隙，图 10中，T$_4$断裂组合反映了反转期背斜顶部拗陷地层中叠加张裂隙的分布，其主压应力方向与一期褶皱形成背斜带的主压应力方向存在一定角度偏转，这与区域上古应力场方向变化一致。从剖面上可以看到，深部断陷期基底断裂与浅部反转期叠加断裂形成两套独立断裂系统，反映了背斜带所历经的不同构造作用过程。

2.6 断裂活动程度

关于断层活动强度的定量研究，已有学者提出生长指数法^[15]、活动速率法^[16]、古落差法^[17]、古滑距分析法^[18]等，强调断裂在不同时期活动强弱程度。本文阐述的断裂活动程度与活动强度密切相关，但并不仅仅局限于活动强度，重点考虑断裂对成藏的控制作用，综合考虑多因素评价，基于权重加权平均算法，提出“三参数评价法”，分别以断穿情况(深部断陷期基底断裂是否向上断穿K$_1yc$，浅部反转期叠加断裂是否向下断穿K$_1yc$)、连通情况(深部断陷期基底断裂与浅部反转期叠加断裂是直接连通还是间接连通)、延伸情况(深部断陷期基底断裂延伸长还是延伸短)3项参数作为断裂活动程度主要评价指标，建立如下数学评价模型

$I_{\rm F}=\sum\limits_{i=1}^nE_iW_i \text{；} \hspace{3em}E_i=\sum\limits^m{B_i}%\sweqno$

式中：

$I_{\rm F}$—断裂活动程度综合评价指数；

$E_i$—断穿情况、连通情况、延伸情况三参数评价值；

$W_i$—相应评价要素的权重；

$B_i$—评价要素的各因子取值。

万金塔地区存在两条NE向深大断裂带，西侧F$_1$断裂向南延伸出现两个分支；东侧以H—H$'$、I—I$'$、J—J$'$3条测线为界，分4部分：北段F$_3$断裂、中段F$_{3-1}$、F$_{3-2}$两个逆冲断裂分支、南段F$_3$断裂及F$_2$基底同生断裂。统计东西两侧深大断裂带活动程度综合评价指数(图 11)，同时在平面断裂组合图上标出活动强弱程度(图 12)，可以看出, 西侧断裂带F$_1$在背斜带中部挤压作用最强处活动程度较强，整体趋势自南向北逐渐减弱。东侧北段F$_3$断裂、中段F$_{3-1}$断裂在逆冲走滑作用最强处相应断裂活动程度较强；中段F$_{3-2}$断裂也在逆冲走滑作用最强处活动程度最强，出现峰值；再向南延伸南段F$_3$，断裂活动程度逐渐减弱；至F$_2$，基底同生断裂活动程度又再次活跃起来。

3 构造对深层天然气成藏的控制 3.1 构造-沉积充填控制烃源岩展布

万金塔地区沙河子期基底断裂控制了裂陷初期的构造格局，以东西两侧深大断裂(F$_1$、F$_2$、F$_3$)及控盆边缘断裂为界，形成地堑式断裂系，从沙河子组地层厚度分布来看，沉积中心靠近深大断裂及控盆边缘断裂附近，呈NE向展布，沉积充填特征受断裂控制，发育沙河子组、营城组半深湖—湖相的烃源岩层系。

3.2 圈闭构造演化决定气源运聚方向

德惠断陷沙河子组泥岩大量生气期在120$\sim$90 Ma，大致对应登娄库中期至青山口末期，营城组泥岩大量生气期在114$\sim$88 Ma，大致对应泉头早期至姚家早期^[19]。从万金塔背斜圈闭构造演化可知，营城末期万金塔背斜带已经形成并存在，晚期深大断裂带附近的生烃洼陷大量生气并优先向背斜带中运移聚集成藏。

3.3 深大断裂、不整合面成为气藏运聚通道

深部地质结构研究表明，松辽盆地无机成因气与深大断裂、壳内岩浆房、火山岩和热异常相伴产出^[13]。区域重磁场显示，万金塔深部存在一条基底大断裂(哈尔滨—四平断裂)，切割深度大，为一长期活动的切穿上地壳断裂^[20]。这一深部超壳断裂向上延伸与浅部深大断裂(F$_1$、F$_2$、F$_3$)沟通，形成岩浆通道，具备深部气上运的构造背景。本区CO$_2$气藏与深部热流底辟作用直接相关，来源于软流圈的底辟岩浆及上地幔发生部分熔融形成的“流体相”在压力作用下向上运移，富集CO$_2$、CH$_4$和部分H$_2$，在下地壳或上地壳底部聚集形成初期岩浆岩体。上运过程中因温度、压力降低，同时发生脱气作用，大部分CH$_4$和H$_2$损失，最终以脱出CO$_2$为主^[13]。脱出的天然气充注到临近储集层中直接形成气藏或向上沿深大断裂(F$_1$、F$_2$、F$_3$)继续运移。

基底断裂是深化盆地构造和油气勘探研究的重要领域^[21]。万金塔地区万5井和万11井泉头组中CO$_2$气藏富集与深部断裂活动和不整合面密切相关，从深部岩浆底辟输导上来的天然气沿深大断裂(F$_3$)继续向上运移，在区域性不整合面(T$_4$)处发生侧向运移，最终在浅部泉头组中富集成藏。显然，沙河子组有机烃类成因气也可利用深大断裂(F$_3$)、不整合面(T$_4$)作为有利运移通道，在沙河子组、营城组局部圈闭中富集形成原生有机烃类气藏。

3.4 复杂构造叠加、CO$_2$晚期充注影响原生有机烃类气藏保存

前述分析得知，万金塔地区历经两期褶皱作用，尤其反转期的二次褶皱构造叠加会使早期形成圈闭重新改造调整，原生气藏可能遭受破坏，但另一方面，构造叠加又可作为动力源促使形成新的圈闭，使得油气再次运聚形成次生油气藏。对德惠断陷有机烃类及CO$_2$气藏的成藏序次研究表明^[1]，营城组烃类气为两期成藏，分别是泉头末期(103 Ma)和嫩江期(83$\sim$76 Ma)。CO$_2$气藏形成时间主要有两期，一期98 Ma与长春大屯火山岩群第一次喷发时间相同，烃类气与CO$_2$气同期成藏；二期10 Ma与伊舒地堑第二次喷发时间相同，据此来看，烃类气早成藏，CO$_2$气晚成藏，这样晚期充注的CO$_2$可能会对早期烃类原生气藏有一定的破坏作用。

从目前的勘探实际来看，万金塔地区已开发CO$_2$气藏富集区主要分布在深大断裂附近，断裂的活动程度相对较强；同时，浅部反转期叠加断裂向下断开T$_4$，使得断陷地层与拗陷地层直接连通，浅部反转期叠加断裂与深部断陷期基底断裂沟通，形成优势运移通道，这为CO$_2$气藏大规模富集创造了有利条件。因此，寻找有机烃类气藏的可能富集区应该考虑远离活动程度高的深大断裂、二期褶皱构造叠加断裂影响小、靠近烃源灶区，这些区域可能对原生有机烃类气藏的保存更为有利。

4 结论

(1) 万金塔地区沙河子期基底断裂控制了裂陷初期的构造格局，以东西两侧深大断裂及控盆边缘断裂为界，形成地堑式断裂系，控制了沙河子组半深湖—湖相烃源岩层系展布。

(2) 万金塔地区历经断陷期拉张至反转期挤压构造背景，基于张、压、剪3种地球动力学环境的构造样式均有发育，构造叠加复杂，形成深部断陷期基底断裂及浅部反转期叠加断裂两套断裂系统。

(3) 受控于营城末期NW向挤压应力场，万金塔地区形成NE向背斜构造带雏形，后期虽然历经构造叠加，但在沙河子组烃源岩大量生排烃期，万金塔背斜圈闭早已形成并成为油气运聚的有利指向区，复杂构造叠加、CO$_2$晚期充注在一定程度上影响了原生有机烃类气藏的保存。

(4) 本区沟通深部和浅部的深大断裂性质呈分段变化特点，断裂之间构造迁移现象明显，挤压背斜带中部应力集中表现为正花走滑，背斜倾末端应力发散表现为负花走滑，断裂活动程度在逆冲走滑地区相对较高，控制了平面上CO$_2$气藏的富集，在远离活动程度高的深大断裂、二期褶皱构造叠加断裂影响小、靠近烃源岩灶的地区可能存在有机烃类气藏富集。