走滑構(gòu)造差異變形特征及其主控因素分析
——基于砂箱模擬實(shí)驗(yàn)

李艷友，漆家福，周 賞

(1.中國(guó)石油 東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北 涿州 072750；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；3.中國(guó)石油 東方地球物理勘探有限責(zé)任公司 研究院地質(zhì)研究中心，河北 涿州 072750)

走滑構(gòu)造差異變形特征及其主控因素分析
——基于砂箱模擬實(shí)驗(yàn)

李艷友1,2，漆家福2，周 賞3

(1.中國(guó)石油 東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北 涿州 072750；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；3.中國(guó)石油 東方地球物理勘探有限責(zé)任公司 研究院地質(zhì)研究中心，河北 涿州 072750)

走滑斷裂及其相關(guān)構(gòu)造與油氣聚集分布有著密切聯(lián)系。受基底性質(zhì)、斷層形態(tài)及地層能干性影響，走滑斷層具有明顯分段特征，深、淺斷裂組合樣式也存在明顯差異。利用砂箱實(shí)驗(yàn)討論基底走滑斷層形態(tài)、軟弱層對(duì)蓋層走滑變形帶的影響。模擬實(shí)驗(yàn)表明：基底斷層走滑位移量對(duì)蓋層構(gòu)造變形強(qiáng)度、構(gòu)造變形樣式有明顯控制作用。地層巖性、蓋層厚度控制淺層走滑剪切范圍及變形幅度。走滑變形帶寬度與軟弱層厚度成正比，斷層受阻部位軟弱層厚度大則形成褶皺，反之發(fā)育斷塊構(gòu)造?；讛鄬幼呦蜃兓瘜?dǎo)致的局部應(yīng)力條件差異是走滑斷裂分段及構(gòu)造變形差異的重要控制因素。

走滑斷層；走滑主位移帶；地層能干性；差異變形；砂箱實(shí)驗(yàn)

走滑變形是一種常見構(gòu)造類型，也是盆地構(gòu)造研究的熱點(diǎn)[1-5]。走滑構(gòu)造的識(shí)別是研究沉積盆地應(yīng)力場(chǎng)、劃分構(gòu)造演化期次的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)走滑構(gòu)造變形區(qū)也是富油氣區(qū)勘探的重點(diǎn)目標(biāo)[6-9]。構(gòu)造物理模擬也稱砂箱模擬，是依據(jù)相似性原理研究構(gòu)造變形過(guò)程、揭示構(gòu)造變形控制因素的有效方法[10-12]。前人利用砂箱模擬在走滑變形分段性、分期疊加及成因機(jī)制等方面做了大量工作，還有學(xué)者通過(guò)物理模擬與數(shù)值砂箱進(jìn)行參照實(shí)驗(yàn)，取得一些有益的結(jié)論和認(rèn)識(shí)[13-18]。而關(guān)于基底、蓋層走滑構(gòu)造要素空間配置、深、淺層調(diào)節(jié)方式及走滑應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換方式的研究還相對(duì)缺乏。利用構(gòu)造物理模擬方法，分析影響走滑差異變形的主控因素，對(duì)盆地區(qū)走滑構(gòu)造帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)解析有一定的參考價(jià)值。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)系列砂箱對(duì)比實(shí)驗(yàn)，討論如下問(wèn)題：(1)走滑變形強(qiáng)度對(duì)蓋層構(gòu)造變形的影響；(2)基底走滑斷層形態(tài)、蓋層能干性對(duì)走滑變形的影響；(3)基底、蓋層走滑變形帶構(gòu)造要素的空間配置。

1 砂箱模型設(shè)置及模擬結(jié)果分析

本文采用粒徑為0.2～0.3 mm的石英砂模擬脆性地層、硅膠模擬軟弱地層，垂向上通過(guò)設(shè)置硅膠層模擬蓋層能干性差異。模型底部設(shè)置厚度2 mm厚橡皮，其內(nèi)側(cè)邊界作為底部走滑斷層形態(tài)。

實(shí)驗(yàn)為2D平面砂箱模型，單側(cè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模擬走滑作用，右側(cè)擋板為驅(qū)力端。模型中通過(guò)改變硅膠層厚度及底部斷層平面形態(tài)，設(shè)計(jì)系列對(duì)比砂箱實(shí)驗(yàn)，砂箱實(shí)驗(yàn)均在中國(guó)石油大學(xué)(北京)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)室完成。

1.1基底走滑位移量對(duì)蓋層變形的影響

模型基底斷裂為斜向平直斷層，鋪設(shè)性質(zhì)均勻的厚砂層模擬上覆地層，模型中間層不設(shè)置軟弱層。走滑位移方向與基底斷裂走向呈18°夾角，模型總走滑位移量為4 cm，討論基底走滑斷層位移量與蓋層走滑變形強(qiáng)度、構(gòu)造類型關(guān)系。

圖1是走滑位移分別為1 cm，2 cm和4 cm時(shí)砂箱實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：走滑位移為1 cm時(shí)，表層標(biāo)志線發(fā)生輕微錯(cuò)斷，中部發(fā)育一組左階斜列的走滑正斷層組。垂向上蓋層斷裂與基底斷裂位置重合，具有“分層變形、垂向疊置”的變形特征(圖1a)。隨著位移量的增加，蓋層次級(jí)斷裂數(shù)量明顯增多，蓋層斷裂走向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，平面呈現(xiàn)弧形結(jié)構(gòu)，且模型驅(qū)動(dòng)端走滑斷裂范圍明顯變寬(圖1b)。當(dāng)走滑位移量達(dá)到4 cm時(shí)，模型蓋層斷裂平面上呈現(xiàn)交切關(guān)系，已從早期的斜列斷層組演化為馬尾狀斷層組合樣式。垂向上蓋層主位移帶與基底主干斷層漸趨貫通連接，斷層兩盤垂向落差顯著變大，平面上剪切變形帶寬度呈現(xiàn)“兩端大、中間小”的特點(diǎn)(圖1c)。

1.2基底斷裂產(chǎn)狀、地層能干性對(duì)蓋層走滑變形的影響

圖2是平直型斷層模型的3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)解釋結(jié)果。3組實(shí)驗(yàn)中，上、下砂層厚度均設(shè)置為3 cm和1 cm，中部增加了軟弱的硅膠層，硅膠層厚度從左向右依次以0.5 cm遞增，模型總走滑位移量均為10 cm。

當(dāng)基底與蓋層巖性能干性相差較大時(shí)，初始階段走滑位移不會(huì)立即導(dǎo)致蓋層破裂，而是形成具有一定寬度的剪切變形帶。蓋層剪切帶寬度受蓋層厚度、巖性等因素影響，蓋層厚度愈大、巖性能干性愈小(地層變形強(qiáng)度小)，則基底主干斷層走滑位移在蓋層中形成的剪切帶則越寬。平直型走滑斷層砂箱模擬對(duì)比結(jié)果可以看出，走滑斷層位移兩端變形存在明顯差異，應(yīng)力釋放端蓋層變形剪切帶寬度大，而驅(qū)動(dòng)端剪切帶寬度相對(duì)較窄。蓋層斷裂由驅(qū)動(dòng)端向應(yīng)力釋放端撒開，平面上呈馬尾狀斷裂組合樣式。值得注意的是，隨著軟弱層厚度增加，蓋層斷層的平面延伸長(zhǎng)度明顯增加，走向穩(wěn)定性增強(qiáng)，形成一系列規(guī)模較大的斷塊或斷—褶構(gòu)造。

漸進(jìn)走滑變形過(guò)程中，由于地質(zhì)體的非均質(zhì)性，基底走滑斷裂走向發(fā)生改變，導(dǎo)致不同區(qū)段蓋層變形性質(zhì)和方式發(fā)生改變。沿主位移帶斷層兩盤表現(xiàn)出張扭和壓扭2種不同的變形方式，進(jìn)而影響蓋層構(gòu)造變形要素的空間配置關(guān)系。“S”型斷裂的走向同平直型斷裂走向相比發(fā)生明顯改變，沿走滑斷層位移方向的前端處于壓扭狀態(tài)，而后端則呈張扭狀態(tài)。通過(guò)基底設(shè)置“S”型斷層，分析基底走滑斷裂走向變化條件下，軟弱層厚度差異對(duì)蓋層變形的影響。模型上部砂層厚度均為3 cm，主要差別為中部硅膠層及下部砂層厚度。

圖1 平直型斜向走滑斷層砂箱模擬結(jié)果

圖2 平直型走滑斷層砂箱模擬結(jié)果

圖3是3組“S”型走型斷層砂箱對(duì)比實(shí)驗(yàn)的最終解釋結(jié)果。模擬結(jié)果表明：當(dāng)蓋層中非能干的軟弱層厚度較小時(shí)，蓋層斷裂數(shù)量較多,但延伸長(zhǎng)度較短。受表層斷裂的強(qiáng)烈分割，蓋層發(fā)育一系列夾持在分支斷層間的低幅斷背斜或斷塊構(gòu)造，但規(guī)模相對(duì)較小。隨著軟弱層厚度增大，蓋層斷裂數(shù)量明顯減少，斷裂平面延伸長(zhǎng)度明顯增長(zhǎng)，構(gòu)造幅度及規(guī)模明顯增大。特別當(dāng)總地層厚度變大時(shí)，背斜幅度達(dá)到最大，變形更為集中。壓扭狀態(tài)下，蓋層斷裂和褶皺是基底走滑位移的淺層反映。走滑位移量一定的條件下，蓋層形成的褶皺規(guī)模、幅度與斷裂數(shù)量具有此消彼長(zhǎng)的特點(diǎn)，蓋層總變形量基本保持平衡。

平直型和“S”型走滑砂箱模擬結(jié)果表明，基底走滑位移在蓋層中形成的構(gòu)造類型與蓋層巖層能干性存在密切聯(lián)系。隨著軟弱層厚度增加、走滑變形速率減慢(圖1中v=3 mm/min，圖2，3中v=2.5 mm/min)，使蓋層變形帶寬度逐漸增大。遞進(jìn)變形過(guò)程中，平面分支斷層由平直變得彎曲并相互交織成網(wǎng)狀，最終構(gòu)成復(fù)雜的走滑斷裂帶。隨著中部軟弱層厚度增加，走滑位移受阻部位砂層變形隆起幅度顯著增大，反之則容易形成受斷裂分割相對(duì)破碎的斷塊隆起帶。

1.3走滑斷層垂向結(jié)構(gòu)關(guān)系

垂直于主位移帶的剖面上，走滑構(gòu)造帶內(nèi)各構(gòu)造要素可以形成典型的“花狀構(gòu)造”。當(dāng)蓋層含有較厚的非能干地層時(shí)，深、淺構(gòu)造要素的空間組合平面上表現(xiàn)出明顯的差異。如圖4a所示：(1)走滑變形帶部位的深部砂層，首先發(fā)生變形，形成平行于走滑位移方向的破裂，破裂面產(chǎn)狀陡傾，剪切帶呈線性、窄條狀展布；(2)中部硅膠層，走滑變形帶內(nèi)形成斷—褶組合樣式，硅膠表層標(biāo)志線發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)，平面表現(xiàn)為馬尾狀斷層組合樣式。軟弱層變形并不局限于主位移帶，剪切變形帶的范圍明顯增寬；(3)模型表層變形相對(duì)復(fù)雜，總體上形成一個(gè)由反映走滑或斜向剪切變形的斜列斷層構(gòu)成的走滑斷裂帶。遠(yuǎn)離走滑位移帶，表層砂層形成的分支正斷層走向與中部走滑位移帶近直交或大角度斜交，表層走滑剪切帶范圍比中層進(jìn)一步增大，平面上最終形成了典型的馬尾狀斷裂組合樣式。

圖3 基底“S”型走滑砂箱模擬結(jié)果

圖4 走滑砂箱實(shí)驗(yàn)垂向變形模擬結(jié)果

由于軟弱層的存在，表層分支斷裂下切深度受限于軟弱層底界面位置。下部砂層主位移帶變形集中，斷層兩盤表現(xiàn)為大規(guī)模水平錯(cuò)斷，兩盤地層變形較弱，未產(chǎn)生明顯的褶皺變形。走滑位移量越大，蓋層中形成的伴生構(gòu)造越豐富。雖然深、淺層構(gòu)造變形范圍及樣式存在明顯差異，但蓋層伴生構(gòu)造與基底走滑斷裂垂向上具有上、下疊置關(guān)系(圖4b)，反映蓋層伴生構(gòu)造與基底走滑斷層具有統(tǒng)一的應(yīng)變場(chǎng)特征。

2 差異走滑構(gòu)造變形的類型劃分

從深、淺層構(gòu)造要素空間配置關(guān)系考慮，受走滑斷層位移量、地層巖性影響，受非能干層分隔，構(gòu)造要素垂向上形成3種端元類型：(1) Ⅰ型。蓋層中發(fā)育較厚非能干地層，走滑位移強(qiáng)度小時(shí)，軟弱層完全分隔深、淺走滑構(gòu)造變形。淺層斷裂向下收斂、滑脫于軟弱層，基底斷裂垂向位移未能切穿軟弱層，垂向上以軟連接方式實(shí)現(xiàn)深、淺結(jié)構(gòu)的過(guò)渡；(2) Ⅱ型。隨著走滑強(qiáng)度增大，基底位移使主位移帶處的軟弱層厚度劇烈減薄，基底斷裂可以直接與蓋層斷裂通過(guò)斷層上端點(diǎn)接觸；(3) Ⅲ型。走滑中晚期，強(qiáng)烈的走滑位移向上可以切穿至淺層，主位移帶部位形成的次級(jí)斷裂與基底斷面?zhèn)认蛳噙B，二者以硬連接方式調(diào)節(jié)深、淺層構(gòu)造變形。

走滑變形中期或早期階段，基底走滑斷裂表現(xiàn)為隱伏斷裂，蓋層通常發(fā)育雁列展布的斷層或褶皺，空間上形成Ⅰ型或Ⅱ型模式(圖5a,b)，剖面形成“無(wú)根”的花狀斷裂組合。當(dāng)基底走滑主斷裂向上切穿至蓋層時(shí)，主位移帶與蓋層斷裂走向呈現(xiàn)大角度斜交，形成Ⅲ型模式(圖5c)，剖面上形成“有根”的花狀斷裂組合樣式。

盆地蓋層走滑構(gòu)造變形差異受多種因素影響，包括基底走滑斷裂位移量、位移速率和上覆蓋層的巖層性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征等。受地層結(jié)構(gòu)、地層能干性及構(gòu)造變形強(qiáng)度影響，走滑變形帶沿?cái)嗔炎呦虮憩F(xiàn)出分段特征，而走向變化部位形成的斷—褶或斷塊構(gòu)造，是油氣區(qū)尋找油氣圈閉的有利場(chǎng)所。

3 結(jié)論

(1)地層能干性、基底斷裂形態(tài)控制蓋層走滑構(gòu)造樣式、構(gòu)造變形幅度?；鬃呋瑪鄬幼呦蚋淖儺a(chǎn)生的局部應(yīng)力條件差異是導(dǎo)致走滑斷裂組合樣式、運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)及平面分段特征的主要控制因素。

圖5 走滑斷層空間組合模式

(2)基底斷層控制的走滑實(shí)驗(yàn)?zāi)M表明，“S”型基底斷層走向改變形成的壓扭和張扭狀態(tài)，可誘導(dǎo)發(fā)育斷塊或斷—褶等蓋層構(gòu)造類型。相同走滑位移條件下，蓋層剪切帶寬度與非能干層厚度成正比，蓋層厚度愈大、巖性能干性愈小，蓋層剪切帶明顯變寬。

(3)受統(tǒng)一走滑位移場(chǎng)控制，基底主干斷裂與蓋層弧形斷裂組合具有“上下疊置、聯(lián)動(dòng)變形”的特點(diǎn)。依據(jù)基底斷裂與蓋層切割關(guān)系，應(yīng)變調(diào)節(jié)方式及斷裂組合空間關(guān)系，將走滑斷裂帶垂向結(jié)構(gòu)劃分為上下軟連接、上下斷點(diǎn)連接和側(cè)向硬連接3種組合類型，走滑變形帶內(nèi)部變形樣式及垂向結(jié)構(gòu)差異是走滑變形強(qiáng)度、地層結(jié)構(gòu)及演化階段差異共同作用的結(jié)果。

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(編輯黃 娟)

Differentialdeformationanditsmaincontrolsonstrike-slipstructures: Evidence from sandbox experiments

Li Yanyou1,2, Qi Jiafu2, Zhou Shang3

(1.BGPInc,CNPC,Zhuozhou,Hebei072750,China; 2.CollegeofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 3.GeologicalResearchCenter,GRI,BGPInc,CNPC,Zhuozhou,Hebei072750,China)

Strike-slip faults and associated structures have major influences on hydrocarbon accumulation and exploration. Pre-existing structures and the competence of sedimentary strata lead to differential deformation features and spatial distribution of strike-slip fault systems. The differential deformation of basement-involved strike-slip faults and the influence of incompetent layers on overlying layers were investigated using physical sandbox experiments. The displacement of basement-involved strike-slip faults controlled the deformation style and intensity of overlying layers. Lithology and cap rock thickness controlled strike-slip range and deformation intensity in shallow formations. The width of a strike-slip zone increased with incompetent layer thickness. Physical sandbox experiments showed that with contraction of strike-slip displacement, which kind of structural styles were formed, fold or fault block, was determined by the thickness of incompetent layer. The change of strike on basement fault caused extension or contraction stress fields. It is an important factor to control the segmentation of strike-slip faults and the differential deformation of vertical tectonics.

strike-slip fault zone; strike-slip displacement zone; competent of sedimentary strata; differential deformation; sandbox experiment

1001-6112(2017)05-0711-05

10.11781/sysydz201705711

TE121.2

：A

2017-03-02；

：2017-07-02。

李艷友(1982—)，男，博士后，主要從事油區(qū)構(gòu)造解析與油氣地質(zhì)綜合研究。E-mail: liyanyou1130@163.com。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題(2011ZX05009-001)資助。