東辛永3斷塊區(qū)多期構(gòu)造演化物理模擬

文 璐，楊少春，路智勇，，張艷增，辛 杰，吳 昊

(1.中國(guó)石油大學(xué) (華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266580;2.中國(guó)石化勝利油田分公司東辛采油廠，山東東營(yíng)257049)

0 引言

構(gòu)造演化物理模擬以相似理論為依據(jù)，采用相似的實(shí)際物理材料，按照一定的構(gòu)造形成模式，模擬自然界巖石的構(gòu)造變形，重現(xiàn)原始的地質(zhì)構(gòu)造特征，并闡述其成因機(jī)制、力學(xué)過程及物理參數(shù)效應(yīng)［1］。在國(guó)內(nèi)，李四光率先進(jìn)行了一系列有意義的地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)，此后不少學(xué)者相繼開展了大量工作，如:單家增等研究了鶯歌海盆地泥底辟構(gòu)造的成因機(jī)制［2～3］和遼河坳陷古近紀(jì)兩期構(gòu)造演化［4］;周建勛等介紹了盆地構(gòu)造研究中的砂箱模擬實(shí)驗(yàn)方法［5］;朱戰(zhàn)軍等總結(jié)了擠壓構(gòu)造的砂箱物理模擬實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀［6］。

永安鎮(zhèn)油田位于濟(jì)陽(yáng)坳陷東營(yíng)凹陷的東北部，是一個(gè)受永南斷裂帶控制的多油層多斷塊油氣田，而研究區(qū)永3斷塊是位于永安鎮(zhèn)油田南部的一個(gè)斷塊。該區(qū)斷層走向復(fù)雜多變，低級(jí)序斷層錯(cuò)綜，油氣分布不清，因此斷裂系統(tǒng)的演化及形成機(jī)制對(duì)該區(qū)油藏開發(fā)中后期挖潛有著重要的意義。前人對(duì)永3斷塊已做了大量地質(zhì)研究工作，但大都局限于儲(chǔ)層解剖或者斷裂特征解析，構(gòu)造地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究比較少，目前對(duì)區(qū)內(nèi)斷裂成因認(rèn)識(shí)多為南北單向伸展和底辟效應(yīng)共同作用。本研究采用多期施力、邊界簡(jiǎn)化、相似材料選取的物理模擬實(shí)驗(yàn)方法［7～8］，模擬古近紀(jì)沙河街組以來研究區(qū)斷裂系統(tǒng)的成因機(jī)制。

1 永3斷塊區(qū)古近紀(jì)沙河街組時(shí)期以來構(gòu)造背景

永3斷塊面積近10.6 km2，總體上受北界南傾近東西向的永3三級(jí)大斷層控制，斷層落差在150～450 m。斷塊內(nèi)部又發(fā)育2條規(guī)模較大的近東西走向的四級(jí)斷層，地層基本南傾，傾角在10°—12°。由于2條北傾反向斷層的分割作用，可分為北、中、南3個(gè)斷鼻構(gòu)造帶［9］。

研究區(qū)斷層走向有東西向、北西向和近南北向。北西向斷裂系統(tǒng)主要發(fā)育于研究區(qū)東部，斷層規(guī)模、垂直斷距和平面延伸長(zhǎng)度均較大;近南北向斷裂系統(tǒng)主要發(fā)育于研究區(qū)西部和東北部，活動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng);研究區(qū)中部主要以東西走向的斷裂為主，且斷裂斷距大，切割深。剖面上，這組斷裂一般斷面向北傾斜，個(gè)別向南傾斜 (見圖1)。平面上，斷層組合表現(xiàn)為平行式、弧形、樹枝狀分叉和斜交式。其中主干斷層以弧形居多，而次級(jí)斷層多為平直狀。

圖1 永3斷塊區(qū)斷裂分布Fig.1 Fault distribution of Yong 3 fault block

郯廬斷裂帶的演化序列分為左旋和右旋2個(gè)大的階段，以距今45 Ma(E s4時(shí)期)左右為界。沙河街組經(jīng)過轉(zhuǎn)型期，致使研究區(qū)初期以北北東—南南西向區(qū)域引張作用為主，E s3以來區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)以北西—南東向引張為主，總體表現(xiàn)出雙向伸展特點(diǎn);E s2時(shí)期發(fā)生東營(yíng)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生右旋張扭性的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)［10］;東營(yíng)凹陷在始新世末至漸新世初 (孔店組上部至沙四段)普遍發(fā)育鹽巖、石膏、軟泥巖等塑性巖層，永3斷塊區(qū)中部產(chǎn)生底辟效應(yīng)，全區(qū)構(gòu)造格局形成。

2 模擬實(shí)驗(yàn)原理

模擬實(shí)驗(yàn)主要遵循相似性原則建立模型，通過實(shí)驗(yàn)得到某些量之間的關(guān)系和規(guī)律，然后推廣到實(shí)際對(duì)象上。模擬實(shí)驗(yàn)最關(guān)鍵之處是模型與原型的相似程度［11］，相似關(guān)系主要分為材料相似、邊界相似、時(shí)間相似、動(dòng)力相似等。目前對(duì)相似條件還無法做到很精確，大部分情況下只能做到半定量狀態(tài)，需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)加以總結(jié)。通常的做法是:以相似材料的選擇作為一般性參考［1］，最終以模型的構(gòu)造形態(tài)變化達(dá)到與實(shí)際構(gòu)造現(xiàn)象近似為主要判據(jù)。

材料相似主要考慮材料的力學(xué)性質(zhì)，通常根據(jù)研究區(qū)的巖石力學(xué)參數(shù)確定;邊界相似真正做到比較困難，通常采取簡(jiǎn)化邊界的方式，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀蜗嗨埔蜃油ǔ?0-4～10-6;時(shí)間相似是指模擬實(shí)驗(yàn)與地質(zhì)構(gòu)造變形過程時(shí)間上的近似，模擬實(shí)驗(yàn)的1 min相當(dāng)于自然界中的10～100 Ma，故時(shí)間相似因子在10-11～10-13［12］;動(dòng)力相似為根據(jù)構(gòu)造背景及試錯(cuò)法得出的作用力大小及方向推算模擬的構(gòu)造變形力。

3 模擬實(shí)驗(yàn)過程

3.1 實(shí)驗(yàn)材料選取

永3斷塊巖性主要是細(xì)砂巖和粉砂巖，有部分含礫砂巖、礫狀砂巖和泥質(zhì)粉砂巖。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，采用細(xì)砂與干黏土以3∶1比例混合加適量水配置，在約15～20 g/cm2的垂直力作用下壓實(shí)成層，在擠壓試驗(yàn)中產(chǎn)生的共軛剪切破裂角與工區(qū)一致。

3.2 邊界條件和受力方式確立

邊界幾何條件不僅決定了構(gòu)造的剖面樣式，而且控制著構(gòu)造的平面展布特征及三維變化規(guī)律［13～16］。根據(jù)永3斷塊區(qū)沙河街組二段4砂層組頂面構(gòu)造圖中井位分布和斷層分布特點(diǎn)，選擇邊界斷層 (永3斷層)以南的范圍 (見圖1)作為本實(shí)驗(yàn)構(gòu)造物理模擬范圍。

根據(jù)構(gòu)造形跡法和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果確定研究區(qū)受到北北東—南南西向拉張應(yīng)力、北西—南東向拉張應(yīng)力及北東—南西右旋剪切力，且永3斷層與永3-2斷層中部放射狀斷層反映底辟效應(yīng)，這與東營(yíng)凹陷形成時(shí)的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)一致。

3.3 模型設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用中國(guó)石油大學(xué) (華東)的構(gòu)造物理模擬儀器，通過兩側(cè)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到調(diào)整力的大小之目的。實(shí)驗(yàn)取邊界簡(jiǎn)化相似，實(shí)際研究區(qū)展布長(zhǎng)度為4 km，展布寬度2.5 km，巖層厚度約1 km，故設(shè)計(jì)模型尺寸為32 cm×20 cm×8 cm，幾何相似因子CL值為8×10-5。本研究模擬沙河街組時(shí)期，歷經(jīng)17.7 Ma，實(shí)驗(yàn)用時(shí)20 min，時(shí)間相似因子Ct值為2.15×10-12。本區(qū)斷裂是在復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境中由不同時(shí)期、不同方向的伸展和剪切共同作用形成的，本實(shí)驗(yàn)采用多向伸展和剪切作用及上拱作用，力的大小通過手動(dòng)螺旋搖轉(zhuǎn)速度快慢來調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)所用原型為走滑構(gòu)造實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?jīng)過改造，實(shí)現(xiàn)了多期構(gòu)造疊加 (見圖2、圖3)。在實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)實(shí)際的力學(xué)限制條件及時(shí)改變旋轉(zhuǎn)的速度，以改變力的大小。

3.4 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)共經(jīng)歷18 min，實(shí)驗(yàn)過程如下:

北北東—南南西向伸展階段:模型調(diào)整為北西西—南東東向，作為實(shí)驗(yàn)的原始狀態(tài)。鋼板南北方向拉伸，從東段開始發(fā)育永3斷層 (見圖4a)，隨后在中部從東段發(fā)育永3-1斷層，從西部發(fā)育永3-2斷層。開始斷層規(guī)模較小，間斷分布，永3斷層斷面南傾，永3-1和永3-2斷層斷面北傾。200 s后，在東部發(fā)育北西向斷層①，隨著拉伸繼續(xù)，形成的斷層切割深度和斷距變大 (見圖4b)。

北西—南東、北北東—南南西雙向伸展階段:實(shí)驗(yàn)至500 s左右，永3、永3-1斷層向西側(cè)延展，永3-2斷層向東側(cè)延展 (見圖4c)，斷層走向以近東西向?yàn)橹?，目前主要為張?yīng)力。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫鎴DFig.2 Plan of experimental model

圖3 實(shí)驗(yàn)剖面圖 (剖面位置見圖2)Fig.3 Profile of experimental model

右旋剪切作用階段:實(shí)驗(yàn)至900 s左右，施加北東—南西向右旋剪切作用力，在永3-2斷層南部及永3斷層與永3-2斷層之間產(chǎn)生剪切性質(zhì)的斷層②③④⑤⑥。受先期斷層限制，②③斷層夾于永3和永3-2斷層之間，④⑤斷層交于永3-2斷層西段，⑥斷層交于永3-2東部，同時(shí)由高級(jí)序斷層又衍生發(fā)育多條次級(jí)斷層 (見圖4c、4d)。

底辟上拱作用施力階段:在中部產(chǎn)生近似放射狀的斷層 (見圖4e)，隨著底辟作用加強(qiáng)呈發(fā)散狀展布。后期低級(jí)序斷層主要出現(xiàn)在高級(jí)序斷層末端，東部2條高級(jí)序斷層之間呈雁列狀展布，中部巖層拱張部位出現(xiàn)放射狀展布等。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的四級(jí)以上斷層與地震解釋的構(gòu)造圖相吻合，在發(fā)育次序上，邊界斷層和三級(jí)斷層最早形成，隨后四級(jí)斷層產(chǎn)生，伴隨產(chǎn)生一些低級(jí)序斷層。

斷裂形成的動(dòng)力機(jī)制主要為初期受北北東—南南西、北西—南東兩期伸展作用，加之右旋剪切作用及上拱作用。這與東營(yíng)凹陷沙河街組以來的構(gòu)造背景相契合。

證實(shí)了底辟作用大約發(fā)生在E s23時(shí)期，加載位置在中部，效果明顯，說明實(shí)際位置底辟作用明顯。初期對(duì)地層有松動(dòng)作用，可加劇高級(jí)序斷層的斷裂程度;后期在高級(jí)序斷層附近生成多個(gè)呈放射狀的低級(jí)序斷層。隨著構(gòu)造運(yùn)動(dòng)加劇，在大斷層附近也產(chǎn)生了許多與大斷層平行或相交的低級(jí)序斷層。

圖4 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)Fig.4 Experimental process of physical modeling

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景得出該區(qū)的斷裂演化模式 (見圖5)，可以看出:

圖5 永3斷塊區(qū)斷裂形成模式Fig.5 Fracture formation model of Yong 3 fault block

①北北東—南南西向伸展斷陷階段 (E k—E s4)，北北東—南南西向區(qū)域引張作用為主，發(fā)育北西西—南東東向斷裂。

②雙向伸展作用階段 (E s3—E s2下)，北北東—南南西向區(qū)域引張繼續(xù)作用，并發(fā)生以北西向伸展作用為主的雙向伸展階段，產(chǎn)生近南北向伸展合力，永3、永3-1及永3-2高級(jí)序斷層受其控制發(fā)育，且在永3-2斷層尾端產(chǎn)生部分北西向次級(jí)斷層。

③張扭作用階段 (E s2上—E s1)，處于裂陷收斂幕，斷裂活動(dòng)減弱，經(jīng)過東營(yíng)運(yùn)動(dòng)，形成近東西向右旋張扭性的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。近南北向斷層大量發(fā)育，且對(duì)高級(jí)序斷層進(jìn)行改造，形成弧形彎曲。在該時(shí)期研究區(qū)中部受底辟上拱作用，使前期產(chǎn)生的近南北向的斷層呈發(fā)散狀展布。

④斷塊深埋階段 (E d—N m)，地層在此時(shí)期繼承平穩(wěn)沉積，步入斷塊深埋時(shí)期。

5 結(jié)論

依據(jù)相似理論，進(jìn)行材料選取、邊界設(shè)定、時(shí)間確立及動(dòng)力加載，實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)基本斷裂特征恢復(fù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果展現(xiàn)的斷裂特征驗(yàn)證了地震解釋的結(jié)果。

初期北北東—南南西、北西—南東兩期伸展作用，加之右旋剪切作用及上拱作用多期構(gòu)造疊加，成功驗(yàn)證了預(yù)測(cè)的斷裂形成演化。與整體東營(yíng)凹陷區(qū)域伸展區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)及郯廬斷裂帶的左右旋轉(zhuǎn)型階段相吻合。

低級(jí)序斷層主要分布于單條高級(jí)序斷層末端和彎曲部位、兩條高級(jí)序斷層之間或斷層相交位置以及帶狀拱張變形 (局部有底辟作用)的部位。

確定了此研究區(qū)成因機(jī)制，研究成果也可適用于東營(yíng)凹陷其他區(qū)域。

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