基于物理-數(shù)值聯(lián)合模擬的多期斷裂形成機(jī)制及演化研究

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(1.中國(guó)石油冀東油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北 唐山 063004；2.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)

基于物理-數(shù)值聯(lián)合模擬的多期斷裂形成機(jī)制及演化研究

卿穎1，馮建偉2，楊少春2，任啟強(qiáng)2

(1.中國(guó)石油冀東油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北 唐山 063004；2.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)

針對(duì)多期疊加構(gòu)造體系形成機(jī)制研究中存在的問(wèn)題，以南堡凹陷3號(hào)構(gòu)造古近系中大量存在的“X”型斷裂樣式為例，應(yīng)用構(gòu)造體系復(fù)合理論、構(gòu)造物理-數(shù)值聯(lián)合模擬分析裂陷盆地深部先期構(gòu)造對(duì)晚期斷裂形成和演化控制作用以及疊加構(gòu)造形成力學(xué)機(jī)理，建立空間展布幾何模式。研究認(rèn)為：兩期斷裂系統(tǒng)的疊加規(guī)律主要受控于先期斷裂的力學(xué)強(qiáng)度、晚期應(yīng)力強(qiáng)度、先期斷裂走向與后期應(yīng)力方向之間的關(guān)系；先期斷裂可以影響局部應(yīng)力場(chǎng)的分布以及地層的力學(xué)強(qiáng)度，進(jìn)而影響后期發(fā)育斷裂的分布，后期應(yīng)力場(chǎng)既可以使早期斷裂繼續(xù)擴(kuò)展，也可以導(dǎo)致地層發(fā)生破裂產(chǎn)生新的斷裂；伸展背景下，當(dāng)后期張應(yīng)力與早期斷裂夾角小于30°時(shí)，只沿先期斷裂擴(kuò)展而不產(chǎn)生新的斷裂；以不整合面分割形成的空間地質(zhì)力學(xué)結(jié)構(gòu)層，受后期強(qiáng)烈作用時(shí)，容易發(fā)生“變形不協(xié)調(diào)”現(xiàn)象，垂向上斷裂系統(tǒng)具有明顯不連續(xù)性，產(chǎn)狀發(fā)生改變。因此，多期疊加斷裂系統(tǒng)的形成和發(fā)育直接受控于郯廬斷裂古近紀(jì)以來(lái)地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。

南堡凹陷；疊加斷裂；形成機(jī)制；物理模擬；數(shù)值模擬

我國(guó)內(nèi)陸大部分含油氣盆地屬疊合盆地[1]，其形成和發(fā)展演化受控于中國(guó)區(qū)域大地構(gòu)造的發(fā)展，具有多旋回性。南堡凹陷作為渤海灣盆地北側(cè)一個(gè)小型含油氣凹陷，油氣資源十分豐富，具有多期成盆、多期成藏的復(fù)式油氣聚集特點(diǎn)[2]。南堡凹陷3號(hào)構(gòu)造簡(jiǎn)稱為南堡3區(qū)，位于凹陷東南部，屬于凹陷內(nèi)的一個(gè)局部構(gòu)造帶，自白堊紀(jì)以來(lái)，經(jīng)歷了古近紀(jì)斷陷和新近紀(jì)拗陷兩個(gè)階段(圖1)，并控制形成了以沙一段頂部不整合為界的上下兩套斷裂體系，如深部沙河街組為地塹-地壘斷裂體系，東營(yíng)組為半地塹斷裂體系，兩者在垂向上疊加成“X”型和“Y” 型樣式，控制著油氣的運(yùn)移和空間分布。前人[3-4]多認(rèn)為這種剖面“X”型斷裂樣式屬于正常均勻伸展背景下的一種“共軛”斷裂類型，也有人認(rèn)為“X”型斷裂組合可以分為對(duì)稱性和非對(duì)稱性兩種形態(tài)，主要受控于地殼的純剪變形，并以構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了有效驗(yàn)證，還有人認(rèn)為這是由于基底先存構(gòu)造對(duì)裂陷盆地?cái)嗔训膹?qiáng)烈控制作用所致[5-7]，并應(yīng)用脆性斷裂新理論闡述了其中的力學(xué)機(jī)理，確定了基底先存構(gòu)造活動(dòng)的變化規(guī)律。本研究在南堡凹陷3號(hào)東營(yíng)組和沙河街組構(gòu)造解釋基礎(chǔ)上[1]，分析斷裂幾何特征及組合關(guān)系，結(jié)合構(gòu)造演化恢復(fù)構(gòu)造關(guān)鍵期應(yīng)力狀態(tài)，基于構(gòu)造復(fù)合疊加理擬實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，定量研究變化應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境下不同地質(zhì)力學(xué)層之間的“變形不協(xié)調(diào)效應(yīng)”[7]，探討基底先存構(gòu)造對(duì)裂陷盆地?cái)嗔研纬珊脱莼目刂埔?guī)律，為下一步中深層油氣勘探和成藏模式的建立提供指導(dǎo)。

圖1 南堡凹陷區(qū)域構(gòu)造簡(jiǎn)圖

1 基本地質(zhì)特征

根據(jù)斷裂幾何特征和成因機(jī)制，南堡凹陷3號(hào)構(gòu)造斷裂樣式主要?jiǎng)澐譃槿N區(qū)域構(gòu)造樣式：伸展、張扭和擠壓構(gòu)造樣式，進(jìn)一步細(xì)分為12種局部構(gòu)造樣式，如 “Y”形組合、“入”字形組合、斷階組合、地塹組合、地壘組合、調(diào)節(jié)型、逆牽引型、差異壓實(shí)型、韌性剪切帶、垂向剪切型和反轉(zhuǎn)型。從層間分布來(lái)看：①東營(yíng)組單斷裂類型主要為板狀和鏟狀形態(tài)，前者活動(dòng)時(shí)間較短，后者較長(zhǎng)，且斷裂樣式在剖面上的特有形態(tài)與平面形態(tài)一一對(duì)應(yīng)，如：剖面上為“Y”形或反“Y”形的斷裂[8]，在平面上表現(xiàn)為斜交式分布；剖面上為同向斷階組合類型的斷裂，平面上表現(xiàn)為雁列式展布；剖面上為反向斷階組合類型的斷裂，平面上呈平行式排列；剖面上為地塹或白菜心式斷裂，平面上呈平行式或斜交式展布；剖面上為調(diào)節(jié)型斷裂，平面上呈正交式或分叉式組合等(圖2)。②沙河街組單斷裂類型主要為鏟式和躺椅式，代表了長(zhǎng)期活動(dòng)特征，且后者比前者活動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)。斷裂在剖面上為“入”字型斷裂，在平面上呈斜交式；剖面上為地壘組合的斷裂，平面上呈平行式特征；剖面上為垂向剪切型斷裂，平面上呈雁列式展布等。

由此可見(jiàn)，研究區(qū)以沙河街頂部不整合面為界分為上下兩套斷裂系統(tǒng)，上部東營(yíng)組為一套SN向伸展兼具左旋走滑的復(fù)合斷裂系統(tǒng)，力學(xué)機(jī)制為純剪；下部沙河街組為一套NW-SE向伸展斷裂系統(tǒng)，力學(xué)機(jī)制為單剪，總體上構(gòu)成了一套“X”型深淺疊加變形組合構(gòu)造，中間存在短期反轉(zhuǎn)現(xiàn)象(圖2)。根據(jù)南堡凹陷中央隆起帶剖面斷裂特征，復(fù)雜“X”型斷裂組合具有非對(duì)稱與對(duì)稱兩種形式：下部一支由一條大斷距斷裂構(gòu)成，其余各支均由多條小斷距斷裂構(gòu)成；或下部?jī)芍Ь鶠榇髷嗑鄶嗔褬?gòu)成，上部?jī)芍в啥鄺l小斷裂構(gòu)成。另外，多個(gè)X型斷裂可能相互連接構(gòu)成更復(fù)雜的“X”構(gòu)型[3]。

圖2 三維地震資料顯示的X型疊加斷裂組合(南北向剖面)

2 斷裂活動(dòng)差異

2.1 斷裂走向

2.2 斷裂活動(dòng)性

圖3 南堡3區(qū)不同層位斷裂走向統(tǒng)計(jì)及伸展方向圖

圖4 南堡3區(qū)不同層位斷裂密度及不同時(shí)期斷裂生長(zhǎng)指數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

3 疊加斷裂體系物理模擬

綜上分析，結(jié)合前人研究成果，確定了構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)的相似系數(shù)、實(shí)驗(yàn)材料和邊界、基底條件。南堡3區(qū)實(shí)際面積約15 352×8 951 m2，沙河街組厚度約790 m，東營(yíng)組厚度約630 m，取相似系數(shù)為672，故上、下模型為23 cm×13 cm×2 cm和23 cm×13 cm×2.5 cm。利用聚苯塑料塊進(jìn)行處理使其邊緣形狀與沙河街組沉積末凹陷周邊的凸起形狀吻合：在南側(cè)設(shè)置聚苯塑料模擬沙北斷裂及沙壘田凸起，東側(cè)、西側(cè)設(shè)置固定鐵板模擬曹妃甸洼陷和2區(qū)，北側(cè)設(shè)置活動(dòng)聚苯塑料，提供實(shí)驗(yàn)材料位移空間，代表凹陷北部沉積區(qū)(圖5)。選用延展性較好的橡膠皮來(lái)模擬凹陷基底，通過(guò)橡膠皮的引張帶動(dòng)上覆地層實(shí)現(xiàn)拉張和剪切作用。考慮到實(shí)際地層的巖性特征，且為了保證實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)際地層的流變性質(zhì)相似，并減少流變性差異對(duì)破裂帶幾何形態(tài)的影響，本次實(shí)驗(yàn)選取密度為4.0 g/cm3的沙子，加一定量的粘土混合均勻，加適量水，在垂直力作用下輕微壓實(shí)成層。在實(shí)驗(yàn)中按地質(zhì)歷史時(shí)期再現(xiàn)地質(zhì)運(yùn)動(dòng)與構(gòu)造變形是不可想象和不可能的，但卻可以從材料的應(yīng)力、時(shí)間與變形的關(guān)系式中找出作用力的時(shí)間常數(shù)，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中形變與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系與地質(zhì)情況相吻合。結(jié)合前人實(shí)驗(yàn)，選擇1 min代表自然界中的1 Ma，沙河街組沉積末到東營(yíng)組關(guān)鍵變形期所經(jīng)歷的時(shí)間約為13.5 Ma，本次實(shí)驗(yàn)中沙河街組NW-SE向拉伸時(shí)間取10 min，再疊加?xùn)|營(yíng)組SN向拉伸兼具左旋剪切取6 min，另外根據(jù)3區(qū)斷裂活動(dòng)性定量計(jì)算結(jié)果，從沙三段沉積末開(kāi)始到東三段沉積末經(jīng)歷了“強(qiáng)—弱—強(qiáng)—弱—強(qiáng)—弱”的演化歷程。

圖5 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)初始，設(shè)定地層為水平狀態(tài)，彈性布四周粘結(jié)在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的圓形底座上，準(zhǔn)備就緒后，左邊拉桿以0.04 mm/s速率進(jìn)行北西-南東向拉伸。過(guò)程如下：

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 min后，在沙北斷裂的控制下，開(kāi)始發(fā)育一條NE走向斷裂，說(shuō)明在NW-SE向伸展作用下產(chǎn)生近垂直的正斷裂。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行6 min后，新產(chǎn)生兩條NE-SW向斷裂，且前期南部斷裂逐漸擴(kuò)展在尾端產(chǎn)生次級(jí)斷裂，3條主斷裂從南向北依次展布形成階梯狀排列，根據(jù)斷裂力學(xué)理論可知，由于斷裂部位(尤其是端部)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，斷裂之間常以橫向調(diào)節(jié)斷裂近似連接。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行9 min后，在前期變形基礎(chǔ)上添加新的東營(yíng)組地層，調(diào)整拉伸速率為0.02 mm/s，輕微順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度。繼續(xù)拉伸2 min，然后轉(zhuǎn)動(dòng)圓形底盤，使拉伸方向較沙河街期旋轉(zhuǎn)45°，近南北方向。

到11 min時(shí)，研究區(qū)在前期斷裂的位置開(kāi)始出現(xiàn)斷裂痕跡，同時(shí)在斷裂尾端出現(xiàn)一系列左旋雁列式斷裂，進(jìn)一步增大拉伸速率為0.05 mm/s。

直至16 min結(jié)束后，先期的NE-SW向主斷裂繼承發(fā)育，在斷裂之間出現(xiàn)大量次級(jí)斷裂，近東西向展布，伴隨產(chǎn)生的還有一定數(shù)量的橫向調(diào)節(jié)斷裂(圖5)。

4 疊加斷裂體系數(shù)值模擬

南堡凹陷3區(qū)自古近紀(jì)以來(lái)，縱向上經(jīng)歷了沙河街期的NW-SE向強(qiáng)烈伸展斷陷階段、東營(yíng)期的S-N向弱伸展兼具走滑斷拗階段，其中深部太古界-古生界潛山的發(fā)育也在一定程度影響著上覆地層的變形。由此，引入有限元數(shù)值模擬手段，基于相似材料比例法，設(shè)置地質(zhì)模型的尺寸、材料強(qiáng)度參數(shù)、力學(xué)邊界條件、加載速率，并將地質(zhì)歷史時(shí)期的兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)綜合起來(lái)，采用“統(tǒng)一模型、分段施力”的原則，最終實(shí)現(xiàn)縱向斷裂系統(tǒng)的疊加過(guò)程模擬和次級(jí)斷裂產(chǎn)生機(jī)制研究(圖6)。

圖6 疊加構(gòu)造地質(zhì)模型建立及力學(xué)邊界條件設(shè)置圖

為了獲取地層圍壓條件下的巖石力學(xué)特征，對(duì)研究區(qū)8口井13塊巖心進(jìn)行分組力學(xué)實(shí)驗(yàn)，巖性涵蓋含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖和細(xì)砂巖等，按實(shí)際地質(zhì)情況，圍壓等級(jí)設(shè)計(jì)為10、20 MPa。有圍壓存在時(shí)，破裂形態(tài)為張剪性，隨圍壓增大剪切作用增強(qiáng)，破裂角增大，破裂形態(tài)變得復(fù)雜，甚至出現(xiàn)破裂不連續(xù)的現(xiàn)象。從另一角度來(lái)看，研究區(qū)圍壓小于某值時(shí)，內(nèi)摩擦角φ較大，換算出的破裂角θ=45°-φ/2相對(duì)較小，以張性破裂為主，圍壓大于某值時(shí)，內(nèi)摩擦角φ變小，破裂角逐漸增大，且由張性破裂逐漸變?yōu)閺埣粜陨踔翂杭粜云屏选?/p>

以構(gòu)造形跡統(tǒng)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終確定沙一段末期和東三段末期兩期應(yīng)力方向：NW48°、47 MPa和 SN、47 MPa，鑒于東三段末期存在一定左旋剪切應(yīng)力場(chǎng)，剪應(yīng)力設(shè)置為14 MPa。由于缺少斷裂帶內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)，本次研究采用前人研究成果[11-12]，斷裂泊松比取0.27，彈性模量18.0 GPa，密度2.40 g/cm3；邊框的斷裂泊松比取0.22，彈性模量18.0 GPa，密度2.40 g/cm3。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制應(yīng)力摩爾圓，求取不同巖石類型的內(nèi)摩擦角、內(nèi)摩擦系數(shù)和內(nèi)聚力，沙河組頂部一段和東營(yíng)組下部三段的密度接近，盡管東三段以湖相泥巖為主，沙一段以三角洲前緣砂巖為主，由于不整合面的長(zhǎng)期風(fēng)化淋濾作用，地層變得疏松，密度平均減小為2.38 g/cm3，東三段為2.507 g/cm3，不整合面附近密度為2.39 g/cm3，沙一段峰值強(qiáng)度平均為171.34 MPa，東三段峰值強(qiáng)度平均為213.41 MPa，不整合面附近強(qiáng)度平均為191.73 MPa，相比來(lái)看，東三段泥巖峰值強(qiáng)度要高于沙一段，不整合面強(qiáng)度居中，而且圍壓越大，峰值強(qiáng)度越高(表1)。由于缺少斷裂帶內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)，本研究采用前人研究成果[11-12]，斷裂泊松比取0.27，彈性模量18.0 GPa，密度2.40 g/cm3；邊框的斷裂泊松比取0.22，彈性模量18.0 GPa，密度2.40 g/cm3。以構(gòu)造形跡統(tǒng)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終確定沙一段末期和東三段末期兩期應(yīng)力方向：NW48°、47 MPa和 SN、47 MPa，鑒于東三段末期存在一定左旋剪切應(yīng)力場(chǎng)，剪應(yīng)力設(shè)置為14 MPa。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

模擬結(jié)果顯示：東營(yíng)組最小主應(yīng)力分布不規(guī)則(圖7)，整體為張應(yīng)力，斷裂F5西段應(yīng)力值最高，F(xiàn)6斷裂西段次之，以此為中心向四周呈降低趨勢(shì)，應(yīng)力等值線的走向與凹陷邊界或斷裂帶近于平行。此種張應(yīng)力環(huán)境下發(fā)育的斷裂以拉張性質(zhì)為主，應(yīng)力高值和較高值集中區(qū)是斷裂發(fā)育的優(yōu)勢(shì)區(qū)域。東營(yíng)組最大主應(yīng)力主要表現(xiàn)為負(fù)值，即為擠壓力環(huán)境，只在F4和F5交叉部位以及F6西段為張應(yīng)力。最大主應(yīng)力具東西分帶特征，西部和東部為高值區(qū)，中部為低值區(qū)，代表了底部上拱構(gòu)造環(huán)境。由于南堡凹陷在古近紀(jì)期間受控于郯廬斷裂的正斷活動(dòng)，兼有右行滑動(dòng)，加上基底斷裂影響，總體上以伸展作用為主，主斷裂之間存在左旋剪切作用，部分?jǐn)嗔殉恃懔惺秸共?。如東營(yíng)組變形期左旋、右旋應(yīng)力并存，以斷裂F4和F6為界，西側(cè)和東側(cè)以左旋剪應(yīng)力為主，西北側(cè)和南側(cè)則以右旋剪應(yīng)力為主(圖7)。此類應(yīng)力環(huán)境與圖中東三段次級(jí)雁列式斷裂體系分布特征十分吻合。

沙河街組最小主應(yīng)力只在研究區(qū)東南部顯示為擠壓性質(zhì)，其他地區(qū)皆為拉張性質(zhì)，且拉/壓邊界受NE走向主斷裂影響顯著，尤其在斷裂F2附近存在強(qiáng)烈伸展應(yīng)力環(huán)境，控制產(chǎn)生了F2和F1之間的橫向斷裂。沙河街組平面剪應(yīng)力性質(zhì)具有明顯分區(qū)特點(diǎn)，在斷裂F1和F3之間為右旋拉伸，其他地區(qū)為左旋拉伸，且在F2西段存在強(qiáng)烈剪切走滑趨勢(shì)，總體趨勢(shì)與東營(yíng)組正好相反。作為巖石變形或破裂的主導(dǎo)因素，應(yīng)力強(qiáng)度(最大主應(yīng)力減去最小主應(yīng)力)在東營(yíng)組和沙河街組分布差異大(圖8)。盡管兩者高值區(qū)都位于F2和F5斷裂西段，但東營(yíng)組高值區(qū)主要分布在斷裂F5和F6之間，呈近東西向條狀展布。另外，東南部作為斷裂發(fā)育的有利部位，高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)分布呈環(huán)形特征。結(jié)合地質(zhì)特征分析，由于深部潛山上拱以及不整合面這一力學(xué)界面的存在，先存基底斷裂受力后，不僅會(huì)繼承性延伸，還會(huì)在上覆地層形成新的次級(jí)斷裂。早期地層在深部潛山和古地貌的影響下，發(fā)育一系列不對(duì)稱的地壘或單斷構(gòu)造，當(dāng)晚期地層內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變后，首先會(huì)以不整合面為薄弱帶發(fā)生兩套力學(xué)層之間的“應(yīng)力-應(yīng)變不協(xié)調(diào)”效應(yīng)，促使能量消耗一部分，然后優(yōu)選與張應(yīng)力方向夾角小于30°的斷裂發(fā)生繼承性活動(dòng)并在平面內(nèi)延伸[4,13]，又可以消耗一部分能量。當(dāng)先存斷裂不能繼續(xù)活動(dòng)時(shí)，則累計(jì)的構(gòu)造能量會(huì)在上部地層產(chǎn)生新的主斷裂，并進(jìn)一步影響局部應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生次級(jí)斷裂，如左旋剪切應(yīng)力場(chǎng)下易產(chǎn)生一系列雁列式斷裂。最終，由于內(nèi)摩擦角和力學(xué)環(huán)境的差異，上、下層的斷裂產(chǎn)狀不僅會(huì)產(chǎn)生差異，而且受潛山的頂托作用，張應(yīng)力會(huì)發(fā)生局部集中，在F2和F5斷裂重疊部位構(gòu)造活動(dòng)尤其強(qiáng)烈，最終形成了研究區(qū)特殊的“X”型斷裂垂向疊加現(xiàn)象(圖8)。

圖7 疊加斷裂系統(tǒng)模擬主應(yīng)力及剪應(yīng)力平面分布圖

圖8 疊加斷裂系統(tǒng)模擬應(yīng)力強(qiáng)度剖面分布圖

5 區(qū)域動(dòng)力學(xué)背景

南堡凹陷在屬性上具有典型主動(dòng)裂谷特征，在演化上具有多幕拉張，中、新生代繼承性發(fā)育的特點(diǎn)，是一個(gè)中新生代上下疊置的復(fù)合型凹陷[14]。渤海灣盆地的多期裂谷作用，通常劃分為三個(gè)裂谷演化階段：即早侏羅世斷陷期、早白堊世斷陷期和古近紀(jì)孔店組、沙河街組、東營(yíng)組斷陷期。中、新生代以來(lái)南堡凹陷與渤海灣盆地構(gòu)造演化規(guī)律大體相似[15-16]，但其新生代構(gòu)造演化還具有許多新的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：新生代裂谷演化具有明顯的多幕發(fā)育特點(diǎn)；新近紀(jì)中新世中期以來(lái)的構(gòu)造性質(zhì)發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，即由中新世早期的構(gòu)造衰弱期轉(zhuǎn)化為新的構(gòu)造活化期。主要表現(xiàn)為斷裂作用加劇、拉張作用增強(qiáng)、沉積速率加快等特點(diǎn)。

對(duì)于郯廬斷裂帶在新生代的活動(dòng)，大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為郯廬斷裂古近紀(jì)以來(lái)發(fā)生右旋走滑拉張和左旋走滑擠壓，現(xiàn)今以右旋走滑擠壓為主[17]，不同時(shí)期的構(gòu)造活動(dòng)，對(duì)于南堡凹陷的形成、演化和改造均具有重要影響。其活動(dòng)時(shí)間可分為五期：即古新世至早始新世、中始新世至漸新世、中新世至早更新世、中更新世、晚更新世至今五個(gè)活動(dòng)階段[18]，平面上可分為三段(北段：肇興—沈陽(yáng)；中段：沈陽(yáng)—宿遷；南段：宿遷—廣濟(jì))。尤其是近年來(lái)斷裂帶附件頻繁發(fā)生的地震表明，郯廬大斷裂具有明顯的壓扭特征，時(shí)而左旋，時(shí)而右旋?？梢哉J(rèn)為：渤海灣盆地新生代發(fā)育的NNE-NE向、NWW-EW向控陷斷裂是分期伸展變形疊加的結(jié)果。

郯廬大斷裂古近紀(jì)早期的活動(dòng)性質(zhì)及強(qiáng)度在不同地段具有不同表現(xiàn)：南段張裂活動(dòng)、中段(沂沭斷裂帶)右行走滑運(yùn)動(dòng)、北段張裂活動(dòng)，最北端斷裂活動(dòng)不明顯。在相當(dāng)于孔店組沉積時(shí)期，斷裂中段對(duì)南堡凹陷產(chǎn)生了重要影響，派生的北西向拉張力形成了一系列北東向斷裂，這些斷裂的發(fā)育一直延續(xù)到沙河街沉積期(圖9)。

圖9 郯廬大斷裂中始新世至漸新世活動(dòng)對(duì)南堡3區(qū)斷裂發(fā)育的控制模式

中始新世初期，太平洋板塊開(kāi)始向西俯沖，造成了我國(guó)東部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的轉(zhuǎn)變，以SE102°～NW 282°的主壓應(yīng)力為主，郯廬斷裂帶活動(dòng)性質(zhì)也隨之改變?；疽匀R州灣為界，分為南、北兩段：南段由于受近東西向擠壓應(yīng)力作用，以擠壓-逆沖活動(dòng)特征為主[19]；北段具有一定繼承性，以正斷活動(dòng)為主，兼有右行滑動(dòng)，但活動(dòng)強(qiáng)度較前一時(shí)期弱。這個(gè)時(shí)期相當(dāng)于南堡凹陷的沙河街期和東營(yíng)期，其中沙河街早中期是應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)期，由北東向拉張逐漸轉(zhuǎn)換為南北向拉張兼具走滑特征，因此，在東營(yíng)組沉積開(kāi)始后，便在早期北東向斷裂基礎(chǔ)上繼承性發(fā)育形成一系列近東西向斷裂，活動(dòng)主斷裂之間發(fā)育了一系列左旋走滑雁列式斷裂。中新世至早更新世時(shí)期，我國(guó)東部地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力方向?yàn)镹E170°～NW350°，郯廬斷裂帶發(fā)生了正斷或走滑運(yùn)動(dòng)，其活動(dòng)強(qiáng)度南弱北強(qiáng)，以渤海灣活動(dòng)最強(qiáng)烈。

根據(jù)地震解釋結(jié)果，南堡3區(qū)主要發(fā)育三組斷裂體系：邊界弧形斷裂體系(新近紀(jì)趨于停止)、北東向斷裂體系(為二級(jí)斷裂，分支斷裂北西向，極為發(fā)育，漸新世早期開(kāi)始發(fā)育，晚期斷裂活動(dòng)加劇，至新生代斷裂活動(dòng)趨于停止)、東西向斷裂體系(形成于漸新世，結(jié)束于新生代末期，是控制晚期疊加構(gòu)造演化的主要因素。根據(jù)里德?tīng)柤羟邪l(fā)育模式，沙二段沉積期主要以北東向一級(jí)主控?cái)嗔褳橹?相對(duì)級(jí)別)，容易派生形成斜交斷裂，同時(shí)斷裂間伴生左旋走滑次級(jí)雁列斷裂，但不代表區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。進(jìn)入東營(yíng)期，由于拉張活動(dòng)強(qiáng)度的逐漸減弱和右旋走滑活動(dòng)的產(chǎn)生，斷裂體系也發(fā)生相應(yīng)改變，在郯廬大斷裂整體南北向拉張兼具右旋走滑的背景下，早期北東向沙河街?jǐn)嗔鸭肮艥撋綐?gòu)造派生次級(jí)右旋走滑分力，東營(yíng)組蓋層容易變形，發(fā)生左旋剪切成雁列式斷裂。根據(jù)格里菲斯準(zhǔn)則，北東向斷裂在尾端部位發(fā)生繼承性活動(dòng)，與早期斷裂呈近45°斜交，平面上整體呈“S”形或反“S”形特征。同時(shí)由于研究區(qū)厚層泥巖中包裹了透鏡體砂巖，在上覆地層重力作用下容易形成差異壓實(shí)型斷裂，但空間延伸距離短，一般在層內(nèi)發(fā)育。當(dāng)早期斷階式主控?cái)嗔牙^承性發(fā)育時(shí)，往往形成弱垂向剪切作用下的雁列式斷裂，造成了垂向上斷裂的不連續(xù)發(fā)育現(xiàn)象(圖2)。

6 結(jié)論

1) 南堡凹陷3區(qū)古近系東營(yíng)組-沙河街地層中“X”型疊加斷裂體系普遍發(fā)育，主要呈對(duì)稱和不對(duì)稱兩種組合形式，下部先期斷裂主要以NE走向平行排列為主，斷距大，密度低，上部晚期斷裂以近EW走向平行排列和斜列式為主，斷距小，密度大，兩套斷裂系統(tǒng)在潛山和地壘重疊部位相交而不相連，具有明顯的多期疊加特征。

2) 采用構(gòu)造物理模擬和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的手段恢復(fù)疊加斷裂體系的形成和演化過(guò)程，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)疊合盆地內(nèi)區(qū)域地質(zhì)背景對(duì)多期構(gòu)造形成和演化的控制作用，還能定量模擬應(yīng)力場(chǎng)分布特征，揭示軟硬互層地質(zhì)力學(xué)層之間的“應(yīng)力-應(yīng)變不協(xié)調(diào)效應(yīng)”，預(yù)測(cè)低級(jí)序斷裂的有利發(fā)育位置。

3) 兩期斷裂系統(tǒng)的疊加規(guī)律主要受控于先期斷裂的力學(xué)強(qiáng)度、晚期應(yīng)力強(qiáng)度、先期斷裂走向與后期應(yīng)力方向之間的關(guān)系，當(dāng)后期應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，可能引起構(gòu)造(尤其是斷裂)的疊加。平面上，當(dāng)后期張應(yīng)力與早期斷裂夾角小于30°時(shí)，地層抗張強(qiáng)度最小，此時(shí)，只沿先期斷裂擴(kuò)展而不產(chǎn)生新的斷裂；垂向上，沙河街組和東營(yíng)組兩套地質(zhì)力學(xué)層間以不整合面為薄弱力學(xué)層，在后期受力作用較強(qiáng)時(shí)，容易發(fā)生“變形不協(xié)調(diào)”現(xiàn)象，并出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致斷裂的快速發(fā)育。

4) 南堡凹陷“X”型疊加斷裂系統(tǒng)的形成直接受控于郯廬大斷裂古近紀(jì)以來(lái)活動(dòng)的旋回性、分段性和力學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)變，經(jīng)歷了古近紀(jì)地殼單元的單剪切變形和純剪切變形機(jī)制的疊加，進(jìn)入東營(yíng)期后，在郯廬大斷裂整體南北向拉張兼具右旋走滑的背景下，早期NE向沙河街?jǐn)嗔鸭肮艥撋缴瞎芭缮渭?jí)右旋走滑分力，東營(yíng)組蓋層容易變形，發(fā)生左旋剪切形成雁列式斷裂。

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FormationMechanismandEvolutionofMulti-phaseFaultBasedonPhysicalandNumericalSimulation

QING Ying1, FENG Jianwei2, YANG Shaochun2，REN Qiqiang2

(1.Exploration and Development Research Institute, China Petroleum and Jidong Oilfield Branch,Tangshan, Hebei 063004, China; 2.School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580, China)

To solve problems in studying the formation mechanism of multi-phrase superimposed structures, this paper took X-pattern normal faults in Nanpu No.3 region as the example to investigate the controlling role of pre-existing structure in the depth of rift basin on the formation and evolution of later fault and to analyze the mechanism of superimposed structures by using tectonic superposition theory and physical and numerical simulation. A geometric model of space distribution was established. Through these studies, several laws were obtained as follows. First, superposition manners mainly depend on the mechanical strength of pre-existing faults, the tectonic stress intensity of the later fauts, and the relation between the pre-existing fault strike and the stress orientation of late period. Secondly, the pre-existing faults, which can influence local distribution of stress field and the mechanical strength of stratum, influence the distribution of later fault development. In other words, the later stress field not only causes the further propagation of pre-existing faults, but also the generation of new rupture in overlying strata. However, under extension setting, the later stress field results in the propagation along pre-existing faults only without,generating new faults when the inclined angle is less than 30°. Besides, under the influence of strong later force, it is easy for the spatial mechanical stratigraphic sequences resulted from the segregation of plane of unconformity to produce the non-coordination strain phenomenon and to cause discontinuous faults vertically with changed occurrence. Therefore, the formation and development of the superimposed fault system is directly controlled by the change of geo-mechanical properties of Tan-Lu fault since Paleogene.

Nanpu sag; superimposed faults; formation mechanism; physical simulation; numerical simulation

卿穎,馮建偉,楊少春,等. 基于物理-數(shù)值聯(lián)合模擬的多期斷裂形成機(jī)制及演化研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018,37(1):60-70.

QING Ying,FENG Jianwei,YANG Shaochun,et al.Formation mechanism and evolution of multi-phase fault based on physical and numerical simulation[J].Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science),2018,37(1):60-70.

2016-06-06

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(14CX05016A)

卿 穎(1979—)，男，甘肅敦煌人，高級(jí)工程師，主要從事油氣勘探及評(píng)價(jià)工作.E-mail:linqu_fengjw@126.com

馮建偉(1979—)，男，山東臨朐人，副教授，博士后，主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和巖石力學(xué)研究，本文通信作者.

E-mail:linqu_fengjw@126.com

P542；P554

A

1672-3767(2018)01-0060-11

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2018.01.006

高麗華)