天然气地球科学 >

2025 , Vol. 36 >Issue 8: 1473 - 1490

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2025.03.010

天然气地质学

鄂尔多斯盆地伊陕斜坡高家堡区块马五段断裂发育特征及成因机制

  • 刘世民 , 1 ,
  • 周路 , 1 ,
  • 马占荣 2 ,
  • 陆鹏 3 ,
  • 张才利 4 ,
  • 罗晓容 5 ,
  • 吴勇 1 ,
  • 任奕霖 1 ,
  • 苏金鹏 1
展开
  • 1. 西南石油大学地球科学与技术学院，天然气地质四川省重点实验室，四川 成都 610500
  • 2. 中国石油长庆油田分公司勘探事业部，陕西 西安 710018
  • 3. 中国石油集团测井有限公司西南分公司，重庆 400021
  • 4. 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安 710018
  • 5. 西北大学地质学系，陕西 西安 710069
周路（1962-），男，四川广安人，博士，教授，博士生导师，主要从事地震资料解释、地震岩性与储层预测等方面教学与研究. E-mail：.

刘世民（1995-），男，四川达州人，博士研究生，主要从事碳酸盐岩储层方面研究.E-mail：.

收稿日期: 2024-11-07

  修回日期: 2025-03-20

  网络出版日期: 2025-04-14

收起

The fault development characteristics and genetic mechanism of the fifth member of Majiagou Formation in Gaojiapu block， Yishan Slope， Ordos Basin

  • Shimin LIU , 1 ,
  • Lu ZHOU , 1 ,
  • Zhanrong MA 2 ,
  • Peng LU 3 ,
  • Caili ZHANG 4 ,
  • Xiaorong LUO 5 ,
  • Yong WU 1 ,
  • Yilin REN 1 ,
  • Jinpeng SU 1
Expand
  • 1. Sichuan Key Laboratory of Natural Gas Geology，School of Geosciences and Technology，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China
  • 2. Exploration Department，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an 710018，China
  • 3. Southwest Branch，CNPC Logging Company Limited，Chongqing 400021，China
  • 4. Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China
  • 5. Department of Geology，Northwest University，Xi'an 710069，China

Received date: 2024-11-07

  Revised date: 2025-03-20

  Online published: 2025-04-14

Supported by

The PetroChina Changqing Oilfield Company's Science and Technology Research Project(ZDZX2021-05)

Fold

摘要

鄂尔多斯盆地高家堡区块马五段发育膏岩、盐岩和碳酸盐岩，其走滑断裂结构复杂、垂向分布差异大，对油气的运聚具有重要影响。针对马五段的断裂系统分层分布现象，采用导航金字塔处理方法对地震数据进行多尺度、多方向的分级与重构处理，提高对复杂断裂边界的识别和表征能力，并细分小层建立高分辨率地层解释格架对各小层进行独立解释，结合多属性优选与属性融合方法有效识别了断裂分布，揭示了断裂的空间分布和演化规律。结果表明：①研究区走滑断裂发育，在平面上主要为NNE、NNW走向的直线、折线状断裂，以平行、雁行状分布为主，伴生有雁列状次级小断裂；在剖面上，马五段断裂具有高角度、近直立分布的特征，垂直方向上位移较小，断裂样式以“Y”字形断裂、花状断裂、高陡直立断裂及反“Y”字形断裂为主。②马五段中下部发育多套膏盐层，对下伏深层断裂的向上发育具有不同程度的消解作用，最终导致了马五段断裂具有垂向分层分布的特征，随着断裂向上切穿膏岩、盐岩层数与厚度的增加，断裂被消解的程度逐渐增大，盐下大多数断裂最终消亡在马五6亚段内部。③在马五段中上部（马五5—马五1亚段），随着大量断裂的消亡，仅MT2井区因强烈的构造作用，强大的应力使膏岩、盐岩层流动引发上覆地层的垂向变形产生隆起构造，应力向上传递而形成新的断裂系统。

关键词： 高家堡区块; 走滑断裂; 地震数据挖掘; 多属性优选; 属性融合

本文引用格式

刘世民 , 周路 , 马占荣 , 陆鹏 , 张才利 , 罗晓容 , 吴勇 , 任奕霖 , 苏金鹏 . 鄂尔多斯盆地伊陕斜坡高家堡区块马五段断裂发育特征及成因机制[J]. 天然气地球科学, 2025 , 36(8) : 1473 -1490 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2025.03.010

Abstract

Gypsum rock， salt rock and carbonate rock are developed in the fifth member of Majiagou Formation （Ma 5 Member） of Gaojiabao Block in Ordos Basin. The strike-slip fault structure is complex and the vertical distribution is different， which has an important influence on the migration and accumulation of oil and gas. In view of the layered distribution of the fault system in the Ma 5 Member， the navigation pyramid processing method is used to classify and reconstruct the seismic data in multi-scale and multi-direction， so as to improve the ability to identify and characterize the complex fault boundary， and subdivide the small layers to establish a high-resolution stratigraphic interpretation framework for independent interpretation of each small layer. Combined with multi-attribute optimization and attribute fusion methods， the fault distribution is effectively identified， and the spatial distribution and evolution of faults are revealed. The results show that： （1） The strike-slip faults in the study area are developed. On the plane， they are mainly NNE and NNW trending linear and broken linear faults， which are mainly distributed in parallel and echelon， accompanied by echelon secondary small faults. On the section， the fault of Ma 5 Member has the characteristics of high angle and nearly vertical distribution， and the displacement in the vertical direction is small. The fault patterns are mainly 'Y'-shaped faults， flower-like faults， high-steep vertical faults， and reverse 'Y'-shaped faults. （2） Several sets of gypsum-salt layers are developed in the middle and lower part of the Ma 5 Member， which have different degrees of digestion effect on the upward development of the underlying deep faults， and finally lead to the vertical layered distribution of the Ma 5 Member faults. As the faults cut upward through increasing numbers and thicknesses of gypsum and salt layers， the degree of fault dissolution gradually increases， with most sub-salt faults eventually disappearing within the sixth section of Ma 5 Member. （3） In the middle and upper parts of Ma 5 Member （the fifth section of Ma5-the first section of Ma 5）， with the demise of a large number of faults， only the MT2 well area， due to intense tectonic activity， the strong stress caused the flow of gypsum rock and salt rock， leading to the vertical deformation of overlying strata and the formation of uplift structures. The stress was transmitted upwards， resulting in a new fracture system.

Key words： Gaojiabao block; Strike slip fault; Seismic data mining; Multi-attribute optimization; Attribute fusion

0 引言

走滑断裂是自然界中广泛存在的断裂类型，其基本含义是地壳因应力作用，断层两盘在力偶作用下发生水平运动产生的断裂，具有延伸远、切割深、活动时间长的特征［1-5］。随着塔里木盆地奥陶系、四川盆地震旦系—二叠系、鄂尔多斯盆地内走滑断裂带大型油田的发现，掀起了克拉通盆地走滑断裂的研究热潮［6-9］。
研究表明，走滑断裂的形成不仅与构造应力有关，不同岩石类型由于其脆性的差异，还对断裂的形成和分布具有重要影响［10］。据钻井资料，鄂尔多斯盆地伊陕斜坡高家堡区块马家沟组五段（以下简称马五段）中下部存在多套膏盐层，且厚度分布不均匀，塑性岩层使得深层的应力难以继续向上传递，导致马五段的断裂分布具有垂向分层和平面分带的特点。同时，由于马五段断裂断距小、平面分布连续性较差且受岩溶水系［11-12］的干扰等因素影响，导致常规地震数据体和单属性分析对于部分断层的地震响应弱，分辨率低，识别程度不够，严重制约了对研究区马五段断裂平面分布及演化特征的认识。因此，本文综合利用测井资料，导航金字塔地震数据挖掘、多属性优选及多属性分析等方法，针对研究区马五段断裂的垂向差异分布现象，开展高分辨率格架下的精细解释，并对马五段断裂特征和演化过程开展了深入分析，对该地区马五段天然气勘探部署具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于陕西省榆林市境内高家堡区块，北接神木，西近榆林，东部靠近晋西挠折带，研究区面积约为1 476 km2［图1（a）］。研究区东高西低，构造上处于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡隆起区。在加里东—海西期，鄂尔多斯盆地主要受到南北向的挤压应力，形成北东向和北西向的小断裂［13］，在燕山中晚期，随着太平洋板块向北西方向俯冲，受祁连洋、兴蒙洋的共同作用，产生了北西—南东向的剪切应力，导致研究区内隆起褶皱形成的同时，也将先前形成的小断裂连接起来，奠定了现今的断隆带构造格局［14］。
图1 研究区地理位置（a）和奥陶系马家沟组五段（以MT1井为例）岩性综合柱状图（b）

Fig.1 Geographical location（a） of the study area and lithology comprehensive histogram（b） of the fifth member of the Ordovician Majiagou Formation（taking Well MT1 as an example）

高家堡区块目前已经完钻探井9口，马家沟组由上向下可细分为10个段［图1（b），图2］，马五段上部（马五1—马五5亚段）以白云岩、灰岩为主，中下部（马五6—马五10亚段）以膏岩、盐岩为主，多套盐层主要集中分布在马五段下部，盐层厚度井间差别大。马五段下伏马四段以灰岩和白云岩为主。其中，灰岩、白云岩层都是脆性岩层，易发生破裂而向上传递断裂应力［15］，而膏岩、盐岩层是塑性地层，往往容易缓冲断裂应力，减弱断裂的垂向传播，造成断裂系统的改变［16-18］。
图2 研究区马家沟组岩性综合柱状图

Fig.2 Comprehensive lithology histogram of Majiagou Formation in the study area

2 成像测井断裂特征

一般而言，对于中、浅层高分辨率地震资料，当断层断距大于5 m时，地震资料同相轴可以清楚识别；当断距小于5 m左右时，同相轴只会出现膝折、挠曲现象，无明显错段；当断距小于3 m时，地震资料无法识别，只能通过成像测井识别［19-22］。其中，电成像测井（FMI）首先通过电极记录断裂与围岩处的电阻率差异，然后基于刻度颜色的变化来识别断裂，具有纵向分辨率高且连续性好的特点，可以作为断裂定性解释的最直观依据［23-26］。
成像测井资料显示，研究区以高角度断裂为主，主要发育高角度高阻断裂、高角度高导断裂、低角度高导断裂：如图3（a）所示，成像测井图上显示2条近垂直的亮色填充条纹表示断裂在张开后，由于地层的压溶作用，被方解石、石英等高阻矿物填充，导致该处的电阻率比地层电阻率更高，故而成像测井图上显示亮色［27-28］，虽其对应的深浅侧向曲线显示RLLD>RLLS，断裂张开角度较大，但填充的矿物占据了断裂空间，降低了地层的渗透率，故认为该处为高角度高阻断裂；如图3（b）所示，可见3条高陡分布的暗色条带，断裂面与井轴夹角接近0°，由于地层电阻率较高，泥浆电阻率低，而张开未被填充的断裂，会伴随泥浆的侵入呈现低阻特征而显示暗色［29-30］，故推测该处为张开断裂，同时在深浅电侧向曲线上，可见该断裂处比上下围岩的电阻率都低，显示出高阻背景下的低值异常，且RLLD>RLLS，表明该处断裂张开度较好，据此推测此处断裂有效性较好，为高角度高导断裂；如图3（c）所示，可见一条呈正弦曲线分布的暗色条带，断裂面与井轴角度接近80°，且正弦曲线高度较低，故认为其为低角度断裂，在深浅电阻率曲线上同样显示出RLLD>RLLS，且有高电阻背景下的低值变化，认为其张开度较好，是低角度高导断裂。
图3 MT1井断裂成像测井图

（a）高角度高阻断裂成像特征；（b）高角度高导断裂成像特征；（c）低角度高导断裂成像特征

Fig.3 Fracture imaging logging map of Well MT1

3 地震数据挖掘

3.1　导航金字塔分级与重构

研究区马五段埋藏深度大，非均质性强，断裂类型及组合复杂，常规地震剖面区分断裂类型效果较差。因此，需要在现有地震资料基础之上，对地震数据体进行挖掘，优选出对马家沟组碳酸盐岩复杂断裂敏感程度高的地震数据体。针对马五段主要开展了利用导航金字塔处理方法，对地震数据进行多尺度、多方向的分解与重构处理，以提高对断裂的识别和表征能力，挖掘出最佳表征断裂的优势地震数据体。
地震数据不同频带的分量信息，对各种地质信息具有不同的敏感性。导航金字塔处理方法［31-32］选择性地使用了一套滤波+提频+加权组合的地震数据处理流程。主要是首先利用径向滤波和方向滤波得到不同频率、不同三维方位的数据分量，随后将相近频段上的地震分量进行组合，按权重系数进行加权计算，以达到不同子带合成。图4是对研究区地震数据进行三维导航金字塔分级与重构处理过井剖面对比图。如图4（a）所示，是原始地震体的井震标定图，在图4中的箭头Ⅰ处，合成地震记录可见较明显的波峰反射，而地震剖面上该处的地震反射较弱，井震响应效果较差，该频段下的原始地震体很有可能就会遗漏对部分小尺度断裂的解释。
图4 不同地震体井震标定对比

（a）导航金字塔二级分级地震体；（b）原始地震体；（c）导航金字塔三级分级地震体；（d）原始地震体+导航金字塔二级重构地震体；（e）导航金字塔二级+三级重构地震体；（f）原始地震体+导航金字塔二级+三级重构地震体；（g）小波分频30 Hz分频地震体；（h）小波分频35 Hz分频地震体

Fig.4 Comparison of well seismic calibration for different seismic data

导航金字塔分级即是通过径向滤波、方向滤波等得到不同频率、不同方位的频率分量，继而进行加权组合，以达到多尺度、多方向逐步提频分级的作用［33］。如图4（b）所示的箭头Ⅱ处，二级分级地震体，可见明显的波峰同相轴信息被挖掘出来，其余同相轴也能实现井震标定的良好吻合；然而如图4（c）所示的箭头Ⅲ处，可见分级程度过高，同相轴开始出现合并，分辨率降低，仅可适用于大尺度断裂的解释。
导航金字塔重构，即是将分级的各数据体，同时将全部子带或者选择性地选取部分子带，进行多尺度的地震数据组合。图4（d）是二级和原始地震体重构数据，在箭头Ⅳ处，虽然左侧的波峰同相轴有所强化，但右侧的同相轴信息未能挖掘；同样，图4（e）的箭头Ⅴ处，为二级和三级重构的地震数据体，右侧的同相轴信息开始显现，但是分辨率不够，与下部同相轴重合在一起；图4（f）的箭头Ⅵ处，同样对右侧的波峰同相轴挖掘效果较差；图4（g）为小波分频30 Hz分频地震数据，在箭头Ⅶ处可知，左侧的同相轴挖掘出了更多信息，但对右侧挖掘效果较差；图4（h）为小波分频35 Hz分频地震数据，在箭头Ⅷ处可知，在右侧挖掘出了更多地震信息，分辨率有所提高，但同相轴较杂乱，连续性较差。由此最终优选出导航金字塔二级分解数据体，作为研究区马五段断裂识别优势地震数据体。

3.2　地震数据体优选

通常，断裂在地震剖面上表现出同相轴错断、地层倾向突变、同相轴发生牵引、相位转换和出现断面反射波等特点［34-37］，地震资料的品质和分辨率会对断裂的精细识别产生重要影响。图5为原始地震数据与二级分级地震断裂解释剖面对比图，其中，原始地震剖面干扰信息明显、分辨率低、对断层识别能力差，导航金字塔二级剖面同相轴展布清晰、断点明显、分辨率更高，对断裂边界特征更加敏感。
图5 不同地震数据体断裂解释剖面对比［剖面位置见图6（a）］

（a）原始地震体剖面；（b）导航金字塔二级分级地震体剖面

Fig.5 Comparison of fracture interpretation profile for different seismic data （see Fig.6（a） for profile location）

如图5的区域1，原始地震体仅见几条散乱的弱波峰反射，而二级分级剖面在挖掘出连续波峰同相轴的同时，在2个断点处的同相轴既有同相轴能量的变化，倾角和曲率的变化也十分明显；在区域2，原始地震剖面虽可见断裂破碎特征，但同相轴反射凌乱，无法准确判断断点位置，二级地震数据同相轴更加清晰，且倾角变化明显，可作为断点识别的依据；在区域3，二级地震数较原始地震数据，不仅同相轴更加清晰，在断点处同相轴隆起程度更加明显，可以提高对断裂的识别效果，使该处断裂更易识别；在区域4，原始地震数据，在上下同相轴处都可见较为明显的同相轴倾角变化，但是中间仅可见右部的同相轴，后续进行小层划分开展精细断裂建模时，无法识别该处断裂，而分级后的地震数据，左边的同相轴被挖掘出来，使该处的断裂特征更加明显。

4 断裂识别与分析

4.1　地震属性优选

对研究区开展分级地震属性提取与分析，针对马五段不同级别数据体，分别提取马五段顶部相干、倾角及Fault Factor属性等地震属性（图6），根据属性切片的横向分辨率、清晰度，以及与地震剖面、井下成像测井断裂特征的吻合情况，综合多属性和优势属性断裂信息精细识别各级断裂（图6中白色表示相似较高，地层连续，黑色表示相似程度较低，地层中断）。
图6 马五段顶部边缘检测类地震属性对比

（a）原始地震数据体相干属性；（b）原始地震数据体倾角属性；（c）原始地震数据体Fault Factor属性；（d）导航金字塔二级分级地震数据体相干属性；（e）导航金字塔二级分级地震数据体倾角属性；（f）导航金字塔二级分级地震数据体Fault Factor属性

Fig.6 Comparison of seismic attributes for edge detection in the top of the fifth member of Majiagou Formation

从图6可以看出，导航金字塔二级分级地震体计算的各种边缘检测类属性，相比于原始地震体具有更高的横向分辨率，对研究区不连续性特征具有更清晰的表征效果。同时，二级分级体的各类属性之间，相干切片和倾角属性切片，对延伸较长的大断裂刻画精度较高，而对延伸短的小断裂边界无法精确识别，图像较为模糊，而Fault Factor属性可较为清晰地刻画出研究区地层的不连续性。因此，以导航金字塔二级地震体的Fault Factor属性为优势地震属性，结合其他属性和地震剖面、井下成像测井断裂特征对研究区马五段进行断裂精细解释。

4.2　细分小层Fault Factor属性分析

考虑到碳酸盐岩的强非均质性，为达到对马五段断裂系统的精细刻画，以马五段顶、底界为约束边界，在地震剖面上将马五段等分为10个小层，分别命名为小层1—10（地震小层与地质分层对应关系见图2），并分别提取格架内各小层Fault Factor属性（图7，图8），建立高分辨率三维空间断裂分布及演化单元，为断裂空间演化提供依据。
图7 马五段上部（1—5小层）导航金字塔二级地震数据体Fault Factor属性

（a）马五段1小层；（b）马五段2小层；（c）马五段3小层；（d）马五段4小层；（e）马五段5小层

Fig.7 Fault Factor attribute of the navigation pyramid level 2 classification seismic data in the upper part of the fifth member of Majiagou Formation （1-5 layers）

图8 马五段下部（6—10小层）导航金字塔二级地震数据体Fault Factor属性

（a）马五段6小层二级地震数据体；（b）马五段7小层；（c）马五段8小层；（d）马五段9小层；（e）马五段10小层

Fig.8 Fault Factor attribute of the navigation pyramid level 2 classification seismic data in the lower part of the fifth member of Majiagou Formation （6-10 layers）

对比图7和图8发现，马五段上部（1—5小层）和下部（6—10小层）具有完全不同的断裂系统。马五段下部主要分布有NNE向和NW—SE向2组断裂，且以NNE向断裂为主，大多数断裂延伸距离远，走向较为平直，如MT1和MT2井区；而马五段上部不连续区域大多蜿蜒曲折或者两两平行，不具有断裂的延伸特征。马五段上覆本溪组不连续，表明马五段顶界为不整合面，在马五段上部靠近不整合面区域，很容易暴露地表形成表生岩溶体系［38-40］，故推测其更符合岩溶体系的展布特征。
同时，马五段底部和中下部发育一套不均匀的膏岩和盐岩层［图1（b），图2］，膏盐层，特别是盐岩层属于塑性岩层，当下伏断裂的应力传递上来时，其内部可以通过塑性组分的形变、脆性颗粒的旋转来吸收应变，从而导致马五段底部的断裂因为在膏盐地层应力释放，无法继续向上部延伸。故而认为Fault Factor属性能够敏感地反映岩溶体系和断裂的区别，通过细分小层可准确刻画出垂向上马五段断裂体系发生演变的准确位置。根据Fault Factor属性预测结果（图7，图8），认为马五段裂缝过渡位置为马五段5小层的位置，故而最终优选出1—5小层单独解释，6—10小层以Fault Factor属性为主，开展马五段断裂系统的刻画。

4.3　断裂识别与性质判断

4.3.1　断裂平面识别

研究区的断裂主要起源于加里东期，由其形成的断裂薄弱带持续活动、连接，在燕山期隆升最终形成高家堡区块现今断隆带的格局［41］。研究区断裂模式主要为里德尔单剪模式，主要发育NNE、NNW走向的直线、折线状断裂，分布方式以平行、雁行状为主，伴生有雁列状次级小断裂（图9）。
图9 导航金字塔二级地震体马五段底部Fault Factor属性和断裂识别

（a）雁行排列断裂；（b）V字形排列断裂；（c）Fault Factor属性图；（d）折线排列断裂；（e）平行排列断裂

Fig.9 Fault Factor attribute and fault identification diagram of the navigation pyramid level 2 classification seismic data in the bottom of the fifth member of Majiagou Formation

在MM’测线附近，可见一条NNE—SSW走向的断裂，其两侧分布有较多呈雁行排列的次级小断裂，主要由于走滑断裂在形成过程中会派生次级应力，或者主断裂周围分布有软弱的岩石引发变形所致［图9（a）］。在NN’测线附近，可见4条近NW走向和4条NE走向的断裂以雁行状排列，两侧的断裂群以V字形呈斜列分布，此类断裂带主要由于断裂在走滑过程中应力分布不均匀所致［图9（b）］；在OO’测线附近，3条NNE—SSW走向的断裂，平面上延伸距离较远，在研究区北部和南部连续性较强，中部连续性较弱，断裂整体由多个直线段连接而成，较少有弯曲部位，这与研究区经受多期断裂活动，在不同区域应力存在差异，继而断裂连接有关［图9（d）］。在PP’测线附近，可见多条平行叠覆展布的断裂，该类断裂走向以NNE—SSW向为主，平直连续，延伸距离长［图9（e）］。
在平面形态上，相比于正断层的阶梯状、逆断层的叠瓦状特征，走滑断裂主要以直线、折线、雁行状为显著特征；在平面展布上，正断层主要与地垒相伴生，逆断层主要与地堑、褶皱构造相伴生，走滑断裂则主要伴生小型的平行、雁行状次生断裂。综合以上特征，认为研究区断裂平面上的展布更符合走滑断裂特征。

4.3.2　断裂剖面识别

在剖面上，马五段断裂具有高角度、近直立的特征，垂直方向上位移较小，断裂样式以“Y”字形断裂、花状断裂、高陡直立断裂、反“Y”字形断裂为主。
在MM’测线附近，在剖面上，该断裂延伸较远，在深部，如马一段底界同相轴错段十分明显，向上部开始逐渐减弱，直至马五段顶部断裂趋于消亡，与分支断裂组合，呈现出“Y”字形的走滑断裂构造样式［图10（a）］； 在NN’测线附近，其在地震剖面上，呈现明显的正花状断裂特征，在区域性的压扭作用下，断裂上陡下缓，以逆断层为主，主干断裂自深部向上延伸较远，分支断裂只在浅层发育，最终因为应力释放而停止向上延伸［图10（b）］。
图10 导航金字塔二级数据体马五段断裂样式地震剖面（剖面位置见图9）

（a）“Y”字形断裂；（b）正花状断裂；（c）高陡直立断裂；（d）反“Y”字形断裂

Fig.10 Seismic profile of the strike slip fault pattern of the navigation pyramid level 2 classification seismic data in the fifth member of Majiagou Formation（see Fig.9 for profile location）

在OO’测线附近，在剖面上，该类断裂在深部的马一段至马五段底界同相轴错断、扰动较为明显，在浅部的马五段，主要以同相轴的振幅能量和倾角变化为特征，此类断裂倾角较大，呈现高陡直立展布的特征［图10（c）］；在PP’测线附近，在垂向上，主断裂自下而上贯穿整个马家沟组，断面高陡平直，倾向为SE，分支断裂延伸较短，主要分布于马五段附近，倾向为SW，与主干断裂组合呈近反“Y”字形的构造特征［图10（d）］。
在断面形态上，正断层以高角度倾斜为特征，逆断层以低角度倾斜为特征，走滑断层大多呈直立形态；在地层错动上，正、逆断层会出现明显的垂直错动，导致地层增厚或减薄，走滑断层不会出现明显的垂直错动和地层缺失；在次生构造上，正断层常会由于多条断裂切割地层而形成块状构造，逆断层则常与褶皱构造伴生，唯有走滑断裂，通常伴随有平行、雁行状的次生断裂，从而形成花状、负花状、Y字形及反Y字形断裂样式。综合马五段断裂的平面和剖面特征，认为马五段的断裂性质为走滑断裂。

5 岩溶体系识别与分析

5.1　岩溶体系识别

受晚加里东大幅抬升构造运动的影响，鄂尔多斯盆地缺失了晚奥陶世—早石炭世地层，马家沟组顶部经历了长期的风化剥蚀和淡水淋滤作用，发育较多的溶蚀孔、洞、缝［42-43］，当大气降雨被地层吸收后，在重力作用下，雨水会垂直向下渗流，随后于潜水面附近径向流动，与灰岩等岩类发生溶蚀反应，冲刷下切地层逐渐形成岩溶体系［44］，故而其在地震剖面上具有明显的下切特征，而在平面上呈现出蜿蜒曲折的水系分布形态（图11）。
图11 导航金字塔二级数据体马五段顶部Fault Factor属性和岩溶体系识别

（a）“S”型岩溶；（b）“M”型岩溶；（c）Fault Factor属性图；（d）“爪”型岩溶；（e）“蛇”型岩溶

Fig.11 Fault Factor attribute and karst system identification diagram of the navigation pyramid level 2 classification seismic data in the top of the fifth member of Majiagou Formation

研究区马五段顶部发育多种类型岩溶反射特征，如图11所示，为马五段1小层的Fault Factor属性切片：①在属性切片A—A’测线附近发育4条两两平行的窄间隔双边界S形岩溶体系（图11），其在地震剖面上呈现出U形的下切特征［图12（a）］，向下部延伸至马五段中部，表明此岩溶体系发育规模较大，岩溶水系较宽，在岩溶处可见较明显的同相轴振幅减弱现象，表明岩溶造成储层孔隙增大、岩溶孔洞发育，岩溶水系也可能带来外来沉积物在岩溶处再沉积，这使岩溶位置地层岩性与相邻围岩波阻抗差异减小，因而呈现反射波振幅减弱的特征，并伴随有下切的反射特征。②在属性切片B—B’测线附近可见一条单边界细长M形条带状展布异常属性特征［图11（b）］，对应地震剖面上呈现出V形的下切特征，向下部延伸范围不大，表明此岩溶体系宽度较小，平面延伸距离较大。V形下切谷右侧可见较明显同相轴变胖的复波特征，反射波振幅也明显减小［图12（b）］，推测该岩溶系统在垂向渗流后，再沿右侧横向径流的同时发育了水平岩溶。③在属性切片C—C’测线附近可见3条窄间隔双边界爪形分支展布，并逐渐向南汇聚的异常属性特征［图11（d）］，在地震剖面上也可见3条爪形分支处有下切反射特征，并在下切处有明显同相轴错断和振幅减弱特征［图12（c）］，这反映了该地区发育多分支水系岩溶系统。④在属性切片D—D’测线附近可见一组曲折程度较大的“蛇”形岩溶体系，平面上具有宽间隔双边界条带状展布特征［图11（e）］，对应地震剖面上在马五段顶部发育“眼球”状岩溶地层反射特征［图12（d）］，下切程度较小，仅分布在马五段顶部。由于马五段顶部无膏盐层，可基本排除盐丘的可能性，推测其可能是岩溶作用后，可容空间增大，随着水系携带的沉积物、岩溶产物在岩溶处发生再沉积，因而呈现局部厚度增大的丘形地貌特征，其上覆地层基于马五段顶部丘形古地貌特征再沉积，继承性地出现局部丘形特征，地震剖面上也具有披盖反射特征［图12（d）］。
图12 不同位置岩溶体系导航金字塔二级分级地震剖面（剖面位置见图11）

Fig.12 The navigation pyramid level 2 classification seismic profile of karst system at different positions （see Fig.11 for profile location）

5.2　地震属性融合与岩溶分布特征

地震属性是对地下介质分布情况的综合反映，与地质目标不具备一一对应的关系，不可避免地出现多解性的问题［45-47］。同时，对于同一地质体，不同的地震属性对其敏感性也不同，地震属性融合技术可以充分挖掘不同地震属性中的有用信息，从而提高解释的准确性。
相干属性是一种针对地震波形相似性的检测技术［48］，对于同相轴连续性的变化可以突出显示，一般相干属性高值区域表明地层连续性较好，属性低值区域往往指示断层、裂缝、河道等地质异常体；Fault Factor属性则是属于构型属性的一种，是从图像处理领域延伸出的一种地震解释方法，其核心思想是将地震数据视为图像，通过对振幅数据的结构梯度张量进行分解，获得相应的特征值和特征向量，随后根据其特征值所解释的图像结构含义，识别地震图像中的不同纹理单元，实现对异常地质体的刻画，一般低值区表示该区域振幅反差小，特征能量较少，区域沉积地貌稳定；高值区则往往对该区域的强弱能量变化、杂乱反射、异常地质体等有较好的刻画。
马五段内部各小层属性切片［图6，图7对比表明，Fault Factor属性对马五段下部（6—10小层）］断裂分布比较敏感，Fault Factor属性对于马五段上部（1—5小层）岩溶水系比较敏感，故认为Fault Factor属性可以准确地识别出马五段因膏盐层的存在而导致的断裂系统变化，其中盐下大多数断裂最终消亡位置是在马五6亚段（相当于5小层）内。而相干属性作为一种边缘检测类属性，对于同相轴的连续性和波形变化都十分敏感，可以对岩溶和断裂特征同时进行表征。图13是针对马五段顶部（1小层）将相干属性和Fault Factor属性进行比例融合图，进一步提高了马五段上部岩溶系统和断裂解释的准确性。属性融合图中蓝色区域为Fault Factor属性高值分布区域［图14（a）］，即岩溶水系分布区域，在属性平面图上，主要呈现出双S形、M形、爪形及蛇形等弯折程度较大的展布特征，与地下水系分布相似。
图13 导航金字塔二级数据体马五段顶部（1小层）地震属性融合

（a）Fault Factor属性；（b）相干属性；（c）Fault Factor和相干属性融合

Fig.13 Seismic attribute fusion map of the top （1 sub layer） of the navigation pyramid level 2 classification seismic data in the top of the fifth member of Majiagou Formation

图14 马五段上部1小层断裂、岩溶发育区分布预测

（a）马五段上部1小层属性融合与断裂、岩溶发育区叠合图；（b）马五段上部1小层沉积期古地貌（时间厚度）与断裂、岩溶发育区叠合图

Fig.14 Prediction of distribution of fault and karst development zone in the upper layer 1 of the fifth member of Majiagou Formation

研究区岩溶水系发育，主要在5个岩溶发育区呈不规则状分布（图13），其中，双S形、M形岩溶体系主要分布于①岩溶发育区，面积约为210 km2，纵向上主要分布于马五1—马五5亚段，厚度约为70 m；杂乱的小型岩溶体系主要分布于②岩溶发育区，面积约为42 km2，纵向上主要分布于马五1—马五6亚段，厚度约为100 m；条带状岩溶体系主要分布于③岩溶发育区，面积约为150 km2，纵向上主要分布于马五1—马五5亚段，厚度约为70 m；蛇形岩溶体系主要分布于④岩溶发育区，面积约为62 km2，纵向上主要分布于马五1—马五5亚段，厚度约为70 m；爪形岩溶体系主要分布于⑤岩溶发育区，面积约为201 km2，纵向上主要分布于马五1—马五5亚段，厚度约为70 m。
研究区马五段顶部虽然构造相对稳定，断裂发育较少，但岩性组合复杂，分布有白云岩、灰岩、泥岩等，其中白云岩等是易溶岩相，灰岩不易溶，是隔水层［49］。由于马五5亚段发育多套灰岩地层［图1（b）］，作为隔水层阻挡了来自马五段顶部的岩溶水下切作用，使得马五段顶部的岩溶作用，大部分只作用于马五4亚段以上地层。如图14（b）所示，其中黄色的低值区域现今厚度小，剥蚀程度大，为古地貌高势区；蓝色的高值区域现今厚度大，剥蚀程度小，为古地貌低势区；绿色的中值区域为古地貌斜坡区。经过叠合分析，预测的5个岩溶发育区都主要分布在古地貌斜坡区。
利用岩溶发育区内实钻井的岩性资料（例如最新钻遇岩溶发育区的MT5井和MT7井），对岩溶发育区的预测结果进行验证分析。其中，MT7井马五2—马五4亚段岩性为岩溶角砾岩与云质泥岩、泥质膏质云岩、深灰色灰岩及膏盐岩，MT7井主要位于①岩溶发育区，与岩溶预测结果符合；MT5井马五1—马五4亚段岩性为岩溶角砾岩与云质泥岩、泥质膏质云岩深灰色灰岩及膏盐岩，MT5井主要位于⑤岩溶发育区，与岩溶预测结果符合。MT1井因缺乏马五段上部岩性及测井资料，故不能评价，研究区马五段顶部大部分岩溶发育区都尚未钻探，因此，研究区马五段顶部岩溶型天然气藏也是重要勘探领域。

6 断裂特征及演化分析

6.1　断裂发育机制

如图15所示，在马五段中下部的膏盐层分布区域，地震剖面上该地段地震波形呈断续杂乱分布，断裂呈现出较为明显的继承性特征，与下伏的马四段断裂特征基本一致；马五段中上部的非膏盐岩地层，岩性以白云岩为主，地震同相轴连续性较强，在地震剖面上可见明显的挤压变形特征，马五段下部大部分断裂未能延伸至马五段上部，仅MT2井区因构造作用，膏盐层强烈的挤压作用使马五段上部发生变形，从而导致断裂继续向上传播。
图15 MI104—MT2—MT1连井马五段地层断裂解释剖面图［剖面位置见图14（b）］

Fig.15 Interpretation profile of the fault in the fifth member of Majiagou Formation of Wells MI104-MT2-MT1 （see Fig.14（b） for the profile location）

故而认为研究区断裂发育机制主要有2种：
（1）能量转换、应力释放分散导致断裂衰减消亡。马五段基本处于走滑断裂的衰亡阶段，由于马五段下部普遍发育较厚的膏岩和盐岩层，自下而上的断裂应力在膏岩、盐岩地层因岩石的塑性形变，断裂应力的机械能转换为热能和塑性应变能。
（2）强烈构造应力使膏岩、盐岩层挤压上覆地层，导致剪切带拓宽、局部构造调整。仅少部分构造应力强的区域（MT2井区），断裂应力未完全衰减，释放分散到更广阔的区域挤压膏盐层，马五段中上部地层受膏盐层横向挤压变形，走滑断裂带在此转换为宽缓的韧性剪切带，断裂形态由直线变为弯曲、分叉，断裂应力因而得以继续向上传递，形成新的断裂系统。

6.2　断裂演化分析

通过上述属性优选，针对性地对马五段下部（6—10小层）采用Fault Factor属性，对马五段上部（1—5小层）使用Fault Factor属性和相干融合属性的方法，对马五段10个小层进行断裂解释，并结合下伏马四段断裂发育特征（图16），开展马五段断裂系统空间演化分析（图17）。
图16 导航金字塔二级数据体马四段顶部裂缝因子属性和断裂叠合图

（a）裂缝因子属性图；（b）裂缝因子属性断裂叠合图

Fig.16 Fault Factor attributes and fracture overlay diagram of the navigation pyramid level 2 classification seismic data in the top of the fourth member of Majiagou Formation

图17 研究区马五段自上而下不同时期断裂分布

（a）马五段顶部（1小层，相当于马五1亚段）断裂分布；（b）马五段中部（5小层，相当于马五6亚段中下部）断裂分布；

（c）马五段下部（6小层，相当于马五7小层上部）断裂分布；（d）马五段底部（10小层，相当于马五9—马五10小层）断裂分布图

Fig.17 Distribution map of faults in different periods from top to bottom in the fifth member of Majiagou Formation in the study area

6.2.1　结构分段性

（1）由于马四段顶部主要为脆性岩层（灰岩、白云岩），马五段底部断裂为“继承段”。由图1（b）和图2可知，马五段底部仍然有白云岩段，并不是完全的膏盐层，白云岩地层作为脆性岩层，应力依旧可以向上传递，导致马四段的大部分断裂，能够继续向上延伸至马五段底部。图17（d）中马五段底部（10小层，相当于马五9—马五10亚段）断裂以NNE走向为主，且大多延伸距离长，规模以12~30 km为主，且大多以平行分布为主，在研究区西部和东部密集发育，整体上与马四段断裂展布状态基本一致（图16），表现出较强的继承性。
（2）经过马五段下部，遭遇较少的塑性岩层（膏岩、盐岩）后断裂有所减少，为“活跃段”。由图1（b）和图2可知，马五段底部（马五10亚段）发育多套厚层膏盐岩层，马五段底部断裂自下而上传播时，在马五段下部因盐岩层作为塑性岩层的缓冲作用，应力释放而导致大部分的断裂无法继续向上延伸，故在马五段下部大部分断裂开始消解［图17（c）］，随着断裂向上所穿越盐岩层数与厚度的增加，断裂被消解的程度逐渐增大，如图17（d）中编号1—8号及其附近断裂在马五段下部［图17（c）］呈规模减弱甚至消失，其残存断裂走向与马五段底部断裂一致，且以平行排列分布为主，断裂延伸距离大幅减小，多在10 km左右，主要分布在MT2井区附近和MI104井以东地区。
（3）经过马五中下部，遭遇较多的塑性岩层后，断裂进一步减弱，为“钝化段”。受马五段中部多套膏岩、盐岩层进一步应力释放与消解作用，位于马五段下部编号9—14号及其附近断裂［图17（c）］在马五段中部进一步减弱［图17（b）］，其残存断裂走向与马五段下部断裂保持一致，延伸距离多在5 km左右，研究区东部和MT1井以北地区断裂全部消失，MT2井区断裂有不同程度地减弱［图17（b）］。

6.2.2　垂向调整性

在马五段中上部，大量断裂基本消亡，仅MT2井区，因强烈的构造作用，强大的应力使膏岩、盐岩层流动引发上覆地层的垂向变形产生隆起构造，导致应力向上传递并且产生新的断裂系统（图18）。
图18 研究区导航金字塔二级分级Line 665测线地震剖面［剖面位置见图14（b）］

Fig.18 Seismic profile of Line 665 in the navigation pyramid level 2 classification seismic data in the study area （see Fig.14（b） for the location of the profile）

由图1（b）和图2可知，在马五段中部马五6亚段中仍然发育有大套膏岩层，进一步应力释放与消解作用使马五段中部［图17（b）］大部分断裂无法继续向上延伸而消失［图17（a）］。马五段顶部［图17（a）］仅在MT2井区还发育少量断裂，该断裂规模较小，延伸距离多为2 km左右，断裂分布也不再是平行排列，表现为弯曲的雁行状特征，其中MT2井以南地区断裂规模小，走向基本上与马五段中部［图17（b）］断裂一致，马五段顶部MT2井以北地区断裂规模相对增大，走向以NW和NE向为主［图17（a）］。

7 结论

（1）基于导航金字塔二级地震数据的Fault Factor属性（马五中下部断裂）及融合属性（马五中上部断裂），对鄂尔多斯盆地高家堡区块马五段断裂和岩溶体系识别取得了良好效果。
（2）研究区走滑断裂发育，在平面上主要为NNE、NNW走向的直线、折线状断裂，以平行、雁行状分布为主，伴生有雁列状次级小断裂；在剖面上，马五段断裂具有高角度、近直立分布的特征，垂直方向上位移较小，断裂样式以“Y”字形断裂、花状断裂、高陡直立断裂及反“Y”字形断裂为主。
（3）马五段中下部发育多套膏盐层，对下伏深层断裂的向上发育具有不同程度的消解作用，最终导致了马五段断裂具有垂向分层分布的特征。马五段中、下部多套膏盐层对下伏深层断裂的向上发育具有不同程度的消解作用，随着断裂向上所切穿膏盐层数与厚度的增加，断裂被消解的程度逐渐增大，盐下大多数断裂最终消亡位置是在马五6亚段内部。
（4）在马五段中上部（马五5—马五1亚段），随着大量断裂的消亡，仅MT2井区因强烈的构造作用，强大的应力使膏岩、盐岩层流动引发上覆地层的垂向变形产生隆起构造，应力向上传递而产生新的断裂系统。

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