基于構(gòu)造物理模擬實驗的走滑量求取

吳 奎 何 京 張中巧 張江濤 張金輝

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

構(gòu)造物理模擬實驗是再現(xiàn)含油氣構(gòu)造體系形成、演化過程的一種主要方法，可以追蹤其形成的動力學(xué)成因機制，論證油氣分布的有利層段和區(qū)域[1-6]，對于盆地演化[7-8]、構(gòu)造變形[9]以及斷裂成因[10-13]機制研究具有簡單可行、直觀高效的優(yōu)勢。估算走滑斷裂走滑量的方法各有利弊，需根據(jù)實際地質(zhì)情況和現(xiàn)有資料選擇使用。

走滑斷裂兩盤地質(zhì)體對比法[14-17]是估算走滑量的最直觀方法，在理論上最準(zhǔn)確，其關(guān)鍵在于尋找可靠的地質(zhì)參考點，但是難度較大，尤其是在盆地區(qū)往往由于地層覆蓋而難以找尋。此外，還有古地磁法[18]、地殼變形速度法[19]等。針對盆地區(qū)，可以依據(jù)拉分盆地中盆地沉降(或抬升)速率與邊界斷層走滑速率之間的數(shù)值關(guān)系計算走滑量[20-22]，如彭文緒等[23]采用半地塹模型計算萊州灣坳陷新生代的水平走滑量。需要指出的是，上述方法都有局限性和適用范圍。近年來，構(gòu)造物理模擬實驗被廣泛用于盆地構(gòu)造的半定量—定量研究，如單家增等[8]根據(jù)模型相似系數(shù)得到遼河坳陷新近紀(jì)的右旋走滑量，童亨茂等[24]采用構(gòu)造解析和物理模擬實驗相結(jié)合的方法計算遼河西部凹陷新生代的右旋走滑量。

遼中凹陷是渤海海域的富烴凹陷之一，其剩余資源規(guī)模達到11.9×108t，迄今為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了旅大21-2、金縣1-1等多個大中型油氣田，是中海石油最重要的勘探區(qū)塊之一。位于中國東部的郯廬斷裂帶貫穿遼中凹陷，走滑活動異?；钴S，對早期構(gòu)造具有強烈改造作用?，F(xiàn)有研究成果證實，遼中凹陷與遼河盆地相同，具有古近紀(jì)早期大陸裂谷拉張變形和后期右行走滑變形的兩期演化特征[7,25]。因此，研究遼中凹陷走滑斷裂的典型特征，對于該區(qū)構(gòu)造認識、斷裂解釋以及了解油氣成藏規(guī)律至關(guān)重要。本文利用現(xiàn)有鉆井資料、地震解釋成果，結(jié)合區(qū)域特殊斷裂特征，運用構(gòu)造物理模擬方法深入研究遼中凹陷走滑斷裂典型特征、斷裂演化以及形成機理，同時計算了主干斷裂走滑量，為類似地區(qū)走滑量計算提供一種新思路。

1 區(qū)域概況

遼東灣坳陷是下遼河坳陷的海域延伸，構(gòu)造整體呈北東走向，凸起與凹陷相間分布，自西向東分別發(fā)育遼西南凸起、遼西凹陷、遼西凸起、遼中凹陷、遼東凸起以及遼東凹陷共6個二級構(gòu)造單元，表現(xiàn)為“三塹夾三壘”的構(gòu)造格局，其中遼中凹陷位于遼西凸起與遼東凸起之間，主要發(fā)育LZ1走滑斷裂，地層表現(xiàn)為“東斷西超”特征(圖1)。

圖1 區(qū)域構(gòu)造圖

鉆井資料以及地震解釋結(jié)果表明，遼東灣坳陷新生界發(fā)育較齊全。新生代以來渤海灣盆地主要存在6期構(gòu)造運動[26-27]： ①古新世—始新世早期，即孔店組—沙四段沉積時期發(fā)育裂陷Ⅰ幕(65～42Ma)；②始新世沙三段沉積期為裂陷Ⅱ幕(42～38Ma)；③始新世沙一段、沙二段沉積期的盆地第一裂后熱沉降拗陷階段(38.0～32.0Ma)；④漸新世東營組沉積期為裂陷Ⅲ幕(32.0～23.3Ma)；⑤館陶組至明下段沉積期的第二裂后熱沉降階段(23.3～5.3Ma)；⑥上新世明化鎮(zhèn)組—第四系沉積期，發(fā)生新構(gòu)造運動(5.3Ma至今)。新生代以來共發(fā)育孔店組、沙河街組、東營組、館陶組、明化鎮(zhèn)組以及第四系平原組地層。遼東灣坳陷局部地區(qū)由于構(gòu)造活動差異導(dǎo)致部分沉積地層缺失，這也是構(gòu)造演化分析的證據(jù)。

1.1 斷裂體系平面特征

一級斷裂控制了凸起和凹陷的形成和演化。連片地震資料精細解釋結(jié)果表明，在遼中凹陷發(fā)育3條一級斷裂，自西向東分別為LZ1、LZ2、LD1。LZ1在遼東灣坳陷南部海域控制了遼東凸起南塊，北部延伸進入遼中凹陷；LD1和LZ2分別為遼東凸起的東、西兩側(cè)邊界(圖1)。遼中凹陷南部洼陷同時發(fā)育一系列二級斷裂，自西向東分別為LD21、LD16、中央斷裂，這3條斷裂相互疊置，走滑特征明顯，共同控制了遼中凹陷南洼反轉(zhuǎn)帶的形成。

LZ1的北部為發(fā)育于遼中凹陷內(nèi)部的重要走滑斷裂，南部取代LZ2成為遼中凹陷的東界控凹斷裂，延伸距離約為125km，平面上呈NNE向，延伸較遠，貫穿整個遼中凹陷。LZ1北段走滑弱，次級斷裂較多，與主斷裂構(gòu)成帚狀體系(圖2)；LZ1中段走滑強，局部具走滑雙重特征，走滑斷裂平行展布，斷裂帶緊閉，連續(xù)性好；LZ1南段走滑弱，斷裂帶較寬，斷面不連續(xù)，由一系列近EW向次級斷裂構(gòu)成；LZ1在遼中凹陷南洼段走滑強，斷裂帶緊閉，淺部發(fā)育雁列式斷裂體系。

LZ2為遼中凹陷北洼的東界控凹斷裂，延伸距離約為120km，平面上呈NNE向，整體呈弱彎曲的“S”形。LZ2北段連續(xù)性好，南段在深層發(fā)育明顯，淺層特征不明顯，對地層控制作用減弱。

LD1為遼東凹陷的控凹斷裂，延伸距離約為130km，平面上延伸較遠，呈NNE向，整體發(fā)生弱彎曲，斷面連續(xù)。在淺部LD1北段的斷面緊閉，而南段略寬；深部斷面不清晰，斷裂帶發(fā)育較寬。

LD21、LD16、中央斷裂是二級走滑斷裂，平面上LD21與LD16相交，LD16與中央斷裂呈近似平行右旋左接疊置。淺層由一系列近EW向次級斷裂沿走向呈密集雁列式展布(圖3)；中深層斷裂連續(xù)性較好，次級斷裂數(shù)量減少；深部斷面不清晰。

圖3 展示雁列式斷裂的相干切片(遼中凹陷南部)

1.2 斷裂體系剖面特征

LZ1斷面陡立，切割深度大，斷面傾向多變，北部為SE傾，中部和南部為NW傾，具有“絲帶效應(yīng)”；主斷裂與上部次級斷裂組成花狀構(gòu)造或似花狀組合。

LZ2與LD1控制了遼東凸起的結(jié)構(gòu)特征，遼東凸起整體表現(xiàn)為東西“雙斷式”結(jié)構(gòu)。剖面上主斷面傾向NW，傾角較大，自北向南傾角逐漸變小，上部與次級斷層形成“Y”字型組合或似花狀構(gòu)造，具張扭性質(zhì)。地震剖面解釋成果(圖4、圖5)表明，遼東凸起向南逐漸消失，遼中凹陷的東界控凹斷層轉(zhuǎn)為LZ1。根據(jù)差異性將LD1在剖面上分為南、北兩段：北段為遼東凹陷的西部邊界斷裂，傾角較大，次級斷裂少；南段為凸起的走滑斷裂，斷裂近直立，發(fā)育花狀構(gòu)造。

圖4 Inline 8720地震剖面

圖5 Inline 7230地震剖面

LZ1、LZ2、LD1等3條一級斷裂控制了遼中凹陷主體區(qū)，至遼中凹陷南洼一級斷裂逐漸消亡，轉(zhuǎn)換為中央斷裂、LD16、LD21等3條二級斷裂(圖6)。對研究區(qū)上述6條主干斷裂沿斷裂走向選取多個計算點，通過統(tǒng)計分析各時期地層厚度差，并結(jié)合各套地層的沉積時間，進而計算每條斷裂在不同時期的平均垂向活動速率(圖7)。結(jié)果表明：沙三段及東三段沉積期是斷裂垂向活動的兩個高峰；一級斷裂總體垂向活動性較強，以LZ1、LZ2活動性最強，二級斷裂活動性較弱，以中央斷裂活動性最強。上述結(jié)果證明LZ1、LZ2、中央斷裂在沙三段和東三段沉積時期存在強烈的伸展運動。結(jié)合斷裂體系平面特征及方差切片，綜合前人關(guān)于遼中凹陷以及遼河?xùn)|部凹陷的構(gòu)造演化認識，將新生代構(gòu)造演化分為三個主要階段[28-30]。

(1)古近紀(jì)早期(孔店組—沙三段沉積期)的弱走滑、強拉張時期。太平洋板塊以NNW向俯沖于歐亞板塊，俯沖速率為10cm/a，印度板塊以17cm/a的速率高速向歐亞大陸俯沖，這種不對稱的俯沖作用導(dǎo)致軟流圈向東“蠕散”，對巖石圈產(chǎn)生拖拽作用，致使巖石圈減薄[31]。始新世時期，太平洋板塊、印度板塊俯沖速率降低，大洋板塊伸展到華北地區(qū)巖石圈下方，發(fā)生熔融，引起地幔上涌，導(dǎo)致巖石圈上隆，誘發(fā)NW—SE向裂陷伸展。遼東灣坳陷內(nèi)主干斷裂多呈NNE向，次級斷裂呈NNE或NE向，盆地整體表現(xiàn)為NE向的“塹壘”構(gòu)造格局。

圖6 Inline 4880地震剖面

圖7 主干斷裂垂直活動速率

(2)古近紀(jì)中晚期(東營組沉積期)的強走滑、弱拉張時期。太平洋板塊以NWW向俯沖于歐亞板塊，同時印度板塊仍以17cm/a的速率向歐亞板塊俯沖，對其施加NE向的擠壓力，致使華北板塊向東移動，沿先存斷裂帶產(chǎn)生右行張剪運動，誘發(fā)NE—SW向擠壓、NW向拉張作用。遼東灣坳陷整體的格局與前期相差不大，但斷裂連續(xù)性變差，LZ1、LZ2和LD1發(fā)育走滑構(gòu)造；遼中南洼斷裂體系由一系列NE、近EW向次級斷裂沿走向呈雁列式排列；全區(qū)次級斷裂體系極其發(fā)育，構(gòu)造樣式豐富，走滑派生構(gòu)造發(fā)育。東部遼中凹陷受走滑影響更大。

(3)新近紀(jì)(館陶組—明化鎮(zhèn)組沉積期)的弱走滑、弱擠壓時期。太平洋板塊加速向歐亞板塊俯沖，致使渤海灣盆地內(nèi)的走滑作用仍然活躍；印度—澳大利亞板塊和菲律賓海板塊碰撞，造成菲律賓海板塊順時針旋轉(zhuǎn)并向北快速運動，日本海大規(guī)模擴張，印度板塊向歐亞板塊俯沖速率較低，渤海灣盆地主要受NEE—SWW向擠壓。由于巖石圈的均衡作用及地幔隆起降溫，地殼沉降，盆地的伸展作用明顯減弱，渤海灣盆地從此進入拗陷階段，成為全區(qū)統(tǒng)一的大型坳陷[31-32]。走滑斷裂繼承性發(fā)育，但強度較弱，主斷裂連續(xù)性很差，近EW向斷裂全區(qū)發(fā)育且更加密集。

2 物理模擬實驗

為了模擬遼中凹陷走滑作用，設(shè)計了3組沙箱模擬實驗。實驗材料選取干燥石英砂，其變形遵循庫侖破壞準(zhǔn)則，是模擬上地殼變形的理想材料，已經(jīng)被大量用于構(gòu)造物理模擬實驗[7-8,33-36]。本文所有實驗均選取160～200目干燥石英砂作為模擬材料，底部鋪設(shè)橡膠皮作為應(yīng)力傳遞介質(zhì)。為更直觀、準(zhǔn)確地反映伸展量，將石英砂染色作為標(biāo)志層進行分層鋪設(shè)，模型砂層厚度為5cm，研究區(qū)地層厚度為5.0km，即相似比為1×10-5。研究區(qū)縱向延伸約130km，實驗?zāi)Ｐ烷L度為30cm，即此方向的相似比為2.3×10-6。實驗過程中驅(qū)動單元勻速運動，兩側(cè)驅(qū)動單元速度相同，實驗每隔一分鐘拍照、記錄一次(走滑量為0.2cm)。實驗結(jié)束后，使用明膠過飽和溶液對砂箱進行固結(jié)，獲得實驗結(jié)果剖面，進而對平面和剖面伸展量進行統(tǒng)計，每組實驗均重復(fù)兩次，以保證可重復(fù)性。

2.1 兩條主走滑斷裂平行側(cè)列模型

設(shè)計實驗?zāi)Ｐ?圖8)模擬LZ1中部走滑雙重斷裂(圖1、圖5)。由實驗過程(圖9)可見：當(dāng)走滑量為1.20cm時，疊置區(qū)內(nèi)發(fā)育雁列式次級斷裂，中部最先開始活動；隨著走滑量的增大，疊置區(qū)內(nèi)次級斷裂發(fā)育數(shù)量增多，平面組合樣式復(fù)雜化，并不斷沿走滑運動方向向兩側(cè)增生；當(dāng)走滑量為6.00cm時，主走滑斷裂的斷面清晰，側(cè)接區(qū)域內(nèi)次級斷裂十分發(fā)育。沿受力方向在疊置區(qū)域切一條實驗結(jié)果剖面，可見一系列小型正斷層組成的翹傾斷塊、塹壘或“Y”字形組合樣式(圖10)。經(jīng)測量可知，本次實驗共計走滑量為7.20cm，疊置區(qū)內(nèi)次級斷裂累計水平伸展量為4.84cm，即伸展量與走滑量比率為67.22%。

圖8 兩條走滑斷裂平行側(cè)列的實驗?zāi)Ｐ?/p>

圖9 兩條主走滑斷裂平行側(cè)列實驗過程照片(d為走滑量)

圖10 兩條主走滑斷裂平行側(cè)列實驗結(jié)果

2.2 兩條主走滑斷裂不平行側(cè)列模型

設(shè)計實驗?zāi)Ｐ?圖11)模擬遼中凹陷南部LD16與LD21斷裂不平行側(cè)列(圖1、圖6)。由實驗過程(圖12)可見：當(dāng)雙側(cè)走滑量為1.2cm時，側(cè)接區(qū)域中部雁列狀斷裂開始活動；當(dāng)走滑量為2.8cm時，左、右兩側(cè)主走滑斷裂的斷面連續(xù)，側(cè)接區(qū)次級斷裂數(shù)量增多，由中間沿走滑運動方向向兩側(cè)增生；當(dāng)走滑量為6.0cm時，主走滑斷裂的斷面連續(xù)且清晰，側(cè)接區(qū)域內(nèi)次級斷裂十分發(fā)育。由實驗結(jié)果剖面可見一系列小型正斷層組成“Y”字形組合樣式或翹傾斷塊構(gòu)造樣式(圖13)。經(jīng)測量可知，實驗兩側(cè)基底總走滑量為6.80cm，累計水平伸展量為4.62cm，即伸展量與走滑量比率為67.94%。

2.3 單條主走滑斷裂模型

設(shè)計一條純剪切模式(圖14)主斷裂，其走向與走滑運動方向平行，主要模擬LZ1斷裂尾部(圖1、圖4)。由實驗過程(圖15)可見： 走滑運動初期次級斷裂靠近活動單元一側(cè)(即靠近主斷裂、遠離斷裂尾端一側(cè))發(fā)育；隨著走滑量不斷增大，當(dāng)走滑量為1.8cm時，平面上次級斷裂逐漸向斷裂尾端增生，且數(shù)量變多、規(guī)模逐漸增大、平面延伸距離變長；當(dāng)單側(cè)走滑量為2.6cm時，主走滑斷面貫通，次級斷裂繼續(xù)向尾端增生；當(dāng)走滑量為4.8cm時，主斷裂一側(cè)的派生次級斷裂十分發(fā)育，形成帚狀次級斷裂體系，與主斷裂共同組成“拉張馬尾扇”構(gòu)造。由實驗結(jié)果剖面可見一系列小型正斷層組成“Y”字形、多級“Y”字形組合或翹傾斷塊構(gòu)造樣式(圖16)。對最終結(jié)果進行統(tǒng)計計算可知，實驗中總走滑量為4.8cm，總水平伸展量為3.1cm，即伸展量與走滑量比率為64.58%。

圖11 兩條走滑斷裂不平行側(cè)列的實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)置兩條走滑斷裂交角為12°，側(cè)接長度(l1)為18cm，窄邊寬為4cm，寬邊寬為7.5cm

圖12 兩條主走滑斷裂不平行側(cè)列實驗過程

圖13 兩條主走滑斷裂不平行側(cè)列實驗結(jié)果

圖14 單條主走滑斷裂尾端的實驗?zāi)Ｐ蛨D

圖15 “拉張馬尾扇”模式及物理模擬實驗結(jié)果圖

圖16 單條主走滑斷裂尾端實驗結(jié)果

3 走滑量計算

考慮遼東灣坳陷的地質(zhì)特征，利用構(gòu)造物理模擬實驗確定了遼東灣坳陷主干斷裂走滑量與派生次級斷裂水平伸展量之間的定量轉(zhuǎn)換關(guān)系，進而估算遼東灣坳陷走滑斷裂的走滑量。

兩條主走滑斷裂平行側(cè)列模型、兩條主走滑斷裂不平行側(cè)列模型、單條主走滑斷裂模型等3組實驗結(jié)果的平面和剖面伸展量表明(表1)，兩條側(cè)接走滑斷層之間、單條走滑斷層尾端均發(fā)育與主走滑斷層高角度斜交的大量次級斷層，剖面上具有明顯的垂向落差，體現(xiàn)了由走滑位移向伸展位移的轉(zhuǎn)變，上述3組實驗的伸展量與走滑量比率分別為67.22%、67.94%、64.58%。將模擬結(jié)果與實際相干切片對比后認為，遼東灣坳陷的實際走滑特征可由后2組實驗過程所表征，即約有2/3的走滑量轉(zhuǎn)化為水平伸展量。

表1 伸展量與走滑量轉(zhuǎn)換關(guān)系結(jié)果

需要指出的是，上述水平伸展量是指走滑斷裂派生次級斷層的水平伸展量。由于新生代渤海海域乃至整個中國大陸東部發(fā)生了大規(guī)模的地幔上涌、巖石圈減薄，導(dǎo)致淺部地殼發(fā)生水平拉張，這種拉張同樣對NNE向主干走滑斷裂派生次級斷裂的水平伸展具有貢獻，因此由地震剖面得到的走滑斷裂附近派生次級斷裂的水平伸展量實際上還包含地幔上涌造成的水平拉張效應(yīng)。因此，可以認為近EW(NWW—SEE)向測線反映的水平拉張量主要由地幔上涌所致，走滑的貢獻較小。此外，從理論上講，地幔上涌產(chǎn)生的水平拉張量在各個方向基本相近，而近SN(NNE—SSW)向測線反映的水平拉張量展示了地幔上涌與走滑作用的疊加效應(yīng)，因此將近SN向測線反映的水平拉張量減去地幔上涌產(chǎn)生的水平拉張量，便得到走滑作用產(chǎn)生的水平拉張量。再依據(jù)前述構(gòu)造物理模擬實驗得到的走滑量與走滑派生斷裂的水平伸展量的關(guān)系，可以推算研究區(qū)各走滑斷裂水平位移量，具體公式為

L=L0(1-β)×(3/2)

(1)

式中：L為走滑斷裂走滑量；L0為走滑派生斷裂水平伸展量；β為水平伸展率，是盆地伸展量與沉積時間的比值，不同方向的伸展率揭示了不同演化階段的應(yīng)力強弱變化。遼東灣坳陷主要發(fā)育NNE向的走滑應(yīng)力和NW—SE向的伸展應(yīng)力。NW—SE向剖面垂直于構(gòu)造單元，該方向的伸展率反映了遼東灣坳陷各地質(zhì)時期伸展應(yīng)力的強弱變化。綜合已有研究成果，獲得了盆地的伸展率，計算得到不同演化階段主干斷裂的走滑量(表2)。應(yīng)用特殊地質(zhì)體計算走滑量是十分可靠的手段[14-17]，表明LD1斷裂北部館陶組底部砂礫巖特殊巖性體自新近紀(jì)以來的走滑量(約為2.7km)與本文計算結(jié)果(3.07km，表2)差別不大，從而驗證了文中結(jié)果的正確性。

表2 遼東灣坳陷主干斷裂新生代各演化階段的走滑量計算結(jié)果

4 結(jié)論

基于遼中凹陷斷裂體系的平面、剖面特征，完成了兩條主走滑斷裂平行側(cè)列、兩條主走滑斷裂不平行側(cè)列、單條主走滑斷裂等3組斷裂樣式的構(gòu)造物理模擬。在平面上展現(xiàn)了雁列狀、帚狀斷裂體系，在剖面上再現(xiàn)了“負花狀”構(gòu)造樣式，在不同走滑量下定量統(tǒng)計了次級斷裂伸展量與走滑量的關(guān)系，從而計算出遼東灣東部一級斷裂的走滑量。通過模擬走滑斷裂的演化過程，得到以下認識：

(1)遼中凹陷在平面發(fā)育一系列雁列、帚狀斷裂體系，主要發(fā)育在LZ1斷裂尾端以及走滑斷裂上部淺層，主要受控于漸新世右旋走滑活動。

(2)隨著走滑量增加，先后形成雁列、帚狀斷裂體系、平面貫通斷裂形態(tài)，雁列、帚狀斷裂體系可作為深層走滑斷裂解釋的基本依據(jù)。

(3)走滑量定量模擬統(tǒng)計分析表明，伸展量與走滑量比率約為3∶2，遼東灣坳陷三條一級斷裂在東營期走滑作用最強，LZ1斷裂走滑量最大。