0 前言
早期观点认为，克拉通盆地内走滑断裂规模小，沿走滑断裂带的圈闭条件差，难以形成大规模的走滑断控油气田[10-12]。近期研究表明：一方面，走滑断裂能够通过破裂作用形成断层破碎带，叠加优势相带、岩溶流体等作用，形成断-相双控、断-溶双控、断-相-溶三控等多类型储集体[13-15]；另一方面，走滑断裂能够垂向沟通深部烃源岩，对油气运聚成藏起到通源、输导和控圈、控藏等作用[16-19]。塔里木盆地超深层奥陶系碳酸盐岩储层致密，走滑断裂不仅控制了油气的成藏与分布，而且控制了优质缝洞储层的发育与油气富集[20-25]，已经发现了超深走滑断裂断控特大型油田，控制石油储量超过了10×108 t，并高效建成了年产原油超300×104 t的全球最大超深走滑断裂断控油田[26-27]。四川盆地川中地区震旦系—二叠系碳酸盐岩发育大量走滑断裂，具有沟通源储、改善储层、聚气高产的作用，高产天然气井与走滑断裂密切相关。走滑断裂通过“破裂-溶蚀-输导”三元机制控储，并主导“源-断-储”动态耦合控藏，形成安岳、蓬莱等万亿方级断控气区：安岳气田震旦系灯影组走滑断裂断控气藏探明储量5 900×108 m3，断裂带内单井产量达109×104 m3/d (GS118井)，较围岩区高2~5倍[28]；蓬莱气区二叠系茅口组断控气藏新增储量超2 200×108 m3，断控区域贡献的探明储量占比超30%。
随着四川盆地油气勘探的不断深入，川南地区二叠系成为新的天然气规模增储的主战场。尤其是近年来在非正向构造区取得了重要的勘探发现，例如，茅二段在位于向斜区的YJ2井测试获气70.76×104 m3/d，ST1井测试获气54.68×104 m3/d，LT1井测试获气20.86×104 m3/d，展现了向斜区良好的勘探潜力。但是与YJ2井位于同一向斜的YJ1井在茅口组测试为干层，这体现了川南地区下二叠统天然气成藏的复杂性。前人研究认为，川南地区发育走滑断裂，而且走滑断裂对川南地区的岩溶古地貌、优质储层发育和天然气富集具有一定的控制作用。但是，当前对川南地区的走滑断裂还未做系统性分析，研究还处于初级阶段：一方面，走滑断裂的组合形式及不同方向走滑断裂的性质、形成期次和时空演化等特征都需要进一步的深化分析；另一方面，走滑断裂对于川南向斜区碳酸盐岩储层、油气运移和成藏的控制作用依然不明确，仍需进一步开展深入研究。
川南地区位于华蓥山帚状褶皱带的南段，地表背斜与向斜相间发育，且向斜较宽、背斜较窄，发育典型隔挡式褶皱组合样式。浅地表大型褶皱冲断带的构造屏蔽效应大，对深层目的层的地震成像影响很大，造成同相轴反射杂乱，深层地震分辨率极低，断裂成像不清，部分反射层（如上奥陶统五峰组底界）虽有明显错断，但是断面响应不清晰，杂乱反射带较宽，造成川南地区深层目的层的断裂难以识别，断裂体系展布及特征难以厘定，严重制约了断控气藏的勘探与开发。
川南地区经历了早古生代—中生代的伸展与弱褶皱阶段、晚白垩世—古近纪挤压造山阶段和新近纪至今的隆升与地震活动阶段，存在多期应力的叠加，平面上形成了NNE、NW、NE及EW等多组方向、不同性质的断层[29-31]，垂向上不同层位的断裂也存在明显的差异。前人根据地震剖面和平面属性，对川南地区的断裂分布进行了初步研究，认为发育走滑断裂。但是这些断裂缺少走滑断裂的典型识别标志：虽然部分断裂呈现出“高陡直立”的特征，但是向下无“根”，终止于某一软弱滑脱层中；虽然认为存在花状构造，但是解释的花状构造的“花瓣”撒开过大，主断裂宽度很大而分支断层倾角小，不符合走滑断裂的基本特征。因此，川南地区是否发育走滑断裂，其特征及其对油气富集成藏的控制作用，是急需解决的关键性难题。
为此，本次研究在高精度的三维地震采集与处理技术攻关的基础上，采用基于人工智能的深层微小走滑断裂识别技术，明显提高了走滑断裂的识别精度（可识别断层断距<20 m）。利用深度学习的人工智能技术，识别和落实了川南地区褶皱冲断带之下深层走滑断裂的分布，解析了走滑断裂的成因及演化，并结合钻井资料探讨了走滑断裂对油气成藏的控制作用，以期为川南地区走滑断裂相关气藏的勘探开发提供地质依据。
1 地质概况
研究区位于四川盆地南部泸州地区（图1a），区域构造上属于川南低陡构造带，发育多排背斜构造，呈帚状撒开。研究区褶皱和断层系统十分发育，构造形态复杂，地面构造大体为呈北东—南西向展布的隔挡式构造，背斜紧闭狭窄、向斜较为宽缓。构造变形程度由东北至西南、由东至西逐渐减弱。川南地区经历了多期伸展—聚敛构造运动，形成了复杂的构造样式[29-31]。受加里东晚期—海西早期构造运动的影响，川南地区由碳酸盐台地逐渐演变为碎屑岩沉积，并持续隆升成陆，遭受长期风化剥蚀，导致缺失泥盆系—石炭系，志留系也遭受到一定程度的剥蚀[32-33]。早二叠世的持续大规模海侵使得川南地区再度接受碳酸盐沉积，随后的峨眉地裂运动在中二叠世末期达到高潮，使得二叠系茅口组遭受差异剥蚀，形成北北东向展布的泸州古隆起雏形[32]。中三叠世末，在盆缘造山带挤压应力控制下，四川盆地从被动大陆边缘环境演化为前陆盆地，并在川南地区形成了北东—南西走向的泸州古隆起[32-33]。燕山期—喜马拉雅期，随着盆地周缘造山运动的进一步加强，泸州古隆起遭受后期褶皱叠加变形与改造，最终形成了现今的构造形态，地表出露三叠系—白垩系（图1a）。
研究区除缺失泥盆系—石炭系、古近系和新近系以外，大部分地层保存完整，局部地区缺失下二叠统茅口组顶部和中三叠统雷口坡组等地层[34]。区内油气成藏条件优越，古生界发育寒武系筇竹寺组、奥陶系五峰组、志留系龙马溪组等优质烃源岩[34-36]。震旦系、寒武系、石炭系、二叠系—三叠系发育碳酸盐岩储层，上三叠统须家河组和下侏罗统沙溪庙组发育碎屑岩储层（图1b）。二叠系茅口组裂缝-孔洞型气藏和志留系龙马溪组页岩气藏是该地区目前已发现的主要气藏，其中二叠系茅口组气藏已开发逾60年，累计探明储量约726×108 m3。早期的勘探主要针对逆冲断裂带，近期勘探在向斜区也获得突破[34]。二叠系茅口组气藏气水关系复杂、水体活跃，很多气藏充注不足，而且与断裂关系密切。
2 走滑断裂的判识
研究区隶属于川南低陡断褶带，区内中浅层发育多排褶皱冲断构造，可见大型逆冲断层[37-39]，对深部走滑断裂的识别影响大。此前并未发现走滑断裂或者走滑断裂形迹极为微弱，认为研究区不存在大规模走滑断裂体系[37]。基于四川盆地内其他地区走滑断裂展布及其形成机制[4,12]分析，认为川南泸州地区具备发育走滑断裂的地质条件，也可能发育走滑断裂。对研究区的资料分析表明，主要存在3个方面的因素制约了走滑断裂的判识：①中浅层褶皱-冲断构造幅度大，改造作用强，逆冲断层的屏蔽效应导致深层走滑断裂成像差、地震响应不清（图2）；②走滑断裂通常倾角较大，呈近直立状态，而深部地震信噪比低、横向分辨率低，同相轴错断不明显；③走滑断裂规模小、垂向断距小，向深部变化特征不清晰，断面难以识别。
2.1 走滑断裂的判识方法
针对走滑断裂高陡直立、成像困难，地震分辨率低，难以识别等问题，在塔里木盆地的研究实践中已形成了一系列深层走滑断裂的地震识别方法[40-43]，但现有方法技术仍然难以检测研究区的微小走滑断裂体系。为此，本次研究结合走滑断裂的地震-地质识别标志[3-4]，利用人工智能技术开展走滑断裂识别。目前，基于人工智能学习的断层识别方法主要包括传统机器学习和深度学习[44]。传统机器学习包括支持向量机（SVM）和多层感知机(MLP)等方法是通过综合多个地震属性来识别断层，仍需要大量的人工干预，并且在应用不同地震数据体时需要不断试错优化参数，不利于推广应用[44-45]。深度学习通过自主学习来提取有用的相关特征，增加模型泛化能力，在人工智能识别断层中具有最优的性能[44,46]。目前开发了大量的深度学习模型来识别断层，其中应用最为广泛的是Wu等人提出的基于Unet网络的断层识别方法[47]。该网络利用多层卷积、池化、归一化以及全连接等模块，构建地震数据与断层之间非线性关系，提取断层相关特征（图3）。该方法利用大量正演断层样本数据来训练神经网络，待网络训练最优后直接输入地震数据即可得到断层识别概率体。其优点是利用正演数据作为训练数据具有较高客观性，不需要人工耗时标记大量实际断层样本，避免人为误差的同时也具有较好的断层表征能力；另外，该方法不需试错调参，能够直接从地震数据获得断层概率体。
图4所示的对比分析表明，人工智能（AI）方法不仅能够识别隐蔽微小断层，而且断面更加连续，符合地质认识，有利于多尺度断层体系的综合识别。常规解释方法只能识别出地震剖面上断距比较大的断层，这些断层同相轴错断明显。并且常规方法只在某一层面或某一界面处识别出断层，断面纵向无延伸，与实际地质情况不符。平面上，依据常规相干属性只能识别出北东向断距较大的断层，而在北东向断层之间的向斜区内基本无明显断层响应（图4a），仅在局部位置存在微弱属性异常。人工智能断层识别效果明显：不仅能够检测微小断层，还能够明确断面纵向展布特征。识别出的深部断层具有“高陡直立”的断面，局部发育花状构造，属于走滑断裂的典型特征。平面上不仅识别出北东向断层，还在北东向断层之间识别出了一系列近东西向断层，断层线性特征更加明显。
2.2 走滑断裂的判识标志
基于人工智能的断裂识别方法，结合地震响应特征，明确川南地区走滑断裂存在4种平面识别标志和5种剖面识别标志。
走滑断裂的平面识别标志包括斜列、构造带水平错动、叠覆构造和水平错断。斜列是指在平面属性上表现为一系列近于平行排列、首尾依次错开的左阶或右阶展布的断层（图5a）。这是走滑断裂最主要的平面识别标志。构造带水平错动，是指断裂两侧的褶皱或断裂在水平方向上发生明显的错动（图5b），是以水平运动为主的断层响应。这是走滑断裂识别的重要标志。叠覆构造，是指两条断裂相互交叉叠置（图5c），在两条断层重叠的部位，走滑作用造成两条断裂之间出现局部拉分微地堑（左行左阶或右行右阶）或局部挤压微隆起（左行右阶或右行左阶）。水平错断，是指在地震属性平面图上，沿断裂带呈现线性不连续或突变响应，并发生明显的水平方向错移（图5d）。
走滑断裂的剖面识别标志包括高陡直立、花状构造、倾向反转、高差突变和垂向斜列。高陡直立，是指在地震剖面上表现为同一铅直位置、不同深度的反射同相轴发生明显错断（图6a），反映断裂面近于直立。这是走滑断裂最为典型的识别标志之一。花状构造，是指剖面上不同深度的同相轴发生错断，所反映的断裂面上缓下陡（图6b），并以高陡直线状向深部延伸。这是走滑断裂不同于正断层的重要识别标志。倾向反转，是指同相轴错断所代表的同一断裂面，在不同深度断裂的倾向发生反向变化（图6c）。这是走滑断裂“丝带效应”在剖面上的具体体现。高差突变，是指沿近直立的断裂面，在剖面上不同深度的同相轴垂向落差发生不规律的突变（图6d）。这是走滑断裂“海豚效应”在剖面上的具体体现。垂向斜列，是指在剖面上不同地层中发育的近直立断裂，发生向某一个方向呈雁列式的偏移错开（图6e）。这是走滑断裂上下不均衡水平错动的响应。
3 走滑断裂特征
3.1 走滑断裂的分级特征
基于上述走滑断裂的识别标志，在研究区（面积约5 200 km2）开展了走滑断裂的解释与成图。如图7a所示，川南地区前二叠系发育菱形走滑断裂系统，走滑断裂主要沿EW向、NE向和NNE向展布，规模断裂总长度达940 km，其中研究区南部主要发育EW向走滑断裂，中北部以NNE向、NE向走滑断裂为主。
按照断裂发育规模、高差等参数建立了走滑断裂分级标准（图7b，7c）。川南地区发育EW向一级断裂1条，长度75 km；发育NE向一级断裂3条，总长度255 km；发育NNE向一级断裂3条，总长度235 km。发育EW向二级断裂6条，总长度170 km；发育NE向二级断裂9条，总长度205 km。发育三四级断裂43条，总长度达115 km。
3.2 走滑断裂的几何分类特征
前二叠系发育的走滑断裂具有高陡直立的断面，局部可见花状构造，向上终止于二叠系底部，少量能够延伸至二叠系及以上地层。结合走滑断裂的平面、剖面特征分析可知，研究区发育4种类型的走滑断裂（图8）。
线性构造 平面上表现为平直的线状构造，或多个微弯线状断裂断续展布，延伸长度可达数十千米甚至上百千米，通常由多个向两端生长的小型断裂组合而成，断裂两侧的地层起伏较小。剖面上断裂面近于直立（倾角>70°），垂直切割地层界面，上下盘同相轴错断清晰，也可能会出现断面些许扭曲，相邻剖面上断面倾向突变，在空间上形成“丝带效应”。
雁列构造 平面上表现为一系列近平行的断裂首尾相接但不重叠，整体呈斜列式展布，断裂间距通常为断裂长度的1/3~1/2，雁列角（断裂走向与雁列带走向夹角）介于10°~45°。根据排列方向可分为左阶式与右阶式。剖面上表现为高陡直立或花状构造，常常形成微型地堑，断层向下合并线性延展。
花状构造 平面上以主断裂为中心向外辐射分支断裂，剖面上呈现上宽下窄的收敛特征。根据应力状态和次级断裂的几何形态，可分为压扭性正花状与张扭性负花状2类。平面上，正花状构造发育放射状压扭断裂组合，主断裂延伸稳定，分支断裂呈15°~35°发散角分布；负花状构造则表现为放射状张扭断裂组合，中心区发育拉张微地堑。正花状构造剖面上表现为浅层为向上散开的逆冲断层系，顶部地层拱起形成背斜构造，深部为高陡直立的断裂面；负花状构造剖面上表现为浅层向上发散的正断层组合，形成较深的地堑式沉降，深部为高陡直立的断裂面。
压扭断垒 平面上呈近平行或斜交的两条线性断裂（夹角通常<30°），剖面上断裂面多呈高陡直立或近直立状态，断裂面相向倾斜，两条断层之间的中部地层因挤压发生轻微隆起，浅部地层中的断裂为两条相向倾斜的逆断层。
3.3 走滑断裂的分层特征
基于一系列典型地震剖面（位置见图7a）从深层到浅层的地质解释可知，研究区走滑断裂纵向上分层差异特征明显，在不同构造层之间具有不同的构造样式和变形强度，指示着多期断层活动。
总体上，大多数走滑断裂在不同层系之间变形强度差异明显，上下变形不一致，从深部到浅部具有弱—强—弱的规律。其中，走滑断裂在奥陶系中变形程度最高，断层垂向高差介于60~100 m；在寒武系中变形程度次之，断层垂向高差在40 m左右；在志留系中变形程度最低。
4 走滑断裂的成因与演化
川南地区经历了多期伸展—聚敛构造旋回，多期构造活动复合、叠加，最终形成了研究区的复杂断层体系。走滑断裂纵向上的分层结构差异与多期应力场的方向、性质转变密切相关，下文结合构造演化讨论其形成机制。
研究表明，四川盆地在震旦纪拉张环境下形成了德阳—安岳裂陷槽[4]，该裂陷槽北宽南窄，台缘带结构沿走向变化大，伸展作用由北部向南部逐渐减弱。受发育过程中南北方向不均匀伸展以及基底薄弱带的影响，沿台缘带形成了一系列起调节作用的近东西向走滑断裂[4,8]。这类走滑断裂可一直延伸至川南地区，但由于川南研究区距裂陷槽中心较远，受到的伸展作用力可能较弱，因此形成的走滑断裂规模较小。结合构造背景、断层变形性质，以及四川盆地基底存在近东西向断裂带的情况分析，认为研究区存在较小规模的走滑断裂活动。震旦纪末—早寒武世，在持续的裂陷拉伸环境下，早期形成的近东西向调节性走滑断裂继承性发育，表现为寒武系底部的张扭走滑断裂。
加里东晚期—早海西期，即二叠系沉积前，在原特提斯洋—古特提斯洋开启与闭合的构造背景下，四川盆地由伸展环境转换为挤压环境[32-33]，川南地区受到北西向、近南北向的挤压应力。在这种斜向挤压下，早期走滑断裂容易被激活并继承性发育，形成了压扭型走滑断裂，在奥陶系五峰组底界面压隆特征明显，这表明早期断层或构造对晚期断层形成具有重要控制作用。晚二叠世，四川盆地北部勉略洋的俯冲消减使得盆地处于南北向伸展环境，在盆地北部形成北西向走滑断裂[4,48]，并在走滑断裂带的影响下形成了北西向的开江—梁平海槽[48]。伸展作用由盆地北部至南部逐渐变弱，这一时期断层活动在川南地区并不明显，或可能被晚期逆冲断层所改造。至三叠纪之后，盆地东部江南—雪峰山和南部大娄山造山运动持续增强[29-31]，走滑断裂活动基本停止，转而发育大型逆冲断层系统。
综上所述，川南地区走滑断裂是在多期伸展—聚敛构造背景下，沿着先期基底薄弱带继承性发育所形成，具有定型早、继承性发育的特征。
5 油气地质意义
川南地区天然气资源丰富，其中二叠系茅口组储量大，已获得的探明储量主要集中在背斜带等正向构造中，采出程度很高，向斜区面积广大，但天然气勘探程度低。近期的勘探实践证明，川南茅口组气藏不完全受正向构造控制，向斜区也可获高产，尤其是YJ2井、ST1井等相继钻遇优质储层并获工业气流，开拓了川南向斜区茅口组勘探新局面。
塔里木盆地断控油气藏的研究表明，越靠近走滑断裂带的钻井油气产量越高[49-50]。通过老井复查与统计发现，川南地区茅口组累产气超过1×108 m3的高产井85%位于距离走滑断裂带400 m以内（图10），并且在井区深层发育走滑断裂。向斜区高产井一般位于二叠系逆断层与深部走滑断裂叠合发育位置（图11），高产井均位于走滑断裂带内。这说明深部走滑断裂的发育对茅口组天然气的运移和成藏起到了重要的促进作用。通过对高产井的详细解剖认为：一方面，二叠系逆断层可作为岩溶水有利的渗滤通道，有利于早成岩期大气淡水岩溶和埋藏期热液溶蚀；另一方面，断层破碎带的裂缝网格可进一步增加储层孔隙度和渗透率。深层走滑断裂能够沟通志留系甚至寒武系等多套烃源岩，形成优越的垂向运聚成藏模式，并且向斜区内走滑断裂形成早、定型早，二叠系沉积后断层不发育，对油气破坏性弱，有利于天然气的保存。当二叠系逆断层发育而深部走滑断裂不发育时，钻井虽可能钻遇较厚储层，但测试多为干层或低产，如J24井区虽然二叠系逆断层发育，但深部走滑断裂不发育，测试产量很低，无累产数据。当这两种断层都发育时，钻井一般可获得高产气流，如Y6井和J23井，目前在茅口组分别累产气1.6×108 m3和0.67×108 m3（图11）。
图10 川南地区钻井累产气量与距走滑断裂距离关系图Fig. 10 Relationship between cumulative gas production per well and distance from strike-slip faults in southern Sichuan Basin |
研究区寒武系—奥陶系碳酸盐岩发育，走滑断裂的存在一方面能够改善碳酸盐岩储层物性形成缝洞体圈闭，另一方面可沟通寒武系和志留系等多套优质烃源岩，由此构成古生界垂向多层段复合立体成藏系统（图12）。这种类型的气藏在川中地区震旦系与寒武系碳酸盐岩走滑断裂带发育区已获勘探突破[7]。勘探开发实践证实，走滑断裂对深层古老致密碳酸盐岩储层具有重要的建设性作用，可能导致碳酸盐岩孔隙度增加1倍以上、渗透率增加1~3个数量级、单井日产量增加2倍以上[7,29]，走滑断裂相关的缝洞型储层是深层天然气勘探的有利新领域。由此推断，川南地区向斜区的走滑断裂发育部位，不仅能够形成走滑断裂相关的缝洞型储层，而且有利于沟通寒武系烃源岩，形成走滑断控缝洞型气藏（图12），是深部寒武系—奥陶系碳酸盐岩天然气勘探突破的有利新类型。
值得注意的是，走滑断裂的存在及其伴生构造（微小断层、褶皱）还可能会影响碳酸盐岩缝洞型气藏的富集与保持以及气井产能[7]，在钻井部署时应避开走滑断裂破坏严重的部位。
6 结论
四川盆地南部地区的断层体系复杂，基于地震人工智能解释技术，识别和分析了川南地区走滑断裂的特征，并结合钻井分析了走滑断裂对川南地区高产气藏的控制作用。取得了以下主要认识：
（1）基于人工智能的断层识别技术能够提高微小走滑断裂的识别精度，对隐蔽微小断层刻画能力更强，识别分辨率更高，效果明显优于常规地震属性，可以有效识别川南地区逆冲构造之下的隐蔽走滑断裂。
（2）川南地区主要发育斜列状、构造带水平错动、叠覆构造和水平错断等4种平面识别标志和高陡直立、花状构造、倾向反转、高差突变及垂向斜列等5种剖面识别标志。在此基础上，落实了川南地区前二叠系发育菱形走滑断裂系统。
（3）川南地区的走滑断裂具有明显的分类、分层和分期特征，发育线性构造、雁列构造、花状构造及压扭断垒等多种构造类型，垂向上震旦系—寒武系以张扭走滑断裂为主，上寒武统—上奥陶统以压扭变形为主，志留系发育继承性弱压扭变形。走滑断裂是在多期伸展—聚敛构造背景下，沿着先期基底薄弱带继承性发育所形成，具有定型早、继承性发育的特征。
（4）川南地区走滑断裂能够沟通寒武系和志留系等多套烃源岩，并对油气运移和成藏起到了重要的控制作用，与二叠系逆断层共同控制了茅口组高产气藏的分布。深层寒武系—奥陶系走滑断裂是川南地区断控碳酸盐岩缝洞型气藏富集高产的重要因素。
