渤海灣盆地南堡凹陷3區(qū)多期疊加斷裂體系形成機制

馮建偉，王志坤，商 琳

[1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石油 冀東油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河北 唐山 063004]

我國內(nèi)陸大部分含油氣盆地基本上都屬于疊合盆地，其形成和發(fā)展演化受控于中國區(qū)域大地構(gòu)造的發(fā)展具有多旋回性[1-2]。南堡凹陷是作為渤海灣盆地北側(cè)的一個小型含油氣凹陷，油氣資源十分豐富，具有多期成盆、多期成藏、復(fù)式聚集的含油氣特點[3]。南堡凹陷3區(qū)位于凹陷東南部，為凹陷內(nèi)的一個局部構(gòu)造帶，自白堊紀以來，經(jīng)歷了古近紀斷陷發(fā)育和新近紀拗陷發(fā)育兩個階段(圖1)，最終形成了沙河街組一段頂部區(qū)域不整合和以此為分界的上、下兩套斷裂體系，如沙河街組的地塹-地壘體系為和東營組的半地塹體系，兩者在垂向上構(gòu)成“X”型和“Y”型疊加構(gòu)造，共同控制著油氣的運移和空間分布。前人多認為這種剖面“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[4-5]，也有人認為它可以分為對稱性和非對稱性兩種形態(tài)，主要受控于地殼的純剪變形，并以構(gòu)造物理模擬實驗進行了有效驗證，還有人認為這是由于基底先存構(gòu)造對裂陷盆地斷裂的強烈控制作用所致[6]，并應(yīng)用脆性斷裂新理論闡述了其中的力學(xué)機理。本次研究主要在南堡凹陷3區(qū)東營組和沙河街組構(gòu)造解釋的基礎(chǔ)上，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)合疊加理擬實驗和有限元數(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)造對裂陷盆地斷裂形成和演化的控制作用規(guī)律，為下一步的中深層油氣勘探和成藏模式建立提供指導(dǎo)。

1 基本地質(zhì)特征

根據(jù)斷裂幾何特征和成因機制分析，南堡凹陷3區(qū)斷裂樣式主要劃分為3種基本類型，分別為伸展構(gòu)造樣式、張扭構(gòu)造樣式和擠壓構(gòu)造樣式，進一步可細分為12種局部構(gòu)造樣式，即“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、差異壓實型、韌性剪切帶、垂向剪切型和反轉(zhuǎn)型。從層間分布來看，上部東營組單斷裂類型主要為板狀和鏟狀形態(tài)，前者活動時間較短，后者時間較長，且斷裂樣式在剖面上的特有形態(tài)與平面上的形態(tài)一一對應(yīng)，如剖面上的“Y”形或反“Y”形斷裂[8-9]，在平面上則表現(xiàn)為斜交式組合，剖面上的同向斷階組合斷裂，在平面上則表現(xiàn)為雁列式展布，剖面上的反向斷階組合斷裂，在平面上則呈平行式排列，剖面上為的地塹或白菜心式斷裂，在平面則呈平行式或斜交式展布，剖面上的調(diào)節(jié)型斷裂，平面上則呈正交式或分叉式組合等(圖2)。下部沙河街組單斷裂類型主要為鏟式和躺椅式，代表了長期活動特征，且后者比前者活動時間更長。剖面上的“入”字型的斷裂，在平面上則為斜交式組合，剖面上的地壘式組合斷裂，在平面上則呈平行式排列，剖面上的垂向剪切型斷裂，在平面上則呈雁列式展布等。由此可見，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)機制為單剪，總體上構(gòu)成了一套“X”型深淺疊加變形組合，中間存在短期的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象(圖2)。根據(jù)南堡凹陷中央隆起帶剖面斷裂特征，“X”型斷裂組合具有非對稱與對稱兩種形式，一種表現(xiàn)為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；另一種表現(xiàn)為下部兩支均為大斷距斷裂，上部兩支由多條小斷裂構(gòu)成，最后這些斷裂及其組合相互連鎖構(gòu)成更復(fù)雜的“X”構(gòu)造樣式[3]。

圖1 南堡凹陷區(qū)域構(gòu)造簡圖Fig.1 Regional structural diagram of Nanpu Sag

2 疊加斷裂形成機制

疊加斷裂實際上屬于一種縱向上先存斷裂與晚期斷裂之間相互影響、改造的疊合系統(tǒng)，其形成機制在于兩套地質(zhì)力學(xué)層之間的強度差異及應(yīng)力狀態(tài)的改變。

圖2 南堡凹陷3區(qū)疊加斷裂體系地震解釋結(jié)果(南北向剖面)Fig.1 Superimposed fault systems interpreted on seismic section (south-north) in Block 3 of Nanpu Saga—d.地震剖面位置如圖1中所示Ed1.東營組一段底；Ed2.東營組二段底；Ed3(s).東營組三段上砂層組底；Ed3(x).東營組三段下砂層組底；Es1(s).沙河街組一段上砂層組底；Es1(z).沙河街組二段中砂層組底；Es1(x).沙河街組一段下砂層組底；Es2.沙河街組二段底； Es3.沙河街組三段底

具有先存斷裂的地層在受到后期應(yīng)力作用下發(fā)生破裂，有時可以沿先存斷裂擴展，有時是完整的地層產(chǎn)生新的破裂[10]。從破裂機理來看，此種情況可細分為兩類：張破裂和剪破裂。

2.1 晚期張破裂

根據(jù)原始地層的強度變化以及應(yīng)力方向與先存斷裂之間的夾角關(guān)系，張破裂又可以細分為兩種成因類型：沿先存斷裂張開型和完整地層破裂型。當(dāng)先存斷裂被后期流體或角礫巖膠結(jié)充填時，有一定的抗拉強度，當(dāng)先存斷裂未被充填而開啟時，抗拉強度幾乎為零。因此由于先存斷裂的存在，會造成地層抗張強度遠遠降低，當(dāng)受到后期張應(yīng)力作用時，如果張應(yīng)力方向與先存斷裂走向垂直，最容易發(fā)生沿先存斷裂擴展的張破裂[10]。在三向不等的應(yīng)力場作用下，也可以造成地層發(fā)生張破裂，條件是在最小主應(yīng)力方向上產(chǎn)生張應(yīng)變，張破裂的延伸方向與最大主應(yīng)力方向平行。

2.2 晚期剪破裂

在受到后期三軸不等壓應(yīng)力場作用下，具有先存斷裂的地層既可以發(fā)生沿先存斷裂的剪切破裂，也可以發(fā)生完整地層的剪切破裂，而產(chǎn)生新的斷裂。沿先存斷裂的剪切破裂主要取決于先存斷裂的強度，完整地層的剪切破裂主要取決于地層的強度，而且與后期應(yīng)力場方向與先存斷裂的夾角有關(guān)。假設(shè)地層中有一組與最大主平面呈α角的先存斷裂(圖3a)，先存斷裂的強度曲線為圖3a中斜線1，地層強度曲線為圖中斜線2。在最小主應(yīng)力不變時，在最大主應(yīng)力作用下地層發(fā)生剪切破裂具有以下幾種情況。當(dāng)最大主應(yīng)力σ1=σmin時，應(yīng)力圓與先存斷裂的強度曲線相切。若斷裂與最大主平面的夾角α=1/2∠DO1C時，將沿先存斷裂發(fā)生剪切破裂，若α≠1/2∠DO1C，地層不會發(fā)生破裂。當(dāng)最大主應(yīng)力σ1繼續(xù)增大，處于σmin≤σ1≤σmax范圍內(nèi)，如圖3a中應(yīng)力圓②所示，應(yīng)力圓與先存斷裂強度曲線交于A,B兩點，若1/2∠BO2C≤α<1/2∠AO2C時，地層將發(fā)生沿先存斷裂的剪切破裂。當(dāng)最大主應(yīng)力σ1超過σmax時，應(yīng)力圓可以與地層的強度曲線相切甚至相交，可以達到完整地層發(fā)生剪切破裂的條件，會有新的斷裂產(chǎn)生。由此分析認為，具有先存斷裂的地層發(fā)生破裂的方式，即發(fā)生沿先存斷裂的破裂還是產(chǎn)生新的斷裂，與后期應(yīng)力場和先存斷裂走向的夾角及后期應(yīng)力大小密切相關(guān)。

圖3 先存構(gòu)造破裂機理及地質(zhì)力學(xué)層應(yīng)變不協(xié)調(diào)效應(yīng)圖(據(jù)Mclamore，1967)Fig.3 Diagrams showing mechanisms of shear rupture and uncoordinated deformational effect in geomechanical layers (Mclamore，1967)a.擠壓條件下先存構(gòu)造破裂三維莫爾圓；b.拉張條件下巖石強度隨應(yīng)力變化關(guān)系曲線；c.地質(zhì)力學(xué)層變形示意圖

2.3 疊加斷裂形成機制

先存斷裂的走向與后期應(yīng)力場方向之間的關(guān)系，影響兩期斷裂的疊加。Donath[11]，Mclamore[12],Jahanian[13]通過對具有先存斷裂的地層進行試驗認為，當(dāng)后期張應(yīng)力與早期斷裂夾角β小于30°時，地層的抗張強度最小，僅為地層無斷裂時抗張強度的22%～28%(圖3b)。由此認為當(dāng)后期張應(yīng)力與先存斷裂夾角β小于30°時，地層只沿先存斷裂擴展而不產(chǎn)生新的斷裂。Mclamore[12]對具有先存斷裂的地層在不同圍壓下進行實驗，結(jié)果表明當(dāng)先存斷裂走向與最大主應(yīng)力夾角β在30°～60°時，地層抗剪強度最低，容易沿先存斷裂發(fā)生擴展而不形成新斷裂；當(dāng)β小于30°或β大于60°時，可以產(chǎn)生新斷裂。

當(dāng)下伏或深部地層中的斷裂系統(tǒng)在垂向重力作用下，受晚期應(yīng)力場影響較小且主應(yīng)力方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，新破裂主要發(fā)生在上覆地層中，由于上、下兩套地層地質(zhì)力學(xué)強度存在差異，從而導(dǎo)致接觸截面“應(yīng)變不協(xié)調(diào)效應(yīng)”和橫向旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象(圖3c)[14]。在σ1，σ2，σ3三軸應(yīng)力作用下的復(fù)合地層，認為兩者是緊密粘合的，受力變形后地層界面不會發(fā)生滑動，上覆地層的彈性模量用Es表示，泊松比用μs表示，下伏地層的彈性模量用Em表示，泊松比用μm表示。一般情況下，Es>Em，μm>μs，在三軸擠壓應(yīng)力作用下，深部地層由于壓實作用較強烈，變形量相對較小，在地層界面處，會因橫向應(yīng)變約束條件派生出張、壓應(yīng)力，下伏地層的側(cè)壓應(yīng)力σ1m將會增加，而上覆地層的側(cè)壓應(yīng)力σ1s將會明顯減小。從而使復(fù)合地層界面處的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系可以得出在界面處的各應(yīng)力分量：

(4)

脆性地層斷裂的最大應(yīng)變能準則認為：當(dāng)巖石內(nèi)部積累的彈性應(yīng)變能大于產(chǎn)生斷裂體表面所需要的能量時，便發(fā)生斷裂[16-17]。由于下伏地層中的應(yīng)力、應(yīng)變減小，上覆地層中應(yīng)變會相應(yīng)增大，對比不難看出，上覆壓實較弱的巖層使界面處單位體積的彈性應(yīng)變能較深部壓實較強地層明顯小，從而產(chǎn)生斷裂的難度增大?？梢姡谲浻帛B置型的地層中，若兩者面積相差不大，那么破裂是繼承性發(fā)展還是沿著上覆地層產(chǎn)生新的破裂，與先存斷裂展布、應(yīng)力性質(zhì)以及兩套地層之間的力學(xué)性質(zhì)差異程度密切相關(guān)。

3 疊加斷裂物理模擬

綜合以上分析，同時結(jié)合前人研究成果，確定了構(gòu)造物理模擬實驗的相似系數(shù)、實驗材料和邊界、基底條件。南堡3區(qū)實際面積約為15 352×8 951 m2，沙河街組厚度約790 m，東營組厚度約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。利用聚苯塑料塊并進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)置活動聚苯塑料，提供實驗材料位移空間，代表凹陷北部沉積區(qū)(圖4a,b)。選用延展性較好的橡膠皮來模擬凹陷基底，通過橡膠皮的引張帶動上覆地層實現(xiàn)拉張和剪切作用?？紤]到實際地層的巖性特征，且為了保證實驗材料與實際地層的流變性質(zhì)相似，以及減少流變性差異對破裂帶幾何形態(tài)的影響，本次實驗選取密度為2.4 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成層。在實驗中按地質(zhì)歷史時期再現(xiàn)地質(zhì)運動與構(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、時間與變形的關(guān)系式中找出作用力的時間常數(shù)，從而達到實驗過程中形變與時間的對應(yīng)關(guān)系與地質(zhì)情況相吻合。依據(jù)多數(shù)前人的實驗，選擇1分鐘代表自然界中的1 Ma，沙河街組沉積末到東營組關(guān)鍵變形期所經(jīng)歷的時間約為13.5 Ma，本次實驗中沙河街組NW-SE向拉伸時間取10 min，再疊加?xùn)|營組SN向拉伸兼具左旋剪切取6 min，另外根據(jù)3區(qū)斷裂活動性定量計算結(jié)果，從沙三段沉積末開始到東三段沉積末經(jīng)歷了“強-弱-強-弱-強-弱”的演化歷程。

圖4 南堡3區(qū)疊加斷裂構(gòu)造物理模擬實驗過程及結(jié)果Fig.4 Structural physical simulation of superimposed fault systems in Block 3 of Nanpu Saga.南堡3號構(gòu)造Es1底斷裂系統(tǒng)；b.南堡3號構(gòu)造Ed2底斷裂系統(tǒng)；c1,c2.實驗進行3 min結(jié)果；d1,d2.實驗進行6 min結(jié)果；e1,e2.實驗進行11 min結(jié)果；f1,f2.實驗進行16 min結(jié)果

實驗初始，設(shè)定地層為水平狀態(tài)，彈性布四周粘結(jié)在實驗設(shè)備的圓形底座上，準備就緒后，左邊拉桿以0.04 mm/s速率進行北西-南東向拉伸。實驗進行3 min后，在沙北斷裂的控制下，開始發(fā)育一條NE走向的斷裂，說明在NW-SE向的伸展作用下產(chǎn)生近垂直的正斷裂(圖4c)。實驗進行6 min后，新產(chǎn)生兩條NE-SW向的斷裂，且前期南部斷裂逐漸擴展在尾端產(chǎn)生次級斷裂，3條主斷裂從南向北依次展布形成階梯狀排列(圖4d)，根據(jù)斷裂力學(xué)理論可知，由于斷裂部位(尤其是端部)會產(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。實驗進行9 min后，在前期變形的基礎(chǔ)上添加新的東營組，調(diào)整拉伸速率為0.02 mm/s，輕微順時針旋轉(zhuǎn)一定角度，繼續(xù)拉伸2 min，然后轉(zhuǎn)動圓形底盤，使拉伸方向較沙河街期旋轉(zhuǎn)45°，近南北方向(圖4e)，到11 min時，研究區(qū)在前期斷裂的位置開始出現(xiàn)斷裂痕跡，同時在斷裂尾端出現(xiàn)一系列左旋雁列式斷裂，進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4f)。

4 疊加斷裂數(shù)值模擬

南堡凹陷3區(qū)自古近紀以來，縱向上經(jīng)歷了沙河街期的NW-SE向強烈伸展斷陷階段、東營期的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)育也一定程度上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、材料強度參數(shù)、力學(xué)邊界條件、加載速率，并將地質(zhì)歷史時期的兩期構(gòu)造運動綜合起來，采用“統(tǒng)一模型、分段施力”的原則，最終實現(xiàn)縱向斷裂系統(tǒng)的疊加過程模擬和次級斷裂產(chǎn)生機制研究(圖5a)。

為了獲得地層圍壓條件下的巖石力學(xué)特征，對研究區(qū)8口井13塊巖心進行分組力學(xué)實驗，巖性涵蓋含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖和細砂巖等，按實際地質(zhì)情況，圍壓等級設(shè)計為10 MPa和20 MPa。有圍壓存在時，破裂形態(tài)為張剪性，隨圍壓增大剪切作用增強，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。從另一角度來看，研究區(qū)圍壓小于某值時，內(nèi)摩擦角φ較大，換算出的破裂角θ=45°-φ/2相對較小，以張性破裂為主，圍壓大于某值時，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８鶕?jù)試驗結(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，沙河組一段和東營組三段的密度接近，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，由于不整合面長期的風(fēng)化林慮作用，地層變得疏松，密度減小，平均為2.38 g/cm3，東三段為2.507 g/cm3，不整合附近密度為2.39 g/cm3，沙一段峰值強度平均為171.34 MPa，東三段峰值強度平均為213.41 MPa，不整合附近強度平均為191.73 MPa，相比來看，東三段泥巖峰值強度要高于沙一段，不整合面強度居中，而且圍壓越大，峰值強度越高(表1)。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[18-19]，取斷裂泊松比為0.27，彈性模量取18.0 GPa，密度取2.40 g/cm3，邊框的斷裂泊松比取0.22，彈性模量取18.0 GPa，密度取2.40 g/cm3。以構(gòu)造形跡統(tǒng)計結(jié)果為基礎(chǔ)，經(jīng)過反復(fù)試驗，最終確定了沙一段末和東三段末兩期古應(yīng)力方向及大?。篘W48°,49 MPa和SN,47 MPa，鑒于東三段末存在一定的左旋剪切應(yīng)力場，剪應(yīng)力設(shè)置為14 MPa。

模擬結(jié)果顯示：凹陷內(nèi)東營組最小主應(yīng)力分布不規(guī)則(圖5b)，整體為張應(yīng)力，在斷裂F5的西段應(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，應(yīng)力等值線的走向與凹陷的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)勢區(qū)域。東營組最大主應(yīng)力主要表現(xiàn)為負值，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期間受控于郯廬斷裂的正斷活動，兼有右行滑動，加上基底斷裂的影響，總體上以伸展作用為主，主斷裂之間存左在旋剪切作用，部分斷裂呈雁列式展布。如在東營組變形期左旋、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5c)。此類應(yīng)力環(huán)境與圖中東三段次級雁列式斷裂體系分布特征十分吻合。

表1 南堡3區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果Table 1 Rock mechanical parameters of Block 3 in Nanpu Sag

與東營組相比，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)，其它地區(qū)皆為拉張性質(zhì)，且拉/壓邊界受NE走向主斷裂的影響明顯，尤其在斷裂F2附近存在強烈的伸展應(yīng)力環(huán)境，控制產(chǎn)生了F2和F1之間的橫向斷裂(圖5d)。沙河街組平面剪應(yīng)力性質(zhì)具有明顯的分區(qū)特點，在斷裂F1和F3之間為右旋拉伸，其它地區(qū)為左旋拉伸，且在F2西段存在強烈剪切走滑趨勢，總體趨勢與東營組正好相反。作為巖石變形或破裂的主導(dǎo)因素，應(yīng)力強度(最大主應(yīng)力減去最小主應(yīng)力)在東營組和沙河街組內(nèi)分布差異大(圖5e—j)。盡管兩者高值區(qū)都位于F2和F5斷裂的西段，但東營組高值區(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)力強度區(qū)分布呈環(huán)形特征。結(jié)合以上地質(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，不僅會繼承性延伸，同時會在上覆地層內(nèi)形成新的次級斷裂。早期地層在深部潛山和古地貌的影響下，會發(fā)育一系列不對稱的地壘或單斷構(gòu)造，當(dāng)晚期地層內(nèi)應(yīng)力場發(fā)生改變后，首先會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)生繼承性活動并在平面內(nèi)延伸[20,9]，又可以消耗一部分能量。當(dāng)先存斷裂不能夠繼續(xù)活動時，則累計的構(gòu)造能量會在上部地層內(nèi)產(chǎn)生新的主斷裂，并進一步影響局部應(yīng)力場產(chǎn)生次級斷裂，如左旋剪切應(yīng)力場下容易產(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)狀不僅會產(chǎn)生差異，而且受潛山的頂托作用，張應(yīng)力會發(fā)生局部集中，在F2和F5斷裂重疊部位構(gòu)造活動尤其強烈，最終形成了研究區(qū)特殊的“X”型斷裂垂向疊加現(xiàn)象。

圖5 南堡3區(qū)疊加斷裂體系有限元模擬及應(yīng)力分布Fig.5 Finite element simulation for superimposed fault systems and the distribution map of stresses in Block 3 of Nanpu Saga.有限元多層地質(zhì)模型；b東營組最小主應(yīng)力；c.東營組平面剪應(yīng)力；d.沙河街組最小主應(yīng)力；e—j.應(yīng)力強度剖面

前人研究表明，南堡凹陷在屬性上它具有典型主動裂谷的特征，在演化上具有多幕拉張，中、新生代繼承性發(fā)育的特點，是一個中新生代上下疊置的復(fù)合型凹陷[21]。對渤海灣盆地的多期裂谷作用，前人早有論述，通常劃分為3個裂谷演化階段，即早侏羅世斷陷期、早白堊世斷陷期和古近紀孔店組、沙河街組、東營組斷陷期。中、新生代以來南堡凹陷與渤海灣盆地構(gòu)造演化規(guī)律大體相似[22-23]，但其古近紀構(gòu)造演化還賦有許多新的特點，主要表現(xiàn)在兩個方面：新生代裂谷演化具有明顯的多幕發(fā)育特點，新近紀中新世中期以來的構(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)在：斷裂作用加劇、拉張作用增強、沉積速率加快。

對于郯廬斷裂帶在新生代的活動，大多數(shù)觀點認為郯廬斷裂古近紀以來發(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[24]，不同時期的構(gòu)造活動，對于南堡凹陷的形成、演化和改造都有著重要的影響。其活動時間上可分為5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5個活動階段[19]，平面上可分為3段(北段：肇興—沈陽；中段：沈陽—宿遷；南段：宿遷—廣濟)。尤其是近年來沿斷裂帶頻繁發(fā)生的地震表明，郯廬大斷裂具有明顯的壓扭特征，時而左旋，時而右旋?？梢哉J為：渤海灣盆地內(nèi)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。

郯廬大斷裂在古近紀早期的活動性質(zhì)及強度在不同的地段具有不同的表現(xiàn)，可劃分為4段；南段張裂活動、中段(沂沭斷裂帶)右行走滑運動、北段張裂活動，最北端斷裂活動不明顯，在相當(dāng)于凹陷孔店組沉積時期，斷裂中段對南堡凹陷產(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6)。

中始新世初期，太平洋板塊開始向西俯沖，造成了我國東部構(gòu)造應(yīng)力場的轉(zhuǎn)變，以SE102°-NW 282°的主壓應(yīng)力為主，郯廬斷裂帶活動性質(zhì)也隨之改變?；疽匀R州灣為界，分為南、北兩段，在南段，由于受近東西向擠壓應(yīng)力作用，以擠壓-逆沖活動為特征為主[25]，北段具有一定的繼承性，以正斷活動為主，兼有右行滑動，但活動強度較前一時期弱。這個時期相當(dāng)于南堡凹陷的沙河街和東營期，其中沙河街早中期是應(yīng)力場發(fā)生轉(zhuǎn)化的時期，由北東向伸展逐漸轉(zhuǎn)換為南北向伸展兼具走滑特征，因此，在東營組沉積開始后，便在早期北東向斷裂的基礎(chǔ)上繼承性發(fā)育形成一系列近東西向斷裂，活動主斷裂之間另外發(fā)育了一系列左旋走滑雁列式斷裂。中新世至早更新世時期，我國東部地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的主壓應(yīng)力方向為NE70°-SE170°，在這一背景下，郯廬斷裂帶發(fā)生了正斷或走滑運動，其活動強度為南弱北強，且以渤海灣活動最為強烈。

根據(jù)地震解釋結(jié)果，南堡3區(qū)內(nèi)主要發(fā)育3組斷裂體系：邊界弧形斷裂體系(新近紀趨于停止)、北東向斷裂體系(為二級斷裂，分支斷裂為北西向，極為發(fā)育，漸新世早期開始發(fā)育，晚期斷裂活動加劇，至古近紀斷裂活動趨于停止)、東西向斷裂系(形成于漸新世，結(jié)束于古近紀末期，是控晚期疊加構(gòu)造演化的主要因素)。根據(jù)里德爾剪切發(fā)育模式，沙二段沉積期主要以北東向一級主控斷裂為主(相對級別)，容易派生形成斜交斷裂，同時斷裂間伴生左旋走滑次級斷裂，但不代表區(qū)域應(yīng)力場。進入東營期，由于拉張活動強度的逐漸減弱和右旋走滑活動的產(chǎn)生，斷裂體系也發(fā)生相應(yīng)的改變，在郯廬大斷裂整體南北向拉張兼具右旋走滑的背景下，早期北東向沙河街斷裂及古潛山構(gòu)造派生次級右旋走滑分力，東營組蓋層容易變形，發(fā)生左旋剪切成雁列式斷裂。根據(jù)格里菲斯準則，北東向斷裂在尾端部位發(fā)生繼承性活動，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)早期斷階式主控斷裂繼承性發(fā)育時，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)。

圖6 郯廬斷裂中始新世—漸新世活動對南堡3區(qū)斷裂發(fā)育的控制模式Fig.6 Controlling mode of major Tan-Lu faulting on development of faults in Block 3 of Nanpu Sage from the Eocene to Oligocene

5 結(jié)論

1) 南堡凹陷3區(qū)古近系東營組-沙河街組中“X”型疊加斷裂體系普遍發(fā)育，主要呈現(xiàn)為對稱和不對稱兩種組合形式，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程，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)疊合盆地內(nèi)區(qū)域地質(zhì)背景對多期構(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)測低級序斷裂的有利發(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)強度、晚期應(yīng)力強度、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)力場發(fā)生改變時，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，地層抗張強度最小，此時，只沿先期斷裂擴展而不產(chǎn)生新的斷裂，垂向上，沙河街和東營組兩套地質(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時，容易發(fā)生“變形不協(xié)調(diào)”和應(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以來活動的旋回性、分段性和力學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)變，經(jīng)歷了古近紀地殼單元的單剪切變形和純剪切變形機制的疊加，進入東營期后，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向沙河街斷裂及古潛山上拱派生次級右旋走滑分力，東營組蓋層容易變形，發(fā)生左旋剪切形成雁列式斷裂。

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