蔡 蕊，劉 浩

(俄羅斯國(guó)立石油天然氣大學(xué)，莫斯科 109807)

引 言

高柳斷裂帶位于河北省唐山市灤南縣和唐?？h境內(nèi)，區(qū)域構(gòu)造位于南堡凹陷。南堡凹陷因其形成過(guò)程的復(fù)雜性致使凹陷發(fā)育許多內(nèi)部斷裂，地下地質(zhì)情況非常復(fù)雜［1－2］，南堡凹陷既處于北東—北北東走向的黃驊坳陷的東北端，也處于北西西向的北京—塘沽—蓬萊走滑活動(dòng)斷裂帶的中部，是1個(gè)較為典型的走滑拉分構(gòu)造位，其與區(qū)域性的幾何學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)具有相似性。經(jīng)過(guò)20多年的勘探開發(fā)，對(duì)南堡凹陷構(gòu)造變形機(jī)制研究不斷深入［3－5］，但其研究?jī)H限在沉積相方面。本文以高柳斷裂帶古近系沙三3亞段構(gòu)造變形為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)物理模擬的手段，深入研究其構(gòu)造變形的形成機(jī)制，并對(duì)現(xiàn)有地質(zhì)認(rèn)識(shí)成果進(jìn)行驗(yàn)證，以確定其構(gòu)造特征及形成機(jī)制，為高柳斷裂帶油氣勘探開發(fā)提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。

構(gòu)造物理模擬是探討構(gòu)造變形機(jī)制的有效方法，已被廣泛應(yīng)用于各類構(gòu)造研究，為探討高柳斷裂帶變形的形成機(jī)制，筆者設(shè)計(jì)了大量平面砂箱實(shí)驗(yàn)，通過(guò)解剖典型實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際斷裂系統(tǒng)對(duì)比，提出高柳斷裂帶是在165°拉張應(yīng)力作用下形成的伸展構(gòu)造。

1 地質(zhì)背景

圖1 南堡凹陷主控?cái)鄬臃植?/p>

南堡凹陷北側(cè)邊界斷層為西南莊斷層和柏各莊斷層，在平面上呈“人”字形展布(圖1)，南側(cè)邊界斷層主要為沙北斷層、曹妃甸斷層等。南堡凹陷內(nèi)部斷裂極為發(fā)育［6］，主要發(fā)育北東東向斷層，其中高柳斷裂帶屬于南堡凹陷次級(jí)構(gòu)造變形帶，夾于高柳斷層、西南莊斷層和柏各莊斷層之間，其形成主要與北東走向的西南莊構(gòu)造帶、北西走向的柏各莊構(gòu)造帶的演化過(guò)程有關(guān)，高柳斷層是1條長(zhǎng)期繼承性發(fā)育的同生斷層［7］。

2 高柳斷裂帶沙三3平面構(gòu)造變形特征

構(gòu)造樣式是盆地內(nèi)具有內(nèi)在聯(lián)系的地質(zhì)組合體［8］，常受控于主干斷層的幾何學(xué)特征和運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律［9］，對(duì)構(gòu)造樣式的研究即建立在斷裂研究的基礎(chǔ)之上。南堡凹陷內(nèi)部斷裂發(fā)育，在沙河街組沉積末期，凹陷已發(fā)育南傾的控盆大斷裂，基本上控制了凹陷的構(gòu)造格局［10］，高柳斷裂帶北部發(fā)育多條北東東—近東西向北傾正斷層，呈平行帶狀、梳狀展布，東西兩側(cè)與柏各莊斷裂和西南莊斷裂相交。從總體上說(shuō)，沙河街組地層中斷層比較發(fā)育。南部被斷層切割成多個(gè)小斷塊，地層整體南東傾，向北西逐漸抬升。主要發(fā)育3組斷層，其中最主要的斷層特征為走向北東向、傾向北西、斷距大、平面延伸長(zhǎng)，且在南端沿高柳斷層邊界呈雁列式排布。

3 模型設(shè)計(jì)

3.1 模型原理

大量模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明構(gòu)造變形的過(guò)程主要受幾何條件控制，與巖石力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力大小的關(guān)系較小［11－12］。構(gòu)造物理模擬的實(shí)質(zhì)是變形幾何學(xué)方法，通常是根據(jù)研究對(duì)象的變形樣式確定模型的邊界條件和受力方式，僅考慮應(yīng)力方向。因此，構(gòu)造物理模擬方法是重現(xiàn)構(gòu)造變形過(guò)程、研究構(gòu)造變形行為等問(wèn)題的主要方法。

3.2 設(shè)計(jì)原則

在物理模擬設(shè)計(jì)上重點(diǎn)遵循相似性原則與分解原則，根據(jù)研究區(qū)域的最新認(rèn)識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)來(lái)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果逼近地下實(shí)際，同時(shí)將這些因素逐步分解，以達(dá)到簡(jiǎn)化模型設(shè)計(jì)的目的;同時(shí)還充分考慮逐步逼近原則與可重復(fù)的原則。

3.3 模型裝置

模型邊界形態(tài)與高柳斷裂帶邊界形態(tài)基本一致，實(shí)驗(yàn)砂箱模型長(zhǎng)度隨模型方向的變化而變化，但砂箱內(nèi)主斷層(西南莊斷層與柏各莊斷層)比例一致，砂箱基底由橡皮和帆布鋪設(shè)，橡皮和帆布的彎曲交接邊界模擬的是區(qū)域上柏各莊斷層和西南莊斷層的實(shí)際走向。上側(cè)擋板固定，下側(cè)擋板可由馬達(dá)拉伸。實(shí)驗(yàn)材料選用廣泛應(yīng)用于脆性變形研究的松散石英砂［13－15］，粒徑為 60～80目，砂層厚度為4.5 cm，實(shí)驗(yàn)溫度為25℃。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

平面模擬實(shí)驗(yàn)共完成20組，本文重點(diǎn)剖析其中有代表性的5組實(shí)驗(yàn)，并對(duì)5組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重復(fù)模擬驗(yàn)證。砂箱模型基本參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)1至實(shí)驗(yàn)4基底帆布上放置聚苯泡沫，泡沫厚度為2 cm，實(shí)驗(yàn)5基底帆布上放置硬紙板，紙板厚度為0.8 cm。先假定砂箱擋板長(zhǎng)與寬交角為正北方向，拉伸方向與柏各莊斷裂帶和西南莊斷裂帶斜交。

表1 實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)

(1)實(shí)驗(yàn)1。在柏各莊和西南莊主控?cái)鄬拥耐蛊鹛?，分別形成與之對(duì)應(yīng)的傾向北西的雁列式斷層;在右側(cè)擋板一側(cè)，受柏各莊斷層影響，發(fā)育傾向北北西的雁列式斷層。傾向南西的斷層基本發(fā)育在拉伸端一側(cè)。

(2)實(shí)驗(yàn)2。在西南莊主控?cái)鄬拥耐蛊鹛?，形成與之對(duì)應(yīng)的傾向北東的雁列式斷層;在砂箱中部，受柏各莊斷層和西南莊斷層共同影響，發(fā)育規(guī)模較大的傾向北西的雁列式斷層。傾向南西的斷層分布在右側(cè)擋板及拉伸端一側(cè)。

(3)實(shí)驗(yàn)3。在柏各莊和西南莊主控?cái)鄬咏唤缣幮纬梢坏貕q;在柏各莊和西南莊主控?cái)鄬舆吔?，發(fā)育與之對(duì)應(yīng)的傾向北西和北東的雁列式斷層;在砂箱左側(cè)擋板一側(cè)，形成傾向北東的雁列式斷層。在拉伸端一側(cè)形成規(guī)模較大的走向北東東向、傾向北北西向和南南東向的斷層。該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退M出的斷裂系統(tǒng)與實(shí)際斷裂系統(tǒng)很相似，為此，有必要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，做進(jìn)一步的研究。

(4)實(shí)驗(yàn)4。在柏各莊和西南莊主控?cái)鄬咏唤缣幮纬梢坏貕q;在柏各莊和西南莊主控?cái)鄬舆吔?，發(fā)育與之對(duì)應(yīng)的傾向北西的雁列式斷層;在砂箱左側(cè)擋板一側(cè)，形成傾向北東的雁列式斷層。在砂箱拉伸端一側(cè)發(fā)育傾向南東的斷層。

(5)實(shí)驗(yàn)5是實(shí)驗(yàn)3的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。在柏各莊和西南莊主控?cái)鄬舆吔缜熬壈l(fā)育一系列走向北東東、傾向北北西的雁列式斷層;在砂箱中部偏下位置，發(fā)育一系列走向近北東東、傾向近南南東的弧形斷層;在拉伸端一側(cè)，形成走向近北東東、傾向近南南西的弧形斷層(圖2)。

圖2 南東端拉伸(165°方向)模擬實(shí)驗(yàn)

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

5組實(shí)驗(yàn)對(duì)拉伸應(yīng)力方向影響因素逐一進(jìn)行了模擬，按照逐步逼近相似條件的方式來(lái)設(shè)計(jì)模型，最終的模型是綜合考慮各種影響因素進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬的，綜合所有模擬結(jié)果認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)5結(jié)果與被模擬對(duì)象相似程度最高(圖3)，具體表現(xiàn)在下列方面。

圖3 模擬結(jié)果與斷裂系統(tǒng)圖對(duì)比關(guān)系

(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥髠?cè)(用紅虛線繪制)代表西南莊構(gòu)造帶，其走向?yàn)?5°左右，與斷裂系統(tǒng)圖上的實(shí)際走向接近。

(2)模型右側(cè)(用紅虛線繪制)代表柏各莊構(gòu)造帶，其走向?yàn)楸蔽鳌蠔|向，與斷裂系統(tǒng)圖形態(tài)也比較相似。

(3)模擬出的近東西向弧形構(gòu)造帶與高北構(gòu)造帶的形態(tài)、走向都非常吻合。

(4)模擬出的高柳斷裂帶與斷裂系統(tǒng)圖上的形態(tài)，走向基本一致。

(5)高柳斷層與高北斷層內(nèi)部所發(fā)育的北東向斷層走向與斷裂系統(tǒng)圖相似。

6 結(jié)論

(1)高柳斷裂帶是在應(yīng)力場(chǎng)方向?yàn)?65°伸展作用下形成的，受先存柏各莊斷層左旋張扭和西南莊斷層右旋張扭作用共同控制。

(2)高北斷層與高柳斷層控制其內(nèi)部發(fā)育的北東向斷層，但斷層的傾向與地震剖面解釋結(jié)果不完全吻合，說(shuō)明高北斷層與高柳斷層可能晚于北東向斷層形成。

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