海拉尔盆地贝尔凹陷断裂系统及其对油气运聚的控制作用_孙永河

第57卷 第1期
2011年1月
地 质 论 评 GEOLOGICAL REVIEW
V ol.57 N o.1Jan. 2011
注:本文为国家大型油气田及煤层气开发科技重大专项/中国大型气田形成条件、富集规律及目标评价0项目(编号2008ZX05007)下属大型气田成藏机制与分布规律课题(编号2008ZX05007-03)的成果。

收稿日期:2010-01-06;改回日期:2010-12-14;责任编辑:章雨旭。

作者简介:孙永河,男,1979年生。

副教授,主要从事盆地分析与资源评价研究。

Email:s yh79218@ 。

海拉尔盆地贝尔凹陷断裂系统及其
对油气运聚的控制作用
孙永河1)
,韩钰萍1)
,冯志鹏2)
,付晓飞1)
,刘哲1)
1)东北石油大学地球科学学院,黑龙江大庆,163318;
2)大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司第四大队,黑龙江大庆,163511
内容提要:在系统分析海拉尔盆地贝尔凹陷断裂系统及其演化的基础上,研究了断裂演化对油气运聚条件的控制作用。

研究表明,贝尔凹陷发育的断裂主要有4种类型:早期伸展断裂、中期张扭断裂、早期伸展中期张扭长期活动断裂和早期伸展中期张扭晚期反转长期活动断裂。

可划分出3套断裂系统:早期伸展断裂系统、中期张扭断裂系统和晚期反转断裂系统。

断裂的活动主要有3期:铜钵庙组)南屯组末期在NW )SE 向引张应力场作用下发生伸展变形形成早期伸展断裂系统;伊敏组二、三段沉积时期在近EW 向拉张应力场作用下发生纯剪切变形形成中期张扭断裂系统;伊敏组末期)青元岗组沉积在近EW 向弱挤压应力场作用下发生收缩变形形成晚期反转断裂系统。

断裂的形成演化控制圈闭的形成时期、发育类型及展布方位。

长期活动的断裂是贝尔凹陷主要的油源断层类型,围绕富烃洼陷发育受油源断层控制的基底断块圈闭和断陷构造层的掀斜断块圈闭及正牵引断块圈闭是油气运聚成藏的有利目标区。

关键词:断裂系统;演化;运聚;圈闭;油源断层;贝尔凹陷;海拉尔盆地
贝尔凹陷属于海拉尔盆地贝尔湖坳陷内的二级构造单元,面积3010km 2
,是盆地内最大的一个凹陷(图1)。

构造上因主要受NE 向断裂控制而呈NE 向展布,形成东西分带的构造格架(刘振彪等,1999;罗群等,2003)。

由西向东发育10个三级构造单元,分别为呼和诺仁断鼻构造带、贝北洼槽、苏乃尔构造带、贝西洼槽、霍多莫尔背斜构造带、乌兰诺尔东鼻状构造带、苏德尔特潜山构造带、敖脑海洼槽、不勒洪布斯断隆构造带和希勒敖包洼槽(图1)。

区域地震剖面解释发现,贝尔凹陷是在下侏罗统布达特群(J 1b )潜山之上发育起来的中生代盆地。

布达特群之上的盆地盖层自下而上发育铜钵庙组(K l t )、南屯组(K 1n )、大磨拐河组(K 1d )、伊敏组(K 1y )以及青元岗组(K 2q )(王家亮等,2003)。

油气勘探实践表明,贝尔凹陷在贝301、贝13、苏德尔特以及霍多莫尔地区已经取得重大突破(康德江等,2008;付晓飞等,2008),已发现的油气其运聚成藏过程与断裂的发育及其演化特征密切相关(魏建设等,2008;马中振等,2008),受断裂演化的影响油气在不同地区、不
同层位聚集的差异较大,因此有必要开展该地区断裂系统及形成演化特征研究,认清断裂对油气运聚的控制作用,进而为贝尔凹陷下一步油气勘探提供理论依据。

1 贝尔凹陷断裂系统及其特征
1.1 断裂系统划分
贝尔凹陷发育三个重要的构造层序界面,即T 5
反射界面、T 22反射界面和T 04反射界面。

三个构造层序界面均表现为明显的上超、下削的区域不整合界面现象,其中T 5反射界面是布达特群潜山顶界面,为挤压型的一级构造层序界面;T 04反射界面为上白垩统青元岗组底界面,该界面是早期伸展和晚期压扭的综合产物,断裂主要为逆断层,明显发生构造反转作用,为先伸展后挤压型的一级构造层序界面;T 22反射界面为南屯组顶部界面,界面上下波组特征明显不同,横向变化较大,为伸展型二级构造层序界面。

依据上述三个构造层序界面,结合区域地震剖面反映的层序充填特征可以得到贝尔凹陷主要
图1贝尔凹陷地理位置及构造分区图
Fig.1T he g eog raphica l location and tecto nic div ision in the Beier Sag
发育以下构造层次(图2):由布达特群及其以下构成的基底构造层;由铜钵庙组和南屯组构成的断陷构造层;由大磨拐河组~伊敏组构成的断拗构造层;由青元岗组构成的拗陷构造层。

其中盆地盖层内部发育的断裂在不同构造层次具有显著的差异性,明显受T5、T22和T04三个构造层序界面的控制。

因此,依据断裂的发育层次及其变形特征可以将贝尔凹陷发育的断裂分为四种类型:即早期伸展断裂、中期张扭断裂、早期伸展中期张扭断裂和早期伸展中期张扭晚期反转断裂,其中后两种类型的断裂属于长期活动的断裂。

在此基础上可以得到贝尔凹陷自下而上发育三套断裂系统(图2):即早期伸展断裂
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图2贝尔凹构造层次、断裂发育类型及断裂系统(剖面位置见图1)F ig.2Structur al layer ,fault t ypes and fault systems in the Beier
Sag
图3贝尔凹陷联合地质结构剖面(a )e)及早期伸展断裂系统平面分布(f)
F ig.3Geolog ical str ucture sectio ns(a )e)and distributio n o n ear ly extensio nal fault systems(f)in the Beier Sag
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第1期孙永河等:海拉尔盆地贝尔凹陷断裂系统及其对油气运聚的控制作用
系统(贯穿铜钵庙组)南屯组地层)、中期张扭断裂系统(贯穿大磨拐河组)伊敏组地层)和晚期反转断裂系统(贯穿青元岗组地层)。

长期活动的断裂作为连接各套断裂系统间的桥梁和纽带控制了断裂系统内部次级断层的发育及其变形特征,其对盆地的形成演化及油气的运聚成藏均都具有重要的控制作用。

1.2断裂系统基本特征
1.2.1早期伸展断裂系统
早期伸展断裂系统是指T5)T22反射界面之间发育的断裂,包括长期发育的主干基底断层和次级基底断层,主要形成于伸展盆地的裂陷阶段,即铜钵庙组时期和南屯组时期。

早期伸展断裂系统走向方位主要有NE向和NEE向,其间发育一些列NWW 向、近SN向的变换断层(图3a)e)。

断层组合模式多样,剖面主要为生长组合、反向断层组合、/Y0字型、反/Y0字型、阶梯状和垒堑式断层组合。

其中生长组合、反向断层组合主要为控陷边界断层的组合形式,潜山上主要为阶梯状断层组合和垒堑式断层组合,斜坡带上多为阶梯状断层组合。

/Y0字型、反/Y0字型组合发育普遍。

平面上主干断层之间呈斜列状和平行式断层组合为主,总体走向为NEE向和NE向。

早期伸展断裂系统中的主干基底断裂沿断陷走向发育,从而控制断陷沉积充填、断陷内的三级构造带及次级断层的发育。

研究发现,贝尔凹陷不同地区控陷断层走向方位不同,其控制的断陷结构特征存在差异。

总体上可分为4个区(图3f),即受NEE 向断层控制的Ñ区和Ó区以及受NE向断层控制Ò区和Ô区,各个分区之间由变换构造(主要是NWW 向变换断层)所分割。

各区分别由NEE向断层和NE向断层控制的箕状半地堑或局部的不对称地堑盆地结构,半地堑的/断0或/超0的方向总体上是东断西超。

从形态来看,半地堑垂向上具有明显的继承性。

Ñ区主要发育NEE向的B29、B85、B103~ B123控陷断层和近SN向的B53~B120变换断层。

这些主干基底断层共同控制了贝西洼槽南部的沉积充填,该区南段为受B120断层控制的东倾的箕状半地堑;中段为受B29、B85、B103~B123断层控制形成的一系列东倾的箕状半地堑呈多米诺式组合关系;北段B85、B103~B123断层逐渐消失,B29断层控陷作用逐渐增强,形成了主要受B29断层控制的东倾箕状半地堑,Ñ区总体上半地堑规模北段大于南段。

Ò区主要发育NE向的B68控陷断层,其上盘控制的贝西洼槽为东倾的箕状半地堑结构,构造走向上地层厚度变化不大,半地堑的范围也比较稳定。

Ó区主要发育NEE向的B343、B184、B217~ B233~B246~B255、B355~B392等控陷断层。

B343断层位于该区的南部,倾向NN W,其上盘充填的贝中洼槽断陷地层层序为东倾的箕状半地堑。

B217~B233~B246~B255位于该区的中部,这些断层首尾相接控制其上盘贝西洼槽东部东倾半地堑的沉积充填,其下盘为苏德尔特潜山带。

B355~ B392断层控制贝西洼槽北部西部东倾半地堑的沉积充填,其下盘为霍多莫尔背斜带。

比较而言,西部的半地堑范围相对更大、更宽,为贝西洼槽的主体。

Ô区主要发育NE向的B242、B446、B448、B442等控陷断层,B242~B446(B448)~B442断层为贝西洼槽的东部边界,其上盘东倾的半地堑结构总体上仍为东断西超的盆地结构,层序厚度变化不是很大。

综合上述特征可知,早期伸展断裂系统形成时的引张应力场方向应为NW)SE方向,这种应力场导致NE向和NEE向主干基底断层复活并形成新的NE向控陷断层和次级基底断层,同时形成NWW向和局部近SN向的变换断层。

这些断层的活动形成了早期伸展断裂系统并共同控制了贝尔凹陷断陷构造层的形成演化。

1.2.2中期张扭断裂系统
中期张扭断裂系统是指T22)T04反射界面之间发育的断裂,多为长期活动的主干基底断裂和次级盖层正断层,主要形成于后裂陷阶段的伊二段)伊三段时期。

从断裂的平面分布来看,断裂密集成带特征显著,即明显存在走滑变形特征。

研究发现,这些断裂密集带与断陷时期活动的主干基底断层的分布具有密切的相关性,即早期断裂系统中的主干基底断裂在伊二段)伊三段时期再次活动,发生走滑变形,同时形成大量近SN向的次级盖层正断层,这些次级断层围绕主走滑断层密集分布形成断裂密集带。

因此断裂密集带往往呈NE向、NEE向,而次级断层大多为近SN向。

这些次级断层规模一般不大,平面延伸的距离比较短,垂向上大多数贯穿于伊二段)伊三段地层中至大一段地层中,形成高密度断裂分布的T2和T21反射层,这显然与大一段高塑性泥岩地层有直接关系,即塑性地层吸收了断层错断过程中的位移,从而使其向深部消失于塑性地层中。

断层组合模式明显表现为走滑的特征,即剖面组合型式主要有负花状构造组合和/X0型断层组
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合,负花状组合主要围绕长期活动的断层呈断裂密集带形式分布(图4),且花状断层向下过T 22后收敛于同一条断层,该断层即为长期活动的断层。

/X 0型断层组合也为走滑成因,是先期形成的张性正断层被后期走滑断层错开形成的。

平面上主扭带内断层以发辫状和网状组合为主,主扭带与伴生的次级正断层组合形式主要有:鱼脊状、梳状、根系状和枝杈状为主。

同一方向的主扭带多数为平行组合,不同方向的主扭带交叉构成/X 0型组合和网状组合。

伴生的次级正断层多数为平行组合和雁行式组合。

这些平面组合特征均反映扭动变形的特征。

图4贝尔凹陷中期张扭断裂系统与长期活动的断裂平面分布(据T 2反射层改编)Fig.4Fault dist ribution on middle tensional )shear fault sy st ems and long -term activ e faults
由上述分析表明,贝尔凹陷中期张扭断裂系统是围绕早期主干基底断层呈多方位的断裂密集带型式分布的,表明主干基底断层的早期构型是该走滑断裂系统的主控因素之一。

但次级盖层断层大多数呈近SN 向展布,且主扭断层与次级断层为负花状组合样式,因此,可推测伊敏组二、三段沉积时期主要受近EW 向的拉张区域应力场作用而发生纯剪切变形,其中,早期不同走向方位的主干基底断层(即长期活动的断裂)再次复活发生张扭变形,同时形成与区域应力场垂直分布的次级张性盖层正断层。

1.2.3 晚期反转断裂系统
晚期反转断裂系统分布在T 04反射层及其之上的浅部地层中,主要形成于伊敏组末期至青元岗组时期。

主反转断层走向主要为N E 向和近EW 向,包括B85、B68、B355、B392、B343、B241、B448断层等,这些反转的逆断层主要是早期和中期持续活动的断层在挤压应力场作用下因块体的升降而发生反转,即沿原来的正断层向上逆冲形成逆断层性质,属正反转。

在主断层发生反转的同时,形成了一定量近SN 向的次级盖层正断层,断裂剖面组合样式主要有冲断组合和箱状背冲组合。

基于次级断层主要为近SN 向,以及反转断裂系统零星分布的特征,推测形成反转断裂系统的区域应力场方向为近EW 向的弱挤压。

2 贝尔凹陷断裂系统的形成演化
2.1 断裂活动时期的厘定
断裂的递进变形并不是一成不变的,不同沉积阶段其活动的强度是不同的。

由于构造变形决定了断裂的形成、发展,而且地层间的不整合接触关系是构造活动的表现之一,因此不整合面的存在反映了构造变形的发生,从而对应着断裂的形成时期。

断裂生长指数和断裂活动速率也常用来标定断裂的活动强度,确定断裂活动的期次。

此外,剖面的伸展量
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第1期孙永河等:海拉尔盆地贝尔凹陷断裂系统及其对油气运聚的控制作用
等参数也可以侧面反映断裂的主要活动时期。

2.1.1 构造变形期次
贝尔凹陷发育的T 5、T 22和T 04三个重要的构造层序界面反映了三期大的构造变形,从而对应着三个断裂的形成时期。

在T 5反射界面上,断层多数表现为正断层,断裂密度最大,表明布达特群地层受断裂的改造强烈,破碎带非常发育。

在T 04反射界面上,因先受到伸展作用控制,之后受挤压作用的影响,导致部分长期发育的断裂在反转变形作用下具有先正后逆的特征。

T 22反射界面上,断裂密度也较大,且在潜山带和西部斜坡带产生大量的早期伸展
断裂。

图5贝尔凹陷典型地震剖面断裂生长指数
Fig.5Fault gr ow th index on typical seismic sectio n in the Beier Sag
2.1.2 断裂生长指数及活动速率
断裂的形成演化主要受控于主干基底断裂的构造变形,因此主干基底断裂生长指数及活动速率是直接反映断裂活动期次的重要参数。

从贝尔凹陷典型剖面断层的生长指数分布特征来看(图5),总体表现为铜钵庙组)南屯组时期和伊二段)伊三段时
期断裂生长指数较大,为断裂的主要活动时期。

从贝尔凹陷主要长期活动的断裂的平均垂直活动速率分布可以看出(图6),不同时期的断层其活动强度有明显差异。

主要存在三个明显的断层强活动时期,即铜钵庙组至南二段时期、伊二段)伊三段时期和青元岗组时期。

其中南二段时期的断层垂直活动速率最大,伊二段)伊三段时期次之,青元岗组时期相对最小。

其它沉积时期断层垂直活动速率相对较小,且以大二段至伊一段时期断层活动强度最小,基本不活动。

2.1.3 典型剖面伸展变形强度
伸展率参数是反映断裂构造活动强度的重要指标之一,一般是通过垂直于主干构造走向的剖面来分析构造变形过程。

从各区域地质剖面的伸展率(图7)分布可以得到,南二段沉积时期,各个地质剖面的伸展变形强度均最大,其它时期,伸展率均依次递减,表明南二段沉积时期是贝尔凹陷的断裂的强活动时期。

此外,伊二段)伊三段沉积时期的伸展
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地 质 论 评2011年
图6贝尔凹陷主干断层平均垂直活动速率分布图F ig.6Av erag e vertical activ e rate on majo r
faults in the Beier
Sag
图7贝尔凹陷典型地质剖面各时期伸展率直方图Fig.7Extension r ate on typical g eolog ical sectio n in
Beier Sag
率也表现略微大值,即也为断裂的主要活动时期。

综合上述指标反映的断裂变形期次来看,铜钵庙组)南二段时期、伊二段)伊三段时期和青元岗组时期为断裂的主要活动时期,而不同时期断裂的活动强度及变形特征有所差异。

2.2 断裂形成演化过程及其特征
通过对贝尔凹陷构造)地层层序分析,结合平衡剖面获得的构造几何形态可以明确贝尔凹陷断裂的形成演化过程及其特征(沈华等,2005)。

研究认为,贝尔凹陷断裂的形成演化先后经历了铜钵庙组)南屯组时期的强烈伸展变形、大磨拐河组时期的弱伸展变形、伊敏组时期的强烈张扭变形以及伊敏组末期)青元岗组时期的反转变形(图8)。

在铜钵庙组)南屯组沉积时期,在NW )SE 方
向的引张应力场作用下,盆地处于伸展断陷阶段。

NE 向和NEE 向基底断裂活动,同时形成NE 向主干基底断层和次级基底断层,其间发育NWW 向和近SN 向变换断层。

在铜钵庙组沉积时期,盆地主要处于初始裂陷阶段。

受成盆前的部分主干基底断层的控制,主要发育单断半地堑或不对称的地堑,主要是在拗断的主导变形机制下形成局部的次级基底断层,断裂主要在贝西洼槽,苏德尔特潜山中部零星分布。

与上覆南屯组地层呈低角度不整合接触,反映贝尔凹陷铜钵庙组沉积末期发生了第一次微弱的
回返上升,之后断裂伸展变形再次继承性发育,形成了南一段盆地,盆地几何形态仍主要表现为单断半地堑或不对称双断地堑。

从南一段地层厚度来看,盆地的边缘主要由基底断裂控制,显示断陷作用在增强,为断陷的成长发育期。

断裂主要发育在贝西洼槽的南部和苏德尔特潜山的中部。

南二段时期断裂发生强烈的伸展构造变形,为断陷盆地鼎盛发育时期。

受多米诺式分布的B343断层和B68断层双重影响下,苏德尔特潜山已具雏形,这主要表现在:一方面,根据铲式断层的运动学特征,苏德尔特潜山可视为B343断层上盘因块体顺时针旋转而形成的中央凸起;一方面,B68断层在错断过程中其下盘块体的掀斜运动加剧了苏德尔特潜山的隆升。

之后在南屯组沉积末期发生构造隆升断裂变形,断陷发生回返,苏德尔特潜山遭受剧烈剥蚀,形成T 22区域不整合面。

断裂集中发育在贝尔凹陷的中部地区,包括贝西洼槽的中)北部、苏德尔特潜山的中部以及敖瑙海洼槽的中部地区。

大磨拐河组)伊敏组时期,盆地处于断拗转化阶段。

大磨拐河组时期断裂以弱的伸展变形为主。

该时期NW )SE 方向的引张应力场逐渐减弱,NE 向和NEE 向主干基底断裂伸展变形强度相应变小,强裂陷后的热沉降作用开始增强,剖面上显示大二段地层开始覆盖整个盆地,厚度变化趋于稳定,同时,这种裂后的差异热沉降作用增强了苏德尔特潜山的隆升。

形成的断裂规模均较小,大部分为次级盖层正断层,集中分布在贝西洼槽和贝西斜坡地区。

伊敏组一段沉积时期,贝尔凹陷整体缓慢沉降,沉积了较薄但全区稳定分布的伊一段地层,断裂基本停止活动,只是形成极少部分的次级盖层正断层,主要分布在贝西洼槽的南部。

在伊二段)伊三段沉积时期,盆地沉降量较大,沉积了巨厚的伊二)伊三段地层,晚期,断裂发生强烈的张扭变形,其动力来源是受近EW 向拉张应力场作用下发生纯剪切变
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第1期孙永河等:海拉尔盆地贝尔凹陷断裂系统及其对油气运聚的控制作用
图8贝尔凹陷贝20-德8井构造发育史(剖面位置见图1)
Fig.8T he structure dev elo ping histor y of t he W ell Bei20-w ell De8in the Beier Sag
形,NE向和N EE向主干基底断层发生张扭走滑构造变形形成断裂密集带,同时形成大量近SN向的张性次级盖层正断层,这些断层全区广泛分布。

青元岗组沉积时期,盆地处于拗陷演化阶段,断裂主要发生反转变形,这种反转变形在伊敏组末期最为强烈,青元岗组时期表现微弱,主要是在近EW 向弱挤压应力场作用下,部分NE向和NEE向主干基底断层发生断层型构造反转和局部的背斜型构造反转,同时形成近SN向的次级盖层正断层。

青元岗组底界的T04反射层是贝尔凹陷重要的层序界面,标志着断裂构造变形的转变。

3断裂演化对油气运聚的控制作用3.1断裂演化与圈闭的关系3.1.1圈闭的形成及发育类型
圈闭是勘探的直接目标,按成因可将圈闭划分为构造圈闭、非构造圈闭和混合型圈闭三大类(吴河勇等,2006)。

贝尔凹陷已钻探实践表明,大部分油气附存于与断裂有关的构造圈闭中,因此,断裂的形成演化与圈闭条件密切相关。

断裂的变形期次控制圈闭的形成,而断裂的变形特征控制了圈闭的类型(刘志宏等,2007)。

由于多期构造变形的叠加,使得贝尔凹陷圈闭的形成条件很复杂,除了形成与断裂有关的单一的构造圈闭以外,大多数含油构造还在纵向上由多种类型的圈闭叠加复合而成,形成多成因机制叠加复合的复式圈闭油气藏。

概括起来贝尔凹陷的构造圈闭类型主要分为基底圈闭和盆地盖层圈闭两大类,其中基底圈闭可细分为基底潜山圈闭和基底断块圈闭,而盆地盖层圈闭又可分为扭动背
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图9贝尔凹陷圈闭类型及其分布规律
F ig.9T r ap ty pes and its distr ibut ions in the Beier Sag
斜(逆牵引断鼻、半背斜)、正牵引断块、墙角型断块、掀斜断块、阶梯状断块等(图9)。

断裂在铜钵庙组)南屯组时期的伸展变形凸显贝尔凹陷的盆岭结构,形成了大量基底潜山圈闭和基底断块圈闭,这些圈闭大多数发育在主干基底断裂的下盘布达特潜山中,主要分布在苏德尔特潜山地区,少部分分布在霍多莫尔等地区,如苏德尔特油气已发现的油气大部分是集中在布达特群潜山内部。

此外,南屯组末期的断裂伸展变形形成了一系列断块圈闭,如正牵引断块、墙角型断块、掀斜断块等等,这些圈闭大多数发育在南屯组地层中,其次是铜钵庙组地层中,主要分布在苏德尔特、霍多莫尔、贝西南斜坡等地区。

断裂在伊二段)伊三段沉积时期的张扭变形一方面促进了先期圈闭(包括潜山圈闭和断陷构造层的断块圈闭)的进一步形成,同时也形成了新的断陷构造层断块圈闭,主要发育在主干基底断裂附近;另一方面,在张扭变形作用下,围绕主走滑断层形成的负花状断裂组合,最终主要在断拗构造层中的大磨拐河组地层中形成独特的张扭断鼻、张扭半背斜以及张扭断块圈闭,主要分布在霍多莫尔地区和贝西北斜坡地区。

断裂在伊敏组末期及青元岗组时期的反转变形相对较弱,从T04反射层构造图来看,基本没有新的圈闭发育,因此对先期形成的圈闭没有太大的改造作用,因此,伊二段)伊三段时期的断裂活动之后,研究区的圈闭基本定型。

另外,断裂走滑构造变形导致的局部的扭压作用常常使许多先期形成的披覆背斜、滚动背斜的闭合高度得到了进一步强化,从而增加了圈闭的有效性。

而断裂在走滑运动过程中形成的花状构造组合中的次级断层常使地层拱起,形似褶皱,且有一定幅度,从而形成复杂的盖层断块圈闭。

3.1.2圈闭的展布方位
构造变形控制不同类型构造圈闭的形成,同时
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