下古生界碳酸盐岩古潜山作为渤海湾盆地早期勘探重要的油气藏类型之一，已发现了多个高产的“潜山头”，如冀中坳陷的任丘潜山，黄骅坳陷的千米桥潜山、济阳坳陷的广饶潜山、桩西潜山、孤岛潜山等^[1]。近几年华北油田在冀中坳陷先后发现了长3、宁古8、牛东1等10多个日产油226~1 036 t的高产、高效隐蔽性深潜山及潜山内幕油气藏^[2-3]。另外胜利油田勘探工作者在济阳坳陷下古生界潜山勘探沉寂了十余年之后，近年来接连发现埕北30等多个日产油气500 t以上的高产、高效的低位潜山油气藏，该类潜山储层的储集空间类型以构造裂缝为主、少量岩溶孔洞。前人大量研究表明下古生界碳酸盐岩经历了多期复杂构造运动改造和长期的成岩作用，产生了大量的成岩次生孔隙、构造裂缝和溶蚀孔洞缝，具有储集空间类型多、结构复杂、分布极不均匀等特点，其中构造裂缝是下古生界碳酸盐岩储层最重要的储集空间类型，在油气成藏期未充填的构造裂缝本身可以成为有效的储集空间，且构造裂缝可成为后期酸性流体溶蚀碳酸盐岩的主要运移通道，溶蚀孔洞往往沿构造裂缝发育^[4-7]。另外下古生界碳酸盐岩潜山勘探实践也证实了构造裂缝对潜山油气成藏具有非常重要的控制作用。近几年前人对碳酸盐岩潜山储层的研究区域上主要集中在中国中西部塔里木盆地、四川盆地^[8]，研究内容上主要为利用多种地球物理技术对缝洞体进行预测，形成了大量非常实用的缝洞预测的地球物理技术^[9-10]，但对缝洞体分布的地质规律研究涉及较少。前人对砂岩储层等其他类型储层中构造裂缝地质规律方面研究较多，主要集中在对其分布规律的定性和定量预测方面，近几年逐渐由定性描述向定量评价、由单井分析向空间预测过渡，并形成了一系列定量预测构造裂缝空间分布的方法^[11-12]。综上所述，目前对下古生界碳酸盐岩储层中构造裂缝发育期次与充填规律的研究涉及较少，导致对油气成藏具有重要控制作用的有效构造裂缝分布规律认识不清。为深入分析下古生界碳酸盐岩储层中多期构造裂缝发育充填特征及其主控因素，本文以济阳坳陷平南潜山为研究对象，利用岩芯观察统计、镜下薄片观察、元素地球化学等技术手段，分析构造裂缝发育特征，搞清构造裂缝发育期次与充填特征，明确构造裂缝发育主控因素，从而为济阳坳陷乃至整个渤海湾盆地下古生界碳酸盐岩储层构造裂缝的预测奠定良好基础。

构造上，平南潜山位于济阳坳陷东营凹陷西部平南断层的上升盘，紧邻博兴洼陷（图 1）。平南潜山下古生界不同组段岩性组合特征差异明显，寒武系馒头组以泥—微晶白云岩及紫红色页岩互层为主，夹大套闪长玢岩；毛庄组与徐庄组发育灰岩与页岩互层，夹部分泥—微晶白云岩与侵入岩；张夏组发育鲕粒灰岩与块状灰岩；崮山组与长山组以泥灰岩与瘤状灰岩为主；凤山组发育一套中厚层细—中晶白云岩与灰岩；冶里—亮甲山组发育厚层的细—中晶白云岩；马家沟组以豹皮灰岩、块状灰岩、细—中晶白云岩互层为主；八陡组发育块状灰岩与泥质白云岩互层（图 1）。另外研究区下古生界碳酸盐岩潜山经历了印支期南北向挤压、燕山期北北东—南南西的拉张、喜山期北西—南东向拉张等3期不同性质、不同方向构造运动叠加改造^[13-14]，从而形成了多期、多方向、多性质的复杂的、立体的构造裂缝网络。

图  1  研究区构造位置与地层分布

Figure 1.  Structural location and stratigraphic distribution diagram of the study area

受控于多期复杂构造运动的控制，研究区岩浆活动非常强烈，岩浆侵入过程中会携带大量的成矿物质发生沉淀，从而充填研究区下古生界碳酸盐岩中的构造裂缝^[15]。因此，为了研究构造裂缝充填时期，对研究区岩浆侵入时期进行了分析。岩浆侵入受断裂控制明显，早期北西向断层、晚期切穿基底平南断层两侧是侵入岩主要分布区，且形成了与岩浆活动相关的非常典型无机成因CO₂气藏^[16-17]，为了系统研究岩浆侵入时期，选用岩浆锆石U-Pb测年方法，该方法是目前应用在大地构造定年中应用非常普遍的一种测年方法，在含油气盆地地层定年中应用较少^[16-20]。本次研究选取滨古斜15、滨古26、滨古9等井中的6块闪长玢岩样品进行锆石U-Pb测年分析，样品处理及测试在南京大学内生金属矿床成矿机制国家重点实验室完成。首先使用常规的重液浮选和电磁分离方法挑选锆石，然后将其镶嵌在环氧树脂中并抛光，进行锆石阴极发光（CL）、反射光、投射光照相机LA-CIP-MS同位素分析。测试使用与New Wave 213 nm激光取样系统连接起来的Agilent 7500a ICP-MS完成。分析过程中，激光束斑直径采用20~30 μm，频率5 Hz。样品经剥蚀后，由He气作为载气，再和Ar气混合后进入ICP-MS进行分析，U-Pb分馏据澳大利亚锆石标样GEMOC GJ-1（²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb age of（608±1.5）Ma）来校正，锆石标样Mud Tank（Inercept age of（730±8）Ma）为内标，控制分析精度。每个测试流程的开头和结尾分别测试2个GJ标样，另外测试1个MT标样和10个待测样品点。本次对挑选出的59颗锆石进行测试分析，²⁰⁷Pb/²³⁵U和²⁰⁸Pb/²³⁸U所确定的年龄显示2个聚集分布区域（图 2），第一组共30个测点，²⁰⁷Pb/²³⁵U和²⁰⁸Pb/²³⁸U各自确定的年龄分别在167.9~187.3 Ma和169.1~183.9 Ma，为早中侏罗纪沉积时期，第二组共29个测点，²⁰⁷Pb/²³⁵U和²⁰⁸Pb/²³⁸U各自确定的年龄分别在26.5~32.1 Ma和25.6~32.6 Ma，为东营组沉积时期。因此，锆石测年结果表明，研究区地质历史时期发生了2期岩浆侵入，第一期对应早中侏罗纪沉积时期，第二期对应东营组沉积时期。

图  2  锆石中²⁰⁷Pb/²³⁵U和²⁰⁸Pb/²³⁸U所确定的年龄分布特征

Figure 2.  ²⁰⁷Pb/ ²³⁵U and ²⁰⁸Pb/ ²³⁸U identified age distribution characteristics in the zircon

本次利用成像测井资料、岩层产状法、古地磁等3种方法相结合，确定了研究区构造裂缝的产状。首先是利用滨古26、滨古22两口井的声成像测井资料进行了统计，结果表明：构造裂缝的倾角在5°~81°，其中倾角0°~10°（低角度缝）的占总数量7.14%，倾角10°~40°（低角度缝）的占总数量11.8%，倾角40°~70°（高角度缝）的占总数量58.69%，倾角70°~90°（直立缝）的占总数量22.37%；走向主要为50°~80°、210°~240°（北东—南西走向），以及121°~153°、303°~330°（北西—南东），另外少量90°左右的（近东西向）。另外，通过对研究区滨古26、滨古11、滨古22、滨古斜15等6口探井的岩芯观察，利用沿层产状法对构造裂缝进行了定向，主要是将岩芯上层面产状与构造图上地层产状对比，可以实现岩芯定向，根据岩芯层面与裂缝关系，确定出裂缝走向、倾向、倾角等产状，并结合对5块岩芯样品进行了古地磁岩芯裂缝定向实验（表 1），对岩芯定向结果进行了校正。结果发现：平南潜山下古生界碳酸盐岩中主要发育北西—南东、北东—南西走向的2组构造裂缝，另外少量近东西走向的构造裂缝，其中前2种构造裂缝以高角度缝为主，直立缝次之，少量低角度和水平缝，近东西走向构造裂缝以低角度为主（图 3）。另外，对构造裂缝的线密度、宽度、充填物类型进行了岩芯观察统计，构造裂缝的线密度在3.2~20条/m之间，平均约10.2条/m；构造裂缝的宽度在0.2~12 mm之间，平均约2.3 mm；构造裂缝充填物以方解石为主，少量硬石膏、铁质、泥质、黄铁矿等其他充填物（图 3）。

图  3  岩芯观察构造裂缝特征

Figure 3.  Structural fracture characteristics of core observations

平南潜山下古生界经历了多期不同性质、不同方向应力场的叠加改造，形成了多期、不同方向的构造裂缝^[13-14]，本文结合对不同时期应力场方向和大小的数值模拟，确定构造裂缝形成时期，并选择对不同方向构造裂缝内的充填物进行C、O同位素及包裹体测温，确定构造裂缝充填时期，从而明确了平南潜山下古生界发育三期不同类型的构造裂缝：1）印支期形成的近东西向全充填低角度构造裂缝；2）燕山期形成的北西—南东向部分全充填高角度构造裂缝；3）喜山期形成的北东—南西向部分全充填高角度构造裂缝。

受控于印支期近南北向区域挤压应力场^[13-14]，平南潜山下古生界碳酸盐岩中发育一组近东西向的构造裂缝，该类构造裂缝中充填物以方解石为主，见少量石英、石膏、铁质和泥质，另外岩芯观察结果显示宽度大于1 cm的构造裂缝均被完全充填（图 3a）。通过对构造裂缝中充填物进行C、O同位素分析及流体包裹体测温，结果发现（图 4）：方解石样品的δ¹³C和δ¹⁸O分别落在了2个不同区间，大部分构造裂缝方解石充填物中δ¹³C值-2.78‰~-3.96‰，平均-3.25‰，δ¹⁸O值在-20.52‰~-16.23‰，平均大约-18.265‰，研究区下古生界围岩的δ¹³C平均值-0.85‰，δ¹⁸O平均值在-8.7‰，对比前人发表的邻区围岩的碳、氧同位素的数据值^[21-24]，该类构造裂缝中方解石充填物碳、氧同位素值落在了靠近d区和d区的范围中，属于中—高温岩浆热液淀积方解石的区域，即沿断层和裂缝输导上来的热液在潜山中温度、压力、流速等不断下降，达到方解石过饱和状态后在裂缝中沉淀下来，形成脉状方解石。同时该类构造裂缝方解石充填物中大部分流体包裹体测温达到了175 ℃。该类构造裂缝形成时期早（三叠纪沉积末期），其形成后研究区发生第一期大规模岩浆侵入（早中侏罗纪沉积时期），所以推测充填作用主要与研究区第一期岩浆活动有关。另外还有少量构造裂缝方解石充填物中的C、O同位素落在b区，δ¹³C值-0.85‰ ~-1.56‰，平均-1.02‰，δ¹⁸O值在-8.25‰ ~-9.86‰，平均大约-9.23‰，对比前人发表的邻区围岩的碳、氧同位素的数据值^[21-24]，充填作用与地下水溶蚀碳酸盐岩本身沉淀有关。从以上分析可以看出，该类构造裂缝充填时期早，且在漫长的地质历史时期充填程度非常高，对油气成藏的意义不是很大。

图  4  印支期产生构造裂缝中方解石充填物的C、O同位素（底图据文献[21-24]）

Figure 4.  C and O isotopes of calcite fillings in tectonic fractures of the Indosinian epoch (references [21-24] for the base map)

受控于燕山期北北东—南南西区域拉张应力场^[13-14]，平南潜山下古生界碳酸盐岩中发育一组北西—南东向的构造裂缝，岩芯和镜下薄片观察表明该类构造裂缝部分被完全充填，充填物以方解石为主（图 3d），少量石英、石膏、铁质和泥质（图 3e，f），且充填具有明显的分期特征，第一期充填物为泥—微晶方解石，第二期充填物为细晶方解石（图 3d）。通过对构造裂缝中充填物进行C、O同位素分析及流体包裹体测温，结果发现（图 5）：方解石样品的δ¹³C和δ¹⁸O分别落在了2个不同区间，大部分构造裂缝充填物方解石中碳氧同位素落在了c区和靠近c区的区域内，方解石充填物中δ¹³C值-2.02‰ ~-3.85‰，平均-3.10‰，δ¹⁸O值在-12.16‰ ~ -15.2‰，平均大约-14.25‰，对比前人发表的邻区围岩的碳、氧同位素的数据值^[21-24]（图 5），分析为与低温热液淀积方解石有关，另外流体包裹体测温达到了165 ℃，与研究区第二期（馆陶组沉积时期）岩浆侵入所携带的矿物质沉淀有关，形成了大量与热液相关的细晶方解石。另外还有少量构造裂缝方解石充填物中的C、O同位素落在b区，δ¹³C值-0.25‰~-1.76‰，平均-0.95‰，δ¹⁸O值在-7.65‰~-9.86‰，平均大约-8.52‰，对比前人发表的邻区围岩的碳、氧同位素的数据值^[21-24]，该区域内为海水盐度矿液淀积方解石，分析是燕山期—喜山期漫长的地质历史时期，地下水或有机酸溶蚀碳酸盐岩沉淀有关，形成了大量泥—微晶方解石。

图  5  燕山运动中晚期产生构造裂缝中方解石充填物的C、O同位素（底图据文献[21-24]）

Figure 5.  C and O isotopes of calcite fillings in tectonic fractures of the Yanshanian period (references [21-24] for the base map)

受控于喜山期北西—南东向区域拉张应力场^[13-14]，平南潜山下古生界碳酸盐岩中发育一组北东—南西向的构造裂缝。该类构造裂缝部分被充填，充填物以方解石为主，少量石英、石膏、铁质和泥质。通过对构造裂缝中充填物进行C、O同位素分析及流体包裹体测温，结果发现（图 6）：方解石样品的δ¹³C和δ¹⁸O分别落在了2个不同区间，大部分构造裂缝充填物方解石中碳氧同位素落在了c区和靠近c区的区域内，方解石充填物中δ¹³C值-2.25‰~-3.42‰，平均-2.45‰，δ¹⁸O值在-11.78‰~-15‰，平均大约-13.75‰，对比前人发表的邻区围岩的碳、氧同位素的数据值^[21-24]（图 6），分析为与低温热液淀积方解石有关，与研究区第二期（馆陶组沉积时期）岩浆侵入所携带的矿物质沉淀有关。另外还有少量构造裂缝方解石充填物中C、O同位素落在B区，δ¹³C值-1.35‰ ~-1.37‰，平均-0.16‰，δ¹⁸O值在-8.9‰~ -9.7‰，平均大约-9.25‰，对比前人发表的邻区围岩的碳、氧同位素的数据值^[21-24]，该区域内为海水盐度矿液淀积方解石，为地下水或有机酸溶蚀碳酸盐岩沉淀有关，形成了大量泥—微晶方解石。

图  6  喜山期产生构造裂缝中方解石充填物的C、O同位素（底图据文献[21-24]）

Figure 6.  C and O isotopes of calcite fillings in tectonic fractures of the Himalaya period (references [21-24] for the base map)

综上所述，印支期形成的近东西向全充填低角度构造裂缝，由于其充填时期早，充填程度高，对油气成藏没有任何意义，为无效裂缝；燕山期形成的北西—南东向部分全充填高角度构造裂缝以及喜山期形成的北东—南西向部分全充填高角度构造裂缝，保留了部分未被充填的构造裂缝，可成为有利的油气储集空间，为有效的构造裂缝。

通过对平南潜山取不同类型碳酸盐岩岩石样品做静力学测试（表 2），不同的岩石其强度变化较大，其中白云岩抗压强度最低，灰岩的抗压强度最高，灰质白云岩位于中间，从抗张强度的测定值来看，三种岩类的抗张强度均比抗压强度小10倍以上，所以张应力环境易破裂，碳酸盐岩中裂缝发育由弱到强的岩性顺序依次为灰质白云岩（岩性不纯的白云岩或灰岩）、灰岩、白云岩。另外，本文通过岩芯观察研究区下古生界不同类型岩石中构造裂缝线密度，结果发现构造裂缝发育次序为：细—中晶白云岩（15.6条/m） > 泥—微晶白云岩（12.3条/m）、灰质白云岩（12.1条/m） > 豹皮灰岩（10.1条/m） > 块状灰岩（7.2条/m） > 泥灰岩（4.1条/m）。

在工程实践中，人们发现工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿着松软结构面破坏的，因此，结构面的存在不仅影响岩体的变形与强度性质，而且还控制着岩体的变形与破坏机理，整体状岩体结构的强度最大，其次为层间结合较好的中厚层状结构，层间结合不良的薄层、中厚层互层结构强度最低^[25-26]。本次研究通过对山东淄博博山下古生界碳酸盐岩中构造裂缝发育情况进行野外观察，结果发现构造裂缝切割深度、延伸长度与岩石层厚具有很大的关系，碳酸盐岩单层厚度越薄，构造裂缝越发育，薄层与厚层互层结构中，薄层碳酸盐岩中构造裂缝最为发育，整体观察发现，碳酸盐岩岩石中构造裂缝切割深度大部分在2~6 m，延伸长度小于20 m（图 7）。在野外观察的基础上，利用岩芯观察结果统计了岩石层厚与构造裂缝线密度之间的关系（图 8），两者呈明显的正相关，随着层厚增大，构造裂缝线密度逐渐减小。另外，通过对平南潜山20余口井进行储层测井解释结果统计发现，大部分I、II类层优质储层主要分布在厚层碳酸盐岩所夹的薄层碳酸盐岩中，且通过对研究区下古生界碳酸盐岩内幕油藏进行解剖发现，内幕油藏主要呈薄层状分布（图 9）。

图  7  博山野外构造裂缝切割深度（a）与延伸长度（b）百分比图

Figure 7.  Percentage diagram of cutting depth and extension length for structural fractures in Boshan field

图  8  室内岩芯观察统计的岩石层厚与裂缝线密度关系

Figure 8.  The relationship between rock thickness and fracture line density in indoor core observation

图  9  平南地区潜山内幕层状油层分布

Figure 9.  Distribution diagram of inner buried hill inner oil reservoirs in the Pingnan area

断层与构造裂缝的发育具有密切的关系。前人研究济阳坳陷义和庄地区和埕岛地区下古生界断层影响构造裂缝的范围为300 m左右，博山露头区断层影响构造裂缝为200 m左右^[1]。本次研究主要统计岩芯观察构造裂缝、以及滨古26和滨古斜15两口井的成像测井资料显示的构造裂缝数量，分析了距断层距离与构造裂缝发育程度的关系，两者具有很好的相关性，离断层距离越近，构造裂缝越发育，离断层400 m范围内，构造裂缝的分布与断层关系密切，远离处主要与区域构造应力场有关（图 10）。另外对研究区碳酸盐岩日产液量与距断层距离进行统计发现，离断层越近，产液量越高，影响范围大约在500 m之内。以上分析充分说明了局部断层发育区是构造裂缝相对发育的区域。

图  10  距断层距离与裂缝发育程度关系

Figure 10.  Relation between distance from fault and degree of fracture development

有效的构造裂缝是优质储层形成的关键性因素，研究区发育三期构造裂缝：印支期形成的近东西向全充填低角度缝，燕山期形成的北西—南东向部分全充填高角度缝，喜山期形成的北东—南西向部分全充填高角度缝。第一种构造裂缝充填与第一期岩浆活动有关，充填程度高，对油气成储和成藏意义不大；后两种构造裂缝大规模充填时期与第二期热液流体活动有关，充填时期相对较晚，且保留了部分未充填的部分，对晚期有机酸及油气的运移起到重要的沟通作用。